JP6745323B2 - メタライゼーション層の下に応力緩和層を有するｌｅｄ - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）をパッケージングすることに関し、特に、ＬＥＤ半導体層とはんだパッドメタライゼーション層との間の応力緩和層に関する。
薄膜フリップチップ（Thin-Film Flip-Chip；ＴＦＦＣ）ＬＥＤは、発光面とは反対側の底面にアノード及びカソードのコンタクトを有する。故に、このようなＴＦＦＣ ＬＥＤは、ワイヤボンドのための頂面側（光出力側）メタライゼーションが必要ないので、頂部ダイ領域表面の全体を光出力に利用する。しかしながら、ＴＦＦＣ ＬＥＤでは、サファイア基板リフトオフ（ＧａＮ系ＬＥＤに関する）及びエピタキシャル層（ＥＰＩ）粗面化（光取り出しを向上させるため）を含め、ダイレベルプロセスが典型的に使用されており、それがパッケージングコストを有意に高めている。良好な光出力取り出しをなおも達成しながら、サファイア基板を除去することを必要としないことが有益となろう。
伝統的なＴＦＦＣ ＬＥＤは、ＬＥＤ半導体層の上に、ｐ型及びｎ型の半導体層の一部を露出させる固い誘電体層が形成される。そして、この誘電体層を覆って、ｐ型及びｎ型の半導体層と直に接触するように、比較的薄いパターニングされた１つ又は複数の金属層が堆積されて、この金属とｐ型及びｎ型の半導体層との間にオーミックコンタクトが作り出される。次いで、ＬＥＤを印刷回路基板又はその他の基板にマウントするためのＬＥＤのはんだパッドとして使用するため、薄いオーミックコンタクト金属層を覆って、例えばめっきによって、遥かに厚い金属パッド（複数の様々な金属層をも有する）が形成される。そして、はんだパッドの上に、はんだバンプが堆積され得る。
このような伝統的なＴＦＦＣ ＬＥＤ及びプロセスに伴う１つの問題は、半導体層と、薄い１つ又は複数の金属層と、厚いパッド層との間に、例えば合致しない熱膨張係数（ＣＴＥ）に起因して、応力が存在することである。故に、例えば動作中又はプロセス中などのＬＥＤの熱サイクルが、金属層を互いから又は半導体層から剥離させたり応力集中箇所で脆い層のクラック形成を生じさせたりし得る応力を生み出し、それが障害を発生させ得る。このような応力を抑制してＬＥＤの信頼性を高める技術を提供することが有益となろう。
伝統的なＴＦＦＣ ＬＥＤ及びプロセスに伴う別の１つの問題は、厚いはんだパッドが上に形成される表面が平面でないことである。故に、均一な厚さの平坦なはんだパッドを得ることが困難である。均一な厚さを持つ平坦なはんだパッドは、ＬＥＤと印刷回路基板又はその他の基板との間の電気伝導及び熱伝導に有益である。はんだパッドを堆積する（例えば、めっきする）ことに先立ってＬＥＤ構造の“底”面を平坦化する技術を提供することが有益となろう。
本発明の一実施形態は、改善された光取り出しのためにサファイア基板をパターン加工するとともに、厚い金属はんだパッド層と、半導体層とオーミックコンタクトする薄い金属と、の間に応力緩和（バッファ）層を形成する、ウェハレベルチップスケールパッケージ（wafer-level-chip-scale-package；ＷＬＣＳＰ）プロセスを用いることによって、上述の問題を解決する。応力緩和層はまた、厚いはんだパッドが形成されるのに先立ってＬＥＤの底面を平坦化する。これにより、改善された電気的及び熱的な伝導性のための、いっそう平坦でいっそう均一なはんだパッドが作製される。サファイア基板をパッケージングされたＬＥＤの一部として保持することにより、最終的なパッケージ内に、薄いＬＥＤ層に有益な固い機械的支持が存在する。基板を除去するコストも回避される。
ここに記載されるウェハレベルプロセスは、デバイスの総製造コストを低減し、信頼性を向上させ、且つ、電気的、熱的及び光学的に非常に良好な全体性能を維持する。
図１−８は、本発明の一実施形態に従ったウェハレベルプロセスフローを例示している。単純化のため、遥かに大きいウェハ上の単一のＬＥＤの領域のみを示している。図示のＬＥＤ領域に関して示される各工程が、より大きいウェハ上の全てのＬＥＤ領域に適用される。
図１を参照するに、ＬＥＤのウェハを作製するプロセスフローは、パターン加工サファイア基板（patterned sapphire substrate；ＰＳＳ）１０で開始する。基板１０は典型的に、ディスク形状を有し、ＬＥＤによって発せられる光に対して実質的に透明である。一方の表面１２が、例えばグラインディング、“サンド”ブラスティング、化学エッチング、プラズマエッチング、又はその他の粗面化プロセスなどによって、粗面化（パターン加工）される。粗面化は、全反射（ＴＩＲ）を抑制することによって光取り出しを向上させる。基板１０の表面１２は、光取り出しを向上させるために規則的又はランダム的にパターン加工され得る。
従来のフリップチップＬＥＤの半導体層発光面を、サファイア基板の除去後に粗面化することは、一般的に行われていることである。対照的に、本プロセスは、サファイア基板を持ち続け、その成長面を粗面化する。
一実施形態において、次いで、基板１０の粗面化された表面１２の上に、従来からのＧａＮ系半導体ＬＥＤ層がエピタキシャル成長される。一実施形態において、表面１２の上にｎ型層１４が成長され、活性層１６及びｐ型層１８が続く。一実施形態において、活性層１６は、ＬＥＤがエネルギー供給されるときに青色光を生成する。
単純化のため、残りの図では、様々な半導体ＬＥＤ層を単一のＬＥＤ層２０として示す。
図２にて、薄い金属オーミックコンタクトを形成する標準的なプロセスフローが実行される。例えば銀、ニッケル、若しくは合金、又は複数層などの、薄い反射金属層２２が、例えばスパッタリングなどによって、ｐ型層の表面上に堆積されてパターニングされる。金属層２２は、アニール後に、ｐ型層とのオーミックコンタクトを作り出す。
そして、金属層２２を覆って、チタン、タングステン、又は何らかの合金の金属層２４が堆積されてパターニングされる。金属層２４は、後続の金属層に対する密着性を向上させる。層２４はまた、層をまたいでの原子のマイグレーションを阻止するためのバリア層としての役割を果たし得る。金属層２４は、インタフェース（仲立ち）層として参照され得る。金属層２２と２４との組み合わせの厚さは典型的に１ミクロンよりも小さくなる。
ｎ型層を露出させるために、ＬＥＤ層２０が位置２６で、ｐ型層及び活性層の一部を除去するようにエッチングされる。
そして、表面を覆って及び位置２６の開口の中に、誘電体層２８が堆積される。次いで、金属層２４の一部を露出させるように、また、位置２６でｎ型層を露出させるように、誘電体層２８がパターニングされる。
そして、ｐ型層及びｎ型層とオーミックコンタクトするよう、誘電体層２８を覆って及び上記開口の中に、例えばアルミニウム、ニッケル、チタン−タングステン合金、銅、金、又は複数の合金などの、より厚い金属層３０が堆積される。金属層３０は、積層された複数の層であってもよい。次いで、ｐメタルコンタクト３２をｎメタルコンタクト３３から分離するように、金属層３０がパターニングされる。金属層３０は数ミクロン厚とし得る。
以上のメタライゼーションプロセスは従来通りとすることができ、当業者には更なる詳細は不要である。
ｐ型層及びｎ型層への金属接続は、ＬＥＤにわたって電流をいっそう均一に分配するために、ＬＥＤ領域全体にわたって分布され得る。これは、ＬＥＤの頂面からの実質的に均一な発光を供することになる。
金属層３０が開口を埋めていること及びエッチングされていることに起因して、得られる金属層３０は平面状ではない。仮に金属層３０が金属はんだパッドを形成するようにめっきされるとすると、そのはんだパッドは、平面状で均一に厚いものにはならないことになる。良好な電気的及び熱的な伝導性のために、平面状で均一に厚いはんだパッドを提供することが望ましい。
図３にて、例えばＰＥＣＶＤによるＳｉＮｘなどのオプションの薄いパッシベーション層３４が、後に形成されるはんだパッドから半導体層内へのアルミニウム原子のマイグレーションを阻止するために堆積される。層２２、２４及び３０、並びにはんだパッドに使用される金属に応じて、パッシベーション層３４は必要とされないこともある。パッシベーション層３４はまた、水分又は厳しい／腐食性の環境に対する気密封止のために使用されてもよい。パッシベーション層３４の典型的な厚さは、０．５−１．５μｍ、好ましくは０．８−１．２μｍとし得る。ＳｉＮｘが水分に対する知られたバリア層であるが、ＳｉＯｘ（若しくはＳｉＯ２）又はＳｉＯｘ／ＳｉＮｘ混合物も使用され得る。
パッシベーション層３４はＰＥＣＶＤプロセスによって形成されるので、それは非平面状の表面を覆ってかなり均一であり、故に、その表面は平面状ではないことになる。
次に、図３にて、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの応力緩和層（stress-buffer-layer；ＳＢＬ）３６が、（例えば、スピンオンコーティングによって）表面上にコートされる。ＳＢＬ３６は、液体として堆積される誘電体ポリマーである。故に、この堆積プロセスは、平面状のＳＢＬ３６の層を形成する。蒸着による堆積も使用され得る。一実施形態において、ＳＢＬ３６の厚さは１−３μｍである。
加熱によってＳＢＬ３６が硬化（キュア）される前に、ＳＢＬ３６は、１つ以上のビア開口３８を形成するようにマスクされ、露光され、現像され、それにより、パッシベーション層３４が露出される。フォトＢＣＢは、商業的に入手可能であり、フォトレジストの特性を持つ。その後、ＳＢＬ３６が硬化される。ＳＢＬ３６をマスク層として用いることにより、パッシベーション層３４のエッチングが実行される。これにより、ｐメタルコンタクト３２及びｎメタルコンタクト３３が露出される。
例えばＢＣＢ、ＰＢＯ（ポリベンゾオキサゾール）、又はＰＩ（ポリイミド）など、好適なＳＢＬ３６材料の典型的な熱伝導率は約０．３Ｗ／ｍＫである。ＳＢＬ３６は薄いので、これは、１ｍｍ２のダイサイズでの非常に良好な熱伝導性に十分である。硬化及びパッシベーションエッチングの後の典型的なＳＢＬ３６厚さは、電気的な絶縁破壊強度に十分なものである適切なステップカバレッジを提供するために、最低で〜１μｍであるべきである。
なお、ＬＥＤ層２０内までエッチングするエッチング工程はまた、各ＬＥＤ領域を取り囲むトレンチを作り出し、それが、ＳＢＬ３６及びパッシベーション層３４で少なくとも部分的に充填されてＬＥＤの更なる保護／封止となる。
図４にて、メタル再配線層（ＲＤＬ）が堆積され、それがパターニングされて、ｐ型及びｎ型のＬＥＤ層２０に電気的に接続されたはんだパッド４４及び４５を形成する。これは、めっき・スルー・フォトレジスト手法によって以下のように行われ得る。先ず、シード金属層スタック（例えば、１０００／２０００Å厚さのＴｉＷ／Ｃｕ）が、例えばスパッタリング又は蒸着などによって堆積され、続いて、それらのめっきすべき領域のみを露出させるリソグラフィ（フォトレジストコーティング、露光、及びフォトレジストの現像）が行われる。そして、露出されたＲＤＬスタックが、例えばＣｕ／Ｎｉ／Ａｕで２−２０μｍ／２μｍ／０．３μｍの厚さまで、電気めっきされる。フォトレジストが剥離され、続いて、露出されたシード金属スタックがエッチングされて、図４の構造が得られる。Ｎｉははんだバリア層として使用され、Ａｕははんだ濡れ層として使用される。めっきは、厚いはんだパッドを形成するための周知のプロセスである。
他の例では、材料／プロセスコストの追加を伴うが、パターニングエッチング又はリフトオフを用いて、ＲＤＬの堆積及びパターニングを行い得る。
ＳＢＬ３６を配設することにより表面が平坦化され、それ故に、得られるはんだパッド４４／４５は、かなり平坦で均一に厚く、熱を均等に拡げるようにされる。平坦で均一に厚いはんだパッド４４／４５を提供することは、ＬＥＤ層２０から、動作のためにＬＥＤが最終的にマウントされることになるヒートシンク／基板への、電気的及び熱的な伝導性を向上させる。この段階で、ウェハを試験することができる。
応力緩和層（ＳＢＬ）３６の使用は、材料の相異なるＣＴＥによって発生するはんだパッド４４／４５とその下に位置する層との間の応力を和らげ、障害を発生させ得るものである剥がれ及び応力集中箇所での脆弱層（例えば、層２０）のクラック形成について、それらの可能性を低減する。例えば、はんだパッド４４／４５は、下に位置する材料とは異なる率で膨張することがあり、ＳＢＬ３６に対してずれるか、ＳＢＬ３６を変形させるかの何れかとなり得る。しかしながら、そのような相異なるＣＴＥを有していても、応力がＳＢＬ３６によって緩和されているので、はんだパッド４４／４５とｐメタルコンタクト３２及びｎメタルコンタクト３３との間の接触箇所は破壊されない。仮にＳＢＬ３６が平面状（平坦で平滑）でなかった場合には、ＳＢＬ３６に対するはんだパッド４４／４５の横接着が遥かに大きくなり、ＳＢＬ３６の有効性を低減させることになる。例えばＢＣＢなどの一部のＳＢＬ３６材料では、ＳＢＬ３６は、材料間で異なる膨張が発生してもはんだパッド４４／４５から剥がれることなく変形するよう、狙いとする弾力性を保持するようにハードキュア又はソフトキュアされ得る。ポリマーＳＢＬ３６は典型的に、誘電体として一般的に使用される非ポリマーの二酸化シリコン酸化物層又は窒化シリコン層よりも弾力性がある。
先述のように、ＳＢＬ３６はまた、平坦化された表面を供することによってはんだパッド４４／４５の品質を向上させ、ＳＢＬ３６はまた、汚染を抑制するバリア層を付加する。ＳＢＬ３６は、非常に薄くてかなり良好な熱の導体であり、故に、ＬＥＤとヒートシンクとの間の熱伝導がＳＢＬ３６によって有意には低減されることはない。
最適化された設計又はレイアウトが、最適化された熱性能を提供する。例えば、１ｍｍ２のダイに関して、金属／半導体ジャンクションからはんだバンプ４８Ａ及び４８Ｂ（図５）まで２Ｋ／Ｗという非常に良好な熱抵抗Ｒｔｈが達成されている。
図５に示すように、その後、はんだパッド４４及び４５の上に、従来からの技術を用いて、はんだバンプ４８Ａ及び４８Ｂが堆積され得る。ウェハレベルはんだバンプ形成が、パターニングエッチングとともにＰＶＤプロセス又は電気めっきによって実行され、あるいは堆積及びリフトオフ技術を用いて実行され、あるいはスクリーン印刷を用いて実行され、あるいははんだボール及びピックアンドプレース技術を用いて実行され、あるいはその他の標準的なバンプ形成プロセスを用いて実行され得る。このような技術は周知であり、詳細に説明される必要はない。故に、はんだバンプ４８Ａ及び４８Ｂは、平坦なもの又は丸みを帯びたものとなり得る。ダイ取付け高さを低くするため、熱伝導率を高めるため、及びより低いコストを達成するため、ＡｕＳｎ又はその他の高価な共晶はんだ材料が使用される場合、はんだバンプ４８Ａ及び４８Ｂは薄くあるべきであり且つはんだパッド４４／４５を均一に被覆すべきである。はんだバンプ４８Ａ及び４８Ｂの厚さ範囲は、１−１００μｍとすることができ、好ましくは５−１０μｍとすることができる。はんだバンプ４８Ａ及び４８Ｂは、Ａｕ、ＡｕＳｎ、又はその他の好適な金属若しくは合金とし得る。
サファイア基板１０が、ＬＥＤ高さを低減するとともに光出力を向上させるため、この段階で薄化され、例えばグラインディング及び／又はブラスティングなどによって、所望の表面テクスチャを設けられ得る。狙いとする基板１０厚さは、ダイサイズに応じて異なり得るが、例えば１０−１０００μｍ、好ましくは２００−４００μｍとし得る。１００−４００μｍの厚さの適合性が、ウェハ支持システムを必要とせずに、従来からの背面グラインディング手順（テープフィルム又はフレーム上にマウントされたウェハ）を用いて、首尾よく実証されている。しかしながら、１００μｍ未満の目標サファイア厚さでは、グラインディング中の破損／クラック形成を回避するために、ウェハ支持システムが必要とされ得る。
最後に、図６に示すように、ウェハが個々のＬＥＤ（ダイ）へと個片化される。これは、辺の長さで０．７−１．４ｍｍのダイサイズの８０−３００μｍのサファイア厚さに関して、レーザスクライビング（切り込み）及びブレイキング（分断）によって、≪０．５％の優れたスクライビング・ブレイキング歩留り損失で行われている。基板１０のレーザスクライビングがブレード５２によって表され、分断ラインが破線５４によって表されている。個片化されたＬＥＤのエッジは、比較的正確であり且つ垂直である。
サファイア基板１０を最終的なＬＥＤ上に保持することにより、基板１０を除去する必要がないことによって処理コストが節減される。歩留りも高められる。
もっと厚い（例えば、＞４００μｍ）サファイア基板１０が必要な場合、機械的ソーイングとスクライビング及びブレイキングとの組み合わせがうまく機能するが、低いソーイング速度（典型的に、チッピングの最小化のために、〜１ｍｍ／ｓ）に起因して、低下したスループットとなる。
図７は、個片化されたＬＥＤを、オプションのパッシベーション層３４なしで例示している（図３と比較されたい）。
図８は、基板１０の機械的ソーイングとＬＥＤ層２０のレーザスクライビング及びブレイキングとの組み合わせによって個片化された後のＬＥＤを簡略化して示している。結果として、ダイのサファイア側が各辺で（ソーブレードの幅の半分だけ）狭くなっており、ＬＥＤ層２０が基板１０の外側まで延在している。これは、基板１０（発光面）が後に蛍光体で被覆される場合に有利となり得る。何故なら、側面が被覆されることになるからである。また、基板１０の粗いエッジが光取り出しを向上させ得る。
一実施形態において、個片化されたＬＥＤは、ＬＥＤはんだパッドをサブマウントウェハの頂面に接合することによって、サブマウントウェハ上にマウントされる。ピックアンドプレース機がＬＥＤをサブマウント上に位置付け、続いて、ＬＥＤはんだパッドをサブマウントパッドに接合するための加熱工程又は超音波ボンディング工程が行われる。その後、例えば成形シリコーンレンズによって個々に封入され且つ／或いは（レンズによる封入の前又は後に）蛍光体で被覆されるなど、ウェハスケールでＬＥＤが更に処理される。レンズ材料それ自体も蛍光体粉末を注入されてもよい。蛍光体は例えば、青色ＬＥＤ光を白色光に変換し得る。その後、サブマウントウェハが個片化される。サブマウントは、その底面に、ビアを用いてＬＥＤはんだパッドに電気接続された堅牢なはんだパッドを有する。他の例では、ＬＥＤが直接的に印刷回路基板上にマウントされ得る。
ダイ取付け、蛍光体堆積、及びドームレンズ構築の後の最終的な累積歩留りは、＞９９％であった。
本発明の特定の実施形態を図示して説明したが、当業者に明らかなように、より広い観点での本発明を逸脱することなく変形及び変更が為され得るのであり、故に、添付の請求項は、その範囲内に、本発明の真の精神及び範囲に入るそのような変形及び変更の全てを包含するものである。
Claims (13)
- ｐ型層、活性層、及びｎ型層を、該活性層が該ｐ型層と該ｎ型層との間にあるように有する発光構造と、
前記ｎ型層を露出させる、前記ｐ型層及び前記活性層の中のエッチング部であり、当該エッチング部は、前記発光構造の中心部内にある１つ以上の開口と、前記発光構造を取り囲むトレンチとを有する、エッチング部と、
前記発光構造上の誘電体層と、
前記ｐ型層に電気的に結合された、前記誘電体層上の第１の非平坦な金属層と、
前記１つ以上の開口内及び前記トレンチ内で前記ｎ型層に電気的に結合された、前記誘電体層上の第２の非平坦な金属層と、
誘電体ポリマーを有する応力緩和層であり、該応力緩和層は、前記第１の金属層上及び前記第２の金属層上にあり、且つ、前記トレンチを少なくとも部分的に充填するように構成されている、応力緩和層と、
前記応力緩和層上の複数の金属はんだパッドであり、該金属はんだパッドの各々が、前記第１の金属層及び前記第２の金属層のうちの一方に電気的に接続されている、金属はんだパッドと、
を有するデバイス。 - 前記応力緩和層は、弾力性を持ち、熱が与えられて前記金属はんだパッドがその下に位置する材料とは異なる熱膨張率で膨張するときに変形する、請求項１に記載のデバイス。
- 前記応力緩和層はベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を有する、請求項１に記載のデバイス。
- 前記応力緩和層は、１−３μｍの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
- 当該デバイスは更に、前記ｐ型層と電気的に接触した金属コンタクト層を有し、
前記誘電体層は、前記金属コンタクト層を露出させる第１の開口と、前記エッチング部の前記１つ以上の開口及び前記トレンチとアライメントされて前記ｎ型層を露出させる１つ以上の第２の開口及びトレンチとを含み、
前記第１の非平坦な金属層は、前記誘電体層内の前記第１の開口を通じて前記金属コンタクト層に結合され、
前記第２の非平坦な金属層は、前記誘電体層内の前記トレンチ及び前記１つ以上の第２の開口を通じて前記ｎ型層に結合されている、
請求項１に記載のデバイス。 - 前記応力緩和層と前記金属コンタクト層との間のパッシベーション層、を更に有する請求項５に記載のデバイス。
- 前記金属コンタクト層は、前記ｐ型層に結合されたコンタクトサブレイヤと、該コンタクトサブレイヤと前記はんだパッドとの間のインタフェースサブレイヤとを含む、請求項５に記載のデバイス。
- ｐ型層、活性層、及びｎ型層を、該活性層が該ｐ型層と該ｎ型層との間にあるように有する発光構造と、
前記ｎ型層を露出させる、前記ｐ型層及び前記活性層の中のエッチング部であり、当該エッチング部は、前記発光構造の中心部内にある開口と、前記発光構造を取り囲むトレンチとを有する、エッチング部と、
前記ｐ型層と電気的に接触した金属コンタクト層と、
前記金属コンタクト層上の誘電体層であり、前記金属コンタクト層を露出させる第１の開口と、前記エッチング部の前記開口及び前記トレンチとアライメントされて前記ｎ型層を露出させる第２の開口及びトレンチと、を有する誘電体層と、
前記誘電体層内の前記第１の開口を通じて前記金属コンタクト層と接触した第１の非平坦な金属層と、
前記誘電体層内の前記トレンチ及び前記第２の開口を通じて前記ｎ型層と接触した第２の非平坦な金属層と、
誘電体ポリマーを有する応力緩和層であり、該応力緩和層は、前記第１の金属層上及び前記第２の金属層上にあり、且つ、前記トレンチを少なくとも部分的に充填するように構成されている、応力緩和層と、
前記応力緩和層上の複数の金属はんだパッドであり、該金属はんだパッドの各々が、前記第１の金属層及び前記第２の金属層のうちの一方に電気的に接続されている、金属はんだパッドと、
を有するデバイス。 - 前記応力緩和層は、弾力性を持ち、熱が与えられて前記金属はんだパッドがその下に位置する材料とは異なる熱膨張率で膨張するときに変形する、請求項８に記載のデバイス。
- 前記応力緩和層はベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を有する、請求項８に記載のデバイス。
- 前記応力緩和層は、１−３μｍの厚さを有する、請求項８に記載のデバイス。
- 前記応力緩和層と前記金属コンタクト層との間のパッシベーション層、を更に有する請求項８に記載のデバイス。
- 前記金属コンタクト層は、前記ｐ型層に結合されたコンタクトサブレイヤと、該コンタクトサブレイヤと前記はんだパッドとの間のインタフェースサブレイヤとを含む、請求項８に記載のデバイス。
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