專(zhuān)利名稱(chēng)：垂直結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造具有頂部和底部接觸結(jié)構(gòu)的GaN基垂直結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件以及一 種用于制造垂直結(jié)構(gòu)器件的方法。
背景技術(shù)：
圖1示出在絕緣藍(lán)寶石襯底114上制造的傳統(tǒng)氮化鎵(GaN)基(GaN-based)半導(dǎo) 體器件100。該器件可應(yīng)用于諸如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 (HBT)、和高電子遷移率晶體管(HEMT)。在傳統(tǒng)工藝中，該器件形成在藍(lán)寶石襯底上，并且兩 個(gè)電接觸部形成于器件的頂部上。P型接觸部(p-contact)102形成在頂部上，并且采用臺(tái) 面蝕刻來(lái)去除材料以形成η型金屬接觸部(η-metal contact) 118。產(chǎn)物被稱(chēng)為橫向結(jié)構(gòu)器 件并且易于表現(xiàn)出若干問(wèn)題，這些問(wèn)題包括對(duì)靜電放電(ESD)的弱抗性以及散熱。這些問(wèn) 題都限制了器件產(chǎn)量和有效壽命。此外，藍(lán)寶石材料非常堅(jiān)硬，其難以進(jìn)行晶片的磨削及拋 光、以及器件分離(s印aration)。器件產(chǎn)量取決于后期制造工藝，其包括研磨(lapping)、 拋光、以及芯片分離。圖2示出用于構(gòu)造垂直結(jié)構(gòu)GaN基化合物半導(dǎo)體200的第二種傳統(tǒng)技術(shù)。激光剝 離(LLO，laser lift-off)工藝用于通過(guò)采用具有通常在UV范圍內(nèi)的可透射藍(lán)寶石的波長(zhǎng) 的準(zhǔn)分子激光器，來(lái)從GaN外延層中去除藍(lán)寶石襯底。隨后，通過(guò)用導(dǎo)電或半導(dǎo)電的第二襯 底218代替絕緣藍(lán)寶石襯底來(lái)制造器件，以構(gòu)造垂直結(jié)構(gòu)器件。在通過(guò)激光剝離去除藍(lán)寶 石襯底之后這些工藝通常采用用于永久鍵合至第二襯底的晶片鍵合(wafer-bonding)技 術(shù)。然而，仍然缺少用于大規(guī)模生產(chǎn)VLED (垂直LED)的大規(guī)模激光剝離工藝。一個(gè)原 因是因?yàn)橛捎谠诩す鈩冸x之后外延層表面在整個(gè)晶片表面上不平坦導(dǎo)致支撐晶片218與 外延層214之間的鍵合粘附層216以及永久第二襯底218的不均勻，使得難以進(jìn)行大面積 激光剝離。關(guān)于該晶片鍵合技術(shù)的另一問(wèn)題是由于在共晶金屬鍵合處理過(guò)程中的高溫和高 壓造成金屬接觸部的退化(degradation)。此外，用于永久晶片鍵合的襯底(例如，Si或 GaAs)與銅(Cu)基金屬襯底相比，在散熱方面不是最理想的襯底。這些問(wèn)題降低了最終的 產(chǎn)量并且沒(méi)有提供對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)商用器件的令人滿意的解決方案。圖3示出旨在克服晶片鍵合問(wèn)題并制造VLED的結(jié)構(gòu)300。代替使用晶片鍵合方 法，器件300的制造包括將金屬支撐部318附著至器件。然而，因?yàn)樵诩す鈩冸x處理過(guò)程中 粘合層的分層(de-lamination)，產(chǎn)量被公認(rèn)為很低。如果該鍵合對(duì)于高能量激光沖擊波不 穩(wěn)定，在激光剝離之后GaN外延層可能變形或斷裂，則難以執(zhí)行后期激光剝離工藝，例如， 晶片清洗、器件制造、松解(de-bonding)、以及器件分離。因此，最終的器件加工產(chǎn)量很低?；趫D3所示技術(shù)的垂直器件的其他問(wèn)題在于很差的器件性能。由于在藍(lán)寶石襯
3底上使用噴砂處理以提高均勻激光束能量分布，所以在激光剝離之后的GaN表面通常很粗 糙，導(dǎo)致與平坦且光滑的表面相比，其輸出較少的光。此外，在n-GaN層上形成的金屬反射 層不及非金屬發(fā)射材料(例如，ΙΤ0)高。由于傳統(tǒng)技術(shù)的這些限制，需要一種在GaN基半導(dǎo)體器件的大規(guī)模生產(chǎn)中可提高 器件性能和產(chǎn)量的新技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制造具有極大提高的光輸出的新的垂直結(jié)構(gòu)化合物半導(dǎo)體器 件的可靠技術(shù)及用于GaN基化合物半導(dǎo)體器件的大規(guī)模生產(chǎn)的高產(chǎn)量激光剝離(LLO)工 藝。本發(fā)明的主題是通過(guò)電鍍法在LLO之前采用直接金屬支撐襯底沉積，以形成η型側(cè)頂部 垂直結(jié)構(gòu)(η-side top vertical structure)。此外，緊鄰ρ型接觸層處采用ITO DBR層， 以通過(guò)更高反射率ITO層提高光輸出。穿孔金屬晶片載體也用于晶片鍵合以容易處理和松 解。相比于先前的基于LLO的垂直器件制造，新的制造工藝是簡(jiǎn)單且更可靠的工藝。與通 過(guò)相同GaN/InGaN外延膜制造的橫向器件的光輸出相比，具有η型側(cè)上部結(jié)構(gòu)(η-side up structure)的新的垂直器件的光輸出增加了 2或3倍。本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法。本發(fā)明包括以下步 驟在襯底上形成半導(dǎo)體層；在半導(dǎo)體層上形成金屬層；從半導(dǎo)體層去除襯底；在去除了襯 底的半導(dǎo)體層上形成一個(gè)或多個(gè)接觸部；以及將半導(dǎo)體層分成多個(gè)獨(dú)立的半導(dǎo)體器件。在一個(gè)方面，本發(fā)明包括以下步驟在半導(dǎo)體層與襯底之間形成緩沖層。在另一方 面，去除步驟包括以下步驟將激光束施加到在半導(dǎo)體層與襯底之間的界面；以及在激光 源與襯底之間插入漫射介質(zhì)。在一個(gè)方面，本發(fā)明包括以下步驟將晶片載體附著至金屬 層。在一個(gè)方面，分離步驟包括以下步驟在各個(gè)器件的每個(gè)之間形成溝槽；鈍化器件的露 出部分；以及將單獨(dú)的半導(dǎo)體器件傳送(transfer)到支撐膜。在一個(gè)方面，本發(fā)明包括以 下步驟使用一步芯片鍵合和引線鍵合技術(shù)，將獨(dú)立的半導(dǎo)體器件裝配到引線框。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括用于制造具有高產(chǎn)量和可靠性的半導(dǎo)體裝置的改良技術(shù)。


參照以下的附圖描述本發(fā)明。圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在器件的頂部上形成具有兩個(gè)金屬接觸部的橫向結(jié)構(gòu) GaN 基 LED。圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED，其中，GaN薄膜鍵合至導(dǎo)電或半 導(dǎo)電第二襯底。圖3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED，其中，在去除最初的藍(lán)寶石襯底 之后，將厚金屬層附著至GaN薄膜。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的流程圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直器件的外延結(jié)構(gòu)，其中，在藍(lán)寶石襯底的頂 部上生長(zhǎng)GaN或AlN緩沖層。圖5還示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為阻熱層(thermal barrier)添加的AlGaN緩沖層。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用以形成ρ型接觸部和反射層的在P-GaN外延層頂部上的P型接觸金屬和ITO透明接觸部/DBR層沉積。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用以提高ITO與金中間層之間的粘附力的粘附層 沉積。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于在GaN LED層與順序沉積的硬銅層之間的應(yīng) 力消除的使用電鍍或化學(xué)鍍法的軟銅層沉積。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用以提供機(jī)械剛度以及更高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性 而使用電鍍或化學(xué)鍍法的硬銅層，。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在激光剝離之前使用導(dǎo)電粘合膠附著至穿孔支 撐晶片載體的銅電鍍或化學(xué)鍍的GaN LED晶片。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在激光剝離處理過(guò)程中用以獲得均勻的激光束 能量分布而使用漫射介質(zhì)穿過(guò)藍(lán)寶石襯底施加的準(zhǔn)分子激光束。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在激光剝離之后的藍(lán)寶石襯底移除以及Ga液滴清洗。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在η型接觸部形成之前通過(guò)干蝕刻和GaN表面 平滑蝕刻的GaN/AlGaN緩沖層移除。圖14示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在GaN LED層的頂部上的η型ITO透明接觸部 形成。圖15示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在η-ΙΤΟ層上的η型接觸部形成和金焊盤(pán)金屬 化。圖16示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通過(guò)干蝕刻或諸如機(jī)械劃片(scribing)或激光 劃片的機(jī)械方法進(jìn)行的器件分離(isolation)。圖17示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的保護(hù)SiO2鈍化層沉積。圖18示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的支撐晶片載體移除以及最終的器件結(jié)構(gòu)。圖19示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的通過(guò)切割或激光劃片進(jìn)行的器件分離。圖20示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在引線框上的垂直器件的芯片鍵合以及引線鍵
合 O
具體實(shí)施例方式參照特定的器件結(jié)構(gòu)以及實(shí)施例描述本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該了解，該描述 用于說(shuō)明并且提供實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。本發(fā)明包括用于制造根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件 的多個(gè)形成和沉積步驟。本公開(kāi)涉及在其他材料上面或上方沉積材料，其被說(shuō)明且描述為 表示參考的任意方框，正如通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員并結(jié)合描述解釋和理解的，本公開(kāi)旨在描 述且覆蓋在其他材料頂部上方、之上、或下方沉積材料的技術(shù)。例如，本公開(kāi)的一部分描述 了從上構(gòu)造的半導(dǎo)體層，并且其他部分描述了從下構(gòu)造的半導(dǎo)體層，而在這兩種情況下，如 所說(shuō)明及示出的，在現(xiàn)有層上沉積的新層意味著其沉積在現(xiàn)有層的上方或下方。這里，提 供多個(gè)工藝參數(shù)，用于提供最佳模式，同時(shí)參數(shù)的改變也可以產(chǎn)生如這里所描述的工藝、結(jié) 構(gòu)、以及優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的變化由權(quán)利要求預(yù)期和涵蓋。A.器件結(jié)構(gòu)和制造圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的流程圖400。流程圖中描述的步驟是用于說(shuō)明示例性實(shí)施例和結(jié)構(gòu)，并且本發(fā)明包括在此所述的方法和所得結(jié)構(gòu) 的修改部分。步驟402從圖5所描述的外延晶片開(kāi)始示例性處理。參考標(biāo)號(hào)500指的是可 產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)器件的半導(dǎo)體。在多個(gè)器件的情況下，參考標(biāo)號(hào)可被設(shè)置有字母后綴，例 如，500a、500b、和500c等。參照?qǐng)D5_20描述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造以及封裝來(lái)描述這些步驟。圖5-18描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED的步驟，其使用沉積 工藝以形成用于機(jī)械支撐和導(dǎo)電的金屬襯底以及使用激光剝離工藝以去除最初的襯底。本 發(fā)明中描述的制造方法并不限于LED，而是可以延伸到任意器件結(jié)構(gòu)，特別是包含有在絕緣 襯底上生長(zhǎng)的GaN基外延薄膜的那些器件結(jié)構(gòu)，例如，激光二極管(LD)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 (HBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)。圖5描述了在襯底(例如，藍(lán)寶石襯底)502上形成的垂直器件500的外延結(jié)構(gòu)。 在襯底的頂部上生長(zhǎng)GaN或AlN緩沖層504。在本發(fā)明的一個(gè)方面，在緩沖層504上形成 AlGaN緩沖層506，以作為阻熱層。組合緩沖層被描述為參考標(biāo)號(hào)505，并且可包括如下所述 的一個(gè)或兩個(gè)層504和506。接下來(lái)，通過(guò)適合的外延生長(zhǎng)裝置(例如，金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)、分子 束外延(MBE)、汽相外延(VPE)、或其他技術(shù))在藍(lán)寶石襯底502上生長(zhǎng)由標(biāo)號(hào)508-514 表示的GaN基LED結(jié)構(gòu)515。形成n_GaN層508，隨后在n_GaN層508上方形成多量子阱 (multi-quantum we 11,MQff)層 510。描述了優(yōu)選的 p-AlGaN 層 512，并且描述了 ρ-GaN 層。與單層GaN或AlN為公共緩沖層的傳統(tǒng)技術(shù)相反，本發(fā)明優(yōu)選地除GaN或AlN緩 沖層504之外還采用AlGaN緩沖層506，但不是必需兩層。在熱絕緣方面，AlGaN緩沖層 506很有用。實(shí)驗(yàn)示出在激光剝離過(guò)程中，在GaN LED層515與粘接鍵合層之間界面的溫 度可增加至250°C。因此，由于熱量增加，在激光剝離過(guò)程中，聚合物基粘附層可能變劣化 (deteriorated)并且可能與GaN LED層反應(yīng)，這使得在松解工藝中難以去除熱劣化的粘合 劑。在本發(fā)明中，采用AlGaN有助于降低鍵合粘合劑的劣化，從而提高了器件產(chǎn)量。此外， 將總的外延層厚度設(shè)置成特定厚度，以最小化在GaN/粘合劑界面的溫度增加。有利地，選 取外延層厚度在5 μ m以上，以維持交界面溫度在低于200°C。為了實(shí)現(xiàn)這種情況，在GaN或 AlN緩沖層的頂部上生長(zhǎng)4 μ m以上厚度的n-GaN層。圖6描述使用薄膜沉積法(例如，電子束蒸發(fā)或?yàn)R射)沉積的用以形成P型接觸 部的在GaN LED層515的頂部上的ρ型接觸金屬516以及ITO透明(transparent)接觸部 /DBR層518沉積。示例性ρ型接觸金屬可包括Ni/Au、Pd/Ni/Au、Ni/Pd/Au、或Pd/Ir/Au。 薄膜金屬層的厚度可分別為例如Ni/Au的IOnm Ni以及20nm Au ；Pd/Ni/Au的IOnm Pd以 及 20nm Ni、30nm Au ；以及 Pd/Ir/Au 的 20nmNi、IOnm Pd 以及 20nm Ir、30nm Au;以及 Ni/ Pd/Au的20nm Ni和20nm Pd、IOOnm Au。通常，在300°C至500°C之間的熔爐內(nèi)，將ρ接觸金 屬的含Ni接觸部在氧氣環(huán)境中退火2分鐘，而將不含鎳的金屬接觸部在氮?dú)猸h(huán)境中退火。使用電子束蒸發(fā)或?yàn)R射來(lái)沉積薄膜氧化銦錫(ITO)層518，以形成分布布喇格反 射器(DBR)。獲得良好的光反射率對(duì)于增加垂直結(jié)構(gòu)器件中的光提取很重要。通常，將基 于氧化物的DBR用于需要光子恢復(fù)(photon recovery)的器件，例如，表面發(fā)射激光器。然 而，這些基于氧化物的DBR材料為絕緣體。因此，采用導(dǎo)電DBR材料對(duì)于具有導(dǎo)電金屬襯底 的這種特殊垂直器件是很有用的。ITO被認(rèn)為是在具有金屬襯底的垂直器件中的反射DBR 材料的最佳材料選擇，但也可以期望其他的選擇。ITO的反射率在90%以上，而金屬薄膜的
6最佳反射率約為50 60%。在一個(gè)方面，選取ITO薄膜厚度在75 150nm范圍內(nèi)，以獲得 最佳反射率。在300°C至500°C之間的退火溫度下，厚度460nm的透射率在85%以上。圖7描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于提高在ITO層518與金中間層522之間粘附 力的粘附層520沉積。為了制造具有厚且軟的金屬膜支撐件( 50 μ m)的具有薄且硬的 GaN外延層(小于5μπι)的垂直結(jié)構(gòu)器件，在這兩層之間形成中間層從而降低在GaN外延層 與金屬層之間的界面上的壓應(yīng)力聚集(build up)是很有用。設(shè)置中間層的另一個(gè)原因在 于，與在非金屬I(mǎi)TO表面上直接沉積厚電鍍層相比，金屬中間層可產(chǎn)生更好的電鍍特性。不 將晶片從真空室中移走，使用電子束蒸發(fā)，在ITO表面上連續(xù)地沉積約1 μ m厚的金(Au)薄 膜。在現(xiàn)場(chǎng)，連續(xù)的層沉積可以有效地防止氧化或污染，這對(duì)于在ITO與金層之間產(chǎn)生良好 的薄膜粘附力很重要。為了進(jìn)一步提高在ITO與金之間的粘附力，在ITO與金層之間沉積 30 50nm厚的Cr或Ti粘附層。在圖8和圖9中，通過(guò)電鍍或化學(xué)鍍沉積厚金屬支撐層524、526。使用電鍍或化學(xué) 鍍，是因?yàn)榕c其他沉積法相比，其形成30μπι以上厚度的金屬層通常很快且廉價(jià)。在成本效 益方面，其對(duì)于垂直器件的大規(guī)模生產(chǎn)是特別有用的。金屬支撐層的主要功能在于支撐層 不僅對(duì)薄GaN外延層515提供良好的剛性機(jī)械支撐，而且提供了良好的導(dǎo)電率和散熱。為 了迎合這些要求，優(yōu)選地，將分級(jí)的(graded)銅合金層沉積在Au/Cr或Au/Ti粘附層上。為了在薄真空蒸發(fā)金層522與銅合金層524之間得到良好的粘附力，在銅合金層 524之前沉積第一銅沖擊層(strike layer)。在一個(gè)方面，首先，電鍍硫酸鹽基軟銅層，以 逐步減弱由于厚金屬層而形成的壓力。初始的軟銅合金層厚度被設(shè)置為約10 μ m。電鍍速 率設(shè)置為3 5μπι/小時(shí)，以形成致密且均勻的銅電鍍層。如下所述，選擇低電鍍速率的 另一個(gè)原因是防止晶片從支撐晶片載體松解晶片之后彎曲。由于在GaN外延層515與銅 層524-526之間的界面處的壓應(yīng)力聚集，晶片可能在剝離之后易于彎曲。除了低速電鍍以 外，有機(jī)基質(zhì)添加劑可被添加在電鍍?nèi)芤褐胁⑶沂褂没诨撬猁}的電鍍?nèi)芤?。此外，在低?(50C )執(zhí)行電鍍，以最小化應(yīng)力聚集。接著軟銅層524，使用氰化物或酸基電鍍液電鍍硬銅層526，以提供結(jié)構(gòu)剛度。硬 銅電鍍的電鍍速率為約15 μ m/小時(shí)。對(duì)于銅合金電鍍，包含錫(Sn)和鐵(Fe)的金屬合金 電鍍?nèi)芤号c硫酸銅溶液混合，以提高銅支撐層的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電率。銅合金支撐層522的 總厚度約為50 60 μ m。在銅合金電鍍的最后，電鍍0. 3 μ m厚金層，以保護(hù)銅合金層免受 氧化。在用于垂直器件封裝的芯片鍵合以及引線鍵合處理過(guò)程中，該金保護(hù)層有助于提供 在單個(gè)芯片與基于金屬的環(huán)氧樹(shù)脂之間良好的粘附力。在通過(guò)電鍍形成厚銅金屬支撐層526之后，將藍(lán)寶石表面機(jī)械拋光，以使得藍(lán)寶 石表面具有均勻的粗糙度。藍(lán)寶石表面平滑度對(duì)于控制激光束能量密度分布以及激光剝離 的GaN表面的最終表面形態(tài)很重要。激光束能量密度完全取決于藍(lán)寶石表面的表面粗糙 度。如果將粗糙的藍(lán)寶石表面用于LLO工藝，則需要低激光束能量。然而，如果表面粗糙， 由于在激光剝離之后將藍(lán)寶石表面形態(tài)復(fù)制到GaN表面，所以激光剝離的GaN表面顯得粗 糙。另一方面，如果使用拋光的表面，則需要更高的激光束能量。激光剝離的GaN表面的表 面形態(tài)與拋光的藍(lán)寶石表面形態(tài)非常相似。然而，由于過(guò)高的激光束能量，更高的激光束通 常造成裂縫(crack)生成。為了獲得最佳的激光剝離結(jié)果和GaN表面形態(tài)，將藍(lán)寶石表面 的表面粗糙度選擇為RMS值大約10 20埃。
如圖10所示，可使用導(dǎo)電熱塑環(huán)氧樹(shù)脂530將藍(lán)寶石/GaN/Cu/Au晶片鍵合至穿 孔晶片載體532。穿孔晶片載體由帶孔的不銹鋼制成。使用金屬晶片載體的原因是在感應(yīng) 耦合等離子體(ICP)蝕刻、晶片探測(cè)、以及芯片分離過(guò)程中提供導(dǎo)電性和熱傳導(dǎo)性。通過(guò)使 用金屬晶片載體，無(wú)需為了后期制造處理將晶片從載體去除。此外，由于在鍵合處理過(guò)程 中氣泡可輕易地通過(guò)孔泄漏，所以穿孔晶片載體提供了氣泡自由的(bubble-free)晶片鍵 合。由于在松解處理期間溶劑可以穿過(guò)孔，所以其還提供了在藍(lán)寶石/GaN/Cu/Au晶片與晶 片載體之間容易的松解。通過(guò)使用穿孔晶片載體，整個(gè)工藝變得容易、可靠、且簡(jiǎn)單，這導(dǎo)致 垂直器件制造的高產(chǎn)量。晶片載體的示例性厚度為1/16英寸并且直徑為2. 5英寸?？椎?實(shí)例性總數(shù)為21并且通孔直徑為20/1000英寸。將示例性晶片載體表面電拋光，以形成像 鏡子一樣的平面，用于與粘合劑均勻鍵合。銀基導(dǎo)電粘合劑用于鍵合藍(lán)寶石/GaN/Cu/Au和穿孔晶片載體。導(dǎo)電粘合劑用于 對(duì)晶片探測(cè)和芯片分離蝕刻工藝提供良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。熱塑環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的粘 附強(qiáng)度和良好的耐熱性。熱塑環(huán)氧樹(shù)脂的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其可以很容易地溶解在溶劑(例 如，丙酮)中，其對(duì)于松解工藝非常有用。在本發(fā)明中，采用片狀熱塑環(huán)氧樹(shù)脂，這是因?yàn)槠瑺瞽h(huán)氧樹(shù)脂的膜厚度比基于液 體的粘合劑更均勻。由于基于液體的粘合劑的旋涂經(jīng)常導(dǎo)致在晶片邊緣側(cè)形成比晶片的中 心區(qū)域更厚的膜，所以基于液體的粘合劑在之前的鍵合工藝經(jīng)驗(yàn)中經(jīng)常造成不一致的厚度 均勻性以及氣泡形成。對(duì)于通過(guò)多次旋涂獲得厚的粘附層的基于液體的粘合劑，這是普遍 現(xiàn)象。為了鍵合熱塑環(huán)氧樹(shù)脂，將127 μ m厚的片狀熱塑環(huán)氧樹(shù)脂夾在厚金屬支撐部與穿孔 晶片載體之間。在熱等靜壓機(jī)(hot iso-static press)中將壓力設(shè)置成約10 15psi并 且溫度維持在低于200°C。在這些條件下，鍵合時(shí)間低于1分鐘。這種短的鍵合時(shí)間具有超 過(guò)基于液體的粘合劑的明確優(yōu)勢(shì)，基于液體的粘合劑可能需要多于6小時(shí)的固化時(shí)間，以 完成粘合劑的固化。短的鍵合時(shí)間也大大提高了垂直器件制造的生產(chǎn)率。參照?qǐng)D11，248nm KrF紫外(UV)準(zhǔn)分子激光器(38ns的脈沖持續(xù)時(shí)間)用于激光 剝離。選取該波長(zhǎng)的原因在于激光可以有利地透射過(guò)藍(lán)寶石，但在GaN外延層中被吸收，從 而在GaN/藍(lán)寶石界面將GaN分解成金屬Ga和氣態(tài)氮(N2)。選取激光束尺寸為7mmX 7mm 正方形光束并且具有600 1200mJ/cm2之間的光束功率密度。還認(rèn)為激光束能量密度取決 于藍(lán)寶石襯底表面的表面粗糙度。為了在激光剝離后獲得光滑的GaN表面，將高于SOOmJ/ cm2的光束能量用于RMS值10 20埃的機(jī)械拋光藍(lán)寶石襯底。對(duì)于在激光剝離之后獲得光滑的GaN表面，藍(lán)寶石襯底的表面粗糙度是很重要的 工藝參數(shù)。如果在激光剝離過(guò)程中使用未拋光的藍(lán)寶石表面，則GaN表面很粗糙，其導(dǎo)致 在形成最終的器件之后，由于粗糙表面的反射率很差，使得LED器件的光輸出很差。然而， 如果使用拋光的表面，則可獲得光滑的GaN表面，因此，可獲得更高的光輸出。然而，由于激 光束定位于拋光的藍(lán)寶石表面上，所以與被較低激光束能量照射的區(qū)域相比，被較高激光 束能量照射的區(qū)域可造成GaN表面上的裂縫(cracking)。因此，為了同時(shí)獲得高產(chǎn)量激光 剝離工藝和高器件性能，選擇藍(lán)寶石晶片的最佳表面粗糙度很重要。根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)，噴砂通 常用于在拋光的藍(lán)寶石表面上獲得均勻的激光束分布，然而，噴砂對(duì)于始終獲得相同的表 面粗糙度是不可靠且不可重復(fù)的。在本發(fā)明中，由對(duì)于248nm UV激光透射的材料構(gòu)成的漫 射介質(zhì)552設(shè)置在激光束與藍(lán)寶石襯底之間，以獲得在藍(lán)寶石表面上的均勻激光束能量分
8布，從而提高了激光剝離工藝產(chǎn)量。漫射介質(zhì)的rms (均方根)表面粗糙度設(shè)置成30 μ m以 下并且藍(lán)寶石被用于漫射體。參照?qǐng)D12，在激光剝離之后，由激光剝離過(guò)程中的GaN分解產(chǎn)生過(guò)量的Ga液滴 503，并且通過(guò)HCl溶液(HCl H2O = 1 1，室溫下)將清洗液滴或使用HCl蒸汽蒸騰液 滴30秒。由于在室溫下Ga熔化，所以在激光剝離過(guò)程中形成液態(tài)的Ga ；因此，可容易地使 用氯基酸溶液清洗Ga。參照?qǐng)D13，為了露出η型GaN外延層，通過(guò)干蝕刻，有利地使用感應(yīng)耦合等離子體 活性離子蝕刻(ICP RIE)去除緩沖層505 (例如，GaN或AlN以及AlGaN緩沖層)。為了形成 原子平面(atomicallyflat surface)，還在n_GaN表面上進(jìn)行ICP拋光。由于光輸出可隨 著較高反射表面而增加，所以平面對(duì)于通過(guò)順序地沉積的反射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高反射率很重要。參照?qǐng)D14，為了提高垂直器件的電流擴(kuò)散(current spreading)，在n-GaN LED表 面515上形成η型ITO透明接觸部534。ITO成分為IOwt %的Sn02/90wt%& In2O3，并且在 室溫下使用電子束蒸發(fā)器或?yàn)R射系統(tǒng)，沉積一層約75 200nm厚的ITO膜。在ITO膜沉積 之后，在N2環(huán)境的管式爐中執(zhí)行退火5分鐘。退火溫度在300°C至500°C之間變化。在N2 環(huán)境中，退火溫度350°C下，ITO膜的最小電阻率為約低于10_4Qcm。在350°C以上的退火溫 度下，在460nm的透射率在85%以上。參照?qǐng)D15，在ITO透明接觸部形成之后，在η-ΙΤΟ表面上形成η型接觸部540，其 包括Ti和Al。由于形成了多個(gè)接觸部，所以將它們表示為540a、540b、和540c等。η型接 觸金屬的厚度分別為5nm的Ti和200nm的Al。為了在η型接觸金屬層和焊盤(pán)金屬542之 間形成良好的粘附力，在Al的頂部沉積20nm的Cr，作為粘附層。對(duì)于焊盤(pán)金屬沉積，在電 子束蒸發(fā)室中，無(wú)需破壞真空，在Cr的頂部連續(xù)地沉積500nm的金。為了形成歐姆接觸部， 在熔爐中，在N2環(huán)境中，以250°C退火η型接觸金屬10分鐘。參照?qǐng)D16，在清洗GaN表面之后，通過(guò)MICP (磁化感應(yīng)耦合等離子體)干蝕刻技 術(shù)，分離獨(dú)立的器件。與其他干蝕刻法相比，MICP可加速蝕刻速率。其有利于防止在蝕刻 處理期間的光刻膠掩模燃燒。與傳統(tǒng)的ICP相比，MICP通常提供約兩倍的蝕刻速率。由于 可通過(guò)設(shè)計(jì)用于去除金屬或氧化物掩模的化學(xué)制品來(lái)侵蝕(attack)金屬襯底，所以推薦 通過(guò)快的蝕刻速率來(lái)處理具有金屬支撐部的垂直器件。因此，為了對(duì)芯片分離蝕刻使用光 刻膠掩模，建議使用快速蝕刻技術(shù)。分離溝槽尺寸為30 μ m寬且3. 5 μ m深，蝕刻深度取決 于外延晶片的厚度。建議的用于器件分離的MICP干蝕刻條件如下1.總、流速I(mǎi)OOsccm2.磁場(chǎng)強(qiáng)度15高斯3.襯底溫度70°C4.氣體混合·Α0% BCl3/40% Cl2/20% Ar5.功率 / 偏壓600W/-300V6.操作壓力30m托7.蝕刻深度速率0. 4 μ m/分鐘8.蝕刻掩模光刻膠(AZ 9262)(厚度24 μ m)還通過(guò)機(jī)械切割或激光劃片來(lái)執(zhí)行芯片分離。在激光劃片的情況下，用于器件分 離的切割溝槽為50 μ m寬，并且在機(jī)械切割的情況下，其為40 μ m。在兩種情況下溝槽深度都為大約10 μ m深。參照?qǐng)D17，在器件的露出部分上沉積鈍化層536。為了保護(hù)器件免受外部危險(xiǎn)環(huán) 境的影響并通過(guò)調(diào)節(jié)在鈍化層與GaN之間的反射率來(lái)增加光輸出，通過(guò)SiO2薄膜536使垂 直器件鈍化。在250°C以下通過(guò)PECVD (等離子體輔助化學(xué)汽相沉積)沉積膜。膜的厚度保 持在為了最佳反射率的80nm。參照?qǐng)D18，在鈍化沉積之后，使用溶劑從GaN/金屬支撐晶片去除穿孔支撐晶片載 體。松解工藝包括在丙酮中浸泡GaN/金屬晶片0. 5 1小時(shí)，以從穿孔支撐晶片載體溶解 導(dǎo)電粘附層。在超聲波清潔器中進(jìn)一步用異丙醇浸泡并清潔分離的GaN/金屬晶片。GaN器 件表面還使用漂洗(rinse)和干燥器(dryer)用DI水(去離子水)清潔。參照?qǐng)D19，為了將獨(dú)立的器件與晶片分離，使用Nd ；YAG激光，通過(guò)激光劃片，切割 器件。在多孔真空卡盤(pán)上放置具有垂直器件的晶片，該垂直器件帶有金屬襯底。Nd;YAG激 光聚焦在用MICP形成的30 μ m寬溝槽上。在激光劃片完成之后，將分離的芯片轉(zhuǎn)移到粘性 的晶片夾帶。在拾取和放置工藝之前，將分離的芯片從第一晶片夾翻轉(zhuǎn)(flip)到另一晶片 夾560，從而將GaN表面定位在器件的頂部。圖20描述具有最終器件500的引線鍵合工藝，其中，參考標(biāo)號(hào)570為引線框，572 是金凸起，574是金球，576是金引線，以及578是引線鍵合器件。與傳統(tǒng)的橫向器件相反， 使用特殊的芯片鍵合技術(shù)處理金屬支撐垂直器件500。在本發(fā)明中，如圖20所示，采用一步 芯片鍵合和引線鍵合技術(shù)。代替分開(kāi)執(zhí)行芯片鍵合與引線鍵合工藝，在引線框表面上具有 金凸起的引線框上設(shè)置獨(dú)立的單個(gè)芯片。通過(guò)加熱和增壓動(dòng)作，金凸起可同時(shí)與垂直器件 的金表面以及涂銀的引線框連接在一起。因此，無(wú)需執(zhí)行單獨(dú)的芯片鍵合以及引線鍵合工 藝。該一步工藝有助于減小處理時(shí)間并提供了容易且簡(jiǎn)單的封裝工藝，從而降低制造成本 與時(shí)間。雖然描述了示例性封裝技術(shù)，但是在本發(fā)明中也可以使用其他封裝技術(shù)。B.示例性的利益點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì)這里的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是示例性的，并且不用于限定本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)。1.示例性器件特點(diǎn)a.由于通過(guò)n-GaN層的更好的電流擴(kuò)散而產(chǎn)生的更高的光輸出，n-GaN層具有比 P-GaN更高的載流子濃度。n-GaN的電子濃度(載流子濃度)被認(rèn)為在1019/cm3的范圍內(nèi)， 其比P-GaN空穴濃度( IO1Vcm3)高兩個(gè)量級(jí)。因此，可根據(jù)注入到p_n結(jié)的電流，穿過(guò) n-GaN層產(chǎn)生更多光子。具有η側(cè)上部結(jié)構(gòu)的新垂直器件的光輸出比用相同GaN/InGaN外 延層產(chǎn)生的具有P側(cè)上部結(jié)構(gòu)的橫向器件的光輸出增加2或3倍。b.由于金屬襯底而產(chǎn)生的更高散熱。垂直結(jié)構(gòu)器件的金屬襯底給出很好的導(dǎo)電性 和導(dǎo)熱性，其在器件有效性和可靠性(即，器件壽命)方面非常有用。c.由于與橫向結(jié)構(gòu)相比，因?yàn)榇怪逼骷H需要一個(gè)金屬接觸焊盤(pán)，從而縮小了器 件尺寸，所以可獲得更大量的器件。垂直結(jié)構(gòu)僅需要在頂側(cè)上的一個(gè)接觸部，而具有絕緣襯 底的橫向器件需要兩個(gè)接觸部。結(jié)果，從垂直器件可獲得比從橫向器件獲得的多大約1.5 至2倍的器件。d.可從垂直器件中獲得更高的功率效率。在垂直器件中不存在電流擁塞，因此光 輸出與電流注入成線性關(guān)系。另一方面，由于電流擁塞效應(yīng)，橫向器件的最大光輸出更早達(dá) 到飽和。這對(duì)于高功率器件(例如，用于固態(tài)照明的白LED)是很重要的。
10
e.與橫向器件相比，垂直器件可耐受高靜電放電(ESD)環(huán)境，通常具有金屬襯底 的垂直器件的ESD電阻高于10，000V，而橫向器件的ESD電阻約為100V。由于器件經(jīng)常暴 露于高壓環(huán)境，所以這一點(diǎn)對(duì)于在車(chē)輛應(yīng)用中使用的器件很重要。2.示例性工藝特點(diǎn)a.由于通過(guò)金屬沉積(例如，電鍍)直接附著到GaN外延層的金屬襯底的較高粘 合強(qiáng)度，所以在激光束的高能量沖擊波照射期間可明顯地抑制在支撐襯底與GaN外延層之 間的松解。結(jié)果，在激光剝離處理過(guò)程中，可使裂縫發(fā)生保持在最小范圍內(nèi)。與之前的基于 聚合物的鍵合工藝(例如，環(huán)氧樹(shù)脂或膠合鍵合)相比，產(chǎn)生更高的激光剝離(LLO)生產(chǎn) 率，由于在支撐部與GaN外延層之間的粘合強(qiáng)度很差，所以基于聚合物的鍵合工藝導(dǎo)致在 LLO期間裂縫發(fā)生和生成的可能性更高。b.結(jié)果，與之前的晶片鍵合或基于膠合鍵合的LLO工藝相比，新發(fā)明確保更穩(wěn)固 且更可靠的LLO工藝。通過(guò)實(shí)現(xiàn)全晶片尺寸激光剝離工藝，本發(fā)明提供了用于垂直結(jié)構(gòu)器 件的大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)際便于生產(chǎn)的技術(shù)。c.簡(jiǎn)單且更容易的器件制造以及LLO工藝，需要用于前制造工藝的掩模的減少的數(shù)量。3.示例性優(yōu)勢(shì)a.代替金屬鍵合，通過(guò)電鍍或化學(xué)鍍來(lái)沉積金屬支撐襯底。b.代替后續(xù)的LLO金屬支撐層沉積，在LLO工藝之前，實(shí)現(xiàn)金屬支撐層。c.不在GaN外延層上形成溝槽，其使得LLO工藝過(guò)程中不產(chǎn)生裂縫并且減小了制 造步驟數(shù)。d.在器件頂部上設(shè)置η型接觸部用于更高光輸出。e.不采用透明ρ型接觸層，反而在n-GaN上形成ITO透明η型接觸部用于更好電 流擴(kuò)散。f.緊接著ρ型接觸層處，采用ITO DBR層，以通過(guò)更高反射率的ITO層來(lái)提高光輸
出οg.將穿孔的金屬晶片載體用于晶片鍵合，用以容易地處理以及松解。h.相比于傳統(tǒng)的基于LLO的垂直器件制造，新的制造工藝是直接了當(dāng)?shù)牟⑶腋涌煽俊.結(jié)論這里已經(jīng)公開(kāi)且描述了本發(fā)明的優(yōu)選以及示例性實(shí)施例。由此，這里公開(kāi)了示例 性實(shí)施例和最好的模式，在保持在由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明主旨和精神范圍內(nèi)的同時(shí)， 可對(duì)公開(kāi)的實(shí)施例進(jìn)行修改和改變。
1權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括第一緩沖層，包括GaN和AlN中的至少一個(gè)；第二緩沖層，包括AlGaN；包括n GaN的層；包括AlInGaN的層；以及包括p GaN的層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 包括P-AlGaN的層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 包括銅和銅合金中至少一種的金屬層；以及 包括金的金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 晶片載體，連接至所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 晶片載體，連接至所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 包括n-ITO的層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 多個(gè)接觸部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 多個(gè)溝槽，設(shè)置在獨(dú)立的半導(dǎo)體器件之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 鈍化層，位于所述器件的露出部分上方。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括在包括P-GaN的所述層上方的電接觸層 結(jié)構(gòu)，所述電接觸層結(jié)構(gòu)包括P型ITO層。全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種制造具有提高的光輸出的新的垂直結(jié)構(gòu)化合物半導(dǎo)體器件的可靠方法以及一種用于大規(guī)模生產(chǎn)GaN基化合物半導(dǎo)體器件的激光剝離工藝。本發(fā)明的主旨在于在LLO之前，通過(guò)電鍍法來(lái)采用直接金屬支撐襯底沉積，以形成n側(cè)頂部垂直結(jié)構(gòu)。此外，緊接著p接觸層采用ITO DBR層，以通過(guò)更高的反射率提高光輸出。穿孔金屬晶片載體也用于晶片鍵合，用以容易地處理以及松解。相比于傳統(tǒng)LLO基垂直器件制造，新的制造工藝更可靠。與通過(guò)相同的GaN/InGaN外延膜制造的橫向器件的光輸出相比，具有n側(cè)上部結(jié)構(gòu)的新的垂直器件的光輸出增加了2或3倍。
文檔編號(hào)H01L29/22GK101901858SQ20101013444
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月28日
發(fā)明者劉明哲 申請(qǐng)人:沃提科爾公司