(57)【要約】【課題】応力歪が低減された半導体装置を提供する。【解決手段】第１及び第２の主面を有する半導体層と、前記半導体層の前記第１の主面に設けられた第１電極と、前記半導体層の前記第２の主面において第１の方向に延在する凹部と、少なくとも前記凹部の内壁を被覆する補強層と、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の主面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記第１の主面に設けられた第１電極と、
前記半導体層の前記第２の主面において第１の方向に延在する凹部と、
少なくとも前記凹部の内壁を被覆する補強層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体層は、レーザ光を放射する発光層を含み、
前記凹部は、前記レーザ光の光軸方向に対して略平行な方向に延在してなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記内壁は、前記第２の主面に対して略垂直または傾斜してな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。
【請求項４】
前記補強層は、チタン、モリブデン、ニッケル、白金よりなる群から選択されたいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の主面に前記凹部が複数設けられてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子や高速半導体装置などの半導体装置の材料としては、化合物半導体材料が用いられることが多い。一般に、これらの化合物半導体に対する電極材料として用いられる金属の線膨張率は化合物半導体と比較して大である。従って、製造プロセスにおける昇温及び降温により、化合物半導体には引っ張り応力及び圧縮応力などが作用する。
【０００３】
この場合、化合物半導体のヤング率及び剛性率は、材料により広い範囲で変化する。同様に電極を構成する金属膜のヤング率及び剛性率も材料により広い範囲で変化する。従って、電極膜が設けられた化合物半導体装置においては種々の応力が生じ、この応力により歪が発生する。この結果、化合物半導体ウェーハ及びチップに反りやクラックなどの変形を生じる。
【０００４】
このような変形は、半導体装置の特性を劣化させるばかりでなく、信頼性の低下やウェーハの破損などによる収率低下を生じるので好ましくない。
【０００５】
例えば、半導体レーザ素子の場合、レーザ光を放射する発光層の上部には電極金属層が設けられる（例えば、特許文献１）。そして、基板上に成長されたＩｎＧａＡｌＰ系やＩｎＧａＡｌＮ系材料からなる化合物半導体多層膜（発光層を含む）と電極金属層との間には、応力歪が生じる。
【０００６】
この応力歪低減のための一構造として、活性層とは反対側に位置する基板裏面にもほぼ同様な組成及び厚みを有する電極金属層を設けて、応力を化合物半導体ウェーハ内に分散させる例がある。しかしながら、この構造では応力歪が充分に低減できず、製造工程も複雑化する。
【特許文献１】特開２００２−２０４０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、応力歪が低減された半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、第１及び第２の主面を有する半導体層と、前記半導体層の前記第１の主面に設けられた第１電極と、前記半導体層の前記第２の主面において第１の方向に延在する凹部と、少なくとも前記凹部の内壁を被覆する補強層と、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、応力歪が低減された半導体装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同様の構成要素には、同一番号を付して詳細な説明を省略する。  
図１は、本発明の第１具体例にかかる半導体レーザ素子３０の模式斜視図である。  
基板１０には、例えばＧａＡｓが用いられている。ＧａＡｓからなる基板１０の上に、発光層１２、クラッド層１４などを含むＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる化合物半導体多層膜が、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて成長されている。
【００１１】
また、本具体例においては、クラッド層１４には、リッジ部１５が形成され水平横方向のモード制御がなされるいわゆる「屈折率導波型構造」とされている。リッジ部１５の側面及び非リッジ部１７の上部には絶縁膜１６が設けられ、化合物半導体多層膜を保護すると共にリッジ部１５上部において上部電極１８へ接続されている。絶縁膜１６としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）やシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）を用いることができる。上部電極１８としては、例えば、チタニウム（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）などの積層構造とすることができる。
【００１２】
また、ＧａＡｓからなる基板１０の化合物半導体多層膜が形成されていない基板１０の裏面には、凹部２６が実質的に半導体レーザ素子３０の光軸方向に延在するように設けられている。凹部２６が設けられた基板１０側の表面には、例えば、コンタクト金属層２０、バリア金属層２２、通電層２４からなる下部電極２５が設けられている。下部電極２５の構成に関しては、後に説明する。
【００１３】
放熱性を良好にすることによって発光層１２の温度を低下させるために、リッジ部１５上に設けられた上部電極１８をヒートシンク（図示せず）に、金属半田などにより接着するいわゆる「アップサイドダウン構造」を用いることが好ましい。この場合、金属半田などと安定した接合を維持するためには、上部電極１８はやわらかく展性にすぐれた金（Ａｕ）などをメッキや蒸着などにより１〜３マイクロメータを含むことが好ましい。
【００１４】
上部電極１８と化合物半導体多層膜が設けられた基板１０との間には、半導体レーザ素子３０の組み立て工程における昇降温による熱膨張量の差異により応力が生じる。例えば、金属半田に融点が約２８３℃である金錫（ＡｕＳｎ）を用いる場合、室温から２８３℃以上の接着温度までの昇温工程においては、線膨張係数の高い金属がより膨張し、降温工程においては金属がより収縮する。この結果、化合物半導体多層膜及び基板１０には、引っ張り及び圧縮応力がそれぞれ生じる。
【００１５】
ところで、ＤＶＤ（digital versatile disc）記録などに用いられる半導体レーザ素子の光出力としては、１００ミリワット以上が必要とされる。このために、ストライプ形状であるリッジ部１５の長手方向であるレーザ光の光軸は０．５〜２．０ミリメータの長さとされ、発光層１２における電流密度を増加することなく高出力を得るように構成される。このように、一辺の長さが大である素子においては、長手方向に生じる応力がより大となるので、歪もより大となる。
【００１６】
一般に、化合物半導体材料と電極を構成する金属材料とでは、線膨張率が異なる。例えば、ＧａＡｓにおいては５．９０×１０−６／℃、ＧａＮにおいては３．１７×１０−６／℃であるのに対し、Ａｕにおいては１．４２×１０−５／℃、Ｎｉにおいては１．３４×１０−５／℃である。この線膨張率の差異により、半導体発光素子に変形が生じる。
図１（ｂ）は、本発明の第１具体例に係る半導体レーザ素子を簡略化して表した模式斜視図である。すなわち、このレーザ素子は、リッジ部１５とほぼ対向する位置にＶ字型溝またはＵ字型溝からなる凹部２６が設けられ、その上に金属からなる補強層２１が設けられた構造を有する。  
第１具体例においては、基板１０の裏面に凹部２６が設けられ、その上に補強層２１を設けることにより、応力歪を低減できる。この場合、補強層２１の材料としては、剛性の高い金属、例えば、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）など用いることができる。
【００１７】
基板１０の裏面に凹部２６を構成するＶ字型溝またはＵ字型溝を設け、さらにその上を剛性の高い材料からなる補強層２１で被覆すると、この溝の長手方向に沿った歪みを低減できる。これは、凹部２６を構成する一対の壁面が基板１０の主面（凹部２６が形成されている面）に対して傾斜しあるいは垂直に設けられているので、この壁面に被覆された補強層２２が長手方向に沿った反りに対して、高い変形防止効果を奏するからであると考えられる。つまり、凹部２６の内壁に被覆された補強層２２が、「筋交い」のような補強効果を奏することが考えられる。
【００１８】
このように、本具体例によれば、レーザ素子の長手方向に沿った反りやクラックのような変形を抑制できる。この結果、接着後における半導体レーザ素子３１の反りやクラックを生じることはなく、長手方向にパッケージとの密着性が改善された半導体レーザ素子３０を得ることができる。
【００１９】
ところで、半導体レーザ素子３０においては、上部電極１８に対向して、裏面側にも電極が必要である。本実施形態においては、裏面側に設けられた凹部２６を被覆するように剛性の高い補強層２１を形成するので、上部電極１８と同様の組成、厚みとする必要はない。補強層２１の一部として、たとえば、基板１０の裏面にチタン（Ｔｉ）などの金属層を設け、コンタクト金属層２０とすることができる。この金属層は化合物半導体とのオーミック性接触を形成する。
【００２０】
次に、補強層２１の他の一部として、ヤング率及び剛性の高いニッケル（Ｎｉ）やモリブデン（Ｍｏ）などからなるバリア金属層２２を設けることができる。続いて、ワイヤボンディングなど電気的接続のための通電層２４を設ける。バリア金属層２２の厚みが薄すぎるとバリア効果が小となり、コンタクト金属層２０と通電層２４との間で金属間化合物を形成しやすくなり機械的強度が弱まる。逆に厚すぎると、製造プロセスに要する時間が大となるなど工程が複雑になる。そこでバリア金属層２２の厚みは、０．１乃至１．０マイクロメータの範囲であることが好ましい。コンタクト金属層２０、バリア金属層２２、通電層２４とから構成される下部電極２５の厚みが薄すぎると、ワイヤボンディング性が不充分となる。そこで、下部電極２５の厚みは０．５マイクロメータ以上である事が好ましい。  
このように、本実施形態によれば、コンタクト金属層２０やバリア金属層２２などを補強層２１の一部として利用することができ、レーザ素子の反りやクラックなどを効果的に抑制できる。
【００２１】
これまで、第１具体例において、組み立て工程における線膨張率の差異により生じる応力について主に説明を行った。しかし、半導体装置は、このほかウェーハ工程、組み立て工程、組み立て後においても機械的な応力や衝撃を受ける場合がある。このように機械的な応力や衝撃に対して、ヤング率や剛性率の高い金属を材料とする補強層を用いると、より素子の変形を低減できる。
【００２２】
ここで、ヤング率及び剛性率の高い金属材料を用いた電極について説明する。
【００２３】
フックの法則によれば、弾性限界内において、歪は応力に比例し、ヤング率Ｅ（Ｎ／ｍ２）に反比例する。ヤング率Ｅは縦弾性係数とも呼ばれる。一方、せん断力に対する変形に対しては、横弾性係数と呼ばれる剛性率Ｇ（Ｎ／ｍ２）が用いられる。剛性率Ｇとヤング率Ｅとの間には、次の関係がある。
Ｇ＝Ｅ／［２（１＋γ）］
但し、γはポアソン比を表わし、γ＝（Δｂ／ｂ）／（ΔＬ／Ｌ）
【００２４】
γの式は、長さＬの棒がΔＬ伸びたことにより幅がΔｂだけ縮む比率であることを表わしている。
【００２５】
そこで、ヤング率及び剛性率が高い金属材料を用いると、歪の小さい補強層としての電極が形成できることになる。本具体例においては、このような材料として、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）を用いる事ができる。Ｎｉのヤング率は２．１９×１０１１Ｎ／ｍ２、ポアソン比は０．３１である。また、Ｐｔのヤング率は１．６８×１０１１Ｎ／ｍ２、ポアソン比は０．３８である。一方、Ａｕのヤング率は７．８×１０１０Ｎ／ｍ２、ポアソン比は０．４４であるので、ＮｉおよびＰｔは硬い金属であることが理解できる。なお、ＧａＮのヤング率は２．９×１０１１Ｎ／ｍ２、ポアソン比は０．１８である。また、ＧａＡｓのヤング率は８．５５×１０１０Ｎ／ｍ２、ポアソン比は０．５５である。
このようなヤング率及び剛性率の高いＮｉやＭｏなどの金属を電極に用いて凹部２６を被覆すると、補強層として作用し、機械的応力歪を低減できるので電極の切断、亀裂、伸びなどの変形が抑制できる。この結果、基板１０の反りやクラックなどの変形が抑制できる。また、本実施形態によれば、Ａｕ層などの厚みを小とできるので、プロセス中におけるウェーハ破損を低減でき、素子分離も容易となる。さらに、Ａｕ層を薄くできるので、価格（コスト）の低減が可能となる。
【００２６】
次に、凹部２６の形成プロセスの要部について説明する。  
図２は、その工程断面図である。  
まず、図２（ａ）に例示するように、発光層１２を含む化合物半導体多層膜と反対側の基板１０の主面を所定の厚みまで研磨する。研磨方法としては、機械的、化学的、またはこれらの併用とできる。この後、凹部２６を設ける位置に例えばフォトレジストなどのマスク３２を設ける。なお、図２（ａ）においては、リッジ部１５とほぼ対向する位置にマスク３２の開口が設けられるが、本発明はこれに限定されることはない。
【００２７】
続いて、図２（ｂ）に例示されるようにウェットエッチングなどにより凹部２６を設ける。この凹部２６の深さは、補強層２１による変形防止効果が得られるように、例えは、５マイクロメータ以上とすることが好ましい。また、例えばＧａＡｓ系の材料の場合、ウェットエッチングにより形成できる凹部２６の断面は、Ｖ字溝あるいはＵ字溝などの形状となる。Ｖ字型溝及びＵ字型溝の幅と、溝深さとの関係は、適宜決定することができる。なお、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのドライエッチングを用いることもできる。このあと、図２（ｃ）に例示するように、マスク３２を除去する。
【００２８】
続いて、図２（ｄ）に例示されるようにコンタクト金属層２０として蒸着またはスパッタリングなどにより、Ｔｉを数ナノメータ以上形成する。続いてバリア金属層２２としてＰｔなどを同じく蒸着、スパッタなどで形成する。これらコンタクト金属層２０とバリア金属層２２は、補強層２１として作用する。なお、バリア金属層２２として、例えば、ＮｉやＭｏなどの剛性が高い金属を用いても、補強層としての効果が得られる。  
さらに、通電層２４としてＡｕなどを蒸着、スパッタ、メッキなどにより形成する。
【００２９】
次に、凹部２６が基板１０の主面に複数個配置された構造について説明する。  
図３は、並列したＶ字溝により凹部２６を構成した第２具体例の模式斜視図である。    このように凹部２６領域を並列させると、補強層２１による「筋交い」の効果がさらに高くなるため、反りなどの変形をより低減できる。さらに、ワイヤボンディング時にボール接合強度が改善できる。すなわち、ワイヤのボール部の「食いつき」がよくなり、接合強度を上げることができる。
【００３０】
図４は、本発明の第３具体例を表わす模式斜視図である。  
本具体例においては、半導体レーザ素子３０の光軸に対して平行な一対の側面の素子分離面の位置近傍に、凹部２６が設けられる。すなわち、素子分離の際に用いられるＶ字型溝を構成する側面により、凹部２６が構成されている。凹部２６を素子分離に用いることができるので素子分離工程が簡素化できる。
【００３１】
以上、第１乃至第３具体例においてはＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｌＰ系多層膜が成長された半導体レーザ素子について説明を行った。しかし、半導体レーザ素子としてはこれに限定されることはなく、ＩｎＧａＡｌＮ系多層膜を備えたものであっても良い。以下にＩｎＧａＡｌＮ系多層膜がＧａＮ基板の上に成長された半導体レーザ素子の例につき説明する。この場合、ＧａＮ系材料においてドライエッチングを主に用いる方が凹部形成がより容易であり、その断面はトレンチ形状に近くなる。
【００３２】
図５は、第４実施例にかかる窒化物系半導体からなるレーザ素子を表わす模式斜視図である。  
本具体例においては、基板１０には、例えばＧａＮ材料が用いられている。ＧａＮからなる基板１０の上に、発光層１２、クラッド層１４などを含むＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる化合物半導体多層膜が、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて成長されている。
【００３３】
本具体例の凹部２６の構造について、その形成プロセスを参照しつつ説明する。  
図６はその工程断面図である。  
まず、図６（ａ）に例示するように、発光層１２を含む化合物半導体多層膜と反対側の基板１０の主面を所定の厚みまで研磨する。研磨方法としては、機械的、化学的、またはこれらの併用とできる。この後、凹部２６を設ける位置に例えばフォトレジストなどのマスク３２を設ける。図６（ａ）においては、マスク３２の開口がリッジ部１５とほぼ対向する位置に設けられるが、本発明はこれに限定されることはない。
【００３４】
続いて、図６（ｂ）に例示されるようにＲＩＥなどのドライエッチングにより凹部２６を設ける。この凹部２６の深さは、歪み抑制効果を得るためには、１．０マイクロメータ以上とすることが好ましい。また、ＧａＮ系の場合、ＲＩＥにより形成できる凹部２６の断面は、トレンチのような形状となる。凹部２６の幅と深さとの関係は、適宜決定することができる。ＩｎｙＧａｚＡｌ１−ｙ−ｚＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｙ＋ｚ≦１）系材料に対しては、ウェットエッチングでは凹部２６形成が充分には行えない。従って、ドライエッチングプロセスを用いて、図６（ｃ）に例示されるトレンチ形状の凹部２６を設ける。
【００３５】
図６においては、トレンチ形状の凹部２６が１条形成される場合が例示されている。もちろん凹部２６は複数条であってもよい。例えば、図５は基板裏面全面にトレンチ形状の凹部２６が設けられた具体例を表す。このあと、図６（ｃ）に例示するように、マスク３２を除去する。
【００３６】
続いて、図６（ｄ）に例示されるようにコンタクト金属層２０（補強層２１）として蒸着またはスパッタリングなどにより、例えばＴｉやパラジウム（Ｐｄ）を形成する。続いてバリア金属層２２（補強層２１）としてＰｔなどを同じく蒸着、スパッタなどで形成する。この場合、ＮｉまたはＭｏなどの剛性が高い金属を用いても、補強層としての効果が得られる。さらに、通電層２４としてＡｕなどを蒸着、スパッタ、メッキなどにより形成する。補強層２１を設けることによりＡｕ層の厚みをより小とできるので、コストが低減できる。なお、上部電極１８としては、例えばＰｄ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造とすることができる。
【００３７】
第１乃至第４具体例においては、凹部２６は、基板１０の裏面において一端から他端にわたって貫通するように設けられている。しかし本発明は、これには限定されない。  
図７は、本発明の第５具体例にかかる窒化物系半導体からなるレーザ素子３０の模式断面図である。  
本具体例においては、凹部２６は、基板１０の裏面の一方向を貫通せず、一部分のみに設けられている。そして、その内壁面を補強層２１を含む下部電極２５が被覆している。このように、基板１０の裏面の一部のみに凹部２６を形成しても、補強効果が得られ、反りなどの変形を抑制することが可能である。
【００３８】
また、図７に例示したような凹部２６を基板１０の裏面側に複数条、設けてもよい。凹部２６を増やすことにより、補強効果もより高くすることができる。
【００３９】
以上説明した具体例においては、凹部２６が実質的に半導体レーザ素子３０の光軸方向に延在している。しかし本発明は、これに限定されない。すなわち、凹部２６の上部の２辺は光軸に対して平行である必要はなく、光軸に対して傾斜していても半導体レーザ素子３０の長手方向の歪みに対する補強効果は得られる。その結果、反りやクラックなどの変形を低減できるので特性や信頼性の低下を抑制できる。
【００４０】
以上、第１乃至第５具体例において説明したように、基板裏面に凹部を設け、その内壁を被覆するように電極を設けることにより、化合物半導体装置における応力を低減できる。この結果、化合物半導体装置の反りやクラックなどの変形を低減できるので、特性や信頼性の低下を抑制できる。
【００４１】
なお、本明細書においては、「窒化物系半導体」とは、ＢｘＩｎｙＧａｚＡｌ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる組成式で表わされる半導体を意味するものとする。
【００４２】
以上、半導体レーザ素子に関して説明した。しかし、本発明は、これら具体例に限定されるものではない。  
例えば、化合物半導体を材料としたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）やＨＢＴ（Hetero Bipolar Transistor）のような高速半導体装置や、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を含む半導体発光素子に広く適用できる。また、凹部２６の形状がＶ字型溝やＵ字型溝やトレンチに限定されることはなく、凹部２６の延在する方向も光軸と平行であることに限定されない。
【００４３】
またさらに、凹部は、必ずしも基板の裏面側に設ける必要はなく、例えば、基板の上に半導体積層膜を形成した構造において、その半導体積層膜の表面に凹部を設けてもよい。またさらに、本発明は、必ずしも基板を備えない半導体装置にも適用可能である。例えば、基板上に半導体積層構造を形成し、その後に基板を除去して形成される半導体装置においても、そのような半導体積層構造の表面側あるいは裏面側に凹部を形成し、補強層で被覆することにより、本発明の効果を同様に得ることが可能である。
【００４４】
さらに、化合物半導体装置を構成する凹部、化合物半導体多層膜、基板、上部電極、下部電極などの構成要素に関し、当業者がサイズ、材質、形状などについて各種の設計変更を行ったものであっても、本発明の要旨を満たすものであれば本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１具体例にかかる半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図２】第１具体例の製造方法の要部を表わす工程断面図である。
【図３】第２具体例にかかる半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図４】第３具体例にかかる半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図５】第４具体例にかかる半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図６】第４具体例の製造方法の要部を表わす工程断面図である。
【図７】第５具体例にかかる半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０：基板  １２：発光層  １８：上部電極  ２０：コンタクト金属層  ２１：補強層  ２２：バリア金属層  ２４：通電層  ２５：下部電極  ２６：凹部  ３０：半導体レーザ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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