DE10102315A1

DE10102315A1 - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE10102315A1
Application number: DE10102315A
Authority: DE
Inventors: Michael Heuken; Assadulah Alam; Holger Juergensen; Armin Dadgar; Alois Krost
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: WO2002058163A3; WO2002058163A2; DE10102315B4; WO2002058163A8; AU2002238422A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von kleinen kristallinen Plättchen, wie Halbleiterbauelemente, insbesondere LEDs, bei dem auf ein kristallines Substrat eine oder mehrere kristalline Schichten abgeschieden werden und anschließend die Schicht(en) vom Substrat getrennt, in die Plättchen bildenden Teilstücke zerteilt werden. Zur Vereinfachung der Vereinzelung sieht die Erfindung vor, dass das Substrat (1) in den Teilstücken (7) entsprechende Felder (3) vorstrukturiert wird und die Gitterkonstanten von Substrat (1) und Schicht(en) (9, 10) voneinander abweichen, dass an den Feldgrenzen (4) infolge der Gitterverspannung Trennrisse entstehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von kleinen kristallinen Plättchen wie Halbleiterbauelemen te, insbesondere LED's, bei dem auf ein kristallines Substrat eine oder mehrere vorzugsweise halbleitende, kristalline Schichten abgeschieden werden und anschlie ßend die Schicht(en) vom Substrat getrennt und in die Plättchen bzw. Bauelemente bildende Teilstücke zerteilt werden.

Derartige Verfahren sind im Stand der Technik bekannt. Die halbleitenden Schichten bestehen bei Leuchtdioden insbesondere aus Verbundhalbleitern der fünften und dritten Hauptgruppe. Die Schichten werden im CVD-Verfah ren, insbesondere MOCVD-Verfahren auf Substrate epitakt isch abgeschieden. Dies erfolgt in einer Prozeßkammer eines Reaktors, in welche Reaktionsgase eingebracht werden, die dort pyrolytisch zerfallen. Als Substrat wird üblicher Weise ein Kristall gewählt, welcher die selbe Gitterkonstante besitzt, wie die abzuscheidenden, unterschiedlich dotierten Schichten.

Aus der DE 198 38 810 A1 ist ein Verfahren zum Herstel len einer Mehrzahl von GA(In,Al)N-Leuchtdiodenchips bekannt, bei dem zunächst eine Maskenschicht auf ein Substrat aufgebracht wird. Es werden eine Mehrzahl von Fenstern gebildet. In die freigelegten Fenster werden die Halbleiterschichtfolgen abgeschieden. Danach er folgt eine Vereinzelung der hergestellten Elemente.

Im Stand der Technik ist es ferner bekannt III-V-Halb leiterschichten Saphirsubstrate oder Siliciumsubstrate abzuscheiden. Wegen der erheblichen Differenz der Gitterkonstanten kommt es dabei allerdings zu Spannungsris sen in der Schicht. Insbesondere kommt es zu Spannungs rissen, wenn III-V-Halbleiterschichten, beispielsweise Galiumnitrit (GaN) auf Siliciumsubstraten abgeschieden wird, da GaN eine hexagonale und Silicium eine kubische Gitterstruktur besitzt. Die Fehlanpassungen liegen hier bei mehr als 16%.

Um die auf einem Substrat abgeschiedenen Schichten zu Halbleiterbauelementen weiterzuverarbeiten, ist es erforderlich, die beschichtete Halbleiterscheibe (Sub strat mit Schichtstruktur) in eine Vielzahl von Teil stücken zu zerteilen. Dies erfolgt durch Ritzen, Sägen, Brechen oder dergleichen. Soll die Schichtstruktur vom Substrat getrennt werden, so erfolgt dies in der Regel chemomechanisch, auch durch Wegätzen des Substrats.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vereinze lung der lediglich aus den Schichten bestehenden Teil stücke zur Weiterverarbeitung zu den Bauelementen zu vereinfachen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.

Der Anspruch 1 sieht zunächst und im Wesentlichen vor, dass das Substrat in den Teilstücken entsprechende Felder vorstrukturiert wird und die Gitterkonstanten von Substrat und Schicht(en) derart voneinander abwei chen, dass an den Feldgrenzen zufolge der Gitterverspan nung Trennrisse entstehen. Die Strukturierung des Sub strates erfolgt vor der Beschichtung. Die Vorstruktur kann dadurch aufgebracht werden, dass in einem vorge schalteten Ätzschritt in bekannter Weise gitterartige Gräben, Stufen oder dergleichen auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Dies erfolgt nach einer zuvori gen Maskierung, wie sie aus der Siliciumtechnologie bekannt ist. Es ist auch möglich, die Vorstruktur durch eine dieleketrische Maske in Gitterform auszubilden. Als Dielektrikum kommt insbesondere Siliciumnitrit oder Siliciumoxyd in Betracht, wenn das Substrat aus einkri stallinem Silicium besteht. Wird auf ein derartig vor strukturiertes Substrat eine Schichtenfolge, beispiels weise aus unterschiedlich dotierten III-V-Halbleitern, beispielsweise GaN aufgebracht, bilden sich zufolge der stark voneinander abweichenden Gitterkonstanten Spannun gen, die zu Rissen in der Oberfläche führen. Diese Risse konzentrieren sich zufolge der Vorstrukturierung aber im Bereich der Feldgrenzen. Durch die dortige Konzentration bilden sie dort Trennrisse aus. Die Flä chen der Felder selbst bleiben im Wesentlichen riss- bzw. spaltfrei, wobei, abhängig vom Verwendungszweck der herzustellenden Bauelemente, geringe Anzahlen an derartigen Störstellen im Bereich der Teilstücke in Kauf genommen werden können. Auf die abgeschiedenen Schichten kann in einem dem Beschichtungsprozess nach folgenden Prozess eine Folie aufgebracht werden. Diese haftet auf der Schichtoberfläche. Es kann sich dabei um eine Klebefolie handeln. Die derart mit einer Folie beschichteten Halbleiterscheiben können dann temperatur behandelt werden. Sie können insbesondere abgekühlt, bevorzugt schockgekühlt werden. Dieses Abschrecken kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die so vorbereite te Halbleiterscheibe in flüssigen Stickstoff getaucht wird. Zufolge eines großen Unterschiedes zwischen der Wärmeausdehnungsfähigkeit der Schichten und der Wärme ausdehnungsfähigkeit des Substrates treten beim Ab schrecken im Bereich der Trennebene von Schicht und Substrat erhebliche Spannungen auf, die dazu führen, dass die Beschichtung sich vom Substrat trennt. Zufolge der Trennrisse zwischen den einzelnen Teilstücken ent stehen dort offene Fügen, so dass die auf der Folie aufklebenden Teilstücke räumlich voneinander getrennt sind. Handelt es sich bei der Folie um eine leitende Folie, so können die in ihrer Gesamtheit auf der Folie nebeneinanderliegenden Teilstücke gemeinsam getestet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Strukturierung der Substratoberfläche gitterartig erfolgt. Dann können die vom Substrat gelösten, auf der Folie als Matrix haftenden Teilstücke, automatisch geprüft werden. In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von Substraten gleichzeitig in einer einzigen Prozesskammer eines Reaktors beschichtet werden. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Temperatur während des Aufbringens der einzel nen Schichten über die gesamte Fläche nur geringfügige Abweichungen vom Sollwert besitzt. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Temperatur während der gesamten Be schichtungszeit im Wesentlichen konstant bleibt. Dies führt dazu, dass sich die zufolge der Gitterverspannung ausbildenden Spalte oder Risse im Bereich der Feldgren zen konzentrieren. Sie bilden dort quasi eine Sollbruch stelle. In dem Bereich der Feldgrenzen hat die dort stark zerklüftete Beschichtung nur eine geringe Haftung zum Substrat bzw. zu den Teilstücken, so dass sich beim Abtrennen der Beschichtung vom Substrat die oben erwähn ten gitterförmig angeordneten Fugen ausbilden. Die Beschichtung erfolgt bevorzugt eines mittels MOCVD-Ver fahrens. Vor der Beschichtung mit den aktiven, entweder P- oder N-dotierten Galiumnitritschichten wird auf das Substrat eine Nukleationsschicht beispielsweise aus AlAs oder aus AlN aufgebracht. Auf das Substrat können ein oder mehrere Schichten aufgebracht werden. Bevor zugt besitzen die Schichten eine einheitliche oder ähnliche Gitterkonstante. Dies hat den Vorteil, dass sich die von den abgetrennten Teilstücken gebildeten Plättchen nicht wölben. Haben die Schichten untereinan der verschiedene Gitterkonstanten, so können sich die vom Substrat abgetrennten Plättchen wölben, was für bestimmte Anwendungsfälle sogar gewünscht sein kann. Zur Beeinflussung der elektronischen Parameter kann es ebenfalls förderlich sein, Schichten mit verschiedenen Gitterkonstanten aufeinander abzuscheiden.

Die Erfindung betrifft ferner ein Zwischenprodukt, bestehend aus einem Substrat mit einer oder mehreren darauf aufgebrachten Schichten. Die Schicht ist unter teilt in eine Vielzahl von Teilstücken, wobei der Grenz bereich zwischen den mit Abstand zueinanderliegenden Teilstücken Trennrisse bildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 grobschematisch ein vorstrukturiertes Sub strat,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Substratoberfläche,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 3 mit einer ande ren Struktur,

Fig. 5 eine Darstellung gemäß Fig. 2 mit einer vari ierten Feldstruktur,

Fig. 6 eine schematische Darstellung gemäß Fig. 2 bzw. 5 nach Aufbringen der Beschichtung,

Fig. 7 einen Schnitt gemäß der Linie VII-VII und

Fig. 8 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch die an einer Folie haftenden Teilstücke der Schicht nach dem Trennen vom Substrat.

Das in der Fig. 1 dargestellte Substrat ist eine ein kristalline Siliciumscheibe. Der Durchmesser des Sub strates kann bis zu 30 cm betragen. Diese Scheibe wird in bekannter Weise mit einer gitterartigen Struktur versehen. Dies kann nach einer zuvorigen Maskierung mittels Fotolack erfolgen. Die Struktur, die in der Fig. 3 dargestellt ist, wurde eingeätzt. Es handelt sich dabei um sich kreuzende Gräben 5, so dass zwischen den Gräben 5 liegende Felder bestehen bleiben.

Bei dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel besteht die Struktur aus einer dielektri schen Maske 6, die aus Siliciumnitrit oder Siliciumoxyd bestehen kann. Während bei dem in der Fig. 2 dargestell ten Ausführungsbeispiel die Felder 3 eine quadratische oder rechteckige Struktur besitzen, besitzen die Felder 3 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, 5 eine kreis förmige oder gerundete Form. Diese Form ist vorteil haft, um die auf den Feldern 3 abgeschiedenen Teilstüc ke 7 besser vom Substrat 1 abzulösen.

Die Form der Felder ist unabhängig von der Art der Struktur der Feldgrenzen.

Auf das so vorstrukturierte Siliciumsubstrat 1 wird im Wege der MOCVD in einer Prozesskammer eines Reaktors eine Schichtstruktur aufgebracht. Diese Schichtstruktur besteht bevorzugt aus mehreren, übereinander aufgebrach ten Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Die in der Fig. 7 dargestellte Schichtstruk tur besteht aus einer ersten Schicht 10, die beispiels weise n-dotiert ist und einer darauf aufgebrachten Schicht 9, die beispielsweise p-dotiert ist. Zwischen diesen Schichten ist eine nicht dargestellte aktive Schicht oder eine aktive Schichtfolge angeordnet. Diese Schicht kann aus GaInN oder GaN bestehen und elektro nisch einen Quantenpotentialtopf ausbilden. Vor dem Auf bringen der Schichten 10, 9 wird das Substrat 1 mit einer dünnen Nukleationsschicht beschichtet. Diese kann aus AlAs oder AlN bestehen. Die Nukleationsschicht hat eine Dicke zwischen 3 und 100 nm. Die elektrisch akti ven Schichten 9, 10, die aus GaN bestehen können, haben bevorzugt eine Dicke von einem oder mehreren µm. Die Kantenlänge der Felder 3 beträgt etwa 300 µm. In dieser Größenordnung liegt auch der Durchmesser der Felder 3 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5.

Das Kristallwachstum findet nicht nur auf den Feldern 3 statt, sondern auch auf den Flächen der Feldgrenzen 4. Insbesondere in den Gräben 5 und auf der Maske 6 kommt es zu einem Kristallwachstum. Im Bereich der Feldgren zen 4 erfolgt das Kristallwachstum aber stark gestört.

In der Fig. 7 ist angedeutet, dass im Bereich der Fel der ein im Wesentlichen einkristallines Kristallwachs tum stattfindet. Im Bereich der durch den Graben 5 ausgebildeten Störung zwischen den zwei benachbarten Feldern 3 konzentrieren sich die zufolge der Kristall spannung auftretenden Spalten bzw. Risse zu Trennrissen 8. Dort hat die Beschichtung eine "bröselige" Konsi stenz. Sie ist dort stark zerklüftet.

Nach Aufbringung der Beschichtung wird auf die oberste Schicht 9 eine Folie 12 aufgeklebt. Bei dieser Folie kann es sich um eine leitende Folie handeln. Die so mit einer Folie versehene Halbleiterscheibe wird sodann abgeschreckt. Dieses Schockkühlen erfolgt beispielswei se dadurch, dass die Halbleiterscheibe in flüssigen Stickstoff getaucht wird. Bei diesem Abschrecken tren nen sich die aufgebrachten Schichten im Bereich der Nukleationsschicht 11 vom Substrat 1 als Folge der Temperaturspannung.

Wegen der "bröseligen" Konsistenz der Beschichtung im Bereich der Feldgrenze 4 verbleiben zwischen den den Feldern 3 zugeordneten Teilstücken 7 Fugen 13.

Dies hat zur Folge, dass die Teilstücke 7 in rasterför miger Anordnung auf der Folie 12 elektrisch getrennt voneinander angeordnet sind. Es ist dabei sogar unschäd lich, wenn sich innerhalb der Feldgrenzen 4 auf Anhieb keine freien Abstandsfugen 13 ausbilden. Eventuell verbleibende Restpartikel zwischen den Teilstücken 7 erlauben es trotzdem, die auf der Folie anhaftenden Teilstücke 7 elektrisch zu testen.

Nach dem Testen kann die vom Substrat abgelöste Oberflä che der n-dotierten Schichtszenen sogar ebenfalls mit einer Folie kontaktiert werden. Auch hier können alle Teilstücke 7 einer Halbleiterscheibe gemeinsam folien kontaktiert werden.

Zum Trennen braucht nur die Folie geteilt zu werden. Die auf der Folie getrennt voneinander angeordneten Chips können aber auch direkt der Folie entnommen wer den, um nach einem darauffolgenden Kontaktierschritt mit einem Gehäuse verbunden zu werden.

Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswe sentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) voll inhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von kleinen kristalinen Plättchen, wie Halbleiterbauelemente, insbesondere LED's, bei dem auf ein kristallines Substrat eine oder mehrere kristalline Schichten abgeschieden werden und anschließend die Schichten vom Substrat getrennt, in die Plättchen bildenden Teilstücke zerteilt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) in den Teilstücken (7) entsprechende Felder (3) vorstruktu riert wird und die Gitterkonstanten von Substrat (1) und Schicht(en) (9, 10) derart voneinander abweichen, dass an den Feldgrenzen (4) zufolge der Gitterverspan nung Trennrisse entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke (7) durch Temperaturvariation, insbesondere Abkühlen, bevorzugt Schockkühlen vom Substrat getrennt werden.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass vor dem Trennen eine Haftfolie (12) auf die Schicht (9) aufgebracht wird, an welcher die Teil stücke (7) anhaften.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass die Haftfolie (12) eine Klebefolie ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass die Haftfolie (12) elektrisch leitend ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Vielzahl von Substraten (1) gleich zeitig in einer einzigen Prozesskammer eines Reaktors beschichtet werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass die Vorstruktur gitterartige Gräben (5), Stufen (6) oder dergleichen umfasst.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass die Vorstruktur geätzt wird oder als dielektrische Maske ausgebildet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass das Substrat Silicium ist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass die Beschichtung eine III-IV-Halbleiter schicht ist und insbesondere GaN umfasst.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass die Beschichtung durch MOCVD erfolgt.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn zeichnet, dass vor der Beschichtung auf das Substrat (1) eine Nukleationsschicht (11), insbesondere in Form AlAs oder AlN aufgebracht wird.

13. Zwischenprodukt eines nach dem Verfahren eines oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Halbleiterbauelementes, mit mindestens einer gitter fehlangepasst auf ein Substrat aufgebrachten halbleiten den, einkristallinen Schicht, gekennzeichnet durch gitternetzangeordnete Trennrisse aufweisende Zonen, wobei die in den Gitterzwischenräumen angeordneten Flächenabschnitte (7) im Wesentlich rissfrei sind.