垂直结构半导体器件的制作方法

专利名称：垂直结构半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造具有顶部和底部接触结构的GaN基垂直结构半导体器件以及一 种用于制造垂直结构器件的方法。
背景技术：
图1示出在绝缘蓝宝石衬底114上制造的传统氮化镓(GaN)基(GaN-based)半导 体器件100。该器件可应用于诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、异质结双极晶体管 (HBT)、和高电子迁移率晶体管(HEMT)。在传统工艺中，该器件形成在蓝宝石衬底上，并且两 个电接触部形成于器件的顶部上。P型接触部(p-contact)102形成在顶部上，并且采用台 面蚀刻来去除材料以形成η型金属接触部(η-metal contact) 118。产物被称为横向结构器 件并且易于表现出若干问题，这些问题包括对静电放电(ESD)的弱抗性以及散热。这些问 题都限制了器件产量和有效寿命。此外，蓝宝石材料非常坚硬，其难以进行晶片的磨削及抛 光、以及器件分离(s印aration)。器件产量取决于后期制造工艺，其包括研磨(lapping)、 抛光、以及芯片分离。图2示出用于构造垂直结构GaN基化合物半导体200的第二种传统技术。激光剥 离(LLO，laser lift-off)工艺用于通过采用具有通常在UV范围内的可透射蓝宝石的波长 的准分子激光器，来从GaN外延层中去除蓝宝石衬底。随后，通过用导电或半导电的第二衬 底218代替绝缘蓝宝石衬底来制造器件，以构造垂直结构器件。在通过激光剥离去除蓝宝 石衬底之后这些工艺通常采用用于永久键合至第二衬底的晶片键合(wafer-bonding)技 术。然而，仍然缺少用于大规模生产VLED (垂直LED)的大规模激光剥离工艺。一个原 因是因为由于在激光剥离之后外延层表面在整个晶片表面上不平坦导致支撑晶片218与 外延层214之间的键合粘附层216以及永久第二衬底218的不均勻，使得难以进行大面积 激光剥离。关于该晶片键合技术的另一问题是由于在共晶金属键合处理过程中的高温和高 压造成金属接触部的退化(degradation)。此外，用于永久晶片键合的衬底(例如，Si或 GaAs)与铜(Cu)基金属衬底相比，在散热方面不是最理想的衬底。这些问题降低了最终的 产量并且没有提供对大规模生产商用器件的令人满意的解决方案。图3示出旨在克服晶片键合问题并制造VLED的结构300。代替使用晶片键合方 法，器件300的制造包括将金属支撑部318附着至器件。然而，因为在激光剥离处理过程中 粘合层的分层(de-lamination)，产量被公认为很低。如果该键合对于高能量激光冲击波不 稳定，在激光剥离之后GaN外延层可能变形或断裂，则难以执行后期激光剥离工艺，例如， 晶片清洗、器件制造、松解(de-bonding)、以及器件分离。因此，最终的器件加工产量很低。基于图3所示技术的垂直器件的其他问题在于很差的器件性能。由于在蓝宝石衬
3底上使用喷砂处理以提高均勻激光束能量分布，所以在激光剥离之后的GaN表面通常很粗 糙，导致与平坦且光滑的表面相比，其输出较少的光。此外，在n-GaN层上形成的金属反射 层不及非金属发射材料(例如，ΙΤ0)高。由于传统技术的这些限制，需要一种在GaN基半导体器件的大规模生产中可提高 器件性能和产量的新技术。

发明内容
本发明提供了一种制造具有极大提高的光输出的新的垂直结构化合物半导体器 件的可靠技术及用于GaN基化合物半导体器件的大规模生产的高产量激光剥离(LLO)工 艺。本发明的主题是通过电镀法在LLO之前采用直接金属支撑衬底沉积，以形成η型侧顶部 垂直结构(η-side top vertical structure)。此外，紧邻ρ型接触层处采用ITO DBR层， 以通过更高反射率ITO层提高光输出。穿孔金属晶片载体也用于晶片键合以容易处理和松 解。相比于先前的基于LLO的垂直器件制造，新的制造工艺是简单且更可靠的工艺。与通 过相同GaN/InGaN外延膜制造的横向器件的光输出相比，具有η型侧上部结构(η-side up structure)的新的垂直器件的光输出增加了 2或3倍。本发明的示例性实施例提供了一种制造半导体器件的方法。本发明包括以下步 骤在衬底上形成半导体层；在半导体层上形成金属层；从半导体层去除衬底；在去除了衬 底的半导体层上形成一个或多个接触部；以及将半导体层分成多个独立的半导体器件。在一个方面，本发明包括以下步骤在半导体层与衬底之间形成缓冲层。在另一方 面，去除步骤包括以下步骤将激光束施加到在半导体层与衬底之间的界面；以及在激光 源与衬底之间插入漫射介质。在一个方面，本发明包括以下步骤将晶片载体附着至金属 层。在一个方面，分离步骤包括以下步骤在各个器件的每个之间形成沟槽；钝化器件的露 出部分；以及将单独的半导体器件传送(transfer)到支撑膜。在一个方面，本发明包括以 下步骤使用一步芯片键合和引线键合技术，将独立的半导体器件装配到引线框。本发明的优点包括用于制造具有高产量和可靠性的半导体装置的改良技术。


参照以下的附图描述本发明。图1示出了根据现有技术在器件的顶部上形成具有两个金属接触部的横向结构 GaN 基 LED。图2示出了根据现有技术的垂直结构GaN基LED，其中，GaN薄膜键合至导电或半 导电第二衬底。图3示出了根据现有技术的垂直结构GaN基LED，其中，在去除最初的蓝宝石衬底 之后，将厚金属层附着至GaN薄膜。图4是示出根据本发明实施例的制造半导体器件的方法的流程图。图5示出了根据本发明实施例的垂直器件的外延结构，其中，在蓝宝石衬底的顶 部上生长GaN或AlN缓冲层。图5还示出了根据本发明实施例的作为阻热层(thermal barrier)添加的AlGaN缓冲层。图6示出了根据本发明实施例的用以形成ρ型接触部和反射层的在P-GaN外延层顶部上的P型接触金属和ITO透明接触部/DBR层沉积。图7示出了根据本发明实施例的用以提高ITO与金中间层之间的粘附力的粘附层 沉积。图8示出了根据本发明实施例的用于在GaN LED层与顺序沉积的硬铜层之间的应 力消除的使用电镀或化学镀法的软铜层沉积。图9示出了根据本发明实施例的用以提供机械刚度以及更高的导电性和导热性 而使用电镀或化学镀法的硬铜层，。图10示出了根据本发明实施例的在激光剥离之前使用导电粘合胶附着至穿孔支 撑晶片载体的铜电镀或化学镀的GaN LED晶片。图11示出了根据本发明实施例的在激光剥离处理过程中用以获得均勻的激光束 能量分布而使用漫射介质穿过蓝宝石衬底施加的准分子激光束。图12示出了根据本发明实施例的在激光剥离之后的蓝宝石衬底移除以及Ga液滴清洗。图13示出了根据本发明实施例的在η型接触部形成之前通过干蚀刻和GaN表面 平滑蚀刻的GaN/AlGaN缓冲层移除。图14示出了根据本发明实施例的在GaN LED层的顶部上的η型ITO透明接触部 形成。图15示出了根据本发明实施例的在η-ΙΤΟ层上的η型接触部形成和金焊盘金属 化。图16示出了根据本发明实施例的通过干蚀刻或诸如机械划片(scribing)或激光 划片的机械方法进行的器件分离(isolation)。图17示出了根据本发明实施例的保护SiO2钝化层沉积。图18示出了根据本发明实施例的支撑晶片载体移除以及最终的器件结构。图19示出了根据本发明实施例的通过切割或激光划片进行的器件分离。图20示出了根据本发明实施例的在引线框上的垂直器件的芯片键合以及引线键
合 O
具体实施例方式参照特定的器件结构以及实施例描述本发明。本领域技术人员应该了解，该描述 用于说明并且提供实施本发明的最佳模式。本发明包括用于制造根据本发明的半导体器件 的多个形成和沉积步骤。本公开涉及在其他材料上面或上方沉积材料，其被说明且描述为 表示参考的任意方框，正如通过本领域技术人员并结合描述解释和理解的，本公开旨在描 述且覆盖在其他材料顶部上方、之上、或下方沉积材料的技术。例如，本公开的一部分描述 了从上构造的半导体层，并且其他部分描述了从下构造的半导体层，而在这两种情况下，如 所说明及示出的，在现有层上沉积的新层意味着其沉积在现有层的上方或下方。这里，提 供多个工艺参数，用于提供最佳模式，同时参数的改变也可以产生如这里所描述的工艺、结 构、以及优势。本发明的变化由权利要求预期和涵盖。A.器件结构和制造图4是示出根据本发明实施例的制造半导体器件的方法的流程图400。流程图中描述的步骤是用于说明示例性实施例和结构，并且本发明包括在此所述的方法和所得结构 的修改部分。步骤402从图5所描述的外延晶片开始示例性处理。参考标号500指的是可 产生一个或多个器件的半导体。在多个器件的情况下，参考标号可被设置有字母后缀，例 如，500a、500b、和500c等。参照图5_20描述的半导体结构制造以及封装来描述这些步骤。图5-18描述了根据本发明实施例的制造垂直结构GaN基LED的步骤，其使用沉积 工艺以形成用于机械支撑和导电的金属衬底以及使用激光剥离工艺以去除最初的衬底。本 发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结构，特别是包含有在绝缘 衬底上生长的GaN基外延薄膜的那些器件结构，例如，激光二极管(LD)、异质结双极晶体管 (HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)。图5描述了在衬底(例如，蓝宝石衬底)502上形成的垂直器件500的外延结构。 在衬底的顶部上生长GaN或AlN缓冲层504。在本发明的一个方面，在缓冲层504上形成 AlGaN缓冲层506，以作为阻热层。组合缓冲层被描述为参考标号505，并且可包括如下所述 的一个或两个层504和506。接下来，通过适合的外延生长装置(例如，金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子 束外延(MBE)、汽相外延(VPE)、或其他技术)在蓝宝石衬底502上生长由标号508-514 表示的GaN基LED结构515。形成n_GaN层508，随后在n_GaN层508上方形成多量子阱 (multi-quantum we 11,MQff)层 510。描述了优选的 p-AlGaN 层 512，并且描述了 ρ-GaN 层。与单层GaN或AlN为公共缓冲层的传统技术相反，本发明优选地除GaN或AlN缓 冲层504之外还采用AlGaN缓冲层506，但不是必需两层。在热绝缘方面，AlGaN缓冲层 506很有用。实验示出在激光剥离过程中，在GaN LED层515与粘接键合层之间界面的温 度可增加至250°C。因此，由于热量增加，在激光剥离过程中，聚合物基粘附层可能变劣化 (deteriorated)并且可能与GaN LED层反应，这使得在松解工艺中难以去除热劣化的粘合 剂。在本发明中，采用AlGaN有助于降低键合粘合剂的劣化，从而提高了器件产量。此外， 将总的外延层厚度设置成特定厚度，以最小化在GaN/粘合剂界面的温度增加。有利地，选 取外延层厚度在5 μ m以上，以维持交界面温度在低于200°C。为了实现这种情况，在GaN或 AlN缓冲层的顶部上生长4 μ m以上厚度的n-GaN层。图6描述使用薄膜沉积法(例如，电子束蒸发或溅射)沉积的用以形成P型接触 部的在GaN LED层515的顶部上的ρ型接触金属516以及ITO透明(transparent)接触部 /DBR层518沉积。示例性ρ型接触金属可包括Ni/Au、Pd/Ni/Au、Ni/Pd/Au、或Pd/Ir/Au。 薄膜金属层的厚度可分别为例如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之间的熔炉内，将ρ接触金 属的含Ni接触部在氧气环境中退火2分钟，而将不含镍的金属接触部在氮气环境中退火。使用电子束蒸发或溅射来沉积薄膜氧化铟锡(ITO)层518，以形成分布布喇格反 射器(DBR)。获得良好的光反射率对于增加垂直结构器件中的光提取很重要。通常，将基 于氧化物的DBR用于需要光子恢复(photon recovery)的器件，例如，表面发射激光器。然 而，这些基于氧化物的DBR材料为绝缘体。因此，采用导电DBR材料对于具有导电金属衬底 的这种特殊垂直器件是很有用的。ITO被认为是在具有金属衬底的垂直器件中的反射DBR 材料的最佳材料选择，但也可以期望其他的选择。ITO的反射率在90%以上，而金属薄膜的
6最佳反射率约为50 60%。在一个方面，选取ITO薄膜厚度在75 150nm范围内，以获得 最佳反射率。在300°C至500°C之间的退火温度下，厚度460nm的透射率在85%以上。图7描述了根据本发明实施例的用于提高在ITO层518与金中间层522之间粘附 力的粘附层520沉积。为了制造具有厚且软的金属膜支撑件( 50 μ m)的具有薄且硬的 GaN外延层(小于5μπι)的垂直结构器件，在这两层之间形成中间层从而降低在GaN外延层 与金属层之间的界面上的压应力聚集(build up)是很有用。设置中间层的另一个原因在 于，与在非金属ITO表面上直接沉积厚电镀层相比，金属中间层可产生更好的电镀特性。不 将晶片从真空室中移走，使用电子束蒸发，在ITO表面上连续地沉积约1 μ m厚的金(Au)薄 膜。在现场，连续的层沉积可以有效地防止氧化或污染，这对于在ITO与金层之间产生良好 的薄膜粘附力很重要。为了进一步提高在ITO与金之间的粘附力，在ITO与金层之间沉积 30 50nm厚的Cr或Ti粘附层。在图8和图9中，通过电镀或化学镀沉积厚金属支撑层524、526。使用电镀或化学 镀，是因为与其他沉积法相比，其形成30μπι以上厚度的金属层通常很快且廉价。在成本效 益方面，其对于垂直器件的大规模生产是特别有用的。金属支撑层的主要功能在于支撑层 不仅对薄GaN外延层515提供良好的刚性机械支撑，而且提供了良好的导电率和散热。为 了迎合这些要求，优选地，将分级的(graded)铜合金层沉积在Au/Cr或Au/Ti粘附层上。为了在薄真空蒸发金层522与铜合金层524之间得到良好的粘附力，在铜合金层 524之前沉积第一铜冲击层(strike layer)。在一个方面，首先，电镀硫酸盐基软铜层，以 逐步减弱由于厚金属层而形成的压力。初始的软铜合金层厚度被设置为约10 μ m。电镀速 率设置为3 5μπι/小时，以形成致密且均勻的铜电镀层。如下所述，选择低电镀速率的 另一个原因是防止晶片从支撑晶片载体松解晶片之后弯曲。由于在GaN外延层515与铜 层524-526之间的界面处的压应力聚集，晶片可能在剥离之后易于弯曲。除了低速电镀以 外，有机基质添加剂可被添加在电镀溶液中并且使用基于磺酸盐的电镀溶液。此外，在低温 (50C )执行电镀，以最小化应力聚集。接着软铜层524，使用氰化物或酸基电镀液电镀硬铜层526，以提供结构刚度。硬 铜电镀的电镀速率为约15 μ m/小时。对于铜合金电镀，包含锡(Sn)和铁(Fe)的金属合金 电镀溶液与硫酸铜溶液混合，以提高铜支撑层的机械强度和导电率。铜合金支撑层522的 总厚度约为50 60 μ m。在铜合金电镀的最后，电镀0. 3 μ m厚金层，以保护铜合金层免受 氧化。在用于垂直器件封装的芯片键合以及引线键合处理过程中，该金保护层有助于提供 在单个芯片与基于金属的环氧树脂之间良好的粘附力。在通过电镀形成厚铜金属支撑层526之后，将蓝宝石表面机械抛光，以使得蓝宝 石表面具有均勻的粗糙度。蓝宝石表面平滑度对于控制激光束能量密度分布以及激光剥离 的GaN表面的最终表面形态很重要。激光束能量密度完全取决于蓝宝石表面的表面粗糙 度。如果将粗糙的蓝宝石表面用于LLO工艺，则需要低激光束能量。然而，如果表面粗糙， 由于在激光剥离之后将蓝宝石表面形态复制到GaN表面，所以激光剥离的GaN表面显得粗 糙。另一方面，如果使用抛光的表面，则需要更高的激光束能量。激光剥离的GaN表面的表 面形态与抛光的蓝宝石表面形态非常相似。然而，由于过高的激光束能量，更高的激光束通 常造成裂缝(crack)生成。为了获得最佳的激光剥离结果和GaN表面形态，将蓝宝石表面 的表面粗糙度选择为RMS值大约10 20埃。
如图10所示，可使用导电热塑环氧树脂530将蓝宝石/GaN/Cu/Au晶片键合至穿 孔晶片载体532。穿孔晶片载体由带孔的不锈钢制成。使用金属晶片载体的原因是在感应 耦合等离子体(ICP)蚀刻、晶片探测、以及芯片分离过程中提供导电性和热传导性。通过使 用金属晶片载体，无需为了后期制造处理将晶片从载体去除。此外，由于在键合处理过程 中气泡可轻易地通过孔泄漏，所以穿孔晶片载体提供了气泡自由的(bubble-free)晶片键 合。由于在松解处理期间溶剂可以穿过孔，所以其还提供了在蓝宝石/GaN/Cu/Au晶片与晶 片载体之间容易的松解。通过使用穿孔晶片载体，整个工艺变得容易、可靠、且简单，这导致 垂直器件制造的高产量。晶片载体的示例性厚度为1/16英寸并且直径为2. 5英寸。孔的 实例性总数为21并且通孔直径为20/1000英寸。将示例性晶片载体表面电抛光，以形成像 镜子一样的平面，用于与粘合剂均勻键合。银基导电粘合剂用于键合蓝宝石/GaN/Cu/Au和穿孔晶片载体。导电粘合剂用于 对晶片探测和芯片分离蚀刻工艺提供良好的导电性和导热性。热塑环氧树脂具有良好的粘 附强度和良好的耐热性。热塑环氧树脂的另一个优势在于其可以很容易地溶解在溶剂(例 如，丙酮)中，其对于松解工艺非常有用。在本发明中，采用片状热塑环氧树脂，这是因为片状环氧树脂的膜厚度比基于液 体的粘合剂更均勻。由于基于液体的粘合剂的旋涂经常导致在晶片边缘侧形成比晶片的中 心区域更厚的膜，所以基于液体的粘合剂在之前的键合工艺经验中经常造成不一致的厚度 均勻性以及气泡形成。对于通过多次旋涂获得厚的粘附层的基于液体的粘合剂，这是普遍 现象。为了键合热塑环氧树脂，将127 μ m厚的片状热塑环氧树脂夹在厚金属支撑部与穿孔 晶片载体之间。在热等静压机(hot iso-static press)中将压力设置成约10 15psi并 且温度维持在低于200°C。在这些条件下，键合时间低于1分钟。这种短的键合时间具有超 过基于液体的粘合剂的明确优势，基于液体的粘合剂可能需要多于6小时的固化时间，以 完成粘合剂的固化。短的键合时间也大大提高了垂直器件制造的生产率。参照图11，248nm KrF紫外(UV)准分子激光器(38ns的脉冲持续时间)用于激光 剥离。选取该波长的原因在于激光可以有利地透射过蓝宝石，但在GaN外延层中被吸收，从 而在GaN/蓝宝石界面将GaN分解成金属Ga和气态氮(N2)。选取激光束尺寸为7mmX 7mm 正方形光束并且具有600 1200mJ/cm2之间的光束功率密度。还认为激光束能量密度取决 于蓝宝石衬底表面的表面粗糙度。为了在激光剥离后获得光滑的GaN表面，将高于SOOmJ/ cm2的光束能量用于RMS值10 20埃的机械抛光蓝宝石衬底。对于在激光剥离之后获得光滑的GaN表面，蓝宝石衬底的表面粗糙度是很重要的 工艺参数。如果在激光剥离过程中使用未抛光的蓝宝石表面，则GaN表面很粗糙，其导致 在形成最终的器件之后，由于粗糙表面的反射率很差，使得LED器件的光输出很差。然而， 如果使用抛光的表面，则可获得光滑的GaN表面，因此，可获得更高的光输出。然而，由于激 光束定位于抛光的蓝宝石表面上，所以与被较低激光束能量照射的区域相比，被较高激光 束能量照射的区域可造成GaN表面上的裂缝(cracking)。因此，为了同时获得高产量激光 剥离工艺和高器件性能，选择蓝宝石晶片的最佳表面粗糙度很重要。根据传统技术，喷砂通 常用于在抛光的蓝宝石表面上获得均勻的激光束分布，然而，喷砂对于始终获得相同的表 面粗糙度是不可靠且不可重复的。在本发明中，由对于248nm UV激光透射的材料构成的漫 射介质552设置在激光束与蓝宝石衬底之间，以获得在蓝宝石表面上的均勻激光束能量分
8布，从而提高了激光剥离工艺产量。漫射介质的rms (均方根)表面粗糙度设置成30 μ m以 下并且蓝宝石被用于漫射体。参照图12，在激光剥离之后，由激光剥离过程中的GaN分解产生过量的Ga液滴 503，并且通过HCl溶液(HCl H2O = 1 1，室温下)将清洗液滴或使用HCl蒸汽蒸腾液 滴30秒。由于在室温下Ga熔化，所以在激光剥离过程中形成液态的Ga ；因此，可容易地使 用氯基酸溶液清洗Ga。参照图13，为了露出η型GaN外延层，通过干蚀刻，有利地使用感应耦合等离子体 活性离子蚀刻(ICP RIE)去除缓冲层505 (例如，GaN或AlN以及AlGaN缓冲层)。为了形成 原子平面(atomicallyflat surface)，还在n_GaN表面上进行ICP抛光。由于光输出可随 着较高反射表面而增加，所以平面对于通过顺序地沉积的反射结构产生高反射率很重要。参照图14，为了提高垂直器件的电流扩散(current spreading)，在n-GaN LED表 面515上形成η型ITO透明接触部534。ITO成分为IOwt %的Sn02/90wt%& In2O3，并且在 室温下使用电子束蒸发器或溅射系统，沉积一层约75 200nm厚的ITO膜。在ITO膜沉积 之后，在N2环境的管式炉中执行退火5分钟。退火温度在300°C至500°C之间变化。在N2 环境中，退火温度350°C下，ITO膜的最小电阻率为约低于10_4Qcm。在350°C以上的退火温 度下，在460nm的透射率在85%以上。参照图15，在ITO透明接触部形成之后，在η-ΙΤΟ表面上形成η型接触部540，其 包括Ti和Al。由于形成了多个接触部，所以将它们表示为540a、540b、和540c等。η型接 触金属的厚度分别为5nm的Ti和200nm的Al。为了在η型接触金属层和焊盘金属542之 间形成良好的粘附力，在Al的顶部沉积20nm的Cr，作为粘附层。对于焊盘金属沉积，在电 子束蒸发室中，无需破坏真空，在Cr的顶部连续地沉积500nm的金。为了形成欧姆接触部， 在熔炉中，在N2环境中，以250°C退火η型接触金属10分钟。参照图16，在清洗GaN表面之后，通过MICP (磁化感应耦合等离子体)干蚀刻技 术，分离独立的器件。与其他干蚀刻法相比，MICP可加速蚀刻速率。其有利于防止在蚀刻 处理期间的光刻胶掩模燃烧。与传统的ICP相比，MICP通常提供约两倍的蚀刻速率。由于 可通过设计用于去除金属或氧化物掩模的化学制品来侵蚀(attack)金属衬底，所以推荐 通过快的蚀刻速率来处理具有金属支撑部的垂直器件。因此，为了对芯片分离蚀刻使用光 刻胶掩模，建议使用快速蚀刻技术。分离沟槽尺寸为30 μ m宽且3. 5 μ m深，蚀刻深度取决 于外延晶片的厚度。建议的用于器件分离的MICP干蚀刻条件如下1.总、流速IOOsccm2.磁场强度15高斯3.衬底温度70°C4.气体混合·Α0% BCl3/40% Cl2/20% Ar5.功率 / 偏压600W/-300V6.操作压力30m托7.蚀刻深度速率0. 4 μ m/分钟8.蚀刻掩模光刻胶(AZ 9262)(厚度24 μ m)还通过机械切割或激光划片来执行芯片分离。在激光划片的情况下，用于器件分 离的切割沟槽为50 μ m宽，并且在机械切割的情况下，其为40 μ m。在两种情况下沟槽深度都为大约10 μ m深。参照图17，在器件的露出部分上沉积钝化层536。为了保护器件免受外部危险环 境的影响并通过调节在钝化层与GaN之间的反射率来增加光输出，通过SiO2薄膜536使垂 直器件钝化。在250°C以下通过PECVD (等离子体辅助化学汽相沉积)沉积膜。膜的厚度保 持在为了最佳反射率的80nm。参照图18，在钝化沉积之后，使用溶剂从GaN/金属支撑晶片去除穿孔支撑晶片载 体。松解工艺包括在丙酮中浸泡GaN/金属晶片0. 5 1小时，以从穿孔支撑晶片载体溶解 导电粘附层。在超声波清洁器中进一步用异丙醇浸泡并清洁分离的GaN/金属晶片。GaN器 件表面还使用漂洗(rinse)和干燥器(dryer)用DI水(去离子水)清洁。参照图19，为了将独立的器件与晶片分离，使用Nd ；YAG激光，通过激光划片，切割 器件。在多孔真空卡盘上放置具有垂直器件的晶片，该垂直器件带有金属衬底。Nd;YAG激 光聚焦在用MICP形成的30 μ m宽沟槽上。在激光划片完成之后，将分离的芯片转移到粘性 的晶片夹带。在拾取和放置工艺之前，将分离的芯片从第一晶片夹翻转(flip)到另一晶片 夹560，从而将GaN表面定位在器件的顶部。图20描述具有最终器件500的引线键合工艺，其中，参考标号570为引线框，572 是金凸起，574是金球，576是金引线，以及578是引线键合器件。与传统的横向器件相反， 使用特殊的芯片键合技术处理金属支撑垂直器件500。在本发明中，如图20所示，采用一步 芯片键合和引线键合技术。代替分开执行芯片键合与引线键合工艺，在引线框表面上具有 金凸起的引线框上设置独立的单个芯片。通过加热和增压动作，金凸起可同时与垂直器件 的金表面以及涂银的引线框连接在一起。因此，无需执行单独的芯片键合以及引线键合工 艺。该一步工艺有助于减小处理时间并提供了容易且简单的封装工艺，从而降低制造成本 与时间。虽然描述了示例性封装技术，但是在本发明中也可以使用其他封装技术。B.示例性的利益点以及优势这里的特点与优势被认为是示例性的，并且不用于限定本发明的优点或优势。1.示例性器件特点a.由于通过n-GaN层的更好的电流扩散而产生的更高的光输出，n-GaN层具有比 P-GaN更高的载流子浓度。n-GaN的电子浓度(载流子浓度)被认为在1019/cm3的范围内， 其比P-GaN空穴浓度( IO1Vcm3)高两个量级。因此，可根据注入到p_n结的电流，穿过 n-GaN层产生更多光子。具有η侧上部结构的新垂直器件的光输出比用相同GaN/InGaN外 延层产生的具有P侧上部结构的横向器件的光输出增加2或3倍。b.由于金属衬底而产生的更高散热。垂直结构器件的金属衬底给出很好的导电性 和导热性，其在器件有效性和可靠性(即，器件寿命)方面非常有用。c.由于与横向结构相比，因为垂直器件仅需要一个金属接触焊盘，从而缩小了器 件尺寸，所以可获得更大量的器件。垂直结构仅需要在顶侧上的一个接触部，而具有绝缘衬 底的横向器件需要两个接触部。结果，从垂直器件可获得比从横向器件获得的多大约1.5 至2倍的器件。d.可从垂直器件中获得更高的功率效率。在垂直器件中不存在电流拥塞，因此光 输出与电流注入成线性关系。另一方面，由于电流拥塞效应，横向器件的最大光输出更早达 到饱和。这对于高功率器件(例如，用于固态照明的白LED)是很重要的。
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e.与横向器件相比，垂直器件可耐受高静电放电(ESD)环境，通常具有金属衬底 的垂直器件的ESD电阻高于10，000V，而横向器件的ESD电阻约为100V。由于器件经常暴 露于高压环境，所以这一点对于在车辆应用中使用的器件很重要。2.示例性工艺特点a.由于通过金属沉积(例如，电镀)直接附着到GaN外延层的金属衬底的较高粘 合强度，所以在激光束的高能量冲击波照射期间可明显地抑制在支撑衬底与GaN外延层之 间的松解。结果，在激光剥离处理过程中，可使裂缝发生保持在最小范围内。与之前的基于 聚合物的键合工艺(例如，环氧树脂或胶合键合)相比，产生更高的激光剥离(LLO)生产 率，由于在支撑部与GaN外延层之间的粘合强度很差，所以基于聚合物的键合工艺导致在 LLO期间裂缝发生和生成的可能性更高。b.结果，与之前的晶片键合或基于胶合键合的LLO工艺相比，新发明确保更稳固 且更可靠的LLO工艺。通过实现全晶片尺寸激光剥离工艺，本发明提供了用于垂直结构器 件的大规模生产的实际便于生产的技术。c.简单且更容易的器件制造以及LLO工艺，需要用于前制造工艺的掩模的减少的数量。3.示例性优势a.代替金属键合，通过电镀或化学镀来沉积金属支撑衬底。b.代替后续的LLO金属支撑层沉积，在LLO工艺之前，实现金属支撑层。c.不在GaN外延层上形成沟槽，其使得LLO工艺过程中不产生裂缝并且减小了制 造步骤数。d.在器件顶部上设置η型接触部用于更高光输出。e.不采用透明ρ型接触层，反而在n-GaN上形成ITO透明η型接触部用于更好电 流扩散。f.紧接着ρ型接触层处，采用ITO DBR层，以通过更高反射率的ITO层来提高光输
出οg.将穿孔的金属晶片载体用于晶片键合，用以容易地处理以及松解。h.相比于传统的基于LLO的垂直器件制造，新的制造工艺是直接了当的并且更加可靠。C.结论这里已经公开且描述了本发明的优选以及示例性实施例。由此，这里公开了示例 性实施例和最好的模式，在保持在由权利要求所限定的本发明主旨和精神范围内的同时， 可对公开的实施例进行修改和改变。
1权利要求
一种半导体结构，其包括第一缓冲层，包括GaN和AlN中的至少一个；第二缓冲层，包括AlGaN；包括n GaN的层；包括AlInGaN的层；以及包括p GaN的层。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括 衬底。
3.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括 包括P-AlGaN的层。
4.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括 包括铜和铜合金中至少一种的金属层；以及 包括金的金属层。
5.根据权利要求4所述的半导体结构，还包括 晶片载体，连接至所述半导体结构。
6.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括 晶片载体，连接至所述半导体结构。
7.根据权利要求4所述的半导体结构，还包括 包括n-ITO的层。
8.根据权利要求7所述的半导体结构，还包括 多个接触部。
9.根据权利要求8所述的半导体结构，还包括 多个沟槽，设置在独立的半导体器件之间。
10.根据权利要求9所述的半导体结构，还包括 钝化层，位于所述器件的露出部分上方。
11.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括在包括P-GaN的所述层上方的电接触层 结构，所述电接触层结构包括P型ITO层。全文摘要
本发明公开了一种制造具有提高的光输出的新的垂直结构化合物半导体器件的可靠方法以及一种用于大规模生产GaN基化合物半导体器件的激光剥离工艺。本发明的主旨在于在LLO之前，通过电镀法来采用直接金属支撑衬底沉积，以形成n侧顶部垂直结构。此外，紧接着p接触层采用ITO DBR层，以通过更高的反射率提高光输出。穿孔金属晶片载体也用于晶片键合，用以容易地处理以及松解。相比于传统LLO基垂直器件制造，新的制造工艺更可靠。与通过相同的GaN/InGaN外延膜制造的横向器件的光输出相比，具有n侧上部结构的新的垂直器件的光输出增加了2或3倍。
文档编号H01L29/22GK101901858SQ20101013444
公开日2010年12月1日 申请日期2005年4月27日 优先权日2004年4月28日
发明者刘明哲 申请人:沃提科尔公司