雷射電路形成方法以及形成的雷射電路的製作方法

2023-05-01 19:33:26 2

專利名稱：雷射電路形成方法以及形成的雷射電路的製作方法
技術領域：
本發明總體上講是涉及用於半導體電子器件的歐姆接觸的技術領域，更具體地講是涉及一種低穿透性的歐姆接觸以及形成該歐姆接觸的方法，這種歐姆接觸提供了一種吸附(gettering)功能來去除半導體器件中的雜質。
近些年，通信系統在全世界各地都已得到發展，這些通信系統利用光纖技術來提高信息傳遞的速率。對更高信息傳遞速率的要求給提高包括半導體雷射器的設計和製造在內的光電子通信技術的現有技術水平帶來了壓力。
半導體雷射器是光電子通信的能源。它們將電子信號轉換成光，光具有特殊的強度和光譜純度特性，這些特性被設計成允許在光纖網絡上傳遞信息。儘管已有技術的半導體通常大多使用屬於元素周期表第IV類中的元素Si和Ge，但諸如金屬間化合物之類的其它材料也被發現表現出有益於形成半導體雷射器的特性。
現代的半導體雷射器是屬於精密器件，其中採用許多半導體層來控制電流和光的流動。這種器件可以具有二十個或更多的半導體子結構，並且需要多達4或5個晶體生長步驟。雷射器的有源區(其中發生了電子和空穴轉換為光子的區域)可由許多被稱為量子阱的子結構組成，其中的一些子結構只有10個原子的厚度。
為了提供電能到光能的高轉換效率，應當對有源區內的電場進行控制。這就意味著對有源區附近的摻雜劑雜質進行高(精)度控制。雜質被有意地引入到半導體中來改變載流子濃度和控制導電類型，對雜質的控制應當是針對位置和濃度的控制，以達到幾個毫微米(nm)的高的空間精度。
接觸金屬鍍敷(金屬化)結構(contact metallization)或者雷射器的與外部交界用於提供化學阻擋和電接觸的部分，在設計時通常比有源區本身受到較少的關注。對接觸結構的設計已經停滯了很長時間。然而，近些年，已變得很明顯的是，控制摻雜劑向有源區的擴散需要對其它層的厚度和摻雜濃度進行優化。這樣又對接觸金屬鍍敷結構或歐姆接觸提出了額外的要求。
與半導體器件的歐姆接觸是指這樣的點，在此，外界以導線中流動的電流的形式來影響半導體。除了很明顯的導電功能外，歐姆接觸提供了有源區與可能影響器件性能的雜質之間的化學隔離。這些雜質通常是在製造過程中由進一步的器件加工工藝產生的或者在正常使用過程中而產生的。歐姆接觸還提供了一條重要路徑，用於使熱量從有源區逸散出去，並且還可能需要用它們來在器件結合(焊接)過程中提供機械隔離。為了實現這些功能，加到半導體上的接觸結構可能由許多層組成，所有這些層相互之間以及與半導體和器件的其它元件之間都應當相容。
在現代的歐姆接觸中，歐姆(電阻)功能是由一個或幾個金屬層來提供的，而其它功能(化學阻擋、機械保護等)是由其它專用於這些目的的層來提供的。「合金(alloyed)」型歐姆金屬鍍敷結構配方(recipe)加入了諸如金之類的溶劑(solvent)金屬，它與半導體和摻雜劑元素強烈反應，例如，對於N型III-V(類)材料摻雜劑元素為Sn或Ge，對於P型材料摻雜劑元素為Be或Zn。溶劑的用途是使半導體分解並形成一種強的物理結合。摻雜劑的用途是提高界面緊鄰部分中的受主或施主的濃度，從而減小接觸電阻。這種「合金」歐姆接觸配方主要設計用來優化接觸電阻。
目前許多光電子器件中所用的傳統歐姆接觸是採用合金歐姆接觸配方來製備的並且由Au和Be組成。這種接觸是用於P型材料並且由Au和Be的合金組成，這種合金是從混合金屬源蒸發為單一薄膜。Au是溶劑，而Be是P型摻雜劑。Au和Be的蒸汽壓是相似的，足以允許通過物理蒸發來施加基本恆定成分的材料，物理蒸發通常是在壓力低於5×10-7乇的一個真空室中進行的，並且使用一個電子束槍作為能源。AuBe合金通過構圖的光致抗蝕劑掩模施加到半導體上，並且當光致抗蝕劑溶解到丙酮中時，過量的金屬就被剝離了。隨後在350-420攝氏度的溫度下AuBe層被退火(加熱)，以形成冶金結合，並且在隨後的製造步驟中施加其它金屬層，以形成保護阻擋和機械結合層。
在整個金屬鍍敷工藝結束時，在疊層中，金屬可包括在7到10個不同的層中厚度達到5個微米。例如，一種典型的金屬鍍敷結構可以具有這樣的序列AuBe\Ti\Pt\Au\Au\Pt\Au(即，首先澱積AuBe，在AuBe上澱積Ti，在Ti上澱積Pt，等等)，其中AuBe層當作與半導體的歐姆接觸界面，序列Ti\Pt\Au當作用於化學保護的阻擋金屬鍍敷結構，序列Au\Pt\Au當作用於機械保護的結合層。希望用Au來作為金屬序列的最後一層，它將暴露於空氣或加工材料。這是因為Au是最不容易反應的和最容易清洗的。
在半導體和金屬層之間，常常施加一層小帶隙的晶格匹配的半導體作為最後的「蓋層」界面，以減少肖特基勢壘高度並進一步有利於接觸。在InGaAsP合金系統的情況下，晶格匹配材料是InGaAs。使用InGaAs作為蓋層的額外好處在於，對於優選的P摻雜劑Zn，它比InP具有更高的溶解性。
然而，使用InGaAs蓋層帶來了向半導體的有源區中引入額外的雜質的危險。在有源區附近雜質Zn的無控制的擴散主要發生在InGaAs蓋層生長過程中。因此，希望形成蓋層所花費的時間最少，由此減小了所需的蓋層厚度。在過去，大多數雷射器使用500nm厚的蓋層。近來，該厚度減少到200nm，並且最近又減少到最小50nm。
因為對減小InGaAs蓋層厚度的關注，努力改進的目標就在於製備一種「低穿透性接觸(low penetration contact)」，這種接觸被設計成與可控的最少量的半導體進行反應。與半導體反應的深度是由與半導體直接相互作用的金屬鍍敷結構的各層的厚度來控制的。這種概念是指，與半導體結合的金屬層的完全反應只消耗少量的半導體蓋層材料。為了確保金屬的總穿透度保持希望的限度，就有必要在半導體/金屬界面上使用非常薄的層。出於對可製造性的考慮，希望這些非常薄的層是由單元素形成的，而不是由合金、混合物或化合物形成的。
已發現傳統的AuBe歐姆接觸不適合與薄的(大約50nm)InGaAs蓋層一起使用。AuBe與蓋層的反應深度是很容易變化的，有時會導致AuBe過度地穿透到下面的InP襯底中。因此，通常需要厚度為200nm或更厚的蓋層來實現AuBe接觸的滿意的可靠性。
除了Zn雜質危險外，銅(Cu)對於InGaAsP半導體器件來說是一種更危險的雜質。即使在非常低的濃度下，Cu離子也會通過一種叫做非輻射複合的過程起到電子和空穴的有效破壞者的作用。Cu還會通過半導體迅速地擴散。或者存在於原始的AuBe源材料中或者由於加工步驟的原因，Cu最常被作為雜質引入接觸金屬鍍敷結構中。因此，希望使用不太可能含有Cu雜質的金屬鍍敷源材料。Cu雜質常常存在於AuBe源金屬中，從而降低了最終形成的半導體器件的可靠性，並且在接觸形成過程中需要大範圍的合金成分控制。這些問題很明顯與合金有關；它們在只使用純金屬層的接觸配方中不是嚴重的問題。
在美國專利申請09/017103中提出了一種與薄的InGaAs蓋層一起使用的、包含純金屬層的歐姆接觸配方，該美國專利申請在此引作參考。在該專利申請中，具有序列Pt\Ti\Pi\Au\Au\Pt\Au的接觸金屬鍍敷結構與III—V(類)半導體器件上的50nm厚的InGaAs蓋層一起使用，並進行了測試。這種金屬鍍敷結構序列用純金屬層序列Pt\Ti\Pi\Au有效地替代了AuBe合金。最終形成的接觸顯示出優良的接觸電阻率，對蓋層的反應深度很淺，並且被認為含有極少的雜質。
然而，對該接觸金屬鍍敷結構的詳細分析表明，所得到的器件還可進一步改進。二次離子質譜分析(SIMS)和俄歇(Auger)電子光譜分析顯示出在合金過程中，InGaAs蓋層中的在蓋層外延生長過程中作為摻雜劑被有意引入的Zn雜質，沒有象傳統的AuBe接觸的AuBe層中那樣發生從p型半導體材料(包括蓋層)向上遷移。如果這種金屬鍍敷結構可以促進Zn向純金屬層的遷移的話，那麼就可得到器件可靠性的改進。
因此，就需要有一種與薄的(50nm)InGaAs蓋層相容的歐姆接觸配方，它含有極少的雜質，呈現最小的電阻率，由能夠做成極薄的層的單元素製備，並且能促使器件可靠性能提高。
本發明提供了一種新的歐姆接觸金屬鍍敷結構和方法，該結構和方法利用一個薄的純金屬層與半導體蓋層反應來吸附鋅和其它填隙雜質。所獲得的接觸結構呈現出良好的可靠性和電阻率特性，並且通過允許在低穿透性接觸結構中使用非常薄的層使得半導體器件的集成度能夠更高。
本發明還提供了一種對已有技術的歐姆接觸結構設計方案的替換方案。已有技術的接觸結構設計主要關注減小接觸電阻。本發明提供了一種改進的歐姆接觸設計方案，其中主要的設計目標是器件可靠性，而不是最小接觸電阻。使用本發明可獲得一種歐姆接觸金屬鍍敷結構配方，它顯示出改進的可靠性、優良的電阻率和提高的集成度。
本發明上述和其它的特徵和優點是通過形成一種多層吸附接觸金屬鍍敷結構(mutlilayer gettering contact metallization)來獲得的，這種多層吸附接觸金屬鍍敷結構包括一個在半導體蓋層上作為初始層形成的薄金屬層，用於俘獲雜質、摻雜劑和自填隙子。在接觸結構形成過程中，蓋層和附近其它層中存在的雜質、自填隙子和其它缺陷擴散到形成接觸結構的金屬層中，從而防止了進一步遷移到半導體器件的有源區。該接觸金屬鍍敷結構是由純金屬層形成的，這些純金屬層相互之間以及與下面的半導體蓋層之間是相容的，這樣，反應的深度可最小化(低穿透性)並且可通過所施加的金屬層的厚度來控制。薄的半導體蓋層，諸如厚度小於200nm的InGaAs蓋層，可在本發明中與厚度為10nm或更小的非常薄的純金屬層一起使用，從而使得能夠提高半導體光電子器件的集成度。此外，由於在歐姆接觸中使用純金屬層，這樣在接觸形成過程中所引入的雜質要比已有技術的合金接觸要少。
從下面參照附圖給出的本發明優選實施例的詳細說明中，本發明的上述和其它的優點和特徵將會變得更清楚，附圖中

圖1是一種電吸收調製雷射器(EML)的局部剖視圖，該EML具有根據本發明所形成的接觸金屬鍍敷結構；圖2是根據本發明的形成多層接觸金屬鍍敷結構的方法的方框圖；圖3是一個半導體結構的局部剖視圖，它處於根據本發明形成多層接觸金屬鍍敷結構的初期階段；圖4是圖3的結構的局部剖視圖，它處於隨後的形成階段；圖5是圖3和4的結構的局部剖視圖，它處於隨後的形成階段；圖6是圖3—5的結構的局部剖視圖，它處於隨後的形成階段；圖7是性能降低速率的曲線圖，用於比較已有技術的老化特性和根據本發明形成的多層接觸金屬鍍敷結構的老化特性；圖8是根據本發明形成的一種光電子通信系統的示意圖。
在下面的說明中，參照本發明的一個實施例中所用的示例性材料和採用該實施例所形成的示例性器件。然而，本領域的普通技術人員將會理解，也可以使用其它材料，並且採用本發明的教導可以構成其它器件。特別是，本發明中所用的材料不局限於所述的化合物半導體，也可以包括非化合物半導體或者由其它的元素組合所形成的化合物半導體，諸如元素周期表的第II和第IV列中的那些元素的組合所形成的化合物半導體。同樣，可包含本發明的器件並不局限於光電子發射器，而是也可以包括光電子吸收器或接收器、調製器或者任何其它受益於集成度提高和可靠電子連接的半導體器件。
圖1顯示出一個帶有接觸金屬(鍍敷結構)部分24的電吸收調製雷射器(EML)10。接觸金屬部分24形成於在介電阻擋層38中蝕刻出的通孔中，介電阻擋層38先期澱積在半導體蓋層(cap layer)26上。半導體蓋層26形成在覆層(cladding layer)28上，覆層28又形成在緩衝層32上。在上述層的下面是半導體襯底34。EML10通常按各部分來描述，這些部分包括分布反饋雷射器(DFB)部分12、溝槽14以及電吸收(EA)調製部分16。DFB雷射器部分12包括多量子阱(MQW)層22和無源波導(光柵)18。EA調製部分16包括有源調製層36。
當超過閾電平(Ith)的電流施加到接觸金屬部分24時，有源MQW層22就將載荷子轉換成光子，從而將輸入電功率轉換成輸出光功率。無源波導18隨後將光功率傳送到EA調製部分16。通過調整空腔或溝槽14中的電場來改變從光子吸收的功率量，EA調製部分16對輸出的光功率進行控制。經調製的光信號從調製器的側面(facet)出來並被耦合到一個通信系統的光纖鏈路上(圖1中未顯示；參照例如圖8)。
接觸金屬部分24通常是在圖1所示的EML10的其它元件之後形成的。在接觸金屬部分24形成以前，通過本領域中公知的半導體形成工藝來形成EML10的其它部分。因為接觸金屬部分24的形成會引入雜質和其它降低EML10性能的缺陷，所以接觸形成工藝應該設計成使雜質的引入或擴散達到最小程度。
本發明的接觸形成工藝在圖2中進行說明。該方法從在Epi3生長步驟132中形成半導體蓋層26(見圖1)開始。蓋層26(見圖1)是由一種小帶隙半導體形成的，優選InGaAs，並且最好是摻雜鋅，以提高其電導率並因此降低電阻率。蓋層26也可用其它能提高電導率的摻雜劑來摻雜，比如碳。
蓋層是外延生長的並且與下面的半導體層晶格匹配。介電阻擋層38(見圖1)在氧化物澱積步驟134中形成在蓋層26(見圖1)上面。介電阻擋層38可以由一種能保護下面的蓋層26的絕緣材料形成，比如氧化物或氮化物。
隨後在光致抗蝕劑構圖步驟136中，施加一種光致抗蝕劑，它用作一個掩模只暴露金屬部分24。在光致抗蝕劑被構圖和曝光後，用顯影劑來去除光致抗蝕劑的曝光區域，並通過隨後的等離子體去浮渣步驟138來去除保留在不必要區域的很小量的抗蝕劑。隨後在金屬鍍敷之前的蝕刻步驟142中，位於暴露區域下面的介電阻擋層38被蝕刻，從而暴露出金屬部分24中的半導體蓋層26。
接觸金屬鍍敷結構的純金屬層是在蒸發步驟144中形成的，並且當剩餘的光致抗蝕劑溶解到丙酮中時，任何過量的金屬都會在剝離(liftoff)步驟146中被剝離。最後，在合金步驟148中晶片被加熱或退火，以促進純金屬層與蓋層26的反應。在步驟144中純金屬層的形成和隨後的熱處理將在圖3—6中進行更詳細的說明。
圖3—6顯示出在製造過程中接觸金屬部分24(見圖1)的局部剖視圖。圖3顯示出對應於圖1中在接觸金屬鍍敷結構兩個位置處的剖面線3—3的局部剖視圖。參照圖3，半導體蓋層26形成於半導體材料的多層結構154上，這個多層結構可能代表不同的半導體層序列，它取決於具體是圖1所示的兩個金屬部分24中的哪一個。不管是哪個金屬部分24，在其上所形成的金屬鍍敷結構序列都是相同的，如下所述。清潔表面156是由金屬鍍敷之前的蝕刻步驟142(見圖2)所獲得的，並且是其上形成純金屬層的表面，如圖4所示。
蓋層26包含有雜質、摻雜劑和點缺陷，包括「自填隙子」缺陷，其中部分是有意添加的，目的是降低電阻率和提高電導率。晶體結構中的「自填隙子」缺陷是在晶格中離開其平衡位置的位置上的一個原子或原子的組合。自填隙子可以與鋅或其它雜質交換位置，因此代表了一種會發生的潛在缺陷。自填隙子被認為是半導體器件性能降低的原因。
參照圖4，多層吸附接觸金屬鍍敷結構160是由金屬(鍍敷)層162、164、166和168以及半導體蓋層26的一部分形成的。多層半導體結構154被顯示位於該接觸金屬鍍敷結構的下面。多層吸附接觸金屬鍍敷結構160是通過如下步驟製備的在蓋層26上形成第一金屬(鍍敷)層168，在第一金屬層168上形成第二金屬(鍍敷)層166，在第二金屬層166上形成第三金屬(鍍敷)層164，並且在第三金屬層164上形成第四金屬(鍍敷)層162。
在一個優選實施例中，第一金屬層168是由純金(Au)以大約1nm到11nm的厚度來形成的，第二金屬層166是由諸如純鈦(Ti)之類的低電負性金屬以大約30nm到70nm的厚度來形成的，第三金屬層164是由諸如鉑(Pt)之類的高電負性金屬以大約30nm到70nm的厚度來形成的，第四金屬層162是由純金(Au)以大約50nm到300nm的厚度來形成的。
在可替換的實施例中，第二金屬層166可由任何低電負性金屬形成，而第三金屬層164可由任何高電負性金屬形成。正如前面引作參考的美國專利申請09/017103中更詳細地論述的，「低電負性」金屬趨向於與「高電負性」金屬形成強的結合，並且這種結合提供了改善的保護以抵抗缺陷、雜質和自填隙子的擴散。典型的高電負性金屬包括鉑、鈀和銠。典型的低電負性金屬包括鈦、鉿、鋯、鈧、鑭和鈰。
金屬層162、164、166和168優選通過電子束蒸發來形成。晶片被放置在壓力低於5x10-7乇的真空室中，並且所有四個金屬層162、164、166和168是在不破壞真空的情況下在單一蒸發過程中順序地塗覆的。金屬層162、164、166和168是採用電子束槍作為能源從對應於每個層的純金屬源通過物理蒸發塗覆的。在金屬層162、164、166和168形成以後，多層吸附接觸金屬鍍敷結構160就被加熱或退火，以加速金屬層164、166和168互相之間以及與蓋層26的一部分之間的合金反應，從而獲得了下面參照圖5所描述的結構。
合金步驟148(見圖2)包括將金屬部分24(見圖1)或者整個EML10加熱到足以引起金屬層168、166和164互相之間以及與蓋層26之間的反應的溫度。該合金步驟148也被稱作對金屬層「退火」。在使用純金屬序列Au\Ti\Pt\Au分別作為金屬層168、166、164和162的實施例中，並且當摻雜鋅的InGaAs作為半導體蓋層26(即，p型接觸)時，晶片被加熱到350攝氏度，時間為大約0.25到7分鐘。為在以後實現n型接觸合金化，這個加熱周期可以重複。在後面的結合和封裝操作中，可執行一個額外的加熱步驟，其中晶片被加熱到360攝氏度達4分鐘。本發明的低穿透性接觸的一個優點在於，對於其電特性和可靠性而言，在初始的合金中形成的p型接觸是穩定的，甚至在以後的加熱和製造步驟中也是如此。
正如目前所理解的，金屬層162、164、166和168相互之間以及與蓋層26之間進行化學反應。然而，本發明不需要被任何理論所限制，並且任何其它機理都可以與本發明的裝置和方法相容。在以上和以下的論述中，都會相應地涉及到一個反應(過程)。
圖5顯示出在合金步驟148(見圖2)以及金屬層164、166和168相互之間及其與蓋層26之間的化學反應之後所產生的結構。正如目前所理解的，這個反應得到了鄰接蓋層26形成的第一反應層176、鄰接第一反應層176形成的第二反應層174以及鄰接第二反應層174形成的第三反應層172。蓋層26以及第二、第三金屬層166和164是以減小的厚度示出的，用以顯示這些層的一部分的反應消耗。這些層26、166、164的未反應消耗的部分保持合金步驟148前的各自相應位置。第四金屬層162沒有與下面的層反應，並具有一個外表面161，該表面暴露著以供形成諸如化學阻擋層或機械保護層之類的其它接觸金屬鍍敷層，正如下面參照圖6所描述的。
反應層172、174和176是通過金屬層168、166和164互相之間以及與蓋層26之間的反應來形成的。在本發明的一個實施例中，第一金屬層168與蓋層26反應，並可與第二金屬層166反應。第二金屬層166可與金屬層168、蓋層26和第三金屬層164反應。第三金屬層164可與第二金屬層166反應。上述反應導致了反應層176、174和172的形成，這幾個不同的層只是在高倍放大(即，使用透射電子顯微鏡或類似儀器)的情況下才可分辨。對於採用InGaAs作為蓋層26並且採用Au\Ti\Pt\Au作為相應金屬層168、166、164和162的序列的實施例，第一反應層176可至少包含Ti和As，第二反應層174可至少包含In、Au和As，第三反應層172可至少包含Ti、Ga和Au。
應當指出的是，參與反應的各層的金屬在反應後有可能遷移到新的位置。在反應中該層被完全消耗時，這就可能發生。例如，在上述的示例性實施例中，在合金步驟148後，Au只包含在不與蓋層26接觸的層中，但Au最初是直接澱積在蓋層26上的。
與金屬層168、166反應的蓋層26的量決定了所形成的接觸是「高穿透性」接觸還是「低穿透性」接觸。參與反應的蓋層26(的量)越多，穿透性就越高。向蓋層26中的過度穿透是不希望的，因為如果蓋層26形成得太薄，就會導致半導體層1 54的汙染並且會對器件的可靠性帶來不利影響。然而，一些金屬鍍敷結構的穿透性要比其它的(金屬鍍敷結構)低，由此可以確定對應於每種金屬鍍敷結構配方(metallization recipe)的大致的最小蓋層厚度。例如，已有技術的AuBe金屬鍍敷結構要比本發明的金屬鍍敷結構的穿透性高。可靠的AuBe接觸需要至少200nm厚的蓋層26。作為比較，採用Au\Ti\Pt\Au金屬鍍敷結構配方已形成了與50nm厚的蓋層26的可靠接觸。反應時間和溫度的仔細控制也有助於控制蓋層26的穿透。
在金屬層164、166和168互相之間以及與蓋層26之間進行反應期間，在蓋層26和其它附近的層中的可移動雜質和自填隙子擴散到反應層中並且被反應層俘獲。由於反應層的俘獲作用，雜質和自填隙子就朝向反應層遷移並移出半導體蓋層26和下面的半導體層154。任何以後的加熱步驟也都有利於這個遷移過程，但在合金步驟148(見圖2)中的初始反應之後，這些以後的步驟是不需要的。可移動雜質和自填隙子的這種遷移被稱為「吸附」，並且有助於提高器件的性能。多層吸附接觸金屬鍍敷結構160的吸附特性提高了接觸可靠性，並降低了根據本發明所形成的半導體器件的製造變異性。
另外，在以上的論述中，所涉及的反應應當被認為是基於目前所理解的形成理論。然而，本發明不需要被任何理論所限制，任何其它機理都可與本發明的裝置和方法相容。在上面和下面的論述中，相應地都應涉及到一個反應(過程)。
在多層吸附接觸金屬鍍敷結構160形成之後，在它上面澱積幾個額外的金屬層。圖6顯示出最終的金屬鍍敷結構200，它包括多層吸附接觸金屬鍍敷結構160和一個阻擋金屬鍍敷結構210以及一個機械/結合金屬鍍敷結構220。阻擋金屬鍍敷結構210可以由金屬層212、214、216形成，這些金屬層提供了下面的有源區與由於進一步的加工或正常使用所產生的雜質的化學隔離。特別是，阻擋金屬鍍敷結構210可由能夠阻止諸如錫、銅或鎳之類的結合金屬擴散到器件中同時能夠阻止諸如銦之類的半導體原子擴散到器件外的材料來形成。對於Au\Ti\Pt\Au接觸金屬鍍敷結構而言，一種典型的阻擋金屬鍍敷結構是分別對應於層216、214、212的Ti\Pt\Au(配方)。
機械/結合金屬鍍敷結構220是由金屬層222、224、226形成的，這些層在用於電連接的結合工藝中對下面的層提供了機械隔離。特別是，機械/結合金屬鍍敷結構優選由能夠吸收結合應力和能夠阻止焊料穿透到下面的層中的材料來形成。通常採用一個金層作為頂部的機械/結合層222，它將暴露於空氣或加工材料，因為它是最不容易反應的和最容易清洗的金屬。對於Au\Ti\Pt\Au接觸金屬鍍敷結構和Ti\Pt\Au阻擋金屬鍍敷結構，一種典型的結合金屬鍍敷結構是分別對應於層226、224、222的Au\Pt\Au(配方)。除了化學和機械隔離外，由接觸金屬鍍敷結構160、阻擋金屬鍍敷結構210和機械/結合金屬鍍敷結構220組成的結構還提供了一條路徑，用於讓熱量從下面的半導體154的有源區中逸散出去。
圖7顯示出對已有技術的AuBe接觸金屬鍍敷結構和本發明的Au\Ti\Pt\Au接觸金屬鍍敷結構進行的老化試驗的結果。曲線上的每個點代表一個EML半導體雷射器10(見圖1)，它們在加速老化環境中進行試驗，以確定雷射器的性能降低速率。這是通過將器件置於較高溫度(100攝氏度)和比實際使用條件具有更大應力的偏置條件下來完成的。EML DFB雷射器部分(見圖1)正向偏置來維持200mA的電流，而調製器部分保持在-5.0V的反向偏置。雷射器的性能降低是通過周期性地降低溫度和測量固定電流條件下的光輸出來監測的。
圖7中的y軸代表每個雷射器的性能降低速率，單位是每千小時(Khr)的性能降低百分比(％)。x軸代表與試驗樣品的標準正態值的偏差(圖的底部)或者樣品中呈現這種性能降低特性的雷射器的等效百分比(圖的頂部)。數據動向曲線(data trends)186和188代表用已有技術的AuBe接觸金屬鍍敷結構構成的雷射器，而數據動向曲線182和184代表用根據本發明的具有Au\Ti\Pt\Au序列的多層吸附接觸金屬鍍敷結構160(見圖5)所構成的雷射器。
參照圖7所示的y軸，性能降低速率越低越好，因而本發明的數據動向曲線182和184顯示出優於已有技術的性能降低速率動向曲線186和184的改進。具有本發明的接觸金屬鍍敷結構的雷射器的性能降低速率中值處於大約2.12和2.94％Khr之間，而已有技術的雷射器的性能降低速率中值處於大約17.3和19.59％Khr之間。本發明在性能降低速率方面提供了很大的改進。
因此，本發明的接觸金屬鍍敷結構通過其使用薄的金屬鍍敷層及其與薄的半導體蓋層的相容性，提高了下面的半導體的集成度，呈現出如上所述的改進的可靠性，並且具有合適的低接觸電阻。例如，對於一個摻雜鋅的蓋層，所得到的器件呈現出與已有技術的AuBe接觸結構相當的接觸電阻。接觸電阻是由蓋層中的有源摻雜劑的濃度來控制的，並且如果使用諸如碳之類的低擴散摻雜劑來代替鋅，接觸電阻可進一步減小。
圖8顯示出根據本發明構成的一個示例性的通信系統250。通信系統250包括一個半導體雷射器252、一個雷射信號接收器256以及一個光纖鏈路254。半導體雷射器252包括如上所述的多層吸附接觸金屬鍍敷結構。系統250是通過從雷射器252經由光纖鏈路254(充當一個管路)向接收器256發送通信數據來工作的。要發送的數據在雷射器252中從電信號轉換成光子，光子通過光纖鏈路254移動到接收器256，接收器256再將光子轉換成電信號。
儘管已結合當前所知的優選實施例對本發明進行了詳細說明，但應當很容易地理解的是，本發明不局限於所公開的實施例。而是本發明可進行修改而引入尚未描述的任何數量的變化、更改、置換或等同結構，但這些修改內容應該與本發明的精神和範圍相吻合。相應地，本發明不能被視為受上述說明的限制，而是僅僅受所附權利要求的範圍限制。
權利要求
1.一種多層吸附接觸金屬鍍敷結構，包括一個半導體蓋層；和一個在所述蓋層上形成的低穿透性電接觸結構，它包括多個金屬層，至少其中一個層與所述蓋層反應，以從所述蓋層中去除可移動雜質和自填隙子。
2.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述金屬層是退火層。
3.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述金屬層是電子束蒸鍍層。
4.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述蓋層是摻雜鋅的化合物半導體。
5.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述蓋層是摻雜碳的化合物半導體。
6.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜鋅。
7.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜碳。
8.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述蓋層具有的厚度在大約30nm和500nm之間。
9.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述蓋層具有的厚度大於約30nm並且小於約200nm。
10.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述蓋層具有的厚度為大約50nm。
11.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述多個金屬層包括至少一個金層、至少一個低電負性金屬層和至少一個高電負性金屬層。
12.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述多個金屬層包括在所述蓋層上由金形成的第一層、在所述第一層上由鈦形成的第二層、在所述第二層上由鉑形成的第三層和在所述第三層上由金形成的第四層。
13.根據權利要求12的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述第一層與所述蓋層反應，並且所述第二層與所述蓋層、所述第一層和所述第三層反應。
14.根據權利要求12的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述第一層的厚度為大約1nm到11nm，所述第二層的厚度為大約30nm到70nm，所述第三層的厚度為大約30nm到70nm，所述第四層的厚度為大約50nm到300nm。
15.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述蓋層與所述的至少一個金屬層反應，由此所述多個金屬層包括第一層和第二層，第一層至少含有金和銦，第二層至少含有鈦和金。
16.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述可移動雜質包括鋅。
17.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述自填隙子包括銦原子或鎵原子。
18.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，其中，所述可移動雜質和自填隙子包括從下列元素組中選出的至少一種元素的原子銅、鋅、銦和鎵。
19.根據權利要求1的接觸金屬鍍敷結構，還包括一個在所述多個金屬層上形成的阻擋金屬鍍敷結構，它包括由低電負性金屬構成的第一阻擋層、由高電負性金屬構成的第二阻擋層以及由金構成的第三阻擋層。
20.根據權利要求19的接觸金屬鍍敷結構，還包括一個在所述阻擋金屬鍍敷結構上形成的結合金屬鍍敷結構，它包括由金構成的第一結合層、由鉑構成的第二結合層以及由金構成的第三結合層。
21.一種光電子集成電路，包括一個半導體器件，它包括多個半導體器件層；和至少一個多層吸附接觸金屬鍍敷結構，它形成在所述的多個器件層上，並且包括一個半導體蓋層；一個低穿透性電接觸結構，它形成在所述蓋層上，並且包括多個金屬層，至少其中之一與所述蓋層反應，以從所述蓋層中去除可移動雜質和自填隙子。
22.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述金屬層是退火層。
23.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述金屬層是電子束蒸鍍層。
24.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述蓋層是摻雜鋅的化合物半導體。
25.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述蓋層是摻雜碳的化合物半導體。
26.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜鋅。
27.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜碳。
28.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述蓋層具有的厚度在大約30nm和500nm之間。
29.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述蓋層具有的厚度大於約30nm並且小於約200nm。
30.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述蓋層具有的厚度為大約50nm。
31.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述多個金屬層包括至少一個金層、至少一個低電負性金屬層和至少一個高電負性金屬層。
32.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述多個金屬層包括在所述蓋層上由金形成的第一層、在所述第一層上由鈦形成的第二層、在所述第二層上由鉑形成的第三層以及在所述第三層上由金形成的第四層。
33.根據權利要求32的光電子集成電路，其中，所述第一層與所述蓋層反應，並且所述第二層與所述蓋層、所述第一層和所述第三層反應。
34.根據權利要求32的光電子集成電路，其中，所述第一層的厚度為大約1nm到11nm，所述第二層的厚度為大約30nm到70nm，所述第三層的厚度為大約30nm到70nm，所述第四層的厚度為大約50nm到300nm。
35.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述蓋層與所述的至少一個金屬層反應，由此所述多個金屬層包括第一層和第二層，第一層至少含有金和銦，第二層至少含有鈦和金。
36.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述可移動雜質包括鋅。
37.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述自填隙子包括銦原子或鎵原子。
38.根據權利要求21的光電子集成電路，其中，所述可移動雜質和自填隙子包括從下列元素組中選出的至少一種元素的原子銅、鋅、銦和鎵。
39.根據權利要求21的光電子集成電路，還包括一個在所述多個金屬層上形成的阻擋金屬鍍敷結構，它包括由低電負性金屬構成的第一阻擋層、由高電負性金屬構成的第二阻擋層以及由金構成的第三阻擋層。
40.根據權利要求39的光電子集成電路，還包括一個在所述阻擋金屬鍍敷結構上形成的結合金屬鍍敷結構，它包括由金構成的第一結合層、由鉑構成的第二結合層以及由金構成的第三結合層。
41.一種多量子阱半導體雷射器，包括一個多量子阱半導體器件，它包括多個半導體器件層，和至少一個多層吸附接觸金屬鍍敷結構，它形成在所述的多個半導體器件層上，並且包括一個半導體蓋層；一個低穿透性電接觸結構，它形成在所述蓋層上，並且包括多個金屬層，至少其中一個層與所述蓋層反應，以從所述蓋層中去除可移動雜質和自填隙子。
42.根據權利要求41的雷射器，其中，所述金屬層是退火層。
43.根據權利要求41的雷射器，其中，所述金屬層是電子束蒸鍍層。
44.根據權利要求41的雷射器，其中，所述蓋層是摻雜鋅的化合物半導體。
45.根據權利要求41的雷射器，其中，所述蓋層是摻雜碳的化合物半導體。
46.根據權利要求41的雷射器，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜鋅。
47.根據權利要求41的雷射器，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜碳。
48.根據權利要求41的雷射器，其中，所述蓋層具有的厚度在大約30nm和500nm之間。
49.根據權利要求41的雷射器，其中，所述蓋層具有的厚度大於約30m並且小於約200nm。
50.根據權利要求41的雷射器，其中，所述蓋層具有的厚度為大約50nm。
51.根據權利要求41的雷射器，其中，所述多個金屬層包括至少一個金層、至少一個低電負性金屬層以及至少一個高電負性金屬層。
52.根據權利要求41的雷射器，其中，所述多個金屬層包括在所述蓋層上由金形成的第一層、在所述第一層上由鈦形成的第二層、在所述第二層上由鉑形成的第三層以及在所述第三層上由金形成的第四層。
53.根據權利要求52的雷射器，其中，所述第一層與所述蓋層反應，並且所述第二層與所述蓋層、所述第一層和所述第三層反應。
54.根據權利要求52的雷射器，其中，所述第一層的厚度為大約1nm到11nm，所述第二層的厚度為大約30nm到70nm，所述第三層的厚度為大約30nm到70nm，所述第四層的厚度為大約50nm到300nm。
55.根據權利要求41的雷射器，其中，所述蓋層與所述的至少一個金屬層反應，由此所述多個金屬層包括第一層和第二層，第一層至少含有金和銦，第二層至少含有鈦和金。
56.根據權利要求41的雷射器，其中，所述可移動雜質包括鋅。
57.根據權利要求41的雷射器，其中，所述自填隙子包括銦原子或鎵原子。
58.根據權利要求41的雷射器，其中，所述可移動雜質和自填隙子包括從下列元素組中選出的至少一種元素的原子銅、鋅、銦和鎵。
59.根據權利要求41的雷射器，還包括一個在所述多個金屬層上形成的阻擋金屬鍍敷結構，它包括由低電負性金屬構成的第一阻擋層、由高電負性金屬構成的第二阻擋層以及由金構成的第三阻擋層。
60.根據權利要求59的雷射器，還包括一個在所述阻擋金屬鍍敷結構上形成的結合金屬鍍敷結構，它包括由金構成的第一結合層、由鉑構成的第二結合層以及由金構成的第三結合層。
61.一種電吸收調製雷射器(EML)，包括一個電吸收調製半導體器件，它包括多個半導體器件層；和至少一個多層吸附接觸金屬鍍敷結構，它形成在所述的多個半導體器件層上，並且包括一個半導體蓋層；一個低穿透性電接觸結構，它形成在所述蓋層上，並且包括多個金屬層，至少其中一個與所述蓋層反應，以從所述蓋層中去除可移動雜質和自填隙子。
62.根據權利要求61的雷射器，其中，所述金屬層是退火層。
63.根據權利要求61的雷射器，其中，所述金屬層是電子束蒸鍍層。
64.根據權利要求61的雷射器，其中，所述蓋層是摻雜鋅的化合物半導體。
65.根據權利要求61的雷射器，其中，所述蓋層是摻雜碳的化合物半導體。
66.根據權利要求61的雷射器，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜鋅。
67.根據權利要求61的雷射器，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜碳。
68.根據權利要求61的雷射器，其中，所述蓋層具有的厚度在大約30nm和500nm之間。
69.根據權利要求61的雷射器，其中，所述蓋層具有的厚度大於約30nm並且小於約200nm。
70.根據權利要求61的雷射器，其中，所述蓋層具有的厚度為大約50nm。
71.根據權利要求61的雷射器，其中，所述多個金屬層包括至少一個金層、至少一個低電負性金屬層以及至少一個高電負性金屬層。
72.根據權利要求61的雷射器，其中，所述多個金屬層包括在所述蓋層上由金形成的第一層、在所述第一層上由鈦形成的第二層、在所述第二層上由鉑形成的第三層以及在所述第三層上由金形成的第四層。
73.根據權利要求72的雷射器，其中，所述第一層與所述蓋層反應，並且所述第二層與所述蓋層、所述第一層和所述第三層反應。
74.根據權利要求72的雷射器，其中，所述第一層的厚度為大約1nm到11nm，所述第二層的厚度為大約30nm到70nm，所述第三層的厚度為大約30nm到70nm，所述第四層的厚度為大約50nm到300nm。
75.根據權利要求61的雷射器，其中，所述蓋層與所述的至少一個金屬層反應，由此所述多個金屬層包括第一層和第二層，第一層至少含有金和銦，第二層至少含有鈦和金。
76.根據權利要求61的雷射器，其中，所述可移動雜質包括鋅。
77.根據權利要求61的雷射器，其中，所述自填隙子包括銦原子或鎵原子。
78.根據權利要求61的雷射器，其中，所述可移動雜質和自填隙子包括從下列元素組中選出的至少一種元素的原子銅、鋅、銦和鎵。
79.根據權利要求61的雷射器，還包括一個在所述多個金屬層上形成的阻擋金屬鍍敷結構，它包括由低電負性金屬構成的第一阻擋層、由高電負性金屬構成的第二阻擋層以及由金構成的第三阻擋層。
80.根據權利要求79的雷射器，還包括一個在所述阻擋金屬鍍敷結構上形成的結合金屬鍍敷結構，它包括由金構成的第一結合層、由鉑構成的第二結合層以及由金構成的第三結合層。
81.一種光電子通信系統，包括一個半導體雷射器；一個光電子接收器；和一個連接所述雷射器和所述接收器的光鏈路，其中，所述雷射器、所述鏈路和所述接收器中的至少一個包括一個多層吸附接觸金屬鍍敷結構，該多層吸附接觸金屬鍍敷結構包括一個半導體蓋層；和一個低穿透性電接觸結構，它形成在所述蓋層上，並且包括多個金屬層，至少其中一個與所述蓋層反應，以從所述蓋層中去除可移動雜質和自填隙子。
82.根據權利要求81的系統，其中，所述金屬層是退火層。
83.根據權利要求81的系統，其中，所述金屬層是電子束蒸鍍層。
84.根據權利要求81的系統，其中，所述蓋層是摻雜鋅的化合物半導體。
85.根據權利要求81的系統，其中，所述蓋層是摻雜碳的化合物半導體。
86.根據權利要求81的系統，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜鋅。
87.根據權利要求81的系統，其中，所述蓋層是包括銦、鎵和砷的化合物半導體，並且摻雜碳。
88.根據權利要求81的系統，其中，所述蓋層具有的厚度在大約30nm和500nm之間。
89.根據權利要求81的系統，其中，所述蓋層具有的厚度大於約30nm並且小於約200nm。
90.根據權利要求81的系統，其中，所述蓋層具有的厚度為大約50nm。
91.根據權利要求81的系統，其中，所述多個金屬層包括至少一個金層、至少一個低電負性金屬層以及至少一個高電負性金屬層。
92.根據權利要求81的系統，其中，所述多個金屬層包括在所述蓋層上由金形成的第一層、在所述第一層上由鈦形成的第二層、在所述第二層上由鉑形成的第三層以及在所述第三層上由金形成的第四層。
93.根據權利要求92的系統，其中，所述第一層與所述蓋層反應，並且所述第二層與所述蓋層、所述第一層和所述第三層反應。
94.根據權利要求92的雷射器，其中，所述第一層的厚度為大約1nm到11nm，所述第二層的厚度為大約30nm到70nm，所述第三層的厚度為大約30nm到70nm，所述第四層的厚度為大約50nm到300nm。
95.根據權利要求81的系統，其中，所述蓋層與所述的至少一個金屬層反應，由此所述多個金屬層包括第一層和第二層，第一層至少含有金和銦，第二層至少含有鈦和金。
96.根據權利要求81的系統，其中，所述可移動雜質包括鋅。
97.根據權利要求81的系統，其中，所述自填隙子包括銦原子或鎵原子。
98.根據權利要求81的系統，其中，所述可移動雜質和自填隙子包括從下列元素組中選出的至少一種元素的原子銅、鋅、銦和鎵。
99.根據權利要求81的系統，還包括一個在所述多個金屬層上形成的阻擋金屬鍍敷結構，它包括由低電負性金屬構成的第一阻擋層、由高電負性金屬構成的第二阻擋層以及由金構成的第三阻擋層。
100.根據權利要求99的系統，還包括一個在所述阻擋金屬鍍敷結構上形成的結合金屬鍍敷結構，它包括由金構成的第一結合層、由鉑構成的第二結合層以及由金構成的第三結合層。
101.一種在具有一個蓋層的雷射半導體器件中製造多層吸附接觸金屬鍍敷結構的方法，包括以下步驟在所述蓋層上形成一個介電阻擋層；根據一個圖形去除所述介電阻擋層的部分，以暴露所述蓋層的部分；在所述暴露的蓋層部分上形成多個純金屬層，至少其中一個純金屬層能夠吸附所述蓋層中存在的可移動雜質和自填隙子；和加熱所述的多個純金屬層，使至少所述蓋層中的可移動雜質和自填隙子被吸附到所述的多個純金屬層中。
102.根據權利要求101的方法，其中，所述的形成所述介電阻擋層的步驟包括使用氧化物或氮化物來形成所述的阻擋層。
103.根據權利要求101的方法，其中，所述的形成所述純金屬層的步驟包括在真空中的電子束蒸發。
104.根據權利要求101的方法，其中，所述的加熱步驟包括在大約350攝氏度的溫度下加熱所述純金屬層約0.25到7分鐘的時間。
105.根據權利要求101的方法，其中，所述的形成所述純金屬層的步驟包括形成至少一個金層、至少一個低電負性金屬層以及至少一個高電負性金屬層。
106.根據權利要求101的方法，其中，所述的形成所述純金屬層的步驟包括在所述蓋層上由金形成第一層、在所述第一層上由鈦形成第二層、在所述第二層上由鉑形成第三層以及在所述第三層上由金形成第四層。
107.根據權利要求106的方法，其中，所述第一層與所述蓋層反應，並且所述第二層與所述蓋層、所述第一層和所述第三層反應。
108.根據權利要求106的方法，其中，所述第一層的厚度為大約1nm到11nm，所述第二層的厚度為大約30nm到70nm，所述第三層的厚度為大約30nm到70nm，所述第四層的厚度為大約50nm到300nm。
109.根據權利要求101的方法，其中，所述蓋層與所述多個金屬層發生反應，以至少形成第一層和第二層，所述第一層至少包含金和銦，所述第二層至少含有鈦和金。
110.根據權利要求101的方法，其中，所述金屬層與所述蓋層的控制量反應，所述控制量由在所述蓋層上形成的所述金屬層的厚度、所述金屬層被加熱的時間以及所述金屬層被加熱的溫度來確定。
111.根據權利要求101的方法，其中，所述加熱步驟使至少包括鋅的可移動雜質被吸附。
112.根據權利要求101的方法，其中，所述加熱步驟使至少包括銦原子或鎵原子的自填隙子被吸附。
113.根據權利要求101的方法，其中，所述加熱步驟使所述可移動雜質和自填隙子被吸附，所述可移動雜質和自填隙子包括從下列元素組中選出的至少一種元素的原子銅、鋅、銦和鎵。
114.根據權利要求101的方法，還包括在所述多個金屬層上形成一個阻擋金屬鍍敷結構，所述阻擋金屬鍍敷結構包括由低電負性金屬構成的第一阻擋層、由高電負性金屬構成的第二阻擋層以及由金構成的第三阻擋層。
115.根據權利要求114的方法，還包括在所述阻擋金屬鍍敷結構上形成一個結合金屬鍍敷結構，所述結合金屬鍍敷結構包括由金構成的第一結合層、由鉑構成的第二結合層以及由金構成的第三結合層。
全文摘要
利用在半導體蓋層上形成的薄的純金屬層作為初始層,本發明提供了多層吸附接觸金屬鍍敷結構的新的接觸結構和方法。在接觸結構的形成過程中,這個薄金屬層與蓋層發生反應,並且所形成的反應層俘獲在蓋層內和附近的金屬層中擴散的可移動雜質和自填隙子,從而防止了進一步遷移到半導體器件的有源區。該接觸金屬鍍敷結構是由純金屬層形成的,這些純金屬層相互之間以及與下面的半導體蓋層之間是相容的,這樣,反應的深度可最小化並且可通過所施加的金屬層的厚度來控制。薄的半導體蓋層,諸如厚度小於200nm的InGaAs蓋層,可在本發明中與厚度為10nm或更小的非常薄的純金屬層一起使用,從而使得能夠提高半導體光電子器件的集成度。此外,由於在歐姆接觸中使用純金屬層,這樣在接觸形成過程中所引入的雜質要比已有技術的合金接觸要少。
文檔編號H01L21/28GK1332473SQ0111784
公開日2002年1月23日 申請日期2001年4月7日 優先權日2000年4月7日
發明者G·E·小得基茨, W·R·亥福納, P·帕瑞延斯爾, P·J·卡羅爾, R·C·穆薩阿 申請人:阿吉爾系統光電子學監護股份有限公司