JP4835409B2 - Ｉｉｉ−ｖ族半導体素子、およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、成長基板上にIII −Ｖ族半導体からなるｎ層とｐ層とを成長させて、ｐ層上の電極層をハンダを用いて支持基板と接合した後、レーザーリフトオフにより成長基板を除去して半導体素子を製造する方法およびその半導体素子に関する。特に、ｐ層とｎ層との側面における電気的短絡や、レーザーリフトオフ時に半導体素子端面に生じる恐れのある割れから保護する方法およびその半導体素子構造に関するものである。
III 族窒化物半導体を成長させる基板として、一般的に化学的、熱的に安定しているサファイア基板が用いられているが、サファイアには伝導性がなく、縦方向に電流を流すことができない。また、サファイアには明確な劈開面がなく、ダイシングが困難である。また、サファイアは熱伝導性も低く、半導体素子の放熱を阻害する。さらに、半導体層とサファイア基板の接合面での全反射や、半導体層での光閉じ込めがあり、外部量子効率が低い。光の取り出し効率を向上させるために光取り出し面を凹凸加工することも考えられるが、サファイアはこの加工が容易ではない。
この問題を解決する技術として、レーザーリフトオフ法が知られている。レーザーを照射し、サファイア基板を分離除去する方法である。
特許文献１には、サファイア基板上にIII 族窒化物半導体素子を形成した後、エッチングにより溝を形成して各素子ごとに分離させ、サファイア基板上に成長させたIII 族窒化物半導体素子と支持基板とを接合した後、レーザーリフトオフを実施する方法が示されている。溝の内部に残った気体がレーザーにより熱膨張してIII 族窒化物半導体素子にクラックが生じていたが、特許文献１は、溝の内部に誘電体を充填することで気体を排除して、これによるクラックの発生を防止できる旨の記述がある。
また、特許文献２には、溝の内部にフォトレジストを満たし、III 族窒化物半導体素子と支持基板とを接合するのではなく、III 族窒化物半導体素子の上部に金属層を形成した後、レーザーリフトオフを実施する方法が示されている。溝に形成されたフォトレジストは、その金属層を形成するときに溝の中に金属が入ることを防止するためのものであることが説明されている。
また、特許文献３には、傾斜した半導体素子端面にＳｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 などの保護膜およびシード金属膜を形成し、溝と半導体素子上部に金属層を形成した後、レーザーリフトオフを実施する方法が示されている。
特開２００５−３３３１３０
特表２００５−５２２８７３
特開２００６−１３５３２１
レーザーリフトオフ工程においては、サファイア基板を分離させる時に、III 族窒化物半導体素子端面に物理的衝撃が加わり、端面が割れ落ちてしまう場合がある。しかしながら、特許文献１〜３には、この物理的衝撃によって生じる半導体素子端面の割れを防止する方法については示されていない。
また、特許文献３では、成長基板と保護膜とが強固に接合しているため、サファイア基板の分離の際、保護膜が剥離し、半導体素子にクラックが発生する。さらに、ダイシング時には半導体素子上部に形成された金属層を切断しなければならない点も問題である。また、特許文献２、３は、支持基板との貼り合わせ接合によるものではない。
支持基板との貼り合わせ接合の場合は、次のような問題がある。ｐ型活性化の必要から成長基板上には、先にｎ層が形成され、のちにｐ層が形成される。ｎ層は厚くできるが、ｐ層は厚くすることが難しく薄い。そのため、ハンダによりｐ層と支持基板を接合する構造では、支持基板とｎ層の距離が近い。したがって、ダイシングやウェハ接合時にハンダや金属が半導体素子の側面に付着し、ｐ層とｎ層とが短絡してしまう。
そこで本発明の目的は、基板上に先にｎ層が形成され、のちにｐ層が形成された半導体層を、各半導体素子ごとに分離させ、半田を介して支持基板と接合させてからレーザーリフトオフを用いて基板を除去する場合において、半導体素子の端面でｎ層とｐ層とが短絡することを防止すること、および、基板の分離での物理的衝撃によって生じる恐れのある半導体素子端面の割れを防止することにある。
第１の発明は、III −Ｖ族半導体で構成された半導体素子の製造方法において、基板上に、ｐ電極および第１の低融点金属拡散防止層を上面に有し、互いに分離された複数の前記半導体素子を形成する工程と、半導体素子の端面を覆うように、誘電体からなる端面保護膜を形成する工程と、端面保護膜の少なくとも上面に、誘電体との接合性のよい金属からなる金属膜を形成する工程と、金属膜の上面に、第２の低融点金属拡散防止層を形成する工程と、半導体素子の前記第２の低融点金属拡散防止層と伝導性の支持基板とを低融点金属層を介して接合する工程と、レーザーリフトオフにより基板を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体素子の製造方法である。
端面保護膜は、１００ｎｍ〜５００ｎｍであることが望ましい。この端面保護膜は、たとえば、プラズマＣＶＤ法により形成できる。半導体素子上面に、ｐ電極および低融点金属拡散防止層の形成されていない領域がある場合は、その領域に端面保護膜が形成されてもよい。
金属膜は、少なくとも端面保護膜の上面に形成されていればよく、低融点金属拡散防止層および端面保護膜の上面に形成されていてもよい。さらには、低融点金属拡散防止層および端面保護膜を覆うように形成することで、端面保護膜を挟んで半導体素子端面に金属膜が形成されていてもよい。
ｐ電極にはＡｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｒｕやこれらの金属を主成分とする合金などの高光反射率で低コンタクト抵抗な金属が望ましい。他には、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｕ合金などを用いることができる。また、ＩＴＯなどの透明電極膜と高反射金属膜からなる複合層であってもよい。低融点金属拡散防止層には、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕなどのＴｉ／Ｎｉを含む多層膜、Ｗ／Ｐｔ／ＡｕなどのＷ／Ｐｔを含む多層膜などを用いることができる。低融点金属拡散防止層は、低融点金属層の金属が低融点金属拡散防止層を超えて拡散するのを防止する層である。低融点金属層には、Ａｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層や、低融点金属ではないが、Ａｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることができる。
支持基板には、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、Ｃｕ基板、Ｃｕ−Ｗ基板などの伝導性の基板を用いる。
第２の発明は、第１の発明において、端面保護膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化アルミニウムのいずれかにより形成されていることを特徴とする半導体素子の製造方法である。
これらの誘電体と接合性のよい金属は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｖなどである。
第３の発明は、第１の発明において、端面保護膜は、二酸化ケイ素により形成され、金属膜は、Ａｌ膜であることを特徴とする半導体素子の製造方法である。
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、低融点金属層は、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉのいずれかにより形成されていることを特徴とする半導体素子の製造方法である。
第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、半導体素子は、III 族窒化物半導体で構成されていることを特徴とする半導体素子の製造方法である。
第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、半導体素子は、発光素子であることを特徴とする半導体素子の製造方法である。
第７の発明は、第６の発明において、金属膜は、端面保護膜を挟んで半導体素子の端面にも形成されていることを特徴とする半導体素子の製造方法である。
第８の発明は、III −Ｖ族半導体で構成され、伝導性の支持基板と低融点金属層を介して接合する半導体素子において、半導体素子のｐ型層に接合するｐ電極と、ｐ電極に接合する第１の低融点金属拡散防止層と、半導体素子の端面、及び、ｐ電極及び第１の低融点金属拡散防止層に対するｐ型層の接合面であってｐ電極及び第１の低融点金属拡散防止層が形成されていない領域に、形成された誘電体からなる端面保護膜と、第１の低融点金属拡散防止層と端面保護膜との上面に形成された、誘電体との接合性のよい金属からなる金属膜と、金属膜と接合する第２の低融点金属拡散防止層と、半導体素子を支持する支持基板と、第２の低融点金属拡散防止層と支持基板とを接合する低融点金属層と、成長基板上にｐ型層よりも先に成長されたｎ型層であって、成長基板の除去されたｎ型層とを有することを特徴とする半導体素子である。
第９の発明は、第８の発明において、端面保護膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化アルミニウムのいずれかにより形成されていることを特徴とする半導体素子である。
第１０の発明は、第８の発明において、端面保護膜は、二酸化ケイ素により形成され、金属膜は、Ａｌ膜であることを特徴とする半導体素子である。
第１１の発明は、第８の発明から第１０の発明において、低融点金属層は、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉのいずれかにより形成されていることを特徴とする半導体素子である。
第１２の発明は、第８の発明から第１１の発明において、半導体素子は、III 族窒化物半導体で構成されていることを特徴とする半導体素子である。
第１３の発明は、第８の発明から第１２の発明において、半導体素子は、発光素子であることを特徴とする半導体素子である。
第１４の発明は、第１３の発明において、金属膜は、端面保護膜を挟んで半導体素子の端面にも形成されていることを特徴とする半導体素子である。
第１の発明では、半導体素子の端面が誘電体からなる端面保護膜で覆われ、かつ、端面保護膜と低融点金属層の間に、端面保護膜との接合性のよい金属膜が形成されている。端面保護膜は、半導体素子の端面で低融点金属により短絡することを防止できる。また、支持基板との接合後のレーザーリフトオフ時の基板除去による物理的衝撃で生じる恐れのある半導体素子端面の割れを防止することができる。
また、金属膜を設けたのは、次の理由による。端面保護膜のみを形成した場合、端面保護膜と低融点金属層との接合性が悪く、分離してしまい、端面保護膜と低融点金属層との間に空孔が生じてしまうことがある。この空孔は、基板除去時に端面保護膜の剥がれを生じさせ、半導体素子端面にクラックが生じ、割れ落ちてしまうこともある。そこで、端面保護膜との接合性のよい金属膜を端面保護膜と低融点金属層の間に形成することで、端面保護膜と低融点金属層の分離による空孔を防止することができ、端面保護膜が半導体素子端面から剥がれるのを防止できる。したがって、端面保護膜が、端面保護の機能を損なうことがなく、端面保護膜のみを形成する場合より半導体素子端面の割れを防止する効果が大きい。
また、第６の発明のように、金属膜を端面保護膜を挟んで発光素子の端面にも形成すると、端面からの出射光を防ぐことができる。
また、第７の発明から第１２の発明の半導体素子は、半導体素子の端面に端面保護膜が形成されていて、端面保護膜と低融点金属層の間に、端面保護膜との接合性のよい金属膜が形成されていることから、半導体素子の端面に割れのない半導体素子である。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図１は、実施例１のレーザーリフトオフによる発光素子の製造工程を示す図である。
まず、サファイア基板１０上に、エピタキシャル成長によりIII 族窒化物半導体層１１を作製し、各発光素子１２を形成する領域の上面に、ｐ電極１３と低融点金属拡散防止層１４を形成する（図１Ａ）。ｐ電極には、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｒｕやこれらの金属を主成分とする合金などの高光反射率で低コンタクト抵抗な金属や、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｕ合金などを用いることができる。また、ＩＴＯなどの透明電極膜と高反射金属膜からなる複合層であってもよい。低融点金属拡散防止層１４には、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕなどのＴｉ／Ｎｉを含む多層膜、Ｗ／Ｐｔ／ＡｕなどのＷ／Ｐｔを含む多層膜などを用いる。III 族窒化物半導体層１１は、図２に示すように、ｎ型層１００、ＭＱＷ層１０１、ｐ型層１０２で構成されている。
次に、III 族窒化物半導体層１１の所定の場所をサファイア基板１０が露出するまでエッチングすることで複数の発光素子１２に分離させる（図１Ｂ）。発光素子１２の端面は垂直になるようエッチングした。
次に、発光素子１２の端面と、ｐ電極１３および低融点金属拡散防止層１４の形成されていない発光素子１２の上面１２１に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ2 からなる端面保護膜１５を形成する（図１Ｃ）。膜厚は１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度が望ましい。１００ｎｍ以下では、発光素子１２の端面と端面保護膜１５との密着性が低くなるので好ましくなく、５００ｎｍ以上では、その後のパターニング時に、多大なエッチング時間が必要なため望ましくない。ＳｉＯ2 以外には、Ｓｉ3 Ｎ4 （窒化ケイ素）、ＺｒＯ2 （酸化ジルコニウム）、ＮｂＯ（酸化ニオブ）、Ａｌ2 Ｏ3 （酸化アルミニウム）などを用いることができる。
次に、低融点金属拡散防止層１４と端面保護膜１５の上面に、Ａｌからなる金属膜１６を形成する（図１Ｄ）。金属膜１６には、端面保護膜１５との接合性のよいものであれば、Ａｌ以外を用いてもよい。たとえば、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖなどである。
金属膜１６の上面には、再度低融点金属拡散防止層１７を形成し、その低融点金属拡散防止層１７上面に低融点金属層１８を形成する（図１Ｅ）。低融点金属層１８には、Ａｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層や、低融点金属ではないが、Ａｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることができる。端面保護膜１５、金属膜１６、低融点金属拡散防止層１７は、フォトリソグラフィにより、所定パターンに形成される。
次に、Ｓｉからなる支持基板１９の上面に形成された低融点金属層２０を介して、支持基板１９と低融点金属層２０を接合する（図１Ｆ）。支持基板１９として、Ｓｉの他にＧａＡｓ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗを用いることができる。低融点金属拡散防止層１４、１７は、低融点金属層１８、２０の金属が、低融点金属拡散防止層１４、１７を超えて拡散するのを防止するための層である。
そして、レーザーリフトオフにより、サファイア基板１０を分離除去する（図１Ｇ）。レーザーの照射は、波長２４８ｎｍのＫｒＦレーザーを、０．７Ｊ／ｃｍ2 以上の条件で、ウェハに光照射する。
このレーザーリフトオフ時に金属膜１６がない場合には、端面保護膜１５と低融点金属層１８との接合性が悪いため、低融点金属層１８が端面保護膜１５の上端面から剥離し、それらの間に空孔を生じてしまう。この空孔が原因で、サファイア基板１０を除去する際に端面保護膜１５が剥がれ落ちてしまったり、発光素子１２の端面が割れ落ちてしまうことがある。そこで、実施例１のように、端面保護膜１５の上端面と低融点金属層１８の間に端面保護膜との接合性のよい金属からなる金属膜１６を設けたことにより、空孔が生じるのが防止され、端面保護膜１５の剥がれや発光素子１２の端面の割れを防止することができる。
その後、ｎ電極を形成し、ダイシングすることで、支持基板１９上に形成された、個々の発光素子１２が製造される。
実施例２は、図３のように、金属膜１６を端面保護膜１５を挟んで発光素子１２の端面にも形成する点が実施例１と異なる。それ以外の工程はすべて実施例１と同じである。Ａｌは高反射金属であるから、発光素子１２の端面からの出射光を、金属膜１６により抑制することができる。特に、発光素子１２の端面に傾斜がある場合には、このように金属膜１６を端面にも形成することが望ましい。
実施例１、２は、発光素子の製造方法であったが、本発明は発光素子に限るものではなく、レーザーリフトオフにより製造されるあらゆる半導体素子に適用できるものである。また、III 族窒化物半導体で構成された半導体素子に限らず、ＧａＡｓやＧａＰなど、III −Ｖ族半導体で構成された半導体素子に対しても、本発明は適用できる。
また、実施例１、２では、ｐ電極１３と低融点金属拡散防止層１４を形成した後にエッチングで各発光素子１２に分離しているが、エッチングで各発光素子１２に分離した後にｐ電極１３と低融点金属拡散防止層１４を形成してもよい。
本発明によって、レーザーリフトオフによる半導体素子製造の歩留りを向上できる。
１０：サファイア基板
１１：III 族窒化物半導体層
１２：発光素子
１３：ｐ電極
１４、１７：低融点金属拡散防止層
１５：端面保護膜
１６：金属膜
１８、２０：低融点金属層
１９：支持基板
１００：ｎ型層
１０１：ＭＱＷ層
１０２：ｐ型層
１１：III 族窒化物半導体層
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１８、２０：低融点金属層
１９：支持基板
１００：ｎ型層
１０１：ＭＱＷ層
１０２：ｐ型層
Claims (14)
- III −Ｖ族半導体で構成された半導体素子の製造方法において、
基板上に、ｐ電極および第１の低融点金属拡散防止層を上面に有し、互いに分離された複数の前記半導体素子を形成する工程と、
前記半導体素子の端面を覆うように、誘電体からなる端面保護膜を形成する工程と、
前記端面保護膜の少なくとも上面に、前記誘電体との接合性のよい金属からなる金属膜を形成する工程と、
前記金属膜の上面に、第２の低融点金属拡散防止層を形成する工程と、
前記半導体素子の前記第２の低融点金属拡散防止層と伝導性の支持基板とを低融点金属層を介して接合する工程と、
レーザーリフトオフにより前記基板を除去する工程と、
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記端面保護膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化アルミニウムのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記端面保護膜は、二酸化ケイ素により形成され、
前記金属膜は、Ａｌ膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記低融点金属層は、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記半導体素子は、III 族窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記半導体素子は、発光素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記金属膜は、前記端面保護膜を挟んで前記半導体素子の端面にも形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
- III −Ｖ族半導体で構成され、伝導性の支持基板と低融点金属層を介して接合する半導体素子において、
前記半導体素子のｐ型層に接合するｐ電極と、
前記ｐ電極に接合する第１の低融点金属拡散防止層と、
前記半導体素子の端面、及び、前記ｐ電極及び前記第１の低融点金属拡散防止層に対する前記ｐ型層の接合面であって前記ｐ電極及び前記第１の低融点金属拡散防止層が形成されていない領域に、形成された誘電体からなる端面保護膜と、
前記第１の低融点金属拡散防止層と前記端面保護膜との上面に形成された、前記誘電体との接合性のよい金属からなる金属膜と、
前記金属膜と接合する第２の低融点金属拡散防止層と、
前記半導体素子を支持する支持基板と、
前記第２の低融点金属拡散防止層と前記支持基板とを接合する低融点金属層と、
成長基板上に前記ｐ型層よりも先に成長されたｎ型層であって、前記成長基板の除去されたｎ型層と
を有することを特徴とする半導体素子。 - 前記端面保護膜は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化アルミニウムのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子。
- 前記端面保護膜は、二酸化ケイ素により形成され、
前記金属膜は、Ａｌ膜であることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子。 - 前記低融点金属層は、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の半導体素子。
- 前記半導体素子は、III 族窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれか１項に記載の半導体素子。
- 前記半導体素子は、発光素子であることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれか１項に記載の半導体素子。
- 前記金属膜は、前記端面保護膜を挟んで前記半導体素子の端面にも形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
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