JP5021302B2 - 半導体チップの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、それぞれ少なくとも１つのエピタキシャル成長された機能型半導体積層部を有している、複数の半導体チップ、特にビーム放射型半導体チップの製造方法に関している。本発明は、独国特許出願第１０３２８５４３．１号明細書（優先日２００３年６月２４日）での開示内容を優先権主張の基礎とするものである。

背景技術
窒化物−III−V族化合物半導体をベースとするビーム放射型半導体構造、殊にＧａＮ半導体材料をベースにしたビーム放射型半導体構造の内部効率の上昇に対する主要な前提条件の１つは、窒化物半導体材料における欠陥密度の低減である。これについて最も期待されている手法は、例えばそのつどエピタキシャル成長されたビーム放射型半導体構造のような同じ材料系からなる成長面の提供である。大抵のケースでは、相応の基板の入手が困難であり、その上高い技術コストをかけなければ製造不能であり、それ故に通常利用されている代替基板、例えばＧａＮベースのビーム放射型半導体構造に対するＳｉＣ基板やサファイア基板などに比べて著しいコスト高となる。

窒化物−III−V族化合物半導体材料をベースとするビーム放射型半導体構造のグループのもとでは、本願との関連において、様々な単層からなる層列を有し、有利には窒化物−III−V族化合物半導体材料系Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１及びｘ＋ｙ≦１）からの材料を有する少なくとも１種類の単層を含有する半導体構造が当てはまる。このことはもちろん、Ｉｎ，Ａｌ及び／又はＧａ及びＮの他にも組成中にさらなる元素が含有し得ることを除外しているわけではない。そのような半導体構造は、例えば従来のｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していてもよい。なお当業者にとってはそのような構造は公知であるのでここでの詳細な説明は省く。

本発明の課題は、それぞれ同じ若しくは類似の材料系からなる、例えばそれぞれがエピタキシャル成長する半導体層列からなる成長面において、できるだけ少ない基板コストで所望の半導体層列の成長が可能となるような半導体チップの製造方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載の本発明の方法によって解決される。

本発明の別の有利な実施例は、従属請求項に記載されている。

本発明の方法によれば、成長基板ウエハが補助支持体ウエハと接続される。その場合成長基板ウエハは、実質的に特に格子パラメータに関して同じか若しくは類似の半導体材料系、例えば機能的な半導体積層体をベースとするような半導体材料を含んでいる。この補助支持体は、エネルギーの豊富な電磁放射、特にレーザービームに対して透過的である。

成長基板ウエハにおいては、成長基板ウエハと補助支持体ウエハの間の接合面に対して並列に存在する分離ゾーンが形成され、この分離ゾーンに沿って補助支持体ウエハ上への被着の後で、成長基板ウエハの一部が分離される。そのため補助支持体ウエハ上には、もはや成長基板ウエハの一部しか残されない。成長基板ウエハの分離された一部は、有利には、さらなる補助支持体ウエハ／成長基板ウエハ接合面の製作のために用いることができる。

成長基板ウエハの部分的な分離の後では、半導体積層体の半導体層列の後続のエピタキシャル成長のための成長基板ウエハの補助支持体ウエハ上に残された部分の分離面が形成される。

この成長面上には、再び半導体積層体のための半導体層列が後続してエピタキシャル成長する。

この方法ステップの後では、半導体層列上にチップ基板ウエハが被着され、補助支持体ウエハが分離される。

半導体層列上へのチップ基板ウエハの被着前には、場合によって、金属コンタクト層及び／又は薄膜発光ダイオードチップの作成に求められるような反射性の層若しくは層列が被着される。

最後にチップ基板ウエハとは反対側の半導体層列上には、例えば金属化されたコンタクト層の形態で電気的なコンタクト層が、相互に分離された半導体チップに対する半導体層列とチップ基板ウエハの接続面が個別化される前に被着される。

有利な実施形態によれば、チップ基板ウエハの被着前に、相並んで補助支持体ウエハ上に配設される複数のエピタキシャル半導体積層体に対して半導体層列が構造化される。その後でエピタキシャル半導体積層体の少なくともエッジ部分が少なくとも部分的に不活性材料を備え得る。さらに必要に応じてチップ基板ウエハの被着前にエピタキシャル半導体層列が電気的なコンタクト層を備え得る。

分離ゾーンは、有利にはイオン注入、例えば水素を用いて生成される。

接合面の補助支持体ウエハと成長基板からの分離ゾーンに沿った分離は、有利には熱的切り離しによって行われる。そのような方法は、例えば米国特許第５３７４５６４号明細書や米国特許第６１０３５９７号明細書から公知であり、それらの開示内容は、ここでも引用される。

半導体層列の被着後、並びに場合によってはそのさらなる処理とチップ基板ウエハの被着後に、補助支持体ウエハの分離が行われる。このことは有利にはレーザーカット手法を用いて実施してもよい。この場合補助支持体ウエハは、実質的に完全に半導体層列ないしは半導体積層体から分離される。

“実質的に完全に”とは、補助支持体ウエハがその限りで分離されることと理解されたい。半導体層列ないし半導体積層体上で、補助支持体ウエハの次のような残片しか残らない、すなわち半導体層列ないしは半導体積層体の損傷を全くか極僅かしか引き起こさないような残片しか残らない。有利には、補助支持体ウエハは完全に分離される。

補助支持体ウエハは、例えば波長が３６０ｎｍ以下の電磁放射に対して透過性である。

補助支持体ウエハは、その熱膨張係数に関して有利には成長基板ウエハに適応化される。

補助支持体ウエハは、有利には本発明による方法のもとでは、必ずしも単結晶である必要はなく有利には多結晶であってもよい。

成長基板ウエハと補助支持体ウエハの間の接合面は、有利には酸化ケイ素を介して作製され得る。

ＧａＮをベースとした半導体層列の場合には、成長基板ウエハの材料も有利にはＧａＮをベースにされる。この場合補助支持体ウエハは有利には、サファイア及び／又はＡｌＮからなる。

半導体層列に対する成長面は、有利には、エピタキシャル成長に対するエッチング及び／又は研磨を用いて準備される。

本発明による方法は、殊に欠陥低減された半導体構造の製造、特に窒化物−III−V族化合物半導体材料をベースにした、欠陥低減された半導体構造に適している。

窒化物−III−V族化合物半導体材料をベースとするビーム放射型半導体構造のグループのもとでは、本願との関連において、様々な単層からなる層列を有し、有利には窒化物−III−V族化合物半導体材料系Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１及びｘ＋ｙ≦１）からの材料を有する少なくとも１種類の単層を含有する半導体構造が当てはまる。このことはもちろん、Ｉｎ，Ａｌ及び／又はＧａ及びＮの他にも組成中にさらなる元素が含有し得ることを除外しているわけではない。ＧａＮをベースにした半導体構造は、例えばＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１及びｘ＋ｙ≦１）を含む少なくとも１つの半導体層を有する。そのような半導体構造は、例えば従来のｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していてもよい。なお当該分野の当業者にとってはそのような構造は公知であるのでここでの詳細な説明は省く。

成長基板ウエハの当該方法の期間中に分離される部分は、有利にはさらなる半導体チップの製造に用いられ、それに対してはさらなる補助支持体ウエハに接続される。そこからは、前述した手法に相応して一部が分離される。このことは有利には、成長基板ウエハが被着されるまでは何度も繰り返される。

半導体層列は、例えば有機金属気相成長法（Metal Organis Vapor Epitaxy（ＭＯＶＰＥ））、分子線エピタキシャル成長（Molecular Beam Epitaxy（ＭＢＥ））、液相エピタキシャル成長（Liquid Phase Epitaxy（ＬＰＥ））やその他の従来手法を用いて製造され得る。

前述してきた、例えば打ち込みによる分離ゾーンを用いたＧａＮからなる成長基板ウエハ部分の熱的切離と、熱的切離の際に残される成長基板ウエハ部分に対する補助支持体ウエハのレーザー剥離の組み合わせによって、特に高出力な発光ダイオードが高品質なＧａＮ準基質で安価に形成できるようになる。その他にも発光ダイオードの製造のためのＧａＮベースの薄膜技法が、欠陥低減され格子適合されたＧａＮ準基質の利用によって最適化される。

本発明による方法のさらなる利点、実施形態、改善構成は、以下の明細書で図１ａ〜２ｈに基づいて詳細に説明する。この場合、
図１ａ〜ｉは、本発明による方法の第１実施例を概略的に表わしたものであり、
図２ａ〜ｈは、本発明による方法の第２実施例を概略的に表わしたものである。

なおこれらの図面中、同じか若しくは同じ作用の構成要素にはそれぞれ同じ符号が付されており、またこれらの略図間では必ずしも統一された縮尺が用いられているわけではないことを予め述べておく。

実施例の説明
本発明による方法の第１実施例では、窒化物−III／V族−化合物半導体材料をベースに複数の発光ダイオードチップが製造されている。

最初に窒化物をベースにした材料、例えばＧａＮからなる成長基板ウエハ１が準備される。この成長基板ウエハ１内には、当該成長基板ウエハの主平面１００に対して並列に位置する分離ゾーン４が形成される（図１ａ参照）。このことは有利には、成長基板ウエハ１の主平面１００を貫通するイオン打ち込み（例えば水素）によって行われる（矢印３参照）。この場合分離ゾーン４は、成長基板ウエハ１のイオンの打ち込まれる領域内に存在する。この種の方法は、基本的には例えば米国特許出願 US 5,374,564 明細書や米国特許出願 US 6,103,597 明細書等からも公知である。

引き続き成長基板ウエハ１は、補助支持体ウエハ２と接合され、有利には主平面１００が補助支持体ウエハ２の方向に向くように接合される（図１ｂ参照）。

補助支持体ウエハ２は、高エネルギーな電磁ビーム、特にレーザービーム（これは以下でも説明するレーザー除去手法に利用される）に対して透過性である。有利にはこの補助支持体ウエハ２は、３６０ｎｍ以下の波長領域に対して透過的である。有利には補助支持体ウエハ２は、その熱膨張係数に関して成長基板ウエハ１に適合している。

補助支持体ウエハ２は、例えば実質的にサファイア及び／又はＡｌＮからなる。この補助支持体ウエハ２は、有利には単結晶である。成長基板ウエハ１と補助支持体ウエハ２の間の接合は、例えば酸化ケイ素を用いて形成される。

その後で、成長基板ウエハ１の分離ゾーン４の層から補助支持体ウエハ２とは反対側の部分１１が分離ゾーン４に沿って分離される。有利には熱的に切離される（図１ｃ参照）。この種の基本的な方法は、例えば米国特許出願 US 5,374,564 明細書や米国特許出願 US 6,103,597 明細書から公知である。

前述した分離プロセスによって露出された成長基板ウエハ１の補助支持体ウエハ２上に残された残留部分１２は、引き続き例えばエッチング及び／又は研磨によって形成すべき半導体構造に対する半導体層列５のエピタキシャル成長のための成長面１２１として適するように整えられる。

半導体層列５は、引き続き例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて成長面１２１上に成長される（図１ｄ参照）。

半導体層列５の、補助支持体ウエハ２に対向している側には、金属性の電気的コンタクト層６が被着される。このコンタクト層６は、例えば本発明の半導体材料系に適した従来のコンタクト層材料からなっていてもよい。そのようなコンタクト層材料は、当業者には公知であり、それ故この箇所での詳細な説明は省く。付加的に、例えばいわゆる薄膜発光ダイオードチップの形成に必要とされるように、半導体層列５とコンタクト層６の間、若しくはコンタクト層６の上に、反射層（図示せず）が被着されていてもよい。

その後で、半導体層列５は、例えばマスキングとエッチングを用いて複数の半導体積層部５１（Mesen）に構造化される（図１ｅ参照）。

半導体積層部５１のエッジ部分には引き続き不動態化層９が被着される。この不動態化層も、本発明による半導体材料系に適した従来の不動態材料からなっていてもよい。そのような不動態材料も当該分野の当業者には公知であり、そのためここでの詳細な説明は省く。

このプロセスステップの後では、半導体積層部５１の補助支持体ウエハ２とは反対側が例えばボンディングによって機械的に比較的安定したチップ基板ウエハ７と接合される（図１ｆ参照）。このウエハは例えばＧｅからなっているが、しかしながらその他の適する導電性のチップ支持体材料からなっていてもよい。例えばここではＧａＡｓである。同様にＭｏやＡｕなどの金属も基本的に適している。

その後では、補助支持体ウエハ２を貫通するレーザービーム（図１ｇ中の矢印１０）を用いて、半導体積層部５１からの補助支持体ウエハ２の除去が行われる。それに対しては、補助支持体ウエハと成長基板ウエハの残留部分の間の接合層、例えば酸化ケイ素ボンディング層か、若しくはこの接合層との境界面ないしはその近傍にある半導体層が選択的に熱分解される。また任意に補助支持体ウエハ２と成長基板ウエハ１との接続前に、補助支持体ウエハ２上に犠牲層が被着されていてもよい。この犠牲層はその後の除去ステップにおいてレーザービームを用いて分解される。

レーザービームを用いた照射期間中の構造部の熱的緊張は、ボンディング面における亀裂のひろがりを容易にさせる。

適切なレーザー除去方法（レーザー剥離手法とも称する）は例えば、国際公開パンフレット第９８／１４９８６号明細書から公知であり、その開示内容はここでも引用可能である。

補助支持体ウエハ２の除去の後では、それによって露出された半導体積層部５１の面が仕上げ処理される。この場合例えば電気的なコンタクト構造部８が被着されてもよいし、粗面が形成されてもよいし、及び／又は不動態化層が被着されてもよい（図１ｈ参照）。

最終的に半導体積層部５１とチップ支持体ウエハ７からなる結合部がソーイングによって、及び／又は半導体積層部５１間のチップ支持体ウエハ７のカッティングによって、個々の発光ダイオードチップ２０に個別化される（図１ｉ参照）。

第２の実施例の場合、エピタキシャル半導体層列５の被着までの方法ステップ（図２ａ〜図２ｄ）は、第１の実施例の方法ステップ（図１ａ〜図１ｄ）に相応している。

第１の実施例との違いは、半導体層列５が必要に応じてコンタクト層６を含有し、チップ支持体基板ウエハ７の被着前に半導体積層部５に構造化されるのではなく、チップ支持体基板ウエハ７の被着後（図２ｅ参照）及び補助支持体ウエハ２の除去後（図２ｆ参照）に初めて構造化される。このコンタクト層６は、図２ｄ中では波線のみで表わしており、図２ｅから図２ｈまでの具体例では不要なので省いてある。

チップ支持体基板ウエハ７の被着と補助支持体ウエハ２の分離は、前述してきた第１実施例の方法ステップに相応に類似して行われる。

補助支持体ウエハ２の分離の後では、エピタキシャル半導体層列５は、個々の半導体積層部５１に構造化され、この半導体積層部５１には電気的なコンタクト層８１，８２が被着される（図２ｇ参照）。このことは、従来のマスキングやエッチング技法ないしは金属化技法を用いて行われてもよい。

最終的に半導体積層部５１とチップ支持体ウエハ７からなる結合部は、例えば半導体積層部５１間のチップ支持体基板ウエハ７のソーイング及び／又はカッティングによって個別の発光ダイオードチップ２０に個別化される（図２ｈ参照）。

本発明は、もちろんこれまでの実施例に基づく例示的説明に限定されるものではない。それどころか本発明は新たな特徴部分やそれらの各組合わせ、例えば異なる請求項の個々の特徴部分の組み合わせや上位／下位概念に含まれる様々な実施例の組み合わせも、それらの特徴部分若しくはその組み合わせ自体が請求の範囲や実施例において具体的に明示されていなくとも含まれるものであることを最後に述べておく。

ａ〜ｉは本発明による方法の第１実施例を概略的に表わした図 ａ〜ｈは本発明による方法の第２実施例を概略的に表わした図

Claims (16)

1. それぞれ少なくとも１つのエピタキシャル成長によって製造される機能的な半導体積層部（５１）を有している、複数の半導体チップ（２０）の製造方法において、
   成長基板ウエハ（１）を設けるステップと、該成長基板ウエハ（１）は、半導体層列（５）がそれを機能的な半導体積層部（５１）に対するベースとしているように、格子パラメータに関して同じか若しくは類似の半導体材料系からなる半導体材料を含み、
   前記成長基板ウエハ（１）の主平面（１００）に対して平行に存在する分離ゾーン（４）を、イオン打込みによって当該成長基板ウエハ（１）内に形成するステップと、
   前記成長基板ウエハ（１）に補助支持体ウエハ（２）を接合するステップと、
   前記分離ゾーン（４）の層から成長基板ウエハ（１）の補助支持体ウエハ（２）とは反対側部分（１１）を当該分離ゾーン（４）に沿って分離させるステップと、
   前記補助支持体ウエハ（２）上に残った成長基板ウエハの残留部分（１２）上に、後続の半導体層列（５）のエピタキシャル成長のための成長面（１２１）を形成するステップと、
   前記成長面（１２１）上に半導体層列（５）をエピタキシャル成長させるステップと、
   前記半導体層列（５）上にチップ基板ウエハ（７）を被着するステップと、
   前記補助支持体ウエハ（２）を、レーザー剥離技法を用いて半導体層列（５）ないしは半導体積層部（５１）から分離するステップと、
   前記半導体層列（５）とチップ基板ウエハ（７）の接続部を、相互に分離された半導体チップ（２０）に個別化するステップとを含んでいることを特徴とする方法。
2. チップ基板ウエハ（７）の被着前に、半導体層列（５）を、補助支持体ウエハ（２）上に相並んで配設されるエピタキシャル成長された複数の半導体積層部（５１）に構造化する、請求項１記載の方法。
3. エピタキシャル成長された半導体積層部（５１）の少なくともエッジ部分に、少なくとも部分的に不動態化層（９）が設けられる、請求項２記載の方法。
4. チップ基板ウエハ（７）の被着前に、エピタキシャル成長された半導体層列（５）に電気的なコンタクト層（６）が設けられる、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記イオン打ち込みにおいて水素が用いられる、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 分離ゾーン（４）の層から補助支持体ウエハ（２）とは反対側の成長基板ウエハ（１）の部分（１１）が、当該分離ゾーン（４）に沿って熱的に切離される、請求項１から５いずれか１項記載の方法。
7. 前記補助支持体ウエハ（２）は、３６０ｎｍ以下の波長の電磁ビームに対して透過性である、請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 前記補助支持体ウエハ（２）は、電磁ビームに対して透過性である、請求項１から７いずれか１項記載の方法。
9. 前記補助支持体ウエハ（２）は、その熱膨張係数に関して成長基板ウエハ（１）に適合化される、請求項１から８いずれか１項記載の方法。
10. 前記補助支持体ウエハ（２）は、多結晶である、請求項１から９いずれか１項記載の方法。
11. 前記成長基板ウエハ（１）と補助支持体ウエハ（２）の間の接合部は、酸化ケイ素を介して作製される、請求項１から１０いずれか１項記載の方法。
12. 前記半導体層列（５）は、ＧａＮをベースにした少なくとも１つの半導体層を含んでおり、前記成長基板ウエハ（１）の材料もＧａＮベースである、請求項１から１１いずれか１項記載の方法。
13. 前記補助支持体ウエハ（２）は、サファイア及び／又はＡｌＮからなっている、請求項１２記載の方法。
14. 前記半導体層列（５）のエピタキシャル成長に対し、エッチング及び／又は研磨を用いて成長面（１２１）が整えられる、請求項１から１３いずれか１項記載の方法。
15. 前記複数の半導体チップとして、ビーム発光型の複数の半導体チップ（２０）が製造される、請求項１から１４いずれか１項記載の方法。
16. 前記補助支持体ウエハ（２）は、レーザービームに対して透過性である、請求項８から１５いずれか１項記載の方法。

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