JP4799041B2 - 窒化物系半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体素子の製造方法に関する。

近年、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の窒化物系半導体素子は、青色や緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ）や青紫半導体レーザなどの発光素子、高温動作可能な高速トランジスタなどの電子デバイスの材料として盛んに用いられている。この窒化物系半導体素子は、一般に、バルク単結晶の製造が困難なことから、サファイアやＳｉＣなどの異種基板（成長基板）上に、ヘテロエピキャシタル成長法を用いて形成される（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

具体的には、窒化物系半導体素子は、以下に示すような工程で製造される。

まず、成長基板上に、ＧａＮなどからなる窒化物系半導体素子層を順次エピキャシタル成長させ、ついで真空蒸着法により電極を形成する。一方、Ａｕ−Ｓｎ合金、共晶半田等からなる半田層を形成した支持基板を準備し、半田層を介して窒化物系半導体素子層と支持基板とを接合する。次に、窒化物系半導体素子層界面付近の半導体素子層を溶融することなどによって、支持基板及び窒化物系半導体素子層から成長基板を除去する。

このようにして、図９に示すように、ｎ側ＧａＮ層２、ｐ側ＧａＮ層３上に、ｐ側電極４、ｐ側パッド電極５が形成され、ｎ側ＧａＮ層２上に、ｎ側パッド電極９が形成され、半田層７を介して支持基板６と接合された窒化物系半導体素子が得られる。
特開平１１−３０７８０号公報 特開２０００−２７７８０４号公報

上述したような、支持基板の接合、成長基板の分離除去を行った場合、図９に示すように、ｐ側ＧａＮ層３のメサエッチ深さ（例えば、１〜３μｍ）と、ｐ側パッド電極５の厚み（例えば、１〜３μｍ）により、窒化物系半導体層と半田層７との間に空洞部１１が生じる。支持基板６上には、窒化物系半導体素子層からなる複数の発光素子が形成されるが、この空洞部１１は、複数の発光素子毎に分割する際のスクライブ位置（図９のＰ部分）にあたることなる。通常、発光素子を形成する窒化物系半導体素子層（図９のｎ側ＧａＮ層２、ｐ側ＧａＮ層３）は、０．３〜１０μｍ程度と薄いため、ダイヤモンドポイントやダイシングソーによるスクライブ時の圧力によって、窒化物系半導体素子層が撓み、スクライブラインから発光領域に向かってクラックが入り、歩留まりを低下させる場合があった。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、複数の発光素子毎に分割する際、発光領域にまでクラックが入らず、歩留まりの低下を抑制する窒化物系半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、成長基板上に少なくとも１層以上の窒化物系半導体素子層からなる複数の発光素子を形成する工程と、窒化物系半導体素子層上に支持基板を接合する工程と、接合された窒化物系半導体素子層及び支持基板から成長基板を除去する工程とを備える窒化物系半導体素子の製造方法であって、複数の発光素子の分割領域にあたる窒化物系半導体素子層と支持基板との間の空洞部に、樹脂を充填する工程を有する窒化物系半導体素子の製造方法であることを要旨とする。

第１の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法によると、スクライブ位置となる空洞部に樹脂が充填されているため、複数の発光素子毎に分割する際、発光領域にまでクラックが入らず、歩留まりの低下を抑制することができる。

又、第１の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法において、樹脂は、熱硬化性樹脂であることが好ましい。又、樹脂の粘度は、２５℃において１００ｃｐ以下であることが好ましい。

本発明によると、複数の発光素子毎に分割する際、発光領域にまでクラックが入らず、歩留まりの低下を抑制する窒化物系半導体素子の製造方法を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では、成長基板上に少なくとも１層以上の窒化物系半導体素子層からなる複数の発光素子を形成する工程と、窒化物系半導体素子層上に支持基板を接合する工程と、接合された窒化物系半導体素子層及び支持基板から成長基板を除去する工程とによって製造され、複数の発光素子の分割領域にあたる窒化物系半導体素子層と支持基板との間の空洞部に、樹脂が充填されている窒化物系半導体素子について説明する。

第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子は、図１に示すように、ｎ側ＧａＮ層２、ｐ側ＧａＮ層３上に、ｐ側電極４、ｐ側パッド電極５が形成され、ｎ側ＧａＮ層２上に、ｎ側パッド電極９が形成され、半田層７を介して支持基板６と接合されている。

又、複数の発光素子の分割領域（図１のＰ部分）にあたる窒化物系半導体素子層（ｎ側ＧａＮ層２）と支持基板６との間の空洞部に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂１０が充填されている。この熱硬化性樹脂は、作業性に富み、絶縁性のものであればよい。したがって、２５℃での粘度が１００ｃｐ（centi-poise）以下であることが好ましい。又、強度保持のため、ショアー硬度が７５以上であることが好ましい。このような熱硬化性樹脂として、例えば、日本ペルノックス社製のＭＥ−５１４／ＨＶ−５１４やＭＥ−５５０／ＨＶ−５５０などを用いることができる。

そして、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子は、図２に示すように、樹脂１０が充填されている領域で、ダイヤモンドポイント１４やダイシングソーにより、複数の発光素子毎に分割される。

次に、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法について、図３を用いて説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、サファイア基板（成長基板）１３上に、ｎ側ＧａＮ層２、ｐ側ＧａＮ層３を形成する。具体的には、バッファ層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、光活性層、ｐ型キャップ層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を順次成長させる。次に、フォトリソグラフィ技術により、ｎ型クラッド層まで格子状にメサエッチングして溝を形成し、ｐ型コンタクト層から光活性層までを発光素子毎に分離する。ついで、ｐ側電極４を形成し、ｐ側パッド電極５を形成する箇所にコンタクトホールが開いた、ＳｉＯ₂からな
る絶縁膜８を形成し、表面がＡｕからなるｐ側パッド電極５を形成する。

一方、支持基板６として、熱膨張率が純銅に比べて小さく、かつ、熱伝導と電気抵抗が小さい材料である、銅と酸化銅粒子の焼結体基板を準備する。支持基板６は、この材質に限らず、タングステン等の金属及び合金や、へき開性を有するＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ基板等の半導体基板も使用可能である。支持基板６は、後の樹脂充填工程のために、成長基板１３端面よりも１〜５ｍｍ程度大きいものを準備することが好ましい。そして、支持基板６上に、Ａｕ−Ｓｎ合金、共晶半田等からなる半田層７を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、複数の発光素子が形成された成長基板１３の窒化物系半導体素子層面と、支持基板６の半田層７とを熱圧着により、接合する。

次に、図３（ｃ）に示すように、成長基板１３と窒化物系半導体素子層間で基板分離を行い、窒化物系半導体素子層（ｎ側ＧａＮ層２、ｐ側ＧａＮ層３）と支持基板６とが半田層７で接着された積層基板を得る。基板分離は、成長基板１３の材質に応じて、研磨、ドライエッチ、ウェットエッチ、レーザリフトオフ法等を用いる。

次に、接合界面に格子状に発生している空洞部１１に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を、毛細管現象を利用して侵入させる。成長基板１３よりも一回り大きい面積を有する支持基板６を用いると、窒化物系半導体素子層よりも突出した支持基板６の端面に熱硬化性樹脂を配置することにより、空洞部１１に熱硬化性樹脂を侵入させることができる。

このようにして、図１に示す窒化物系半導体素子を得ることができる。

第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子によると、空洞部１１に樹脂が充填されることにより、ダイヤモンドポイント１４やダイシングソーによって、複数の発光素子毎に分割する際、機械的圧力によって発光素子を形成する窒化物系半導体素子層が撓まないので、スクライブラインから発光領域に向かって発生するクラックを防止することができる。この結果、スクライブにおける歩留まりの低下を抑制することができる。本発明は、特に、窒化物系半導体素子層が１〜５０μｍ程度と薄い場合に有効である。

又、数μｍの厚さの薄膜窒化物系半導体素子層（図１のｎ側ＧａＮ層２）が浮かずに固定されているため、発光素子のハンドリング時に窒化物系半導体素子層が欠けることを防止することができる。

更に、空洞部に樹脂１０が充填されているため、図４に示すように、Ａｕ線１５などによるワイヤボンディング時の加圧により窒化物系半導体素子層が割れることがなく、ｎ側パッド電極９を発光素子端部に設けることができる。このように、ｎ側パッド電極９を発光素子端部に設けると、表面からの発光が遮断される割合が減少し、光取り出し効率が向上する。

（第２の参考の形態）
第２の参考の形態では、成長基板上に少なくとも１層以上の窒化物系半導体素子層からなる複数の発光素子を形成する工程と、窒化物系半導体素子層上に支持基板を接合する工程と、接合された窒化物系半導体素子層及び支持基板から成長基板を除去する工程とによって製造され、複数の発光素子の分割領域にあたる窒化物系半導体素子層と支持基板との間の空洞部に、異常成長した窒化物系半導体素子層が配置されている窒化物系半導体素子について、説明する。

第２の参考の形態に係る窒化物系半導体素子は、図５に示すように、ｎ側ＧａＮ層２、ｐ側ＧａＮ層３上に、ｐ側電極４、ｐ側パッド電極５が形成され、ｎ側ＧａＮ層２上に、ｎ側パッド電極９が形成され、半田層７を介して支持基板６と接合されている。

又、複数の発光素子の分割領域（図５のＰ部分）にあたる窒化物系半導体素子層（ｎ側ＧａＮ層２）と支持基板６との間の空洞部に、ｎ側ＧａＮ層２よりも厚膜化し、異常成長した窒化物系半導体素子層１２（以下において、「異常成長エピタキシャル層」という。）が配置されている。異常成長エピタキシャル層１２の詳細については、後に詳述する。

そして、第２の参考の形態に係る窒化物系半導体素子は、図６に示すように、異常成長エピタキシャル層１２が配置されている領域で、ダイヤモンドポイント１４やダイシングソーにより、複数の発光素子毎に分割される。

次に、第２の参考の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法について、図７及び図８を用いて説明する。図７は、発光素子が２個並んだ平面図、図８は、異常成長エピタキシャル層１２付近の拡大断面図である。

まず、図７及び図８（ａ）に示すように、ＧａＮ基板（成長基板）１３上に、ＴｉＯ₂からなる基板分離用薄膜１９を形成する。基板分離用薄膜１９は、ＴｉＯ₂の他、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｗ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｍｏなどを用いてもよい。基板分離用薄膜１９は、成長基板１３と窒化物系半導体素子層とを分離する際の分離領域として機能する。例えば、レーザ照射によって、成長基板１３を分離する場合、基板分離用薄膜１９は、レーザのエネルギーで瞬時に溶解する領域となる。

ＧａＮ基板（成長基板）１３上にこのような基板分離用薄膜１９を形成し、その上に、ＧａＮ層やＩｎＧａＮ層をエピタキシャル成長させると、基板分離用薄膜１９が形成された面の端部に近い、ＧａＮ基板（成長基板）露出部での成長速度が異常に大きくなる。この原因は、原料ガスが加熱されてできるラジカル種がＴｉＯ₂上よりもＧａＮ上に付着しやすいため、ＴｉＯ₂パターン上のラジカル種がマイクレーションにより、基板分離用薄膜１９端部で供給過剰な状態になり、成長速度が増大するためである。この現象は、いわゆるマスキング効果と呼ばれている。

又、異常成長の幅は条件にもよるが、一般的には、基板分離用薄膜１９の端部から、１０μｍ程度の距離まで異常成長することが観察される。又、異常成長エピタキシャル層１２の成長速度は、正常なエピタキシャル成長の２倍以上になることもある。

基板分離用薄膜１９の厚さは、成長基板１３のＧａＮ結晶構造を反映する程度にすると、基板分離用薄膜１９にもエピタキシャル成長が可能なため、１〜５ｎｍ程度（例えば、３ｎｍ程度）であることが好ましい。又、基板分離用薄膜１９の端部から約１０μｍの異常成長があるため、基板分離用薄膜１９の間隔Ｌ４を約２０μｍとすることが好ましい。約２０μｍとすることにより、基板分離用薄膜１９の間隔Ｌ４に渡り、異常成長層を形成することができる。又、図７において、基板分離用薄膜１９は、３３０×３３０μｍ四方とする。

次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ基板（成長基板）１３及び基板分離用薄膜１９上に、ｎ側ＧａＮ層２、ｐ側ＧａＮ層３を形成する。具体的には、バッファ層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、光活性層、ｐ型キャップ層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を順次成長させる。図８（ａ）において、基板分離用薄膜１９の厚さＡ４は３ｎｍ、ｎ側ＧａＮ層２の厚さＡ３は、１μｍ、ｐ側ＧａＮ層３の厚さＡ２は１μｍ、異常成長エピタキシャル層１２の厚さＡ４は２μｍ程度となる。このように、異常成長エピタキシャル層１２の厚さＡ１は、正常な成長をするｎ側ＧａＮ層２、又はｐ側ＧａＮ層３の厚さＡ２、Ａ３の２倍となっている。

次に、図８（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術により、ｎ型クラッド層まで格子状にメサエッチングして溝１８を形成し、ｐ型コンタクト層から光活性層まで発光素子毎に分離する。このとき、異常成長エピタキシャル層１２は、メサエッチングせず、そのままの状態として残す。メサエッチングの深さは、ｐ側ＧａＮ層３の厚み以上とすることにより、隣接する発光素子と電気的に分離する。ついで、ｐ側電極４（厚さＢ１：０．４μｍ）を形成する。このとき、図７に示すように、１つの発光素子に対する、メサエッチングを行った領域の幅Ｌ３は、２７０μｍ程度であり、メサエッチングを行った領域の間隔Ｌ５は、８０μｍ程度である。

次に、図８（ｃ）に示すように、ｐ側パッド電極５を形成する箇所にコンタクトホールが開いた、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜８を形成し、表面がＡｕからなるｐ側パッド電極５（厚さＣ１：１．６μｍ）を形成する。

その後の工程は、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子と同様である。

即ち、支持基板６として、熱膨張率が純銅に比べて小さく、かつ、熱伝導と電気抵抗が小さい材料である、銅と酸化銅粒子の焼結体基板を準備する。そして、支持基板６上に、Ａｕ−Ｓｎ合金、共晶半田等からなる半田層７を形成する。

次に、複数の発光素子が形成された成長基板１３の窒化物系半導体素子層面と、支持基板６の半田層７とを熱圧着により、接合する。

次に、成長基板１３と窒化物系半導体素子層間で基板分離を行い、窒化物系半導体素子層（ｎ側ＧａＮ層２、ｐ側ＧａＮ層３）と支持基板６とが半田層７で接着された積層基板を得る。基板分離は、成長基板１３の材質に応じて、研磨、ドライエッチ、ウェットエッチ、レーザリフトオフ法等を用いる。

このようにして、図５に示す窒化物系半導体素子を得ることができる。

第２の参考の形態に係る窒化物系半導体素子によると、空洞部１１に異常成長エピタキシャル層１２が配置されることにより、ダイヤモンドポイント１４やダイシングソーによって、複数の発光素子毎に分割する際、機械的圧力によって発光素子を形成するエピタキシャル層が撓まないので、スクライブラインから発光領域に向かって発生するクラックを防止することができる。この結果、スクライブにおける歩留まりの低下を抑制することができる。

又、第２の参考の形態では、異常成長エピタキシャル層１２の高さを調整することにより、ｐ側パッド電極５表面よりも高い位置に、異常成長エピタキシャル層１２を形成することも可能である。この場合、支持基板６との接合時に、ｐ側パッド電極５への圧力を低減することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記の実施の形態では、主として、窒化物半導体素子層の活性層から放出される光を利用する発光ダイオードや半導体レーザについて例示したが、本発明はこれに限らず、これら発光素子からの放出光を励起光とする蛍光体とを組み合わせた発光素子の製造にも利用可能である。又、窒化物系半導体素子層を有するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、受光素子への応用が可能である。

又、上記の実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させる説明したが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ法やガスソースＭＢＥ法などを用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。

又、上記の実施の形態では、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮなどからなる層を含む窒化物系半導体素子層を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＮからなる層以外の層を含む窒化物系半導体素子層を用いてもよい。又、半導体素子層の形状は、メサ構造、リッジ構造などの電流狭窄造を有するものでもよい。

又、上記の実施の形態では、窒化物系半導体素子層の成長用基板として、サファイア基板、ＧａＮ基板を用いたが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の成長の可能な基板、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、スピネル等が使用可能である。

又、支持基板材料は、導電性であることが好ましく、第１〜第２の実施の形態において用いた、金属−金属酸化物の複合材料の他、導電性半導体（Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ等）や、金属あるいは複合金属（Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｗ、ＣＵ−Ｍｏ等）などを用いることができる。一般に、半導体材料よりも金属系材料が機械特性に優れ、割れにくいために、支持基板材料として適している。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の断面図である。 図１において、複数の発光素子間を分離した際の断面図である。 第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。 第１の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の素子分離後にワイヤボンディングを行った際の断面図である。 第２の参考の形態に係る窒化物系半導体素子の断面図である。 図５において、複数の発光素子間を分離した際の断面図である。 第２の参考の形態に係る窒化物系半導体素子の上面図である。 第２の参考の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。 従来の窒化物系半導体素子の断面図である。

２…ｎ側ＧａＮ層
３…ｐ側ＧａＮ層
４…ｐ側電極
５…ｐ側パッド電極
６…支持基板
７…半田層
８…絶縁膜
９…ｎ側パッド電極
１０…樹脂
１１…空洞部
１３…異常成長エピタキシャル層
１４…ダイヤモンドポイント

Claims (4)

1. 成長基板上に少なくとも１層以上の窒化物系半導体素子層からなる複数の発光素子を形成する工程と、前記窒化物系半導体素子層上に半田層を介して支持基板を接合する工程と、接合された前記窒化物系半導体素子層及び前記支持基板から前記成長基板を除去する工程とを備える窒化物系半導体素子の製造方法であって、
   前記複数の発光素子の分割領域にあたる前記窒化物系半導体素子層と前記半田層との間の空洞部に、樹脂を充填する工程と、
   前記樹脂を充填する工程の後、前記樹脂が充填されている領域で、前記窒化物系半導体素子層と前記支持基板とを、前記半田層及び前記樹脂層と共に、前記複数の発光素子毎に分割する工程とを有することを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
2. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
3. 前記樹脂の粘度は、２５℃において１００ｃｐ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
4. 前記樹脂を充填する工程の後、前記樹脂が充填されている領域上にパッド電極を設ける工程を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
   

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