CN101017779A - 在磷化铟InP基片上形成通孔的方法及半导体光电器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体材料加工技术领域，特别是一种在InP基片中湿法刻蚀孔或通孔的方法。方法包括利用电化学腐蚀的方法先在通孔位置电化学腐蚀出穿透InP基片电流微孔，微孔腔与InP基片表面垂直，再采用常规化学腐蚀液进行通孔刻蚀；电化学腐蚀形成的与通孔方向一致多孔的InP。另外，提供了这种通孔的金属化填充方法。半导体光电器件，包括：基片、光电器件有源区外延层、金属化填充的导电通孔、背电极金属层、正电极、焊接凸点、以及器件钝化保护层，在掩膜层上采用常规光刻工艺光刻出通孔开口图形，通孔形成在磷化铟InP衬底上，该半导体光电器件结构具有一正表面和一基本与其相对的背表面，光电器件采用倒扣封装模式。

Description

在磷化铟InP基片上形成通孔的方法及半导体光电器件

技术领域

本发明涉及半导体材料加工技术领域，特别是一种在InP基片中湿法刻蚀孔或通孔的方法。

背景技术

由于化合物半导体材料，如GaAs、InP、GaN、SiC等，与硅材料相比，在带隙宽度、载流子迁移率、高阻特性、发光特性等材料特性的差异，使得GaAs基、InP基、GaN基、SiC基等化合物半导体器件与硅器件相比，在如器件速度，功率，功耗和工作温度等某些方面具有更好的性能。目前，基于硅的集成电路通常不适应于比大约3-4GHz更高的频率，微波器件和单片微波集成电路(MMIC)采用GaAs、InP、GaN、SiC等化合物半导体材料；另外，由于硅是间接带隙材料，发光效率低，半导体光电器件亦采用GaAs、InP、GaN、SiGe等。

以异质结双极晶体管(HBT)和高电子迁移率晶体管(HEMT)为基础单元的MMIC将衬底背面金属化，且作为地。当器件高频(GHz)工作时，器件需要用导电通孔才能做到与地充分接触，减小跳线引起的寄生电感和附加噪声，同时改善MMIC的散热能力，提高芯片工作性能。刻蚀通孔成为MMIC制备中的重要工艺。刻蚀方法大致分为湿法和干法两种，湿法主要依靠化学溶液来腐蚀材料，干法主要是依靠在低压气体中产生的离子体，通过与材料的物理/化学反应达到刻蚀目的。由于湿法腐蚀的各向异性，腐蚀速度受材料晶向影响，另外侧向腐蚀严重，而且通常MMIC上的通孔尺寸小且纵横比较大(直径大约在20-100μm，深度100-300μm)，难以采用常规湿法刻蚀获得规则形状且较陡直孔壁的通孔，所以目前普遍采用干法来刻蚀通孔。干法刻蚀具有选择性和均匀性好，刻蚀速率易于控制，刻蚀界面光滑，侧蚀小，孔壁陡峭等特点。干法刻蚀主要包括反应离子刻蚀(RIE)、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)、电子回旋加速谐振离子体刻蚀(ECR)等。常用反应气体包括含氟化合物和含氯化合物，如CF₄、SF₆、NF₃、BCl₃、SiCl₄、CCl₂F₂，以及CL₂、O₂、H₂、Ar₂等，刻蚀速率因半导体材料和刻蚀系统的不同而有较大差异，大约在0.05μm/min-15μm/min范围。虽然干法通孔刻蚀在III-V族半导体MMIC中获得了广泛的应用，但是干法刻蚀设备昂贵，工艺成本高，刻蚀界面存在晶格缺陷，对器件性能和寿命造成潜在威胁。随着化合物半导体器件中通孔结构应用的日益广泛，仍然需要更廉价，高效的刻蚀方法。Adarsh Sandhu在“Micro dilled‘via holes’in III-V semiconductors”，III-Vs Review，Vol.18 No.5，2005中报道了采用微钻头在GaAs衬底上以纯物理方法钻孔，该机械方法依次使用大小两根不同直径的金刚石钻头(第一根直径700μm，第二根直径60μm)，形成的通孔呈喇叭状，孔壁垂直度差，孔径较大，通孔密度受限，另外，孔壁受到的机械损伤比干法刻蚀更严重。由于湿法腐蚀设备简单，成本低廉，湿法刻蚀通孔一直是一个探索方向，例如Stacey Bui等人在“An Indium Phosphide BacksideVia Process for Microwave and Millimeter Wave Applications”中报道了采用乙酸，溴酸和重铬酸钾腐蚀液刻蚀InP通孔，55℃下刻透100μm厚的InP衬底需要55分钟，形成的通孔呈倒四棱锥形，底部40μm×40μm，顶部150μm×150μm，可见此方法形成的通孔形状严重受到晶向的制约，通孔形貌受限。

人类对信息的巨大需求推动光纤通信日新月异的发展，尤其是InP基材料，如InP衬底上生长的InGaAsP，因为他们的能带结构对准1.3μm，1.55μm的光纤通信窗口，成为制备各种光通信光电器件的重要半导体材料。这些光电器件包括：激光器、发光二极管、超辐射管、光探测器、光调制器、光放大器、光开关、光波导器件以及各种多功能集成光电器件等等。结合商业需求，光通信光电器件总是朝着低成本、高性能的方向发展。低成本、低功耗、良好散热、无制冷、高速率成为光电器件发展方向，例如，无制冷10GHz直调1.3μmDFB激光器(LD)，无制冷1.3μm，1.5μm集成电吸收调制的激光器(EML)。需要一种工艺，能减小InP基光电器件在封装中的寄生效应，提高器件频率特性，同时还需要一种工艺，能增强InP基光电器件的散热能力，改善器件温度特性。

对多孔半导体材料的研究兴趣源自上世纪九十年代初在多孔硅材料中发现的有别于单晶硅的异常的电光性质，随后人们对多孔半导体进行了广泛、深入研究，包括多孔半导体材料的制备方法、多孔形成机理、孔洞形貌、多孔半导体表现的新特性及潜在应用前景等。其中最引人瞩目是III-V族半导体多孔材料，如GaAs、InP、GaP，特别是在III-V族半导体上形成具有一定自组织排列的规则微孔的研究。电化学腐蚀(或阳极氧化)是在半导体材料上形成微孔的最切实可行的方案。获得的微孔尺寸因材料而异，即使对相同材料孔径大小也受多种因素影响，如半导体的结晶特性(缺陷密度，杂质浓度等)、导电率、晶向、电解液的性能和温度，最重要的是恒流腐蚀时的电流值或恒压腐蚀时的电压值。总体来说，GaAs、InP、GaP微孔直径大约在50nm-5μm范围，孔壁厚大约100nm。电化学腐蚀的微孔是具有方向性的，大体可以分为两类，一类是沿着晶体结晶学的晶向，例如<111>B方向，称为晶向微孔；一类是沿着电流方向，始终垂直于样品中的等电位面，除样品边缘外，微孔方向总是垂直于样品表面，称为电流微孔。图1是HelmutFll等人在“Pores inIII-V Semiconductors”，Adv.Mater.，2003，15，No.3，February 5中报道的(100)晶向的n-InP材料电化学腐蚀形成的电流微孔和晶向微孔的剖面和电流微孔俯视的扫描电镜照片。电流微孔通常产生于较大腐蚀电流的情况下，通孔生长速度也较快，超过10μm/min，例如600μm厚的InP基片在60min内就能完全腐蚀透。

发明内容

本发明提供一种在InP基片中湿法刻蚀孔或通孔的方法，孔径可以小到几十微米，并且能够很好的削弱和抑制湿法刻蚀中晶向的影响，能同干法刻蚀一样形成圆形，方形，三角形等任意开口形状的通孔，并有好的孔壁垂直度。另外，提供了这种通孔的金属化填充方法。

在另一个方面中，本发明提供一种在InP衬底上制备分立和集成高频光电器件的方法，其减少线连接以避免在高频部分产生不希望的寄生电感。这种光电器件结构中包括：具有上(正面)，下(背面)表面的InP基片衬底；InP衬底下表面金属化层；贯穿所述InP衬底的导电通孔；在所述InP衬底上表面覆盖所述导电通孔的焊接凸点；在所述InP衬底上表面上的化合物半导体外延层，如InGaAsP、InGaAlAs、InGaNAs、InGaP等，但不限于此；在所述化合物半导体外延层表面上的电极和焊接凸点；以及覆盖包括所述器件的所述外延层的绝缘、钝化和保护涂层，可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、聚酰亚胺、BCB聚合物一种材料的涂层，也可以是它们几种材料单层叠加起来的多层涂层，但不限于这些材料。

在另一个方面中，本发明提供一种带通孔的InP光电器件的封装，以减小或消除线连接引起的寄生效应，同时改善器件散热。

下面结合附图对本发明的目的，优点以及其实现方法进行详细的描述，其中：

由于光电器件以及光电集成器件的背景技术和它们的功能是本领域所公知的，为了突出本发明，除非必要否则不具体描述其细节。按照相同方式，对于本领域公知的特定处理步骤，仅予以简单说明而不做详细描述。但是对于本发明创新性的特殊的方法、步骤和特性，将给予详尽的描述。

一种在磷化铟InP基片上形成孔或通孔的方法，包括利用电化学腐蚀的方法先在通孔位置电化学腐蚀出穿透InP基片电流微孔，微孔腔方向与InP基片表面垂直，再采用常规化学腐蚀液进行通孔刻蚀；电化学腐蚀形成的与通孔方向一致的多孔InP。

所述的在磷化铟InP基片上形成孔或通孔的方法，还包括：通孔金属化填充方法，溅射或蒸发金属起镀层，形成与通孔壁无缝隙的金属填充。

一种带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，包括：基片(1)、背电极金属层(2)、电镀金层(3)、掩膜层(4)，其特征在于，在掩膜层(4)上采用常规光刻工艺光刻出通孔开口图形(5)，通孔形成在磷化铟InP衬底上，该半导体光电器件结构具有一正表面和一基本与其相对的背表面，光电器件采用倒扣封装模式。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，磷化铟InP基片(1)的背表面上覆盖有背电极金属层(2)以及电镀增厚金层(3)。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，通孔从所述掩膜层(4)贯穿磷化铟InP基片一直延伸到背电极金属层(2)，也就是经化学腐蚀液后，孔内的背电极金属层(2)是完全均匀暴露的。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，通孔的电化学腐蚀所获得的多孔磷化铟InP是微孔腔与表面垂直的电流微孔。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，通孔的金属化填充包括溅射或蒸发金属起镀层(8)，电镀填充金属，形成连通磷化铟InP基片正，背表面的导电通路。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其光电器件使用的外延材料生长层面积仅为InP衬底正表面面积的一部分，另外一部分InP衬底正表面上的外延生长材料按照器件性能要求需要去除，或者虽然另外一部分InP衬底正表面上的外延生长材料不是必须被去除的，但是去除这一部分外延生长材料不会对器件性能产生任何不良影响，总之，可以获得一部分InP衬底正表面被器件结构覆盖而另外一部分InP衬底正表面裸露的状态。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其中所述的磷化铟InP基片衬底是n型或p型掺杂的，而不是半绝缘的；而且进一步包括：

大面积覆盖磷化铟InP衬底背表面的背电极层(2)以及电镀增厚金层(3)，它们作为半导体光电器件的背电极；

贯穿磷化铟InP衬底的一个或多个通孔，形成从所述半导体光电器件的背电极延伸到其正表面的完整电通路；

半导体光电器件的正电极是有一定图形形状的。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其通孔顶端和正电极的焊盘上是有焊接凸点的。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其倒扣封装热沉上表面是凹凸不平的，且这种凹凸不平是与半导体光电器件的正表面形貌相对应的。

所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，半导体光电器件倒扣封装热沉上、下表面是有薄膜电路的。

附图说明

图1是晶向n-InP基片的电化学腐蚀微孔扫描电镜照片图。

图2至图6为示出根据本发明在InP基片上形成通孔以及通孔金属化填充图。

图7至图8为示出根据本发明制备带有通过InP衬底到达器件正面的通孔的光电器件制备方法图。

图9至图10为根据本发明形成的InP衬底的光电器件的倒扣封装模式图。

具体实施方式

在第一方面中，本发明是一种在InP基片中形成通孔的方法，最终目的是完成一种带有接地通孔的分立或集成光电器件。形成通孔的方法为：先利用电化学腐蚀的方法，在通孔位置电化学腐蚀出电流微孔，这些微孔腔与InP基片表面垂直，微孔与相邻微孔间的孔壁很薄，厚度仅有大约100nm左右；由于电化学腐蚀不引起腐蚀界面的机械损伤，所以孔壁保持良好的晶格结构，可以认为是纳米级晶体；此时通孔位置的形貌可以形象的比喻成蜂窝状；接着可以采用常规的InP腐蚀液进行通孔刻蚀，例如盐酸溶液或溴溶液等等；总的来说，就是电化学腐蚀+常规湿法腐蚀。其特点在于电化学腐蚀形成的与通孔方向一致的多孔InP，提高了随后化学腐蚀液的腐蚀速度，进而相对抑制了化学腐蚀液对通孔侧壁的侵蚀量，同时相对抑制了化学腐蚀的各向异性，从而保证了通孔侧壁的垂直度，并且可以形成圆形、方形、三角形等各种光刻掩膜图形工艺能实现的通孔开口形状。

图1是(100)晶向n-InP基片的电化学腐蚀微孔扫描电镜照片。其中，a)剖面照片上部分为电流微孔，下部分为晶向微孔

b)电流微孔俯视照片

图2为示出一n-InP基片1的截面图，其中包括背电极金属层2，它可以是器件要求的背电极金属结构，例如钛/铂/金、金锗镍合金；电镀金层3，其作用是增加通孔刻蚀后孔口金属层的机械强度，同时提高器件在后续封装过程中的烧结能力；掩膜图形层4，它要求与基片1有良好的黏附力，并且对选用的电化学腐蚀液和化学腐蚀液有足够的抵抗力，可以是光刻胶，聚合物，氧化硅，氮化硅等单层或多层复合掩膜，但不限于此，在掩膜层4上采用常规光刻工艺光刻出通孔开口图形5。2、3层共同作为随后电化学腐蚀的电极层。

图3示出电化学腐蚀后的截面图。在一定电流和电压下，在通孔位置形成微孔方向垂直于InP基片表面的多孔InP材料6。

图4示出化学腐蚀后形成的贯穿InP基片的通孔7。无论电化学腐蚀还是化学腐蚀都需要刻蚀阻止层，或者是以背电极金属层2作为刻蚀阻止层，这时金属层2中至少含有一层对使用的电化学腐蚀液和化学腐蚀液呈现惰性的金属材料，或者以电镀金层3作为刻蚀阻止层。

图5为示出去除掩膜图形层4后，溅射或蒸发金属起镀层8，目的是形成与通孔壁无缝隙的良好的金属填充。

图6示出填充通孔后的截面图，其中包括钝化层9，它可以是氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，聚酰亚胺等，同时在电镀时起到掩膜的作用；电镀金属柱10，可以是电镀金或电镀铜；焊接凸点11，可以是回流的铅锡凸点，也可以是金凸点或金锡凸点。

如上文所述，本发明目的是在InP衬底基片1中形成一个通孔，并且使用该通孔提供通过从基片1下表面到达基片1上表面的电通路。但是本发明的方法和所获得的结构更加一般的可扩展到形成多个通孔，以通向一个集成器件中的多个器件。但是通过简化示图以便更加清楚地给出本发明的具体方法步骤。

在第二方面，本发明给出一种带有上述通孔的光电器件结构，此结构避免了封装时的线连接，以消除或减小寄生电感，提高器件频率特性。

图7示出一般高频光电器件的结构示意。熟悉半导体光电器件结构的技术人员将立即认识到这是一个脊形结构，可以是激光器，也可以是调制器或其他器件。本发明同样适用于掩埋结构的光电器件。其中图(a)为高频光电器件结构的截面图，(b)为此结构对应的俯视图，意在示出正面电极图形。其中1、2与上文的含义相同；12示意光电器件外延材料生长结构；绝缘钝化层13，可以是氧化硅，氮化硅，氮氧化硅；14可以是聚酰亚胺Polyimide、BCB、厚的氧化硅，氮化硅，氮氧化硅等低介电常数的材料，目的是减小器件电容；15为正面电极。

图8示出本发明给出的带有通孔的光电器件结构，各数字标示的含义同上文相同，在此不再赘述。

在第三方面，本发明给出上述通孔的光电器件的倒扣焊封装，避免了线连接，消除了线连接引起的不希望的寄生参数。同时这种倒扣焊封装提供了器件正面的散热通道，提高了器件的温度特性。

图9示出本发明给出的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件倒扣焊封装热沉示意图。其中热沉基底材料17可以是陶瓷材料如氧化铝、氮化铝、氧化铍，高、低温烧结陶瓷如玻璃陶瓷，高阻硅片等，但并不仅限于这些；热沉基底上表面的凹凸不平可以是热沉基底材料自身形成的，也可以是在平坦的热沉基底材料表面通过涂覆或生长其他绝缘材料再通过常规半导体工艺而形成的，这些绝缘材料如有机聚合物聚酰亚胺，BCB等，但并不仅限于此；热沉基片上表面的凹凸不平是与半导体光电器件的正表面形貌相一致的；热沉基片上表面与半导体光电器件的凸点相对应位置同样制备有相应的凸点；金属布线层16，其金属体系可以是TiW/Ni/Au、Ti/Au、Cr/Cu/Ni/Au等，但并不仅限于这些。

图10示出本发明给出的光电器件倒扣焊封装示意图。通常光电器件的有源区距离器件正表面电极仅有几个微米，这样通过正表面散热的效果更好，同时直径几十至百微米的填充着高电导率的金/铜金属的通孔提供了另一散热通路。与器件正负电极凸点对应的热沉上的凸点，可以直接做在高频微带传输线如共面波导传输线CPW，槽线Slot Line等的信号线和地线上，高频微带传输线的设计易于通过软件设计优化，减少了线连接射频不连续引起的微波震荡和损耗，使得实现高频封装的难度降低，进而提高封装组件的频率特性。

以上对本发明的特点和具体实施方法进行了详细的阐述，并且采用了具体的术语，这些描述语句是说明性的而非限制性的。

Claims (12)

1.一种在磷化铟InP基片上形成孔或通孔的方法，包括利用电化学腐蚀的方法先在通孔位置电化学腐蚀出穿透InP基片电流微孔，微孔腔与InP基片表面垂直，再采用常规化学腐蚀液进行通孔刻蚀；其特征在于，电化学腐蚀形成的与通孔方向一致的多孔InP。

2.根据权利要求1所述的在磷化铟InP基片上形成孔或通孔的方法，还包括：通孔金属化填充方法，溅射或蒸发金属起镀层，形成与通孔壁无缝隙的金属填充。

3.一种带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，包括：基片(1)、背电极金属层(2)、电镀金层(3)、掩膜层(4)，其特征在于，在掩膜层(4)上采用常规光刻工艺光刻出通孔开口图形(5)，通孔形成在磷化铟InP衬底上，该半导体光电器件结构具有一正表面和一基本与其相对的背表面，光电器件采用倒扣封装模式。

4.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，磷化铟InP基片(1)的背表面上覆盖有背电极金属层(2)以及电镀增厚金层(3)。

5.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，通孔从所述掩膜层(4)贯穿磷化铟InP基片一直延伸到背电极金属层(2)，也就是经化学腐蚀液后，孔内的背电极金属层(2)是完全均匀暴露的。

6.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，通孔的电化学腐蚀所获得的多孔磷化铟InP是微孔腔与表面垂直的电流微孔。

7.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，通孔的金属化填充包括溅射或蒸发金属起镀层(8)，电镀填充金属，形成连通磷化铟InP基片正，背表面的导电通路。

8.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，半导体光电器件，其光电器件使用的外延材料生长层面积仅为InP衬底正表面面积的一部分，另外一部分InP衬底正表面上的外延生长材料按照器件性能要求需要去除，或者虽然另外一部分InP衬底正表面上的外延生长材料不是必须被去除的，但是去除这一部分外延生长材料不会对器件性能产生任何不良影响，总之，可以获得一部分InP衬底正表面被器件结构覆盖而另外一部分InP衬底正表面裸露的状态。

9.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，半导体光电器件，其中所述的磷化铟InP基片衬底是n型或p型掺杂的，而不是半绝缘的；而且进一步包括：

大面积覆盖磷化铟InP衬底背表面的背电极层(2)以及电镀增厚金层(3)，它们作为半导体光电器件的背电极；

贯穿磷化铟InP衬底的一个或多个通孔，形成从所述半导体光电器件的背电极延伸到其正表面的完整电通路；

半导体光电器件的正电极是有一定图形形状的。

10.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，半导体光电器件，其通孔顶端和正电极的焊盘上是有焊接凸点的。

11.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，半导体光电器件倒扣封装热沉上表面是凹凸不平的，且这种凹凸不平是与半导体光电器件的正表面形貌相对应的。

12.根据权利要求3所述的带有一个或更多个通孔的半导体光电器件，其特征在于，半导体光电器件倒扣封装热沉上、下表面是有薄膜电路的。

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