JP2009176906A

JP2009176906A - 半導体装置

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Publication number: JP2009176906A
Application number: JP2008013268A
Authority: JP
Inventors: Yukio Shakuda; 幸男尺田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: JP5366409B2

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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が順に積層される。絶縁膜１２のコンタクトホールを介してボンディング用金属１３と電極は接続される。このボンディング用金属１３は、少なくとも隣接する２つ以上の前記半導体素子表面に渡って連続的に形成される。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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）。
特開２００６−１８６１９７号公報

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。

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。

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。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、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た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金属電極を少なくとも隣接する２つ以上の前記半導体素子表面に渡って連続的に形成したことを特徴とする半導体装置である。

また、請求項２記載の発明は、前記金属電極は、前記半導体素子の上面及び側面に渡って連続的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置である。

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。

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。

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。

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、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表すことができる。

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。

また、活性層５は、ＧａＮからなる障壁層と、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−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。

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、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２等がある。

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。

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ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２を膜厚１０００Å程度形成する。

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ＳｉＯ_２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。

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（Ｈ_２）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、ＮＨ_３（アンモニア）の流量については５００ｃｃ／分とした。このときのＮＨ_３／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ＳｉＯ_２の他に、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２等がある。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、ＭＯＣＶＤ装置において、成長温度を１０２０℃〜１０４０℃にし、ＮＨ_３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。

その後、ｎ型ドーパントガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）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。

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（ＮＨ_３）、ｐ型不純物Ｍｇのドーパント材料であるＣＰ_２Ｍｇ（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。

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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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（ＳｉＨ_４）を１０ｃｃ／分、Ｎ_２Ｏを５００ｃｃ／分供給して、ＳｉＯ_２を０．５μｍ〜２μｍ程度形成する。

次に、ｐ電極１０、ｎ電極９上のＳｉＯ_２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。

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（ＮＨ_３）、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（ＳｉＨ_４）、ｐ型にする場合のドーパントガスとしてのＣＰ_２Ｍｇ（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。

本発明の半導体装置の図３のＡ−Ａ断面構造の一例を示す図である。本発明の半導体装置の図３のＢ−Ｂ断面構造の一例を示す図である。本発明の半導体装置の平面図である。選択成長用マスクの形状例を示す図である。

符号の説明

１成長用基板
２ＡｌＮバッファ層
３アンドープＧａＮ層
４ｎ型ＧａＮ層
５活性層
６ｐ型ＧａＮ層
９ｎ電極
１０ｐ電極
１１選択成長用マスク
１３ボンディング用金属

Claims

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た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金属電極を少なくとも隣接する２つ以上の前記半導体素子表面に渡って連続的に形成したことを特徴とする半導体装置。
前記金属電極は、前記半導体素子の上面及び側面に渡って連続的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。