CN101335320B - 用于制作发光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制作发光器件的方法，所述方法包括的步骤为：(a)提供包括衬底(12)的晶片(10)以及安装在该衬底(12)上的多个外延层(14)，该多个外延层(14)包括其中能够产生光的有源区；(b)形成与该衬底(12)相对的图案(26)；以及(c)在该图案(26)之间形成导热金属的比较厚的层(28)。

Description

用于制作发光器件的方法
本申请是申请日为2003年9月19日、申请号为03827175.3、发明名称为“半导体器件的制造”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于制作发光器件的方法，其具体而言涉及，虽然不是完全地，在半导体器件上电镀(plating)热沉。
背景技术
随着半导体器件的发展，在它们的操作速度和总体尺寸的减小上已经有了显著的提高。这导致了一个在半导体器件中积蓄热的主要问题。因此，热沉被用于帮助从半导体器件驱散热。如此的热沉通常与半导体器件分开制造，且通常恰在封装之前粘结到半导体器件。
存在着许多在半导体器件的制造过程中将铜电镀到半导体器件的表面的建议，特别是用于互连。
目前半导体器件的大部分由基于硅(Si)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)的半导体材料制成。与如此的电子和光电子器件比较，GaN器件具有许多优点。GaN所具有的主要内在优点总结在表1中。
表1
  半导体   迁移率μ(cm2/Vs)   带隙(eV)/波长(nm)   BFOM(功率晶体管优点)   最大温度(℃)
  Si   1300   1.1/1127   1.0   300
  GaAs   5000   1.4/886   9.6   300
  GaN   1500   3.4/360   24.6   700
从表1可以看出GaN在给定的半导体中具有最高的带隙(3.4eV)。于是，其被称为宽带隙半导体。因此，由GaN制成的电子器件在比Si和GaAs和InP器件高得多的功率下工作。
对于半导体激光器，GaN激光器具有相对短的波长。如果这样的激光器被用于光学数据存储，较短的波长可以实现更高的容量。GaAs激光器被用于容量为约670MB/盘的CD-ROM。AlGaInP激光器(也基于GaAs)被用于容量为约4.7GB/盘的最新的DVD机。下一代DVD机中的GaN激光器可以具有26GB/盘的容量。
GaN器件由GaN晶片制成，GaN晶片通常为沉积在蓝宝石衬底上的多层与GaN相关的外延层。蓝宝石衬底直径通常为两英寸且用作外延层的生长模板(template)。由于GaN相关的材料(外延膜)和蓝宝石之间的晶格失配，在外延层中产生了缺陷。如此的缺陷对于GaN激光器和晶体管引起了严重的问题，对于GaN LED问题的程度小一些。
存在两种生长外延晶片的主要方法：分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。两种都得到了广泛的使用。
常规的制造工艺通常包括这些主要的步骤：光刻、蚀刻、介电膜沉积、金属化、结合焊盘形成、晶片检视/测试、晶片减薄、晶片解理、芯片结合到封装、引线结合和可靠性测试。
一旦在完整晶片的尺度完成了制造LED的工艺，则需要将晶片分为个体的LED芯片或管芯。对于生长在蓝宝石衬底上的GaN晶片，该“解理”操作是一个主要的问题，因为蓝宝石非常硬。首先必需将蓝宝石均匀地从约400微米减薄到约100微米。然后将减薄的晶片通过金刚石划片器来解理，通过金刚石锯或激光刻槽来切割，随后用金刚石划片器来划片。如此的工艺限制了产量，引起的成品率的问题且消耗了昂贵的金刚石划片器/锯。
已知的生长在蓝宝石衬底上的LED芯片需要在芯片顶部上的两个引线结合。这是必需的，因为蓝宝石是电绝缘体且通过100微米厚度的电流导通是不可能的。因为每个引线结合焊盘占据了约10-15％的晶片面积，所以与生长在导电衬底上的单引线结合LED相比，第二引线结合焊盘将每个晶片的芯片数量减小了约10-15％。几乎所有的非GaN LED都生长在导电衬底上且使用一个引线结合。对于封装公司，双引线结合减少了封装产率，需要改进单引线结合工艺，减少了芯片的有效面积，使得引线结合工艺复杂以及因此降低了封装产率。
蓝宝石不是好的导热体。例如，蓝宝石在300K(室温)的导热率为40W/Km。这远小于380W/Km的铜的导热率。如果LED芯片被键合到蓝宝石界面的芯片封装，在器件的有源区中产生的热必须流过3到4微米的GaN和100微米的蓝宝石以达到封装/热沉。因此，芯片将发热，影响了性能和可靠性。
对于蓝宝石上的GaN LED，发光的有源区离蓝宝石衬底为约3-4微米。
发明内容
根据本发明的优选形式，提供有一种在衬底上制造半导体器件的方法，半导体器件具有多层，所述方法包括的步骤为：
(a)将导热材料电镀到远离衬底且接近器件层的半导体器件的表面上；
和
(b)去除衬底。
半导体器件可以为硅基器件。
根据另一种形式，提供有一种在衬底上制造发光器件的方法，发光器件包括具有有源层的多层，所述方法包括的步骤为：
(a)将导热材料电镀到远离衬底且接近器件层的半导体器件的表面上；
和
(b)去除衬底。
对于两种形式，导热层可以被作为热沉，且其厚度的范围可以在3微米到300微米范围内，优选地50到200微米。
在进一步的形式中，本发明提供了一种在衬底上制造半导体器件的方法，半导体器件具有多层，所述方法包括的步骤为：
(a)将导热金属的籽层(seed layer)施加到远离衬底的半导体器件的第一表面；
(b)在籽层上电镀导热金属的比较厚的层，所述导热金属具有足够厚度以提供热沉；以及
(c)去除衬底。
在施加籽层之前，可以用粘结层涂布诸层。在比较厚的层电镀之前，可以用光致抗蚀剂图案来构图籽层；比较厚的层电镀在光致抗蚀剂之间。
可以在不经构图的情况下电镀籽层并随后执行构图。构图可以为通过光致抗蚀剂构图且然后湿法蚀刻。或者，其可以为比较厚的层的激光束微加工。
在步骤(b)和(c)之间，还可以执行退火诸层的附加的步骤来改善粘结。
优选地，光致抗蚀剂的高度至少为15到500微米，更优选地为50到200微米，且其厚度的范围为3到500微米。更优选地，光致抗蚀剂的间距的范围为200到2000微米，优选为300微米。
比较厚的层的厚度可以不大于光致抗蚀剂的高度。或者，可以将导电金属层电镀到大于光致抗蚀剂的高度且随后减薄。减薄可以通过抛光或湿法蚀刻。
在步骤(c)之后，可以包括在远离比较厚的层的半导体器件的第二表面上形成第二欧姆接触层的额外的步骤。接触层可以为第二欧姆接触层。第二欧姆接触层可以为不透明、透明和半透明之一，且可以为空白或有图案的。可以进行欧姆接触形成和随后的工艺步骤。随后的工艺步骤可以包括沉积引线结合焊盘。在将第二欧姆接触层沉积到半导体器件的暴露的第二表面之前，可以将其清洁且蚀刻。第二欧姆接触层可以不覆盖半导体器件的第二表面的整个区域。
可以在诸层上测试半导体器件，且可以随后将诸层分为单独的器件。
可以不采用一种或多种的以下工艺制造半导体器件：研磨(lapping)、抛光和解理。
半导体器件包括多个外延层、在远离衬底的外延层的第一表面上的第一欧姆接触层。第一欧姆接触层可以在外延层的p型层上，且第二欧姆接触层可以形成于外延层的n型层上。
在步骤(c)之后，可以在外延层上沉积介电膜。然后可以在沉积在外延层上的介电层和第二欧姆接触层以及结合焊盘中切出开口。或者，在步骤
(c)之后，可以执行外延层上的导热金属(或其它材料)的电镀。
本发明还涉及由以上的方法制造的半导体器件。本发明在优选的方面还提供了由以上方法制造的发光二极管或激光二极管。
在另一方面，本发明还提供了一种半导体器件，其包括外延层、外延层的第一表面上的第一欧姆接触层、第一欧姆接触层上的导热金属的比较厚的层以形成热沉、和在外延层的第二表面上的第二欧姆接触层；比较厚的层可以通过电镀施加。
在第一欧姆接触层和比较厚的层之间、第一欧姆接触层上可以有粘结层。
比较厚的层可以至少为50微米厚，且第二欧姆接触层可以为范围从3到500纳米的薄层。第二欧姆接触层可以为透明的、半透明的或不透明的，且可以包括结合焊盘。
对于本发明的所有形式，导热金属可以为铜。
可以有施加到粘结层的导热金属的籽层。
半导体器件可以为发光二极管、激光二极管和晶体管器件之一。
在又一种形式中，提供了一种半导体器件，其包括外延层、外延层的第一表面上的第一欧姆接触层、第一欧姆接触层上的粘结层、和在粘结层上的导热金属的籽层。
还可以包括在籽层上的导热金属的比较厚的层。
第二欧姆接触层可以设置于外延层的第二表面上；第二欧姆接触层可以为范围从3到500纳米的薄层。第二欧姆接触层可以包括结合焊盘且可以为不透明的、透明的或半透明的。
导热金属可以包括铜；且外延层可以包括与GaN相关的层。
半导体器件可以为发光器件。
在倒数第二的形式中，本发明提供了一种制造半导体器件的方法，所述方法包括的步骤为：
(a)在具有包括多层GaN相关的外延层的多个外延层的衬底上，在诸外延层的第一表面上形成第一欧姆接触层；
(b)从诸外延层去除衬底；和
(c)在诸外延层的第二表面上形成第二欧姆接触层，第二欧姆接触层具有形成于其上的结合焊盘。
第二欧姆接触层可以被用于光发射，且可以为不透明、透明或半透明的。第二欧姆接触层可以为空白或有图案的。
在最后一种形式中，提供了一种由以上方法制造的半导体器件。
半导体器件可以为发光二极管或激光二极管。
附图说明
为了使得本发明可以被更好地理解且更容易实施，将仅通过非限定示例本发明的优选实施例来描述，该描述参考示意性(且不成比例)的附图，在附图中：
图1是制造工艺中的第一阶段的半导体器件的示意图；
图2是制造工艺中的第二阶段的图1的半导体器件的示意图；
图3是制造工艺中的第三阶段的图1的半导体器件的示意图；
图4是制造工艺中的第四阶段的图1的半导体器件的示意图；
图5是制造工艺中的第五阶段的图1的半导体器件的示意图；
图6是制造工艺中的第六阶段的图1的半导体器件的示意图；
图7是制造工艺中的第七阶段的图1的半导体器件的示意图；以及
图8是该工艺的流程图。
具体实施方式
对于以下的描述，括号中的参考标号指示图8中的工艺步骤。
参考图1，显示了工艺中第一步骤-在晶片10的p型表面上的金属化。
晶片10是具有衬底和在其上的多层外延层14的叠层的外延晶片。衬底12可以例如为蓝宝石、GaAs、InP、Si等。以后，将使用在蓝宝石衬底12上具有GaN层14的GaN样品作为示例。外延层14(常称为外延层)为多层的叠层，且下部分16(首先生长在衬底上)常为n型层且上部分18常为p型层。
在GaN层14上是具有多层金属层的欧姆接触层20。向欧姆接触层20增加粘结层22，和例如铜的导热金属的薄铜籽层24(图2)(步骤88)。导热金属优选也导电。粘结层的叠层可以在形成之后退火。
欧姆层20可以为沉积在半导体表面上并退火的多层的叠层。其可以不是原始晶片的部分。对于GaN、GaAs、和InP器件，外延晶片常包含夹置在n型和p型半导体之间的有源区。在大多数的情形，顶层为p型。对于硅器件，可以不使用外延层，而仅使用晶片。
如图3所示，利用标准光刻(89)，用比较厚的光致抗蚀剂26构图薄铜籽层24。光致抗蚀剂图案26优选的高度范围是3到500微米，优选为15到500微米，且厚度为约3-500微米。它们优选彼此分开，其间距的范围是200到2000微米，优选地为300微米，这取决于最终芯片的设计。实际的图案取决于器件设计。
然后将铜的图案化层28电镀在光致抗蚀剂26之间的层24上(90)来形成热沉，该热沉形成衬底的一部分。铜层28优选的高度不大于光致抗蚀剂26的高度，因此与光致抗蚀剂26的高度相同或更小。然而，铜层28的高度可以大于光致抗蚀剂26的高度。在如此的情形，铜层28可以随后被减薄到不大于光致抗蚀剂26的高度。减薄可以通过抛光或湿法蚀刻。在镀铜之后可以去除光致抗蚀剂26或可以不去除光致抗蚀剂26。去除可以通过标准和已知的方法，比如例如，抗蚀剂剥离溶液中溶解、或通过等离子体灰化。
根据器件设计，利用标准工艺技术，例如，清洁(80)、光刻(81)、蚀刻(82)、器件隔离(83)、钝化(84)、金属化(85)、热处理(86)等随后进行外延层14的处理(图4)。然后将晶片10退火(87)以改善粘结。
外延层14通常由在初始衬底12上的n型层16、在初始顶表面上的p型层18制成，顶表面现在覆盖有欧姆层20、粘结22和铜籽层24以及电镀厚铜层28。
在图5中，然后利用例如Kelly的方法[M.K.Kelly，O.Ambacher，R.Dimitrov，R.Handschuh，和M.Stutzmann，phys.stat.sol.(a)159，R3(1997)]去除初始的衬底层12(91)。衬底也可以通过抛光或湿法蚀刻来去除。
图6是倒数第二的步骤，且特别与发光二极管相关，其中透明欧姆接触层30加在外延层14下面用于光发射。而且还加入结合焊盘32。欧姆接触层30优选地为透明或半透明的。其更优选地为薄层且其厚度范围可以在3到50nm。
在加入欧姆接触层30之前，可以进行公知的前置工艺。这些可以例如为光刻(92、93)、干法蚀刻(94、95)和光刻(96)。
退火(98)可以在沉积欧姆接触层30之后进行。
然后通过已知和标准方法测试芯片/管芯(99)。然后可以不经研磨/抛光衬底和解理将芯片/管芯分为单独的器件/芯片1和2(100)(图7)。通过标准和已知的方法随后进行封装。
外延层14的顶表面离有源区优选地在0.1到2.0微米的范围，更优选地为约0.3微米。对于硅基半导体，半导体的顶表面离器件层优选地在0.1到2.0微米的范围，更优选地为约0.3微米。因为在该结构中有源层/器件层接近比较厚的铜焊盘28，改善了热去除的速度。
附加地或可替换地，比较厚的层28可以被用于提供芯片的机械支撑。其还可以被用于提供从有源区/器件区去除热的途径，且还可以被用于电连接。
镀覆步骤在晶片水平进行(即，在解理操作之前)，且可以同时对于几个晶片进行。
GaN激光二极管的制造相似于GaN LED的制造，但是可能涉及更多的步骤。一个不同之处在于在制造过程中GaN激光二极管需要形成镜面。与不使用蓝宝石作为衬底的方法相比，使用蓝宝石作为衬底，镜面形成困难得多且镜面的质量一般更差。
在去除蓝宝石之后，激光器将具有更好的性能。在表2中显示了典型GaN激光器外延晶片的示例。
表2
  掺Mg的p型GaN接触层             0.15μm
  掺Mg的p型Al0.15Ga0.85N覆层     0.45μm
  掺Mg的p型GaN波导层             0.12μm
  掺Mg的p型Al0.2Ga0.8N电子阻挡层 200
  In0.03Ga0.97N/In0.2Ga0.8N三周期MOW有源层
  In0.10GaN0.97N阱层             35□
  In0.03Ga0.97N势垒层            50□
  掺Si的n型GaN波导层             0.12μm
  掺Si的n型Al0.15Ga0.85N覆层     0.45μm
  掺Si的n型In0.1Ga0.9N           500□
  掺Si的n型GaN接触层             3μm
  未掺杂n型GaN                   1μm
  未掺杂n型ELO GaN层             6μm
  未掺杂GaN模板层/Si3N4掩模      2μm
  GaN缓冲                        300
  蓝宝石衬底                     450μm
对于标准商用的GaN LED，约5％的在半导体中产生的光被发射。已经开发了各种方法来从非GaN LED的芯片提取更多的光(特别是基于AlGaInP的红光LED，而不是GaN)。
第一欧姆接触层20是金属的且比较光滑，其是光亮的，且因此具有光的高反射率。因此，第一欧姆接触层20在其与外延层14的结处也是反射表面，或镜面以改善光输出。
虽然参考了铜，但是可以使用任何其它可镀的材料，只要其是导电和/或导热的，或提供了半导体器件的机械支撑。
虽然在前述的说明中描述了本发明的优选形式，但是本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的情况下，可以在设计、结构或操作中进行许多变化和修改。

Claims (14)

1.一种用于制作发光器件的方法，所述方法包括的步骤为：
(a)提供包括衬底(12)以及安装在该衬底(12)上的多个外延层(14)的晶片(10)，该多个外延层(14)包括其中能够产生光的有源区；
(b)在该多个外延层(14)的第一表面上形成第一欧姆接触层(20)；
(c)在该第一欧姆接触层(20)上涂布粘结层(22)；
(d)在该外延层(14)上形成在该第一欧姆接触层(20)上的导热金属的籽层(24)和形成与该衬底(12)相对的图案(26)；
(e)在该籽层(24)和该图案(26)之间电镀形成导热金属的层(28)，该层(28)的高度不大于该图案(26)的高度；
(f)去除该衬底(12)。
2.如权利要求1所述的方法，其中该图案(26)形成在该籽层(24)上。
3.如权利要求2所述的方法，其中该籽层(24)上的图案(26)通过下述一种或多种形成：光致抗蚀剂构图和随后的湿法蚀刻、以及激光束微加工。
4.如权利要求1所述的方法，其中该籽层(24)是在该图案(26)形成之前形成的，该图案(26)形成于该籽层(24)之上。
5.如权利要求4所述的方法，其中该籽层(24)之上的图案(26)通过下述一种或多种形成：光致抗蚀剂构图和随后的湿法蚀刻、以及激光束微加工。
6.如权利要求1至5任意一项所述的方法，其中该层(28)形成为大于该图案(26)的高度且随后被减薄。
7.如权利要求1所述的方法，其中该图案(26)通过下述一种或多种形成：光致抗蚀剂构图和随后的湿法蚀刻、以及激光束微加工。
8.如权利要求1所述的方法，其中该图案(26)的高度在15微米至500微米的范围。
9.如权利要求1所述的方法，其中该图案(26)的去除是通过下述之一：抗蚀剂剥离溶液中溶解、以及等离子体灰化。
10.如权利要求1所述的方法，其中该层(28)提供选自由下述组成的群组至少之一：用于该发光器件的机械支撑、用于该发光器件的电连接以及用于该发光器件的热沉。
11.如权利要求1所述的方法，其中该第一表面远离该衬底(12)。
12.如权利要求1所述的方法，其中该第一欧姆接触层(20)形成与该多个外延层(14)的第一表面的欧姆接触。
13.如权利要求1所述的方法，其中该第一欧姆接触层(20)包括多个金属层。
14.如权利要求1所述的方法，其中该层(28)至少50微米厚。
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