KR20100021429A - 반도체 웨이퍼 조립체의 취급 방법 - Google Patents
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Abstract
발광 다이오드를 제작하기 위한 시스템과 방법은, 운반체 기판 위에 다층 에피택셜 구조를 형성하는 단계, 상기 다층 에피택셜 구조 위에 적어도 하나의 금속 층을 증착하는 단계, 상기 운반체 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 본 명세서에 참조로 통합되어 있고, 2005년 1월 11일 출원된 공동 계류중인 미국 특허 출원 일련 번호 11/032,882호의 부분 계속 출원(continuation-in-part)이다.
본 발명은 일반적으로 발광 다이오드와 그것의 제작 방법에 관한 것이다.
LED(light-emitting diode)들은 우리의 일상 생활에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있다. 전통적으로, LED들은 통신과, 이동 전화기, 전기 기기, 및 다른 전자 디바이스와 같은 다른 영역들과 같은 많은 응용예에서 활용되고 있다. 최근에는, 비디오 디스플레이, 광학 저장, 조명, 의료 기기와 같은 응용예를 위해, 광-전자(opto-electronics)에 대한 질화물 기반의 반도체 물질(예컨대, 갈륨 질화물, 즉 GaN)에 대한 수요가 급격히 증가하였다. 종래의 청색 광 방출 다이오드(LED)들은 GaN, Al GaN, InGaN, 및 AlInGaN과 같은 반도체 질화물 물질을 사용하여 형성된다. 전술한 타입의 광 방출 디바이스의 반도체 층 대부분은 전기적으로 비전도성인 사파이어(sapphire) 기판 위에 에피택셜 방식으로(epitaxially) 형성된다. 사파이어 기판이 전기적으로 절연체이므로, LED들을 통해 전류를 구동하기 위해 사파이어 기판 위에 전극이 직접 형성될 수 없다. 오히려, 전극들은 p-타입의 반도체 층과 n-타입의 반도체 층을 개별적으로 직접 접촉하여, LED 디바이스들의 제작을 완료한다. 하지만, 이러한 전극 구성과 사파이어 기판의 전기적으로 비전도성인 성질은 디바이스 동작에 있어 상당한 제한을 나타낸다. 예컨대, p-전극으로부터 n-전극으로의 전류를 보내기 위해서는 p-층 위에 반투명한 접점이 형성될 필요가 있다. 이 반투명한 접점은 내부 반사와 흡수로 인한 디바이스로부터 방출된 광 세기를 감소시킨다. 게다가, p-전극과 n-전극은 광을 차단하고, 디바이스로부터 방출하는 광의 영역을 감소시킨다. 또한, 사파이어 기판은 열적 단열체(또는 열적 단열체)이고, 디바이스 동작 동안 발생된 열은 효과적으로 방산될 수 없어, 디바이스 신뢰도를 제한한다.
도 1은 그러한 일상적인 LED를 보여준다. 도시된 것처럼, 기판을 1로 표시된다. 기판(1)은 주로 사파이어이다. 기판(1) 위에서, 버퍼 층(2)이 형성되어 기판(1)과 GaN 사이의 격자 부정합을 감소시킨다. 버퍼 층(2)은 기판(1) 위에서 에피택셜 방식으로 성장될 수 있고, AlN, GaN, AlGaN 또는 AlInGaN일 수 있다. 그 다음, n-GaN 기반의 층(3), 다수-양자 우물(MQW: multi-quantum well) 층(4), 및 p-GaN 층(5)이 차례대로 형성된다. 에칭 방법이 이용되어 n-GaN 기반의 층(3) 위에 노출 구역(6)을 형성한다. p-GaN 층(5) 위에는 전기 전도성 반투명한 코팅이 제공 된다. 마지막으로, n-전극(9)과 p-전극(8)이 선택된 전극 영역들 위에 형성된다. 전자들과 정공들을 각각 MQW 활성 층(4)에 주입하기 위해 p-전극처럼 디바이스의 동일한 면 위에 n-전극(9)이 필요하다. 층(4)에서의 정공들과 전자들의 방사성 재결합이 광을 방출한다. 하지만, 이러한 종래의 LED 구조의 한계들에는 (1) p-층(5) 위의 반투명한 접점은 100% 투명하지 않고, 층(4)으로부터 방출된 광을 차단할 수 있고; (2) n-전극으로부터 p-전극으로 확산하는 전류는 전극들의 위치로 인해 균일하지 않고; 및 (3) 사파이어가 열적 단열체 및 전기적 절연체이므로 디바이스가 동작하는 동안 열이 축적된다는 것이 포함된다.
이용 가능한 조명 영역을 증가시키기 위해, 수직 LED들이 개발되었다. 도 2에 도시된 것처럼, 통상적인 수직 LED는 기판(10)(통상적으로, 실리콘, GaAs 또는 Ge)을 가진다. 기판(10) 위에는, 전이 금속의 여러 층(12), p-GaN 층(14), MQW 층(16), n-GaN 층(18)이 형성된다. 그런 다음 n-전극(20)과 p-전극(22)이 전극들로서 선택된 영역 위에 형성된다.
미국 특허 공보 2004/0135158호는 (a) 사파이어 기판 위에 버퍼링 층을 형성하고, (b) 상기 버퍼링 층 위에 복수의 마스크를 형성하는 것으로서, 상기 기판, 상기 버퍼링 층, 및 상기 복수의 마스크는 함께 기판 유닛을 형성하는, 상기 버퍼링 층 위에 복수의 마스크를 형성하는 것, (c) 상기 복수의 마스크 위에 활성 층을 포함하는 다층 에피택셜 구조를 형성하고, 상기 다층 에피택셜 구조를 추출하는 것, (d) 추출 후 상기 다층 에피택셜 구조의 하부 면과의 상기 남아 있는 마스크 결합을 제거하는 것, (e) 상기 다층 에피택셜 구조의 상기 하부 면 위에 금속 반사 기를 코팅하는 것, (f) 상기 금속 반사기에 전도성 기판을 결합시키는 것, 및 (g) 상기 다층 구조의 상부 표면 위에 p-전극을 배치하고, 상기 전도성 기판의 하부 면 위에 n-전극을 배치하는 것에 의해 수직 LED 구조를 실현하는 한 가지 방식을 보여준다.
일 양상에서, 발광 다이오드를 제작하는 방법은 운반체 기판 위에 다층 에피택셜 구조를 형성하는 단계, 다층 에피택셜 구조 위에 적어도 하나의 금속 층을 배치하는 단계, 운반체 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
위 양상의 구현예들은 하나 이상의 다음 내용을 포함할 수 있다. 운반체 기판은 사파이어일 수 있다. 금속 층의 증착은 금속 층을 기판 위의 구조에 결합 또는 접착시키는 것을 수반하지 않는다. 금속 층의 배치는 ECD(electro chemical deposition), ElessCD(electroless chemical deposition), CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(Metal organic) CVD, PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition), ALD(Atomic layer deposition), PVD(physical vapor deposition), 증발, 또는 플라즈마 스프레이(spray) 또는 이들 기술들의 조합을 사용하여 적용할 수 있다. 금속 층은 단일 층이거나 다수 층일 수 있다. 다층 금속 층은 다층 에피택셜 구조의 밑에 있는 복합 반도체 층들(예컨대, GaN)에 의해 겪게 되는 스트레스를 제어하기 위해 제공할 수 있다. 예컨대, 다층 에피택셜 구조 위에 증착된 초기 금속 층(들)은, 추가적인 반도체 처리의 스트레스를 흡수하고 금이 가는 것을 회피하려는 노력으로 비교적 연한 금속들이나 합금들을 포함할 수 있다. 초기 금속 층(들) 위에 증착된 추가적인 금속 층(들)은 비교적 단단한 금속들이나 합금들을 포함할 수 있고, 초기 금속 층(들)의 열적 팽창을 보상할 수 있다. 그러한 다층 금속 구조에서는, 상이한 스트레스 감소, 열적 보상, 열 소비, 및 취급 성질들(handling properties)을 달성하기 위해, 개별 층들의 두께와 구성이 변할 수 있다. 금속 층이 다층일 경우, 그 층들은 상이한 기술들을 사용하여 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 가장 두꺼운 층은 전기 화학 증착 또는 무전기 화학 증착을 사용하여 증착된다.
또 다른 양상에서는 발광 다이오드를 제작하는 방법이, 운반체 기판을 제공하는 단계, 다층 에피택셜 구조를 증착하는 단계, 하나 이상의 금속 층을 다층 에피택셜 구조 위에 증착하는 단계, 에칭을 사용하여 하나 이상의 메사(mesa)를 한정하는 단계, 하나 이상의 비전도성 층을 형성하는 단계, 비전도성 층의 부분을 제거하는 단계, 적어도 하나 이상의 금속 층을 증착하는 단계, 운반체 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
위 양상의 구현예들은 하나 이상의 다음 내용을 포함할 수 있다. 금속 층들은 동일하거나 상이한 구성을 가질 수 있고, 다양한 증착 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 운반체 기판 제거는 레이저, 에칭, 그라인딩(grinding)/랩핑(lapping), 또는 화학 기계적 연마(polishing) 또는 특히 습식 에칭을 사용하여 행해질 수 있다. 운반체 기판은 사파이어, 실리콘 카바이드(carbide), 실리콘, 게르마늄, ZnO 또는 갈륨 비화물(arsenide)일 수 있다. 다층 에피택셜 구조는 n형 GaN 층, InGaN/GaN 층들을 지닌 하나 이상의 양자 우물, 및 p형 AlGaN/GaN 층일 수 있다. 다층 에피택셜 구조 위의 하나 이상의 금속 층은, 인듐 주석 산화물(ITO:Indium Tin Oxide), Ag, Al, Cr, Ni, Au, Pt, Pd, Ti, Ta, TiN, TaN, Mo, W, 내열 금속, 또는 금속 합금 또는 이들 물질의 혼합물일 수 있다. 임의로 도핑된 반도체 층은 다층 에피택셜 구조와 금속 층들 사이에 형성될 수 있다. 메사는 중합체{예컨대, 레지스트(resist)} 또는 하드 마스크(hard mask)(예컨대, SiO2, Si3N4, 알루미늄)를 사용하여 한정될 수 있다. 비전도성 층은 SiO2, Si3N4, 다이아몬드 요소, 비전도성 금속 산화물 요소 또는 세라믹 요소, 또는 이들 물질의 혼합물일 수 있다. 비전도성 층은 단일 층일 수 있거나 복수의 비전도성 층(예컨대, Si3N4 위의 SiO2)일 수 있다. 일 구현예에서, 이러한 비전도성 층은 측벽 패시베이션 층이거나 패시베이션 층이다. 비전도성 층의 부분은 마스킹 층을 사용하거나 사용하지 않고 도체 층을 노출시키기 위해 들어 올려지거나 건식 에칭함으로써 제거될 수 있다. 도체 층은 하나 이상의 금속 층일 수 있다. 하나 이상의 금속 층은 PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PECVD(plasma enhanced CVD), 증발, 이온 빔 증착, 전기 화학 증착, 무전기 화학 증착, 플라즈마 스프레이, 또는 잉크제트 증착을 사용하여 증착될 수 있다. 금속 층은 Cr, Pt, Ni, 구리, 장벽(barrier) 금속 물질(예컨대, 티타늄 질화물, 텅스텐, 텅스텐 질화물, 탄탈륨 질화물, Mo, W 또는 금속 합금) 위의 구리를 포함할 수 있다. 하나 이상의 추가 금속 층은 전기 화학 도금 또는 무전기 화학 도금에 의해 형성될 수 있다. 추가 금속 층은 구리, 니켈, 금, 알루미늄, 또는 이들의 합금일 수 있다. 전도성 패시베이션(금속 층을 보호하는) 층이 증착될 수 있고, 금속, 니켈, 크롬, 또는 아연, 금, Pt, Pd일 수 있다. 이 패시베이션 층은 비전도성 금속 산화물(하프늄 산화물, 티타늄 산화물, 탄탈륨 산화물), 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물 또는 중합체 물질 중 하나를 포함한다.
일 실시예에서, Ag/Pt 또는 Ag/Pd 또는 Ag/Cr이 미러(mirror) 층으로서 사용된다. Ni는 전기도금을 위한 시드(seed) 층으로서 금에 대한 장벽으로서 사용된다. 미러 층(예컨대, Ag, Al, Pt, Ti, Cr)이 증착된 다음, 산소를 채워넣은 TiN, TaN, TiWN, TiW와 같은 장벽 층이 Ni, Cu, W와 같은 금속의 전기 화학 증착이나 무전기 화학 증착 전에, 미러 층 위에 형성된다. 구리의 전자화학 증착을 위해, 시드 층이 CVD, MOCVD, PVD, ALD 또는 증발 공정을 사용하여 증착되는데, 구리에 대한 일부 시드 물질들은 특히 W, Au, Cu, 또는 Ni이다.
발광 다이오드를 제작하는 또 다른 방법에서는, 그 방법이 운반체 기판을 제공하는 단계, 다층 에피택셜 구조를 증착하는 단계, 하나 이상의 금속 층을 다층 에피택셜 구조 위에 증착하는 단계, 하나 이상의 메사를 에칭하는 단계, 하나 이상의 비전도성 층을 형성하는 단계, 비전도성 층의 부분을 제거하는 단계, 하나 이상의 금속 층을 증착하는 단계, 운반체 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
위 방법의 구현예들은 하나 이상의 다음 내용을 포함할 수 있다. 금속 층들은 동일하거나 상이한 구성, 상이한 두께를 가질 수 있고, 다양한 증착 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 운반체 기판 제거는 레이저, 에칭, 그라인딩/랩핑 또는 화학 기계적 연마 또는 특히 습식 에칭을 사용하여 행해질 수 있다. 운반체 기판을 사파이어일 수 있다. 금속 층의 증착은 전기 화학 증착(ECD: electro chemical deposition), 또는 무전기 화학 증착(ElessCD)일 수 있는데, 즉 전기 화학 증착 기술이나 무전기 화학 증착 기술을 사용하여 금속 층을 증착하기 전에, 시드 전도성 층을 위한 임의의 단계가 이용된다{예컨대, 먼저 구리, 니켈의 ECD 전에 증발, 스퍼터링(sputteing), 또는 CVD, MOCVD를 사용하여 먼저 증착된 구리, 니켈, 텅스텐 시드 층들}. 금속 층을 증착하는 것은 CVD, PECVD, PVD, 증발 또는 플라즈마 스프레이를 포함할 수 있다. 전극들은 다층 구조 위에 놓일 수 있다. 하나 이상의 추가 금속 층이 원래의 금속 층 위에 형성될 수 있다.
발광 다이오드를 제작하기 위한 또 다른 방법에서는, 운반체 기판을 제공하는 단계, 다층 에피택셜 구조를 증착하는 단계, 하나 이상의 메사를 에칭하는 단계, 하나 이상의 비전도성 층을 형성하는 단계, 비전도성 층의 부분을 제거하는 단계, 하나 이상의 금속 층을 증착하는 단계, 운반체 기판을 제거하는 단계가 포함된다.
위 방법의 구현예들은 하나 이상의 다음 내용을 포함할 수 있다. 금속 층들은 동일하거나 상이한 구성을 가질 수 있고, 다양한 증착 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 운반체 기판 제거는 레이저, 에칭, 그라인딩/랩핑 또는 화학 기계적 연마 또는 특히 습식 에칭을 사용하여 행해질 수 있다. 운반체 기판을 사파이어일 수 있다. 금속 층의 증착은 전기 화학 증착(ECD: electro chemical deposition), 또는 무전기 화학 증착(ElessCD)일 수 있는데, 즉 전기 화학 증착 기술이나 무전기 화학 증착 기술을 사용하여 금속 층을 증착하기 전에, 시드 전도성 층을 위한 임의의 단계가 이용된다{예컨대, 구리, 니켈의 ECD 전에 증발, 스퍼터링, 또는 CVD, MOCVD를 사용하여 먼저 증착된 구리, 니켈, 텅스텐 시드 층들}. 금속 층을 증착하는 것은 CVD, PECVD, PVD, 증발 또는 플라즈마 스프레이를 포함할 수 있다. 전극들은 다층 구조 위에 놓일 수 있다. 하나 이상의 추가 금속 층이 밑에 있는 금속을 보호하기 위해 원래의 금속 층 위에 형성될 수 있다.
또 다른 양상에서는, 발광 다이오드를 제작하는 방법이 기판(예컨대, 사파이어 기판과 같은) 위에 다층 에피택셜 구조를 형성하는 단계와 에피택셜 층 위에 금속 층을 증착하는 단계{시드 금속 층의 상부에서의 전기 화학 도금이나 무전기 화학 도금을 사용하여, 증발, CVD, PVD 스퍼터링을 사용하여 증착된 구리, 또는 니켈, 또는 텅스텐, 또는 Pd의 시드 층의 상부에서의 구리 또는 니켈 도금, 시드 층은 TaN, TiN, TiWN, TiWOx 또는 텅스텐 질화물의 장벽 금속 위에 증착된다}, 기판을 (예컨대, 레이저 리프트-오프 기술, 습식 에칭 또는 CMP를 사용하여} 제거하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 다층 에피택셜 구조는 금속 도금 층에 결합된 반사성 금속 층, 반사성 금속 층에 결합된 비전도성 패시베이션 층, 패시베이션 층에 결합된 p-GaN 층, p-GaN 층에 결합된 MQW(multi-quantum well) 층, MQW 층에 결합된 n-GaN 층, n-GaN 층에 결합된 n-전극을 포함한다.
금속 층은 단일 층이거나 다수의 층일 수 있다. 금속 층이 다수의 층일 경우, 상이한 구성을 지닌 복수의 금속 층이 형성될 수 있고, 그 층들은 상이한 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 가장 두꺼운 층은 전기 화학 증착 또는 무전기 화학 증착을 사용하여 증착된다.
일 실시예에서, Ag/Pt 또는 Ag/Pd 또는 Ag/Cr이 미러 층으로서 사용되고, Ni는 벌크(bulk) 기판으로서 사용되는, 구리 도금을 위한 시드 층으로서의 금에 대한 장벽으로서 사용된다. 미러 층(예컨대, Ag, Al, Ti, Cr, Pt)이 증착된 다음, Ni나 Cu와 같은 금속의 전기 화학 증착 또는 무전기 화학 증착 전에 미러 층 위에 산소가 채워진 TiN, TaN, TiWN, TiW와 같은 장벽 층이 형성된다. 구리의 전기화학 증착을 위해, CVD, MOCVD, PVD, ALD, 또는 특히 Au, Cu, 또는 Ni에 대한 증발 공정을 사용하여 시드 층이 증착된다.
또 다른 양상에서는, 발광 다이오드를 제작하기 위한 방법이 사파이어 기판 위에 MQW 층을 포함하는 다층 에피택셜 구조를 형성하는 단계, 다층 에피텍셜 구조 위에 금속 도금 층을 코팅하는 단계, 사파이어 기판을 제거하는 단계, 및 다층 구조의 표면 위에 n-전극을 제공하는 단계를 포함한다. p-전극은 금속 도금 층에 결합되거나, 금속 도금 층 자체가 p-전극으로서 작용을 한다.
위 양상의 구현예들은 하나 이상의 다음 내용을 포함할 수 있다. 금속 도금 층은 전기 화학 도금 또는 무전기 화학 도금에 의해 형성될 수 있다. 금속 도금 층은 또한 무전기 화학 도금을 사용하여, 그리고 폴리이미드(polyimide) 층으로 사파이어 기판을 보호함으로써 형성될 수 있다. 사파이어 기판은 레이저 리프트-오프(LLO: laser lift-off) 기술을 사용하여 제거될 수 있다. 다층 에피택셜 층은 금속 도금 층에 결합된 반사성 금속 층, 반사성 금속 층에 결합된 패시베이션 층, 패시베이션 층에 결합된 p-GaN 층, MQW 층에 결합된 n-GaN 층, n-GaN 층에 결합된 n-전극을 가질 수 있고, 금속 도금 층은 p-전극이거나 금속 도금 층에 결합된 p-전극을 가진다. 또 다른 양상에서는, LED 디바이스를 위한 수직 디바이스 구조가 사파이어 기판 위에 MQW 활성 층을 포함하는 다층 에피택셜 구조를 형성하고, 다층 에피택셜 구조 위에 금속 층을 코팅하고, 사파이어 기판을 제거하고, 다층 구조의 표면 위에 n-전극을 제공함으로써 제작될 수 있고, 금속 층은 p-전극이거나 금속 층에 결합된 p-전극을 가진다.
금속 층은 단일 층이거나 다수 층일 수 있다. 금속 층이 다수 층일 경우, 상이한 구성을 지닌 복수의 금속 층이 형성될 수 있고, 그 층들을 상이한 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 실시예에서, 가장 두꺼운 층은 전기 또는 무전기 화학 증착을 사용하여 증착된다.
일 실시예에서, 미러 층으로서 Ag/Pt 또는 Ag/Pd 또는 Ag/Cr이 사용되고, Ni는 구리 도금을 위한 시드 층으로서의 금에 대한 장벽으로서 사용되며, 이러한 시드 층은 벌크 기판으로서 사용된다. 미러 층(예컨대, Ag, Al, Ti, Cr, Pt)이 증착된 다음, Ni 또는 Cu와 같은 금속의 전기 또는 무전기 화학 증착 전에, 미러 층 위에 산소가 채워진 TiN, TaN, TiWN, TiW와 같은 장벽 층이 형성된다. 구리의 전기 화학 증착을 위해, CVD, MOCVD, PVD, ALD 또는 특히 AU, Cu, 또는 Ni를 사용하는 증발 공정을 사용하여 시드 층이 증착된다.
또 다른 양상에서는, 수직 LED가 임시 기판 위에 형성된 다층 에피택셜 층과, 전기 화학 증착 기술 또는 무전기 화학 증착 기술을 사용하여 금속 층을 증착하기 전에, 다층 에피택셜 층 위에 형성된 금속 도금 층을 포함하는데, 시드 전도성 층을 위한 임의의 단계가 이용되고(예컨대, 구리와 니켈의 ECD 전에 먼저 증발, 스퍼터링, 또는 CVD, MOCVD를 사용하여 증착된 구리, 니켈, 텅스텐 시드 층들), 이 경우 임시 기판은 금속 도금 층을 형성한 후 레이저-리프트-오프를 사용하여 제거된다.
일 실시예에서, 미러 층으로서 Ag/Pt 또는 Ag/Pd 또는 Ag/Cr이 사용되고, Ni는 구리 도금을 위한 시드 층으로서의 금에 대한 장벽으로서 사용되며, 이러한 시드 층은 벌크 기판으로서 사용된다. 미러 층(예컨대, Ag, Al, Ti, Cr, Pt)이 증착된 다음, Ni 또는 Cu와 같은 금속의 전기 또는 무전기 화학 증착 전에, 미러 층 위에 산소가 채워진 TiN, TaN, TiWN, TiW와 같은 장벽 층이 형성된다. 구리의 전기 화학 증착을 위해, CVD, MOCVD, PVD, ALD 또는 특히 AU, Cu, 또는 Ni를 사용하는 증발 공정을 사용하여 시드 층이 증착된다.
또 다른 향상에서, 수직 LED는 금속 도금 층, 금속 도금 층에 결합된 반사성 금속 층, 반사성 금속 층에 결합된 패시베이션 층, 패시베이션 층에 결합된 p-GaN 층, p-GaN 층에 결합된 MQW 층, MQW 층에 결합된 n-GaN 층, n-GaN 층에 결합된 n-전극, 및 금속 도금 층에 결합된 p-전극을 포함한다.
일 실시예에서, 미러 층으로서 Ag/Pt 또는 Ag/Pd 또는 Ag/Cr이 사용되고, Ni는 구리 도금을 위한 시드 층으로서의 금에 대한 장벽으로서 사용되며, 이러한 시드 층은 벌크 기판으로서 사용된다. 미러 층(예컨대, Ag, Al, Ti, Cr, Pt)이 증착된 다음, Ni 또는 Cu와 같은 금속의 전기 또는 무전기 화학 증착 전에, 미러 층 위에 산소가 채워진 TiN, TaN, TiWN, TiW와 같은 장벽 층이 형성된다. 구리의 전기 화학 증착을 위해, CVD, MOCVD, PVD, ALD 또는 특히 AU, Cu, 또는 Ni를 사용하는 증발 공정을 사용하여 시드 층이 증착된다.
본 발명의 장점은 다음 내용 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떠한 웨이퍼 결합 또는 접착도 사용되지 않고, 복잡하고 길며 한 번에 하나씩 이루어진 웨이퍼 결합/접착 공정이, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), 플라즈마 보강된 CVD(PECVD: plasma enhanced chemical vapor deposition), 증발, 이온 빔 증착, 전기 화학 증착, 무전기 화학 증착, 플라즈마 스프레이, 또는 잉크 제트 증착과 같은 덜 복잡한 증착 공정으로 대체된다. n-전극을 위한 어떠한 반투명한 접점도 필요하지 않은데, 이는 n-GaN 전도성이 양호하고, 그 결과 더 많은 광 출력이 LED 디바이스로부터 방출될 수 있기 때문이다. 또한, 디바이스의 각 면 위에서는 1개의 전극만이 필요하기 때문에, LED 전극은 광을 덜 차단한다. 추가로, 전류는 n-전극으로부터 p-전극으로 균일하게 확산될 수 있어, LED 성능을 증가시킨다. 게다가, 금속 기판은 사파이어 기판보다 열을 더 많이 소산할 수 있어, 더 많은 전류가 LED를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 그 결과로 생긴 LED는 더 작은 크기로 종래의 LED를 대체할 수 있다. 동일한 LED 크기에 대해, 수직 LED로부터의 광 출력은 동일한 구동 전류에 대해 종래의 LED보다 상당히 높다. 게다가, 다층 금속 기판은 GaN 디바이스 구조에 금이 가는 것을 방지하고, 바라는 단단함과 열적 팽창 계수를 달성하기 위해 개별 금속 층들의 두께와 구성을 설계함으로써 처리될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 방법이다. 이 방법은 일반적으로, 운반체 기판 위에 증착된 하나 이상의 반도체 다이(die)를 포함하는 웨이퍼 조립체를 제공하는 단계, 금속 기판의 적어도 한 부분을 생성하기 위해 하나 이상의 반도체 다이 위에 하나 이상의 금속 층을 형성하는 단계, 웨이퍼 조립체로부터 운반체 기판을 제거하는 단계, 및 추가 처리를 위해 금속 기판을 통해 웨이퍼 조립체를 조작하는 단계를 포함한다. 다층 금속 기판의 층들의 두께와 구성은, 후속 동작들 중에 온도가 상승시 반도체 다이들에 금이 가는 것을 최소화하도록 설계될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 방법이다. 이 방법은 일반적으로 운반체 기판 위에 증착된 하나 이상의 수직 발광 다이오드(VLED: vertical light-emitting diode) 다이를 포함하는 웨이퍼 조립체를 제공하는 단계, 금속 기판의 적어도 한 부분을 생성하기 위해, 상기 하나 이상의 VLED 다이 위에 하나 이상의 금속 층을 형성하는 단계, 상기 웨이퍼 조립체로부터 운반체 기판을 제거하는 단계, 및 추가 반도체 처리를 위해 상기 금속 기판을 통해 상기 웨이퍼 조립체를 다루는 단계를 포함한다. 다층 금속 기판의 층들의 두께와 구성물은, 후속하는 동작들 동안 상승된 온도에서 VLED 다이들에 금이 가는 것을 최소화하도록 설계될 수 있다.
본 발명의 위에서 열거된 특징들이 자세히 이해될 수 있도록, 위에서 간략히 요약된 본 발명의 더 특별한 설명이 일부가 첨부된 도면에 예시되어 있는 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있다. 하지만, 첨부된 도면들은 본 발명의 전형적인 실시예들만을 예시하고 따라서 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되는데, 이는 본 발명이 다른 동등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
후속하는 바람직한 실시예와 첨부 도면의 설명을 명확히 읽음으로써, 본 발명의 다른 특징, 기술적 개념, 및 목적이 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 일상적인 LED를 도시하는 도면.
도 2는 종래 기술의 수직 LED를 도시하는 도면.
도 3 내지 도 8은 수직 LED를 제작하기 위한 전형적인 공정에서의 동작들을 도시하는 도면.
상세한 설명을 읽을 때, 첨부 도면이 동시에 참조될 수 있고, 상세한 설명의 부분으로서 고려된다.
도 3 내지 도 8을 참조하면, 수직 LED를 제작하는 방법이 예시되어 있다. 설명시, 본 발명의 디바이스 구조에 대해 주어진 참조 번호들이 또한 본 발명의 제조 방법의 단계들의 자세한 설명시 사용된다.
아래에 설명된 공정은 처음에 사파이어 위에서 성장한 InGaN LED들에 대한 일 실시예에 관한 것이다. 결과로 만들어지는 LED 디바이스를 위한 전기 및 열적 전도에 관한 두꺼운 접점을 증착하기 위해 전기 화학 도금 또는 무전기 화학 도금이 사용된다. 전기 또는 무전기 화학 도금은 웨이퍼 결합 대신 사용된다. 이 공정은 광학, 전기 및 열적 성질의 향상을 위해 에피층(epilayer)을 새로운 호스 트(host) 기판에 부착하기 위해 결합이 사용된 임의의 광전자(optoelectronic) 디바이스에 적용될 수 있다.
예컨대, 본 명세서에서 설명된 기술들은 LED들 외에 전력(power) 디바이스, 레이저 다이오드, 및 수직 캐비티(cavity) 표면 방출 디바이스에 적용될 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 3은 운반체(40) 위의 전형적인 InGaN LED의 다층 에피택셜 구조를 보여주고, 이러한 운반체(40)는 일 실시예에서 사파이어 기판일 수 있다. 사파이어 기판(40) 위에 형성된 다층 에피택셜 구조는 n-GaN 기반의 층(42), MQW 활성 층(44), 및 접촉 층(46)을 포함한다. n-GaN 기반의 층(42)은, 예컨대 약 4 미크론의 두께를 가진다.
MQW 활성 층(44)은 InGaN/GaN(또는 AlGaN/GaN 또는 AlInGaN) MQW 활성 층일 수 있다. 일단 전류가 n-GaN 기반의 층(42)과 접촉 층(46) 사이를 통과하면, MQW 활성 층이 여기될 수 있고, 따라서 광을 발생시킨다. 만들어진 광은 250㎚와 600㎚ 사이의 파장을 가질 수 있다. p-층은, p+-GaN, p+-InGaN 또는 p+-AlInGaN 층과 같은 p+-GaN 기반의 층일 수 있고, 그 두께는 0.01미크론과 0.5미크론 사이의 값일 수 있다.
그 다음, 도 4에 도시된 바와 같이 메사 정의 공정이 수행되고, p형 접점(48)이 접촉 층(46) 위에 형성된다. 다층 에피택셜 구조 위의 접점(48)은 인듐 주석 산화물(ITO:Indium Tin Oxide), Ag, Al, Cr, Ni, Au, Pt, Pd, Ti, Ta, TiN, TaN, Mo, W, 내열 금속, 또는 금속 합금 또는 특히 이들 물질의 혼합물(예컨대, Ni/Au)일 수 있다. 또한, 금속 접점으로서의 직접 반사된 Ag 증착도 형성될 수 있다. 도 4에서, 메사 정의를 따르는 개별 LED 디바이스들이 형성된다. GaN을 분리된 디바이스들로 에칭하기 위해 이온 결합된 플라즈마 에칭이 사용된다.
그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이 패시베이션 층(50)이 증착되고, 반사성 금속 증착이 수행되어, 패시베이션 층(50) 내로 에칭된 창(window)에서 특히 Al, Ag, Ni, Pt 및 Cr과 같은 반사성 금속(52)을 형성함으로써 반사성 금속(52)이 층(46)과 접촉하는 것이 허용된다. 패시베이션 층(50)은 비전도성이다. 반사성 금속(52)은 미러 표면을 형성한다.
도 6은 구조물 위에 얇은 금속 층 또는 다수의 금속 층(53)(특히 Cr, Pt, Pt/Au, Cr/Au, Ni/Au, Ti/Au, TaN/Au)이 증착되어, 전기/무전기 화학 도금 공정을 위한 장벽/시드 층으로서의 역할을 하는 것을 보여준다. 하지만, 무전기 공정, 스퍼터링 또는 자기-스퍼터링(magneto-sputtering) 공정이 전기도금 대신 사용된다면, 증착 동작이 필요하지 않다. 장벽/시드 층을 위한 적합한 금속들 또는 금속 합금들은 Cu, Ni, W, Ta/Cu, Ta/TaN/Cu, TaN/Cu, Ti/TiN/Cu, Ta/TiN/Cu, Ti/Cu, Ti/TiN/Cu, TiN/Cu, Cr/Au, Cr/Au/Ni/Au, 또는 Ti/Ni/Au일 수 있다.
금속 기판 층(60)이 그 위에 증착된다. 금속 기판(60)은 다수의 금속 층들로 이루어질 수 있어서, 다층 금속 기판의 층들의 두께와 구성을 처리하여 후속 동작들 중에 온도가 상승시 복합 반도체 구조에 금이 가는 것을 최소화하도록 허용한다. 금속 도금 층(60)의 시딩(seeding) 물질 목적으로서 얇은 금속 층이나 막(53)이 제공된다. 얇은 금속 막(53)은, 금속 도금 층(60)이 전기 화학 증착 또는 무전 기 화학 증착을 사용하여 막(53)의 상부 위에 도급될 수 있는 한, 금속 도금 층(60)과 동일하거나 상이한 물질일 수 있다.
FIG.6A는 GaN에 금이 가는 것을 최소화하려는 노력으로 위에 증착된 더 단단하고 열적 팽창이 보상된 Cu 합금 층(예컨대, Cu-W 또는 Cu-Mo)을 구비한 금속 기판(60)의 초기 층으로서 증착된 Cu를 포함하는 비교적 부드러운 스트레스-감소/충격-흡수 금속 층을 예시한다. FIG.6B는 추가 Cu 층이 후속하는 바라는 단단함을 얻으려는 노력으로 그 후에 위에 증착된 하나 이상의 더 단단한 금속 층(예컨대, Mo, W, Ni, 또는 Ni-Co)을 구비한 초기 층으로서 증착된 Cu를 포함하는 비교적 부드러운 스트레스-감소/충격-흡수 금속 층을 도시한다. 마지막으로 도시된 Cu 층은 중간에 있는 더 단단한 층(들) 위에 증착되어, 그 중간에 있는 더 단단한 층(들)의 증착으로 인해 초래되는 스트레스를 보상할 수 있다. FIG.6C는 열적 팽창 및/또는 스트레스를 보상하려는 노력으로 초기 층 위에 증착된 Cu 또는 Cu 합금의 추가적인 두께 층과, 스트레스 경감 및 단단함의 성질들을 결합하는 다이아몬드-혼합된 Cu의 초기 증착된 층을 묘사한다. FIG.6D는 반도체에 금이 가는 것을 최소화하려는 노력으로 W나 Mo와 같은 밑에 있는 복합 반도체(예컨대, GaN)의 열적 팽창 계수를 정합시키기 위한 임의의 적합한 금속이나 금속 합금을 포함하는 초기 금속 층을 예시한다. 비교를 위해, GaN 열적 팽창 계수는 3.17E-6K-1, Cu는 16.5E-6K-1, Ni는 13.4E-6K-1, Co는 13E-6K-1, Mo는 4.2E-6K-1, 및 W는 4.5E-6K-1이다. 열 전도율이 높은 금속(예컨대, Cu나 Ag)이 도시된 바와 같은 열적 소산을 위해 초기 금속 층 위에 증 착될 수 있다.
일부 실시예들에서는, 반사성 층(52)이 분리된 금속 층(53)에 대한 필요성 없이 장벽/시드 금속 층으로서의 기능을 할 수 있다. 그러한 경우들에서는, 반사성 층(52)이 광학적으로 반사성이고 전기적으로 전도성인 성질들을 처리하는 Ag/Ti/Au, Ag/TiN/Cu, Ag/Ta/Au, Ag/W/Au, Ag/TaN/Cu, Ag/Ta/Au, 또는 Al/TaN/Cu와 같은 임의의 적합한 금속 또는 금속 합금들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 대한 옵션(option)으로서, 에피택셜 방식으로 형성된 디바이스들의 표면은, 금속 기판(60)이 증착되기 전에 플라즈마 처리될 수 있다. 반도체 물질들의 표면을 거칠게 만듦으로써, 플라즈마 처리가 밑에 있는 반도체 층들에 대한 금속 기판(60)이나 시드 층의 접착을 향상시킬 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 전기 및 무전기 화학 도금과 같은 기술을 사용하여, 다층 에피택셜 구조가 금속 도금 층(60)으로 코팅된다. 금속 도금 층(60)은 다수의 금속 층들을 포함하여, 다층 금속 기판의 층들의 두께와 구성을 처리하여 후속 동작들 중에 온도가 상승시 GaN 구조에 금이 가는 것을 최소화시키는 것을 허용한다. 무전기 화학 도금을 통해, 특히 Ni나 Cu와 같은 비교적 두꺼운 금속의 무전기 도금된 금속이나 사파이어에 손상을 가하지 않고 쉽게 제거될 수 있는 코팅이나 폴리이미드 층을 사용하여, 사파이어 기판(40)이 보호된다.
금속 기판의 두께는 10㎛ 내지 400㎛의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서는, 금속 기판(60)이 하나 이상의 층에서 코발트(Co)나 코발트의 합금을 포함할 수 있다. 이온을 포함하는 많은 금속들보다 단단하기 때문에, 금속 기판(60)에 서 코발트를 사용하는 것은, 사파이어 기판(40)이 제거된 후 추가 처리 동안 매우 얇은 웨이퍼 조립체의 안전한 취급 및 조작을 허용할 수 있다. 텅스텐(W), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 또는 이들의 합금과 같은, 다른 적당히 단단한 금속들이 또한 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서는, 하나 이상의 추가 금속 층들(미도시)이 밑에 있는 금속이 산화되는 것을 방지하기 위해 금속 기판(60) 위에 증착될 수 있다. 이들 산화 방지 층들은 Cr/Au, Ni, 또는 Ni/Au와 같은 임의의 적합한 금속이나 금속 합금을 포함할 수 있다.
그 다음, 사파이어 기판(40)이 제거된다. 도 8에 도시된 일 실시예에서는, 레이저 리프트 오프(LLO) 동작이 사파이어 기판(40)에 적용된다. 레이저 리프트 오프를 사용하는 사파이어 기판 제거는, 2000년 6월 6일 Cheung 등에 의해 "Seperation of Thin Films From Transparent Substrates By Selective Optical Processing"이라는 제목으로 특허 허여된, 참조 미국 특허 6,071,795호와, Kelly 등에 의한 제목이 "Optical process for liftoff of group Ⅲ-nitride films"인 논문(Physica Status Solidi (a) vol. 159, 1997, pp. R3-R4)에 공지되어 있다. 더 나아가, 사파이어(또는 다른 절연성 및/또는 단단한) 기판들 위에 GaN 반도체 층들을 제작하는 매우 유리한 방법들은, Myung Cheol Yoo에 의해 2002년 4월 9일 출원되고 제목이 "A Method of Fabricating Vertical Devices Using a Metal Support Film"인 미국 특허 출원 일련 번호 10/118,317호와, Lee 등에 의해 2002년 4월 9일 출원되고 제목이 "Method of Fabricating Vertical Structure"인 미국 특허 출원 일련 번호 10/118,316호에서 교시되고 있다. 추가로, GaN과 사파이어(및 다른 물질들)를 에칭하는 방법이 Yeom 등에 의해 2002년 4월 9일 출원되고 제목이 "A Method of to improve Light Output of GaN-Based Light Emitting Diodes"인 미국 특허 출원 일련 번호 10/118,318호에 교시되어 있고, 이들 모두 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 다른 실시예들에서는, 사파이어 기판이 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의해 제거되거나 화학 기계적 연마에 의해 제거된다.
운반체 기판{예컨대, 사파이어 기판(40)}의 레이저 리프트-오프는 펄스 레이저 조사(irradiation)에 의해 이루어진다. 다른 실시예들에 대해서는, 운반체 기판이 선택된 광-보강된(photo-enhanced) 화학 에칭에 의해 웨이퍼 조립체로부터 제거될 수 있다.
도 8에 도시된 것처럼, n형 전극/결합 패드(70)가 n-GaN 층(42)의 상부에서 패터닝되어 수직 LED를 완성한다. 일 실시예에서, Ni/Cr(Ni가 n-GaN과 접촉하고 있음)과 같은 결합 패드(70)가 CVD, PVP 또는 e빔(ebeam) 증발을 사용하여 증착될 수 있다. 결합 패드(70)는 마스킹 층을 통한 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의해 또는 네거티브(negative) 마스킹 층(네거티브 마스킹 층은 물질들을 가지기를 원치 않는 곳에 존재한다)을 통한 리프트-오프 기술들을 사용하여 형성된다.
본 발명이 예시를 통해 바람직한 실시예들의 관점에서 설명되었지만, 본 발명은 그것들에 제한되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 반대로, 본 발명은 다양한 수정예와 유사한 배치 및 절차를 포함하는 것으로 의도되고, 따라서 첨부된 청구항들의 범주에는 가장 넓은 해석이 주어져서, 그러한 수정예와 유사한 배치 및 절차 전부를 망라하게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 발광 다이오드(LED)의 제작 분야에 이용 가능하다.
Claims (20)
- 방법으로서,운반체 기판 위에 증착된 하나 이상의 반도체 다이(die)를 포함하는 웨이퍼 조립체를 제공하는 단계,금속 기판의 적어도 한 부분을 생성하기 위해 상기 하나 이상의 반도체 다이 위에 적어도 2개의 금속 층을 증착하는 단계,상기 웨이퍼 조립체로부터 운반체 기판을 제거하는 단계, 및추가 처리를 위해 상기 금속 기판을 통해 웨이퍼 조립체를 조작하는 단계를포함하는, 방법.
- 제 1항에 있어서,적어도 2개의 금속 층들을 증착하는 단계는 전기화학 증착(ECD: electrochemical deposition), 무전기 화학 증착(ElessCD: electroless chemical deposition), 화학 증기 증착(CVD: chemical vapor deposition), 플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD: plasma-enhanced chemical vapor deposition), 물리 증기 증착(PVD: physical vapor deposition), 증발, 또는 플라즈마 스프레이(spray) 기술 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 1항에 있어서,적어도 2개의 금속 층 중 하나는 Cu, Ni, Au, Ag, Co, W, Mo 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 적어도 2개의 금속 층 각각은 10㎛와 400㎛ 사이의 두께를 가지는, 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 적어도 2개의 금속 층 중 하나로서 상기 반도체 다이들 위의 시드(seed) 금속 층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 시드 금속 층을 증착하는 단계는, 증발, 스퍼터링(sputtering), CVD, PVD, 금속 유기 화학 증기 증착(MOCVD: metal organic chemical vapor deposition), 또는 ECD 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 시드 금속 층은 Cu, Ni, W, Ta/Cu, Ta/TaN/Cu, TaN/Cu, Ti/TaN/Cu, Ti/Cu, Ti/TiN/Cu, TiN/Cu, Cr/Au, Cr/Au/Ni/Au, Ti/Au, 또는 Ti/Ni/Au 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 시드 금속 층으로서 반사 층이 기능을 하는, 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 반사 층은 Ag/Ti/Au, Ag/TiN/Cu, Ag/Ta/Au, Ag/W/Au, Ag/TaN/Cu, Al/Ta/Au, 또는 Al/TaN/Cu 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 다이들 위에 적어도 2개의 금속 층을 형성하기 전에, 하나 이상의 다이의 표면을 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제 1항에 있어서,적어도 2개의 금속 층 위에 산화 보호층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 산화 보호층은 Cr/Au, Ni 또는 Ni/Au 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 1항에 있어서,하나 이상의 반도체 다이는, LED(light-emitting diode) 다이, 전력(power) 디바이스 다이, 레이저 다이오드 다이, 또는 수직 캐비티(cavity) 표면 방출 디바이스 다이인, 방법.
- 제 1항에 있어서,운반체 기판을 제거하는 단계는, 펄스 레이저 조사, 선택된 광-보강된(photo-enhanced) 화학 에칭, 습식 에칭, 또는 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 방법으로서,운반체 기판 위에 증착된 하나 이상의 수직 발광 다이오드(VLED: vertical light-emitting diode) 다이를 포함하는 웨이퍼 조립체를 제공하는 단계,금속 기판의 적어도 한 부분을 생성하기 위해, 상기 하나 이상의 VLED 다이 위에 적어도 2개의 금속 층을 증착하는 단계,상기 웨이퍼 조립체로부터 운반체 기판을 제거하는 단계, 및추가 반도체 처리를 위해 상기 금속 기판을 통해 상기 웨이퍼 조립체를 다루는 단계를포함하는, 방법.
- 제 15항에 있어서,상기 VLED 다이들은 GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlInGaN 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 15항에 있어서,적어도 2개의 금속 층을 증착하는 단계는, ECD, ElessCD, CVD, PECVD, PVD, 증발, 또는 플라즈마 스프레이(spray) 기술 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 15항에 있어서,적어도 2개의 금속 층 중 하나는 Cu, Ni, Au, Ag, Co, W, Mo 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제 15항에 있어서,상기 적어도 2개의 금속 층 각각은 10㎛와 400㎛ 사이의 두께를 가지는, 방법.
- 제 15항에 있어서,상기 적어도 2개의 금속 층 중 하나로서 상기 VLED 다이들 위의 시드(seed) 금속 층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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