JP5329341B2

JP5329341B2 - 光半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP5329341B2
Application number: JP2009190099A
Authority: JP
Inventors: 紀子二瓶; 進一田中; 裕介横林
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: US20110042708A1; US8597969B2; JP2011044477A

Description

本発明は発光ダイオード（LED）等の光半導体装置及びその製造方法に関する。

従来の光半導体装置の製造方法（参照：特許文献１、２）として、成長基板たとえばサファイア基板上に少なくともｎ型層、活性層、ｐ型層よりなる半導体積層体をエピタキシャル成長させ、この半導体積層体のｐ型層上に１層以上の異なる金属層よりなる第１の金属積層体を一定の成膜レートで連続的に形成する。他方、支持基板上に１層以上の異なる金属層よりなる第２の金属積層体を一定の成膜レートで連続的に形成する。次いで、第１の金属積層体と第２の金属積層体とをいずれかまたは両方の表面に設けられた接着層を介して対向させて半導体積層体と支持基板とに対して加熱圧着によるウェハボンディングを行う。最後に、半導体積層体の成長基板をたとえばレーザリフトオフ法により除去する。

特開２００４−２６６２４０号公報特開２００４−２８１８６３号公報

しかしながら、上述の従来の光半導体装置の製造方法においては、製造時間を短くするために、半導体積層体上の第１の金属積層体の異なる金属層をたとえば5Å/s以上の高成膜レートで連続的に成長させると、これらの金属層は低密度つまり疎構造となる。この結果、これらの金属層間の密着性が悪くなり、従って、熱膨張係数差からウェハボンディング後にこれらの金属層が剥離するという課題がある。

尚、第１の金属積層体の異なる金属層として熱膨張係数差の小さい金属を選択すれば、上述の各金属層の剥離を抑止できるが、各金属層の選択自由度が減少する。すなわち、第１の金属積層体の各金属層は、支持基板との接合のみを目的とするのではなく、後述のごとく、オーミック接合、反射電極層の密着、共晶形成時の共晶金属の拡散防止等の目的を有するので、そもそも、選択自由度は大きくなく、その選択自由度がさらに減少することになる。

他方、上述の従来の光半導体装置の製造方法において、半導体積層体上の第１の金属積層体の異なる金属層をたとえば1Å/s以下の低成膜レートで連続的に成長させると、これらの金属層は高密度つまり密構造となる。この結果、これらの金属層間の密着性は良くなるが、金属層内部に熱膨張係数差から大きな残留熱応力が生じ、従って、ウェハボンディング後に反りが生じる。このような反りが生ずると、レーザの焦点が合わずレーザリフトオフによる成長基板の除去ができないという課題がある。この場合、さらに、製造時間が増大することになり、この結果、製造コストが上昇するという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光半導体装置は、少なくとも発光半導体層を含む半導体積層体と、半導体積層体上に形成された第１の金属積層体と、支持基板と、支持基板上に形成された第２の金属積層体とを具備し、第１の金属積層体及び第２の金属積層体の一方または両方の表面側に接着層が含有され、この接着層を加熱圧着させて共晶層を形成することにより半導体積層体と支持基板とが結合された光半導体装置において、第１の金属積層体は、半導体積層体と良好なオーミック接触する下地層と、下地層上に設けられ、下地層の材料と異なるAg、Al、Rhから選択された材料よりなる反射電極層と、反射電極層上に設けられ、Ti、Ni、W、Moから選択された材料よりなる第１の密着層と、第１の密着層上に設けられ、Pt層、WもしくはTa層及びPt層よりなる第１、第２及び第３のバリア層とを具備し、低成膜レートで成膜した高結晶粒度構造を密構造と定義し、低成膜レートより高い高成膜レートで成膜した高結晶粒度より低い低結晶粒度構造を疎構造と定義し、少なくとも各第１、第２及び第３のバリア層は同一金属材料よりなり密構造／疎構造／密構造の三重構造とされ、下地層、反射電極層、第１の密着層、第１、第２及び第３のバリア層及び接着層の各界面は密構造で形成され、第１の金属積層体の総膜厚においては、疎構造が密構造より多く、第１の金属積層体の総膜厚が1000Åを超える場合、第１の金属積層体の密構造の総膜厚は100Å以下とするものである。また、第２の金属積層体は、支持基板と良好なオーミック接触する中間電極層と、中間電極層上に設けられ、Tiよりなる第２の密着層と、第２の密着層上に設けられ、Ni、NiV、Ptから選択された材料よりなる第４のバリア層とを具備し、中間電極層、第２の密着層及び第４のバリア層の少なくとも１つは同一の金属材料よりなる密構造／疎構造／密構造の三重構造とされたものである。これにより、密構造により密着性が向上すると共に、ウェハボンディング後に密構造内に生じた残留熱応力はその内側の疎構造に移動して緩和され、ウェハボンディング後の反りを抑止する。尚、この密構造の存在によりすべてを疎構造にした場合より製造時間は増大するが、その増大時間は最小限である。

さらにまた、本発明に係る光半導体装置の製造方法は、成長基板上に少なくとも発光半導体層を含む半導体積層体を成長させる工程と、半導体積層体上に第１の金属積層体を形成する工程と、支持基板上に第２の金属積層体を形成する工程と、第１の金属積層体及び第２の金属積層体の一方または両方の表面側に含有する接着層を加熱圧着させて共晶層を形成することにより半導体積層体と支持基板とをウェハボンディングする工程と、ウェハボンディング工程後に成長基板を除去する工程とを具備し、第１の金属積層体は、半導体積層体と良好なオーミック接触する下地層と、下地層上に設けられ、下地層の材料と異なるAg、Al、Rhから選択された材料よりなる反射電極層と、反射電極層上に設けられ、Ti、Ni、W、Moから選択された材料よりなる第１の密着層と、第１の密着層上に設けられ、Pt層、WもしくはTa層及びPt層よりなる第１、第２及び第３のバリア層とを具備し、低成膜レートで成膜した高結晶粒度構造を密構造と定義し、低成膜レートより高い高成膜レートで成膜した高結晶粒度より低い低結晶粒度構造を疎構造と定義し、少なくとも各第１、第２及び第３のバリア層は同一金属材料よりなり密構造／疎構造／密構造の三重構造とされ、下地層、反射電極層、密着層、第１、第２及び第３のバリア層及び接着層の各界面は密構造で形成され、第１の金属積層体の総膜厚においては、疎構造が密構造より多く、第１の金属積層体の総膜厚が1000Åを超える場合、第１の金属積層体の密構造の総膜厚は100Å以下とする。また、第２の金属積層体は、支持基板と良好なオーミック接触する中間電極層と、中間電極層上に設けられ、Tiよりなる第２の密着層と、第２の密着層上に設けられ、Ni、NiV、Ptから選択された材料よりなる第４のバリア層とを具備し、中間電極層、第２の密着層及び第４のバリア層の少なくとも１つは同一の金属材料よりなる密構造／疎構造／密構造の三重構造とされたものである。

また、上述の成長基板はサファイア基板である。

本発明によれば、製造コストの上昇を最小限に、金属積層体の金属層の剥離を抑止できると共に、反りを抑止できる。

本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。図２の金属積層体及び接着層を示す拡大断面図である。本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。

図１、図２、図４〜図９は本発明に係る光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。

始めに、図１を参照すると、サファイア成長基板１０上に、ｎ型GaN層１１、発光層としての活性層１２及びｐ型GaN層１３を有機金属化学気相成長（MOCVD）法により順次エピタキシャル成長させる。活性層１２は多重量子井戸構造（MQW）、単一量子井戸構造（SQW）あるいは単層でもよい。ここで、ｎ型GaN層１１、活性層１２及びｐ型GaN層１３は半導体積層体Ｓを構成する。

次に、図２を参照すると、２層以上の異なる金属層、つまり下地層２１、反射電極層２２、密着層２３、バリア層２４、２５、２６及び接着層２７を抵抗加熱蒸着法あるいは電子ビーム（EB）蒸着法によって同一チャンバで連続的に形成する。ここで、金属層２１〜２６は金属積層体Ａ１を構成する。

下地層２１は、厚さ5〜30Åたとえば10ÅのPtよりなり、ｐ型GaN層１３と良好なオーミック接触する。

反射電極層２２は、厚さ500〜5000Åたとえば3000Åの高反射率のAgよりなる。尚、Agの代りに、Al、Rhでもよい。

密着層２３は、厚さ100〜2000Åたとえば1000ÅのTiよりなり、反射電極層２２とバリア層２４とを密着させるものであり、特に、反射電極層２２に対して高い密着性を有する。Tiの代りに、Ni、WもしくはMoでもよい。

バリア層２４、２５、２６のいずれも、共晶形成時に、接着層２７の成分が他の層へ拡散するのを防止する。ここで、バリア層２４は、厚さ500〜3000Åたとえば1000ÅのPtよりなり、バリア層２５は、厚さ1000〜5000Åたとえば2000ÅのWよりなり、バリア層２６は、厚さ100〜2000Åたとえば1000ÅのPtよりなる。特に、Wよりなるバリア層２５は硬くかつ厚いのでバリア層全体を強固にする作用もある。尚、バリア層２５はTaでもよい。

接着層２７は、厚さ1000〜5000Åたとえば2000ÅのAuよりなり、加熱圧着後は共晶層として作用する。

図３は図２の金属積層体A1の金属層２１〜２６、接着層２７の拡大断面図である。

図３に示すように、各金属層２２〜２６は密構造T1、疎構造C及び密構造T2の三重構造よりなる。

密構造T1、T2は高結晶粒度を有し、低成膜レートたとえば0.5〜1.0Å/sで抵抗加熱蒸着法あるいはEB蒸着法により成膜し、他方、疎構造Cは低結晶粒度を有し、高成膜レートたとえば5Å/s以上で抵抗加熱蒸着法あるいはEB蒸着法により成膜する。つまり、金属層２１〜２７の各界面においては、低成膜レートで成膜して密構造を形成し、その後、高成膜レートで成膜して疎構造を形成し、これらの低成膜レート、高成膜レートを繰返すことにより、密構造／疎構造／密構造の三重構造の金属層２２〜２６を形成する。尚、各金属層２２〜２６の密構造／疎構造／密構造の厚みの比はたとえばおおよそ10％／80％／10％であり（但し、金属層の総膜厚が1000Åを超える場合、密構造は100Å以下とする）、金属層２２〜２６の大部分は疎構造であるので、全体を疎構造とした場合に比較して製造時間の増大はそれ程大きくない。

尚、上述の金属層２１〜２７のうち、最内側の下地層２１は実際に10Å程度で非常に薄く、この結果、全体が低成膜レートで密構造となる。また、最外側の接着層２７は共晶形成のために密構造／疎構造／密構造の三重構造を必要としない。従って、上述の三重構造は金属層２２〜２６のみに適用されるが、下地層２１を厚く形成した場合には、下地層２１にも三重構造を適用する。また、特に、Wよりなる厚いバリア層２５において、三重構造にすることによる剥離及び反りの抑止の効果は大きい。

他方、図４を参照すると、抵抗加熱蒸着法あるいは電子ビーム蒸着法より、支持基板３０の一面に、２層以上の異なる金属層、つまり、中間電極層３１、密着層３２、バリア層３３及び接着層３４を同一チャンバで連続的に形成する。ここで、金属層３１、３２、３３は金属積層体A2を構成する。

支持基板３０は導電性かつ熱伝導性のたとえばSi、Al、Cu等よりなる。

中間電極層３１は支持基板３０のSi、Al、Cu等のオーミック金属層であり、厚さ1000〜3000Åたとえば2000ÅのPt、Au、Ni、Co、Rh等よりなる。尚、Si等との良好なオーミック接合のために窒素雰囲気下での合金化処理を適宜行う。

密着層３２は中間電極層３１とバリア層３３との密着性を高めるためのものであり、厚さ1000〜3000Åたとえば1500ÅのTiよりなる。

バリア層３３は共晶形成時に接着層３４の成分が密着層３２へ拡散するのを防止するものであり、厚さ500〜1500Åたとえば1000ÅのNi、NiV、Pt等よりなる。

接着層３４は厚さ3000〜30000ÅのAuSnたとえば厚さ6000Åである。組成は、接着層２７のAuSnと合わせてAu:Sn=80wt%:20wt%（=70at%:30at%）となるように構成され、加熱圧着後に共晶層として作用する。この場合、AuSnを主成分として適当な添加物を加えてもよく、また、AuまたはSnだけでもよい。

次に、図５を参照すると、半導体積層体S側に形成された接着層２７と支持基板３０側に形成された接着層３４とを加熱圧着して接合する。これにより、図６に示すように、半導体積層体Sと支持基板３０との間には、接着層２７、３４の加熱圧着によりAuSn共晶層４０が新たに形成されることになる。この場合、加熱圧着工程は、窒素雰囲気下の接合圧力約1MPaを接合温度330℃を10分間保持することにより行われる。このときに金属層内部の熱膨張係数差から生じる残留熱応力は疎構造によって緩和されて反りを防止する。尚、接合材料、接合時の雰囲気、接合温度及び接合時間は使用する共晶材料が溶融し、その特性に変化（例えば、酸化等による接合強度の劣化）を及ぼすことがなく、半導体積層体Sと支持基板３０とが接合されるのに十分な材料、雰囲気、接合温度及び接合時間であればよく、上記の材料、雰囲気、接合温度及び接合時間に限定するものではない。

次に、図７を参照すると、サファイア成長基板１０をレーザリフトオフ法により除去する。この場合、レーザリフトオフ法はレーザの焦点をサファイア成長基板１０と下地層１１との界面に合わせることにより行うが、本発明によれば、図７のウェハに反りがほとんど生じないので、このレーザの焦点合わせは容易にできる。従って、サファイア成長基板１０の除去を失敗することはほとんど無い。尚、基板除去の方法はレーザリフトオフに限らず他の既存の手法、例えば研削・研磨、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれか、またはそれらを組み合わせて用いることができる。

次に、図８を参照すると、抵抗加熱蒸着法、EB蒸着法を用いることにより、支持基板３０の裏面にオーミック接合する裏面電極層５１を形成し、次いで、ｎ型層１１上にオーミック接合するｎ側電極５２を形成し、次いで、ｎ側電極５２に接続されるAuよりなるボンディングパッド５３を形成する。次いで、窒素雰囲気下で約400℃のアニールにより良好なオーミック接合の合金化を行う。

次に、図９を参照すると、反応性イオンエッチング（RIE）により半導体積層体Sをチップ毎に分離する。

最後に、図示しないが、金属積層体A1、AuSn共晶層４０、金属積層体A2、支持基板３０及び裏面電極層５１をダイシングしてチップ毎に切断し、必要に応じて樹脂モールドする。

尚、上述の実施の形態においては、光半導体装置の半導体積層体S全体を樹脂モールドしているが、本発明は樹脂モールドしない場合にも同様に適用し得る。

また、上述の実施の形態においては、金属積層体A1の金属層２１〜２６のうち５層の金属層２２〜２６を密構造／疎構造／密構造の三重構造にしたが、金属層２２〜２６のうち少なくとも１層の金属層を三重構造にすればよい。この場合、特に、Wからなるバリア層を三重構造とすることが好ましい。Wからなるバリア層を三重構造とすることで、剥離や反りを効果的に抑制することができるためである。Wからなるバリア層は、十分なバリア効果を得るために1000Å以上の厚みで形成すると、Wが硬い金属であることも影響して、剥離や反りの主要因となりやすいと考えられるが、三重構造とすることにより、発生した内部応力を有効に緩和できたものと考える。

さらに、金属積層体A2の金属層３１〜３３の少なくとも１層を密構造／疎構造／密構造の三重構造とすることもできる。

さらにまた、接着層は金属積層体A1、A2の両方の表面側に含有されているが、金属積層体A1、A2の一方のみの表面側に含有されていてもよい。この場合、接着層はたとえばAuSnよりなる。

１０：サファイア成長基板
１１：ｎ型層
１２：活性層
１３：ｐ型層
２１：下地層
２２：反射電極層
２３：密着層
２４：バリア層
２５：バリア層
２６：バリア層
２７：接着層
３０：支持基板
３１：中間電極層
３２：密着層
３３：バリア層
３４：接着層
４０：AuSn共晶層
５１：裏面電極層
５２：ｎ側電極
５３：ボンディングパッド
S：半導体積層体
A1、A2：金属積層体
T1、T2：密構造
C：疎構造

Claims

少なくとも発光半導体層を含む半導体積層体と、
該半導体積層体上に形成された第１の金属積層体と、
支持基板と、
該支持基板上に形成された第２の金属積層体と
を具備し、
前記第１の金属積層体及び前記第２の金属積層体の一方または両方の表面側に接着層が含有され、
前記接着層を加熱圧着させて共晶層を形成することにより前記半導体積層体と前記支持基板とが結合され、
前記第１の金属積層体は、
前記半導体積層体と良好なオーミック接触する下地層と、
該下地層上に設けられ、該下地層の材料と異なるAg、Al、Rhから選択された材料よりなる反射電極層と、
該反射電極層上に設けられ、Ti、Ni、W、Moから選択された材料よりなる第１の密着層と、
該第１の密着層上に設けられ、Pt層、WもしくはTa層及びPt層よりなる第１、第２及び第３のバリア層と
を具備し、
低成膜レートで成膜した高結晶粒度構造を密構造と定義し、前記低成膜レートより高い高成膜レートで成膜した前記高結晶粒度より低い低結晶粒度構造を疎構造と定義し、
少なくとも前記各第１、第２及び第３のバリア層は同一金属材料よりなり前記密構造／前記疎構造／前記密構造の三重構造とされ、
前記下地層、前記反射電極層、前記第１の密着層、前記第１、第２及び第３のバリア層及び前記接着層の各界面は前記密構造で形成され、
前記第１の金属積層体の総膜厚においては、前記疎構造が前記密構造より多く、前記第１の金属積層体の総膜厚が1000Åを超える場合、前記第１の金属積層体の前記密構造の総膜厚は100Å以下とする光半導体装置。
前記第２の金属積層体は、
前記支持基板と良好なオーミック接触する中間電極層と、
該中間電極層上に設けられ、Tiよりなる第２の密着層と、
該第２の密着層上に設けられ、Ni、NiV、Ptから選択された材料よりなる第４のバリア層と
を具備し、
前記中間電極層、前記第２の密着層及び第４のバリア層の少なくとも１つは同一の金属材料よりなる前記密構造／前記疎構造／前記密構造の三重構造とされた請求項１に記載の光半導体装置。
成長基板上に少なくとも発光半導体層を含む半導体積層体を成長させる工程と、
該半導体積層体上に第１の金属積層体を形成する工程と、
支持基板上に第２の金属積層体を形成する工程と、
前記第１の金属積層体及び前記第２の金属積層体の一方または両方の表面側に含有する接着層を加熱圧着させて共晶層を形成することにより前記半導体積層体と前記支持基板とをウェハボンディングする工程と、
該ウェハボンディング工程後に前記成長基板を除去する工程と
を具備し、
前記第１の金属積層体は、
前記半導体積層体と良好なオーミック接触する下地層と、
該下地層上に設けられ、該下地層の材料と異なるAg、Al、Rhから選択された材料よりなる反射電極層と、
該反射電極層上に設けられ、Ti、Ni、W、Moから選択された材料よりなる第１の密着層と、
該第１の密着層上に設けられ、Pt層、WもしくはTa層及びPt層よりなる第１、第２及び第３のバリア層と
を具備し、
低成膜レートで成膜した高結晶粒度構造を密構造と定義し、前記低成膜レートより高い高成膜レートで成膜した前記高結晶粒度より低い低結晶粒度構造を疎構造と定義し、
少なくとも前記各第１、第２及び第３のバリア層は同一金属材料よりなり前記密構造／前記疎構造／前記密構造の三重構造とされ、
前記下地層、前記反射電極層、前記密着層、前記第１、第２及び第３のバリア層及び前記接着層の各界面は前記密構造で形成され、
前記第１の金属積層体の総膜厚においては、前記疎構造が前記密構造より多く、前記第１の金属積層体の総膜厚が1000Åを超える場合、前記第１の金属積層体の前記密構造の総膜厚は100Å以下とする光半導体装置の製造方法。
前記第２の金属積層体は、
前記支持基板と良好なオーミック接触する中間電極層と、
該中間電極層上に設けられ、Tiよりなる第２の密着層と、
該第２の密着層上に設けられ、Ni、NiV、Ptから選択された材料よりなる第４のバリア層と
を具備し、
前記中間電極層、前記第２の密着層及び第４のバリア層の少なくとも１つは同一の金属材料よりなる前記密構造／前記疎構造／前記密構造の三重構造とされた請求項３に記載の光半導体装置の製造方法。
前記第１の金属積層体及び前記第２の金属積層体の少なくとも１つの形成工程が、抵抗加熱蒸着法及び電子ビーム蒸着法の１つの成膜レートを調整することにより前記密構造／前記疎構造／前記密構造の三重構造を形成する工程を具備する請求項３または４に記載の光半導体装置の製造方法。
前記成長基板がサファイア基板である請求項３に記載の光半導体装置の製造方法。