JP5366409B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分離溝を隔てて半導体素子が2次元状に多数形成された半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a large number of semiconductor elements are two-dimensionally formed with a separation groove therebetween.
従来から、基板上に複数の化合物半導体層を積層して形成した半導体発光素子が知られている。半導体発光素子の代表的なものとしてLED(Light Emitting Diode)が知られている。LEDは化合物半導体(GaAs、GaP、AlGaAs等)のpnまたはpinの接合を形成し、これに順方向電圧を印加することにより接合内部にキャリアを注入、その再結合の過程で生じる発光現象を利用したものである。このようなLEDは従来、GaAsやInPなどの単結晶基板上にGaAs、AlGaAs、InP、InGaAsPなどそれぞれの基板に格子整合した化合物半導体をLPE(liquid phase epitaxy)法、MOCVD(metal organic chemical vapordeposition)法、VPE(vapor phase epitaxy)法、MBE(molecular beam epitaxy)法などの結晶成長法を用いてエピタキシャル成長し、加工を施すことで製造される。 2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor light emitting element formed by laminating a plurality of compound semiconductor layers on a substrate is known. An LED (Light Emitting Diode) is known as a typical semiconductor light emitting device. An LED forms a pn or pin junction of a compound semiconductor (GaAs, GaP, AlGaAs, etc.), applies a forward voltage to the junction, injects carriers into the junction, and utilizes the light emission phenomenon that occurs during the recombination process. It is a thing. Conventionally, such an LED is obtained by combining a compound semiconductor lattice-matched to each substrate such as GaAs, AlGaAs, InP, and InGaAsP on a single crystal substrate such as GaAs or InP, a liquid phase epitaxy (LPE) method, or MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). It is manufactured by performing epitaxial growth using a crystal growth method such as the VPE method, VPE (vapor phase epitaxy) method, MBE (molecular beam epitaxy) method, etc., and processing.
また、近年では、窒化物半導体が、照明、バックライト等用の光源として使われる青色LED、多色化で使用されるLED、LD等に用いられている。窒化物半導体発光素子では、サファイア基板等の基板上に、MOCVD法等を用いて、pnまたはpinの接合を形成する。さらには、窒化物半導体によるトランジスタ等の素子を共通の基板上に分離溝を隔てて多数形成したデバイス等も提案されている。 In recent years, nitride semiconductors have been used for blue LEDs used as light sources for lighting, backlights, etc., LEDs used for multi-coloring, LDs, and the like. In a nitride semiconductor light emitting device, a pn or pin junction is formed on a substrate such as a sapphire substrate using MOCVD or the like. Furthermore, a device has also been proposed in which a large number of elements such as transistors made of nitride semiconductor are formed on a common substrate with separation grooves.
以上のように、半導体素子が形成されるが、この半導体素子を共通の基板上に多数形成して、2次元状に半導体素子を配置した半導体装置が作製されている。 As described above, a semiconductor element is formed. A semiconductor device in which a large number of semiconductor elements are formed on a common substrate and the semiconductor elements are arranged two-dimensionally is manufactured.
上記のように、複数の半導体素子を共通の基板上に形成する場合、互いに分離して形成される半導体素子には、p電極(正電極)とn電極(負電極)が形成される。これらは、相互に配線されるが、一方で、複数の半導体素子が作製された半導体装置には、外部から電力を供給しなければ、各半導体素子は作動しない。したがって、外部から電力を供給するためのワイヤーを半導体装置に接続する必要がある(例えば、特許文献1参照)。
従来、上記ワイヤーと接続するために、特定の1個の半導体素子上にワイヤーボンディング用金属を形成し、このワイヤーボンディング用金属とワイヤーとを接続していた。 Conventionally, in order to connect to the wire, a wire bonding metal is formed on one specific semiconductor element, and the wire bonding metal and the wire are connected.
しかし、ワイヤーボンディング用金属にワイヤーが接続されても、その後の組み立て工程や搬送時等に、ワイヤーに過大な力が加えられると、ワイヤーボンディング用金属の剥離が発生しやすく、取り扱いが容易ではなかった。 However, even if the wire is connected to the wire bonding metal, if excessive force is applied to the wire during the subsequent assembly process or transportation, the wire bonding metal is likely to be peeled off and not easy to handle. It was.
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、半導体素子が2次元状に多数形成された半導体装置で、ワイヤーボンディング用金属の剥離を防止することができる半導体装置を提供することを目的としている。 The present invention has been devised to solve the above-described problems, and provides a semiconductor device in which a large number of semiconductor elements are two-dimensionally formed and can prevent peeling of metal for wire bonding. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、基板上に分離溝を隔てて半導体素子が2次元状に複数形成され、前記複数の半導体素子の一部がワイヤーボンディング用として用いられる半導体装置であって、半導体装置に電力を供給するワイヤー接続用の第1のボンディング用金属を少なくとも隣接する2つ以上の前記半導体素子の表面全体を連続的に一体的に覆うように形成し、正極又は負極の電極に接続された1本の第1のワイヤーが前記第1のボンディング用金属にボンディングされており、
前記第1のボンディング用金属が形成された半導体素子とは別の隣接する少なくとも2つ以上の前記半導体素子の表面全体を連続的に一体的に覆うように第2のボンディング用金属を形成し、前記第1のワイヤーとは逆極性の電極に接続された1本の第2のワイヤーが前記第2のボンディング用金属にボンディングされていることを主要な特徴とする。
To achieve the above object, a semiconductor device of the present invention, a semiconductor in which a semiconductor element at a separation groove on the substrate formed with a plurality of 2-dimensional shape, a portion of the plurality of semiconductor elements are used for the wire bonding A device for forming a wire connecting first bonding metal for supplying power to a semiconductor device so as to continuously and integrally cover the entire surface of at least two adjacent semiconductor elements. Alternatively, one first wire connected to the negative electrode is bonded to the first bonding metal,
Forming a second bonding metal so as to continuously and integrally cover the entire surface of at least two or more adjacent semiconductor elements different from the semiconductor element on which the first bonding metal is formed; The main feature is that one second wire connected to an electrode having a polarity opposite to that of the first wire is bonded to the second bonding metal.
本発明の半導体装置によれば、基板上に分離溝を隔てて半導体素子が2次元状に多数形成されており、半導体装置に電力を供給するワイヤー接続用の金属電極を少なくとも2つ以上の半導体素子表面に渡って連続するように形成しているので、ワイヤーに過大な力が加わっても、従来と比較してワイヤー接続用の金属電極は容易には剥がれない。 According to the semiconductor device of the present invention, a large number of semiconductor elements are two-dimensionally formed on the substrate with a separation groove therebetween, and at least two or more semiconductor electrodes are connected to the wire for supplying power to the semiconductor device. Since it forms so that it may continue over the element surface, even if an excessive force is added to a wire, the metal electrode for wire connection will not be easily peeled compared with the past.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1、2は本発明の1枚のウエハからなる半導体装置を示す。図3は、本発明の半導体装置を上から見た平面図であり、わかりやすくするために、絶縁膜12を取り除いた状態で描いている。図3のA−A断面が図1に、B−B断面が図2に対応している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 show a semiconductor device comprising one wafer according to the present invention. FIG. 3 is a plan view of the semiconductor device of the present invention as viewed from above, and is drawn with the
本発明の半導体装置は、共通の基板上に半導体素子を2次元状に多数形成した構成となっている。半導体素子は、GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP等の半導体を用いて作製することができるが、本実施例では、窒化物半導体による発光素子を例にとり、説明することとする。 The semiconductor device of the present invention has a configuration in which a large number of semiconductor elements are two-dimensionally formed on a common substrate. The semiconductor element can be manufactured using a semiconductor such as GaAs, AlGaAs, InP, or InGaAsP. In this embodiment, a light-emitting element using a nitride semiconductor will be described as an example.
窒化物半導体は、既知のMOCVD法等によって形成する。ここで、窒化物半導体は、AlGaInN4元混晶を表し、いわゆるIII−V族窒化物半導体と呼ばれるもので、AlxGayInzN(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表すことができる。 The nitride semiconductor is formed by a known MOCVD method or the like. Here, the nitride semiconductor represents an AlGaInN quaternary mixed crystal and is called a so-called group III-V nitride semiconductor, and Al x Ga y In z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1).
成長用基板1上に選択成長用マスク11が形成され、選択成長用マスク11の一部が除去された領域にAlNバッファ層2が形成される。AlNバッファ層2上には、アンドープGaN層3、n型GaN層4、活性層5、p型GaN層6が順に積層されており、これらの各半導体層は、MOCVD法によって形成される。各半導体発光素子Dは、選択横方向成長と呼ばれる方法によって分離した状態に形成され、丁度、選択成長用マスク11の上部に、素子間を分離する分離溝が形成される。ここで、選択成長又は選択横方向成長(ELO:Epitaxial Lateral Overgrowth)は、転位を低減する方法として良く知られている。
A
また、活性層5は、GaNからなる障壁層と、InX1Ga1−X1N(0<X1)からなる井戸層との多重量子井戸構造で構成される。また、成長用基板1としてはサファイア基板等が用いられるが、その他にも六方晶構造(ウルツ鉱構造)を持つ基板であれば良い。また、アンドープGaN層3に替えてn型不純物SiドープGaN層で構成しても良い。
The
AlNバッファ層2〜p型GaN層6までを選択成長させるのであるが、選択成長用マスク11には、絶縁膜が用いられ、絶縁膜としては、SiO2、Si3N4、ZrO2等がある。
The
p型GaN層6からn型GaN層4の一部が露出するまでメサエッチングして、メサ領域が形成される。露出したn型GaN層4上にn電極(負電極)9が、p型GaN層6上にp電極(正電極)10が設けられる。p電極10はAl/Ni等の金属多層膜、n電極9もAl/Ni等で構成される。
Mesa etching is performed until a part of the n-type GaN layer 4 is exposed from the p-
p電極10及びn電極9の上面を除いて、各半導体発光素子の表面はすべて絶縁膜12で覆われている。絶縁膜12には、絶縁性が高いSiO2、Si3N4、ZrO2等が用いられる。絶縁膜12には、n電極9上及びp電極10上にコンタクトホールが設けられており、図示はしていないが、コンタクトホールを介して金属配線に接続されている。
Except for the upper surfaces of the p-
一方、図1の中央に2つ並んだ半導体発光素子、すなわち図3の点線で描かれた半導体発光素子は、ワイヤーボンディング用に用いられる半導体発光素子を示している。図1、2、3からわかるように、隣接する2つの半導体発光素子の表面全体と2つの半導体発光素子間における分離溝に渡って、連続して一体的にボンディング用金属13が形成されている。
On the other hand, two semiconductor light-emitting elements arranged in the center of FIG. 1, that is, the semiconductor light-emitting element drawn by a dotted line in FIG. 3, indicate a semiconductor light-emitting element used for wire bonding. As can be seen from FIGS. 1, 2, and 3, the bonding
ボンディング用金属13は、半導体素子の上面にある絶縁膜12上だけでなく、側面に存在する絶縁膜12上にかけても連続的に形成されており、1つの半導体素子を完全に覆い包むように形成される。次に、隣接する半導体素子との間に存在する選択成長用マスク11上を覆うようにして連続形成され、さらに、隣接する半導体素子の上面及び側面を完全に覆い包むように連続的、一体的に形成されている。
The bonding
また、絶縁膜12に設けられたコンタクトホールを介してボンディング用金属13とp電極10又はn電極9と電気的に接続される。ボンディング用金属13は、ワイヤー接続用の金属電極のことであり、Au(金)又はAl(アルミ)で構成され、その膜厚は8000Å(0.8μm)程度形成される。
In addition, the
そして、ボンディング用金属13の上部のいずれかの位置にワイヤーが図のようにハンダ等でボンディング接続される。このワイヤーからボンディング用金属13を介して電力が供給される。図1では、正電極側のワイヤーボンディング接続部分を示しているが、負電極側のワイヤーボンディング接続については、図1に示される正電極側のワイヤーボンディング用半導体発光素子とは、別の隣接する2つの半導体発光素子を選んでボンディング用金属を図1と同様に形成し、n電極9と接続すれば良い。
Then, the wire is bonded and connected to any position above the
また、正電極側及び負電極側のボンディング用金属を連続して一体的に形成するために必要な半導体素子の個数は、少なくとも2個必要であり、2以上の個数にすれば、さらに強度が増し、ボンディング用金属は剥がれにくくなる。以上のように、ワイヤー接続用の金属電極と半導体素子との接合面積を増やして、接合強度を高めている。 In addition, the number of semiconductor elements necessary for continuously and integrally forming the bonding metal on the positive electrode side and the negative electrode side is required, and if the number is 2 or more, the strength is further increased. In addition, the bonding metal becomes difficult to peel off. As described above, the bonding area is increased by increasing the bonding area between the metal electrode for wire connection and the semiconductor element.
図1、2、3に示すような半導体装置の製造方法を以下に説明する。まず、成長用基板1上に選択成長用マスク11を形成する。例えば、成長用基板1としてサファイア基板をMOCVD(有機金属化学気相成長)装置に入れ、水素ガスを流しながら、1050℃程度まで温度を上げ、サファイア基板をサーマルクリーニングする。その後、サファイア基板上に選択成長用マスク11として絶縁膜であるSiO2を形成する。スパッタパワー300W、スパッタ原子Arを20cc/分で供給し、圧力1Paの雰囲気中で20分スパッタを行ってサファイア基板上にSiO2を膜厚1000Å程度形成する。
A method for manufacturing a semiconductor device as shown in FIGS. First, a
次に、フォトリソグラフィー技術により所定のパターンにレジストをSiO2膜上に形成し、ドライエッチング、例えば、CF4ガスを圧力3Pa、パワー100Wでプラズマ状態にして供給し、エッチングを行う。 Next, a resist is formed on the SiO 2 film in a predetermined pattern by photolithography, and dry etching, for example, CF 4 gas is supplied in a plasma state at a pressure of 3 Pa and a power of 100 W to perform etching.
その後、AlNバッファ層2を成長させる。このAlNバッファ層2は、高温AlNバッファ層であり、温度900℃以上で(例えば900℃)、成長圧力は200Torrとし、キャリアガスとしては水素を用い、このキャリア水素(H2)の流量を14L/分とし、TMA(トリメチルアルミニウム)の流量については20cc/分、NH3(アンモニア)の流量については500cc/分とした。このときのNH3/TMAのモル比を計算すると、約2600となる。この成長条件下で膜厚30Åの高温AlNバッファ層2を形成する。なお、選択成長用マスク11として用いる絶縁膜には、上記SiO2の他に、Si3N4、ZrO2等がある。
Thereafter, the
このようにAlNバッファ層2を積層すると、AlNバッファ層2を薄く形成できるだけでなく、選択成長用マスク11上へは、AlNバッファ層2は堆積せずに、選択成長用マスク11の間を埋めるように形成される。
When the
ところで、図1、2、3のように、分離した半導体素子を形成するためには、横方向の成長レートよりも縦方向の成長レートを大きくしておく必要がある。このようにするために、選択成長用マスク11の開口部は絶縁膜の一部を除去して作製するのであるが、その開口部の形状が図4に示されている。
By the way, in order to form the separated semiconductor elements as shown in FIGS. 1, 2, and 3, it is necessary to make the growth rate in the vertical direction larger than the growth rate in the horizontal direction. For this purpose, the opening of the
図4(a)のように、六角形状の開口部11aを多数形成した選択成長用マスク11を用いる。このようにして、六角形状(六角錐台)の素子が得られる。窒化物半導体は、(0001)方位のウルツ鉱型(六方晶)の結晶構造を持ち、Ga原子又はN原子が成長表面方向になる結晶極性(c軸方向に成長)を有している。
As shown in FIG. 4A, a
したがって、成長用基板には、同じウルツ鉱型の結晶構造を有するサファイア基板等が用いられ、サファイア基板の主面がC面を有し、その主面に窒化物半導体が積層された場合は、すべてC面が成長表面方向となる。その場合、図4(a)の六角形状の開口部11aを有する選択成長用マスクであれば、六角形の一辺L1を成長用基板のM面(10−10)と平行に配置すれば、選択成長によって成長する結晶は、ほとんど縦方向方向に成長を行うので、分離した半導体層になる。 Therefore, a sapphire substrate or the like having the same wurtzite crystal structure is used as the growth substrate, and the main surface of the sapphire substrate has a C-plane, and a nitride semiconductor is stacked on the main surface. All C planes are in the growth surface direction. In this case, if the mask for selective growth having the hexagonal opening 11a shown in FIG. 4A is selected, the hexagonal side L1 is arranged in parallel with the M plane (10-10) of the growth substrate. Since the crystal grown by the growth grows almost in the vertical direction, it becomes a separated semiconductor layer.
一方、図4(b)の選択成長マスク11を用いる場合には、各開口部11bの一辺L2が、成長用基板のM面(10−10)と平行になるようにすることが必要である。この場合には、三角錐台の半導体素子が得られる。
On the other hand, when the
次に、MOCVD装置において、成長温度を1020℃〜1040℃にし、NH3とTMAのうち、TMAの供給を停止し、例えば、トリメチルガリウム(TMGa)を20μモル/分供給し、アンドープGaN層3を厚さ0.5μm程度積層する。 Next, in the MOCVD apparatus, the growth temperature is set to 1020 ° C. to 1040 ° C., the supply of TMA of NH 3 and TMA is stopped, for example, trimethylgallium (TMGa) is supplied at 20 μmol / min, and the undoped GaN layer 3 Are stacked to a thickness of about 0.5 μm.
その後、n型ドーパントガスとしてシラン(SiH4)を供給してn型GaN層4を膜厚4μm程度成長させる。次に、TMGa、シランの供給を停止し、アンモニアと水素の混合雰囲気中で基板温度を700℃〜800℃の間に下げて、トリエチルガリウム(TEGa)を20μモル/分供給して活性層5のアンドープGaN障壁層を積層し、トリメチルインジウム(TMIn)を200μモル/分供給してInGaN井戸層を積層する。そして、GaN障壁層とInGaN井戸層との繰り返しにより多重量子井戸構造とする。活性層5の膜厚は例えば0.1μm程度形成する。
Thereafter, silane (SiH 4 ) is supplied as an n-type dopant gas to grow the n-type GaN layer 4 with a thickness of about 4 μm. Next, the supply of TMGa and silane is stopped, the substrate temperature is lowered between 700 ° C. and 800 ° C. in a mixed atmosphere of ammonia and hydrogen, and triethylgallium (TEGa) is supplied at 20 μmol / min to obtain the
活性層5成長後、成長温度を1020℃〜1040℃に上昇させて、Ga原子の原料ガスであるトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原子の原料ガスであるアンモニア(NH3)、p型不純物Mgのドーパント材料であるCP2Mg(ビスシクロペンタジエチルマグネシウム)を供給し、p型不純物MgドープのGaN層6を膜厚約0.3μm成長させる。
After the
次に、p型GaN層6からn型GaN層4が露出するまでメサエッチングを行い、p型GaN層6上にp電極10が形成される。その後、絶縁膜12としてSiO2を0.5μm〜2μm程度、ウエハ上の表面全体に渡って堆積させる。ウエハ表面をSiO2で被覆するために、プラズマCVDが用いられ、パワー300W、成長温度400℃にして、シラン(SiH4)を10cc/分、N2Oを500cc/分供給して、SiO2を0.5μm〜2μm程度形成する。
Next, mesa etching is performed until the n-type GaN layer 4 is exposed from the p-
次に、p電極10、n電極9上のSiO2をエッチングにより除去してコンタクトホールを形成する。、ワイヤー接続用の金属電極を形成するための隣接する半導体素子を少なくとも2つ選択し、これらにボンディング用金属13を分離溝も埋まるように連続的に一体的に形成する。ボンディング用金属13上のいずれかの位置に電力供給用のワイヤーをボンディング接続する。
Next, SiO 2 on the p-
なお、各半導体層の製造については、キャリアガスの水素又は窒素とともに、トリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMIn)などの各半導体層の成分に対応する反応ガス、n型にする場合のドーパントガスとしてのシラン(SiH4)、p型にする場合のドーパントガスとしてのCP2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)等の必要なガスを供給して、700℃〜1200℃程度の範囲で順次成長させることにより、所望の組成で、所望の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成することができる。
Note that the manufacturing of each semiconductor layer, along with hydrogen or nitrogen carrier gas, triethylgallium (TEGa), trimethyl gallium (TMG), ammonia (NH 3), trimethyl aluminum (TMA), each of such trimethyl indium (TMIn) Reaction gas corresponding to the components of the semiconductor layer, silane (SiH 4 ) as a dopant gas for n-type, CP 2 Mg (cyclopentadienylmagnesium) as a dopant gas for p-type By supplying a gas and sequentially growing it in the range of about 700 ° C. to 1200 ° C., a semiconductor layer having a desired conductivity and a desired composition can be formed to a required thickness.
1 成長用基板
2 AlNバッファ層
3 アンドープGaN層
4 n型GaN層
5 活性層
6 p型GaN層
9 n電極
10 p電極
11 選択成長用マスク
13 ボンディング用金属
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
半導体装置に電力を供給するワイヤー接続用の第1のボンディング用金属を少なくとも隣接する2つ以上の前記半導体素子の表面全体を連続的に一体的に覆うように形成し、正極又は負極の電極に接続された1本の第1のワイヤーが前記第1のボンディング用金属にボンディングされており、前記第1のボンディング用金属が形成された半導体素子とは別の隣接する少なくとも2つ以上の前記半導体素子の表面全体を連続的に一体的に覆うように第2のボンディング用金属を形成し、前記第1のワイヤーとは逆極性の電極に接続された1本の第2のワイヤーが前記第2のボンディング用金属にボンディングされていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element at a separation groove on the substrate formed with a plurality of 2-dimensional shape, a portion of the plurality of semiconductor devices is a semiconductor device used for the wire bonding,
A wire-bonding first bonding metal for supplying power to the semiconductor device is formed so as to continuously and integrally cover the entire surface of at least two adjacent semiconductor elements, and is used as a positive electrode or a negative electrode. One connected first wire is bonded to the first bonding metal, and at least two or more adjacent semiconductors different from the semiconductor element on which the first bonding metal is formed A second bonding metal is formed so as to continuously and integrally cover the entire surface of the element, and one second wire connected to an electrode having a polarity opposite to that of the first wire is the second wire. A semiconductor device characterized by being bonded to a bonding metal.
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