垂直结构半导体器件的利记博彩app

专利名称：垂直结构半导体器件的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及制造具有顶部和底部4妄触结构的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4妄触部形成于器件的顶部上。P型纟妾触部
(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n型金属4妾触部(n-metal contact) 118。产物祐:称为4黄向结构 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amtion)。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/人 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的不均匀，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4建合的衬底(例如，Si或GaAs)与铜(Cu)基 金属村底相比，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^f艮低。
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。由于在蓝宝石衬底上使用喷砂处理以提高均匀激光束能量分 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，其车叙出寿交少的光。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，ITO)高。
由于传统纟支术的这些限制，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4妄金属支撑衬底沉积，以形成n型侧 顶部垂直结构(n画side top vertical structure )。》匕夕卜，紧冷卩p型4妾触 层处采用ITODBR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外延膜制造的片黄向器件的光输出相比，具有 n型侧上部结构(n-side up structure )的新的垂直器件的光ft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，本发明包才舌以下步驶《在半导体层与衬底之间形 成緩冲层。在另一方面，去除步骤包4舌以下步-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4支术。


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4黄向结构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。 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A1N緩沖层。图5还示出了才艮层。
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。
10
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GaNLED晶片。
图11示出了4艮据本发明实施例的在激光剥离处理过程中用以 获得均匀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n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示出了才艮据本发明实施例的在GaN LED层的顶部上的n 型ITO透明4妄触部形成。
图15示出了根据本发明实施例的在n-ITO层上的n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 )或激光划片的才几才戒方法进4亍的器件分离(isolation )。
图17示出了根据本发明实施例的保护Si02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示出了才艮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。
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7>开涉及在其他材^牛上面或上方沉积材津牛，其祐 说明且描述为表 示参考的4壬意方框，正如通过本领域j支术人员并结合描述解释和理 解的，本/>开旨在描述且覆盖在其他材料顶部上方、之上、或下方 沉积材料的纟支术。例如，本/>开的一部分描述了/人上构造的半导体 层，并且其4也部分描述了乂人下构造的半导体层，而在这两种情况下， 4口所i兌明及示出的，在玉见有层上沉积的4斤层意p未着其沉积在it见有层 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 时参凄t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 i殳置有字母后缀，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，蓝宝石村底)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A1N緩冲层504。 在本发明的一个方面，在緩沖层504上形成AlGaN緩沖层506，以 作为阻热层。组合纟爰沖层^皮描述为参考标号505，并且可包4舌如下 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 well, MQW)层510。描述了优选的p-AlGaN 层512，并且描述了 p-GaN层。
与单层GaN或A1N为7>共緩沖层的传统技术相反，本发明优 选地除GaN或A1N緩冲层504之外还采用AlGaN緩冲层506，但 不是必需两层。在热绝缘方面，AlGaN緩沖层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4匕(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5pm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AIN緩冲 层的顶部上生长4iam以上厚度的n-GaN层。
图6描述4吏用薄膜沉积法(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p型接触金 属516以及ITO透明(transparent) 4妄触部/DBR层518沉积。示例 性p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10nmNi以及20nmAu; Pd/Ni/Au的10nm Pd以及20nm Ni、 30nm Au;以及Pd/Ir/Au的20nm Ni、 10nm Pd以及20nm Ir、 30nm Au;以及Ni/Pd/Au的20nm Ni和 20nm Pd、 100nm Au。通常，在300。C至500。C之间的熔炉内，将p 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"t妄触部在氮气环境中退火。
4吏用电子束蒸发或溅射来沉积薄力莫氧化铟锡(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村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。1丁0的反射率在90% 以上，而金属薄膜的最佳反射率约为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|im )的具有薄且硬的GaN外延层(小于5^im ) 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(buildup)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l|um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30nm 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;冗积在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之前沉积第一铜沖击层(strike layer )。在一 个方面，首先，电镀石克酸盐基專欠铜层，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10fim。电镀速率 设置为3 5nm/小时，以形成致密且均匀的铜电镀层。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，
有才几基质添加剂可^皮添加在电镀溶液中并且使用基于石黄酸盐的电 镀溶液。此外，在低温(5°C )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15jam/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50~60pm。在铜合金电镀的最后，电镀0.3iam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匀的粗糙度。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4艮重要。激光束能量密度完全取决于蓝宝石表面的表面粗4造 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^f吏用导电热塑环氧杉t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4建合处理过程中气泡可轻易地通过孔泄漏， 所以穿孔晶片载体才是供了气泡自由的(bubble-free )晶片4建合。由 于在+>解处理期间溶剂可以穿过孔，所以其还4是供了在蓝宝石 /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 的实例性总凄t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，用于与粘合剂均匀键合。
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+>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匀。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4建合工艺经-验中经常造成不一致的厚度 均匀性以及气泡形成。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127pm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 等请争压才几(hot iso-static press )中将压力i殳置成约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l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(Nz )。选取激光束尺寸为7mm x7mm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800mJ/cm2的光束 能量用于RMS值10 ~ 20埃的机械抛光蓝宝石村底。
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^f吏用抛光的表面，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 均匀的激光束分布，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248nmUV激光透射的 材升+构成的漫射介质552 i殳置在激光束与蓝宝石4十底之间，以获得 在蓝宝石表面上的均匀激光束能量分布，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30pm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HC1溶液(HC1:H20 = 1:1，室 温下)将清洗液滴或4吏用HC1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n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 )去除緩沖层505(例 如，GaN或A1N以及AlGaN緩沖层)。为了形成原子平面(atomically flat 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n型ITO透明接触部534。 ITO成分
为10wt%的SnO2/90wt%的ln203,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〗氐于l(T4nCm。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n-ITO表面上形 成n型4妻触部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。n型接触金属的厚度分別 为5nm的Ti和200nm的Al。为了在n型4妾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-皮坏真空，在 Cr的顶部连续地沉积500nm的金。为了形成欧姆4妄触部，在熔炉 中，在N2环境中，以250。C退火n型接触金属IO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 ^^莫燃烧。与传统的ICP相比，MICP通常才是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才莫的化学制品来侵蚀 (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|am宽且3.5pm深，蚀刻 深度耳又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100 sccm
2. 》兹场强度15高斯
3. 村底温度70°C
4. 气体混合40%BCl3/40%Cl2/20%Ar
5. 功率/偏压600W/-300V
6. 操作压力30m托
7. 蚀刻深度速率0.4(im/分钟
8. 蚀刻掩才莫光刻月交(AZ9262)(厚度24|am )
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|_im宽，并且在机械切割的情 况下，其为40nm。在两种情况下沟槽深度都为大约10pm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Si02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30pm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，^f旦是在本发明中也可以4吏用其他封装4支术。
B.示例'性的利益点以及优势
这里的特点与优势^皮认为是示例性的，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(~ 1017/cm3)高两个量级。因此，可才艮据注入到p-n结的电流， 穿过n-GaN层产生更多光子。具有n侧上部结构的新垂直器件的光
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^T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^f艮重要的。
e. 与;f黄向器件相比，垂直器件可耐受高^"电》文电(ESD)环 境，通常具有金属衬底的垂直器件的ESD电阻高于IO,OOOV,而横 向器件的ESD电阻约为IOOV。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沖击波照射 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4建合，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4吏得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i殳置n型4妄触部用于更高光输出。
e. 不采用透明p型接触层，反而在n-GaN上形成ITO透明n 型接触部用于更好电流扩散。
f. 紧4妻着p型4妄触层处，采用ITODBR层，以通过更高反 射率的ITO层来^是高光l釙出。
g. 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4妻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。
权利要求
1.一种制造半导体器件的方法，其包括以下步骤在衬底上方形成多个半导体层；在所述半导体层上方形成多个金属层；将所述衬底从所述半导体层去除；在去除了所述衬底的所述半导体层上方形成一个或多个电接触部；以及将所述半导体层分离成多个独立的半导体器件。
2. 才艮据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在所述半导体层与衬底之间形成緩冲层。
3. 冲艮据权利要求1所述的方法，其中所述去除步眾《包4舌以下步骤将激光束施加到在所述半 导体层与村底之间的界面，以及在所述激光源与所述衬底之间 插入漫射介质，用于使激光束能量分布均匀。
4. 根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤将晶片载体附着至所述金属层。
5. 根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤将晶片载体附着至所述金属层。
6. 根据权利要求3所述的方法，还包括以下步骤将晶片载体附着至所述金属层。
7. 根据权利要求2所述的方法，其中所述分离步骤包括以下步骤在每个所述各个器件之间 形成沟槽，钝化所述器件的露出部分，以及将所述独立的半导 体器件传送到支撑膜。
8. 根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤使用一步芯片键合和引线键合技术，组装所述独立的半 导体器件至引线框。
9. 才艮才居4又利要求7所述的方法，还包4舌以下步艰纟使用一步芯片键合和引线4建合技术，组装所述独立的半 导体器件至引线框。
10. —种根据权利要求1所述的方法制造的半导体器件。
11. 一种制造发光半导体器件的方法，包括以下步骤在衬底上方形成二4及管结构；在所述二极管结构上方形成多个金属层；将所述衬底从所述二极管结构去除；在去除了所述衬底的所述二极管结构上方形成一个或多 个4妄触部；以及将所述二极管结构分离成多个独立的二极管。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述二极管结构的 所述步艰《包4舌以下步-骤在所述衬底上方沉积包括GaN和A1N之一的第一纟爰冲 层；以及在所述》爰沖层上方沉积n-GaN层。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述二极管结构的 所述步-骤包纟舌以下步-骤在所述衬底上方沉积包括GaN和A1N之一的第一緩冲层；在所述衬底上方沉积包括AlGaN的第二緩沖层；以及 在所述纟爰沖层上沉积n-GaN层。
14. 才艮据4又利要求12所述的方法，其中所述去除步骤包括以下步骤将激光束施加到在所述半 导体层与邱十底之间的界面，在所述激光源与所述衬底之间插入漫射介质，以及液化所述緩沖层的至少一部分。
15. 根据权利要求11所述的方法，其中所述分离步骤包括以下步骤在每个所述各个器件之间 形成沟槽，钝化所述器件的露出部分，以及将所述独立的半导 体器件传送到支撑膜。
16. 才艮据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤将晶片载体附着至所述金属层。
17. 根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤将晶片载体附着至所述金属层。
18. —种根据权利要求11所述的方法制造的半导体器件。
19. 一种半导体结构，其包括第一多爰冲层，包才舌GaN和A1N中的至少一个； 第二緩冲层，包括AlGaN; 包4舌n-GaN的层；包括AlInGaN的层；以及包4舌p-GaN的层。
20. 根据权利要求19所述的半导体结构，还包括衬底。
21. 根据权利要求19所述的半导体结构，还包括包括p-AlGaN的层。
22. 根据权利要求19所述的半导体结构，还包括包括铜的金属层；以及 包括金的金属层。
23. 根据权利要求23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。
24. 才艮据权利要求22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。
25. 才艮据4又利要求22所述的半导体结构，还包括包括n-ITO的层。
26. 根据权利要求25所述的半导体结构，还包括多个4妄触部。
27. 根据权利要求26所述的半导体结构，还包括多个沟槽，i殳置在独立的半导体器件之间。
28. 根据权利要求27所述的半导体结构，还包括 4屯化层，位于所述器件的露出部分上方。
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H01S5/024GK101366121SQ200580021006
公开日2009年2月11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