CN108288582B - 一种晶圆级GaN器件衬底转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于晶圆级GaN器件原始衬底的转移方法，属于半导体工艺技术领域。通过在原片表面覆盖一层可去除的较厚保护支撑层，去除原衬底后，两圆片直接键合。该方法包括如下步骤：(1)对晶圆级GaN器件完成正面工艺后的表面覆盖保护支撑层；(2)去除原始衬底；(3)对圆片背面和待转移的Si衬底表面进行清洗；(4)对圆片背面进行N2气等离子体处理；(5)对Si晶圆表面进行O2气等离子体处理；(6)将两者放入氨水溶液中预键合；(7)将贴合好的样品在N2环境下施加外力键合；(8)对键合后的晶圆进行低温退火处理。(9)将退火后的晶片曝光后放入显影液中溶解去除表面保护层。本发明能够实现GaN器件的衬底转移。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种晶圆级GaN器件衬底转移的方法。
背景技术
由于高电子迁移率晶体管(HEMT)的高电子饱和速度和宽带隙，氮化镓(GaN)对于高功率和高频率器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)是非常有吸引力的材料。目前，外延GaN可以在异质衬底如硅(Si)，蓝宝石(Al2O3)或碳化硅(SiC)上以及在同质衬底上生长。生长在Si上的GaN是最优选的，因为Si晶片可用于更大的直径并具有比蓝宝石更高的导热率。然而，在Si上生长的外延GaN的质量由于高的穿透位错密度(TDD)和由于大的热和晶格失配导致的裂缝而受到限制，这导致了差的器件性能和低的产量。
近来，已经开发了几种外延剥离方法，这些方法重新使用昂贵的SiC衬底甚至GaN衬底。通过这些外延剥离方法，在SiC衬底或GaN衬底上生长的高质量GaN外延层可以在器件制造之后以低成本被转移到任何期望的目标衬底。由于GaN外延层的厚度可能只有几微米，通常对于高温非常敏感的粘合剂或热释放带是处理所必需的。为了在键合到目标衬底期间不损坏器件晶片和处理材料，期望低温键合工艺。此外，器件层与目标衬底之间的界面热阻应尽可能小，以获得更好的器件性能，特别是对于高功率和高频应用。应避免使用环氧树脂和氧化硅(SiO2)等导热性较低的较厚的中间层。因此迫切需要低温直接焊接工艺。
表面活化键合(SAB)是超高真空(UHV)中的室温键合方法。在这种方法中，使用等离子束轰击表面活化以除去键合表面上的氧化物和污染物。在表面活化之后，即使在室温下，活化表面在UHV中也将具有足够的活性以在键合界面处形成共价键。在室温下已经实现了诸如半导体和金属之类的各种材料之间的牢固结合。由于Si材料的具有成本低、相对较高的热导率等优势，所以Si材料作为目标衬底是一个非常好的选择。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶圆级GaN器件衬底转移的方法，通过表面旋涂较厚的光敏性BCB，然后形成保护支撑层的表面活化键合方式，以实现在异质衬底(Si、蓝宝石、SiC)和同质衬底(GaN)外延生长的GaN材料制造的GaN器件的衬底转移，满足GaN HMET器件和HBT(异质结双极型晶体管)器件的射频性能，以解决器件在大功率工作时由于器件温度升高而导致的性能降低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种晶圆级GaN器件衬底转移方法，包括以下步骤：
(1)对晶圆级GaN器件完成正面工艺后的表面覆盖保护支撑层；
(2)去除GaN器件的原始衬底；
(3)对GaN器件的背面和待转移的Si衬底表面进行清洗；
(4)对GaN器件的背面进行N2气等离子体处理；
(5)对待转移的Si衬底晶圆表面进行O2气等离子体处理；
(6)将GaN器件和Si晶圆放入氨水溶液中进行预键合；
(7)将预键合后贴合好的晶圆样品在N2环境下施加外力进行键合；
(8)对键合后的晶圆进行低温退火处理；
(9)去除低温退火后的晶圆表面的保护支撑层。
在上述方案中，优选的器件为GaN HEMT器件、GaN HBT器件，保护层为光敏BCB(XUS35078负性光敏BCB)，厚度大于30μm。将GaN器件圆片放置在热板上热烘，去除BCB胶内溶剂，热烘温度保持在100℃～200℃，热烘时间100s～200s，防止高温BCB固化导致转移完成后BCB胶无法去除。
在上述方案中，优选的热烘温度为110℃，热烘时间130s。
在上述方案中，优选的原始衬底去除采用KrF准分子激光器剥离。
在上述方案中，优选的清洗方法采用标准RCA清洗，清洗3次，AFM(原子力显微镜)观察表面粗糙度＜1nm。
在上述方案中，优选的N2气气体流量为50～100sccm，活化功率为150～250W，活化时间30s。
在上述方案中，优选的O2气气体流量为50～100sccm，活化功率150～250W，活化时间30s。
在上述方案中，优选的氨水溶液浓度为29％，温度为20～50℃。
在上述方案中，优选的键合压力为100～500Kg，键合温度100～400℃，键合时间为1h。
在上述方案中，优选的低温退火温度为150℃，退火时间60min。
在上述方案中，步骤(9)将退火后的晶片曝光后放入显影液中去除表面保护支撑层，优选的显影液为DS3000，显影时间：5～15min。
本发明提供一种晶圆级GaN器件衬底转移方法，使用BCB膜提供保护支撑层，同时在衬底转移完成后通过曝光去除表面BCB；采用湿法清洗、表面等离子体处理增加表面化学状态，表面悬挂键，然后通过在含有大量-OH的溶液预键合，进一步增加键合效果，实现GaN器件的衬底转移；相比于蓝宝石衬底，Si衬底具有良好的散热特性，满足GaN HMET器件和HBT器件的射频性能，以降低器件在大功率工作时随温度升高导致性能退化。
附图说明
图1为键合前晶圆的横截面示意图；
图2为GaN器件完成正面工艺后表面旋涂光敏性BCB横截面示意图；
图3为等离子体活化示意图；
图4为氨水溶液中预键合示意图；
图5为去除表面光敏性BCB保护层后示意图。
其中，1-硅晶圆，2-蓝宝石衬底，3-GaN器件，4-光敏性BCB，5-N2等离子体，6-O2等离子体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图,对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种晶圆级GaN器件衬底转移方法，首先对完成了正面工艺的GaN器件晶圆表面旋涂光敏性BCB，形成保护支撑层，通过KrF准分子激光剥离衬底，再对两晶圆(GaN器件晶圆和硅晶圆)进行表面清洗，在氨水溶液中预键合，最终键合、退火并去除表面光敏性BCB胶。
实施例1：
如图1～5所示，依照本发明实施的晶圆键合方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：晶圆级GaN器件3完成正面工艺后，在圆片表面旋涂光敏性BCB4，转速设置为1000rpm，时间1min；将GaN器件圆片放置在热板上热烘，去除BCB胶内溶剂，热烘温度保持在100℃～200℃，防止高温BCB固化导致转移完成后BCB胶无法去除。图1为键合前晶圆截面示意图，图2为GaN器件完成正面工艺后表面旋涂光敏性BCB横截面示意图。
步骤2：通过KrF准分子激光器剥离蓝宝石衬底2。
步骤3：对Si晶圆1和去除衬底后的GaN器件圆片3采用标准RCA清洗。具体还包括当晶圆表面的粗糙度较大时，通常大于2nm，一般需要进行表面化学机械研磨抛光处理，使其表面粗糙度达到适合晶片键合的需求通常小于1nm。
步骤4：对晶圆级GaN器件3的背面进行等离子体活化，N2等离子体5的气体流量为60sccm，活化功率为200W，活化时间30s。
步骤5：对Si晶圆1表面进行等离体活化，O2等离子体6气体流量为60sccm，活化功率100W，活化时间30s。
步骤6：将两块圆片放入氨水溶液中，表面彼此接触，轻微按压预键合，如图4所示。
步骤7：两个晶圆放入键合机使其键合，在本步骤中，采用的键合压力为250Kg，键合温度为150℃，键合机腔体为N2气氛，时间1h；键合后如图5所示截面图。
步骤8：将键合片放入退火炉，退火温度150℃，退火时间60min。
步骤9：将退火后晶片曝光显影溶解光敏性BCB4，显影液温度为60℃，显影时间10min；显影后晶片截面图如图5所示。
实施例2：
步骤1：晶圆级GaN器件3完成正面工艺后，在圆片表面旋涂光敏性BCB4，转速设置为1000rpm，时间1min；将GaN器件圆片放置在热板上热烘，去除BCB胶内溶剂，热烘温度保持在100℃，防止高温BCB固化导致转移完成后BCB胶无法去除。图1为键合前晶圆截面示意图，图2为GaN器件完成正面工艺后表面旋涂光敏性BCB横截面示意图。
步骤2：去除异质外延生长GaN的SiC衬底或者Si衬底；
步骤3：对Si晶圆1和去除衬底后的GaN器件圆片3采用标准RCA清洗。具体还包括当晶圆表面的粗糙度较大时，通常大于2nm，一般需要进行表面化学机械研磨抛光处理，使其表面粗糙度达到适合晶片键合的需求通常小于1nm。
步骤4：对晶圆级GaN器件3的背面进行等离子体活化，N2等离子体5的气体流量为100sccm，活化功率为250W，活化时间30s。
步骤5：对Si晶圆1表面进行等离体活化，O2等离子体6气体流量为100sccm，活化功率250W，活化时间30s。
步骤6：将两圆片放入DIW(去离子水)中，表面彼此接触，轻微按压，如图4所示。
步骤7：两个晶圆放入键合机使其键合，在本步骤中，采用的键合压力为500Kg，键合温度为400℃，键合机腔体为N2气氛，时间1h；键合后如图5所示截面图。
步骤8：将键合片放入退火炉，退火温度150℃，退火时间60min。
步骤9：将退火后晶片曝光显影溶解光敏性BCB4，显影液温度为60℃，显影时间15min；显影后晶片截面图如图5所示。
所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种晶圆级GaN器件衬底转移方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对晶圆级GaN器件完成正面工艺后的表面覆盖保护支撑层；所述保护支撑层为光敏性BCB，所述光敏性BCB的厚度大于30μm；
(2)去除GaN器件的原始衬底；
(3)对GaN器件的背面和待转移的Si衬底表面进行清洗；
(4)对GaN器件的背面进行N2气等离子体处理；
(5)对待转移的Si衬底的晶圆表面进行O2气等离子体处理；
(6)将GaN器件和Si衬底的晶圆放入氨水溶液中进行预键合；所述氨水溶液浓度为10％～40％，温度为30℃～60℃；
(7)将预键合后的样品在N2环境下施加压力进行键合；所述的N2环境为键合机腔体环境，键合压力为100Kg～500Kg，键合温度为100℃～200℃，键合时间为0.5h～3h；
(8)对键合后的晶圆进行低温退火处理；所述的低温退火温度为100℃～200℃；所述的低温退火的退火时间为10min～60min；
(9)去除低温退火后的晶圆表面的保护支撑层。
2.根据权利要求1所述的晶圆级GaN器件衬底转移方法，其特征在于，步骤(1)中所述GaN器件为GaN HEMT器件、GaN HBT器件。
3.根据权利要求1所述的晶圆级GaN器件衬底转移方法，其特征在于，在旋涂完光敏性BCB后，将覆盖光敏性BCB的GaN器件放置在平板热烘，热烘温度100℃～200℃，热烘时间100s～200s。
4.根据权利要求1所述的晶圆级GaN器件衬底转移方法，其特征在于，步骤(3)所述的清洗采用标准RCA清洗方法，清洗至少2次，清洗后的表面的表面粗糙度＜1nm。
5.根据权利要求1所述的晶圆级GaN器件衬底转移方法，其特征在于，步骤(4)对GaN器件的背面进行N2气等离子体处理的工艺条件为：N2气气体流量为60sccm，功率为200W，时间30s。
6.根据权利要求1所述的晶圆级GaN器件衬底转移方法，其特征在于，步骤(5)对待转移的Si衬底的晶圆表面进行O2气等离子体处理的工艺条件为：O2气气体流量为60sccm，功率100W，时间30s。
7.根据权利要求1所述的晶圆级GaN器件衬底转移方法，其特征在于，步骤(9)所述去除低温退火后的晶圆表面的保护支撑层，是将低温退火后的晶圆曝光后放入显影液中溶解去除表面的保护支撑层，所述放入显影液中溶解的时间为5min～15min，温度为50℃～100℃。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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