JP3230572B2

JP3230572B2 - 窒化物系化合物半導体素子の製造方法及び半導体発光素子

Info

Publication number: JP3230572B2
Application number: JP12815597A
Authority: JP
Inventors: 達憲豊田; 博文庄野; 宏典高木
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1997-05-19
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2017-05-19
Also published as: JPH10321908A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外光から赤色系まで
発光可能な発光素子や起電力の高い受光素子などに利用
可能な半導体素子及びその製造方法に係わり、特に窒化
物系化合物半導体ウエハーをチップ状に分離した半導体
素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、高エネルギーバンドギャップを有
する窒化物系化合物半導体を利用した半導体素子が開発
されつつある。高エネルギーバンドギャップを有する半
導体素子を利用したデバイス例として、青色系が発光可
能な発光ダイオードや青紫光が発光可能な半導体レーザ
などが挙げられる。デバイスは、半導体チップをステム
上などに配置し通電可能な構成とされている。

【０００３】窒化物系化合物半導体を利用した半導体素
子は、ＧａＡｓ、ＧａＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの半導
体素子とは異なり単結晶を形成させることが難しい。結
晶性の良い窒化物系化合物半導体の単結晶膜を得るため
に、ＭＯＣＶＤ法やＨＤＶＰＥ法を用いサファイア基板
上にバッファ層を介して形成させることが行われてい
る。

【０００４】通常、ＧａＡｓ、ＧａＰやＩｎＧａＡｌＡ
ｓなどの半導体材料が積層された半導体ウエハは、チッ
プ状に切り出され半導体発光素子などとして利用され
る。半導体ウエハからチップ状に切り出す方法として
は、ダイサー、やスクライバーが用いられる。ダイサー
とは刃先をダイヤモンドとする円盤の回転運動によりウ
エハーをフルカットするか、又は刃先巾よりも広い巾の
溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によりカット
する装置である。一方、スクライバーとは同じく先端を
ダイヤモンドとする針によりウエハーに極めて細い線
（スクライブライン）を例えば碁盤目状に引いた後、外
力によってカットする装置である。ＧａＰやＧａＡｓ等
のせん亜鉛構造の結晶は、へき開性が「１１０」方向に
ある。そのため、この性質を利用してＧａＡｓ、ＧａＡ
ｌＡｓ、ＧａＰなどの半導体ウエハーを比較的簡単に所
望形状に分離することができる。

【０００５】しかしながら、窒化物系化合物半導体はサ
ファイア基板上などに積層されるヘテロエピ構造であ
り、窒化物系化合物半導体とサファイア基板とは格子定
数不整が大きい。サファイア基板は六方晶系という性質
上、へき開性を有していない。さらに、サファイア、窒
化物系化合物半導体ともモース硬度がほぼ９と非常に硬
い物質である。したがって、スクライバーで切断するこ
とは困難であった。また、ダイサーでフルカットする
と、その切断面にクラック、チッピングが発生しやすく
綺麗に切断できなかった。場合によっては、形成された
半導体層がサファイアから剥がれる場合もあった。

【０００６】窒化物系化合物半導体の結晶性を損傷する
ことなく半導体ウエハを正確にチップ状に分離すること
ができれば、半導体素子の電気特性や効率を向上させる
ことができる。しかも、１枚のウエハーから多くの半導
体チップを得ることができるため生産性をも向上させら
れる。

【０００７】そのため窒化物系化合物半導体ウエハはス
クライバーやダイサーを組み合わせて所望のチップごと
に分離することが行われている。チップごとの分離方法
として特開平８−２７４３７１号などに記載されてい
る。具体的には、窒化ガリウム系化合物半導体からなる
半導体ウエハに対し、ダイサーによりサファイア基板の
下面に溝部を、その底面とサファイア基板の上面との間
隔がほぼ１００μｍとなるように形成する。次に、スク
ライバーにより、溝部の底面にスクライブラインを形成
する。続いて、スクライブラインに沿ってローラにより
加重を加え半導体ウエハを切断することにより所望の半
導体発光素子を形成することが開示されている。このよ
うな、半導体素子の製造方法により半導体ウエハから所
望の大きさに半導体チップを切断することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、より小
さいチップを正確に量産性よく形成させることが望まれ
る今日においては上記切断方法においては十分ではな
く、より優れたチップの分離方法が求められている。ま
た、半導体発光素子として利用した場合においては、よ
り高コントラスト化が求められている。したがって、本
発明は窒化物系化合物半導体ウエハをチップ状に分離す
るに際し、切断面のクラック、チッピングの発生を防止
する。また、窒化物系化合物半導体の結晶性を損なうこ
となく、かつ歩留まりよく所望の形、サイズに分離され
た半導体素子及びその製造方法を提供することを目的と
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、窒
化物系化合物半導体ウエハから半導体素子ごとに分離さ
せ方法に関するものである。特に、半導体素子の分離に
先立って、半導体ウエハをレーザ照射により第１の溝を
形成する工程、第１の溝に沿って刃先を合わせたスクラ
イバー及び／又はダイサーを駆動させることにより窒化
物系化合物半導体素子を製造する。

【００１０】また、窒化物系化合物半導体がサファイア
基板上に形成されている窒化物系化合物半導体素子の製
造方法でもある。

【００１１】本発明の半導体素子は、サファイア基板上
に窒化物系化合物半導体層を有する発光素子である。こ
の半導体発光素子を構成するサファア基板の外周端又は
窒化物系化合物層外周端に白濁部を有している。

【００１２】

【作用】本発明は、第１の溝を形成するに当たりレーザ
光を利用することで、窒化物半導体素子においてもより
小さいチップでも正確に溝を形成することができる。ま
た、第１の溝をガイドとして利用してスクライバー及び
／又はダイサーを行うことで短時間且つ精密に半導体チ
ップを形成させることができる。また、硬度が極めて高
いサファイア基板や窒化物系化合物半導体においても量
産性よく製造できる。さらに、レーザにより溝を形成さ
せた場合原因は定かでないが、外周端において白濁部が
形成される。この白濁部は、外来光を散乱させるため発
光素子を形成させた場合においてコントラスト比の向上
を図ることができると考えられる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明者らは種々の実験の結果、
窒化物系化合物半導体ウエハから半導体素子を分離させ
る場合において、分離工程をスクライブ及び／又はダイ
シングに先立ってスクライブ及び／又はダイサーの刃先
をガイドする溝を形成する工程と、実質的な分離溝を形
成させるスクライバー及び／又はダイサー工程に機能分
離させることにより精度、歩留まり及び量産性よくチッ
プ形状などに分離できることを見いだし本発明を成すに
至った。

【００１４】即ち、スクライバーなどにより量産性よく
半導体チップを分離させるにはある程度の加重をかける
必要がある。スクライバーの刃先に加重をかけると窒化
物系化合物半導体素子やサファイアのモース硬度がほぼ
９と非常に硬いため図２の如く所望の溝２０１に対し歪
んだ溝２０２が形成されることがある。このような溝の
歪みは精度良くチップ状に分離させることができないば
かりでなく歩留まりを低下させる原因となる。また、ス
クライバーの刃先を傷つける原因ともなる。さらに、ウ
エハのクラックやチッピングを生ずる場合もある。他
方、加重を弱めると所望のチップ形状などに分離するの
に極めて長時間がかかり量産性が悪くなる。

【００１５】本発明者は、非常に硬い窒化物系化合物半
導体やサファイアにレーザを用いてスクライバー用など
の溝を予め効率よく形成させることによりスクライバー
の刃先に合わせた溝形状を容易に形成したものである。
したがって、スクライブ時の加重を増やしても所望通り
に刃を移動させることができる。結果として分離時間が
短縮できると共に所望通りのチップ形状に精度良く分離
できる。また、スクライブを行う切断深さを浅くするこ
とができる。そのため半導体ウエハにかかるストレス割
合を大幅に低減することができる。さらに、レーザ照射
された端面が白濁する。そのため発光素子を形成させた
場合においては、外来光の反射を抑制しコントラストが
向上するという利点もある。以下、本発明について詳述
する。

【００１６】図１に本発明の窒化物系化合物半導体の分
離例を示す。図１には予め窒化物系化合物半導体１０１
が形成された半導体ウエハ１が準備されている。この半
導体ウエハは、サファイア基板１０２上にＧａＮを低温
で形成させたバッファ層が形成されている。順次、Ｎ型
コンタクト層としてＧａＮ、活性層としてノンドープの
ＩｎＧａＮ、Ｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ、Ｐ型コ
ンタクト層としてＧａＮを形成させた２インチ径の半導
体ウエハ１である。なお、半導体には不示図の部分的な
エッチングが施されＰ型及びＮ型半導体がそれぞれ露出
されている。露出された半導体表面には電極が形成され
ており分離後は発光素子として機能するよう形成されて
いる。また、レーザ照射される溝に沿って半導体接合部
までエッチングされている（図１（ａ））。

【００１７】このような半導体ウエハをＸＹステージ上
に固定配置させる。エキシマレーザを照射させながら半
導体ウエハをＸ軸及びＹ軸方向にそれぞれ移動させて縦
横に第１の溝１０３を形成させた。形成された第１の溝
１０３は、半導体表面側からサファイア基板の一部まで
形成されており開口部が巾の約４０μｍの逆三角形形状
であった（図１（ｂ））。

【００１８】レーザ照射により形成された第１の溝にダ
イシングの刃を当て第１の溝に沿ってダイシングの刃を
走らせ第２の溝１０４を形成させた（図１（ｃ））。

【００１９】その後、第２の溝１０４に沿ってサファイ
ア基板側からローラーにより圧力を加えて押し割ること
により各半導体チップ１０５ごとに分離させた（図１
（ｄ））。これにより各半導体チップの外形が等しい半
導体素子を形成することができる。以下、本発明の構成
について詳述する。

【００２０】（レーザ）本発明に用いられるレーザとし
てはサファイア基板や窒化物系化合物半導体に溝や貫通
孔などが形成できる限り、種々のものを利用することが
できる。具体的にはエキシマレーザやＹＡＧレーザなど
種々のものが好適に用いることができる。特に、エキシ
マレーザは、窒化物系化合物半導体及びサファイア基板
の何れにも細い溝を形成することができる。レーザによ
り深い溝を形成するにはスクライバーやダイサーに比べ
て時間がかかること及び長時間の加熱による部分的破壊
などの観点からレーザ加工における深さ方向の長さを大
き過ぎないことが好ましい。また、レーザにより形成さ
れた第１の溝の深さや巾は、レーザのエネルギー密度、
照射時間や焦点を他段階に変更することなどにより種々
に調整することができる。

【００２１】なお、窒化物系化合物半導体表面側からレ
ーザー照射する場合、レーザー照射により半導体接合端
面で短絡する可能性があるため、半導体接合端面まで予
めエッチングすることもできる。また、レーザー照射
は、半導体ウエハの一方の面のみを照射しても良いし、
両面を照射しても良い。

【００２２】（窒化物系化合物半導体）本発明に用いら
れる窒化物系化合物半導体としては、ＢＮ、ＧａＮ、Ａ
ｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌ
Ｎなどが挙げられる。このような窒化物系化合物半導体
は、ＭＯＣＶＤ法などを利用することによって成膜する
ことができる。窒化物系化合物半導体は、炭化珪素、酸
化亜鉛、窒化ガリウム単結晶、スピネルやサファイア基
板上に形成することができる。結晶性の良い単結晶を形
成するためには、サファイアを基板として用いることが
好ましい。このような窒化物系化合物半導体にＭＩＳ接
合、ＰＮ接合やＰＩＮ接合を形成させることにより半導
体素子として利用することができる。半導体の構造もホ
モ接合、ヘテロ接合やダブルへテロ接合など種々選択す
ることができる。また、半導体層を量子効果が生ずる程
度の薄膜とした単一量子井戸構造や多重量子井戸構造と
することもできる。このように形成された半導体ウエハ
をそれぞれ分離することにより半導体素子を形成させる
ことができる。

【００２３】窒化物系化合物半導体素子は、バンドギャ
ップが比較的大きいことから紫外から赤色系まで発光可
能な発光ダイオード、ＤＶＤなどに利用可能な短波長レ
ーザダイオードなどの発光素子、光センサーや比較的高
起電力を有する太陽電池などの受光素子として利用する
ことができる。

【００２４】（第１の溝１０３）第１の溝１０３は、ス
クライブ及び／又はダイシング時の刃をガイドするガイ
ド溝として利用するための深さ及び巾があることが好ま
しい。レーザにより形成される第１の溝１０３自体には
チッピングなどが生じない。しかし、あまり深く形成し
すぎるとその後の分離工程において所望外にウエハ１が
チップ状に切断されてしまいチッピングやクラックが生
じやすくなる傾向がある。また、レーザにより半導体素
子側を照射する場合は、半導体接合を切断しないほうが
好ましい。半導体接合面までレーザ光が到達すると短絡
する可能性があるからである。したがって、予めエッチ
ングにより半導体接合面まで除去するか半導体接合面深
さまでレーザ照射しないことが望ましい。

【００２５】（第２の溝１０４）第１の溝１０３に沿っ
て形成される第２の溝１０４は、加重をかけることによ
りウエハ１を各半導体チップに分離するためにもちいら
れる。したがって、第２の溝１０４の形成は全厚の１０
％以下が好ましい。これ以上の厚みにさせると溝形成中
にウエハがチップ状に切断されてしまいチッピングやク
ラックが生じやすくなる傾向がある。また、スクライバ
ーやダイサーにより第２の溝１０４を形成後、より正確
にチップ状に分離させる目的で再びスクライバーなどで
スクライブラインを形成させても良い。この第２の溝１
０４形成後のスクライバーを再び用いてチップ状に分離
させることもできる。また、第２の溝１０４形成後のウ
エハ分離は、溝に沿って外力が加わるよう第２の溝１０
４に沿ってローラなどに加重をかけることで分離するこ
ともできる。以下、本発明の具体例を実施例に基づいて
詳述するがこの実施例のみに限定されるものでないこと
はいうまでもない。

【００２６】

【実施例】

（実施例１）厚さ４５０μｍ、大きさ２インチΦのサフ
ァイア基板上に、ｎ型コンタクト層としてＧａＮ、活性
層として量子効果が生ずる厚さ約３ｎｍでありノンドー
プのＩｎＧａＮ、ｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ、ｐ
型コンタクト層としてＧａＮを順次積層した窒化物系化
合物半導体ウエハを形成した。形成された半導体層の厚
みは約５μｍである。半導体層を形成後、半導体層をエ
ッチングしＰＮ各電極が形成できるよう半導体面を露出
させ電極を形成させた。（なお、サファイア基板上に
は、バッファ層としてＧａＮ層が形成されている。ま
た、Ｐ型層は、不純物をドープしただけではＰ型化しに
くいため成膜後４００℃でアニールしてある。）分離さ
せやすくするために形成された半導体ウエハのサファイ
ア基板側を研磨機により８０μｍの厚みまで研磨した。
こうして形成された半導体ウエハーを以下の工程で順次
切断させた。

【００２７】研磨されたサファイア基板に粘着テープ
を張り付け、真空チャックで固定する。テーブルはＸ軸
（左右）、Ｙ軸（前後）に移動することができ、回転可
能な構造となっている。固定後、半導体ウエハーのサフ
ァイア基板側から最大エネルギー密度２０Ｊ／ｃｍ²で
エキシマレーザを照射した。レーザーを照射しながらＸ
Ｙステージを移動させることで１チップが３００μｍ角
となる溝を形成させた。レーザの照射された端面は約１
０゜の角度を持った逆円錐形となり巾約１０μｍの溝が
形成された。

【００２８】レーザー照射された半導体ウエハをスク
ライバーのテーブル上に張り付け真空チャックで固定す
る。テーブルはｘ軸（左右）、ｙ軸（前後）に動き、１
８０度水平に回転可能な構造となっている。固定後、ス
クライバーのダイヤモンド刃が設けられたバーはｚ軸
（上下）、ｙ軸（前後）方向に移動可能な構造となって
いる。切断速度１３ｍｍ／ｓｅｃ、ダイヤモンド刃の刃
先への加重１１０ｇの条件で、レーザ照射により形成さ
れた第１の溝に沿ってスクライバーの刃を合わせ所定の
カットライン（３００μｍ角）上にスクライブラインを
引いた。同じ条件でスクライバーを再度移動させること
により、３００μｍ角の窒化物系化合物半導体素子を得
た。

【００２９】スクライバーにより所望の大きさに分離
された窒化物系化合物半導体をテーブルから剥がし取り
各半導体発光素子を得ることができた。こうして得られ
た窒化ガリウム系半導体発光チップより外形不良による
ものを取り除いたところ歩留まりは９７％以上であっ
た。得られた半導体チップの端面はほぼ均一であった。

【００３０】（実施例２）第１及び第２の溝を半導体素
子側ではなくサファイア基板から行う以外は条件を同様
にして半導体発光素子を分離させた。なお、窒化物系化
合物半導体側に電極３０６形成用のエッチングが施され
ておりエッチング溝３０７と一致するようにサファイア
基板３０４側に本発明の溝を形成させてある。エッチン
グにより活性層３０５をそれぞれ分離させてある。こう
して形成された発光チップも実施例１と同様に端面３０
２、３０３にチッピングなどがない綺麗な面を持ち歩留
まりも高かった。

【００３１】また、形成された半導体発光素子のサファ
イア端の外周は、図２の如く白濁部３０１を有しており
コントラスト比の高い発光素子とすることができる。

【００３２】（比較例１）エキシマレーザーを用いて第
１の溝部を形成する工程を省き、スクライバーを用いて
窒化物系化合物半導体エピタキシャルウエハをカットし
た以外は実施例１と同様にして切断した。形成された半
導体チップは、スクライブ時に刃先がずれたために生ず
る部分的に大きさが異なるものがあった。また、切断線
に対しクラックが入っているものもあった。こうした半
導体チップを除いた歩留まりは、７５％以下であった。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように本発明の製造方法によ
るとクラック、チッピング等を発生させず、窒化物系化
合物半導体ウエハを歩留まり及び量産性よく分離でき
る。

【００３４】また、本発明は、レーザ照射で予めスクラ
イバー及び／又はダイサーの走行溝を形成できるためよ
り小さい半導体チップにおいても所望通り歩留まりよく
切断することができる。また、スクライバー及び／又は
ダイサーにおける切断時間が非常に短く刃先の損傷も少
なくてすむという利点がある。さらに、形成された半導
体素子においてはレーザ照射された外周端において、白
濁部が形成されておりコントラストの高い発光素子とし
て利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の窒化物系化合物半導体の製造
方法を示した模式図である。図１（ａ）は、半導体ウエ
ハの模式的断面図を示し、図１（ｂ）は、レーザにより
第１の溝を形成させた半導体ウエハの模式的断面図であ
る。また、図１（ｃ）は、ダイサーにより第２の溝を形
成させた半導体ウエハの模式的断面図である。図１
（ｄ）は、外力により個々の半導体素子に分離させた模
式的断面図である。

【図２】図２は、本発明と比較のために示したスクライ
バーによる分離溝の部分的平面図である。

【図３】図３は、本発明の半導体発光素子の模式的断面
図である。

【符号の説明】

１・・・半導体ウエハ１０１・・・半導体接合が形成された窒化物系化合物半
導体１０２・・・サファイア基板１０３・・・レーザにより形成された第１の溝１０４・・・ダイサーにより形成された第２の溝１０５・・・分離された半導体素子２・・・半導体ウエハ２０１・・・スクライバーにより形成された所望の溝２０２・・・スクライバーにより形成された所望外の歪
んだ溝３０１・・・白濁部３０２・・・レーザーにより形成された端面３０３・・・スクライブにより形成された端面３０４・・・サファイア基板３０５・・・半導体接合面となる活性層３０６・・・発光素子の電極３０７・・・エッチングにより形成された端面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−315646（ＪＰ，Ａ) 特開平７−122520（ＪＰ，Ａ) 特開平１−245541（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−99075（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 H01L 21/78 B23K 26/00 - 26/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化物系化合物半導体が積層形成された半
導体ウエハから窒化物系化合物半導体素子を製造する方
法であって、前記半導体ウエハをレーザ照射により第１の溝を形成す
る工程と、ダイサー及び／又はスクライバーの刃先を前
記第１の溝に沿って合わせ駆動させる工程と、を有する
ことを特徴とする窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項２】前記窒化物系化合物半導体がサファイア基
板上に形成されている請求項１記載の窒化物系化合物半
導体素子の製造方法。
【請求項３】サファイア基板上に窒化物系化合物半導体
層を有する半導体発光素子であって、前記半導体発光素子を構成するサファア基板の外周端又
は窒化物系化合物層外周端に白濁部を有することを特徴
とする半導体発光素子。