JP2010225756A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ZnO系結晶等の比較的モース硬度の低いウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体装置をウエハ状態からチップ状態に個片化する際にチッピングや不正劈開の発生を防止して、高歩留りで素子分離を行うことができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】
ウルツ鉱型の結晶構造を有し、少なくとも−c面側の主面である第1基板主面に対して結晶c面がa軸の回りに所定角度傾いたc面オフ基板を用意する。c面オフ基板の+c面側の主面である第2基板主面上に半導体層を形成する。第1基板主面を、a軸と直交するm軸に沿った第1スクライブラインの各々に沿ってスクライブする。このとき、結晶c面の第1基板主面に対する傾きの方向に対応した方向にスクライブする。第1基板主面を、a軸に沿った第2スクライブラインの各々に沿ってスクライブする。
【選択図】図3

Description

本発明は半導体装置に関し、ウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
半導体発光素子を構成する結晶構造には、大きく分けて立方晶である閃亜鉛鉱型構造と六方晶であるウルツ鉱型構造の2種類がある。閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体結晶には、GaAs系とGaP系結晶があり、其々GaAlAs−LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)とAlGaInP−LEDとして既に実用化されて久しい。閃亜鉛鉱型構造の化合物半導体発光素子は、一般的には{100}面を主面とした基板に、n型半導体層、発光層、p型半導体層を積層し、電極等を付けた後に{110}面で矩形状に素子分離し、個々の発光素子を得る。閃亜鉛鉱型構造の結晶は、{110}面での劈開性が非常に良好であり容易に素子分離できる。
一方、ウルツ鉱型構造の化合物半導体結晶には、GaN系およびZnO系等があり、例えばInGaN−LEDは、青色、緑色、白色LEDとして実用化されている。ウルツ鉱型構造の化合物半導体結晶を含む発光素子は、一般的に{0001}面を主面としたc面基板に、n型半導体層、発光層、p型半導体層を積層し、電極等を付けた後に{11−20}面(a面)およびこれと直交する{10−10}面(m面)に沿って素子分離し、発光素子を個片化する。ところが、ウルツ鉱型構造の結晶は{11−20}面(a面)および{10−10}面(m面)での劈開性が悪く、素子分離が容易ではない。このため、数多くの素子分離方法が検討されている。
特許文献1および特許文献2には、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した半導体発光素子の素子分離方法が示されている。その概要は、窒化ガリウム系化合物半導体層側から第1の割り溝をエッチングにより形成し、サファイア基板の裏面側から第2の割り溝をスクライブ等により形成し、上記第1および第2の割り溝に沿ってブレイキングして、素子分離を行うといったものである。
特許第2780618号公報 特許第2861991号公報
上記各引用文献に記載の素子分離方法は、サファイア基板上に窒化物半導体層を積層した半導体発光素子に対して適用されたものである。サファイア及び窒化物半導体であるGaNのモース硬度は9と非常に硬く、スクライブ時に形成される起点クラック(スクライブ溝)は、横方向に逸れにくく、十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができる。このため、ブレイキング時に起点クラック(スクライブ溝)の深さ方向から逸れた位置で劈開してデバイスが破損するような不正劈開は起こり難い。
一方、ZnOは、室温で3.37eVのバンドギャップエネルギーを持つ直接遷移型の半導体で、励起子の束縛エネルギーが60meVと他の半導体発光素子に比べて大きい。また原材料が安価で有るとともに、環境や人体に無害で有るという特徴を有する。その為、高効率かつ低消費電力の半導体発光素子を実現できるものとして期待されている。しかしながら、ZnOは良好な劈開性を有していないこと、モース硬度4と結晶が柔らかく、従来のスクライブ・ブレイキング手法では、チッピングの及び不正劈開による素子破損が多発し、歩留まりが悪い。
すなわち、{0001}面を主面とするc面ZnO基板上にZnO系半導体結晶からなるデバイス層を形成し、これを{11−20}面(a面)およびこれと直交する{10−10}面(m面)で矩形状に素子分離する際に、スクライブ時に形成した起点クラックからデバイス領域内部へ結晶面が滑る等の欠陥(刃状転位)及びクラックが導入される。これは、a面で劈開を行う場合、30°方向にm面、60°方向にa面が存在しており、一方、m面で劈開を行う場合、30°方向にa面、60°方向にm面が存在しており、これらの方向にクラック及び欠陥が導入され易いためである。ZnO系半導体結晶は、上記の如くモース硬度が低いため、スクライブ時の応力をスクライブ中心線に沿った深さ方向に集中させることが困難であり、起点クラック(スクライブ溝)の形成が不十分となりやすい。このため、ブレイキング時に起点クラック(スクライブ溝)に沿った面以外の他の劈開面にクラック及び欠陥が導入され易く、これがデバイス内部にまで導入され、高歩留りを確保することは困難なものとなっていた。
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、ZnO系結晶等の比較的モース硬度の低いウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体装置をウエハ状態からチップ状態に個片化する際にチッピングや不正劈開の発生を防止して、高歩留りで素子分離を行うことができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体層を含む半導体装置の製造方法であって、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、少なくとも−c面側の主面である第1基板主面に対して結晶c面がa軸の回りに所定角度傾いたc面オフ基板を用意する工程と、前記c面オフ基板の+c面側の主面である第2基板主面上に前記半導体層を形成する工程と、前記第1基板主面を、前記a軸と直交するm軸に沿った第1スクライブラインの各々に沿ってスクライブする第1スクライブ工程と、前記第1基板主面を、前記a軸に沿った第2スクライブラインの各々に沿ってスクライブする第2スクライブ工程と、を含み、前記第1スクライブ工程において、前記第1基板主面は、前記結晶c面の前記第1基板主面に対する傾きの方向に対応した方向にスクライブされることを特徴としている。
前記第1スクライブ工程において、前記第1基板主面は、前記結晶c面と前記第1基板主面とが近接していく方向にスクライブされる。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、ZnO系結晶等の比較的モース高度が低く、かつ良好な劈開性を有していないウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体装置の素子分離を高歩留まりで行うことが可能となる。
本発明の実施例である半導体装置の製造に用いられる成長用基板のc面の傾きの状態を示す断面図である。 図2(a)〜(g)は、本発明の実施例である半導体装置の製造工程におけるプロセスステップ毎の断面図である。 図3(a)は、スクライブ工程前の成長用基板の−c面側表面の平面図、図3(b)は、図3(a)における3b−3b線に沿った断面図である。 本発明の実施例に係るスクライブ工程において使用するスクライブツールの先端形状を示す平面図である。 本発明の実施例に係る半導体装置の平面図である。 図6(a)は、スクライブ工程前の成長用基板の−c面側表面の平面図、図6(b)は、図6(a)における6b−6b線に沿った断面図である。 図7(a)は、スクライブ工程前の成長用基板の−c面側表面の平面図、図7(b)は、図7(a)における7b−7b線に沿った断面図である。 本発明の変形例に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施例に係る製造方法とは異なる製造方法で製造された半導体装置の劈開状態を示す図である。 本発明の実施例に係る製造方法で製造された半導体装置の劈開状態を示す図である。
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下においては、ZnO系半導体結晶を含む半導体発光装置に本発明を適用した場合を例に説明する。
はじめに、本発明に係る半導体装置の製造に用いられる成長用基板10について説明する。成長用基板10は、発光層を含むZnO系半導体結晶からなるデバイス層をエピタキシャル成長させるためのZnO単結晶基板である。成長用基板10としては、ウルツ鉱型結晶の{0001}面が主面となるc面基板を用いる。より、具体的には、成長用基板10のc面がa軸[2−1−10]を回転軸として主面に対して0.5°程度傾いている所謂c面オフ基板を用いる。図1は、かかる成長用基板10の結晶面の傾きを図示したものである。図1においては、成長用基板10の主面に垂直な方向にZ軸をとり、成長用基板10のa軸[2−1−10]方向にX軸をとり、成長用基板10の主面に平行であり且つX軸に垂直な方向にY軸をとったデカルト座標(右手系)のY−Z平面上に成長用基板10の断面が示されている。尚、成長用基板10のc軸[0001]、a軸[2−1−10]およびm軸[01−10]は互いに直交関係にある。同図に示すように、成長用基板10のc軸[0001]およびm軸[01−10]は、a軸[2−1−10]を回転軸として、それぞれZ軸およびY軸に対して角度θだけ傾いている。つまり、成長用基板10のc面は、その主面と平行ではなく、a軸を回転軸として主面に対して角度θだけ傾いている。かかる角度θをオフ角とよぶ。本実施例においてはオフ角が0.5°程度のc面オフ基板を成長用基板10として用いた。
本発明者らの研究の結果、c面オフ基板を用いて、後述する手順で素子分離を行うことにより、チッピングや不正劈開を殆ど生じることなく素子分離できることが明らかとなった。これは、c面を適度に傾けることにより、特定のスクライブ方向に対してc面を押さえつける方向にスクライブ応力を働かせることができるためと考えられる。尚、本発明においては、c面のオフ角が0°<θ≦5°のものを使用することができる。
また、ZnO単結晶基板からなる成長用基板10のc面は極性を有しており、一般的に+c面(Zn面)および−c面(O面)と呼ばれる。本発明に係る半導体装置の製造方法においては、結晶成長のしやすさから成長用基板10の+c面(Zn面)側主面(第2基板主面)上にZnO系半導体結晶を成長させ、スクライブ時に深さ方向に起点クラック(スクライブ溝)を発生させることが容易な−c面(O面)側主面(第1基板主面)をスクライブして、素子分離を行った。
以下、図2を参照しつつ本発明に係る半導体装置の製造方法について説明する。図2(a)〜(g)は、本発明の実施例である半導体装置の製造工程におけるプロセスステップ毎の断面図である。
はじめに、上記したc面が主面に対して0.5°程度傾いた厚さ500μm程度のZnO単結晶からなる成長用基板10を用意する。次に、成長用基板10の+c面側にZnO系半導体結晶を成長させてデバイス層20を形成する。具体的には、成長用基板10の+c面上に比較的低温でZnO半導体結晶を成長させて厚さ10nm程度の緩衝層11を形成する。次に、n型のドーパントとしてGaを添加した膜厚400nm程度のn型MgZnO層12を緩衝層11の上に形成する。次に、不純物をドープしないMgZnO/ZnOのペアをそれぞれ2.5nm/7nmの膜厚で積層し、これを3回繰り返すことにより多重量子井戸(MQW)構造の発光層13を形成する。次に、p型のドーパントとしてN(窒素)を添加した膜厚100nm程度のp型MgZnO層14を発光層13の上に形成してデバイス層20を完成させる(図2(a))。尚、デバイス層20の形成には、結晶母材のO(酸素)とp型不純物であるN(窒素)をRFラジカル発生装置にて生成して照射するラジカルソースMBE装置を用いた。
次に、p型MgZnO層14の表面に透光性電極15を形成する。具体的には、フォトリソグラフィー技術を用いて、p型MgZnO層14の表面に電極形状の開口パターンを有するレジストマスク(図示せず)を形成する。次に電子ビーム(EB)蒸着法により、かかるレジストマスクが形成されたウエハ上にNi/Auをそれぞれ1nm/10nmの厚みで積層する。その後、電極形成部以外の金属をレジストマスクとともにリフトオフすることにより、電極15のパターニングを施す。次に、RTA(ラピッド・サーマル・アニール)装置にて、20%酸素含有窒素ガスの処理雰囲気の下、450℃、30秒間の熱処理を施す。かかる熱処理により、Niが酸化されて酸化Niとなり透光性電極15が形成される(図2(b))。
次に、透光性電極15の表面にp側電極パッド16を形成する。具体的には、先の工程で形成された透光性電極15の表面に電極形状の開口パターンを有するレジストマスク(図示せず)を形成する。次に電子ビーム(EB)蒸着法により、かかるレジストマスクが形成されたウエハ上にNi/Pt/Auをそれぞれ10nm/100nm/1000nmの厚みで順次積層する。その後、電極形成部以外の金属をレジストマスクとともにリフトオフすることにより、p側電極パッド16をパターニングする(図2(c))。尚、p側電極パッド16の材料としては、Ni/Au、Ni/Pt/AuまたはNi/Rh/Au等を使用することも可能である。また、第1層目の金属は、Al、Sn、Pb、Tiなどでもよい。
次に、電極形成まで完了した構造体に幅100μm程度の素子区画溝17を形成する。素子区画溝17は、スクライブラインに沿って格子状に形成され、ウエハ面内に配列された複数の半導体素子の各々を矩形状に区画する溝である。素子区画溝17は、後のスクライブ工程又はブレイキング工程においてスクライブラインに沿って形成されるウエハ裏面側から形成される分割溝と結合して、素子分離に至る。素子区画溝17を形成しておくことにより、素子分離が容易となり、劈開面の逸れがデバイス領域内に進入するのを防止する。具体的には、上記各工程を経たウエハ表面にフォトリソグラフィー技術を用いて、素子区画溝17に対応した開口パターンを有するレジストマスク(図示せず)を形成する。次に、HF(フッ酸)とNH4F(フッ化アンモニウム)の緩衝溶液にて室温で60分間エッチング処理を行い、続いて、王水(硝酸:塩酸=1:3)にて室温で1分間エッチング処理を行う。これにより、上記レジストマスクの開口部においてデバイス層20表面から成長用基板10の内部に達する深さ1μm程度の素子区画溝17が形成される。かかるエッチング処理により成長用基板10は400nm程度エッチングされる(図2(d))。尚、素子区画溝17の形成は、ウェットエッチングに限らず、例えば、CF4、CHF3、C46、C48、SF6、BCL3等のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によっても行うことが可能である。また、素子区画溝17は、少なくともn型MgZnO層12にまで達していればよいが、素子分離を行う際に劈開面がデバイス領域に侵入するのを防止するために、素子区画溝17は成長用基板10にまで達していることが好ましい。また、本実施例においては、後述する説明によって明らかにされるように、スクライブ工程において素子分離が完了し、ブレイキング工程を必要としないため、素子区画溝17の形成は必須ではない。
次に、ウエハを研削機にセットして、成長用基板10の厚みが約320μmになるまで成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)を研削する。続いて、ウエハを研磨機にセットして、研磨剤の番手を段階的に小さいものにかえながら、成長用基板10の−c面側表面が鏡面(光学的鏡面)になるまで研磨して、成長用基板10の厚みを300μmとする。このように、成長用基板10に鏡面処理を施すのは、スクライブ面となる成長用基板10の−c面(O面)に凹凸があると、スクライブ時の応力が分散し易く、不正劈開やチッピングの原因となるからである。従って、成長用基板10の表面は鏡面であることが望ましく、具体的には二乗平均表面粗さ(RMS)が20nm以下であることが望ましい(図2(e))。
次に、成長用基板10の表面にn側電極パッド18を形成する。具体的には、成長用基板10の表面に電極形状の開口パターンを有するレジストマスク(図示せず)を形成する。次に電子ビーム(EB)蒸着法により、かかるレジストマスクが形成されたウエハ上にTi/Auをそれぞれ3nm〜10nm/100nmの厚みで順次積層する。その後、電極形成部以外の金属をレジストマスクとともにリフトオフすることにより、n側電極パッド18をパターニングする(図2(g))。尚、n側電極パッド18の材料としては、Ti/Ag、Ti/Al、Ni/Au、Ni/Ag、Ni/Al等を使用することも可能である。
次に、ウエハのデバイス層20側表面に保護シートを貼り付けて、ウエハをスクライブ装置にセットし、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)を所定のスクライブラインに沿って格子状にスクライブすることによりウエハ面内に配列された複数の半導体装置を矩形状に分割する(図2(h))。すなわち、半導体装置は本スクライブ工程のみで個片化されるので、その後のブレイキング工程は省略される。以下、本実施例に係るスクライブ工程について詳述する。
図3(a)にn側電極パッド18の形成工程まで完了した成長用基板10の−c面側の平面図を示す。図3(b)は、図3(a)における3b−3b線に沿った断面図であり、成長用基板10のc面の傾きの方向と、後述する第1スクライブ工程におけるスクライブ方向との関係が示されている。尚、図3(b)においては、図1に示したものと同様の軸方向を有するデカルト座標のY−Z平面上に成長用基板10のa軸[2−1−10]と垂直な断面が示されている。
図3(a)に示すように、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)には、個々の半導体装置毎に形成された複数のn型電極パッド18が形成されている。図中破線で示すn型電極パッド18各々の間の格子状領域の中心線がスクライブラインとなっている。
スクライブは、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)に当接せさたスクライブツール30をm軸[01−10]に沿って走査して起点クラック(スクライブ溝)を発生させる第1スクライブ工程と、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)に当接させたスクライブツール30をa軸[2−1−10]に沿って走査して起点クラック(スクライブ溝)を発生させる第2スクライブ工程の2ステップにより行われる。
第1スクライブ工程では、上記の如くm軸に沿った方向にスクライブが行われるが、スクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、成長用基板10の主面に対するc面の傾きの方向と対応していなければならない。本実施例においては、上記したように、成長用基板10としてc面がa軸を回転軸として0.5°程度傾いたc面オフ基板を使用している。図3(b)に示す例では、Y−Z平面において、c軸の傾きの方向はZ軸に対して右回りである。この場合、第1スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、同一平面で見たときに図中右側から左側に向かうm軸に沿った+Y方向となる。すなわち、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)と、この面に対して傾いたc面とが近接していく方向にスクライブツール30を走査する。
第1スクライブ工程では、スクライブツールに印加する荷重量を100g〜150g、スクライブツールの走査速度(スクライブ速度)を25mm/secに設定してスクライブを行った。かかる条件で第1スクライブを実施することにより、ウエハは第1スクライブラインに沿ったa面で劈開した。尚、スクライブ速度は15〜50mm/secの範囲で変更することが可能である。
このように、成長用基板10のc面の傾きの方向に対応したスクライブ方向で第1スクライブを実施するとにより、成長用基板10の−c面を押さえつける方向にスクライブ応力を働かせることが可能となり、成長用基板10に十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができた。一方、スクライブ方向を−Y方向とすると、スクライブ応力は横方向に分散し、−c面を押さえつける方向に働かないため、十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができなかった。尚、成長用基板10のc軸の傾きの方向がZ軸に対して左回りである場合のスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、図中左側から右側に向かう−Y方向となる。
また、本実施例では、比較的強荷重且つ高速でスクライブすることによりチッピングや不正劈開を生じることなく劈開を行うことが可能となる。因みに、元々劈開性が良好であるGaAs系半導体結晶の場合、スクライブツールのジャンピングを防止するために一般的にスクライブ速度は低速(例えば10mm/sec以下)に設定される。これに対してZnO系半導体結晶を含む本発明に係る半導体装置においては、スクライブ速度は、GaAs系半導体結晶の場合の3倍〜5倍に設定される。このように、比較的高速でスクライブすることで、深さ方向にスクライブ応力を集中させることができ、十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができ、チッピングを生じることなく良好に劈開できた。一方、ZnO系半導体結晶はやわらかいため、低速でスクライブするとスクライブ応力が横方向に分散し、チッピングの原因となる。
尚、本実施例においては、スクライブツールとして刃先角度が50〜54°の4ポイントのヒールポイントツールを使用して第1および第2スクライブを行った。図4に、使用したスクライブツール30の先端形状を示す。4ポイントツールとは、刃先が4方向に付いたものをいい、ヒールポイントツールとは、ツール先端においてスクライブ方向の前方に平らな面31を有するスクライブツールである。ヒールポイントツールでは、この平らな面31でスクライブ面を押さえつけ、応力がスクライブラインの両側に分散するのを防止するため、モース硬度の低いZnO系半導体結晶に対して起点クラック(スクライブ溝)を深さ方向に発生させるのに有効であった。尚、ヒールポイント構造を持つものであれば、6ポイントツール又は8ポイントツールであっても構わない。
第1スクライブは、図3(a)に示すY軸に平行な複数の第1スクライブラインの各々に対して、順次行われる。
第2スクライブ工程では、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)を第1スクライブラインと直交するX軸(成長用基板10のa軸)に沿ってスクライブする。第2スクライブ時の荷重量は、第1スクライブ時の荷重量よりも小さい50g〜100gに設定した。また、第2スクライブ時のスクライブ速度は、第1スクライブ時のスクライブ速度よりも若干遅い20mm/secに設定した。かかる条件で第2スクライブを実施することにより、ウエハは第2スクライブラインに沿ったm面で劈開した。第1スクライブ工程においてa面が既に劈開しているため、第2スクライブ工程では第1スクライブ工程における場合と比較して荷重量を小さくしても劈開に至る。また、第1スクライブ時よりもスクライブ速度を遅くすることにより第2スクライブラインが第1スクライブラインと交差する際にスクライブツールがジャンピングするのを防止している。第2スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、+X方向、−X方向のどちらでもあっても構わない。
第2スクライブは、X軸(a軸)に平行な複数の第2スクライブラインの各々に対して順次行われる。第1および第2スクライブ工程を経ることにより、ウエハのa面およびこれと直交するm面が劈開に至るので、ウエハ面内に配列された複数の半導体装置は、ブレイキングを行うことなく矩形状に個片化される。
このように、本実施例では、成長用基板としてc面オフ基板を使用し、+c面側にデバイス層20を形成し、−c面側をスクライブ面とする。そして、第1スクライブ工程において相対的に劈開性のよいa面を先に劈開し、その後第2スクライブ工程においてm面を劈開する。第1スクライブ工程では、m軸に沿って成長用基板10のc面の傾きに対応した向きに、強荷重且つ高速でスクライブツールを走査してスクライブを行う。かかる方法でスクライブを行うことにより、モース硬度の低いZnO結晶でも結晶変形を抑え、スクライブツール直下にスクライブ応力を集中させることが可能となり、チッピングおよび不正劈開を生じることなくa面を劈開することが可能となった。第2スクライブ工程では既にa面が劈開されたウエハに対して、第1スクライブラインと直交するa軸に沿った任意の向きに、第1スクライブ時よりも低荷重且つ低速でスクライブツールを走査してスクライブを行うことにより、相対的に劈開性の悪いm面でもチッピングおよび不正劈開を生じることなく劈開することが可能となった。
図5(a)に矩形状に個片化された半導体装置の上面図を示す。個片化された半導体装置の一辺の長さL3を400μmとした。成長用基板10上に積層されたデバイス層20の一辺の長さL2を300μmとした。デバイス層30上に積層された光透過性電極15の一辺の長さL1を270μmとした。
本実施例に係る製造方法によれば、スクライブ工程における歩留りは90〜97%となり、非常に良好な結果を得ることができた。
以下、本発明の第2実施例に係る半導体装置の製造方法について説明する。第2実施例に係る製造方法は、上記第1実施例と比較してスクライブ工程における処理内容が異なる。一方、成長用基板としてc面オフ基板を用いる点、成長用基板の+c面側にデバイス層を形成し、−c面側をスクライブする点は上記第1実施例と同様である。また、成長用基板上にデバイス層および各種電極を形成するプロセスも第1実施例と共通であるのでその説明は省略する。
以下において、第2実施例に係るスクライブ工程について詳述する。図6(a)にn側電極パッド18の形成工程まで完了した成長用基板10の−c面側の平面図を示す。図6(b)は、図6(a)における6b−6b線に沿った断面図であり、成長用基板10のc面の傾きの方向と、後述する第1スクライブ工程におけるスクライブ方向との関係が示されている。尚、図6(b)においては、図1に示したものと同様の軸方向を有するデカルト座標のY−Z平面上に成長用基板10のa軸[2−1−10]と垂直な断面が示されている。
図6(a)に示すように、成長用基板10の−c面側主面上には、個々の半導体装置毎に形成された複数のn型電極パッド18が形成されている。図中破線で示すn型電極パッド18各々の間の格子状領域の中心線がスクライブラインとなっている。
スクライブは、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)に当接せさたスクライブツール30をm軸[01−10]に沿って走査して起点クラック(スクライブ溝)を発生させる第1スクライブ工程と、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)に当接させたスクライブツール30をa軸[2−1−10]に沿って走査して起点クラック(スクライブ溝)を発生させる第2スクライブ工程の2ステップにより行われる。
第1スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、成長用基板10の主面に対するc面の傾きの方向と対応していなければならない。本実施例においては、c面がa軸を回転軸として0.5°程度傾いたc面オフ基板を使用している。図6(b)に示す例では、Y−Z平面において、c軸の傾きの方向はZ軸に対して右回りである。この場合、第1スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、同一平面で見たときに図中右側から左側に向かうm軸に沿った+Y方向となる。すなわち、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)と、この面に対して傾いたc面とが近接していく方向にスクライブツール30を走査する。
第1スクライブ工程では、十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を形成することができ且つ劈開に至らない程度の荷重でスクライブを行う。具体的には、スクライブツールに印加する荷重量を50g〜100g、スクライブツールの走査速度(スクライブ速度)を25mm/secに設定してスクライブを行った。かかる条件で第1スクライブを実施することにより、成長用基板10の−c面側に第1スクライブラインに沿った起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができた。第1スクライブは、図6(a)に示すY軸に平行な複数の第1スクライブラインの各々に対して、順次行われる。
このように、成長用基板10のc面の傾きの方向に対応したスクライブ方向で第1スクライブを実施することにより、成長用基板10の−c面を押さえつける方向にスクライブ応力を働かせることができ、成長用基板10に十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができた。一方、スクライブ方向を−Y方向とすると、スクライブ応力は横方向に分散し、−c面を押さえつける方向に働かないため、十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができなかった。尚、成長用基板10のc軸の傾きの方向がZ軸に対して左回りである場合のスクライブ方向は、図中左側から右側に向かうm軸に沿った−Y方向となる。
第2スクライブ工程では、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)を第1スクライブラインと直交するX軸(成長用基板10のa軸)に沿ってスクライブする。第2スクライブ時の荷重量は、第1スクライブ時の荷重量よりも大きい100g〜150gに設定した。また、第2スクライブ時のスクライブ速度は、第1スクライブ時のスクライブ速度よりも若干遅い20mm/secに設定した。第2スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、+X方向、−X方向のどちらであっても構わない。
第2スクライブ工程では、X軸に平行な複数の第2スクライブラインの各々に対して順次スクライブを行うが、このときのスクライブツールの送り方向、すなわち、スクライブラインの選択順序が重要となる。すなわち、第2スクライブ工程では、図6(a)に示すように、はじめに、第1スクライブ工程におけるスクライブツールの走査方向の終端側(図中左側)に位置する第2スクライブラインに対してスクライブを行い、これが完了したら、スクライブツールを−Y方向にシフトして、1つ右隣の第2スクライブラインに対してスクライブを行う。つまり、第2スクライブ工程では、第1スクライブ工程におけるスクライブツールの走査方向の終端側から始端側に向かう送り方向でスクライブラインをシフトさせて第2スクライブラインの各々に沿ってスクライブする。
このように、比較的強荷重で第2スクライブを実施することにより、ウエハは第2スクライブラインに沿ったm面で劈開する。更に、第2スクライブ時の応力により、第1スクライブ工程にてm軸に沿って形成した起点クラック(スクライブ溝)を起点としてa面での劈開も起る。かかるa面での劈開は、第2スクライブ時に形成される劈開面(m面)に対して図中左側(+Y側)においてのみ生じることが本発明者の研究の結果明らかとなった。このため、第2スクライブ工程では、第2スクライブラインの各々に対して第1スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)の終端側から始端側に向かう送り方向で順次スクライブツールをシフトしてスクライブを実施することにより、不正劈開を生じることなくa面およびm面を同時に劈開することが可能となる。
第1および第2スクライブ工程を経ることにより、ウエハのa面およびこれと直交するm面が劈開に至るので、ウエハ面内に配列された複数の半導体装置は、ブレイキングを行うことなく矩形状に個片化される。
このように、本実施例では、成長用基板としてc面オフ基板を使用し、+c面側にデバイス層20を形成し、−c面側をスクライブ面とする。そして、第1スクライブ工程においてm軸に沿って起点クラック(スクライブ溝)を形成しておき、その後第2スクライブ工程においてa軸に沿って比較的強荷重でスクライブする。これにより、m面が劈開されるとともに、第2スクライブ時の応力が第1スクライブ工程において形成した起点クラック(スクライブ溝)にも作用してa面での劈開が起る。かかる第2スクライブ時の応力のa面への作用は、方向性を持っており、これを踏まえて第1スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)の終端側から始端側に向かう方向に順次スクライブツールをシフトさせてスクライブを実施することにより、チッピングや不正劈開を生じることなくZnO結晶を含む半導体装置を個片化することができる。
本実施例に係る製造方法によれば、スクライブ工程における歩留りは85〜95%となり、第1実施例と比較して若干劣るものの良好な結果を得ることができた。
以下、本発明の第3実施例に係る半導体装置の製造方法について説明する。第3実施例に係る製造方法は、上記第1実施例と比較してスクライブ工程における処理内容およびブレイキング工程が追加される点が異なる。一方、成長用基板としてc面オフ基板を用いる点、成長用基板の+c面側にデバイス層を形成し、−c面側をスクライブする点は上記第1実施例と同様である。また、成長用基板上にデバイス層および各種電極を形成するプロセスも第1実施例と共通であるのでその説明は省略する。
以下において、第3実施例に係るスクライブ工程およびブレイキング工程について詳述する。図7(a)にn側電極パッド18の形成工程まで完了した成長用基板10の−C面側の平面図を示す。図7(b)は、図7(a)における7b−7b線に沿った断面図であり、成長用基板10のc面の傾きの方向と、後述する第1スクライブ工程におけるスクライブ方向との関係が示されている。尚、図7(b)においては、図1に示したものと同様の軸方向を有するデカルト座標のY−Z平面上に成長用基板10のa軸[2−1−10]と垂直な断面が示されている。
図7(a)に示すように、成長用基板10の−c面側主面上には、個々の半導体装置毎に形成された複数のn型電極パッド18が形成されている。図中破線で示すn型電極パッド18各々の間の格子状領域の中心線がスクライブラインとなっている。
スクライブは、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)に当接せさたスクライブツール30をm軸[01−10]に沿って走査して起点クラック(スクライブ溝)を発生させる第1スクライブ工程と、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)に当接させたスクライブツール30をa軸[2−1−10]に沿って走査して起点クラック(スクライブ溝)を発生させる第2スクライブ工程の2ステップにより行われる。
第1スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、成長用基板10の主面に対するc面の傾きの方向と対応していなければならない。本実施例においては、c面がa軸を回転軸として0.5°程度傾いたc面オフ基板を使用している。図7(b)に示す例では、Y−Z平面において、c軸の傾きの方向はZ軸に対して右回りである。この場合、第1スクライブ工程におけるスクライブ方向は、同一平面で見たときに図中右側から左側に向かうm軸に沿った+Y方向となる。すなわち、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)と、この面に対して傾いたc面とが近接していく方向にスクライブツール30を走査する。
第1スクライブ工程では、十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を形成することができ且つ劈開に至らない程度の荷重でスクライブを行う。具体的には、スクライブツールに印加する荷重量を50g〜100g、スクライブツールの走査速度(スクライブ速度)を25mm/secに設定してスクライブを行った。かかる条件で第1スクライブを実施することにより、成長用基板10の−c面側に第1スクライブラインに沿った起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができた。尚、スクライブ速度は15〜50mm/secの範囲で変更することができる。第1スクライブは、図7(a)に示すY軸に平行な複数の第1スクライブラインの各々に対して、順次行われる。
このように、成長用基板10のc面(c軸又はm軸)の傾きの方向に対応したスクライブ方向で第1スクライブを実施することにより、成長用基板10の−c面を押さえつける方向にスクライブ応力を働かせることができ、成長用基板10に十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができた。一方、スクライブ方向を−Y方向とすると、スクライブ応力は横方向に分散し、−c面を押さえつける方向に働かないため、十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができなかった。尚、成長用基板10のc軸の傾きの方向がZ軸に対して左回りである場合のスクライブ方向は、図中左側から右側に向かうm軸に沿った−Y方向となる。
第2スクライブ工程では、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)を第1スクライブラインと直交するX軸(成長用基板10のa軸)に沿ってスクライブする。また、起点クラック(スクライブ溝)を形成することができ且つ劈開に至らない程度の荷重でスクライブを行う。具体的には、第2スクライブ時の荷重量は、第1スクライブ時の荷重量と同じ50g〜100gに設定した。また、第2スクライブ時のスクライブ速度は、第1スクライブ時のスクライブ速度よりも若干遅い20mm/secに設定した。第2スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)は、+X方向、−X方向のどちらであっても構わない。かかる条件で第2スクライブを実施することにより、成長用基板10の−c面側に第2スクライブラインに沿った起点クラック(スクライブ溝)を発生させることができた。第2スクライブは、図7(a)に示すX軸(成長用基板のa軸)に平行な複数の第2スクライブラインの各々に対して順次行われる。
第1および第2スクライブ工程を経ることにより、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)には、第1および第2スクライブラインに沿った格子状の起点クラック(スクライブ溝)が形成されるが劈開には至らない。
本実施例においては、第1および第2スクライブ工程の後にブレイキングが必要となる。ブレイキング工程では、成長用基板10の+c面側主面(第2基板主面)の素子区画溝側から第2スクライブラインのスクライブ溝に対応するライン上にナイフエッジをあて、これに適度な荷重を加えることによりブレイキングを行う。本ブレイキング工程においては、ナイフエッジの送り方向、すなわち、ブレイキングラインの選択順序が重要となる。すなわち、本ブレイキング工程では、図7(a)に示すように、はじめに、第1スクライブ工程におけるスクライブツールの走査方向の終端側(図中左側)に位置する第2スクライブラインに沿ってブレイキングを行い、これが完了したら、ナイフエッジを−Y方向にシフトして、1つ右隣の第2スクライブラインに沿ってブレイキングを行う。つまり、本ブレイキング工程では、第1スクライブ工程におけるスクライブツールの走査方向の終端側から始端側に向かう送り方向でブレイキングラインをシフトさせて第2スクライブラインの各々に沿ってブレイキングを行う。
このように、+c面側主面(第2基板主面)の素子区画溝側から起点クラック(スクライブ溝)が形成された第2スクライブラインのスクライブ溝に対応するライン上にナイフエッジを用いて荷重を加えることにより、ウエハは当該第2スクライブラインに沿ったm面で劈開する。更に、このブレイキング時の応力により、第1スクライブ工程にて形成した起点クラック(スクライブ溝)を起点としてa面での劈開も起る。かかるa面での劈開は、ブレイキング時に形成される劈開面(m面)に対して図中左側(+Y側)においてのみ生じることが本発明者の研究の結果明らかとなった。このため、ブレイキング工程において上記したように、第1スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)の終端側から始端側に向かう送り方向にナイフエッジをシフトさせてブレイキングを実施することにより、不正劈開を生じることなくa面およびm面を同時に劈開することが可能となる。
かかるブレイキング工程を経ることにより、ウエハのa面およびこれと直交するm面が劈開に至るので、ウエハ面内に配列された複数の半導体装置は、矩形状に個片化される。
このように、本実施例では、成長用基板としてc面オフ基板を使用し、+c面側にデバイス層20を形成し、−c面側をスクライブ面とする。そして、上記したスクライブ条件にて第1および第2スクライブ工程においてそれぞれm軸およびa軸に沿って起点クラック(スクライブ溝)を形成しておき、その後ブレイキング工程において+c面側主面(第2基板主面)の素子区画溝から第2スクライブラインのスクライブ溝に対応するライン上にナイフエッジをあてて荷重を加える。これにより、第2スクライブラインに沿ったm面が劈開されるとともに、ブレイキング時の応力が第1スクライブラインに沿った起点クラック(スクライブ溝)にも作用してa面での劈開が起る。かかるブレイキング応力のa面への作用は、方向性を有しており、これを踏まえて第1スクライブ工程におけるスクライブ方向(スクライブツールの走査方向)の終端側から始端側に向かう送り方向にナイフエッジを順次シフトさせてブレイキングを行うことにより、チッピングや不正劈開を生じることなくZnO結晶を含む半導体装置を個片化することができる。
本実施例にかかる製造方法によれば、スクライブ工程およびブレイキング工程の総合の歩留りは80〜90%となり、第1実施例と比較して若干劣るものの良好な結果を得ることができた。
変形例
上記各実施例では、成長用基板としてc面オフ基板を用いることとしたが、c面が主面と平行なc面ジャスト基板を使用し、c面のオフ角を半導体装置の製造工程において形成することも可能である。具体的には、成長用基板としてZnO単結晶からなるc面ジャスト基板を用意して、この基板の+c面側に上記各実施例と同様のプロセスでデバイス層、透光性電極、p側電極パッドおよび素子区画溝を形成する。次に、ウエハを研削機にセットして、成長用基板10の厚みが約320μmになるまで成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)を研削する。続いて、ウエハを研磨機にセットして、研磨剤の番手を段階的に小さいものにかえながら、成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)が鏡面(光学的鏡面)になるまで研磨する。かかる、研削・研磨工程において角度調整盤等の研摩角度調整機構を用いて成長用基板10の−c面側主面(第1基板主面)を角度研磨する。これにより、成長用基板10の裏面は、c面に対して傾くこととなり、−c面側主面(第1基板主面)のみが研磨角度に応じたオフ角θを有するc面オフ基板となる。図8に、かかる研削・研磨工程まで完了した半導体装置の構成示す。
その後、成長用基板の−c面側主面(第1基板主面)にn側電極パッドを形成し、角度研摩が行われた成長用基板の−c面に対して上記各実施例において示したスクライブ工程およびブレイキング工程を経て半導体装置が個片化される。
本実施例の半導体装置の製造方法によれば、少なくとも成長用基板の−c面側に研磨角度に応じたオフ角が付与されるので、上記各実施例同様、特定のスクライブ方向に対して深さ方向に十分な深さの起点クラック(スクライブ溝)を形成することが可能となり、チッピングや不正劈開を防止して、素子分離工程において高歩留まりを確保することが可能となる。また、本実施例の製造方法によれば、c面ジャスト基板を使用するので、例えば、c面オフ基板を使用するよりもc面ジャスト基板を使用した方がデバイス層のエピタキシャル成長を良好に行うことができる場合に有効となる。また、成長用基板の研磨角度によって、オフ角を自由に設定することが可能となる。
比較例
以下、比較例として上記各実施例に係る製造方法とは異なる製造方法で半導体装置を製造した結果について説明する。 本比較例においては、成長用基板として、ZnO単結晶からなるc面ジャスト基板を用いた。ZnO系半導体結晶を含むデバイス層を成長用基板の+c面側に形成し、p側の電極形成を行った。次に、成長用基板の厚さが300μm程度となるように成長用基板の−c面側を研削した。このとき、−c面側の角度研摩は行っていない。次に、成長用基板の−c面側にn側電極パッドを形成した。次に、成長用基板の−c面側主面にスクライブツールを当接し、m軸[01−10]に沿って、荷重100gで第1スクライブを実施した。このときのスクライブ方向は、上記各実施例に係る方向とは逆の−Y方向とした。続いて、a軸[2−1−10]に沿って、荷重100gで第2スクライブを実施した。次に+c面側主面(第2基板主面)の素子区画溝側から第1スクライブラインのスクライブ溝に対応するライン上にナイフエッジをあてて荷重を加え、次に+c面側主面(第2基板主面)の素子区画溝から第2スクライブラインのスクライブ溝に対応するライン上にナイフエッジをあてて荷重を加え、素子分離を試みた。
図9(a)に、上記した本比較例に係る製造方法で製造された半導体装置の劈開状態を示す。本比較例に係る製造方法では、スクライブラインから著しく逸れた面で劈開が起り、デバイスが破損してしまっていることが確認できる。本比較例に係る素子分離工程における歩留りは、70〜90%とばらつきが大きかった。尚、荷重量を100〜150gとして第1および第2スクライブを試みたが、不正劈開が多発して歩留りが著しく低下する結果となった。
一方、図9(b)は、本発明の第1実施例に係る製造方法を用いた半導体装置の劈開状態である。同図に示すように、第1実施例に係る製造方法によれば、スクライブラインに沿った面で劈開が起り、チッピングや不正劈開を殆ど生じることなく素子分離を行うことができた。
10 成長用基板
11 緩衝層
12 n型MgZnO層
13 発光層
14 p型MgZnO層
15 透光性電極
16 p側電極パッド
17 素子区画溝
18 n側電極パッド
20 デバイス層
30 スクライブツール

Claims (17)

  1. ウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体層を含む半導体装置の製造方法であって、
    ウルツ鉱型の結晶構造を有し、少なくとも−c面側の主面である第1基板主面に対して結晶c面がa軸の回りに所定角度傾いたc面オフ基板を用意する工程と、
    前記c面オフ基板の+c面側の主面である第2基板主面上に前記半導体層を形成する工程と、
    前記第1基板主面を、前記a軸と直交するm軸に沿った第1スクライブラインの各々に沿ってスクライブする第1スクライブ工程と、
    前記第1基板主面を、前記a軸に沿った第2スクライブラインの各々に沿ってスクライブする第2スクライブ工程と、を含み、
    前記第1スクライブ工程において、前記第1基板主面は、前記結晶C面の前記第1基板主面に対する傾きの方向に対応した方向にスクライブされることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1スクライブ工程において、前記第1基板主面は、前記結晶c面と前記第1基板主面とが近接していく方向にスクライブされることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第1スクライブ工程において、前記c面オフ基板と前記半導体層とを含む積層構造体を前記第1スクライブラインの各々に沿ったa面で劈開し、
    前記第2スクライブ工程において、前記積層構造体を前記第2スクライブラインの各々に沿ったm面で劈開することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第2スクライブ工程におけるスクライブ荷重量は、前記第1スクライブ工程におけるスクライブ荷重量よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1スクライブ工程において、前記第1基板主面に前記第1スクライブラインの各々に沿ったスクライブ溝を形成し、
    前記第2スクライブ工程において、前記c面オフ基板と前記半導体層とを含む積層構造体を前記第2スクライブラインの各々に沿ったm面で劈開するとともに前記第1スクライブラインの各々に沿ったa面で劈開することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第2スクライブ工程において、前記第1スクライブ工程におけるスクライブ方向の終端側から始端側に向かう方向にスクライブラインをシフトさせて前記第2スクライブラインの各々に沿ってスクライブすることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第1スクライブ工程において、前記第1基板主面に前記第1スクライブラインの各々に沿ったスクライブ溝を形成し、
    前記第2スクライブ工程において、前記第1基板主面に前記第2スクライブラインの各々に沿ったスクライブ溝を形成し、
    前記第2基板主面側から前記第2スクライブラインの前記スクライブ溝に対応するライン上の各々に沿って応力を印加して、前記c面オフ基板と前記半導体層とを含む積層構造体を前記第1および第2スクライブラインに沿ったa面およびm面で劈開するブレイキング工程を更に含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記ブレイキング工程において、前記第1スクライブ工程におけるスクライブ方向の終端側から始端側に向かう方向にブレイキングラインをシフトさせて前記第2スクライブラインの前記スクライブ溝に対応するライン上の各々に沿って応力を印加することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第1スクライブ工程の前に、前記第1基板主面を研磨する研磨工程を更に含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記研磨工程において、前記第1基板主面は、二乗平均表面粗さ(RMS)が20nm以下となるように研磨されることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第2スクライブ工程におけるスクライブ速度は、前記第1スクライブ工程における前記スクライブ速度よりも遅いことを特徴とする請求項2乃至10のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記第1および第2スクライブ工程におけるスクライブは、スクライブ方向前方に平坦面を有するヒールポイントツールを用いて行われることを特徴とする請求項2乃至11のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記第1スクライブ工程の前に前記第1および第2スクライブラインに沿って前記半導体層の表面から前記c面オフ基板の内部に達する素子区画溝を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項2乃至12のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記c面オフ基板の前記第1基板主面に対する前記結晶c面の傾きの角度θは、0°<θ≦5°の範囲内であることを特徴とする請求項2乃至13のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記c面オフ基板および前記半導体層は、ZnO系半導体からなることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  16. ウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体層を含む半導体装置の製造方法であって、
    ウルツ鉱型の結晶構造を有するc面基板を用意する工程と、
    前記c面基板の+c面側の主面である第2基板主面上に前記半導体層を形成する工程と、
    前記c面基板の−c面側の主面である第1基板主面に対して前記c面基板の結晶c面がa軸の回りに所定角度傾くように前記第1基板主面を角度研磨する工程と、
    前記第1基板主面を、前記a軸と直交するm軸に沿った第1スクライブラインの各々に沿ってスクライブする第1スクライブ工程と、
    前記第1基板主面を、前記a軸に沿った第2スクライブラインの各々に沿ってスクライブする第2スクライブ工程と、を含み、
    前記第1スクライブ工程において、前記第1基板主面は、前記結晶c面の前記第1基板主面に対する傾きの方向に対応した方向にスクライブされることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  17. 前記第1スクライブ工程において、前記第1基板主面は、前記結晶c面と前記第1基板主面とが近接していく方向にスクライブされることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
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