TWI487144B - 使用順應式接合結構以接合半導體裝置之方法 - Google Patents

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Description

使用順應式接合結構以接合半導體裝置之方法
本發明關於將半導體裝置接合至其他結構之領域，及更特別有關用於在其他結構上安裝半導體發光裝置之順應式接合結構。
包括發光二極體(LEDs)之半導體發光裝置、共振腔發光二極體(RCLEDs)、垂直腔雷射二極體(VCSELs)、及側射型雷射係在目前可獲得之最有效光源。目前在操作能遍及可見光譜的高亮度發光裝置之製造中具重要性之材料系統包括第III-V族半導體，特定言之，鎵、鋁、銦、及氮之二元、三元、及四元合金，亦稱為III-氮化物材料。一般而言，該等III-氮化物發光裝置係藉由在藍寶石、碳化矽、III-氮化物、複合物或其他適當之基材上經金屬-有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、或其他磊晶技術磊晶生長具有不同組成及摻雜劑濃度之半導體層堆疊物而製得。該堆疊物常包括摻有(例如)矽而形成於該基材之一或多個n-型層，形成於該n-型層或該等n-型層之活性區上之一或多個發光層，及摻有(例如)鎂而形成於該活性區上之一或多個p-型層。在n-及p-型區上形成電觸點。
美國專利公開案第2007-0096130號描述形成LED結構之方法，其使用雷射升離方法在該LED晶粒接合至子基座之後去除該生長基材(例如，藍寶石)。為避免需要在該子基座與LED晶粒間使用底層填料以支撐該晶粒，已於該LED晶粒之底側上形成實質上位於相同平面中之陽極及陰極，其中該電極覆蓋該LED結構之背面之至少85%。該子基座具有實質上位在相同平面中之對應陽極及陰極布置。
該LED晶粒電極及子基座電機係同時互連，以便實質上該LED晶粒之整個表面係由未使用底層填料之該電極及子基座支撐。可使用LED對子基座互連之不同方法，例如，超音波或熱超音波金屬-金屬相互擴散(金-金、銅-銅、其他延性金屬、或以上組合)，或利用不同合金組合物例如金-錫、錫-銀、錫-鉛、或其他類似合金系統焊接。
然後，使用雷射剝離方法從該LED層上去除形成於該LED基材上部之該生長基材，該雷射剝離方法削磨位於該生長基材與該LED層間之介面上的材料。因為該電極與子基座對LED層之大面積支撐，故在雷射剝離製程期間產生之極高壓力不會損壞該LED層。亦可使用其他基材移除方法。
本發明之一目標係在半導體裝置及其上安裝有該半導體裝置之結構上提供電、機械、及熱連接。
根據本發明之實施例，該順應式接合結構係配置在半導體裝置與基座之間。當該半導體裝置附接至該基座時，該順應式接合結構呈固相形式坍縮以部分填充該半導體裝置與該基座間之間隔。在某些實施例中，該順應式接合結構係在接合期間經受塑性變形之複數個金屬凸塊。
在以上描述於美國專利申請案第2007-0096130號之含大面積金屬觸點之裝置中，接合期間必需有巨大接合壓力及超音波功率，以克服LED晶粒電極與子基座電極之表面構形之微小差異。具侵害性的接合條件在接合期間引起LED中半導體材料之損壞。由於該電極之面積大，接合期間因該電極中缺少順應性(即變形及坍縮)，故具侵害性的接合條件成為必要。
在本發明之某些實施例中，該順應式接合結構係配置在LED晶粒與基座之間。該順應式接合結構可配置在LED晶粒上、該基座上、或LED與該基座兩者上。在接合期間，該順應式結構坍縮並回焊，產生堅固的電、熱、及機械連接，其可能不需要具侵害性接合條件並補償LED晶粒與該基座之表面構形之微小差異。
圖1至4說明如何根據本發明之實施例形成順應式接合結構。
圖1說明形成於基材10上之III-氮化物裝置。基材10可係任何合適生長基材，包括，例如，藍寶石、SiC、GaN、或經工程處理基材，例如附著於絕緣體之SiC、或附著於絕緣體之III-氮化物材料。適合於III-氮化物裝置生長之經工程處理基材係較詳細的描述於美國公開申請案第2007-0072324號中，其係以引用方式併入本文中。
首先遍及於基材10上生長n-型區12。n-型區12可包括多個具有不同組成及摻雜物濃度之層，例如，預備層，例如緩衝層或晶核形成層，其可係n-型或未刻意摻雜，設計用以幫助該生長基材於稍後釋出或在基材去除之後將該半導體結構變薄之釋出層，及設計用於使該發光區有效發光所需之特定光學或電學性質的n-或甚至p-型裝置層。
該發光或活性區14係遍及於n-型區12上生長。合適發光區之實例包括單個厚或薄發光層，或多重量子井發光區包括由障壁層分隔之多重薄或厚量子發光層。例如，該多重量子井發光區可能包括多重發光層，各具有25埃或更小之厚度，由障壁分隔，各具有100埃或更小之厚度。在某些實施例中，該裝置中，該發光層之各厚度係比50埃厚。
p-型區16係遍及於發光區14上生長。類似n-型區，p-型區可包括不同組成、厚度、及摻合物濃度之多重層，包括未刻意摻雜之層，或n-型層。
在某些實施例中，基材10係約90微米厚，及該裝置層12、14及16具有小於50微米之組合厚度。
在半導體區12、14及16生長之後，蝕除p-型區16及發光區14之一或更多部分，以顯露n-型區12之某些部分。n-觸點26係形成於n-型區12之曝光部分。
於遍及p-型區16上形成多層p-觸點。於圖1顯示之實例中，形成之歐姆接觸層18係直接與p-型區16接觸，然後可係金屬或絕緣體之保護層20係遍及歐姆接觸層18上形成。如圖1說明之，保護層20可延伸遍及歐姆接觸層18之一側。例如，歐姆接觸層18可包括銀，其經受電遷移，可導致短路或可靠性問題。遍及歐姆接觸層18形成之保護層20客防止或降低歐姆接觸層18之電遷移。在某些實施例中，可使用更多p-接觸層，或可省省略保護層20。
絕緣層22可自該p-觸點18、20單離n-觸點26。
形成之p-接合墊24係遍及並電聯至p-觸點。形成之n-型接合墊28係遍及並電聯至n-觸點。接合墊24及28在去除生長基材10期間支撐該裝置層12、14及16，並將熱傳導至該裝置層外。接合墊24及28可由含高熱導性之任何金屬形成，例如，金、銅、或鋁。接合墊可能，例如，在某些實施例中電鍍成6至30微米間之厚度，在某些實施例中電鍍成15至25微米間之厚度。氣隙30可電隔離n-及p-接合墊28及24，如圖1所說明。該間隙較佳係小於50微米寬。如上述之，接合墊24及28提供熱傳遞並在去除生長基材10期間支撐該半導體層。不需要由接合墊24及28提供熱傳遞且不需要半導體層支撐之裝置中(即，未自裝置移除生長基材的裝置)，接合墊24及28可省略，微凸塊32可直接在該p-及n-觸點上形成。
n-及p-接合墊28及24覆蓋該LED區之至少60%(即，於該LED上之半導體材料區域)，在某些實施例中，該LED區之至少85%。
在形成III-N LEDs之技術中，習知或熟知之步驟細節不需要描述，且可有許多用以形成圖中顯示之相同結構的方式。習知或熟知之該等細節包括清潔、沈積技術(例如，濺鍍、CVD、電鍍、等)、微影蝕刻技術、遮罩技術、蝕刻技術、金屬剝離技術、光阻剝離技術、及自晶圓分離晶粒。
圖2中，形成之光阻層34係遍及該p-接合墊24及n-接合墊28之頂部，然後圖案化以形成一系列小開口。
圖3中，將該順應式金屬32電鍍在光阻層34中之開口處。可使用任何合適金屬，例如，具有小於150 GPa之楊氏模量。合適金屬之實例包括楊氏模量約78 GPa之金，楊氏模量約110至128 GPa間之銅，楊氏模量約70 GPa之鋁。
在圖4中，該光阻層34係被剝離，留下順應式金屬微凸塊32。微凸塊32可能係，例如，橫向範圍在6至25微米之間。該等可具有圓形截面，唯可使用可於光阻層34中圖案化之任何截面。微凸塊可為6至25微米高，且間隔6至25微米。微凸塊可能具有大約相同之高度及寬度。在某些實施例中，微凸塊32之尺寸、高度及間隔係由光阻層34之厚度決定。其中因為該光阻層厚，故光阻層34中電鍍微凸塊32之間隔可製造成約一樣寬並相距甚遠。例如，若使用10微米厚光阻層，則經圖案化之最小微凸塊係約10微米寬並間隔約10微米遠。在某些實施例中，該微凸塊32之尺寸、高度、及間隔係與該光阻層34之厚度無關。該微凸塊可比光阻層34厚，唯將在該光阻層上方形成蕈形頭。選擇微凸塊32之尺寸及間隔，使得當該LED晶粒附接至該基座時，該等微凸塊變形，使得該LED與該基座間之大部分或所有區皆由微凸塊材料填充，在該LED晶粒與該基座之間保留極小或無間隙。例如，在該LED晶粒附著於該基座之後，在形成微凸塊之某區(例如，某些實施例中，n-及p-接合墊之該區)中，該LED晶粒與該基座間之間隔係在某些實施例中至少50%填充有變形微凸塊，在某些實施例中至少75%填充有變形微凸塊，及在某些實施例中，至少85%填充有變形微凸塊。在接合之後該鄰近微凸塊間之間隙在某些實施例中可小於2微米，在某些實施例中小於1微米。在接合之後，該微凸塊之高度可能在某些實施例中可能係小於最初高度之50%，在某些實施例中小於最初高度之20%，在某些實施例中小於最初高度之10%。
在圖4中說明之該製程之後，裝置之晶圓可加以裁切。
在圖5中，圖4中所說明之該裝置係被翻轉並安裝於基座40上。微凸塊42可在基座40上形成以與形成於LED晶粒5上之微凸塊32對齊。微凸塊可在LED晶粒5及基座40中之僅一者，或兩者上形成。LED晶粒可藉由在LED晶粒與基座40間施加之壓力而連接至基座40。壓力可伴隨超音波能、熱或兩者而產生。超音波能及熱之一者或兩者之添加可降低形成接合之必須壓力。形成於該基座上之微凸塊42及/或形成於該LED晶粒上之微凸塊32在接合期間經歷塑性變形(即，該等不會回至其等初始形狀)並在該LED晶粒及該基座40間形成連續或接近連續之金屬支撐。例如，在某些實施例中，在接合之後，微凸塊幾乎填充對應於n-及p-接合墊28及24之區域之該LED晶粒與基座40間之所有間隔。
在超音波接合期間，LED晶粒5係定位於基座40上。接合頭係安置於LED晶粒5之上表面上，若為於藍寶石上生長之III-氮化物裝置之情況，通常係藍寶石生長基材10之上表面。該接合頭係連接至超音波換能器。該超音波換能器可係例如鋯酸鈦酸鉛(PZT)層堆疊物。當以引起該系統和諧共振(通常大約十或百kHz之頻率)之頻率施加電壓於該換能器時，該換能器開始振動，接著引起該接合頭及LED晶粒5振動，通常為微米級之振幅。該振動引起微凸塊32及42之金屬晶格之原子交互擴散，形成冶金連續接頭。熱及/或壓力可在接合期間添加。在超音波接合期間，順應式接合結構，例如微凸塊32及42坍縮並回焊。
在某些實施例中，安置於該裝置不同部分之微凸塊之特徵或配置可具有不同性質。例如，該裝置在基材去除期間需要較多支撐之區域中，微凸塊可較大且/或間隔較緊密。例如，在其中台面係經蝕刻而暴露出n-型區的附近區域，剩餘p-型材料可能因為該台面蝕刻而稍薄。在該等區，微凸塊可較大且/或間隔較緊密，以針對該較薄半導體材料提供更多支撐。
微凸塊32可能由其它技術形成，諸如，例如，使用光阻遮罩及金屬剝離方法，或由機械圖案化經沉積或電鍍的大面積厚接合墊形成。機械圖案化技術包括，例如，衝壓成形、雷射機械加工、化學或乾式蝕刻、或機械糙化。在某些實施例中，可使用彼此偏移之微凸塊之多重堆疊物層。微凸塊之多重層可能導致橫向與垂直方向中之接合順應。
在某些實施例中，微凸塊32及42係藉由不同的順應、電導及熱導結構代替。圖6說明替代實施例之一實例。替代微凸塊，將多孔金屬結構46配置在LED晶粒5與基座40之間。多孔金屬結構46可能在LED晶粒5之接合墊24及28上，在基座40之接合墊44上，或在該LED接合墊與該基座接合墊之兩者上形成。多孔金屬結構46可由例如在製程條件下電鍍軟金屬形成，以使電鍍表面呈多孔、粗糙、或樹枝性質，或由燒結金屬小顆粒以製造融合的多孔結構。LED晶粒5及基座40可隨後如上述接合。多孔金屬結構46可在接合期間經歷塑性變形。與在接合期間變成液體之焊料不同地，順應式接合結構(例如，如本文所述之該微凸塊及多孔金屬結構)一般於固相中坍縮。儘管在接合期間可能施加可能引起順應式接合結構變得較軟或開始熔化之熱，然而在某些實施例中，該順應式接合結構並不會變得夠熱而變成完全液相。
順應式結構(例如微凸塊或多孔金屬結構)可能在於LED晶粒上之接合墊與其上安裝有LED晶粒之該基座表面之間補償微表面非平面，而在接合期間不需要高壓或高溫。微凸塊變形之能力可降低形成具堅固熱、機械、及電連接之接合所需之壓力及/或溫度，及可能降低在接合至該基座期間裂解或其他損壞之發生。
在LED晶粒5接合至基座40後，可去除生長基材10，例如由雷射剝離、蝕刻、或適合於特殊生長基材之其他任何技術去除。在去除該生長基材之後，該半導體材料可能，例如，由光電化學蝕刻變薄，及/或該表面可能例如，藉由光子晶體結構糙化或圖案化。透鏡、波長轉換材料，或此項技術中已知其他結構可在去除基材之後遍及LED5地配置。
在某些實施例中，沿該LED晶粒5之邊緣配置微凸塊以在接合期間形成密封物。該密封物提供額外機械支撐至該裝置之邊緣並可防止外部材料，例如濕度或聚矽氧封裝材料進入LED晶粒5與基座40間之任何間隔。
圖7係含邊緣密封物之第一實例之裝置之平面圖。在圖7所說明之該裝置中，連續、線性凸塊密封物50環繞在微凸塊32周圍。例如，邊緣密封物環繞在於晶粒5之該邊緣之p-接合墊區24中之該微凸塊周圍並環繞在該p-接合墊與n-接合墊間之間隙30周圍。另一密封物環繞在形成於該n-接合墊區28之該微凸塊周圍。圖8說明含有如圖7所說明之線性周邊凸塊密封物50a之裝置之一部分。僅顯示線性凸塊密封物50a之一部分，為清楚呈現，省略微凸塊32。當壓力52施加至凸塊密封物50a時，例如，當裝置5接合至基座(未顯示於圖8中)，凸塊密封物50a可僅以某反向變形，由箭頭54指明。圖9說明在接合期間經歷塑性變形之後，圖8之邊緣密封物。邊緣密封物50b以圖8中指明之方向54散開。
因如圖7及8中說明之該連續線性邊緣密封物50a可僅以某方向變形，其比微凸塊32之順應小，該微凸塊可於一個以上之方向變形。因此，在接合期間，施加在該LED裝置底層邊緣密封物50a之該部分之力比施加在該LED裝置底層微凸塊32之該部分之力多。
在某些實施例中，邊緣密封物50係經配置以在接合期間於多於一個方向變形。在某些實施例中，邊緣密封物50之形狀係經選擇，以便邊緣密封物50之順應性匹配微凸塊32之順應性。
圖10說明具有可於多於一個方向變形之邊緣密封物50c之裝置之一部分。邊緣密封物50c係圍繞微凸塊32之連續、非線性凸塊密封物。僅顯示密封物50c之一部分，及為清楚顯示，省略微凸塊32。邊緣密封物50c具有波浪形狀。當施加壓力52至凸塊密封物50c時，例如，當將裝置5接合至基座(未顯示於圖10中)時，凸塊密封物50c可於一個以上之方向變形，由箭頭55及56指明。圖11說明在接合期間在經歷塑性變形之後，圖10之邊緣密封物。邊緣密封物50d以於圖10中指明之方向55及56散開。
圖12說明具有可於一個以上之方向變形之邊緣密封物50e之另一實例之裝置之一部分。邊緣密封物50e係圍繞微凸塊32之偏移微凸塊之兩線路50f及50g。僅顯示邊緣密封物50e之一部分，且為清楚顯示，省略微凸塊32。線路50f及50g中之微凸塊不需彼此接觸，儘管其等可能接觸。當將壓力52施加至凸塊密封物50e時，例如，當將裝置5接合至基座(未於圖12中顯示)時，凸塊密封物50e可於一個以上之方向變形，由箭頭55及56指明。圖13說明在接合期間在經歷塑性變形之後，圖12之該邊緣密封物。於邊緣密封物50e中之該等微凸塊之兩線路50f及50g以圖12中指明之方向55及56散開，而形成連續密封物50h。
在如上述之超音波接合期間，該換能器通常係單向振動。例如，換能器可能沿於圖10及12中說明之軸56振動，且幾乎不會或完全不會沿軸55產生運動。順應式接合結構趨於優先沿該振動軸坍縮。據此，在某些實施例中，沿垂直於該振動軸之軸的邊緣密封物50較寬，而沿平行於該振動軸之軸之部分較窄。
儘管上述實例及實施例係參照覆晶III-氮化物發光裝置，但本文所述之該順應式接合結構及邊緣密封物可供任何合適裝置使用，其不需為覆晶、III-氮化物裝置、LED、或甚至發光裝置。
本文已詳細描述，熟習此項技術者將應瞭解，本發明揭示內容所給定，於本發明所製造之改質例並未脫離本文所述之發明概念之精神。因此，本發明之範圍並未限制所說明及描述之特殊實施例。
5．．．LED晶粒
10．．．基材
12．．．n-型區
14．．．發光或活性區
16．．．p-型區
18．．．歐姆接觸層
20．．．保護層
22．．．絕緣層
24．．．p-接合墊
26．．．n-觸點
28．．．n-型接合墊
30．．．氣隙
32．．．微凸塊
34．．．光阻層
40．．．基座
42．．．微凸塊
44．．．接合墊
46．．．多孔金屬結構
50．．．連續線性凸塊密封物
50a．．．線性周邊凸塊密封物
50b．．．邊緣密封物
50c．．．邊緣密封物
50d．．．邊緣密封物
50f．．．列
50g．．．列
50h．．．連續密封物
52．．．壓力
54．．．箭頭
55．．．箭頭
56．．．箭頭
圖1係產生於基材上之III-氮化物裝置之截面圖。
圖2係圖1裝置在沉積並圖案化光阻層之後的截面圖。
圖3係圖2裝置在光阻層中開口處沉積金屬之後的截面圖。
圖4係圖3裝置在剝離該光阻層之後的截面圖。
圖5係連接至基座之圖4結構的截面圖。
圖6係連接至基座之III-氮化物裝置的截面圖。
圖7係具有微凸塊及邊緣密封物之LED裝置之平面圖。
圖8說明連續、線性邊緣密封物。
圖9說明在接合期間經歷塑性變形之後的圖8邊緣密封物。
圖10說明連續非線性邊緣密封物。
圖11說明在接合期間經歷塑性變形之後的圖10邊緣密封物。
圖12說明非連續邊緣密封物。
圖13說明在接合期間經歷塑性變形之後的圖12該邊緣密封物。
5．．．LED晶粒
10．．．基材
12．．．n-型區
14．．．發光或活性區
16．．．p-型區
18．．．歐姆接觸層
20．．．保護層
22．．．絕緣層
24．．．p-接合墊
26．．．n-觸點
28．．．n-型接合墊
32．．．微凸塊
40．．．基座
42．．．微凸塊
44．．．接合墊

Claims (17)

  1. 一種接合一半導體裝置之方法，其包含：在半導體裝置與基座(mount)之間配置順應式(compliant)接合結構；及將該半導體裝置接合至該基座，其中接合引起該順應式接合結構坍縮(collapse)，以致該順應式接合結構電氣地並機械地將該半導體裝置連接至該基座，且其中該順應式接合結構在接合期間保持固相(solid phase)。
  2. 如請求項1之方法，其中該半導體裝置包含：包含配置在n-型區與p-型區間之發光區之半導體結構；配置於該n-型區之一部分上之n-金屬結構；及配置於該p-型區之一部分上之p-金屬結構。
  3. 如請求項2之方法，其中該順應式接合結構包含複數個金屬凸塊。
  4. 如請求項3之方法，其中該複數個金屬凸塊包含具有小於150GPa之楊氏模量之金屬。
  5. 如請求項3之方法，其中：該複數個金屬凸塊各具有6至25微米之寬度及6至25微米之高度；最接近的相鄰凸塊相隔6至25微米之間隔。
  6. 如請求項3之方法，其中該複數個金屬凸塊係金凸塊。
  7. 如請求項3之方法，其中：該n-金屬結構包含至少10微米厚之金層； 該複數個金屬凸塊之一部分係形成於該n-金屬結構上；該p-金屬結構包含至少10微米厚之金層；及該複數個金屬凸塊之一部分係形成於該p-金屬結構上。
  8. 如請求項3之方法，其中在該半導體結構之第一區中，最接近相鄰凸塊係比該半導體結構之第二區中最接近相鄰凸塊之間隔近。
  9. 如請求項3之方法，其中在接合之後，對應於該p-金屬結構之一區的該半導體發光裝置與該基座間之一區係由經間隙分隔之坍縮的金屬凸塊所佔據。
  10. 如請求項9之方法，其中該等間隙具有小於2微米之寬度。
  11. 如請求項9之方法，其中在接合(bonding)之後，該等坍縮金屬凸塊具有小於該複數個金屬凸塊之至少一者之高度之20%之高度。
  12. 如請求項2之方法，其中該順應式接合結構包含至少一多孔金屬層。
  13. 如請求項2之方法，其中該半導體發光裝置進一步包含一生長基材，該方法進一步包含在接合之後去除該生長基材。
  14. 如請求項2之方法，其中鄰近該半導體發光裝置之一邊緣之該順應式接合結構之一部分係經配置成在接合期間，該順應式接合結構之該部分坍縮以在該半導體發光 裝置與該基座間形成密封物。
  15. 如請求項14之方法，其中鄰近該半導體發光裝置之一邊緣之該順應式接合結構之該部分包含一連續、線性金屬凸塊。
  16. 如請求項14之方法，其中鄰近該半導體發光裝置之一邊緣之該順應式接合結構之該部分包含一連續、彎曲金屬凸塊。
  17. 如請求項14之方法，其中鄰近該半導體發光裝置之一邊緣之該順應式接合結構之該部分包含至少兩列金屬凸塊，其中該至少兩列金屬凸塊係偏移，以致在接合期間，該至少兩列金屬凸塊坍縮而形成連續密封物。
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