CN110829174A - 金属与聚合物的连接方法、连接结构及半导体器件 - Google Patents

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向宇
许聪基
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Abstract

本发明公开了一种金属与聚合物的连接方法，属于半导体器件制造技术领域。本发明方法先在所述聚合物表面制备作为过渡层的氮化硅薄膜，然后在氮化硅薄膜上制备所述金属。本发明还公开了一种金属与聚合物的连接结构及一种半导体器件。本发明针对半导体制造工艺中金属与聚合物之间连接不牢固的难题，开创性地采用氮化硅（SiNx）作为过渡层来提高聚合物与金属之间的粘附性以及聚合物的硬度。相比现有技术，本发明技术方案可使金属焊盘与聚合物的结合更牢固，并且实现成本低廉，操作工艺简单。

Description

金属与聚合物的连接方法、连接结构及半导体器件
技术领域
本发明属于半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种金属与聚合物的连接方法、连接结构。
背景技术
随着光通信技术的发展，垂直腔面发射激光器（VCSEL）以其功耗小、易耦合等特点，得到了广泛的应用。在光模块中，VCSEL芯片作为其光源，其制造技术要求也较高。VCSEL是一种电光转换器件，通过注入电流，使其内部载流子分布发生反转，电子-空穴复合产生光子，经过其内部结构的增益产生激射。由于其电极较小，通电使用的金线较粗，不利于其焊接通电，因此需要制备与电极连接的金属焊盘（Pad），使金线能够牢固的焊接且不损伤器件，保证电流的有效输入。由于制备VCSEL器件时，存在多次刻蚀、镀膜等工艺，器件表面各平面落差较大，为此引入了聚合物Polyimide、BCB、PMGI等充当填充，使各平面的落差缩小。但由于聚合物表面张力较小，而金属材料的粘附性较小，导致制备Pad后，金属材料易产生脱落。同时，由于聚合物较软，镀金属电极后易产生变形，甚至开裂脱落。传统的Pad制备采用溅射方式溅射金（Au），且需要在溅射Au前对聚合物进行处理。一般处理方式是利用等离子气体（plasma）轰击聚合物表面，并在溅射Au前先溅射较厚的钛（Ti）来提升Au在聚合物表面的粘附性。Plasma处理能很容易地在高分子材料表面引入极性基团或活性点，它们或者与被粘合材料、粘合剂面形成化学键，或增加了与被粘合材料、粘合剂之间的范德华力，从而达到改善粘结的目的。
Plasma轰击聚合物表面后，聚合物对金属的粘附性虽有所提升，但仍存在金属焊盘不牢固导致脱落的现象；并且由于磁控溅射靶材较贵，采用溅射方式制作Pad成本较高，不利于生产成本的降低。增加溅射Ti 的厚度能够一定程度上起到提高粘附性的作用，但仍会存在Pad易脱落的问题，且Ti过厚也提高了生产成本。此外，传统制备Pad方式仅能对有机聚合物表面进行一定程度改性，使其对金属的粘附性相对增强，但并不能够使聚合物硬度增加，以解决其易变形问题，因此仍会存在由此导致的Pad开裂脱落。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的不足，提供一种金属与聚合物的连接方法，可使金属与聚合物的结合更牢固，并且实现成本低廉，操作工艺简单。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种金属与聚合物的连接方法，先在所述聚合物表面制备作为过渡层的氮化硅薄膜，然后在氮化硅薄膜上制备所述金属。
优选地，所述氮化硅薄膜的厚度为100～400nm。
优选地，使用溅射或蒸镀工艺在氮化硅薄膜上制备所述金属。
优选地，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺在所述聚合物表面制备作为过渡层的氮化硅薄膜。
一种金属与聚合物的连接结构，在金属与聚合物之间的接合面上设置有一层作为过渡层的氮化硅薄膜。
优选地，所述氮化硅薄膜的厚度为100～400nm。
优选地，所述金属通过溅射或蒸镀工艺制备于所述氮化硅薄膜上。
优选地，所述氮化硅薄膜通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺制备在所述聚合物表面。
根据相同的发明构思还得以得到以下技术方案：
一种半导体器件，具有附着于聚合物表面的金属焊盘，至少一个金属焊盘与所述聚合物之间为如上任一技术方案所述连接结构。
优选地，所述半导体器件为垂直腔面发射激光器。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明针对半导体制造工艺中金属与聚合物之间连接不牢固的难题，开创性地采用氮化硅（SiNx）作为过渡层来提高聚合物与金属之间的粘附性以及聚合物的硬度。SiNx材料性质稳定，热膨胀系数小，仅为（2.8-3.2）×10-6/℃，且抗热震性能优异、硬度大，能够有效减小材料变形引起的金属开裂脱落现象。使用PECVD镀的氮化硅其致密性较高，表面平整度高，有利于金属蒸镀更加牢固。氮化硅材料绝缘性好，在聚合物表面增加一层氮化硅对金属焊盘导电无影响。同时SiNx能够提高有机聚合物材料表面硬度，使金属Pad不易脱落。SiNx镀膜成本较低，相较于传统增加Ti的厚度（约1000Å）生产成本大幅降低；并且可以采用E-Gun（电子束蒸镀）制备金属Pad，其靶材相较于磁控溅射靶材的价格较低，进一步节约了生产成本。
附图说明
图1～图5为具体实施方式中VCSEL的制备流程示意图；图中各附图标记的含义如下：1、分布式布拉格反射镜 ， 2、高Al组分氧化层，3、有源区，4、GaAs衬底，5、SiNx硬掩模，6、聚合物，7、电极，8、SiNx过渡层，9、金属焊盘。
具体实施方式
针对现有半导体器件制造过程中金属焊盘与聚合物的连接问题，本发明的解决思路是采用氮化硅（SiNx）作为过渡层来提高聚合物与金属之间的粘附性以及聚合物的硬度。SiNx材料性质稳定，热膨胀系数小，仅为（2.8-3.2）×10-6/℃，且抗热震性能优异、硬度大，目前已广泛应用于半导体制造过程作为硬掩模材料、钝化保护层材料、绝缘层材料或异质结材料。
本发明的发明人研究发现：SiNx薄膜能够对聚合物起到远超金属钛的改性作用，从而使得聚合物对金属的粘附作用大幅增强，同时SiNx薄膜还可增加聚合物表面硬度，从而能够有效减小材料变形引起的金属开裂脱落现象。除此以外，使用PECVD工艺制备的氮化硅膜致密性较高，表面平整度高，有利于金属蒸镀更加牢固。氮化硅材料的绝缘性好，在聚合物表面增加一层氮化硅对金属焊盘导电无影响。SiNx镀膜成本较低，相较于传统增加Ti的厚度（约1000Å）的方式，其生产成本大幅降低；并且可以采用E-Gun（电子束蒸镀）制备金属Pad，其靶材相较于磁控溅射靶材的价格较低，进一步节约了生产成本。
具体而言，本发明所提出的金属与聚合物的连接方法，具体如下：先在所述聚合物表面制备作为过渡层的氮化硅薄膜，然后在氮化硅薄膜上制备所述金属。
本发明所提出的金属与聚合物的连接结构，在金属与聚合物之间的接合面上设置有一层作为过渡层的氮化硅薄膜。
所述氮化硅薄膜的厚度优选为1000 Å～4000 Å （即100～400nm）。
所述金属可采用现有的各类工艺制备于氮化硅薄膜上，例如，可以使用现有的直流溅射、交流溅射、等离子体溅射、磁控溅射等溅射工艺在氮化硅薄膜上制备所述金属，也可以采用蒸镀工艺在氮化硅薄膜上制备所述金属，具体可根据实际需求灵活选择。
氮化硅薄膜的制备也可采用现有的各种物理气相沉积法(Physical VapourDeposition，PVD)或化学气相沉积法(Chemical Vapour Deposition，CVD)，从质量和成本综合考虑，本发明优选使用PECVD工艺在所述聚合物表面制备作为过渡层的氮化硅薄膜。
本发明的连接结构可以用于VCSEL的金属焊盘制备，也可以用于有类似需求的其它半导体器件的金属焊盘制备。
为了便于公众理解，下面以VCSEL芯片的制备为例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
本实施例中所制备的是一种基于砷化镓（GaAs）衬底的VCSEL芯片，其外延片采用分子束外延（MBE）方式生长，出射波长为850nm，整个谐振腔的光学厚度为出射半波长的整数倍，上下分布式布拉格反射镜（DBR）各层光学厚度为四分之一波长整数倍。该VCSEL芯片的制备过程具体如下：
1、在N型掺杂的GaAs衬底4上生长分布式布拉格反射镜1（N-DBR），其由36周期高低Al组分的AlGaAs材料构成，其中高低Al组分的AlGaAs层中间存在过渡层；有源区3的材料使用InGaAs/AlGaAs，四量子阱结构；然后在有源区3的上方生长分布式布拉格反射镜1（P-DBR），其由39周期高低Al组分的AlGaAs材料构成，与N-DBR相同，存在过渡层，得到如图1所示的结构；其中在第二对P-DBR中间存在一层高Al组分氧化层2。
2、在生长好的外延片上，使用PECVD工艺制备SiNx硬掩模5；然后采用光刻、刻蚀（例如RIE、ICP）工艺，制作氧化沟槽，并进行湿氧化，将AlAs氧化为Al2O3，制作氧化限制孔径，得到如图2所示结构。
3、通过光刻、刻蚀（例如湿法、RIE、ICP）工艺，制备台阶结构；制作台阶后，采用光刻、镀膜（例如电子束蒸镀）分别制作P极金属与N 极金属，利用剥离技术分别完成P-电极7及N-电极的制备；由于湿氧化前刻蚀的氧化沟槽较深，完成电极制备后，需使用聚合物6进行沟槽填充，用于减少高度差；最终得到如图3所示结构。
4、采用PECVD工艺，在器件表面镀厚度为100～400nm 的SiNx过渡层8，以使聚合物与后续需制备的金属焊盘间粘附性提高；利用光刻、刻蚀工艺将SiNx过渡层8图形化，为后续制备金属焊盘做准备，最终得到如图4所示结构。
5、采用光刻、镀膜工艺，在SiNx过渡层8的表面蒸镀金属焊盘9，得到如图5结构，完成VCSEL基本结构的制备。

Claims (10)

1.一种金属与聚合物的连接方法，其特征在于，先在所述聚合物表面制备作为过渡层的氮化硅薄膜，然后在氮化硅薄膜上制备所述金属。
2.如权利要求1所述连接方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜的厚度为100～400nm。
3.如权利要求1所述连接方法，其特征在于，使用溅射或蒸镀工艺在氮化硅薄膜上制备所述金属。
4.如权利要求1所述连接方法，其特征在于，使用等离子体增强化学气相沉积工艺在所述聚合物表面制备作为过渡层的氮化硅薄膜。
5.一种金属与聚合物的连接结构，其特征在于，在金属与聚合物之间的接合面上设置有一层作为过渡层的氮化硅薄膜。
6.如权利要求5所述连接结构，其特征在于，所述氮化硅薄膜的厚度为100～400nm。
7.如权利要求5所述连接结构，其特征在于，所述金属通过溅射或蒸镀工艺制备于所述氮化硅薄膜上。
8.如权利要求5所述连接结构，其特征在于，所述氮化硅薄膜通过等离子体增强化学气相沉积工艺制备在所述聚合物表面。
9.一种半导体器件，具有附着于聚合物表面的金属焊盘，其特征在于，至少一个金属焊盘与所述聚合物之间为如权利要求5～8任一项所述连接结构。
10.如权利要求9所述半导体器件，其特征在于，所述半导体器件为垂直腔面发射激光器。
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