[发明专利]一种半导体薄膜剥离及转移衬底的方法有效

专利信息
申请号: 201910668607.X 申请日: 2019-07-23
公开(公告)号: CN110783170B 公开(公告)日: 2022-05-24
发明(设计)人: 姜涛 申请(专利权)人: 乂馆信息科技(上海)有限公司
主分类号: H01L21/02 分类号: H01L21/02;H01L29/06;H01L33/00;H01L33/20
代理公司: 西安嘉思特知识产权代理事务所(普通合伙) 61230 代理人: 李园园
地址: 200080 上海市虹*** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 半导体 薄膜 剥离 转移 衬底 方法
【说明书】:

发明公开了一种半导体薄膜剥离及转移衬底的方法,包括:制备半导体薄膜基底结构,所述半导体薄膜基底结构包括层叠的第一衬底层、若干籽晶结构和半导体薄膜层,且所述若干籽晶结构之间有孔洞且相互连通;将所述若干籽晶结构和所述半导体薄膜层从所述第一衬底层剥离;将所述若干籽晶结构远离所述半导体薄膜层的一侧与第二衬底层结合,完成半导体薄膜的剥离及转移衬底的过程。本发明的薄膜剥离及转移衬底的方法能够兼容各种外延衬底材料,同时还可以保留器件外延层薄膜的平滑表面,不影响在外延层薄膜上生长其它用于制备器件的功能层的后续工艺加工。

技术领域

本发明属于半导体技术领域,具体涉及一种半导体薄膜剥离及转移衬底的方法。

背景技术

GaN材料系列主要包含GaN、BN和AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)合金材料。GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场,是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。同时GaN材料系列也是一种理想的短波长发光器件材料,GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色LED之后,InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaN LED相继问世。正因为GaN材料系列的诸多卓越性能,作为第三代半导体的重要半导体材料之一,其研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。

虽然GaN材料系列器件水平已经可以实用化,但长期以来由于衬底单晶的问题没有解决,只能依赖异质外延工艺来获得材料薄膜,而异质外延缺陷密度相当高,成为器件性能进一步提升的主要障碍。当下主流采用的异质外延衬底以蓝宝石和SiC为主,也有在硅基衬底上生长的商业应用,特别是基于蓝宝石衬底的GaN LED技术,已经得到了广泛的商业化应用。

随着GaN材料系列器件的应用场景不断向大功率器件的方向发展,由于器件工作时产生大量的热量,如果热量不能够及时被传导出去,则器件会由于自身的温度升高而导致性能的衰减甚至失效,所以器件的散热问题一直都是一个亟待解决的问题。目前对于解决散热问题一般会从两个方向着手,一个方向就是在封装层面进行改进,采用不同的封装方法,尽量将器件芯片产生的热量快速地导出到封装散热基板上,另一个方向则是在器件芯片的层面进行技术改进,例如对芯片进行外延衬底减薄,尽量减少非器件功能区域的外延衬底材料,又例如将器件的半导体薄膜材料层从原来导热能力不好的外延衬底上剥离,转移到导热性能更好的二次支撑衬底上,这些基于器件芯片层面的技术改进,能够更直接和更有效的改善器件的散热能力,从而提高器件在大功率运行环境下甚至高温环境下的稳定性和可靠性。目前器件外延层的半导体薄膜剥离及转移衬底技术主要有化学机械研磨技术和激光剥离技术两种方法。

化学机械研磨技术是将半导体晶圆的器件外延层平滑表面通过环氧型树脂粘附在Cu、AlN、玻璃、Si、SiC等临时支撑衬底上,在真空环境中抽走树脂中的气泡,将临时支撑衬底固定在研磨盘上,暴露在外面的是晶圆本来的外延衬底,再将外延衬底的暴露面接触在研磨垫上,通过加入腐蚀性化学研磨剂,并同时旋转研磨盘和研磨垫,对外延衬底进行化学机械研磨,直到将外延衬底减薄到一定程度为止,然后采用有机溶剂浸泡临时支撑衬底,使得临时支撑衬底和外延衬底减薄后的半导体晶圆分离,恢复器件外延层薄膜平滑表面,最终获得外延衬底减薄后的半导体晶圆,由该晶圆上切割出来的器件,相比没有外延衬底减薄的器件,非器件功能层但又增加热阻的外延衬底厚度减少了,因此能够获得更好的导热性能。

这种技术的优点是工艺稳定且成本低廉,但缺点是只适用于化学物理性质较为容易处理的外延衬底材料,例如Si材料衬底,对于蓝宝石或SiC等物理化学性质都特别稳定的衬底材料来说,加工难度和成本会急剧上升,加工良率也难以保障。更进一步,由于外延衬底不能无限制的减薄,否则会对后续器件加工工艺带来很大的挑战,容易造成晶圆破碎导致器件良率降低,因此,采用这种技术加工出来的器件,仍然会有一定厚度的导热性欠佳的外延衬底材料存在,限制了器件导热能力提升的空间。

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