TWI393174B - 氮化物半導體基板及其製造方法 - Google Patents

Description

氮化物半導體基板及其製造方法

本發明是有關於一種半導體基板及其製造方法，且特別是有關於一種氮化物半導體基板及其製造方法。

近年來發光二極體(LED)和雷射(LD)廣泛的被應用在市場上，例如以氮化鎵(GaN)製成的藍光與黃色螢光粉組合可以獲得白光，不只是在亮度上或用電量方面皆比之前的傳統燈泡光源亮且省電，可以大幅降低用電量。此外，發光二極體的壽命約在數萬小時以上，壽命比傳統燈泡長。

在氮化鎵半導體發光元件的製造過程中，由於氮化鎵半導體層與異質基板之間的晶格常數與熱膨脹係數之差異，而容易造成氮化鎵半導體於磊晶過程中產生穿透錯位與熱應力，因而影響發光元件的發光效率。

習知在分離氮化鎵半導體層與異質基板的方法包括利用光照法，使雷射光穿透基板照射基板與氮化鎵半導體層之間之介面，來達到分離氮化鎵半導體層與異質基板的目的。另外，也可以利用濕式蝕刻法直接移除基板與氮化鎵半導體層之間的阻障結構(barrier structure)來達到弱化氮化鎵半導體層與異質基板之間的連結結構，進而分離氮化鎵半導體層與異質基板。除此之外，還可以利用於高溫下進行氣相蝕刻直接移除氮化鎵半導體層與異質基板之間的介面層，達到分離氮化鎵半導體層與異質基板之目的。

例如美國專利US 6,582,986就揭露了一種利用懸空磊晶(pendeo-epitaxy)的方式形成一氮化鎵半導體層的方法。這種方法適用於碳化矽基板這類易於蝕刻的材料，而且在異質基板與氮化鎵半導體層之間當作晶種的緩衝層易有應力集中的狀況。

本發明提出一種氮化物半導體基板，包括一異質基板、一氮化物基底層、一氮化物半導體層以及一罩幕層，其中氮化物基底層包括圖案化排列的第一柱與圖案化排列的第二柱。上述氮化物基底層是形成於異質基板上，其中每個第二柱的橫截面小於等於每個第一柱的橫截面，且各個第二柱之間的距離大於等於各個第一柱之間的距離。罩幕層則覆蓋在第一柱、第二柱與異質基板之表面。上述氮化物半導體層形成於氮化物基底層上。

本發明另提出一種氮化物半導體基板之製造方法，包括於一異質基板表面形成複數個圖案化排列的第一柱，再於異質基板表面形成一層罩幕層覆蓋第一柱的側壁與部份頂面。然後，於第一柱上形成複數個圖案化排列的第二柱，其中每一第二柱之橫截面小於等於每一第一柱之橫截面，且各個第二柱之間的距離大於等於各個第一柱之間的距離。接著，透過第二柱進行一側向磊晶製程，以形成一氮化物半導體層。

為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1為根據本發明之第一實施例之一種氮化物半導體基板之剖面簡圖。

請參照圖1，第一實施例中的氮化物半導體基板包括一異質基板100、一氮化物基底層102(其是由複數個圖案化排列的第一柱(pillars)104與複數個圖案化排列的第二枉106所構成)、一氮化物半導體層108以及一罩幕層110。其中，異質基板100的材料例如藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵等等或其他通合磊晶製程的基板材料。氮化物基底層102的材料例如氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵等氮化物半導體。上述氮化物基底層102是形成於異質基板100上，整個氮化物半導體層108則是形成於氮化物基底層102上，而罩幕層110則覆蓋第一柱104、第二柱106與異質基板100之表面。其中，第一柱104與第二柱106可藉由光學微影(photolithography)及蝕刻製程(etching)，達到符合後續分離製程所需求之尺寸。

在圖1中，由第一柱104與第二柱106之橫截面來看像塊狀，但其實第一柱102與第二柱104的排列方式整體上可以排列成條狀、點狀或網狀。再者，由橫截面來看，罩幕層110於第一柱104和第二柱106之間形成一個空洞，且第二柱106之橫截面泊小於等於第一柱104之橫截面a1、第二柱106與第二柱106之間的距離b2大於等於第一柱104與第一柱104之間的距離b1，所以當後續之氮化物半導體層108的厚度厚到累積足夠的強度之時，於環境溫度下降時，因異質基板100與氮化物基底層102(包含第一柱104與第二柱106)的熱膨脹係數差異，所以會於介面間強度最弱的地方自然分離成一獨立(freestanding)之氮化物半導體基板，即於第二柱106與氮化物半導體層108間之任一界面自然分離成一獨立之氮化物半導體基板。

舉例來說，第一柱104之橫截面a1/第二柱106之橫截面a2，與第一柱104和第一柱104之間的距離b1/第二柱106和第二柱106之間的距離b2可藉由光學微影及蝕刻製程，達到符合後續分離製程所需求之尺寸。為了方便說明起見，茲將第一柱104或者第二柱106之橫截面與對應之柱與柱之間的距離的比值定義為充填因子(fill factor，FF)，亦即FF1=a1/b1、FF2=a2/b2。例如，在本實施例中，FF1≦1，例如是0.75；FF2≦0.8，例如是0.6。上述揭露之各構件的尺寸比例僅為一種實施態樣，並不對本發明造成應用上的限制，此乃本發明所屬技術領域中具有通常知識者可運用現有之技術依實際狀況適度調整予以完成；舉例來說，每個第一柱104之橫截面a1之範圍約在2.1μm~4.2μm之間；每個第二柱106之橫截面a2之範圍約在1.3μm~3.6μm之間。

另外，每個氮化物基底層102除了如圖1所示之外，還可以是由多個規則或不規則之奈米級柱狀結構所構成，以利釋放材料應力並進一步降低錯位(dislocation)密度。

在本發明之一實施例中，氮化物半導體層108可視實際之需求從製程上的調整其厚度，例如當氮化物半導體層108之厚度t3大於100μm時，氮化物半導體層108可藉由一分離製程而形成一獨立之氮化物半導體基板；或者，如下一圖所示成為薄膜。

圖2為根據本發明之第二實施例之一種氮化物半導體基板之剖面簡圖。

請參照圖2，第二實施例中的氮化物半導體基板包括異質基板200、一氮化物基底層202(其是由複數個圖案化排列的第一柱204與複數個圖案化排列的第二柱206所組成)、氮化物半導體層208以及罩幕層210。其中各構件的材料及尺寸均與第一實施例相同或類似，兩者差異僅在第二柱206之厚度t1等於罩幕層210之厚度t2，所以氮化物半導體層208與底下的罩幕層210的接觸面積大，故而較適於形成薄膜狀態的氮化物半導體層208。這類的氮化物半導體層208可以不與異質基板200分離，而直接在氮化物半導體層208表面進行後續如發光二極體(LED)元件之製作，並且可以在最後使用現有技術分離異質基板200及氮化物半導體層208。

圖3A至圖3I則是根據本發明之第三實施例之一種氮化物半導體基板的製造流程剖面圖。

首先，需於一異質基板300表面形成數個圖案化排列的第一柱，而這道製程在第三實施例是顯示於圖3A至圖3B中。請先參照圖3A，於異質基板300表面形成一層材料層302，上述異質基板300的材料例如藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵等等或其他適合磊晶製程的基板材料。上述材料層302的材料例如氮化物，如氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵等，且材料層302的厚度例如在3μm~5μm之間。接著，於材料層302上形成一層圖案化罩幕304，並露出部分材料層302的表面，其中圖案化罩幕304的材料例如氮化矽或光阻。

然後，請參照圖3B，以圖案化罩幕304為罩幕，去除材料層302而形成數個圖案化排列的第一柱306，上述去除材料層302之步驟可包括去除部份之異質基板300。之後，如有必要可利用蝕刻製程將第一柱306製成多個規則或不規則之奈米級柱狀結構，以利釋放材料應力並進一步降低錯位密度。

接著，為了於異質基板300表面形成一層罩幕層，在第三實施例中是採用圖3C至圖3G的製程。請參照圖3C，先蝕刻圖3B中的圖案化罩幕304，以縮減其寬度w1。此時，未被圖案化罩幕304a覆蓋的第一柱306的部分頂面306a會露出來。

隨後，請參照圖3D，全面性形成一層薄膜308，覆蓋圖案化罩幕304a、第一柱306及異質基板300的部份表面。薄膜308的材料例如氮化矽、氧化矽、金屬鎢等等。

接著，請參照圖3E，為移除圖案化罩幕304a之頂面304b上的薄膜308，可先全面性形成一層光阻層310覆蓋薄膜308。

然後，請參照圖3F，蝕刻光阻層310，使頂面304b上的薄膜308露出，再以光阻層310為罩幕，去除露出的薄膜308，而使圖案化罩幕304a之頂面304b露出。

之後，請參照圖3G，將圖3F中的圖案化罩幕304a移除，以露出第一柱306的部分頂面306a，便形成一層覆蓋第一柱306的側壁與部份頂面及異質基板300表面的罩幕層312。

然後，請參照圖3H，自第一柱306的部分頂面306a磊晶成長數個圖案化排列的第二柱314，其中每一第二柱314之半徑小於等於每一第一柱306之橫截面、第二柱314與第二柱314之間的距離大於等於第一柱306與第一柱306之間的距離。而上述磊晶成長第二柱314的方法例如有氫化物氣相磊晶法(HVPE)、金屬有機氣相磊晶法(MOCVD)或分子束磊晶法(MBE)。至於第二柱314的材料例如氮化物，如氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵等；較佳是選擇與第一柱306相同的材料。第一柱306與第二柱314因為是以剖面形式顯示，所以雖然像塊狀，但第一柱306與第二柱314的排列方式整體上可以排列成條狀、點狀或網狀。接著，透過第二柱314進行一側向磊晶製程，以形成一氮化物半導體層316，其材料例如氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵銦、氮化鋁鎵或氮化鋁鎵銦。上述側向磊晶製程例如氫化物氣相磊晶法、金屬有機氣相磊晶法或分子束磊晶法。

最後，請參照圖31，當氮化物半導體層316的厚度大到如100μm以上時，可選擇提供一降溫製程，使氮化物半導體層316自異質基板300表面分離，如圖3I所示，因為材料間熱膨脹係數的差異所導致的剪應力釋放，而會從結構強度較弱的第二柱314和氮化物半導體層316之間的介面自然斷裂。

除上述第三實施例的製程之外，本發明還可運用其他製程達到，如下一實施例。

圖4A至圖4H為根據本發明之第四實施例之一種氮化物半導體基板的製造流程剖面圖。

首先，需於一異質基板400表面形成數個第一柱，而這道製程在第四實施例是顯示於圖4A至圖4D中。請參照圖4A，先於異質基板400表面依序形成一層材料層402以及一層分離層404，其中材料層302的材料例如氮化物如氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵等，其厚度例如在3μm~5μm之間；分離層404的材料可選擇適於被濕蝕刻的材料，如金屬氧化物(如：銦錫氧化物)、厚度例如在100nm~200nm之間。

然後，請參照圖4B，於分離層404上形成一層圖案化罩幕406，並露出部分分離層404的表面，其中圖案化罩幕406的材料例如氮化矽或光阻。

隨後，請參照圖4C，以圖案化罩幕406為罩幕，去除分離層404，再進一步蝕刻分離層404，以縮減其寬度w2。此時，圖案化分離層404a的寬度w2小於圖案化罩幕406的寬度w3。

接著，請參照圖4D，以圖案化罩幕406為罩幕，去除圖4C之材料層402而形成數個圖案化排列的第一柱408。上述去除材料層402的方法例如非等向性蝕刻。此外，在去除材料層402的步驟中還可包括去除部份之異質基板400，以確保第一柱408之間不相連。

然後，為了於異質基板400表面形成一層罩幕層，請參照圖4E至圖4F，先全面性形成一層薄膜410，覆蓋圖案化罩幕406、分離層404a、第一柱408及異質基板400的部份表面。薄膜410的材料例如氮化矽、氧化矽、金屬鎢等等。

之後，請參照圖4F，移除分離層404a，以剝除圖案化罩幕406及部分薄膜410，而形成罩幕層412並露出第一柱408的部分頂面408a。之後，如有必要可利用蝕刻製程將第一柱408製成多個規則或不規則之奈米級柱狀結構，以利釋放材料應力並進一步降低錯位密度。

接著，請參照圖4G，自第一柱408的部分頂面408a磊晶成長數個圖案化排列的第二柱414，其方法譬如氫化物氣相磊晶法(HVPE)、金屬有機氣相磊晶法(MOCVD)或分子束磊晶法(MBE)。至於第二柱414的材料例如氮化物，如氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵等；較佳是選擇與第一柱408相同的材料。然後，透過第二柱414進行一側向磊晶製程，以形成一氮化物半導體層416，其中側向磊晶製程例如氫化物氣相磊晶法、金屬有機氣相磊晶法或分子束磊晶法。上述氮化物半導體層416的材料例如氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵銦、氮化鋁鎵或氮化鋁鎵銦。

最後，請參照圖4H，依照第四實施例所形成的氮化物半導體層416適於形成薄膜，可以不與異質基板400分離，而直接在氮化物半導體層416表面進行後續如發光二極體(LED)元件418之製作。並且，可選擇不進行分離或者在最後使用現有技術分離異質基板400及氮化物半導體層416。

圖5A與圖5B即分別為依照本發明之第三實施例和第四實施例作出的雛型樣品的SEM照片，其中圖5A大致為第三實施例之製造流程來到圖3G時的SEM照片；圖5B則大致為第四實施例之製造流程來到圖4F時的SEM照片。

綜上所述，在本發明之氮化物半導體層與基板之間的界面由兩層不同尺寸的圖案化排列的柱體構成，且靠近氮化物半導體層的第二柱之橫截面小於等於靠近基板的第一柱之橫截面，且各個第二柱之間的距離大於等於各個第一柱之間的距離，而使氮化鎵半導體層與第二柱之間的接觸點弱化而承受不住應力，進而由此斷裂，達到分離氮化鎵半導體層與基板之目的。此外，即使應用於氮化物半導體薄膜，也能因為本發明之第二柱的橫截面較小，而於側向磊晶成長(epitaxial lateral over growth，ELOG)氮化物半導體層時，減低磊晶層(即，氮化物半導體層)之錯位分佈與熱應力造成的氮化鎵半導體層的發光效率的損害。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400．．．異質基板

102、202．．．氮化物基底層

104、204、306、408．．．第一柱

106、206、314、414．．．第二柱

108、208、316、416．．．氮化物半導體層

110、210、312、412．．．罩幕層

302、402．．．材料層

304、304a、406．．．圖案化罩幕

304b．．．頂面

306a、408a．．．部分頂面

308、410．．．薄膜

310．．．光阻層

404、404a．．．分離層

418．．．發光二極體元件

a1、a2．．．橫截面

b1、b2．．．距離

t1、t2、t3．．．厚度

w1、w2、w3．．．寬度

圖1為根據本發明之第一實施例之一種氮化物半導體基板之剖面簡圖。

圖2為根據本發明之第二實施例之一種氮化物半導體基板之剖面簡圖。

圖3A至圖3I為根據本發明之第三實施例之一種氮化物半導體基板的製造流程剖面圖。

圖4A至圖4H為根據本發明之第四實施例之一種氮化物半導體基板的製造流程剖面圖。

圖5A和圖5B為根據本發明之第三實施例和第四實施例作出的雛型樣品的SEM照片。

100．．．基板

102．．．氮化物基底層

104．．．第一柱

106．．．第二柱

108．．．氮化物半導體層

110．．．罩幕層

a1、a2．．．橫截面

b1、b2．．．距離

t1、t2、t3．．．厚度

Claims (28)

1. 一種氮化物半導體基板，包括：一異質基板；一氮化物基底層，形成於該異質基板上，以曝露出該異質基板的表面，其中該氮化物基底層包括：複數個圖案化排列的第一柱；以及複數個圖案化排列的第二柱，形成於該些圖案化排列的第一柱上，其中各該第二柱的橫截面小於等於各該第一柱的橫截面，且各該第二柱之間的距離大於等於各該第一柱之間的距離；一氮化物半導體層，形成於該氮化物基底層上；以及一罩幕層，覆蓋在該第一柱、該第二柱與該異質基板曝露出之所述表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體基板，其中該氮化物半導體層的材料包括氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵銦、氮化鋁鎵或氮化鋁鎵銦。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體基板，其中各該第一柱之橫截面與各該第一柱之間的距離的比值小於等於1。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體基板，其中各該第二柱之橫截面與各該第二柱之間的距離的比值小於等於0.8。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體基板，其中各該第二柱之厚度等於該罩幕層之厚度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體基板，其中各該第二柱之厚度大於該罩幕層之厚度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體基板，其中該氮化物基底層的材料包括氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵。
8. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體基板，其中該異質基板的材料包括藍寶石、碳化矽、矽或砷化鎵。
9. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體基板，其中該些第一柱與該些第二柱的排列方式包括排列成條狀、點狀或網狀。
10. 一種氮化物半導體基板之製造方法，包括：於一異質基板表面形成複數個圖案化排列的第一柱；於該異質基板表面形成一罩幕層，覆蓋該些第一柱的側壁與部份頂面；於該些第一柱上形成複數個圖案化排列的第二柱，其中該第二柱之橫截面小於等於該第一柱之橫截面，且各該第二柱之間的距離大於等於各該第一柱之間的距離；以及透過該些第二柱進行一側向磊晶製程，以形成一氮化物半導體層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中該氮化物半導體層的材料包括氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵銦、氮化鋁鎵或氮化鋁鎵銦。
12. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中該些第一柱與該些第二柱的排列方式包 括排列成條狀、點狀或網狀。
13. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中形成圖案化排列的該些第一柱的步驟包括：於該異質基板表面形成一材料層；於該材料層上形成一圖案化罩幕，並露出部分該材料層的表面；以及以該圖案化罩幕為罩幕，去除該材料層，以形成該些第一柱。
14. 如申請專利範圍第13項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中去除該材料層之步驟更包括去除部份之該異質基板。
15. 如申請專利範圍第13項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中形成該罩幕層的步驟包括：蝕刻該圖案化罩幕，以縮減該圖案化罩幕的寬度；全面性形成一薄膜，覆蓋該圖案化罩幕、該些第一柱及該異質基板的部份表面；移除該圖案化罩幕之頂面上的該薄膜；以及移除該圖案化罩幕，以形成該罩幕層並露出該些第一柱的部分頂面。
16. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中形成圖案化排列的該些第二柱的方法包括自該些第一柱的部分頂面磊晶成長該些第二柱。
17. 如申請專利範圍第16項所述之氮化物半導體基板 之製造方法，其中磊晶成長該些第二柱的方法包括氫化物氣相磊晶法(HVPE)、金屬有機氣相磊晶法(MOCVD)或分子束磊晶法(MBE)。
18. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中形成該氮化物半導體層之後更包括提供一降溫製程，使該氮化物半導體層自該異質基板表面分離。
19. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中形成圖案化排列的該些第一柱的步驟包括：於該異質基板表面依序形成一材料層以及一分離層；於該分離層上形成一圖案化罩幕，並露出部分該分離層的表面；以該圖案化罩幕為罩幕，去除該分離層；蝕刻該分離層，以縮減該分離層的寬度；以及以該圖案化罩幕為罩幕，去除該材料層而形成該些第一柱。
20. 如申請專利範圍第19項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中去除該材料層之步驟更包括去除部份之該異質基板。
21. 如申請專利範圍第19項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中該分離層的材料包括金屬氧化物。
22. 如申請專利範圍第19項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中形成該罩幕層的步驟包括：全面性形成一薄膜，覆蓋該些第一柱、該分離層、該 圖案化罩幕及該異質基板的該部分表面；以及移除該分離層，以剝除該圖案化罩幕及部分該薄膜，而形成該罩幕層並露出該些第一柱的部分頂面。
23. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中形成圖案化排列的該些第二柱的方法包括自該些第一柱的部分頂面磊晶成長該些第二柱。
24. 如申請專利範圍第23項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中磊晶成長該些第二柱的方法包括氫化物氣相磊晶法、金屬有機氣相磊晶法或分子束磊晶法。
25. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中該側向磊晶製程包括氫化物氣相磊晶法、金屬有機氣相磊晶法或分子束磊晶法。
26. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中該些第一柱的材料包括氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵。
27. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中該些第二柱的材料包括氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵。
28. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體基板之製造方法，其中該異質基板的材料包括藍寶石、碳化矽、矽或砷化鎵。