(57)【要約】【課題】工程途中での基板の破損を抑制または防止しつつ、基板を薄型化して分割することができる窒化物半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】サファイアウエハ２０上に、複数の個別素子２１に対応したIII族窒化物半導体層３が成長させられる。次に、サファイアウエハ２０の内部に、たとえば波長３５５ｎｍのレーザ光によって、切断予定ライン２５に沿う加工領域３５が形成される。その後、サファイアウエハ２０が薄型化され、その過程で、サファイアウエハ２０自身の持つ応力によって、加工領域３５を起点として、サファイアウエハ２０が自発的に分割され、複数の個別素子２１に対応した複数の個別チップ１が得られる。【選択図】図２
2009032970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にIII族窒化物半導体層を成長させる工程と、
前記基板の内部にレーザ光によって加工領域を形成する工程と、
前記基板を薄型化することにより、前記基板の持つ応力によって、前記加工領域を起点として前記基板を自発的に分割させる工程とを含む、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板が、サファイア基板またはＳｉＣ基板である、請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基板上にIII族窒化物半導体層を形成した構造の窒化物半導体素子を製造するための方法に関する。III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体であり、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた素子には、青色系の発光ダイオードやレーザダイオードのような発光素子、パワートランジスタや高電子移動度トランジスタのようなトランジスタ等がある。このような窒化物半導体素子は、たとえば、サファイア基板上にＧａＮ等のIII族窒化物半導体を成長させて作製される。より具体的には、サファイアウエハ上にＧａＮ半導体が成長させられる。その後、サファイアウエハが研磨されてたとえば厚さ８０μｍ程度まで薄型化された後に、個々のチップに分割される。
【０００３】
サファイアウエハの分割は、たとえば、レーザ光をサファイアウエハの内部に集光させ、集光点で生じる多光子吸収によりサファイアウエハ内に加工領域（改質領域）を形成する工程と、その後、サファイアウエハに外力を加え、前記加工領域を起点としてサファイア基板を割る工程とを含む（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−３３８４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＧａＮ半導体が成膜されたサファイア基板を研磨して薄型化すると、サファイア基板の持つ大きな応力のために、基板に反りが生じる。そのため、基板のハンドリングが困難になり、工程途中で基板が破損するおそれがある。
そこで、この発明の目的は、工程途中での基板の破損を抑制または防止しつつ、基板を薄型化して分割することができる窒化物半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、基板上にIII族窒化物半導体層を成長させる工程と、前記基板の内部にレーザ光によって加工領域を形成する工程と、前記基板を薄型化することにより、前記基板の持つ応力によって、前記加工領域を起点として前記基板を自発的に分割させる工程とを含む、窒化物半導体素子の製造方法である。
この方法によれば、基板の内部に予めレーザ光による加工領域（改質領域）を形成しておき、その後に、基板を薄型化する過程で、基板自身の応力を利用して基板の分割が行われる。これにより、薄型化された状態の基板（分割前の状態の基板）をハンドリングする必要がないので、薄い基板のハンドリングに起因する破損を抑制または防止できる。このようにして、工程が安定し、歩留まりを向上することができる。
【０００６】
前記基板は、請求項２に記載されているように、サファイア基板またはＳｉＣ基板であるであってもよい。サファイア基板やＳｉＣ基板では、表面にIII族窒化物半導体層を形成したときに大きな応力が発生する。そのため、これらの基板を薄型化することによって、加工領域を起点とする自発的な分割を良好に生じさせることができる。
サファイア基板が用いられる場合には、レーザ光の波長はサファイア基板内で多光子吸収を生じさせることができる波長（たとえば、３５５ｎｍ）とすることが好ましい。また、ＳｉＣ基板が用いられる場合には、レーザ光の波長はＳｉＣ基板内で多光子吸収を生じさせることができる波長（たとえば、５３２ｎｍ）とすることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の製造工程において用いられるサファイアウエハの図解的な斜視図である。また、図２は、前記製造工程を説明するための図解的な断面図である。
サファイアウエハ２０上に、個々の窒化物半導体素子チップ１に対応する個別素子２１が複数個一括して形成される。すなわち、図２(a)に示すように、サファイアウエハ２０の表面にIII族窒化物半導体層３がエピタキシャル成長させられる。その後、必要に応じて、III族窒化物半導体層３に接触する電極等（図示せず）が形成される。こうして複数個の個別素子２１がサファイアウエハ２０上に形成される。
【０００８】
たとえば、発光ダイオード素子を作製する場合には、III族窒化物半導体層３は、サファイアウエハ２０に接するｎ型ＧａＮバッファ層（たとえば４μｍ）と、このｎ型ＧａＮバッファ層に積層されるｎ型ＧａＮコンタクト層（たとえば１μｍ〜１０μｍ）と、このｎ型ＧａＮコンタクト層に積層される活性層（発光層）と、この活性層に積層されるｐ型ＧａＮコンタクト層（たとえば０．２μｍ〜１μｍ）とを順にエピタキシャル成長させて形成される。活性層は、たとえば、ＩｎＧａＮ層（たとえば１ｎｍ〜３ｎｍ）からなる量子井戸層とノンドープＧａＮ層（たとえば１０ｎｍ〜２０ｎｍ）からなるバリア層とを交互に繰り返し（たとえば３〜８周期）形成した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：multiple-quantum well。たとえば全体で０．０５μｍ〜０．３μｍの厚さ）を有するものであってもよい。
【０００９】
次に、個別素子２１間の境界線である切断予定ライン２５に沿ってサファイアウエハ２０を分割するためのウエハ分割工程が行われる。ウエハ分割工程は、切断予定ライン２５に沿って、レーザ光で加工するレーザ加工工程（図２(b)）と、サファイアウエハ２０を薄型化し、同時にサファイアウエハ２０のもつ応力によってサファイアウエハ２０を自発的に分割させる薄型化・分割工程（図２(c)）とを含む。
【００１０】
レーザ加工工程では、図２(b)に示すように、III族窒化物半導体層３が形成されたサファイアウエハ２０に向けて、レーザ加工機によってレーザ光が照射される。詳細な図示は省略するが、レーザ加工機は、レーザ光発生ユニットと、このレーザ光発生ユニットからのレーザ光をサファイアウエハ２０内で集光させる集光レンズ３０と、ウエハ２０を担持するＸＹステージ機構３１とを備えている。
【００１１】
レーザ光発生ユニットは、たとえば、ＹＡＧレーザやエキシマレーザなどのレーザ光源と、このレーザ光源が発するレーザ光を平行光に変換する光学系とを備えている。集光レンズ３０は、レーザ光発生ユニットからの平行レーザ光を集光する。集光レンズ３０とサファイアウエハ２０との関係は、集光レンズ３０の焦点位置がサファイアウエハ２０の内部、より具体的には、薄型化・分割工程において薄型化された後に残される部分に位置するように調整される。この調整は、集光レンズ３０の焦点距離の調整によって行ってもよいし、集光レンズ３０とサファイアウエハ２０との距離の調整によって行ってもよい。集光レンズ３０とサファイアウエハ２０との距離の調整は、集光レンズ３０をＸＹステージ機構３１のステージ３２に対して接近／離反させて行ってもよいし、ＸＹステージ機構３１のステージ３２を集光レンズ３０に対して接近／離反させて行ってもよい。
【００１２】
ＸＹステージ機構３１は、集光レンズ３０に対向する位置でウエハ２０を担持するステージ３２と、このステージ３２をＸ方向およびこれに直交するＹ方向に沿って２次元移動させるステージ移動機構とを備えている。Ｘ方向およびＹ方向は、たとえば、いずれも水平面に沿う方向である。ＸＹステージ機構３１は、必要に応じて、集光レンズ３０に接近／離反する方向であるＺ方向（たとえば上下方向）に沿ってステージ３２を移動させる機構をさらに備えていてもよい。ウエハ２０は、III族窒化物半導体層３側をステージ３２に対向させた姿勢で、支持シート３３を介してステージ３２の載置面に固定される。支持シート３３は、たとえば、両面に感圧接着層を有するものである。
【００１３】
レーザ光発生ユニットは、たとえば、サファイアに多光子吸収を生じさせることができる波長（たとえば、３５５ｎｍ）のレーザ光を発生する。また、レーザ光発生ユニットは、III族窒化物半導体層３またはサファイアウエハ２０において、集光レンズ３０の焦点位置近傍以外ではレーザ光の吸収が生じず、焦点位置において多光子吸収が生じる強度でレーザ光を発生させる。より具体的には、集光レンズ３０の焦点位置におけるレーザ光のエネルギー密度が、５．０×１０9Ｗ／cm2〜２．０×１０10Ｗ／cm2の範囲となるようにレーザ光発生ユニットの出力を調整すればよい。これにより、焦点位置において多光子吸収を確実に生じさせることができる。また、III族窒化物半導体層３内やサファイアウエハ２０の表面でのエネルギー密度が、１．０×１０7Ｗ／cm2以下となるようにレーザ光発生ユニットの出力が調整されることが好ましい。これにより、焦点位置以外でのレーザ光の吸収を回避でき、サファイアウエハ２０の表面が加工されてしまったり、III族窒化物半導体層３内に加工領域が形成されたりすることを回避できる。
【００１４】
レーザ加工機からレーザ光をウエハ２０に照射する一方で、レーザ光の照射位置が切断予定ライン２５に沿って移動するように、ウエハ２０がレーザ光照射位置に対して相対移動させられる。すなわち、ＸＹステージ機構３１によって、ウエハ２０が切断予定ライン２５に沿う方向に移動させられる。これにより、レーザ光は切断予定ライン２５に沿って、ウエハ２０を走査することになる。その結果、サファイアウエハ２０の内部においてIII族窒化物半導体層３に近い領域では、集光レンズ３０の焦点位置が切断予定ライン２５に沿って移動し、この焦点位置の軌跡に対応する加工領域（改質領域）３５が形成されることになる。加工領域３５は、たとえば、サファイアウエハ２０の厚さ方向の長さが２μｍ〜３μｍである。
【００１５】
走査の過程において、レーザ光は常時ウエハ２０に照射されていてもよいし、レーザ光発生ユニットをオン／オフすることによって、間欠的にレーザ光が照射されるようにしてもよい。走査時にレーザ光を常時照射していれば、加工領域３５は連続形状となり、走査時に間欠的にレーザ光を照射すれば走査方向に所定の間隔を隔ててミシン目状に分割された複数の加工領域３５が切断予定ライン２５に沿って形成されることになる。
【００１６】
次に、図１(c)に示す薄型化・分割工程が行われる。薄型化前のサファイアウエハ２０の厚さは、たとえば、３５０μｍであり、その主面にたとえば厚さ３μｍ〜５μｍ程度のIII族窒化物半導体層３がエピタキシャル成長させられる。その後、サファイアウエハ２０は、たとえば、８０μｍ程度の厚さまで薄型化される。サファイアウエハ２０の薄型化は、研削処理または研磨処理（化学的機械的研磨など）によって行うことができる。
【００１７】
図１(c)には、グラインダーによってサファイアウエハ２０を薄型化する装置が示されている。サファイアウエハ２０は、保持台４０の載置面４１上に固定される。より具体的には、たとえば、載置面４１上にワックスを塗布し、III族窒化物半導体層３を載置面４１に対向するようにサファイアウエハ２０を下向きにして、当該ウエハ２０を載置面４１に押し付ける。これにより、ウエハ２０を保持台４０に固定できる。ワックスを用いる代わりに、両面に感圧接着層を有するキャリヤテープを用いて、ウエハ２０を載置面４１に固定してもよい。
【００１８】
次に、グラインダーの円盤状砥石４２が回転させられ、サファイアウエハ２０の裏面（III族窒化物半導体層３とは反対側の主面）に押し付けられる。これにより、サファイアウエハ２０は、その裏面側から研削されて薄型化されていく。図１(c)において、薄型化前のサファイアウエハ２０の厚みを二点鎖線で示す。
この薄型化の過程で、サファイアウエハ２０自身の持つ応力により、レーザ加工領域３５から亀裂が生じ、サファイアウエハ２０が自発的に分割される。これにより、サファイアウエハ２０が個別素子２１毎の領域のサファイア基板２に分割され、III族窒化物半導体層３もそれに対応して分割される。こうして、複数の窒化物半導体素子チップ１が得られる。このようにして、サファイアウエハ２０の薄型化および分割を同一工程で行うことができる。
【００１９】
サファイアウエハ２０の持つ応力は、III族窒化物半導体層３側に凸の湾曲形状にサファイアウエハ２０を変形させようとする。そのため、III族窒化物半導体層３の近くに形成されている加工領域３５から容易に亀裂が生じる。したがって、サファイアウエハ２０の自発的な分割は、薄型化の過程で確実に生じさせることができる。
サファイアウエハ２０が分割された後は、個々のチップ１が保持台４０から取り外される。ワックスでサファイアウエハ２０を固定した場合には、たとえば、ワックスを１００℃程度まで加熱して溶融させれば、チップ１を容易に保持台４０から取り外すことができる。また、キャリヤテープを用いている場合には、キャリヤテープを保持台４０から取り外し、別の伸展装置でキャリヤテープを伸展させ、このキャリヤテープから個々のチップ１を取り外せばよい。
【００２０】
研削による研磨屑を洗浄除去する場合には、チップ１をたとえばアルカリ洗浄液に浸漬して、表面の研磨屑を除去すればよい。キャリヤテープを用いてサファイアウエハ２０を保持台４０に固定する場合には、複数のチップ１をキャリヤテープごとアルカリ洗浄液に浸漬し、研磨屑を除去した後に、キャリヤテープからチップ１を取り外すようにするとよい。
【００２１】
以上のように、この実施形態によれば、サファイアウエハ２０に予めレーザ加工領域３５を形成した後に、サファイアウエハ２０の薄型化が行われる。これにより、サファイアウエハ２０が薄型化される過程で、その内部の応力により、サファイアウエハ２０が自発的に割れて、個々のチップ１に分割される。したがって、薄いウエハをロボット等でハンドリングする必要がないので、ハンドリング中にウエハが割れてしまったりするようなことがない。したがって、工程が安定し、歩留まりを向上することができる。
【００２２】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、前述の実施形態では、サファイアウエハ２０の裏面側からレーザ光を照射しているが、III族窒化物半導体層３側の表面からレーザ光を照射し、III族窒化物半導体層３を透過させて、サファイアウエハ２０の内部にレーザ光を集光させるようにしてもよい。
【００２３】
また、前述の実施形態では、サファイア基板２上にIII族窒化物半導体層３が形成された構成のチップ１について説明したが、基板としては、ＳｉＣ基板その他の基板を用いることができる。
また、前述の実施形態では、発光ダイオードを構成する窒化物半導体チップの製造にこの発明が適用された例について説明したが、半導体レーザチップその他の発光素子に対しても、この発明を同様に適用することができる。さらには、発光素子に限らず、パワートランジスタや高電子移動度トランジスタ等のトランジスタの製造にも、この発明を同様に適用することができる。
【００２４】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の製造工程において用いられるサファイアウエハの図解的な斜視図である。
【図２】前記製造工程を説明するための図解的な断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    窒化物半導体素子チップ
２    サファイア基板
３    III族窒化物半導体層
２０    サファイアウエハ
２１    個別素子
２５    切断予定ライン
３０    集光レンズ
３１    ＸＹステージ機構
３２    ステージ
３３    支持シート
３５    加工領域
４０    保持台
４１    載置面
４２    円盤状砥石
【図１】
2009032970.tif 000003
【図２】
2009032970.tif 000004