氮化物基发光装置的主基板的制作方法

文档序号:7204709阅读:86来源:国知局
专利名称:氮化物基发光装置的主基板的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体装置,特别涉及一种用于氮化物基发光装置
的主基板。
背景技术
目前,在半导体领域发光二极管(LED)是一种最新的和发展 最快速的技术。过去十多年,尽管LED已经用作为指示和信号目的,但是 技术的发展和改进使得LED能够广泛应用于照明应用。含有V族元素氮(N)的半导体,已经证明可用于短波长发光 装置。在其之间,已经对氮化镓基半导体作为发光二极管做了广泛的研究, 如lnxGa1-xN和AlxGaylnzN,所以这类LED已经被投入实际应用。通常,GaN基LED生长在一个蓝宝石基板上。GaN半导体层 生长在蓝宝石基板上。但蓝宝石不是一个良好的导热或导电导体,所以主 基板要被贴附到GaN半导体层,并去除蓝宝石。主基板必须满足许多要求, 如提供足够的机械支撑,提供良好的导热性和导电性,以及CTE(热膨胀 系数)要匹配。CTE如果不匹配,会导致大量应力,这又导致GaN层出 现裂纹和可靠性问题。用于替换基板的现有已知材料有许多限制。例如,纯金属如铜, 尽管能够提供导热性和导电性,但CTE太不匹配,且太软而不易在装置制 作过程里使用,以及很难使用激光或切割锯切割一个宽度小于100um的切 割线。在电镀之前,光刻胶SU8可被用来分隔铜基板,但此过程会增加成 本并使工艺过程变得困难。而且,很难将此装置集成到基于硅的集成电路 内。对于金属合金,如铜钨(CuW)合金,尽管能够提供更好的CTE匹配, 但需要大量的钨,这会降低铜的性能。对于纯半导体材料,如硅,价格低 廉且容易将装置集成到电路内。但是,纯半导体材料提供比铜更小的导热 性和导电性,在LED尺寸扩大时这会限制装置的性能。
所以,需要一种LED基板,其能够克服已知基板材料的诸多 缺陷。
发明概述依照本发明的一个实施例,披露了一种制作氮化物基薄膜半导 体装置的主基板的方法。此方法包括步骤提供一个半导体层;在半导体 层上蚀刻一个孔图案,在半导体层上电镀金属以填满半导体层上形成的孔; 将半导体层键合到一个氮化镓(GaN)层上,而GaN层是外延生长在蓝宝 石基板上的外延层;然后去除蓝宝石基板。依照本发明的另一个实施例,披露了一种制作氮化物基薄膜半 导体装置的主基板的方法。此方法包括步骤提供一个硅层;在硅层的一 侧上蚀刻一个盲孔图案;将硅层键合到一个氮化镓(GaN)层上,而该GaN 层是外延生长在蓝宝石基板上的外延层,其中具有孔图案的硅层一侧被键 合到GaN层;薄化硅层以露出硅层上的孔图案,在硅层上电镀铜以填满硅 层上形成的孔;然后去除蓝宝石基板。依照本发明的另一个实施例,披露了一个具有主基板的氮化物 基半导体结构。此氮化物基半导体包括一个蓝宝石基板;在基板上形成的 一个或多个半导体层,其中一个半导体层包括多个金属部分,其中硅层上 有多个蚀刻出的孔,多个金属部分包括被填满在多个孔里的金属。依照本发明的另一个实施例,披露了一个具有主基板的氮化物 基半导体结构。此氮化物基半导体包括一个蓝宝石基板;在蓝宝石基板上 形成的一个或多个氮化镓(GaN)层; 一个被电镀到一个或多个GaN层的 金属层;以及一个被键合到金属层的半导体层。依照本发明的另一个实施例,披露了一个具有主基板的氮化物 基半导体结构。此氮化物基半导体包括一个蓝宝石基板;在蓝宝石基板上 形成的一个或多个氮化镓(GaN)层; 一个被电镀到一个或多个GaN层的 金属层,其中金属层包括一种两个不同金属的组合。
从以下的详细描述,其中通过附图描述本发明实施例,本领域 技术人员将容易理解本发明的其它实施例。将会认识到,本发明还会有其 它不同的实施例,只是在各方面对其一些细节作出改变,而不会脱离本发 明的精神和范围。


图1是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图2是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图3是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图4是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图5是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图6是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图7是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图8是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图9是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。
图10是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图11是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图12是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面示意图。图13是本发明一个实施例的图6和11所示半导体结构的俯视图。图14是本发明一个实施例的一半导体结构的部分截面示意图。图15是本发明一个实施例的图14所示去除蓝宝石基板后的半 导体结构的部分截面示意图。图16是本发明一个实施例的一半导体结构的部分截面示意图。图17是本发明一个实施例的图16所示去除蓝宝石基板后的半 导体结构的部分截面示意图。
发明详述在以下的描述里,参照附图进行描述,以显示本发明的具体实 施例。可以理解,在不脱离本发明的范围情况下,对其结构和其它方面做 出改变,可以有其它的实施例。而且,各个实施例和每个不同实施例的各 个方面可以以任何合适的方式进行组合。所以,附图和详述实际上是描述 性的而非限制性的。本发明实施例通常涉及组合的主基板用于LED制作过程里。主基板组合半导体材料和金属作为一种新的导电基板,用于氮化物基薄膜 半导体装置。本发明实施例包括用于分割的半导体材料,而金属被嵌入用 于机械支撑,并作为活性区的一个导热导电体。依照本发明的实施例,还 描述了一些方法用来制作这种基板结构。 —个示例方法包括蚀刻出一个孔图案在半导体层如硅层上, 电镀一种金属如铜在硅层上,以填满硅层里被蚀刻出的孔;将硅层键合到 一个氮化镓(GaN)层上,而GaN层是外延生长在蓝宝石基板上的外延层; 然后去除蓝宝石基板。另一个示例方法包括蚀刻出一个盲孔图案在半导 体如硅上,将半导体键合到一个GaN层上,而GaN层是外延生长在蓝宝 石基板上的外延层;薄化硅层以露出被图案化的孔;电镀金属如铜在硅层 内;然后去除蓝宝石基板。依照本发明的实施例,主体板包括一个材料组合,这些材料以 某种方式组合以制作有效可靠的发光装置。实施例的主基板提供比纯铜更 好的机械支撑,又保持较高水平的导热性和导电性,还减小由CTE不匹配 问题引起的应力,易于切割,以及可以集成到电路。本发明的一个实施例 包括一个包含硅和铜的主基板。图1到6是描述一种制作主基板并将其贴附到氮化物层的示例 方法流程图的截面示意图。图7到12是描述另一种制作主基板并将其贴附 到氮化物层的示例方法流程图的截面示意图。图13是图6和图11所示半 导体结构的俯视图。现参照附图,图1是一个硅层(Si) 100的部分截面图。如图2 所示,硅层被蚀刻出一些图案,有多个孔102被蚀刻在硅100内至一个预 定深度。也可以是任何合适的深度。任何合适的孔的图案和尺寸以及形状 可被蚀刻到硅内。 一个示例深度是大于5um。另一个示例深度大约是 100um。参照图3,然后电镀铜(Cu) 300,用来填满并覆盖孔102。参照 图4,使用抛光或机械平面化来去除多余的铜300。所以,提供了一个包括 硅100和铜300的主基板。
参照图5,主基板被键合到半导体结构的一个或多个GaN层 500上。 一个或多个GaN层500形成在蓝宝石基板502上。参照图6,硅 100被抛光以露出主基板里的铜300。在图6所示的半导体结构里,铜300 和硅100平行连接到一个或多个GaN层500的一个p-GaN层。由于Cu具 有较好的传导性,Cu和Si又平行连接到p-GaN,热和电流将大多穿过铜 300,所以,主基板可以提供和铜基板类似的散热和导电性。现参照图7到11,显示本发明第二实施例的使用主基板制作半 导体结构的过程。图7是一个硅(Si)层800的部分截面示意图。现参照 图8,然后硅蚀刻出一些图案,有多个孔被蚀刻在硅800内至一个预定深 度。任何合适的孔的图案和尺寸以及形状可以被蚀刻到硅内。 一个示例深 度大约是100um。参照图9,硅层800被键合到半导体结构的一个或多个 GaN层1000上。 一个或多个GaN层1000是在一个蓝宝石基板1002上形 成。参照图IO,硅100被抛光以露出被蚀刻在硅800内的孔。参照图ll, 然后电镀铜(Cu) 1200来填满并覆盖孔802。若有必要,使用抛光或机械 平面化过程来去除任何多余的铜1200。所以,提供了一个包括硅100和铜 300的主体基板1204。在图11所示的半导体结构里,类似于图1到6所述的制作过 程的第一实施例,铜1200和硅800平行连接到一个或多个GaN层1000 的p-GaN层,所以,半导体结构有类似的优势。现参照图12,图11所示的半导体结构的蓝宝石基板1002已被 去除。现参照图13,显示本发明图6和11所示的半导体结构1300 的俯视图。类似于图7所示的半导体,半导体结构显示硅800和填满到硅 层800内的铜图案1200。虚线1302显示半导体结构1300的切割线。切割 线位于半导体结构的硅部分。所以,半导体结构700、 1300的切割可以通 过切割半导体结构的硅部分100、 800而进行,在硅区还可以制作其它电路 模块,作为一个驱动电路与LED集成或执行其它功能。
如图7到11所示的制作过程的第二实施例的优点,以及在其
它实施例里的优点是,主基板可以更容易地键合到GaN层,因为更容易键 合一个平坦材料到另一个平坦材料。但是,使用第一和第二实施例的制作
过程,都可以制作一个比现有技术先进的主基板。图14是本发明一个实施例的一个半导体结构1400的部分截面 图。半导体结构1400包括一个蓝宝石基板1402、一个或多个GaN层1404、 以及一个被键合到一个或多个GaN层1404的主基板1406。主基板1406 包括一个铜(Cu) 1408和镍(Ni) 1410交替的组合物。制作如图14所示 的半导体结构类似于图1到6所述的过程或图8到12所述的过程。但是, 在任何一个过程里,使用第一光刻过程来选择性地电镀第一金属,或者是 铜或者是镍,然后使用第二光刻过程来选择性地电镀第二金属在第一光刻 过程留下的空位,或者是铜或者是镍,取决于哪一个用于第一光刻过程。通过将铜分开在不同区域并交错电镀具有较低热膨胀的第二 金属在铜上,主基板1406会减轻应力。所以,与铜基板相比,这会有较小 的翘曲。交错电镀的一个例子包括交替条状的铜和第二金属。另一个交错 电镀的例子包括交替截面的铜和第二金属,截面可以是任何形状和尺寸, 互相靠近在一个或多个GaN层1404的表面上。本发明实施例可以包括具 有两个或多个不同类型金属的主基板1406。图15是本发明一个实施例的图14所示蓝宝石基板被去除后的 半导体结构的部分截面图。图16是本发明一个实施例的一个半导体结构的部分截面图。 半导体结构1600包括一个蓝宝石基板1602、在蓝宝石基板1602上形成的 一个或多个GaN层1604、,被电镀到一个或多个GaN层1604上的一个铜 层1606、 一个键合金属1607、以及通过任何合适键合金属被键合到铜层 1606上的一个硅层1608。所以,主基板是一个包括半导体和金属交错混合 的混合基板。所述实施例包括铜层1606和硅层1608以及任何必需的键合 金属1610。
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使用任何合适的光刻和键合方法,可以形成主基板和半导体结 构1600。依照一个示例过程,厚度小于100um的铜1606被电镀到一个或 多个GaN层1604上。硅层1608在相对较高的温度上(比如一个大于或几 乎等于200摄氏度的温度)通过热压縮、焊料键合或共晶键合被键合到铜 层1606上。图16和17所示主基板的实施例会产生一个具有较少翘曲的半 导体装置以及更便捷的装置制作。与硅相比,主基板也提供改善的机械支 撑和更大的导热性和导电性。图17是本发明一个实施例的图16所示蓝宝石基板被去除后的 半导体结构的部分截面图。与现有技术相比,本发明实施例具有许多优势。依照一个实施 例,与铜基板相比较,该主基板可减小应力,因为其应用在一个较小的区 域上。通过优化设计,本发明实施例的主基板的导热性和导电性也比得上 铜。另外,利用本发明实施例,与电路集成是可能的,因为主基板至少有 一些区域预留给硅,其它装置可在硅上制作。尽管己经参照所述实施例特别显示和描述了本发明,但本领域 技术人员将理解,可以对其格式和细节作出改变,而不会脱离本发明的精 神和范围。例如,尽管描述了某些蚀刻图案,但仍然可以使用任何其它合 适的蚀刻图案,在此提供的所示示例仅是用作描述。同样,尽管详细描述 了某些材料,但也可以使用具有类似属性并产生类似结果的其它材料和金 属。例如,用作半导体层的一些合适材料可能包括硅(Si),锗(Ge),砷 化镓(GaAs), lll-V氮化物,磷化铟(InP)和氧化锌(ZnO)。所以,本 发明实施例不应该受限于这些具体材料。再者,虽然已经显示某个孔深度 用于铜电镀,但也可以考虑和使用其它合适的深度以避免或最小化互连问 题。所以,以上描述意在提供本发明的示例实施例,而本发明范围 并不受此具体示例的限制。
权利要求
1.一种制作用于氮化物基薄膜半导体装置的主基板的方法,此方法包括提供一个半导体层;在半导体层上蚀刻一个孔图案;在半导体层上电镀金属以填满半导体层上形成的孔;将半导体层键合到一个氮化镓(GaN)层,而GaN层是外延生长在蓝宝石基板上的外延层;和去除蓝宝石基板。
2. 根据权利要求1所述的方法,其中半导体层是硅,而金属是铜。
3. 根据权利要求1所述的方法,其中在半导体层上被蚀刻的孔的深度 大于10 um。
4. 根据权利要求1所述的方法,其中在半导体层上电镀金属以填满半 导体层上形成的孔的步骤产生过多金属在半导体层上,制作主基板的方法 还包括使用机械平面化(mechanical planarization)去除过多金属。
5. 根据权利要求1所述的方法,其中在半导体层上电镀金属以填满半 导体层上形成的孔的步骤产生过多金属在半导体层上,制作主基板的方法 还包括使用化学抛光(chemical polishing)去除过多金属。
6. 根据权利要求1所述的方法,其中被电镀的半导体层的热膨胀系数 (CTE)与GaN层的CTE相匹配。
7. 根据权利要求1所述的方法,其中在半导体层上形成多个切割线, 其中设置这多个切割线,使得切割是穿过镀有金属的半导体层的半导体部 分,并且其中此方法还包括沿着这多个切割线切割该半导体结构。
8. —种制作用于氮化物基薄膜半导体装置的主基板的方法,此方法包括提供一个硅层;在硅层一侧蚀刻一个盲孔图案;将硅层键合到一个氮化镓(GaN)层,而该GaN层是外延生长在蓝宝 石基板上的外延层,其中具有孔图案的硅层这一侧被键合到GaN层; 薄化硅层以露出在硅层里的孔图案; 在硅层上电镀铜以填满硅层上形成的孔;和 去除蓝宝石基板。
9. 根据权利要求8所述的方法,其中在硅层上被蚀刻的孔的深度大于 5um。
10. 根据权利要求8所述的方法,其中在硅层上电镀铜以填满硅层上 形成的孔的步骤产生过多铜在硅层上,制作该主基板的方法还包括使用机 械平面化去除过多铜。
11. 根据权利要求8所述的方法,其中在硅层上电镀铜以填满硅层上 形成的孔的步骤产生过多铜在硅层上,制作该主基板的方法还包括使用化 学抛光去除过多铜。
12. 根据权利要求8所述的方法,其中在硅层上形成多个切割线,其 中设置多个切割线,使得切割是穿过镀有铜的硅层的硅部分,其中此方法 还包括沿着多个切割线切割该半导体结构。
13. —种具有一个主基板的氮化物基半导体结构,此氮化物基半导体 结构包括一个蓝宝石基板;在该基板上形成的一个或多个半导体层,其中一个半导体层包括多个 金属部分,其中硅层上有被图案化的多个孔在硅层上,并且多个金属部分 包括被填在多个孔里的金属。
14. 根据权利要求13所述的氮化物基半导体结构,其中一个半导体层 的热膨胀系数(CTE)与GaN层的CTE相匹配。
15. 根据权利要求13所述的氮化物基半导体结构,还包括在一个半导 体层上形成的多个切割线,其中多个切割线被设置用于切割薄膜氮化物基 半导体结构。
16. 根据权利要求15所述的氮化物基半导体结构,其中多个孔被设置 使得多个切割线包括半导体材料。
17. 根据权利要求13所述的氮化物基半导体结构,其中一个半导体层 是一个导热导体和一个导电导体。
18. 根据权利要求13所述的氮化物基半导体结构,其中蓝宝石基板被 去除。
19. 一种具有一个主基板的薄膜氮化物基半导体结构,此氮化物基半 导体结构包括一个蓝宝石基板;在蓝宝石基板上形成的一个或多个氮化镓(GaN)层; 一个被电镀到一个或多个GaN层上的金属层;和 一个被键合到金属层的半导体层。
20. 根据权利要求19所述的薄膜氮化物基半导体结构,其中金属层是 一个厚度小于大约100um的铜层,该铜层被电镀到一个或多个GaN层上。
21. 根据权利要求19所述的薄膜氮化物基半导体结构,其中半导体层 是一个被键合到铜层的硅层。
22. 根据权利要求19所述的薄膜氮化物基半导体结构,其中硅层在大于大约200摄氏度的温度上被键合到铜层。
23. 根据权利要求19所述的薄膜氮化物基半导体结构,还包括在硅层 上形成的多个切割线,其中多个切割线被设置用来切割薄膜氮化物基半导 体结构。
24. —种具有一个主基板的薄膜氮化物基半导体结构,此氮化物基半 导体结构包括一个蓝宝石基板;在蓝宝石基板上形成的一个或多个氮化镓(GaN)层; 一个被电镀到 一个或多个GaN层上的金属层,其中金属层包括两种不同金属的组合。
25. 根据权利要求24所述的薄膜氮化物基半导体结构,其中金属层包 括被交错电镀在一个或多个GaN层上的铜和镍。
26. 根据权利要求24所述的薄膜氮化物基半导体结构,其中蓝宝石基 板被去除。
全文摘要
本发明公开了一种用于氮化物基薄膜半导体装置的主基板及其制作方法。依照一个实施例,本方法包括步骤提供一个硅层;在硅层上蚀刻一个孔图案;在硅层上电镀铜以填满硅层上形成的孔;将硅层键合到一个氮化镓(GaN)层上,而GaN层是外延生长在蓝宝石基板上的外延层;去除蓝宝石基板。该主基板解决了热膨胀系数(CTE)不匹配的问题,并减小了由这种CTE不匹配引起的应力。金属和半导体材料的组合能够提供期望的导热和导电性能,同时能够随后切割并集成该成品半导体装置到其它电路里。
文档编号H01L33/36GK101681975SQ200980000035
公开日2010年3月24日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者林立旻, 述 袁, 斌 谢 申请人:香港应用科技研究院有限公司
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