CN101373807B - 半导体器件上导电金属层的制作 - Google Patents

半导体器件上导电金属层的制作 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体器件上导电金属层的制作。更具体地，本发明公开了一种用于制作形成在衬底上的发光器件的方法，所述发光器件包括多个外延层，所述方法包括：形成处于所述多个外延层上的远离所述衬底的第一欧姆接触层；去除所述衬底，以暴露所述多个外延层的后表面；以及清洁和刻蚀所述多个外延层的所述暴露的后表面。

Description

半导体器件上导电金属层的制作
本申请是发明名称为“半导体器件上导电金属层的制作”的中国国家申请号03827089.7(PCT/SG2003/000222，国际申请日2003年09月19日)的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体器件上导电金属层的制作，具体而言(但不是排他地)，涉及发光器件上相对较厚的导电金属层的电镀。相对较厚的导电层可以用于导热和/或导电和/或用于机械支撑。
背景技术
随着半导体器件的发展，其运行速度有相当大的增加，并且总尺寸有相当大的减小。这引起了半导体器件内生热的主要问题。因此，热沉正被用于帮助散发来自半导体器件的热量。这种热沉通常与半导体器件分离制作，并且通常只在封装之前粘附到半导体器件。
已经提出了许多种用于在半导体器件的制作期间将铜电镀到半导体器件的表面上的方法，这尤其用于互连。
当前的大部分半导体器件是以基于硅(Si)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)的半导体材料制作的。与这些电子和光电子器件相比，GaN器件有很多优点。GaN具有的主要固有优点是：
表1
  半导体   迁移率μ(cm<sup>2</sup>/Vs)   带隙(eV)/波长(nm)  BFOM(功率晶体管评价)   最大温度(C)
  Si   1300   1.1/1127   1.0   300
  GaAs   5000   1.4/886   9.6   300
  GaN   1500   3.4/360   24.6   700
BFOM：Baliga图，功率晶体管性能的评价。较短波长对应于较高DVD/CD容量。
从表1中可以看出，GaN在给出的半导体中具有最高的带隙(3.4eV)。从而，其被称为宽带隙半导体。因此，由GaN制作的电子器件比Si和GaAs以及InP器件的运行功率要高得多。
对于半导体激光器，该GaN激光器有相对较短的波长。如果这种激光器被用于光数据存储，则较短的波长可以导致较高的容量。GaAs激光器用于CD-ROM的制造，其容量约为670MB/盘。AlGaInP(也基于GaAs)用于最新的DVD播放器，其容量约为4.7GB/盘。在下一代DVD播放器中的GaN激光器可以具有26GB/盘的容量。
GaN器件以GaN晶片制作，该GaN晶片一般是沉积在蓝宝石衬底上的多个与GaN有关的外延层。蓝宝石衬底直径通常为两英寸，并且充当外延层的生长模板。由于与GaN有关的材料(外延膜)和蓝宝石之间的晶格失配，在外延层中会生成缺陷。这种缺陷对于GaN激光器和晶体管会导致严重的问题，而对于GaN LED导致的问题的严重程度要轻。
有两种生长外延层的主要方法：分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。这两种都广泛使用。
传统制作工艺通常包括这些主要步骤：光刻、刻蚀、介电膜沉积、金属化、键合焊盘形成、晶片检查/测试、晶片减薄、晶片切片、芯片键合封装、引线键合和可靠性测试。
一旦在整个晶片规模上完成了制作LED的工艺，随后就有必要将晶片分离为单独的LED芯片。对于生长在蓝宝石衬底上的GaN晶片来说，由于蓝宝石很坚硬，因此这种“切片”操作是主要问题。蓝宝石首先必须被减薄，从约400微米均匀减为约100微米。然后减薄后的晶片被用钻石划片器切片，被用钻石锯锯开或者先通过激光划槽，然后以钻石划片器划片。这种工艺限制了产量，引起了产率问题并且需要耗费昂贵的钻石片器/锯。
生长在蓝宝石衬底上的已知LED芯片在芯片顶部需要两个线路焊盘。这是必要的，因为蓝宝石是电绝缘的，并且穿过100微米的厚度的电流传导是不可能的。由于每个引线键合焊盘占据了约10-15％的晶片面积，因此与生长在导电衬底的单引线键合LED相比，第二引线键合减少了芯片数目，每个晶片减少了约10-15％。几乎所有的非GaN LED都是生长在导电衬底上的，并且使用一个线路焊盘。对于封装公司，两个引线键合减少了封装产率，需要对一个引线键合工艺进行修改，减少了芯片的有用面积，并且使引线键合工艺变得复杂从而降低了封装产率。
蓝宝石不是好的热导体。例如，在300K(室温)时其热导率为40W/Km。这远小于铜的热导率380W/Km。如果LED芯片被在蓝宝石界面处键合到其封装，则在器件有源区中生成的热量必须流经3到4微米的GaN和100微米的蓝宝石以到达封装/热沉。结果，芯片变得很热，既影响性能，又影响可靠性。
对于蓝宝石上的GaN LED，生成光的有源区距离蓝宝石衬底约为3-4微米。
发明内容
根据本发明的优选形式，提供了一种用于在衬底上制作发光器件的方法，所述发光器件具有包括多个外延层的晶片和处在外延层上的远离衬底的第一欧姆接触层；该方法包括以下步骤：
(a)向第一欧姆接触层施加导热金属的种子层；
(b)在种子层上电镀相对较厚的导热金属层；以及
(c)移去衬底。
在施加种子层之前，第一欧姆接触层可以被涂覆以粘附层。在电镀相对较厚的层之前，种子层可以被用光刻胶图案图案化；相对较厚的层电镀在光刻胶之间。
种子层可以在没有图案化的情况下电镀，并且随后执行图案化。图案化可以通过光刻胶图案化然后湿法刻蚀来进行。或者，其可以通过对相对较厚的层进行激光束微机械加工来进行。
在步骤(b)和(c)之前，可以执行对晶片退火以提高粘附性的附加步骤。
优选地，光刻胶的高度至少为50微米，厚度在3到500微米的范围内。更优选地，光刻胶之间的间距为300微米。
相对较厚的层的高度可以不超过光刻胶的高度。相对较厚的层也可以被电镀到超过光刻胶的高度，随后被减薄。减薄可以通过抛光来进行。
在步骤(c)之后，还可以包括在外延层的与第一欧姆接触层相反的表面上形成用于电接触的第二欧姆接触层的额外步骤，第二欧姆接触层可以是不透明的、透明的或半透明的，并且可以是空白的或被图案化的。随后可以执行欧姆接触形成和后续工艺步骤。后续工艺步骤可以包括引线键合焊盘的沉积。在将第二接触层沉积到其上之前可以清洗并刻蚀所暴露的外延层。第二接触层可以不覆盖外延层的整个区域。
可以在晶片上测试发光器件，并且随后可以将晶片分离为单独的器件。
发光器件的制作可以无需进行以下操作中的一种或多种：研磨、抛光和切片。
第一欧姆接触层可以处在外延层的p型层上；第二接触层可以是欧姆的，并且可以形成在外延层的n型层上。
在步骤(c)之后，可以在外延层上沉积介电膜。然后可以在介电膜中切割开口，并在外延层上沉积第一欧姆接触层和键合焊盘。或者，在步骤(c)之后，可以执行外延层上导热金属(或其他材料)的电镀。
本发明还涉及由上述方法制作的发光器件。发光器件可以是发光二极管或激光二极管。
在另一方面，本发明提供了一种发光器件，其包括外延层、在外延层的第一表面上的第一欧姆接触层、在第一欧姆接触层上的相对较厚的导热金属层和在外延层的第二表面上的第二欧姆接触层；相对较厚的层是通过电镀施加的。
在第一欧姆接触层和相对较厚的层之间可以有处于第一欧姆接触层上的粘附层。
相对较厚的层的厚度可以至少为50微米；第二欧姆接触层可以是范围从3到500纳米的薄层。第二欧姆接触层可以是透明的、半透明的或不透明的；并且可以包括键合焊盘。
对于本发明的所有形式，导热金属可以是铜。可以将导热金属的种子层施加到粘附层上。
为了帮助提高光输出，第一欧姆接触层在其与外延层的界面处也可以充当镜面。通过第一欧姆接触层的任何光都可以被粘附层反射。
发光器件可以是发光二极管和激光二极管中的一种。
在另一种形式中，提供了一种发光器件，其包括外延层、在外延层的第一表面上的第一欧姆接触层、在第一欧姆接触层上的粘附层和在粘附层上的导热金属的种子层，第一欧姆接触层在其与外延层的界面处充当镜面。
还可以包括在种子层上的相对较厚的导热金属层。
在外延层的第二表面上可以提供第二欧姆接触层；第二欧姆接触层是范围从3到500纳米的薄层。第二欧姆接触层可以包括键合焊盘；并且可以是不透明的、透明的或半透明的。
导热金属可以包括铜；外延层可以包括与GaN有关的层。
在倒数第二个形式中，本发明提供了一种制作发光器件的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)在具有包括多个与GaN有关的外延层的晶片的衬底上，在晶片的第一表面上形成第一欧姆接触层；
(b)从晶片移去衬底；以及
(c)在晶片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在其上的键合焊盘。
第二欧姆接触层可以用于光发射，并且可以是不透明的、透明的或半透明的。第二欧姆接触层可以是空白的或图案化的。
在最后一种形式中，提供了一种利用上述方法制作的发光器件。
附图说明
为了更好的理解本发明并容易地实现其实际效果，参考附图(没有按比例绘出)利用本发明优选实施例的非限制性示例来描述本发明，在附图中：
图1是在制作工艺的第一阶段发光器件的示意图；
图2是在制作工艺的第二阶段图1的发光器件的示意图；
图3是在制作工艺的第三阶段图1的发光器件的示意图；
图4是在制作工艺的第四阶段图1的发光器件的示意图；
图5是在制作工艺的第五阶段图1的发光器件的示意图；
图6是在制作工艺的第六阶段图1的发光器件的示意图；
图7是在制作工艺的第七阶段图1的发光器件的示意图；以及
图8是工艺的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，括弧内的标号指代图8中的工艺步骤。
参考图1，图1示出了工艺中的第一步一在晶片10的p型表面上的金属化。
晶片10是具有衬底和衬底上的多个外延层14的叠层的外延晶片。衬底12例如可以是蓝宝石、GaAs、InP、Si等。下文中在蓝宝石衬底12上具有(多个)GaN层14的GaN样品将用作示例。外延层14是多个层的叠层，并且下半部分16(其首先生长在衬底上)通常是n型层，而上半部分18经常是p型层。
在GaN层14上是具有多个金属层的欧姆接触层20。在欧姆接触层20上添加粘附层22和导热金属(例如铜)的薄铜种子层24(图2)(步骤88)。导热金属优选地也是导电的。粘附层的叠层可以在形成后退火。
欧姆层20可以是沉积在外延表面上并退火的多个层的叠层。其可以不是原始晶片的一部分。对于GaN、GaA和InP器件，外延晶片经常包含夹在n型半导体和p型半导体之间的有源区。在大多数情形中，顶层是p型的。对于硅器件，可以不使用外延层，而只用晶片。
如图3所示，利用标准光刻(89)，利用相对较厚的光刻胶26图案化薄铜种子层24。光刻胶图案26的高度至少为50微米，优选地在50到300微米的范围内，更优选地为200微米；厚度约为3到500微米。取决于最终芯片的设计，这些图案优选地彼此分离，间距约为300微米。实际图案取决于器件设计。
然后，铜的图案化层28被电镀到光刻胶26之间的层24上(90)以形成构成衬底的一部分的热沉。铜层28的高度优选地不超过光刻胶26的高度，因此与光刻胶26同高或者比光刻胶26矮。然而，铜层28的高度可以超过光刻胶26的高度。在这种情形中，铜层28可以随后被减薄以使其高度不超过光刻胶26的高度。减薄可以通过抛光或湿法刻蚀进行。光刻胶26可以在铜电镀后移去，也可以不移去。移去可以利用标准和已知的方法，例如在光刻胶剥离溶液中溶解或者通过等离子体灰化。
取决于器件设计，接着利用标准处理技术进行外延层14的处理，标准处理技术例如是清洗(80)、光刻(81)、刻蚀(82)、器件隔离(83)、钝化(84)、金属化(85)、热处理(86)等(图4)。然后晶片10被退火(87)以提高粘附性。
外延层14通常由原始衬底12上的n型层16和原始顶面18上的p型层组成，原始顶面18当前覆盖有欧姆层20、粘附层22和铜种子层24以及电镀的厚铜层28。
在图5中，原始衬底层12随后被例如利用Kelly[M.K.Kelly，O.Ambacher，R.Dimitrov，R.Handschuh和M.Stutzmann，phys.stat.sol.(a)159，R3(1997)]的方法移去。衬底也可以通过抛光或湿法刻蚀移去。
图6是倒数第二个步骤，并且特别与发光二极管有关，在该发光二极管中，在外延层14下方添加第二欧姆接触层30以用于光发射。还添加了键合焊盘32。第二欧姆接触层30优选地是透明的或半透明的。其更优选地是薄层，并且厚度可以在3到50nm的范围内。
在添加第二欧姆接触层30之前，可以执行已知的预备工艺。这些例如可以是光刻(92、93)、干法刻蚀(94、95)和光刻(96)。
在第二欧姆接触层30的沉积之后可以进行退火(98)。
然后利用已知和标准的方法测试芯片(99)。然后芯片可以被分离(100)(图7)为单独的器件/芯片1和2，而不需研磨/抛光衬底，并且也不需要切片。接着利用已知和标准的方法进行封装。
外延层14的顶面距离有源区优选地在约0.1到2.0微米的范围内，优选地约为0.3微米。由于这种配置中LED芯片的有源区接近相对较厚的铜焊盘28，因此与蓝宝石配置相比提高了传热速率。
另外或者可作为替换地，相对较厚的层28可用来提供芯片的机械支撑。其也可以用来提供从发光器件芯片的有源区移去热量的路径，并且也可以用于电连接。
在晶片级别(即，在切片操作之前)执行电镀步骤，并且可以一次对多个晶片执行。
GaN激光二极管的制作类似于GaN LED的制作，但是可能包括更多步骤。一个区别在于，GaN激光二极管要求在制作期间形成镜面。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更难形成镜面，并且镜面的质量通常也较差。
在移去蓝宝石后，激光器有更好的性能。典型的GaN激光器外延晶片结构如表2所示。
表2
  掺Mg p型GaN接触层   0.15μm
  掺Mg p型Al<sub>0.15</sub>Ga<sub>0.85</sub>N包覆层   0.45μm
  掺Mg p型GaN导波层   0.12μm
  掺Mg p型Al<sub>0.2</sub>Ga<sub>0.8</sub>N电子阻隔层   200
  In<sub>0.15</sub>Ga<sub>0.97</sub>N/In<sub>0.15</sub>Ga<sub>0.85</sub>N 3周期MQW有源层
  In<sub>0.15</sub>Ga<sub>0.85</sub>N阱层   35
  In<sub>0.03</sub>Ga<sub>0.97</sub>N势垒层   50
  掺Si n型GaN导波层   0.12μm
  掺Si n型Al<sub>0.15</sub>Ga<sub>0.85</sub>N包覆层   0.45μm
  掺Si n型In<sub>0.1</sub>Ga<sub>0.9</sub>N   500
  掺Si n型GaN接触层   3μm
  无掺杂n型GaN   1μm
  无掺杂n型ELO GaN层   6μm
  无掺杂GaN模板层/Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>掩模   2μm
  GaN缓冲层   300
  蓝宝石衬底   450μm
对于标准的商用GaN LED，只发射出在半导体中生成的光的约5％。已开发出各种方法以在非GaN LED(尤其是基于AlGaInP而非GN的红光LED)中从芯片提取更多的光。
第一欧姆接触层20(金属，相对较光滑)是非常光亮的，因此反光性很高。这样，第一欧姆接触层20在其与外延层14的界面处也充当反射面或镜面，以提高光输出。
尽管优选实施例涉及铜的使用，但是也可以使用任何其他可电镀的材料，只要其导电和/或导热，或者为发光器件提供了机械支撑即可。
尽管在前述描述中已描述了本发明的优选形式，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的前提下可以进行许多设计、构造或操作上的变化或修改。

Claims (10)

1.一种用于制作形成在衬底上的发光器件的方法，所述发光器件包括多个外延层，所述方法包括：
形成处于所述多个外延层上的远离所述衬底的第一欧姆接触层；
去除所述衬底，以暴露所述多个外延层的后表面；以及
清洁和刻蚀所述多个外延层的所述暴露的后表面，
其中，在清洁和刻蚀所述暴露的后表面之后，沉积第二欧姆接触层，所述第二欧姆接触层用于光发射。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二欧姆接触层是不透明的、透明的或半透明的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二欧姆接触层是空白的或者是被图案化的。
4.如权利要求1所述的方法，其中，键合焊盘被形成在所述第二欧姆接触层上。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二欧姆接触层并不覆盖所述外延层的所述暴露的后表面的整个区域。
6.如权利要求5所述的方法，其中，键合焊盘被形成在所述第二欧姆接触层上。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二欧姆接触层是3-500纳米的薄层。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在沉积所述第二欧姆接触层之前执行初始工艺步骤，所述初始工艺步骤选自光刻、干法刻蚀和第二光刻。
9.由权利要求1-8中任何一项所述的方法制作的发光二极管。
10.由权利要求1-8中任何一项所述的方法制作的激光二极管。
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