專利名稱：一種低應(yīng)力led倒裝功率芯片及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，以及該倒裝功率芯片的制備方 法，屬于半導(dǎo)體器件及其制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體照明是近百年來照明技術(shù)的真正革命。由于半導(dǎo)體材料將電能直接轉(zhuǎn) 化為光，所以半導(dǎo)體照明具有與傳統(tǒng)照明光源最大的不同在于它的光線不會產(chǎn)生 熱量。為了適應(yīng)通用照明的需求，半導(dǎo)體照明光源、大功率LED迫切需要解決 發(fā)光效率低、散熱能力差和芯片內(nèi)各功能層間的應(yīng)力問題。
目前，傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底GaN大功率芯片，電極位于芯片的出光面上。約 30%的光被P電極吸收，且由于P-GaN層的有限的電導(dǎo)率，要求在P-GaN層表 面再沉淀一層電流擴(kuò)散的金屬層。這個(gè)電流擴(kuò)散層會遮住一部分光，從而降低芯 片的出光效率。因此這種P型接觸結(jié)構(gòu)制約了 LED芯片的工作功率。同時(shí)這種 結(jié)構(gòu)pn結(jié)的熱量通過藍(lán)寶石襯底導(dǎo)出去，導(dǎo)熱路徑較長。由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)系 數(shù)較金屬低G5W/m，K)，因此，這種結(jié)構(gòu)的LED芯片熱阻會較大。此外，這 種結(jié)構(gòu)的P電極和引線也會擋住部分光線進(jìn)入器件封裝，且正裝結(jié)構(gòu)上面通常涂 上一層環(huán)氧樹脂，而環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱能力很差，造成散熱難的問題，影響器件的性 能參數(shù)和可靠性。所以，這種正裝LED芯片從器件結(jié)構(gòu)本身對器件功率、出光 效率和熱性能等方面均構(gòu)成較大影響。為了克服正裝芯片的這些不足，美國 Lumileds公司發(fā)明了倒裝芯片。氮化鎵基LED芯片倒扣在硅芯片上，硅芯片上 有兩個(gè)打線焊盤，封裝時(shí)打金線與外界電源相接。倒扣焊接技術(shù)工藝包括運(yùn)用種 球機(jī)，選用合適尺寸的金線和適當(dāng)?shù)姆N球溫度，控制Wire-Bond球(超聲金絲球) 的尺寸，接著利用Die-Bond (倒裝焊接)機(jī)超聲波進(jìn)行焊接。電極上焊接的數(shù) 個(gè)BUMP (金球)與硅襯底上對應(yīng)的BUMP通過共晶焊接在一起，硅襯底通過 粘接材料與器件內(nèi)部熱沉粘接在一起，光從藍(lán)寶石襯底取出。相對于正裝結(jié)構(gòu)， 這種倒裝結(jié)構(gòu)具有電、光、熱等方面較優(yōu)的特性。
但上述倒裝芯片結(jié)構(gòu)中，硅襯底的粘接材料在影響器件熱導(dǎo)特性因素中是一 個(gè)比較重要的因素，如果處理不好，將使得LED的熱阻及應(yīng)力過大，導(dǎo)致在額 定工作條件下器件的結(jié)溫過高，外延片與導(dǎo)熱襯底間應(yīng)力過大而出現(xiàn)裂開現(xiàn)象， 導(dǎo)致器件的出光效率下降、可靠性降低。因此倒裝芯片制作過程中如何控制和優(yōu)
化P-N電極外延片與襯底的接觸面積和接觸電阻，改善芯片穩(wěn)定、應(yīng)力、散熱 等問題，提高倒裝芯片的質(zhì)量和成品率，是器件加工工藝中面臨的幾個(gè)主要難題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)熱低，可靠性高，穩(wěn)定性高的低應(yīng)力LED倒 裝功率芯片。
本發(fā)明的另一目的在于一種工藝簡單、成本較低、成品率高的低應(yīng)力LED 倒裝功率芯片的制備方法。
本發(fā)明提供的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片主要包括制作有P-N電極的外延 片、制作有反射層的硅襯底和填充層，其特征在于在制作有P-N電極的外延片 和制作有反射層的硅襯底之間的填充層為合金填充層，通過合金填充層倒裝焊 接、鍵合功率LED倒裝芯片；而且合金為Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn或者In—種以
上的組合。
本發(fā)明提供的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，其特征在于制作有P-N電極的外 延片和制作有反射層的硅襯底鍵合時(shí)，兩者之間的距離為2—10pm;制作有P-N 電極的外延片和制作有反射層的硅襯底的接觸面積的百分比為50% 80%。
本發(fā)明提供的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，其特征在于制作有P-N電極的外 延片包括藍(lán)寶石襯底，在藍(lán)寶石襯底上形成的N-GaN層,在N-GaN層上形成的 發(fā)光層，在發(fā)光層上形成的P-GaN層，在P-GaN層表面淀積形成的有利于電流 擴(kuò)散的金屬層即透明導(dǎo)電層，由P-GaN層和N-GaN層分別引出的P-N電極，在 P-N電極之間生長的鈍化層。
本發(fā)明提供的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，其特征在于制作有反射層的硅襯 底為在半導(dǎo)體硅襯底上形成的電學(xué)隔離層，在該電學(xué)隔離層上有金屬反射層。
本發(fā)明提供的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片的制備方法，其特征在于包括如下 步驟
第一步，制作帶P-N電極的外延片，包括如下步驟在藍(lán)寶石襯底上采用
耦合離子刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備利用氯離子及氬離子進(jìn)行干法刻蝕，刻蝕
P-GaN層和發(fā)光層至N-GaN層暴露為止，形成P-GaN層和發(fā)光層，，刻蝕時(shí)用光 刻膠或Si02作掩膜；在P-GaN層的表面采用真空電子束蒸發(fā)形成一層有利于電 流擴(kuò)散的金屬層即透明導(dǎo)電層；由P-GaN層和N-GaN層采用磁控濺射或電子束 蒸發(fā)分別形成引出的P-N電極；在P-N電極之間采用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積 生長一層70nm-120nm的&02鈍化層；
第二步，制作帶有反射層的硅襯底，包括如下步驟..在本征半導(dǎo)體硅襯底上 利用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積淀積一層P-N電極的電學(xué)隔離層，該電學(xué)隔離層 為Si02或Si3N4絕緣層，厚度為50nm-100nm，然后用磁控濺射或電子束蒸發(fā)一
層厚度為200nm-300nm的金屬反射層，該金屬反射層采用鈦鋁或鈦銀；
第三步，將制作好的P-N電極外延片分割成1000pmX1000Kim的器件，將 制作好的帶反射層的硅襯底分割成1400pmX 1200pm的器件，將兩者通過填充 合金純加熱法鍵合進(jìn)行倒裝焊接在一起。
由于倒裝焊接、鍵合時(shí)，采用具有高導(dǎo)熱系數(shù)的純金和Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn、 In等組合化合物合金作為填充材料，可通過純加熱法實(shí)現(xiàn)倒裝焊接，減小 P、 N—GaN層與硅襯底間的距離，P-GaN層與硅襯底反射層之間的距離被控制 在2 10|am的小間距，增加制作有P-N電極的外延片和帶有反射層的導(dǎo)熱襯底 的接觸面積，該接觸面積的百分比被控制在50% 80%，降低了芯片的熱阻及應(yīng) 力，高導(dǎo)熱性能和低電阻使得LED芯片節(jié)的熱量可以較快地傳導(dǎo)和散發(fā)出去， 從而改善了倒裝芯片的應(yīng)力和穩(wěn)定性問題，提高了大功率LED倒裝芯片的散熱 能力、穩(wěn)定性、成品率。因此，采用本發(fā)明的方法可以降低大功LED倒裝芯片 的應(yīng)力和熱阻，同時(shí)優(yōu)化了芯片散熱和穩(wěn)定、可靠性，提高了芯片的成品率。
總之，本發(fā)明提供的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，它改善倒裝芯片的應(yīng)力問 題，并降芯片的熱阻，可有效提高大功率LED倒裝芯片的散熱能力、穩(wěn)定性、 成品率。本發(fā)明通過在P-N電極外延片和硅襯底之間通過純加熱法填充純金和 其它合金進(jìn)行倒裝焊接、鍵合功率LED倒裝芯片，十分有效地提高了大功率LED 倒裝芯片的散熱能力、可靠性和成品率，降倒裝芯片的應(yīng)力和熱阻，從而極大地 提高了芯片的質(zhì)量和器件的性能。本發(fā)明是制作大功率LED倒裝芯片和提高器 件質(zhì)量和性能的十分有效的工藝方法
圖1是襯底上填充材料接觸面積(Padarea)與倒裝芯片成品率的關(guān)系曲線圖。 圖2是襯底上填充材料接觸面積(Padarea)與倒裝芯片電壓關(guān)系曲線圖； 圖3是襯底上填充材料為鉛錫合金時(shí)，接觸面積(Pad area)與其熱阻的關(guān)
系曲線圖。圖中t為填充材料的厚度；
圖4是襯底上填充材料為金屬純金時(shí)，接觸面積(Padarea)與其熱阻的關(guān)
系曲線圖。圖中t為填充材料的厚度。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，由制作有P-N電極的外延片、制作有反 射層的硅襯底和合金填充層組成。
對于一般的倒裝芯片，倒扣焊接是通過運(yùn)用種球機(jī)，選用合適尺寸的金線和 適當(dāng)?shù)姆N球溫度，控制Wire-Bond球(超聲金絲球)的尺寸，接著利用Die-Bond (倒裝焊接)機(jī)超聲波進(jìn)行焊接。電極上焊接的數(shù)個(gè)BUMP (金球)與硅襯底上
對應(yīng)的BUMP通過共晶焊接在一起。焊接工藝復(fù)雜，金球與P、 N—GaN層及硅 襯底的接觸面積有限且難以控制，P、 N—GaN層與硅襯底間的距離較大。如果 處理不好，容易使LED的熱阻及應(yīng)力過大。
對于本發(fā)明低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，由于倒裝焊接、鍵合時(shí)，采用具有 高導(dǎo)熱系數(shù)的純金和Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn、 In等組合化合物合金作為填充材 料，可通過純加熱法實(shí)現(xiàn)倒裝焊接，減小P、N—GaN層與硅襯底間的距離，P-GaN 層與硅襯底反射層之間的距離被控制在2 10pm的小間距，增加P-N電極外延 片和帶有反射層的硅襯底的接觸面積，該接觸面積的百分比被控制在50% 80%，降低了芯片的熱阻，高導(dǎo)熱性能和低電阻使得LED芯片節(jié)的熱量可以較 快地傳導(dǎo)和散發(fā)出去，從而改善了倒裝芯片的應(yīng)力和穩(wěn)定性問題，提高了大功率 LED倒裝芯片的散熱能力、穩(wěn)定性、成品率。
下面結(jié)合一個(gè)具體實(shí)施例對本發(fā)明所述的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片制作工 藝方法進(jìn)行說明
實(shí)施例1:
為制備上述低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，本發(fā)明的制備方法，包括以下步驟 首先，運(yùn)用MOCVD (金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積)設(shè)備外延生長GaN基大功 率LED結(jié)構(gòu)外延片，襯底為藍(lán)寶石(A1302)。然后刻蝕N面臺階和芯片尺寸的 劃道，露出N-GaN臺面，以便作N電極及焊墊。N型臺面用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備 R正刻蝕，反應(yīng)氣體為C1: Ar=10: 3。采用ICP (耦合離子刻蝕)或RIE (反應(yīng) 離子刻蝕)設(shè)備利用氯離子及氬離子進(jìn)行干法刻蝕，形成的P-GaN層和發(fā)光層， 并使P-GaN層和發(fā)光層與其下面的N-GaN層形成電接觸，刻蝕時(shí)用光刻膠或
Si02作掩膜。
其次，在P-GaN層上蒸鍍一層厚度為200nm-300nm的透明導(dǎo)電薄膜ITO， 作為透明導(dǎo)電層。由P-GaN層和N-GaN層采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)分別蒸鍍 形成以Ni/Au的金屬組合(鎳/金)為金屬組合的P-N電極和焊墊。電極尺寸為 90nm 12(Vm (當(dāng)P-N電極外延片尺寸為lOOOprnX 1000pm時(shí))。在P-N電極 之間采用PECVD (等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積)生長一層80nm的SiO2鈍化層。 然后用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)設(shè)備將藍(lán)寶石由350nm 450nm減薄至90nm 150pm。在2英寸本征半導(dǎo)體硅襯底上利用PECVD (等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積)
淀積一層P-N電極的電學(xué)隔離層，該電學(xué)隔離層為Si02或Si3N4絕緣層，厚度為
50nm-100nm，然后用磁控濺射或電子束蒸發(fā)一層厚度為200nm-300nm的金屬反 射層，該金屬反射層采用TiAl (鈦鋁)或TiAg (鈦銀)。
最后，將制作好的帶有P-N電極的外延片分割成lOOOpmXlOOOjLim的器件， 將制作好的帶反射層的硅襯底用切割機(jī)分割成1400|imX1200|am的器件。將作 好電極的P-N電極外延片用激光劃片機(jī)分割成1000pmX100(^m的器件。將兩
者通過填充純金和其它合金以純加熱法鍵合進(jìn)行倒裝焊接在一起。 實(shí)施例2:
調(diào)節(jié)制作有P-N電極的外延片與硅襯底的接觸面積(Pad area)，降低芯片的應(yīng) 力，優(yōu)化芯片成品率。所述將LED晶片與硅襯底焊接在一起的工藝參數(shù)如下
P-N電極外延片與襯底的接觸面積(Pad area)百分比控制在50% 80%。 在接觸面積百分比越小，芯片的成品率越高。當(dāng)接觸面積百分比從10%增加到 90%時(shí)，芯片的成品率從70%降到20%。芯片穩(wěn)定性測試條件電流為350 mA， 時(shí)間為 1000hrs。接觸面積小時(shí)，芯片穩(wěn)定性能好。當(dāng)P-N電極外延片與襯底 部分接觸時(shí)，芯片應(yīng)力小且性能穩(wěn)定，但散熱性差。當(dāng)P-N電極外延片與襯底 全接觸時(shí)，芯片散熱性好，但應(yīng)力小，穩(wěn)定性差。
實(shí)施例3:
調(diào)節(jié)填充材料的種類和厚度,優(yōu)化芯片熱阻。
倒裝焊接填充材料為純金和Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn、 In等組合化合物，P-GaN 層與硅襯底反射層之間填充材料的厚度為2)am l(Hmi。在不同厚度填充情況下， 接觸面積(Pad area)與其熱阻的關(guān)系在填充材料種類和厚度不變時(shí)，接觸面 積大時(shí)，熱阻??；在填充材料種類和接觸面積不變時(shí)，填充材料厚度大時(shí)，熱阻 大；在填充材料厚度和接觸面積不變時(shí)，填充材料的熱導(dǎo)率大時(shí)，熱阻小。
權(quán)利要求
1.一種低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，包括制作有P-N電極的外延片、制作有反射層的硅襯底和填充層，其特征在于在制作有P-N電極的外延片和制作有反射層的硅襯底之間的填充層為合金填充層，通過合金填充層倒裝焊接、鍵合功率LED倒裝芯片；而且合金可為Au、Al、Cu、Pb、Sn或者In一種以上的組合。
2. 如權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，其特征在于制作有P-N 電極的外延片和制作有反射層的硅襯底鍵合時(shí)，兩者之間的距離為2 10jam;制 作有P-N電極的外延片和制作有反射層的硅襯底的接觸面積的百分比為50% 80%。
3. 如權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，其特征在于制作有P-N 電極的外延片包括藍(lán)寶石襯底，在藍(lán)寶石襯底上形成的N-GaN層，在N-GaN層 上形成的發(fā)光層，在發(fā)光層上形成的P-GaN層，在P-GaN層表面淀積形成的有 利于電流擴(kuò)散的金屬層即透明導(dǎo)電層，由P-GaN層和N-GaN層分別引出的P-N 電極，在P-N電極之間生長的鈍化層。
4. 如權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，其特征在于制作有反射 層的硅襯底為在半導(dǎo)體硅襯底上形成的電學(xué)隔離層，在該電學(xué)隔離層上有金屬反 射層。
5. 如權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片的制備方法，其特征在于 包括如下步驟第一步，制作P-N電極外延片，包括如下步驟在藍(lán)寶石襯底上采用耦合離子刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備利用氯離子及氬離子進(jìn)行干法刻蝕，刻蝕P-GaN 層和發(fā)光層至N-GaN層暴露為止，形成P-GaN層和發(fā)光層，刻蝕時(shí)用光刻膠或 Si02作掩膜；在P-GaN層的表面采用真空電子束蒸發(fā)形成一層有利于電流擴(kuò)散 的金屬層即透明導(dǎo)電層；由P-GaN層和N-GaN層采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)分 別形成引出的P-N電極；在P-N電極之間采用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積生長一 層70nm-120nm的Si02鈍化層；第二步，制作帶有反射層的硅襯底，包括如下步驟在本征半導(dǎo)體硅襯底上 利用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積淀積一層P-N電極的電學(xué)隔離層，該電學(xué)隔離層 為Si02或Si3N4絕緣層，厚度為50nm-100nm，然后用磁控濺射或電子束蒸發(fā)一 層厚度為200nm-300nm的金屬反射層，該金屬反射層采用鈦鋁或鈦銀；第三步，將制作好的P-N電極外延片分割成1000pmX1000inm的器件，將 制作好的帶反射層的硅襯底分割成1400pmX120(Him的器件，將兩者通過填充 合金純加熱法鍵合進(jìn)行倒裝焊接在一起。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，以及該倒裝功率芯片的制備方法，屬于半導(dǎo)體器件及其制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。主要包括制作有P-N電極的外延片、制作有反射層的硅襯底和填充層，其特征在于在制作有P-N電極的外延片和制作有反射層的硅襯底之間的填充層為合金填充層，通過合金填充層倒裝焊接、鍵合功率LED倒裝芯片。制作時(shí)先制作帶P-N電極的外延片，再制作帶有反射層的硅襯底，然后將兩者通過填充合金純加熱法鍵合進(jìn)行倒裝焊接在一起。本發(fā)明提供的低應(yīng)力LED倒裝功率芯片，它改善倒裝芯片的應(yīng)力問題，并降芯片的熱阻，可有效提高大功率LED倒裝芯片的散熱能力、穩(wěn)定性、成品率。有效地提高了大功率LED倒裝芯片的散熱能力、可靠性和成品率，降倒裝芯片的應(yīng)力和熱阻，從而極大地提高了芯片的質(zhì)量和器件的性能。
文檔編號H01L23/36GK101101945SQ20071004279
公開日2008年1月9日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者卓 孫, 褚家寶, 陳奕衛(wèi), 靳彩霞, 黃素梅 申請人:華東師范大學(xué)