CN108414121A - 一种GaN压力传感器制备方法及器件 - Google Patents

Abstract

本发明适用于半导体技术领域，提供了一种GaN压力传感器制备方法及器件，包括将第一硅片与第二硅片贴合形成密封腔体；将衬底上的GaN外延层剥离形成GaN薄膜；其中，GaN外延层由下至上包括GaN缓冲层和势垒层；将所述GaN薄膜与密封腔体键合形成压力传感器基底；在所述GaN薄膜上形成压力敏感单元。本发明通过激光剥离工艺将GaN外延层从衬底上剥离形成GaN薄膜，并在第一硅片上制备凹槽，将第一硅片与第二硅片键合形成密封腔体，然后将GaN薄膜与密封腔体键合，并在GaN薄膜上制备压力敏感单元形成压力传感器，从而实现高质量的气密性封装，极大地提升传感器的可靠性。

Description

一种GaN压力传感器制备方法及器件

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种GaN压力传感器制备方法及器件。

背景技术

目前，半导体压力传感器主要是基于Si材料，通过硅扩散电阻的压阻效应实现。然而，扩散工艺温度稳定性很差，并且高温下扩散电阻和衬底的隔离PN结会出现衰退，甚至发生穿通，进而彻底损坏失效。由于Si材料的特性，基于Si材料的压力传感器只能工作于低于120℃的环境下。

GaN已被证实工作最高温度可达600℃，另外，GaN具有的高电子浓度，高电子迁移率，强抗辐照能力等诸多优点，使其可以工作于极端复杂的环境。当GaN器件表面受到外部压力时，晶格形变会改变缓冲层和势垒层之间的应力，由极化产生的沟道二维电子气浓度，以及迁移率都会发生相应改变，进而导致器件电学特性变化，如电阻、电流、电容等等。因此，GaN可以用于压力信号的传感。目前，GaN材料主要通过异质外延的方法获取，而高质量的GaN异质结结构衬底主要为蓝宝石、SiC或Si。蓝宝石材料具有超高的化学稳定性，对其进行微结构加工难度大、成本高。

高温环境下应用的绝压压力传感器对晶圆键合的气密性要求很高，目前，硅硅键合是主流的高可靠性键合方法。对于GaN材料，虽然也可以在Si衬底上外延，但固有的晶格失配引起的表面翘曲使高质量的键合很难实现。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种GaN压力传感器制备方法及器件，以解决现有技术中GaN衬底难以直接实现高质量的气密性封装的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种GaN压力传感器制备方法，包括：

将第一硅片与第二硅片贴合形成密封腔体；

将衬底上的GaN外延层剥离形成GaN薄膜；其中，GaN外延层由下至上包括GaN缓冲层和势垒层；

将所述GaN薄膜与密封腔体键合形成压力传感器基底；

在所述GaN薄膜上形成压力敏感单元。

可选的，所述将第一硅片与第二硅片贴合形成密封腔体，包括：

选取两片表面经过抛光处理的硅片；其中，所述硅片包括第一硅片和第二硅片；

通过光刻工艺和刻蚀工艺对所述第一硅片进行处理形成凹槽；

通过键合工艺将形成所述凹槽后的第一硅片与第二硅片贴合形成所述密封腔体。

可选的，所述将形成所述凹槽后的第一硅片与第二硅片贴合形成所述密封腔体，包括：

对形成所述凹槽后的第一硅片和第二硅片的表面进行抛光处理；

将经过抛光处理的所述第一硅片和第二硅片的表面贴合在一起；

将贴合后的在所述第一硅片和第二硅片氧气或氮气环境中经过退火工艺形成所述密封腔体。

可选的，所述退火工艺的退火温度为200℃-1000℃、退火时间为2小时-10小时。

可选的，所述将衬底上的GaN外延层剥离形成GaN薄膜，包括：

通过金属有机物化学气相外延工艺或者分子束外延工艺在衬底上表面形成GaN外延层；

通过紫外光波段激光束在所述衬底与GaN外延层的界面上照射，将GaN分解为Ga原子和N₂；

对所述衬底和GaN外延层加热至Ga原子熔点，形成分离的所述GaN薄膜与衬底。

可选的，所述将所述GaN薄膜与密封腔体键合形成压力传感器基底，包括：

对所述GaN薄膜下表面和密封腔体上表面进行抛光处理；

在经过抛光处理后的所述GaN薄膜下表面和密封腔体上表面均匀覆盖键合介质层；

通过晶圆键合工艺将覆盖所述键合介质层后的所述GaN薄膜与密封腔体贴合在一起，形成压力传感器基底。

可选的，所述晶圆键合工艺的压强为0.1kPa，键合温度为200℃-400℃，键合时间为1小时-4小时。

可选的，所述GaN缓冲层厚度为2μm，所述势垒层厚度为10～20nm；其中，所述势垒层包括InAlGaN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、AlN层和InN层中的一种或两种以上的组合。

可选的，所述压力敏感单元为高电子迁移率晶体管器件、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。

本发明实施例的第二方面提供了一种GaN压力传感器，包括密封腔体，所述密封腔体上表面由下向上依次设有GaN缓冲层和势垒层，所述势垒层上设有压力敏感单元；所述密封腔体包括设有凹槽的第一硅片和第二硅片；所述压力敏感单元为高电子迁移率晶体管器件、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过激光剥离工艺将GaN外延层从衬底上剥离形成GaN薄膜，并在第一硅片上制备凹槽，将第一硅片与第二硅片键合形成密封腔体，然后将GaN薄膜与密封腔体键合，并在GaN薄膜上制备压力敏感单元形成压力传感器，从而实现高质量的气密性封装，极大地提升传感器的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的GaN压力传感器制备方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例一提供的GaN压力传感器制备方法的流程结构剖视图；

图3是本发明实施例二提供的GaN压力传感器的结构剖视图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一

请参考图1，GaN压力传感器制备方法，包括：

步骤S101，将第一硅片与第二硅片贴合形成密封腔体。

本在本发明实施例中，请参考图2(1)至图2(3)，通过键合工艺将带有凹槽202的第一硅片201与第二硅片203贴合形成密封腔体。

可选的，步骤S101的具体实现方式为：选取两片表面经过抛光处理的硅片；其中，所述硅片包括第一硅片和第二硅片；通过光刻工艺和刻蚀工艺对所述第一硅片进行处理形成凹槽；通过键合工艺将形成所述凹槽后的第一硅片与第二硅片贴合形成所述密封腔体。

本发明实施例中，选取两片表面经过抛光处理的第一硅片201和第二硅片203。通过光刻工艺和刻蚀工艺对第一硅片201进行处理，形成凹槽202。第一硅片201分为凹槽区和非凹槽区，凹槽区为凹槽202所在的区域，非凹槽区为除凹槽区以外的区域。首先，通过光刻工艺在第一硅片201的表面涂覆光刻胶层，然后，经过曝光、显影、坚膜工艺去除光刻胶层与凹槽区对应的部分，露出待刻蚀图形，最后，通过刻蚀工艺进行刻蚀，第一硅片201与非凹槽区对应的部分由于有光刻胶层保护不会被刻蚀掉，而第一硅片201与凹槽区对应的部分将会被部分刻蚀掉，形成凹槽202。凹槽202的形状包括但不限于圆形、矩形、C型、E型。

可选的，将形成所述凹槽后的第一硅片与第二硅片贴合形成所述密封腔体的具体实现方式为：

对形成所述凹槽后的第一硅片和第二硅片的表面进行抛光处理；将经过抛光处理的所述第一硅片和第二硅片的表面贴合在一起；将贴合后的在所述第一硅片和第二硅片经过退火工艺形成所述密封腔体。

本发明实施例中，第一硅片201中凹槽202的尺寸不大于第二硅片203的尺寸，以保证第一硅片201和第二硅片203贴合能够形成密封腔体，并且，第一硅片201和第二硅片203均能够满足硅硅键合的条件。首先，将第一硅片201和第二硅片203进行抛光处理，得到洁净的表面，以满足键合工艺对表面洁净度的要求，然后，将第一硅片201和第二硅片203贴合，最后，将贴合后的第一硅片201和第二硅片203在氧气或氮气环境中，在温度为200℃-1000℃，时间为2小时-10小时条件下进行退火，使第一硅片201和第二硅片203的键合界面发生物理化学反应，形成强的化学共价键连接，增强键合强度使第一硅片201和第二硅片203紧密贴合，形成密封腔体。

步骤S102，将衬底上的GaN外延层剥离形成GaN薄膜；其中，GaN外延层包括GaN缓冲层和势垒层。

本在本发明实施例中，请参考图2(4)和图2(5)，在衬底204上表面制备GaN外延层，GaN外延层包括GaN缓冲层205和势垒层206，GaN缓冲层205厚度为2μm，势垒层206厚度为10～20nm，势垒层206包括但不限于不同组分浓度的InAlGaN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、AlN层和InN层中的一种或两种以上的组合。GaN缓冲层205能够缓冲势垒层206和衬底204由于晶格失配导致的应力。衬底204为半导体领域中常见的衬底，包括但不限于SiC衬底、Si衬底、GaN衬底和蓝宝石衬底。

可选的，步骤S102的具体实现方式为：通过金属有机物化学气相外延工艺或者分子束外延工艺在衬底上表面形成GaN外延层；通过紫外光波段激光束在所述衬底与GaN外延层的界面上照射，将GaN分解为Ga原子和N₂；对所述衬底和GaN外延层加热至Ga原子熔点，形成分离的所述GaN薄膜与衬底。

本发明实施例中，首先，在衬底204上表面通过金属有机物化学气相外延工艺或者分子束外延工艺形成包括GaN缓冲层205和势垒层206的GaN外延层，GaN缓冲层205能够缓冲势垒层206和衬底204由于晶格失配导致的应力，然后，通过紫外光波段激光束在衬底204与GaN外延层的界面上进行照射，由于紫外波段的激光具有极大的能量，激光束产生照射产生的热量能够将GaN热分解为Ga原子和N₂，最后，对衬底204和GaN外延层加热至Ga原子的熔点，约30℃，将Ga原子液化为液态Ga，从而GaN外延层与衬底204连接的表面形成液态Ga，形成分离的GaN薄膜与衬底204。分离后的衬底204经过表面处理后可以再次进行GaN材料外延生长，大大降低了生产成本。

步骤S103，将所述GaN薄膜与密封腔体键合形成压力传感器基底。

本发明实施例中，请参考图2(6)，从衬底204剥离的GaN薄膜包括GaN缓冲层205和势垒层206，GaN薄膜与密封腔体尺寸相同，将GaN薄膜与密封腔体通过键合介质层207键合形成压力传感器基底。

可选的，步骤S103的具体实现方式为：对所述GaN薄膜下表面和密封腔体上表面进行抛光处理；在经过抛光处理后的所述GaN薄膜下表面和密封腔体上表面均匀覆盖键合介质层；通过晶圆键合工艺将覆盖所述键合介质层后的所述GaN薄膜与密封腔体贴合在一起，形成压力传感器基底。

本发明实施例中，首先，对GaN薄膜下表面和密封腔体上表面进行抛光处理，得到洁净的表面，以满足键合工艺对表面洁净度的要求，然后，在经过抛光处理后的GaN薄膜下表面和密封腔体上表面均匀覆盖键合介质层207，键合介质层207的材质包括但不限于金薄膜、金锡薄膜、金铜薄膜或环氧树脂有机粘合剂等，最后，通过控制晶圆键合工艺参数，压强为0.1kPa，键合温度为200℃-400℃，键合时间为1小时-4小时。将GaN薄膜与密封腔体贴合在一起，形成压力传感器基底。

步骤S104，在所述GaN薄膜上形成压力敏感单元。

本发明实施例中，请参考图2(7)，在GaN薄膜上形成压力敏感单元，压力敏感单元为对压力信号具有响应的GaN器件，包括但不限于高电子迁移率晶体管、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。制备压力敏感单元的工艺步骤为现有技术中常规的半导体工艺，不作为本发明实施例的改进，在此不再赘述。

本发明实施例通过激光剥离工艺将GaN外延层从衬底上剥离形成GaN薄膜，并在第一硅片上制备凹槽，将第一硅片与第二硅片键合形成密封腔体，然后将GaN薄膜与密封腔体键合，并在GaN薄膜上制备压力敏感单元形成压力传感器，从而实现高质量的气密性封装，极大地提升传感器的可靠性。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

实施例二

请参考图3，图3为GaN压力传感器的结构剖视图。GaN压力传感器包括密封腔体，所述密封腔体上表面设有GaN薄膜，所述GaN薄膜上设有压力敏感单元；所述GaN薄膜包括GaN缓冲层和势垒层；所述密封腔体包括设有凹槽的第一硅片和第二硅片；所述压力敏感单元为高电子迁移率晶体管器件、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。

在本发明实施例中，由设有凹槽202的第一硅片201与第二硅片203通过硅硅键合形成密封腔体，在密封腔上表面设有包括GaN缓冲层205和势垒层206的GaN薄膜，GaN缓冲层厚度为2μm，势垒层厚度为10～20nm，GaN薄膜的GaN缓冲层205能够缓冲势垒层206和密封腔体由于晶格失配导致的应力。GaN薄膜的势垒层206上设有压力敏感单元，压力敏感单元为高电子迁移率晶体管器件、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。势垒层206包括但不限于不同组分浓度的InAlGaN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、AlN层和InN层中的一种或两种以上的组合。

本发明实施例通过GaN缓冲层缓冲势垒层和密封腔体由于晶格失配导致的应力，从而实现高质量的气密性封装，极大地提升传感器的可靠性。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GaN压力传感器制备方法，其特征在于，包括：

将第一硅片与第二硅片贴合形成密封腔体；

将衬底上的GaN外延层剥离形成GaN薄膜；其中，GaN外延层由下至上包括GaN缓冲层和势垒层；

将所述GaN薄膜与密封腔体键合形成压力传感器基底；

在所述GaN薄膜上形成压力敏感单元。

2.如权利要求1所述的GaN压力传感器制备方法，其特征在于，所述将第一硅片与第二硅片贴合形成密封腔体，包括：

选取两片表面经过抛光处理的硅片；其中，所述硅片包括第一硅片和第二硅片；

通过光刻工艺和刻蚀工艺对所述第一硅片进行处理形成凹槽；

通过键合工艺将形成所述凹槽后的第一硅片与第二硅片贴合形成所述密封腔体。

3.如权利要求2所述的GaN压力传感器制备方法，其特征在于，所述将形成所述凹槽后的第一硅片与第二硅片贴合形成所述密封腔体，包括：

对形成所述凹槽后的第一硅片和第二硅片的表面进行抛光处理；

将经过抛光处理的所述第一硅片和第二硅片的表面贴合在一起；

将贴合后的在所述第一硅片和第二硅片氧气或氮气环境中经过退火工艺形成所述密封腔体。

4.如权利要求3所述的GaN压力传感器制备方法，其特征在于，所述退火工艺的退火温度为200℃-1000℃、退火时间为2小时-10小时。

5.如权利要求1所述的GaN压力传感器制备方法，其特征在于，所述将衬底上的GaN外延层剥离形成GaN薄膜，包括：

通过金属有机物化学气相外延工艺或者分子束外延工艺在衬底上表面形成GaN外延层；

通过紫外光波段激光束在所述衬底与GaN外延层的界面上照射，将GaN分解为Ga原子和N₂；

对所述衬底和GaN外延层加热至Ga原子熔点，形成分离的所述GaN薄膜与衬底。

6.如权利要求1所述的GaN压力传感器制备方法，其特征在于，所述将所述GaN薄膜与密封腔体键合形成压力传感器基底，包括：

对所述GaN薄膜下表面和密封腔体上表面进行抛光处理；

在经过抛光处理后的所述GaN薄膜下表面和密封腔体上表面均匀覆盖键合介质层；

通过晶圆键合工艺将覆盖所述键合介质层后的所述GaN薄膜与密封腔体贴合在一起，形成压力传感器基底。

7.如权利要求6所述的GaN压力传感器制备方法，其特征在于，所述晶圆键合工艺的压强为0.1kPa，键合温度为200℃-400℃，键合时间为1小时-4小时。

8.如权利要求1所述的GaN压力传感器制备方法，其特征在于，所述GaN缓冲层厚度为2μm，所述势垒层厚度为10～20nm；其中，所述势垒层包括InAlGaN层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、AlN层和InN层中的一种或两种以上的组合。

9.如权利要求1至8任一项所述的GaN压力传感器制备方法，其特征在于，所述压力敏感单元为高电子迁移率晶体管器件、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。

10.一种GaN压力传感器，其特征在于，包括密封腔体，所述密封腔体上表面由下向上依次设有GaN缓冲层和势垒层，所述势垒层上设有压力敏感单元；所述密封腔体包括设有凹槽的第一硅片和第二硅片；所述压力敏感单元为高电子迁移率晶体管器件、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。