KR101209026B1 - 수직형 발광 소자의 제조방법 - Google Patents

수직형 발광 소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

수직형 발광 소자의 제조방법에 관한 것으로 특히, 칩 분리 용이하게 하고 소자의 수율을 향상시키는 것이다. 이러한 본 발명은, 절연 기판상에 복수의 반도체층들을 성장시키는 단계와; 상기 복수의 반도체층을 식각하여 단위 소자 영역을 구분하는 단계와; 상기 반도체층 상에 제1전극을 형성하는 단계와; 상기 반도체층을 식각하여 드러난 면을 절연하는 패시베이션층을 형성하는 단계와; 상기 패시베이션층 위에 결합금속을 형성하는 단계와; 상기 식각된 부분의 결합금속 위의 부분에 PR 포스트를 형성하는 단계와; 상기 결합금속 위에 금속 지지부를 형성하는 단계와; 상기 절연 기판을 제거하는 단계와; 상기 절연 기판이 제거된 개개의 반도체층 면에 제2전극을 형성하는 단계와; 상기 금속 지지부를 얇게 하는 단계와; 상기 반도체층을 개개의 소자로 분리하는 단계를 포함하여 구성된다.
테이프, LED, 기판, 수율, 반도체.

Description

수직형 발광 소자의 제조방법{Method of manufacturing LED having vertical structure}
도 1 내지 도 5는 종래의 발광 소자 제조방법의 일례를 나타내는 도로서,
도 1은 기판에 반도체층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 2는 반도체층을 식각하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 3은 반도체층에 전극 및 패시베이션층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 4는 결합금속과 금속 지지부를 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 5는 기판을 분리하고 테이프 팽창을 수행하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 수직형 발광 소자의 제조방법의 일 실시예를 나타내는 단면도로서,
도 6은 기판에 복수의 반도체층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 7은 반도체층을 식각하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 8은 반도체층에 전극 및 패시베이션층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 9는 결합금속과 금속 지지부를 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 10은 기판을 분리하고 테이프 팽창을 수행하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 11은 완성된 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
10 : 기판 20 : 반도체층
30 : 트렌치 40 : 제1전극
41 : 제2전극 50 : 패시베이션층
60 : 결합금속 70 : 금속 지지부
80 : PR 포스트 90 : 테이프
본 발명은 수직형 발광 소자의 제조방법에 관한 것으로 특히, 칩 분리 용이하게 하고 소자의 수율을 향상시키는 수직형 발광 소자의 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대 (conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.
질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 많은 주목을 받아왔다. 이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.
또한, 종래의 녹색 LED의 경우에는 처음에는 GaP로 구현이 되었는데, 이는 간접 천이형 재료로서 효율이 떨어져서 실용적인 순녹색 발광을 얻을 수 없었으나, InGaN 박박성장이 성공함에 따라 고휘도 녹색 LED 구현이 가능하게 되었다.
이와 같은 이점 및 다른 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.
GaN 발광 다이오드의 효율은 백열등의 효율을 능가하였고, 현재는 형광등의 효율에 필적하기 때문에, GaN 계열의 LED 시장은 급속한 성장을 계속할 것으로 예상된다.
상기와 같은, GaN 소자 기술의 급속한 발전에도 불구하고, GaN 소자의 제작에는 비용이 큰 단점을 지닌다. 이는 GaN 박막(epitaxial layers)을 성장시키고 연이어 완성된 GaN 계열의 소자들을 절단하는 어려움과 관련된다.
GaN 계열의 소자들은 일반적으로 사파이어(Al2O3) 기판상에 제조된다. 이는 사파이어 웨이퍼가 GaN 계열의 장치들을 대량 생산하는데 적합한 크기로 상용으로 이용가능하고, 비교적 고품질의 GaN 박막 성장을 지지하며, 광범위한 온도처리 능력 때문이다.
또한, 사파이어는 화학적으로 그리고 열적으로 안정적이며, 고온 제조공정을 가능하게 하는 고융점을 가지고, 높은 결합 에너지(122.4 Kcal/mole)와 높은 유전상수를 갖는다. 화학적으로, 사파이어는 결정성 알루미늄 산화물(Al2O3)이다.
한편, 사파이어는 절연체이기 때문에 사용한 사파이어 기판(또는 다른 절연체 기판)을 사용하는 경우 이용가능한 LED 소자의 형태는, 실제로, 수평(lateral) 또는 수직(vertical) 구조로 제한된다.
상기 수평구조에서는, LED로의 전류를 주입하는데 사용되는 금속 접점(contact)은 상단면에(또는 기판의 동일면상에) 모두 위치한다. 반면, 수직구조에서는 한 금속 접점은 상단면상에 있고, 다른 접점은 사파이어(절연) 기판이 제거된 후 하단면상에 위치된다.
또한, LED 칩을 제조한 이후에 이 칩을 열전도도가 우수한 실리콘 웨이퍼나 세라믹 기판 등의 서브마운트에 뒤집에 부착시키는 플립칩 본딩 방식도 많이 이용되고 있다.
그러나 상기와 같은 수평구조나 플립칩 방식은, 사파이어 기판의 열전도도가 약 27W/mK로서 열저항이 매우 크기 때문에 열방출 효율에 있어서 문제가 되며, 상 기 플립칩 방식은 많은 단계의 포토리소그라피 공정을 필요로 하여 제작 공정이 복잡한 단점이 있었다.
이러한 문제점들과 관련하여 사파이어 기판을 제거하는 LED의 수직구조가 크게 주목받고 있다.
종래의 이러한 수직형 LED를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
이러한 수직구조는 도 1과 같이, 사파이어 기판(1)에 GaN LED 구조(2)를 형성한 후에, 각 소자의 영역을 구분하는 이른바, 트렌치 식각을 수행하여, 도 2에서 도시하는 바와 같이 트렌치(3)를 형성한다.
상기 트렌치 식각은 사파이어 기판(1)이 드러나도록 식각을 하게 된다.
이러한 트렌치 식각을 수행한 후에는, 도 3과 같이, p형 전극(4)을 형성하고, 이와 같은 전극(4)이 형성된 소자의 측면에는 패시베이션층(5)을 형성할 수도 있다.
이후, 레이저 리프트 오프(laser lift off: LLO) 공정에 의하여 사파이어 기판(1)을 제거하기 위하여, 도 4와 같이, 상기 전극(4)이 형성된 소자의 상측에 반도체 웨이퍼를 부착하거나 금속을 도금하여 지지구조(7)를 형성하게 되는데, 이때, 지지구조(7)의 접합을 용이하게 하기 위한 결합금속(seed metal: 6)층이 적층될 수 있다.
이때, 상기 식각된 부분에는 PR(photo-resist) 포스트(8)를 형성한 후에 상기 지지구조(7)를 결합함으로써, 추후 개개의 소자로 분리가 용이하도록 한다.
도 5는 PR 포스트 및 도금시 발생되는 seam 구조를 갖는 소자의 분리에 관한 방법을 도시하고 있으며, LLO 공정 후 분리된 기판 대신에 테이프(9)를 접착시킨 후 이 테이프를 팽창(expansion) 시킴으로서 분리하는 상태를 도시하고 있다.
상기와 같이, 기판(1) 사이에 PR 포스트(8)를 삽입하고 그 위에 도금을 수행하면 PR 포스트(8) 상부에는 Seam(a)이라고 불리는 벌크 금속 부위보다는 그 접합강도가 상당히 낮은 접촉면을 갖게된다.
그러나 LLO 공정 후 이러한 PR 포스트 및 도금 구조상에서의 Seam을 이용한 구조에는 크게 두가지 문제점이 있는데, 그 하나는 Seam이라 불리는 금속 접촉면 또한 테이프로 분리가 가능할 정도의 힘이 아닌 보다 강한 힘으로 접합되어 있어, 테이프 팽창만으로는 분리가 불가능한 점이다.
또 한가지는 도 4 및 도 5의 트랜치 부분(3)에서 패시베이션층(5)이 상부의 결합금속(6)을 보호하므로 테이프 팽창(tape expansion)에 의한 분리시 특히 소면적의 칩에서 칩 사이가 잘 분리되지 않는 문제를 야기시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자의 칩 분리시 테이프 팽창만을 이용하여 용이하게 분리가 가능하여 공정을 단순화하고, 칩 분리과정에서 발생할 수 있는 소자의 손상을 최소화할 수 있는 수직형 발광 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위해, 본 발명은, 절연 기판상에 복수의 반도체층들을 성장시키는 단계와; 상기 복수의 반도체층을 식각하여 단위 소자 영역을 구 분하는 단계와; 상기 반도체층 상에 제1전극을 형성하는 단계와; 상기 반도체층을 식각하여 드러난 면을 절연하는 패시베이션층을 형성하는 단계와; 상기 패시베이션층 위에 결합금속을 형성하는 단계와; 상기 식각된 부분의 결합금속 위의 부분에 PR 포스트를 형성하는 단계와; 상기 결합금속 위에 금속 지지부를 형성하는 단계와; 상기 절연 기판을 제거하는 단계와; 상기 절연 기판이 제거된 개개의 반도체층 면에 제2전극을 형성하는 단계와; 상기 금속 지지부를 얇게 하는 단계와; 상기 반도체층을 개개의 소자로 분리하는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 복수의 반도체층들을 성장시키는 단계는, 상기 기판 위에 n형 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 n형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계와; 상기 활성층 위에 p형 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 PR 포스트를 형성하는 단계는, 상기 결합금속이 형성된 높이보다 높게 형성하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 지지부를 얇게 하는 단계는, 상기 PR 포스트가 드러날 때까지 얇게 하도록 하며, 에칭을 이용할 수 있다.
한편, 상기 패시베이션층을 형성하는 단계는, 상기 단위 소자 영역이 구분된 부분에서 불연속적으로 형성하도록 하며, 즉, 상기 패시베이션층은 PR 포스트 하측에는 형성하지 않는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 발광 소자 제조를 위해서는 먼저 사파이어 기판(10) 위에 통상의 반도체 공정기술을 이용하여 복수의 GaN 반도체층(20)들을 성장시키는 과정을 수행한다.
이러한 GaN 반도체층(20)은 상기 기판(10) 위에 형성되는 n형 GaN층과, 이 n형 GaN층 위에 형성되는 활성층과, 이 활성층 위에 형성되는 p형 GaN층으로 구성될 수 있으며, 상기 n형 GaN층과 기판(10) 사이에는 별도의 버퍼층이 형성될 수도 있다.
또한, 상기와 반대로, 기판(10) 위에 p형 GaN층이 형성되고, 그 위에 활성층과 n형 GaN층이 차례로 위치할 수도 있다.
상기 활성층은 GaN 계열 단일 양자 우물구조(SQW: single quantum well)나 다중 양자 우물구조(MQW: multi quantum well)일 수 있으며, 또한 이들의 초격자(SL: supper lattice) 등의 양자구조일 수도 있다.
이와 같은 활성층의 양자구조는 GaN 계열의 다양한 물질을 조합하여 이루어질 수 있고, 그 예로 AlInGaN, InGaN 등이 사용될 수 있다.
이와 같이, 기판(10) 위에 형성된 반도체층(20)은, 도 7에서와 같이, 단위 소자 영역을 구분하기 위하여 트렌치 식각을 하게되며, 기판(10)이 드러나는 정도까지 수행한다.
이후에, 도 8에서 도시하는 바와 같이, 상기 GaN 반도체층(20) 위에 제1전극(40)을 형성한다. 이 전극(40)은 p형 전극일 수 있으며, 반도체층(20)의 배치에 따라서 n형 전극이 될 수도 있다.
상기 제1전극(40)은 오믹(ohmic)전극과 반사전극을 포함할 수 있으며, 이때 상기 오믹전극은 투명전극이 사용되는데, 루테늄/금(Ru/Au), 니켈/금(Ni/Au) 또는 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide, ITO)와 같은 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다.
상기 반사전극은 반도체층(20)에서 발생된 빛이 효과적으로 발산될 수 있도록 반사하는 역할을 하며, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 기타 높은 반사도를 가지는 물질을 이용하여 형성한다.
이와 같이 제1전극(40)을 형성한 후에는, 상기 반도체층(20)이 식각에 의하여 드러난 부분에 절연체를 이용하여 패시베이션층(50)을 형성한다.
이후에는, 도 9에서와 같이, 상기 제1전극(40) 위에 금속 지지부(70)를 적층하게 되는데, 이러한 금속 지지부(70)가 상기 제1전극(40)에 잘 결합될 수 있도록 결합금속(seed metal: 60)을 먼저 적층한 후에 금속 지지부(70)를 형성할 수도 있다.
상기 금속 지지부(70)는 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni) 중 하나를 도금(electro- plating)하여 형성하거나, 이들의 합금을 이용할 수 있다.
상기 결합금속(60)은 티타늄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 중 어느 하나를 이용하거나, 또는 이들의 합금을 이용한다.
이와 같이, 결합금속(60)이 형성된 트렌치(30) 부분에 PR 포스트(80)를 형성한다. 이때, 이 PR 포스트(80)는 상기 반도체층(20) 상측의 결합금속(60)이 형성된 높이보다 다소 높게 형성한다. 일 예로서 상기 PR 포스트(80)는 10~150㎛의 두께로 형성될 수 있다.
그 높이는 추후에 에칭에 의하여 PR 포스트(80)가 드러나도록 할 경우에 이 후에 형성되는 금속 지지부(70)가 반도체층(20)을 포함한 칩을 지지하기에 충분한 두께를 가지도록 한다.
한편, 상기 패시베이션층(50)은 도 9에서 도시하는 바와 같이, 식각에 의하여 형성된 트렌치(30) 부분에서 불연속적으로 형성할 수 있다. 즉, 도 8과 같이 전체층에 패시베이션층(50)을 형성하지 않고, PR 포스트(80)가 형성되는 부분의 하측에는 패시베이션층(50)이 없도록 할 수 있는 것이다.
이는, 이후에 기판(10)을 제거한 상태에서 테이프 팽창에 의하여 칩을 분리할 경우(도 10 참고)에, 결합금속(60)이 상기 패시베이션층(50)에 의하여 보호되어 칩이 잘 분리되지 않는 현상을 방지할 수 있는데, 이와 같은 현상은 특히 칩이 소면적인 경우에 발생하기 쉽다.
이후에는, 레이저 리프트 오프(LLO: laser lift off) 공정을 이용하여 기판(10)을 분리하게 된다.
즉, 엑시머 레이저를 상기 기판(10)측에서 조사하고, 이 레이저 빔은 기판(10)을 통과하고, 사파이어 기판(10)과 반도체층(20)에 국소적인 열을 야기한다. 이러한 열은 사파이어 기판(10)과 반도체층(20)의 계면에서 GaN을 Ga와 N2 가스로 분해시키고, 따라서 사파이어 기판(10)이 분리되게 한다.
이러한 레이저 리프트 오프 공정을 통하여 기판(10)을 제거한 후에는, 상기 기판(10)이 제거된 면의 각 반도체층(20)에 다수의 제2전극(41: 도 11 참고)을 형성한다.
이 제2전극(41)은 n형 전극일 수 있으며, 도 11에서 도시하는 바와 같이 금속 패드의 형태일 수 있다.
상기와 같이, 제2전극(41)을 형성하여 LED 소자를 완성한 후에는 이를 개개의 단위 소자로 분리하는 과정이 수행된다.
개개의 소자로 분리하는 과정은, 도 10과 같이, 팽창 테이프(expansion tape: 90)를 이용하여, 분리할 수 있다.
이때, 상기 팽창 테이프(90)에 의하여 개개의 소자로 용이하게 분리될 수 있도록, 상기 금속 지지부(70)를 PR 포스트(80)가 드러날때까지 식각과 같은 과정을 통하여 얇게 할 수 있다.
상기와 같이 분리된 개개의 소자는 패키징을 수행함으로써 발광 소자로 완성되게 된다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.
이상과 같은 본 발명은 금속 지지부를 얇게 함으로써, PR 포스트를 이용하여 발광 소자의 칩 분리시 테이프 팽창만을 이용하여 용이하게 분리가 가능하여, 스크라이빙(scribing), 브레이킹(breaking)과 같은 별도의 공정이 필요 없으므로 공정을 단순화할수 있고, 칩 분리과정에서 발생할 수 있는 소자의 손상을 최소화할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (15)

  1. 절연 기판상에 복수의 반도체층들을 성장시키는 단계와;
    상기 복수의 반도체층을 식각하여 단위 소자 영역을 구분하는 단계와;
    상기 반도체층 상에 제1전극을 형성하는 단계와;
    상기 반도체층을 식각하여 드러난 면을 절연하는 패시베이션층을 형성하는 단계와;
    상기 패시베이션층 위에 결합금속을 형성하는 단계와;
    상기 식각된 부분의 결합금속 위의 부분에 PR 포스트를 형성하는 단계와;
    상기 결합금속 위에 금속 지지부를 형성하는 단계와;
    상기 절연 기판을 제거하는 단계와;
    상기 절연 기판이 제거된 개개의 반도체층 면에 제2전극을 형성하는 단계와;
    상기 PR 포스트가 드러나도록 상기 금속 지지부를 얇게 하는 단계와;
    상기 반도체층을 개개의 소자로 분리하는 단계를 포함하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 반도체층들을 성장시키는 단계는,
    상기 기판 위에 n형 반도체층을 형성하는 단계와;
    상기 n형 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계와;
    상기 활성층 위에 p형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 단위 소자 영역을 구분하는 단계는,
    상기 기판이 드러나도록 식각하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1전극을 형성하는 단계는,
    오믹전극을 형성하는 단계와;
    상기 오믹전극 위에 반사전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 오믹전극과 반사전극은 상기 반도체층 위를 완전히 또는 부분적으로 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 PR 포스트를 형성하는 단계는,
    상기 결합금속이 형성된 높이보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 PR 포스트를 형성하는 단계는, 상기 PR 포스트의 두 께를 10 ~ 150㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 기판을 제거하는 단계는,
    레이저를 이용하여 상기 기판과 반도체층 사이의 계면을 분리하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 금속 지지부는 Cu, Au, Ni 중 하나 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 금속 지지부를 얇게 하는 단계는, 상기 PR 포스트가 드러날 때까지 얇게 하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 금속 지지부를 얇게 하는 단계는, 에칭을 이용하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 패시베이션층을 형성하는 단계는, 상기 단위 소자 영역이 구분된 부분에서 불연속적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 패시베이션층은 PR 포스트 하측에는 형성하지 않는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 반도체층들은 GaN 계열 반도체를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 복수의 반도체층들을 성장시키는 단계는,
    상기 기판 위에 n형 GaN층을 형성하는 단계와;
    상기 n형 GaN층 위에 AlInGaN 또는 InGaN을 이용한 활성층을 형성하는 단계와;
    상기 활성층 위에 p형 GaN층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조방법.
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