CN101867154B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体装置，该半导体装置实现了在低介电常数材料和半导体材料之间改善的粘合性。该半导体装置包括在半导体层上从该半导体层侧依次设置的粘合层和低介电常数材料层。该粘合层具有凸起/凹入结构，并且该低介电常数材料层形成来掩埋在该凸起/凹入结构中的间隙。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及在低介电常数材料和半导体之间的粘合得到改善的半导体装置。
背景技术
垂直腔表面发光激光器(VCSEL)的功耗低于边缘发光激光二极管，并且VCSEL可被直接调制。因此，近年来VCSEL用作光学通讯的廉价光源。
VCSEL通常具有柱形台面，其中在基板上依次堆叠下分布式布拉格反射(DBR)层、下间隔层、有源层、上间隔层、上DBR层和接触层。下DBR层或上DBR层设置有电流缩窄层，该电流缩窄层具有缩窄电流注入区域的结构，以便增加对有源层的注入电流的效率并且降低阈值电流。为台面的顶面和基板的背面都提供电极。在VCSEL中，从电极注入的电流由电流缩窄层缩窄，然后被注入到有源层，由此通过电子和空穴的复合产生光。光被下DBR层和上DBR层反射，激光振荡在预定波长产生，并且所产生的光作为激光束从台面的顶部发射。
台面的直径为至多几十μm，并且台面上电极的面积极窄。因为这样，用于配线连接的电极焊盘电连接到台面上的电极，形成在台面的周围。然而，寄生电容产生在电极焊盘和下DBR层之间。为了高速直接调制，必须抑制寄生电容，并且需要诸如在电极焊盘下插入低介电常数材料的手段。
低介电常数材料的必要特征为如下三点：(1)在低介电常数下的极好耐热性和耐湿性，(2)通过旋涂等易于形成厚膜，(3)易于图案化。聚酰亚胺(polyimide)是具有所有这些特性的代表性的低介电常数材料，并且是形成在电极焊盘和配线下面以减少寄生电容的常用的材料。
发明内容
通常，在由聚酰亚胺成型的情况下，在作为前体的聚酰胺酸溶解的状态下，聚酰亚胺被涂覆在半导体层或绝缘层上，被图案化，并且在300℃或更高的高温下被干燥和固化(酰亚胺化)。在固化期间，聚酰亚胺膨胀或收缩(在很多情况下收缩)。因此，所形成的聚酰亚胺必然有变形。另外，聚酰亚胺的热膨胀系数与半导体层和绝缘层的不同，从而存在于后续工艺中产生断裂或剥离的情况。还存在粘合配线到电极焊盘时施加超声波引起断裂或剥离的情况。
已经提出了各种改善电极粘合性的方法。例如，在日本未审查专利申请公开昭59-35437中，通过为电极下的绝缘层形成粗糙结构，改善了电极和绝缘层之间的粘合强度。在日本未审查专利申请公开平01-308036中，提出了部分切割电极下的绝缘层和半导体基板以减少寄生电容的方法。然而，并没有提出改善诸如聚酰亚胺的低介电常数材料和半导体材料之间的粘合性的通常方法。
所希望的是提供实现改善低介电常数材料和半导体材料之间粘合性的半导体装置。
根据本发明的实施例，所提供的半导体装置包括在半导体层上从该半导体层侧依次设置的粘合层和低介电常数材料层。该粘合层具有凸起/凹入结构，并且该低介电常数材料层形成来掩埋在该凸起/凹入结构中的间隙。
在本发明实施例的半导体装置中，凸起/凹入结构的粘合层提供在半导体层和低介电常数材料层之间，并且低介电常数材料层形成来掩埋粘合层的凸起/凹入结构。通过该构造，增加了粘合层和低介电常数材料层之间的接触面积。
根据本发明实施例的半导体装置，提供在半导体层和低介电常数材料层之间的粘合层与低介电常数材料层之间的接触面积增加，从而低介电常数材料层不易于从粘合层剥离。因此，可以改善低介电常数材料和半导体之间的粘合。
本发明其它的和进一步的目的、特征和优点通过下面的描述将更加明显易懂。
附图说明
图1是根据本发明实施例的激光二极管的透视图。
图2是图1所示半导体装置沿着A-A线剖取的截面图。
图3A至3C是图1中的凸起部分26A的截面图。
图4A和4B是用于说明制造图1激光二极管工艺的截面图。
图5A和5B是用于说明图4B后续工艺的截面图。
图6A和6B是用于说明图5后续工艺的截面图。
图7是根据修改的激光二极管的截面图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细描述实施本发明的方式。将以下面的顺序进行描述。
1.构造
2.制造方法
3.作用与效果
4.修改
构造
图1是根据本发明实施例的垂直腔表面发光型激光二极管1的透视图。图2图解了图1激光二极管1沿着A-A线剖取的截面构造的示例。图1和2是示意图，并且图1和2中的大小和形状与实际的产品不同。
该实施例的激光二极管1具有堆叠结构20，其中下DBR层11、下间隔层12、有源层13、上间隔层14、上DBR层15和接触层16依次堆叠在基板10的一个表面侧上。在堆叠结构20的上部中，具体地讲，在下DBR层11的部分中以及在下间隔层12、有源层13、上间隔层14、上DBR层15和接触层16中，形成例如宽度约为30μm的柱形平台17。
在该实施例中，下DBR层11对应于本发明的“半导体层”和“第一多层反射器”的具体示例。上DBR层15对应于本发明的“第二多层反射器”的具体示例。堆叠结构20对应于本发明的“谐振器结构”的具体示例。
例如，基板10为n型GaAs基板。n型杂质的示例为硅(Si)和硒(Se)。例如，堆叠结构20由AlGaAs基化合物半导体制备。AlGaAs基化合物半导体是一种至少包括元素周期表中的III副族元素铝(Al)和镓(Ga)和至少包括元素周期表中的V副族元素的砷(As)的化合物半导体。
下DBR层11通过交替堆叠低折射系数层(未示出)和高折射系数层(未示出)而形成。例如，低折射系数层由厚度为λ0/4n1(λ0为振荡波长，而n1表示折射系数)的n型Alx1Ga1-x1As(0＜x1＜1)制备。例如，高折射系数层由厚度为λ0/4n2(n2表示折射系数)的n型Alx2Ga1-x2As(0＜x2＜x1)制备。
例如，下间隔层12由n型Alx3Ga1-x3As(0＜x3＜1)制备。例如，有源层13由未掺杂的Alx4Ga1-x4As(0＜x4＜1)制备。在有源层13中，相对于稍后将描述的电流注入区域18A的区域是发光区域13A。例如，上间隔层14由p型Alx5Ga1-x5As(0≤x5＜1)制备。p型杂质的示例为锌(Zn)、镁(Mg)和铍(Be)。
上DBR层15通过交替堆叠低折射系数层(未示出)和高折射系数层(未示出)而形成。例如，低折射系数层由厚度为λ0/4n3(n3表示折射系数)的p型Alx6Ga1-x6As(0＜x6＜1)制备。例如，高折射系数层由厚度为λ0/4n4(n4表示折射系数)的p型Alx7Ga1-x7As(0＜x7＜x6)制备。例如，接触层16由p型Alx8Ga1-x8As(0＜x8＜1)制备。
在激光二极管1中，例如，电流缩窄层18提供在上DBR层15中。电流缩窄层18提供在上DBR层15中例如远离有源层13侧几层的低折射系数层部分中以取代低折射系数层。电流缩窄层18在该层的周边区域中具有电流缩窄区域18B，并且在该层的中心区域中具有电流注入区域18A。例如，电流注入区域18A由p型Alx9Ga1-x9As(0＜x9≤1)制备。例如，电流缩窄区域18B由氧化铝(Al2O3)制备，并且如稍后所描述的，通过从侧面氧化包含在待氧化的层18D中高浓度的Al而获得。因此，电流缩窄层18具有缩窄电流的功能。例如，电流缩窄层18可以形成在下DBR层11中，在下间隔层12和下DBR层11之间或在上间隔层14和上DBR层15之间。
在台面17的顶表面(接触层16的顶表面)上，形成环形顶电极21，该环形顶电极21在相对于电流注入区域18A的区域中具有开口(发光出口21A)。绝缘层22形成在台面17的侧面和周边表面上。在绝缘层22的表面上，提供了用于连接配线(未示出)的电极焊盘23和连接部分24。电极焊盘23和顶电极21通过连接部分24彼此电连接。底电极25提供在基板10的背侧上。
绝缘层22由诸如氧化物或氮化物的绝缘材料制备。例如，顶电极21、电极焊盘23和连接部分24通过依次堆叠钛(Ti)、铂(Pt)和金(Au)而获得，并且电连接到台面17上的接触层16。例如，底电极25具有通过从基板10侧依次堆叠金(Au)和锗(Ge)的合金、镍(Ni)和金(Au)而获得的结构，并且电连接到基板10。
在该实施例中，例如，如图2所示，基底26正好提供在电极焊盘23的下面。基底26形成在下DBR层11中台面17的根部(台面17的非形成区域)与绝缘层22之间。如图2所示，例如，基底26形成在低于台面17形成部分(11A)的部分(11B)中。基底26具有凸/凹部分26A和埋入部分26B。
在该实施例中，凸/凹部分26A对应于本发明“粘合层”的具体示例。埋入部分26B对应于本发明“低介电常数材料层”的具体示例。
图3A图解了图2的激光二极管1沿着A-A线剖取的截面构造的示例，其中省略了埋入部分26B和绝缘层22。凸/凹部分26A形成为与下DBR层11接触，并且与下DBR层11整体(连续)形成。如图3A所示，例如，凸/凹部分26A具有凸起结构，其中多个柱形凸起27以预定间隔设置。凸起27优选在凸/凹部分26A的底部彼此连接。优选地，凸/凹部分26A没有与下DBR层11中正好在凸/凹部分26A下面的部分接触的开口。就是说，优选地，凸/凹部分26A在空间上隔离埋入部分26B和下DBR层11。
凸/凹部分26A可以具有图3A所示结构之外的凸起结构。图3B和3C图解了图2激光二极管1沿着A-A线剖取的截面构造的其它示例，其中省略了埋入部分26B和绝缘层22。凸/凹部分26A可以具有一种凸起结构，其中在平行于基板10的平面中延伸的多个板状凸起28以预定间隔设置。优选地，凸起28在凸/凹部分26A的底部上彼此连接。例如，凸/凹部分26A可以具有如图3C所示的一种凸起结构，其中在平行于基板10的平面中延伸的多个环形凸起29以预定间隔同心设置。凸起29优选在凸/凹部分26A的底部上彼此连接。
凸/凹部分26A由绝缘氧化物半导体制备。如上所述，通过选择性蚀刻使下DBR层11、下间隔层12、有源层13、上间隔层14和上DBR层15形成凸起/凹入结构，并且之后从侧面氧化该凸起/凹入结构，由此形成凸/凹部分26A。该凸起/凹入结构对应于稍后描述的凸/凹部分26D(参见图5A)。
凸/凹部分26A的宽度D(参见图3A至3C)优选设定为这样的程度：稍后描述的氧化工艺中可以氧化(绝缘)整个凸/凹部分26A。例如，优选地，宽度D等于或小于台面17的宽度的一半(例如，10μm或更小)。通过该构造，允许凸/凹部分26D与待氧化的层18D同时氧化，因此简化了制造工艺。凸/凹部分26A从减少电极焊盘23和下DBR层11之间产生的寄生电容上看优选尽可能地高，并且优选其高度等于台面17的高度。例如，凸/凹部分26A的高度约为0.1μm至5μm。
埋入部分26B形成在凸/凹部分26A和绝缘层22之间，以与凸/凹部分26A和绝缘层22接触。埋入部分26B形成来掩埋在凸/凹部分26A中的间隙，并且埋入部分26B的顶面是平面。埋入部分26B由绝缘的低介电常数材料制备。作为埋入部分26B所用的绝缘低介电常数材料，例如，优选通过旋涂等易于掩埋在凸/凹部分26D中的间隙并且易于图案化的材料。还很重要的是，绝缘低介电常数材料具有高耐热性和高耐湿性。绝缘低介电常数材料具有所有这样特性的示例为聚酰亚胺、BCB树脂(苯并环丁烯)及类似物。
制造方法
例如，该实施例的激光二极管1可以制造如下。
图4A和4B至图6A和6B图解了按工艺顺序的制造方法。图4A和4B至图6A和6B的每一个都是沿着图1的A-A线剖取的截面图，图解了制造工艺中装置的构造。
例如，通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)，在由GaAs制备的基板10上形成化合物半导体层。作为III-V族化合物半导体的材料，例如，采用三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMIn)或砷化三氢(AsH3)。作为施主杂质的材料，例如，采用H2Se。作为受主杂质的材料，例如，采用二甲基锌(DMZ)。
具体地讲，首先，在基板10上，依次堆叠下DBR层11、下间隔层12、有源层13、上间隔层14、上DBR层15和接触层16(图4A)。此时，要被氧化的层18D形成在上DBR层15的部分中。该要被氧化的层18D是在稍后描述的氧化工艺中被氧化以变为电流缩窄层18的层，并且例如包含AlAs。
接下来，在接触层16的表面上，形成抗蚀剂层(未示出)，该抗蚀剂层具有对应于在稍后工艺中将形成电极焊盘23的区域的开口。随后，例如，通过反应离子蚀刻(RIE)，采用抗蚀剂层为掩模，选择性去除接触层16和上DBR层15。正好在到达要氧化的层18D之前，停止蚀刻。结果，台阶30形成在在稍后工艺中要形成凸/凹部分26D的区域中(图4B)。其后，去除抗蚀剂层。
接下来，直径等于台面17的直径的圆形抗蚀剂层(未示出)形成在接触层16的表面上。此外，具有类似于图3A至3C所示的基板26的图案的抗蚀剂层(未示出)形成在上DBR层15中通过之前的工艺暴露的部分表面上。此时，考虑到在稍后描述的氧化工艺中的氧化速率，例如，图案的宽度设定为台面17直径的一半或更小。
接下来，例如，通过RIE，采用抗蚀剂层作为掩模，选择性去除下DBR层11的一部分、下间隔层12、有源层13、上间隔层14、上DBR层15、接触层16和要氧化的层18D(图5A)。通过该操作，正好在环形抗蚀剂层下形成台面17。此时，要氧化的层18D从台面17的侧面暴露。正好在具有类似于图3A至3C所示的基底26的图案的抗蚀剂层下，形成具有对应于该图案的形状的凸/凹部分26D。形成凸/凹部分26D的部分(11B)低于形成台面17的部分(11A)。其后，去除抗蚀剂层。台面17和凸/凹部分26D可以同时或分开形成。
接下来，在水蒸气气氛中的高温下执行氧化工艺，从台面17的侧面选择性氧化包括在要氧化的层18D中的Al，并且选择性氧化包括在凸/凹部分26D中的Al。通过氧化，要氧化的层18D的外边缘区域变为绝缘层(氧化铝)，从而形成电流缩窄层18(图5B)。此外，窄于电流缩窄层18的凸/凹部分26D被完全氧化，由此形成绝缘的凸/凹部分26A(图5B)。
接下来，例如，通过旋涂，诸如光敏聚酰亚胺的光敏树脂材料被涂覆在包括凸/凹部分26A顶面的整个表面上。光敏树脂材料涂覆到在凸/凹部分26A中的间隙被掩埋并且表面几乎变为平面的程度。接下来，通过图案化，涂覆的光敏树脂材料中仅留下对应于凸/凹部分26A的顶面的部分。该留下部分被干燥和固化。绝缘的埋入部分26B形成在凸/凹部分26A的顶面上，由此，形成基底26(图6A)。
接下来，在整个表面上，例如，形成由诸如氧化硅(SiO2)的绝缘无机材料制备的绝缘层22(图6B)。随后，具有环形开口的抗蚀剂层(未示出)形成在台面17的顶面上，其后，例如，通过RIE，采用抗蚀剂层作为掩模，选择性去除绝缘层22。通过该操作，在要形成顶电极21的部分中形成开口22A(图6B)。其后，去除抗蚀剂层。
接下来，例如，通过真空沉积，在整个表面上堆叠上述金属材料。其后，例如，通过选择性蚀刻，形成环形顶电极21以掩埋开口22A，电极焊盘23正好形成在绝缘层22中的基底26上的部分中，此外，连接部分24形成它们之间(图2)。此外，适当抛光基板10的背面以调整基板10的厚度，并且底电极25形成在基板10的背面上(图2)。以这样的方式，制造了实施例的激光二极管1。
现在，将描述该实施例的激光二极管1的作用与效果。
作用与效果
在该实施例的激光二极管1中，当在底电极25和顶电极21之间施加预定电压时，将电流通过电流缩窄层18中的电流注入区域18A注入到有源层13中，并且通过电子和空穴的复合而发光。光由成对的下DBR层11和上DBR层15发射，在预定的波长产生激光振荡，并且作为激光束从发光出口21A发射光到外面。
在该实施例中，具有凸起/凹入结构的凸/凹部分26A提供在由半导体材料制备的下DBR层11和由低介电常数材料制备的埋入部分26B之间。此外，埋入部分26B形成来掩埋凸/凹部分26A的凸起/凹入结构。由于凸/凹部分26A和埋入部分26B之间的接触区域的变大，所以抑制了凸/凹部分26A和埋入部分26B之间裂纹的产生，并且抑制了埋入部分26B从凸/凹部分26A的剥离。因为凸/凹部分26A与下DBR层11整体(连续)形成，所以在通常的工艺中，在凸/凹部分26A和下DBR层11之间不产生裂纹，并且凸/凹部分26A不从下DBR层11剥离。
因此，裂纹不产生在由半导体材料制备的下DBR层11和由低介电常数材料制备的埋入部分26B之间，并且埋入部分26B不从下DBR层11剥离。因此，与绝缘的低介电常数材料与平坦的半导体材料直接接触的情况相比，改善了半导体材料和低介电常数材料之间的粘合。
在该实施例中，绝缘基底26提供在电极焊盘23和下DBR层11之间。通过该构造，减小了电极焊盘23和下DBR层11之间形成寄生电容的幅度。
修改
尽管本发明已经通过实施例进行了描述，但是本发明不限于该实施例，而是可以进行各种修改。
例如，尽管在该实施例中，凸/凹部分26A由绝缘氧化物半导体制备，但是它可以由诸如导电半导体的其它材料制备。在此情况下，例如，如图7所示，取代凸/凹部分26A而提供的凸/凹部分27A可以由下DBR层11的一部分构造。在此情况下，凸/凹部分27A由与下DBR层11的相同的材料制备。凸/凹部分27A可以具有凸起27、28或29，如图3A、3B和3C所示。
尽管在前面的实施例中采用AlGaAs基化合物激光二极管作为示例已经对本发明进行了描述，但是它也可应用于诸如由可氧化的化合物半导体制备的激光二极管的其它化合物激光二极管。尽管已经描述了本发明应用于VCSEL的情况，但是，显然，本发明也可以应用于其它半导体装置。
本发明包含2009年2月6日提交至日本专利局的日本优先权专利申请JP 2009-026673中公开的相关主题事项，其全部内容通过引用结合于此。
本领域的技术人员应当理解的是，在权利要求或其等同方案的范围内，根据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。

Claims (8)

1.一种半导体装置，包括：在半导体层上从该半导体层侧依次设置的粘合层和低介电常数材料层，其中
该粘合层具有凸起/凹入部分，并且
该低介电常数材料层形成来掩埋在该凸起/凹入部分中的间隙并覆盖该凸起/凹入部分的顶表面，
其中该半导体装置还包括谐振器结构，该谐振器结构包括在该半导体层上且与该粘合层不同的区域中从该半导体层侧依次设置的第一多层反射器、有源层和第二多层反射器。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括：电极，设置在该谐振器结构上并电连接到该低介电常数材料层上的电极焊盘。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，该粘合层由氧化物半导体制备。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中，通过在该粘合层的区域中形成包括该第一多层反射器、该有源层和该第二多层反射器的堆叠结构、选择性蚀刻该粘合层区域中的该堆叠结构以形成凸起/凹入结构，并氧化该凸起/凹入结构而使该粘合层绝缘，从而形成所述凸起/凹入部分。
5.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，该半导体层与该粘合层接触的部分低于该半导体层与该谐振器结构接触的部分。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中该低介电常数材料层由聚酰亚胺制备。
7.根据权利要求2所述的半导体装置，其中该粘合层由半导体制备。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中该粘合层由与该半导体层的材料相同的材料制备。
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