TWI443741B - 一種平整化氮化物基板的方法 - Google Patents

Description

一種平整化氮化物基板的方法

本發明係有關於一種平整化氮化物基板的方法，特別是一種有關於使用蝕刻方法以降低氮化物基板的翹曲現象而平整化氮化物基板的方法。

在傳統光電半導體元件與電子元件半導體的製造程序中，特別是在單晶氮化鎵基板(獨立式氮化物基板)的製程上，且由於該單晶氮化物磊晶層之下尚有未分離的異質基板，於加熱程序進行時，因該異質基板與該單晶氮化物磊晶層之熱膨脹係數並不會互相匹配，故而單晶氮化物磊晶層會產生嚴重的翹曲現象。

而於前述製程中所採用的獨立式氮化物基板會於平行成長方向產生線缺陷與點缺陷的分布不均勻現象，而形成了該獨立式氮化物基板的翹曲，而該翹曲的曲率半徑大多為0.2公尺(m)到2公尺(m)之間，故對於2吋的獨立式氮化物基板而言，中心與邊緣之間多會有1500微米(μm)至150微米(μm)的誤差距離，有時誤差距離甚至比獨立式氮化物基板本身還厚。該獨立式氮化物基板或氮化物磊晶層的翹曲現象，會在後續製成中造成基板與磊晶層的研磨破裂以及研磨不均勻現象，成為極待解決的問題。

此外，在習知傳統光電半導體元件與電子元件半導體技術之改善獨立式氮化物基板翹曲的方法，包括了如下列的數種方式：

於中華民國專利編號第200423312號專利文獻中提及以圖樣化的氮化物晶種進行選擇性成長，惟該方法須經過繁瑣的黃光製程，且所減少的獨立式氮化物基板翹曲程度有限，更無法即時量測氮化物基板翹曲程度變化而適時進行彈性調整。

於美國專利編號第7,229,926號專利文獻中提出以機械研磨方法進行研磨基板的正反面，以及使用乾溼式蝕刻去除研磨所產生的損害層。但該方法並未在研磨前降低基板的翹曲程度，故會於研磨時造成基板的破裂以及基板的不均勻現象，且此方法需要研磨已產生的損害層，才能進行蝕刻而降低基板的翹曲程度。

且綜合前述之專利文獻，前述的習知技術皆都未提及當獨立式氮化物基板下方的異質基板在尚未去除的情況下，該獨立式氮化物基板翹曲現象的改善程度。

故而為了能產生更有效率的改善獨立式氮化物基板翹曲現象，提供產業界掌握更佳的生產製程，且可運用於光電半導體元件的製造上，需要研發新式方法，藉以提高獨立式氮化物基板的生產良率且能降低光電半導體元件的製造成本。

本發明之一種平整化氮化物基板的方法，不需要繁瑣的進行半導體製程即可大幅度降低氮化物基板的翹曲現象。

本發明揭露一種平整化氮化物基板的方法，首先選擇獨立式氮化物基板的特定面向，對該面向進行蝕刻，在經過適度的蝕刻時間後，該特定面向的表面會產生特定的形貌，如柱狀或洞狀或平坦狀等結構，從而降低獨立式氮化物基板的翹曲程度以達到平整化氮化物基板的效果。

本發明可即時量測獨立式氮化物基板或氮化物磊晶層翹曲的程度變化，而適時進行彈性調整。

本發明可使用在化學研磨的製程前或是製程後，亦可運用在半導體的其它製程階段。

本發明可降低正面凸起或背面凸起之獨立式氮化物基板(氮化物磊晶層)的翹曲程度。

經本發明之蝕刻而可得到柱狀結構，或是洞狀結構，或是平坦狀結構等結構，前述結構皆可降低獨立式氮化物基板的翹曲程度，達到平整化的效果，且使用前述等結構對於基板，使得後續製程之應用，包括如研磨，磊晶等製程之應用具有更好的運用效果。

為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合附圖以詳細說明如下。

本發明之一種平整化氮化物基板的方法，係使用不同的蝕刻方法以降低氮化物基板的翹曲現象，具體的實施例如下列的詳細說明：

第一實施例：

本發明一種平整化氮化物基板的方法，首先提供上方凸起(Convex)的獨立式氮化鎵(GaN)基板，使用感應耦合電漿離子蝕刻技術(乾蝕刻技術)以蝕刻該獨立式氮化鎵基板的下方，該離子耦合電漿所使用的蝕刻氣體為氯氣(Cl₂ )與氬氣(Ar)，第一次蝕刻時間為7分鐘，後續的蝕刻時間以14分鐘進行累加，即第二次蝕刻時間為21分鐘，第三次蝕刻時間為35分鐘，第四次蝕刻時間為49分鐘，第五次蝕刻時間為63分鐘，第六次蝕刻時間為77分鐘，依此類推進行蝕刻的時間。

而如第1圖所示，在每次的蝕刻前以及每次的蝕刻後量測上方凸起獨立式氮化鎵基板的曲率半徑，可得所產生的曲率半徑變化與蝕刻時間的關係。其中定義「bowing curvature」為曲率半徑的倒數，即「bowing curvature」的數值越小，可表示曲率半徑越大，也就是翹曲程度越小。此外，也定義上方凸起的「bowing curvature」為正值，下方凸起的「bowing curvature」為負值。故從第1圖所示，隨著蝕刻時間加長，曲率半徑明顯的變大，在蝕刻時間為63分鐘時，曲率半徑達到17.8公尺(m)，翹曲的現象幾乎消失，此外加長蝕刻時間至77分鐘時，翹曲方向更從背面凸起(Concave)變為上方凸起(Convex)，此結果顯示蝕刻時間在63到77分鐘間的某特定時間，可取得完全無翹曲現象的獨立式氮化鎵基板。

另以第2A圖與第2B圖說明不同的蝕刻時間對於上方凸起獨立式氮化鎵基板下方表面形貌的改變示意圖。如第2A圖為蝕刻時間7分鐘時基板下方的形貌，可以發現有許多柱子的產生；而如第2B圖所示，隨著蝕刻時間增長到77分鐘，柱子的長度會變長。

第3A圖表示上方凸起獨立式氮化鎵基板301經蝕刻的側面變化示意圖，如獨立式氮化鎵基板301與柱狀結構302，由於柱狀結構302釋放了基板下方的壓應力，使得翹曲程度逐漸減小。

而第3B圖表示上方凸起獨立式氮化鎵基板301的翹曲與下方經蝕刻所產生的柱狀結構302的側面傾斜角度示意圖。

此外如第4圖所示光激發螢光頻譜(PL)量測該上方凸起基板下方的光譜圖，由於柱子釋放了基板下方的壓應力，可以光激發螢光頻譜量測基板下方，由光譜圖可以發現基板下方的主峰值有明顯紅移的現象，波長從363.2奈米(nm)紅移至367.2奈米(nm)，確實釋放了該基板下方的壓應力，而降低氮化鎵基板的翹曲。故而，使用本蝕刻方法可降低該氮化鎵基板的翹曲，且不會對該基板本體造成破裂，而達到平整化氮化物基板的效果。

第二實施例：

本發明一種平整化氮化物基板的方法，首先提供下方凸起(Concave)的獨立式氮化鎵基板，使用感應耦合電漿離子蝕刻技術(乾蝕刻技術)以蝕刻該獨立式氮化鎵基板的上方，該離子耦合電漿所使用的蝕刻氣體為氯氣與氬氣，第一次蝕刻時間為7分鐘，後續的蝕刻時間以14分鐘進行累加，即第二次蝕刻時間為21分鐘，第三次蝕刻時間為35分鐘，第四次蝕刻時間為49分鐘，依此類推進行蝕刻的時間。

第5圖所示係在每次的蝕刻前以及每次的蝕刻後量測該下方凸起獨立式氮化鎵基板的曲率半徑，描繪出所產生的的曲率半徑變化與蝕刻時間的關係。可觀察曲率半徑從2.8公尺產生變化，之後隨著蝕刻時間加長，曲率半徑明顯的變大，在蝕刻時間為49分鐘時，曲率半徑達到15.0公尺，翹曲的現象幾乎消失。

第6A圖與第6B圖說明不同的蝕刻時間，對於該下方凸起獨立式氮化鎵基板上方的表面形貌的改變。第6A圖為蝕刻時間7分鐘時基板上方的形貌，可發現有許多柱子的產生，而如第6B圖所示，隨著蝕刻時間增長到49分鐘，柱子的長度變長。

以第7A圖表示該下方凸起獨立式氮化鎵基板經蝕刻的變化示意圖，如獨立式氮化鎵基板701與柱狀結構702，經蝕刻所產生的柱狀結構702釋放了獨立式氮化鎵基板701上方的壓應力，使得翹曲程度逐漸減小。

第7B圖表示下方凸起獨立式氮化鎵基板701的翹曲與上方經蝕刻所產生的柱狀結構702的側面傾斜角度的示意圖。故而，使用本蝕刻方法可降低氮化鎵基板701的翹曲，並不會對該基板701本體造成破裂，而達到平整化氮化物基板701的效果。

第三實施例

本發明一種平整化氮化物基板的方法，如第8A圖所示之上方凸起獨立式氮化鎵基板經蝕刻的側面變化示意圖，首先提供上方凸起獨立式氮化鎵基板801，進行濺鍍(或沉積)以形成一層介電層(或金屬層)802於該上方凸起獨立式氮化鎵基板的上方，並使用溼式蝕刻(或電化學蝕刻)方法以蝕刻該上方凸起獨立式氮化鎵基板801的下方，最後再移除前述的介電層(或金屬層)802。

仍如第8A圖所示之上方凸起獨立式氮化鎵基板801經蝕刻的側面變化示意圖，該上方凸起獨立式氮化鎵基板801之上方表面形貌經蝕刻所產生的柱狀結構，或是洞狀結構，或是平坦狀結構等結構803將會釋放該上方凸起獨立式氮化鎵基板801上方的壓應力，使得翹曲程度逐漸減小。

本發明一種平整化氮化物基板的方法，如第8B圖所示之下方凸起獨立式氮化鎵基板801經蝕刻的側面變化示意圖，首先提供下方凸起獨立式氮化鎵基板801，進行濺鍍(或沉積)以形成一層介電層(或金屬層)802於該下方凸起獨立式氮化鎵基板801的下方，並使用溼式蝕刻(或電化學蝕刻)方法以蝕刻該下方凸起獨立式氮化鎵基板801的上方，最後再移除前述的介電層(或金屬層)802。

仍如第8B圖所示之下方凸起獨立式氮化鎵基板801的側面變化示意圖，該下方凸起獨立式氮化鎵基板801背面表面形貌經蝕刻所產生的柱狀結構，或是洞狀結構，或是平坦狀結構等結構803將會釋放該下方凸起獨立式氮化鎵基板801上方的壓應力，使得翹曲程度逐漸減小，而達到平整化氮化物基板801的效果。

第四實施例

本發明一種平整化氮化物基板的方法，第9A圖係上方凸起的氮化物磊晶層902與異質基板901經蝕刻的側面變化示意圖，首先提供上方凸起的氮化物磊晶層902與異質基板901，該氮化物磊晶層902與該異質基板901係相互連結並未進行分離，使用各式蝕刻法(乾式蝕刻與溼式蝕刻)以蝕刻該異質基板901的下方，經蝕刻所產生的柱狀結構，或是洞狀結構，或是平坦狀結構等結構903將會釋放異質基板901背面的壓應力，使得翹曲程度逐漸減小。

本發明一種平整化氮化物基板的方法，第9B圖係下方凸起的氮化物磊晶層902與異質基板901經蝕刻的側面示意圖，首先提供下方凸起的氮化物磊晶層902與異質基板901，該氮化物磊晶層902與該異質基板901係相互連結並未進行分離，使用各式蝕刻方法，包括乾式蝕刻、溼式蝕刻以及電化學蝕刻等方法以蝕刻該氮化物磊晶層902的上方，經蝕刻所產生的柱狀結構，或是洞狀結構，或是平坦狀結構等結構903將會釋放異質基板901背面的壓應力，使得翹曲程度逐漸減小，而達到平整化氮化物基板901的效果。

本發明之一種平整化氮化物基板的方法，不需要繁瑣的製程，即可大幅度降低氮化物基板的翹曲現象，達到平整化的效果，且可即時量測獨立式氮化物基板或氮化物磊晶層翹曲程度變化，適時進行彈性調整，可使用在化學研磨的製程前或是製程後，亦可運用在其它製程階段，使得後續製程之應用，包括如研磨，磊晶等製程之應用具有更好的運用效果。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

301．．．獨立式氮化鎵基板

302．．．柱狀結構

701．．．獨立式氮化鎵基板

702．．．柱狀結構

801．．．獨立式氮化鎵基板

802．．．介電層(或金屬層)

803．．．柱狀結構，洞狀結構，平坦狀結構等結構

901．．．異質基板

902．．．氮化物磊晶層

903．．．柱狀結構，洞狀結構，平坦狀結構等結構

第1圖所示係每次蝕刻前後所量測上方凸起獨立式氮化鎵基板的曲率半徑與時間關係圖。

第2A圖與第2B圖係不同的蝕刻時間對於上方凸起獨立式氮化鎵基板的下方表面形貌的改變示意圖。

第3A圖表示上方凸起獨立式氮化鎵基板變化的側面示意圖。

第3B圖表示上方凸起獨立式氮化鎵基板的翹曲與下方經蝕刻所產生的柱子的側面傾斜角度示意圖。

第4圖所示光激發螢光頻譜(PL)量測上方凸起獨立式氮化鎵基板的下方的光譜圖。

第5圖所示係為每次蝕刻前後所量測下方凸起獨立式氮化鎵基板的曲率半徑與時間關係圖。

第6A圖與第6B圖說明不同的蝕刻時間，對於下方凸起獨立式氮化鎵基板上方的表面形貌的改變。

第7A圖表示下方凸起獨立式氮化鎵基板的變化的側面示意圖。

第7B圖表示下方凸起獨立式氮化鎵基板的翹曲與上方經蝕刻所產生的柱子的側面傾斜角度的示意圖。

第8A圖所示之上方凸起獨立式氮化鎵基板經蝕刻的側面變化示意圖。

第8B圖所示之下方凸起獨立式氮化鎵基板經蝕刻的側面變化示意圖。

第9A圖係上方凸起的氮化物磊晶層與異質基板經蝕刻的側面變化示意圖。

第9B圖係下方凸起的氮化物磊晶層與異質基板經蝕刻的側面變化示意圖。

301．．．獨立式氮化鎵基板

302．．．柱狀結構302

Claims (6)

1. 一種平整化氮化物基板的方法，至少包含：提供一具有上方凸起的一氮化鎵基板；以及使用一乾蝕刻方法蝕刻該具有上方凸起的該氮化鎵基板的一下方，其中該乾蝕刻方法所使用的一第一次蝕刻時間為7分鐘，後續的蝕刻時間以14分鐘進行累加，藉以形成該平整化氮化物基板的方法。
2. 一種平整化氮化物基板的方法，至少包含：提供一具有下方凸起的一氮化鎵基板；以及使用一乾蝕刻方法蝕刻該具有下方凸起的該氮化鎵基板的一上方，其中該乾蝕刻方法所使用的一第一次蝕刻時間為7分鐘，後續的蝕刻時間以14分鐘進行累加，藉以形成該平整化氮化物基板的方法。
3. 一種平整化上方凸起獨立式氮化鎵基板的方法，至少包含：提供一上方凸起獨立式氮化鎵基板；形成一層金屬層於該上方凸起獨立式氮化鎵基板的上方；使用一電化學蝕刻方法以蝕刻該上方凸起獨立式氮化鎵基板的一下方；以及移除該金屬層藉以形成該平整化氮化物基板的方法。
4. 一種平整化下方凸起獨立式氮化鎵基板的方法，至少包含： 提供一下方凸起獨立式氮化鎵基板；形成一層金屬層於該下方凸起獨立式氮化鎵基板的下方；使用一電化學蝕刻方法以蝕刻該下方凸起獨立式氮化鎵基板的一上方；以及移除該金屬層藉以形成該平整化氮化物基板的方法。
5. 一種平整化上方凸起氮化物磊晶層與異質基板的方法，至少包含：提供一上方凸起氮化物磊晶層與一異質基板，其中該上方凸起氮化物磊晶層與該異質基板係相互連結；以及蝕刻該異質基板的一下方，其中蝕刻該異質基板的該下方的蝕刻方法係由乾式蝕刻、溼式蝕刻以及電化學蝕刻方法群組中所選出，藉以形成該平整化氮化物基板的方法。
6. 一種平整化下方凸起氮化物磊晶層與異質基板的方法，至少包含：提供一下方凸起氮化物磊晶層與一異質基板，其中該下方凸起氮化物磊晶層與該異質基板係相互連結；以及蝕刻該氮化物磊晶層的一上方，其中蝕刻該異質基板的該上方的蝕刻方法係由乾式蝕刻、溼式蝕刻以及電化學蝕刻等方法群組中所選出，藉以形成該平整 化氮化物基板的方法。