JP2015536044A - 半導体層の領域の分割方法およびオプトエレクトロニクス半導体チップ - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体層の領域を分割し、かつ、半導体層の上面側に光取出し構造を形成する方法に関し、光取出し構造は半導体層から光を取り出すために形成される。半導体層の上面側は、光取出し構造を形成するための第１開口部および半導体層に分割溝を形成するために設けられる少なくとも１つの第２開口部を有するマスクによって被覆される。エッチングによって、光取出し構造は、第１開口部の領域において半導体層の上面側に形成され、また同時に半導体層を貫通する分割溝を、第２開口部を介して半導体層に形成し、半導体層の領域は分割される。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体層の領域の分割方法、およびオプトエレクトロニクス半導体チップに関する。

特許文献１は、オプトエレクトロニクス半導体チップの半導体層にマスクを設けること、および半導体層の光取出し面に光取出し構造を導入することを開示する。マスクおよび光取出し構造導入後、当該マスクは除去され、また第２のマスクを用いて、同様にエッチングによって半導体層は個々の領域に分割され、その後分割された半導体層の領域から個々の半導体チップが製造される。

独国特許出願公開第１０２０１１０１０５０３号明細書

本発明の目的は、より単純かつより迅速な半導体層の領域の分割方法および半導体層に光取出し構造を導入する方法を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の方法および請求項１３に記載の半導体チップによって実現される。従属請求項においてさらなる有利な実施形態が特定される。

本明細書に記載の方法には、１つのマスクおよび１回の方法ステップのみで光取出し構造が半導体層に導入され、かつ同時に半導体層の少なくとも一領域が分割されるという利点がある。その結果、本明細書に記載の方法は、単純であり、費用対効果が高く、かつ迅速に実行することができる。先行技術とは対照的に、複数のマスクを使用し、かつ／または複数のエッチングを行う必要がない。一例として、本明細書に記載の方法を用いて、光を発生させる半導体層を有するオプトエレクトロニクス半導体チップが製造される。粗面化と、半導体チップの周囲への溝の導入（すなわちメサエッチング）とを同時に行うことによって、半導体チップの周囲に粗面化されていない縁部が得られる。このシャープなチップ縁部のおかげで、チップ縁部の欠陥または異物を最終工程の光学式検査でより容易にチェックすることができる。その結果、光学式検査の信頼性が向上する。

先行技術では、チップ縁部も粗面化されるため、チップ縁部は検査において非常にでこぼこに見える。そのため、自動検査での明確な画定可能な境界検出は困難になり得る。

一実施形態において、マスクは１回の方法ステップで設けられるため、均等な厚さとなる。

一発展形態では、ハードマスクを本発明のマスクとして使用する。ハードマスクは、製造が容易であり、費用対効果が高く、かつ光取出し構造の精確な構造化および半導体層の領域の分割を可能にする。

さらなる実施形態において、ハードマスクはレジストマスクである。

さらなる実施形態において、ガス状または液体のエッチング媒体をエッチャントとして使用する。ガス状または液体のエッチング媒体を使用することは既知の技術であり、高い費用対効果で本方法を実施可能にする。

さらなる実施形態において、本発明のエッチングは乾式エッチングである。

さらなる実施形態において、乾式エッチングにおいてプラズマを用いる。一例として、用いられるプラズマは、塩素プラズマを含む。

本明細書に記載の方法は、エピタキシャルに形成した半導体層に光取出し構造を導入するのに特に適している。一例として、エピタキシャル成長させた半導体層は、窒化ガリウム層として具現化することができる。

さらなる実施形態において、マスクの除去後、マスクに被覆されていた半導体層の領域に光取出し構造を設けるためにさらなる構造化ステップを行う。このように、光取り出し効率が向上する。

本発明の上記性質、特徴、および利点、ならびにそれらの実現方法は、図面に関連して詳細に説明される例示的な実施形態の下記記述に関連してさらに明らかとなり、またさらに明確に理解される。

図１は、第１方法ステップを示す模式図である。 図２は、第２方法ステップを示す模式図である。 図３は、マスクを設けた半導体層の模式的な平面図である。 図４は、半導体チップの模式図である。

図１は、半導体層２の模式的な断面図を示しており、半導体層２の上面側には、パターンを形成したマスク１が設けられている。図示のとおり、半導体層２をキャリア２０上に配置することができる。キャリア２０は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、またはＳｉＮを含むことができるか、またはＧｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、またはＳｉＮから構成される対応する層からなることができる。マスク１は、例えばハードマスクとして具現化される。ハードマスクは、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコンを含むことができる。さらに、ハードマスクは、レジストマスクとすることもできる。フォトレジストおよび対応するエッチング媒体を用いるリソグラフィ法によってマスクのパターン形成を行う。一例として、フッ化水素酸（ＨＦ）またはアンモニアによるバッファードフッ化水素酸を用いたエッチング工程をマスクのパターン形成またはマスク除去のために実施することができる。

半導体層２は、例えば上側第１ドープ半導体層３を含む。第２ドープ半導体層４が第１半導体層３に隣接させて設けられている。第１半導体層３をｎ型にドープすることができ、第２半導体層４をｐ型にドープすることができる。また、第１半導体層３をｐ型にドープすることができ、第２半導体層４をｎ型にドープすることができる。光を発生させるための活性領域５は、第１および第２半導体層３，４間の境界領域に形成される。選択される実施形態に応じて、活性領域５を形成するためのさらに複雑な層構造体を設けることもできる。特に、活性領域５は、ドーピングがそれぞれ異なる複数の層の積層体から形成され得る。半導体層２は、例えばオプトエレクトロニクス半導体層、特にＬＥＤ半導体チップを構成する。

パターンを形成したマスク１を第１半導体層３上に設ける。選択される実施形態に応じて、半導体層２は、他のまたは追加の層、特にミラー層を含むこともできる。

マスク１は、第１マスク要素１０および第２マスク要素１２を有する。第１マスク要素１０とさらなる第１マスク要素１０との間に、または第１マスク要素１０と第２マスク要素１２との間に第１開口部４０それぞれを設ける。第１開口部４０の幅、すなわち第１マスク要素１０とさらなる第１マスク要素１０との間、または第１マスク要素１０と第２マスク要素１２との間の第１距離１３は、第１範囲内にある。一例として、２つの第１マスク要素１０間、および、第１マスク要素１０と第２マスク要素１２との間の第１距離１３は長さにおいて同一である。第２マスク要素１２はいずれも、半導体層２の一領域の外周に配置される。第２マスク要素１２の幅は、例えば５μｍ〜１０μｍである。

各第１マスク要素１０の図１に示すＸ軸方向の幅は、同じ広さであることが好ましい。第２マスク要素１２のＸ軸方向の幅は、第１マスク要素１０のＸ軸方向の幅よりも広い。２つの第２マスク要素１２間に第２開口部４１が設けられている。第２開口部４１の第２の幅１４は、Ｘ軸において第１開口部４０の幅よりも広い。したがって、２つの近接する第２マスク要素１２同士の第２距離１４は、２つの近接する第１マスク要素１０同士の距離よりも長い。また、２つの近接する第２マスク要素１２同士の第２距離１４は、第１マスク要素１０から第２マスク要素１２の距離よりも長い。このように、第１距離１３は、第２距離１４よりも短い。エッチング工程の際に所望の切欠き部が半導体層２内に導入されるように、第１距離１３を定める。この切欠き部は、光取出し構造の一部を構成する。光取出し構造を導入するためのエッチング工程の際に同時に分割溝が半導体層２に導入されるように、第２距離１４は選択される。この分割溝は、半導体層２の厚さ方向全体に亘って延在する。第２距離を、例えば１．５〜２．５μｍとすることができる。第２距離１４の長さは、半導体層２の厚さおよび材料、および用いられるエッチング、特にエッチング媒体に応じて異なる。エッチング媒体を、例えば湿式化学エッチング用のＫＯＨまたはリン酸とすることができる。

図２は、エッチング工程を行なった後の図１の配置を示す。２つの第１マスク要素１０間と、第１マスク要素１０および第２マスク要素１２間とで、切欠き部１５がそれぞれ半導体層２内に導入される。さらに、２つの第２マスク要素１２間で、分割溝１６が半導体層２内に導入される。

切欠き部１５は、活性領域５で発生した光の取出しをサポートする境界面１７，１８を有する。分割溝１６は、半導体層２の厚さ方向全体に亘って延在する。半導体層２の平面において分割溝１６を閉じた環として具現化する場合、分割溝１６形成の結果として半導体層２の第１および第２領域１９，２０が分割される（すなわちメサエッチングが行われる）。分割溝１６によって半導体層の領域は分割され、その結果、ＬＥＤチップ等の半導体チップは分離される。キャリア２０を設ける場合、さらなるエッチングおよび／またはレーザー分割法によってキャリア２０の個々の領域を分割溝１６に沿って分割することができる。オプトエレクトロニクス半導体チップ、特に半導体層の一領域を有するＬＥＤを半導体層の領域分割後に製造することができる。

傾斜するように形成した境界面１７，１８は、半導体層２の外面で内部全反射される電磁放射の割合を減少させる。境界面１７，１８は、半導体層２の面に対して例えば３５°〜７５°、好ましくは５０°〜７０°の角度となる。具体的な角度は、ドープした第１半導体層３の結晶方位および化学的除去によって事前に設定される。エッチングの深さ、すなわち切欠き部１５の深さは、マイクロメートルの範囲内とすることができる。切欠き部１５は、錐体くぼみ部を有し得る。エッチングの深さがマイクロメートルの範囲内の場合および上記値の範囲の角度である場合に、切欠き部１５は、可視波長域、すなわち０．３μｍ〜約０．８μｍの波長の電磁放射の取出しに特に適した錐体形状となる。錐体切欠き部１５の底面の直径は、同様にマイクロメートルの範囲内である。このように直径は、電磁放射の波長よりも有意に長い。窒化ガリウムから構成される第１半導体層３の実施形態の場合、錐体切欠き部の底面は六角形である。マスク１の除去後、複数の分割された半導体チップを得ることができ、各半導体チップの中央領域は粗面化されている。粗面化された中央領域は、エッチング中は第２マスク要素１２によって被覆されていた平滑な、粗面化されていない縁部によって囲まれる。

さらなる実施形態では、マスク１をエッチングステップ後に除去し、次いで第１半導体層３の表面の露出させた領域をさらなるエッチングステップによって粗面化する。このように、第１エッチングステップにおいて被覆されていた領域にも光取出し構造を形成する。

半導体層は、エピタキシャル成長させた複数の層を有する層構造体として具現化することができる。この場合、個々の層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料からなることができる。一例として、半導体層のうちの１層はＧａＮ、ＧａＩｎＮ、またはＡｌＮをベースとして具現化することができる。さらに、ＩｎＧａＡｌＮをベースとして層を構成することができる。ＩｎＧａＡｌＮをベースとする層構造体としては、特に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）の材料を含む少なくとも１層の個別層を有するさまざまな個別層で構成される積層体を一般的に含むエピタキシャル成長により形成された層構造体が含まれる。ＩｎＧａＡｌＮをベースとする少なくとも１層の活性層または活性領域を含む層構造体は、例えば紫外線波長から緑色波長の範囲の電磁放射を発し得る。

代替または追加として、半導体層の各層をＩｎＧａＡｌＰベースとすることもできる。すなわち、層構造体は、さまざまな個別層を含むことが可能であり、個々の層のうちの少なくとも１層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）の材料を含む。ＩｎＧａＡｌＰをベースとする少なくとも１層の活性層または活性領域を含む層構造体は、例えば、好ましくは緑色波長から赤色波長の範囲内で１種または複数種のスペクトル成分を有する電磁放射を発し得る。

代替または追加として、半導体層の各層は他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系、例えばＡｌＧａＡｓをベースとする材料、またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料系を含むこともできる。特に、ＡｌＧａＡｓをベースとする材料を含む活性層は、赤色波長から赤外線波長の範囲で１種または複数種のスペクトル成分を有する電磁放射を発することに適し得る。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料系は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等の第ＩＩ族の少なくとも１種類の元素、およびＯ、Ｓ、Ｓｅ等の第ＶＩ族の元素を含み得る。特に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料系は、第ＩＩ族の少なくとも１種類の元素および第ＶＩ族の少なくとも１種類の元素を含む二元化合物、三元化合物、または四元化合物を含む。さらに、このような二元化合物、三元化合物、および四元化合物は、１種類または複数のドーパントおよび追加構成要素を含み得る。一例として、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料系としては、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＺｎＣｄＳ、ＭｇＢｅＯが挙げられる。

図３は、マスク１を設けた半導体層２の平面図を模式的に示す。マスク１は、複数のマスク領域３０の形態で具現化される。各マスク領域３０は半導体層２の一領域を被覆し、この各領域は次の半導体チップのエッチング工程によって分割される。図示される例示的な実施形態では、マスク１は、それぞれが同一のマスク領域３０を有する。各マスク領域３０は同一に具現化され、略長方形のマスク層を有し、マスク層のいずれにも１２箇所の第１開口部４０が導入される。図示される例示的な実施形態では、４箇所の第１開口部４０それぞれが互いに並んで配置されており、４箇所の第１開口部４０が３列設けられる。２つのマスク領域３０同士はいずれも、第２開口部４１によって互いに離間している。第２開口部４１は、直角に交わる帯状パターンを形成する。２つのマスク領域３０同士はいずれも、Ｘ軸およびＹ軸において互いに第２距離１４だけ離間する。Ｘ軸とＹ軸とは互いに直角を成しており、図３において模式的に示される。各第１開口部４０同士は、Ｘ方向およびＹ方向の両方向において第１距離１３だけ離間する。第２開口部４１によって実現されることとして、図２を参照して実行および説明されたエッチング工程時に分割溝が形成され、その結果、半導体層２はマスク領域３０同士の間で切断される（すなわち半導体層２の個々の半導体チップが分割される）。さらに、第１開口部４０それぞれを通して、対応する錐体カットアウ１５を半導体層２に導入する（すなわち半導体チップの中央領域を粗面化する）。中央領域は、平坦な、粗面化されていない領域によって囲まれる。図３において、図１の断面図に対応する断面線をＡ−Ａ線で示す。

選択される実施形態に応じてマスク１は別の構造であってもよく、この別の構造においては、光取出し構造をエッチングで導入する際に半導体層２の厚さ方向全体に亘る対応する外周分割溝１６が半導体層２に設けられるように、近接するマスク領域間の第２距離１４が選択される。

図４は、キャリア２０の模式図を示しており、キャリア２０上には本明細書に記載の方法に基づいて半導体層２から２つの半導体チップ２１を構成した。各半導体チップ２１は、縁部領域２２に囲まれる中央領域２３を上面側に有する。中央領域２３は、切欠き部１５の形態の光取出し構造を有し、この構造はマスクおよび第１開口部４０を用いて半導体層２の上面側に設けられた。このように中央領域２３は粗面化される。縁部領域２２は、エッチング工程の間、第２マスク要素１２であるエッチングマスクの外周縁部領域によって被覆されていたため、粗面化されていない。この効果として、より容易に平滑な縁部領域２２を粗面化した縁部領域２３から視覚的に区別できる。したがって、シャープなチップ縁部を視覚的に同定し、それによって容易に光学式検査を自動実施することができる。光学式検査は、例えば欠陥または異物の有無をチェックするために必要である。各半導体チップ２１は、エッチングで形成された外周縁部領域２４に囲まれる。縁部領域２４は、光取出し構造と同時にエッチングで形成された。

好ましい例示的な実施形態に基づき本発明をより詳細に例示し、記述してきたが、本発明は開示した例に限定されることはなく、当業者によって、他の変形例が本発明の保護範囲から逸脱することなく、開示した例から派生し得る。

本特許出願は、独国特許出願第１０２０１２２１７５２４．５号および第１０２０１２２２０９０９．３号の優先権を主張し、これらの開示内容は参照によって本明細書に援用される。

１ マスク
２ 半導体層
３ 第１半導体層
４ 第２半導体層
５ 活性領域
１０ 第１マスク要素
１２ 第２マスク要素
１３ 第１距離
１４ 第２距離
１５ 切欠き部
１６ 分割溝
１７ 第１境界面
１８ 第２境界面
２０ キャリア
２１ 半導体チップ
２２ 縁部領域
２３ 中央領域
２４ 縁部領域
３０ マスク領域
４０ 第１開口部
４１ 第２開口部
４２ 縁部

Claims (14)

1. 光を発生させる活性領域（５）を有する半導体層（２）の領域を分割し、かつ、前記半導体層（２）の上面側に光取出し構造（１５）を導入する方法であって、
   前記半導体層（２）から光を取り出すために前記光取出し構造（１５）を設け、
   前記半導体層（２）の前記上面側をマスク（１）で被覆し、
   前記マスク（１）は、前記光取出し構造（１５）を導入するための第１開口部（４０）を有し、
   前記マスク（１）は、少なくとも１つの第２開口部（４１）を有し、
   前記半導体層（２）の領域の周囲に分割溝（１６）を導入するために前記第２開口部（４１）を設け、
   エッチングによって前記第１開口部（４０）を介して前記半導体層（２）の前記上面側に同時に前記光取出し構造（１５）を導入し、
   前記分割溝（１６）が前記第２開口部（４１）の領域に前記半導体層（２）の厚さ方向全体に亘って同時に導入され、それにより前記半導体層（２）の領域が分割されるようなサイズの前記第２開口部（４１）を選択する方法。
2. 前記半導体層（２）の前記分割された領域は、平滑な粗面化されていない縁部（２２）によって囲まれる粗面化された中央領域（２３）を有する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第１開口部（４０）および前記第２開口部（４１）の前記領域の厚さが略同一のマスク（１，１０，１２）が使用される、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記マスク（１）としてハードマスクが使用される、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ハードマスクは、レジストマスクである、
   請求項４に記載の方法。
6. エッチャントとしてガス状または液体のエッチング媒体が使用される、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記エッチングは、乾式エッチングである、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記乾式エッチングにおいてプラズマが使用される、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記半導体層（２）は、少なくとも前記上面側にエピタキシャルに形成した層を含む、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記半導体層（２）は、少なくとも１層のＧａＮ層を含む、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記マスク（１，１０，１２）は除去され、
    前記半導体層の前記上面側の前記マスクに被覆されていた前記領域にも、さらなるエッチングステップにおいてエッチングにより前記光取出し構造（１５）が形成される、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記半導体層（２）の前記分割された領域は、半導体チップ（２１）、特にＬＥＤ半導体チップを構成する、
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 光を発生させる活性領域（５）を有する半導体層（２）と、
    光を取り出すための光取出し構造（１５，２３）と、
    エッチングで形成された外周縁部領域（２４）と、
    を有するオプトエレクトロニクス半導体チップであって、
    前記光取出し構造および前記外周縁部領域（２４）は、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法によって形成される、
    オプトエレクトロニクス半導体チップ。
14. 中央領域（２３）は、粗面化された前記光取出し構造（１５）を有し、
    前記中央領域（２３）は、粗面化されていない縁部領域（２２）によって囲まれる、
    請求項１３に記載の半導体チップ。

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