专利名称：一种低应力led倒装功率芯片及其制备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低应力LED倒装功率芯片，以及该倒装功率芯片的制备方 法，属于半导体器件及其制造工艺技术领域。
背景技术：
半导体照明是近百年来照明技术的真正革命。由于半导体材料将电能直接转 化为光，所以半导体照明具有与传统照明光源最大的不同在于它的光线不会产生 热量。为了适应通用照明的需求，半导体照明光源、大功率LED迫切需要解决 发光效率低、散热能力差和芯片内各功能层间的应力问题。
目前，传统的蓝宝石衬底GaN大功率芯片，电极位于芯片的出光面上。约 30%的光被P电极吸收，且由于P-GaN层的有限的电导率，要求在P-GaN层表 面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层会遮住一部分光，从而降低芯 片的出光效率。因此这种P型接触结构制约了 LED芯片的工作功率。同时这种 结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长。由于蓝宝石的热导系 数较金属低G5W/m，K)，因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这 种结构的P电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装，且正装结构上面通常涂 上一层环氧树脂，而环氧树脂导热能力很差，造成散热难的问题，影响器件的性 能参数和可靠性。所以，这种正装LED芯片从器件结构本身对器件功率、出光 效率和热性能等方面均构成较大影响。为了克服正装芯片的这些不足，美国 Lumileds公司发明了倒装芯片。氮化镓基LED芯片倒扣在硅芯片上，硅芯片上 有两个打线焊盘，封装时打金线与外界电源相接。倒扣焊接技术工艺包括运用种 球机，选用合适尺寸的金线和适当的种球温度，控制Wire-Bond球(超声金丝球) 的尺寸，接着利用Die-Bond (倒装焊接)机超声波进行焊接。电极上焊接的数 个BUMP (金球)与硅衬底上对应的BUMP通过共晶焊接在一起，硅衬底通过 粘接材料与器件内部热沉粘接在一起，光从蓝宝石衬底取出。相对于正装结构， 这种倒装结构具有电、光、热等方面较优的特性。
但上述倒装芯片结构中，硅衬底的粘接材料在影响器件热导特性因素中是一 个比较重要的因素，如果处理不好，将使得LED的热阻及应力过大，导致在额 定工作条件下器件的结温过高，外延片与导热衬底间应力过大而出现裂开现象， 导致器件的出光效率下降、可靠性降低。因此倒装芯片制作过程中如何控制和优
化P-N电极外延片与衬底的接触面积和接触电阻，改善芯片稳定、应力、散热 等问题，提高倒装芯片的质量和成品率，是器件加工工艺中面临的几个主要难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种产热低，可靠性高，稳定性高的低应力LED倒 装功率芯片。
本发明的另一目的在于一种工艺简单、成本较低、成品率高的低应力LED 倒装功率芯片的制备方法。
本发明提供的低应力LED倒装功率芯片主要包括制作有P-N电极的外延 片、制作有反射层的硅衬底和填充层，其特征在于在制作有P-N电极的外延片 和制作有反射层的硅衬底之间的填充层为合金填充层，通过合金填充层倒装焊 接、键合功率LED倒装芯片；而且合金为Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn或者In—种以
上的组合。
本发明提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N电极的外 延片和制作有反射层的硅衬底键合时，两者之间的距离为2—10pm;制作有P-N 电极的外延片和制作有反射层的硅衬底的接触面积的百分比为50% 80%。
本发明提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N电极的外 延片包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上形成的N-GaN层,在N-GaN层上形成的 发光层，在发光层上形成的P-GaN层，在P-GaN层表面淀积形成的有利于电流 扩散的金属层即透明导电层，由P-GaN层和N-GaN层分别引出的P-N电极，在 P-N电极之间生长的钝化层。
本发明提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有反射层的硅衬 底为在半导体硅衬底上形成的电学隔离层，在该电学隔离层上有金属反射层。
本发明提供的低应力LED倒装功率芯片的制备方法，其特征在于包括如下 步骤
第一步，制作带P-N电极的外延片，包括如下步骤在蓝宝石衬底上采用
耦合离子刻蚀或反应离子刻蚀设备利用氯离子及氩离子进行干法刻蚀，刻蚀
P-GaN层和发光层至N-GaN层暴露为止，形成P-GaN层和发光层，，刻蚀时用光 刻胶或Si02作掩膜；在P-GaN层的表面采用真空电子束蒸发形成一层有利于电 流扩散的金属层即透明导电层；由P-GaN层和N-GaN层采用磁控溅射或电子束 蒸发分别形成引出的P-N电极；在P-N电极之间采用等离子增强化学汽相淀积 生长一层70nm-120nm的&02钝化层；
第二步，制作带有反射层的硅衬底，包括如下步骤..在本征半导体硅衬底上 利用等离子增强化学汽相淀积淀积一层P-N电极的电学隔离层，该电学隔离层 为Si02或Si3N4绝缘层，厚度为50nm-100nm，然后用磁控溅射或电子束蒸发一
层厚度为200nm-300nm的金属反射层，该金属反射层采用钛铝或钛银；
第三步，将制作好的P-N电极外延片分割成1000pmX1000Kim的器件，将 制作好的带反射层的硅衬底分割成1400pmX 1200pm的器件，将两者通过填充 合金纯加热法键合进行倒装焊接在一起。
由于倒装焊接、键合时，采用具有高导热系数的纯金和Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn、 In等组合化合物合金作为填充材料，可通过纯加热法实现倒装焊接，减小 P、 N—GaN层与硅衬底间的距离，P-GaN层与硅衬底反射层之间的距离被控制 在2 10|am的小间距，增加制作有P-N电极的外延片和带有反射层的导热衬底 的接触面积，该接触面积的百分比被控制在50% 80%，降低了芯片的热阻及应 力，高导热性能和低电阻使得LED芯片节的热量可以较快地传导和散发出去， 从而改善了倒装芯片的应力和稳定性问题，提高了大功率LED倒装芯片的散热 能力、稳定性、成品率。因此，采用本发明的方法可以降低大功LED倒装芯片 的应力和热阻，同时优化了芯片散热和稳定、可靠性，提高了芯片的成品率。
总之，本发明提供的低应力LED倒装功率芯片，它改善倒装芯片的应力问 题，并降芯片的热阻，可有效提高大功率LED倒装芯片的散热能力、稳定性、 成品率。本发明通过在P-N电极外延片和硅衬底之间通过纯加热法填充纯金和 其它合金进行倒装焊接、键合功率LED倒装芯片，十分有效地提高了大功率LED 倒装芯片的散热能力、可靠性和成品率，降倒装芯片的应力和热阻，从而极大地 提高了芯片的质量和器件的性能。本发明是制作大功率LED倒装芯片和提高器 件质量和性能的十分有效的工艺方法
图1是衬底上填充材料接触面积(Padarea)与倒装芯片成品率的关系曲线图。 图2是衬底上填充材料接触面积(Padarea)与倒装芯片电压关系曲线图； 图3是衬底上填充材料为铅锡合金时，接触面积(Pad area)与其热阻的关
系曲线图。图中t为填充材料的厚度；
图4是衬底上填充材料为金属纯金时，接触面积(Padarea)与其热阻的关
系曲线图。图中t为填充材料的厚度。
具体实施例方式
本发明低应力LED倒装功率芯片，由制作有P-N电极的外延片、制作有反 射层的硅衬底和合金填充层组成。
对于一般的倒装芯片，倒扣焊接是通过运用种球机，选用合适尺寸的金线和 适当的种球温度，控制Wire-Bond球(超声金丝球)的尺寸，接着利用Die-Bond (倒装焊接)机超声波进行焊接。电极上焊接的数个BUMP (金球)与硅衬底上
对应的BUMP通过共晶焊接在一起。焊接工艺复杂，金球与P、 N—GaN层及硅 衬底的接触面积有限且难以控制，P、 N—GaN层与硅衬底间的距离较大。如果 处理不好，容易使LED的热阻及应力过大。
对于本发明低应力LED倒装功率芯片，由于倒装焊接、键合时，采用具有 高导热系数的纯金和Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn、 In等组合化合物合金作为填充材 料，可通过纯加热法实现倒装焊接，减小P、N—GaN层与硅衬底间的距离，P-GaN 层与硅衬底反射层之间的距离被控制在2 10pm的小间距，增加P-N电极外延 片和带有反射层的硅衬底的接触面积，该接触面积的百分比被控制在50% 80%，降低了芯片的热阻，高导热性能和低电阻使得LED芯片节的热量可以较 快地传导和散发出去，从而改善了倒装芯片的应力和稳定性问题，提高了大功率 LED倒装芯片的散热能力、稳定性、成品率。
下面结合一个具体实施例对本发明所述的低应力LED倒装功率芯片制作工 艺方法进行说明
实施例1:
为制备上述低应力LED倒装功率芯片，本发明的制备方法，包括以下步骤 首先，运用MOCVD (金属有机化学气相淀积)设备外延生长GaN基大功 率LED结构外延片，衬底为蓝宝石(A1302)。然后刻蚀N面台阶和芯片尺寸的 划道，露出N-GaN台面，以便作N电极及焊垫。N型台面用反应离子刻蚀设备 R正刻蚀，反应气体为C1: Ar=10: 3。采用ICP (耦合离子刻蚀)或RIE (反应 离子刻蚀)设备利用氯离子及氩离子进行干法刻蚀，形成的P-GaN层和发光层， 并使P-GaN层和发光层与其下面的N-GaN层形成电接触，刻蚀时用光刻胶或
Si02作掩膜。
其次，在P-GaN层上蒸镀一层厚度为200nm-300nm的透明导电薄膜ITO， 作为透明导电层。由P-GaN层和N-GaN层采用磁控溅射或电子束蒸发分别蒸镀 形成以Ni/Au的金属组合(镍/金)为金属组合的P-N电极和焊垫。电极尺寸为 90nm 12(Vm (当P-N电极外延片尺寸为lOOOprnX 1000pm时)。在P-N电极 之间采用PECVD (等离子增强化学汽相淀积)生长一层80nm的SiO2钝化层。 然后用化学机械抛光(CMP)设备将蓝宝石由350nm 450nm减薄至90nm 150pm。在2英寸本征半导体硅衬底上利用PECVD (等离子增强化学汽相淀积)
淀积一层P-N电极的电学隔离层，该电学隔离层为Si02或Si3N4绝缘层，厚度为
50nm-100nm，然后用磁控溅射或电子束蒸发一层厚度为200nm-300nm的金属反 射层，该金属反射层采用TiAl (钛铝)或TiAg (钛银)。
最后，将制作好的带有P-N电极的外延片分割成lOOOpmXlOOOjLim的器件， 将制作好的带反射层的硅衬底用切割机分割成1400|imX1200|am的器件。将作 好电极的P-N电极外延片用激光划片机分割成1000pmX100(^m的器件。将两
者通过填充纯金和其它合金以纯加热法键合进行倒装焊接在一起。 实施例2:
调节制作有P-N电极的外延片与硅衬底的接触面积(Pad area)，降低芯片的应 力，优化芯片成品率。所述将LED晶片与硅衬底焊接在一起的工艺参数如下
P-N电极外延片与衬底的接触面积(Pad area)百分比控制在50% 80%。 在接触面积百分比越小，芯片的成品率越高。当接触面积百分比从10%增加到 90%时，芯片的成品率从70%降到20%。芯片稳定性测试条件电流为350 mA， 时间为 1000hrs。接触面积小时，芯片稳定性能好。当P-N电极外延片与衬底 部分接触时，芯片应力小且性能稳定，但散热性差。当P-N电极外延片与衬底 全接触时，芯片散热性好，但应力小，稳定性差。
实施例3:
调节填充材料的种类和厚度,优化芯片热阻。
倒装焊接填充材料为纯金和Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn、 In等组合化合物，P-GaN 层与硅衬底反射层之间填充材料的厚度为2)am l(Hmi。在不同厚度填充情况下， 接触面积(Pad area)与其热阻的关系在填充材料种类和厚度不变时，接触面 积大时，热阻小；在填充材料种类和接触面积不变时，填充材料厚度大时，热阻 大；在填充材料厚度和接触面积不变时，填充材料的热导率大时，热阻小。
权利要求
1.一种低应力LED倒装功率芯片，包括制作有P-N电极的外延片、制作有反射层的硅衬底和填充层，其特征在于在制作有P-N电极的外延片和制作有反射层的硅衬底之间的填充层为合金填充层，通过合金填充层倒装焊接、键合功率LED倒装芯片；而且合金可为Au、Al、Cu、Pb、Sn或者In一种以上的组合。
2. 如权利要求1所述的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N 电极的外延片和制作有反射层的硅衬底键合时，两者之间的距离为2 10jam;制 作有P-N电极的外延片和制作有反射层的硅衬底的接触面积的百分比为50% 80%。
3. 如权利要求1所述的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N 电极的外延片包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上形成的N-GaN层，在N-GaN层 上形成的发光层，在发光层上形成的P-GaN层，在P-GaN层表面淀积形成的有 利于电流扩散的金属层即透明导电层，由P-GaN层和N-GaN层分别引出的P-N 电极，在P-N电极之间生长的钝化层。
4. 如权利要求1所述的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有反射 层的硅衬底为在半导体硅衬底上形成的电学隔离层，在该电学隔离层上有金属反 射层。
5. 如权利要求1所述的低应力LED倒装功率芯片的制备方法，其特征在于 包括如下步骤第一步，制作P-N电极外延片，包括如下步骤在蓝宝石衬底上采用耦合离子刻蚀或反应离子刻蚀设备利用氯离子及氩离子进行干法刻蚀，刻蚀P-GaN 层和发光层至N-GaN层暴露为止，形成P-GaN层和发光层，刻蚀时用光刻胶或 Si02作掩膜；在P-GaN层的表面采用真空电子束蒸发形成一层有利于电流扩散 的金属层即透明导电层；由P-GaN层和N-GaN层采用磁控溅射或电子束蒸发分 别形成引出的P-N电极；在P-N电极之间采用等离子增强化学汽相淀积生长一 层70nm-120nm的Si02钝化层；第二步，制作带有反射层的硅衬底，包括如下步骤在本征半导体硅衬底上 利用等离子增强化学汽相淀积淀积一层P-N电极的电学隔离层，该电学隔离层 为Si02或Si3N4绝缘层，厚度为50nm-100nm，然后用磁控溅射或电子束蒸发一 层厚度为200nm-300nm的金属反射层，该金属反射层采用钛铝或钛银；第三步，将制作好的P-N电极外延片分割成1000pmX1000inm的器件，将 制作好的带反射层的硅衬底分割成1400pmX120(Him的器件，将两者通过填充 合金纯加热法键合进行倒装焊接在一起。
全文摘要
本发明涉及一种低应力LED倒装功率芯片，以及该倒装功率芯片的制备方法，属于半导体器件及其制造工艺技术领域。主要包括制作有P-N电极的外延片、制作有反射层的硅衬底和填充层，其特征在于在制作有P-N电极的外延片和制作有反射层的硅衬底之间的填充层为合金填充层，通过合金填充层倒装焊接、键合功率LED倒装芯片。制作时先制作带P-N电极的外延片，再制作带有反射层的硅衬底，然后将两者通过填充合金纯加热法键合进行倒装焊接在一起。本发明提供的低应力LED倒装功率芯片，它改善倒装芯片的应力问题，并降芯片的热阻，可有效提高大功率LED倒装芯片的散热能力、稳定性、成品率。有效地提高了大功率LED倒装芯片的散热能力、可靠性和成品率，降倒装芯片的应力和热阻，从而极大地提高了芯片的质量和器件的性能。
文档编号H01L23/36GK101101945SQ20071004279
公开日2008年1月9日 申请日期2007年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者卓 孙, 褚家宝, 陈奕卫, 靳彩霞, 黄素梅 申请人:华东师范大学