CN101635250A - 衬底构造体及其移除方法 - Google Patents

Abstract

一种衬底构造体及移除衬底构造体的方法，是在衬底上，以微影蚀刻方式，制作多个柱状体。在多个柱状体上，成长三族氮化物半导体层。以化学蚀刻方式，蚀刻多个柱状体，使该三族氮化物半导体层与该衬底分离。通过多个柱状体间的空隙可大幅增加蚀刻反应面积，可加强蚀刻分离半导体层与衬底的效率，降低制造方法上的花费。

Description

衬底构造体及其移除方法

技术领域

本发明涉及一种半导体制造方法；尤其涉及一种移除衬底构造体的方法。

背景技术

现有技术不乏有揭示如何移除衬底的。举例而言，美国专利第6648996号以及第7169227号分别揭示一种氮化镓芯片的制造方法，其衬底材料为铝酸锂(LiAlO₂)。此铝酸锂衬底的厚度约为430mm，以湿蚀刻(Wet Etch)的方式进行移除，但需要约数天才能移除完毕(一般室温下酸蚀刻铝酸锂的速率约为每分钟15～35nm)，效率不高。此外，单纯以湿蚀刻方式进行衬底移除，会有不均匀的问题。

另外，美国专利第6218280号曾提到以机械力量剥开(peels off)铝酸锂衬底，此种方法合格率不高、易碎裂。同篇专利也曾提到单纯以湿蚀刻方式进行衬底移除，然而也会有衬底移除效率不高且不均匀等问题。

此外，美国专利公开第2007/0141814号揭示的衬底移除方法，有单纯的湿蚀刻、干蚀刻、机械抛光、化学机械抛光等。这些方法都会有移除效率不高、不均匀、或易裂等缺点。美国专利第6740604号提到一种垂直式的发光元件，其以激光打在衬底和元件间的界面上，以分离衬底。如此的分离方式设备昂贵，且外延层厚度过大会有翘曲问题。

美国专利第6071795号揭示一种利用激光分离衬底与氮化镓层的方法，其在衬底和氮化镓层之间形成低温缓冲层，以吸收衬底和氮化镓层间的不匹配。当激光打在衬底上时，低温缓冲层因为最脆弱，故会从低温缓冲层裂开，而分离衬底与氮化镓层。如此的分离方式设备昂贵，且外延层厚度过大会有翘曲问题。综上所述，有必要提出一种移除衬底构造体的方法，能改善上述现有技术的缺点。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种移除衬底构造体的方法，改善现有技术的缺点。

本发明的另一目的，在于提出一种衬底构造体，其可用于实现上述移除衬底构造体的方法。

为达上述目的，本发明揭示一种移除衬底构造体的方法，包括：在衬底上，以微影蚀刻方式，制作多个柱状体；在该多个柱状体上，成长三族氮化物半导体层；以及以化学蚀刻方式，蚀刻该多个柱状体，使该三族氮化物半导体层与该衬底分离。

在所述的移除衬底构造体的方法中，该三族氮化物半导体层的成长方法，是氢化物气相外延法、金属有机化学气相沉积法、或分子束外延法。

在所述的移除衬底构造体的方法中，以化学蚀刻方式，蚀刻该多个柱状体的步骤，是利用蚀刻液进行。

在所述的移除衬底构造体的方法中，该蚀刻液是含水硫酸、磷酸、盐酸或其组合。

为达上述目的，本发明还揭示一种移除衬底构造体的方法，包括在衬底上，以微影蚀刻方式，制作多个柱状体；在多个柱状体上，成长三族氮化物半导体元件层；在三族氮化物半导体元件层上，形成金属镜面层；在金属镜面层上，形成导电材料层；以化学蚀刻方式，蚀刻多个柱状体，使三族氮化物半导体元件层与衬底分离，而得垂直式发光元件，其中垂直式发光元件包括三族氮化物半导体元件层、金属镜面层以及导电材料层。

本发明利用多个柱状体间的空隙可大幅增加蚀刻反应面积，因此本发明提出的方法可加强蚀刻分离半导体层与衬底的效率，也可降低制造方法上的花费。

本发明也提供一种衬底构造体，包括衬底以及多个柱状体。这些多个柱状体，以微影蚀刻方式，制作在衬底上。这些多个柱状体上可成长三族氮化物半导体层。

在所述的衬底构造体中，该三族氮化物半导体层的成长方法，是氢化物气相外延法、金属有机化学气相沉积法、或分子束外延法。

在所述的衬底构造体中，衬底的材料是铝酸锂或镓酸锂。

本发明还提供一种衬底构造体，包括：衬底以及多个柱状体，以微影蚀刻方式，制作在该衬底上，其中该多个柱状体上可成长三族氮化物半导体元件层。

在所述的衬底构造体中，衬底的材料是铝酸锂或镓酸锂。

本发明蚀刻容易，且不需高温，可减少对三族氮化物半导体层的伤害。

附图说明

图1为根据本发明第一优选实施例，一种移除衬底构造体的方法流程示意图；

图2为根据本发明第二优选实施例，一种移除衬底构造体的方法流程示意图；

图3为图1流程进行时各剖面结构的示意图；

图4为图2流程进行时各剖面结构的示意图；以及

图5为图4下，一种垂直式发光元件发光示意图。

其中，附图标记说明如下：

303、304、308、309步骤

403、405、406、407、410、408、409步骤

101衬底                    102掩模

103柱状体                  104三族氮化物半导体层

105三族氮化物半导体元件层

106金属镜面层              107导电材料层

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种半导体制造方法。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的结构元件。显然地，本发明的施行并未限定光源模块的技术人员所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的元件并未描述在细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的优选实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以随后的权力要求为准。

图1为根据本发明第一优选实施例，一种移除衬底构造体的方法流程示意图。图3为图1流程进行时，各剖面结构的示意图。请参阅图3箭头以上及图1，在步骤303，在衬底101上，以微影蚀刻方式，制作多个柱状体103。这也是一种将衬底101图案化的步骤。关于柱状体，仅是举例而已，任何可以在衬底101上增加表面积的几何形状，皆不脱离本发明的精神与范围。衬底101的材料，可以是铝酸锂(LiAlO₂)或镓酸锂(LiGaO₂)。

请参阅图3箭头以上，依上述光掩模，所制得的掩模(mask)102，位于衬底101上。在进行上述蚀刻之后，会留下多个柱状体103。随后，会移除掩模102。

请一并参阅图1及图3箭头以下，在步骤304，在多个柱状体103上，成长三族氮化物半导体层104。此三族氮化物半导体层104，可以是氮化镓层、氮化铝层、氮化铟层或氮化铝镓铟等。三族氮化物半导体层104的成长方法，可以是氢化物气相外延法(HVPE)、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、或分子束外延法(MBE)。

在步骤308，以化学蚀刻方式，蚀刻多个柱状体103，使三族氮化物半导体层104与衬底101分离，而得独立三族氮化物半导体层104，见步骤309。所谓化学蚀刻方式，可以是将衬底101、多个柱状体103以及三族氮化物半导体层104整个结构，浸泡在蚀刻液a中。该蚀刻液a可以是含水硫酸、磷酸、盐酸或其组合(例如磷酸加含水硫酸)。此时，由于湿式蚀刻是一种各向异性蚀刻，蚀刻液a会横向地流入多个柱状体103之间的空隙。在蚀刻过程中，由于柱状体103很细，因此会从多个柱状体103处开始被蚀断，以分离三族氮化物半导体层104与衬底101。此时，被蚀刻后的多个柱状体103可能残留于三族氮化物半导体层104与衬底101上。

如果没有多个柱状体103，而只在衬底101上成长三族氮化物半导体层104，则随后利用蚀刻液进行蚀刻时，如果要使衬底101完全离开三族氮化物半导体层104，会需要很长的蚀刻时间。

本发明利用多个柱状体间的空隙，大幅增加蚀刻反应面积。因此，本发明提出的方法，可提高蚀刻分离半导体层与衬底的效率，也可降低制造方法上的花费，完成三族氮化物材料独立衬底。

图2为根据本发明第二优选实施例，一种移除衬底构造体的方法流程示意图。图4为图2流程进行时，各剖面结构的示意图。请参阅图4箭头以上及图2，在步骤403，在衬底101上，以微影蚀刻方式，制作多个柱状体103。这也是一种将衬底101图案化的步骤。关于柱状体，仅是举例而已，任何可以在衬底101上增加表面积的几何形状，皆不脱离本发明之精神与范围。衬底101的材料，可以是铝酸锂(LiAlO₂)或镓酸锂(LiGaO₂)。

请参阅图4箭头以上，依上述光掩模，所制得的掩模102，位于衬底101上。在进行上述蚀刻之后，会留下多个柱状体103。随后，会移除掩模102。

请一并参阅图2及图4箭头以下，在步骤405，在多个柱状体103上，成长三族氮化物半导体元件层105。此三族氮化物半导体元件层105，可包括N层、量子阱层(quantum well layer)、P层。

在步骤406，在三族氮化物半导体元件层105上，形成金属镜面层106。在步骤407，在金属镜面层106上，形成导电材料层107。导电材料层107的形成方法，可以是沉积、化镀、电镀、接合(bonding)等方法。

在步骤408，以化学蚀刻方式，蚀刻多个柱状体103，使三族氮化物半导体元件层105与衬底101分离，而得垂直式发光元件，见步骤409。

所谓化学蚀刻方式，可以是将衬底101、多个柱状体103、三族氮化物半导体元件层105、金属镜面层106及导电材料层107整个结构，浸泡在蚀刻液a中。该蚀刻液a可以是含水硫酸、磷酸、盐酸或其组合(例如磷酸加含水硫酸)。此时，由于湿式蚀刻是一种各向异性蚀刻，蚀刻液a会横向地流入多个柱状体103之间的空隙。在蚀刻过程中，由于柱状体103很细，因此会从多个柱状体103处开始被蚀断，以分离三族氮化物半导体元件层105与衬底101。此时，被蚀刻后的多个柱状体103可能残留于三族氮化物半导体元件层105与衬底101上。

如果没有多个柱状体103，而只在衬底101上成长三族氮化物半导体元件层105、金属镜面层106及导电材料层107，则随后利用蚀刻液进行蚀刻时，如果要使衬底101完全离开三族氮化物半导体元件层105，会需要很长的蚀刻时间。

本发明利用多个柱状体间的空隙，大幅增加蚀刻反应面积。因此，本发明提出的方法，可提高蚀刻分离半导体层与衬底的效率，也可降低制造方法上的花费。

图5为根据本发明图4箭头以下，一种垂直式发光元件发光示意图。将上述三族氮化物半导体元件层105倒过来看，并参阅图5及图4最下，垂直式发光元件由上而下，可包括三族氮化物半导体元件层105、金属镜面层106、及导电材料层107。

请参阅图4箭头以下及图2，在蚀刻多个柱状体103之前，可在导电材料层107外，形成蚀刻保护层，见步骤410。不过，这个步骤也可以省略，因为柱状体103相对于导电材料层而言，前者是很脆弱的。只要是遇到有水气的环境，柱状体103就可能被蚀刻，这种情形就是一种受潮的现象。

以铝酸锂做为柱状体103的材料为例，它的氧原子很容易跟水结合，使得其原本的键结被切断。应注意的是，一般而言，蚀刻液都含有水，所以很容易对柱状体103进行蚀刻。据此，即使没有保护层，随后所得到的垂直式发光元件，最多也只会被少许蚀刻(可能是数微米而已)，不会伤害到发光元件内的量子阱层(quantum well layer)，由于导电材料层107的厚度相对较厚，被蚀刻的厚度亦相对较薄。

相对而言，柱状体103的厚度可以只有约3-4微米，而且柱状体103之间存在有空隙，蚀刻液a可流入多个柱状体103之间的空隙，其只需要几分钟，多个柱状体103就会从三族氮化物半导体元件层105下被完全分离。

本发明可以有至少下列优点：

1.本发明利用多个柱状体间的空隙可大幅增加蚀刻反应面积，因此本发明提出的方法可加强蚀刻分离半导体层与衬底的效率，也可降低制造方法上的花费。

2.衬底分离速率快，且均匀程度高，无须后续抛光制造方法(CMP)或过度蚀刻(Over Etching)制造方法。

3.无需昂贵激光分离设备，且衬底可回收再利用，节省成本。

4.本发明蚀刻容易，且不需高温，可减少对三族氮化物半导体层的伤害。应注意的是，室温下一般酸蚀刻速率约为30nm/min。以厚度约为430um的衬底而言，现有技术需要蚀刻数天才能蚀刻完全。如果增加温度来提高蚀刻率，会伤害三族氮化物半导体层，并不足采纳。

虽然本发明已经以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。任何本领域的技术人员，所作各种更动或修正，仍属本发明的精神和范围。

本发明的保护范围，视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种移除衬底构造体的方法，包括：

在衬底上，以微影蚀刻方式，制作多个柱状体；

在该多个柱状体上，成长三族氮化物半导体层；以及

以化学蚀刻方式，蚀刻该多个柱状体，使该三族氮化物半导体层与该衬底分离。

2.如权利要求1所述的移除衬底构造体的方法，其中该三族氮化物半导体层的成长方法，是氢化物气相外延法、金属有机化学气相沉积法、或分子束外延法。

3.如权利要求1所述的移除衬底构造体的方法，其中以化学蚀刻方式，蚀刻该多个柱状体的步骤，是利用蚀刻液进行。

4.如权利要求3所述的移除衬底构造体的方法，其中该蚀刻液是含水硫酸、磷酸、盐酸或其组合。

5.一种移除衬底构造体的方法，包括：

在衬底上，以微影蚀刻方式，制作多个柱状体；

在该多个柱状体上，成长三族氮化物半导体元件层；

在该三族氮化物半导体元件层上，形成金属镜面层；

该金属镜面层上，形成导电材料层；以及

以化学蚀刻方式，蚀刻该多个柱状体，使该三族氮化物半导体元件层与该衬底分离，而得垂直式发光元件。

6.如权利要求5所述的移除衬底构造体的方法，其中该垂直式发光元件包括该三族氮化物半导体元件层、该金属镜面层以及该导电材料层。

7.一种衬底构造体，包括：

衬底；以及

多个柱状体，以微影蚀刻方式，制作在该衬底上，其中该多个柱状体上可成长三族氮化物半导体层。

8.如权利要求7所述的衬底构造体，其中该三族氮化物半导体层的成长方法，是氢化物气相外延法、金属有机化学气相沉积法、或分子束外延法。

9.如权利要求7所述的衬底构造体，其中衬底的材料是铝酸锂或镓酸锂。

10.一种衬底构造体，包括：

衬底；以及

多个柱状体，以微影蚀刻方式，制作在该衬底上，其中该多个柱状体上可成长三族氮化物半导体元件层。

11.如权利要求10所述的衬底构造体，其中衬底的材料是铝酸锂或镓酸锂。

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