JP2008186959A - Ｉｉｉ−ｖ族半導体素子、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーリフトオフ工程を有する半導体素子の製造方法において、半導体素子の側端面での短絡を防止すること
【解決手段】サファイア基板１０に達する溝によって分離されたIII 族窒化物半導体からなる半導体層１１をサファイア基板１０上に形成し、半導体層１１の側端面および上面、サファイア基板１０上面に、短絡を防止するための保護膜１４を形成する。次に、溝に樹脂層を形成し（図１Ｆ）、低融点金属層１６を介して支持基板１８と接合する。その後、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。樹脂層は保護膜１４の支持体として機能し、保護膜１４に割れや欠けが生じるのを防止する。その結果、保護膜１４の割れや欠けによる電流のリークやショートが発生しない。
【選択図】図１Ｆ

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素子領域を各素子ごとに分離させ、各素子に電極を形成し、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。

また、特許文献４には、レーザーリフトオフ後に、樹脂を注入することで、ダイシング時に半導体層にクラックが生じるのを防止できることが示されている。
特開２００５−３３３１３０ 特表２００５−５２２８７３ 特開２００６−１３５３２１ 特開２００６−３１０６５７

半導体層を基板に達する溝を形成することによって、各素子ごとに分離する場合、溝により露出した半導体層の側端面に、ダイシング工程時に発生する金属粉等が付着し、電流のリークやショートが発生する場合がある。その防止のために、溝の底面、側端面に絶縁膜を形成すると、レーザーリフトオフ後において絶縁膜に支持がないため、割れや欠けが生じることがあった。

そこで本発明の目的は、基板上に形成された半導体層を、基板表面に達する溝を形成することで各半導体素子ごとに分離させ、低融点金属層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、半導体素子の側端面における電流のリークやショート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電極および低融点金属拡散防止層を上面に有し、基板に達する溝によって互いに分離された複数の半導体素子を形成する工程と、半導体素子の少なくとも側端面を覆うように、誘電体からなる保護膜を形成する工程と、溝の底面である基板上に樹脂層を形成する工程と、半導体素子と伝導性の支持基板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である。

保護膜の膜厚は、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。また、側端面だけでなく、溝の底面に露出した基板の全面にも形成されていてもよい。この保護膜は、半導体素子の側端面における電流のリークやショートを防止するためのものである。

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。

樹脂層は、レーザーリフトオフ後において保護膜を支持するためのものである。この支持により、レーザーリフトオフ後において保護膜が割れたり欠けたりするのが防止される。「基板上に樹脂層を形成する」とは、基板上に保護膜が形成されている場合には、基板上にその保護膜を間に挟んで樹脂層が形成されていることを意味し、基板上に保護膜が形成されていない場合には直接基板上に樹脂層が形成されていることを意味する。樹脂層は、少なくとも溝の底面の全範囲に形成されていることが望ましく、樹脂層の膜厚は、半導体素子の膜厚よりも厚いことが望ましい。樹脂層の支持体としての機能を十分とするためである。

第２の発明は、第１の発明において、樹脂層は、ガラス転移点が２００℃以上である樹脂からなることを特徴とする半導体素子の製造方法である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、樹脂層は、引張伸度が１０％以上、体積抵抗率が１ＧΩ・ｃｍ以上である樹脂からな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、樹脂層は、ポリイミド樹脂からな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、樹脂層は、半導体素子の膜厚よりも厚く形成されることを特徴とする半導体素子の製造方法。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、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。

第７の発明は、第１の発明から第６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８の発明は、第１の発明から第７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９の発明は、第１の発明から第８の発明において前記半導体素子は、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１０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、半導体素子の側端面には、誘電体からなる保護膜が形成され、保護膜を介して半導体素子の側端面には、ポリイミド樹脂からなる樹脂層が形成され、ポリイミド樹脂は、ガラス転移点が２００℃以上、体積抵抗率が１ＧΩ以上、引張伸度が１０％以上、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１０の発明において、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１２の発明は、第１０の発明または第１１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１３の発明は、第１０の発明から第１２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。

第１４発明は、第１０の発明から第１３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。

第１の発明によると、半導体素子を分離する溝の底面に露出した基板上に、樹脂層を形成することで、その樹脂層が保護膜の支持体として機能し、レーザーリフトオフ後において保護膜に欠けや割れが乗じるのを防止することができる。そのため、保護膜の欠けや割れによって半導体素子の側端面が露出することがなく、電流のリークやショートを防止することができる。その結果、半導体素子製造の歩留りを向上することができる。

また、第２の発明のように、樹脂層をガラス転移点が２００℃以上である樹脂によって形成すると、変質、変色等の経時劣化が生じず、耐熱性により半導体素子の耐久性も向上する。

また、第３の発明のように、樹脂層を引張伸度が１０％以上である樹脂によって形成すると、支持基板との接合時に容易につぶれて拡がるため、接合性に問題が生じることはなく、体積抵抗率が１ＧΩ・ｃｍ以上である樹脂によって形成すると、十分な絶縁性を確保できる。

また、第１０の発明から第１４の発明の半導体素子は、半導体素子の側端面に保護膜を介して樹脂層が形成されていることから、保護膜の割れや欠けが防止され、電流のリークやショートが防止された半導体素子である。

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、発光素子の製造工程を示す図である。この図１を参照に発光素子の製造工程について説明する。

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 族窒化物半導体からなる半導体層１１を作製する（図１Ａ）。この半導体層１１は、サファイア基板１０側をｎ層、その上部にＭＱＷ層、その上部に、ｐ層の構成である。

次に、半導体層１１の所定の領域をサファイア基板１０の表面１０ａが露出するまでドライエッチングして溝５０を形成し、半導体層１１を各素子ごとに分離する（図１Ｂ）。半導体層１１の側端面１１ａは、サファイア基板１０に対して垂直である必要はなく、傾斜を有していてもよい。

次に、ｐ電極１２をリフトオフ法によって半導体層１１上面の所定の領域に形成し、ｐ電極１２を覆うように低融点金属拡散防止層１３を形成する（図１Ｃ）。ｐ電極１２には、Ａｇ−Ｐｄ−Ｃｕを用いた。他には、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１３には、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ａｌからなる多層膜を用いた。膜厚は、Ｔｉが１００ｎｍ、Ｎｉが５００ｎｍ、Ａｕが１００ｎｍ、Ａｌが３ｎｍである。他には、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。

以上の図１Ａ〜Ｃの工程に替えて、先に半導体層１１上面の所定の位置にｐ電極１２、低融点金属拡散防止層１３を形成したあとに、半導体層１１をサファイア基板１０が露出するまでドライエッチングして半導体層１１を各素子ごとに分離する工程としてもよい。

次に、ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂ からなる保護膜１４を、図１Ｂの工程により露出したサファイア基板１０の表面１０ａ、半導体層１１の側端面１１ａ、ｐ電極１２の形成されていない半導体層１１の上端面１１ｂ、低融点金属拡散防止層１３の一部、に連続して形成する（図１Ｄ）。この保護膜１４は、半導体層１１の側端面１１ａでの電流のリークやショートを防止するためのものである。保護膜１４の膜厚は、１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度が望ましい。１００ｎｍ以下では、半導体層１１と保護膜１４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。なお、保護膜１４は、少なくとも半導体層１１の側端面１１ａに形成されていればよく、必ずしもこの実施例１のように保護膜１４を形成する必要はない。

次に、低融点金属拡散防止層１３と、保護膜１４の上部に、低融点金属拡散防止層１５を形成し、その低融点金属拡散防止層１５上部に低融点金属層１６を形成する（図１Ｅ）。低融点金属拡散防止層１５は、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜で、膜厚はＴｉが１００ｎｍ、Ｎｉが５００ｎｍ、Ａｕが５０ｎｍである。また低融点金属層１６は、Ｓｎ２０％のＡｕ−Ｓｎからなり、膜厚は３μｍである。低融点金属層１６として他には、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。低融点金属拡散防止層１５、低融点金属層１６は、フォトリソグラフィによって所定のパターンに形成される。

次に、ガラス転移点が２００℃以上、体積抵抗率が１ＧΩ以上、引張伸度が１０％以上のポリイミド樹脂からなる樹脂層１７を、保護膜１４上に形成する（図１Ｆ）。この樹脂層は、保護膜１４の支持体として機能し、のちの工程であるレーザーリフトオフ後の保護膜１４の割れや欠けを防止する。ガラス転移点を２００℃以上とすると、変質や変色等の経時劣化を生じず、耐熱性を有することで、発光素子の耐久性を向上することができる。また、体積抵抗率を１ＧΩ以上とすると、十分な絶縁性を有するので望ましい。

樹脂層１７の膜厚は、半導体層１１の膜厚（以下、最小膜厚Ｈ１とする）から、半導体層１１、ｐ電極１２、低融点金属拡散防止層１３、１５、低融点金属層１６を合わせた膜厚よりも５μｍ大きい値（以下、最大膜厚Ｈ２とする）までの範囲とすることが望ましい。樹脂層１７の膜厚が最小膜厚Ｈ１以下では、支持体としての機能が弱く望ましくない。樹脂層１７の膜厚が最大膜厚Ｈ２以上では、次工程での支持基板との接合がうまくいかない場合があり望ましくない。また、樹脂層１７は、少なくとも各半導体層１１を分離している幅Ｌ１の範囲に形成されていることが望ましい。Ｌ１より狭い幅であると、支持体としての機能が弱く望ましくない。また、樹脂層１７は、最大でも各半導体層１１上の各低融点金属拡散防止層１３を離間する幅Ｌ２よりも狭い幅であることが望ましい。Ｌ２よりも広い幅で形成されていると、次工程での支持基板との接合によって樹脂層１７がつぶれ、横に拡がった場合に余裕がないことがあり、望ましくない。

次に、Ｓｉからなる支持基板１８の上面にコンタクト層１９、低融点金属拡散防止層２０、低融点金属層２１を形成し、低融点金属層１６が形成された面と低融点金属層２１が形成された面を、３００℃、３０ｋｇ重／ｃｍ² で熱プレスして接合する（図１Ｇ）。このとき、樹脂層１７は多少つぶれて横方向に拡がる。それゆえ、樹脂層１７を形成する樹脂は、引張伸度が１０％以上であることが望ましい。コンタクト層は、膜厚３００ｎｍのＡｌからなり、低融点金属拡散防止層２０は低融点金属拡散防止層１５と同一、低融点金属層２１は低融点金属層１６と同一の構成である。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１３、１５、２０は、低融点金属層１６、２１の金属が、低融点金属拡散防止層１３、１５、２０を超えて拡散するのを防止するための層である。

次に、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１Ｈ）。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、サファイア基板１０側からウェハに光照射する。このレーザー照射によって、サファイア基板１０と半導体層１１の接合面において半導体層１１を溶融させることで、サファイア基板１０を分離除去できる。この除去後、表面１１ｃを塩酸で洗浄し、さらに５０℃のＫＯＨ水溶液によりウェットエッチングすることで、表面を平坦化する。

このレーザーリフトオフ後において、樹脂層１７は保護膜１４の支持体として機能し、保護膜１４自身に割れや欠けが生じるのが防止される。したがって、本発明によると、保護膜１４の割れや欠けによって半導体層１１の側端面１１ａが露出し、電流のリークやショートが発生することを防止できる。

次に、Ｖ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕからなる格子状のｎ電極２２を、サファイア基板１０と接合していた側の表面１１ｃ上に形成する（図１Ｉ）。膜厚は、Ｖが１５ｎｍ、Ａｌが１５０ｎｍ、Ｔｉが３０ｎｍ、Ｎｉが５００ｎｍ、Ａｕが５００ｎｍである。その後、ダイシング工程を経て、支持基板１８上に形成されたｎ電極２２側の表面１１ｃを光取り出し面とする個々の発光素子が製造される。

実施例では、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、ｎ電極のパターンは、格子状に限らず、ストライプ状など、上面からの光取り出しを阻害しないパターンであればよい。

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。

実施例１の発光素子の製造工程を示す図。 実施例１の発光素子の製造工程を示す図。 実施例１の発光素子の製造工程を示す図。 実施例１の発光素子の製造工程を示す図。 実施例１の発光素子の製造工程を示す図。 実施例１の発光素子の製造工程を示す図。 実施例１の発光素子の製造工程を示す図。 実施例１の発光素子の製造工程を示す図。 実施例１の発光素子の製造工程を示す図。

符号の説明

１０：サファイア基板
１１：半導体層
１２：ｐ電極
１３、１５、２０：低融点金属拡散防止層
１４：保護膜
１６、２１：低融点金属層
１７：樹脂層
１８：支持基板
１９：コンタクト層
２２：ｎ電極

Claims (14)

1. 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電極および低融点金属拡散防止層を上面に有し、前記基板に達する溝によって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、
   前記半導体素子の少なくとも側端面を覆うように、誘電体からなる保護膜を形成する工程と、
   前記溝の底面である基板上に樹脂層を形成する工程と、
   前記半導体素子と伝導性の支持基板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。
2. 前記樹脂層は、ガラス転移点が２００℃以上である樹脂からな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。
3. 前記樹脂層は、引張伸度が１０％以上、体積抵抗率が１ＧΩ・ｃｍ以上である樹脂からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
4. 前記樹脂層は、ポリイミド樹脂からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の半導体素子の製造方法。
5. 前記樹脂層は、前記半導体素子の膜厚よりも厚く形成され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。
6. 前記保護膜は、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。
7. 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６のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
8. 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７のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
9. 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８のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
10. 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、
    前記半導体素子の側端面には、誘電体からなる保護膜が形成され、
    前記保護膜を介して前記半導体素子の側端面には、ポリイミド樹脂からなる樹脂層が形成され、
    前記ポリイミド樹脂は、ガラス転移点が２００℃以上、体積抵抗率が１ＧΩ以上、引張伸度が１０％以上、であることを特徴とする半導体素子。
11. 前記保護膜は、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１０に記載の半導体素子。
12. 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１０または請求項１１に記載の半導体素子。
13. 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１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の半導体素子。
14. 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１０ないし請求項１３のいずれか１項に記載の半導体素子。

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