JP2008016843A - 半導体ウエハ及びデバイス用のボンディング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】品質を維持しつつ発光ダイオード等における金の使用量を低減する。
【解決手段】デバイスウエハ１５は接着金属層１３を備え、基板ウエハ１４は接着金属層２０を含んでいる。接着金属層１３、２０は、５０重量％以上のＮｉ及びＳｎからなり、Ｓｎの中間層とＮｉの外側層からなる３層構造を有する。デバイスウエハ１５と基板ウエハ１４とを接合する際、Ｓｎの融点とＮｉの融点との間の温度で、Ｓｎ層がＮｉ層とほぼ完全に反応するまで加熱する。接着機能を損なわずに、高価な金を使用しないか又は使用量を低減させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）製造過程において、ＬＥＤを保持した基板ウエハをその他の基板ウエハに取り付けるのに使用される金属ボンディングの構造及び組成に関するものである。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、適宜の半導体材料において電子正孔再結合事象を誘起することによって、印加された電圧を光に変換する光半導体デバイスである。再結合事象時に放出されたエネルギの１部又は全てにより、光子が生成される。

典型的なＬＥＤは、ｐタイプ及びｎタイプのエピタキシャル層（「エピ層（ｅｐｉｌａｙｅｒｓ）」）を含み、これらの層によりｐ−ｎ接合が形成されて電流が流れ、上記の再結合事象が生成される。これらのエピ層は、同１又は異なる半導体基板上に成長するのが典型的である。比較的高結晶質のエピ層を生成できることから結果として生じる素子の品質及び動作を向上することができる。斯かる素子の基板部分は同１の品質レベルを必要としないこともあり、又は、ある場合には、エピ層の中の１つ以上と同１の材料から形成される基板が容易に（或いは全く）利用できないことがある。

バンド間隔及び直接遷移特性により、グループIIIの窒化物が波長のより短い発光ダイオード、即ち、電磁波スペクトルの青、紫及び紫外部分に発光するダイオードに適している。グループIIIの窒化物は、その他の色を発光するダイオード又は燐光体と協働して白色光を生成する。同時に、適当な大きさ及び品質のグループIIIの窒化基板結晶の入手は困難又は不可能である。結果として、グループIIIの窒化物系に基づいたＬＥＤはグループIIIの窒化エピ層をサファイア又は炭化珪素（ＳｉＣ）基板上に含むのが典型的である。

理由は多々あるが、発光半導体材料からなるエピタキシャル層を基板上に（典型的には、化学蒸着法（ＣＶＤ）により）形成する場合、結果として生じる先駆体構造が追加基板上に追加できる場合がある。このような第２の基板は半導体に限定されるものではないが、半導体である場合には、必ずしも半導体としての機能を果たすために存在するものではない。例えば、共に譲渡された同時継続出願の米国特許出願公報番号第２００６／００６０８７７号では、第２の基板を装着及び製造目的に使用して最終ＬＥＤの１部を形成する。この第２００６／００６０８７７号をその全体を参照として本書に組み込んでいる。当該公報及びその他においても記載されているように、何らかの種類のＬＥＤを製造する場合には、（例えば、オリジナルの基板は初期の製造工程を容易にするためにより厚く構成されていることから）オリジナルの基板の厚さを低減する工程が１つ以上含まれている。関連の背景技術が共に譲渡された米国特許出願公報番号第２００６／００４９４１１号、２００６／００６０８７２号、２００６／００６０８７４号及び２００６／００６０８７９号に記載されており、各公報の内容全体が参照として本書に組み入れられている。

その他の構造においては、発光ダイオードが第２の基板に通常の向きとは反対に（反転するように）装着される。別な言い方をすれば、典型的な向きでは、基板はリードフレームに装着され、エピタキシャル層がリードフレームに向けて装着され、且つ、基板がＬＥＤの発光面を提供するようにされる。斯かるフリップチップダイオードの製造プロセスの様々な工程で、ＬＥＤを担持した基板ウエハを別の基板ウエハに一時的にせよ、永久的にせよ、組み合わせることが要求される。あるフリップチップの実施形態では、ＬＥＤを担持した基板ウエハがエピタキシャル層を一時的又は永久的に基板ウエハ上に取り付けられた後に、該エピタキシャル層から取り外される。

ＬＥＤを担持した基板ウエハを別の基板ウエハに結合する従来の方法では、永久的な接着が必要な場合には、種々の金属層を半田付けやろう付けと同一又は類似した方法で使用される。多くの場合、チタン層がそれぞれの面に形成又は蒸着されて結合され、次いで、追加の接着金属層が追加されて第１及び第２の基板（場合によっては、ドナー基板及びアクセプター基板と称する）の各々に接着金属構造体を形成する。

理由は多々あるが、上記の接着金属層では金（Ａｕ）が歴史的に主たる要素として利用されている。酸化及びその他の化学反応に対する抵抗力を有することから（それによって、歴史的に宝石及びその関連品目として貴重であるのであるが）金はまた耐腐食性の面からも、即ち、回りの物質との望ましくない反応を避けることができることから、魅力的物質である。金は融点が比較的低い合金又は化合物（純金に対する）を形成することができることから、半田付けの用途でも理想的なものである。

しかしながら、たとえ個々の半導体素子に使用される量が微量であっても、市場が必要とする何百万もの発光ダイオードで積算した場合には、金のコストは相当なものとなる。
別の要素として、ウエハを別のウエハに半田付けするには熱を加える必要がある。従って、ＬＥＤウエハを第２の基板ウエハに半田付けするのに使用する半田付け工程では、ＬＥＤをある程度加熱することになる。当業者は理解するであろうが、発光半導体のエピタキシャル層の温度を上げると、それに連れて、エピタキシャル層に欠陥が生じる可能性が高くなる。金・錫系の半田付け（接着、蝋付け）では、約３００℃を超える温度が必要とされるのが典型的である。例えば、グループIIIの窒化物からなるエピタキシャル層は、理論的にはこのような温度に耐えられるが、実際にはその温度になると接着工程において著しい欠陥が生じる可能性が著しく高くなる。

更に別の要素として、個々のＬＥＤをウエハから分離してリードフレーム（例えば、ランプを形成するために）装着する場合、ＬＥＤは別の半田付け工程を利用してリードフレームに装着されるのが一般的である。ＬＥＤが既に半田接着を含んでいる場合には、ウエハに接着したチップをリードフレームに半田付けするのに必要な温度によって既存の半田接着が何ら影響されないことが望ましいことである。従って、ＬＥＤをリードフレーム半田付けする温度は、基板対基板の接着が溶融することなく耐えられる温度に制限される。別な言い方をすれば、好ましいことではないが、基板対基板の接着金属の温度特性が、個々のＬＥＤを個々のリードフレームに接合するのに使用できる半田の種類を制限してしまう。

従って、発光ダイオードにおける金の使用量を低減する必要はあるが、その他の半導体素子と同様に、長寿命と高信頼性を尺度とする製造された発光ダイオードの品質について妥協することなく、金の量の低減をしなければならない。同様なことが基板接着金属についても言えることであり、接着金属を使用することでエピタキシャル層に発生する欠陥をなくす又は最低限なものとし、且つ、エピタキシャル層が、個々のＬＥＤダイをリードフレームに半田付けする時も、リードフレームを組立体へ半田付けする時も、安定しているものでなければならない。
本発明の目的は、上記した要求を満足する半導体構造の接着方法を提供することである。

上記した目的を達成するために、本発明の１つの態様によれば、発光ダイオードウエハ、基板及び接着構造であって、複数の発光ダイオードを含むデバイスウエハと、前記デバイスウエハの発光ダイオードとは反対側の金属コンタクト層（又は複数の層）と、重量で見るとニッケルと錫が主体である金属コンタクト層上の接着金属層とを含む発光ダイオードウエハ、基板及び接着構造が提供される。

本発明の別の態様によれば、ウエハ構造であって、複数のＬＥＤを含むデバイスウエハと、該ＬＥＤデバイスウエハに接着金属層で接着された基板ウエハとを備え、該接着金属層が、重量で見ると主要素となるニッケルと、錫とからなるウエハ構造が提供される。

本発明の更に別の態様によれば、ＬＥＤウエハ及び基板ウエハを互いに接着する方法であって、ＬＥＤウエハを基板ウエハに重量で見ると主要素となるニッケル及び錫からなる接着金属層で接着することからなる方法が提供される。

本発明の別の態様によれば、活性部と、基板部と、該活性部及び該基板部の間の接着金属層とを備える発光ダイオードであって、前記接着金属層が、重量で見るとニッケル及び錫が主体となる発光ダイオードが提供される。

本発明は、広義には、半導体構造体を互いに接着する方法に関し、発光ダイオードを含んだウエハの基板ウエハの接着に関する記載は、本発明の一適用例である。
この広義の解釈では、本発明は３層構造（例えば、ニッケル・錫・ニッケル）であって、融点が低い中間層（例えば、融点２３２℃のＳｎ）を、それぞれが該中間層の融点を超える融点の２枚の外側層（例えば、融点が１４４５℃のＮｉ）の間に含む３層構造を加熱することを含む。斯かる３層構造は、相対的量の中間層金属（Ｓｎ）を含み、斯かる量は、加熱工程において双方の外側層との反応分だけ消費される量よりは多いが、双方の外側層上で機能的な反応超過をもたらす程の量よりは少ない。このような加熱工程は、中間層の融点（Ｓｎの２３２℃）と外側層の融点（Ｎｉの１４４５℃）の低い方との間の温度で、中間層がほぼ完全に外側層と反応するまでなされる。

別の広義の解釈では、本発明は、半導体ウエハを互いに接着する方法に関する。この態様では、斯かる方法は、２つの半導体ウエハの間の２層金属構造を加熱する工程を含む。２つの層は、隣接する第１及び第２の金属層（例えば、Ｓｎ及びＮｉ）を含み、第１の金属層（Ｓｎ）の融点が第２の金属層（Ｎｉ）の融点より低い。この金属構造は、相対的な量の第１の金属層（Ｓｎ）を有しており、該相対的な量は、加熱工程において第２の層（Ｎｉ）との反応で消費される量よりは多いが、２つの接着されたウエハの間で第１の金属（Ｓｎ）が機能的に反応超過となる量よりは少ない。該加熱工程は、第１（Ｓｎ）及び第２（Ｎｉ）の層の融点の間の温度で、第１の層（Ｓｎ）が第２の層（Ｎｉ）及び隣接するウエハの表面とほぼ完全に反応するまで、実行される。

本明細書において使用される場合、「機能的な反応超過」は、低い方の融点に接近した又は近い温度で接着機能に悪影響を及ぼす融点の低い方の金属の量を意味する。ニッケル（融点が１４５５℃）からなる２つの層の間の錫（融点が２３２℃）からなる中間層で言えば、十分な量の未反応錫が過熱工程後でも残存する場合には、２３２℃を丁度超える温度で錫が溶融するので、全接着手段の目的がだいなしとなる。従って、該金属の相対量を、融点が低い方の金属が反応後に少量又は狭い領域において残存するが、斯かる望ましくない低温度で接着を溶融させるには不十分となるように選択する。これにより、接着された構造の機械的一体性が損なわれる可能性がある。

錫及びニッケルを使用して幾分大げさに言えば、加熱工程後に接着構造の一部がほぼ錫だけとなって残った場合には、接着手段の最も弱い点は単純に錫層であり、錫の融点になれば溶融してしまう。斯かる状況にあっては、錫層が開始材料及び最終製品の双方となることから、実質的な利点は全く達成されず、加熱工程の前後における実質的な改良も全くなくなる。

特に、２層構造では、金属構造が最初に第１のウエハ上に配置され、融点の高い（第２の）金属が第１ウエハと融点の低い方の（第１の）金属との間に配置される、即ち、融点の低い方の層が「露出」されることになる。その結果、融点の低い方の金属が溶融すると、第２の金属及び第２のウエハと接触することとなる。違った言い方をすれば、Ｎｉ−Ｓｎの実施例では、融点が低い方の金属（Ｓｎ）が融点の高い方の金属（Ｎｉ）及び第２の基板を濡らす位置になる。
逆説的に言えば、２つの基板が、該基板の間の境界を形成する融点の高い方の金属（Ｎｉ）と接触した場合、上記の述べた温度では濡れることがなく、従って接着が生じない。

加熱工程は、加熱工程中に金属層間に形成される合金又は化合物の融点未満の温度で実施されるのが典型的である。「加熱工程中」とは、特許請求の範囲に記載された相対的な量及びそれらが反応する方法が加熱工程に関してなされるものと理解され、当該金属が接触するかも知れない無制限な量の時間に関して言及しているのではない。

ニッケル・錫の使用は、一例を示すものであり且つ本発明の目的（特に、従来の金・錫系に比較して歩留まりを高めると共にコストを低減する）には有益ではあるが、融点の低い方の金属として錫以外の金属を選択して、ビスマスで、又はそれとの組合せで有益な代替金属を形成するようにしても良い。同様に、ニッケルも一例であり、融点の高い方の金属をニッケル、コバルト、鉄、銅及びそれらの組合せから選択することができる。

上記した金属が化合物を形成することから、加熱工程は、典型的には、約２５０℃以上の温度で実施することができる。金属だけに関して言えば、加熱工程の上限は接着層において該金属により形成される合金の融点により画定される。斯かる理論的な上限は比較的高く、即ち、３０〜７０重量％の錫からなるＮｉ−Ｓｎ化合物の融点は、全て７５０℃を超えるものである。従って、実際の上限は、基板上又は基板上の素子の温度特性に基づいて選択される。これらは一般にもっと低いものであり、例えば、本明細書に記載するように、グループIIIの窒化物からなる層は、他の処理工程においては約３００℃を下回る温度に維持されるのが好適である。

一実施形態では、本発明は、発光ダイオードウエハ、基板及び接着構造を提供し、該接着構造は、主としてニッケル（Ｎｉ）及び錫（Ｓｎ）からなる。図１において、符号１５で示すデバイスウエハは、基板材料１０、及びエピタキシャル層１１及び１１’により表す複数のデバイス層を含む。デバイスウエハ１５が発光ダイオード又はダイオード先駆体を含む場合、エピタキシャル層１１及び１１’は印加された電流（背景技術において記載した如く）により発光する半導体材料から形成されるのが一般的である。２つの層１１及び１１’が図示されているが、接合ダイオード構造として最も基礎的なものであるｐ型及びｎ型層を概略的に表すものである。当業者であれば分かることであるが、発光ダイオードの活性部にヘテロ結合、超格子構造、及び多数の量子ウエルを含んだ、様々な目的のための複数の層を含むことができる。

同様に、図１（及び図２及び図３）は概略的な断面図であり、比率やサイズは、正確さよりも説明の容易さを目的にして示している。本明細書の後段で記載するように、例示した層の幾つかの実際の大きさは数倍のオーダで異なるものであり、該実際の大きさを文字通りに比例して図示しようとすれば、記載が明確になるどころか不明確になってしまう。

背景技術で記載したように、エピタキシャル層を担持した又はＬＥＤを担持した基板ウエハを、様々な目的及びエピタキシャル層又はデバイスの位置に対して様々な向きにして別の基板に接着することができる。従って、図１では、それぞれの基板１４及び１５が発光層１１、１１’に関して一定位置に結合されているように示されているが、図１は一例を示したものであって、本発明の適用の仕方を制限するものではない。本明細書で使用された場合、基板ウエハなる用語は、成長基板上のエピタキシャル層、異なる一時的又は永久的な基板上のエピタキシャル層、又は他方の基板に接着された（基板を除いた）エピタキシャル層そのものを含むことができる。

本発明は、特定の種類の基板材料又は発光ダイオードを形成する材料に限定されるものではなく、市場における重要性から、記載の多くは発光ダイオード及び対応するウエハ構造に関してなされ、このようなウエハ構造は、グループIIIの窒化物系において炭化珪素（ＳｉＣ）又はサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板上に形成されるのが典型的である。個々のＬＥＤ素子の性質及び動作は、この技術分野では周知であるから、本明細書において詳細に繰り返し記載しない。適切な参照文献としては、スゼ（Ｓｚｅ）の、「半導体素子の物理学（Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ）」第２版 （１９８１年）、シューバート（Ｓｃｈｕｂｅｒｔ）の、「発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ）」ケンブリッジ大学出版（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ）（２００３年）、及び、ゼタリング（Ｚｅｔｔｅｒｌｉｎｇ）の、「炭化珪素素子の処理技術（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ）」電子材料情報サービス（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｖｅｒｖｉｃｅ）（２００２年）がある。

グループIIIの窒化物なる用語は、本明細書では、その通常の意味で使用されている。即ち、グループIIIの要素中の２成分化合物、３成分化合物、及び４成分化合物であり、最も一般的なものは、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）であり、窒素を備える場合には、グループIIIの窒化物の全ての原子留分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）と窒素が１：１の関係となる。発光ダイオード層の１以上の任意の層に対して特定のグループIIIの窒化組成物を選択することはこの技術分野では公知であり、従って、本発明と関連して、それを詳細に説明する必要はないと考える。

図１に戻って、デバイスウエハ１５は、１又は複数の金属コンタクト層を含むのが典型的であり、該複数の層を一体として符号１２で示している。金属コンタクト層１２は、該層がその内部において接触する半導体材料に対する電気特性で選択される。大抵の発光ダイオード構造において、金属コンタクト層１２は、該コンタクトが蒸着される基板又はエピタキシャル層のｐ型又はｎ型材料に対するオーム特性で選択される。材料と半導体の間で適切なオーム性接触がなされると、その他の金属を耐腐食性、低コスト又は製造の容易性等の目的で、コンタクト層１２内に含むことができる。

矢印１３で示した接着金属層は、金属コンタクト層１２上にある。本発明では、接着金属層は、重量で見るとニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）が主体である。接着金属層は５０重量％を超えるニッケル及び錫からなり、場合によっては、７５重量％を超えるニッケル及び錫から成り、また、別の実施形態では、８５重量％を超えるニッケル及び錫からなる。

本発明の１つの目的は金の量を減らすことであるので、ある実施形態では、金を完全に排除するか、又は、最低限の量を使用する。金に関して言えば、接着金属層１３には５０重量％未満の量で金が含まれており、ある実施形態では、金の含有量は２０重量％未満である。
当業者には自明のことであるが、多くの従来の接着手段においては、金は重量費で圧倒的な量を占めており、場合によっては、約８０重量％の量の金が含まれる（例えば、図６）。従って、本発明によれば、著しく金の量が低減されることとなる。

図１はまた基板ウエハ１４を図示しており、該基板ウエハはデバイスウエハ１５へ接合される。図１では、各ウエハ構造が互いにわずかに離れた状態で示されているが、本発明の方法に関する態様において説明するように、ウエハ構造は接触して接合されるものである。基板ウエハ１４は基板材料１６及びコンタクト金属部１７を含み、該コンタクト金属部１７は金属コンタクト層１２に類似又は同一のものである。基板ウエハ１４はそれ自体の複数の接着金属層を含み、これら層はコンタクト金属部１７上にあって、矢印２０で示している。デバイスウエハ１５と同様に、基板ウエハ１４上の接着金属層２０は、重量比でニッケル及び錫が主体であり、デバイスウエハ１５に関して説明したような組成と同一の組成配分となる。

図２は接着金属層１３をより詳細に示している。図２は個々の層間の厚さの違いを比例的に示しているが、正確な縮尺ではなく、寧ろ違いがあることを例示するものである。
比較上、図２において、装着金属部１３は図１と同一の向きに示されている。これを踏まえて、接着金属層１３は、例えば、チタン（Ｔｉ）又はその合金よりなる層の接着層２１を金属コンタクト層１２に直接接触させた状態で含むことができる。チタンは接着特性から、接着金属層に含まれるのが典型的である。実施形態によっては、その他の材料を使用することができる。ニッケルからなる層２２がチタン層２１の上にあり、ある実施形態では、該構造において、錫の層２３がニッケル層２２上に補完配置される。しかしながら、図２に図示するのは、その他の実施形態での構造であって、金の層２４を含むようにして構造の冶金学的性質を向上させることができる。ただし、その金の量は従来のものに使用される量よりははるかに少ない量である。同様に、比較的薄い金メッキ（ｆｌａｓｈ）２５を接着金属層１３に追加して接着接続特性を向上することができるが、使用される金の量は、従来の構造での使用量と比較して著しく少ない量にされている。当業者には自明のことであるが、実施形態によっては、異なる材料を使用して、より多くの層又は少ない層を含むようにしても良い。

より重要なことであると考えられるが、本発明においては、錫層２３の厚さは、隣接するニッケル層の一方と反応して所望のＮｉ−Ｓｎ組成物を提供する一方で、他方の隣接金属（通常ニッケル）層を濡らして反応させる追加の錫を提供するのに十分な厚さに設定されている。
例として、チタン層は約１０００オングストローム（１０００Å）以下、ニッケル層は約２０００Å、オプションの金の層は約１０００Å、及び金メッキ層は約１５０〜３００Åである。しかしながら、錫は約２ミクロン（２mｍ）であり、これは、その他の層の約１０倍の厚さである。

それぞれのウエハ１４及び１５上の接着金属層１３及び２０は互いに同一（対称）又は異なる（非対称）である。例として、非対称の組合せの場合、デバイスウエハ１５は上記した接着構造１３を含むことが可能であり、一方、基板ウエハ１４は金メッキ層、ニッケル層及びチタン接着層のより単純な組合せを含むことが可能である。非対称の実施形態では、それぞれの層の組のいずれも、これら基板のいずれの上に最初に形成させることができる。
別の実施形態では、デバイスウエハ１５上の金属層１３は金層２４を含まないようにすることが可能であり、基板ウエハ１４上の接着金属層２０は金属メッキ層、ニッケル層及びチタン接着層を含むことが可能である。

図３は接着した基板の組合せの略図であり、該基板の組合せを符号２７で示す。しかしながら、デバイスウエハ１５及び基板ウエハ１４は、接着金属が結合されて図１に示した個々の接着構造１３及び２０ではなく、寧ろ矢印３０で示した最終の接着金属構造を形成することから、もはや個々の構造としては図示されていない。しかしながら、コンタクト層１２及び１７は、基板ウエハ材料１６、デバイス基板材料１０及び１１及び１１’で示した発光層と同じである。

結合された接着金属層３０は、重量で見ると主要素としてニッケルと錫から成り、且つ、該接着金属層が接着金属層１３及び２０から形成されることから、それぞれ接合される前のそれぞれ別個の接着層１３及び２０において説明したものと同じである。
これに関して、金属及び合金の％を仕様書に記載する場合、少なくとも２つの分類に当てはまる。第１は、接着層における所定の金属又は合金の総百分率である。例えば、ニッケル１グラムと錫２グラムを基板に適用した場合、重量百分率は、常にニッケルが３３％であり、錫が６７％であり、これは、それらの金属が形成する合金又は加熱された後でそれらが形成する個別の層や領域の数に無関係である。

しかしながら、接着層内において、且つ、総百分率に一致して、別個の層状の部分を画定することができると共に、斯かる部分が全体の組成と異なる組成を有することが可能となる。
従って、図４に示した実施形態では、全接着層の重量％は（オリジナル層の厚さ及び各金属の密度に基づいて）ニッケルが２０．５％、錫が６７．５％、及び金が１２％である。しかしながら、図４に示された異なる別個の領域における百分率が総百分率とは各々異なるものであって良い。

図４は、本発明に係る接着構造の断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である。大まかには、デバイス基板ウエハ及びエピタキシャル層を矢印３２で示す。金属コンタクト層は矢印３３で示し、接着金属層は矢印３４で示し、チタン接着層は矢印３５で示す。金属コンタクト層は同様に矢印３６で示し、基板ウエハ材料は矢印３７で示す。
１５０Åのチタン層が図４の金属コンタクト層３３及び接着金属層３４で示す部分の間にあるが、薄すぎて写真に表すことはできない。チタン３５のより厚い部分の厚さは約１０００Åであり、従って、図４で見ることが可能である。

図５は、図４のウエハ上でなされたＤＳＣ（差動走査型測熱法）のグラフである。約３５０℃を超えるまでは概ねスムースなラインが伸びており、融点破断や位相変動がないことを示しており、これはこの温度範囲で生じた接着の主たるニッケル・錫特性を示すものである。これは、つまり、図５に示した温度中の任意の温度で個々のリードフレームに個々の発光ダイオードを半田付けした時に接着金属層が堅牢に残っていることを意味する。

図６は更に、従来の金・錫接着層の本質的には同一縮尺の比較ＳＥＭ写真である。（最初の蒸着層の厚さ及び各金属の密度に基づいた）全体の組成は、Ｎｉが３．９％、Ｓｎが１９．１％、Ａｕが７７．０％である。３つの別個のエリアを画定することができる（図６においては、１、２及び３と標識付けして示している）。
別の実施形態では、本発明は、ＬＥＤウエハと基板ウエハとを互いに接着する方法であって、ＬＥＤウエハを重量で見てニッケルと錫が主体である接着金属層で基板ウエハに接着することからなる方法を提供する。

本発明の構造に関する態様について説明したように、主たる要素として金ではなくニッケルと錫を使用することにより、ウエハ同士を３００℃を下回る温度で互いに接着することが可能となり、エピタキシャル層の品質（従って、性能）が高温により悪影響を受ける可能性を低減することができる。多くの場合、ニッケルと錫が主体となる接着層によりウエハ同士が約２７０℃以下の温度で接合することが可能となる。更に、接着が比較的素早く、即ち、約１０分で実現できる。

グループIIIの窒化物系に関して、３００℃という温度は、熱により発生する欠陥、応力、ウエハの変形、及び同様の問題がより大きな比率で現出し始める温度であることから、３００℃を下回る温度で基板ウエハとデバイスウエハとを互いに接着する能力により特定の効果を得ることができる。

接合されるウエハは密接されて加圧される。典型的な実施例では、加える圧力は１平方インチ当たり２００〜４００ポンド（約９０．８ｋｇ〜約１８１．６ｋｇ）である。例として、約４０００ニュートン（Ｎ）の力を直径が２インチ（５０ｍｍ）のデバイスウエハ及び対応する支持ウエハに加える。機能的な観点から見ると、ウエハが十分な圧力で一体にされて所望の接着が得られ、一方、構造（デバイスを含めて）中に残った部分又は接着そのものに悪影響を与えるような過度の圧力を避けることができる。一般には（必ずしも普遍的なものではないが）、厚いウエハ程、又はウエハが平らでなくなる程（比較の意味で）、等しく薄い又はより平らなウエハに比較して高い圧力を必要とする。

本方法は、更に、接着したウエハを個々の発光ダイオードに分離するステップと、その後に個々の発光ダイオードを個々のリードフレームへ半田付けして、典型的には、製造者、顧客又はエンドユーザーの要求要望に応じてディスプレイやランプを形成するステップとを含む。

ニッケル・錫が主体の接着層は、３００℃を超える温度で接着が堅牢に維持されることから、このステップにおいて、異なる補完的な熱的効果をもたらし、従って、従来のＡｕ対Ｓｎの比率が８０対２０である接着層に比較して、高温での半田付けが可能となる。その結果、金が主体の接着層と比較して、ニッケル・錫が主体である接着層は、個々の発光ダイオードをリードフレームに、より高い半田付け温度で、より低いコストで、且つ、高効率の歩留まりで取り付けることが可能となる効果のみならず、ウエハ同士をより低い温度で接着することが可能となる効果をもたらす。
従って、本発明の方法は、３００℃を越える温度で、場合によっては少なくとも約３５０℃の温度で、個々の発光ダイオードを個々のリードフレームに半田付けするステップを含むことが可能となる。

構造的な観点で説明したように、本発明は、コンタクト金属を含んだＬＥＤウエハを、同様にコンタクト金属を含んだ基板ウエハに、それぞれの基板上のそれぞれのコンタクト金属間に保持したニッケル・錫接着金属層を用いて接着するステップを含んでいる。
本方法は構造的態様に関して説明したのと同じ比率で、ニッケル及び錫、また、オプションとして少量の金を組み込んでいる。従って、本方法は、５０重量％を超える、又は、８５重量％を超えるニッケル及び錫からなる接着金属層で、ウエハを接着するステップを含んでいる。
別の言い方をすれば、及び金の量を低減することに関して、本方法は、３６重量％未満、典型的には１５重量％未満の量の金を含む接着金属層を使用して、ウエハ同士を接着するステップを含む。

図７〜図９は、接着金属層の別の組合せを示している。
図７は、追加の層（例えば、金の層）を備えた非対称の接着層を示し、基板ウエハ４０への接着金属が、デバイスウエハ４１への接着金属と異なることから、非対称接着層と称している。明瞭にするために、図７〜図９においては、エピタキシャル層１１及び１１’を別々に図示していないが、デバイスウエハ４１の一部として存在するものである。

この実施形態では、デバイスウエハ４１は、金属コンタクト層（１又は複数の層）４２、チタン接着層４３、ニッケル層４４、金の薄層４５、比率に応じて厚くされた錫層４６及び金メッキ層４７を担持する。一例の実施形態では、チタン層４３の厚さは約１０００Åであり、ニッケル層４４の厚さは約２０００Åであり、金層４５の厚さは約１０００オングストロームであり、且つ、錫層４６の厚さはもっと厚く、通常約２ミクロンの厚さである。金メッキ層４７は、最も薄く約３００Åであって、酸化を低減するために設けられるが、全体構造からすれば、金の量を著しく増大させるものではない。

基板ウエハ４０は、それ自体の金属コンタクト層（１又は複数の層）５０、接着層５１、ニッケル層５２、及び例えば金のめっき層５３を担持する。
典型的な実施形態では、接着層５１は約１０００Åであり、ニッケル層５２は約３０００Åであり、メッキ層は極めて薄く、約５０Åである。

図８は、図７のものと類似の非対称接着層を示すが、３００Å及び５０Åのメッキ層以外は金を全く含んでいない。即ち、図８の構造は、図７の金層４５を備えていない。このように、図８は、デバイスウエハ４１及びその金属コンタクト層４２を示している。チタン層４３がコンタクト層４２上にあり、ニッケル層４４がチタン層４３上にある。しかしながら、錫層４６はニッケル層４４に直接隣接しており、これら層の間に金が介在していない。金メッキ層４７はこの接着層のデバイスウエハ部を補完する。

図８において、基板ウエハ４０は、図７に示した実施形態と同様な複数の層を備えている。即ち、基板ウエハ４０、金属コンタクト層５０、チタン層５１、ニッケル層５２、及び金メッキ層５３である。これら層は全て、図７に関して説明した層厚と同じ厚さ（必ずしも同一である必要はないが）を有する。
同様に、図８のデバイスウエハ４１の厚さは、図７で説明した層の厚と同一である。

前に言及したように、図７及び図８で示したような非対称配置では、層の組はいずれか一方のウエハに特に限定されることはない。例えば、本発明は、層５１〜５３がデバイス基板４１上にあり、層４３〜４７が基板ウエハ４０上にある実施形態も含んでいる。

図９は対称接着層の略図である。即ち、それぞれのウエハが一体に接合される前に錫がそれぞれのウエハの双方上で使用される。ここにおいても、適切な場合には、図９において、図７及び図８における符号と同一の符号を同様の要素に付与している。
このように、図９におけるデバイスウエハ４１は、図８のデバイスウエハ４１と同一の要素を備えている。すなわち、金属コンタクト層４２、チタン層４３、ニッケル層４４、金層４５、比較的厚い錫層４６及び金メッキ４７を含む。これらは図７に関して説明したのと概ね同じ厚さである。

図９の基板ウエハ４０は、デバイスウエハ４０の層と鏡像となる層の組を備えている。これらは、金属コンタクト層５０及びチタン層５１を含む。ニッケル層５２も同様に含まれている。一方、図９は対称な接着層を示すため、基板ウエハ４０はニッケル層５２の上にオプションの金層５５も含み、基板ウエハ４０は比率に従った厚さの錫層４６を備えている。金メッキ層５３がここにおいても基板ウエハ構造を補完する。

図９の基板ウエハ４０に関して図示した層の相対的厚さは、デバイスウエハ４１上の層に関して説明したものと同一であるが、ただし、必ずしもそうである必要はない。例えば、ニッケル層４４及び５２の厚さは４０００オングストロームであり、メッキ層の厚さは３０オングストロームとすることができる。様々な厚さは例として示したものであり、他の厚さも可能である。概念的には、金属層は、各層及び接着層において、所望の％の金属を提供する相対的な厚さで適用される。従って、当業者にはよく理解できることであるが、重量でみて、所定の金属の比率を２倍以上にするには、各金属の厚さを、各金属で覆われるエリア及び各金属の密度（金は１立方センチ当たり１９．３グラム（ｇ／ｃｍ^−３）、錫は７．３ｇ／ｃｍ^−３、及びニッケルは８．９ｇ／ｃｍ^−３）と組み合わせた場合、その他の金属に対して、所望の比率をもたらすような厚さとすることで達成できる。

図１０及び図１１は、本発明の接着層を組み込んだ発光ダイオードの概略断面図である。図１０及び図１１は、同じ要素の多くを接着したウエハの形態で図示した図３と関連させれば、最もよく理解されるであろう。
図１０及び図１１の構成は極めて似ているが、図１０の発光ダイオード６０は、基板材料１０を構造の一部として残し、これがダイオードの発光面を形成しているに対して、図１１の発光ダイオード６１は、オリジナルの基板材料が完全に除去され、エピタキシャル層１１及び１１’が発光面を形成している。

このように、図１０は基板材料１０を含み、該基板材料１０は、図示のように残すことが可能であれば、可能な限り透明にしてＬＥＤすなわち発光ダイオード６０の有効可視出力を最大化することが好適である。エピタキシャル層１１及び１１’がＬＥＤ６０の発光アクティブ（活性）部を構成する。ウエハの実施形態に関して上述したように、明瞭単純化するために２枚の層を示している。実際には発光構造は、例えば多数の量子ウエル、超格子構造、及び導電又は絶縁バッファ層等の、より多くの層又はより複雑な層を含むことが可能である。

同様に、ＬＥＤ６０は、デバイスウエハ１５（図１）の一部であった金属コンタクト層１２、及び基板ウエハ１４の一部であった金属コンタクト層１７を含む。接着金属層は、ここでも、矢印３０で示し、前記したニッケル及び錫を主体とする接着金属層で構成されている。接着金属層３０の組成は、ニッケル、錫及び場合によっては金を上述したのと同様な相対的比率で含むことが可能である。同様に、図７、図８及び図９に関して説明した実施形態で、接着金属層３０を形成することができる。

ダイオード６０は、リードフレーム６２上に装着され、エピタキシャル層１１及び１１’に隣接した第１のオーミックコンタクト６３及び基板材料１６に隣接してリードフレーム６２に電気接続される第２のオーミックコンタクト６４を備えている。
当業者は理解するであろうが、ＬＥＤ６０又は６１等がリードフレームに追加される場合には、他の要素も備えられる。このような他の要素には、半田、接着剤及び多くの場合リードフレーム上でダイオード６０又は６１を囲繞するポリマーレンズを含むことが可能である。

図１１の発光ダイオード６１は、ＬＥＤ６０の基板材料１０が完全に除去されている点を除いて、ＬＥＤ６０と同一である。従って、オーミックコンタクト６３は、エピタキシャル層１１及び１１’に形成されることとなるが、それ以外は、各要素の残存部は構造的及び組成的に同じであり、同一の符号を付している。オーミックコンタクト６３の組成はオーミックコンタクトを形成するのを目的とした材料に依存して異っていても良いが、オーミック特性を示す様々な金属及び半導体の組合せは当業界では公知であるから、詳細に説明する必要はなく、また、過度の実験をすることなく当業者であれば選択することができる。

本明細書で開示したウエハ及び発光ダイオードに関する実施形態において、当業者には自明のことであるが、本明細書中で詳細に説明していない様々な要素を追加しても良い。例えば、チタン接着層（即ち、図７〜図９の要素４３及び５１）及び金の層を斯かる構造において使用するのは典型的でるが、異なる材料を使用したり、設ける層を少なくしたり、増やしたりすることが可能である。同様に、構造を異なるように構成することができ、したがって、「上」とか「上方」と言った用語も状況に応じて材料のお互いの位置も、層間で直接物理的に接するのではなく相対的な位置として表すものである。例えば、図１０及び図１１において、オーミックコンタクトはダイオードの様々な部分の「上」にあると言えるし、また、他の何らかの干渉層を含めるとしても、依然として、本発明の技術的範囲に入るものである。本発明を特定の「フリップチップ（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ）」適用に関して説明してきたが、本明細書に説明した接着層及び方法を様々な用途に使用することができる。更に、接着手段及び方法を、エピタキシャル層が直接リードフレーム又は装着構造に接着されるような装置に使用することもできる。

本発明を発光ダイオードウエハに関して説明してきたが、本発明を他の接着、例えば、ダイ取り付け又は別個のＬＥＤを別個の素子に接着すると言ったものにも、適用することができる。勿論、例としてあげたものに限定されるものではない。
添付図面及び明細書において、本発明の好適な実施例を説明し、且つ、特定の用語を使用したが、それらは単に一般的に且つ説明の目的で使用したものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲により画定されるものである。

本発明により接合される前のデバイスウエハ及び基板ウエハの概略断面図である。 本発明の接着金属層を備えた装置の概略断面図である。 本発明に係る接着ウエハ構造の概略断面図である。 本発明に係る接着層及び隣接する構造の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の接着金属層の差動走査型測熱法による測熱結果のグラフである。 従来の接着金属層の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の接着金属層を備えた装置の別の実施例の概略断面図である。 本発明の接着金属層を備えた装置の他の実施例の概略断面図である。 本発明の接着金属層を備えた装置の更に別の実施例の概略断面図である。 本発明に係る発光ダイオードの概略断面図である。 本発明に係る発光ダイオードの概略断面図である。

Claims (48)

1. 半導体構造を接着する方法において、
   融点の低い中間層を、該中間層の融点より高い融点を有する２つの外側金属層の間に含む３層構造を加熱するステップであって、
   該３層構造の中間層は、相対的な量の金属を有し、該相対的な量は、加熱ステップ中にいずれかの外側層との反応だけで消費される量より多いが中間層の金属の機能反応超過を双方の外側層上にもたらす量よりは少ないものである、加熱ステップと、
   該加熱ステップを、前記中間層の融点と前記外側層の低い方の融点との間の温度で、前記中間層が前記外側層とほぼ完全に反応するまで実行するステップと
   を備えることを特徴とする半導体構造を接着する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記加熱ステップは、該加熱ステップ中に前記金属層の間で形成される任意の合金又は化合物の融点より低い温度で実行されることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記中間層は錫から成り、また、前記外側層はニッケルからなることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記加熱ステップを約２５０℃以上の温度で実施するステップを備えることを特徴とする方法。
5. 半導体ウエハを接着する方法において、
   第１及び第２ウエハの間の２層構造を加熱するステップであって、
   該２層構造が隣接する第１及び第２の金属層を含み、第１の金属層の融点が第２の金属層の融点より低く、
   前記金属構造は前記第１ウエハ上に配置され、融点の高い第２の金属は第１のウエハと融点の低い第１の金属層とに配置され、融点の低い第１の層が溶融すると直ぐに、該第１の層が前記第２の金属及び前記第２のウエハに接触し、
   前記金属構造の前記第１の層は、相対的な量の金属を有し、該相対的な量は、加熱ステップ中に前記第２の層との反応だけで消費される量より多いが２つの接着されたウエハ間で前記第１の金属の機能反応超過をもたらす量よりは少ないものである、加熱ステップと、
   該加熱ステップを、前記第１及び第２の層の融点間の温度で、前記第１の層が前記第２の層とほぼ完全に反応して隣接するウエハの表面に接着するまで実施するステップと
   を備えることを特徴とする半導体ウエハを接着する方法。
6. 請求項５に記載の方法において、前記加熱ステップは、該加熱ステップ中に前記金属層の間で形成される任意の合金又は化合物の融点より低い温度で実施されることを特徴とする方法。
7. 請求項５に記載の方法において、前記融点の低い金属は錫及びビスマスからなるグループから選択され、前記融点の高い金属はニッケル、コバルト、鉄及び銅からなるグループから選択されることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記融点の低い金属は錫より成り、且つ、前記融点の高い金属はニッケルからなることを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記加熱ステップを約２５０℃を超える温度で実施するステップを備えることを特徴とする方法。
10. 発光ダイオード接着構造であって、
    エピタキシャル層を有するデバイスウエハと、
    該デバイスウエハ上の、前記エピタキシャル層と反対の側にある金属コンタクト層と、
    ニッケルと錫を主体とする、前記金属コンタクト層上の接着金属層と
    を備えることを特徴とする発光ダイオード接着構造。
11. 請求項１０に記載の構造において、該構造は５０重量％以上のニッケル及び錫で構成されていることを特徴とする構造。
12. 請求項１０に記載の構造において、該構造は、８５重量％以上のニッケル及び錫で構成されていることを特徴とする構造。
13. 請求項１０に記載の構造において、５０重量％未満の量の金が存在することを特徴とする構造。
14. 請求項１３に記載の構造において、１５重量％未満の量の金が存在することを特徴とする構造。
15. 請求項１０に記載の構造において、前記接着金属層は、
    前記金属コンタクト層上の接着層と、
    該接着層上のニッケル層と、
    該ニッケル層上の錫の層と
    からなることを特徴とする構造。
16. 請求項１０に記載の構造であって、前記接着金属層は、
    前記金属コンタクト層上の接着層と、
    該接着層上のニッケル層と、
    該ニッケル層上の金層と、
    前記ニッケル層上の錫の層と
    からなることを特徴とする構造。
17. 請求項１５に記載の構造において、該構造は更に、前記錫層上に金からなる薄いメッキ層を備えることを特徴とする構造。
18. 請求項１６に記載の構造において、該構造は更に、前記錫層上に金からなる薄いメッキ層を備えることを特徴とする構造。
19. 請求項１０に記載の構造において、該構造は更に、
    前記デバイスウエハと接触している基板ウエハであって、
    基板材料と、
    該基板材料上の金属コンタクト層と、
    該基板金属コンタクト層上にあり、前記デバイスウエハ上の前記接着金属層と接触している複数の接着金属層であって、ニッケル及び錫を含む接着金属層と
    からなることを特徴とする発光ダイオード及び接着構造。
20. 請求項１０に記載の発光ダイオード及び接着構造であって、前記デバイスウエハ上に複数の金属コンタクト層を備えることを特徴とする構造。
21. 請求項１９に記載の構造において、該構造は、前記基板ウエハ上に複数の金属コンタクト層を備えることを特徴とする構造。
22. ウエハ構造であって、
    複数のＬＥＤを含むデバイスウエハと、
    接着金属層により該ＬＥＤデバイスウエハに接着された基板ウエハと
    を備え、該接着金属層が、重量から見た主体要素としてニッケル及び錫からなることを特徴とするウエハ構造。
23. 請求項２２に記載のウエハ構造において、前記接着金属層は、該接着金属層の５０重量％未満の金を含むことを特徴とするウエハ構造。
24. 請求項２２に記載のウエハ構造において、前記接着金属層は、該接着金属層の１５重量％未満の金を含むことを特徴とするウエハ構造。
25. 請求項２２に記載のウエハ構造において、前記接着金属層は、５０重量％を超えるニッケル及び錫を含むことを特徴とするウエハ構造。
26. 請求項２２に記載のウエハ構造において、前記接着金属層は、８５重量％を超えるニッケル及び錫を含むことを特徴とするウエハ構造。
27. ＬＥＤウエハ及び基板ウエハを互いに接着する方法であって、重量から見た主体要素がニッケル及び錫である接着金属層により、ＬＥＤウエハを基板ウエハに接着するステップを備えることを特徴とする方法。
28. 請求項２７に記載の方法において、前記ＬＥＤウエハ及び前記基板ウエハを３００℃未満の温度で一体に接着するステップを備えることを特徴とする方法。
29. 請求項２７に記載の方法において、前記ＬＥＤウエハ及び前記基板ウエハを２７５℃以下の温度で一体に接着するステップを備えることを特徴とする方法。
30. 請求項２７に記載の方法において、前記ＬＥＤウエハ及び前記基板ウエハを加圧して一体に接着するステップを備えることを特徴とする方法。
31. 請求項２７に記載の方法において、該方法は更に、
    接着されたウエハを分離して、複数の発光ダイオードにするステップと、
    その後、該発光ダイオードそれぞれを個別にリードフレームに半田付けするステップと
    を備えることを特徴とする方法。
32. 請求項３１に記載の方法において、該方法は、前記発光ダイオードそれぞれを前記リードフレームへ３００℃を上回る温度で半田付けするステップを備えることを特徴とする方法。
33. 請求項３１に記載の方法において、該方法は、前記発光ダイオードそれぞれを前記リードフレームへ３５０℃以上の温度で半田付けするステップを備えることを特徴とする方法。
34. 請求項２７に記載の方法において、該方法は、コンタクト金属を含むＬＥＤウエハをコンタクト金属を含む基板ウエハに、前記接着金属層により接着するステップを備え、それぞれのコンタクト金属の間が前記接着金属層で接着されることを特徴とする方法。
35. 請求項２７に記載の方法において、前記ＬＥＤウエハ及び基板ウエハを前記接着金属層で接着するステップは、５０重量％を上回るニッケル及び錫からなる接着金属層で前記ウエハを接着することを特徴とする方法。
36. 請求項２７に記載の方法において、前記ＬＥＤウエハ及び基板ウエハを前記接着金属層で接着するステップは、８５重量％を上回るニッケル及び錫からなる接着金属層で前記ウエハを接着するステップを備えることを特徴とする方法。
37. 請求項２７に記載の方法において、前記ＬＥＤウエハ及び基板ウエハを前記接着金属層で接着するステップは、５０重量％未満の量の金が存在する接着金属層で前記ウエハを接着することを特徴とする方法。
38. 請求項２７に記載の方法であって、前記ウエハを前記接着金属層で接着するステップが、１５重量％未満の量の金が存在する接着金属層で前記ウエハを接着するステップを備えることを特徴とする方法。
39. 発光ダイオードであって、
    活性部と、
    装着部と、
    該活性部及び該装着部の間の接着金属層であって、重量で見たときにニッケルと錫が主体である接着金属層と
    を備えることを特徴とする発光ダイオード。
40. 請求項３９に記載の発光ダイオードにおいて、前記接着金属層は、前記接着金属層の５０重量％未満の金を含んでいることを特徴とする発光ダイオード。
41. 請求項３９に記載の発光ダイオードにおいて、前記接着金属層は、前記接着金属層の１５重量％未満の金を含んでいることを特徴とする発光ダイオード。
42. 請求項３９に記載の発光ダイオードにおいて、前記接着金属層は、５０重量％以上のニッケル及び錫を含んでいることを特徴とする発光ダイオード。
43. 請求項３９に記載の発光ダイオードにおいて、前記接着金属層は、８５重量％以上のニッケル及び錫を含んでいることを特徴とする発光ダイオード。
44. 請求項３９に記載の発光ダイオードにおいて、前記活性部は、グループIIIの窒化物からなるエピタキシャル層を少なくとも１つ備えていることを特徴とする発光ダイオード。
45. 請求項３９に記載の発光ダイオードであって、前記活性部及び前記基板部に接触したそれぞれのオーミックコンタクトを備えることを特徴とする発光ダイオード。
46. 請求項３９に記載の発光ダイオードにおいて、前記活性部は、前記発光ダイオードの発光面を形成することを特徴とする発光ダイオード。
47. 請求項３９に記載の発光ダイオードにおいて、デバイス基板は、前記発光ダイオードの発光面を形成することを特徴とする発光ダイオード。
48. 請求項４７に記載の発光ダイオードにおいて、前記デバイス基板は、炭化珪素及びサファイアからなるグループから選択された材料からなることを特徴とする発光ダイオード。