KR20020060617A

KR20020060617A - 질화물계 반도체칩 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20020060617A
Application number: KR1020020001554A
Authority: KR
Inventors: 시로 사카이; 라크로와이브
Original assignee: 시로 사카이; 무라모토 요시히코; 나이트라이드 세마이컨덕터스 코포레이션, 리미티드
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2002-07-18
Also published as: US20060040500A1; JP2002208541A; EP1223625A3; EP1223625A2; US20020124794A1

Abstract

질화물계 반도체장치의 제조방법. 사파이어 등의 기판 위에 MOCVD 등으로 순차로 질화물계 결정을 성장시키고, 추가로 p전극이나 n전극을 형성한다. 웨이퍼를 서로 직교하는 2방향에 따라 절단하는 것이 아니라, 서로 120도를 이루는 2개의 방향을 따라 절단하여, 마름모꼴의 반도체칩을 얻는다. 웨이퍼면 내에 있어서 6회 회전대칭성을 갖고 있으므로 120도의 각도로 절단함으로써, 절단방향은 서로 같은 값이 되어, 쪼개지기 쉬운 방향으로 절단할 수 있다.

Description

질화물계 반도체칩 및 그 제조방법{NITRIDE SEMICONDUCTOR CHIP AND METHOD FOR MANUFACTURING NITRIDE SEMICONDUCTOR CHIP}

본 발명은 질화물계 반도체장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 질화물 결정이 형성된 기판(웨이퍼)의 절단에 관한 것이다.

통상, 질화갈륨(GaN) 등의 질화물 결정을 이용한 반도체 장치가 개발되어 있으며, 청색 LED 등의 발광소자에 적용되고 있다. 질화물 결정은, 그 대부분이 육방 결정형의 우르쯔광(wurtzite)형상이며, 질화물 결정의 c축이 기판 평면에 대해 수직으로 되어 있다.

도 5에는, 질화물 결정의 결정구조가 개략적으로 나타나 있다. 질화물 결정은 사파이어 등의 기판 상에 MOCVD를 이용하여 성장시킬 수 있고, 결정의 c축은 기판면(웨이퍼면)에 수직이 된다.

MOCVD 등으로 결정 성장시킨 후, 발광소자 등의 디바이스로 이용하기 위해 기판을 절단하여 칩으로 하는데, 먼저 기판의 이면을 연마하고, 기판의 표면 또는 이면에 다이아몬드펜 등으로 스크래치(긁기)를 행한다. 임의의 방향으로 절단하기 위해서는 100㎛ 이하, 바람직하게는 70㎛ 이하가 될 때까지 연마한다. 그리고, 소정의 두께까지 연마한 뒤, 스크래치한 방향을 따라 절단함으로써 각형(角形)의 반도체칩을 얻고 있다.

그러나, 연마 단계에서는 기판이 쪼개지지 않고, 연마 후에 쉽게 쪼개진다고 하는 조건을 만족시키도록 기판을 70㎛까지 연마하는 것은 곤란하며, 연구 공정이 고(高)정밀화 및 장시간화 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 질화물 결정이 성장된 웨이퍼를 절단하여 반도체칩을 제조할 때의 공정을 간략화할 수 있는 방법을 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적은 특성이 우수한 반도체칩을 제공하는데 있다.

도 1은 실시예의 절단방향을 나타낸 설명도이다.

도 2는 실시예의 제조방법을 나타내는 플로우차트이다.

도 3A는 실시예에 관계되는 반도체칩의 평면도, 도 3B는 본 실시예에 관계되는 반도체 칩의 단면도이다.

도 4는 각형(角型)의 반도체칩의 평면도이다.

도 5는 질화물계 결정의 설명도이다.

본 발명의 제조방법은, 기판의 표면에 육방 결정형의 질화물 결정을 성장시키는 단계와, 상기 기판을 서로 120도를 이루는 2방향을 따라 절단하는 단계를 포함한다. 육방 결정형, 즉 6회 회전 대칭을 갖는 결정에 대해 서로 120도를 이루는 2개의 방향으로 절단 방향을 설정함으로써, 2개의 절단방향은 결정구조에서 볼 때 같은 값이 되며, 일방향을 절단하기 쉬운 방향으로 선택하면 다른 방향도 동시에 절단되기 쉬운 방향이 되므로 절단이 용이하게 된다. 절단이 용이해짐에 따라, 절단에 수반되는 공정, 가령 기판의 연마공정이나 스크래치 공정도 용이하게 된다.

본 발명의 일실시예에서, 반도체칩은 그 평면 형상이 마름모꼴이 되도록 절단된다.

또, 본 발명의 반도체칩은 기판과, 상기 기판상에 형성된 육방 결정형의 질화물 결정을 포함하고, 상기 반도체칩의 평면형상은 120도의 내각을 갖는 마름모꼴이다. 마름모꼴로 함으로써, 웨이퍼로부터의 절단을 용이하게 하여 효율적으로 제작되어, 웨이퍼의 이용효율을 높일 수 있다.

본 발명의 일실시예에서는, 마름모꼴인 반도체칩의 중앙부에 발광부가 형성되고, 마름모꼴의 양단에 발광부를 끼우도록 전극이 형성된다. 이와 같은 배치를 이룸으로써, 발광부에 균일하게 전류가 흘러, 발광률을 올릴 수 있다.

본 발명에 있어서의 기판에는, 가령 사파이어가 이용될 수 있다. 또, 질화물 결정으로는, 가령 GaN이 이용될 수 있다. GaN을 이용함으로써, 단파장 광을 사출하는 발광소자가 얻어진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해, 발광소자를 예로 들어서설명한다.

도 1에는, 육방 결정형의 질화물 결정이 형성된 기판(웨이퍼)(1)의 절단방향이 개략적으로 나타나 있다. 또, 기판으로서는 사파이어 기판을 이용할 수 있고, 질화물 결정으로서는, 질화갈륨(GaN)을 이용할 수 있다. 구체적으로는 소자 구성으로서 기판/n-GaN층/InGaN 발광층/p-GaN층으로 할 수 있으며, 이에 따라 파장 370~550nm대의 발광소자가 얻어진다. 물론, 질화물 결정으로서는 다른 조성도 가능하며, n층으로서 AlGaN(AlGaN/GaN의 다층 양자웰(quantum well), AlGaN/AlGaN의 다층 양자웰, AlGaN/ InGaN의 다층 양자웰을 포함한다), 발광층으로서 GaN 또는 AlGaN AlGaN/GaN의 다층 양자웰(quantum well), AlGaN/AlGaN의 다층 양자웰, AlGaN/ InGaN의 다층 양자웰을 포함한다), p층으로서 AlGaN을 이용할 수 있으며, 이에 따라 파장 300~370nm의 발광소자가 얻어진다.

본 실시예에 있어서는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 120도를 이루는 2방향을 따라 웨이퍼를 절단함으로써 발광소자의 반도체칩을 얻는다. 웨이퍼면 내에서는 c축을 회전축으로 하여 6회 회전대칭성을 갖고 있기 때문에, 서로 120도를 이루는 2개의 방향은 결정구조로 보아서 등가인 방향이 된다. 따라서, 일방향을 웨이퍼가 절단하기 쉬운 방향, 가령 갈라짐면(cleaved surface)을 따른 방향으로 선택하면 다른 방향도 마찬가지로 절단되기 쉬운 방향이 되며, 웨이퍼의 절단이 매우 용이해진다. 도 2에는 절단방법을 나타낸다. 먼저, MOCVD 등의 방법으로 기판상에 질화물계 결정을 성장시킨 다음(S101), 기판의 이면을 연마하고(S102), 기판의 표면 또는 이면에 다이아몬드펜 등으로 스크래치한다(S103). 그리고, 스크래치 방향을 따라기판을 절단한다(S104). 본 실시예에 있어서는 서로 등가로 절단되기 쉬운 2개의 방향을 절단방향으로 하고 있기 때문에, 연마공정에 있어서 100㎛ 이하로 할 필요가 없고, 기판 두께가 100㎛ 이상이라 해도 간단하게 기판을 절단할 수 있다. 따라서, 기판의 연마에 필요한 시간도 단축되며, 고(高)정밀도의 연마도 불필요하게 된다. 또한, 본 실시예에 있어서 사파이어 기판의 두께는 150㎛정도라도 절단하는 것이 가능하다.

또, 절단되기 쉬운 방향을 따라 기판을 절단했을 경우, 그 절단면은 서로 직교하는 2방향으로 절단했을 경우에 비해서 매끄럽게 된다(서로 직교하는 방향으로 절단한 경우, 일방향이 절단되기 쉬운 방향이라 해도 타방은 절단되기 쉬운 방향이 아니기 때문에, 후자의 방향의 절단면에 요철(凹凸)이 생긴다). 일반적으로, 발광층으로부터 나온 빛의 대부분은 기판에 도파(導波)되어 측면에서 외측으로 사출된다. 본 실시예에서는, 빛이 외부로 사출되는 면(절단면)이 매끄러우므로 이 부분에서 난(亂)반사가 일어나기 어렵고, 따라서 종래 이상으로 빛을 용이하게 집광할 수도 있다.

또, 본 실시예에 있어서, 스크래치하는 방향의 정밀도는, 쪼개지는 방향이 결정축에 의해 결정되므로 그다지 엄밀할 필요는 없고, 5도 정도의 정밀도가 있으면 된다. 이와 같이 스크래치가 용이하므로, 스크래치를 위한 스페이스를 좁히는 것이 가능하며, 그 결과 웨이퍼의 단위면적으로부터 얻어지는 유효 발광면적도 확대된다.

도 3A, 3B에는, 도 1에 도시된 바와 같이 서로 120도를 이루는 2방향으로 기판을 절단하여 얻어진 하나의 반도체칩의 구성이 나타나 있다. 도 3A는 평면도, 도 3B는 b-b선 단면도이다. 도 3B에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(10)상에 n-GaN층(12,14)을 형성하고, 또 InGaN발광층(16)을 형성한다. 발광층(16) 위에 p-GaN층(18)을 형성하고, n-GaN층(12)을 부분적으로 노출하는 에칭을 행하여 p-GaN층(18)상에 p전극(20), n-GaN층(12)상에 n전극(22)을 형성한다. 또, 발광층(16)을 덮도록 p전극(20)에 접하여 ZnO 등의 투명전극(24)을 p-GaN층(18)상에 형성한다. 웨이퍼의 절단은, p전극(20), n전극(22), 투명전극(24)을 형성한 후에 이루어지며, 이 절단에 의해 도 3A에 나타낸 바와 같이 평면형상이 마름모꼴 형상인 반도체칩이 얻어진다.

본 실시예의 반도체칩의 형상을 상세히 설명하면 다음과 같다. 즉, 발광층(16)은 n-GaN층(14)과 p-GaN층(18) 사이에 형성되는데, 평면형상으로는 발광층(16) 중에서 p전극(20)이 덮이지 않으며 투명전극(24)을 통하여 외부로 빛을 사출할 수 있는 발광부는 마름모꼴의 중앙부에 위치하고, 마름모꼴의 양단부, 결국 마름모꼴의 2개의 대각선 중에서 긴 쪽의 대각선 양단부에 p전극(20) 및 n전극(22)이 삼각형상으로 위치하고, 2개의 전극(20,22)에 마름모꼴의 중앙에 배치된 발광부를 끼워 넣도록 한 배치이다. 이와 같이 마름모꼴의 중앙부에 발광층, 양단에 삼각형상의 전극을 형성함으로써, 도 3에 나타낸 바와 같이 정방형 형상으로 그 대각에 정방형의 전극을 형성하는 반도체칩에 비해, 단위면적당 유효 발광면적을 확대할 수 있다.

표 1에 본 실시예(마름모꼴)의 반도체칩과 정방형(각형) 반도체칩의 비교를나타낸다.

	각형	마름모꼴
칩 면적(A)	90000㎛²(1변300㎛)	77942㎛²(1변300㎛)
메사 면적(B)	260×260㎛²=67600㎛²	60999㎛²(1변265.4㎛)
p전극면적(C)	70×70㎛=4900㎛²	2122㎛²(1변70㎛의 정삼각형)
n전극용에칭 면적(D)	80×80㎛=6400㎛²	2122㎛²(1변70㎛의 정삼각형)
발광면적(E)E=B-C-D	56300㎛²	56755㎛²
E/A	0.625	0.728

여기서, 메사 영역이란, p-GaN층(18)이 형성되어 있는 부분으로, 메사 주변에는 각각의 경우에 있어서 각 변에 20㎛의 간극이 형성되어 있다. 이 표를 통해, 단위면적당 발광면적(E/A)은 종래의 각형 반도체칩에 비해 약 1.2배가 되는 것을 알 수 있다.

또, p전극(20) 및 n전극(22)이 반도체칩의 길이방향(긴 대각선 방향)으로 배치되어 있기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같은 각형 반도체칩에 있어서 대각선의 양단에 전극을 배치할 경우에 비해 발광부로 균일하게 전류를 흘려 보내기 쉽고(발광부 중 양전극에서 끼워지는 영역의 비율이 크다), 광 제거 (light extraction)효율을 증대시킬 수 있다. 도 4에 도시된 각형 반도체칩에서는 전극이 형성되어 있지 않은 타방의 대각선상 영역(100)으로 전류를 흘려보내기 위해서는 p층 위에 두꺼운 투명전극(102)을 형성할 필요가 있지만, 본 실시예에 있어서는 이와 같이 두꺼운 투명전극을 형성할 필요도 없다.

이와 같이, 본 실시예의 마름모꼴 반도체칩으로써 구성의 간이화를 도모함과 동시에, 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 대략 동일 조건에서 발광소자를 형성한 바, 마름모꼴에서는 각형에 비해 약 1.5배의 발광효율이 얻어진다는 것을 출원인은 확인하고 있다. 또, 웨이퍼의 단위당으로 절단하여 제작할 수 있는 발광소자의 수는, 마름모꼴에서는 종래에 비해 약 10%~20% 증대한다는 것도 확인하고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 웨이퍼를 용이하게 절단하여 반도체칩을 얻을 수 있다. 또, 본 발명의 반도체 장치에서는, 평면형상을 마름모꼴로 함으로써 발광효율을 증대시킬 수 있다.

Claims

질화물계 반도체칩의 제조방법에 있어서,

기판의 표면에 육방 결정형의 질화물 결정을 성장시키는 단계와,

상기 기판을 서로 120도를 이루는 2개의 방향을 따라 절단하는 단계을 포함하는 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 성장 단계와 절단 단계 사이에, 상기 기판의 이면을 연마하는 단계를 추가로 포함하는 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 연마 단계와 절단 단계 사이에, 상기 기판의 표면 또는 이면을 스크래치하는 단계를 추가로 포함하고,

이때, 상기 절단하는 단계는, 상기 스크래치의 방향에 따라 상기 기판을 절단함으로써 행하여지는 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 반도체칩은 평면형상이 마름모꼴인 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어인 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 질화물계 결정은 GaN을 포함하는 제조방법.
기판과,

상기 기판 위에 형성된 육방 결정형의 질화물 결정을 포함하는 질화물계 반도체 칩.

이때, 상기 반도체칩의 평면형상은 120도의 내각을 갖는 마름모꼴이다.
제 7항에 있어서,

상기 반도체칩의 평면형상에 있어서, 상기 마름모꼴 중앙부에 형성된 발광부와,

상기 마름모꼴의 양단부에 상기 발광부를 끼우도록 형성된 전극부를 포함하는 질화물계 반도체칩.
제 8항에 있어서, 상기 전극부의 평면형상은 삼각형인 반도체칩.
제 7항에 있어서, 상기 기판은 사파이어인 반도체칩.
제 7항에 있어서, 상기 질화물 결정은 GaN을 포함하는 반도체칩.