CN114284413B

CN114284413B - 半导体器件的电极制作方法及半导体器件

Info

Publication number: CN114284413B
Application number: CN202111646390.6A
Authority: CN
Inventors: 李增林; 王国斌; 李利哲
Original assignee: Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114284413A

Abstract

本发明公开了一种半导体器件的电极制作方法及半导体器件。所述方法包括：对半导体器件的基础结构的表面进行平坦化处理后，在该基础结构表面形成硬质化合物层，之后对硬质化合物层进行刻蚀，从而使基础结构表面的局部区域暴露，再对暴露出的局部区域粗糙化处理，其后在该暴露出的局部区域上形成金属叠层，而后通过退火使金属叠层中的至少一个金属层热膨胀并抵推硬质化合物层，其后使金属叠层降温，从而在金属叠层与硬质化合物层之间形成间隙，最后利用该间隙在金属叠层的顶端面和侧壁上覆盖连续惰性金属层，形成金属堆叠结构，该惰性金属层能很好的保护金属叠层不被腐蚀。利用本发明方法制作形成的电极耐腐蚀性好，能有效保障半导体器件的性能。

Description

半导体器件的电极制作方法及半导体器件

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种半导体器件的电极制作方法及半导体器件。

背景技术

通常情况下，半导体器件的电极或者导电焊盘结构外围保护层均为SiO₂材质，但由于LED芯片或者其他的半导体器件产品应用市场的需求不断提高，芯片尺寸不断地减小，使得传统的氧化硅材质的包覆材料已经无法很好地去保护金属电极层或者金属焊盘结构了，尤其在容易暴露在外的半导体器件(例如户外显示屏)产品上面，通用的市场环境可能需要长时间的暴露在空气和水的环境下，在长期变化的温度、水汽的侵蚀下，这将导致SiO₂材质的半导体器件的外围保护层从金属电极或金属焊盘结构上脱落掉，二氧化硅层脱落之后，电极会受到外界空气和湿气的影响，会对电极产生氧化腐蚀，从而严重影响半导体芯片的使用性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种半导体器件的电极制作方法及半导体器件。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种半导体器件的电极制作方法，包括：

S1、提供半导体器件的基础结构，并对所述基础结构的表面进行平坦化处理，以使所述基础结构的表面平滑；

S2、在所述基础结构的表面形成硬质化合物层；

S3、在所述硬质化合物层上设置图案化的光阻层，并利用所述光阻层对所述硬质化合物层进行刻蚀，以在所述硬质化合物层中形成开口，从而使所述基础结构表面的局部区域暴露出；

S4、对所述基础结构表面从所述开口中暴露出的局部区域进行粗糙化处理；

S5、在所述基础结构表面从所述开口中暴露出的局部区域上依次沉积多个金属层，形成金属叠层；

S6、对所述金属叠层进行退火处理，以使其中的至少一个金属层热膨胀并驱使所述硬质化合物层向远离所述金属叠层的方向平移或压缩，之后对所述金属叠层进行降温处理，从而在所述金属叠层的侧壁与所述开口的内壁之间形成间隙；

S7、在所述金属叠层的顶端面和侧壁上覆盖连续的惰性金属层，形成金属堆叠结构。

第二方面，本发明还提供一种半导体器件，包括基础结构和上述电极制作方法制作的电极，所述电极包括金属叠层和连续覆盖所述金属叠层顶端面和侧壁的惰性金属层。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明所提供的半导体器件的电极制作方法利用金属层热膨胀，在金属叠层与硬质化合物层之间形成间隙，然后再进行惰性金属层的沉积，使得惰性金属层能够均匀覆盖在金属叠层的顶端面和侧壁，能够很好的保护金属叠层，防止其受到腐蚀，并且无需使用额外的掩模结构形成保护金属叠层，能够减少形成工序，缩短工艺流程，节省成本，并且能有效保障半导体器件的性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中的一种半导体器件的电极制作方法流程示意图；

图2是本发明一典型实施案例中的一步骤中的半导体器件的结构示意图；

图3是本发明一典型实施案例中的又一步骤中的半导体器件的结构示意图；

图4是本发明一典型实施案例中的另一步骤中的半导体器件的结构示意图；

图5是本发明一典型实施案例中的另一步骤中的半导体器件的结构示意图；

图6是本发明一典型实施案例中的另一步骤中的半导体器件的结构示意图；

图7是本发明一典型实施案例中的金属镍的热膨胀系数与温度的关系示意图。

附图标记说明：1、半导体器件的基础结构；2、硬质化合物层；3、开口；4、光阻层；5、光阻开口；6、金属叠层；7、Ni层；8、间隙；9、惰性金属层。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1-图6，本发明实施例提供一种半导体器件的电极制作方法，包括如下步骤：

步骤S1：提供半导体器件的基础结构1，并对所述基础结构1的表面进行平坦化处理，以使所述基础结构1的表面平滑。

步骤S2：在所述基础结构1的表面形成硬质化合物层2。

步骤S3：在所述硬质化合物层2上设置图案化的光阻层4，并利用所述光阻层4对所述硬质化合物层2进行刻蚀，以在所述硬质化合物层2中形成开口3，从而使所述基础结构1表面的局部区域暴露出。

步骤S4：对所述基础结构1表面从所述开口3中暴露出的局部区域进行粗糙化处理。

步骤S5：在所述基础结构1表面从所述开口3中暴露出的局部区域上依次沉积多个金属层，形成金属叠层6。

步骤S6：对所述金属叠层6进行退火处理，以使其中的至少一个金属层热膨胀并驱使所述硬质化合物层2向远离所述金属叠层6的方向平移或压缩，之后对所述金属叠层6进行降温处理，从而在所述金属叠层6的侧壁与所述开口3的内壁之间形成间隙8。

步骤S7：在所述金属叠层6的顶端面和侧壁上覆盖连续的惰性金属层9，形成金属堆叠结构。

其中，所述基础结构1可以包括衬底、N型层、有源层以及P型层。衬底的材料可以为：蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅；N型层可以为N型GaN层，该N型GaN层生长在衬底上；有源层可以为GaN体系的材料，该GaN体系的材料的有源层制作在N型GaN层上，GaN体系的材料可以为InGaN/GaN的有源层，该GaN体系的材料有源层的面积可以小于N型层的面积，在N型GaN层的一侧可以形成有一台面，N型电极可以形成在N型层的台面上，有源层用于载流子复合发光。P型层可以为P型GaN层，该P型GaN层可以制作在有源层上。

进一步的，可以在所述N型层表面制作N型电极，在所述P型层表面制作P型电极。

在一些实施方案中，步骤S1中通过对所述基础结构1表面进行抛光处理，抛光处理可以采用化学机械抛光工艺，从而可以提高所述基础结构1表面的光滑性，降低粗糙度，以利于在之后的工序中降低硬质化合物层2与基础结构1表面的结合力，进而使得在步骤S6中更易于在金属叠层6的侧壁与所述开口3的内壁之间形成间隙8。

在一些实施方案中，步骤S2中，可以利用CVD或PVD方法在所述基础结构1表面形成硬质化合物层2。

在一些实施方案中，步骤S3中所述开口3的顶部口径小于底部口径。

在一些实施方案中，所述开口3的侧壁与底面所形成的夹角优选为60-80°，但不限于此，本领域技术人员可以根据不同种类的半导体器件产品的需求，采取上述夹角范围以外的角度。

继续参见图2-图3，在一些典型实施案例中，在所述基础结构1的表面沉积硬质化合物层2，沉积硬质化合物层2的工艺可以使用CVD或PVD工艺，在这里硬质化合物层2优选使用氮化硅层，用作制作金属堆叠结构的掩模结构，并且还要利用氮化硅质地较硬，较难变形的特点，在外界应力作用下能够整体的在基础结构1表面发生滑移或整体收缩，而不会像质地较软的光阻层4那样，只会出现局部的收缩，而不会整体的发生形状和位置的改变，本发明中，硬质化合物层2还可以使用氧化硅层等质地较硬的化合物层。

在沉积硬质化合物层2之后，在所述基础结构1的硬质化合物层2上面形成光刻胶层，然后对光刻胶进行烘烤定型，形成光阻层4，然后使用掩膜版对光阻层4进行曝光，在光刻胶层上形成对应开口3形状的曝光区域，然后对曝光区域进行显影处理，在光阻层4中形成光阻开口5，后续需要以光阻层4的光阻开口5为掩模结构，对下方的硬质化合物层2进行刻蚀，在硬质化合物层2中形成开口3。刻蚀硬质化合物层2可以使用干法刻蚀工艺，并且控制刻蚀气体的角度，或者改变待刻蚀基础结构1的角度，使在硬质化合物层2中形成的开口3为底部宽，顶部窄的开口3形状，这样便于后续沉积金属。并且由于开口3形成为底部宽开口3窄的结构，底部宽能够增大底部的接触面积，并且形成上窄下宽的堆叠金属结构，由于形成的堆叠金属为底部大顶部小的斜面结构，便于后续在侧壁形成保护结构，防止金属堆叠层与水汽或氧气发生氧化反应，对金属层造成腐蚀。

在一些实施方案中，步骤S4包括：去除所述光阻层4后，再对所述基础结构1表面从所述开口3中暴露出的局部区域进行所述粗糙化处理。

在一些实施方案中，步骤S4包括：采用等离子体轰击方式进行所述粗糙化处理。

在一些典型实施案例中，在形成氮化硅开口3之后，在氮化硅开口3内的暴露的基础结构1的表面进行粗糙化处理，例如可以使用惰性气体的等离子体对基础结构1的表面进行粗糙化处理，通过粗糙化处理增大基础结构1表面对应于金属叠层的区域的粗糙度，这一方面可以增强金属叠层与基础结构表面的结合力，另一方面还能显著提升电极与基础结构表面的接触性能，减少欧姆接触电阻。

进一步的，在进行所述的粗糙化处理之前，可以先去除光阻层4，这是因为光阻层4在惰性气体的等离子体处理期间会形成有机物的残余物附着在开口3的底部，这样对电极结构的接触性能造成不利的影响。

在一些实施方案中，所述金属叠层6结构中的至少一个金属层为Ni层7，并且步骤S6中所述退火处理的温度为625K-635K。

在一些实施方案中，所述硬质化合物层优选可以包括氮化硅或氧化硅，但不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的技术构思，采用其他质地较硬的化合物层。

在一些实施方案中，所述惰性金属层优选可以包括金或铂，但不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的技术构思，采用其他不易受环境腐蚀的惰性金属。

在一些实施方案中，所述Ni层7位于所述金属叠层6结构的最上层。

在一些实施方案中，所述金属叠层6自底端面至顶端面依次包括厚度50-100nm的Cr层、厚度100-150nm的Al层、厚度100-150nm的Ti层以及厚度150-250nm的Ni层7。

本发明实施例还可以采用不同于上述金属叠层6的方式进行实施，例如可以采用自下而上依次为Gr层、Al层、Ti层、Ag层、Ni层、Pt层、Ni层、Pt层、Au层的金属叠层。

在一些实施方案中，可以通过溅射镀膜或原子层沉积的方法形成所述金属叠层6。

继续参见图4，在一些典型实施案例中，可以粗糙化处理之后，在氮化硅开口3内沉积金属，沉积金属的方式可以为溅射或原子层沉积的方式，在沉积金属时，可以通过改变基础结构1与金属沉积的相对位置，在底部较大、顶部较小的开口3内沉积金属。沉积金属前，可以先沉积一层Cr，Cr能够增大与底面基础结构1的粘附性，减少热应力，然后再在Cr层上沉积Al、Ti金属，形成多层的金属叠层6，多层堆叠金属能够降低电阻，其中Cr层的厚度可以为50-100nm，Al层的厚度可以为100-150nm，Ti层的厚度可以为100-150nm；在形成Ti层之后，在Ti层上方形成Ni层7，Ni层7的形成方式可以为溅射或者原子层沉积的方式，Ni层7的厚度可以为150-250nm。其中，Ni层厚度较前面几层金属层的厚度要大，从而能够在后续退火加热和降温过程中具有较大的应力。

在一些实施方案中，步骤S6中进行了一次或多次所述的退火处理和降温处理。

在一些实施方案中，步骤S6中所述间隙8的尺寸为20-200nm。

在一些实施方案中，可以通过红外加热或激光加热的方法进行所述退火处理。

继续参见图5，在一些典型实施案例中，可以在形成Ni层7之后对Ni层7进行高温退火，高温退火的方式可以采用红外加热或者激光加热，加热的温度在625K-635K，如图7所示，由于镍是铁磁金属，当温度升高到接近居里温度点(Tc)时会发生铁磁和顺磁的改变，这时的膨胀系数会发生明显的反常，出现一个λ形状的膨胀峰，定点在Tc处。在此温度区间范围内，正好处在金属镍的居里温度点附近，会出现较大的热膨胀系数的差异，会出现较大的体积变化，产生较大的内部应力，应力会对硬质化合物层2造成挤压，镍金属朝两侧进行膨胀，会对硬质化合物层2产生向内侧的压力，而两侧的硬质化合物层2与基础结构1的接触面为平滑的接触面，在向内的压力作用下，氮化硅会向远离金属叠层6的方向下平移或压缩，这样会使硬质化合物层2与金属堆叠层之间产生间隙8。通过一次退火可能产生的间隙8较小，可以经过多次退火处理，经过多次由于热膨胀引起的应力的作用，在金属层与硬质化合物层2之间产生20-200nm的间隙8。

在一些典型实施案例中，可以在形成惰性金属层9之后，也就是形成了堆叠金属结构之后，再去除掩模硬质化合物层2。由于堆叠金属侧壁和顶部形成有惰性较强的金，这样仍然对金属堆叠起到保护作用。

在一些实施方案中，所述半导体器件包括LED，但不限于此。

本发明实施例提供的半导体器件的电极制作方法无需额外的掩模结构，可以利用金属叠层6中的镍的热膨胀系数的突变性能，在加热降温过程中金属镍会产生较大的应力，这样就能够在金属与氮化硅掩模之间形成间隙8，然后再进行惰性金属层的沉积，惰性金属层能够覆盖在金属叠层6的表面和侧壁，由于Au具有较好的惰性，能够很好的保护金属叠层6侧壁和顶部不被腐蚀，起到很好的保护作用。

本发明实施例还提供一种半导体器件，包括基础结构1和上述任一实施方案中的方法制作的电极，所述电极包括金属叠层6和连续覆盖所述金属叠层6顶端面和侧壁的惰性金属层9。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。

实施例1

一种LED器件的金属电极制作方法，包括如下步骤：

1)提供传统户外液晶显示屏LED芯片作为基础结构1；

2)利用化学机械抛光的方法将上述LED芯片的上表面研磨至粗糙度为0.5nm；

3)利用CVD法在上述LED芯片的上表面生长5000

A厚度的硬质化合物层2；

4)在硬质化合物层2表面涂覆光刻胶，并在95℃下烘烤定型成4um厚度光阻层4，然后利用掩模板进行曝光并显影，形成开口3宽度为30um的光阻开口5；

5)利用等离子体对硬质化合物层2进行刻蚀，调控等离子体与硬质化合物层2的夹角为70°以形成侧面斜度为65°的开口3；

6)在清洗干净表面残留的光阻条件下对开口3所暴露的基础结构1进行粗糙化，使其粗糙度达到0.3μm；

7)利用溅射镀膜，依次在开口3中形成50nm厚的Cr层、100nm厚的Al层、100nm厚的Ti层、以及150nm厚的Ni层7；

8)利用红外加热至625K对Ni层7进行高温退火后冷却，循环3次，使得硬质化合物层2与金属叠层6产生400nm的间隙8；

9)采用金属蒸镀的方法在间隙8内和Ni层7表面沉积2000nm厚度的惰性金属层9，该惰性金属层9的材质为金；

10)采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法去除硬质化合物层2，从而形成完全由金包覆的强惰性稳定电极结构。

实施例2

一种LED器件的金属电极制作方法，包括如下步骤：

1)提供Micro-LED芯片作为基础结构1；

2)利用化学机械抛光的方法将上述LED芯片的上表面研磨至粗糙度为0.2nm；

3)利用CVD法在上述LED芯片的上表面生长2000

厚度的硬质化合物层2；

4)在硬质化合物层2表面涂覆光刻胶，并在95℃下烘烤定型成2um厚度光阻层4，然后利用掩模板进行曝光并显影，形成开口3宽度为5um的光阻开口5；

6)在清洗干净表面残留的光阻条件下对开口3所暴露的基础结构1进行粗糙化，使其粗糙度达到0.1μm；

7)利用溅射镀膜，依次在开口3中形成30nm厚的Cr层、40nm厚的Al层、50nm厚的Ti层、以及70nm厚的Ni层7；

8)利用红外加热至635K对Ni层7进行高温退火后冷却，循环3次，使得硬质化合物层2与金属叠层6产生200nm的间隙8；

9)采用金属蒸镀的方法在间隙8和Ni层7表面沉积1000nm厚度的惰性金属层9，该惰性金属层9的材质为铂；

实施例3

一种LED器件的金属电极制作方法，包括如下步骤：

1)提供Mini液晶显示屏LED芯片作为基础结构1；

2)利用化学机械抛光的方法将上述LED芯片的上表面研磨至粗糙度为0.3nm；

3)利用CVD法在上述LED芯片的上表面生长3000

厚度的硬质化合物层2；

4)在硬质化合物层2表面涂覆光刻胶，并在95℃下烘烤定型成3um厚度光阻层4，然后利用掩模板进行曝光并显影，形成开口3宽度为10um的光阻开口5；

6)在清洗干净表面残留的光阻条件下对开口3所暴露的基础结构1进行粗糙化，使其粗糙度达到0.2μm；

7)利用溅射镀膜，依次在开口3中形成50nm厚的Cr层、50nm厚的Al层、50nm厚的Ti层、以及130nm厚的Ni层7；

8)利用红外加热至630K对Ni层7进行高温退火后冷却，循环3次，使得硬质化合物层2与金属叠层6产生300nm的间隙8；

9)采用金属蒸镀的方法在间隙8和Ni层7表面沉积1500nm厚度的惰性金属层9，该惰性金属层9的材质为金；

实施例4

一种LED器件的金属电极制作方法，与实施例1基本相同，区别在于：

利用PVD法形成硬质化合物层2。

实施例5

利用原子层沉积法形成金属叠层6。

实施例6

利用激光加热法形成对Ni层7进行退火处理。

实施例7

所述金属叠层6依次包括：Gr/Al/Ti/Ag/Ni/Pt/Ni/Pt/Au。

实施例8

硬质化合物层2为氧化硅。

对比例1

一种LED器件的金属电极制作方法，不进行高温退火和惰性金属层9的沉积，直接在金属叠层6的周围形成二氧化硅保护层。

对比例2

不进行步骤9)的镀金，直接进行步骤10)。

对比例3

不进行步骤2)的抛光处理(平坦化处理)，基础结构1表面粗糙度为0.5um，退火时无法形成间隙8，进而无法在金属叠层6的侧壁形成足够厚度的惰性金属层9。

对比例4

Ni层7的厚度为100nm，退火时形成间隙8宽度为10nm，较小，无法形成足够厚度的惰性金属层9。

检测方法

对LED芯片固晶封装后使用高温高湿(温度85℃，湿度85)测试方法对以上实例光电学可靠性进行实验测定。

结果分析

对上述实施例及对比例中形成的LED芯片的耐候性测试结果如下表所示：

实例	耐候性
		实施例1	老化3000h，光衰1.98％
实施例2	老化3000h，光衰2.20％
		实施例3	老化3000h，光衰2.09％
实施例4	老化3000h，光衰2.03％
		实施例5	老化3000h，光衰2.11％
实施例6	老化3000h，光衰2.07％
		实施例7	老化3000h，光衰2.16％
实施例8	老化3000h，光衰2.08％
		对比例1	老化3000h，光衰7.31％
对比例2	老化3000h，光衰8.69％
		对比例3	老化3000h，光衰9.32％
对比例4	老化3000h，光衰7.98％

基于上述检测结果，可以明确，本发明所提供的半导体器件的电极制作方法利用金属层的热膨胀产生较大的应力，在金属叠层6与硬质化合物层2之间形成间隙8，然后再进行惰性金属层9的沉积，使得惰性金属层9能够均匀覆盖在金属叠层6的顶面和侧壁，能够很好的保护金属叠层6的侧壁和顶部不被腐蚀。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体器件的电极制作方法，其特征在于，包括：

S2、在所述基础结构的表面形成硬质化合物层；

S7、在所述金属叠层的顶端面和侧壁上覆盖连续的惰性金属层，形成金属堆叠结构；

其中，所述硬质化合物层用作制作所述金属堆叠结构的掩模结构。

2.根据权利要求1所述的电极制作方法，其特征在于，步骤S3中所述开口的顶部口径小于底部口径。

3.根据权利要求2所述的电极制作方法，其特征在于，所述开口的侧壁与底端面形成的夹角为60-80°。

4.根据权利要求1所述的电极制作方法，其特征在于，步骤S4包括：去除所述光阻层后，再对所述基础结构表面从所述开口中暴露出的局部区域采用等离子体轰击方式进行所述粗糙化处理。

5.根据权利要求1所述的电极制作方法，其特征在于，所述金属叠层结构中的至少一个金属层为Ni层，并且步骤S6中所述退火处理的温度为625K-635K；所述硬质化合物层包括氮化硅或氧化硅；所述惰性金属层包括金或铂。

6.根据权利要求5所述的电极制作方法，其特征在于，所述Ni层位于所述金属叠层结构的最上层。

7.根据权利要求6所述的电极制作方法，其特征在于，所述金属叠层自底端面至顶端面依次包括厚度为50-100nm的Cr层、厚度为100-150nm的Al层、厚度为100-150nm的Ti层以及厚度150-250nm的Ni层。

8.根据权利要求1所述的电极制作方法，其特征在于，步骤S6中进行了一次或多次所述的退火处理和降温处理。

9.根据权利要求1所述的电极制作方法，其特征在于，步骤S6中所述间隙的尺寸为20-200nm。

10.一种半导体器件，包括基础结构和权利要求1-9中任一项所述的电极制作方法制作的电极，其特征在于，所述电极包括金属叠层和连续覆盖所述金属叠层顶端面和侧壁的惰性金属层。