半導體器件上導電金屬層的製作的製作方法
2023-09-10 10:50:00 5
專利名稱：半導體器件上導電金屬層的製作的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件上導電金屬層的製作，具體而言(但不是排他地)，涉及發光器件上相對較厚的導電金屬層的電鍍。相對較厚的導電層可以用於導熱和/或導電和/或用於機械支撐。
背景技術：
隨著半導體器件的發展，其運行速度有相當大的增加，並且總尺寸有相當大的減小。這引起了半導體器件內生熱的主要問題。因此，熱沉正被用於幫助散發來自半導體器件的熱量。這種熱沉通常與半導體器件分離製作，並且通常只在封裝之前粘附到半導體器件。
已經提出了許多種用於在半導體器件的製作期間將銅電鍍到半導體器件的表面上的方法，這尤其用於互連。
當前的大部分半導體器件是以基於矽(Si)、砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)的半導體材料製作的。與這些電子和光電子器件相比，GaN器件有很多優點。GaN具有的主要固有優點是表1
BFOMBaliga圖，功率電晶體性能的評價。較短波長對應於較高DVD/CD容量。
從表1中可以看出，GaN在給出的半導體中具有最高的帶隙(3.4eV)。從而，其被稱為寬帶隙半導體。因此，由GaN製作的電子器件比Si和GaAs以及InP器件的運行功率要高得多。
對於半導體雷射器，該GaN雷射器有相對較短的波長。如果這種雷射器被用於光數據存儲，則較短的波長可以導致較高的容量。GaAs雷射器用於CD-ROM的製造，其容量約為670MB/盤。AlGaInP(也基於GaAs)用於最新的DVD播放器，其容量約為4.7GB/盤。在下一代DVD播放器中的GaN雷射器可以具有26GB/盤的容量。
GaN器件以GaN晶片製作，該GaN晶片一般是沉積在藍寶石襯底上的多個與GaN有關的外延層。藍寶石襯底直徑通常為兩英寸，並且充當外延層的生長模板。由於與GaN有關的材料(外延膜)和藍寶石之間的晶格失配，在外延層中會生成缺陷。這種缺陷對於GaN雷射器和電晶體會導致嚴重的問題，而對於GaN LED導致的問題的嚴重程度要輕。
有兩種生長外延層的主要方法分子束外延(MBE)和金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)。這兩種都廣泛使用。
傳統製作工藝通常包括這些主要步驟光刻、刻蝕、介電膜沉積、金屬化、鍵合焊盤形成、晶片檢查/測試、晶片減薄、晶片切片、晶片鍵合封裝、引線鍵合和可靠性測試。
一旦在整個晶片規模上完成了製作LED的工藝，隨後就有必要將晶片分離為單獨的LED晶片。對於生長在藍寶石襯底上的GaN晶片來說，由於藍寶石很堅硬，因此這種「切片」操作是主要問題。藍寶石首先必須被減薄，從約400微米均勻減為約100微米。然後減薄後的晶片被用鑽石劃片器切片，被用鑽石鋸鋸開或者先通過雷射劃槽，然後以鑽石劃片器劃片。這種工藝限制了產量，引起了產率問題並且需要耗費昂貴的鑽石片器/鋸。
生長在藍寶石襯底上的已知LED晶片在晶片頂部需要兩個線路焊盤。這是必要的，因為藍寶石是電絕緣的，並且穿過100微米的厚度的電流傳導是不可能的。由於每個引線鍵合焊盤佔據了約10-15％的晶片面積，因此與生長在導電襯底的單引線鍵合LED相比，第二引線鍵合減少了晶片數目，每個晶片減少了約10-15％。幾乎所有的非GaN LED都是生長在導電襯底上的，並且使用一個線路焊盤。對於封裝公司，兩個引線鍵合減少了封裝產率，需要對一個引線鍵合工藝進行修改，減少了晶片的有用面積，並且使引線鍵合工藝變得複雜從而降低了封裝產率。
藍寶石不是好的熱導體。例如，在300K(室溫)時其熱導率為40W/Km。這遠小於銅的熱導率380W/Km。如果LED晶片被在藍寶石界面處鍵合到其封裝，則在器件有源區中生成的熱量必須流經3到4微米的GaN和100微米的藍寶石以到達封裝/熱沉。結果，晶片變得很熱，既影響性能，又影響可靠性。
對於藍寶石上的GaN LED，生成光的有源區距離藍寶石襯底約為3-4微米。
發明內容
根據本發明的優選形式，提供了一種用於在襯底上製作發光器件的方法，所述發光器件具有包括多個外延層的晶片和處在外延層上的遠離襯底的第一歐姆接觸層；該方法包括以下步驟(a)向第一歐姆接觸層施加導熱金屬的種子層；(b)在種子層上電鍍相對較厚的導熱金屬層；以及(c)移去襯底。
在施加種子層之前，第一歐姆接觸層可以被塗覆以粘附層。在電鍍相對較厚的層之前，種子層可以被用光刻膠圖案圖案化；相對較厚的層電鍍在光刻膠之間。
種子層可以在沒有圖案化的情況下電鍍，並且隨後執行圖案化。圖案化可以通過光刻膠圖案化然後溼法刻蝕來進行。或者，其可以通過對相對較厚的層進行雷射束微機械加工來進行。
在步驟(b)和(c)之前，可以執行對晶片退火以提高粘附性的附加步驟。
優選地，光刻膠的高度至少為50微米，厚度在3到500微米的範圍內。更優選地，光刻膠之間的間距為300微米。
相對較厚的層的高度可以不超過光刻膠的高度。相對較厚的層也可以被電鍍到超過光刻膠的高度，隨後被減薄。減薄可以通過拋光來進行。
在步驟(c)之後，還可以包括在外延層的與第一歐姆接觸層相反的表面上形成用於電接觸的第二歐姆接觸層的額外步驟，第二歐姆接觸層可以是不透明的、透明的或半透明的，並且可以是空白的或被圖案化的。隨後可以執行歐姆接觸形成和後續工藝步驟。後續工藝步驟可以包括引線鍵合焊盤的沉積。在將第二接觸層沉積到其上之前可以清洗並刻蝕所暴露的外延層。第二接觸層可以不覆蓋外延層的整個區域。
可以在晶片上測試發光器件，並且隨後可以將晶片分離為單獨的器件。
發光器件的製作可以無需進行以下操作中的一種或多種研磨、拋光和切片。
第一歐姆接觸層可以處在外延層的p型層上；第二接觸層可以是歐姆的，並且可以形成在外延層的n型層上。
在步驟(c)之後，可以在外延層上沉積介電膜。然後可以在介電膜中切割開口，並在外延層上沉積第一歐姆接觸層和鍵合焊盤。或者，在步驟(c)之後，可以執行外延層上導熱金屬(或其他材料)的電鍍。
本發明還涉及由上述方法製作的發光器件。發光器件可以是發光二極體或雷射二極體。
在另一方面，本發明提供了一種發光器件，其包括外延層、在外延層的第一表面上的第一歐姆接觸層、在第一歐姆接觸層上的相對較厚的導熱金屬層和在外延層的第二表面上的第二歐姆接觸層；相對較厚的層是通過電鍍施加的。
在第一歐姆接觸層和相對較厚的層之間可以有處於第一歐姆接觸層上的粘附層。
相對較厚的層的厚度可以至少為50微米；第二歐姆接觸層可以是範圍從3到500納米的薄層。第二歐姆接觸層可以是透明的、半透明的或不透明的；並且可以包括鍵合焊盤。
對於本發明的所有形式，導熱金屬可以是銅。可以將導熱金屬的種子層施加到粘附層上。
為了幫助提高光輸出，第一歐姆接觸層在其與外延層的界面處也可以充當鏡面。通過第一歐姆接觸層的任何光都可以被粘附層反射。
發光器件可以是發光二極體和雷射二極體中的一種。
在另一種形式中，提供了一種發光器件，其包括外延層、在外延層的第一表面上的第一歐姆接觸層、在第一歐姆接觸層上的粘附層和在粘附層上的導熱金屬的種子層，第一歐姆接觸層在其與外延層的界面處充當鏡面。
還可以包括在種子層上的相對較厚的導熱金屬層。
在外延層的第二表面上可以提供第二歐姆接觸層；第二歐姆接觸層是範圍從3到500納米的薄層。第二歐姆接觸層可以包括鍵合焊盤；並且可以是不透明的、透明的或半透明的。
導熱金屬可以包括銅；外延層可以包括與GaN有關的層。
在倒數第二個形式中，本發明提供了一種製作發光器件的方法，所述方法包括以下步驟(a)在具有包括多個與GaN有關的外延層的晶片的襯底上，在晶片的第一表面上形成第一歐姆接觸層；(b)從晶片移去襯底；以及(c)在晶片的第二表面上形成第二歐姆接觸層，第二歐姆接觸層具有形成在其上的鍵合焊盤。
第二歐姆接觸層可以用於光發射，並且可以是不透明的、透明的或半透明的。第二歐姆接觸層可以是空白的或圖案化的。
在最後一種形式中，提供了一種利用上述方法製作的發光器件。
為了更好的理解本發明並容易地實現其實際效果，參考附圖(沒有按比例繪出)利用本發明優選實施例的非限制性示例來描述本發明，在附圖中圖1是在製作工藝的第一階段發光器件的示意圖；圖2是在製作工藝的第二階段圖1的發光器件的示意圖；圖3是在製作工藝的第三階段圖1的發光器件的示意圖；
圖4是在製作工藝的第四階段圖1的發光器件的示意圖；圖5是在製作工藝的第五階段圖1的發光器件的示意圖；圖6是在製作工藝的第六階段圖1的發光器件的示意圖；圖7是在製作工藝的第七階段圖1的發光器件的示意圖；以及圖8是工藝的流程圖。
具體實施例方式
在下面的描述中，括弧內的標號指代圖8中的工藝步驟。
參考圖1，圖1示出了工藝中的第一步一在晶片10的p型表面上的金屬化。
晶片10是具有襯底和襯底上的多個外延層14的疊層的外延晶片。襯底12例如可以是藍寶石、GaAs、InP、Si等。下文中在藍寶石襯底12上具有(多個)GaN層14的GaN樣品將用作示例。外延層14是多個層的疊層，並且下半部分16(其首先生長在襯底上)通常是n型層，而上半部分18經常是p型層。
在GaN層14上是具有多個金屬層的歐姆接觸層20。在歐姆接觸層20上添加粘附層22和導熱金屬(例如銅)的薄銅種子層24(圖2)(步驟88)。導熱金屬優選地也是導電的。粘附層的疊層可以在形成後退火。
歐姆層20可以是沉積在外延表面上並退火的多個層的疊層。其可以不是原始晶片的一部分。對於GaN、GaA和InP器件，外延晶片經常包含夾在n型半導體和p型半導體之間的有源區。在大多數情形中，頂層是p型的。對於矽器件，可以不使用外延層，而只用晶片。
如圖3所示，利用標準光刻(89)，利用相對較厚的光刻膠26圖案化薄銅種子層24。光刻膠圖案26的高度至少為50微米，優選地在50到300微米的範圍內，更優選地為200微米；厚度約為3到500微米。取決於最終晶片的設計，這些圖案優選地彼此分離，間距約為300微米。實際圖案取決於器件設計。
然後，銅的圖案化層28被電鍍到光刻膠26之間的層24上(90)以形成構成襯底的一部分的熱沉。銅層28的高度優選地不超過光刻膠26的高度，因此與光刻膠26同高或者比光刻膠26矮。然而，銅層28的高度可以超過光刻膠26的高度。在這種情形中，銅層28可以隨後被減薄以使其高度不超過光刻膠26的高度。減薄可以通過拋光或溼法刻蝕進行。光刻膠26可以在銅電鍍後移去，也可以不移去。移去可以利用標準和已知的方法，例如在光刻膠剝離溶液中溶解或者通過等離子體灰化。
取決於器件設計，接著利用標準處理技術進行外延層14的處理，標準處理技術例如是清洗(80)、光刻(81)、刻蝕(82)、器件隔離(83)、鈍化(84)、金屬化(85)、熱處理(86)等(圖4)。然後晶片10被退火(87)以提高粘附性。
外延層14通常由原始襯底12上的n型層16和原始頂面18上的p型層組成，原始頂面18當前覆蓋有歐姆層20、粘附層22和銅種子層24以及電鍍的厚銅層28。
在圖5中，原始襯底層12隨後被例如利用Kelly[M.K.Kelly，O.Ambacher，R.Dimitrov，R.Handschuh和M.Stutzmann，phys.stat.sol.(a)159，R3(1997)]的方法移去。襯底也可以通過拋光或溼法刻蝕移去。
圖6是倒數第二個步驟，並且特別與發光二極體有關，在該發光二極體中，在外延層14下方添加第二歐姆接觸層30以用於光發射。還添加了鍵合焊盤32。第二歐姆接觸層30優選地是透明的或半透明的。其更優選地是薄層，並且厚度可以在3到50nm的範圍內。
在添加第二歐姆接觸層30之前，可以執行已知的預備工藝。這些例如可以是光刻(92、93)、幹法刻蝕(94、95)和光刻(96)。
在第二歐姆接觸層30的沉積之後可以進行退火(98)。
然後利用已知和標準的方法測試晶片(99)。然後晶片可以被分離(100)(圖7)為單獨的器件/晶片1和2，而不需研磨/拋光襯底，並且也不需要切片。接著利用已知和標準的方法進行封裝。
外延層14的頂面距離有源區優選地在約0.1到2.0微米的範圍內，優選地約為0.3微米。由於這種配置中LED晶片的有源區接近相對較厚的銅焊盤28，因此與藍寶石配置相比提高了傳熱速率。
另外或者可作為替換地，相對較厚的層28可用來提供晶片的機械支撐。其也可以用來提供從發光器件晶片的有源區移去熱量的路徑，並且也可以用於電連接。
在晶片級別(即，在切片操作之前)執行電鍍步驟，並且可以一次對多個晶片執行。
GaN雷射二極體的製作類似於GaN LED的製作，但是可能包括更多步驟。一個區別在於，GaN雷射二極體要求在製作期間形成鏡面。與不使用藍寶石作為襯底的方法相比，使用藍寶石作為襯底更難形成鏡面，並且鏡面的質量通常也較差。
在移去藍寶石後，雷射器有更好的性能。典型的GaN雷射器外延晶片結構如表2所示。
表2
對於標準的商用GaN LED，只發射出在半導體中生成的光的約5％。已開發出各種方法以在非GaN LED(尤其是基於AlGaInP而非GN的紅光LED)中從晶片提取更多的光。
第一歐姆接觸層20(金屬，相對較光滑)是非常光亮的，因此反光性很高。這樣，第一歐姆接觸層20在其與外延層14的界面處也充當反射面或鏡面，以提高光輸出。
儘管優選實施例涉及銅的使用，但是也可以使用任何其他可電鍍的材料，只要其導電和/或導熱，或者為發光器件提供了機械支撐即可。
儘管在前述描述中已描述了本發明的優選形式，但是本領域技術人員應當理解，在不脫離本發明的前提下可以進行許多設計、構造或操作上的變化或修改。
權利要求
1.一種用於在襯底上製作發光器件的方法，所述發光器件具有包括多個外延層的晶片和處在所述外延層上的遠離所述襯底的第一歐姆接觸層；所述方法包括以下步驟(a)向所述第一歐姆接觸層施加導熱金屬的種子層；(b)在所述種子層上電鍍相對較厚的所述導熱金屬的層；以及(c)移去所述襯底。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述第一歐姆接觸層在施加所述種子層之前被塗覆以粘附層。
3.如權利要求1或權利要求2所述的方法，其中所述種子層在電鍍步驟(b)之前被用光刻膠圖案圖案化。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述相對較厚的層的電鍍是在所述光刻膠圖案之間進行的。
5.如權利要求1-4中任何一項所述的方法，其中在步驟(b)和(c)之前執行了對所述晶片退火以提高粘附性的附加步驟。
6.如權利要求3或權利要求4所述的方法，其中所述光刻膠圖案的高度至少為50微米。
7.如權利要求3所述的方法，其中所述光刻膠圖案的厚度在3到500微米的範圍內。
8.如權利要求3、4、6和7中任何一項所述的方法，其中所述光刻膠圖案之間的間距為300微米。
9.如權利要求1-8中任何一項所述的方法，其中所述種子層在步驟(b)中被電鍍而沒有進行圖案化，圖案化隨後執行。
10.如權利要求9所述的方法，其中圖案化是通過光刻膠圖案化然後溼法刻蝕執行的。
11.如權利要求9所述的方法，其中圖案化是通過對所述相對較厚的層進行雷射束微機械加工進行的。
12.如權利要求3-11中任何一項所述的方法，其中所述相對較厚的層的高度不超過光刻膠的高度。
13.如權利要求3-11中任何一項所述的方法，其中所述相對較厚的導熱金屬層被電鍍到超過所述光刻膠的高度，隨後被減薄。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述減薄是通過拋光進行的。
15.如權利要求1-14中任何一項所述的方法，其中在步驟(c)之後，還包括在所述外延層的第二表面上形成第二歐姆接觸層的額外步驟，所述第二歐姆接觸層可以是不透明的、透明的或半透明的。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述第二歐姆接觸層可以是空白的，也可以是被圖案化的。
17.如權利要求15或權利要求16所述的方法，其中在所述第二歐姆接觸層上形成鍵合焊盤。
18.如權利要求1-14中任何一項所述的方法，其中在步驟(c)之後，執行歐姆接觸形成和後續工藝步驟，所述後續工藝步驟包括引線鍵合焊盤的沉積。
19.如權利要求18所述的方法，其中在沉積所述第二歐姆接觸層之前清洗並刻蝕所暴露的外延層。
20.如權利要求15-19中任何一項所述的方法，其中所述第二歐姆接觸層並不覆蓋所述外延層的所述第二表面的整個區域。
21.如權利要求15-20中任何一項所述的方法，其中在形成所述第二歐姆接觸層之後，還包括測試所述晶片上的發光器件的步驟。
22.如權利要求15-21中任何一項所述的方法，其中包括將所述晶片分離為多個單獨的器件的步驟。
23.如權利要求1-22中任何一項所述的方法，其中所述發光器件的製作無需以下操作中的一種或多種研磨、拋光和切片。
24.如權利要求1-23中任何一項所述的方法，其中所述第一歐姆接觸層處於所述外延層的p型層上。
25.如權利要求15-22中任何一項所述的方法，其中所述第二歐姆接觸層形成在所述外延層的n型層上。
26.如權利要求1-14中任何一項所述的方法，其中在步驟(c)之後，在所述外延層上沉積介電膜，在所述介電膜中切割開口，並且在所述外延層上沉積第二歐姆接觸層和鍵合焊盤。
27.如權利要求1-14中任何一項所述的方法，其中在步驟(c)之後，執行所述外延層上導熱金屬的電鍍。
28.如權利要求1-27中任何一項所述的方法，其中所述導熱金屬包括銅，所述外延層包括多個與GaN有關的層。
29.一種利用權利要求1-28中任何一項所述的方法製作的發光二極體。
30.一種利用權利要求1-28中任何一項所述的方法製作的雷射二極體。
31.一種發光器件，其包括外延層、在所述外延層的第一表面上的第一歐姆接觸層、在所述第一歐姆接觸層上的相對較厚的導熱金屬層和在所述外延層的第二表面上的第二歐姆接觸層；所述相對較厚的層是通過電鍍施加的。
32.如權利要求31所述的發光器件，其中在所述第一歐姆接觸層和所述相對較厚的層之間有處於所述第一歐姆接觸層上的粘附層。
33.如權利要求32所述的發光器件，其中在所述粘附層和所述相對較厚的層之間有所述導熱金屬的種子層。
34.如權利要求31-33中任何一項所述的發光器件，其中所述相對較厚的層的厚度至少為50微米。
35.如權利要求31-34中任何一項所述的發光器件，其中所述第二歐姆接觸層是範圍從3到500納米的薄層。
36.如權利要求31-35中任何一項所述的發光器件，其中所述第二歐姆接觸層是不透明的、透明的或半透明的。
37.如權利要求31-36中任何一項所述的發光器件，其中所述第二歐姆層包括鍵合焊盤。
38.如權利要求31-37中任何一項所述的發光器件，其中所述導熱金屬是銅，所述外延層包括多個與GaN有關的外延層。
39.如權利要求31-38中任何一項所述的發光器件，其中所述發光器件是發光二極體或雷射二極體。
40.如權利要求31-39中任何一項所述的發光器件，其中所述第一歐姆接觸層在其與所述外延層的界面處是鏡面。
41.一種發光器件，其包括外延層、在所述外延層的第一表面上的第一歐姆接觸層、在所述第一歐姆接觸層上的粘附層、在所述粘附層上的導熱金屬的種子層和在種子層上的相對較厚的所述導熱金屬的層；所述第一歐姆接觸層在其與所述外延層的界面處是鏡面。
42.如權利要求41所述的發光器件，其中所述相對較厚的層是選自由熱沉、電連接器和機械支撐組成的組中的一種或多種。
43.如權利要求41或權利要求42所述的發光器件，還包括處於所述外延層的第二表面上的第二歐姆接觸層；所述第二歐姆接觸層是範圍從3到500納米的薄層。
44.如權利要求41-43中任何一項所述的發光器件，其中所述第二歐姆接觸層包括鍵合焊盤，並且是不透明的、透明的或半透明的。
45.如權利要求41-44中任何一項所述的發光器件，其中所述導熱金屬包括銅；所述外延層包括多個與GaN有關的層。
46.如權利要求41-45中任何一項所述的發光器件，其中所述發光器件是發光二極體和雷射二極體中的一種。
47.一種製作發光器件的方法，所述方法包括以下步驟(a)在具有包括多個與GaN有關的外延層的晶片的襯底上，在所述晶片的第一表面上形成第一歐姆接觸層；(b)從所述晶片移去所述襯底；以及(c)在所述晶片的第二表面上形成第二歐姆接觸層，所述第二歐姆接觸層具有形成在其上的鍵合焊盤。
48.如權利要求47所述的方法，其中所述第二歐姆接觸層是用於光發射的，並且是不透明的、透明的或半透明的。
49.如權利要求47或權利要求48所述的發光器件，其中所述第二歐姆接觸層是空白的，或者是圖案化的。
50.一種利用權利要求47-49中任何一項所述的方法製作的發光器件。
51.如權利要求50所述的發光器件，其中所述發光器件是發光二極體或雷射二極體。
全文摘要
本發明公開了一種用於在襯底上製作發光器件的方法，所述發光器件具有包括多個外延層的晶片和處在外延層上的遠離襯底的第一歐姆接觸層。該方法包括以下步驟(a)向歐姆接觸層施加導熱金屬的種子層；(b)在種子層上電鍍相對較厚的導熱金屬層；以及(c)移去襯底。本發明還公開了相應的發光器件。發光器件是GaN發光二極體或雷射二極體。
文檔編號H01S5/024GK1839470SQ03827089
公開日2006年9月27日 申請日期2003年9月19日 優先權日2003年9月19日
發明者康學軍, 吳大可, 愛德華·羅伯特·佩裡 申請人:霆激科技股份有限公司