CN102938436B - GaN基高压LED制造工艺中的隔离填充制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓（GaN）基高压发光二极管（LED）制造工艺中的隔离填充制作方法，包括：在衬底上形成N型氮化镓层后，进行第一次N型氮化镓层刻蚀以形成沟槽结构并在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层；在所述发光二级管制造过程中，形成P型氮化镓层，进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的结构，并在第一隔离绝缘层上方形成第二隔离绝缘层。本发明的方法使得形成隔离填充结构的难度得到很大的降低，为后续芯片电极金属化互联提供了较为平坦的爬坡结构，同时提高了隔离绝缘层对于沟槽侧面的覆盖质量，提高了GaN基高压发光LED的可靠性和良品率。

Description

GaN基高压LED制造工艺中的隔离填充制作方法

技术领域

本发明涉及发光二极管（LED）器件制造技术，具体涉及一种氮化镓（GaN）基高压发光二极管（LED）制造工艺中的隔离填充制作方法。

背景技术

氮化镓（GaN）基高压发光二极管（LED）是利用氮化镓半导体材料构件PN结来进行发光的半导体器件。由于其具有效率高、使用寿命长、能耗低等优点，因此，氮化镓基高压发光二极管具有良好的产业应用前景。

在氮化镓基高压发光二极管的制造工艺中，需要采用填充有隔离绝缘层的沟槽结构来隔离相邻的芯片。图1是现有的氮化镓基高压发光二极管制造工艺中的隔离填充制作方法的流程图。如图1所示，现有的隔离填充制作方法包括：

步骤110、在衬底上顺序形成N型氮化镓层、多量子阱发光层、P型氮化镓层和透明导电层。

步骤120、通过光刻技术制作沟槽图形，通过沟槽刻蚀去除透明导电层和外延层形成直达衬底的沟槽结构。

步骤130、在沟槽结构中形成隔离绝缘层。

步骤140、通过光刻和刻蚀制作平台刻蚀图形和透明导电层图形。

现有的隔离填充制作方法是在外延结构全部形成后进行沟槽刻蚀和隔离绝缘层填充，其沟槽刻蚀达到5微米以上，隔离绝缘层厚度大于4微米，由于一次性的沟槽刻蚀对掩膜的选择比要求较高，选择比低会导致刻蚀外延层损伤，并且刻蚀深度不够。而且，由于刻蚀深度较深，使用隔离绝缘层进行填充的时候对沟槽侧面的保护会存在覆盖不好的问题。由于上述原因，现有的方法会影响发光二极管芯片的良品率和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化镓基高压发光二极管制造工艺中的隔离填充制作方法，降低了工艺难度，提高良品率和可靠性。

本发明公开了一种氮化镓（GaN）基高压发光二极管（LED）制造工艺中的隔离填充制作方法，包括：

在衬底上形成N型氮化镓层后，进行第一次沟槽刻蚀以形成沟槽结构并在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层；

在所述发光二级管制造过程中，进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽，并在第一隔离绝缘层上方形成第二隔离绝缘层。

优选地，所述在所述发光二级管制造过程中，进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽包括：

在形成多量子阱发光层、P型氮化镓层和透明导电层并进而刻蚀形成用于承载N型电极的N型氮化镓平台后，进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽。

优选地，在形成多量子阱发光层前，还包括清洗表面的步骤。

优选地，所述清洗表面的步骤包括：

利用丙酮进行表面清洗；

利用异丙醇进行表面清洗；

利用去离子水进行至少5轮循环表面清洗。

优选地，所述衬底为蓝宝石衬底。

优选地，所述第一次沟槽刻蚀按照掩膜图形刻蚀掉N型氮化镓层直到所述蓝宝石衬底。

优选地，所述第一隔离绝缘层和所述第二隔离绝缘层的厚度之和小于所述N型氮化镓平台的厚度。

优选地，所述在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层包括：

在晶圆表面形成隔离绝缘层；

去除沟槽区域外的隔离绝缘层。

优选地，所述在第一隔离绝缘层上形成第二隔离绝缘层包括：

在晶圆表面形成隔离绝缘层；

去除沟槽区域外的隔离绝缘层。

本发明还公开了一种氮化镓（GaN）基高压发光二极管（LED）制造工艺中的隔离填充制作方法，包括：

在衬底上形成N型氮化镓层；

进行第一次沟槽刻蚀以形成沟槽结构并在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层；

清洗表面；

顺序形成多量子阱发光层、P型氮化镓层和透明导电层；

对所述透明导电层进行刻蚀以形成透明导电层图形；

刻蚀形成用于承载N型电极的N型氮化镓平台；

进行第二次沟槽光刻和刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽；

在第一隔离绝缘层上方形成第二隔离绝缘层。

本发明通过在外延层生长过程中先进行第一次沟槽刻蚀和第一次隔离绝缘层填充，在芯片制造过程中再进行第二次沟槽刻蚀和第二次隔离绝缘层填充，从而将隔离填充分成两个步骤进行，使得形成隔离填充结构的难度得到很大的降低，同时提高了隔离绝缘层对于沟槽侧面的覆盖质量，提高了GaN基高压发光LED的良品率。

附图说明

图1是现有的氮化镓基高压发光二极管制造工艺中的隔离填充制作方法的流程图；

图2是本发明实施例的氮化镓基高压发光二极管制造工艺中的隔离填充制作方法的流程图；

图3是本发明另一实施例的氮化镓基高压发光二极管制造工艺中的隔离填充制作方法的流程图；

图4a-图4h是本发明实施例的氮化镓基高压发光二极管制造工艺不同阶段的晶圆截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的步骤而非全部过程。

图2是本发明实施例的氮化镓基高压发光二极管制造工艺中的隔离填充制作方法的流程图。如图2所示，所述方法包括：

步骤210、在衬底上形成N型氮化镓层后，进行第一次沟槽刻蚀以形成沟槽结构并在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层；

步骤220、在所述发光二级管制造过程中，进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽，并在第一隔离绝缘层上方形成第二隔离绝缘层。

本实施例中第二次沟槽刻蚀的时机可以选择外延片形成后的开始二极管结构制造的任意时机进行。

本实施例通过在外延层生长过程中先进行第一次沟槽刻蚀和第一次隔离绝缘层填充，在芯片制造过程中再进行第二次沟槽刻蚀和第二次隔离绝缘层填充，从而将隔离填充分成两个步骤进行，使得隔离的难度得到很大的降低，同时提高了隔离绝缘层对于沟槽侧面的覆盖质量，提高了GaN基高压发光LED的良品率。

图3是本发明另一实施例的氮化镓基高压发光二极管制造工艺中的隔离填充制作方法的流程图。如图3所示，所述方法包括：

步骤310、在衬底上形成N型氮化镓层。

在本实施例中，衬底可以选用蓝宝石（Al₂O₃）衬底或碳化硅（SiC）衬底。在本实施例的一个优选方面中，还可包括在上述蓝宝石衬底或碳化硅衬底上预先形成氮化镓成核层（GaN nucleation layer）的步骤。

在本发明的一个优选实施例中，优选通过金属有机物化学气相沉积工艺(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)来形成N型氮化镓层，即将衬底基板(抛光晶圆片)放入外延炉反应室进行加热，同时将Ⅱ、Ⅲ族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）与非金属(Ⅴ或Ⅵ族元素)的氢化物(或烷基物)气体混合后送入反应室，混合气体流经加热的衬底表面时，在高温下，发生热分解反应，生成III-V或II-VI族化合物晶体沉积在衬底上，经过不断的磊晶过程，生长出厚度仅几微米的化合物半导体单晶薄膜(即外延层)。反应后，将残留的尾气被扫出反应室，通过去除微粒和毒性的尾气处理装置后被排出系统。

形成N型氮化镓层后的晶圆截面图如图4a所示。由图4a可知，晶圆包括衬底41以及形成在衬底上的N型氮化镓层42。

步骤320、进行第一次沟槽刻蚀以形成沟槽结构并在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层。

在本发明的一个优选实施方式中，沟槽结构可以通过如下的工艺步骤获得，即，在晶圆表面先生长一层掩膜层，然后通过光刻工艺制作出沟槽图形，再通过干法刻蚀，例如，使用感应耦合等离子体刻蚀（ICP），来对沟槽图形露出的N型氮化镓层进行刻蚀，腐蚀掉沟槽图形限定的部位的所有N型氮化镓层，获得直达衬底的沟槽结构。最后再去除覆盖其它部分的掩膜层。本领域技术人员可以理解，上述工艺步骤并不用于限制本发明，任何其它可以将N型氮化镓层部分刻蚀以形成沟槽结构的技术均可以应用于本步骤。在本发明的另一个实施方式中，当衬底上还包括氮化镓成核层时，还需要将沟槽图形的氮化镓成核层刻蚀掉露出蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。由于第一次沟槽刻蚀仅需要对N氮化镓层进行刻蚀，其刻蚀的深度较小，易于实现。

获得沟槽结构后，还需要在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层。在本发明的一个优选实施方式中，通过在刻蚀后，在晶圆表面先生长一层具有预定厚度的绝缘材料层，然后去除沟槽结构以外区域的绝缘材料层来形成第一隔离绝缘层。其中，绝缘材料层可以选用二氧化硅，通过蒸镀的方式形成绝缘材料层，再通过剥离的方式去除沟槽结构以外区域的二氧化硅。本领域技术人员可以理解，上述工艺步骤并不用于限制本发明，任何其它可以在沟槽结构底部形成隔离绝缘层的技术均可以应用于本步骤。第一隔离绝缘层的厚度仅为所需绝缘层厚度的一部分，因此其工艺难度较低，形成的隔离层的质量高。

第一次沟槽刻蚀并形成第一隔离绝缘层后的晶圆截面图如图4b所示。N型氮化镓层42的一部分被刻蚀形成沟槽结构43，所述沟槽结构43直达衬底41的表面，在沟槽结构43的底部，形成有预定厚度的第一隔离绝缘层44。

步骤330、清洗表面。

由于第一次沟槽刻蚀和形成第一隔离绝缘层的工艺会在晶圆表面遗留灰尘或者工艺残留物，因此，需要对晶圆表面进行清洗。

在本发明的一个优选实施例中，可以采用首先丙酮清洗，再进行异丙醇清洗，最后去离子水至少5轮循环清洗的工序来进行清洗操作。丙酮和异丙酮清洗的时间可优选为5分钟。本领域技术人员可以理解，上述工艺步骤并不用于限制本发明，任何其它可以对晶圆表面进行清洗技术均可以应用于本步骤。

步骤340、顺序形成多量子阱发光层、P型氮化镓层和透明导电层。

在晶圆表面清洗完毕后，将晶圆重新置入MOCVD设备中，在晶圆表面顺序生长多量子阱发光层和P型氮化镓层。

然后将晶圆从MOCVD设备中取出，以蒸镀或其它方式在晶圆表面形成透明导电层。所述透明导电层可以采用铟锡氧化物透明导电材料（ITO）、铟锌氧化物透明导电材料（IZO）或者上述材料的混合或组合物来形成。

外延层生长完毕且形成了透明导电层后的晶圆截面图如图4c所示。在N型氮化镓层和沟槽结构中的第一隔离绝缘层上方覆盖形成有多量子阱发光层45、P型氮化镓层46和透明导电层47。

步骤350、刻蚀形成用于承载N型电极的N型氮化镓平台。

在本发明的一个优选实施方式中，采用光刻工艺在透明导电层上制作承载N型电极的N型氮化镓平台的图形以及沟槽部分的图形，然后利用干法刻蚀工艺，例如使用感应耦合等离子体刻蚀（ICP），来对图形露出的透明导电层、P型氮化镓层、多量子阱发光层和N型氮化镓层进行刻蚀，形成用于承载N型电极的N型氮化镓平台。本领域技术人员可以理解，上述工艺步骤并不用于限制本发明，在本发明的其它实施方式中，可以将任何其它将外延层部分刻蚀以形成平台结构的技术应用于本步骤。

图4d是刻蚀形成用于承载N型电极的N型氮化镓平台后的晶圆截面图。如图4d所示，通过步骤350的刻蚀工艺，在晶圆表面形成了N型氮化镓平台结构48。

步骤360、进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽。

在本发明的一个优选实施方式中，第二次沟槽刻蚀与第一次沟槽刻蚀类似，即，在晶圆表面先生长一层掩膜层，然后通过光刻工艺制作出沟槽图形，再通过干法刻蚀，例如，使用感应耦合等离子体刻蚀（ICP），来对沟槽图形露出的N型氮化镓层进行刻蚀，腐蚀掉沟槽图形限定的部位的所有N型氮化镓层，获得直达第一隔离绝缘层沟槽结构。最后再去除覆盖其它部分的掩膜层。本领域技术人员可以理解，上述工艺步骤并不用于限制本发明，任何其它可以将N型氮化镓层部分刻蚀以形成沟槽结构的技术均可以应用于本步骤。由于第二次沟槽刻蚀在已经形成的N型氮化镓平台的基础上作进一步的刻蚀，因此，其刻蚀深度较少，工艺难度低，良品率高。

图4e是进行第二次沟槽刻蚀后的晶圆的截面图。如图4e所示，通过步骤360的刻蚀工艺，沟槽结构43重新被形成，其底部覆盖有第一隔离绝缘层44。

步骤370、对所述透明导电层进行刻蚀以形成透明导电层图形。

在本发明的一个优选实施方式中，在步骤370，对剩余的透明导电层进行干法或湿法刻蚀以形成所需要的透明导电层图形。

图4f是进行步骤370后的晶圆的截面图。如图4f所示，透明导电层47被刻蚀掉一部分形成所需的透明导电层图形。

步骤380、在第一隔离绝缘层上方形成第二隔离绝缘层。

在本发明的一个优选实施方式中，形成第二隔离绝缘层的工艺与形成第一隔离绝缘层的工艺类似，在晶圆表面先形成一层具有预定厚度的绝缘材料层，然后去除沟槽结构以外区域的绝缘材料层来形成第二隔离绝缘层。其中，绝缘材料层可以选用二氧化硅等，通过低温氧化的方式形成绝缘材料层。本领域技术人员可以理解，上述工艺步骤并不用于限制本发明，任何其它可以在沟槽结构底部形成隔离绝缘层的技术均可以应用于本步骤。第二隔离绝缘层的厚度构成所需绝缘层厚度的一部分，且，第一、第二隔离绝缘层的厚度之和小于N型氮化镓平台的高度。由于第二隔离绝缘层厚度较小，因此其工艺难度较低，形成的隔离层的质量高。

图4g是进行步骤380后的晶圆的截面图。如图4g所示，在第一隔离绝缘层44上方形成有第二隔离绝缘层49。并且，二氧化硅层还覆盖发光二极管芯片的表面和侧面。而且，第一隔离绝缘层44和第二隔离绝缘层49的厚度之和小于N型氮化镓平台的高度。

步骤380后，本实施例中的氮化镓基高压发光二极管的隔离填充结构就制造完成了。

在步骤380后，可以继续在N型氮化镓平台以及透明导电层上分别通过电极光刻和腐蚀并进而蒸镀形成N型电极和P型电极，从而完成对于发光二极管芯片的制造。

图4h是制造完成的GaN基高压LED的截面示意图。如图4h所示，所述LED包括叠置的衬底41、N型氮化镓层42、多量子阱发光层45、P型氮化镓层46、透明导电层47，其中，N型氮化镓层42上形成有用于承载电极的N型氮化镓平台48，在N型氮化镓平台48一侧的沟槽结构中形成有第一隔离绝缘层44和第二隔离绝缘层49以及与第二隔离绝缘层同时形成的覆盖LED芯片面表和侧面的绝缘层。在透明导电层47上方形成有P型电极47a，在N型氮化镓平台48上形成有N型电机48a。

需要说明的是，本实施例中选取在刻蚀形成N型氮化镓平台后进行第二次沟槽刻蚀和填充隔离绝缘层，充分利用了前面刻蚀N型氮化镓平台的成果，降低了第二次沟槽刻蚀的刻蚀深度，进一步降低了工艺难度。但是，本领域技术人员也可以理解，本实施仅为一优选实施例，第二次沟槽刻蚀和填充隔离绝缘层的操作也可以在外延层形成后，进行LED芯片制造的过程中的任意时机进行。

本实施例在生长得到厚度较大的N型氮化镓层后，先进行第一次沟槽刻蚀和第一次隔离绝缘层填充，然后再继续进行外延层生长，在制造电极前再进行第二次沟槽刻蚀和第二次隔离绝缘层填充，使得隔离的难度得到很大的降低，同时提高了隔离绝缘层对于沟槽侧面的覆盖质量，提高了GaN基高压发光LED的良品率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，包括：

在衬底上形成N型氮化镓层后，进行第一次沟槽刻蚀以形成沟槽结构并在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层；

在所述发光二级管制造过程中，进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽，并在第一隔离绝缘层上方形成第二隔离绝缘层；

所述在所述发光二级管制造过程中，进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽包括：在N型氮化镓层和沟槽结构中的第一隔离绝缘层上方覆盖形成多量子阱发光层、P型氮化镓层和透明导电层，并进而刻蚀形成用于承载N型电极的N型氮化镓平台后，进行第二次沟槽刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽。

2.根据权利要求1所述的氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，其特征在于，在形成多量子阱发光层前，还包括清洗表面的步骤。

3.根据权利要求2所述的氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，其特征在于，所述清洗表面的步骤包括：

利用丙酮进行表面清洗；

利用异丙醇进行表面清洗；

利用去离子水进行至少5轮循环表面清洗。

4.根据权利要求1所述的氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。

5.根据权利要求4所述的氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，其特征在于，所述第一次沟槽刻蚀按照掩膜图形刻蚀掉N型氮化镓层直到所述蓝宝石衬底。

6.根据权利要求1所述的氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，其特征在于，所述第一隔离绝缘层和所述第二隔离绝缘层的厚度之和小于所述N型氮化镓平台的厚度。

7.根据权利要求1所述的氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，其特征在于，所述在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层包括：

在晶圆表面形成隔离绝缘层；

去除沟槽区域外的隔离绝缘层。

8.根据权利要求1所述的氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，其特征在于，所述在第一隔离绝缘层上形成第二隔离绝缘层包括：

在晶圆表面形成隔离绝缘层；

去除沟槽区域外的隔离绝缘层。

9.一种氮化镓(GaN)基高压发光二极管(LED)制造工艺中的隔离填充制作方法，包括：

在衬底上形成N型氮化镓层；

进行第一次沟槽刻蚀以形成沟槽结构并在沟槽结构中形成第一隔离绝缘层；

清洗表面；

在N型氮化镓层和沟槽结构中的第一隔离绝缘层上方顺序形成多量子阱发光层、P型氮化镓层和透明导电层；

对所述透明导电层进行刻蚀以形成透明导电层图形；

刻蚀形成用于承载N型电极的N型氮化镓平台；

进行第二次沟槽光刻和刻蚀以形成到达第一隔离绝缘层的沟槽；

在第一隔离绝缘层上方形成第二隔离绝缘层。