CN110148561A - Si基AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管转移至柔性衬底的方法 - Google Patents
Si基AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管转移至柔性衬底的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体为一种Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管转移至柔性衬底方法。本发明方法包括，采用化学机械抛光、干法或湿法刻蚀结合的方式，实现非柔性Si衬底的剥离；并利用器件键合技术，通过Norland等粘附材料中间层将去除衬底的高电子迁移率晶体管器件转移至柔性衬底上，实现柔性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件制备。该方法刻蚀速度快，工艺成本低，且适用范围广，包括但不限于基于Si衬底、蓝宝石衬底等硬质衬底半导体器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种Si基AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管转移至柔性衬底方法。
背景技术
随着对柔性电子各种应用需求的提升，要求开发更高性能的器件，同时保持机械柔性、轻薄的基本要求。有机半导体和非晶半导体材料已广泛应用于柔性电子器件中。然而，由于有机材料的低迁移率和低工作温度，这些器件的性能改进和应用扩展等方面受到限制。然而，可以通过开发基于新型半导体材料的柔性器件用于扩展应用功率和操作温度的要求。宽禁带Ⅲ-氮化物(Ⅲ-Ⅴ)材料由于具有高的迁移率、薄膜电荷浓度、击穿场和热导率等优异性能，在柔性电子器件中具有广阔的应用前景
通过薄膜与原始衬底分离，将晶片基板上的Ⅲ-Ⅴ薄膜结构转移到柔性基板上，实现柔性器件。柔性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的开发在高功率方面有较好的应用前景。
现有技术中，专利公开号为CN104576846A的中国专利申请，其技术方案如图1所示。其公开了一种垂直结构功率半导体器件二次衬底转移的方法，功率半导体器件包括生长在临时衬底上的外延层以及镀覆在外延层表面的金属电极层。该技术的缺点在于剥离衬底的过程需使用激光剥离衬底技术，对设备要求高，技术难度大，且激光剥离适合于蓝宝石衬底器件，无法适用于Si衬底器件，存在较大的使用局限性。
现有技术中，专利公开号为CN106298458A的中国专利申请，其技术方案如图2所示。其公开了一种功率半导体器件的衬底转移方法，通过特殊的晶圆级键合技术，将设置在Si衬底的GaN功率半导体器件转移至石英衬底上。该技术的缺点在于需使用氢氟酸湿法腐蚀方法去除器件的Si衬底，刻蚀速度慢；且器件转移至石英衬底后，由于石英具备较高的硬度，不存在柔性特性，转移后的器件无法作为柔性微电子器件使用。
名词解释：
Si基高电子迁移率晶体管：基于Si衬底生长的，利用AlGaN/GaN异质结结构形成高浓度电子导电沟道的场效应晶体管器件。
PMMA：英文全称为Polymethyl methacrylate，即聚甲基丙烯酸甲酯。
PET：英文全称为Polyethylene terephthalate，即聚对苯二甲酸乙二醇酯。
PDMS：英文全称为Polydimethylsiloxane，即聚二甲基硅氧烷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺成本低、适用范围广的将Si基AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管转移至柔性衬底的方法。
本发明提供的将Si基（非柔性基）AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管转移至柔性衬底的方法，通过化学机械抛光、干法或湿法刻蚀结合的方式，实现非柔性Si衬底的剥离。该方法刻蚀速度快，工艺成本低，且适用范围广，包括但不限于基于Si衬底、蓝宝石衬底等硬质衬底半导体器件；并利用器件键合技术，通过Norland等粘附材料中间层将去除衬底的高电子迁移率晶体管器件转移至柔性衬底上，柔性衬底包括但不限于PET,PDMS等材料。最终实现柔性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件制备。
本发明提供的将Si基AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管转移至柔性衬底的方法，具体步骤如下：
步骤1：在Si基AlGaN/GaN的材料上通过半导体工艺，制备高电子迁移率晶体管的隔离、栅介质、源漏电极、栅电极等器件结构；
步骤2：在步骤1制备的Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管间通过干法刻蚀至Si衬底层，实现器件单元的隔离；
步骤3：用光刻胶旋涂，保护制备完成的器件单元阵列；
步骤4：用石蜡将保护好的样品粘在临时衬底上；
步骤5：通过化学机械抛光，将器件的Si衬底减薄至小于100微米；
步骤6：采用干法或湿法刻蚀的方法实现Si衬底的完全去除；
步骤7：将衬底去除后的样品通过Norland等粘附材料中间层与柔性衬底键合；
步骤8：在加热状态下将石蜡融化，实现器件与临时衬底的分离；清洗去除样品表面的保护胶，最终实现柔性的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备。
本发明步骤1中，所用栅介质为SiO2、SiNX、Al2O3中的一种或多种材料，源、漏电极和栅电极为Ti、Al、Ni、Au、Ag、Pt、TiNX中的一种或多种材料。
本发明步骤2中，所用干法刻蚀掩膜为SiO2或光刻胶掩膜，采用Cl2和BCl3的混合气体进行刻蚀，刻蚀深度至Si衬底层。
本发明步骤3中，保护层采用旋涂的方法，涂覆材料采用PMMA等耐高温的光刻胶。
本发明步骤6中，干法刻蚀刻蚀工艺采用SF6和Ar的混合气体，刻蚀速率在4-5.5微米每分钟。湿法刻蚀采用氢氟酸、硝酸、醋酸的混合溶液，Si（111）的腐蚀速率约5-6.5微米每分钟。
本发明步骤7中，柔性材料包括但不限于PET、PDMS等材料。
本发明还提供一种制造柔性半导体器件的方法，具体步骤包括：
硬基GaN半导体器件的制备及后续的器件单元的隔离，实现器件单元的分离，为后续器件的转移准备；
半导体器件的保护及与临时衬底之间的临时键合；
Si基衬底的去除，实现GaN基器件单元分离；
柔性衬底与半导体器件之间的键合，并实现与临时衬底之间的解键合，最终实现柔性衬底的半导体器件制备。
本发明中，所述硬基包括但不限于基于Si衬底、蓝宝石衬底等硬质衬底半导体器件。
本发明的制作柔性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的方法，一方面是通过化学机械抛光和干法或湿法刻蚀结合的方式，达到加快Si等硬质衬底从器件外延层剥离的效果；另一方面是通过器件键合技术，通过Norland等粘附材料中间层，达到剥离衬底的器件外延层与柔性衬底相键合的效果。再者，本发明的衬底剥离过程，由于采取了化学机械抛光的方法，可以有效减薄Si等硬质衬底的厚度，加快了后续干法以及湿法刻蚀的速度，并有效地降低器件转移成本，有利于大规模柔性半导体器件生产。
附图说明
图1为专利公开号为CN104576846A的发明的技术方案示意图。
图2为专利公开号为CN106298458A的发明的技术方案示意图。
图3为本发明的技术方案示意图。
图4为Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的材料结构示意图。
图5为Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的器件结构示意图。
图6为Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的器件单元分离结构示意图。
图7为带有保护层的Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的器件单元分离结构示意图。
图8为器件与临时衬底键合的示意图。
图9为去除Si衬底的器件结构示意图。
图10为柔性衬底与器件的键合结构示意图。
图11为去除临时衬底后的器件结构示意图。
图12为柔性衬底器件在平展状态下的正向工作特性曲线，插图为转移特性曲线和对应的跨导曲线。
图13为柔性衬底器件在弯曲(曲率半径R = 12.7 mm)状态下的正向工作特性曲线，插图为转移特性曲线和对应的跨导曲线。
图中标号，100为Si（111）衬底；110为高阻GaN缓冲层；120为GaN层；130为AlGaN层；220为栅介质；210为源漏电极；220为栅电极；230为刻蚀隔离间隙；300为PMMA光刻胶保护层；310为石蜡；320为蓝宝石临时衬底；400为PET柔性衬底；410为Norland键合粘附层。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的进一步解释而不是限定。
本发明提供一种制作Si基AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管的转移及实现柔性衬底方法，具体包括以下步骤。
步骤1：Si衬底100的厚度为800微米，GaN高阻缓冲层110的厚度为3.5微米，GaN层120为100nm，AlGaN层130的厚度为20nm、Al的组分为0.25。LPCVD生长20nm的SiNX薄膜200作为器件的栅介质，器件的源漏欧姆接触电极210采用Ti/Al/Ni/Au四种金属组合，然后在870℃、N2气氛下快速退火30秒，栅金属220采用Ni/Au电极。
步骤2：刻蚀掩膜此采用光刻胶作为掩膜，使用感应耦合等离子体刻蚀设备、Cl2、BCl3的混合气体进行器件单元间的隔离刻蚀，刻蚀采用过刻蚀，刻蚀至Si衬底，刻蚀速率约1.2微米每分钟。
步骤3：保护层300为PMMA 8在4000转每分钟下旋涂，然后在180℃后烘3分钟。
步骤4：将样品用石蜡在85℃与蓝宝石键合，然后将键合完成的样品通过石蜡固定在减薄托盘上进行减薄。
步骤5：通过化学机械减薄的方式将Si衬底的厚度减薄至80微米。
步骤6：采用氢氟酸、硝酸、醋酸的混合溶液湿法腐蚀剩余的Si衬底材料，直至Si衬底完全去除，该溶液的湿法腐蚀速率约6微米每分钟。
步骤7：将去除Si衬底的器件结构通过Norland 63与PET材料在365nm的紫外光照下进行固化，形成器件与PET之间的充分键合。
步骤8：在85℃石蜡熔化的状态下，将临时衬底蓝宝石与器件 分离，实现器件至PET上的转移，采用标准有机清洗工艺去除样品表面的保护层PMMA 8。
步骤9：在室温下利用高精度数字电源(Keithley 2614B)以及配套的探针平台测试了转移得到的柔性高电子迁移率晶体管器件的电流-电压特性，包括正向输出特性曲线以及转移特性曲线。图12为在栅极控制电压Vgs固定在+6 V条件下测试得到的正向输出特性曲线。当Vgs = 6V时，器件最大工作电流为118.3 mA/mm，对应导通电阻Ron = 21.0 Ω·mm。插图为器件转移特性曲线，漏源电压Vds固定为10 V。漏极最大反向漏电为1.5 × 10-5 mA/mm(Vgs = -3 V)，器件最大跨导为32.2 mS/mm。
步骤10：在同等实验条件下，测试了柔性高电子迁移率晶体管器件在弯曲状态(曲率半径R = 12.7 mm)下的电流-电压特性，同样包括正向输出特性曲线以及转移特性曲线。图13为在栅极控制电压Vgs固定在+6 V条件下测试得到的弯曲状态器件的正向输出特性曲线。当Vgs = 6V时，器件最大工作电流为119.6 mA/mm，对应导通电阻Ron = 20.8 Ω·mm。插图为器件转移特性曲线，漏源电压Vds固定为10 V。漏极最大反向漏电为4 × 10-5 mA/mm(Vgs = -3 V)，器件最大跨导为41.8 mS/mm。测试结果表面弯曲状态下器件性能无明显衰减，验证了器件作为柔性微电子器件的可行性。
综上所述，制作Si基AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管的转移及实现柔性衬底方法操作简便而且减小了Si上GaN材料的应力，可实现器件的批量转移及柔性器件批量制作。
本发明实现的衬底剥离以及柔性衬底转移方法不仅适用于AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管器件，其还同样适用于各类柔性半导体器件制备流程。
参考文献：
1、公开号CN104576846A，公开日期为2015年04月29日；
2、公开号CN106298458A，公开日期为2017年01月04日。
Claims (6)
1. 一种Si基基AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管转移至柔性衬底的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：在Si基AlGaN/GaN的材料上通过半导体工艺，制备高电子迁移率晶体管的隔离、栅介质、源漏电极、栅电极器件结构；
步骤2：在步骤1制备的Si基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管间通过干法刻蚀至Si衬底层，实现器件单元的隔离；
步骤3：用光刻胶旋涂，保护制备完成的器件单元阵列；
步骤4：用石蜡将保护好的样品粘在临时衬底上；
步骤5：通过化学机械抛光，将器件的Si衬底减薄至小于100微米；
步骤6：采用干法或湿法刻蚀的方法实现Si衬底的完全去除；
步骤7：将衬底去除后的样品通过Norland等粘附材料中间层与柔性衬底键合；
步骤8：在加热状态下将石蜡融化，实现器件与临时衬底的分离；清洗去除样品表面的保护胶，最终实现柔性的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所用栅介质为SiO2、SiNX、Al2O3中的一种或多种材料，源、漏电极和栅电极为Ti、Al、Ni、Au、Ag、Pt、TiNX中的一种或多种材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2中，所用干法刻蚀掩膜为SiO2或光刻胶掩膜，采用Cl2和BCl3的混合气体进行刻蚀，刻蚀深度至Si衬底层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中，保护层材料采用PMMA耐高温的光刻胶。
5.根据权利要求1、2或4所述的方法，其特征在于，步骤6中，干法刻蚀刻蚀工艺采用SF6和Ar的混合气体，刻蚀速率在4-5.5微米每分钟；湿法刻蚀采用氢氟酸、硝酸、醋酸的混合溶液，Si（111）的腐蚀速率约5-6.5微米每分钟。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤7中，柔性材料选择PET、PDMS。
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