CN111508838B - 一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法，通过采用不同材料的浆液和磨盘对硅衬底进行多次减薄处理，制备出预设厚度和预设厚度均匀性的晶圆片结构，其厚度均匀性达到了纳米级别，大大降低了晶圆片结构内部的应力累积，使硅衬底和GaN外延结构由于晶格失配缺陷导致的晶圆片结构碎裂风险大大降低，提高了晶圆片结构的生产良率。并且，对多次减薄处理后的硅衬底进行抛光处理，以使表面粗糙度小于预设阈值，例如表面粗糙度Ra小于3nm，使得散热金属层电镀的致密性大大增加，散热金属层的附着力大大加强，有效改善了晶圆片结构工作时的散热能力。

Description

一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法。

背景技术

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，其以禁带宽度大(3.4eV)、击穿电压高(3.3MV/cm)、二维电子气浓度高(大于10¹³cm²)、饱和电子速度大(2.8×10⁷cm/s)等优点在国际上受到广泛关注。

目前，AlGaN/GaN HEMT器件(高电子迁移率晶体管)的高频、高压、高温及大功率特性使其在微波功率器件方面有着巨大的前景。

但是，目前大功率器件的散热和接地问题一直困扰着AlGaN/GaN HEMT器件的实用化和产业化。其中，衬底背面电镀大面积散热金属工艺是目前AlGaN/GaN HEMT器件常用的一种方法，为了实现良好的散热需要对衬底进行减薄和抛光处理，之后进行背面金属电镀等一系列复杂的半导体工艺，其中，减薄工艺决定着前道工艺和后道工艺能否顺利衔接，保证电路性能不退化，起着承前启后的决定性作用。

常见的GaN外延结构多采用蓝宝石或碳化硅材料作为衬底，因为碳化硅和蓝宝石材料作为生长GaN外延结构的衬底有着晶格匹配度高的优点，因此也造成了外延衬底价格高居不下的问题。

若采用Si衬底作为衬底材料，其具有价格低的优势，但是Si衬底在加工过程中容易发生碎裂的风险，进而破坏外延层结构，降低了晶圆片的生产良率。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法，技术方案如下：

一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法，所述工艺改进方法包括：

提供一在硅衬底上生长GaN外延结构的晶圆片结构；

将所述晶圆片结构的正面键合在石英玻璃托盘上；

将所述石英玻璃托盘安装在减薄设备上，对所述硅衬底采用不同材料的浆液和磨盘进行多次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度小于预设阈值；

对多次减薄处理后的硅衬底进行抛光处理，以使表面粗糙度小于预设阈值。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述将所述晶圆片结构的正面键合在石英玻璃托盘上，包括：

采用磁控溅射工艺，在石英玻璃托盘上沉积2μm厚的Al₂O₃键合涂层；

在所述晶圆片结构的正面电路上均匀涂覆厚度为3μm-5μm的AZ4620光刻胶；

将所述晶圆片结构的正面，在温度150℃的情况下采用特种蜡粘附于所述石英玻璃托盘上。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述将所述石英玻璃托盘安装在减薄设备上，对所述硅衬底采用不同材料的浆液和磨盘进行多次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度小于预设阈值，包括：

采用人造钻石浆液和锡锑合金磨盘，对所述硅衬底进行第一次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度减小至＜110μm，厚度均匀性TTV至±5μm。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述人造钻石浆液的主要成分包括：

多晶型立方氮化硼，多晶型颗粒直径为10μm，浆液活性剂为聚乙二醇和硅酸乙酯混合物，浆液溶剂为DI水，三者质量比为10:50:500～10:60:400，浆液PH值为7.5；

所述锡锑合金磨盘为具有渐开线条纹凹槽的磨盘，其中，锡锑合金的元素比例为4:1。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述将所述石英玻璃托盘安装在减薄设备上，对所述硅衬底采用不同材料的浆液和磨盘进行多次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度小于预设阈值，包括：

采用刚玉浆液和聚酰胺磨盘，对所述石英玻璃托盘上粘附的晶圆片结构进行第二次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度减小至＜100μm，厚度均匀性TTV至±1μm。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述刚玉浆液的主要成分包括：

刚玉颗粒，颗粒直径为1μm，浆液活性剂为聚乙二醇和乙酸乙酯混合物，浆液溶剂为DI水，三者质量比为10:50:500～10:60:400，浆液PH值为7；

所述聚酰胺磨盘为具有放射状条纹凹槽的磨盘。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述对多次减薄处理后的硅衬底进行抛光处理，以使表面粗糙度小于预设阈值，包括：

采用纳米级抛光浆液，结合聚酯纤维抛光布，将晶圆片结构抛光至镜面效果，其厚度均匀性TTV为±0.5μm，表面粗糙度Ra小于3nm。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述纳米级抛光浆液的主要成分包括：

纳米Al₂O₃颗粒，颗粒直径为50nm，添加剂为次氯酸盐和硅酸盐，浆液溶剂为DI水，抛光液PH值为7-9。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述工艺改进方法还包括：

在所述硅衬底的背面形成散热金属层。

优选的，在上述工艺改进方法中，所述工艺改进方法还包括：

去除所述石英玻璃托盘，对所述晶圆片结构进行封装处理；

其中，将与所述石英玻璃托盘键合的晶圆片结构放置于四甲基氢氧化铵溶液中，浸泡20min以上，所述石英玻璃托盘和所述晶圆片结构自动分离。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法，通过采用不同材料的浆液和磨盘对硅衬底进行多次减薄处理，制备出预设厚度和预设厚度均匀性的晶圆片结构，其厚度均匀性达到了纳米级别，大大降低了晶圆片结构内部的应力累积，使硅衬底和GaN外延结构由于晶格失配缺陷导致的晶圆片结构碎裂风险大大降低，提高了晶圆片结构的生产良率。

并且，对多次减薄处理后的硅衬底进行抛光处理，以使表面粗糙度小于预设阈值，例如表面粗糙度Ra小于3nm，使得散热金属层电镀的致密性大大增加，散热金属层的附着力大大加强，有效改善了晶圆片结构工作时的散热能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法的流程示意图。

所述工艺改进方法包括：

S101：提供一在硅衬底上生长GaN外延结构的晶圆片结构。

S102：将所述晶圆片结构的正面键合在石英玻璃托盘上。

在该步骤中，包括但不限定于采用磁控溅射的方式在石英玻璃托盘上沉积2μm厚的Al₂O₃键合涂层；

在所述晶圆片结构的正面电路上均匀涂覆厚度为3μm-5μm的AZ4620光刻胶；

将所述晶圆片结构的正面，在温度150℃的情况下采用特种蜡粘附于所述石英玻璃托盘上。

将所述石英玻璃托盘安装在减薄设备上，对所述硅衬底采用不同材料的浆液和磨盘进行多次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度小于预设阈值，对多次减薄处理后的硅衬底进行抛光处理，以使表面粗糙度小于预设阈值。

具体的，将石英玻璃托盘安装在减薄设备上，开始减薄工艺。

S103：首先，采用人造钻石浆液和锡锑合金磨盘，对所述硅衬底进行第一次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度减小至＜110μm，厚度均匀性TTV至±5μm。

其次，采用刚玉浆液和聚酰胺磨盘，对所述石英玻璃托盘上粘附的晶圆片结构进行第二次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度减小至＜100μm，厚度均匀性TTV至±1μm。

再者，采用纳米级抛光浆液，结合聚酯纤维抛光布，将晶圆片结构抛光至镜面效果，其厚度均匀性TTV为±0.5μm，表面粗糙度Ra小于3nm。

其中，所述人造钻石浆液的主要成分包括：

多晶型立方氮化硼(CBN)，多晶型颗粒直径为10μm，浆液活性剂为聚乙二醇和硅酸乙酯混合物，浆液溶剂为DI水，三者质量比为10:50:500～10:60:400，浆液PH值为7.5；

所述锡锑合金磨盘为具有渐开线条纹凹槽的磨盘，其中，锡锑合金的元素比例为4:1。

其中，所述刚玉浆液的主要成分包括：

刚玉(Al₂O₃)颗粒，颗粒直径为1μm，浆液活性剂为聚乙二醇和乙酸乙酯混合物，浆液溶剂为DI水，三者质量比为10:50:500～10:60:400，浆液PH值为7；

所述聚酰胺磨盘为具有放射状条纹凹槽的磨盘。

其中，所述纳米级抛光浆液的主要成分包括：

纳米Al₂O₃颗粒，颗粒直径为50nm，添加剂为次氯酸盐和硅酸盐，浆液溶剂为DI水，抛光液PH值为7-9。

需要说明的是，聚酯纤维抛光布使用超过1小时后必须进行更换。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述工艺改进方法还包括：

S104：在所述硅衬底的背面形成散热金属层。

在该步骤中，在所述石英玻璃托盘上粘附的Si基GaN晶圆片结构的背面进行光刻、刻蚀和电镀散热金属层等后道工艺。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述工艺改进方法还包括：

S105：去除所述石英玻璃托盘，对所述晶圆片结构进行封装处理。

在该步骤中，将与石英玻璃托盘键合的晶圆片结构放置于四甲基氢氧化铵溶液中，浸泡20min以上，石英玻璃托盘和晶圆片结构可自动分离。

当去除所述石英玻璃托盘之后，对其进行后续的封装处理。

通过上述描述可知，本发明提供的一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法，通过采用不同材料的浆液和磨盘对硅衬底进行多次减薄处理，制备出预设厚度＜100μm和预设厚度均匀性TTV为±0.5μm的晶圆片结构，其厚度均匀性达到了纳米级别，大大降低了晶圆片结构内部的应力累积，使硅衬底和GaN外延结构由于晶格失配缺陷导致的晶圆片结构碎裂风险大大降低，提高了晶圆片结构的生产良率。

并且，对多次减薄处理后的硅衬底进行抛光处理，以使表面粗糙度小于预设阈值，例如表面粗糙度Ra小于3nm，使得散热金属层电镀的致密性大大增加，散热金属层的附着力大大加强，有效改善了晶圆片结构工作时的散热能力。

并且，晶圆片结构与石英玻璃托盘的键合工艺，以及去除石英玻璃托盘的解键合工艺，实现了无损伤键合和解键合，其键合涂层制备容易，经济性好，解键合过程操作简单，且解键合后的石英玻璃托盘还可以重复使用。

以上对本发明所提供的一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于硅衬底外延GaN的工艺改进方法，其特征在于，所述工艺改进方法包括：

提供一在硅衬底上生长GaN外延结构的晶圆片结构；

将所述晶圆片结构的正面键合在石英玻璃托盘上；

将所述石英玻璃托盘安装在减薄设备上，对所述硅衬底采用不同材料的浆液和磨盘进行多次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度小于预设阈值；

对多次减薄处理后的硅衬底进行抛光处理，以使表面粗糙度小于预设阈值；

所述将所述石英玻璃托盘安装在减薄设备上，对所述硅衬底采用不同材料的浆液和磨盘进行多次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度小于预设阈值，包括：

采用人造钻石浆液和锡锑合金磨盘，对所述硅衬底进行第一次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度减小至＜110μm，厚度均匀性TTV至±5μm；

采用刚玉浆液和聚酰胺磨盘，对所述石英玻璃托盘上粘附的晶圆片结构进行第二次减薄处理，以使所述晶圆片结构的厚度减小至＜100μm，厚度均匀性TTV至±1μm；

其中，所述对多次减薄处理后的硅衬底进行抛光处理，以使表面粗糙度小于预设阈值，包括：

采用纳米级抛光浆液，结合聚酯纤维抛光布，将晶圆片结构抛光至镜面效果，其厚度均匀性TTV为±0.5μm，表面粗糙度Ra小于3nm。

2.根据权利要求1所述的工艺改进方法，其特征在于，所述将所述晶圆片结构的正面键合在石英玻璃托盘上，包括：

采用磁控溅射工艺，在石英玻璃托盘上沉积2μm厚的Al₂O₃键合涂层；

在所述晶圆片结构的正面电路上均匀涂覆厚度为3μm-5μm的AZ4620光刻胶；

将所述晶圆片结构的正面，在温度150℃的情况下采用特种蜡粘附于所述石英玻璃托盘上。

3.根据权利要求1所述的工艺改进方法，其特征在于，所述人造钻石浆液的主要成分包括：

多晶型立方氮化硼，多晶型颗粒直径为10μm，浆液活性剂为聚乙二醇和硅酸乙酯混合物，浆液溶剂为DI水，三者质量比为10:50:500～10:60:400，浆液PH值为7.5；

所述锡锑合金磨盘为具有渐开线条纹凹槽的磨盘，其中，锡锑合金的元素比例为4:1。

4.根据权利要求1所述的工艺改进方法，其特征在于，所述刚玉浆液的主要成分包括：

刚玉颗粒，颗粒直径为1μm，浆液活性剂为聚乙二醇和乙酸乙酯混合物，浆液溶剂为DI水，三者质量比为10:50:500～10:60:400，浆液PH值为7；

所述聚酰胺磨盘为具有放射状条纹凹槽的磨盘。

5.根据权利要求1所述的工艺改进方法，其特征在于，所述纳米级抛光浆液的主要成分包括：

纳米Al₂O₃颗粒，颗粒直径为50nm，添加剂为次氯酸盐和硅酸盐，浆液溶剂为DI水，抛光液PH值为7-9。

6.根据权利要求1所述的工艺改进方法，其特征在于，所述工艺改进方法还包括：

在所述硅衬底的背面形成散热金属层。

7.根据权利要求6所述的工艺改进方法，其特征在于，所述工艺改进方法还包括：

去除所述石英玻璃托盘，对所述晶圆片结构进行封装处理；

其中，将与所述石英玻璃托盘键合的晶圆片结构放置于四甲基氢氧化铵溶液中，浸泡20min以上，所述石英玻璃托盘和所述晶圆片结构自动分离。

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