TW202209698A - 半導體元件及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種半導體元件,包含:基板,包含上表面及第一側面至第四側面,其中上表面包含第一邊連接第一側面及第二邊連接第二側面;第一雷射切痕,位於第一側面及第二側面;以及半導體疊層位於基板的上表面上,其中半導體疊層包含下表面,下表面包含第五邊鄰近第一邊以及第六邊相對第五邊且鄰近第二邊;其中,第一邊與第五邊之距離為S1 μm,第二邊與第六邊之距離為S2 μm;自第三側面觀之,第一側面與垂直方向形成第一銳角θ1,第二側面與垂直方向形成第二銳角θ2,第一雷射切痕於垂直方向上與上表面的距離為D1 μm,且滿足D1 ≤ 0.2×(S1+S2)/tanθa,其中θa=(θ1+θ2)/2。
Description
本揭露係關於一種半導體元件及其製造方法,特別關於一種具有雷射切割基板之半導體元件及其製造方法。
隨著科技的發展,III-V族半導體材料已可被製造成各種半導體元件,並廣泛應用於照明、醫療、顯示、通訊、感測、電源系統等領域。本揭露即在提出一新穎的半導體元件及其製造方法以改善元件的良率。
一種半導體元件,包括:一基板,包含一上表面、一第一側面、一第二側面相對第一側面、一第三側面連接第一側面及第二側面、以及一第四側面相對第三側面,其中,上表面包含一第一邊連接第一側面、一第二邊相對第一邊並且連接第二側面、一第三邊連接第三側面以及一第四邊相對第三邊並且連接第四側面;一水平方向平行上表面以及一垂直方向垂直上表面;一第一雷射切痕,位於第一側面及第二側面;以及一半導體疊層,位於基板之上表面上,其中,半導體疊層包含一下表面連接基板之上表面,下表面包含一第五邊鄰近第一邊以及一第六邊相對第五邊且鄰近第二邊;其中,第一邊與第五邊於水平方向之距離為S1 μm,第二邊與第六邊於水平方向之距離為S2 μm;其中,自第三側面觀之,第一側面與垂直方向形成一第一銳角θ1,第二側面與垂直方向形成一第二銳角θ2,第一雷射切痕於垂直方向上與上表面的距離為D1 μm,且滿足D1 ≤ 0.2×(S1+S2)/tanθa,其中,θa=(θ1+θ2)/2。
第1A~1D圖顯示符合本揭露之半導體元件之一實施例,其中,第1A圖顯示半導體元件10之上視示意圖;第1B圖為半導體元件10之第一側面視圖;第1C圖為半導體元件10之第二側面視圖;第1D圖為半導體元件10之第三側面視圖。如第1A圖~第1D圖所示,半導體元件10包括基板100、半導體疊層102、第一電極103、第二電極104、第一雷射切痕111、以及第二雷射切痕112。具體地,基板100包含上表面100s、第一側面100a、第二側面100b相對第一側面100a、第三側面100c連接第一側面100a及第二側面100b、以及第四側面100d相對第三側面100c且連接第一側面100a及第二側面100b。上表面100s更包含第一邊100s1連接第一側面100a、第二邊100s2相對第一邊100s1且連接第二側面100b、第三邊100s3連接第三側面100c、以及第四邊100s4相對第三邊100s3且連接第四側面100d。基板100之材料例如為藍寶石。水平方向H平行上表面100s以及垂直方向N垂直上表面100s。第一雷射切痕111位於第一側面100a及第二側面100b,其中,第一雷射切痕111例如包含複數個點狀切痕沿著水平方向H排列,於實施例中,所述之複數個點狀切痕彼此隔開不相連,每一點狀切痕為自第一側面100a或第二側面100b之表面向內凹陷而呈一凹口。半導體疊層102位於基板100之上表面100s上,如第1A圖所示,半導體疊層102之面積係小於基板100之上表面100s面積,使得部份基板100之上表面100s未被半導體疊層102覆蓋,其中,未被半導體疊層102覆蓋之基板100之上表面100s係作為晶粒切割之切割道11以避免於切割製程中損壞半導體疊層102,其中,自半導體元件10之上視觀之,切割道11係環繞半導體疊層102。於一實施例,基板100之上視形狀為一矩形具有長邊及短邊,其中,所述之長邊之邊長大於所述之短邊之邊長,例如第一邊100s1及第二邊100s2為所述之長邊,第三邊100s3及第四邊100s4為所述之短邊,第一邊100s1及第二邊100s2之邊長為X2 μm,第三邊100s3及第四邊100s4之邊長為X1 μm,其中X2 > X1。於一實施例中,50 ≤ X1 ≤ 200 以及75 ≤ X2 ≤ 300。如第1B圖所示,自第三側面100c觀之,第一側面100a與垂直方向N形成第一銳角θ1,第二側面100b與垂直方向N形成第二銳角θ2,於一實施例中,第一邊100s1及第二邊100s2大致垂直一藍寶石晶面方向,例如垂直於藍寶石m軸(m-axis),第一銳角θ1及第二銳角θ2大約相同或差異小於2度,因此第一銳角θ1及第二銳角θ2可概括性地表示為二者之平均值θa,即θa=(θ1+θ2)/2。於一實施例, 2°≤ θa ≤ 13°。於另一實施例中,第一邊100s1及第二邊100s2大致垂直於藍寶石a軸(a-axis)。如第1A圖所示,半導體疊層102包含下表面連接基板100之上表面100s,半導體疊層102之下表面包含一第五邊102s1鄰近基板100之第一邊100s1以及第六邊102s2相對第五邊102s1且鄰近基板100之第二邊100s2。於一實施例,如第1B圖所示,於平行上表面100s之水平方向H上,基板100之第一邊100s1與半導體疊層102之第五邊102s1之距離為S1 μm,基板100之第二邊100s2與半導體疊層102之第六邊102s2之距離為S2 μm,其中,S1>S2,並且滿足以下關係式:
第一側面100a上之第一雷射切痕111於水平方向上與半導體疊層102之距離為(S1-D1×tanθa);
第二側面100b上之第一雷射切痕111於水平方向上與半導體疊層102之距離為(S2+D1×tanθa);
並且(S1-D1×tanθa)=(S2+D1×tanθa),可得
(S1-S2)=2×D1× tanθa………………………………….……… (a) 式
S1及S2之差異反映基板於雷射切割時之變異性,且為避免切割時損壞半導體疊層102而影響半導體元件10之良率,S1及S2符合:
0 ≤ (S1-S2)/(S1+S2) ≤ 0.4…………………………………….... (b) 式
將(a)式代入(b)式可得:D1≤ 0.2×(S1+S2)/tanθa……....(c)式
於一實施例,(S1-S2) ≤ 7 μm。
於一實施例,如第1C圖所示,自第一側面100a觀之,第三側面100c與垂直方向N形成第三銳角θ3,第四側面100d與垂直方向N形成第四銳角θ4,其中,第三邊100s3及第四邊100s4垂直一藍寶石晶面方向,例如為垂直於藍寶石a軸(a-axis)。第三銳角θ3及第四銳角θ4大約相同或差異小於1度,因此第三銳角θ3及第四銳角θ4可概括性地表示為二者之平均值θb,即θb=(θ3+θ4)/2,並且θb < θa。於一實施例, 0 ≤θb≤ 2°。於另一實施例中,第三邊100s3及第四邊100s4垂直於藍寶石m軸(m-axis)。半導體元件10更包含第二雷射切痕112位於第三側面100c及第四側面100d,其中,第二雷射切痕112於垂直方向N上與基板100之上表面100s之距離為D2 μm,其中,D2 ≠ D1,於實施例中,D2>D1,例如D2 ≥ 2×D1或於一實施例, 10 ≤ D1 ≤ 60。於一實施例,基板100的厚度為50 μm 至 200 μm。第一電極103及第二電極104位於半導體疊層102上並與之電性連接,其中,第一電極103及第二電極104用以電性連接至其他元件或外部電源。
第2A~2H圖顯示符合本揭露之半導體元件之製造方法。其中,第2A至第2D圖顯示製造方法中的側面視圖,第2E至第2H圖顯示製造方法中的上視圖及其對應的剖面側視圖。所述之製造方法包括以下步驟:
步驟一、 提供基板晶圓:提供一基板晶圓1000,其中,基板晶圓1000包含上表面1000s,水平方向H平行所述之上表面1000s以及垂直方向N垂直所述之上表面1000s,如第2A圖所示;
步驟二、 成長半導體薄膜:磊晶成長半導體薄膜2000於基板晶圓1000之上表面1000s上,如第2B圖所示;
步驟三、 形成切割道:移除部份之半導體薄膜2000以形成複數個彼此分離之半導體疊層102並露出基板晶圓1000之部份表面,露出之基板晶圓1000之區域係作為後續切割基板晶圓1000之切割道11’,如第2C圖所示;
步驟四、 形成電極:形成第一電極103及第二電極104於半導體疊層102上,所形成之結構之上視圖如第2E圖所示,第2D圖為第2E圖中從L方向觀之的側面示意圖。其中,每一個半導體疊層102之上視形狀為一矩形且各具有一對長邊及一對短邊;
步驟五、 實行第一切割步驟:如第2F圖所示,以隱藏式雷射切割(Stealth Laser Dicing; SLD)方式沿著平行半導體疊層102之長邊之延伸方向之複數切割線12切割露出之基板晶圓1000,其中,所述之第一切割步驟係包含照射一雷射光聚焦於基板晶圓1000之預定深度D1 μm,使基板晶圓1000內部於雷射光聚焦處產生物理及/或化學變化而形成第一雷射切痕111,於實施例中,雷射光可以從基板晶圓1000的上表面1000s或下表面射入聚焦於基板晶圓1000內部。於實施例中,第一雷射切痕111例如包含複數個彼此分離之點狀切痕並沿著切割線12呈一線型排列,其中,第一雷射切痕111於垂直方向N上距上表面1000s之距離為D1 μm。其中第2F圖之下方圖係沿線段AA’之剖面側視圖,即,沿線段AA’之剖面由側視觀之。第2F圖之右方圖係沿線段BB’之剖面側視圖;
步驟六、 實行第二切割步驟:如第2G圖所示,以隱藏式雷射切割(Stealth Laser Dicing; SLD)方式沿著平行半導體疊層102之短邊之延伸方向之複數切割線13切割露出之基板晶圓1000,其中,所述之第二切割步驟係包含照射一雷射光聚焦於基板晶圓1000之預定深度D2 μm,使基板晶圓1000內部於雷射光聚焦處產生物理及/或化學變化而形成第二雷射切痕112,於實施例中,第二雷射切痕112例如包含複數個彼此分離之點狀切痕沿著切割線13呈一線型排列,其中,第二雷射切痕112於垂直方向N上距上表面1000s之距離為D2 μm,於實施例中,D2 > D1。其中第2G圖之下方圖係沿線段CC’之剖面側視圖,第2G圖之右方圖係沿線段DD’之剖面側視圖;
步驟七、 實行分離步驟:藉由形成於基板晶圓1000內之雷射切痕111及112使基板晶圓1000沿著切割線12、13分離成複數個如第1A圖~第1D圖所示之半導體元件10,其中,基板晶圓1000係沿著雷射切痕111自其上下方向裂開分離形成半導體元件10之第一側面100a及第二側面100b,且基板晶圓1000係沿著雷射切痕112裂開分離形成半導體元件10之第三側面100c及第四側面100d,因此,第一銳角θ1及第二銳角θ2之角度大小係決定於第一切痕111、第一側面100a、及第二側面100b的晶格面特性,相同地,第三銳角θ3及第四銳角θ4之角度大小係決定於第二切痕112、第三側面100c、及第四側面100d的晶格面特性。
於所述之製造方法中,步驟一之第一切割步驟之預定深度D1係依據實驗經驗尋找出最佳之參數組合及範圍使得所形成之半導體元件10符合 D1<0.2×(S1+S2)/tanθa。
於所述之製造方法中,可於步驟六之後以及步驟七之前選擇性實施第三切割步驟。如第2H圖所示,以隱藏式雷射切割(Stealth Laser Dicing; SLD)方式沿著平行半導體疊層102之長邊之延伸方向之複數切割線12切割露出之基板晶圓1000,其中,所述之第三切割步驟係包含照射一雷射光聚焦於基板晶圓1000之預定深度D3 μm ,使基板晶圓1000內部於雷射光聚焦處產生物理及/或化學變化而形成第三雷射切痕113,於實施例中,第三雷射切痕113例如包含複數個彼此分離之點狀切痕沿著切割線12呈一線型排列且與第一雷射切痕111平行,其中,第三雷射切痕113於垂直方向N上距上表面1000s之距離為D3 μm,於實施例中,D3>D1及D3>D2。其中,第2H圖之下方圖係沿線段EE’之剖面側視圖,第2H圖之右方圖係沿線段FF’之剖面側視圖。因此,於步驟七實行分離步驟中,基板晶圓1000係沿著雷射切痕111及113自其上下方向裂開分離形成半導體元件10之第一側面100a及第二側面100b,使半導體元件10之第一側面100a及第二側面100b具有雷射切痕111及113。
於一實施例中,前述之第三切割步驟係可選擇性地實施於基板晶圓1000較易產生斜裂的晶面,例如藍寶石m面。藉由第三雷射切痕113,以避免切割道11’中基板晶圓的裂面延伸至位於半導體疊層102正下方而損傷半導體疊層102。
於另一實施中,在第三切割步驟中實施隱藏式雷射切割時,並非沿著複數切割線12切割露出之基板晶圓1000。而是沿著位於切割道11’中,另一與切割線12於水平方向H上平行且保持一間距的切割線(圖未示)來切割露出之基板晶圓1000。藉由設定此切割線與切割線12的間距,在基板晶圓1000沿著雷射切痕111及113裂開分離形成半導體元件10後,在第一側面100a(及第二側面100b)上的第一雷射切痕111與第三雷射切痕113之間的面為藍寶石r面(r-plane)或大致平行於藍寶石r面。
於另一實施例中,在實施第三切割步驟後,可選擇性實施第四切割步驟(圖未示)。以隱藏式雷射切割方式沿著平行半導體疊層102之短邊之延伸方向之複數切割線13切割露出之基板晶圓1000,其中,所述之第四切割步驟係包含照射一雷射光聚焦於基板晶圓1000之預定深度D4 μm ,使基板晶圓1000內部於雷射光聚焦處產生物理及/或化學變化而形成第四雷射切痕,於實施例中,第四雷射切痕例如包含複數個彼此分離之點狀切痕沿著切割線13呈一線型排列且與第二雷射切痕112平行,其中,第四雷射切痕於垂直方向N上距上表面1000s之距離為D4 μm,於實施例中,D4>D3及D4>D2。
於另一實施例中,第一切割步驟及第三切割步驟使用不同的雷射參數,及/或第二切割步驟及第四切割步驟可以使用不同的雷射參數。為了避免雷射光的過多能量損傷到半導體疊層,當雷射光聚焦於基板晶圓1000之一預定深度,且此深度距離半導體疊層較近時,可以使用頻率較低及/或能量較低的雷射光。例如第一切割步驟所使用的雷射光能量小於第三切割步驟所使用的雷射光能量,及/或第二切割步驟所使用的雷射光能量小於第四切割步驟所使用的雷射光能量。
於另一實施例中,實施在半導體疊層102之不同延伸方向上的切割步驟可以使用不同的雷射參數。例如第一切割步驟所使用的雷射光參數不同於第二切割步驟所使用的雷射光參數。例如在基板晶圓較易斜裂的晶面,例如藍寶石m面,所使用的雷射光能量較高或頻率較高。
於另一實施例中,第一切割步驟實施在平行半導體疊層102之短邊之延伸方向上,第二切割步驟實施在平行半導體疊層102之長邊之延伸方向上。以此類推。
於上述之各實施例中,如第3圖所示,半導體疊層102例如為一發光疊層,包含第一半導體層102a位於基板100上、主動層(active region) 102b位於第一半導體層102a上、以及第二半導體層102c位於主動層102b上。其中,第一半導體層102a具有第一導電型並且第二半導體層102c具有第二導電型相反於第一導電型,第一導電型例如為n型使第一半導體層102a能提供電子至主動層102b,第二導電型例如為p型使第二半導體層102c能提供電洞至主動層102b,並且電子及電洞於主動層102b結合以發出特定波長之光線。第一電極103位於第一半導體層102a上並與之電性連接;第二電極104位於第二半導體層102c上並與之電性連接。
於上述之各實施例中,基板100為一磊晶基板用以透過例如有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)磊晶成長半導體疊層102。於一實施例,基板100的上表面100s具有複數個彼此分開之凸起,用以改變光的行進路徑以增加光摘出效率。於一實施例中,所述之凸起係直接圖案化基板100之表面至一深度所形成,因此具有與基板100相同之組成材料。於另一實施例中,先於基板100的上表面形成一透光材料層後,再將透光材料層圖案化以形成所述之凸起,其中,所述之凸起與基板100具有不同之組成材料。於一實施例中,所述之凸起僅形成於半導體疊層102與基板100之間,且不形成於基板100之切割道11上。或者,基板100可為一接合承載基板用,基板100與半導體疊層102之間更包含一接合層 (bonding layer) (圖未示),原磊晶成長在磊晶基板上的半導體疊層102,可利用晶圓接合(wafer bonding)技術將半導體疊層102透過接合層接合至基板100。其中接合層相對於半導體疊層102所發之光為透明,其材料可為絕緣材料與/或導電材料。絕緣材料包含聚亞醯胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、氧化鎂(MgO)、Su8、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiOx)、氧化鈦(TiO2
)、氮化矽(SiNx)或旋塗玻璃(SOG)。導電材料包含氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鉭(Ta2O5
)、類鑽碳薄膜(DLC)或氧化鎵鋅(GZO)等。於一實施例中,切割道暴露出接合層,於切割步驟中更包含先以一UV光雷射切割接合層,再實施如前述實施例所述之隱藏式雷射切割切割基板100。
半導體疊層102包含III-V族化合物半導體材料,例如AlInGaN系列或AlInGaP系列。其中, AlInGaN 系列可表示為(Aly1
In(1-y1)
)1-y2
Gay2
N, 0≦y1
≦1,0≦y2
≦1。AlInGaP 系列可表示為(Aly1
In(1-y1)
)1-y2
Gay2
P, 0≦y1
≦1,0≦y2
≦1。第一電極103及第二電極104係包含單層或多層金屬結構。第一電極103及第二電極104包含至少一材料選自於鎳(Ni)、鈦 (Ti)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銀(Ag)、金 (Au) 、鋁(Al)及銅(Cu)所組成之群組。
惟上述實施例僅為例示性說明本申請案之原理及其功效,而非用於限制本申請案。任何本申請案所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本申請案之技術原理及精神的情況下,對上述實施例進行修改及變化。因此本申請案之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
100:基板
11、11’:切割道
100s、1000s:上表面
100s1:第一邊
100s2:第二邊
100s3:第三邊
100s4:第四邊
100a:第一側面
100b:第二側面
100c:第三側面
100d:第四側面
102:半導體疊層
102a:第一半導體層
102b:主動層
102c:第二半導體層
102s1:第五邊
102s2:第六邊
103:第一電極
104:第二電極
111:第一雷射切痕
112:第二雷射切痕
113:第三雷射切痕
1000:基板晶圓
2000:半導體薄膜
H:水平方向
N:垂直方向
θ1:第一銳角
θ2:第二銳角
θ3:第三銳角
θ4:第四銳角
S1、S2:距離
D1、D2、D3:深度
第1A~1D圖顯示符合本揭露之半導體元件之一實施例,其中,第1A圖顯示半導體元件之上視示意圖;第1B圖為半導體元件之第一側面視圖;第1C圖為半導體元件之第二側面視圖;第1D圖為半導體元件之第三側面視圖。
第2A~2H圖顯示符合本揭露之半導體元件之製造方法。
第3圖顯示符合本揭露之半導體疊層之一實施例。
100:基板
100s:上表面
100s1:第一邊
100a:第一側面
100b:第二側面
100c:第三側面
102:半導體疊層
102s1:第五邊
102s2:第六邊
104:第二電極
112:第二雷射切痕
X1:邊長
H:水平方向
N:垂直方向
S1、S2:距離
θ1:第一銳角
θ2:第二銳角
Claims (15)
- 一種半導體元件,包括: 一基板,包含一上表面、一第一側面、一第二側面相對該第一側面、一第三側面連接該第一側面及該第二側面、以及一第四側面相對該第三側面,其中,該上表面包含一第一邊連接該第一側面、一第二邊相對該第一邊並且連接該第二側面、一第三邊連接該第三側面以及一第四邊相對該第三邊並且連接該第四側面; 一水平方向平行該上表面以及一垂直方向垂直該上表面; 一第一雷射切痕,位於該第一側面及該第二側面;以及 一半導體疊層,位於該基板之上表面上,其中,該半導體疊層包含一下表面連接該基板之該上表面,該下表面包含一第五邊鄰近該第一邊以及一第六邊相對該第五邊且鄰近該第二邊;其中,該第一邊與第五邊於該水平方向之距離為S1 μm,該第二邊與該第六邊於該水平方向之距離為S2 μm; 其中,自該第三側面觀之,該第一側面與該垂直方向形成一第一銳角θ1,該第二側面與該垂直方向形成一第二銳角θ2,該第一雷射切痕於該垂直方向上與該上表面的距離為D1 μm,且滿足D1 ≤ 0.2×(S1+S2)/tanθa,其中,θa=(θ1+θ2)/2。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中, 2° ≤θa ≤ 13°。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中, 10 ≤ D1 ≤ 60。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中S1 > S2,且0 ≤ (S1-S2)/(S1+S2) ≤ 0.4。
- 如請求項4所述之半導體元件,其中,(S1-S2) ≤ 7μm。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中,自該第一側面觀之,該第三側面與該垂直方向形成一第三銳角θ3,該第四側面與該垂直方向形成一第四銳角θ4,其中,θb=(θ3+θ4)/2,並且θb < θa。
- 如請求項6所述之半導體元件,其中, 0° ≤ θb ≤ 2°。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中,該第一邊及該第二邊之邊長為X2 μm,該第三邊及該第四邊之邊長為X1 μm,並且X2 > X1。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中, 50 ≤ X1 ≤ 200 μm。
- 如請求項1所述之半導體元件,更包含一第二雷射切痕位於該第三側面及該第四側面,其中,該第二雷射切痕於該垂直方向上與該上表面的距離為D2 μm,其中,D2 ≠ D1。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中,該基板之材料為藍寶石,該第一邊及該第二邊垂直藍寶石m軸。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中,該基板之材料為藍寶石,該第三邊及該第四邊垂直藍寶石a軸。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中,該基板的厚度為50至 200 μm。
- 如請求項1所述之半導體元件,更包含一第三雷射切痕位於該第一側面及該第二側面,其中,該第三雷射切痕於該垂直方向上與該上表面的距離為D3 μm,其中,D3 > D1。
- 如請求項1所述之半導體元件,其中,該半導體疊層更包含一第一半導體層、一第二半導體層、以及一主動層位於該第一半導體層及該第二半導體層之間。
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