説明

半導体素子の製造方法

【課題】特に半導体ウエハの厚さが薄い場合、例えば150μm以下の場合においても、製造工程中における半導体ウエハの反りを低減して、製造工程中における半導体ウエハの割れを低減可能にする。
【解決手段】半導体素子の製造方法において、半導体基板1の一面側に第1の電極層3,4を厚さ(t3+t4)が30nm〜500nmの範囲内となるように形成し、アニールを行った後、第1の電極層の表面上に第2の電極層5を形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子の製造方法、特に化合物半導体素子の電極形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子の一形態である半導体レーザ素子は、その表裏面に電極が形成されており、この電極間にしきい値以上の電流を流すことによってレーザ発振する。
通常、このような半導体素子の電極材料として、Au(金)、Au合金、Al(アルミニウム)、Al合金等が用いられ、特に、半導体レーザ素子等の化合物半導体素子に用いられる電極材料としては、Auや、AuGeNi(金ゲルマニウムニッケル),AuZn(金亜鉛)等のAu合金が用いられる。
また、上述した半導体素子は、半導体ウエハに所定の処理を施した後、この半導体ウエハを分断することによって複数得られる。ことができ、アニールはこのウエハ状態で行われることが一般的である。
そして、上述の電極が形成された半導体ウエハをアニールすることによって、電極と半導体ウエハ(半導体素子)とは良好なオーミック性を得ることができる。
【0003】
ところで、半導体素子材料として、GaAs(ガリウム砒素)等のGa(ガリウム)を含む化合物半導体材料を用いた場合、Gaは拡散しやすい材料であるため、上述のアニールによってGaが電極を通過して電極表面まで拡散する場合がある。
また、Gaは酸化されやすい材料であるため、電極表面まで拡散したGaは、大気中の酸素と反応して酸化する。
そして、半導体素子に外部から電源を供給するために、この半導体素子の電極にワイヤボンディングを行う際、酸化したGaがワイヤボンディング性を著しく損なわせるため、ワイヤボンディングすることができなくなったり、ワイヤボンディングされたワイヤと電極との接続強度が低下するといった問題が生じる。
【0004】
また、半導体素子材料として、InP(インジウムリン)等のIn(インジウム)を含む化合物半導体材料を用いた場合においても、Inは拡散しやすい材料であると共に酸化されやすい材料であるため、電極表面まで拡散したInが大気中の酸素と反応して酸化することによって、ワイヤボンディングすることができなくなったり、ワイヤボンディングされたワイヤと電極との接続強度が低下するといった問題が生じる。
【0005】
そこで、電極表面まで拡散したGaを塩酸系エッチング液で除去することによって、ワイヤボンディングを可能とすると共にワイヤボンディングされたワイヤと電極との接続強度を向上させることができるとした方法が特許文献1に記載されている。
【特許文献1】特開2000−216479号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、近年、半導体素子の小型化や薄型化に対する要求が増してきており、この要求に対応して、この半導体素子を製造するための半導体ウエハも薄型化されてきている。例えば、従来は、半導体ウエハの厚さが150μmよりも厚かったが、最近では150μm以下の厚さの半導体ウエハを用いて半導体素子を製造することが増えてきている。
【0007】
150μm以下の厚さの半導体ウエハを用いる場合、製造工程中でこの半導体ウエハが割れてしまうことが新たな問題となっている。製造工程途中で半導体ウエハが割れてしまうと歩留まりが低下したり、作業効率が悪化する。
【0008】
この半導体ウエハが割れる原因の一要因として、半導体ウエハの反りがある。
製造工程途中で半導体ウエハが反っていると、例えば劈開等により半導体ウエハを分断して複数の半導体素子を得る素子化工程で、半導体ウエハが割れる場合がある。
【0009】
一般的に、素子化工程は、半導体ウエハを粘着性シートに貼り付ける貼付工程、粘着性シートが貼り付けられた半導体ウエハを劈開装置等のウエハ固定用テーブルに粘着性シートを介して真空吸着等により固定するウエハ固定工程を有している。
貼付工程において、半導体ウエハを粘着性シートに貼り付ける方法としては、例えばローラ等を用いて機械的に貼り付ける方法が一般的に用いられているが、半導体ウエハの反り量{後述する(1)式及び(2)式を用いて算出した値}が3mm以上であると、この貼り付けの際に半導体ウエハが割れる場合がある。
また、固定工程で半導体ウエハを劈開装置等のウエハ固定用テーブルに固定する際にも、この反り量が3mm以上であると割れる場合がある。
半導体ウエハの反り量の算出方法については後述することとする。
【0010】
ここで、半導体ウエハが製造工程中で反る理由について、図6を用いて説明する。図6は、半導体ウエハが製造工程中で反る理由を説明するための模式的断面図である。
図6(a)に示すように、例えばGaAsからなる半導体ウエハ101に電極となるAu膜102を、蒸着やスパッタ等の真空成膜法、または、めっき法を用いて成膜する場合、成膜されたAu膜102は、通常、膜中に多数の欠陥を有している。
そして、Au膜102と半導体ウエハ101とのオーミック性を得るためのアニールを行うと、Au膜102中でAu原子の再配列化が起こるため、膜中の欠陥の数が低減される。
従って、図6(b)に示すように、アニール後のAu膜102には収縮応力が発生するので、アニール後の半導体ウエハ101はAu膜102が形成されている面側に反る。この反り現象は、Au合金膜の場合についても同様に発生する。
【0011】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、半導体ウエハの厚さが薄い場合、例えば150μm以下の場合においても、製造工程中における半導体ウエハの反りを低減して、製造工程中における半導体ウエハの割れを低減可能とする半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記の課題を解決するために、本願各発明は次の手段を有する。
1)半導体基板(1)の一面側に、第1の電極層(3,4)を厚さ(t3+t4)が30nm〜500nmの範囲内となるように形成する第1電極層形成工程と、該第1電極層形成工程によって前記第1の電極層が形成された前記半導体基板にアニールを行うアニール工程と、該アニール工程後の前記第1の電極層の表面に第2の電極層(5)を形成する第2電極層形成工程と、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。
2)ガリウム(Ga)及びインジウム(In)の少なくともいずれかを含む化合物半導体からなる基板(1)の一面側に、第1の電極層(3,4)を厚さ(t3+t4)が30nm〜500nmの範囲内となるように形成する第1電極層形成工程と、該第1電極層形成工程によって前記第1の電極層が形成された前記半導体基板に、300℃〜500℃の範囲内でアニールを行うアニール工程と、前記アニールによって前記第1電極層の表面に形成された前記ガリウム及びインジウムの酸化物をエッチングするエッチング工程と、該エッチング工程後の前記第1の電極層の表面に第2の電極層(5)を形成する第2電極層形成工程と、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。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、半導体基板の一面側に第1の電極層を厚さが30nm〜500nmの範囲内となるように形成し、アニールを行った後、第1の電極層の表面上に第2の電極層を形成することにより、また、ガリウム及びインジウムの少なくともいずれかを含む半導体基板の一面側に第1の電極層を厚さが30nm〜500nmの範囲内となるように形成し、300℃〜500℃の範囲内でアニールを行い、第1電極層の表面をエッチングした後、この表面上に第2の電極層を形成することにより、特に、半導体ウエハの厚さが薄い場合例えば150μm以下の場合においても、製造工程中における半導体ウエハの反りを低減して、製造工程中における半導体ウエハの割れを低減可能にするという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図1〜図5を用いて説明する。
図1〜図3は、本発明の半導体素子の製造方法の実施例における第1工程〜第3工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
図4,図5は、本発明の半導体素子の製造方法の実施例における第5工程,第6工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
【0015】
<実施例>
(第1工程)[図1参照]
GaAsからなり外径が約2inch(約50.8mm)であるウエハに周知の半導体プロセス処理を施す。この周知の半導体プロセス処理が施されたウエハを半導体ウエハ1と称す。実施例では、半導体ウエハ1の厚さt1を約90μmとした。
この半導体ウエハ1の表面を含む表面近傍部を、リン酸系または硫酸系エッチング液を用いてエッチングする。このエッチングにより、半導体ウエハ1の表面に付着した異物や汚れ等を除去すると共に、表面に形成された自然酸化膜を除去する。実施例では、エッチング深さt2を約0.2μmとした。
図1では、説明をわかりやすくするために、エッチングされた表面近傍部を破線で表している。
【0016】
(第2工程)[図2参照]
第1工程を経た半導体ウエハ1の表面に、蒸着法やスパッタ法等の真空成膜法を用いて、第1電極層3であるAuGeNi(金ゲルマニウムニッケル)層と、第2電極層4であるAu(金)層とを順次成膜する。また、真空成膜法の他に、めっき法を用いて第1電極層3及び第2電極層4を形成してもよい。
実施例では、第1電極層3の厚さt3を約150nm、第2電極層4の厚さt4を約100nmとした。
第1電極層3及び第2電極層4の厚さを上述の値とした理由については、後述することとする。
【0017】
(第3工程)[図3参照]
第2工程を経た半導体ウエハ1にアニールを行う。
アニール方法は、電気炉等の加熱炉を用いる方法や、赤外線ランプ等のランプアニール炉を用いる方法がある。
実施例では、加熱炉を用いて、窒素雰囲気中で、約400℃で約10分間のアニールを行った。窒素雰囲気中でアニールを行うことにより、第2電極層4の表面及び表面近傍部が大気中の酸素と反応して酸化されることを抑制することができる。
アニール温度を約400℃とした理由については後述することとする。
【0018】
このアニールにより、半導体ウエハ1と第1電極層3とは、ショットキー特性からオーミック特性を有するように変化する。
また、このアニールされた半導体ウエハ1は、上述した理由により反りが発生する。即ち、成膜後に多数の結晶欠陥を有する第1電極層3及び第2電極層4は、このアニールにより各電極層の構成原子の再配列化が起こるため、結晶欠陥の数が低減される。従って、アニール後の第1電極層3及び第2電極層4には収縮応力が発生するので、アニール後の半導体ウエハ1は第1電極層3及び第2電極層4が形成されている面側に反る。
【0019】
ここで、第2工程において、第1電極層3の厚さt3を約150nm、第2電極層4の厚さt4を約100nmとした理由について説明する。
発明者は、半導体ウエハ1の厚さt1が150μm以下の場合におけるアニールする際の電極層厚さに着目した。
そして、発明者が鋭意実験した結果、特に、半導体ウエハ1の厚さt1が150μm以下の場合において、アニールする際の電極層厚さを500nm以下にすることによって、半導体ウエハ1の反り量を低減して、工程途中における半導体ウエハ1の割れを低減できることを見出した。
また、成膜された電極層の厚さが30nmよりも薄い場合、この成膜された電極層は、島状に分布した、所謂クラスター状の膜となり、合金化反応が不均一になるのでオーミック特性が得られにくくなる。
従って、アニールする際の電極層厚さ(実施例では、t3+t4)を30nm〜500nmの範囲内とすることによって、半導体ウエハの反り量を低減し、半導体ウエハと電極層との良好なオーミック特性を得ることができる。
【0020】
そこで、実施例では、第1電極層3の厚さt3を約150nm、第2電極層4の厚さt4を約100nmとして、アニールする際の電極層厚さ(t3+t4)を約250nmとした。
また、第1電極層3の厚さt3及び第2電極層4の厚さt4は実施例の値に限定されるものではなく、アニールする際の電極層厚さ(t3+t4)が30nm〜500nmの範囲内となるようにそれぞれの値を設定すればよい。
【0021】
(第4工程)
第3工程のアニールにより、第1電極層3であるAuGeNi層中のGe(ゲルマニウム)原子及びNi(ニッケル)原子が第2電極層4であるAu層中に拡散すると共に、半導体ウエハ1中のGa原子(ガリウム)も第1電極層3を通過して第2電極層4中に拡散する。Ga原子は、Ge原子やNi原子よりも拡散しやすい原子なので、第2電極層4の表面まで拡散する場合がある。
また、Ga原子は酸化されやすい原子でもあるため、第2電極層4の表面まで拡散したGa原子は、アニール後に大気中の酸素と反応して酸化する。
この酸化したGa原子は、後述する半導体素子の電極に外部から電源を供給するためのワイヤボンディングを施す際にワイヤボンディング性を著しく損なわせるため、ワイヤボンディングすることができなくなったり、ワイヤボンディングされたワイヤと電極との接続強度が低下するといった問題を生じさせる原因となる。
【0022】
そこで、Au系金属材料からなる第1電極層3及び第2電極層4に対して不溶であり、酸化したGa原子に対して可溶なエッチング液、例えば、塩酸やフッ酸等のハロゲン系の酸を含むエッチング液を用いて、第2電極層4の表面をエッチングすることによって、この酸化したGa原子を除去する。
実施例では、エッチング後の第2電極層4の表面を定性分析して、第2電極層4の表面においてGa原子が検出されないことを確認した。
【0023】
(第5工程)[図4参照]
第4工程で酸化したGa原子がエッチングされた第2電極層4の表面に、蒸着法やスパッタ法等の真空成膜法を用いて、第3電極層5であるAu層を成膜する。また、真空成膜法の他に、めっき法を用いて第3電極層5を形成してもよい。
実施例では、第3電極層5の厚さt5を約500nmとした。
この第3電極層5は、第1電極層3及び第2電極層4に対して伸長する方向の応力を有するため、第1電極層3及び第2電極層4が形成された面側に反った半導体ウエハ1の反り量を低減する。
上述した第1工程〜第5工程を経た半導体ウエハ1を半導体基板10と称することとする。
【0024】
(第6工程)[図5参照]
半導体基板10を、粘着性シート11に貼り付けた後、図示しない劈開装置等のウエハ固定用テーブル12に粘着性シート11を介して真空吸着等により固定して、所定サイズに劈開することによって、複数の半導体素子20を得る。
劈開後の第1電極層3,第2電極層4,及び第3電極層5は、半導体素子20の電極15となる。
【0025】
ところで、半導体基板10は、アニール前の工程である第2工程で第1電極層3と第2電極層4との総厚(t3+t4)を30nm〜500nmの範囲内とされ、アニール後の工程である第5工程で第3電極層5が形成されているので、その反り量が低減されている。
このため、この半導体基板10を粘着性シート11に貼り付ける際、また、この半導体基板10をウエハ固定用テーブル12に固定する際に従来発生していた半導体基板の割れを低減することができる。
【0026】
<比較例>
次に、上述した実施例に対する比較例について説明する。
比較例の半導体素子100は、実施例における第3工程で行ったアニールを、第5工程で第3電極層5を形成した後に行う点で異なり、それ以外は実施例と同様の工程及び条件により作製される。
また、複数の半導体素子100を得るための劈開工程前の半導体ウエハを半導体基板50と称することとする。
【0027】
ここで、実施例の半導体基板10及び比較例の半導体基板50について、それぞれの内部応力及び反り量を測定した。
【0028】
まず、内部応力の測定方法について説明する。
両面が鏡面状であり、一面側に電極となる金属層が形成された半導体基板10,50を短冊状に切断する。そして、この切断された半導体基板10,50の他面側にSiO(二酸化シリコン)等からなる透明薄膜を成膜し、この透明薄膜をレーザ干渉計で観察することにより、干渉縞の数から、半導体基板10,50が湾曲する曲率半径Rを求めることができる。
そして、求めた曲率半径Rを(1)式に代入することにより、半導体基板10,50の内部応力σをそれぞれ算出することができる。
【0029】
【数1】

【0030】
(1)式において、Eは半導体基板のヤング率(例えば、GaAs基板のヤング率は約8.55E11である)、bは半導体基板の厚さ、νは半導体基板のポアソン比(例えば、GaAs基板のポアソン比は約0.29である)、dは透明薄膜の厚さである。
【0031】
次に、反り量の算出方法について説明する。
半導体基板10,50の反り量は、上述した内部応力σ、及び内部応力σを算出するための各パラメータの値を(2)式に代入することによって、変位量δとして算出することができる。
【0032】
【数2】

【0033】
(2)式において、Lは短冊状に切断された半導体基板10,50の長手方向の長さであり、それ以外の記号は(1)式における記号と同じである。
【0034】
半導体基板10,50における、上述の(1)式から算出した内部応力、及び、(2)式から算出した反り量を、それぞれ表1にまとめた。
【0035】
【表1】

【0036】
表1から、実施例の半導体基板10は、比較例の半導体基板50に対して、内部応力,反り量とも低減していることを確認した。
【0037】
また、表1に示すように、実施例の半導体基板10は、その反り量が0.98mmと3mmよりも小さい値であり工程途中で割れることはなかったが、比較例の半導体基板50は、その反り量が3.2mmと3mmよりも大きい値であり工程途中で割れる場合があった。
【0038】
上述した結果から、30nm〜500nmの範囲内の厚さの第1の電極層を形成した後にアニールを行い、その後第1の電極層上に第2の電極層を形成することにより、製造工程途中の半導体ウエハ(基板)の内部応力を低減することができるので、半導体ウエハ(基板)の反り量を低減できるため、工程途中での半導体ウエハ(基板)の割れを低減することが可能となる。
【0039】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【0040】
例えば、実施例では、半導体ウエハ材料としてGaAsを用いたがこれに限定されるものではなく、AlGaAs(アルミニウムガリウム砒素),AlGaInP(アルミニウムガリウムインジウムリン),InP(インジウムリン)等の化合物半導体材料やSi(シリコン)等の周知の半導体材料を用いることができる。
【0041】
半導体ウエハ材料としてIn(インジウム)を含む場合、In原子は、Ga原子と同様に拡散しやすい原子であるため、半導体ウエハ中のIn原子がアニールによって電極層表面まで拡散する場合がある。また、In原子は、Ga原子と同様に酸化されやすい原子であるため、電極層表面まで拡散したIn原子は大気中の酸素と反応して酸化される。
この酸化されたIn原子はワイヤボンディング性を著しく損なわせるため、ワイヤボンディングすることができなくなったり、ワイヤボンディングされたワイヤと電極との接続強度が低下するといった問題を生じさせるが、実施例の第4工程で用いたエッチング液、即ち、Au系金属材料からなる電極層に対して不溶であり、酸化したGa原子に対して可溶なエッチング液、例えば、塩酸やフッ酸等のハロゲン酸を含むエッチング液を用いることにより、この酸化されたIn原子をエッチングして除去することができる。
【0042】
実施例では、第1電極層3の材料としてAuGeNiを用いたが、これに限定されるものではなく、アニールによって下地の半導体ウエハとオーミック特性が得られるものであればよい。このような材料として、AuZn(金亜鉛)やAuBe(金ベリリウム)等がある。
また、第1電極層3の材料としてAuGeNiを用いる場合、第1電極層3を、AuGeNi合金を成膜材料とするAuGeNi層としてもよく、また、Au,Ge,Niを別々の成膜材料としてAu層,Ge層,Ni層(積層する順番は任意)からなる積層構造としてもよい。Au層,Ge層,Ni層からなる積層構造の第1電極層3は、アニールによって互いに拡散してAuGeNi合金層となる。
【0043】
実施例では、第2電極層4の材料としてAuを用いたが、これに限定されるものではなく、第1電極層3との密着性が得られるものであればよい。
また、第2電極層4の材料を第1電極層3と同じものとしてもよく、この場合、第1電極層3と第2電極層4との2層構造とする必要がないため、単一の電極層とすることができるので、作業の段取り工数を削減することができる。
また、第2電極層4は形成後に大気に晒させるため、第2電極層4の材料は酸化されにくいものであることが望ましい。酸化されにくい材料を用いることにより、第2電極層4と第3電極層5との安定した密着性が得られる。
【0044】
実施例では、第3電極層5の材料をAuとし、厚さt5を約500nmとしたが、これに限定されるものではなく、酸化されにくく良好なワイヤボンディング性が得られるように、第3電極層5の材料及び厚さを選定すればよい。
【0045】
実施例では、アニール条件を、窒素雰囲気中で約400℃で約10分間としたが、これに限定されるものではなく、例えば、窒素の代わりに水素を用いることができる。窒素雰囲気中または水素雰囲気中でアニールを行うことにより、アニールによる電極層表面の酸化を抑制することができる。
また、アニール温度については、300℃〜500℃の範囲が望ましい。アニール温度が300℃よりも低い場合は、電極層と下地の半導体ウエハとのオーミック特性が不十分になり所定の素子特性が得られない場合があり、アニール温度が500℃よりも高い場合は、アニール後の電極層表面が粗面となりワイヤボンディング性を悪化させる原因となる。
また、アニール時間は、300℃〜500℃の範囲において設定されたアニール温度によって適宜設定すればよい。例えばアニール温度を高く設定することによりアニール時間を短くすることができるので、生産性に対して有利である。
【0046】
実施例では、本発明の効果がより顕著に現れる条件、即ち半導体ウエハの厚さが150μm以下の場合について説明したが、本発明は半導体ウエハの厚さが150μmよりも厚い場合においても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】本発明の半導体素子の製造方法の実施例における第1工程を説明するための模式的断面図である。
【図2】本発明の半導体素子の製造方法の実施例における第2工程を説明するための模式的断面図である。
【図3】本発明の半導体素子の製造方法の実施例における第3工程を説明するための模式的断面図である。
【図4】本発明の半導体素子の製造方法の実施例における第5工程を説明するための模式的断面図である。
【図5】本発明の半導体素子の製造方法の実施例における第6工程を説明するための模式的断面図である。
【図6】半導体ウエハが製造工程中で反る理由を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
【0048】
1,10 半導体ウエハ
3,4,5 電極層
11 粘着性シート
12 ウエハ固定用テーブル
15 電極
20 半導体素子
t1,t3,t4,t5 厚さ
t2 深さ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板の一面側に、第1の電極層を厚さが30nm〜500nmの範囲内となるように形成する第1電極層形成工程と、
該第1電極層形成工程によって前記第1の電極層が形成された前記半導体基板にアニールを行うアニール工程と、
該アニール工程後の前記第1の電極層の表面に第2の電極層を形成する第2電極層形成工程と、
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項2】
ガリウム(Ga)及びインジウム(In)の少なくともいずれかを含む化合物半導体からなる基板の一面側に、第1の電極層を厚さが30nm〜500nmの範囲内となるように形成する第1電極層形成工程と、
該第1電極層形成工程によって前記第1の電極層が形成された前記半導体基板に、300℃〜500℃の範囲内でアニールを行うアニール工程と、
前記アニールによって前記第1電極層の表面に形成された前記ガリウム及びインジウムの酸化物をエッチングするエッチング工程と、
該エッチング工程後の前記第1の電極層の表面に第2の電極層を形成する第2電極層形成工程と、
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。

【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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【公開番号】特開2007−266383(P2007−266383A)
【公開日】平成19年10月11日(2007.10.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−90498(P2006−90498)
【出願日】平成18年3月29日(2006.3.29)
【出願人】(000004329)日本ビクター株式会社 (3,896)
【Fターム(参考)】