JP3863569B2 - Ｍｏｖｐｅ層の列を有する半導体基体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、以下のような少なくとも１つの半導体基体の製造方法に関する。すなわちこの半導体基体の場合、基体ウェハ上に有機金属気相エピタキシャル成長により、少なくとも１つの活性領域を有する層の列が被着され、この層の列に少なくとも１つのメサ形トレンチが設けられる。本発明はたとえば、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）を用いてメサ形構造をもつ発行ダイオードチップを製造する方法に関連する。
ＭＯＶＰＥ発光ダイオードチップの製造方法は、たとえばアメリカ合衆国特許US 5,233,204により公知である。この場合、ＧａＡｓ基板ウェハ上に金属有機気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）を用いて、ｎ形の第１のＩｎＧａＡｌＰ境界層、ｎ形のＩｎＧａＡｌＰ活性層、ならびにｐ形の第２のＩｎＧａＡｌＰ境界層から成るヘテロ構造が析出される。さらに第２のＩｎＧａＡｌＰ境界層の上にエピタキシャル成長により、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰまたはＧａＰから成る窓層が被着される。ついで基板ウェハ下側に下側コンタクト金属化部が被着され、窓層の上側には複数の上側コンタクト金属化部が被着される。この方法により、製造された半導体ウェハは続いて、鋸挽きや研磨切断によりばらばらにされ個々の発光ダイオードチップが形成される。
発光ダイオードチップの場合、窓層の役割はまず第１に、横方向の電流伝播ができるかぎりｐｎ接合部横断面全体にわたり得られるようにすることであり、第２に、光の出力結合に利用できる発光ダイオードチップ表面を広くすることである。この場合、上側コンタクトにより覆われた半導体基体平面と覆われていない半導体基体表面との比が増大する。しかし、活性領域において生じるビームは、発光ダイオードチップ表面における全反射により依然として大部分が失われる。
しかも、半導体ウェハの鋸挽きや研磨切断によりエピタキシャル層の側面に損傷個所が発生し、これは殊にＬＥＤチップの老化（時間がたつにつれてＬＥＤの輝度が劣化する）の速まる原因となる。
ドイツ連邦共和国特許出願DE 43 05 296 A1により、基板部材の上にエピタキシャル成長により被着された層の列において、ビーム出力改善のため化学的ウェットエッチングによりメサ形トレンチを形成するようにした発光ダイオードの製造方法が公知である。
しかし、この種の化学的ウェットエッチング方式によると、ＭＯＶＰＥにより製造された発光ダイオードチップの場合には、ＭＯＶＰＥ層の列において選択性エッチングが生じることになる。これによりいわゆる”きのこ状”構造が生じてしまい、このような構造はプラスチックパッケージの設けられた半導体チップの場合、機械的応力に起因してやはり老化（時間がたつにつれて電気的特性が劣化する）の加速する原因となる。
アメリカ合衆国特許US 5,309,001にはメサ形構造をもつＭＯＶＰＥ発光ダイオードチップについて記述されており、これは化学的ウェットエッチングあるいは反応性イオンビームエッチングにより製造される。しかしこの種のダイオードの外部の量子効率は、依然として非常に低いままである。
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法において、老化の抑えられた半導体基体を製造できるように構成することにある。
さらに本発明の課題は、活性層に生じるビームが半導体基体からいっそう良好に出力結合されるようにしたＭＯＶＰＥ発光ダイオードチップを製造することのできる方法を提供することにある。
この課題は、請求項１の特徴を備えた方法により解決される。請求項２〜請求項１０には、本発明による方法の有利な実施形態が示されている。
本発明によれば、基板ウェハ上に有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）により、少なくとも１つの活性領域をもつ層列が被着される。活性領域はたとえば発光ダイオードチップまたはホトダイオードチップの場合、電流が加わったときに発光するように、および／または受光すると電圧を発生するように形成されている。層列に対しドライエッチングにより少なくとも１つのメサ形トレンチが設けられ、その際、ドライエッチング中、エッチング深さが増すにつれて水平方向エッチングレートに対する垂直方向エッチングレートの比が高まるよう、エッチングパラメータが変えられる。その結果、半導体基体の外側から見ると凹面状に湾曲した少なくとも１つの側面をもつ半導体基体が形成される。
この場合、エッチング中、水平方向エッチングレートに対する垂直方向エッチングレートの比を高めるために有利には、エッチングガス混合物における種々のガスの濃度が変えられる。
実質的にＧａＡｓ、ＧａＰまたはＧａＮあるいはこれらの化合物半導体とＡｌおよび／またはＩｎとの少なくとも１つの合成物を有する半導体基体に、メサ形トレンチをエッチングするために有利には、少なくとも塩素と四塩化ケイ素または少なくとも塩素と三塩化ホウ素を有するエッチングガス混合物が用いられる。四塩化ケイ素、三塩化ホウ素および塩素というガスのうちただ１つのガスしか含まない従来のエッチングガス混合物と比べて、四塩化ケイ素や三塩化ホウ素という成分のうち少なくとも１つと塩素を添加することで、エッチングレートが著しく高められる。また、エッチングガス混合物中の塩素濃度を変化させることにより、エッチングレートをその場的に変えることができ、これにより任意のエッチング角度の設定が可能となる。本発明によれば、エッチング深さが増すにつれてエッチングガス混合物中の塩素濃度を低下させると、凹面状に湾曲した内面をもつメサ形トレンチが形成される。
有利にはこのメサ形トレンチは、活性領域が分離される深さでＭＯＶＰＥ層列を抉ってエッチングされる。次に、このような複合体が個別化されて、少なくとも１つのメサ形側面をもつ個々の半導体基体が形成される。
ドライエッチングの場合、ＭＯＶＰＥ層列の選択性エッチングは生じない。これにより、機械的負荷ひいては半導体基体の老化の加速を引き起こすような”きのこ”状の構造は生じない。
さらに、本発明の方法に従って製造された半導体基体の場合、活性領域の側面たとえば発光用および／または受光用のｐｎ接合部は有利には、鋸挽きまたは研磨切断により製造される半導体基体の場合よりも著しく僅かな損傷しか生じない。
本発明による方法の別の利点として、さらに以下のことを挙げることができる。すなわち、発光用半導体基体の事例について述べれば、半導体基体の側面が湾曲していること（メサ形の湾曲）により、活性領域に生じる光に関して従来技術により製造された側面の平坦な半導体基体よりも多くの成分が、全反射の臨界角よりも小さい角度で半導体基体と周囲の媒体（たとえば空気やプラスチックなど）の境界に当たるようになる。それゆえ僅かな光しか半導体基体中へ反射して戻らず、したがって光学的な効率が高まる。
殊に有利であるのは、本発明による方法を用いることでメサ形エッチングにおいてすでに互いに分離された活性領域の複数の部分が生じることであり、その際、基板ウェハは完全にはエッチングされないことから、それらの部分は上下に機械的に結合されている。このことで、ウェハ複合体において互いに分離されている複数の活性領域に対する機能測定を行うことができ、その後ではじめて基板ウェハをたとえば鋸挽きなどによって、互いに分離された半導体基体として最終的に個別化することができる。
このため有利なことに、ウェハ複合体における完全にエッチングされた複数のｐｎ接合部を、ウェハプローブによって１００％測定することができる。
本発明による方法の有利な実施形態の場合、ウェハ基板は実質的にＧａＡｓから成る。
殊に有利には本発明による方法は、ＩｎＧａＡｌＰから成る１つまたは複数の半導体層を備えた層列を有する半導体基体に適用できる。というのも、この種の半導体層は、従来のように鋸挽きにより複合体を分離した後では、それらの側面にかなりの損傷を有するからである。１つの有利な実施形態によれば上記の層列は、ｎ形の第１のＩｎＧａＡｌＰ境界層と、ｎ形のＩｎＧａＡｌＰ活性層と、ｎ形の第２のＩｎＧａＡｌＰ境界層を有している。
発光用および／または受光用半導体基体を製造するための本発明による方法の有利な実施形態によれば、上記の層列の上に、たとえば活性領域から発せられる光および／または活性領域により受け取られる光に対し透過性の半導体材料から成る窓層を形成する。
さらにこの実施形態の発展形態によれば上記の窓層を、層列よりも高い導電率の材料によって形成する。
その際、窓層の厚みを、冒頭で述べたすでに公知の半導体基体の窓層よりも有利には著しく抑えることができ、たとえば１０〜６０μｍにすることができる。その理由は、本発明に従って製造された半導体基体の側面はメサ形に湾曲しているので、全反射の臨界角よりも小さい角度で半導体基体と周囲の媒体（たとえば空気やプラスチック）との境界へ、活性領域に生じる光のうちの著しく多くの成分が投射されることによる。
本発明による方法の１つの有利な実施形態によれば、層列上にＧａＰまたはＡｌＧａＡｓから成る窓層が被着される。
本発明による方法のさらに別の有利な実施形態によれば、ドライエッチングにより半導体基体側面に毛羽立てられた部分が形成される。有利にはこれらの部分によって、発光用半導体基体の事例について述べれば光の出力結合が改善される。なぜならばこのことによっても、活性領域から送出されるビームのうち全反射の臨界角よりも小さい角度で半導体基体と周囲の媒体との間の境界へ投射される成分が、さらに増大するからである。
本発明による方法の１つの有利な実施形態によればメサ形トレンチの配置は、半導体基体のすべての側面がメサ形の湾曲を有するように選定される。
しかも、プラスチックカバーを備えた半導体基体の場合には上述の毛羽立ち部分によって、プラスチックカバーと半導体基体との間の固着作用が改善されることになる。そしてこのことで、半導体基体とプラスチックカバーとの間において剥離の生じるリスクが低減される。
有利には本発明による方法によれば、光学的な効率が約７０％付近にある発光用および／または受光用の半導体基体を製造できる。
さらにまた、本発明による方法はＭＯＶＰＥによる層の列を備えた半導体ウェハに対してだけでなく、他の何らかの析出法（たとえば液相エピタキシャル成長、ＣＶＤまたはＭＢＥなど）に従って製造された半導体ウェハにも適用できることである。
ｎ形の第１のＩｎＧａＡｌＰ境界層と、ｎ形のＩｎＧａｌＰ活性層とｎ形の第２のＩｎＧａＡｌＰ境界層とを備えた層列の場合、エッチングガス混合物は有利には、Ｃｌ₂およびＢＣｌ₃またはＣｌ₂およびＳｉＣｌ₄を含んでいる。この場合、水平方向エッチングレートに対し垂直方向エッチングレートの比を高めるため、メサ形トレンチのエッチング中、エッチングガス混合物におけるＣｌ₂の濃度を変化させる。
次に、図１〜図４を参照しながら３つの実施例に基づき本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明による方法の第１の実施例の流れを描いた図である。
図２は、本発明による方法の第２の実施例に従って製造された半導体基体を描いた図である。
図３は、本発明による方法の第３の実施例に従って製造された半導体基体を描いた図である。
図４は、本発明による方法に従って製造された半導体ウェハの一部分を示す平面図である。
これら種々の図面において、同じ構成要素には同じ参照符号が付されている。
図１に示されている方法によればまず最初に、たとえばＧａＡｓから成る基板ウェハ２上に、有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）により層の列が被着される。これらの層の列はたとえばＩｎＧａＡｓＰから成り、活性領域１７を有している。活性領域１７は、たとえば発光ダイオードのｐｎ接合部である。この場合、層列３はたとえばｎ形のＩｎＧａＡｌＰエピタキシャル層１５とｐ形のＩｎＧａＡｌＰエピタキシャル層１６である。
活性領域１７は次のように構成されている。すなわち、電流が加わったときに発光するように、および／または受光すると電圧を発生するように構成されている。このような活性領域およびそれに関連する製造方法は当業者に周知であり、したがってそれらについてはここではこれ以上詳しく説明しない。
次に層列３の上に、たとえば有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）または液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）により、たとえばＧａＰまたはＡｌＧａＡｓから成る窓層４が被着される。この半導体材料は、ＩｎＧａＡｌＰよりも大きなバンドギャップを有しており、それゆえ活性領域から発せられる光および／または受光される光に対し透過性である。
これに続いて、基板ウェハ２の下側１３に第１のコンタクト金属化部８が被着され、さらに窓層４の上側１４に複数の第２のコンタクト金属化部９が被着される。これらはたとえば、半導体技術において利用されている慣用の金属コンタクト材料から成る。
次のステップとして、必要に応じてたとえば金属、酸化物または有機ラッカーからなるメサ形マスクを、窓層４の上側１４と第２のコンタクト金属化部９に被着した後、ドライエッチング（矢印１０で示唆）により、湾曲したメサ形側面６をもつ複数のメサ形トレンチ５がエッチングされ、基板ウェハ２、層列３、窓層４ならびに第１および第２のコンタクト金属化部８，９から成る複合体が形成される。
ドライエッチング１０中、エッチング深さが増すにつれて水平方向エッチングレートに対する垂直方向エッチングレートの比が高まるよう、エッチングパラメータが変えられる。その結果、湾曲したメサ形側面が生じる。このメサ形トレンチ５の深さは、窓層４と層列３が完全に分離され、基板ウェハ２が少しだけエッチングされるように選定される。
ドライエッチング法としてたとえば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ、Reactive Ion Etching）、プラズマエッチング、あるいは当業者に適切であると知られている他のドライエッチング法を使用することができる。
ＲＩＥのためのエッチングガス混合物としてたとえば、ＣＨ₄／Ａｒ／Ｈ₂／Ｃｌ₂／ＢＣｌ₃またはＣＨ₄／Ａｒ／Ｈ₂／Ｃｌ₂／ＳｉＣｌ₄が用いられる。その際、水平方向エッチングレートに対する垂直方向エッチングレートの比を高めるために、エッチング１０中、エッチングガス混合物中のＣｌ₂の濃度を変化させる。
次に、基板ウェハ２と第１のコンタクト金属化部８が、メサ形トレンチ５のところで破線１１により示されたカットラインに沿ってたとえば研磨切断により、メサ形側面６をもつ発光用および／または受光用の個々の半導体基体１に個別化される。
メサ形トレンチ５の配置はたとえば、半導体基体１が図４に示されているように４つの側面すべてにおいてメサ形湾曲部をもつように選定できる。この目的でメサ形トレンチは、たとえば四角形の網目パターン１８で配置される。半導体ウェハはメサトレンチ５のエッチング後、その部分でカットライン１１に沿って分離され、これによってメサ形側面６をもつ複数の半導体基体１に個別化される。
上述の方法によれば、半導体基体１の外側から見ると少なくとも１つの凹面状の側面６をもつ半導体基体１が製造される。
図２の半導体基体１が図１の半導体基体と異なる点は、図２のものにはメサ形側面６に毛羽立てられた部分１２が設けられていることである。このような毛羽立ち部分１２はメサ形トレンチ５のエッチングにあたり、たとえばドライエッチングパラメータを適切に設定することにより生じさせることができる。毛羽立ち部分１２の深さは、たとえば５０〜３００μｍとすることができる。その他の点では、この種の半導体基体を多数製造する方法と図１に関連して述べた方法との間に相違点はない。
なお、窓層４のない半導体基体１の製造にも上述の方法を適用できることはいうまでもない。そのような半導体基体１であれば、たとえば図３に示されているように第２のコンタクト金属化部９が層列３にじかに被着される。その以外の方法は、上述の方法と同じようにして進行する。

Claims (10)

1. 基板ウェハ（２）上に有機金属気相エピタキシャル成長により、少なくとも１つの活性領域（１７）をもつ層列（３）が被着され、該層列（３）には少なくとも１つのメサ形トレンチ（５）が設けられている、
   少なくとも１つの半導体基体（１）の製造方法において、
   メサ形トレンチをドライエッチング（１０）により製造し、
   該ドライエッチング（１０）中、エッチングの深さが増すにつれて水平方向エッチングレートに対する垂直方向エッチングレートの比が高まるよう、エッチングパラメータを変化させ、
   半導体基体（１）の外側から見ると凹面状に湾曲した少なくとも１つの側面（６）をもつ半導体基体（１）を形成し、
   ドライエッチング（１０）中、水平方向エッチングレートに対する垂直方向エッチングレートの比を高めるため、エッチングガス混合物におけるガスの濃度を変化させ、
   前記半導体基体（１）は実質的に、ＧａＡｓ，ＧａｐまたはＧａＮ、あるいはこれらの化合物半導体とＡｌおよび／またはＩｎとの少なくとも１つの合成物を有しており、少なくとも塩素および四塩化ケイ素または少なくとも塩素および三塩化ホウ素を有するエッチングガス混合物を用い、該エッチングガス混合物中の塩素濃度をエッチング（１０）中、変化させることを特徴とする、
   半導体基体の製造方法。
2. ドライエッチング（１０）により前記層列（３）における活性領域（１７）を分離し、次に、基板ウェハ（２）と層列（３）から成る複合体を、少なくとも１つのメサ形側面（６）をもつ少なくとも１つの半導体基体（１）が形成されるように分離する、請求項１記載の方法。
3. 前記半導体基体（１）は、発光用および／または受光用の活性領域（１７）をもち発光および／または受光を行う半導体基体である、請求項１または２記載の方法。
4. ドライエッチングの前に層列（３）の上に窓層（４）を製造し、該窓層は送出される光および／または受光される光に対し透過性である、請求項３記載の方法。
5. 前記基板ウェハ（２）は実質的にＧａＡｓから成る、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記層列（３）は、ＩｎＧａＡｌＰから成る少なくとも１つの半導体層を有する、請求項１〜５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記層列（３）は、ｎ形のＩｎＧａＡｌＰエピタキシャル層（１５）とｐ形のＩｎＧａＡｌＰエピタキシャル層（１６）を有し、これらの層（１５，１６）により、発光ダイオードの活性層（１７）を成すｐｎ接合部を形成する、請求項６記載の方法。
8. 前記窓層（４）は実質的にＧａＰまたはＡｌＧａＡｓから成る、請求項４または５〜７のいずれか１項記載の方法。
9. ドライエッチングによりメサ形トレンチ（６）の毛羽立ち部分（１２）を形成する、請求項１〜８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記メサ形トレンチ（５）を、半導体基体（１）がすべての側面においてメサ形側面（６）をもつよう配置する、請求項１〜９のいずれか１項記載の方法。

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