(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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
【数１】
0004070893.tif 000004
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。
【請求項３】
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
【数２】
0004070893.tif 000005
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【発明の詳細な説明】
【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】
0004070893.tif 000002
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】
0004070893.tif 000003
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ＡｌxＧａ1-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ＩｎyＧａl-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−ＡｌxＧａl-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−ＡｌxＧａl-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ＩｎyＧａl-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−ＡｌxＧａl-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、６  ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、７  ＩｎＧａＮ活性層、８  ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、９  ｐ−ＧａＮ層、１０  ｐ側電極、１１  ｎ側電極。
【図１】
0004070893.tif 000006
【図２】
0004070893.tif 000007
【図３】
0004070893.tif 000008
【図４】
0004070893.tif 000009
【図５】
0004070893.tif 000010