CN109755267B - 半导体结构和相关联的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例揭露一种半导体结构和相关联的制造方法。所述半导体结构包含：第一发光二极管LED层，其包含第一色彩类型的第一LED，所述第一LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；第二LED层，其在所述第一LED层上方，所述第二LED层包含第二色彩类型的第二LED，且所述第二LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和第三LED层，其在所述第二LED层上方，所述第三LED层包含第三色彩类型的第三LED，且所述第三LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；其中所述第一色彩类型、所述第二色彩类型和所述第三色彩类型彼此不同。

Description

半导体结构和相关联的制造方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体结构和相关联的制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)装置近年来已经历快速成长。当施加电压时，LED装置发射光。归因于例如小装置大小、长寿命、高性能量消耗和良好持久性和可靠性的有利特性，LED装置已越来越受欢迎。
LED装置的制造可涉及裸片到晶片接合工艺，其中多个LED裸片接合到晶片上的多个接垫。常规裸片到晶片接合工艺使用具有助焊剂回焊炉或共晶裸片到晶片接合器的自动裸片接合机器。在接合工艺期间，LED裸片相对于接垫在任何给定方向上偏移这些横向位置。在一些情况中，裸片偏移可超过+/-38微米。随着LED裸片大小继续减小，常规LED接合工艺的裸片偏移变为更大问题，这是因为较小LED装置的可靠性和性能的降低更大。
因此，虽然常规LED裸片到晶片接合工艺通常已足以达到其预期目的，但这些并非在每一方面完全令人满意。
发明内容
本发明的实施例涉及一种半导体结构，其包括：第一发光二极管(LED)层，其包含第一色彩类型的第一LED，所述第一LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；第二LED层，其在所述第一LED层上方，所述第二LED层包含第二色彩类型的第二LED，且所述第二LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；第三LED层，其在所述第二LED层上方，所述第三LED层包含第三色彩类型的第三LED，且所述第三LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和透明填料，其在所述第一LED层、所述第二LED层和所述第三LED层上方，其中所述透明填料的顶表面与所述第一LED层的所述第二侧之间的距离大于所述透明填料的所述顶表面与所述第二LED层的所述第二侧之间的距离，且所述透明填料的所述顶表面与所述第二LED层的所述第二侧之间的所述距离大于所述透明填料的所述顶表面与所述第三LED层的所述第二侧之间的距离；其中所述第一色彩类型、所述第二色彩类型和所述第三色彩类型彼此不同，且所述第一LED、所述第二LED和所述第三LED彼此横向隔开，使得从俯视图，所述第一LED、所述第二LED和所述第三LED彼此不重叠。
本发明的实施例涉及一种半导体结构，其包括：半导体芯片，其包含：衬底；和互连结构，其在所述衬底上方；和堆叠发光二极管(LED)结构，其在所述半导体芯片上方，所述堆叠LED结构包含：第一LED层，其包含：第一重布层(RDL)层，其包含具有金属区和介电区的混合接合界面；第一LED层，其在所述第一RDL层上方；和第一介电层，其在所述第一LED层上方；和第二LED层，其在所述第一LED层上方，所述第二LED层包含：第二RDL层；第二LED层，其在所述第二RDL层上方；和第二介电层，其在所述第二LED层上方；其中所述半导体芯片接合到所述堆叠LED结构的所述混合接合界面。
本发明的实施例涉及一种制造半导体结构的方法，其包括：接纳半导体芯片、第一LED芯片和第二LED芯片，其中所述第一LED芯片具有衬底；将所述第一LED芯片混合接合到所述半导体芯片；去除所述第一LED芯片的所述衬底；和将所述第二LED芯片混合接合到所述第一LED芯片。
附图说明
当结合附图阅读时从以下详细描述最佳理解本揭露的方面。应注意，根据业界中的标准实践，各种构件未按比例绘制。事实上，为了清楚论述起见，可任意增大或减小各种构件的尺寸。
图1是绘示根据本揭露的示范性实施例的包含CMOS(互补式金属氧化物半导体)芯片和接合在其上的堆叠发光二极管(LED)结构的半导体结构的剖面图的图式；
图2到图11是绘示根据本揭露的优选实施例的处于制造的各个阶段的半导体结构的局部剖面图的图式。
具体实施方式
以下揭露内容提供用于实施本揭露的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的特定实例以简化本揭露。当然，这些仅为实例且不旨在限制。举例来说，在下列描述中的第一构件形成于第二构件上方或上可包含其中所述第一构件和所述第二构件经形成直接接触的实施例，且也可包含其中额外构件可形成在所述第一构件与所述第二构件之间，使得所述第一构件和所述第二构件可不直接接触的实施例。另外，本揭露可在各种实例中重复元件符号和/或字母。此重复出于简化和清楚的目的，且本身不指示所论述的各项实施例和/或配置之间的关系。
此外，为便于描述，可在本文中使用例如“在…下面”、“在…下方”、“下”、“在…上方”、“上”等的空间相对术语来描述一个元件或构件与另一(些)元件或构件的关系，如图中绘示。空间相对术语旨在涵盖除在图中描绘的定向以外的使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式经定向(旋转90度或按其它定向)且本文中使用的空间相对描述符同样可相应地解释。
尽管阐述本揭露的宽范围的数值范围和参数是近似值，但尽可能精确地报告在具体实例中阐述的数值。然而，任何数值本质上含有必然由各自测试测量中发现的标准偏差所引起的某些误差。又，如本文中使用，术语“约”通常意味着在给定值或范围的10％、5％、1％或0.5％内。替代地，术语“约”意味着在由一般技术者考量时在平均值的可接受标准误差内。除了在操作/工作实例中的外，或除非另外明确指定，否则全部数值范围、量、值和百分比(例如，针对材料数量、持续时间、温度、操作条件、量的比率和本文中揭示的其类似者的数值范围、量、值和百分比)应理解为在全部实例中由术语“约”修饰。因此，除非相反地指示，否则本揭露和随附发明权利要求书中阐述的数值参数是可视需要变动的近似值。至少，各数值参数应至少依据所报告有效数字的数目且通过应用普通舍入技术而理解。可在本文中将范围表达为从一个端点到另一端点或在两个端点之间。除非另外指定，否则本文中揭示的全部范围均包含端点。
图1是绘示根据本揭露的示范性实施例的包含CMOS(互补式金属氧化物半导体)芯片103和接合在其上的堆叠发光二极管(LED)结构101的半导体结构100的剖面图的图式。半导体结构100包含如为了阐释性目的在图1中展示的LED单元101a、101b和101c的阵列。在许多实例中，半导体结构100可包含三个以上LED单元。CMOS芯片103包含放置于其中的多个主动装置105。在一些实施例中，CMOS芯片103包含放置于衬底206上方的互连结构212。在一些实施例中，互连结构212包含放置于层间介电质(ILD)层203内的多个金属构件201。主动装置105至少放置于衬底206中。在一些实施例中，主动装置105可包含控制电路以将流动通过LED单元101a、101b和101c的电流控制到给定所需值。主动装置105也可包含其它逻辑电路。举例来说，主动装置105可包含具有栅极结构202和源极/漏极区204的晶体管装置。
LED单元101a到101c的各者包含放置于对应层内的LED结构。明确地说，LED单元101a的LED结构放置于第一LED层102中；LED单元101b的LED结构放置于第一LED层102上方的第二LED层104中；LED单元101c的LED结构放置于第二LED层104上方的第三LED层106中。示范性LED结构包含微LED(μLED)装置。为了避免光散射和串扰，每两个邻近LED单元分离大于0的距离D。以此方式，从俯视图，每两个邻近LED单元彼此不重叠。在许多实例中，距离D可大于1μm。
在LED显示器中，通常使用多个LED单元以形成彩色图像像素。在一个实例中，具有类似或不同组合物、个别光学器件和控制件的单独LED单元中的用于红色、绿色和蓝色的三个单独光源被分组在一起或一起驱动以形成一个像素。在本揭露的示范性实施例中，归因于红光LED单元工艺的衬底可不同于蓝光或绿光LED单元的衬底，最顶部第三LED层106是红光LED单元。将在后续段落中描述细节。在许多实例中，LED单元101a是蓝光LED单元；LED单元101b是绿光LED单元；且LED单元101c是红光LED单元。然而，此非本揭露的限制。在许多实例中，LED单元101a、101b和101c的色彩可以是可互换的。
LED单元101a的LED结构包含具有各种外延层220a、230a和240a的外延结构250a。外延结构250a经配置为发光二极管且包含经配置以发射辐射的至少n型掺杂半导体层和p型掺杂半导体层。在实例中，外延层包含放置于n型掺杂半导体层与p型掺杂半导体层之间的单量子井(SQW)结构。SQW结构包含两个不同半导体材料且可用于调谐LED的波长。替代地，多量子井(MQW)结构插置于n型掺杂半导体层与p型掺杂半导体层之间。MQW结构包含在堆叠中的多个SQW。MQW结构保留SQW结构的优点且具有主动区的更大体积，从而容许更高照明功率。在所描绘实施例中，外延层220a、230a和240a包含经配置以形成发射蓝光、紫外(UV)光或两者的基于GaN的LED的基于GaN的半导体材料。举例来说，外延层240a是p型掺杂GaN(p-GaN)层，外延层230a是放置于外延层240a上方的MQW结构，外延层220a是放置于外延层230a上方的n型掺杂GaN层(n-GaN层)。
外延层220a(n-GaN层)可包含掺杂有n型掺杂物(例如，硅或氧)的氮化镓层。在实例中，缓冲层(例如，未掺杂GaN层或氮化铝(AlN)层)可放置于外延层220a上方。外延层230a(MQW结构)可包含复数对半导体膜，例如，从约5对到约15对半导体膜。在实例中，各对半导体膜包含氮化铟镓(InGaN)膜和氮化镓(GaN)膜(形成InGaN/GaN对)。InGaN/GaN膜可掺杂有n型掺杂物。在另一实例中，各对半导体膜包含氮化铝镓(AlGaN)膜和氮化镓膜(形成AlGaN/GaN对)。AlGaN/GaN膜可掺杂有n型掺杂物。外延层240a(p-GaN层)可包含掺杂有p型掺杂物(例如，镁、钙、锌铍、碳或这些的组合)的氮化镓层。
如图1中展示，LED单元101a的宽度Wa大体上与外延层220a的宽度相同。外延层230a具有大体上与外延层240a的宽度相同且小于宽度Wa的宽度。换句话说，外延层220a的宽度大体上大于外延层230a和外延层240a的宽度。另外，外延层230a被定位成其侧壁(包含左侧壁和右侧壁，如描绘)与外延层240a的侧壁(包含左侧壁和右侧壁，如描绘)对准。外延层220a的右侧壁与外延层230a的右侧壁和外延层240a的右侧壁对准。外延层220a的左侧壁从外延层230a的左侧壁和外延层240a的左侧壁横向突出。因而，外延层220a的底表面的一部分被外延层230a覆盖且外延层220a的底表面的剩余部分未被外延层230a覆盖。
第一LED层102包含介电材料109a(例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、环氧树脂、聚酰亚胺，苯环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、其它适合介电材料或这些的组合)，其密封且保护第一LED层102的各种构件(例如，外延结构250a)。介电材料109a的顶表面大体上与外延层220a的顶表面共面。介电材料109a的底表面大体上与外延层240a的底表面共面。第一LED层102可进一步包含介于介电材料109a与CMOS芯片103之间的重布层(RDL)120a。RDL 120a提供电通道和机械支撑。在许多实例中，RDL120a可包含导电结构285a、226a、227a、229a、231a和233a。在一些实施例中，导电结构285a、226a、227a、229a、231a和233a可由(例如)铜构成。导电结构285a、226a、227a、229a、231a与233a之间的间隙可由介电材料107a(例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、环氧树脂、聚酰亚胺，苯环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、其它适合介电材料或这些的组合)填充。
导电结构226a可用于通过多个金属构件201的顶部金属层210将外延层240a耦合到CMOS芯片103中的主动装置105。在许多实例中，导电结构226a的顶端与外延层240a物理接触；且导电结构226a的底端与顶部金属层210物理接触。导电结构285a可用于通过多个金属构件201的顶部金属层210将外延层220a耦合到CMOS芯片103中的主动装置105。在许多实例中，导电结构285a穿过介电材料109a且导电结构285a的顶端与外延层220a物理接触；且导电结构285a的底端与顶部金属层210物理接触。
第一LED层102可进一步包含在介电材料109a上方的介电材料108a，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、环氧树脂、聚酰亚胺，苯环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、其它适合介电材料或这些的组合。在示范性实施例中，介电材料108a覆盖介电材料109a，且外延层220a未被介电材料108a覆盖。举例来说，介电材料108a未与外延层220a重叠。导电结构110a、111a、112a和113a穿过介电材料108a和介电材料109a，如图1中为了阐释性目的所展示。导电结构110a、111a、112a和113a可由(例如)铜构成且用于通过RDL 120a和多个金属构件201的顶部金属层210将第二LED层104和/或第三LED层106耦合到CMOS芯片103中的主动装置105。在许多实例中，导电结构110a、111a、112a和113a穿过介电材料109a和介电材料108a。导电结构110a、111a、112a和113a的各者的顶端与第二LED层104物理接触；且导电结构110a、111a、112a和113a中的各者的底端分别与RDL 120a中的导电结构227a、229a、231a和233a物理接触。
LED单元101b的LED结构包含具有各种外延层220b、230b和240b的外延结构250b。外延结构250b可大体上相同或类似于如上文描述的外延结构250a。然而，此非本揭露的限制。如图1中展示，LED单元101b的宽度Wb大体上与外延层220b的宽度相同。外延层230b具有大体上与外延层240b的宽度相同且小于宽度Wb的宽度。换句话说，外延层220b的宽度大体上大于外延层230b和外延层240b的宽度。外延结构250b的细节可大体上相同或类似于外延结构250a。
第二LED层104包含介电材料109b(例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、环氧树脂、聚酰亚胺，苯环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、其它适合介电材料或这些的组合)，其密封且保护第二LED层104的各种构件(例如，外延结构250b)。介电材料109b的顶表面大体上与外延层220b的顶表面共面。介电材料109b的底表面大体上与外延层240b的底表面共面。第二LED层104可进一步包含介于介电材料109b与第一LED层102之间的重布层(RDL)120b。RDL 120b提供电通道和机械支撑。在许多实例中，RDL120b可包含导电结构285b、226b、227b和229b。在一些实施例中，导电结构285b、226b、227b和229b可由(例如)铜构成。导电结构285b、226b、227b与229b之间的间隙可由一介电材料107b(例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、环氧树脂、聚酰亚胺，苯环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、其它适合介电材料或这些的组合)填充。
导电结构226b可用于通过第一LED层102的导电结构111a和229a将外延层240b耦合到CMOS芯片103中的主动装置105。在许多实例中，导电结构226b的顶端与外延层240b物理接触；且导电结构226b的底端与导电结构111a物理接触。导电结构285b可用于通过第一LED层102的导电结构110a和227a将外延层220b耦合到CMOS芯片103中的主动装置105。在许多实例中，导电结构285b穿过介电材料109b且导电结构285b的顶端与外延层220b物理接触；且导电结构285b的底端与导电结构110a物理接触。
第二LED层104可进一步包含在介电材料109b上方的介电材料108b，例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、环氧树脂、聚酰亚胺，苯环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、其它适合介电材料或这些的组合。在示范性实施例中，介电材料108b覆盖介电材料109b，且外延层220b未被介电材料108b覆盖。举例来说，介电材料108b未与外延层220b重叠。导电结构110b和111b穿过介电材料108b和介电材料109b，如图1中为了阐释性目的所展示。导电结构110b和111b可由(例如)铜构成且用于通过RDL 120a、120b、导电结构112a、113a和多个金属构件201的顶部金属层210将第三LED层106耦合到CMOS芯片103中的主动装置105。在许多实例中，导电结构110b和111b穿过介电材料109b和介电材料108b。导电结构110b和111b中的各者的顶端与第三LED层106物理接触；且导电结构110b和111b中的各者的底端分别与导电结构227b和229b物理接触。
如图1中展示，第二LED层104在第一LED层102上方且覆盖第一LED层102的至少一部分。在一些实施例中，至少LED单元101a未被第二LED层104覆盖。举例来说，第二LED层104未与外延结构250a重叠。第二LED层104的第一侧壁115b可与外延结构250a的右侧壁对准。第二LED层104的第二侧壁116b可与外延结构250a的左侧壁对准。
LED单元101c的LED结构包含具有各种外延层220c、230c和240c的外延结构250c。外延结构250c可大体上相同或类似于如上文描述的外延结构250a和250b。然而，此非本揭露的限制。如图1中展示，LED单元101c的宽度Wc大体上与外延层220c的宽度相同。外延层230c具有大体上与外延层240c的宽度相同且小于宽度Wc的宽度。换句话说，外延层220c的宽度大体上大于外延层230c和外延层240c的宽度。外延结构250c的细节可大体上相同或类似于外延结构250a或250b。
第三LED层106包含介电材料109c(例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、环氧树脂、聚酰亚胺，苯环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、其它适合介电材料或这些的组合)，其密封且保护第三LED层106的各种构件(例如，外延结构250c)。介电材料109c的顶表面大体上与外延层220c的顶表面共面。介电材料109c的底表面大体上与外延层240c的底表面共面。第三LED层106可进一步包含介于介电材料109c与第二LED层104之间的重布层(RDL)120c。RDL 120c提供电通道和机械支撑。在许多实例中，RDL120c可包含导电结构285c和226c。在一些实施例中，导电结构285c和226c可由(例如)铜构成。导电结构285c与226c之间的间隙可由介电材料107c(例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、环氧树脂、聚酰亚胺，苯环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、其它适合介电材料或这些的组合)填充。
导电结构226c可用于通过第二LED层104的导电结构111b、229b以及第一LED层102的导电结构113a、233a将外延层240c耦合到CMOS芯片103中的主动装置105。在许多实例中，导电结构226c的顶端与外延层240c物理接触；且导电结构226c的底端与导电结构111b物理接触。导电结构285c可用于通过第二LED层104的导电结构110b、227b以及第一LED层102的导电结构112a、231a将外延层220c耦合到CMOS芯片103中的主动装置105。在许多实例中，导电结构285c穿过介电材料109c且导电结构285c的顶端与外延层220c物理接触；且导电结构285c的底端与导电结构110b物理接触。
如图1中展示，第三LED层106在第二LED层104上方且覆盖第二LED层104的至少一部分。在一些实施例中，至少LED单元101a和101b未被第三LED层106覆盖。举例来说，第三LED层106未与外延结构250a和250b重叠。第三LED层106的第一侧壁117c可与外延结构250b的右侧壁对准。第三LED层106的第二侧壁118c可与外延结构250b的左侧壁对准。第三LED层106的第三侧壁115c可与第二LED层104的第一侧壁115b和外延结构250a的右侧壁对准。第三LED层106的第四侧壁116c可与第二LED层104的第二侧壁116b和外延结构250a的左侧壁对准。
透明填料110可放置于第一LED层102、第二LED层104和第三LED层106上方。透明填料110填充第一LED层102、第二LED层104与第三LED层106之间的间隙且覆盖外延结构250a、250b和250c。透明填料110可以是大体上不从激发源吸收光的聚合物或玻璃膜，或掺合有透明细粒子的透明聚合物膜。聚合物膜优选由高度透明聚合物或玻璃制成。适合透明聚合物的特定实例包含乙酸酯树脂，例如，三乙酰纤维素(TAC)、聚酯树脂、聚醚砜树脂、聚砜树脂、聚碳酸酯树脂、聚烯烃树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、聚乙烯醇树脂、聚氯乙烯树脂、聚偏二氯乙烯树脂和聚丙烯酸树脂以及这些的组合。细粒子可由选自由以下者组成的群组的至少一种材料制成：硅石、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、氧化锡、氧化铟、氧化镉和氧化锑。
由于外延结构250a、250b和250c放置于不同深度处，故透明填料110的顶表面与外延结构250a、250b和250c之间的距离彼此不同。举例来说，透明填料110的顶表面与第一LED层102中的外延结构250a之间的距离L1大于透明填料110的顶表面与第二LED层104中的外延结构250b之间的距离L2。距离L2大于透明填料110的顶表面与第三LED层106中的外延结构250c之间的距离L3。取决于设计要求，半导体结构100可进一步包含其它构件和/或层。在许多实例中，含有多个微透镜的微透镜层可形成于透明填料110上方。取决于用于微透镜的材料的折射率和距LED层的距离，微透镜可以各种布置定位且具有各种形状。
在一些实施例中，通过混合接合(包含金属间接合和介电质间接合)将堆叠LED结构101和CMOS芯片103接合在一起。金属间接合(例如，扩散接合)可介于RDL 120a中的导电结构(包含导电结构285a、226a、227a、229a、231a、233a)与多个金属构件201的顶部金属层210之间。介电质间接合可介于介电材料107a与ILD层203之间使得介电材料107a和ILD层203彼此直接接触。RDL 120a中的导电结构(包含导电结构285a、226a、227a、229a、231a、233a)和顶部金属层210用作一对接垫且可包含重布层(RDL)。在一些实施例中，介电质间接合是氧化物间接合。
为了达成良好接合质量，可需要满足一些表面条件和性质。举例来说，RDL 120a的表面粗糙度可小于约10埃(<1nm)。在一些实施例中，金属区域(包含RDL 120a中的导电结构285a、226a、227a、229a、231a、233a)中的凹陷和/或侵蚀的形貌可不大于约±50埃。在一些实施例中，RDL 120a无金属氧化物。在一些实施例中，RDL 120a的接合表面的水接触角可小于约50度，即，RDL 120a的表面被视为亲水的。在一些实施例中，RDL 120a中的导电结构(包含导电结构285a、226a、227a、229a、231a、233a)的间距可不大于约5μm。在一些实施例中，RDL 120a中的导电结构(包含导电结构285a、226a、227a、229a、231a、233a)的线宽度可不大于约2.5μm。在一些实施例中，导电结构的间距对导电结构的线宽度的比率不大于约5:1。举例来说，导电结构的间距对导电结构的线宽度的比率为约1:1。
在一些实施例中，第一LED层102、第二LED层104和第三LED层106也可具有在外围区中LED单元101a、101b和101c的阵列周围的多个主动装置。举例来说，上文提及的控制或逻辑电路的一部分或全部可放置于第一LED层102、第二LED层104或第三LED层106而非CMOS芯片103中。
图2到图11是绘示根据本揭露的优选实施例的处于制造的各个阶段的半导体结构100的局部剖面图的图式。为了清楚起见已简化图2到图11以更佳理解本揭露的发明概念。可在半导体结构100中添加额外构件，且可针对半导体结构100的额外实施例替换或消除下文描述的一些构件。参考图2，提供CMOS芯片103。CMOS芯片103包含衬底206。在衬底206内形成主动装置105。在各项实施例中，衬底206可包含任何类型的半导体本体(例如，硅/CMOS块体、SiGe、SOI等)，例如半导体晶片或晶片上的一或多个裸片，以及任何其它类型的半导体和/或形成于其上和/或以其它方式与其相关联的外延层。在一些实施例中，主动装置105可包含通过以下步骤形成的晶体管：在衬底206上方沉积栅极结构202且通过植入或外延生长而形成源极/漏极区204。
在衬底206上方形成互连结构212以形成CMOS芯片103。在一些实施例中，可通过在衬底206上方形成ILD层203(其包含一或多个ILD材料层)而形成互连结构212。随后蚀刻ILD层203以形成通孔和/或金属沟槽。接着使用导电材料填充通孔和/或金属沟槽以形成多个金属构件201。在一些实施例中，可通过物理气相沉积技术(例如，PVD、CVD等)沉积ILD层203。可使用沉积工艺和/或镀覆工艺(例如，电镀、无电式电镀等)形成金属构件201。在各项实施例中，多个金属构件201可由(例如)钨、铜或铝铜构成。在一些实施例中，多个金属构件201的顶部金属层210具有与ILD层203的上表面对准的上表面。
如图3中展示，将第一LED芯片302接合到CMOS芯片103。第一LED芯片302包含形成于衬底304上的外延结构250a。在示范性实施例中，外延结构250a经配置为蓝色发光二极管。然而，此非本揭露的限制。当外延结构250a经配置为蓝色发光二极管时，衬底304可为结晶衬底，具体地说，蓝宝石衬底。替代地，衬底304包含碳化硅(SiC)或适用于LED应用的其它衬底材料或这些的组合。
在一些实施例中，接合工艺可形成混合接合，所述混合接合包含金属间接合和介电质间接合。顶部金属层210和导电结构285a、226a、227a、229a、231a和233a可直接接合在一起。介电材料107a和ILD层203可彼此毗连以定义混合接合的介电质间接合。在一些实施例中，介电质间接合是氧化物间接合。在一些其它实施例中，接合工艺可使用布置于介电材料107a与ILD层203之间的中间接合氧化物层(未展示)。
在许多实例中，可在CMOS芯片103的接合表面和第一LED芯片302的接合表面上实行表面处理/活化。在表面处理中，可在接合表面上执行干式方法或湿式方法。干式方法可包含采用温和等离子，例如，反应性离子蚀刻(RIE)、感应耦合等离子(ICP)、电容耦合等离子(CCP)、类似者或其组合。湿式方法可包含采用用于清洗浴的RCA1或RCA2溶液。RCA1溶液可为含有氢氧化铵(NH4OH)、去离子水(HDIW)和过氧化氢(H2O2)的混合物。可将RCA1溶液加热到约40℃到70℃以从晶片的表面去除有机粒子。RCA2溶液可为含有盐酸(HCl)、热去离子水(HDIW)和过氧化氢(H2O2)的混合物。可将RCA2溶液加热到约40℃到80℃以从晶片的表面去除金属杂质和粒子。随后，接合表面变得亲水，且介电材料107a的暴露表面和ILD层203被活化。
接着，为了从接合表面去除金属氧化物(例如，氧化铜)、化学品、粒子或其它非所要材料，对封装组件执行表面清洗步骤。可针对金属氧化物去除执行湿式蚀刻处理。在一项实施例中，本文中描述的示范性实施例和方法论中利用的表面清洗步骤可包含(例如)在合成气体(例如，4％H2/N2、4％H2/He、4％H2/Ar、纯H2等)、合成酸(例如，HCO2H)、HCl、柠檬酸、等离子(例如，H2)下的热处理、PCII(例如，Ar溅镀)或在H2环境工艺下的UV擦除。在混合接合期间，施加按压力以使CMOS芯片103和第一LED芯片302彼此紧靠。按压力可低于约1千牛顿，其可施加到CMOS芯片103和第一LED芯片302的中心。混合接合可在低于约50℃的温度下执行。
作为实例，可在接合之后在约100℃到500℃的温度下执行退火工艺。举例来说，在实施例中，顶部金属层210和导电结构285a、226a、227a、229a、231a和233a的Cu的粒径大小在退火工艺之后可为约0.1μm到5μm，其中接合强度大于约0.5J/m2。可在N2环境、Ar环境、He环境、(约4％到10％H2)/(约90％到96％惰性气体或N2)环境、惰性混合气体环境、这些的组合或其它类型的环境中执行混合接合工艺。
参考图4，可对衬底304执行激光剥离(LLO)以去除衬底304。在一些实施例中，可首先通过薄化衬底304的后表面304a而去除衬底304的一部分。换句话说，可在一个操作或若干操作中完成衬底304的去除。在许多实例中，可通过干式或湿式蚀刻、磨光、研磨、CMP(化学机械抛光)或这些的组合去除衬底304。
参考图5，在介电材料109a上形成介电材料108a。随后蚀刻介电材料108a和109a以形成通孔110a'、111a'、112a'和113a'。接着使用导电材料(例如，铜)填充通孔以形成穿过介电材料108a和介电材料109a的导电结构110a、111a、112a和113a，如图6中展示。
如图7中展示，将第二LED芯片702接合到第一LED芯片302的第一LED层102。第二LED芯片702包含形成于衬底704上的外延结构250b。在示范性实施例中，外延结构250b经配置为绿色发光二极管。然而，此非本揭露的限制。当外延结构250b经配置为绿色发光二极管时，衬底704可为结晶衬底，具体地说，蓝宝石衬底。替代地，衬底704包含磷化镓(GaP)或适用于LED应用的其它衬底材料或这些的组合。接合工艺可大体上相同或类似于第一LED芯片302和CMOS芯片103的接合工艺。因此，此处为了简洁省略细节。
参考图8，可通过大体上相同或类似于衬底304的去除的工艺去除衬底704。在介电材料109b上形成介电材料108b。随后蚀刻介电材料108b和109b以形成通孔，且接着使用导电材料(例如，铜)填充通孔以形成穿过介电材料108b和介电材料109b的导电结构110b和111b。
如图9中展示，将第三LED芯片902接合到第二LED芯片702的第二LED层104。第三LED芯片902包含形成于衬底904上的外延结构250c。在示范性实施例中，外延结构250c经配置为红色发光二极管。然而，此非本揭露的限制。当外延结构250c经配置为红色发光二极管时，衬底904可为砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)或适用于LED应用的其它衬底材料或这些的组合。接合工艺可大体上相同或类似于第一LED芯片302和CMOS芯片103的接合工艺以及第二LED芯片702和第一LED层102的接合工艺。因此，此处为了简洁省略细节。
参考图10，可通过大体上相同或类似于衬底304和衬底704的去除的工艺去除衬底904。如图11中展示，可通过干式或湿式蚀刻去除介电材料108a、第二LED层104和第三LED层106的一部分以至少完全暴露外延层220a，和可通过干式或湿式蚀刻去除介电材料108b和第三LED层106的一部分以至少完全暴露外延层220b的顶表面。再次参考图1，施覆透明填料110以覆盖第一LED层102、第二LED层104和第三LED层106。透明填料110填充第一LED层102、第二LED层104与第三LED层106之间的间隙且包围外延层220a、220b和220c。可在透明填料110上方进一步形成微透镜。在一些实施例中，可通过在透明填料110上方(例如，通过旋涂方法或沉积工艺)沉积微透镜材料而形成微透镜。
本揭露的一些实施例提供一种半导体结构。所述半导体结构包含：第一发光二极管(LED)层，其包含第一色彩类型的第一LED，所述第一LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；第二LED层，其在所述第一LED层上方，所述第二LED层包含第二色彩类型的第二LED，且所述第二LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；第三LED层，其在所述第二LED层上方，所述第三LED层包含第三色彩类型的第三LED，且所述第三LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；和透明填料，其在所述第一LED层、所述第二LED层和所述第三LED层上方，其中所述透明填料的顶表面与所述第一LED层的所述第二侧之间的距离大于所述透明填料的所述顶表面与所述第二LED层的所述第二侧之间的距离，且所述透明填料的所述顶表面与所述第二LED层的所述第二侧之间的所述距离大于所述透明填料的所述顶表面与所述第三LED层的所述第二侧之间的距离；其中所述第一色彩类型、所述第二色彩类型和所述第三色彩类型彼此不同，且所述第一LED、所述第二LED和所述第三LED彼此横向隔开，使得从俯视图，所述第一LED、所述第二LED和所述第三LED彼此不重叠。
本揭露的一些实施例提供一种半导体结构。所述半导体结构包含：半导体芯片，其包含：衬底；和互连结构，其在所述衬底上方；和堆叠发光二极管(LED)结构，其在所述半导体芯片上方，所述堆叠LED结构包含：第一LED层，其包含：第一重布层(RDL)层，其包含具有金属区和介电区的混合接合界面；第一LED层，其在所述第一RDL层上方；和第一介电层，其在所述第一LED层上方；和第二LED层，其在所述第一LED层上方，所述第二LED层包含：第二RDL层；第二LED层，其在所述第二RDL层上方；和第二介电层，其在所述第二LED层上方；其中所述半导体芯片接合到所述堆叠LED结构的所述混合接合界面。
本揭露的一些实施例提供一种制造半导体结构的方法。所述方法包含：接纳半导体芯片、第一LED芯片和第二LED芯片，其中所述第一LED芯片具有衬底；将所述第一LED芯片混合接合到所述半导体芯片；去除所述第一LED芯片的所述衬底；和将所述第二LED芯片混合接合到所述第一LED芯片。
上文概述若干实施例的特征，使得所属领域的技术人员可优选理解本揭露的方面。所属领域的技术人员应了解，这些可容易使用本揭露作为用于设计或修改用于实行相同目的和/或达成本文中介绍的实施例的相同优点的其它工艺和结构的基础。所属领域的技术人员也应意识到这些等效构造不脱离本揭露的精神和范围且这些可在本文中做出各种改变、替代和更改而不脱离本揭露的精神和范围。
符号说明
100 半导体结构
101 堆叠发光二极管(LED)结构
101a 发光二极管(LED)单元
101b 发光二极管(LED)单元
101c 发光二极管(LED)单元
102 第一发光二极管(LED)层
103 互补式金属氧化物半导体(CMOS)芯片
104 第二发光二极管(LED)层
105 主动装置
106 第三发光二极管(LED)层
107a 介电材料
107b 介电材料
107c 介电材料
108a 介电材料
108b 介电材料
109a 介电材料
109b 介电材料
109c 介电材料
110 透明填料
110a 导电结构
110a' 通孔
110b 导电结构
111a 导电结构
111a' 通孔
111b 导电结构
112a 导电结构
112a' 通孔
113a 导电结构
113a' 通孔
115b 第一侧壁
115c 第三侧壁
116b 第二侧壁
116c 第四侧壁
117c 第一侧壁
118c 第二侧壁
120a 重布层(RDL)
120b 重布层(RDL)
120c 重布层(RDL)
201 金属构件
202 栅极结构
203 层间介电质(ILD)层
204 源极/漏极区
206 衬底
210 顶部金属层
212 互连结构
220a 外延层
220b 外延层
220c 外延层
226a 导电结构
226b 导电结构
226c 导电结构
227a 导电结构
227b 导电结构
229a 导电结构
229b 导电结构
230a 外延层
230b 外延层
230c 外延层
231a 导电结构
233a 导电结构
240a 外延层
240b 外延层
240c 外延层
250a 外延结构
250b 外延结构
250c 外延结构
285a 导电结构
285b 导电结构
285c 导电结构
302 第一发光二极管(LED)芯片
304 衬底
304a 后表面
702 第二发光二极管(LED)芯片
704 衬底
902 第三发光二极管(LED)芯片
904 衬底
D 距离
L1 距离
L2 距离
L3 距离
Wa 宽度
Wb 宽度
Wc 宽度

Claims (16)

1.一种半导体结构，其包括：
第一发光二极管LED层，其包含第一色彩类型的第一LED，所述第一LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；
第二LED层，其在所述第一LED层上方，所述第二LED层包含第二色彩类型的第二LED，且所述第二LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述第二LED层接合到所述第一LED层的所述第二侧；
第三LED层，其在所述第二LED层上方，所述第三LED层包含第三色彩类型的第三LED，且所述第三LED层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述第三LED层接合到所述第二LED层的所述第二侧；以及
透明填料，其在所述第一LED层、所述第二LED层和所述第三LED层上方，其中所述透明填料的顶表面与所述第一LED层的所述第二侧之间的距离大于所述透明填料的所述顶表面与所述第二LED层的所述第二侧之间的距离，且所述透明填料的所述顶表面与所述第二LED层的所述第二侧之间的所述距离大于所述透明填料的所述顶表面与所述第三LED层的所述第二侧之间的距离；
其中所述第一色彩类型、所述第二色彩类型和所述第三色彩类型彼此不同，且所述第一LED、所述第二LED和所述第三LED彼此横向隔开，使得从俯视图观察，所述第一LED、所述第二LED和所述第三LED彼此不重叠，
其中所述第一LED层进一步包含在所述第一LED层的所述第一侧处的第一重布层RDL，所述第二LED层进一步包含在所述第二LED层的所述第一侧处的第二RDL，且所述第三LED层进一步包含在所述第三LED层的所述第一侧处的第三RDL，
其中所述第一LED层的所述第一侧处接合到半导体芯片。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第一RDL包含导电结构，且所述导电结构的间距对所述导电结构的线宽度的比率不大于约5:1。
3.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第一色彩类型是蓝色，所述第二色彩类型是绿色且所述第三色彩类型是红色。
4.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第一LED通过所述第一RDL耦合到所述半导体芯片，所述第二LED通过所述第二RDL和所述第一LED层耦合到所述半导体芯片且所述第三LED通过所述第三RDL、所述第二LED层和所述第一LED层耦合到所述半导体芯片。
5.根据权利要求1所述的半导体结构，其进一步包括在所述第一LED层、所述第二LED层和所述第三LED层上方的透明层，其中所述透明层的顶表面与所述第一LED之间的第一距离大于所述透明层的所述顶表面与所述第二LED之间的第二距离，且所述第二距离大于所述透明层的所述顶表面与所述第三LED之间的第三距离。
6.一种半导体结构，其包括：
半导体芯片，其包含：
衬底；以及
互连结构，其在所述衬底上方；以及
堆叠发光二极管LED结构，其在所述半导体芯片上方，所述堆叠LED结构包含：
第一LED层，其包含：
第一重布层RDL，其包含具有金属区和介电区的混合接合界面；
第一半导体层，其在所述第一RDL上方；以及
第一介电层，其在所述第一半导体层上方；以及
第二LED层，其在所述第一LED层上方，所述第二LED层包含：
第二RDL；
第二半导体层，其在所述第二RDL上方；以及
第二介电层，其在所述第二半导体层上方；
其中所述半导体芯片接合到所述堆叠LED结构的所述混合接合界面。
7.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述互连结构接合到所述第一LED层的所述第一RDL。
8.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述金属区的间距对所述金属区的线宽度的比率不大于约5:1，且
所述第一半导体层包含：
介电材料；以及
第一色彩类型的第一外延LED结构，其由所述第一半导体层的所述介电材料横向包围；且
所述第二半导体层包含：
介电材料；以及
第二色彩类型的第二外延LED结构，其由所述第二半导体层的所述介电材料横向包围；
其中所述第一色彩类型不同于所述第二色彩类型。
9.根据权利要求8所述的半导体结构，其中所述第一外延LED结构通过所述第一RDL耦合到所述半导体芯片。
10.根据权利要求8所述的半导体结构，其中所述第一LED层进一步包含穿过所述第一介电层和所述第一半导体层的所述介电材料的导电结构。
11.根据权利要求10所述的半导体结构，其中所述第二LED层的所述第二RDL接合到所述第一LED层，且所述第二外延LED结构通过所述第二RDL和所述导电结构耦合到所述半导体芯片。
12.根据权利要求8所述的半导体结构，其中所述第一外延LED结构与所述第二外延LED结构横向隔开达大于0的宽度，且从俯视图，所述第一外延LED结构未与所述第二外延LED结构重叠。
13.根据权利要求8所述的半导体结构，其进一步包括在所述第一LED层和所述第二LED层上方的透明层，且所述透明层的顶表面与所述第一外延LED结构之间的第一距离大于所述透明层的所述顶表面与所述第二外延LED结构之间的第二距离。
14.根据权利要求8所述的半导体结构，其中所述第一外延LED结构未被所述第二LED层覆盖。
15.一种制造半导体结构的方法，其包括：
接纳半导体芯片、第一LED芯片和第二LED芯片，其中所述第一LED芯片具有衬底与第一重布层RDL，及所述第二LED芯片具有第二RDL；
将所述第一LED芯片混合接合到所述半导体芯片，其中所述第一RDL与所述半导体芯片接触；
去除所述第一LED芯片的所述衬底；以及
将所述第二LED芯片混合接合到所述第一LED芯片，其中所述第二RDL与所述第一LED芯片接触。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
在所述第一LED芯片中形成导电结构；且
所述将所述第二LED芯片混合接合到所述第一LED芯片包括：
通过所述导电结构将所述第二LED芯片耦合到所述半导体芯片。
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