TW200947747A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

Description

200947747 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於-種半導體元件的製造方法，特別是有關於一 種可用以解決膜層内部應力之半導體元件的製造方法。 、 【先前技術】 發光二極體（light emitting diode，LED)自從50年代發展 至今’由於具備有壽命長、體積小、發熱量低、耗電量小、反應速 度快、無汞污料職問_及單性紐光之概及優點，因此短 β短4十年間’發光—極體已廣泛應用於各種日常生活產品與儀器設 備中’舉凡電腦周邊設備、時鐘顯示器、廣告看板、交通號諸燈、 通訊業或消費電子產品等’可見得發光二極體其於產品應用範圍之 廣泛。尤其當藍光發光二極體問世後，紅、綠、藍光等三色發光二 極體先後完成研發，便於組成一全彩化結構，使得發光二極體於全 彩色顯示器的應用更為完整。 於現今藍光發光二極體製程中，主要分為兩大類：分別以藍寶 石（sapphire)基板為主軸的一類或以礙化石夕（Sic)基板為主軸的 ® 類。然而，由於以藍寶石為基板的發光二極體其亮度、對比度等 物理特性或導電率等電性皆較碳化矽基板出色，其可期待性與未來 發展性相對的南於碳化梦基板。 習知技術中，通常會於藍寶石基板上成長GaN系化合物半導體 材料’然而藍寳石材料的晶格係數與GaN系化合物的晶格係數之晶 格不匹配度相差約13%之多。磊晶製程中，若上下膜層材料之晶格 差異遠大於3%，此晶格差異情形除了會降低成長於藍寶石基板上 的膜層品質’且不匹配的晶格所產生應力，更會使膜層出現缺陷， 甚至於產生嚴重的裂痕。此龜裂現象會嚴重影響後續成長的膜層其 5 200947747 完整度，並大大降低元件之可靠度。 因此習之肋通常會於晶格絲較大_層之咖外成長 層結構或-緩衝層（buffer layer)，然而此膜層結構或緩衝當 容易造成吸光現象，並降低元件的光電效應，或者此膜層結&石曰 製程穩定性及再現性低，不良的膜層結構更易造成^件品質2 壞，亦降低元件的結構特性與電子性質。 如美國專利US701551卜提出將A1GaN成長於 ❹表面，請參考第—圖所示，藉此避免裂痕的產生。 理係為··造成材料裂痕的張力會沿著_島狀結構 而不會平行於A1GaN膜層所放置的平面。因此雖然張力隨著 : aN的厚度變厚而增加’但總合張力並不會因此成比例的增加。 =所提出之利用不連續島狀結構解決材料中晶格的張力 t w非治本之道，因張力仍存在於膜層中，並無得到釋放，若 的/纖嫌結義度，職結構的斜面Ϊ 斜面不復存在，意味著裂痕問題的浮現。且此 β 構之⑼触敎歸，再雜低，不册元件的大 以達至12此姓仍有必要開發新的半導體元件的製造方法或結構， 以符合市場Ϊ求產生裂痕情形’提高元件可靠度，降低生產成本， 【發明内容】 本發明提供—種半導體元件 產生的臈層品質不良 & «以解决曰曰格差異所 寳石基板與成長於Α ^:卜更可用以解決發光二極體中，藍 、二族氮化物之間，因晶格不匹配所產生的 6 200947747 應力而造成的裂痕情形。 本發明提供-種料體元件的製造方法，可Μ簡化後續晶粒 切割製程。 、本發明提供-種半導體元件的製造方法，包含：提供一基板， 並於基板表面湘光學微韻刻或方式形成複數條溝 槽，此複數條溝槽將基板表面劃分成複數個平台結構（賴 _cture) ’並使基板成為一圖案化基板；以及成長一半導體元 :(例如：光電元件或發光二靖）於_化基板表面。上述半導 體=具有至少-層膜層，其中，與圖案化基板接觸之膜層係為第 j層’上述第-麟藉由複數條溝私被财成複數個不相連之 區域。 【實施方式】 〜齡在此所探討的方向為—種半導體元件的製造方法。為了 發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其組 ❹ =習=1，Γ施行並未限枝製造半導體元件之技藝者所 2的特殊_ m眾賴知的組成或步未描述於細 二:成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳 二ΓΓ這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛= 且树__蚊，其岐後的專利 一般習知技射’往往會於日日日格不匹 表面額外形成-緩和層或緩和結構， 二 3 ;土 不良情形，如裂痕或缺陷等問題 ft曰格差異所造成的元件 出其所主張的解決方法。 下斤列舉的兩件先前技術各提 7 200947747 美國專利US7326963 ’提出以超晶格（superlattice)結構為 張力緩和層（strain-relievingstructure)，用以釋放因臈層材料 間之晶格不獅所產生的應力。然而，超日日日格結構是—種特定形式 的層狀精細複合材料，主要由兩種以上不同化學成份、不同晶格的 奈米薄膜以幾個納米到幾十個納采的尺寸交替生長而成，且超晶格 結構需保持嚴格的週期性，因此超晶格結構的質難以控 製得、，不㈣賴社料造成元件光t效應的降低。制不易 β美國專利腿74747 ’主要針對膜層與膜層間的晶格錯位情形 提出-解決方法。此專利提出將雷射二極體元件成長於一具有平台 結構之SiC基板’以解決SiC與GaN材料間之晶格不匹配(心她^) (不匹配度約為3%)所造成的晶格錯位情形。在⑽系統中，小面 積的平σ、，，σ構可以減少線性界面的錯位（€1。^^)密度。其戶斤 憑藉的原理係為：錯位的情形會移至小面積平台柱腳的邊緣，並於 一錯位情形與另一錯位情形相遇並互相影響前消滅。 、—然而上述先前技術所提出緩和晶格不匹配的解決方法，除了製 程複雜，難以實施之外，亦不易控制品質的良率，另一件傳統技術 所提出的方法則是肋解決晶格不㈣度約為3 %附近的晶格不匹配 所產生的BB格錯位清形，而非解決晶格不匹配度遠大於观時膜層間 所產生的應力問題。 為了提出-更完善，製作上更容㈣成的應力_解決方法， 本發明提出-種半導體元件㈣造方法，除了以—般製程手段即可 f成、，更不需形成—額外的結構或膜層來解決晶格所產生的應力問 題’以避免此額外的膜層或結構吸收活化層（active layer)所產 生的光線@降低了疋件的光電效應。此外，本發明所提出的半導 8 200947747 體疋件的製造方法’對於元件後續的晶粒切割上更為便利。 ❿ 參 、，本發明彻預先製作之圖案化基板成長三族氮化物半導體材料 或，電7G件’特別是對於成長紹含量超過25%之三族氮化物半導體 材料(如AlxInyGan^N，χ>0.25)，利用本發明可大輻降低材料内部之 ，力’避免材料發生龜裂而使元件失效的現象。同時由於材料内部 蓄積之應力較低，亦可提高元件之光電效益。此外，本發明所提供 =導體το件的製造方法’省去為了降低應力的累積所於元件内部 名夕成長的結構’避免此額外加入的結構破壞原有元件的光電效益。 、本發月提供種半導體元件的製造方法，包含：提供-基板， f於基板表面_光學微雜刻或雷射闕的方式形成複數條溝 *複數條溝槽將基板表㈣分成複數個平台結構（_ ’並使基板成為—圖案化基板；以及，成長 電元件或發光二極體)於圖案化基板表面。上述半導 區域:’上述第一膜層藉由複數條溝槽而被劃分成複數個不相連ί 於蟲晶製財’若上獨層㈣之晶格差異遠大於 生=應力會使制層㈣容痕情形。於本發0 圖案化基板即用以降低第一膜層内部的應力。其 =之 數:小面積的第一膜層，並且讓因晶格差異所】 上述溝槽的寬度大於或等於，深度係大於或等於_，其 9 200947747 之較佳深度係為1〜15M。另外，前述所提及之單一平么 形、菱形、_、_形、平行四邊形或其他任意^ Li平台結構表面的平均直徑或邊長介於5_〜2咖或大 另外，上述圖案化基板之材料係為藍寶石（聊_，單晶三 2，）’第—膜層係為三族氮化物半導體材料，上述三族氮化物 半^體材料可為AUU，其中⑸㈣。且本發騎提供^ 半導體元件的製造方法，對於成長A 八

古，爭处恭松卄义田 、成長Α1χΙη·-』，χ>〇. 25的材料而 "糾’上述圖案化基板之材料亦可為碳化矽 ()_。於另一範例中，圖案化基板係為單晶三氧化二紹，第一膜 =係^氮化鎵（GaN) ’二氧化：|g相對於⑽的晶格差異約為 % ’此兩膜層間的應力釋放適用本發明所提供之半導體 方法。 衣故

請參考第二圖所示，係為根據本發明所提供之料體元件 ，方法所描_製程示_。步驟21Q係為_化基板的形成過 程，亦即_光學微影_或雷射雕刻於—基板表面形成複數個溝 槽；接著，步驟220則於圖案化基板上形成第一膜層與其他 化物半導體材料，由第二財可清楚的看出，成長於贿域^ 面之膜層（斜線區域）’藉由溝槽而被劃分成複數個小區域；於 體材料的成長製程之後，步驟咖係為透明導電層、p贱極與N 型電極的成長製輯意圖；最後，轉係為沿著溝槽切割 成複數個獨立的元件示意圖。 另外’請參考第以〜(：圖’第三八圖係為根據本發明所建 圖案化基板的立體俯視圖，第三B圖係為第三A圖的剖面圖，第三 200947747 c圖^為根據本發明所建構的一種半導體元件結構·，包含：一且 溝槽312的圖案化基板310，與—位於圖案錄板表 面的半導體元件320。 齡相案域板310表面係藉由複數條溝槽312而被劃分成複 平。結構（mesastructure)，如第三A圖所示。其中，單一平

=構係為方形、菱形、圓形、橢_、平行四邊職其他任意多 且早—平台結構表面之平均直徑或邊長（請參考第三B圖中 =號D所指示的位置）係為5〇牌2麵或大於2麵。另外，上述所 9及之溝槽312其寬度（請參考第三B圖中符號w所指示的位置） 大^或等於2帅，溝槽的深度（請參考第三β圖中符則所指示的 位置）大於或等於^，其中，溝槽之較佳深度係為M5㈣。 減ft上述半導體元件32G具有至少—層膜層，其中，與圖案 化基板310接觸之膜層係為第一膜層321，第-膜層321藉由複數 =槽312而被劃分成複數個不相連之區域。藉由溝槽的劃分而將 第-膜層321分離成複數個小區域，使得因上下膜層材料其晶格的

不匹配所產生的應力可藉由溝槽而釋放，不至於在膜層内推擠，造 成元件出現裂痕’影響品質。因此，本發明所提供之圖案化基板主 要用以降低f一膜層内部的應力。此外，上述複數個於基板上的溝 槽’更可使得發光二極體元件於後續晶粒切割的程序更為容易 低生產成本。 前-段落所提及之半導體元件係為發光二極體等光電元件，圖 案化基板讀料係為王氧化^卿力㈣，第_顯係為三 化物半導體材料。其中，三族氮化物半導體材料係為AIJnU， X與y值的圍係為〇如切，然而，本發明所提供之半導體元 11 200947747 的材料而言，更能發揮其 件結構，對於成長AlxInyGainN，x>0. 25 效果。 請參考第三C圖’係為根據本發明所建構的—種半導體元件結 構300。圖中位於圖案化基板表面的半導體元件32〇更包含：第一 膜層32卜其他三族氮化物半導體材料微、透明導電層咖、p型 電極324以及N型電極325 #。上述透明導電層卿的材料包含姻 錫氧化物（ιτο)、銦鋅氧化物⑽）、氧化辞（Zn〇)、氧化鑛（腦）、

鑛錫氧化物個）或上_群之組合，以及驗施〇4、

Sn〇2：Sb ^ Ga2〇3：Sn > AgIn〇2：Sn ^ In2〇3：Zn > CuA1〇2 . LaCuOS > CuGaO, 與 SrCu2〇2 等。 另外，上述圖案化基板之材料亦可為碳化石夕（沉）。於另―範 例圖案化基板係為三氧化二紹，第—膜層係為氮化鎵⑽）， 三氧化二！咖谈Ga㈣晶格差異約為13 8%，此兩膜層間的應力 釋放適用本發明所提供之半導體元件結構。 顯然地’依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正 與差異。因此需要在其附加的侧要求項之範_加紐解，除了 上述詳細的描述外，本發_可以廣泛地在其他的實施例中施行。 上述僅為本㈣之較佳實施伽已，並_錄林判之申請專 利範圍；凡其絲雌本發騎麻之精神下所完成料效^ 修飾，均應包含在下述申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第-圖 係為傳統發光二極體結構中，成長於藍寶石基板上 ❸⑽爾表面所具有料連續島狀結構示意圖； 弟一圖 係為根據本發明所提供之半導體元件的製造方法所 12 200947747 第三A圖 描緣的製程示意圖； 係為根據本發明所建構之圖案化基 圖； 板的立體俯視 第三B圖 第三C圖 係Μ據本發簡建構之職化基 係為根據树明職翻-種料=；；、= 【主要元件符號說明】

^ 步驟1，圖案化基板的形成過程； 步驟2 ’於圖案化基板上形成第一膜層與其他三族氮化物 半導體材料的製程示意； 230 步驟3 ’於圖案化基板上成長透明導電層、P型電極與N 型電極的製程示意； 240 步驟4，沿著溝槽切割，使成複數個獨立的元件的製程示 立 · /¾ 9 300 半導體元件結構 310 圖案化基板 312溝槽 320 半導體元件 321 $-膜層 322 其他三族氮化物半導體材料 323 透明導電層 324 P型電極 325 N型電極 13

Claims (1)

1. 200947747 十、申請專利範圍： 1· 一種半導體元件的製造方法，包含： 提供一基板，於該基板表面形成複數條溝槽，使該基板成 一圖案化基板；與 成長一半導體元件於該圖案化基板表面，該半導體元件具有 至少一層臈層，其中，與該圖案化基板接觸之該膜層係為第—膜 層，該第一膜層藉由該複數條溝槽而被劃分成複數個不相連之' 域。 匕 2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，該溝槽之 I度係大於或等於2/zm。 3. 如申請專纖圍第丨項騎之轉體元件的製造方法，該溝 深度係大於或等於l//m。 9 4. 如申料利範圍第3項所述之半導體元件的製造方法 深度介於1〜15_。 糟之 5. 如申請專概圍第丨項所述之轉體元件的製造方法，其中該基 Ο 板上之圖案係利用光學微影餘刻或雷射雕刻的方式形成。 6·如申專利細第丨項所述之轉體元件的製造方法 元件係為光f元件。 千导體 7.如申睛專利範圍第6項所述之半導件的製造方法， 元件係為發光二極體。 8·如申5f專纖圍第丨項職之半導體元件的製造方法，一 層係為三族氮化物半導體材料。 μ第一膜 9.申請專利範圍第8項所述 物半導趙材料係為其該三族氣化 200947747 1項所述之半導體元件的製造方法，該_化 2tu=r __糾絲_結構（_ 第1Q項所述之轉體树_方法，單一 2;=係為方形、跡、_、橢_、平行錢形或其他 12·ΐΓ=Γ_1G項所述之半精_製造絲，單一該 平⑽構表面之平均直徑或邊長介於心m〜2_。 13. 如申請專利範圍第i項所述之半導體树的方法， 基板之材料係為藍寶石（sapphire，單晶三氧化D广” 14. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，該圖 案化基板係用以降低該第一膜層内部的應力。 A 15. —種半導體元件結構，包含： 一圖案化基板’該圖案化基板具有複數條溝槽；盘 導體件，辭導航做㈣騎化基絲面，該半 少—雜層’其中，與該圖案化基板接觸之該臈 、·簡，該第—膜層藉由該複數條溝槽而被齡成複數 個不相連之區域。 16度係如^^!。15撕叙轉鱧树轉，輯槽之寬 171=H15機之悔纖構，嘯之深度 1δ.ΧΠ利範圍第17項所述之轉體元件結構，該溝槽之深度 "於 1 〜15"m 〇 200947747 19. 如申請專利第15項所述之 係為光電元件。 疋牛結構，該半導體元件 20. 如申請專利範圍第19項所述之半導體 係為發光二極體。 牛、、、。構，該半導體元件 21·如申請專概圍第15項所述之轉體 為二族氮化物半導體材料。 、、、α構，该第一膜層係 ❹ +導體材料係為AlxInyGai_』，其中〇如千^冓，该二族氮化物 申請專利範圍第15項所述之半導體元= 構 分成複數個以_ 形。 爛心千仃四邊形或其他任意多邊 單一該平台結 该圖案化基板 » S亥圖案化基板 •申請專利範圍帛23項所述之半導體元件結構， 構表面之平均餘或邊長齡於5()卵〜2咖。 .如申請專利範圍第15項所述之半導體元件結構， 之材料係為藍寶石（sapphire，單晶三氧化二銘） A如申請專利範圍第15項所述之半導體耕結構， 係用以降低該第一膜層内部的應力。