CN101174557A - 氮化物基半导体装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物基半导体装置的制造方法,该制造方法包括步骤:在支撑衬底上形成由氮化物基半导体构成的层叠结构,在层叠结构上沉积第一接合金属,在保持衬底上沉积第二接合金属,在其中第一接合金属和第二接合金属相互面对的状态下接合第一接合金属和第二接合金属从而接合保持衬底和层叠结构,其中第一接合金属和第二接合金属构成接合金属,并且从层叠结构分离支撑结构以将其移走。设置保持衬底的表面面积比支撑衬底的表面面积小。因而可以避免在保持衬底上的裂纹、断裂、碎屑等。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化物基半导体装置的制造方法,更特别地,涉及一种氮化物基半导体装置的制造方法,其中在氮化物基半导体层和保持衬底之间接合之后,移走其上形成了氮化物基半导体层的支撑衬底。
背景技术
氮化物基半导体装置典型地使用氮化物基化合物半导体用于装置结构的主要部分。可以列举各种装置,例如发光装置、光接收装置和功率装置。在例如LED(发光二极管)或LD(激光二极管)的发光装置的情形,通过恰当地选择在发光层中所使用的氮化物基化合物半导体的成分,可以获得对应于从紫外至红外的波长范围的发光。
氮化物基化合物半导体是例如由成分式AlaInbGa1-a-bN(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)确定的III族氮化物。具体实例可以列举具有任意成分的GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、InN等。
在氮化物基半导体装置的制造中,半导体晶片截取为芯片。装置结构的形成包括步骤:在蓝宝石衬底等的支撑衬底上沉积氮化物基半导体层,并且在氮化物基半导体层上形成P型欧姆电极和N型欧姆电极从而获得装置(芯片)。但是,该装置结构的缺点在于,由于两个电极在氮化物基半导体层上形成,所以电极占据了相对大的面积,导致在一个晶片上形成的芯片的数量少的问题。
为了从一个晶片形成许多芯片,一种传统的解决方法是,在晶片上形成半导体层之后,从半导体层分离晶片,并且再次使用晶片(日本专利公开No.2000-252224)。图3是描述氮化物基半导体装置的传统制造方法的示意截面图。参考图3,该传统制造方法包括步骤:在支撑衬底2上沉积由氮化物基半导体构成的层叠结构27,使用接合金属23接合或粘附层叠结构27至保持衬底21,并且在氮化物基半导体和保持衬底上加工从而生产氮化物基半导体装置。
本发明的发明者通过评估实验发现,传统接合方法(粘附方法)具有下列问题。当具有由氮化物基半导体构成的层叠结构的支撑衬底与保持衬底相接合(粘附在一起),并且随后移走支撑衬底时,在移走支撑衬底期间在保持衬底上将出现裂纹、断裂、碎屑等。这被认为是,由于保持衬底的强度低,所以在支撑衬底的移走期间放置钳子对之类将在保持衬底上引起裂纹、断裂、碎屑等。
发明内容
考虑到前述原因,本发明的目的之一是提供一种可以避免特别是在移走支撑衬底期间在保持衬底上出现的裂纹、断裂、碎屑等的氮化物基半导体装置的制造方法。
本发明涉及一种氮化物基半导体装置的制造方法,该氮化物基半导体装置包括其中保持衬底和由氮化物基半导体构成的层叠结构通过它们之间的接合金属接合的结构。该制造方法包括步骤:在支撑衬底上形成由氮化物基半导体构成的层叠结构,在层叠结构上沉积第一接合金属,在保持衬底上沉积第二接合金属,在其中第一接合金属和第二接合金属相互面对的状态下接合第一接合金属至第二接合金属从而结合保持衬底和层叠结构,其中第一接合金属和第二接合金属构成接合金属,并且从层叠结构分离支撑结构将其移走。对应于第二接合金属沉积侧的保持衬底的表面面积设置得比对应于层叠结构形成侧的支撑衬底的表面面积小。
在本发明中,优选使接合材料避免与支撑衬底接触。
在本发明中,优选设置支撑衬底的厚度为不大于400μm。在本发明的接合步骤中,优选保持衬底沿对应于第二接合金属沉积侧的保持衬底的表面的整个面积与层叠结构结合。
在本发明中,在支撑衬底的移走步骤中,优选支撑衬底的移走通过从支撑衬底的背侧照射激光束而进行,以分离层叠结构和支撑衬底。
优选本发明的制造方法还包括在移走支撑衬底之前,镜面抛光将要施加激光束的支撑衬底的面的步骤。
在移走支撑衬底的步骤中,优选在支撑衬底的背侧位于下侧时施加激光束。
在本发明中,优选保持衬底由从掺磷或掺氮的Si、Ge、SiC和GaP的构成组中所选择的至少一种形成。
在本发明中,在层叠结构上沉积第一接合金属和在保持衬底上沉积第二接合金属之后,在接合步骤中将第一接合金属接合到第二接合金属。因而,在保持衬底和层叠结构之间可以保证良好的接合从而实现良好的接合成品率。此外,可以避免在保持衬底上出现的裂纹、断裂、碎屑等。由于特别在通过设置对应于第二接合金属沉积侧的保持衬底的表面面积比对应于层叠结构形成侧的支撑衬底的表面面积小而在接合步骤之后良好地避免了支撑衬底和接合金属之间的接触,所以可以抑制被移走的支撑衬底的残留物,以及层叠结构的翘曲和剥离。通过本发明的氮化物基半导体装置的制造方法,可以获得具有良好可靠性的氮化物基半导体装置。
参考附图,从下列本发明的详细描述中本发明的前述和其它目标、特征、方面和优点将变得更为显见。
附图说明
图1是描述在本发明的氮化物基半导体装置的制造方法中于接合步骤之后的状态的示意截面图。
图2是描述通过本发明的制造方法获得的作为氮化物基半导体装置的实例的发光装置的主结构的示意截面图。
图3是描述氮化物基半导体装置的传统制造方法的示意截面图。
具体实施方式
本发明涉及一种包括其中保持衬底和由氮化物基半导体构成的层叠结构通过它们之间的接合金属相接合的结构的氮化物基半导体装置的制造方法。该制造方法包括步骤:在支撑衬底上形成由氮化物基半导体构成的层叠结构,在层叠结构上沉积第一接合金属,在保持衬底上沉积第二接合金属,相互面对地接合第一接合金属和第二接合金属从而结合保持衬底和层叠结构,其中第一接合金属和第二接合金属构成接合金属,并且从层叠结构分离支撑结构以将其移走。
图1表示其中保持衬底11和层叠结构17通过它们之间的第一接合金属10和第二接合金属13接合的状态。第一接合金属10沉积在位于支撑衬底1上的层叠结构17上。在图1中,对应于沉积第二接合金属13一侧的保持衬底11的表面面积设置得比对应于形成层叠结构17一侧的支撑衬底11的表面面积小。
图2表示通过本发明的制造方法获得的氮化物基半导体装置的实例。在保持衬底11上形成了粘合层12、第二接合金属13、第一接合金属10、壁垒层9、反射层8、欧姆电极7、P型层6、蒸发阻挡层5、发光层4、N型层3、透明导体层14和焊盘电极15。焊盘电极15连接至导线16。在图2中示出的N型层3、发光层4、蒸发阻挡层5和P型层6的层叠结构对应于本发明的层叠结构,如同在图1中指示的层叠结构17。在本发明中,在支撑衬底和层叠结构之间,在层叠结构和接合金属之间,以及在保持衬底和接合金属之间,可以存在或不存在其它的相关层。
在本发明中,在沉积第一接合金属至层叠结构上和沉积第二接合金属至保持衬底上的接合金属沉积步骤之后进行接合步骤。具体地,第一接合金属与第二接合金属接合。第一接合金属和第二接合金属构成位于保持衬底和层叠结构之间的接合金属。因而,使得保持衬底和层叠结构之间的接合良好。可以抑制在支撑衬底移走步骤中当支撑衬底从层叠结构上分离并且移走时在保持衬底上出现的裂纹、断裂、碎屑等。
通过设置对应于第二接合金属沉积侧的保持衬底的表面(以下简称为保持衬底表面)面积小于对应于层叠结构形成侧的表面(以下简称为支撑衬底的表面)面积,可以很好地避免接合金属和支撑衬底之间的接触,该接触由接合金属到支撑衬底的扩散特别是到支撑衬底的侧面的扩散所引起。因而,可以抑制被移走的支撑衬底的残留物的残留,和/或层叠部分的翘曲和剥离。
以下将参考图1和2描述根据本发明的氮化物基半导体装置的制造方法的典型方式。应当理解本发明不仅局限于此。
层叠结构形成步骤
在本发明的氮化物基半导体装置的制造方法中,首先在层叠结构形成步骤中在支撑衬底上形成由氮化物基半导体构成的层叠结构。蓝宝石衬底可以被作为在本发明中所使用的支撑衬底的实例。优选设置支撑衬底的厚度不大于400μm。通过这样的厚度,可以更好地抑制保持衬底上出现的裂纹、断裂、碎屑等。可以使用市贩研磨/抛光机械通过研磨和抛光而调整支撑衬底的厚度。
对于由氮化物基半导体构成的层叠结构,恰当地采用在氮化物基半导体装置中公知的结构。例如,例如蓝宝石衬底的支撑衬底放置在MOCVD装置内,并且在氢环境中升至大约1100℃的温度进行热蚀刻。然后,温度降低至大约300℃,并且分别通入例如作为III族原材料和N原材料的三甲基镓(以下称为TMG)和氨,以生长例如厚度大约20nm的低温沉积GaN缓冲层。接着,温度升至大约1000℃。通入例如TMG、氨和SiH4作为原材料,以生长掺杂硅的N型GaN层至大约6μm,例如作为N型层3。在将温度降低至大约800℃之后,通入例如TMG、三甲基铟(TMI)、NH3和SiH4作为原材料,从而形成包括GaN壁垒层(例如厚度:10nm)和InGaN阱层(例如发光波长:465nm;厚度:3nm)的6周期多量子阱有源层,作为发光层4。
然后,生长温度升高到1000℃,通入例如作为原材料的三甲基铝(TMA)、NH3,以及作为掺杂剂的二茂基镁(bis-cyclopentadienylmagnesium,Cp2Mg),顺序形成作为蒸发阻挡层的例如厚度大约为30nm的P型AlGaN层,和作为P型层6的例如厚度大约为200nm的P型GaN接触层。通过上述步骤,可以生产出作为本发明的层叠结构的包括具有465nm发光波长的蓝色LED结构的半导体晶片。
第一接合金属沉积步骤、第二接合金属沉积步骤
第一接合金属10沉积在如上所述获得的层叠结构17的表面上(第一接合金属沉积步骤)。另外,第二接合金属13沉积在本发明中所使用的保持衬底11的表面上(第二接合金属沉积步骤)。
在本发明中采用作为氮化物基半导体装置衬底的典型衬底作为保持衬底。例如,保持衬底可以采用从掺杂P或掺杂N的硅、Ge、SiC和GaP构成的组中所选择的至少一个成分。
对于在本发明中所使用的第一接合金属和第二接合金属,作为实例,可以列举AuSn、Au、Sn、In、Pd、Al、Ag、Ag-Nd和Ag-Bi。在其中采用AuSn的情形,优选具有大约20wt%的Sn成分的AuSn。第一和第二接合金属可以具有相同或不同的成分。典型的组合是基于包括20wt%的Sn的AuSn作为第一接合金属和Au作为第二接合金属。
具体地,在上述层叠结构形成步骤中获得的层叠结构17的P型层6上、沉积了具有大约3μm厚度的AuSn的第一接合金属10,在它们之间具有大约2μm厚度的Pt的欧姆电极7、具有大约200nm厚度的Ag-Nd的反射层8和具有大约100nm厚度的Ni-Ti壁垒层9(第一接合金属沉积步骤)。欧姆电极7、反射层8、壁垒层9和第一接合金属10可以通过例如气相沉积的恰当的方法沉积。气相沉积包括例如EB(电子束)气相沉积、电阻加热蒸发等。
在具有48mm的直径由P型硅构成的保持衬底11上,通过EB气相沉积、电阻加热蒸发等提供例如具有大约1μm厚度的由Au构成的第二接合金属13,在它们之间具有大约50nm厚度的Ti层作为粘合层12(第二接合金属沉积步骤)。
通过上述工艺,第一接合金属和第二接合金属可以分别沉积在层叠结构上和保持衬底上。
接合步骤
在接合步骤中,保持衬底11和层叠结构17通过在其中位于层叠结构17上的第一接合金属10和位于保持衬底11上的第二接合金属13相互面对的状态下接合第一接合金属10和第二接合金属13而接合。接合工艺可以通过如下步骤实施:建立相互面对的第一接合金属10和第二接合金属13之间的接触,并且在310℃的温度和300N/cm2的压力等的条件下施加共晶接合等。
在本发明的接合步骤中,优选保持衬底与层叠结构沿对应于第二接合金属沉积侧的保持衬底表面的整个面积与层叠结构结合。在这种情形,可以使得保持衬底和层叠结构之间的接合更好,由此进一步改善了接合成品率。可以获得具有高可靠性的氮化物基半导体装置。具体地,优选在之间的位置上结合保持衬底和层叠结构使得保持衬底的表面面对对应于第一接合金属沉积侧的层叠结构表面的中心区。
在本发明中,优选在接合步骤中使通过接合第一接合金属和第二接合金属获得的接合金属避免了与支撑衬底的接触。换而言之,优选在其中接合金属不通过特别地扩散到支撑衬底侧面的接合金属与支撑衬底接触的受控状态下结合保持衬底和层叠结构。如果接合金属特别地扩散到支撑衬底的侧面,则通过接合金属将产生保持衬底和支撑衬底之间的粘合,导致移走支撑衬底困难和/或残留移走的支撑衬底的残留物的可能性。另外,可以容易出现层叠结构的翘曲或剥离。
为了避免接合金属和支撑衬底之间的接触,优选设置支撑衬底和保持衬底的表面面积与接合金属的层厚度的关系在恰当的范围内。在本发明中,保持衬底的表面面积设置得比支撑衬底的表面面积小。这样选择支撑衬底和保持衬底的尺寸和接合金属的层厚度,使得支撑衬底表面的跨度和保持衬底表面的跨度的差比位于保持衬底和层叠结构上的接合金属的层厚度之和大。
支撑衬底移走步骤
在支撑衬底移走步骤中,支撑衬底1与将被移走的层叠结构17分离。该移走可以通过从支撑衬底1的背侧即从层叠结构形成侧的相反侧,向支撑衬底1施加激光束而实施,由此在构成层叠结构17的氮化物基半导体中与支撑衬底1接触的层被部分热分解从而引起层叠结构17和支撑衬底1之间的分离。
当采用上述方法时,在层叠结构形成步骤期间,优选作为缓冲层形成进行热分解的氮化物基半导体层。此外,在支撑衬底和层叠结构之间可以附加地提供与热分解相关的层。
在本发明中在其中通过从背侧对支撑衬底施加激光束移走支撑衬底的情形,优选制造方法还包括镜面抛光将要照射激光束的支撑衬底的背侧的镜面抛光步骤。镜面抛光将要施加激光束的面的优点在于,由于在施加激光束的面上的激光束散射小,所以仅需低的激光功率照射支撑衬底。因而,降低了对层叠结构17内的发光层的损伤等。
从良好地分离和移走支撑衬底的观点而言,上述激光束优选施加到支撑衬底的背侧的整个表面上。优选在支撑衬底的背侧的整个表面上通过研磨和/或抛光而均匀地进行镜面抛光工艺。支撑衬底端部的镜面容易被变成不平的。因而优选通过选择恰当的研磨和抛光条件进行镜面抛光使得包括端部的背侧的整个表面的镜面状态变得平坦。如果在支撑衬底背侧的镜面不均匀,则激光束的照射将变得不均匀,导致氮化物基半导体的热分解不足的缺点。结果,可以变得难于移走支撑衬底,和/或可以保留移走的支撑衬底的残留物。
在其中通过从支撑衬底的背侧施加激光束而移走支撑衬底的情形,优选支撑衬底的背侧在下侧时施加激光束。其优点是通过氮化物基半导体的热分解从层叠结构分离的支撑衬底可以直接向下落下,从而简化了支撑衬底的移走。
其它步骤
上述支撑衬底移走之后,可以进行下述公知的传统操作从而制造氮化物基半导体装置。例如从N型层3侧使用光刻胶掩模实施RIE(反应离子蚀刻),从而完全去除P型层6并且形成用于芯片分割的沟槽(划线),然后暴露反射层8。通过RIE形成的沟槽的宽度可以设置为大约20μm。例如基本上在清洁的N型层3的所有暴露表面上,形成作为透明导体层14的透明导体ITO至150nm的厚度。在其上形成n接合焊盘电极(Au/Cr)作为焊盘电极15,并且使其与导线16连接。通过RIE可以例如在清洁的N型层3的暴露表面形成凹入和突起,随后在基本上整个表面上形成作为透明导体层14的透明导体ITO。通过上述方法,可以获得氮化物基半导体装置。
本发明的氮化物基半导体装置可以用于各种装置,例如LED、LD的发光装置、光接收装置,功率装置等。
将根据下列实例更详细地描述本发明。应当理解本发明不局限于此。
实例1
在本实例中,通过层叠结构形成步骤、第一接合金属沉积步骤、第二接合金属沉积步骤、接合步骤、镜面抛光步骤、支撑衬底移走步骤以及传统的公知步骤,制造对应于图2所示的结构的GaN基LED,以作为氮化物基半导体装置。
层叠结构形成步骤。
具有50.2mm的直径和430μm的厚度的C平面蓝宝石晶片用作支撑衬底1。支撑衬底1放置于MOCVD装置内,在氢气环境中升温至1100℃以进行热蚀刻。
接着,温度降低至300℃,并且通入作为III族原材料的三甲基镓(TMG)和作为N原材料的氨,以生长例如厚度为20nm的低温沉积GaN缓冲层。然后,温度升至1000℃,并且通入三甲基镓(TMG)、氨和SiH4作为原材料,以生长掺杂硅的N型GaN层至大约6μm,作为N型层3。然后,温度降低至800℃之后,通入TMG、三甲基铟(TMI)、NH3和SiH4作为原材料,从而形成包括GaN壁垒层(厚度:10nm)和InGaN阱层(发光波长:465nm;厚度:3nm)的6周期多量子阱有源层,作为发光层4。
然后,生长温度升高到1000℃,通入作为原材料的TMG、三甲基铝(TMA)、NH3,以及作为掺杂剂的二茂基镁(Cp2Mg),从而顺序形成作为蒸发阻挡层5的厚度大约为30nm的P型AlGaN层,和作为P型层6的厚度大约为200nm的P型GaN接触层。因而,生产出包括具有465nm发光波长的蓝色LED结构的半导体晶片,作为层叠结构17。
第一接合金属沉积步骤
在作为P型层6沉积于支撑衬底1上的P型GaN接触层上通过EB形成具有3 nm厚度的Pt的欧姆电极7之后,通过溅射形成具有200nm厚度的Ag-Nd的反射层8、和具有大约100nm厚度的Ni-Ti壁垒层9。由AuSn构成的具有3μm厚度的第一接合金属10通过电子加热蒸发沉积。作为第一接合金属10使用的AuSn合金包含20wt%的Sn。
第二接合金属沉积步骤
在作为保持衬底形成的具有48mm直径的P型硅保持衬底上,通过EB蒸发按顺序形成厚度50nm的Ti粘合层12和具有1μm厚度的Au第二接合金属13。
接合步骤
使上述沉积的第一接合金属10和第二接合金属13相互面对地接触,并且随后在310℃的温度和300N/cm2的压力下进行共晶接合从而建立它们之间的接合。
镜面抛光步骤
在使用市贩研磨/抛光机械研磨支撑衬底1的背侧使得支撑衬底1的厚度变成400μm之后,镜面抛光支撑衬底1的整个背侧,即将要照射激光束的面。
支撑衬底移走步骤
YAG-THG(钇铝石榴石第三谐波)激光束(波长355nm)从支撑衬底1背侧的被镜面抛光的表面施加,由此热分解与支撑衬底1和部分N型层3接触的GaN缓冲层。因而,支撑衬底1被分离移走。换言之,通过热分解GaN缓冲层被完全去除,从而暴露N型层3的表面。
从N型层3侧使用光刻胶掩模实施RIE(反应离子蚀刻)从而完全去除P型层6并且形成用于芯片切割的沟槽(划线),并且随后暴露反射层8。通过RIE形成的沟槽的宽度是大约20μm。作为透明导体层的透明导体ITO基本上在清洁的N型层3的所有暴露表面上形成至150nm的厚度。在其上形成作为焊盘电极15的金n接合焊盘电极(Au/Cr),并且与由Au形成的导线16连接。
通过上述方法,获得了氮化物基半导体装置。
紧接在接合步骤之后的装置的视觉确认中,未观测到在其侧面和支撑衬底的接合金属的扩散。在支撑衬底1和接合金属之间没有接触。此外,没有接合金属扩散至层叠结构17的侧面。
在本实例中,具有大约50.2mm直径的晶片用作支撑衬底1,并且具有大约48mm直径的晶片用作保持衬底11。换而言之,支撑衬底表面的直径和保持衬底表面的直径之间的差是大约2.2mm。由于在支撑衬底1侧的第一接合金属10的层厚度是3μm,并且在保持衬底11侧的第二接合金属的层厚度是1μm,所以第一和第二接合金属10和13的层厚度之和为4μm。在本实例中,设置支撑衬底表面的跨度和保持衬底表面的跨度之间的差大于第一和第二接合金属的厚度之和。接合金属不扩散至具有大约7μm厚度的层叠结构17的侧面。
对于本实例通过剥离试验计算的接合成品率是100%。因此可以理解,通过本发明的氮化物基半导体装置的制造方法,可以获得例如至少98%的良好的接合成品率。
本发明的氮化物基半导体装置的制造方法可以方便地应用于例如发光装置、光接收装置和功率装置等氮化物基半导体装置的制造。
尽管已经详细描述和示出了本发明,但是应当清楚地理解上述描述和示出仅是示意性的,并且仅仅是实例而不是限制性的,本发明的范围由权利要求确定。
Claims (8)
1.一种氮化物基半导体装置的制造方法,所述氮化物基半导体装置包括其中保持衬底和由氮化物基半导体构成的层叠结构通过它们之间的接合金属相结合的结构,所述制造方法包括步骤:
在支撑衬底上形成由所述氮化物基半导体构成的所述层叠结构,
在所述层叠结构上沉积第一接合金属,
在所述保持衬底上沉积第二接合金属,
在其中所述第一接合金属和所述第二接合金属相互面对的状态下接合所述第一接合金属至所述第二接合金属从而接合所述保持衬底和所述层叠结构,所述第一接合金属和所述第二接合金属构成所述接合金属,并且
从所述层叠结构分离所述支撑结构以将其移走,
其中对应于所述第二接合金属沉积特别的所述保持衬底的表面面积设置得比对应于所述层叠结构形成侧的所述支撑衬底的表面面积小。
2.根据权利要求1的氮化物基半导体装置的制造方法,其中使所述接合金属避免与所述支撑衬底接触。
3.根据权利要求1的氮化物基半导体装置的制造方法,其中所述支撑衬底具有不大于400μm的厚度。
4.根据权利要求1的氮化物基半导体装置的制造方法,其中在所述接合步骤中,所述保持衬底与所述层叠结构沿对应于所述第二接合金属沉积侧的所述表面的整个面积结合。
5.根据权利要求1的氮化物基半导体装置的制造方法,其中在所述支撑衬底的移走步骤中所述支撑衬底的移走通过从所述支撑衬底的背侧照射激光束实施,以分离所述层叠结构和所述支撑衬底。
6.根据权利要求5的氮化物基半导体装置的制造方法,所述方法还包括在所述移走支撑衬底的步骤之前,镜面抛光将要施加激光束的所述支撑衬底的面的步骤。
7.根据权利要求5的氮化物基半导体装置的制造方法,其中在所述支撑衬底的背侧位于下侧时施加所述激光束。
8.根据权利要求1的氮化物基半导体装置的制造方法,其中所述保持衬底由从掺杂磷或掺杂氮的Si、Ge、SiC和GaP构成的组中所选择的至少一种形成。
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