TWI283031B - Method for integrating compound semiconductor with substrate of high thermal conductivity - Google Patents

Description

1283031 九、發明說明：· 發明領域 本發明係關於一種利用低溶點金屬來結合化合物 半導體與高熱導係數基板的方法，特別是一種有關於利 用銦（Indium)與金(Gold)形成合金導接層，來結合化合 物半導體與高熱導係數基板之導接製程。 發明背景 化合物半導體通常乃是在III-V族基板，例如砷化 錄（GaAs)、石粦化I因（InP)、及石粦化I家（GaP)，與氧化#呂基 板(A1203)上成長磊晶層，以形成N型和P型半導體。 隨後將磊晶片經過化學、微影、蝕刻、蒸鍍、研磨等製 程，形成化合物半導體元件，如發光二極體（light emitting diode，LED)，並切割為晶粒。最後將晶粒黏 著在導線架，再封裝成燈泡等產品。 因提供磊晶成長的基板通常具有較低之熱導係數 (<80W/m-K)，致使封裝後之元件無法操作在較高電 流，因而無法達成較高的輸出功率。同時，也因基板之 熱導係數較低，導致元件於外在因素，如氣候，影響下 910101-BTW 7 1283031 其操作哥命嚴重衰退·。 因此，針對上述先前技術的缺點，有必要提供一種方法， 使得磊晶層可形成於較高熱導係數的基板上。 發明概述 鑒於上述之發明背景中，傳統化合物半導體元件的基板 之熱導係數較低，本發明乃採用—娜點金屬來結合化合物 半導體與高鮮舰基板，並將前者基板去除，用以改善元 件哥命與能達成高功率輸出效能之製造方法。 本發明之一方面為本發明提供一種形成垂直堆疊之晶 片結構的方法，其僅需要一單一導線，使得配線變得更容易 施行，並且可以降低製造成本。 本發明之又一方面係提供一種可在較低溫度（約在 156°C至400°C)下進行之導接製程，且可獲得較佳之導 接效果。 本發明之另一方面係提供一種導接方法，其利用一

910101-BTW 1283031 種y於低溫(約·c)下融成液態之導接層，即便化合物半導 體曰曰片表科平整’也可以_導接層將其緊密地接合在一 起。 本毛明之再一方面為提供一種形成具高熱導係數 基板之it件的方法，其具有良好的散熱效果，因此元 件的效能穩定性較佳，且可以被應用於較高的電流之 下。 本發明之又一方面為提供一種高良率與低成本之 量產結果的導接製程。 本發明方法包含提供一化合物半導體結構，其包括一基 板及一磊晶層形成於基板上。然後，形成一第一導接層於磊 曰曰層上。選擇一咼熱導係數基板，其熱導係數大於化合物半 導體結構之基板。然後，形成一第二導接層於高熱導係數基 板上。於一溫度，加壓化合物半導體結構之基板及高熱導係 數基板，使得第一導接層及第二導接層接觸，以形成一合金 導接層。

910101-BTW 1283031 化合物半導體結構之基板係一化合物半導體基板， 且其材質係選自砷化鎵(GaAs)、磷化銦（InP)、磷化鎵 (GaP)及藍寶石（sapphire)之中的一種。高熱導係數基板之 材質係選自矽(Si)、鋁（A1)、銅（Cu)、破化矽（SiC)、鑽 石（diamond)、石墨（graphite)、鉬（Molybdenum)、及氮 化鋁（Aluminum nitride)之中的一種。而形成合金導接層 的溫度係約160°C至約40(TC之溫度範圍。本發明之一特點 係第一導接層或第二導接層為一熔點係介於約15(rc至約 4〇〇C之間的金屬層，如銦(indium)，而相對之另—導接層的 材質係為任何可與其形成合金導接層之材料，如金。因祕 結合時，低溶點的金屬會成為液態，耐吏得導接步驟更易進 行0 本發明形成第二導接層之步驟包含形成-潤濕層 (wetting layer)於基板上。然後，形成一阻障層（barrier layer)於潤濕層上’以及形成第二導接層於阻障層上。潤 濕層係用以增加其他材料；s點荽 _ 、* 十層黏者於面熱導係數基板的 能力。而阻障層係用以防止笙-道 巧止弟一導接層的材料發生内 部擴散(internal diffusion)到其他声。

910101-BTW 1283031 •此外’為避免高熱導係數基板於製程中與化學容易產生 反應’本發明方法更包含於高熱導係數基板上形成一保護 層’如鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)及鉻(Cr)等，以防止高導熱係 數基板於製程中發生不必要的化學反應。 圖式簡單說明 圖1顯示本發明提供之化合物半導體結構，及揭示形成於 其上的第一導接層； 圖2顯不本發明之高熱導係數基板，及揭示形成第二導接 層之步驟； 圖3顯示本發明之化合物半導體結構及高鮮係數基板 之結合不意圖； 圖4顯示本發明之化合物轉咖級高鱗係數基板 上； 圖5A顯示本發明具保護層之高熱導係數基板 ;以及 圖5B顯不本發明之化合物半導體形成於具保護層之高熱 導係數基板上。 圖式元件符號說明 10化合物半導體料U化合物半導體基板

910101-BTW 1283031 14蠢晶層 20高熱導係數基板 16第一導接層 22潤濕層 24阻障層 28保護層 26弟一導接層 30合金導接層 發明詳細說明 本發明揭露一種利用低熔點金屬來結合化合物半導 體與南熱導係數基板的方法，為了使本發明之敘述更加詳 盡與完備，可參照下列描述並配合圖1至圖5之圖示。 本舍明方法’首先睛參考圖1，其包含提供一化合物半導 體結構10，而化合物半導體結構1〇包含一化合物半導體基板 12及一磊晶層14成長於化合物半導體基板12上。其中， 化合物半導體基板12之材質係選自砷化鎵(GaAs)、磷化 銦（InP)、填化鎵(GaP)及藍寶石（sapphire)之中的一種。蠢 晶層14則是利用現行磊晶技術形成的磊晶結構層。然 後形成一弟一導接層16於遙晶層14上。 之後，參考圖2選擇一高熱導係數基板20，且高熱導 係數基板20之熱導係數大於化合物半導體基板12之熱導 係數。一般是選擇熱導係數2 80 W/m-K的材質作為高 熱導係數基板20，如矽(Si)、鋁(A1)、銅（Cu)、碳化矽

910101-BTW 12 1283031 (SiC)、鑽石（diamond)、石墨（graphite)、鉬 (Molybdenum)、及氮化鋁（Aluminum nitride)之中的一 種。然後，形成一潤濕層22於高熱導係數基板2〇上。 潤濕層22係用以增加其他材料層黏著於高熱導係數基 板20的能力，其材質係選可自鉻（chromium)、鈦 (Titanium)、及鎳（Nickel)之中的一種。 而後，形成一阻障層24於潤濕層22上。阻障層24係用 以防止後續形成之第二導接層26的材料發生内部擴散 (internal diffusion)到潤濕層22或高熱導係數基板2〇 〇阻障層 24之材質係可選自鉬（Molybdenum)、鉑（Platinum)、嫣 (Tungsten)、氧化銦(Indium oxide)、氧化錫(Tin oxide)、氧化銦 錫(Indium tin oxide)、氧化鋅(Zinc oxide)及氧化鎂(Magnesium oxide)之中的一種。 然後，形成一第二導接層26於阻障層24上。本發明之 一特點係第一導接層16或第二導接層26為一熔點係介於約 150 C至約400 C之間的金屬層，如銦(indium)。而相對之另一 導接層的材質係為任何可與此金屬層形成合金導接層之材 料，如金(gold)。例如，第一導接層16之材質為金，則第二導 接層26之材貝即為銦。或如，第一導接層μ之材質為銦，貝

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910101-BTW 13 1283031 第二導接層26之材質即為金。此外，形成第一導接層16及第 $接層26的方法，可包含沉積、蒸鐘 (evaporation)、及濺鍍(sputter) 〇 隨後請參照圖3,將第一導接層16與第二導接層 26面對面並加壓，置於一溫度之環境下進行導接製 程，以形成一合金導接層30。此溫度因所選擇之金屬 導接層的熔點而異，其以高於或等於此二導接金屬之較 低溶點’皿度者為選擇條件。以銦及金為例，係將銦導接 層與金導接層面對面並加壓，置於溫度約156t至約400 C之環境下，且其較佳溫度約200X：之環境下，進行導接 製程。因為銦之魅為156χ：，在雇t環境下即會融 化，亚與金導接層形成強健的合金(Auln2)導接層3〇(顯 示於圖4)，而此合金之熔點約為450°C。 〜此外’ m為在導接步射低魅之金料接層係呈現液體 狀態，因此可轉統固祕壓連接切術獲得更佳之連接效 果同日寸，即便化合物半導體晶片表面不平整，也可以利用導 接層將其緊密地接合在一起。 、

910101-BTW 1283031 之後’請參照圖4，去除化合物半導體結構10之基板12， 以完成將化合物轉體軸於冑鱗係數絲2Q之製程。例 如’以濕式化學爛法或乾式侧法絲掉化合物半導體基板 12’如此-來即可將原先成長在化合物半導縣板上之蟲晶層 14，藉由低馳金屬，以低溫導接製程縣晶層14置換於高 熱導係數基板20上。 在此必須注意的是，為避免高熱導係數基板20於製程中 與化學藥啦生反應。制是當去除化合物半導魏構1()之 _ 基板12蚪，疋利用濕蝕刻或乾钕刻的技術，使得高熱導係數 _ 基板2〇 ’如銅、銘等，因其本身活性大，易與化學溶液產生 反應。因此’本發明方法更包含於形成醜層22前，在高熱 導係數基板2G上形成-倾層28，如雜i)、金(Au)、銀 及鉻(Cr)等’以防止高導熱係數基板2〇於製程中發生不必要 · 的化學反應(如圖5A所示)。形成保護層28的方法包含以電鍍 方式將高導難數基板2〇包覆—層缝微米㈣㈣的金屬 保護層。因為保護層28的厚度相對於高熱導係數基板2〇的厚 度而言非常小，因此對於高熱導係數基板2〇的熱導性不會有 太大的影響。因此，圖5B係顯示化合物半導體1〇形成二具 保護層28之高熱導係數基板2〇上。

910101-BTW 15 1283031 本發明之一優點為本發明提供一垂直堆疊之晶片結構僅 需要一單一之導線，使得配線變得更容易施行，並且可以降低 製造成本。 本發明之另一優點為可在較低溫度(約156。〇至約4〇〇。〇 下進行導接製程。 本發明之又一優點為低熔點金屬，如銦，可於低溫(約在 200C)下融成液悲’即便化合物半導體晶片表面不平整，也可 以利用導接層將其緊密地接合在一起。 本發明之再-優點為高熱導絲基板具有良好之散熱效 果，因此7G件的效能穩定性較佳且可以被應用錄高的電流之 下。而且本發明之製程條件簡單，可獲得高良率與低成 本之I產結果。 以上所述僅為本翻之雛實施_已，並義以限定本 發明之申料圍；凡其它未雜本發明所揭示之精神下所 完成之等效改變雜錦，均應包含在下述之申請專利範圍内。

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Claims (1)

1283031 •十、申請專利範圍： 1· 一種結合一半導體結構與一基板之方法，包含： 提供該半導體結構，包含一第一基板及一磊晶層於該第 一基板上， 形成一第一導接層於該蠢晶層上； 形成一第二導接層於該基板上；以及 連結該第一導接層及該第二導接層，以形成一合金導接 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板之熱導係 數約大於80W/m-K。 3·如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一基板係一 化合物半導體基板，且材質係選自砷化鎵(GaAs)、磷化 鋼（InP)、鱗化嫁（GaP)及藍寶石（sapphire)之中的一種。 4·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基板之材質係 選自矽（Si)、鋁（A1)、銅（Cu)、碳化矽（sic)、鑽石 (diamond)、石墨如响㈣、鉬（M〇lybdenum)、及氮化 紹(Aluminum nitride)之中的一種。 910101-BTW 17 1283031 5.如申請專概圍第1項所述之枝，其找連結步驟包含 將第&接層Φ對第—導接層，於約1筑至約之溫度 範圍加壓而成。 6·如申請專·圍第1項輯之方法，其中鮮-導接層為 -金屬層’且齡屬層之雜係介㈣1贼至約·c之間。 7·如申料她圍第6項所述之方法，其巾鮮—導接層為 之材質為錮(Indium)。 8·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該第二導接層為 之材質為金(gold)。 9·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二導接層為 一金屬層，且該金屬層之熔點係介於約15〇°C至約400°C之間。 10·如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該第二導接層為 之材質為銦(Indium)。 18 910101-BTW I283〇3i 11.如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該第.一導接層為 之材質為金(gold)。 12·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該形成該第二導 接層之步驟包含： 形成一保護層於該基板； 形成一潤濕層於該保護層上； 形成一阻障層於該潤濕層上；以及 形成該第二導接層於該阻障層上。 13·如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該保護層之材質 係選自鎳、金、銀及鉻之中的一種。 14·如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該潤濕層之材 質係選自鉻（Chromium)、鈦（Titanium)、及鎳（Nickel)之 中的一種。 15·如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該阻障層之材 質係選自铜（Molybdenum)、舶（Platinum)、嫣（Tungsten)、 氧化銦(Indium oxide)、氧化錫(Tin oxide)、氧化銦錫(Indium tin 910101-BTW 19 1283031 oxide)、氧化鋅(Zinc oxide)及氧化鎂(Magnesium oxide)之中的 —種ο 16·如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含於形成該合金 導接層後，去除該第一基板之步驟。 17· —種形成一化合物半導體於一高熱導係數基板之方 法，包含： 提供該化合物半導體，包含一化合物半導體基板、一遙 晶層於該化合物半導體基板上； 形成一第一導接層於該遙晶層上； 選擇邊南熱導係數基板’且該高熱導係數基板之熱 導係數大於該化合物半導體基板之熱導係數； 形成一保護層於該高熱導係數基板上； 形成一潤濕層於該保護層上； 形成一阻障層於該潤濕層上； 形成一第二導接層於該阻障層上； 於一溫度，加壓該化合物半導體基板及該高熱導係數基 板，使得該第一導接層及該第二導接層接觸，以形成一合金 導接層；以及 910101-BTW 20 1283031 去除該化合物半導體基板。 18·如申請專利範圍第π項之方法，其中該化合物半導 體基板之材質係選自神化鎵(GaAs)、填化銦(InP)、填化 鎵(GaP)及藍寶石（sapphire)之中的一種。 19·如申請專利範圍第π項所述之方法，其中該高熱導係數基 板之材質係選自矽(Si)、鋁（A1)、銅（Cu)、碳化矽（SiC)、 鑽石（diamond)、石墨（graphite)、銦（Molybdenum)、及 氮化紹（Aluminum nitride)之中的一種。 20·如申請專利範圍第π項所述之方法，其中該保護層之材質 係選自鎳、金、銀及鉻之中的一種。 21·如申請專利範圍第π項所述之方法，其中該潤濕層之材 質係選自鉻（Chromium)、鈦（TitaniUm)、及鎳（Nickel)之 中的一種。 22·如申請專利範圍第π項所述之方法，其中該阻障層之材 質係選自鉬（Molybdenum)、鉑（piatinuin)、鎢（Tungsten)、 910101-BTW 21 1283031 氧化銦(Indium oxide)、氧化錫(Tin oxide)、氧化銦錫(indium tin oxide)氧化鋅(zinc oxide)及氧化鎂(Magnesium oxide)之中的 一種。 23·如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該溫度係介於約 156°C至約40(TC之間。 24·如申請專利範圍帛n項所述之方法，其中該第一導接層為 金屬層’且該金屬層之溶點係介於約15〇。〇至約4〇〇。匸之間。 25·如申請專利範圍第Μ項所述之方法，其中該第一導接層為 之材質為姻(Indium)。 詆如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該第二導接層為 之材質為金(gold)。 27. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該第二導接層為 i屬層且4金屬層之賴係介於約丨航錢*⑻。c之間。 28. 如申請專利範圍第27項所述之方法，其中該第二導接層為 910101-BTW 22 ^8303! 之材質為姻(Indium)。 . 9·如申請專利範圍第28項所述之方法，其中該第一導接層為 之材質為金(gold)。 3〇·—種結合一半導體結構與一基板之方法，包含： 提供該半導體結構，包含一第一基板及一磊晶層於該第 —基板上； 形成一第一導接層於該磊晶層上； 形成一保護層於該基板上； 形成一第二導接層於該保護層上；以及 連結該第一導接層及該第二導接層，以形成一合金導接 層。 31·如申請專利範圍第30項所述之方法，其中該基板之材質 係選自矽(Si)、鋁(A1)、銅(Cu)、碳化矽(Sic)、鑽石 (diamond)石墨（graphite)、！目（Molybdenum)、及氮化 在呂（Aluminum nitride)之中的一種。 32·如申明專利|巳圍第3〇項所述之方法，其中該保護層之材質 910101-BTW 23 1283031 係選自鎳、金、銀及鉻之中的一種。 . 33·如申請專利範圍第30項所述之方法，其中該第一導接層為 一金屬層，且該金屬層之熔點係介於約150°C至約400°C之間。

34·如申請專利範圍第33項所述之方法，其中該第一導接層為 之材質為銦(Indium)。 35·如申請專利範圍第34項所述之方法，其中該第二導接層為 之材質為金(gold)。 36·如申請專利範圍第3G項所述之方法，其中鮮二導接層為 -金屬層，且該金屬層之賴係介於約l5(rc至約4⑻。c之間。 37·如申μ專利fe®第36項所述之方法，其中該第二導接層為 之材質為銦(Indium)。 38·如申清專利範圍第37項所述之方法，其中該第一導接層為 之材質為金(gold)。 910101-BTW 24