專(zhuān)利名稱(chēng)：用于半導(dǎo)體晶片與裝置的具有阻擋層的鎳錫接合體系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在發(fā)光二極管(LED)制造期間將帶有LED的基底晶片固定至其它 基底晶片的金屬接合體系的結(jié)構(gòu)和組成。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一類(lèi)通過(guò)促進(jìn)在適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料中的電子-空穴復(fù)合過(guò)程 而將施加電壓轉(zhuǎn)換為光的光子半導(dǎo)體器件。而且，在復(fù)合過(guò)程中釋放的一些或全部能量產(chǎn) 生光子。典型的LED包括形成通過(guò)其發(fā)生電流注入的p-n結(jié)以產(chǎn)生復(fù)合過(guò)程的P型和η型 外延層(“外延層”)。這些外延層典型地在相同或不同的半導(dǎo)體基底上生長(zhǎng)。由于能夠以 相對(duì)高的晶體品質(zhì)生產(chǎn)外延層，因而提高所得器件的品質(zhì)和工作。器件的基底部分可能不 需要相同水平的品質(zhì)，或者在一些情況下，由與一個(gè)或多個(gè)外延層相同的材料形成的基底 是不容易獲得的(或者根本不能獲得)。由于第III族氮化物材料的寬帶隙和直接躍遷的特性，第III族氮化物材料有利 于較短波長(zhǎng)發(fā)光二極管；即，在電磁光譜的藍(lán)色、紫色和紫外線區(qū)域中發(fā)射的那些。第III 族氮化物材料能夠結(jié)合其它顏色的二極管或者結(jié)合磷光體產(chǎn)生白光。同時(shí)，難以或者不可 能獲得適合尺寸和質(zhì)量的第III族氮化物基底晶體。結(jié)果，基于第III族氮化物材料體系 的LED典型地包括藍(lán)寶石或碳化硅(SiC)基底上的第III族氮化物外延層。出于許多原因，當(dāng)該發(fā)光半導(dǎo)體材料的外延層在基底上形成(典型地通過(guò)化學(xué)氣 相沉積(“CVD”)生長(zhǎng))時(shí)，在一些情況下能夠?qū)⒃撍们绑w結(jié)構(gòu)添加至另外的基底。第 二基底可不同于半導(dǎo)體，或者如果其為半導(dǎo)體，出于半導(dǎo)電的目的第二基底不是必須存在。 例如，在共同轉(zhuǎn)讓和共同未決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)20060060877中，出于安裝和制造的 目的使用第二基底，以形成最終LED結(jié)構(gòu)的一部分。在此將公開(kāi)號(hào)為20060060877的內(nèi)容 全部引入以作參考。作為在此處和別處提及的，一些類(lèi)型的LED的制造包括降低原始基底 厚度的一步或多步(例如，因?yàn)闉榱耸归_(kāi)始制造步驟較容易，原始基底是較厚的)。相關(guān)的 背景技術(shù)在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)20060049411、20060060872、20060060874和 20060060879 中提及。在其它結(jié)構(gòu)中，為了反轉(zhuǎn)(倒裝)其常規(guī)取向，將發(fā)光二極管安裝至第二基底。換 句話(huà)說(shuō)，在典型的取向中，將基底安裝至引線框，外延層形成LED的發(fā)射面。然而，在倒裝芯 片取向中，外延層朝向弓丨線框安裝，基底設(shè)置LED的光發(fā)射面。此類(lèi)倒裝芯片二極管制造工 藝中的各步驟能夠需要帶有LED的基底晶片暫時(shí)地或永久地連接至另外的基底晶片。在一 些倒裝芯片的實(shí)施方案中，在將外延層安裝至?xí)簳r(shí)或永久的基底晶片之后，從外延層中除 去帶有LED的基底晶片。將帶有LED的基底晶片(在此還稱(chēng)為“生長(zhǎng)”晶片或基底)連接至另外的基底晶 片(“載體”晶片或基底)的常規(guī)方式包括當(dāng)期望永久接合時(shí)，以與焊接或釬焊相同或類(lèi)似 的方式使用各種金屬層。在許多情形下，錫層(Ti)形成于或沉積于各個(gè)要連接的表面上，然后添加另外的接合金屬(bonding metals)層，以在各第一和第二基底(有時(shí)稱(chēng)為給體與 受體基底)上形成接合金屬結(jié)構(gòu)。出于許多原因，金(Au)在這些接合金屬層中已歷史性地成為主要元素。因?yàn)槠淇寡趸推渌瘜W(xué)反應(yīng)(這使其對(duì)于珠寶和相關(guān)物品理所當(dāng)然地歷史性具有價(jià)值)，金還由 于其耐蝕性即，避免不期望地的與其環(huán)境的反應(yīng)而受到青睞。金形成相對(duì)低熔點(diǎn)的合金或 化合物的能力(相對(duì)于純金)還使其對(duì)于釬焊(soldering)目的是理想的。然而，即使在單獨(dú)的半導(dǎo)體器件中以少量使用時(shí)，當(dāng)市場(chǎng)如今需求的數(shù)量超過(guò)數(shù) 百萬(wàn)單獨(dú)的發(fā)光二極管時(shí)，金的費(fèi)用變得非?？捎^。作為另一因素，相互焊接的晶片需要施加一些熱。因此，用于將LED基底晶片連接 至第二基底晶片的焊接步驟將LED加熱至某種程度。作為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，升高發(fā) 光半導(dǎo)體外延層的溫度增加相應(yīng)地在外延層中產(chǎn)生缺陷的概率。典型地，金-錫類(lèi)焊接(壓 焊(bonding)、釬焊)體系需要約300°C以上的溫度。雖然例如第III族氮化物材料的外延 層能夠理論上耐受此類(lèi)溫度，但實(shí)際上這些溫度顯著地增加接合步驟產(chǎn)生顯著的缺陷的概 率。還作為另外的因素，當(dāng)將單獨(dú)的LED與晶片分離并安裝在引線框上(例如形成 燈)時(shí)，將其典型地用另一焊接步驟而安裝在引線框上。如果LED已包含焊料接合(solder bond)，現(xiàn)有的焊料接合應(yīng)當(dāng)期望地保持不受將接合晶片的芯片焊接至引線框所需的溫度 的影響。因此，能夠使LED焊接至引線框的溫度將受到基底-基底接合的熔化溫度的限制。 換句話(huà)說(shuō)，基底-基底接合的熔煉(metallurgy)的熱特性可以不利地限定能夠用于將單獨(dú) 的LED連接至單獨(dú)的引線框的焊接類(lèi)型。因此，存在以下需要利用改進(jìn)特性的鎳-錫接合體系，同時(shí)避免當(dāng)從鎳層遷移 (migrates)錫以形成不期望物質(zhì)例如游離錫、鈦錫合金或者其它熱不穩(wěn)定性金屬間化合物 時(shí)引發(fā)的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明為包括由外延層形成的發(fā)光激活部和用于支承該激活部的載體基 底的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。以鎳和錫為主的接合金屬體系將激活部連接至載體基底。至少一個(gè) 鈦粘附層(adhesion layer)在激活部與載體基底之間，鉬阻擋層在鎳錫接合體系與鈦粘附 層之間。該鉬層具有足以基本上防止鎳錫接合體系中的錫遷移至鈦粘附層中或者遷移通過(guò) 鈦粘附層的厚度。另一方面，本發(fā)明為包括由至少兩個(gè)第III族氮化物的外延層形成的發(fā)光激活部 和用于支承該激活部的載體基底的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)。接合金屬結(jié)構(gòu)在激活部與載體基 底之間。該接合金屬結(jié)構(gòu)包括在兩個(gè)鎳外層之間的錫中間層，其中錫的相對(duì)量大于通過(guò)與 任一單一鎳層反應(yīng)消耗的量，但是小于提供超過(guò)兩個(gè)鎳層的功能性反應(yīng)的錫的量。鈦粘附 層在激活部與接合金屬結(jié)構(gòu)之間，鉬阻擋層在鈦粘附層與接合金屬結(jié)構(gòu)之間，用于防止接 合結(jié)構(gòu)中的錫遷移至鈦粘附層中或遷移通過(guò)鈦粘附層。再一方面，本發(fā)明為包括連接在一起的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和載體結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管用前體 結(jié)構(gòu)。該生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)包括生長(zhǎng)基底、在該生長(zhǎng)基底上的發(fā)光外延層和在該外延層上用于連接 至載體結(jié)構(gòu)的金屬接合體系。該生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)金屬接合體系主要由鎳層和錫層形成，其中鈦粘附層在該鎳層與外延層之間，鉬阻擋層在鈦粘附層與鎳層之間。該載體結(jié)構(gòu)包括載體基底、 在該載體基底上的鈦粘附層、在該鈦層上的鉬阻擋層和在該鉬層上用于連接至該生長(zhǎng)結(jié)構(gòu) 的鎳層。當(dāng)將生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上的接合金屬體系與載體結(jié)構(gòu)上的鎳層連接和加熱時(shí)，各個(gè)鉬阻擋 層防止錫遷移至任一鈦粘附層中或者遷移通過(guò)任一鈦粘附層。
又一方面，本發(fā)明為在引線框上的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。在此方面，本發(fā)明包括由外延 層形成的發(fā)光激活部、用于支承該激活部的載體基底和用焊料組合物固定至載體基底的引 線框或等同結(jié)構(gòu)。接合金屬體系將激活部連接至載體基底，其中阻擋層在接合金屬體系與 外延層之間。該阻擋層由一材料形成并具有一定的厚度，以足以基本上阻止具有比焊料組 合物的熔點(diǎn)更低的熔點(diǎn)的游離金屬或合金的形成或遷移。本發(fā)明的前述和其它目的與優(yōu)點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方式基于以下詳細(xì)描述并結(jié)合附圖將 變得顯而易見(jiàn)。


圖1為具有鎳-錫接合體系的LED結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。圖2-5為具有鎳_錫接合體系的結(jié)構(gòu)的橫截面照片。圖6、7和8為用氬連續(xù)轟擊之后獲取的圖5中所示表面的俄歇(Auger)譜。圖9和10為具有鎳-錫接合體系的LED結(jié)構(gòu)的照片。圖11-12為從圖10的照片中所示表面獲取的兩個(gè)位置的EDS譜。圖13為根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的橫截面照片。圖14為根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。圖15為根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施方案的橫截面示意圖。圖16為本發(fā)明的另一實(shí)施方案的橫截面示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明為作為特別用于發(fā)光二極管某些結(jié)構(gòu)的改進(jìn)金屬接合體系。單獨(dú)的LED器件的性質(zhì)與工作在本領(lǐng)域是公知的，在此將不再贅述。適合的 參考文獻(xiàn)包括 Sze，PHYSICS OFSEMI CONDUCTOR DEVICES,第二版(1981) ； Schubert, LIGHT-EMITTING DIODES, Cambridge University Press (2003)和 Zetterling，PROCESS TECHNOLOGY FOR SILICONCARBIDE DEVICES, Electronic Materials Information Service(2002)。在‘158申請(qǐng)中提及的接合體系成功地指出當(dāng)通夠主要由鎳(Ni)和錫(Sn)形成 接合體系期間金占主要地位時(shí)引起大量問(wèn)題。如其中所述，雖然錫的熔點(diǎn)相對(duì)低(232°C)， 但包括約30至70重量％之間的錫的由鎳-錫化合物形成的合金具有都高于750°C的熔點(diǎn)。 因此，在‘158申請(qǐng)中描述的該接合體系成功地滿(mǎn)足耐受在將晶片相互接合后進(jìn)行的制造 步驟期間發(fā)生的在250-300°C范圍內(nèi)的熱劇增(thermal excursions)的標(biāo)準(zhǔn)。利用‘158申請(qǐng)中的鎳-錫接合體系形成的器件已實(shí)現(xiàn)許多期望的目標(biāo)。然而，隨 著其用途的增加，已發(fā)現(xiàn)錫不期望地遷移通過(guò)相鄰的鎳層。即使當(dāng)錫與鎳的比例量為預(yù)期 全部錫以鎳-錫合金的形式存在的比例量時(shí)，也趨于發(fā)生此遷移。已觀察到幾個(gè)產(chǎn)生的問(wèn) 題。首先，當(dāng)遷移的錫到達(dá)典型存在的鈦粘附層時(shí)，其能夠形成在稍后制造步驟所需的溫度下熱不穩(wěn)定的鈦-錫化合物。此類(lèi)化合物在稍后制造步驟期間能夠以固態(tài)反應(yīng)，當(dāng)使用終端器件(end device)時(shí)，它們經(jīng)受熱老化。這些金屬間化合物即使在實(shí)際上沒(méi)有熔化的情 況下也還能夠引起分層(delamination)問(wèn)題。其次，錫能夠遷移和形成與鈦粘附層相鄰的 游離錫部分。由于錫的232°C的熔點(diǎn)，該游離錫部分或熱不穩(wěn)定的合金在結(jié)構(gòu)中造成具有更 高的在制造溫度步驟時(shí)分離趨勢(shì)的位置。理論上，增加在與錫層相鄰的層中的鎳量應(yīng)當(dāng)成功地阻止任意給定量的錫遷移通 過(guò)鎳層。然而，實(shí)際上即使當(dāng)相鄰鎳層的厚度翻倍時(shí)錫也持續(xù)遷移。這表明錫在鎳中具有適 當(dāng)高的遷移率，僅厚度可能不能解決問(wèn)題。更重要的是，僅僅增加接合層(bonding layer) 的厚度(由此增加引入該結(jié)合層的LED、燈和封裝體的厚度)不能提供特殊結(jié)構(gòu)或電子優(yōu) 點(diǎn)。雖然可能形成絕對(duì)阻止錫遷移的鎳層，但是其相對(duì)厚度將產(chǎn)生相應(yīng)缺點(diǎn)例如制造困難、 尺寸和成本。圖1表示以20概括指示的此類(lèi)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。該二極管20包括典型地由氮化 鎵或其它適合的第III族氮化物形成的各個(gè)外延層21和22。這些外延層隔著阻擋金屬體 系24、一對(duì)鈦粘附層25和26以及鎳錫接合體系27而由載體基底23支承。在示例性實(shí)施 方案中，該載體基底選自由鋁、銅硅和碳化硅組成的組，在許多實(shí)例中硅是普遍的。應(yīng)理解，此處的描述和圖是示例性的而不是對(duì)能夠從本發(fā)明受益的二極管結(jié)構(gòu)的 限定。因此，雖然LED能夠具有與GaN的一 ρ型和一 η型層一樣基本的結(jié)構(gòu)，LED還能夠由 多個(gè)外延層形成，其中的一些可包括InGaN和通常包括AlGaN的緩沖層。發(fā)光結(jié)構(gòu)能夠包 括p-n結(jié)、量子講、多量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)。還應(yīng)理解，此處廣義上使用的表示相對(duì)位置的結(jié)構(gòu)術(shù)語(yǔ)例如“在...上”‘在...上 方”和“在...之間”為所列舉的項(xiàng)目之間的關(guān)系而不是(例如)所列舉的項(xiàng)目之間的直接 接觸。在說(shuō)明書(shū)的任意指定部分，該含義在上下文中將都是清楚的。圖2為具有圖1中示意性示出的基本結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的橫截面的顯微照片。相 同元件用圖1中的附圖標(biāo)記通用標(biāo)記。因此，由符號(hào)(brackets) 21、22表示氮化鎵外延層， 24表示阻擋金屬、25和26表示鈦層，27表示鎳-錫接合體系和23表示硅基底。然而，圖2 還示出空隙區(qū)域30，所述空隙區(qū)域30的一些部分作為暗色陰影緊鄰在阻擋層24下方出現(xiàn)， 其它部分作為淺灰色表面在鈦層25上方出現(xiàn)。如稍前所述，該空隙空間由當(dāng)錫遷移并與鈦 層25和26反應(yīng)或者錫形成游離錫或形成其它不期望地的熱不穩(wěn)定性金屬間化合物時(shí)發(fā)生 的分層而產(chǎn)生。圖3為與圖2相同但具有強(qiáng)調(diào)由分層產(chǎn)生的空隙30的稍微不同取向的結(jié)構(gòu)的另 一視圖。圖4為圖3的局部放大圖，其示出在阻擋金屬層24正下方的剩余的鈦層25。由分 層產(chǎn)生的空隙空間作為暗色空間30再次可見(jiàn)。圖5至8確定由本發(fā)明解決的問(wèn)題的本質(zhì)。圖5為沿由圖2、3和4旋轉(zhuǎn)約(但不 精確)90度的取向上的結(jié)構(gòu)的又一圖。在標(biāo)記為“2”的分層面部分上進(jìn)行俄歇譜分析。在 圖5中，外延層21和22的分層部分出現(xiàn)在左下角，鎳錫接合金屬體系27的上部(top)對(duì) 應(yīng)于“2”指定的目標(biāo)，硅基底指定為23。在任意利用氬的濺射轟擊之前獲取圖6的俄歇譜。其表明在動(dòng)能值為380和416 電子伏特(eV)處存在鈦。
圖7示出在金的參比濺射速率為約5埃/秒下氬濺射30秒之后源自相同目標(biāo)區(qū)域 的譜圖。在約510eV處的主峰(large peak)表明存在源自當(dāng)將分層部分暴露至大氣時(shí)該 層上形成的本征氧化物(native oxide)的氧。與圖6相比，代表錫的峰在約423和435eV 處變得明顯，但是所預(yù)期的鎳的峰(例如在約700eV處)完全不存在。此譜圖證明表面上 存在錫和鈦(而不是鎳和錫)，其進(jìn)一步表明鎳既不作為合金保留錫也不防止錫遷移至鈦 層中或遷移通過(guò)鈦層。圖8為轟擊90秒之后獲取的相同譜圖，其中錫在426和432eV處的峰特性是明顯 的。圖8再次示出不存在鎳，從而證實(shí)圖7的結(jié)果和問(wèn)題的存在。圖9-12示出相同問(wèn)題的不同方面，即存在大量的游離錫。在適合的情況下，結(jié)構(gòu) 相似的部分標(biāo)有與稍前圖示中相同的標(biāo)記。圖9是為了分析接合結(jié)構(gòu)已除去外延層的結(jié)構(gòu) 的橫截面視圖。因此，再將金屬阻擋層指定為24，鎳-錫接合體系指定為27。再將由分層 產(chǎn)生的空隙標(biāo)記為30，硅載體基底標(biāo)記為23。然而，圖9還示出多個(gè)部分的游離錫31。圖 10為該接合層27的分層面的平面視圖。圖11和12為證實(shí)指定為31的部分是錫的EDS譜。圖11為從在圖10中指定為 “1”的塊體獲取的EDS譜。正如圖11所示，該試樣幾乎全部是錫，不存在鈦或鎳。當(dāng)從標(biāo)記為“3”的位置(即，非塊狀結(jié)構(gòu))獲取相同的分析時(shí)，譜圖表明存在金、 錫和鈦，但是再次表明幾乎不存在鎳或不存在鎳。圖13為包括鉬阻擋層的以34概括指示的根據(jù)本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)的橫截面顯微照 片(micrograph)。在適合的情況中，同樣的元件標(biāo)有與如稍前圖示中相同的附圖標(biāo)記。因 此，結(jié)構(gòu)34包括兩個(gè)氮化鎵外延層21和22，盡管其在照片中作為單層出現(xiàn)。再將阻擋金屬 層指定為24，再將鎳錫接合體系(包含少量金)指定為27。鈦粘附層作為暗色線25和26 出現(xiàn)在鎳錫接合體系27的相對(duì)側(cè)上。鉬阻擋層作為亮色線35出現(xiàn)在鎳錫接合體系27的 上方。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，選擇鎳和錫的量以確保全部錫將與鎳反應(yīng)。在最優(yōu)選的實(shí) 施方案中，鎳錫和任意其它存在元素(例如金)的量為發(fā)生完全反應(yīng)而幾乎沒(méi)有或沒(méi)有剩 留能夠隨著時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散、熱老化或者任意其它不利的過(guò)程的量。鉬代表有利的阻擋金屬，這是因?yàn)殂f能夠與任意到達(dá)鉬-錫界面的錫形成金屬間 相。在這點(diǎn)上，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)阻擋層與錫反應(yīng)時(shí)阻擋層是最有效的。因此，有效的阻擋層與錫反 應(yīng)而不僅僅阻擋錫擴(kuò)散。這些鉬_錫相在二極管進(jìn)一步進(jìn)行制造的溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的， 并在熱老化期間趨于保持穩(wěn)定。換句話(huà)說(shuō)，鉬層的存在防止低熔點(diǎn)化合物、其它熱不穩(wěn)定性 金屬間化合物的形成或者防止錫遷移至與鎳界面相對(duì)的粘附界面。熟知制造發(fā)光二極管的人員將認(rèn)識(shí)到，在此描述的阻擋層和相關(guān)結(jié)構(gòu)的特性與將二極管暴露于任意給定溫度期間的正常和預(yù)期時(shí)間的情況有關(guān)。通常，將在此描述的該類(lèi) 型的二極管在200°C附近的溫度下典型地經(jīng)受至例如化學(xué)氣相沉積等的步驟(以增加鈍化 層等)約一小時(shí)的時(shí)間。將各種退火工藝(例如為了獲得或改進(jìn)歐姆接觸)在稍微升高的 溫度(例如約290°C)下進(jìn)行約一小時(shí)時(shí)間。將利用回流工藝使二極管固定至引線框(“晶 片固定(die attach) ”)在更高溫度(約315°C -350°C )下典型地進(jìn)行較短時(shí)間例如5或 10秒。典型的工作條件為小于50°C。已證實(shí)高溫(100°C )工作壽命，超過(guò)1000小時(shí)而沒(méi) 有接合的劣化。
因此，應(yīng)理解，在此描述的阻擋層和金屬體系在至少需要進(jìn)行這些制造工藝的時(shí) 間內(nèi)和典型地更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其期望的性能。如圖13的中心部分相對(duì)清晰的外觀所示，鉬阻擋層35防止鎳-錫接合體系27中 的錫遷移至鈦層25或者通過(guò)鈦層25。因此，圖13為避免在(例如)圖1和9中可見(jiàn)的該 類(lèi)型分層的示例性結(jié)構(gòu)。雖然鈦粘附層經(jīng)常存在于載體側(cè)和接合金屬體系的外延側(cè)二者上，但是本發(fā)明即 使在不存在鈦時(shí)，即在使用本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的其它粘附層的結(jié)構(gòu)中、或者在鉬能 夠用作粘附層的結(jié)構(gòu)中或者不包括粘附層的結(jié)構(gòu)中，也提供它的優(yōu)點(diǎn)。圖13還示出通過(guò)鉬阻擋層35解決的問(wèn)題。特別地，圖13的用箭頭標(biāo)記為36的 照片部分中，鈦粘附層26趨于消失于鎳-錫接合體系或者由于鎳-錫接合體系27而模糊。 這進(jìn)一步表明，在不存在鉬阻擋層時(shí)，鎳錫接合體系27中的錫將遷移至鈦層26或者通過(guò)鈦 層26 (或者遷移至鈦層26和遷移通過(guò)鈦層26)，形成低熔點(diǎn)鈦-錫化合物、其它熱不穩(wěn)定金 屬間化合物或者游離錫。圖13還包括示出在約330°C的溫度下發(fā)生鉬層35的局部化相互作用的標(biāo)記為38 的區(qū)域。鈦層25保持良好地限定于在該區(qū)域38的上方。當(dāng)進(jìn)一步加熱圖13的結(jié)構(gòu)(例 如加熱至約350°C )時(shí)，觀察到更多的該局部化相互作用。在示例性實(shí)施方案中，鉬與錫之間的局部化相互作用(例如圖13中的區(qū)域38)在 接近約330°C的接合溫度下和在施加一定量量的力(典型地約6500牛頓下)下趨于變得更 加顯著。在較低溫度例如約240攝氏度下，鉬與錫之間的局部化相互作用是不明顯的。因 此，實(shí)用的接合溫度范圍從約錫的熔點(diǎn)(232°C)開(kāi)始直至約350攝氏度，其中優(yōu)選的范圍介 于約240°C至330°C之間。阻擋層在金屬接合體系的外延側(cè)上或者在載體基底側(cè)上或者在兩者上提供結(jié)構(gòu) 的優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明包括全部三種可能性。作為到此為止的一般觀察(非本發(fā)明限定)， 不含阻擋層的二極管趨于在外延側(cè)上比在載體基底側(cè)上更多地趨于分層。圖13還示出本發(fā)明具有在接合線的厚度方面的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樽钃鯇邮乖奖〉慕雍?線越實(shí)用。術(shù)語(yǔ)“接合線”在本領(lǐng)域通常是公知的，作為在此使用的是指金屬接合體系27。 在本發(fā)明中，接合線為典型地小于6微米(μπι)厚，其中示例性實(shí)施方案中為小于3μπι厚。 薄的接合線提供幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如降低制造成本和降低在金屬體系中的應(yīng)力。相比之下，特 別當(dāng)應(yīng)用于薄的(例如小于150μπι)晶片中時(shí)，高的應(yīng)力能夠產(chǎn)生相對(duì)高程度的晶片翹曲 (wafer bowing)。此類(lèi)翹曲能夠增加稍后制造與加工的難度。晶片翹曲還能夠?qū)е略诶?對(duì)于卡盤(pán)(chuck)或光刻(photolithography)保持真空等的步驟期間在較厚晶片(例如 約600μπι)中的加工困難。當(dāng)然，許多不同因素能夠影響晶片應(yīng)力，(例如接合溫度、接合 壓力、沉積技術(shù))，但是本發(fā)明提供最小化接合線厚度因而最小化由過(guò)量的接合線厚度導(dǎo)致 的任意應(yīng)力的機(jī)會(huì)。正如稍前指明的，鉬阻擋層(圖13中的35)阻止錫遷移越過(guò)阻擋層35。這使得通 過(guò)鉬阻擋層35而不是通過(guò)簡(jiǎn)單地增加存在于接合層27中的鎳量(因此避免增加接合線的 厚度)來(lái)限制錫。圖14為包括圖13中所示的元件并還示出器件載體晶片側(cè)上的第二鉬阻擋層的以37概括指示的根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管的示意圖。再將氮化鎵層指定為21和22，將金屬阻擋層指定為24，將基底指定為23。在鎳-錫接合體系27的相對(duì)側(cè)上的鈦粘附層表示為 25 禾口 26。圖14包括圖13中所示的鉬阻擋層35，并還包括在器件37的載體基底側(cè)上的第二 鉬阻擋層40。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，接合金屬體系27為大于75%的鎳和錫以及在一 些情況下為大于85%的鎳和錫的金屬合金。如果存在，金是受限定的，其中在示例性實(shí)施方 案中含有小于50重量％的金，和更典型地小于20重量％的金。圖15示出以42概括指示的前體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和以43概括指示的載體結(jié)構(gòu)的情況下的本發(fā)明。該生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42包括生長(zhǎng)基底44，所述生長(zhǎng)基底44在示例性實(shí)施方案中由碳化 硅形成，因?yàn)槠渑c第III族氮化物的晶格匹配比與其它基底材料例如藍(lán)寶石的晶格匹配更 好。該生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42包括第III族氮化物外延層45和46，所述第III族氮化物外延層45和 46在示例性實(shí)施方案中由氮化鎵形成，但是如稍前所指明，其能夠包括InGaN，還能夠包括 更多的復(fù)合結(jié)構(gòu)例如異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱、多量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)。將典型存在的阻擋金屬指定為48。生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42包括在外延層45和46上的用于將生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42連接至載體結(jié)構(gòu)43 的金屬接合體系。該生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)金屬接合體系主要由鎳層47和錫層50與在該鎳層50和外 延層45和46之間的鈦粘附層51、在該鈦粘附層51和該鎳層47之間的鉬阻擋層52形成。該載體結(jié)構(gòu)43包括典型地選自由硅與碳化硅組成的組的載體基底53、在該載體 基底53上的第二鈦層54、在該第二鈦粘附層54上的第二鉬阻擋層55、在該第二鉬層55上 用于將載體結(jié)構(gòu)43連接至生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42的第二鎳層56。當(dāng)將生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42上的接合金屬體系和載體結(jié)構(gòu)43上的鎳層連接并加熱時(shí)，各個(gè) 鉬阻擋層52和55防止源自層50的錫遷移至任一鈦粘附層51或54中或遷移通過(guò)任一鈦 粘附層51或54。圖15還示出，在該實(shí)施方案中，生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42和載體結(jié)構(gòu)43能夠各自包括用于改 進(jìn)當(dāng)連接所述結(jié)構(gòu)時(shí)的接合的金閃光層(flash layer)。生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42在錫層50上具有金 閃光層57，載體結(jié)構(gòu)43在第二鎳層56上具有金閃光層60。在示例性實(shí)施方案中，生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42中錫層50的厚度為生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42中鎳層47厚 度的約5至10倍之間。在說(shuō)明性的而非要求保護(hù)的本發(fā)明限定的示例性實(shí)施方案中，生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42上的 層具有以下厚度鈦粘附層51為約100納米，鉬阻擋層52為約150納米，鎳層47為約200 納米，錫層50為2微米厚和金閃光層57為30納米。在對(duì)應(yīng)的載體結(jié)構(gòu)43上，鈦粘附層54為100納米，鉬阻擋層55為1500埃，鎳層 56為300納米和金閃光層60為5納米。在另一實(shí)施方案(未示出)中，約100納米的金附加層位于生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42上，在2 微米錫層與200納米鎳層之間。在其它實(shí)施方案中，在生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)42或載體結(jié)構(gòu)43中的鎳量能夠依賴(lài)于期望的最 終結(jié)構(gòu)與組成而增加至300或400納米。當(dāng)將圖15中示出的各個(gè)結(jié)構(gòu)42和43在適度壓力下放置在一起時(shí)將其加熱從而 形成接合結(jié)構(gòu)。其后依賴(lài)于設(shè)計(jì)的選擇能夠?qū)⑸L(zhǎng)基底44薄化或?qū)⑵涑ァ?br> 圖16示出在引線框的情況下的本發(fā)明。如在一些其它附圖中，前面參考的元件標(biāo) 有與其在其它附圖中相同的附圖標(biāo)記。因此，圖16示出以60概括指示的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)60包括由外延層21 和22形成的發(fā)光部。載體基底23支承外延層21和22。將載體基底用焊料組合物62固定 至引線框61。應(yīng)理解，示意性和以代表性形式示出該引線框和焊料組合物，將發(fā)光二極管以 相同或類(lèi)似的方式固定至其它裝置和其它類(lèi)似及等同的結(jié)構(gòu)均落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。接合金屬體系27將外延層21和22連接至載體基底23。阻擋層63位于接合金屬 體系27與外延層21、22之間。阻擋層63由一材料形成并具有一定的厚度，以足以基本上 阻止具有比焊料組合物62的熔點(diǎn)更低熔點(diǎn)或證實(shí)在此類(lèi)溫度下熱不穩(wěn)定性的游離金屬或 合金形成或遷移。如關(guān)于前面實(shí)施方案所述，當(dāng)金屬接合體系27以鎳和錫為主時(shí)，鉬作為示例性阻 擋層。還如關(guān)于其它實(shí)施方案所述，二極管結(jié)構(gòu)60還典型地包括在金屬接合體系27與外 延層21、22之間的粘附層25，其中鉬阻擋層63位于粘附層25與鎳-錫接合體系27之間。 如在其它示例性實(shí)施方案中，由于鈦對(duì)于該目的有利性能，該粘附層包括鈦。圖16還示出通常(但不必要)用于該結(jié)構(gòu)的阻擋金屬體系24連同與載體基底23 直接相鄰的第二鈦粘附層26以及在接合金屬體系27與第二粘附層26之間的另一鉬阻擋 層64—起用于該結(jié)構(gòu)，所述鉬阻擋層64同樣地防止具有低熔點(diǎn)的游離的金屬或合金(特 別是錫)或者其它熱不穩(wěn)定性金屬間化合物的形成或者遷移至載體基底上的鈦粘附層26 中或遷移通過(guò)載體基底上的鈦粘附層26。然而，如稍前所指明，如果阻擋層也提供令人滿(mǎn)意 的粘合性，就可省略特定的鈦粘附層。在附圖和說(shuō)明書(shū)中已提及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，雖然已采用特定的術(shù)語(yǔ)，但它們僅僅是以一般性和描述性的意義使用，并不是出于限制在權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范 圍的目的。
權(quán)利要求
一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其包括由外延層形成的發(fā)光激活部；用于支承所述激活部的載體基底；以鎳和錫為主的接合金屬體系，其將所述激活部連接至所述載體基底；和至少一個(gè)與所述鎳錫接合體系相鄰的阻擋層，所述阻擋層具有足以基本上防止所述鎳錫接合體系中的錫遷移通過(guò)所述阻擋層的組成和厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述阻擋層為鉬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述阻擋層能夠形成在約240°C至 350°C之間的溫度范圍內(nèi)是熱穩(wěn)定的與錫的金屬間化合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)在所述激活部與所 述鉬阻擋層之間的鈦粘附層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述粘附層包括鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述接合金屬體系包括大于85%的鎳 和錫的金屬合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述接合金屬體系以小于50重量％的量包含金。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述接合金屬體系為以小于20重量％ 的量包含金的金屬合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)光激活部由第III族氮化物材 料體系形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括在所述鎳_錫接合體系與所述載體基底之間的第二鈦粘附層；和 在所述鈦粘附層與所述鎳_錫接合體系之間的第二鉬阻擋層。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)光激活部由至少兩個(gè)第III族氮化物的外延層形成；在所述激活部與所述載體基底之間的所述接合金屬結(jié)構(gòu)包括在兩個(gè)鎳外層之間的錫 中間層，其中錫的相對(duì)量大于通過(guò)與任一單一鎳層反應(yīng)消耗的量，但是小于提供超過(guò)兩個(gè) 鎳層的功能性反應(yīng)的錫的量；鈦粘附層在所述激活部與所述接合金屬結(jié)構(gòu)之間；和其中所述阻擋層為在所述鈦粘附層與所述接合金屬結(jié)構(gòu)之間的鉬阻擋層，其用于防止所述 接合結(jié)構(gòu)中的錫遷移至所述鈦粘附層或通過(guò)所述鈦粘附層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求11所述的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)，其中所述外延層包括氮化鎵。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求11所述的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)，其中所述載體基底選 自由鋁、銅、硅和碳化硅組成的組。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)，其中所述錫層的厚度在任一所述鎳 層厚度的約5至10倍之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)，所述發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包 括在所述載體基底與所述接合金屬結(jié)構(gòu)之間的第二鈦層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括在所述第二鈦層與所 述接合金屬結(jié)構(gòu)之間的第二鉬層。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求11所述的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)，其中所述接合金屬體 系為小于6微米厚。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求11所述的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)，其中所述接合金屬體 系為小于3微米厚。
19.一種發(fā)光二極管用前體結(jié)構(gòu)，所述前體結(jié)構(gòu)包括 連接在一起的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和載體結(jié)構(gòu)；所述生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)包括生長(zhǎng)基底、在所述生長(zhǎng)基底上的發(fā)光外延層和在所述外延層上用于 連接至所述載體結(jié)構(gòu)的金屬接合體系；所述生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)金屬接合體系主要由鎳層和錫層形成，其中鈦粘附層在所述鎳層與所述 外延層之間和鉬阻擋層在所述鈦粘附層與所述鎳層之間；和所述載體結(jié)構(gòu)包括載體基底、在所述載體基底上的鈦粘附層、在所述鈦層上的鉬阻擋 層和在所述鉬層上用于連接至所述生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的鎳層；以致當(dāng)將在所述生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上的所述接合金屬體系與在所述載體結(jié)構(gòu)上的所述鎳層連 接并加熱時(shí)，所述各個(gè)鉬阻擋層防止錫遷移至任一所述鈦粘附層中或者通過(guò)任一所述鈦粘 附層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的前體結(jié)構(gòu)，其中所述生長(zhǎng)基底選自由碳化硅和藍(lán)寶石組成 的組，所述外延層包括第III族氮化物，所述載體基底選自由硅和碳化硅組成的組。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的前體結(jié)構(gòu)，其中所述外延層包括氮化鎵，所述載體基底包 括硅。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的前體結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括 在所述生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)接合體系的鎳_錫部分上的金閃光層和在所述載體結(jié)構(gòu)上的所述鎳層上的金閃光層，用于在所述各個(gè)金閃光層處連接所述生 長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和所述載體結(jié)構(gòu)。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)光二極管前體結(jié)構(gòu)，其中在所述生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中的所述錫層 的厚度為在所述生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中的所述鎳層厚度的約5至10倍之間。
24.一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其包括 由外延層形成的發(fā)光激活部； 用于支承所述激活部的載體基體；用焊料組合物固定至所述載體基底的引線框； 將所述激活部連接至所述載體基底的接合金屬體系；和在所述接合金屬體系與所述外延層之間的阻擋層，所述阻擋層由一材料形成并具有一 定的厚度，以足以基本上阻止具有比所述焊料組合物的熔點(diǎn)更低的熔點(diǎn)的游離金屬或合金 形成或遷移。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述接合金屬體系以鎳和錫為主， 和所述阻擋層包括鉬。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，所述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括在所述 金屬接合體系與所述發(fā)光激活部之間的粘附層，所述鉬阻擋層在所述粘附層與所述鎳_錫接合體系之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的發(fā)光二極管，其中所述粘附層包括鈦。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述接合金屬體系為小于6微米厚。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其中所述接合金屬體系為小于3微米厚。
全文摘要
公開(kāi)了一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(37)，其包括由外延層(21，22)形成的發(fā)光激活部和支承該激活部的載體基底(23)。以鎳和錫為主的接合金屬體系(27)將該激活部連接至該載體基底。至少一層鈦粘附層(25，26)在該激活部與該載體基底之間，鉑阻擋層(35，40)在該鎳-錫接合體系與該鈦粘附層之間。該鉑層具有的厚度足以基本上防止該鎳錫接合體系中的錫遷移至該鈦粘附層中或遷移通過(guò)該鈦粘附層。
文檔編號(hào)H01L33/62GK101828274SQ200880111927
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2008年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月23日
發(fā)明者華雙·孔, 大衛(wèi)·B·斯雷特, 約翰·A·埃德蒙德, 馬修·德奧諾費(fèi)奧 申請(qǐng)人:科里公司