专利名称：制备半导体基板的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体基板的制造方法，特别是指一种属于磊晶成长方式的 高品质半导体基板的制造方法。
背景技术：
参阅图l，目前用于磊晶成长以氮化镓为主(gallium nitride-based)材料的发 光二极管元件所用的半导体基板13，是以磊晶成长并配合激光剥离(Laser Lift-Off) 技术(参见期刊论文Appl. Phys. Lett" 72(5)， Februaiy, 1998中)所制备。
该半导体基板13的制备过程是先选用碳化硅(SiC)或蓝宝石(a-A1203)为 材料所构成的基板作为磊晶基板11，接着利用有机金属化学气相沉积法 (MOCVD)在其上磊晶成长2~10 y m的氮化镓薄膜12，然后再以氢化物气相累 积成长方式(HVPE)累积增厚氮化镓薄膜至预定厚度(通常是100um以上)而 成该半导体g^反13，最后，禾U用高能量的激光作用在磊晶^^反11与半导体基板 13连结的界面(如图中箭号所示)，打断界面的键结使磊晶基板11与半导体 13相分离，即制得所需的半导体基板13。
上述制备半导体^^反13方法的优点在于可以重复回收使用磊晶基板11，只要 对其施予适当的表面处理，即可重复使用高成本的碳化硅或蓝宝石基板；但是此 等方法的缺点一来在于磊晶基板11的晶格缺陷会直接向上延伸至所成的半导体基 板13，缺陷密度高达1011 1012111^2，进而影响以此半导体基板13制备形成的发 光二极管元件的品质，二来，也由于磊晶基板11与半导体基板13连结界面的键 结能力并不完全均匀一致，所以当以激光作用在磊晶SI反U与半导体 13连 结的界面打断键结时，同时也#^成界面的损伤，不但降低了半导体基板13的制 程良率，也同时会影响到后续以此半导体基板13成长制作发光二极管元件的品质。
所以，目前半导体基板B，特别是氮化镓系半导体材料的半导体基板13的制 造方法，需要加以改善
发明内容
本发明的目的是在提供一种低成本、高制程良率，并可得到高品质的半导体基 板的制造方法。于是，本发明制备半导体基板的方法，包括一个凸±央形成步骤、一 个横向磊晶步骤、 一个增厚步骤，及一个分离步骤。
该凸±央形成步骤是自 一块磊晶 向上形成多数个呈现间隔散布的凸块，该每 一个凸块具有一自该磊晶基板向上形成的墩部，及一自该墩部向上形成的端部。
该横向磊晶步骤是以横向磊晶方式，自该多数个凸块的端部形成一层连接该多 数个凸±央端部，并与该磊晶基板、多数个凸块的墩部共同界定一个空间的基础层。
该增厚步骤是累积增厚该基础层至预定厚度而成该块半导体基板。
该分离步骤是自该空间破坏该多数个凸块的墩部，使该±央磊晶基板与该块半导 体基板分离，而制得该半导体基板。
本发明的功效在于该i央磊晶基板与半导体M之间，仅以多数墩部相连接并 具有一个空间，而可借此空间以低成本、易控制且在商业上大量被使用的湿蚀刻技 术来破坏多数个墩部，进而分离制得无损伤的半导体基板，或者，利用激光来破坏 多数个墩部时，也会因需破坏的键结处仅对应在该等墩部上，不但在成本上较现有 的激光剥离来得低且良率较高。
图1是一流程图，说明现有禾佣激光剥离技术制备半导体基板的方法；
图2是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第一较佳实施例
中，在一±央磊晶基板上形成一层晶种层；
图3是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第一较佳实施例 中，在一层晶种层上形成多数个个岛状凸块；
图4是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第一较佳实施例 中，在多数个岛状凸块上形成一层包覆该等凸块的阻障层；
图5是一剖视示意图，说明本发明制备半导体^^反的方法的一第一较佳实施例 中，自包覆于岛状凸块的阻障层进行横向磊晶成长而形成一层基础层；
图6是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第一较佳实施例 中，累积增厚该层基础层成一块半导体基板；
图7是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第一较佳实施例 中，分离该块磊晶基板而审幌该块半导体基板；图8是一剖视示意图，说明本发明制备半导体S^反的方法的一第二较佳实施例 中，在一块磊晶基板上形成一层低温层后，酉S合改变气氛与温度而将该层低温层转 形成多数个岛状凸块；图9是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第二较佳实施例中，在多数个岛状凸块上形成一层包覆该等凸块的阻障层；图IO是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第二较佳实施例 中，自包覆于岛状凸块的阻障层进行横向磊晶成长成一层基础层；图11是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第二较佳实施例 中，累积增厚该层基础层成一块半导体基板；图12是一剖视示意图，说明本发明制备半导体基板的方法的一第二较佳实施例 中，分离该±央磊晶基板而得到该块半导体基板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进fiH^细说明本发明制备半导体基板47的方法的一第一较佳实施例，特别适用制备用于磊晶成长以氮化镓为主的材料的发光二极管元件所用的半导体基板47。参阅图2，首先将一蓝宝石(a-Al203)材料构成的磊晶基板41置入一反应器的 承载盘(图未示)，接着加热承载盘至60(TC，继而于反应器中通入硅烷(SiH4，流 量为40sccm)和氨气(NH3，流量为40slm)，使硅烷与氨经由化学反应在该磊晶 基板41表面生成一层厚度大于lA的氮化硅晶种层42 (seed layer)，然后，通入氢 气并升高温度至1100°C，进行该块磊晶基板41和晶种层42的高温退火处理 (annealing)。参阅图3，接着降温至80(TC的成长温度，以流量50 sccm通入三甲基镓 (Trimethylgallium， TMGa(g)，即含有镓的有机金属气体)与分压20 slm的氨气， 并同时以流量0.5 sccm通入硅烷，而在该层晶种层42上成长多数个成间隔分布的岛 状氮化镓凸块43 ，该每一凸块43具有一 自该晶种层42向上磊晶形成的墩部431 ， 及一自该墩部431更向上形成的端部432。需说明的是，若此步骤进行中未通入硅烷 时，仍可生成该等凸块43，但生成的凸块43的高宽比会斷氐。参阅图4，然后再于反应器中以流量40sccm通入硅烷，并维持氨气的供应，使 硅烷与氨在该等凸块43表面形成一层厚度大于1A的氮化硅的阻障层44，而使得该多数个岛状凸块43被该氮化硅的阻障层44所包覆。参阅图5，接着在约100(TC的温度下，以流量120sccm通入三甲基镓与分压20 slm的氨气，自上述包覆于岛状凸块43的阻障层44对应于凸块43端部432的区±或， 如图中所示的箭头方向进行横向磊晶成长，而形成一层将该多数个凸块43端部432 连接起来并与该嘉晶基板41 、多数个凸块43的墩部431共同界定一个空间46的基 础层45，并持续成长该基础层45厚度至3阿以上，使该磊晶新生成的基础层45 具有足够的结构强度。参阅图6，继续磊晶增厚该基础层45至预定厚度(通常大于lOO)tim)，即制得 可实际进行后续运用的半导体基板47。由于自凸块43端部432进行横向磊晶成长时，可以降低自该磊晶基板41或晶 种层42的晶格缺陷直接向上延伸至该基础层45，因此所成的基础层45以及增厚成 的半导体 47，其缺陷密度约仅为106^108 pm—2，因而可大幅提升以此半导体基 板47所制备形成的发光二极管元件的品质。参阅图7，最后，破坏该多数个凸块43的墩部431使该磊晶基板41与该半导体 ^!反47分离，艮卩制得该半导体^t反47。较佳地，此步骤可以湿蚀刻方式来破坏该等 墩部431而使该磊晶SI反41与该半导体鎌47分离，因为蚀刻液可快速地自空间 46中渗入，进而蚀亥幡除该等墩部431，而适用的蚀刻液有氢氧化钾溶液、盐酸溶 液、磷酸溶液或王水等，且，当以湿蚀刻方式移除该等墩部431时，界面自然会因 蚀刻而形成奈米级粗糙面，便于进行后续其它元件的成长过程。另外，此步骤也可以应用激光剥离技术来破坏该等墩部431而使该磊晶基板41 与半导体 47相分离，而由于需破坏的界面ft^应在于该等墩部431，因此不但 在施作成本上较现有来得低，同时因为需要破坏的键结相对减少而可进一步提升施 作良率，进而获得较高品质的半导体Sfe47。需要另外说明的是，在本例中，形成该晶种层42的步骤以及形成该阻障层的步 骤均可省略，并不会对所制备出的半导体基板47产生重大的品质影响，借以简化制 程、降低生产成本。本发明帝恪半导体基板的方法的一第二较佳实施例，是与上例相似，用于制备 半导体基板47。参阅图8，首先选用蓝宝石为磊晶基板41，并在反应器中以60(TC的成长^it和 氨气分压20 slm下，于其表面覆盖式地成长一层由氮化镓系材料所成的低温层48，接着升高^u^至95(TC，且控制NH3气体分压在6 slm，使成长的低温层48因为气 氛转变与温度改变而改变型态，进而形成多数个间隔散布的岛状凸块43,且类似地， 该每一凸块43具有一与磊晶基板41表面连接的墩部431，及一自该墩部431更向上 形成的端部432。参阅图9，继而于反应器中通入硅烷(流量为40sccm)，同时维持氨气的供应， 而在该等凸块43上及二凸块43间的基丰反41上形成一层厚度大于1A并包覆该等凸 块43的氮化硅的阻障层44。参阅图10，然后在100(TC的温度下，通入流量120 sccm的三甲基镓与分压20 slm 的氨气，自上述包覆于岛状凸块43的阻障层44对应于凸块43端部432的区域，如 图中所示的箭头方向进行横向磊晶成长，而形成一将该多数个凸块43端部432连接 起来并与该磊晶基板41、多数个凸块43的墩部432共同界定一空间46的基础层45， 并持续成长该基础层45厚度至3 ,以上，使该磊晶新生成的基础层45具有足够的 结构强度。参阅图11，再继续磊晶增厚该基础层45至预定厚度(通常大于100,)，而 制得可实际进行后续运用的半导体基板47。参阅图12，最后破坏该多数个凸块43的墩部432使该磊晶基板41与该半导体 基板47分离，即制得该半导体基板47;类似地，此步骤可以湿蚀刻方式或是以激光 剥离技术进行，由于过程皆与上例所述类似，在此不再重复赘述。而需要说明的是，在本例中，也可以在磊晶基板41上先形成一层晶种层后再形 成岛状凸块43。且类似地，形成该阻障层44的步骤也可省略，借以简化制程、降低 生产成本。归纳上述，本发明制备半导体基板47的方法，主要是在磊晶基板41上形成多 数个岛状凸块43，再利用横向磊晶成长的方式形成基础层45，然后增厚该基础层45 至足够厚度成半导体繊47后，即可禾,激光剥离或湿蚀亥仿式破坏该等凸块43 以分离磊晶基板41 ，制得半导体基板47，由于自凸块43以横向磊晶成长方式形成 基础层45时，可以降低来自于该磊晶基板41或晶种层42的晶格缺陷直接向上延伸 的机率，因此可以大幅斷氐所成的半导体翻47的缺陷密度至约106 108 Mm'2，因 而可大幅提升以此半导体基板47所帝ij备形成的发光二极管元件的品质。再者，由于基于此等以多数个凸块43及其中空间46的层体，因此在以现有激 光剥离方式破坏该等凸块43 ，使该磊晶基板41与该半导体基板47分离而取得该半导体基板47时，由于需破坏的界面!观应在于该等凸块43，因此不但在施作成本上 较现有来得低，同时因为需要破坏的键结相对减少而可进一步提升施作良率，获得
较高品质的半导体 47;此外，亦可以用业界熟悉的湿蚀刻方式，行，不但在 施作成本上可以大幅斷氏，同时也可以使制得的半导体基板47界面因蚀刻而形成自 然的奈米级粗糙面，便于进行后续例如其它元件的磊晶成长制程，确实达到本发明 的创作目的。
权利要求
1.一种制备半导体基板的方法，其特征在于该方法包括一个凸块形成步骤，是自一块磊晶基板向上形成多数个呈现间隔散布的凸块，且该每一凸块具有一自该磊晶基板向上形成的墩部，及一自该墩部向上形成的端部；一个横向磊晶步骤，是以横向磊晶方式自该多数个凸块的端部形成一层连接该多数个凸块端部并与该磊晶基板、多数个凸块的墩部共同界定一个空间的基础层；一个增厚步骤，是累积增厚该层基础层至预定厚度而成该半导体基板；及一个分离步骤，是破坏该多数个凸块的墩部使该磊晶基板与该半导体基板分离，制得该半导体基板。
2. 如权禾崾求l所述的制备半导体基板的方法，其特征在于该凸块形成步骤是先 在该磊晶基板表面形成一层晶格常数同时与该磊晶基板与该凸块不相匹配的晶 种层，再自该晶种层向上形成该多数个呈现间隔散布的凸块。
3. 如权利要^2所述的制备半导体基板的方法，其特征在于该凸块形成步骤在形成该多数个呈现间隔散布的凸块后，于该每一凸i央表面形成一层晶格常数与该多数个凸块不相匹配的阻障层。
4. 如权利要彩所述的制备半导体基板的方法，其特征在于该磊晶基板的材料是 选自于蓝宝石、碳化硅、氧化锌、氮化铝，或硅，且该凸块、基础层是以氮化镓 系列为主的材料所构成，其中，该氮化镓系列为主的材料的化学式是AlxInyGai.x.yN， x^0， y^0， l-x-y>0，同时，该缓冲层与该阻障层是分别由氮化 硅为材料构成。
5. 如权利要求4所述的制备半导体基板的方法，其特征在于构成该缓冲层与阻障 层的氮化硅是以硅烷与氨气反应生成。
6. 如权利要求1跑所述的制备半导体S^反的方法，其特征在于该凸±央形成步骤是 以有机金属化学气相沉积法以氨气与含镓的有机金属气体形成该多数个凸块。
7. 如权利要求6所述的制备半导体基板的方法，其特征在于该凸块形成步骤是先在50(TC 70(TC下生成一层以氮化镓为材料构成的低温层，接着升高温度至900 °C~1100°C，并控制氨气的分压低于生成该层低温层时的氨气分压，而使该层低 温层转成该多数个凸块。
8. 如权利要求l跑所述的制备半导体基板的方法，其特征在于该横向磊晶步骤是在大于90(TC的温度下，以氨气以及含镓的有机金属气体由该多数个凸块的端部进行横向磊晶。
9. 如权利要求l或4所述的制备半导体^l反的方法，其特征在于该增厚步骤是以氢化物气相累积成长方式进行该基础层的增厚。
10. 如权禾腰求l或4所述的制备半导体^l及的方法，其特征在于该分离步骤是以湿 蚀刻方式自该空间蚀刻移除该多数个墩部。
全文摘要
本发明公开了一种制备氮化镓系半导体基板的方法，其步骤是先自磊晶基板向上形成多数个间隔散布的凸块，然后以横向磊晶方式自多数个凸块端部形成连接该多数个凸块端部并与磊晶基板、多数个凸块墩部共同界定出空间的基础层，接着累积增厚而成所需的半导体基板，最后破坏该多数个凸块墩部，即可分离制得半导体基板，由于本发明借由多数个凸块形成具有孔洞结构的层体来制造半导体基板，因此可以避免磊晶基板的晶格缺陷延伸而获得高品质的半导体基板，同时可降低分离磊晶基板时的制程成本并增加整体制程良率。
文档编号H01L33/00GK101308780SQ20071010179
公开日2008年11月19日 申请日期2007年5月15日 优先权日2007年5月15日
发明者陈政权 申请人:新世纪光电股份有限公司