專利名稱：垂直結構半導體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制造具有頂部和底部接觸結構的GaN基垂直結構半導體器件以及一 種用于制造垂直結構器件的方法。
背景技術：
圖1示出在絕緣藍寶石襯底114上制造的傳統(tǒng)氮化鎵(GaN)基(GaN-based)半導 體器件100。該器件可應用于諸如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、異質結雙極晶體管 (HBT)、和高電子遷移率晶體管(HEMT)。在傳統(tǒng)工藝中，該器件形成在藍寶石襯底上，并且兩 個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 面蝕刻來去除材料以形成η型金屬接觸部(η-metal contact) 118。產(chǎn)物被稱為橫向結構器 件并且易于表現(xiàn)出若干問題，這些問題包括對靜電放電(ESD)的弱抗性以及散熱。這些問 題都限制了器件產(chǎn)量和有效壽命。此外，藍寶石材料非常堅硬，其難以進行晶片的磨削及拋 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示出用于構造垂直結構GaN基化合物半導體200的第二種傳統(tǒng)技術。激光剝 離(LLO，laser lift-off)工藝用于通過采用具有通常在UV范圍內(nèi)的可透射藍寶石的波長 的準分子激光器，來從GaN外延層中去除藍寶石襯底。隨后，通過用導電或半導電的第二襯 底218代替絕緣藍寶石襯底來制造器件，以構造垂直結構器件。在通過激光剝離去除藍寶 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。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。一個原 因是因為由于在激光剝離之后外延層表面在整個晶片表面上不平坦導致支撐晶片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，使得難以進行大面積 激光剝離。關于該晶片鍵合技術的另一問題是由于在共晶金屬鍵合處理過程中的高溫和高 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。這些問題降低了最終的 產(chǎn)量并且沒有提供對大規(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題并制造VLED的結構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，因為在激光剝離處理過程中 粘合層的分層(de-lamination)，產(chǎn)量被公認為很低。如果該鍵合對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所示技術的垂直器件的其他問題在于很差的器件性能。由于在藍寶石襯
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)技術的這些限制，需要一種在GaN基半導體器件的大規(guī)模生產(chǎn)中可提高 器件性能和產(chǎn)量的新技術。

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構化合物半導體器 件的可靠技術及用于GaN基化合物半導體器件的大規(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型側頂部 垂直結構(η-side top vertical structure)。此外，緊鄰ρ型接觸層處采用ITO DBR層， 以通過更高反射率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，新的制造工藝是簡單且更可靠的工藝。與通 過相同GaN/InGaN外延膜制造的橫向器件的光輸出相比，具有η型側上部結構(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)明的示例性實施例提供了一種制造半導體器件的方法。本發(fā)明包括以下步 驟在襯底上形成半導體層；在半導體層上形成金屬層；從半導體層去除襯底；在去除了襯 底的半導體層上形成一個或多個接觸部；以及將半導體層分成多個獨立的半導體器件。在一個方面，本發(fā)明包括以下步驟在半導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。在一個方面，本發(fā)明包括以下步驟將晶片載體附著至金屬 層。在一個方面，分離步驟包括以下步驟在各個器件的每個之間形成溝槽；鈍化器件的露 出部分；以及將單獨的半導體器件傳送(transfer)到支撐膜。在一個方面，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，將獨立的半導體器件裝配到引線框。本發(fā)明的優(yōu)點包括用于制造具有高產(chǎn)量和可靠性的半導體裝置的改良技術。


參照以下的附圖描述本發(fā)明。圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術在器件的頂部上形成具有兩個金屬接觸部的橫向結構 GaN 基 LED。圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的垂直結構GaN基LED，其中，GaN薄膜鍵合至導電或半 導電第二襯底。圖3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的垂直結構GaN基LED，其中，在去除最初的藍寶石襯底 之后，將厚金屬層附著至GaN薄膜。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的制造半導體器件的方法的流程圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的垂直器件的外延結構，其中，在藍寶石襯底的頂 部上生長GaN或AlN緩沖層。圖5還示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的作為阻熱層(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)明實施例的用于在GaN LED層與順序沉積的硬銅層之間的應 力消除的使用電鍍或化學鍍法的軟銅層沉積。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用以提供機械剛度以及更高的導電性和導熱性 而使用電鍍或化學鍍法的硬銅層，。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的在激光剝離之前使用導電粘合膠附著至穿孔支 撐晶片載體的銅電鍍或化學鍍的GaN LED晶片。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的在激光剝離處理過程中用以獲得均勻的激光束 能量分布而使用漫射介質穿過藍寶石襯底施加的準分子激光束。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的在激光剝離之后的藍寶石襯底移除以及Ga液滴清洗。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的在η型接觸部形成之前通過干蝕刻和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)明實施例的在η-ΙΤΟ層上的η型接觸部形成和金焊盤金屬 化。圖16示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的通過干蝕刻或諸如機械劃片(scribing)或激光 劃片的機械方法進行的器件分離(isolation)。圖17示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的保護SiO2鈍化層沉積。圖18示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的支撐晶片載體移除以及最終的器件結構。圖19示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的通過切割或激光劃片進行的器件分離。圖20示出了根據(jù)本發(fā)明實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
具體實施例方式參照特定的器件結構以及實施例描述本發(fā)明。本領域技術人員應該了解，該描述 用于說明并且提供實施本發(fā)明的最佳模式。本發(fā)明包括用于制造根據(jù)本發(fā)明的半導體器件 的多個形成和沉積步驟。本公開涉及在其他材料上面或上方沉積材料，其被說明且描述為 表示參考的任意方框，正如通過本領域技術人員并結合描述解釋和理解的，本公開旨在描 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。例如，本公開的一部分描述 了從上構造的半導體層，并且其他部分描述了從下構造的半導體層，而在這兩種情況下，如 所說明及示出的，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 供多個工藝參數(shù)，用于提供最佳模式，同時參數(shù)的改變也可以產(chǎn)生如這里所描述的工藝、結 構、以及優(yōu)勢。本發(fā)明的變化由權利要求預期和涵蓋。A.器件結構和制造圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的制造半導體器件的方法的流程圖400。流程圖中描述的步驟是用于說明示例性實施例和結構，并且本發(fā)明包括在此所述的方法和所得結構 的修改部分。步驟402從圖5所描述的外延晶片開始示例性處理。參考標號500指的是可 產(chǎn)生一個或多個器件的半導體。在多個器件的情況下，參考標號可被設置有字母后綴，例 如，500a、500b、和500c等。參照圖5_20描述的半導體結構制造以及封裝來描述這些步驟。圖5-18描述了根據(jù)本發(fā)明實施例的制造垂直結構GaN基LED的步驟，其使用沉積 工藝以形成用于機械支撐和導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構，特別是包含有在絕緣 襯底上生長的GaN基外延薄膜的那些器件結構，例如，激光二極管(LD)、異質結雙極晶體管 (HBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)。圖5描述了在襯底(例如，藍寶石襯底)502上形成的垂直器件500的外延結構。 在襯底的頂部上生長GaN或AlN緩沖層504。在本發(fā)明的一個方面，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號505，并且可包括如下所述 的一個或兩個層504和506。接下來，通過適合的外延生長裝置(例如，金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)、分子 束外延(MBE)、汽相外延(VPE)、或其他技術)在藍寶石襯底502上生長由標號508-514 表示的GaN基LED結構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。實驗示出在激光剝離過程中，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，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。為了實現(xiàn)這種情況，在GaN或 AlN緩沖層的頂部上生長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)或濺射)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氣環(huán)境中退火。使用電子束蒸發(fā)或濺射來沉積薄膜氧化銦錫(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于增加垂直結構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(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，采用導電DBR材料對于具有導電金屬襯底 的這種特殊垂直器件是很有用的。ITO被認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)的垂直結構器件，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力聚集(build up)是很有用。設置中間層的另一個原因在 于，與在非金屬ITO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，連續(xù)的層沉積可以有效地防止氧化或污染，這對于在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，通過電鍍或化學鍍沉積厚金屬支撐層524、526。使用電鍍或化學 鍍，是因為與其他沉積法相比，其形成30μπι以上厚度的金屬層通常很快且廉價。在成本效 益方面，其對于垂直器件的大規(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 不僅對薄GaN外延層515提供良好的剛性機械支撐，而且提供了良好的導電率和散熱。為 了迎合這些要求，優(yōu)選地，將分級的(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置為約10 μ m。電鍍速 率設置為3 5μπι/小時，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，有機基質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)芤骸４送?，在低?(50C )執(zhí)行電鍍，以最小化應力聚集。接著軟銅層524，使用氰化物或酸基電鍍液電鍍硬銅層526，以提供結構剛度。硬 銅電鍍的電鍍速率為約15 μ m/小時。對于銅合金電鍍，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械強度和導電率。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程中，該金保護層有助于提供 在單個芯片與基于金屬的環(huán)氧樹脂之間良好的粘附力。在通過電鍍形成厚銅金屬支撐層526之后，將藍寶石表面機械拋光，以使得藍寶 石表面具有均勻的粗糙度。藍寶石表面平滑度對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寶石表面的表面粗糙 度。如果將粗糙的藍寶石表面用于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寶石表面形態(tài)復制到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)與拋光的藍寶石表面形態(tài)非常相似。然而，由于過高的激光束能量，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果和GaN表面形態(tài)，將藍寶石表面 的表面粗糙度選擇為RMS值大約10 20埃。
如圖10所示，可使用導電熱塑環(huán)氧樹脂530將藍寶石/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 耦合等離子體(ICP)蝕刻、晶片探測、以及芯片分離過程中提供導電性和熱傳導性。通過使 用金屬晶片載體，無需為了后期制造處理將晶片從載體去除。此外，由于在鍵合處理過程 中氣泡可輕易地通過孔泄漏，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孔，所以其還提供了在藍寶石/GaN/Cu/Au晶片與晶 片載體之間容易的松解。通過使用穿孔晶片載體，整個工藝變得容易、可靠、且簡單，這導致 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。銀基導電粘合劑用于鍵合藍寶石/GaN/Cu/Au和穿孔晶片載體。導電粘合劑用于 對晶片探測和芯片分離蝕刻工藝提供良好的導電性和導熱性。熱塑環(huán)氧樹脂具有良好的粘 附強度和良好的耐熱性。熱塑環(huán)氧樹脂的另一個優(yōu)勢在于其可以很容易地溶解在溶劑(例 如，丙酮)中，其對于松解工藝非常有用。在本發(fā)明中，采用片狀熱塑環(huán)氧樹脂，這是因為片狀環(huán)氧樹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)常導致在晶片邊緣側形成比晶片的中 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)驗中經(jīng)常造成不一致的厚度 均勻性以及氣泡形成。對于通過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)氧樹脂，將127 μ m厚的片狀熱塑環(huán)氧樹脂夾在厚金屬支撐部與穿孔 晶片載體之間。在熱等靜壓機(hot iso-static press)中將壓力設置成約10 15psi并 且溫度維持在低于200°C。在這些條件下，鍵合時間低于1分鐘。這種短的鍵合時間具有超 過基于液體的粘合劑的明確優(yōu)勢，基于液體的粘合劑可能需要多于6小時的固化時間，以 完成粘合劑的固化。短的鍵合時間也大大提高了垂直器件制造的生產(chǎn)率。參照圖11，248nm KrF紫外(UV)準分子激光器(38ns的脈沖持續(xù)時間)用于激光 剝離。選取該波長的原因在于激光可以有利地透射過藍寶石，但在GaN外延層中被吸收，從 而在GaN/藍寶石界面將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。還認為激光束能量密度取決 于藍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埃的機械拋光藍寶石襯底。對于在激光剝離之后獲得光滑的GaN表面，藍寶石襯底的表面粗糙度是很重要的 工藝參數(shù)。如果在激光剝離過程中使用未拋光的藍寶石表面，則GaN表面很粗糙，其導致 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，為了同時獲得高產(chǎn)量激光 剝離工藝和高器件性能，選擇藍寶石晶片的最佳表面粗糙度很重要。根據(jù)傳統(tǒng)技術，噴砂通 常用于在拋光的藍寶石表面上獲得均勻的激光束分布，然而，噴砂對于始終獲得相同的表 面粗糙度是不可靠且不可重復的。在本發(fā)明中，由對于248nm UV激光透射的材料構成的漫 射介質552設置在激光束與藍寶石襯底之間，以獲得在藍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。漫射介質的rms (均方根)表面粗糙度設置成30 μ m以 下并且藍寶石被用于漫射體。參照圖12，在激光剝離之后，由激光剝離過程中的GaN分解產(chǎn)生過量的Ga液滴 503，并且通過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。參照圖13，為了露出η型GaN外延層，通過干蝕刻，有利地使用感應耦合等離子體 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，所以平面對于通過順序地沉積的反射結構產(chǎn)生高反射率很重要。參照圖14，為了提高垂直器件的電流擴散(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)器或濺射系統(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。參照圖15，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。對于焊盤金屬沉積，在電 子束蒸發(fā)室中，無需破壞真空，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。參照圖16，在清洗GaN表面之后，通過MICP (磁化感應耦合等離子體)干蝕刻技 術，分離獨立的器件。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 可通過設計用于去除金屬或氧化物掩模的化學制品來侵蝕(attack)金屬襯底，所以推薦 通過快的蝕刻速率來處理具有金屬支撐部的垂直器件。因此，為了對芯片分離蝕刻使用光 刻膠掩模，建議使用快速蝕刻技術。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IOOsccm2.磁場強度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)還通過機械切割或激光劃片來執(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。參照圖17，在器件的露出部分上沉積鈍化層536。為了保護器件免受外部危險環(huán) 境的影響并通過調(diào)節(jié)在鈍化層與GaN之間的反射率來增加光輸出，通過SiO2薄膜536使垂 直器件鈍化。在250°C以下通過PECVD (等離子體輔助化學汽相沉積)沉積膜。膜的厚度保 持在為了最佳反射率的80nm。參照圖18，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，以從穿孔支撐晶片載體溶解 導電粘附層。在超聲波清潔器中進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。參照圖19，為了將獨立的器件與晶片分離，使用Nd ；YAG激光，通過激光劃片，切割 器件。在多孔真空卡盤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(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，參考標號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。代替分開執(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置獨立的單個芯片。通過加熱和增壓動作，金凸起可同時與垂直器件 的金表面以及涂銀的引線框連接在一起。因此，無需執(zhí)行單獨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間并提供了容易且簡單的封裝工藝，從而降低制造成本 與時間。雖然描述了示例性封裝技術，但是在本發(fā)明中也可以使用其他封裝技術。B.示例性的利益點以及優(yōu)勢這里的特點與優(yōu)勢被認為是示例性的，并且不用于限定本發(fā)明的優(yōu)點或優(yōu)勢。1.示例性器件特點a.由于通過n-GaN層的更好的電流擴散而產(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)被認為在1019/cm3的范圍內(nèi)， 其比P-GaN空穴濃度( IO1Vcm3)高兩個量級。因此，可根據(jù)注入到p_n結的電流，穿過 n-GaN層產(chǎn)生更多光子。具有η側上部結構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側上部結構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。垂直結構器件的金屬襯底給出很好的導電性 和導熱性，其在器件有效性和可靠性(即，器件壽命)方面非常有用。c.由于與橫向結構相比，因為垂直器件僅需要一個金屬接觸焊盤，從而縮小了器 件尺寸，所以可獲得更大量的器件。垂直結構僅需要在頂側上的一個接觸部，而具有絕緣襯 底的橫向器件需要兩個接觸部。結果，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系。另一方面，由于電流擁塞效應，橫向器件的最大光輸出更早達 到飽和。這對于高功率器件(例如，用于固態(tài)照明的白LED)是很重要的。
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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，所以這一點對于在車輛應用中使用的器件很重要。2.示例性工藝特點a.由于通過金屬沉積(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。結果，在激光剝離處理過程中，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度很差，所以基于聚合物的鍵合工藝導致在 LLO期間裂縫發(fā)生和生成的可能性更高。b.結果，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。通過實現(xiàn)全晶片尺寸激光剝離工藝，本發(fā)明提供了用于垂直結構器 件的大規(guī)模生產(chǎn)的實際便于生產(chǎn)的技術。c.簡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a.代替金屬鍵合，通過電鍍或化學鍍來沉積金屬支撐襯底。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 流擴散。f.緊接著ρ型接觸層處，采用ITO DBR層，以通過更高反射率的ITO層來提高光輸
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?shù)牟⑶腋涌煽?。C.結論這里已經(jīng)公開且描述了本發(fā)明的優(yōu)選以及示例性實施例。由此，這里公開了示例 性實施例和最好的模式，在保持在由權利要求所限定的本發(fā)明主旨和精神范圍內(nèi)的同時， 可對公開的實施例進行修改和改變。
1權利要求
一種半導體結構，其包括第一緩沖層，包括GaN和AlN中的至少一個；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)權利要求1所述的半導體結構，還包括 襯底。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體結構，還包括 包括P-AlGaN的層。
4.根據(jù)權利要求1所述的半導體結構，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)權利要求4所述的半導體結構，還包括 晶片載體，連接至所述半導體結構。
6.根據(jù)權利要求1所述的半導體結構，還包括 晶片載體，連接至所述半導體結構。
7.根據(jù)權利要求4所述的半導體結構，還包括 包括n-ITO的層。
8.根據(jù)權利要求7所述的半導體結構，還包括 多個接觸部。
9.根據(jù)權利要求8所述的半導體結構，還包括 多個溝槽，設置在獨立的半導體器件之間。
10.根據(jù)權利要求9所述的半導體結構，還包括 鈍化層，位于所述器件的露出部分上方。
11.根據(jù)權利要求1所述的半導體結構，還包括在包括P-GaN的所述層上方的電接觸層 結構，所述電接觸層結構包括P型ITO層。全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造具有提高的光輸出的新的垂直結構化合物半導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，通過電鍍法來采用直接金屬支撐襯底沉積，以形成n側頂部垂直結構。此外，緊接著p接觸層采用ITO DBR層，以通過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側上部結構的新的垂直器件的光輸出增加了2或3倍。
文檔編號H01L29/22GK101901858SQ20101013444
公開日2010年12月1日 申請日期2005年4月27日 優(yōu)先權日2004年4月28日
發(fā)明者劉明哲 申請人:沃提科爾公司