专利名称：半导体发光元件的制造方法
技术领域：
本发明的实施方式，一般地涉及半导体发光装置的制造方法。
背景技术：
发光二极管(Light Emitting Diode :LED)等半导体发光元件，采用将含有发光层的半导体层从生长基板分离之后移换到别的基板的制造方法。例如，已知有通过将含有发光层的III族氮化物半导体层从生长基板分离之后设置到与生长基板不同的基板而能够提高生产性的III族氮化物半导体发光元件。然而，将半导体层移换到不同基板上时，由于为了使两个基板重叠接合而施加的负载，有时会产生基板的断裂或裂纹，成为制造成品率低下的主要原因。因此，需要一种能够防止基板的断裂或裂纹的制造方法。
发明内容
本发明的实施方式，提供能够抑制接合两个基板时发生断裂或裂纹，能够提高制造成品率的半导体元件的制造方法。实施方式中的半导体发光元件的制造方法，用于使具有第一基板、半导体层和第一金属层的第一层叠体与具有第二基板和第二金属层的第二层叠体贴合，包括将上述第一层叠体的劈开方向与上述第二层叠体的劈开方向错开，使上述第一金属层与上述第二金属层接触而重叠的工序，以及在对上述第一层叠体与上述第二层叠体之间施加负载的状态下进行升温，使上述第一层叠体与上述第二层叠体贴合的工序。根据本发明的实施方式，能够实现抑制了在将两个基板接合时的断裂或裂纹、提高了制造成品率的半导体元件的制造方法。
图1是示意地表示一实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法的工序截面图，图IA示出了第一层叠体的截面，图IB示出了第二层叠体的截面，图IC是表示在第二层叠体上重叠有第一层叠体的状态的截面图，图ID是表示将半导体层留在第二层叠体上而除去了第一基板的状态的截面图。图2是对在一实施方式所涉及的半导体发光元件的制造工序中实施的基板接合工艺进行说明的示意图。图3是对一实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法的作用效果进行说明的示意图，图3A是表示比较例所涉及的制造方法的作用的示意图，图:3B是表示本实施方式所涉及的作用效果的示意图。图4是表示接着图1之后的半导体发光元件的制造工序的示意图，图4A是表示将第二基板分割成各个发光元件芯片后的状态的示意图，图4B是示意地表示发光元件芯片的构造的立体图。图5是示意地表示其它实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法的立体图。
具体实施例方式下面，参照
本发明的实施方式。另外，以下的实施方式中，对附图中的相同部分标注相同的附图标记，并适当地省略详细的说明，仅适当地说明不同的部分。本发明的一实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法具有如下的工序，即， 将在第一基板上设置第一金属层而成的第一层叠体与在第二基板上设置第二金属层而成的第二层叠体，按照第一基板的劈开方向与第二基板的劈开方向错开且使第一金属层与第二金属层接触的方式重叠的工序。第一层叠体在第一基板上具有含有能够放射发光光线的发光层的半导体层，第一金属层设置在半导体层之上。进而，还具有在对上述第一层叠体与上述第二层叠体之间施加负载的状态下升温、使上述第一层叠体与上述第二层叠体贴合的工序。图1是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法的工序截面图。在本实施方式所涉及的制造方法中，例如，将第一基板设为η型GaAs基板10， 将第二基板设为P型硅(Si)基板30，进行说明。进而，在η型GaAs基板10上设置的半导体层12例如含有InGaAlP系半导体。图IA示出了设有半导体层12的第一层叠体20的截面，图IB示出了第二层叠体 40的截面。图IC是表示在第一层叠体20上重叠有第二层叠体40的状态的截面。图ID是表示将半导体层12留在层叠体40上而除去了 η型GaAs基板10的状态的截面图。如图IA 所示，在 η 型 GaAs 基板 10 上，例如利用 MOCVD (MetalOrganic Chemical Vapor D印osition 有机金属化学汽相淀积)法或MBE (Molecular Beam Epitaxy 分子束外延)法等来形成含有InGaAlP等的半导体层12，进而形成第一金属层15，从而构成第一层叠体20。另一方面，如图IB所示，在ρ型Si基板30上，采用真空蒸镀法等形成第二金属层 35，从而构成第二层叠体40。半导体层12所含有的发光层13是InGaAlP系半导体的情况下，半导体发光元件能够发出从黄绿到红色的波长范围的可见光。由InGaAlP系化合物结晶形成的半导体层12 由于与GaAs晶格匹配所以能够容易设置良好的结晶。接着，如图IC所示，在第二层叠体40上重叠有第一层叠体20，第一在接合界面47 使金属层15与第二金属层35接触。进而，实施规定的基板接合工艺，将第一层叠体20与第二层叠体40贴合在一起。这时，以使第一层叠体20的劈开方向与第二层叠体40的劈开方向错开的方式进行接合。例如，第一层叠体20的劈开方向与η型GaAs基板10的劈开方向一致，第二层叠体40的劈开方向与ρ型Si基板30的劈开方向一致。因此，如果η型GaAs基板10的主面 25为(100)面，ρ型Si基板30的主面45为(100)面，则将η型GaAs基板10的<110>方向与P型Si基板30的<110>方向错开地重叠，接合在一起。第一金属层15或者第二金属层35中能够采用例如金(Au)和Auh、AuSn等、含有 Au的金属。将第一金属层15和第二金属层35形成Ti/Pt/Au的多层结构，能够提高Au与 Au之间的接合强度。另外，还能够采用hSn等铟锡合金。第一金属层15或者第二金属层 35也能够含有钨(W)作为阻挡层金属。第一金属层和第二金属层还能够采用例如铜(Cu) 或铝(Al)。接着，参考图2，说明基板接合工艺的一个例子。本实施方式所涉及的基板接合工艺，例如，以在真空中，将第一层叠体20和第二层叠体40重叠在一起之后，进行加热、接合。图2示意地示出了这一过程中处理温度随时间的变化。首先，将第一层叠体20和第二层叠体40载置在未图示的真空容器的内部，使真空容器内处于低压状态。接着，例如，能够在将第一层叠体20和第二层叠体40重叠在一起之前进行表面活性化。(表面活性化A)具体地，对设置于η型GaAs基板10上的第一金属层15的表面和设置于ρ型Si 基板30上的第二金属层35的表面照射例如氩(Ar)离子束，除去不需要的氧化膜及有机物等。此外，也可以将第一金属层15的表面和第二金属层35的表面暴露在等离子环境中。此外，也可以不进行表面活性化而直接将第一层叠体20和第二层叠体40重叠在一起。接着，使第一金属层15的表面和第二金属层35的表面接触，将第一层叠体20及第二层叠体40重叠。(定位B)具体地，使第一金属层15的表面和第二金属层35的表面相对配置，使η型GaAs 基板10与ρ型Si基板30的劈开方向一致。进而，转动其中任何一个基板，使各自的劈开方向之间错开预定角度。然后，使第一金属层15的表面和第二金属层35的表面接触，将第一层叠体20和第二层叠体40重叠。接着，对第一层叠体20和第二层叠体40之间施加负载以使其贴紧。(贴紧C)。使第一层叠体20和第二层叠体40贴紧的温度优选小于等于100°C。由此，能够减少例如在使贴合好的基板返回室温时因η型GaAs基板10与ρ型Si基板30之间的热膨胀率不同而产生的翘曲。对第一层叠体20和第二层叠体40之间施加的负载，可以是大于等于lOkg/cm2且小于等于30kg/cm2。为了使第一金属层15的表面和第二金属层35的表面成为整体性地贴紧的状态，例如，优选施加大于等于lOkg/cm2的负载。进而，为了防止第一层叠体20和第二层叠体40发生断裂或裂纹，优选施加的负载小于等于30kg/cm2。例如，能够对以使劈开方向一致的方式重叠的η型GaAs基板10和ρ型Si基板30 之间施加的压力最大值为大约20kg/cm2。另一方面，若以使二者的劈开方向错开大于等于 1°的方式进行重叠，则能够施加30kg/cm2为止的负载。接着，在对重叠状态的第一层叠体20和第二层叠体40施加负载的状态下进行加热，升温到预定的温度(C —D)。例如，在第一金属层15和第二金属层35含有Au金属的情况下，加热到大于等于250°C的温度。优选升温至温度升到大于等于250°C的温度是因为，为了在第一金属层15和第二金属层35之间不产生空隙等缺陷。另一方面，优选保持在小于等于350°C的温度，以避免因η型GaAs基板10与ρ型 Si基板30之间的热膨胀率差引起应力而导致第一层叠体20和第二层叠体40发生断裂或裂纹。接着，在将重叠状态的第一层叠体20与第二层叠体40在预定温度中保持一定时间之后，冷却到小于等于100°c的温度再从真空容器中取出。(D — E —取出F)在此期间，直到降温至小于等于100°C的温度为止，保持着对重叠的第一层叠体 20和第二层叠体40施加预定负载的状态。在上述的基板接合工艺中，例如若对第一金属层15的表面和第二金属层35的表面照射Ar离子束，则能够在金属表面露出原子的活性结合键。由此，能够降低第一金属层 15的表面与第二金属层35的表面的金属原子结合时需要的能量。即，与不照射Ar离子束的情况相比，即使在低温也能够进行接合。例如，若在表面活性化之后，在超高真空的状态下实施接合工艺，则有时在常温下就能够使基板接合。接着，如图ID所示，从通过上述基板接合工艺接合到第二层叠体40的第一层叠体 20，采用机械研磨法和溶液蚀刻法中的至少一种将η型GaAs基板10去除。在该情况下，可以将η型GaAs基板10完全去除，也可以留下一部分。进而，在除去了 η型GaAs基板10的半导体层12的表面48上形成η电极，在ρ型 Si基板30的背面49上形成ρ电极，由此能够完成半导体发光元件。进而，作为其它的实施方式，还能够用蓝宝石基板作为第一基板，用氮化物半导体形成半导体层。例如，能够在蓝宝石基板上，采用MOCVD法设置具有通过层叠了 η型GaN 层、发光层、P型GaN层而形成的半导体层的第一层叠体。发光层能够含有通过交替地层叠 InfahN 层(0 < χ < 1)和 AlyGa^yN 层(0 彡 y < 1)而形成的 MQW 层(Multi-Quantum Well)。进而，图ID所示的将第一基板除去的工序例如能够采用激光剥离法，该激光剥离法中，从蓝宝石基板的一侧照射波长355nm的激光，使蓝宝石基板与η型GaN层的界面附近的GaN熔融，从而将蓝宝石基板剥离。接着，参考图3说明本实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法的作用效果。图3Α是表示比较例所涉及的制造方法的作用的示意图，图:3Β是表示本实施方式所涉及的制造方法的作用效果的示意图。在图3Α所示的比较例的制造方法中，将第一层叠体20与第二层叠体40以使各自的劈开方向20Η、40Η—致的方式接合，形成贴合基板50。第一层叠体20和第二层叠体40 具有若被施加压力则容易沿着各自的劈开方向断裂的性质。因此，在如比较例那样以使第一层叠体20的劈开方向20Η与第二层叠体40的劈开方向40Η—致的方式进行接合的情况下，如图3Α所示，贴合基板50很容易沿着劈开方向20Η和劈开方向40Η共同的劈开方向 50Η断裂。上述性质在将利用贴合基板50制作的半导体元件分割成一个个芯片时是有用的。例如，在利用GaAs的(100)基板形成第一层叠体20、利用Si的(100)基板形成第二层叠体40的情况下，劈开方向都是<110>方向，具有在(011)面和(101)面被劈开的性质。因此，以使二者的劈开方向对齐的方式接合而成的贴合基板50，由于具有(011)面和(101)面这样的垂直的劈开面，因此具有能够很容易地切割出方形的半导体元件芯片这一优点。为此，在将两个基板接合时大多采用时两者的劈开方向对齐的制造方法。然而，在使两个基板的劈开方向一致并具有共同劈开面的情况下，意味着贴合好的基板容易发生断裂。具体地，在上述的基板接合工艺中，由于在第一层叠体20和第二层叠体40之间因加热而产生的应力、或者因接合界面47所存在的凸起等原因而局部地集中的应力，使得第一层叠体20和第二层叠体40两者都断裂的可能性变高。相对于此，如图:3B中所示，在本实施方式所涉及的制造方法中，以使第一层叠体 20的劈开方向20H与第二层叠体40的劈开方向40H错开的方式形成贴合基板60。通过以劈开方向错开的方式进行接合，即使一个基板发生断裂或裂纹，其应力也不会容易地直接传递至另一个基板的劈开方向。因此，与图3A所示的贴合基板50相比，能够增加贴合基板 60的强度。由此，能够抑制在基板接合工艺中发生断裂或裂纹，从而能够实现制造成品率的提高。具体地，优选使第一层叠体20的劈开方向20H与第二层叠体40的劈开方向40H之间错开大于等于1°。例如，第二层叠体40的ρ型Si基板30比第一层叠体20的η型GaAs基板10的强度高，第一层叠体20比第二层叠体40更容易断裂。因此，如图:3Β中所示，在贴合基板60 中，即使第一层叠体20沿着劈开方向20Η断裂，第二层叠体40也能够对其进行支撑而保持规定形状。由此，进行后续的处理来制造半导体发光元件也成为可能。图4是表示接着图1之后的半导体发光元件的制造工序的示意图。图4Α所示的半导体基板40b，是在图ID所示的工序中，从贴合基板60将η型GaAs 基板10除去而将半导体层12移载到第二层叠体40上而形成的。如上所述，半导体基板 49b在半导体层12的表面48上设有η电极，在ρ型Si基板30侧的背面49上设有ρ电极， 从而完成半导体发光元件。接着，如图4Α所示，半导体基板40b例如利用切割刀片进行切断而被分割成一个个的发光元件芯片65。图4B示意地表示了发光元件芯片65的构造。在η型GaAs基板10上设置的半导体层12的劈开方向是与η型GaAs基板10的劈开方向20Η相同的方向。因此，例如，如果使切割刀片进行切断的切断方向与P型Si基板30的劈开方向40Η对齐，则移载在ρ型Si 基板30上的半导体层12沿着与其劈开方向20Η不同的方向被切断。若ρ型Si基板30的劈开方向40Η与半导体层12的劈开方向20Η之间的错开角度θ大，则在切割刀片对半导体基板40b进行切断时，有时会产生图4Β中所示的碎片67a、 67b。该碎片67a、67b是由于切割刀片所施加的应力使得半导体层12沿着劈开方向20H断裂而产生的。例如，在劈开方向的错开角度θ大于10°的情况下，容易产生碎片。如上所述，为了提高贴合基板的强度，劈开方向的错开角度θ优选为大于等于 1°。因此，第一层叠体20与第二层叠体40重叠的状态下的、第一层叠体20的劈开方向与第二层叠体40的劈开方向之间的的错开角度θ优选为大于等于Γ且小于等于10°。图5是示意地表示其它实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法的立体图。本实施方式所涉及的半导体发光元件的制造方法还具有如下工序在第二层叠体
8上留下半导体层而将第一基板分离的工序；设置沿着第二层叠体的劈开方向延伸的分离槽，将半导体层分离为一个个的半导体元件的工序；以及沿着分离槽对第二层叠体进行切断的工序。图5所示的半导体基板40c与上述的半导体基板40b相同，将半导体层12移载在第二层叠体40上而形成。进而，半导体层12通过在沿着第二层叠体40的劈开方向40H延伸的方向上设置的分离槽72，被分离成一个个的发光元件75。分离槽72例如能够通过采用了含有氯(Cl2)或氟(F)的蚀刻气体的RIE (Reactive Ion Kching 反应离子腐蚀)法来形成。此外，也能够采用湿法蚀刻。根据本实施方式所涉及的制造方法，能够沿着分离槽72分割成一个个发光元件 75而进行芯片化。这时，由于分离槽72与劈开方向40H —致，所以能够容易地进行切断。 进而，半导体层12通过分离槽72而被分离，因此，在分割时不会接触到切割刀片，也就不会发生例如碎片67a、67b的情况。即，根据在本实施方式，能够将第一层叠体20的劈开方向20H与第二层叠体40的劈开方向40H之间的错开角度θ设定成大于10°。由此，能够提高贴合基板60的强度。另外，在本实施方式中也是，第一金属层或第二金属层能够例如含有Au或者Au 合金。使第一金属层与第二金属层在小于等于100°c的温度重叠。基板接合工艺包括在大于等于250°C小于等于350°C的温度范围内对第一层叠体与第二层叠体进行加热、然后进行冷却的工序，能够将对第一层叠体与第二层叠体之间施加的负载设定为大于等于IOkg/ cm2、小于等于 30kg/cm2。说明了本发明的一些实施方式，这些实施例只是作为示例，并无意于限定发明的保护范围。这些实施方式的新的实施方式能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种省略、替换和变更。这些实施方式及其变形都含在本发明的范围和宗旨内，并且包含在权利要求书中记载的发明及其等同的范围内。
权利要求
1.一种半导体发光元件的制造方法，用于使具有第一基板、半导体层和第一金属层的第一层叠体与具有第二基板和第二金属层的第二层叠体贴合，其特征在于，包括将上述第一层叠体的劈开方向与上述第二层叠体的劈开方向错开，使上述第一金属层与上述第二金属层接触而重叠的工序，以及在对上述第一层叠体与上述第二层叠体之间施加负载的状态下进行升温，使上述第一层叠体与上述第二层叠体贴合的工序。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，上述第一层叠体和上述第二层叠体在相重叠的状态下被升温到大于等于250°C且小于等于:350°C的温度。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 使上述第一层叠体与上述第二层叠体在小于等于100°c的温度下重叠。
4.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 上述第一金属层和上述第二金属层中的至少某一个含有金Au。
5.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，施加在上述第一层叠体与上述第二层叠体之间的负载为大于等于lOkg/cm2且小于等于 30kg/cm2。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，具有在使上述第一层叠体与上述第二层叠体重叠之前对上述第一金属层和上述第二金属层的表面照射离子束的工序。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 上述第二基板是硅基板。
8.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 上述第一基板是GaAs基板。
9.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，上述第一基板是蓝宝石基板。
10.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 上述第一基板和上述第二基板的主面是(100)面。
11.如权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在使上述第一基板与上述第二基板重叠的状态下的、上述第一基板的劈开方向与上述第二基板的劈开方向之间的错开角度为大于等于1°且小于等于10°。
12.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，还包括 在上述第二基板一侧将上述半导体层留下并将上述第一基板分离的工序；设置沿着上述第二基板的劈开方向延伸的分离槽，将上述半导体层分离为一个个半导体元件的工序；以及沿着上述分离槽对上述第二基板进行切断的工序。
13.如权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 上述第二基板是硅基板。
14.如权利要求13所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 上述第二基板的主面是(100)面。
15.如权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，上述第一层叠体和上述第二层叠体在相重叠的状态下被升温到大于等于250°C且小于等于:350°C的温度。
16.如权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 使上述第一层叠体与上述第二层叠体在小于等于100°C的温度下重叠。
17.如权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 上述第一金属层和上述第二金属层中的至少某一个含有金Au。
18.如权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，施加在上述第一层叠体与上述第二层叠体之间的负载为大于等于lOkg/cm2且小于等于 30kg/cm2。
19.如权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，具有在使上述第一基板与上述第二基板重叠之前对上述第一金属层和上述第二金属层的表面照射离子束的工序。
20.如权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 上述第一基板是GaAs基板或蓝宝石基板。
全文摘要
本发明涉及半导体发光元件的制造方法，用于使具有第一基板、半导体层和第一金属层的第一层叠体与具有第二基板和第二金属层的第二层叠体贴合，其特征在于，包括将上述第一层叠体的劈开方向与上述第二层叠体的劈开方向错开，使上述第一金属层与上述第二金属层接触而重叠的工序，以及在对上述第一层叠体与上述第二层叠体之间施加负载的状态下进行升温，使上述第一层叠体与上述第二层叠体贴合的工序。
文档编号H01L33/00GK102194933SQ20111006696
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年3月18日
发明者西胁若菜, 赤池康彦 申请人:株式会社东芝