JP4070893B2

JP4070893B2 - Manufacturing method of semiconductor device

Info

Publication number: JP4070893B2
Application number: JP26799798A
Authority: JP
Inventors: 善平川津; 毅中山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JP2000101195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイア基板等の六方晶系基板上に形成された窒化ガリウム系半導体層からなる半導体装置の製造方法に関し、特に、基板の切断を容易にし、半導体層の劈開を可能とする半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在使用されている比較的長波長のレーザダイオードや発光ダイオード等の発光素子は、ジンクブレンド（Zinc Blende）構造を有するＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の基板上にＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体材料を結晶成長させ、これをチップ化して作製されている。かかるジンクブレンド構造を有する単結晶基板は、＜１１０＞方向に劈開性を有するので、針状のスクライバを用いてこの方向にスクライブラインを形成し、このスクライブラインに沿って基板を押し割り、劈開することにより、容易にチップ状に分離することができる。また、レーザダイオードにおいては、かかる劈開面を共振器端面として使用することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
青色発光素子に用いられるＧａＮに代表される窒化ガリウム系III−Ｖ族化合物半導体は、通常、サファイア基板上に成長されるが、サファイア基板は六方晶系結晶であるため劈開性が弱く、また、その上に成長させたＧａＮ層と劈開方向が異なっている。
このため、ダイシングやスクライビングを行う場合には、強制的に基板を切断して各チップに分離しなければならず、基板に不用な力がかかることとなる。このため、転位の増殖等により結晶性が悪化するなど素子に悪影響を及ぼし、素子の発光効率の低下、寿命の悪化等を引き起こすという問題があった。
特に、レーザダイオードにおいては、共振器端面を劈開面から形成することができなかったため、共振器端面の作製にドライエッチングを用いる方法や、サファイア基板を研磨した後にスクライビングを行う方法が用いられているが、端面形状の悪化や研磨中の割れ等の問題があり、素子特性の劣化や製造歩留り低下の原因となっていた。
そこで、本発明は、サファイア基板等の六方晶系基板上に形成された窒化ガリウム系半導体層からなる半導体装置において、基板の切断を容易にし、半導体層の劈開を可能とする半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、発明者らは鋭意研究の結果、サファイア基板等の六方晶系の単結晶基板上に窒化物半導体層からなる半導体素子を形成して各半導体素子に分割する場合、基板裏面に窒化金属薄膜を設けることにより、任意の方向に基板を容易に切断できるようになること、これにより、基板上に形成された半導体層の劈開方向に合わせて基板の切断方向が選択できることを見出し、本発明を完成した。
【０００５】
即ち、本発明は、六方晶系の単結晶基板上に窒化ガリウム系半導体層を積層成長し、該半導体層上に電極を形成して複数の半導体素子とし、該単結晶基板を切断して各半導体素子に分割する半導体装置の製造方法であって、上記単結晶基板の裏面上に金属薄膜を形成し、該金属薄膜を窒化して窒化金属薄膜とし、該窒化金属薄膜側から該単結晶基板に達するスクライブラインを形成し、該スクライブラインに沿って該単結晶基板及び該半導体層を切断することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
このように、基板の裏面に窒化金属薄膜を形成することにより、基板を押し割る力が、従来の方法と比較して、１／１０程度で済み、余計な力が基板にかからず、チッピングや欠けの発生を抑えることが可能となる。
また、基板のいずれの方向に対しても、基板を簡単に割ることができるため、基板上に形成された窒化ガリウム系半導体層の劈開方向に沿って基板及び半導体層を割ることも可能となる。これにより、劈開面を、レーザダイオードの共振器端面として使用することもできる。
【０００６】
また、上記基板上に形成された上記窒化ガリウム系半導体層の劈開方向である該半導体層の
【数３】

方向（以下、「数３の方向」という。）に上記スクライブラインを形成することが好ましい。
このように、数３の方向にスクライブラインを形成することにより、基板上の窒化ガリウム系半導体層を劈開面で分割することが可能となる。
【０００７】
上記単結晶基板にサファイア（０００１）基板を用いた場合、該サファイア基板の
【数４】

方向（以下、「数４の方向」という。）に上記スクライブラインを形成することが好ましい。
サファイア（０００１）基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成した場合、サファイア基板の数４の方向が、窒化ガリウム系半導体層の数３の方向に相当するからである。
【０００８】
上記金属薄膜の融点は、１２００℃以上であることが好ましい。基板上への結晶成長工程において、基板裏面に形成した金属薄膜が悪影響を及ぼさないようにするためである。
【０００９】
特に、上記金属薄膜の融点は、１３００℃以上であることが好ましい。
【００１０】
上記金属薄膜は、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブからなる群から選択される１種からなることが好ましい。
かかる金属材料は、高融点金属であり、これらの金属薄膜を用いることにより、基板上への結晶成長工程においても成長層に悪影響を及ぼさないからである。
【００１１】
また、本発明は、少なくとも六方晶系の単結晶基板と、該単結晶基板の一方の面上に積層形成された窒化ガリウム系半導体層と、該半導体層上に形成された電極とを含む半導体装置であって、該単結晶基板の他方の面に、窒化金属薄膜を備えたことを特徴とする半導体装置でもある。
【００１２】
また、本発明は、上記窒化ガリウム系半導体層が、上記単結晶基板上に順次積層形成された第１クラッド層と、活性層と、第２クラッド層とを少なくとも含み、該半導体層を切断して形成された劈開面をレーザダイオードの共振器端面とすることを特徴とする半導体装置でもある。
基板の裏面に金属薄膜を備えることにより、半導体層を劈開面で切断でき、かかる劈開面をレーザダイオードの共振器端面として使用することができる。従って、共振器端面を、従来のように、エッチング等により形成することが不要となる。
【００１３】
上記窒化金属薄膜は、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化ニオブからなる群から選択される１種からなることが好ましい。
【００１４】
上記窒化金属薄膜は、１２００℃以下で熱分解しないことが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法ついて、図１、２を参照しながら説明する。
図１に示すように、まず、１００μｍの厚さの成長用サファイア（０００１）単結晶基板１の半導体層を成長させる側と反対側の面（以下、「裏面」という。）に、スパッタ法等を用いて、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ等からなる金属薄膜２を約５０〜５００ｎｍ程度形成する。
【００１６】
次に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、サファイア基板１の表面上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる。以下、その過程について具体的に述べる。
裏面に金属薄膜２を形成したサファイア基板１を反応炉内のサセプタ上に設置し、真空排気した後、水素気流中で約１１００℃に昇温し、サファイア基板表面の清浄化を行う。
【００１７】
その後、基板温度を約５５０℃まで隆温し、V族原料であるアンモニア（ＮＨ₃）を反応管内に導入し、一定時間経過した後、III族原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給してバッファ層３の成長を行う。
かかる工程において、ＮＨ₃を導入した直後からサファイア基板１の裏面に形成された金属薄膜２は窒化され、安定な窒化金属薄膜４となる。
【００１８】
尚、サファイア基板１の裏面に、スパッタ法等を用いて、Ｔｉ等の金属薄膜２を約５０〜５００ｎｍ程度形成した後、サファイア基板１をＮＨ₃雰囲気内で熱処理して、予め、金属薄膜２を窒化金属薄膜４としたサファイア基板１を用いて、結晶成長を行っても構わない。
また、ＮＨ₃雰囲気内で熱処理する代わりに、金属薄膜２に窒素イオンビームを照射して金属薄膜２を窒化し、窒化金属薄膜４としても構わない。
【００１９】
次に、基板温度を約１１００℃に昇温し、ＴＭＧ、ＮＨ₃及びドーパントとしてＳｉＨ₄等を供給し、ｎ−ＧａＮ層５を２〜５μｍ程度成長する。
【００２０】
次に、上述のガスに、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、Ｓｉが添加されたｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層を、ｎ型クラッド層６として０．１〜０．５μｍ程度形成する。
【００２１】
次に、基板温度を７５０〜８５０℃程度に隆温した後、上述のＴＭＡに代えてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を導入し、バンドギャップがクラッド層６よりも小さくなるような材料Ｉｎ_yＧａ_l-yＮ（０≦ｙ＜１）からなる活性層７を０．０５〜０．１μｍ程度形成する。
【００２２】
次に、ｎ型クラッド層６の成長に用いたガスと同じ原料ガスを用い、ドーパントガスとしてＳｉＨ₄に代えてｐ型ドーパントのシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を加えて、ｐ型クラッド層８としてｐ−Ａｌ_xＧａ_l-xＮ（０＜ｘ＜１）層を成長させる。
【００２３】
次に、コンタクト層９の形成のために、ＴＭＧ、ＮＨ₃、Ｃｐ₂Ｍｇの混合ガスを導入し、ｐ−ＧａＮ層９を０．３〜１μｍ程度成長させる。
【００２４】
次に、約８００℃の窒素雰囲気中で、基板全体の熱処理を行い、Ｍｇの活性化を行う。
【００２５】
次に、ｎ側電極を形成するために、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングを行った後、成長した半導体層の一部をドライエッチングにより除去してｎ−ＧａＮ層５の一部を露出させる。続いて、所定の位置に、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ等の金属をスパッタ法等により順次積層して、ｐ側電極１０及びｎ側電極１１を作製する。
【００２６】
以上の工程により、図２に示すような発光ダイオードが、同一基板上に複数形成される。続いて、以下の工程に従って、かかる複数の発光ダイオードを、夫々の発光ダイオードに分割する。
即ち、上記工程で基板上に形成した分離パターン（図示せず）に沿って、針状のスクライバーを用いて、基板１を裏面から切り欠いて、スクライブラインを形成する。
分離パターンは、かかるスクライブラインが、サファイア基板１上に形成されたＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体層の劈開方向（数３の方向）となるように形成される。
尚、窒化ガリウム系半導体層の劈開方向（数３の方向）は、サファイア（０００１）基板１の数４の方向に相当する。
【００２７】
本実施の形態では、約５０〜５００ｎｍの窒化金属薄膜４がサファイア基板１の裏面に形成されているため、スクライブラインは、かかる窒化金属薄膜４を通ってサファイア基板１の裏面が切り欠かれるようにして形成する。
【００２８】
この場合、窒化金属薄膜４を形成しない従来のスクライブ方法では、サファイア基板は劈開性が弱いため、スクライブラインに沿って、サファイア基板１及びその上に形成された窒化ガリウム系半導体層を、機械的に切断する必要があった。このため、切断時に、サファイア基板１に余計な力がかかり、チッピングや欠けを生じ、また、切断面も凹凸を有する形状となっていた。
これに対して、窒化金属薄膜４を裏面に形成した本方法では、サファイア基板１を押し割る力が、従来の窒化金属薄膜４を形成しない方法と比較して、１／１０程度で済み、余計な力がサファイア基板１にかからず、チッピングや欠けの発生を抑えることが可能となる。
また、サファイア基板１のいずれの方向に対しても、上述のように、サファイア基板１を簡単に割ることができる。
また、サファイア基板１の裏面に窒化金属薄膜４が形成された素子構造となるため、素子とダイパッドとの接着性が向上し、ダイボンドを容易に行うことが可能となる。
【００２９】
尚、発光ダイオードの代わりに、上記工程とほぼ同様の工程を用いることにより、サファイア基板１の上に複数のレーザダイオードを形成することも可能である。
このように、レーザダイオードを形成した場合、夫々のレーザダイオードへの分割工程において、窒化ガリウム系半導体層を劈開面で分割して、かかる劈開面を共振器端面とすることが必要となる。
しかしながら、従来の分割方法では、サファイア基板１の切断が困難であったため、サファイア基板１を切断すると同時に半導体層を劈開面で分割することは困難であった。
これに対して、本実施の形態にかかる方法では、任意の方向に、かつ従来の１／１０程度の力で、サファイア基板１を切断できるため、窒化ガリウム系半導体層の劈開方向（数３方向）に沿ってサファイア基板１にスクライブラインを形成し、かかるスクライブラインに沿ってサファイア基板１を切断することにより、サファイア基板１上の窒化ガリウム層を劈開面で割ることが可能となる。従って、かかる劈開面を、レーザダイオードの共振器端面として使用することが可能となる。
【００３０】
実施の形態２．
本発明の第２の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法ついて、図３〜５を参照しながら説明する。
まず、厚みが３００μｍのサファイア（０００１）基板１を、反応炉内のサセプタ上に設置し、真空排気した後、水素気流中で約１１００℃に昇温し、サファイア基板１の表面の清浄化を行う。
【００３１】
その後、基板温度を約５５０℃まで降温し、Ｖ族原料であるアンモニア（ＮＨ₃）を反応管内に導入し、一定時間経過後、III族原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給して、バッファ層３の成長を行う。
【００３２】
次に、基板温度を約１１００℃に昇温し、ＴＭＧ、ＮＨ₃及びドーパントとしてＳｉＨ₄等を供給し、ｎ−ＧａＮ層５を２〜５μｍ程度成長させる。
【００３３】
次に、上述のガスにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加え、Ｓｉが添加されたｎ−Ａｌ_xＧａ_l-xＮ（０＜ｘ＜１）層をｎ型クラッド層６として０．１〜０．５μｍ程度成長させる。
【００３４】
次に、基板温度を７５０〜８５０℃程度に降温した後、上述のＴＭＡに変えてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を導入し、バンドギャップがクラッド層６よりも小さくなるような材料Ｉｎ_yＧａ_l-yＮ（０≦ｙ＜１）からなる活性層７を０．０５〜０．１μｍ程度成長させる。
【００３５】
更に、ｎ型クラッド層６の成長に用いたガスと同じ原料ガスで、ドーパントガスとして、ＳｉＨ₄に代えてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を加え、ｐ型クラッド層８としてｐ−Ａｌ_xＧａ_l-xＮ（０＜ｘ＜１）層を成長させる。
【００３６】
次に、コンタクト層形成のためＴＭＧ、ＮＨ₃、Ｃｐ₂Ｍｇを導入し、ｐ−ＧａＮコンタクト層９を０．３〜１μ程度成長させる。以上の工程により、図３に示すような積層構造が形成される。
【００３７】
続いて、サファイア基板１を１５０μｍ程度に研磨して薄くした後に、図４に示すように、サファイア基板１の裏面に窒化金属薄膜４を形成する工程を行う。
かかる工程では、まず、サファイア基板１の裏面にＴｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ等の金属薄膜をスパッタ法等により形成し、続いて、反応管中で、４００〜８００℃のＮＨ₃雰囲気で、基板全体を処理し、金属薄膜を窒化し、窒化金属薄膜４の形成を行う。
その後、一旦、反応管を真空排気した後、約８００℃の窒素雰囲気中で熱処理を行い、Ｍｇの活性化を行う。
【００３８】
次に、ｎ側電極を形成するためにフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングを行った後、成長した半導体層の一部をドライエッチングにより除去してｎ−ＧａＮ層５の一部を露出させる。
続いて、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ等の金属をスパッタ法等により形成して、ｐ側電極９及びｎ側電極１０を夫々形成する。以上の工程により、図５に示すように、サファイア基板１上に複数のレーザダイオードが形成される。
【００３９】
続いて、上記実施の形態１と同様の工程により、基板上に形成した分離パターン（図示せず）に沿って、針状のスクライバーを用いて、基板１を裏面から切り欠いて、スクライブラインを形成する。
分離パターンは、かかるスクライブラインが、サファイア基板１上に形成されたＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体層の劈開方向（数３の方向）となるように形成される。
尚、窒化ガリウム系半導体層の劈開方向（数３の方向）は、サファイア（０００１）基板１の数４の方向に相当する。
【００４０】
本実施の形態においても、約５０〜５００ｎｍの窒化金属薄膜４がサファイア基板１の裏面に形成されているため、スクライブラインは、かかる窒化金属薄膜４を通ってサファイア基板１の裏面が切り欠かれるようにして形成する。
【００４１】
本実施の形態にかかる方法においても、上記実施の形態１と同様に、サファイア基板１を押し割る力が、従来の窒化金属薄膜４を形成しない方法と比較して、１／１０程度で済み、余計な力がサファイア基板１にかからず、チッピングや欠けの発生を抑えることが可能となる。また、サファイア基板１のいずれの方向に対しても、サファイア基板１を簡単に割ることが可能となる。
更に、サファイア基板１の裏面に窒化金属薄膜４が形成された素子構造となるため、素子とダイパッドとの接着性が向上し、ダイボンドを容易に行うことが可能となる。
【００４２】
尚、本実施の形態にかかる方法でも、上記工程とほぼ同様の工程を用いることにより、発光ダイオードの代わりに、サファイア基板１の上に複数のレーザダイオードを形成することも可能となる。
この場合、本実施の形態にかかる方法では、任意の方向に、かつ従来の１／１０程度の力で、サファイア基板１を切断できるため、窒化ガリウム系半導体層の劈開方向（数３方向）に沿ってサファイア基板１にスクライブラインを形成し、かかるスクライブラインに沿ってサファイア基板１を切断することにより、サファイア基板１上の窒化ガリウム層を劈開面で割ることが可能となる。従って、かかる劈開面を、レーザダイオードの共振器端面として使用することが可能となる。
【００４３】
また、上述の実施の形態１、２では、ＧａＮ層５等の窒化ガリウム系半導体層の成長にＭＯＣＶＤ法を用いたが、一般的に用いられている他の結晶成長方法を用いることも可能であり、材料も実施の形態に示したものに限られるものではない。
【００４４】
また、実施の形態１、２では、発光ダイオード、レーザダイオードの素子分離について述べたが、これらの方法は、他の発光、受光デバイスや、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ、ＦＥＴ、ＨＦＥＴ等の電子デバイスの素子分離にも適用することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる方法を用いることにより、半導体素子の分割工程において、サファイア等の六方晶基板を押し割る力が、従来の方法に比較して１／１０程度で済み、チッピングや欠けの発生を抑えることが可能となる。これにより、半導体装置の製造歩留りを向上させることができる。
【００４６】
また、サファイア基板のいずれの方向に対しても、サファイア基板を簡単に割ることが可能となる。
【００４７】
特に、サファイア基板上に形成された窒化ガリウム系半導体層の劈開方向にサファイア基板を割ることにより、窒化ガリウム系半導体層を劈開面で割ることができ、かかる劈開面をレーザダイオードの共振器端面として用いることが可能となる。
【００４８】
また、完成した半導体装置が、サファイア基板の裏面に窒化金属薄膜が形成された構造となるため、半導体装置とダイパッドとの接着性が向上し、ダイボンドを容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に用いられる基板の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる方法により形成された半導体素子の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる方法の工程断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる方法の工程断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる方法により形成された半導体素子の断面図である。
【符号の説明】
１サファイア基板、２金属薄膜、３バッファ層、４窒化金属薄膜、５ｎ−ＧａＮ層、６ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、７ＩｎＧａＮ活性層、８ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、９ｐ−ＧａＮ層、１０ｐ側電極、１１ｎ側電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device including a gallium nitride based semiconductor layer formed on a hexagonal substrate such as a sapphire substrate, and more particularly to a semiconductor device that facilitates cutting of the substrate and enables cleavage of the semiconductor layer. It relates to the manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
Currently used light emitting elements such as laser diodes and light emitting diodes with relatively long wavelengths are compound semiconductor materials such as GaAs, InGaP, and AlGaAs on GaAs, GaP, InP, etc. substrates having a zinc blend structure. The crystal is grown and formed into a chip. Since the single crystal substrate having such a zinc blend structure has a cleavage property in the <110> direction, a scribe line is formed in this direction using a needle-shaped scriber, and the substrate is pushed and split along the scribe line. Therefore, it can be easily separated into chips. In a laser diode, such a cleavage plane can be used as a resonator end face.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Gallium nitride group III-V compound semiconductors represented by GaN used for blue light emitting elements are usually grown on a sapphire substrate, but the sapphire substrate is a hexagonal crystal, so its cleavage is weak, The cleavage direction is different from that of the GaN layer grown thereon.
For this reason, when dicing or scribing, the substrate must be forcibly cut and separated into chips, and an unnecessary force is applied to the substrate. For this reason, there is a problem that the device is adversely affected such as deterioration of crystallinity due to growth of dislocations and the like, causing a decrease in light emission efficiency of the device and a deterioration of life.
In particular, in a laser diode, since the cavity end face could not be formed from a cleavage plane, a method using dry etching for manufacturing the cavity end face or a method of scribing after polishing a sapphire substrate is used. However, there are problems such as deterioration of the end face shape and cracks during polishing, which cause deterioration of device characteristics and a decrease in manufacturing yield.
Accordingly, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device that facilitates the cutting of the substrate and allows the semiconductor layer to be cleaved in a semiconductor device including a gallium nitride-based semiconductor layer formed on a hexagonal substrate such as a sapphire substrate. The purpose is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, as a result of earnest research, the inventors have formed a semiconductor element made of a nitride semiconductor layer on a hexagonal single crystal substrate such as a sapphire substrate and divided it into semiconductor elements. It is found that the substrate can be easily cut in any direction, and that the cutting direction of the substrate can be selected in accordance with the cleavage direction of the semiconductor layer formed on the substrate. completed.
[0005]
That is, according to the present invention, a gallium nitride based semiconductor layer is stacked and grown on a hexagonal single crystal substrate, electrodes are formed on the semiconductor layer to form a plurality of semiconductor elements, and the single crystal substrate is cut to each A method of manufacturing a semiconductor device divided into semiconductor elements, wherein a metal thin film is formed on a back surface of the single crystal substrate, the metal thin film is nitrided to form a metal nitride thin film, and the single crystal substrate is formed from the metal nitride thin film side. Is formed, and the single crystal substrate and the semiconductor layer are cut along the scribe line.
In this way, by forming a metal nitride thin film on the back surface of the substrate, the force to push the substrate is about 1/10 compared to the conventional method, and the extra force is not applied to the substrate and chipping is performed. And occurrence of chipping can be suppressed.
Further, since the substrate can be easily divided in any direction of the substrate, the substrate and the semiconductor layer can be divided along the cleavage direction of the gallium nitride based semiconductor layer formed on the substrate. . Thereby, the cleavage plane can also be used as a resonator end face of the laser diode.
[0006]
In addition, the semiconductor layer in the cleavage direction of the gallium nitride based semiconductor layer formed on the substrate

It is preferable to form the scribe line in a direction (hereinafter referred to as “the direction of Formula 3”).
Thus, by forming scribe lines in the direction of Equation 3, the gallium nitride based semiconductor layer on the substrate can be divided at the cleavage plane.
[0007]
When a sapphire (0001) substrate is used as the single crystal substrate, the sapphire substrate

It is preferable to form the scribe line in a direction (hereinafter referred to as “the direction of Formula 4”).
This is because when the gallium nitride based semiconductor layer is formed on the sapphire (0001) substrate, the direction of number 4 of the sapphire substrate corresponds to the direction of number 3 of the gallium nitride based semiconductor layer.
[0008]
The melting point of the metal thin film is preferably 1200 ° C. or higher. This is to prevent the metal thin film formed on the back surface of the substrate from adversely affecting the crystal growth process on the substrate.
[0009]
In particular, the melting point of the metal thin film is preferably 1300 ° C. or higher.
[0010]
The metal thin film is preferably made of one selected from the group consisting of titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, and niobium.
This is because such a metal material is a refractory metal, and by using these metal thin films, the growth layer is not adversely affected even in the crystal growth process on the substrate.
[0011]
The present invention also provides a semiconductor including at least a hexagonal single crystal substrate, a gallium nitride semiconductor layer formed on one surface of the single crystal substrate, and an electrode formed on the semiconductor layer. A semiconductor device characterized in that a metal nitride thin film is provided on the other surface of the single crystal substrate.
[0012]
According to the present invention, the gallium nitride based semiconductor layer includes at least a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer that are sequentially stacked on the single crystal substrate, and the semiconductor layer is cut. The cleaved surface formed in this way is also a resonator end face of the laser diode.
By providing a metal thin film on the back surface of the substrate, the semiconductor layer can be cut at the cleavage plane, and the cleavage plane can be used as a resonator end face of the laser diode. Therefore, it is not necessary to form the resonator end face by etching or the like as in the prior art.
[0013]
The metal nitride thin film is preferably made of one selected from the group consisting of titanium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, tantalum nitride, and niobium nitride.
[0014]
The metal nitride thin film is preferably not thermally decomposed at 1200 ° C. or lower.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
A method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, first, a sputtering method or the like is applied to the surface opposite to the side on which the semiconductor layer is grown (hereinafter referred to as “rear surface”) of the growth sapphire (0001) single crystal substrate 1 having a thickness of 100 μm. Is used to form a metal thin film 2 made of Ti, Ta, W, Mo, Nb or the like with a thickness of about 50 to 500 nm.
[0016]
Next, a gallium nitride compound semiconductor layer is grown on the surface of the sapphire substrate 1 using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The process will be specifically described below.
The sapphire substrate 1 having the metal thin film 2 formed on the back surface is placed on a susceptor in the reaction furnace, evacuated, and then heated to about 1100 ° C. in a hydrogen stream to clean the surface of the sapphire substrate.
[0017]
Thereafter, the substrate temperature is raised to about 550 ° C., ammonia (NH ₃ ) as a group V raw material is introduced into the reaction tube, and after a certain period of time, trimethyl gallium (TMG) as a group III raw material is supplied. The buffer layer 3 is grown.
In this step, the metal thin film 2 formed on the back surface of the sapphire substrate 1 immediately after the introduction of NH ₃ is nitrided to become a stable metal nitride thin film 4.
[0018]
In addition, after forming a metal thin film 2 of Ti or the like about 50 to 500 nm on the back surface of the sapphire substrate 1 by sputtering or the like, the sapphire substrate 1 is heat-treated in an NH ₃ atmosphere to obtain the metal thin film 2 in advance. Crystal growth may be performed by using the sapphire substrate 1 in which the metal nitride thin film 4 is used.
Further, instead of performing the heat treatment in the NH ₃ atmosphere, the metal thin film 2 may be irradiated with a nitrogen ion beam to nitride the metal thin film 2 to form the metal nitride thin film 4.
[0019]
Next, the substrate temperature is raised to about 1100 ° C., TMG, NH ₃ , SiH ₄ or the like is supplied as a dopant, and the n-GaN layer 5 is grown to about 2 to 5 μm.
[0020]
Next, trimethylaluminum (TMA) is added to the above-described gas, and an n-type Al _x Ga _1-x N (0 <x <1) layer to which Si is added is used as an n _- type cladding layer 6 in an amount of 0.1 to 0.1. About 0.5 μm is formed.
[0021]
Next, after the substrate temperature is raised to about 750 to 850 ° C., trimethylindium (TMI) is introduced in place of the above-described TMA, and the material In _y Ga _ly N whose band gap is smaller than that of the cladding layer 6 is introduced. The active layer 7 made of (0 ≦ y <1) is formed to about 0.05 to 0.1 μm.
[0022]
Next, the same source gas as that used for the growth of the n-type cladding layer 6 is used, and p-type dopant cyclopentadienylmagnesium (Cp ₂ Mg) is added as a dopant gas instead of SiH _4. As the layer 8, a p-Al _x _Gal _x N (0 <x <1) layer is grown.
[0023]
Next, in order to form the contact layer 9, a mixed gas of TMG, NH ₃ , and Cp ₂ Mg is introduced to grow the p-GaN layer 9 by about 0.3 to 1 μm.
[0024]
Next, the entire substrate is heat-treated in a nitrogen atmosphere at about 800 ° C. to activate Mg.
[0025]
Next, in order to form an n-side electrode, patterning is performed using a photolithography technique, and then a part of the grown semiconductor layer is removed by dry etching to expose a part of the n-GaN layer 5. Subsequently, metals such as Au / Ni and Al / Ti are sequentially laminated at predetermined positions by a sputtering method or the like, and the p-side electrode 10 and the n-side electrode 11 are produced.
[0026]
Through the above steps, a plurality of light emitting diodes as shown in FIG. 2 are formed on the same substrate. Subsequently, the plurality of light emitting diodes are divided into respective light emitting diodes according to the following steps.
That is, along the separation pattern (not shown) formed on the substrate in the above process, the substrate 1 is cut out from the back surface using a needle-shaped scriber to form a scribe line.
The separation pattern is formed such that the scribe line is in the cleavage direction (the direction of Formula 3) of the gallium nitride based semiconductor layer such as GaN formed on the sapphire substrate 1.
The cleavage direction of the gallium nitride based semiconductor layer (the direction of Equation 3) corresponds to the direction of Equation 4 of the sapphire (0001) substrate 1.
[0027]
In the present embodiment, since the metal nitride thin film 4 of about 50 to 500 nm is formed on the back surface of the sapphire substrate 1, the scribe line passes through the metal nitride thin film 4 so that the back surface of the sapphire substrate 1 is cut out. To form.
[0028]
In this case, in the conventional scribing method in which the metal nitride thin film 4 is not formed, since the sapphire substrate is weakly cleaved, the sapphire substrate 1 and the gallium nitride based semiconductor layer formed thereon are mechanically moved along the scribe line. It was necessary to cut it. For this reason, at the time of cutting, an extra force is applied to the sapphire substrate 1, causing chipping and chipping, and the cut surface has a shape with irregularities.
On the other hand, in the present method in which the metal nitride thin film 4 is formed on the back surface, the force for pushing the sapphire substrate 1 is about 1/10 as compared with the conventional method in which the metal nitride thin film 4 is not formed. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of chipping and chipping.
Further, as described above, the sapphire substrate 1 can be easily split in any direction of the sapphire substrate 1.
In addition, since the element structure has the metal nitride thin film 4 formed on the back surface of the sapphire substrate 1, the adhesion between the element and the die pad is improved, and die bonding can be easily performed.
[0029]
In addition, it is also possible to form a plurality of laser diodes on the sapphire substrate 1 by using a process substantially similar to the above process instead of the light emitting diode.
Thus, when a laser diode is formed, it is necessary to divide the gallium nitride-based semiconductor layer by a cleavage plane in the division step into the respective laser diodes and use the cleavage plane as a resonator end face.
However, since it is difficult to cut the sapphire substrate 1 with the conventional dividing method, it is difficult to cut the sapphire substrate 1 and simultaneously cut the semiconductor layer on the cleavage plane.
On the other hand, in the method according to the present embodiment, the sapphire substrate 1 can be cut in an arbitrary direction and with a force of about 1/10 of the conventional one. ) Along the sapphire substrate 1 and cutting the sapphire substrate 1 along the scribe line, the gallium nitride layer on the sapphire substrate 1 can be divided by the cleavage plane. Therefore, such a cleavage plane can be used as a resonator end face of the laser diode.
[0030]
Embodiment 2. FIG.
A method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, a sapphire (0001) substrate 1 having a thickness of 300 μm is placed on a susceptor in a reaction furnace, evacuated, and then heated to about 1100 ° C. in a hydrogen stream to clean the surface of the sapphire substrate 1. Do.
[0031]
Thereafter, the substrate temperature is lowered to about 550 ° C., ammonia (NH ₃ ) as a group V raw material is introduced into the reaction tube, and after a certain period of time, trimethyl gallium (TMG) as a group III raw material is supplied to buffer the buffer. Layer 3 is grown.
[0032]
Next, the substrate temperature is raised to about 1100 ° C., TMG, NH ₃ , SiH ₄ or the like is supplied as a dopant, and the n-GaN layer 5 is grown to about 2 to 5 μm.
[0033]
Then, trimethyl aluminum (TMA) was added to the above gas, Si is added, _{_{n-Al x Ga lx N (}} 0 <x <1) layer 0.1~0.5μm about as n-type cladding layer 6 Grow.
[0034]
Next, after the substrate temperature is lowered to about 750 to 850 ° C., trimethylindium (TMI) is introduced instead of the above-described TMA, and the material In _y Ga _ly N (the band gap is smaller than that of the cladding layer 6). An active layer 7 composed of 0 ≦ y <1) is grown to about 0.05 to 0.1 μm.
[0035]
Further, cyclopentadienylmagnesium (Cp ₂ Mg) is added as a dopant gas in place of SiH ₄ with the same raw material gas used for the growth of the n-type cladding layer 6, and p-Al is used as the p-type cladding layer 8. _{_{x Ga lx N (0 <x}} <1) layer is grown.
[0036]
Next, TMG, NH ₃ , and Cp ₂ Mg are introduced to form a contact layer, and the p-GaN contact layer 9 is grown about 0.3 to 1 μm. Through the above steps, a laminated structure as shown in FIG. 3 is formed.
[0037]
Subsequently, after the sapphire substrate 1 is polished and thinned to about 150 μm, a metal nitride thin film 4 is formed on the back surface of the sapphire substrate 1 as shown in FIG.
In this step, first, a metal thin film such as Ti, Ta, W, Mo, Nb or the like is formed on the back surface of the sapphire substrate 1 by a sputtering method or the like, and then in a reaction tube in an NH ₃ atmosphere at 400 to 800 ° C. Then, the entire substrate is processed, the metal thin film is nitrided, and the metal nitride thin film 4 is formed.
Thereafter, the reaction tube is once evacuated and then heat-treated in a nitrogen atmosphere at about 800 ° C. to activate Mg.
[0038]
Next, patterning is performed using a photolithography technique to form an n-side electrode, and then a part of the grown semiconductor layer is removed by dry etching to expose a part of the n-GaN layer 5.
Subsequently, a metal such as Au / Ni or Al / Ti is formed by sputtering or the like to form the p-side electrode 9 and the n-side electrode 10 respectively. Through the above steps, a plurality of laser diodes are formed on the sapphire substrate 1 as shown in FIG.
[0039]
Subsequently, the substrate 1 is cut out from the back surface using a needle-shaped scriber along a separation pattern (not shown) formed on the substrate by the same process as in the first embodiment, and a scribe line is formed. Form.
The separation pattern is formed such that the scribe line is in the cleavage direction (the direction of Formula 3) of the gallium nitride based semiconductor layer such as GaN formed on the sapphire substrate 1.
The cleavage direction of the gallium nitride based semiconductor layer (the direction of Equation 3) corresponds to the direction of Equation 4 of the sapphire (0001) substrate 1.
[0040]
Also in this embodiment, since the metal nitride thin film 4 of about 50 to 500 nm is formed on the back surface of the sapphire substrate 1, the scribe line is notched on the back surface of the sapphire substrate 1 through the metal nitride thin film 4. In this way, it is formed.
[0041]
Also in the method according to the present embodiment, as in the first embodiment, the force for pushing the sapphire substrate 1 is about 1/10 compared to the conventional method in which the metal nitride thin film 4 is not formed. An extra force is not applied to the sapphire substrate 1, and chipping and chipping can be suppressed. Further, the sapphire substrate 1 can be easily divided in any direction of the sapphire substrate 1.
Furthermore, since the element structure has the metal nitride thin film 4 formed on the back surface of the sapphire substrate 1, the adhesion between the element and the die pad is improved, and die bonding can be easily performed.
[0042]
In the method according to the present embodiment, a plurality of laser diodes can be formed on the sapphire substrate 1 instead of the light emitting diodes by using almost the same steps as the above steps.
In this case, in the method according to the present embodiment, the sapphire substrate 1 can be cut in an arbitrary direction and with a force of about 1/10 of the conventional one. The gallium nitride layer on the sapphire substrate 1 can be divided by the cleavage plane by forming a scribe line along the sapphire substrate 1 and cutting the sapphire substrate 1 along the scribe line. Therefore, such a cleavage plane can be used as a resonator end face of the laser diode.
[0043]
In the first and second embodiments described above, the MOCVD method is used for the growth of the GaN-based semiconductor layer such as the GaN layer 5, but other generally used crystal growth methods can also be used. In addition, the materials are not limited to those shown in the embodiments.
[0044]
In the first and second embodiments, element separation of the light emitting diode and the laser diode has been described. However, these methods can be used for element separation of other light emitting and light receiving devices and electronic devices such as HEMT, HBT, FET, and HFET. It is also possible to apply to.
[0045]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, by using the method according to the present invention, the force for splitting a hexagonal substrate such as sapphire is about 1/10 compared to the conventional method in the semiconductor element dividing step. It is possible to suppress the occurrence of chipping and chipping. Thereby, the manufacturing yield of the semiconductor device can be improved.
[0046]
Further, the sapphire substrate can be easily broken in any direction of the sapphire substrate.
[0047]
In particular, by dividing the sapphire substrate in the cleavage direction of the gallium nitride based semiconductor layer formed on the sapphire substrate, the gallium nitride based semiconductor layer can be divided by the cleavage plane, and this cleavage plane is used as the resonator end face of the laser diode. It can be used.
[0048]
Further, since the completed semiconductor device has a structure in which a metal nitride thin film is formed on the back surface of the sapphire substrate, adhesion between the semiconductor device and the die pad is improved, and die bonding can be easily performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate used in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor element formed by the method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process sectional view of a method according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a process cross-sectional view of a method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor element formed by a method according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Sapphire substrate, 2 metal thin film, 3 buffer layer, 4 metal nitride thin film, 5 n-GaN layer, 6 n-AlGaN cladding layer, 7 InGaN active layer, 8 p-AlGaN cladding layer, 9 p-GaN layer, 10 p side Electrode, 11 n side electrode.

Claims

サファイア基板上に窒化ガリウム系半導体層を積層成長し、該半導体層上に電極を形成して複数の半導体素子とし、該サファイア基板を切断して各半導体素子に分割する半導体装置の製造方法であって、
該サファイア基板の裏面上に、チタン、モリブデン、タングステン、タンタルからなる群から選択される１種からなる金属薄膜を形成し、該金属薄膜を窒化して窒化金属薄膜とし、該窒化金属薄膜から該サファイア基板に達するスクライブラインを形成し、該スクライブラインに沿って該サファイア基板及び該半導体層を切断することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a gallium nitride-based semiconductor layer is stacked and grown on a sapphire substrate, electrodes are formed on the semiconductor layer to form a plurality of semiconductor elements, and the sapphire substrate is cut and divided into semiconductor elements. And
A metal thin film made of one selected from the group consisting of titanium, molybdenum, tungsten, and tantalum is formed on the back surface of the sapphire substrate, and the metal thin film is nitrided to form a metal nitride thin film. A manufacturing method of a semiconductor device, wherein a scribe line reaching a sapphire substrate is formed, and the sapphire substrate and the semiconductor layer are cut along the scribe line.

上記サファイア基板上に形成された上記窒化ガリウム系半導体層の劈開方向である該半導体層の

方向に上記スクライブラインを形成す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。The gallium nitride based semiconductor layer formed on the sapphire substrate in a cleavage direction of the semiconductor layer.

The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the scribe line is formed in a direction.

上記サファイア基板にサファイア（０００１）基板を用い、該サファイア基板の

方向に上記スクライブラインを形成す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。A sapphire (0001) substrate on the sapphire substrate, of the sapphire substrate

上記窒化ガリウム系半導体層が、上記サファイア基板上に順次積層形成された第１クラッド層と、活性層と、第２クラッド層とを少なくとも含み、
該半導体層を切断して形成された劈開面をレーザダイオードの共振器端面とすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。The gallium nitride based semiconductor layer includes at least a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer that are sequentially stacked on the sapphire substrate,
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a cleavage plane formed by cutting the semiconductor layer is used as a cavity end face of a laser diode.

上記窒化金属薄膜は、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化ニオブからなる群から選択される１種からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the metal nitride thin film is made of one selected from the group consisting of titanium nitride, molybdenum nitride, tungsten nitride, tantalum nitride, and niobium nitride. Production method.

上記窒化金属膜の膜厚が、５０ｎｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal nitride film has a thickness of 50 nm to 500 nm.