专利名称：半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体元件的制作方法，尤其是涉及一种使用湿蚀刻方式分离蓝宝石基板的与半导体元件的方法。
背景技术：
随着科技日新月异，半导体光电元件在信息的传输以及能量的转换上有极大的贡献。以系统的运用为例，例如光纤通讯、光学储存及军事系统等，半导体光电元件皆能有所发挥。以能量的转换方式进行区分，半导体光电元件一般可分为三类将电能转换为光的放射，如发光二极管及激光二极管；将光的信号转换为电的信号，如光检测器；将光的辐射能转换为电能，如太阳能电池。在半导体光电元件之中，生长基板扮演着非常重要的角色。形成半导体光电元件所必要的半导体外延结构皆生长于生长基板之上。因此，选择一个适合的生长基板，往往成为决定半导体光电元件中元件生长品质的重要因素。然而，有时一个好的元件生长基板并不一定是一个好的元件操作基板。以发光二极管为例，在已知的红光元件工艺中，为了提升元件的生长品质，会选择晶格常数与半导体外延结构较为接近但不透明的GaAs基板作为生长基板。然而，对于以放光为操作目的的发光二极管元件而言，在操作过程之中，不透明的生长基板却会造成元件的发光效率下降。为了满足半导体光电元件对于生长基板与操作基板不同需求条件的要求，基板的转移技术于是因应而生。亦即，半导体外延结构先于生长基板上进行生长，再将生长完成的半导体外延结构转移至操作基板，以方便后续的元件操作进行。在半导体外延结构与操作基板结合之后，原有生长基板的移除则成为此转移技术的关键之一。已知生长基板的移除方式主要包括将原有的生长基板以蚀刻液蚀刻溶解，以物理方式切割磨除，或事先在生长基板与半导体外延结构之间生成牺牲层，再通过蚀刻去除牺牲层的方式将生长基板与半导体分离等。然而，不论是以蚀刻液溶解基板或是以物理性切割方式磨除基板，对原有的生长基板而言，都是一种破坏，生长基板无法再度利用。在强调环保及节能的现代，无疑是一种材料的浪费。
发明内容
根据以上描述，本发明提供一种分离基板与半导体元件的制作方法，尤其是关于一种使用湿蚀刻方式分离蓝宝石基板的与半导体元件的方法。本发明的实施例是提供一种半导体结构的制作方法，包括提供基板，该基板具有底面与相对于底面的生长面；形成缓冲层于生长面上，缓冲层具有实质平行于底面的第一表面，且第一表面为非C平面；形成半导体元件于缓冲层的第一表面上；形成至少一个孔穴于缓冲层内；延伸上述孔穴，使得上述孔穴具有主延伸方向；分离基板与半导体元件；其中，上述主延伸方向与第一表面的法线方向实质不平行。
图IA为结构图，显示依据本发明半导体元件制作第一步骤的结构图；图IB为结构图，显示依据本发明半导体元件制作第二步骤的结构图；图IC为结构图，显示依据本发明半导体元件制作第三步骤的结构图；图ID为结构图，显示依据本发明半导体元件制作第四步骤的结构图；图IE为结构图，显示依据本发明半导体元件制作第五步骤的结构图；图IF为结构图，显示依据本发明半导体元件制作第六步骤的结构图；图2为结构图，显示依据本发明半导体元件与基板分离的结构图；图3A为俯视图，显示依据图IC半导体元件中C-C线段切割实施例的俯视图；图!3B-3D为俯视图，显示依据图IC半导体元件中C-C线段切割另一实施例的俯视图；图4A为示意图，显示依本发明实施例的孔穴蚀刻示意图；图4B为结构图，显示本发明实施例中另一半导体元件的结构图。附图标记说明10 基板；11 氮化镓层；12 氮化镓纳米柱；13 孔穴；13a:内表面；14 缓冲层；15 半导体元件；151 有源层；152 :n型氮化物层；153 φ型氮化物层；B 底面；S:表面；F 第一表面；L, L，长度；D，D，距离。
具体实施例方式以下配合
本发明的各实施例。本发明的实施例显示本发明中使用湿蚀刻方式分离基板10与半导体元件15的方法如图IA 图IF所示。首先，如图IA所示，选择晶体结构为三方晶系的蓝宝石材料作为基板10，基板10具有底面B以及相对于底面B的另一表面S。在本实施例之中，S表面为蓝宝石基板10的晶格面R-plane {01-12}。接着，以基板10的表面S为生长面，在上方沉积无掺杂的氮化镓(U-GaN)层11， 再利用反应式离子蚀刻工艺(Reactive Ion Etch ;RIE)垂直蚀刻氮化镓层11至预定深度，以形成多个均勻分布的氮化镓纳米柱12，如图IB所示。接着，以氮化镓纳米柱12作为同质外延的成核层(seed layer)，使氮化镓结构继续生长。外延生长时，由于同质外延过程中横向生长速率大于纵向生长速率，使氮化镓纳米柱12上的氮化镓材料横向接合，形成内部具有多个孔穴13的氮化镓缓冲层14。其中，生长完成的缓冲层14具有实质平行于基板10底面B的一个第一表面F。在本实施例中，缓冲层14生长于蓝宝石基板10表面S，即R-plane {01-12}，在其上所生成的氮化镓缓冲层14第一表面F则为晶格面A-plane {11-20}，其结构如图1C。其中，缓冲层14的组成包含但不限于本实施例所述 u-GaN,更可包含n-GAN、p_GaN、A1N、InN, AlGaN与InGaN等六方晶系的材料。形成缓冲层 14的方法可采用有机金属化学气相沉积法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition ； MOCVD)或氢化物气相外延法(Hydride Vapour Phase Epitaxy ；HVPE)等。如图ID所示，在形成的氮化镓缓冲层14上形成半导体元件15。以本实施例为例，半导体元件15为发光二极管元件，包含有源层(发光层)151以及位于此有源层(发光层)151两侧的η型氮化物层152与ρ型氮化物层153。其中，有源层(发光层)151的结构如单异质结构(single heterostructure ;SH)、双异质结构(double heterostructure ； DH)、双侧双异质结构(double-side doubleheterostructure ；DDH)、或多重量子阱层结构 (multi-quantum well ；MQff)。以本实施例为例，有源层(发光层)151、ρ型氮化物层152、 与η型氮化物层153的组成分别可为各原子成分含量不同或相同的AlxGiiJnzN(x+y+z = 1)。此外，半导体元件15中尚可包含其他非半导体的材料，如金属、有机化合物、绝缘体、与氧化物等。于实施例中，半导体元件15可包含氧化铟锡(indiumtin oxide ； ΙΤ0)层以提升侧向电流的分散效果。再者，半导体元件15的外表面或内表面中亦可以结构化以形成特定的光场或提高光摘出效率。接着，参照图1E，使用蚀刻液蚀刻氮化镓缓冲层14中的多个孔穴13以使孔穴13 延伸。于本实施例中，蚀刻的进行是通过选择缓冲层晶体结构的极性方向进行蚀刻，蚀刻液优选应在较低浓度以及较低温度的条件下进行反应。优选应选择50%浓度以下的氢氧化钾(potassium hydroxide ；K0H)的溶液，而蚀刻反应温度优选则应介于80°C 180°C之间。 其中，随着蚀刻液逐渐蚀刻氮化镓缓冲层14中的多个孔穴13，孔穴13的内表面13a将依据缓冲层不同的晶体极性方向以不同的速率向外延伸。以本实施例为例，所采用的是实验条件为120°C，10%的氢氧化钾的乙二醇溶液。其中，影响内表面13a轮廓的可能因素包含但不限于蚀刻液的成分、孔穴13暴露的晶格方向、几何配置、与氮化镓缓冲层14的晶格缺陷或结构弱点。一般而言，以蚀刻液蚀刻方式进行孔穴延伸时，由于蚀刻液在不同的方向会有不同的蚀刻速率，因此，在蚀刻步骤进行时，孔穴的延伸会具有许多延伸方向。于本实施例中，氢氧化钾蚀刻液对于氮化镓缓冲层14不同晶格面的蚀刻速率分别为-C-plane > M-plane > Α-plane > +C-plane由于氮化镓缓冲层14的第一表面F为晶格面A-plane {11-20}，因此，图中右方 (与表面F的法线方向垂直)为氮化镓缓冲层14的+C方向，而右方平面为-C平面。因此， 当以孔穴13具有最大延伸速率的方向为主延伸方向时，垂直于氮化镓缓冲层14第一表面F 的孔穴13将如图所示以+C方向(图中右方，即垂直于表面F的法线方向)为主延伸方向进行延伸，直到内表面13a接近或成为特定面族后，延伸速率，以本实施例而言，即蚀刻速率将变得十分缓慢。换言之，此特定面族可视为蚀刻停止面。以氮化镓结构而言，此特定面族为{11-22}或{10-11}面族。如图IF所示，蓝宝石基板孔穴13的部分内表面13a已被蚀刻为{11-22}面族(或{10-11}面族)，而{11-22}面族(或{10-11}面族)的方向与缓冲层14表面F的法线方向呈58度(或62度)夹角，再加上此些成为{11-22}面族(或 {10-11}面族)的内表面13a理论上具有相同的蚀刻速率，孔穴13的截面因此成为具有相等侧边的等腰三角形(equilateraltriangular)。此三角形的孔穴结构以基板10的法线方向做为三角形的底边，而两侧边与底边的两夹角则为58度(或62度)。此时，若继续进行蚀刻的工艺，等腰三角形将沿着{11-22}面族(或{10-11}面族)继续延伸，亦即，以维持等腰三角形相对应于基板表面S相同角度的方式继续延伸。值得注意的是，此时的蚀刻速率会相当缓慢，约为原速率的十分之一以下。基于上述，若孔穴13的宽度与间距配置得当，相邻孔穴13的最近内表面13a经蚀刻后将会彼此接触。于本实施例中，通过控制蚀刻速率及时间，相邻孔穴13的内表面13a 可接近至几乎相接或完全相接，而半导体元件15与蓝宝石基板10间将仅存有脆弱的连接或已完全彼此分离。此时，如图2所示，以施加如震动、剪应力、拉应力、压应力、与热膨胀等形式的外力等方式，可轻易将其二者分离。除了上述的方式之外，孔穴13的形成亦可采用光刻技术或感应耦合等离子体 (Inductive Coupling Plasma ； I CP)等干蚀刻方式形成。而形成氮化镓缓冲层14与上方的半导体元件15时则可使用有机金属化学气相沉积法、氢化物气相外延法、或其他可利用的方法。于图3A中，显示图IC中C-C线段的俯视图。由俯视图观之，孔穴13图案呈现规则性地交错分布。然而，其中，图案的规则性应不限制于如图3A中所示的结构。如图!3B-3D 所示，孔穴13的俯视图亦可呈现例如通道状、阵列状或十二重(12-folded)排列等。此外， 孔穴13的排列亦不以规则为限，在本领域中普通技术人员应当明白，不规则的孔穴13排列方式亦可能达到本发明的效果。接着，讨论本发明的其他可能的实施方式。以缓冲层的第一表面方向F为例，氮化镓缓冲层的第一表面F例如可以为晶格面M-plane {10-10}或是晶格面R-plane {01-12}等与C平面不平行的其他晶格面。如此一来，通过延伸氮化镓缓冲层内部孔穴的+C方向，在缓冲层中便可形成逐渐相连接的分离部，进而达到分离基板与半导体元件的目的，而被分离的基板也可以在不被破坏的情况下重复回收再利用。此外，孔穴间的间距亦可选择性地进行适当的修正。如同上面的实施例所述，当蚀刻液蚀刻缓冲层结构至蚀刻停止面时，蚀刻速率将变得十分缓慢。以本发明的实施例为例， 以垂直氮化镓缓冲层14的+C方向的孔穴内表面为三角形的底边时，当蚀刻至形成底边的两夹角为58度或62度的等腰三角形时即达到蚀刻停止面。以图4A的蚀刻示意图为例，若以底边的长度为L，则达到蚀刻停止面时，在具有最大蚀刻速率的+C方向其蚀刻距离D则可列为以下的关系式D = O. 5L*tan58° 或 D = 0. 5L*tan62°参考以上的关系式，为了达成较快的分离速率，孔穴间的间距优选的情况应该小于或等于D，即到达蚀刻停止面前，可以较快的+C方向蚀刻速率进行孔穴主方向延伸。考量孔穴的形状并不限于如本实施例的长柱状，因此，如图4B所示，定义两相邻孔穴在垂直氮化镓缓冲层14的+C方向具有最大长度L’及L”时，则两相邻孔穴间距D’在符合以下的关系式时具有较快的蚀刻速率
D，彡 0. 5L，*tan58° 或 D，彡 0. 5L，*tan62°而孔穴的间距设置亦应以此为优选的条件，亦即可获得较快的蚀刻速率。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。
权利要求
1.一种半导体结构的制作方法，包含提供基板，该基板具有底面与相对于该底面的生长面；形成缓冲层于该生长面上，该缓冲层具有实质平行于该底面的第一表面，且该第一表面为非C平面；形成半导体元件于该缓冲层的该第一表面上； 形成至少一个孔穴于该缓冲层内； 延伸该孔穴，使得该孔穴具有主延伸方向；以及分离该基板与该半导体元件；其中，该主延伸方向与该第一表面的法线方向实质不平行。
2.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，该主延伸方向是指该孔穴具有最大延伸速率的方向。
3.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，该主延伸方向与该第一表面的法线方向实质垂直。
4.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，该缓冲层内具有多个孔穴，且该多个孔穴是规则性地排列。
5.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，延伸该孔穴的方法为湿蚀刻，且该湿蚀刻的溶液包含氢氧化钾。
6.如权利要求5所述的半导体结构的制作方法，其中，该基板的材料选自蓝宝石、硅、 碳化硅、氧化锌、铝酸锂或氮化铝。
7.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，该缓冲层为氮化物半导体外延层。
8.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，该孔穴具有第二晶格面位于该缓冲层内，且该第二晶格面为{11-22}或{10-11}的面族。
9.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，还包含形成多纳米等级的柱状体于该基板上。
10.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，形成该半导体结构的方法还包含形成P型半导体层；及形成η型半导体层于该P型半导体层之上。
11.如权利要求1所述的半导体结构的制作方法，其中，分离该基板与该半导体元件是指提供外力使该基板与该半导体元件自该孔穴处分离。
全文摘要
本发明提供一种半导体结构的制作方法，包括提供基板，该基板具有底面与相对于底面的生长面；形成缓冲层于生长面上，缓冲层具有实质平行于底面的第一表面，且第一表面为非C平面；形成半导体元件于缓冲层的第一表面上；形成至少一个孔穴于缓冲层内；延伸上述孔穴，使得上述孔穴具有主延伸方向；分离基板与半导体元件；其中，上述主延伸方向与第一表面的法线方向实质不平行。
文档编号H01L21/306GK102569018SQ201010582478
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者张世邦, 杨鸿志, 沈豫俊 申请人:晶元光电股份有限公司