JP3772807B2

JP3772807B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

Info

Publication number: JP3772807B2
Application number: JP2002245672A
Authority: JP
Inventors: 修二中村; 元量山田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: JP2003078164A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、青色、緑色あるいは赤色発光ダイオード、レーザーダイオード等の発光デバイスに使用される窒化ガリウム系化合物半導体チップに係り、特に、サファイア基板上に一般式Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X＜１、０≦Y＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体（以下、窒化物半導体と記載する。）が積層された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、基板上に半導体材料が積層されたウエーハから、発光デバイス用のチップに切り出す装置には一般にダイサー、またはスクライバーが使用されている。ダイサーとは一般にダイシングソーとも呼ばれ、刃先をダイヤモンドとするブレードの回転運動により、ウエーハを直接フルカットするか、また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）、外力によってウエーハを割る装置である。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の往復直線運動によりウエーハに極めて細いスクライブライン（罫書線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエーハを割る装置である。
【０００３】
従来、これらの装置を用いて半導体ウエーハをチップ状にカットする際、例えばＧａＰ、ＧａＡｓ等のせん亜鉛構造の結晶はへき開性が「１１０」方向にあるためこの性質を利用して、例えばスクライバーでこの方向にスクライブラインを入れることにより簡単にチップ状に分離できる。しかしながら、窒化物半導体はサファイア基板の上に積層されるため、そのウエーハは六方晶系というサファイア結晶の性質上へき開性を有しておらず、スクライバーで切断することは困難であった。一方、ダイサーで切断する場合においても、窒化ガリウム系化合物半導体ウエーハは、前記したようにサファイアの上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層したいわゆるヘテロエピタキシャル構造であるため、格子定数不整が大きく、また熱膨張率も異なるため、外力が加わることにより窒化ガリウム系化合物半導体がサファイア基板から剥がれやすいという問題があった。さらにサファイア、窒化ガリウム系化合物半導体両方ともモース硬度がほぼ９と非常に硬い物質であるため、切断面にクラック、チッピングが発生しやすくなり正確に切断することができなかった。
【０００４】
また前記のように窒化物半導体はサファイアという絶縁性基板の上に積層されていることから、ｐ型層とｎ型層より電極を取り出すには、通常窒化物半導体層の同一面側にエッチングが行われ、両方層が露出した状態とされる。この状態の窒化物半導体ウエーハをチップ状に分離する際、前記スクライブ、ダイサー等を用い、直接エッチング面の窒化物半導体側から切断すると、切断面にクラック等が発生し、歩留がよくないという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一枚のウエーハからできるだけ数多くの発光チップを得て生産性を上げることは非常に重要であり、しかも窒化物半導体の結晶性を傷めずに多くのチップを得ることは必須要件である。窒化物半導体よりなるチップは未だ実用化されてはいないが、近い将来窒化物半導体を利用して、青色、緑色発光ダイオード、レーザーダイオード等を実用化するためには、益々高度なチップ化技術が求められている。従って、本発明はこのような事情を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、サファイアを基板とする窒化物半導体ウエー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し、歩留良く、所望の形状、サイズを得る窒化物半導体チップの製造方法を提供し、この方法により電極を設けるためにｐ型層、あるいはｎ型層がエッチングされた窒化物半導体の結晶性を損なうことなく製造され得る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、サファイア基板上にｎ型層及びｐ型層が順に積層されて、ｎ型層の電極形成面が露出するようにエッチングされた窒化ガリウム系化合物半導体を備えたウエーハを、割り溝を形成して分割することにより作製された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記サファイア基板は、前記電極形成面より下に位置し前記割り溝を形成する面として設けられた割り溝形成面を有し、かつ前記サファイア基板の厚さが２００μｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記割り溝形成面はエッチングにより形成されていることが好ましい。
さらに、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、前記ウエーハをスクライバーを用いて分割することにより作製されていることが好ましい。
またさらに、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においは、前記サファイア基板の厚さが５０μｍ以上であることが好ましい。
さらに、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、以下の製造方法により製造することができる。
すなわち、本発明の素子に係る窒化物半導体チップの製造方法は、予めｐ型層あるいはｎ型層の電極形成面が露出するようにエッチングされた窒化ガリウム系化合物半導体をサファイア基板上に備えた窒化ガリウム系化合物半導体ウエーハをチップ状に分離する方法であって、前記窒化ガリウム系化合物半導体の電極形成面のエッチングとは別に、新たに窒化ガリウム系化合物半導体面にエッチングを行い、第一の割り溝を所望のチップサイズで線状に形成する工程と、次に前記第一の割り溝の上から、さらに第二の割り溝をサファイア基板に達する深さ以上で線状に形成すると共に、第一の割り溝の線幅（Ｗ１）よりも、第二の割り溝の線幅（Ｗ２）を狭く調整する工程と、前記第二の割り溝に沿って前記ウエーハをチップ状に分離する工程とを具備することを特徴とする。
【０００７】
本発明の素子の係る製造方法において、第一の割り溝を形成する際のエッチング手段としてウエットエッチング、ドライエッチングいずれを用いてもよく、ウエットエッチングであれば、例えば硫酸とリン酸の混酸を用いることができ、一方ドライエッチングであれば、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンミリング、集束ビームエッチング、ＥＣＲエッチング等の手法を用いることができる。好ましくはドライエッチの方が窒化物半導体結晶を傷めにくい。但し、エッチングを行う前に、窒化物半導体表面に所望のチップサイズとなるように、所定の形状のマスクを形成することは言うまでもない。
【０００８】
次に、第二の割り溝を形成するには、ダイシング、スクライブ、エッチング等の手法を用いることができる。第二の割り溝は第一の割り溝の上から、つまり第一の割り溝の跡に形成する。この第二の割り溝はサファイア基板に達する深さ以上で形成する必要があり、さらに第一の割り溝の幅よりも狭くする必要がある。形成手法は特に問わないが、特に好ましくはスクライブを用いる。なぜなら、スクライブは第二の割り溝の線幅を、第一の割り溝の線幅よりも狭くしやすく、また、エッチングに比べて迅速に割り溝を形成できる。さらに、ダイシングに比べて、ウエーハ切断時にサファイア基板を削り取る面積が少なくて済むので、単一ウエーハから多くのチップが得られるという利点がある。
【０００９】
また、第一の割り溝を形成する前、あるいは第二の割り溝を形成する前に、サファイア基板を研磨して薄くすることが好ましい。研磨後のサファイア基板の厚さは２００μｍ以下、さらに好ましくは１５０μｍ以下に調整することが望ましい。なぜなら、窒化物半導体ウエーハは、サファイア基板の厚さが通常３００〜８００μｍ、その上に積層された窒化物半導体の厚さが多くとも数十μｍあり、そのほとんどがサファイア基板の厚さで占められている。しかも、前記したように窒化物半導体は格子定数、および熱膨張率の異なる材料の上に積層されているため、非常に切断しにくい性質を有している。従って、サファイア基板の厚さを前記範囲に調整することにより、サファイア基板をほぼ垂直に割ることができる。特に、第二の割り溝をスクライブで形成する場合には、サファイア基板を前記範囲に研磨することにより、一回のスクライブでほぼ垂直な切断面を得ることができる。基板の厚さの下限値は特に問わないが、あまり薄くすると研磨中にウエーハ自体が割れ易くなるため、実用的な値としては５０μｍ以上が好ましい。
【００１０】
【作用】
本発明の素子に係る製造方法の作用を図面を元に説明する。図１ないし図８は本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図であり、特に図７および図８は第二の割り溝を形成する際のウエーハの状態を拡大して示している。
【００１１】
図１はサファイア基板１の上にｎ型窒化物半導体層２（ｎ型層）と、ｐ型窒化物半導体層３（ｐ型層）とを積層したウエーハの模式断面図であり、ｐ型層３が予めエッチングされて、負電極を設けるためのｎ型層２が露出されている。
【００１２】
次に、図２に示すように、露出されたｎ型層２の上からエッチングにより第一の割り溝１１をＷ１の幅で線状に形成する。なおエッチング前に、ｐ型層３と、露出されたｎ型層２の表面に、第一の割り溝を形成するためのマスクを形成することはいうまでもない。この第一の割り溝１１をエッチングで形成する手段は、他のスクライブ、ダイシング等に技術に比べて、窒化物半導体の結晶を傷めにくく、さらに物理的な応力が窒化物半導体のｐ−ｎ接合界面、サファイアと窒化物半導体の界面に係らなくする作用がある。さらに、この図に示すように第一の割り溝１１をサファイア基板１に達するまで形成すると、次に第二の割り溝２２を形成する位置の露出面がサファイアのみとなるため、第二の割り溝２２を形成する手段であるダイサー、スクライバー等の刃先が全く窒化物半導体に触れることはないので最も好ましい。
【００１３】
次に図３に示すように、第一の割り溝１１を形成した上から、新たに第二の割り溝２２を、第一の割り溝１１の線幅Ｗ１よりも狭い幅Ｗ２で線状に形成する。しかも、その深さはサファイア基板１に達する深さ以上とする。（図３では第一の割り溝１１をサファイア基板に達するまで形成しているため、この場合第二の割り溝２２の深さが自ずからサファイア基板に達する深さ以上となる。）このように、第二の割り溝２２の線幅Ｗ２を第一の割り溝１１の線幅Ｗ１よりも狭くすることにより、第二の割り溝２２の形成手段であるダイサー、スクライバー等の刃先が窒化物半導体の側面、つまり電極を形成するべきｎ型層２に触れることがないので結晶性を損なうことがない。さらに、第二の割り溝２２の深さをサファイア基板に達する以上としているので、実質的な切断箇所がサファイア基板のみとなり、目的とする窒化物半導体の形状を正確に制御でき、チップに分離することができる。またこの図はサファイア基板１を研磨せず、第二の割り溝２２をスクライブで形成したために、破線に示すようにサファイアが斜めになって割れる可能性を示しているが、ダイサーで第二の割り溝２２をハーフカットしてサファイア基板の厚さを２００μｍ以下にするか、またはフルカットすればサファイアを垂直に切断することができる。
【００１４】
図４は、図１または図２に示すウエーハのサファイア基板１側を研磨して、その厚さを２００μｍ以下にした状態を示している。このように基板を研磨して薄くすることにより、スクライブで第二の割り溝２２を形成しても、サファイア基板１をほぼ垂直に割ることができる。但し、サファイア基板を研磨する工程は第一の割り溝を形成する前か、または第二の割り溝を形成する前に行うことが好ましい。なぜなら第二の割り溝２２を形成した後研磨すると、研磨中に基板が目的としない位置で割れやすい傾向にあるからである。
【００１５】
図５、および図６は本願の他の実施例に係る一工程で得られるウエーハの構造を示す模式断面図であり、図５は第一の割り溝１１をサファイア基板１に達するまで形成せず、ｎ層２の途中までで止めた状態を示し、図６は図５に示す第一の割り溝１１の上から、新たに第二の割り溝２２をサファイア基板１に達する深さ以上で形成した状態を示している。図６に示すように第二の割り溝２２をサファイア基板１に達する深さ以上で形成することができれば、図５に示すように、第一の割り溝１１がサファイア基板に達するまでエッチングする必要はない。しかし第一の割り溝１１を形成した後、第二の割り溝を形成するべき位置の窒化物半導体（この図の場合、ｎ型層２）の厚さが厚いと、後に第二の割り溝を形成する際にスクライバー、ダイサーによる応力が作用し、サファイア基板１とｎ層２の界面が剥がれやすくなるため、通常はその第二の割り溝２２を形成するべきｎ層２の厚さを５μｍ以下に調整することが好ましい。
【００１６】
図７、および図８は第二の割り溝２２を形成する際のウエーハの構造を拡大して示す模式断面図であり、図７は第二の割り溝２２をスクライバーを用いて形成することを示し、図８はダイサーにより形成することを示している。いずれにおいてもサファイア基板１の表面に第二の割り溝２２により傷を設けた後、その傷に沿ってウエーハを分離できることがわかるが、図７に示すようにスクライバーで第二の割り溝２２を形成する方が、第一の割り溝１１の幅Ｗ１を狭くすることができるので、数多くのチップが得られることがわかる。また第二の割り溝２２の幅Ｗ２をＷ１よりも狭くしていることにより、スクライバーの刃先、ダイサーのブレード等で窒化物半導体の側面を傷めることがない。なお図８のａの丸で囲んだ部分は、第一の割り溝１１がｎ型層２を残した状態、つまり図５と同一の状態を示しているが、第二の割り溝２２で削り取られるこの部分は、エッチングされて負電極を設けるべきｎ型層２ではないので、少々側面に傷が入ってもチップとしては特に重要でない部分であるため、チップの発光特性には影響を与えることがない。
【００１７】
【実施例】
［実施例１］
厚さ４００μｍ、大きさ２インチφのサファイア基板１の上に順にｎ型層２（この場合ｎ型ＧａＮ）を６μｍと、ｐ型層３（この場合ｐ型ＧａＮ）とを１μｍ積層したウエーハを用意する。但し、このウエーハのｐ型ＧａＮ層を予め所定の形状で２μｍの深さでエッチングして、図９に示すように電極を設けるべきｎ型層２を一部露出させている。（従って、エッチングされて露出したｎ型層２の厚さは５μｍとなる。）エッチング後のウエーハを窒化物半導体層側からみた平面図を図９に示す。
【００１８】
次に、このウエーハのｐ型層３およびエッチングされたｎ型ＧａＮ層２の上に、所定のチップサイズになるようにフォトリソグラフィー技術によりＳｉＯ2よりなるマスクをかけた後、ＲＩＥを用いサファイア基板が露出するまで、さらにｎ型ＧａＮ層２にエッチングを行い、第一の割り溝１１を形成する。第一の割り溝は線幅（Ｗ１）４０μｍで３５０μｍピッチとする。この第一の割り溝の線幅、ピッチを図９に示す。
【００１９】
以上のようにして、第一の割り溝１１を形成した後、ウエーハのサファイア基板１側を研磨器により研磨して、基板を１００μｍの厚さにラッピング、およびポリッシングする。
【００２０】
次に、ポリッシングを終えたウエーハのサファイア基板１側に、粘着テープを貼付し、スクライバーのテーブル上にウエーハを張り付け、真空チャックで固定する。テーブルはＸ軸（左右）、Ｙ軸（前後）方向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、スクライバーのダイヤモンド針で、前述の第一の割り溝の中央線をＸ軸方向に３５０μｍピッチ、深さ５μｍ、線幅（Ｗ２）５μｍで一回スクライブする。テーブルを９０゜回転させて今度はＹ軸方向に同様にしてスクライブする。このようにして３５０μｍ角のチップになるようにスクライブラインを入れ、第二の割り溝を形成する。
【００２１】
スクライブ後、真空チャックを解放し、ウエーハをテーブルから剥し取り、サファイア基板側から軽くローラーで押さえることにより、２インチφのウエーハから３５０μｍ角のチップを多数得た。チップは第二の切り溝からほぼ垂直に切断できており、切断面にクラックが発生しておらず、さらに窒化物半導体がサファイア基板から剥がれていないものを取りだしたところ、歩留は９９％以上であった。
【００２２】
［実施例２］
実施例１の第一の割り溝を形成する工程において、エッチング深さを４μｍとする他は同様にしてチップに分離する（つまり、次に第二の割り溝２２を形成する部分のｎ型層２の厚さを１μｍとした）他は同様にして３５０μｍ角のチップに分離したところ、歩留は同じく９９％以上であった。
【００２３】
［実施例３］
第一の割り溝を実施例１と同様にして、第一の割り溝をサファイア基板に達するまで形成する。但し線幅（Ｗ１）は１００μｍ、５００μｍピッチとする。
【００２４】
次にウエーハのサファイア基板１側を研磨器により研磨して、基板を２００μｍの厚さにラッピング、およびポリッシングした。基板を研磨することにより次の第二の割り溝を形成する工程でダイシング時間を短縮することができる。
【００２５】
ポリッシングを終えたウエーハをダイサーのテーブル上に固定し、ブレード幅８０μｍのブレードを用いて、第一の割り溝の中央線をＸ軸方向に同じく５００μｍピッチ、深さ５０μｍ、線幅（Ｗ２）８０μｍでダイシングしてハーフカットすることにより第二の割り溝を形成する。このように第二の割り溝をダイサーで深く入れて、切断部分のサファイア基板の厚さを薄くすることにより、切断面をほぼ垂直にすることができる。
【００２６】
ハーフカット後、ウエーハをテーブルから剥し取り、サファイア基板側から軽くローラーで押さえることにより、２インチφのウエーハから５００μｍ角のチップを多数得た。このチップの歩留も同様に９９％以上であった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法によると、へき開性を有していない窒化物半導体ウエーハでも、スクライブ、ダイサー等の手法により、歩留よく正確に切断することができ、生産性が向上する。しかも電極を形成するべき窒化物半導体を全く傷めることがないので、本発明の方法で分離されたチップを発光素子とした場合、素子の歩留が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図。
【図２】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図。
【図３】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図。
【図４】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図。
【図５】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図。
【図６】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図。
【図７】本発明の製造方法の一工程を説明する拡大模式断面図。
【図８】本発明の製造方法の一工程を説明する拡大模式断面図。
【図９】本発明の製造方法の一工程を説明する平面図。
【符号の説明】
１・・・・サファイア基板
２・・・・ｎ型層
３・・・・ｐ型層
１１・・・第一の割り溝
２２・・・第二の割り溝

Claims

サファイア基板上にｎ型層及びｐ型層が順に積層されて、ｎ型層の電極形成面が露出するようにエッチングされた窒化ガリウム系化合物半導体を備えたウエーハを、割り溝を形成して分割することにより作製された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
前記サファイア基板は、前記電極形成面より下に位置し前記割り溝を形成する面として設けられた割り溝形成面を有し、かつ前記サファイア基板の厚さが２００μｍ以下であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記割り溝形成面はエッチングにより形成された請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記ウエーハをスクライバーを用いて分割することにより作製した請求項１又は２記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記サファイア基板の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。