制造薄膜半导体结构的方法

摘要

本发明公开了制作一种薄膜氮化镓(GaN)基半导体结构的方法。依照本发明的一个实施例，方法包括的步骤：提供一个蓝宝石基板；按顺序形成一个或多个半导体层在蓝宝石基板上；蚀刻一个图案在一个或多个半导体层上；沉积一电介质层；形成一光刻胶在部分电介质层上；其中部分电介质层被沉积在一个或多个半导体层上；沉积一个底涂料；去除光刻胶层，其中在光刻胶上的底涂料也被去除；沉积一种超硬材料，其中超硬材料形成在图案上；去除蓝宝石基板。所以，超硬材料可被有选择性沉积在期望有超硬材料的区域。然后，垂直结构GaN基发光装置可以通过切割半导体结构而形成。

权利要求

1.一种制作一个薄膜氮化镓(GaN)基半导体结构的方法，此方法包括：提供一个蓝宝石基板；

在蓝宝石基板上顺序地形成一个或多个半导体层；

在一个或多个半导体层上蚀刻出一个图案；

沉积一电介质层；

形成一光刻胶在部分电介质层上，其中部分电介质层被沉积在一个或多个半导体层上；

沉积一底涂料；

去除光刻胶层，其中在光刻胶上的底涂料也被去除；

沉积一超硬材料，其中超硬材料形成在图案上；和去除蓝宝石基板。

2.根据权利要求1所述的方法，其中蓝宝石基板是通过使用机械薄化方法去除。

3.根据权利要求1所述的方法，其中蓝宝石基板是通过使用组合的研磨、抛光去除。

4.根据权利要求1所述的方法，其中一个或多个半导体层包括一n-型GaN层、一活性层和一p-型GaN层。

5.根据权利要求1所述的方法，其中一个或多个半导体层还包括一个无掺杂的缓冲层，此无掺杂的缓冲层是在蓝宝石基板上生长，并且其中n-型GaN层是在无掺杂的缓冲层上生长。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：蚀刻以去除电介质层，露出一个或多个半导体层的一个p-GaN层；

形成一个导电且导热的基板在露出的p-GaN层上；

蚀刻以露出一个或多个半导体层的一个n-GaN层；

形成一个n-电极在露出的n-GaN层上；和切割半导体结构而形成多个发光装置。

7.根据权利要求1所述的方法，其中采用比蓝宝石基板更硬的超硬材料，充当多个终止点以指示机械薄化过程何时停止，多个终止点的硬度大于蓝宝石基板的硬度。

8.一种制作薄膜氮化镓(GaN)基半导体结构的方法，此方法包括：提供一蓝宝石基板；

在蓝宝石基板上顺序地形成一个或多个半导体层，一个或多个半导体层包括一n-型GaN层、一活性层和一p-型GaN层；

在一个或多个半导体层上蚀刻一沟槽图案；

沉积一电介质层；

形成一个光刻胶在部分电介质层上，其中部分电介质层被沉积在一个或多个半导体层上；

沉积一底涂料；

去除光刻胶层，其中在光刻胶上的底涂料也被去除；

沉积一超硬材料，其中超硬材料形成在沟槽里；

蚀刻以去除电介质层，露出一个或多个半导体层的一个p-GaN层；

在露出的p-GaN层上形成一个导电基板；

去除蓝宝石基板；

蚀刻以露出一个或多个半导体层的一个n-GaN层；

在露出的n-GaN层上形成一个n-电极。

9.根据权利要求8所述的方法，其中一个或多个半导体层还包括一个无掺杂的缓冲层，无掺杂的缓冲层是在蓝宝石基板上生长，并且其中n-型GaN层是在无掺杂的缓冲层上生长。

10.根据权利要求8所述的方法，其中导电基板是导电且导热的。

11.根据权利要求8所述的方法，其中蓝宝石基板是通过使用机械薄化(mechanical thinning)方法去除。

12.根据权利要求8所述的方法，其中蓝宝石基板是通过一个组合的研磨、抛光方法去除。

13.根据权利要求8所述的方法，其中采用比蓝宝石基板更硬的超硬材料，充当多个终止点以指示机械薄化过程何时停止，多个终止点的硬度大于蓝宝石基板的硬度。

14.根据权利要求8所述的方法，还包括：表面纹理化一个或多个半导体层的一个发光表面；和切割半导体结构而形成多个发光装置。

15.根据权利要求8所述的方法，还包括：在一个或多个半导体层的一个发光表面上形成二维光子晶体(two-dimensional photonic crystal)；和切割半导体结构以形成多个发光装置。

16.一个垂直结构的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)，包括：一导电基板，其中导电基板是导电且导热的；

一电极层，被键合到导电基板；

一个或多个半导体层，被键合到电极层，其中一个或多个半导体层包括一n-型GaN层、一活性层和一p-型GaN层，其中电极层被键合到p-型GaN层；

多个终止点，形成在一个或多个半导体层上；和一n-电极，被贴附到n-型GaN层。

说明书

制造薄膜半导体结构的方法

交叉引用到相关申请

[0001] 本申请是美国专利申请(申请号：11/891,466，于2007年8月10申请)的一个部分继续专利申请(continuation-in-part)，其披露通过引用被完全结合到本文。技术

[0002] 本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种半导体制造方法以生产薄膜半导体结构。

背景技术

[0003] 在一个制作倒装芯片(flip-chip)发光二极管元件的传统方法里，多层外延层被沉积在一个蓝宝石生长的基板上，以制作一个外延晶圆，在外延晶圆上，制作多个发光二极管元件。接着，外延晶圆被切割成晶片。通过将元件晶片的至少一个电极连接到固定平面的至少一个焊盘，元件晶片被连接到一个固定平面。

[0004] 薄膜-氮化镓(GaN)发光二极管元件已经替代了倒装芯片发光二极管元件，并且与倒装芯片发光二极管元件相比，薄膜-GaN发光二极管元件具有低热阻、n-型层和p-型层上均匀电流、和低成本的优点。对薄膜-GaN发光二极管元件而言，外延晶圆被直接键合到一个导电载体基板。接着，一个激光剥离过程(laser lift-off process)被用来去除蓝宝石基板，留下发光二极管元件的活性区。但是，激光剥离方法的缺点包括需要昂贵装置、以及处理可能损坏发光二极管元件。

[0005] 传统化学机械抛光(CMP)技术已经被用来替代激光剥离技术，其不需要激光装置，并不会产生类似的损坏。但是，当实施传统的CMP技术时，如果被抛光的平面太大，平面厚度上的变化将会太大而导致损坏一个有效结构。所以，在保持所需的生产标准时，无法进行半导体装置的大批量生产。

[0006] 所以，制造薄膜半导体结构的已知技术会导致损坏和产量的变动。所以，需要一种生产薄膜氮化镓(GaN)基半导体结构的方法，其能够克服已知方法的不足。

发明内容

[0007] 依照本发明的一个实施例，披露了一种制作薄膜氮化镓(GaN)基半导体结构的方法。此方法包括提供一个蓝宝石基板；按顺序地形成一个或多个半导体层在蓝宝石基板上；蚀刻一图案在一个或多个半导体层上；沉积一电介质层；形成一光刻胶在部分电介质层上；其中部分电介质层被沉积在一个或多个半导体层上；沉积一种底涂料；去除光刻胶层，其中在光刻胶上的底涂料也被去除；沉积一超硬材料，其中超硬材料形成在图案上；去除蓝宝石基板。

[0008] 依照本发明的另一个实施例，披露了一种制作薄膜氮化镓(GaN)基半导体结构的方法。此方法包括提供一个蓝宝石基板；按顺序地形成一个或多个半导体层在蓝宝石基板上，一个或多个半导体层包括一缓冲层、一无掺杂GaN层、n-型GaN层、一活性层、和一p-型GaN层；蚀刻一沟槽图案在一个或多个半导体层上；沉积一电介质层；形成一光刻胶在部分电介质层上，其中部分电介质层被沉积在一个或多个半导体层上；沉积一种底涂料；去除光刻胶层，其中在光刻胶上的底涂料也被去除；沉积一超硬材料，其中超硬材料形成在沟槽里；蚀刻而去除电介质层，并露出一个或多个半导体层的一p-GaN层；形成一导电基板在露出的p-GaN层上；去除蓝宝石基板；蚀刻以露出一个或多个半导体层的一n-GaN层；形成一个n-电极在露出的n-GaN层上。

[0009] 依照本发明的另一个实施例，披露了一个薄膜氮化镓(GaN)基半导体结构。薄膜GaN基半导体结构包括一个蓝宝石基板；一个或多个半导体层形成在基板上；多个终止点形成在一个或多个半导体层上；一电极层形成在一个或多个半导体层上；和一被键合到电极层的导电基板，其中导电基板是导电且导热的。

[0010] 依照本发明的另一个实施例，披露了一个垂直结构氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)。垂直结构GaN基LED包括一个导电基板，其中导电基板是导电且导热的；一被键合到导电基板的电极层；被键合到电极层的一个或多个半导体层，其中一个或多个半导体层包括一n-型GaN层、一活性层、和一p-型GaN层，并且其中电极层被键合到p-型GaN层；多个终止点形成在一个或多个半导体层上；以及一n-电极被贴附到n-型GaN层。

[0011] 从以下的详细描述，本领域技术人员将更加容易理解本发明的其它实施例，其中本发明实施例是通过附图进行描述。将会认识到，本发明能够适用于其它和不同的实施例，并能够以各种方式对其一些细节作出改变，而没有脱离本发明的精神和范围。

附图说明

[0012] 图1是本发明一个实施例的在实施超平(super flat)化学机械抛光技术之后一个示例半导体结构的截面图。

[0013] 图2是本发明一个实施例的分布在示例半导体结构里的终止点的倾斜俯视图。

[0014] 图3是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0015] 图4是本发明一个实施例的在蚀刻之后半导体结构的截面图。

[0016] 图5是本发明一个实施例的在覆盖金刚石膜之后半导体结构的截面图。

[0017] 图6是本发明一个实施例的在形成第一电极层之后半导体结构的截面图。

[0018] 图7是本发明一个实施例的在键合一个导电载体到第一电极层之后半导体结构的截面图。

[0019] 图8是本发明一个实施例的在机械抛光工艺之后半导体结构的截面图。

[0020] 图9A是本发明一个实施例的在粗化顶部发光区域之后半导体结构的截面图。

[0021] 图9B是本发明一个实施例的在形成二维光晶体在顶部发光区域上的半导体结构的截面图。

[0022] 图10A是本发明一个实施例的形成第二电极到图9A所示半导体结构的截面图。

[0023] 图10B是本发明一个实施例的形成第二电极到图9B所示半导体结构的截面图。

[0024] 图11A是本发明一个实施例的切割图10A半导体结构发光装置的截面图。

[0025] 图11B是本发明一个实施例的切割图10B半导体结构发光装置的截面图。

[0026] 图12是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0027] 图13是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0028] 图14是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0029] 图15是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0030] 图16是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0031] 图17是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0032] 图18是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0033] 图19是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0034] 图20是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0035] 图21是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0036] 图22是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0037] 图23是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0038] 图24是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0039] 图25是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0040] 图26是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

[0041] 图27是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。

具体实施方式

[0042] 在以下的描述里，参照附图并通过描述，显示了本发明的具体实施例。将会理解，在不脱离本发明的范围情况下，可以作出结构和其它方面的改变，作为其它实施例。而且，各种实施例和每个不同实施例的各个方面可以以任何合适方式组合使用。所以，附图和详述实际上可被看作是描述性的而非限制性的。

[0043] 本发明通常涉及一种制作薄膜氮化镓(GaN)基半导体结构的方法。图3到11B通常涉及本发明第一实施例的一种制作半导体基发光装置的方法。图12到27描述本发明第二实施例的制作半导体基发光装置的方法。例如，半导体基发光装置是一个垂直GaN基LED。将会认识到，有关本发明第二实施例的细节和描述同样可以适用到本发明的第一实施例，反之亦然。通过使用有关图3到11B描述的实施方法、或有关图12到27所述的实施方法、或以上两种方法的组合步骤，可以制作一个垂直结构GaN基LED。但是，本领域技术人员将会认识到，也可以使用其它方法，而不会脱离本发明的范围。尽管披露了一个发光装置的这些制作过程，将会认识到，制作一个薄膜半导体结构的方法也可用于其它应用。所以，一个垂直结构GaN基LED的制作是一个本发明实施例使用的示例。

[0044] 在整个描述过程里，使用前缀“u-”代表无掺杂或稍微掺杂，“p-”表示p-型或正极，而“n-”表示n-型或负极。

[0045] 图1是一个具有多个终止点260的示例半导体结构的截面图。半导体结构也可以被称为“平面”或“整个平面”，因为LED通常是使用一个平面形状的半导体结构来制造的。半导体结构具有两个终止点260之间的距离210、变量V220、活性区230(其可以是一个LED的发光表面)、一个电极层240和一个载体250。每个终止点有一个终止点宽度270。在使用机械薄化方法之后，如一个超平化学机械抛光方法，已经种入了多个终止点260，整个平面的变量V可被控制在半导体制造过程所要求的标准内。

[0046] 在一个传统的半导体结构，当实施一种传统机械薄化技术时，如果被抛光的平面很大，在实际应用时，如图1所示的层厚度的变量V变化将很大。变量V与平面边缘间的距离成比例。如图1所示，终止点260充当平面的边缘，从而变量V会降低，即使整个平面的尺寸很大。

[0047] 依照一个实施例，建立终止点的方法包括以下步骤：(a)提供第一材料来形成第一层；(b)提供第二材料形成第二层在第一层的一面上；(c)蚀刻第二层以产生多个沟槽而露出第一层表面；(d)在多个沟槽内填满第三材料，其硬度大于第一材料和第二材料，填满的沟槽形成多个抛光终止点；(e)去除位于沟槽外面的第三材料，并露出第二层的表面。所以，本发明允许随后去除第一材料，同时控制变量V在半导体制作过程所需的标准和范围内。

[0048] 图2显示本发明一个实施例的一个终止点分布的倾斜俯视图。如上所述，可以通过使用终止点降低变量V。所以，在可接受范围内的变量V可以通过控制终止点的尺寸和/或终止点之间的距离而获得。尽管在图2所示的终止点通常是方形或周长线形，本发明里的终止点可以是任何形状，如线、点、圆、三角形、或矩形，并可以位于平面上的任何合适位置。

[0049] 依照一个实施例，图3到11B披露了本发明的一个实施，其是一种制作薄膜半导体发光装置的方法。此方法包括以下步骤：(a)提供第一材料形成第一层410；(b)提供半导体材料的第二材料，用来形成第二层230，充当一个活性区在第一层一面上(如图3所示，第二材料可以包括多个层，例如一层或多层p-GaN层420、一个有多个量子阱430的活性层，以及一层或多层n-GaN层440)；(c)蚀刻第二层而产生多个沟槽510，露出第一层的表面(如图4所示)；(d)覆盖一层介质620；(e)添加第三材料610，其硬度大于第一材料和第二材料，其也填满沟槽以形成多个终止点(如图5所示)；(f)去除第三材料610和层介质620，去除在沟槽以外区域上的第三材料，从而仅有终止点910(图8所示)保留，并提供第四材料，以形成第一电极层710在第二层的表面上(如图6所示)；(g)键合第一电极层在一个导电载体810上(如图7所示)；(h)去除第一层而露出多个终止点910(如图8所示)；和(i)在去除第一层之后，形成多个第二电极1110在第二材料的表面上(如图10所示)。本实施例还包括图9A所示的粗化发光表面或在图9B所示的形成二维光子晶体1020在发光表面上。最后，如图11A和图11B所示，可以进行切割而形成发光装置。

[0050] 在以上所述的实施例里，第一材料可以是蓝宝石、硅、AlN、SiC、GaAs或GaP；第二材料可以是GaN或GaInN，III-V族的第二材料半导体材料；在步骤(c)里的蚀刻可能是感应耦合等离子蚀刻(inductively coupled plasma etching)；其中第三材料可以是金刚石膜或类金刚石(DLC)膜；在步骤(h)里的去除可以是通过一种机械薄化方法；第一电极层是p-型，而第二电极层是n-型。本发明的一个实施例是一个金刚石肩发光二极管，其由参照码1210表示。

[0051] 依照本发明实施例产生的半导体装置结构包括：一个导电载体；一个半导体材料层；一个超硬材料，其中超硬材料至少有一个表面靠近半导体材料层；第一电极层，位于半导体材料层的第一表面；和第二电极层，位于半导体材料层对着第一电极层的第二表面上。例如，半导体材料层可以是InGaP、AlInGaN、AlInGaP、AlGaAs、GaAsP、InGaAsP中的一种或其它合适的材料。超硬材料可以是诸如金刚石、类金刚石(DLC)、氮化钛(TiNx)、钨钛(TiWx)合金或其它合适的材料。导电载体可以是诸如铜、硅、碳化硅、砷化镓(GaAs)或其它类似材料。

[0052] 图12是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。半导体结构1200的截面图显示一个蓝宝石基板1202和一个生长在蓝宝石基板1202上的半导体层1204。例如，半导体层1204可以是一个如图12所示的InGaN层，有一个n-型GaN层(n-GaN)1208，一个有多个量子阱(MQW)结构的活性层1210，和一个p-型GaN(p-GaN)层1212。但是，在图13到图27，为便于清晰描述仅显示半导体层1204。但是，应该认识到，依照本发明的实施例，任何期望的层，包括一个或多个层，可以在基板上生长。

[0053] 通常，n-GaN层1208和活性层1210生长在半导体基板1202上。其它层也可以首先生长在半导体基板1202上，这取决于半导体结构1200的应用和设计。接着，一个或多个p-GaN层1212生长在活性层1210上。依照本发明的实施例，n-GaN层可以包括一个生长在蓝宝石基板1202上的无掺杂缓冲层，其不在图内显示。然后，n-GaN层可以生长在无掺杂的缓冲层上。

[0054] 图13是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。执行蚀刻以建立一个图案1300在半导体层1204上而露出蓝宝石基板1202。在一个实施例里，图案1300可以是沟槽形状，其形成可能是通过平台隔离(mesa isolation)或其它合适的蚀刻方法。图案的形状可以是沟槽、点、孔、线或任何其它期望的形状。本领域技术人员可以使用用来建立图案1300的其它方法和技术。

[0055] 在图14到17里，使用一个选择沉积过程，图案1300被填满一种超硬材料。一保护电介质层1400被沉积在半导体层1204和蓝宝石基平面1202的露出表面上。一光刻胶1402在半导体层1204上被图案化。

[0056] 参照图15，底涂料1500被施加到半导体结构1200上，其覆盖光刻胶1402和电介质层1400。添加底涂料1500是在图案1300上形成超硬材料的一个步骤。

[0057] 参照图16，去除光刻胶1402。另外，位于光刻胶1402上的底涂料1500和光刻胶1402一起被去除。所以，在半导体层1204上的部分电介质层1400没有底涂料1500，其需要用来沉积超硬材料。

[0058] 参照图17，超硬材料1700是在图案1300上形成。因为底涂料1500仅位于图案1300内的部分电介质层上，超硬材料1700仅形成在这些区域。所以，超硬材料1700至少部分基于底涂料1500的位置被选择性地沉积。由于在半导体层1204上的部分电介质层上没有底涂料，超硬材料1700不会形成在这些区域上。

[0059] 参照图18，在半导体层1204上的电介质层1400被去除，以露出半导体层1204的p-GaN层。参照图19，利用p-型金属化，第一电极层1900是在半导体层1204和超硬材料1700的表面上形成。第一电极层1900可以是欧姆接触和镜层。现参照图20，与图19的示意图进行比较，图像已经被旋转180°，使得蓝宝石基板1202现在出现在附图的上部分。第一电极层1900被键合到一个导电载体2000上。依照一个实施例，导电载体2000可以包括铜、银、金、硅、碳化硅或砷化镓(GaAs)。

[0060] 图21是本发明一个实施例的一个半导体结构的截面图。图21显示已经去除的蓝宝石基板1202。在一个实施例里，蓝宝石基板1202是通过一个机械薄化过程被去除，其通常可能包括研磨、抛光、或表面化学机械抛光作为部分过程。在一个实施例里，使用组合的研磨、抛光和CMP来去除蓝宝石基板1202。也可以使用其它去除方法。但是，使用本发明实施例的机械薄化方法能够提供速度和精度方面的优势。去除蓝宝石基板1202而露出超硬材料1700。超硬材料1700，是一种比蓝宝石基板1202更硬的材料，其充当终止点以指示机械薄化过程何时停止。当终止点是由一种超硬材料形成时，在终止点末端的位置可以确定且精确地停止机械薄化，留下剩下的半导体层。超硬材料可以是任何比蓝宝石基板和GaN层更硬的合适材料。合适超硬材料的例子可以参照图3到11B的提供。但是，“超硬”不是意在被限制到所提供的范例，可以是适合用来实现所述方法的任何材料类型。

[0061] 参照图22，半导体层1204的无掺杂缓冲层被蚀刻而露出n-GaN层2200。参照图23，电极2300形成在露出的n-GaN层2200上。

[0062] 依照本发明的一个实施例，如图24所示，可以进行发光表面的表面纹理化2400或粗化。依照另一个实施例，如图25所示，也可以进行在发光表面上形成二维光子晶体2500。

[0063] 图26是本发明一个实施例的图24所示半导体结构的截面图。

[0064] 图27是本发明一个实施例的图25所示半导体结构的截面图。

[0065] 虽然参照所述实施例已经特别描述和显示了本发明，本领域技术人员将会理解，可以对其格式和细节作出改变，而不会脱离本发明的精神和范围。例如，尽管已经描述了某些蚀刻方法，任何合适的蚀刻方法可以用于本发明的实施例，诸如湿蚀刻、干蚀刻、ICP蚀刻、PEC蚀刻或其它合适的方法。例如，在一个实施例里，可以使用较高选择性的湿蚀刻；但是，也可以使用本领域技术人员所熟知的干蚀刻和其它合适的蚀刻方法。

[0066] 所以，以上描述意在提供本发明的示范实施例，而本发明范围并不受制于所提供的具体范例。