CMP LED 之製程簡介

本實驗所採用的 GaN 磊晶片是以藍寶石(sapphire, Al²O³)為基板材料，如圖 18 所示。

基板材料厚度在 420 微米左右。採用 AlN 作為基板與氮化鎵之間的緩衝層，然後成長非 摻雜的氮化鎵（undoped GaN）約 2 微米厚度，Si 摻雜的 n 型氮化鎵約 2 微米，覆蓋有 5 對氮化銦鎵/氮化鎵（InGaN/GaN）每對約 15 納米的多層量子井結構（multiple quantum wells, MQWs）,最後是大約 1 微米左右厚的以鎂摻雜的 p 型氮化鎵薄膜。

磨進程。因為藍寶石材料的硬度指數為 9，為了保證能夠阻止研磨的同時，藍寶石基板

圖 20 為本論文設計的第二版光罩，在這版光罩中做了如下改進：

1. 減少晶片表面鑽石層的應力集中區域，取消了鑽石層尖端，將鑽石層連 接起來形成閉合結構

2. 將切割道(cutting street)寬度從 110 微米增加到 300 微米

本製程所需要用到的設備包括電子式蒸鍍機（e-beam evaporator）, PECVD，ICP, 磁 控濺射設備（sputter）, 曝光機，研磨減薄（grinding），拋光（lapping），CMP，測 試設備等。

本垂直結構發光二極體的製作流程如下：

1．發光區域和鑽石研磨停止層的製作；

(1)樣品表面清洗，將 2 英寸晶片放入丙酮（Acetone）和異丙醇（Isopropyl Alcohol，

IPA）有機溶劑內各以超聲波震盪器震盪 5 分鐘，這主要是為了去除晶片表面的油脂，

有機物等雜質，之後再以去離子水（de-ionized water，DI water）沖洗，之後再以氮 氣槍將晶片表面吹乾即完成清洗步驟。

(4)濕法蝕刻二氧化矽蝕刻阻止層，採用二氧化矽蝕刻液（Buffered Oxide Etcher, BOE）溶液在室溫下腐蝕二氧化矽蝕刻阻止層,並用去離子水沖洗 4 次後用氮氣槍吹乾。

將晶片放入丙酮和異丙醇有機溶液內各以超聲波震盪器震盪 5 分鐘以去除二氧化矽表面

上的光阻，採用去離子水反復沖洗後用氮氣槍吹乾。

(1)製作 p 型歐姆接觸，採用電子束蒸鍍（e-beam evaporator）的方法蒸鍍 p 型歐姆 接觸。GaN 為寬頻隙半導體材料，p 型氮化鎵具有相當高的功函數（6.5eV），所以也就 需要有相當高功函數的金屬材料與之匹配以減少接觸電阻和工作電壓，與 p 型氮化鎵功 函數相近的金屬材料有鎳（Ni，5.15eV）， 金（Au，5.1eV），鈀（Pd，5.12eV），鉑（Pt，

5.65eV），所以為了是電流能夠在氮化鎵表面均勻分佈，降低工作電壓，本製程採用 NiAu 為 p 型電極。採用電子束蒸鍍機（e-beam evaporator）蒸鍍，蒸鍍完成後將晶片浸沒 入丙酮溶液之中做金屬剝離（metal lift of）後完成。

(2)金屬高溫融合（alloy），NiAu p 型接觸需要經由熱融合（alloy）才能達到最佳的

歐姆接觸（ohmic contact）不同的金屬組合和厚度需要不同的融合溫度。經由傳輸線 模型（transmission line model, TLM）可以算出特殊接觸電阻（specific contact resistance ρc）從而得知該金屬組合和厚度的最佳融合溫度。對於本實驗，最佳的融

(1)研磨減薄（grinding），首先將元件用蠟固定在陶瓷研磨盤上。本實驗採用 NTS 的 減薄設備將藍寶石基板從 420 微米左右減薄至 40 微米左右。

(2)拋光（lapping），當藍寶石基板的厚度減至 40 微米左右後，將陶瓷研磨盤移至 NTS 研磨設備繼續減薄。本實驗採用銅基研磨盤進行拋光，採用 6 微米金剛石粉含油基研磨 液。研磨將藍寶石基板繼續減去 30 微米左右。

(3)化學機械研磨（CMP），當藍寶石基板被減至 10 微米左右， 由於減薄產生的應力 原因，用於發光二極體晶片生產的減薄設備已經不能再繼續對藍寶石基板進行減薄了。

要完全移除藍寶石基板就需要使用化學機械研磨（CMP）。主要是通過調節研磨液的 PH 值來實現的。研磨液中的金剛石顆粒大小為 1-3 微米。

5．n 型歐姆接觸區及焊墊的製作；

(1) 乾蝕刻法蝕刻 n 型歐姆區域，在藍寶石基板完全去除後首先暴露出來的是磊晶生 長時的磊晶緩衝層和未摻雜氮化鎵層，要減小 n 型歐姆接觸電阻， 降低工作電壓就必 須將磊晶緩衝層和未摻雜的氮化鎵層蝕刻去除，蝕刻至 n 型摻雜氮化鎵層。本實驗採用 乾蝕刻法蝕刻去除緩衝層和未摻雜層並採用光阻做阻擋層（hard mask）。

(2)本實驗採用電子束蒸發 TiAlTiAu 作為 n 型歐姆接觸， 蒸鍍完成後將元件浸入丙 酮溶液中進行金屬剝離工作。製程示意圖如圖 21。

2.4 鑽石層應力模擬分析鑽石層應力模擬分析

圖 11 材料中的輻射複合和非輻射複合

圖 12 主動層區域中載子注入 輻射複合,非輻射複合及載子洩漏示意架構圖

圖 13 氮化鎵發光二極體的光子發光路徑示意圖。

圖 14 LED 出光量與接面溫度的關係[28]

圖 15 峰值波長與接面溫度的關係[29]

圖 16 LED 元件壽命與接面溫度的關係

資料來源: 美國照明研究中心(Lighting Research Center)

圖 17 CMP 示意圖

N

圖 18 晶圓的磊晶結構 資料來源：新世紀光電

晶圓

研磨液

研磨墊

藍寶石基板

p-AlGaN ~70nm

MQW n-AlGaN~50nm n-GaN ~2.3 微米

u-GaN～2 微米 AlN 緩沖層 p-GaN

光罩設計

1.發光區域和乾蝕刻法蝕刻區域（MESA）

2.鑽石研磨停止層區域的製作和 p 型歐姆接觸區域

3. n 型氮化鎵乾蝕刻法蝕刻區域製作和 n 型歐姆接觸區及焊墊 圖 19 CMP LED 第一版光罩

1. 發光區域和乾蝕刻法蝕刻區域的製作（MESA）

2. 鑽石研磨停止層區域的製作和 p 型歐姆接觸區域

3. n 型氮化鎵乾蝕刻法蝕刻區域

4.n 型歐姆接觸區及焊墊的製作。

圖 20 CMP LED 第二版光罩

製程示意圖

1．發光區域和鑽石研磨停止層的製作

鈍化層生長

鑽石研磨停止層區域的製作

鈍化層窗口製作

2．製作 p 型歐姆接觸

p 型歐姆接觸區域的製作

3．銅電鍍

電鍍預鍍層的製作

銅電鍍

4．藍寶石基板移除

藍寶石基板完全去除後的元件示意圖如下：

5．n 型歐姆接觸區及焊墊的製作

n 型氮化鎵乾蝕刻法蝕刻區域製作 n 型歐姆接觸區及焊墊的製作

圖 21 CMP LED 之製程簡介

圖 22 2＂樣品模擬模型

Short Annealing Time Long Annealing Time

表 1 模擬採用的材料物理常數

表 3 不同晶粒設計鑽石層應力模擬結果

表 4 CMP 後晶粒出現裂縫與模擬結果相一致

鑽石層生長應力得到有效控制 鑽石層生長應力導致磊晶層表面出現裂紋

應 力 導 致 的 微裂紋

三、 結果與討論

3.1 多晶鑽石層（Poly-Diamond）

鑽石是已知材料中硬度最高的，其摩氏硬度達到 10，而藍寶石材料的硬度值為 9。所 以鑽石能夠作為研磨停止層的材料。本論文採用多晶鑽石層作為研磨停止層的材料。圖 25 為生長在 Si 表面的多晶鑽石層硬度和彈性模量的測試結果

。

3.1.1 多晶鑽石層掃描電子顯微鏡（SEM）照片

圖 26 是在 GaN 樣品表面形成 3 微米厚的多晶鑽石層的掃描電子顯微鏡照片。圖片顯 示多晶鑽石層能夠較好的生長在 GaN 樣品表面，其側壁傾角大於 85 度。照片也顯示出 鑽石層生長的緻密性不夠，鑽石層表面能夠觀察到有空隙（voids）和裂縫存在，這種 缺陷對 CMP 移除藍寶石基板的影響會在以下部分討論。

3.1.2 晶種層生長

之前的研究證明鑽石無法在完全沒有缺陷或表面沒有鑽石晶種的樣品表面形成結晶 核，即多晶鑽石層無法在沒有晶種的情況下生長。[31]

一般在樣品表面形成晶種的方法有

• 採用鑽石粉在樣品表面留下劃痕

• 將樣品與鑽石粉置入超聲波槽中，利用超聲波震蕩摩擦樣品表面

• 氫氣-甲烷等離子體中對樣品施加負的 DC 偏壓 本論文採用第二種方法在樣品表面製造晶種層。

圖 27 為晶種層的生長示意圖

步驟 a）在樣品表面塗布光阻，採用黃光製程將需要生長多晶鑽石層的區域暴露出來。

本實驗採用 AZ5214 光阻，光阻的厚度為 1.4 微米。

步驟 b）將樣品與鑽石粉同時置於超聲波槽中，利用超聲波震蕩使鑽石粉顆粒在樣品 表面形成刮劃痕和殘留鑽石晶體。實驗採用的鑽石粉顆粒直徑大小為 6-12 微米。光阻 保護不要生長多晶鑽石層區域不受到鑽石粉顆粒的作用。晶種層對於多晶鑽石層生正作 用的幾種可能性：[31-33]

• 鑽石粉在樣品表面殘留有鑽石晶體

• 在樣品表面形成能量較高的表面形貌

• 在樣品表面形成缺陷

• 樣品表面形成碳化物等

如圖 28 所示，晶種的製造方法對於多晶鑽石層生長時形成結晶核密度有很大的影響。

[32]

表 5 是不同晶種層處理方式與樣品表面形成的結晶核密度對應關係。

一般來說表面殘余的鑽石晶體密度(residual diamond particle density, RDD) 越高，

樣品在多晶鑽石生長時表面形成的成核中心密度（diamond nucleation site density, NSD）就越高。[31]如圖 29 所示。

3.1.3 多晶鑽石層生長後樣品分析

此前研究證明氮化鎵在超過 600 攝氏度的環境下即會出現分解反應。[22]這也證明在多 晶鑽石層生長製程中鈍化層製程對樣品的保護十分重要。

3.1.5 鑽石層生長質量研究

多晶鑽石層在溝道中會生長出現緻密性問題，此鬆散的鑽石層結構會導致應力不均勻 從而在完全移除藍寶石基板後在氮化鎵表面出現裂痕。

造成這種情況的原因有：

• 溝道中晶種層生長不夠緻密導致多晶鑽石層生長出現疏鬆

• 在晶種層生長完畢後去除光阻保護層時，採用了超聲波去光阻，導致部分溝道中 的晶種同時被去除

通過改善晶種層生長製程以及不採用超聲波去光阻製程，基本能夠消除這個問題。圖 32 顯示在出現鑽石層生長疏鬆的區域在 CMP 移除氮化鎵基板後出現裂痕。多晶鑽石層在 樣品表面的生長選擇性也很重要。由於本論文實驗在製造晶種層時採用光阻保護非多晶 鑽石層生長區域。而晶種層製造需要在超聲波槽中以超聲波震蕩鑽石粉顆粒以對樣品表 面產生摩擦與劃痕，而在這個過程中，如果超聲波的功率過大，鑽石粉顆粒會破壞光阻，

在樣品表面留下劃痕或殘留顆粒，導致鑽石層生長選擇性出現問題。如圖 33 所示，多 晶鑽石生長在非生長區域，生長在非生長區域的多晶鑽石會導至後續生長的金屬層出現 黏附性的問題，也會阻擋晶粒發出的亮光，導致製造出來的晶粒亮度偏低。。