CN101026092A - 用于生长悬臂外延的衬底及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种悬臂外延生长衬底及其制造方法。所述悬臂外延生长衬底包括：衬底；用于悬臂外延生长的多个图案区，沿第一方向形成在所述衬底上；和至少一个溶液阻隔层，接触所述多个图案区并沿第二方向形成在所述衬底上，因此防止半导体装置由于悬臂外延生长工艺中的半导体装置的空气间隙和百分比缺陷而导致的污染。

Description

用于生长悬臂外延的衬底及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于生长半导体装置的衬底，且更具体而言，涉及一种悬臂外延生长衬底及其制造方法，该衬底上形成有用于防止半导体装置的制造工艺中可能引起的半导体装置的污染的溶液的流动的溶液阻隔层。
背景技术
半导体装置，例如氮化物半导体激光二极管通过在蓝宝石(Al2O3)衬底上形成氮化物半导体层而制造。蓝宝石衬底具有简单的预制备工艺并在形成氮化物半导体层的高温下稳定。然而，由于蓝宝石衬底和氮化物半导体层晶格常数和膨胀系数不同，蓝宝石衬底会具有晶体缺陷并容易变形。通过使用氢化物气相外延(HVPE)在蓝宝石衬底上形成厚的GaN层而制造具有低缺陷密度的GaN衬底。然而，HVPE的缺陷密度和尺寸没有可靠性。为了取代HVPE，提出横向外延生长(ELOG)和悬臂外延，以通过横向生长减少缺陷密度。悬臂外延生长工艺在美国专利6,521,514中公开。
图1A到1C是进行常规形成工艺的悬臂外延生长衬底的剖面图。该工艺涉及使用悬臂外延生长形成GaN衬底。
参考图1A，衬底10涂覆有氮化物并被局部蚀刻以形成暴露衬底10一部分表面的蚀刻区11以及图案区12。
参考图1B，如果氮化物从图案区12横向生长，生长区13从图案区12向外横向生长。
参考图1C，如果生长区13保持生长，所有生长区13被组合以完成氮化物层。结果，晶体缺陷主要发生在图案区12中，且生长区13具有非常低的缺陷密度。然而，生长区13底部产生的空气间隙14是衬底10的制造工艺中各种溶液的移动路径。溶液与Ga熔化物组合以形成混合物。该混合物在半导体装置的制造工艺中(例如，解理工艺中)被物理飞溅，这引起图2C所示的现象。如果混合物附着到衬底10的整个表面，衬底10不能适当输送电流而是另一路径输送电流，这显著减少半导体装置的产量。
图2A是常规悬臂外延形成工艺中使用的晶片的示意图。参考图2A，除了位于衬底20内的可用区21之外，不使用衬底20的所有区域。在可用区21的扩展边界A中，图案区23和蚀刻区24形成在衬底20上。在制造半导体装置之后图案区23被分为可用区A1和不可用区A2。蚀刻区24从可用区A1与不可用区A2之间的区域除去，以防止在激光二极管(LD)结构生长工艺中发生裂纹。
图2B和2C是通过悬臂外延工艺生长半导体装置之后常规半导体装置的剖面图。参考图2B和2C，在使用悬臂外延工艺在衬底上形成半导体装置之后，由于半导体装置制造工艺中的溶液的污染而在衬底的空气间隙区中产生大的污染区14a。由于在衬底上形成生长区13之后和在生长区13顶部形成半导体层15之后的解理工艺中溶液被飞溅，因此污染区14a频繁产生。如上所述，由于悬臂外延生长工艺来不可避免地形成空气间隙，需要防止空气间隙的污染和产量减少的方法。
发明内容
本发明提供了具有新结构的悬臂外延生长衬底以防止半导体装置由于氮化物半导体层生长工艺中的空气间隙而被污染。
本发明还提供了制造具有新结构的悬臂外延生长衬底的方法以防止半导体装置由于空气间隙而被污染。
根据本发明的一个方面，提供了一种悬臂外延生长衬底，包括：衬底；沿第一方向形成在衬底上的用于悬臂外延生长的多个图案区；以及接触所述多个图案区并沿第二方向形成在衬底上的至少一个溶液阻隔层。
第一方向和第二方向可以彼此正交。
衬底可以由蓝宝石、碳化硅、硅或ZnO形成。
图案区和溶液阻隔层可以由III族氮化物形成，例如GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN。
第一方向可以是<1-100>方向，且第二方向可以是<11-20>方向。
溶液阻隔层可以接触图案区的边缘。
根据本发明的一个方面，提供了一种形成悬臂外延生长衬底的方法，该方法包括：在衬底上涂覆III族氮化物并形成氮化物层；在所述氮化物层上沉积具有开口的掩模，所述开口相应于沿第一方向形成在衬底上的用于悬臂外延生长的多个图案区域和接触所述多个图案区并沿第二方向形成在衬底上的至少一个溶液阻隔层；和蚀刻除了所述图案区和溶液阻隔层之外的所述氮化物层并除去所述蚀刻的氮化物层。
附图说明
通过参考附图对本发明示范性实施例的详细描述，本发明的上述和其他特点和优点将更为明显，在附图中：
图1A到1C是进行常规形成工艺的悬臂外延生长衬底的剖面图；
图2A是用在常规悬臂外延形成工艺中的晶片的示意图；
图2B和2C是在通过悬臂外延工艺生长半导体装置之后常规半导体装置的剖面图像；
图3是根据本发明实施例的悬臂外延生长衬底的透视图；
图4A是根据本发明的实施例的悬臂外延生长衬底的图像；
图4B是根据本发明实施例的悬臂外延生长衬底生长的氮化物的图像；
图5A和5B是通过根据本发明实施例的悬臂外延生长衬底形成的半导体装置的剖面图像；
图6是在悬臂外延生长工艺中不形成阻隔溶液层的样品的百分比缺陷和其中形成阻隔溶液层的另一样品的百分比缺陷的曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示范性实施例。在附图中，为了清楚而夸大了层和区域的厚度。附图中相同的参考标号代表相同元件，且因此省略其说明。
图3是根据本发明实施例的悬臂外延生长衬底30的透视图。参考图3，衬底30包括用于生长悬臂外延的多个图案区31a和31b，以及接触该多个图案区31b的溶液阻隔层33。衬底30可以由蓝宝石、碳化硅、硅、ZnO等形成。图案区31a和31b沿第一方向形成在衬底30上。溶液阻隔层33接触图案区31b的边缘并沿第二方向形成在衬底30上。具体地，图案区31a和31b的第一方向可以与溶液阻隔层33的第二方向正交。溶液阻隔层33可以在图案区31a和31b的边缘形成为单层，或者在图案区31a和31b内形成为多层。
当半导体层形成在衬底30的0001晶面上作为溶液阻隔层33的扩展图案部分时，用于悬臂外延生长的图案区31b可以形成在<1-100>方向，且溶液阻隔层33可以形成在与图案区31b正交的另一方向<11-20>。溶液阻隔层33可以由与图案区31a和31b相同的材料形成，并可以在与形成图案区31a和31b相同的工艺中形成。为了形成工艺的方便，溶液阻隔层33可以具有与悬臂外延生长工艺中形成的图案区31a和31b相同或相似的宽度。具体地，溶液阻隔层33的宽度可以超过0.01微米。
现在将详细描述根据本发明实施例的悬臂外延生长衬底30的形成方法。
例如GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN的III族氮化物涂覆在衬底30上。衬底30可以由蓝宝石、碳化硅、硅、ZnO等形成，但本发明不限于此。在衬底30上涂覆III族氮化物之后，具有相应于图案区31a和31b及溶液阻隔层33的开口的掩模设置在衬底30上。除了图案区31a和31b及溶液阻隔层33的区域32使用湿法蚀刻工艺或例如反应离子蚀刻等的干法蚀刻工艺被除去，以暴露衬底30的表面。在本发明当前实施例的悬臂外延生长衬底30中，溶液阻隔层33与图案区31a和31b同时形成。
图4A是根据本发明实施例的悬臂外延生长衬底的图像。参考图4A，在制造半导体装置中未使用的图案区31a和在制造半导体装置中使用的图案区31b形成在悬臂外延生长衬底上。溶液阻隔层33形成在可用图案区31b的边缘。图案区31a和31b沿<1-100>方向形成在衬底的111晶面上。溶液阻隔层33沿<11-20>方向形成在衬底的111晶面上。
图4B是使用根据本发明实施例的悬臂外延生长衬底生长的氮化物的图像。参考图4B，在制造半导体装置中使用的各种有机材料、酸溶液等通过空气间隙沿方向B移动。然而，由于溶液阻隔层33，它们不能穿过图3所示的可用区A1。
图5A和5B是使用根据本发明实施例的悬臂外延生长衬底形成的半导体装置的剖面图像。参考图5A和5B，图3所示的可用区A1被垂直于衬底30剖开。空气间隙35仍存在于衬底30与半导体层34之间。然而，由于溶液阻隔层33限制了各种有机材料或酸溶液的流动，虽然溶液从一些区域穿过，衬底30得到了比图2A和2B所示的常规衬底更好的结果。
图6是在悬臂外延生长工艺中不形成阻隔溶液层的样品P1的百分比缺陷和其中形成阻隔溶液层的另一样品P2的百分比缺陷的图。参考图6，形成溶液阻隔层的半导体装置P2显示了良好的结果，具有5％与10％之间的低百分比缺陷。同时，未形成溶液阻隔层的半导体装置P1由于空气间隙区引起的污染而具有超过30％的高百分比缺陷。因此，使用简单工艺形成防止溶液流动通过图案区边缘的溶液阻隔层，因此大幅提高了产量。
根据本发明，在通过悬臂外延工艺生长半导体装置之后，形成在半导体即例如激光二极管的半导体发光装置的制造工艺中防止溶液流动的溶液阻隔层，由此防止由于空气间隙导致的半导体装置的污染，提高可靠性，并大幅提高半导体装置的产量。
虽然参考本发明的示范性实施例具体示出并描述了本发明，但本领域的技术人员应该理解，可以在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范畴内进行各种形式和细节的变化。

Claims (11)

1、一种悬臂外延生长衬底，包括：
衬底；
用于悬臂外延生长的多个图案区，沿第一方向形成在所述衬底上；和
至少一个溶液阻隔层，接触所述多个图案区并沿第二方向形成在所述衬底上。
2、根据权利要求1所述的悬臂外延生长衬底，其中所述第一方向和第二方向彼此正交。
3、根据权利要求1所述的悬臂外延生长衬底，其中所述衬底由蓝宝石、碳化硅、硅或ZnO形成。
4、根据权利要求1所述的悬臂外延生长衬底，其中所述图案区和溶液阻隔层由例如GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN的III族氮化物形成。
5、根据权利要求1所述的悬臂外延生长衬底，其中所述第一方向是<1-100>方向，且所述第二方向是<11-20>方向。
6、根据权利要求1所述的悬臂外延生长衬底，其中所述溶液阻隔层接触所述图案区的边缘。
7、一种形成悬臂外延生长衬底的方法，所述方法包括：
在衬底上涂覆III族氮化物并形成氮化物层；
在所述氮化物层上沉积具有开口的掩模，所述开口相应于沿第一方向形成在衬底上的用于悬臂外延生长的多个图案区域和接触所述多个图案区并沿第二方向形成在衬底上的至少一个溶液阻隔层；和
蚀刻除了所述图案区和溶液阻隔层之外的所述氮化物层并除去所述蚀刻的氮化物层。
8、根据权利要求7所述的方法，其中所述第一方向和第二方向彼此正交。
9、根据权利要求7所述的方法，其中所述衬底由蓝宝石、碳化硅、硅或ZnO形成。
10、根据权利要求7所述的方法，其中所述III族氮化物是GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN。
11、根据权利要求7所述的方法，其中所述溶液阻隔层接触所述图案区域的边缘。
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