专利名称：半导体器件的分离的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件的分离，具体而言(但非排他地)，涉及在移除蓝宝石衬底
之后的这种半导体器件的分离。
背景技术：
诸如发光二极管(LED)、激光二极管、光电探测器、晶体管以及开关等的GaN半导 体器件已被广泛应用。公知的应用包括(但不限于)交通信号、移动电话显示背光源、液晶 显示器(LCD)背光源、照相机的闪光灯等。制作用于LED、激光二极管或照明的氮化镓半导 体的生产率相对较低。另外，利用已知技术制作的半导体器件其光输出不是最优的。而且， 对于那些形成有第二衬底的半导体器件而言，由于翘曲和切割衬底原因，其管理第二衬底 具有极大的难度，尤其是在移除第一衬底之后。
发明内容
根据一个例示性的方面，提供了一种制作半导体器件的方法。该方法包括提供其 上设有多个外延层的衬底以及在保持所述多个外延层完整的情况下将所述衬底与所述多 个外延层分离。这保留了所述多个外延层的电气、机械和光学特性。 在分离衬底之后，可利用沟槽刻蚀来执行器件隔离的第一阶段。在衬底分离之后 可形成多个台面，所述沟槽刻蚀是沿着每个台面的边缘进行的。所述台面可形成在由所述 沟槽限定的区域。所述沟槽刻蚀可以刻透所述外延层。 在所述器件隔离的第一阶段之后，所述方法可还包括焊盘刻蚀。在焊盘刻蚀之后， 可执行芯片隔离的最后阶段。 在所述芯片隔离的第一阶段之前，可施加一层光刻胶层以在刻蚀工艺中保护所述 多个外延层的n型层的区域。继所述芯片隔离的第一阶段之后，第一绝缘层可被暴露在台 面周围，且光刻胶层可被去除。第二绝缘层可施加于所述第一绝缘层的被曝露的表面、所述 外延层的侧边以及所述外延层的中央，然后可实施焊盘刻蚀以移除所述第二绝缘层的至少 一部分以暴露所述外延层的部分表面。在所述第二绝缘层的被暴露的表面和所述外延层的 被暴露的表面的中央可施加另一光刻胶层，从而留下用于对所述外延层的被暴露的表面进 行刻蚀的间隙。可在所述间隙实施刻蚀以在所述外延层的被暴露的表面上形成表面结构。 所述另一光刻胶层可被去除并施加新的光刻胶层；可以实施刻蚀以暴露厚图案的端部。
在芯片隔离之后，可在所述n型层上形成n型欧姆接触阵列。 该方法可还包括在从所述多个外延层分离衬底之前，在所述多个外延层上形成至 少一个种子层；以及在所述至少一个种子层上形成外部层，所述外部层相对较厚，并且用作 选自由下列用于所述半导体器件的元件所组成的群组的至少其中之一 新衬底、结构支撑、 热沉、散热器、电流发散器和作为端子。
在形成所述至少一个种子层之前 可在所述多个外延层的p型层上施加p型金属欧姆接触层；
可在所述p型金属欧姆接触层和p型层上施加电介质层； 可将所述金属欧姆接触层上的电介质层去除；以及 可在所述电介质层和金属欧姆接触层上沉积所述至少一个种子层。 在沉积所述至少一个种子层之后并且在形成所述外部层之前，可在所述至少一个
种子层上施加所述厚图案，其中所述外部层是形成于所述厚图案之间的。 根据另一个例示性的方面，本发明提供了一种制作半导体器件的方法。该方法包
括提供其上设有多个外延层的衬底并施加图案。在所述图案之间形成外部层；所述外部层
至少有O. 3mm厚，并且用作用于所述半导体器件的下列元件的至少其中之一 新衬底、结构
支撑、热沉、散热器、电流发散器和作为端子。将所述衬底与所述多个外延层分离。所述外部层至少有lmm厚或至少有2mm厚。 所述图案的材料可以是一种不会粘附到所述外部层的材料，使得无须为了芯片分 离而切割所述外部层。将所述衬底从所述多个外延层分离可以是在保持所述多个外延层完 整的情况下进行的，其保留了所述多个外延层的电气、机械和光学特性。所述图案可定义所 述半导体器件的单个器件。 在施加所述图案之前，可在所述多个外延层上形成至少一个种子层，其中所述图 案是施加在所述至少一个种子层上的。在形成所述至少一个种子层之前，可在所述多个外 延层的P型层上施加P型金属欧姆接触层，可在所述P型金属欧姆接触层和P型层上施加 电介质层。可将所述金属欧姆接触层上的电介质层去除。可在所述电介质层和金属欧姆接 触层上沉积所述至少一个种子层。
附图简要说明 为了全面理解本发明并容易地将本发明投入实用，现在将通过非限制性示例结合 附图来描述本发明的优选实施例。
在附图中
图1是在制作工艺的第一阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图2是在制作工艺的第二阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图3是在制作工艺的第三阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图4是在制作工艺的第四阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图5是在制作工艺的第五阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图6是在制作工艺的第六阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图7是在制作工艺的第七阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图8是在制作工艺的第八阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图9是在制作工艺的第九阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图10是在制作工艺的第十阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图11是在制作工艺的第十一阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图12是在制作工艺的第十二阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图13是在制作工艺的第十三阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图14是在制作工艺的第十四阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；
图15是在制作工艺的第十五阶段的半导体的不依比例的横截面示意图；以及
图16是在制作工艺的第十六阶段的半导体的不依比例的横截面示意具体实施例方式
下文描述的GaN器件是由外延晶片制作的，其中外延晶片由蓝宝石衬底上的薄半 导体层(称为外延层)的叠层构成。外延层的组分和厚度根据晶片设计而定，其决定了由 该晶片制成的器件所发出的光的颜色(波长)。通常会在蓝宝石衬底上首先沉积一层薄缓 冲层，其厚度通常在10到30纳米范围内，可以是AIN或者GaN。本说明书不对该层做描述 或图示。在薄缓冲层的顶面可以形成另一层缓冲层，其可以是相对厚的缓冲层。另一缓冲 层的厚度可以在l至7微米的范围内。在相对厚的缓冲层上形成有其他层，例如，GaN层、 AIGaN层、InN层、InGaN层、AIGalnN层等。为了达到高晶片质量，通常在缓冲层上沉积n型 层，接着是有源区。最后，沉积P型掺杂层。有源区通常是由单个量子阱或多个量子阱构成 的双异质结构，其用于产生光。但其也可以是其它形式，例如量子点。外延层的沉积通常是 利用金属有机化学气相沉积法(M0CVD)或分子束外延法(MBE)进行。外延层的厚度是在几 纳米至几微米的范围内。 本工艺是在氮化镓(GaN)的n型层3、量子阱或有源层2和GaN的p型层1已施加 于蓝宝石衬底4之后开始。为简化说明，n型层3包括有源层2下面的所有层，包括两个缓 冲层和其它上述提到的层。P型层1厚度相对较薄 一通常不超过、但优选地小于1微米。P 型金属层5然后施加于p型层1上。p型金属层5可以是镍金(NiAu)或其他合适的金属， 且优选地相对较薄使其为透明的。可选择地，其可以是反射式的。更具体而言，其作为一个 扩散阻挡层以防止向外延层1、2和3中的扩散或将这种扩散降至最低。
然后利用标准光刻和刻蚀来图案化金属层5。这是通过在金属层5上形成薄光刻 胶层(图2中的层6(a))然后进行光刻胶曝光和显影的方式来完成的。光刻胶图案6(a) 充当用于刻蚀金属层5的刻蚀掩模。刻蚀可以是湿法刻蚀或等离子干法刻蚀(见图2)。光 刻胶6 (a)然后被去除。保留在p型GaN层1的表面上的图案化金属层5将用作对p型GaN 层1的欧姆接触层。退火工艺可以在金属层5被图案化之前或之后进行。
二氧化硅(Si02)层7利用标准薄膜沉积法沉积在剩余的p型金属层部分5和p 型GaN层l(图3)上。这可以使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)、溅射、蒸镀或其他合 适的技术来完成。 如图4所示，第二光刻胶6(b)被施加于氧化物层7上。光刻胶然后被图案化并作 为用于图案化该氧化物层7的掩模。对氧化物层7施行湿法刻蚀或干法刻蚀(等离子刻 蚀)。在没有光刻胶6 (b)的区域7 (a)内的氧化物7被去除，而受光刻胶6 (b)保护的氧化 物7在刻蚀后得以保留。如图4所示，被图案化的第二光刻胶层6(b)在面积上大于NiAu 层5，使得剩余的Si02层7延伸跨过NiAu层5并沿NiAu层5侧边向下延伸直到p型GaN 层l。 如图5所示，第二光刻胶层6(b)被去除，接着沉积种子层。种子层8是多个不同 的金属层，优选地是如图所示的三层不同的金属层。第一金属层11与AiAu层5和Si02层 7接触并粘附良好，且其材料可为铬或钛。接着是第二层10和第三层9，其材料分别为钽和 铜。但也可以使用其它材料。优选地是，第一种子层ll对发光器件产生的光具有良好的反 射性。第二种子层10作为扩散阻挡层，防止位于其顶部的铜或其他材料(例如，第三种子 层9)扩散进入欧姆接触层6和半导体外延层1、2和3。第三种子层9作为形成后续层的种子层。 种子层9、10和11的热膨胀系数可以与GaN的热膨胀系数3. 17不同。虽然欧姆
接触层(Ni和Au)的热膨胀系数(分别为14. 2和13. 4)也与GaN的热膨胀系数不同，但他
们相对较薄(几个纳米)，不会对下面的GaN外延层造成严重的应力问题。然而，之后增设
的铜层可达数百微米的厚度，因此可能造成严重的应力问题。故这些种子层9、10和11可
用于缓冲这种应力。这可以通过下列方式中的一个或多个来实现 (a)通过具有足够的柔性来吸收这种应力； (b)通过具有足够的内部滑移特性来吸收这种应力； (c)通过具有足够的刚度来承受这种应力；以及 (d)通过具有逐渐变化的热膨胀系数。 在逐渐变化的热膨胀系数的情况下，第一层11的热膨胀系数优选地是小于第二 层10的热膨胀系数，且第二层10的热膨胀系数优选地是小于第三层9的热膨胀系数。例 如，第一层11可以是热膨胀系数为4. 9的铬，且第二层10可以是热膨胀系数为6. 3的钽， 第三层9可以是热膨胀系数为16. 5的铜。这样，热膨胀系数从欧姆接触层5和Si02层7 逐渐变化至第三铜层9。这些种子层9、 10和11的厚度的选择应使得施加在这些外延层1、 2和3上的应力最小。 如果外部的铜层9直接施加于Si02层7和欧姆接触层5，则它们的热膨胀率的差 异会导致碎裂、分离和/或失效。通过沉积多层不同材料，特别是彼此具有不同热膨胀系数 的金属的种子层9、10、11，热膨胀的应力分散在种子层9、10、11上，结果降低了碎裂、分离 和/或失效的可能性。第一种子层11应当是一种热膨胀系数相对较低的材料，而最终层9 可以具有较高的热膨胀系数。如果存在一个(多个)中间层IO，则该一个(多个)中间层 的热膨胀系数应当是介于层11和层9的热膨胀系数之间，且应当从第一层11逐渐变化至 最终层9。也可以没有中间层10，或者可以根据任何需求或期望设置任何数目的中间层(一 层、两层或三层等)。 可选择地，种子层9、10、11可以被替换为单个电介质层，例如，具有过孔或通孔的 AIN，以使铜层9能够连接至p型金属层5。 为了图案化镀上相对厚的导电金属(例如铜)层29(将在原始衬底4被去除之后 用作新衬底、电气接点、散热器、电流发散器、热沉和物理支撑)，利用标准光刻将厚光刻胶 图案12施加到外部的第三种子层9上或其内(图6)。厚金属层29形成在厚光刻胶12之 间的且由厚光刻胶12限定的区域30中。该厚金属层29可以通过电镀来形成，且可以形成 在厚光刻胶12上以形成单个金属支撑层29。由于p型层1相对较薄，有源层2中产生的热 量能够更容易被传递至厚金属层29。厚金属层29可以具有任何合适的厚度，例如0. 3mm、 lmm、2mm或超过2mm。 可选择地，在施加厚光刻胶12之前，第三种子层9可以在用于形成厚光刻胶 12(图6)和镀上主铜层29(图7)的台面(mesa)32之间的划片街区(street)31的中央区 域被部分刻蚀。这样做具有改善粘附性的好处。 光刻胶12可以例如是SU-8或其它任何能够形成高深宽比图案的材料。光刻胶12 的图案界定了器件的最终形状和尺寸。 然后实施蓝宝石衬底4的移除或剥离(图8和图9)。提供一种软性缓冲材料33来封装整个晶片或晶片材料的一部分，蓝宝石衬底4的下表面被暴露在外。该缓冲材料33 可以例如是乳胶橡胶、硅胶、环氧树脂、乳胶、胶粘剂、导热胶、Crystal BondTM粘合剂、蜡或 类似材料。 使用激光器37施加一光束36穿过蓝宝石衬底4到达蓝宝石衬底4与n型GaN层 3之间的界面以分离该蓝宝石衬底4和n型GaN层3。该光束36可以是发散(如图所示) 或准直光束。这样，蓝宝石衬底4被从多个外延层上移除，同时保持了这些外延层的完整。 这种方式保持了这些外延层1、2、3的电气、机械和光学特性。接着该软性缓冲层33可被去 除。 这样就暴露了n型GaN层3的最下面的表面13。优选的是，在外延层完整时实施 剥离衬底4，以改善移除质量和保证结构强度。通过在移除时保持外延层3的完整，外延层 的电气、机械和光学特性得以保持。 如图10所示，然后利用如图12至14所示的沿台面39边缘40对新暴露出的表面 进行沟槽刻蚀，使单个器件彼此隔离，其中在刻蚀工艺中光刻胶层41保护n型GaN层3的 区域。这让Si02层7暴露于台面39周围。光刻胶41接着被移除。 可选择地，n型层3的最下面的表面13可以在与光刻胶12对齐的位置处被解离， 分离出多个芯片。这种方式对激光二极管是有利的，因为n型层3的被暴露的侧面是基本 平行的，从而形成镜面并因此导致大量全内反射。其充当用于改善的定向光输出的光放大 系统。 Si02层42形成于Si02层7的被暴露的表面、n型GaN层3的侧面以及n型GaN 层3的中央(图11)。接着实施焊盘刻蚀以移除Si02层以暴露n型层3的表面13。
又一个光刻胶层43施加于Si02层42的被暴露的表面和被暴露的表面13的中央， 因而留下一个间隙16用于对被暴露的表面13进行刻蚀。接着在间隙16实施刻蚀以在被 暴露的表面13上形成表面结构。 光刻胶43去除之后，新的光刻胶层44施加于被暴露的下表面上的除了那些与厚 图案12对齐的区域之外的所有区域上。然后实施刻蚀刻透Si02层42和7以及种子层8 (图 14)，直到暴露出厚图案12的端部。 然后施加一个或多个金属层18在光刻胶44上，该层18在n型GaN层3的中央 具有间隙17，以使层18直接施加在GaN层3上(图15)。去除附有金属层18的光刻胶层 44，而留下附着到n型GaN层3的中央7 (之前间隙7的位置)的层18。金属层18可为一 层或多层。所有金属层18可以是相同或不同。它们可以例如分别是18(a)钛；18(b)铝； 18(c)钛和18(d)金。 接着对厚的铜层29进行抛光磨平(图16)。由于这些图案12没有粘结到厚的铜 层29上，这些芯片然后通过物理分离法进行分离。这意味着不需要将厚的铜层29切片或 利用其它方法切割成单独器件。 这样，种子层11 、 10、9和铜层29用作增加光输出的反射体，而铜层29作为其中一 个端子，因而不会干涉光输。第二端子是n型GaN层3上的层18。 虽然已经在前述描述中描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员可以理 解的是，在不背离本发明的情况下，有关设计或构造细节可以进行多种变化或改进。
权利要求
一种制造半导体器件的方法，包括提供衬底，所述衬底上设有多个外延层；以及在保持所述多个外延层完整的情况下将所述衬底与所述多个外延层分离，以保留所述多个外延层的电气、机械和光学特性。
2. 如权利要求1所述的方法，其中在分离衬底之后，利用沟槽刻蚀来执行器件隔离的第一阶段。
3. 如权利要求2所述的方法，其中在衬底分离之后形成多个台面，所述沟槽刻蚀是沿着每个台面的边缘进行的。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述台面形成在由所述沟槽限定的区域。
5. 如权利要求4或5所述的方法，其中所述沟槽刻蚀刻透所述外延层。
6. 如权利要求2至7任意一项所述的方法，其中在所述器件隔离的第一阶段之后，所述方法还包括焊盘刻蚀。
7. 如权利要求6所述的方法，其中在焊盘刻蚀之后，执行芯片隔离的最后阶段。
8. 如权利要求3至7任意一项所述的方法，其中在所述芯片隔离的第一阶段之前，施加一层光刻胶层以在刻蚀工艺中保护所述多个外延层的n型层的区域。
9. 如权利要求8所述的方法，其中继所述芯片隔离的第一阶段之后，第一绝缘层被暴露在台面周围，且光刻胶层被去除。
10. 如权利要求9所述的方法，其中第二绝缘层施加于所述第一绝缘层的被曝露的表面、所述外延层的侧边以及所述外延层的中央，然后实施焊盘刻蚀以移除所述第二绝缘层的至少一部分以暴露所述外延层的部分表面。
11. 如权利要求io所述的方法，其中在所述第二绝缘层的被暴露的表面和所述外延层的被暴露的表面的中央施加另一光刻胶层，从而留下用于对所述外延层的被暴露的表面进行刻蚀的间隙；在所述间隙实施刻蚀以在所述外延层的被暴露的表面上形成表面结构。
12. 如权利要求11所述的方法，其中所述另一光刻胶层被去除并施加新的光刻胶层；实施刻蚀以暴露厚图案的端部。
13. 如权利要求8至12任意一项所述的方法，其中在芯片隔离之后，在所述n型层上形成n型欧姆接触阵列。
14. 如权利要求1至13任意一项所述的方法，进一步包括在从所述多个外延层分离衬底之前，在所述多个外延层上形成至少一个种子层；以及在所述至少一个种子层上形成外部层，所述外部层相对较厚，并且用作选自由下列用于所述半导体器件的元件所组成的群组的至少其中之一 新衬底、结构支撑、热沉、散热器、电流发散器和作为端子。
15. 如权利要求14所述的方法，其中在形成所述至少一个种子层之前在所述多个外延层的P型层上施加P型金属欧姆接触层；在所述P型金属欧姆接触层和P型层上施加电介质层；将所述金属欧姆接触层上的电介质层去除；以及在所述电介质层和金属欧姆接触层上沉积所述至少一个种子层。
16. 如权利要求14所述的方法，当其依附于权利要求12时，在沉积所述至少一个种子层之后并且在形成所述外部层之前，在所述至少一个种子层上施加所述厚图案，其中所述外部层是形成于所述厚图案之间的。
17. 如权利要求15或16所述的方法，其中所述电介质选自由氧化物和氮化物组成的群组。
18. 如权利要求13所述的方法，进一步包括作为该工艺中最后一个步骤的芯片分离。
19. 如权利要求1至18任意一项所述的方法，其中激光器用于施加光束穿过所述衬底至所述衬底与所述多个外延层的n型层之间的界面，以将所述衬底与所述多个外延层分离，所述光束选自由发散光束和准直光束所组成的群组。
20. —种制作半导体器件的方法，包括提供其上设有多个外延层的衬底；施加图案至所述多个外延层；在所述图案之间形成外部层；所述外部层至少有0. 3mm厚，并且用作选自由下列用于所述半导体器件的元件所组成的群组的至少其中之一 新衬底、结构支撑、热沉、散热器、电流发散器和作为端子；以及将所述衬底与所述多个外延层分离。
21. 如权利要求20所述的方法，其中所述外部层至少有lmm厚。
22. 如权利要求20或21所述的方法，其中所述外部层至少有2mm厚。
23. 如权利要求20至22任意一项所述的方法，其中所述图案的材料是一种不会粘附到所述外部层的材料，使得无须为了芯片分离而切割所述外部层。
24. 如权利要求20至23任意一项所述的方法，其中将所述衬底从所述多个外延层分离是在保持所述多个外延层完整的情况下进行的，其保留了所述多个外延层的电气、机械和光学特性。
25. 如权利要求20至24任意一项所述的方法，其中所述图案定义了所述半导体器件的单个器件。
26. 如权利要求20至25任意一项所述的方法，其中在施加所述图案之前，在所述多个外延层上形成至少一个种子层，其中所述图案是施加在所述至少一个种子层上的。
27. 如权利要求26所述的方法，其中在形成所述至少一个种子层之前在所述多个外延层的P型层上施加P型金属欧姆接触层；在所述P型金属欧姆接触层和P型层上施加电介质层；将所述金属欧姆接触层上的电介质层去除；以及在所述电介质层和金属欧姆接触层上沉积所述至少一个种子层。
28. 如权利要求20至27任意一项所述的方法，其中激光器用于施加光束穿过所述衬底至所述衬底与所述多个外延层的n型层之间的界面，以将所述衬底与所述多个外延层分离，所述光束选自由发散光束和准直光束所组成的群组。
全文摘要
本发明公开了一种制造半导体器件的方法。该方法包括提供其上设有多个外延层的衬底以及在保持外延层完整的情况下将衬底与外延层分离。这种方式保留了这些外延层的电气、机械和光学特性。
文档编号H01L21/26GK101743619SQ200880023028
公开日2010年6月16日 申请日期2008年7月3日 优先权日2007年7月4日
发明者康学军, 林世鸣, 林卉敏, 袁述 申请人:霆激技术有限公司