TWI713234B - 半導體結構和相關製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例揭露一種半導體結構。該半導體結構包含：一第一發光二極體(LED)層，其包含一第一色彩類型之一第一LED，該第一LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；一第二LED層，其在該第一LED層上方，該第二LED層包含一第二色彩類型之一第二LED，且該第二LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；及一第三LED層，其在該第二LED層上方，該第三LED層包含一第三色彩類型之一第三LED，且該第三LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；其中該第一色彩類型、該第二色彩類型及該第三色彩類型彼此不同。

Description

半導體結構和相關製造方法
本發明實施例係有關半導體結構和相關製造方法。
發光二極體(LED)裝置近年來已經歷快速成長。當施加一電壓時，LED裝置發射光。歸因於諸如小裝置大小、長壽命、高效能量消耗及良好持久性及可靠性之有利特性，LED裝置已愈來愈受歡迎。
LED裝置之製造可涉及一晶粒至晶圓接合程序，其中複數個LED晶粒接合至一晶圓上之複數個接墊。習知晶粒至晶圓接合程序使用具有一助銲劑回銲爐或共晶晶粒至晶圓接合器之自動晶粒接合機器。在接合程序期間，LED晶粒相對於接墊在任何給定方向上偏移其等橫向位置。在一些情況中，晶粒偏移可超過+/−38微米。隨著LED晶粒大小繼續減小，習知LED接合程序之晶粒偏移變為一更大問題，此係因為較小LED裝置之可靠性及效能之降低更大。
因此，雖然習知LED晶粒至晶圓接合程序通常已足以達到其預期目的，但其等並非在每一方面完全令人滿意。
本發明的一實施例係關於一種半導體結構，其包括：一第一發光二極體(LED)層，其包含一第一色彩類型之一第一LED，該第一LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；一第二LED層，其在該第一LED層上方，該第二LED層包含一第二色彩類型之一第二LED，且該第二LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；一第三LED層，其在該第二LED層上方，該第三LED層包含一第三色彩類型之一第三LED，且該第三LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；及一透明填料，其在該第一LED層、該第二LED層及該第三LED層上方，其中該透明填料之一頂表面與該第一LED層之該第二側之間之一距離大於該透明填料之該頂表面與該第二LED層之該第二側之間之一距離，且該透明填料之該頂表面與該第二LED層之該第二側之間之該距離大於該透明填料之該頂表面與該第三LED層之該第二側之間之一距離；其中該第一色彩類型、該第二色彩類型及該第三色彩類型彼此不同，且該第一LED、該第二LED及該第三LED彼此橫向隔開，使得自一俯視圖，該第一LED、該第二LED及該第三LED彼此不重疊。
本發明的一實施例係關於一種半導體結構，其包括：一半導體晶片，其包含：一基板；及一互連結構，其在該基板上方；及一堆疊發光二極體(LED)結構，其在該半導體晶片上方，該堆疊LED結構包含：一第一LED層，其包含：一第一重佈層(RDL)層，其包含具有金屬區及介電區之一混合接合介面；一第一LED層，其在該第一RDL層上方；及一第一介電層，其在該第一LED層上方；及一第二LED層，其在該第一LED層上方，該第二LED層包含：一第二RDL層；一第二LED層，其在該第二RDL層上方；及一第二介電層，其在該第二LED層上方；其中該半導體晶片接合至該堆疊LED結構之該混合接合介面。
本發明的一實施例係關於一種製造一半導體結構之方法，其包括：接納一半導體晶片、一第一LED晶片及一第二LED晶片，其中該第一LED晶片具有一基板；將該第一LED晶片混合接合至該半導體晶片；移除該第一LED晶片之該基板；及將該第二LED晶片混合接合至該第一LED晶片。
以下揭露內容提供用於實施本揭露之不同特徵之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且不旨在限制。舉例而言，在下列描述中之一第一構件形成於一第二構件上方或上可包含其中該第一構件及該第二構件經形成直接接觸之實施例，且亦可包含其中額外構件可形成在該第一構件與該第二構件之間，使得該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複元件符號及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的，且本身不指示所論述之各項實施例及/或組態之間之一關係。
此外，為便於描述，可在本文中使用諸如「在…下面」、「在…下方」、「下」、「在…上方」、「上」及類似者之空間相對術語來描述一個元件或構件與另一(些)元件或構件之關係，如圖中繪示。空間相對術語旨在涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。設備可以其他方式經定向(旋轉90度或按其他定向)且本文中使用之空間相對描述符同樣可相應地解釋。
儘管闡述本揭露之廣範疇之數值範圍及參數係近似值，但儘可能精確地報告在具體實例中闡述之數值。然而，任何數值本質上含有必然由各自測試量測中發現之標準偏差所引起之某些誤差。又，如本文中使用，術語「約」通常意謂在一給定值或範圍之10%、5%、1%或0.5%內。替代地，術語「約」意謂在由一般技術者考量時在平均值之一可接受標準誤差內。除了在操作/工作實例中之外，或除非另外明確指定，否則全部數值範圍、量、值及百分比(諸如針對材料數量、持續時間、溫度、操作條件、量之比率及本文中揭示之其類似者之數值範圍、量、值及百分比)應理解為在全部例項中由術語「約」修飾。因此，除非相反地指示，否則本揭露及隨附發明申請專利範圍中闡述之數值參數係可視需要變動之近似值。至少，各數值參數應至少依據所報告有效數字之數目且藉由應用普通捨入技術而理解。可在本文中將範圍表達為自一個端點至另一端點或在兩個端點之間。除非另外指定，否則本文中揭示之全部範圍皆包含端點。
圖1係繪示根據本揭露之一例示性實施例之包含一CMOS (互補式金屬氧化物半導體)晶片103及接合在其上之一堆疊發光二極體(LED)結構101之一半導體結構100之一剖面圖之一圖式。半導體結構100包含如為了闡釋性目的在圖1中展示之LED單元101a、101b及101c之一陣列。在許多例項中，半導體結構100可包含三個以上LED單元。CMOS晶片103包含放置於其中之複數個主動裝置105。在一些實施例中，CMOS晶片103包含放置於一基板206上方之一互連結構212。在一些實施例中，互連結構212包含放置於一層間介電質(ILD)層203內之複數個金屬構件201。主動裝置105至少放置於基板206中。在一些實施例中，主動裝置105可包含控制電路以將流動通過LED單元101a、101b及101c之電流控制至一給定所需值。主動裝置105亦可包含其他邏輯電路。舉例而言，主動裝置105可包含具有一閘極結構202及源極/汲極區204之一電晶體裝置。
LED單元101a至101c之各者包含放置於一對應層內之一LED結構。特定言之，LED單元101a之LED結構放置於一第一LED層102中；LED單元101b之LED結構放置於第一LED層102上方之一第二LED層104中；LED單元101c之LED結構放置於第二LED層104上方之一第三LED層106中。例示性LED結構包含微LED (μLED)裝置。為了避免光散射及串擾，每兩個鄰近LED單元分離大於0之一距離D。以此方式，自一俯視圖，每兩個鄰近LED單元彼此不重疊。在許多例項中，距離D可大於1 μm。
在LED顯示器中，通常使用多個LED單元以形成一彩色影像像素。在一個實例中，具有類似或不同組合物、個別光學器件及控制件之單獨LED單元中之用於紅色、綠色及藍色之三個單獨光源被分組在一起或一起驅動以形成一個像素。在本揭露之一例示性實施例中，歸因於紅光LED單元程序之一基板可不同於藍光或綠光LED單元之一基板，最頂部第三LED層106係一紅光LED單元。將在後續段落中描述細節。在許多例項中，LED單元101a係一藍光LED單元；LED單元101b係一綠光LED單元；且LED單元101c係一紅光LED單元。然而，此非本揭露之一限制。在許多例項中，LED單元101a、101b及101c之色彩可係可互換的。
LED單元101a之LED結構包含具有各種磊晶層220a、230a及240a之一磊晶結構250a。磊晶結構250a經組態為一發光二極體且包含經組態以發射輻射之至少一n型摻雜半導體層及一p型摻雜半導體層。在一實例中，磊晶層包含放置於n型摻雜半導體層與p型摻雜半導體層之間之一單量子井(SQW)結構。SQW結構包含兩個不同半導體材料且可用於調諧LED之波長。替代地，一多量子井(MQW)結構插置於n型摻雜半導體層與p型摻雜半導體層之間。MQW結構包含在一堆疊中之複數個SQW。MQW結構保留SQW結構之優點且具有主動區之一更大體積，從而容許更高照明功率。在所描繪實施例中，磊晶層220a、230a及240a包含經組態以形成發射藍光、紫外(UV)光或兩者之基於GaN之LED之基於GaN之半導體材料。舉例而言，磊晶層240a係一p型摻雜GaN (p-GaN)層，磊晶層230a係放置於磊晶層240a上方之一MQW結構，磊晶層220a係放置於磊晶層230a上方之一n型摻雜GaN層(n-GaN層)。
磊晶層220a (n-GaN層)可包含摻雜有一n型摻雜物(諸如矽或氧)之氮化鎵層。在一實例中，一緩衝層(諸如一未摻雜GaN層或氮化鋁(AlN)層)可放置於磊晶層220a上方。磊晶層230a (MQW結構)可包含複數對半導體膜，諸如自約5對至約15對半導體膜。在一實例中，各對半導體膜包含氮化銦鎵(InGaN)膜及氮化鎵(GaN)膜(形成InGaN/GaN對)。InGaN/GaN膜可摻雜有一n型摻雜物。在另一實例中，各對半導體膜包含氮化鋁鎵(AlGaN)膜及氮化鎵膜(形成AlGaN/GaN對)。AlGaN/GaN膜可摻雜有一n型摻雜物。磊晶層240a (p-GaN層)可包含摻雜有一p型摻雜物(諸如鎂、鈣、鋅鈹、碳或其等之組合)之氮化鎵層。
如圖1中展示，LED單元101a之一寬度Wa實質上與磊晶層220a之一寬度相同。磊晶層230a具有實質上與磊晶層240a之一寬度相同且小於寬度Wa之一寬度。換言之，磊晶層220a之寬度實質上大於磊晶層230a及磊晶層240a之寬度。另外，磊晶層230a被定位成其側壁(包含一左側壁及一右側壁，如描繪)與磊晶層240a之側壁(包含一左側壁及一右側壁，如描繪)對準。磊晶層220a之一右側壁與磊晶層230a之右側壁及磊晶層240a之右側壁對準。磊晶層220a之一左側壁自磊晶層230a之左側壁及磊晶層240a之左側壁橫向突出。因而，磊晶層220a之一底表面之一部分被磊晶層230a覆蓋且磊晶層220a之底表面之一剩餘部分未被磊晶層230a覆蓋。
第一LED層102包含一介電材料109a (諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、環氧樹脂、聚醯亞胺，苯環丁烯(BCB)、聚苯并噁唑(PBO)、其他適合介電材料或其等之組合)，其密封且保護第一LED層102之各種構件(諸如磊晶結構250a)。介電材料109a之一頂表面實質上與磊晶層220a之一頂表面共面。介電材料109a之一底表面實質上與磊晶層240a之一底表面共面。第一LED層102可進一步包含介於介電材料109a與CMOS晶片103之間之一重佈層(RDL) 120a。RDL 120a提供電通道及機械支撐。在許多例項中，RDL 120a可包含導電結構285a、226a、227a、229a、231a及233a。在一些實施例中，導電結構285a、226a、227a、229a、231a及233a可由(例如)銅構成。導電結構285a、226a、227a、229a、231a與233a之間之間隙可由一介電材料107a (諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、環氧樹脂、聚醯亞胺，苯環丁烯(BCB)、聚苯并噁唑(PBO)、其他適合介電材料或其等之組合)填充。
導電結構226a可用於透過複數個金屬構件201之一頂部金屬層210將磊晶層240a耦合至CMOS晶片103中之主動裝置105。在許多例項中，導電結構226a之一頂端與磊晶層240a實體接觸；且導電結構226a之一底端與頂部金屬層210實體接觸。導電結構285a可用於透過複數個金屬構件201之頂部金屬層210將磊晶層220a耦合至CMOS晶片103中之主動裝置105。在許多例項中，導電結構285a穿過介電材料109a且導電結構285a之一頂端與磊晶層220a實體接觸；且導電結構285a之一底端與頂部金屬層210實體接觸。
第一LED層102可進一步包含在介電材料109a上方之一介電材料108a，諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、環氧樹脂、聚醯亞胺，苯環丁烯(BCB)、聚苯并噁唑(PBO)、其他適合介電材料或其等之組合。在例示性實施例中，介電材料108a覆蓋介電材料109a，且磊晶層220a未被介電材料108a覆蓋。舉例而言，介電材料108a未與磊晶層220a重疊。導電結構110a、111a、112a及113a穿過介電材料108a及介電材料109a，如圖1中為了闡釋性目的所展示。導電結構110a、111a、112a及113a可由(例如)銅構成且用於透過RDL 120a及複數個金屬構件201之頂部金屬層210將第二LED層104及/或第三LED層106耦合至CMOS晶片103中之主動裝置105。在許多例項中，導電結構110a、111a、112a及113a穿過介電材料109a及介電材料108a。導電結構110a、111a、112a及113a之各者之一頂端與第二層104實體接觸；且導電結構110a、111a、112a及113a之各者之一底端分別與RDL 120a中之導電結構227a、229a、231a及233a實體接觸。
LED單元101b之LED結構包含具有各種磊晶層220b、230b及240b之一磊晶結構250b。磊晶結構250b可實質上相同或類似於如上文描述之磊晶結構250a。然而，此非本揭露之一限制。如圖1中展示，LED單元101b之一寬度Wb實質上與磊晶層220b之一寬度相同。磊晶層230b具有實質上與磊晶層240b之一寬度相同且小於寬度Wb之一寬度。換言之，磊晶層220b之寬度實質上大於磊晶層230b及磊晶層240b之寬度。磊晶結構250b之細節可實質上相同或類似於磊晶結構250a。
第二LED層104包含一介電材料109b (諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、環氧樹脂、聚醯亞胺，苯環丁烯(BCB)、聚苯并噁唑(PBO)、其他適合介電材料或其等之組合)，其密封且保護第二LED層104之各種構件(諸如磊晶結構250b)。介電材料109b之一頂表面實質上與磊晶層220b之一頂表面共面。介電材料109b之一底表面實質上與磊晶層240b之一底表面共面。第二LED層104可進一步包含介於介電材料109b與第一LED層102之間之一重佈層(RDL) 120b。RDL 120b提供電通道及機械支撐。在許多例項中，RDL 120b可包含導電結構285b、226b、227b及229b。在一些實施例中，導電結構285b、226b、227b及229b可由(例如)銅構成。導電結構285b、226b、227b與229b之間之間隙可由一介電材料107b (諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、環氧樹脂、聚醯亞胺，苯環丁烯(BCB)、聚苯并噁唑(PBO)、其他適合介電材料或其等之組合)填充。
導電結構226b可用於透過第一LED層102之導電結構111a及229a將磊晶層240b耦合至CMOS晶片103中之主動裝置105。在許多例項中，導電結構226b之一頂端與磊晶層240b實體接觸；且導電結構226b之一底端與導電結構111a實體接觸。導電結構285b可用於透過第一LED層102之導電結構110a及227a將磊晶層220b耦合至CMOS晶片103中之主動裝置105。在許多例項中，導電結構285b穿過介電材料109b且導電結構285b之一頂端與磊晶層220b實體接觸；且導電結構285b之一底端與導電結構110a實體接觸。
第二LED層104可進一步包含在介電材料109b上方之一介電材料108b，諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、環氧樹脂、聚醯亞胺，苯環丁烯(BCB)、聚苯并噁唑(PBO)、其他適合介電材料或其等之組合。在例示性實施例中，介電材料108b覆蓋介電材料109b，且磊晶層220b未被介電材料108b覆蓋。舉例而言，介電材料108b未與磊晶層220b重疊。導電結構110b及111b穿過介電材料108b及介電材料109b，如圖1中為了闡釋性目的所展示。導電結構110b及111b可由(例如)銅構成且用於透過RDL 120a及複數個金屬構件201之頂部金屬層210將第三LED層106耦合至CMOS晶片103中之主動裝置105。在許多例項中，導電結構110b及111b穿過介電材料109b及介電材料108b。導電結構110b及111b之各者之一頂端與第三層106實體接觸；且導電結構110b及111b之各者之一底端分別與導電結構227b及229b實體接觸。
如圖1中展示，第二LED層104在第一LED層102上方且覆蓋第一LED層102之至少一部分。在一些實施例中，至少LED單元101a未被第二LED層104覆蓋。舉例而言，第二LED層104未與磊晶結構250a重疊。第二LED層104之一第一側壁115b可與磊晶結構250a之一右側壁對準。第二LED層104之一第二側壁116b可與磊晶結構250a之一左側壁對準。
LED單元101c之LED結構包含具有各種磊晶層220c、230c及240c之一磊晶結構250c。磊晶結構250c可實質上相同或類似於如上文描述之磊晶結構250a及250b。然而，此非本揭露之一限制。如圖1中展示，LED單元101c之一寬度Wc實質上與磊晶層220c之一寬度相同。磊晶層230c具有實質上與磊晶層240c之一寬度相同且小於寬度Wc之一寬度。換言之，磊晶層220c之寬度實質上大於磊晶層230c及磊晶層240c之寬度。磊晶結構250c之細節可實質上相同或類似於磊晶結構250a或250b。
第三LED層106包含一介電材料109c (諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、環氧樹脂、聚醯亞胺，苯環丁烯(BCB)、聚苯并噁唑(PBO)、其他適合介電材料或其等之組合)，其密封且保護第三LED層106之各種構件(諸如磊晶結構250c)。介電材料109c之一頂表面實質上與磊晶層220c之一頂表面共面。介電材料109c之一底表面實質上與磊晶層240c之一底表面共面。第三LED層106可進一步包含介於介電材料109c與第二LED層104之間之一重佈層(RDL) 120c。RDL 120c提供電通道及機械支撐。在許多例項中，RDL 120c可包含導電結構285c及226c。在一些實施例中，導電結構285c及226c可由(例如)銅構成。導電結構285c與226c之間之間隙可由一介電材料107c (諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、環氧樹脂、聚醯亞胺，苯環丁烯(BCB)、聚苯并噁唑(PBO)、其他適合介電材料或其等之組合)填充。
導電結構226c可用於透過第二LED層104之導電結構111b、229b以及第一LED層102之導電結構113a、233a將磊晶層240c耦合至CMOS晶片103中之主動裝置105。在許多例項中，導電結構226c之一頂端與磊晶層240c實體接觸；且導電結構226c之一底端與導電結構111b實體接觸。導電結構285c可用於透過第二LED層104之導電結構110b、227b以及第一LED層102之導電結構112a、231a將磊晶層220c耦合至CMOS晶片103中之主動裝置105。在許多例項中，導電結構285c穿過介電材料109c且導電結構285c之一頂端與磊晶層220c實體接觸；且導電結構285c之一底端與導電結構110b實體接觸。
如圖1中展示，第三LED層106在第二LED層104上方且覆蓋第二LED層104之至少一部分。在一些實施例中，至少LED單元101a及101b未被第三LED層106覆蓋。舉例而言，第三LED層106未與磊晶結構250a及250b重疊。第三LED層106之一第一側壁117c可與磊晶結構250b之一右側壁對準。第三LED層106之一第二側壁118c可與磊晶結構250b之一左側壁對準。第三LED層106之一第三側壁115c可與第二LED層104之第一側壁115b及磊晶結構250a之右側壁對準。第二LED層104之一第四側壁116c可與第二LED層104之第二側壁116b及磊晶結構250a之左側壁對準。
一透明填料110可放置於第一LED層102、第二LED層104及第三LED層106上方。透明填料110填充第一LED層102、第二LED層104與第三LED層106之間之間隙且覆蓋磊晶結構250a、250b及250c。透明填料110可係不實質上自激發源吸收光之聚合物或玻璃膜，或摻合有透明細粒子之透明聚合物膜。聚合物膜較佳由一高度透明聚合物或玻璃製成。適合透明聚合物之特定實例包含乙酸酯樹脂，例如，三乙醯纖維素(TAC)、聚酯樹脂、聚醚碸樹脂、聚碸樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚烯烴樹脂、聚丙烯酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚乙烯醇樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚偏二氯乙烯樹脂及聚丙烯酸樹脂以及其等之一組合。細粒子可由選自由以下者組成之群組之至少一種材料製成：矽石、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯、氧化錫、氧化銦、氧化鎘及氧化銻。
由於磊晶結構250a、250b及250c放置於不同深度處，故透明填料110之一頂表面與磊晶結構250a、250b及250c之間之一距離彼此不同。舉例而言，透明填料110之頂表面與第一LED層102中之磊晶結構250a之間之一距離L1大於透明填料110之頂表面與第二LED層104中之磊晶結構250b之間之一距離L2。距離L2大於透明填料110之頂表面與第三LED層106中之磊晶結構250c之間之一距離L3。取決於設計要求，半導體結構100可進一步包含其他構件及/或層。在許多例項中，含有複數個微透鏡之一微透鏡層可形成於透明填料110上方。取決於用於微透鏡之一材料之一折射率及距LED層之距離，微透鏡可以各種配置定位且具有各種形狀。
在一些實施例中，藉由一混合接合(包含一金屬間接合及一介電質間接合)將堆疊LED結構101及CMOS晶片103接合在一起。金屬間接合(例如，一擴散接合)可介於RDL 120a中之導電結構(包含導電結構285a、226a、227a、229a、231a、233a)與複數個金屬構件201之一頂部金屬層210之間。介電質間接合可介於介電材料107a與ILD層203之間使得介電材料107a及ILD層203彼此直接接觸。RDL 120a中之導電結構(包含導電結構285a、226a、227a、229a、231a、233a)及頂部金屬層210用作一對接墊且可包含重佈層(RDL)。在一些實施例中，介電質間接合係氧化物間接合。
為了達成良好接合品質，可需要滿足一些表面條件及性質。舉例而言，RDL 120a之一表面粗糙度可小於約10埃(＜ 1 nm)。在一些實施例中，金屬區域(包含RDL 120a中之導電結構285a、226a、227a、229a、231a、233a)中之凹陷及/或侵蝕之形貌可不大於約±50埃。在一些實施例中，RDL 120a無金屬氧化物。在一些實施例中，RDL 120a之一接合表面之水接觸角可小於約50度，即，RDL 120a之表面被視為親水的。在一些實施例中，RDL 120a中之導電結構(包含導電結構285a、226a、227a、229a、231a、233a)之間距可不大於約5 μm。在一些實施例中，RDL 120a中之導電結構(包含導電結構285a、226a、227a、229a、231a、233a)之線寬度可不大於約2.5 μm。在一些實施例中，導電結構之間距對導電結構之線寬度之一比率不大於約5:1。舉例而言，導電結構之間距對導電結構之線寬度之比率係約1:1。
在一些實施例中，第一LED層102、第二LED層104及第三LED層106亦可具有在周邊區中LED單元101a、101b及101c之陣列周圍之複數個主動裝置。舉例而言，上文提及之控制或邏輯電路之一部分或全部可放置於第一LED層102、第二LED層104或第三LED層106而非CMOS晶片103中。
圖2至圖11係繪示根據本揭露之一較佳實施例之處於製造之各個階段之半導體結構100之局部剖面圖之圖式。為了清楚起見已簡化圖2至圖12以更佳理解本揭露之發明概念。可在半導體結構100中添加額外構件，且可針對半導體結構100之額外實施例替換或消除下文描述之一些構件。參考圖2，提供CMOS晶片103。CMOS晶片103包含基板206。在基板206內形成主動裝置105。在各項實施例中，基板206可包含任何類型之半導體本體(例如，矽/CMOS塊體、SiGe、SOI等)，諸如一半導體晶圓或一晶圓上之一或多個晶粒，以及任何其他類型之半導體及/或形成於其上及/或以其他方式與其相關聯之磊晶層。在一些實施例中，主動裝置105可包含藉由以下者形成之電晶體：在基板206上方沉積閘極結構202且藉由植入或磊晶生長而形成源極/汲極區204。
在基板206上方形成互連結構212以形成CMOS晶片103。在一些實施例中，可藉由在基板206上方形成ILD層203 (其包含一或多個ILD材料層)而形成互連結構212。隨後蝕刻ILD層203以形成通孔及/或金屬溝槽。接著使用一導電材料填充通孔及/或金屬溝槽以形成複數個金屬構件201。在一些實施例中，可藉由一物理氣相沉積技術(例如，PVD、CVD等)沉積ILD層203。可使用一沉積程序及/或一鍍覆程序(例如，電鍍、無電式電鍍等)形成金屬構件201。在各項實施例中，複數個金屬構件201可由(例如)鎢、銅或鋁銅構成。在一些實施例中，複數個金屬構件201之頂部金屬層210具有與ILD層203之一上表面對準之一上表面。
如圖3中展示，將一第一LED晶片302接合至CMOS晶片103。第一LED晶片302包含形成於一基板304上之磊晶結構250a。在一例示性實施例中，磊晶結構250a經組態為一藍色發光二極體。然而，此非本揭露之一限制。當磊晶結構250a經組態為一藍色發光二極體時，基板304可係一結晶基板，具體言之一藍寶石基板。替代地，基板304包含碳化矽(SiC)或適用於LED應用之其他基板材料或其等之組合。
在一些實施例中，接合程序可形成一混合接合，該混合接合包含一金屬間接合及一介電質間接合。頂部金屬層210及導電結構285a、226a、227a、229a、231a及233a可直接接合在一起。介電材料107a及ILD層203可彼此毗連以定義混合接合之一介電質間接合。在一些實施例中，介電質間接合係氧化物間接合。在一些其他實施例中，接合程序可使用配置於介電材料107a與ILD層203之間之一中間接合氧化物層(未展示)。
在許多例項中，可在CMOS晶片103之一接合表面及第一LED晶片302之一接合表面上實行一表面處理/活化。在表面處理中，可在接合表面上執行一乾式方法或一濕式方法。乾式方法可包含採用溫和電漿，諸如反應性離子蝕刻(RIE)、感應耦合電漿(ICP)、電容耦合電漿(CCP)、類似者或其等之一組合。濕式方法可包含採用用於清洗浴之RCA1或RCA2溶液。RCA1溶液可係含有氫氧化銨(NH4 OH)、去離子水(HDIW)及過氧化氫(H2 O2 )之一混合物。可將RCA1溶液加熱至約40°C至70°C以自晶圓之表面移除有機粒子。RCA2溶液可係含有鹽酸(HCl)、熱去離子水(HDIW)及過氧化氫(H2 O2 )之一混合物。可將RCA2溶液加熱至約40°C至80°C以自晶圓之表面移除金屬雜質及粒子。隨後，接合表面變得親水，且介電材料107a之曝光表面及ILD層203被活化。
接著，為了自接合表面移除金屬氧化物(例如，氧化銅)、化學品、粒子或其他非所要材料，對封裝組件執行一表面清洗步驟。可針對金屬氧化物移除執行一濕式蝕刻處理。在一項實施例中，本文中描述之例示性實施例及方法論中利用之表面清洗步驟可包含(例如)在合成氣體(例如，4% H2 /N2 、4% H2 /He、4% H2 /Ar、純H2 等)、合成酸(例如，HCO2 H)、HCl、檸檬酸、電漿(例如，H2 )下之一熱處理、PCII (例如，Ar濺鍍)或在H2 環境程序下之UV擦除。在混合接合期間，施加一按壓力以使CMOS晶片103及第一LED晶片302彼此抵壓。按壓力可低於約1千牛頓，其可施加至CMOS晶片103及第一LED晶片302之中心。混合接合可在低於約50°C之一溫度下執行。
作為一實例，可在接合之後在約100°C至500°C之一溫度下執行一退火程序。舉例而言，在一實施例中，頂部金屬層210及導電結構285a、226a、227a、229a、231a及233a之Cu之粒徑大小在退火程序之後可係約0.1 μm至5 μm，其中接合強度大於約0.5 J/m2 。可在N2 環境、Ar環境、He環境、(約4%至10% H2 )/(約90%至96%惰性氣體或N2 )環境、惰性混合氣體環境、其等之組合或其他類型之環境中執行混合接合程序。
參考圖4，可對基板304執行一雷射剝離(LLO)以移除基板304。在一些實施例中，可首先藉由薄化基板304之一後表面304a而移除基板304之一部分。換言之，可在一個操作或若干操作中完成基板304之移除。在許多例項中，可藉由乾式或濕式蝕刻、磨光、研磨、CMP (化學機械拋光)或其等之組合移除基板304。
參考圖5，在介電材料109a上形成介電材料108a。隨後蝕刻介電材料108a及109a以形成通孔110a'、111a'、112a'及113a'。接著使用一導電材料(諸如銅)填充通孔以形成穿過介電材料108a及介電材料109a之導電結構110a、111a、112a及113a，如圖6中展示。
如圖7中展示，將一第二LED晶片702接合至第一LED晶片302之第一LED層102。第二LED晶片702包含形成於一基板704上之磊晶結構250b。在一例示性實施例中，磊晶結構250b經組態為一綠色發光二極體。然而，此非本揭露之一限制。當磊晶結構250b經組態為一綠色發光二極體時，基板704可係一結晶基板，具體言之一藍寶石基板。替代地，基板704包含磷化鎵(GaP)或適用於LED應用之其他基板材料或其等之組合。接合程序可實質上相同或類似於第一LED晶片302及CMOS晶片103之接合程序。因此，此處為了簡潔省略細節。
參考圖8，可透過實質上相同或類似於基板304之移除之一程序移除基板704。在介電材料109b上形成介電材料108b。隨後蝕刻介電材料108b及109b以形成通孔，且接著使用一導電材料(諸如銅)填充通孔以形成穿過介電材料108b及介電材料109b之導電結構110b及111b。
如圖9中展示，將一第三LED晶片902接合至第二LED晶片702之第二LED層104。第三LED晶片902包含形成於一基板904上之磊晶結構250c。在一例示性實施例中，磊晶結構250c經組態為一紅色發光二極體。然而，此非本揭露之一限制。當磊晶結構250c經組態為一紅色發光二極體時，基板904可係砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)或適用於LED應用之其他基板材料或其等之組合。接合程序可實質上相同或類似於第一LED晶片302及CMOS晶片103之接合程序以及第二LED晶片702及第一LED層102之接合程序。因此，此處為了簡潔省略細節。
參考圖10，可透過實質上相同或類似於基板304及基板704之移除之一程序移除基板904。如圖11中展示，可透過一乾式或濕式蝕刻移除介電材料108a、第二LED層104及第三LED層106之一部分以至少完全曝光磊晶層220a及220b之頂表面。再次參考圖1，施覆透明填料110以覆蓋第一LED層102、第二LED層104及第三LED層106。透明填料110填充第一LED層102、第二LED層104與第三LED層106之間之間隙且包圍磊晶層220a、220b及220c。可在透明填料110上方進一步形成微透鏡。在一些實施例中，可藉由在透明填料110上方(例如，藉由一旋塗方法或一沉積程序)沉積一微透鏡材料而形成微透鏡。
本揭露之一些實施例提供一種半導體結構。該半導體結構包含：一第一發光二極體(LED)層，其包含一第一色彩類型之一第一LED，該第一LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；一第二LED層，其在該第一LED層上方，該第二LED層包含一第二色彩類型之一第二LED，且該第二LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；一第三LED層，其在該第二LED層上方，該第三LED層包含一第三色彩類型之一第三LED，且該第三LED層具有一第一側及與該第一側相對之一第二側；及一透明填料，其在該第一LED層、該第二LED層及該第三LED層上方，其中該透明填料之一頂表面與該第一LED層之該第二側之間之一距離大於該透明填料之該頂表面與該第二LED層之該第二側之間之一距離，且該透明填料之該頂表面與該第二LED層之該第二側之間之該距離大於該透明填料之該頂表面與該第三LED層之該第二側之間之一距離；其中該第一色彩類型、該第二色彩類型及該第三色彩類型彼此不同，且該第一LED、該第二LED及該第三LED彼此橫向隔開，使得自一俯視圖，該第一LED、該第二LED及該第三LED彼此不重疊。
本揭露之一些實施例提供一種半導體結構。該半導體結構包含：一半導體晶片，其包含：一基板；及一互連結構，其在該基板上方；及一堆疊發光二極體(LED)結構，其在該半導體晶片上方，該堆疊LED結構包含：一第一LED層，其包含：一第一重佈層(RDL)層，其包含具有金屬區及介電區之一混合接合介面；一第一LED層，其在該第一RDL層上方；及一第一介電層，其在該第一LED層上方；及一第二LED層，其在該第一LED層上方，該第二LED層包含：一第二RDL層；一第二LED層，其在該第二RDL層上方；及一第二介電層，其在該第二LED層上方；其中該半導體晶片接合至該堆疊LED結構之該混合接合介面。
本揭露之一些實施例提供一種製造一半導體結構之方法。該方法包含：接納一半導體晶片、一第一LED晶片及一第二LED晶片，其中該第一LED晶片具有一基板；將該第一LED晶片混合接合至該半導體晶片；移除該第一LED晶片之該基板；及將該第二LED晶片混合接合至該第一LED晶片。
上文概述若干實施例之特徵，使得熟習此項技術者可較佳理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應瞭解，其等可容易使用本揭露作為用於設計或修改用於實行相同目的及/或達成本文中介紹之實施例之相同優點之其他程序及結構之一基礎。熟習此項技術者亦應意識到此等等效構造不脫離本揭露之精神及範疇且其等可在本文中做出各種改變、替代及更改而不脫離本揭露之精神及範疇。
100‧‧‧半導體結構 101‧‧‧堆疊發光二極體(LED)結構 101a‧‧‧發光二極體(LED)單元 101b‧‧‧發光二極體(LED)單元 101c‧‧‧發光二極體(LED)單元 102‧‧‧第一發光二極體(LED)層 103‧‧‧互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶片 104‧‧‧第二發光二極體(LED)層 105‧‧‧主動裝置 106‧‧‧第三發光二極體(LED)層 107a‧‧‧介電材料 107b‧‧‧介電材料 107c‧‧‧介電材料 108a‧‧‧介電材料 108b‧‧‧介電材料 109a‧‧‧介電材料 109b‧‧‧介電材料 109c‧‧‧介電材料 110‧‧‧透明填料 110a‧‧‧導電結構 110a'‧‧‧通孔 110b‧‧‧導電結構 111a‧‧‧導電結構 111a'‧‧‧通孔 111b‧‧‧導電結構 112a‧‧‧導電結構 112a'‧‧‧通孔 113a‧‧‧導電結構 113a'‧‧‧通孔 115b‧‧‧第一側壁 115c‧‧‧第三側壁 116b‧‧‧第二側壁 116c‧‧‧第四側壁 117c‧‧‧第一側壁 118c‧‧‧第二側壁 120a‧‧‧重佈層(RDL) 120b‧‧‧重佈層(RDL) 120c‧‧‧重佈層(RDL) 201‧‧‧金屬構件 202‧‧‧閘極結構 203‧‧‧層間介電質(ILD)層 204‧‧‧源極/汲極區 206‧‧‧基板 210‧‧‧頂部金屬層 212‧‧‧互連結構 220a‧‧‧磊晶層 220b‧‧‧磊晶層 220c‧‧‧磊晶層 226a‧‧‧導電結構 226b‧‧‧導電結構 226c‧‧‧導電結構 227a‧‧‧導電結構 227b‧‧‧導電結構 229a‧‧‧導電結構 229b‧‧‧導電結構 230a‧‧‧磊晶層 230b‧‧‧磊晶層 230c‧‧‧磊晶層 231a‧‧‧導電結構 233a‧‧‧導電結構 240a‧‧‧磊晶層 240b‧‧‧磊晶層 240c‧‧‧磊晶層 250a‧‧‧磊晶結構 250b‧‧‧磊晶結構 250c‧‧‧磊晶結構 285a‧‧‧導電結構 285b‧‧‧導電結構 285c‧‧‧導電結構 302‧‧‧第一發光二極體(LED)晶片 304‧‧‧基板 304a‧‧‧後表面 702‧‧‧第二發光二極體(LED)晶片 704‧‧‧基板 902‧‧‧第三發光二極體(LED)晶片 904‧‧‧基板 D‧‧‧距離 L1‧‧‧距離 L2‧‧‧距離 L3‧‧‧距離 Wa‧‧‧寬度 Wb‧‧‧寬度 Wc‧‧‧寬度
當結合附圖閱讀時自以下詳細描述最佳理解本揭露之態樣。應注意，根據業界中之標準實踐，各種構件未按比例繪製。事實上，為了清楚論述起見，可任意增大或減小各種構件之尺寸。
圖1係繪示根據本揭露之一例示性實施例之包含一CMOS (互補式金屬氧化物半導體)晶片及接合在其上之一堆疊發光二極體(LED)結構之一半導體結構之一剖面圖之一圖式；
圖2至圖11係繪示根據本揭露之一較佳實施例之處於製造之各個階段之半導體結構之局部剖面圖之圖式。
100‧‧‧半導體結構
101‧‧‧堆疊發光二極體(LED)結構
101a‧‧‧發光二極體(LED)單元
101b‧‧‧發光二極體(LED)單元
101c‧‧‧發光二極體(LED)單元
102‧‧‧第一發光二極體(LED)層
103‧‧‧互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶片
104‧‧‧第二發光二極體(LED)層
105‧‧‧主動裝置
106‧‧‧第三發光二極體(LED)層
107a‧‧‧介電材料
107b‧‧‧介電材料
107c‧‧‧介電材料
108a‧‧‧介電材料
108b‧‧‧介電材料
109a‧‧‧介電材料
109b‧‧‧介電材料
109c‧‧‧介電材料
110‧‧‧透明填料
110a‧‧‧導電結構
110b‧‧‧導電結構
111a‧‧‧導電結構
111b‧‧‧導電結構
112a‧‧‧導電結構
113a‧‧‧導電結構
115b‧‧‧第一側壁
115c‧‧‧第三側壁
116b‧‧‧第二側壁
116c‧‧‧第四側壁
117c‧‧‧第一側壁
118c‧‧‧第二側壁
120a‧‧‧重佈層(RDL)
120b‧‧‧重佈層(RDL)
120c‧‧‧重佈層(RDL)
201‧‧‧金屬構件
202‧‧‧閘極結構
203‧‧‧層間介電質(ILD)層
204‧‧‧源極/汲極區
206‧‧‧基板
210‧‧‧頂部金屬層
212‧‧‧互連結構
220a‧‧‧磊晶層
220b‧‧‧磊晶層
220c‧‧‧磊晶層
226a‧‧‧導電結構
226b‧‧‧導電結構
226c‧‧‧導電結構
227a‧‧‧導電結構
227b‧‧‧導電結構
229a‧‧‧導電結構
229b‧‧‧導電結構
230a‧‧‧磊晶層
230b‧‧‧磊晶層
230c‧‧‧磊晶層
231a‧‧‧導電結構
233a‧‧‧導電結構
240a‧‧‧磊晶層
240b‧‧‧磊晶層
240c‧‧‧磊晶層
250a‧‧‧磊晶結構
250b‧‧‧磊晶結構
250c‧‧‧磊晶結構
285a‧‧‧導電結構
285b‧‧‧導電結構
285c‧‧‧導電結構
D‧‧‧距離
L1‧‧‧距離
L2‧‧‧距離
L3‧‧‧距離
Wa‧‧‧寬度
Wb‧‧‧寬度
Wc‧‧‧寬度

Claims (9)

  1. 一種半導體結構，其包括：一第一發光二極體(LED)層，其包含一第一色彩類型之一第一LED，該第一LED層具有一底側及與該底側相對之一頂側；一第二LED層，其在該第一LED層上方，該第二LED層包含一第二色彩類型之一第二LED，且該第二LED層具有一底側及與該底側相對之一頂側，其中該第二LED層的該底側接觸該第一LED層的該頂側；一第三LED層，其在該第二LED層上方，該第三LED層包含一第三色彩類型之一第三LED，且該第三LED層具有一底側及與該底側相對之一頂側，其中該第三LED層的該底側接觸該第二LED層的該頂側；及一透明填料，其在該第一LED層、該第二LED層及該第三LED層上方，其中該透明填料之一頂表面與該第一LED層之該頂側之間之一距離大於該透明填料之該頂表面與該第二LED層之該頂側之間之一距離，且該透明填料之該頂表面與該第二LED層之該頂側之間之該距離大於該透明填料之該頂表面與該第三LED層之該頂側之間之一距離；其中該第一色彩類型、該第二色彩類型及該第三色彩類型彼此不同，且該第一LED、該第二LED及該第三LED彼此橫向隔開，使得自一俯視圖，該第一LED、該第二LED及該第三LED彼此不重疊。
  2. 如請求項1之半導體結構，其中該第一LED層進一步包含在該第一LED層之該底側處之一第一重複層(RDL)，該第二LED層進一步包含在該第二LED層之該底側處之一第二RDL，且該第三LED層進一步包含在該第 三LED層之該底側處之一第三RDL，以及該半導體結構進一步包括接合至該第一LED層之該底側之一半導體晶片，其中該第一RDL包含導電結構，且該等導電結構之一間距對該等導電結構之一線寬度之一比率不大於約5：1，以及該第一色彩類型係藍色，該第二色彩類型係綠色且該第三色彩類型係紅色。
  3. 如請求項2之半導體結構，其中該第二LED層接合至該第一LED層之該頂側，該第三LED層接合至該第二LED層之該頂側，該第一LED透過該第一RDL耦合至該半導體晶片，該第二LED透過該第二RDL及該第一LED層耦合至該半導體晶片且該第三LED透過該第三RDL、該第二LED層及該第一LED層耦合至該半導體晶片。
  4. 一種半導體結構，其包括：一半導體晶片，其包含：一基板；及一互連結構，其在該基板上方；及一堆疊發光二極體(LED)結構，其在該半導體晶片上方，該堆疊LED結構包含：一第一LED層，其包含：一第一重佈層(RDL)層，其包含具有金屬區及介電區之一混合接合介面；一第一LED層，其在該第一RDL層上方；及一第一介電層，其在該第一LED層上方；及 一第二LED層，其在該第一LED層上方，該第二LED層包含：一第二RDL層；一第二LED層，其在該第二RDL層上方；及一第二介電層，其在該第二LED層上方；其中該半導體晶片接合至該堆疊LED結構之該混合接合介面。
  5. 如請求項4之半導體結構，其中該互連結構接合至該第一LED層之該第一RDL層，以及該等金屬區之一間距對該等金屬區之一線寬度之一比率不大於約5：1，且該第一LED層包含：一介電材料；及一第一色彩類型之一第一磊晶LED結構，其由該第一LED層之該介電材料橫向包圍；且該第二LED層包含：一介電材料；及一第二色彩類型之一第二磊晶LED結構，其由該第二LED層之該介電材料橫向包圍；其中該第一色彩類型不同於該第二色彩類型；以及其中該第一磊晶LED結構透過該第一RDL層耦合至該半導體晶片。
  6. 如請求項5之半導體結構，其中該第一LED層進一步包含穿過該第一介電層及該第一LED層之該介電材料之一導電結構，以及該第二LED層之該第二RDL層接合至該第一LED層，且該第二磊晶LED結構透過該第二 RDL層及該導電結構耦合至該半導體晶片，以及其中該第一磊晶LED結構與該第二磊晶LED結構橫向隔開達大於0之一寬度，且自一俯視圖，該第一磊晶LED結構未與該第二磊晶LED結構重疊。
  7. 如請求項5之半導體結構，其進一步包括在該第一LED層及該第二LED層上方之一透明層，且該透明層之一頂表面與該第一磊晶LED結構之間之一第一距離大於該透明層之該頂表面與該第二磊晶LED結構之間之一第二距離，以及其中該第一磊晶LED結構未被該第二LED層覆蓋。
  8. 一種製造一半導體結構之方法，其包括：接納一半導體晶片、一第一LED晶片及一第二LED晶片，其中該第一LED晶片具有一基板；將該第一LED晶片混合接合至該半導體晶片；移除該第一LED晶片之該基板；及將該第二LED晶片混合接合至該第一LED晶片。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包括：在該第一LED晶片中形成一導電結構；且該將該第二LED晶片混合接合至該第一LED晶片包括：透過該導電結構將該第二LED晶片耦合至該半導體晶片。
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