CN100433261C

CN100433261C - 氮化物半导体器件制造方法

Info

Publication number: CN100433261C
Application number: CNB2006100676128A
Authority: CN
Inventors: 笔田麻佑子; 驹田聪
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP2011160010A; CN1835189A; JP4932044B2

Abstract

本发明提供了一种制造氮化物半导体器件的方法，其包括通过划片在第一衬底(10)的表面上形成沟槽(15)并在形成沟槽(15)的表面上形成氮化物半导体层(20)。此外，该方法还包括将氮化物半导体层(20)与第二衬底(17)结合在一起的步骤和把氮化物半导体层(20)与第一衬底(10)彼此分开的步骤。采用此制造方法，能以高产率获得氮化物半导体器件。

Description

氮化物半导体器件制造方法

技术领域

本发明涉及一种氮化物半导体器件及其制造方法，且更具体而言，涉及一种以高产率制造氮化物半导体器件的方法。

背景技术

已经提出把生长在第一衬底上的外延半导体层与该第一衬底分离并将其移动到第二衬底上的方法作为适合制造半导体器件的方法(见例如日本专利特许公开第No.2001-053056号(此后称为专利文件1))。

在专利文件1中公开的方法将在下面参考图5A到5D描述。首先，参考图5A，第一外延GaN层52和掩模54依次形成在用作第一衬底的蓝宝石衬底51上。这里，不太可能外延生长的材料例如二氧化硅(SiO₂)或钨用作掩模54。提供掩模54以覆盖第一外延GaN层52表面的一部分。这里，第一外延GaN层52用作种子层(seed layer)。因此，在第二外延GaN层5 7填充掩模54中的窗口(开口)之后，在第一外延GaN层52和掩模54上形成连续的第二外延GaN层57。

参考图5B，形成穿过第二外延GaN层57延伸并暴露掩模54的沟槽(凹槽或凹陷)60。沟槽60通过例如蚀刻第二外延GaN层57以暴露掩模54而形成。

参考图5C，第二衬底58附着到第二外延GaN层57的暴露表面。采用公知的晶片键合法(wafer bonding method)把第二衬底58结合到第二外延GaN层57。这里，由硅(Si)构成的导电衬底用作第二衬底58。

此后，在沟槽60中引入化学蚀刻剂，以蚀刻掩模54。这里，SiO₂用作掩模54，而氢氟酸(HF)用作化学蚀刻剂。HF化学侵蚀掩模54，并以大于蚀刻第一外延GaN层52、第二外延GaN层57或第二衬底58的速率蚀刻掩模54。当掩模54被蚀刻掉时，第二外延GaN层57被从蓝宝石衬底51和第一外延GaN层52分离。

接着参考图5D，聚酰亚胺材料59填充沟槽60，因此形成半导体器件。

然而，根据上述方法，首先第一外延GaN层52形成在蓝宝石衬底51的整个表面上。因此，由于蓝宝石衬底与GaN层之间热膨胀系数的差异，引起包括蓝宝石衬底、GaN层和掩模层的晶片的翘曲(warping)。这里，由于这种翘曲，在第二衬底58(Si衬底)到第二外延GaN层57的晶片键合中不能实现均匀附着，且产率变得很少。此外，外延GaN层的晶体生长不能连续。即，在第一外延GaN层与第二外延GaN层之间插入了形成掩模54的步骤，这意味着GaN层的晶体生长被分成两阶段，导致昂贵的成本。此外，由于沟槽60的部分被除去并丢弃，材料被浪费且成本增加。同时，在采用化学蚀刻剂蚀刻掩模54时，因为掩模54薄且沟槽60的区域也薄且窄，所以掩模没有被化学蚀刻剂充分浸透。因此，外延层从蓝宝石衬底分离困难，且产率差。

发明内容

本发明的目的是提供一种以高产率制造氮化物半导体器件的方法。

本发明涉及一种制造氮化物半导体器件的方法，所述方法包括通过划片在第一衬底表面上形成沟槽、和在形成沟槽的表面上形成氮化物半导体层的步骤。

在根据本发明制造氮化物半导体器件的方法中，在形成沟槽的步骤中，可以通过使锋利物品与第一衬底表面接触而刻划第一衬底的表面。作为选择，在形成沟槽的步骤中，可以通过用激光束照射第一衬底的表面而刻划第一衬底的表面。此外，在形成沟槽的步骤中，可以以一个氮化物半导体器件芯片的一边长度的整数倍，即等于或大于1倍的节距(pitch)形成沟槽。这里，沟槽可以具有从至少1μm到至多350μm的宽度。第一衬底可以实施为蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。

在根据本发明制造氮化物半导体器件的方法中，形成氮化物半导体的步骤可以包括依次形成至少一缓冲层、n型氮化物半导体层、发光层和p型氮化物半导体层的步骤。此外，发光层可以在平行于第一衬底主表面的平面内连续形成。

除了上述步骤，根据本发明制造氮化物半导体器件的方法还可以包括把所述氮化物半导体层和第二衬底结合在一起、和把所述氮化物半导体层与所述第一衬底彼此分离的步骤。在把所述氮化物半导体层与所述第一衬底彼此分离的所述步骤中，采用激光束。把所述氮化物半导体层与所述第二衬底结合在一起的所述步骤是在不低于室温的加热氛围和不低于大气压的加压氛围的至少之一中进行的。此外，在把所述氮化物半导体层与所述第二衬底结合在一起的所述步骤中，采用共晶结合金属(eutectic bonding metal)作为结合材料。

除了上述步骤，根据本发明制造氮化物半导体器件的方法还包括在所述氮化物半导体层上形成电极的步骤，使得在分割为芯片时，形成在氮化物半导体层中的沟槽与分割位置彼此重合。

除了上述方法，根据本发明制造氮化物半导体器件的方法还包括把包括所述第二衬底和所述氮化物半导体层的晶片分割为芯片的芯片分割步骤。在芯片分割步骤中，所述晶片被分割为芯片，使得形成在所述氮化物半导体层中的沟槽和分割位置彼此重合。

本发明涉及一种氮化物半导体器件，所述器件包括：导电衬底；氮化物半导体层；和结合层，由在所述导电衬底与所述氮化物半导体层之间的共晶结合金属形成，所述共晶结合金属包括AuSn。

此外，本发明涉及一种氮化物半导体器件，包括：导电衬底；氮化物半导体层；和金属层，形成在所述导电衬底与所述氮化物半导体层之间。

在根据本发明的氮化物半导体器件中，所述导电衬底可以实施为Si衬底、SiC衬底或III-V族化合物衬底。所述金属层可以对所述器件的发光波长具有高反射率。所述金属层可以包含Ag。

根据本发明，可以提供以高产率制造氮化物半导体器件的方法。

通过下面结合附图对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、优点、方面和优点将变得更为明显。

附图说明

图1是示出形成第一衬底表面上的沟槽的步骤的示意性横截面图；

图2A是示出在第二衬底上形成结合层的步骤的示意性横截面图；

图2B是示出在形成沟槽的第一衬底表面上形成氮化物半导体层、形成金属层、和形成结合层的步骤的示意性横截面图；

图3是示出把氮化物半导体层与第二衬底结合在一起、把氮化物半导体层和第一衬底彼此分离、和在氮化物半导体层上形成电极的步骤以及晶片分离步骤的示意性横截面图；

图4是示出制造氮化物半导体器件的方法的另一实例的示意性横截面图；

图5A到5D是示出常规步骤中的每个的示意性横截面图。

具体实施方式

根据本发明制造氮化物半导体器件的方法包括如图1所示通过划片在第一衬底10的表面上形成沟槽15的步骤，和如图2B所示在形成沟槽15的表面上形成氮化物半导体层20的步骤。这里，划片线指的是在材料(例如第一衬底和/或第二衬底)中形成为类似沟槽的线，作为制造氮化物半导体器件的标记。

当在第一衬底10表面形成沟槽15且在其上生长氮化物半导体层20时，氮化物半导体层20不能外延生长在沟槽15上，且在氮化物半导体层20中，在沟槽15上形成沟槽25(见图2B)，或者氮化物半导体层20在沟槽15处从第一衬底10分离(未示出)。因此，由于第一衬底10与氮化物半导体层20之间的热膨胀系数的差异所导致的应力减小且晶片翘曲减轻。因此，有利于随后将氮化物半导体层20与第二衬底结合(附着)在一起以及形成电极，因此提高了产率。这里，氮化物半导体层指的是由例如In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y≤1)等氮化物半导体形成的层。

在形成沟槽15的步骤中，优选通过使锋利物品接触第一衬底的表面或通过用激光束照射第一衬底的表面而刻划第一衬底的表面。通过这样，可以容易地提供划片线。

优选地，沟槽15以将制造的一个氮化物半导体器件一边的长度的整数倍，即大于或等于1倍的节距形成。通过使沟槽15的位置与芯片分离的位置重合而实现高效分离。

此外，优选地，沟槽15具有从至少1μm到至多350μm的宽度。如果沟槽具有小于1μm的宽度，在第一衬底10与氮化物半导体层20之间引起的应变不能充分减小且晶片翘曲不能减轻。另一方面，如果沟槽具有超过350μm的宽度，每个晶片可获得的芯片数目减少，且成本增加。优选地，沟槽15具有从至少0.5μm到至多100μm且不大于第一衬底10厚度的50％的深度。如果沟槽15具有小于0.5μm的深度，沟槽25不会形成在氮化物半导体层20中且不能增加分割为芯片中的产率。另一方面，如果沟槽15具有超过100μm或第一衬底10厚度的50％的深度，在氮化物半导体层20的外延生长中引起缺陷，例如裂纹(cracking)。

第一衬底10不被特别限定，只要该衬底允许氮化物半导体层在其上外延生长。然而，从氮化物半导体层容易外延生长的角度考虑，优选采用蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。

参考图2B，形成氮化物半导体层的步骤优选包括依次形成至少一缓冲层11、n型氮化物半导体层12、发光层13、和p型氮化物半导体层14的步骤。形成如上结构的氮化物半导体层20，从而可以容易地制造发光器件。

此外，参考图2B，优选地，发光层13连续形成在平行于第一衬底10的主表面的平面内。即，参考图3，发光层13优选整体形成，使得在分割为芯片时在分割位置30被分割的区域在平行于第一衬底10的主表面的平面内彼此连接。形成如上所述的发光层13，从而在分割为芯片之后发光层13的截面暴露在芯片端部，且提高了在芯片端部引出光的效率。

参考图2A和2B，除了上述步骤之外，根据本发明制造氮化物半导体器件的方法还包括将氮化物半导体层20与第二衬底17结合(附着)到一起、并分离氮化物半导体层20与第一衬底10的步骤。通过采用这些步骤，可以实现在氮化物半导体层20与第二衬底17之间的均匀附着，且可以提高产率。

虽然把氮化物半导体层20与第一衬底10彼此分离的方法不受到特别限定，但使用激光束的分离方法有利的，因为与采用蚀刻的分离方法相比，此方法不要求蚀刻掩模且氮化物半导体层20的损失不大。

从均匀和紧密附着的角度考虑，把氮化物半导体层20与第二衬底17结合在一起的步骤优选在温度不低于室温的加热氛围和在压力不低于大气压的加压氛围的至少一种中进行。加热氛围的温度优选设置为200℃或更高，且更优选270℃或更高。同时，加压氛围优选设置为1kPa(0.1N/cm²)或以上，且更优选为10kPa(1N/cm²)或以上。

在把氮化物半导体层20与第二衬底1 7结合在一起的步骤中，优选采用共晶结合金属作为结合材料。这里，共晶结合金属指的是其中两种或多种类型的金属在低于每种金属的熔点的温度混合并熔化的金属(合金)。在这些共晶结合金属中，从在后续步骤中对温度的抵抗力、粘附强度、成本和可靠性的角度考虑，优选含AuSn的金属。

除了上述步骤，参考图3，根据本发明制造氮化物半导体器件的方法还可以包括在氮化物半导体层20上形成电极1 9的步骤，使得在分割为芯片时，形成在氮化物半导体层20表面上的沟槽25与分割位置30彼此重合。通过采用此步骤，能以高产率制造发光器件。

除了上述步骤，参考图3，根据本发明制造氮化物半导体器件的方法还可以包括将包括第二衬底17和氮化物半导体层20的晶片分割为芯片的芯片分割步骤。在芯片分割步骤中，晶片可以被分割为芯片，使得形成在氮化物半导体层20上的沟槽25与分割位置30彼此重合。通过采用此步骤，能以高产率制造发光器件。虽然把晶片分割为芯片使得沟槽25与分割位置30彼此重合的方法不是特别限定的，但优选的是例如通过刻划第二衬底17的表面使得划片线31与沟槽25的位置重合并通过向晶片施加压力而分割晶片的方法，或者是通过使用激光束33从第二衬底17的一侧照射晶片使得激光束33与沟槽25的位置重合而不用划片线31分割晶片的方法。刻划第二衬底17表面的方法优选通过使锋利物品与第二衬底17的表面接触的方法或者以激光束33照射第二衬底表面的方法来实施。

参考图2B和3，在根据本发明制造氮化物半导体器件的方法中，导电衬底优选用作第二衬底17。通过采用导电衬底，可以在氮化物半导体器件的各个相对侧面上的主表面上设置电极，且可以制造具有高发光效率的发光器件。

参考图3，根据本发明的氮化物半导体器件包括导电衬底(第二衬底17)、氮化物半导体层20、和由共晶结合金属形成的位于导电衬底与氮化物半导体层之间的结合层18，且共晶结合金属包括AuSn。采用此结构，可以获得具有高发光效率的发光器件。

参考图3，根据本发明的另一氮化物半导体器件包括导电衬底(第二衬底17)、氮化物半导体层20、和形成在导电衬底与氮化物半导体层之间的金属层16。通过包括这样的金属层16，可以获得具有高发光效率的发光器件这里，从更高的发光效率的角度考虑，金属层16优选对器件的发光波长具有高反射率。此外，从在宽波长范围内具有高反射率、可靠性和成本的角度考虑，金属层16优选包含Ag。导电衬底优选实施为Si衬底、SiC衬底或III-V族化合物衬底。这里，优选GaAs衬底、GaP衬底、GaN衬底、AlGaN衬底等作为III-V族化合物衬底。

(实例1)

下面将描述根据本发明的氮化物半导体器件的制造方法的实例。首先，参考图1，具有430μm厚度的蓝宝石衬底用作第一衬底10，且通过金刚石划片器刻划第一衬底10的表面，从而以350μm节距形成具有50μm宽度和5μm深度的沟槽15。

接着参考图2B，在形成沟槽15的第一衬底10的表面上形成20nm厚度的缓冲层11，且在缓冲层11上形成具有4μm厚度并掺杂有硅的n型氮化物半导体层12(例如n型GaN层和n型Al_pGa_1-pN层(1＜p＜1)。在n型氮化物半导体层12上形成具有120nm厚度并包括多量子阱的发光层13，该多量子阱由GaN组成的势垒层和由In_qGa_1-qN(0＜q＜1)组成的阱层构成。在发光层13上形成具有100nm厚的p型氮化物半导体层14(例如p型GaN层和p型Al_rGa_1-rN层(0＜r＜1))。

由缓冲层11、n型氮化物半导体层12、发光层13、和p型氮化物半导体层14构成的氮化物半导体层20是外延生长的。如图2B所示，在生长的初始阶段，氮化物半导体层20不生长在第一衬底10的沟槽15上。因此，沟槽25形成在氮化物半导体层20中，与第一衬底10表面内的沟槽15相对应。

此后，金属层16形成在p型氮化物半导体层14上，金属层16与p型氮化物半导体层14建立欧姆接触，且至少包含Ag和Pd并具有高反射率。作为在本实施例中形成金属层16的具体方法的示例，首先，将Pd膜形成为约1.5nm厚度，其上将Ag膜形成为100nm厚度。通过500℃下的真空中进行3分钟热处理，从而实现了Pd、Ag和p型氮化物半导体层14的优异的欧姆接触特性，并获得高反射率。然后，结合层18形成在金属层16上以制造半导体晶片1，结合层18具有1μm厚度并包括至少AuSn。

同时，参考图2A，用作导电基底的Si衬底用作第二衬底17，在第二衬底17上形成结合层18，结合层18具有1μm厚度并包含至少AuSn，因此制造了衬底晶片2。

接着参考图2A、2B和3，半导体晶片被结合到衬底晶片2。作为在本实施例中具体方法的示例，半导体晶片1的结合层18与衬底晶片2的结合层18形成接触。在增加到300℃的温度下在真空中施加100kPa(10N/cm²)的压力的结果，通过使用结合层18而实现半导体晶片1与衬底晶片2之间的附着。这里，附着后的结合层18具有2μm厚度。

此后，具有355nm波长的激光束从用作第一衬底10的蓝宝石衬底的背侧发射，使得缓冲层11的一部分在第一衬底10与缓冲层11之间的界面处被分解，因此把氮化物半导体层20与第一衬底10彼此分离。

作为上述分离的结果，n侧电极(电极19)形成在暴露在表面上的缓冲层11上。作为在本实施例中形成n侧电极(电极19)的方法的一个示例，在缓冲层11的预定区域中设置具有开口的光致抗蚀剂(未示出)。此后，通过气相淀积形成由具有20nm厚度的Ti膜和具有200nm厚度的Al膜实施的Al/Ti膜作为n侧电极(电极19)，且通过使用剥离法移除抗蚀剂上的Al/Ti膜。因此n侧电极(电极19)形成在缓冲层11上的预定区域中。

然后，将电极19附着到附着片(adhesive sheet)，形成有电极19的表面面向下(未示出)。此后，激光束33从用作第二衬底17的Si衬底一侧发射，从而不采用划片线31而进行芯片分割。这里，进行芯片分割使得在芯片分割时形成在氮化物半导体层20中的沟槽25与分割位置30彼此重合。因此，可以容易地进行芯片分割，实现高产率。

虽然在本实施例中每层和每个膜的厚度是特定的，但厚度不限于此。然而，从提高反射率的角度考虑，形成为反射层的Ag膜具有优选不小于10nm且更优选不小于50nm的厚度。此外，虽然在本实施例中Pd膜用作反射膜的一部分，但是可以采用Pt膜或Ni膜来取代Pd膜。此外，虽然在本实施例中通过激光束进行芯片分割，但可以通过金刚石划片(参考通过使用金刚石划片器的划片分割晶片的方法)或者通过解理(dicing)(参考通过金刚石刀片分割芯片的方法)而进行芯片分割。

(实例2)

下面将描述根据本发明制造氮化物半导体器件的方法的另一实例。参考图4，与第一实施例一样通过刻划第一衬底10的表面而形成沟槽15。此后依次形成缓冲层11、n型氮化物半导体层12、发光层13、和p型氮化物半导体层14。然后，在p型氮化物半导体层14上形成7nm厚度的Pd膜作为半透明电极41，在半透明电极41上形成300nm厚度的Au膜作为焊盘电极42。此后，在半透明电极41上形成具有开口的抗蚀剂，且在开口下面的半透明电极41(Pd膜)被蚀刻掉。此后，p型氮化物半导体层14、发光层13和n型氮化物半导体层12位于开口下面的一部分被干法刻蚀以暴露n型氮化物半导体层12的表面。由Hf膜和Al膜或其合金层实施的叠层膜形成在n型氮化物半导体层12的暴露表面上作为n侧电极43。这里，设置电极图案之间的节距使得电极图案容纳在第一衬底中的划片线(沟槽15)之间。

此后，第一衬底被打磨(grind)并抛光使得其厚度设为约100μm，且采用金刚石划片器刻划第一衬底10的后表面，由此进行晶片分割(金刚石划片)。这里，刻划第一衬底10的背部使得划片线31与沟槽15内的分割位置30重合。因此容易地进行芯片分割且提高产率。

虽然已经详细描述并图示了本发明，但应该清楚地理解，其仅是作为说明和示例，且不应该被当作限制，本发明的精神和范畴仅由权利要求所限定。

本申请基于分别在2005年3月18日和2006年1月13日在日本专利局提交的日本专利申请No.2005-079568和2006-006437，在此将其全文引入以作参考。

Claims

1、一种制造氮化物半导体器件的方法，包括如下步骤：

通过划片在第一衬底表面上形成沟槽；和

在形成所述沟槽的表面上形成氮化物半导体层。

2、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

在所述形成沟槽的步骤中，通过使锋利物品与所述第一衬底的所述表面接触而刻划所述第一衬底的所述表面。

3、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

在所述形成沟槽的步骤中，通过用激光束照射所述第一衬底的所述表面而刻划所述第一衬底的所述表面。

4、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

在所述形成沟槽的步骤中，以一个氮化物半导体器件芯片一边长度的等于或大于1倍的整数倍节距形成所述沟槽。

5、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

所述沟槽具有从至少1μm到至多350μm的宽度。

6、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

所述第一衬底选自蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。

7、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

所述形成氮化物半导体层的步骤包括依所述顺序至少形成缓冲层、n型氮化物半导体层、发光层和p型氮化物半导体层的步骤。

8、根据权利要求7所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

所述发光层在平行于所述第一衬底主表面的平面内连续形成。

9、根据权利要求1所述的制造氮化物半导体器件的方法，还包括如下步骤：

把所述氮化物半导体层和第二衬底结合在一起；和

把所述氮化物半导体层与所述第一衬底彼此分离。

10、根据权利要求9所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

在把所述氮化物半导体层与所述第一衬底彼此分离的所述步骤中，采用激光束。

11、根据权利要求9所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

将所述氮化物半导体层与所述第二衬底结合在一起的所述步骤是在等于或高于室温的加热氛围和等于或高于大气压的加压氛围的至少之一中进行的。

12、根据权利要求9所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

在将所述氮化物半导体层与所述第二衬底结合在一起的所述步骤中，采用共晶结合金属作为结合材料。

13、根据权利要求9所述的制造氮化物半导体器件的方法，还包括在所述氮化物半导体层上形成电极的步骤，使得在分割为芯片时，形成在氮化物半导体层中的沟槽与分割位置彼此重合。

14、根据权利要求9所述的制造氮化物半导体器件的方法，还包括将包括所述第二衬底和所述氮化物半导体层的晶片分割为芯片的芯片分割步骤，其中

在所述芯片分割步骤中，所述晶片被分割为所述芯片，使得形成在所述氮化物半导体层中的沟槽和分割位置彼此重合。

15、根据权利要求9所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中

导电衬底用作所述第二衬底。