CN110600435A

CN110600435A - 多层复合基板结构及其制备方法

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Publication number: CN110600435A
Application number: CN201910836784.4A
Authority: CN
Inventors: 方天琦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2019-12-20

Abstract

本发明公开了一种可拆解多层复合半导体基板结构及其制作方法，该结构包括一外延层，一外延种子层、一键合界面层，一拆解功能层和一支撑基板层；拆解功能层可通过悬涂或沉积等方法实现，具有用于拆解和缓冲应力的功能；外延种子层通过键合转移等方法至拆解功能层之上，可以用于外延种子层上的外延。该可拆解的多层复合半导体基板可以承受600‑1700℃的外延工艺。拆解的多层复合半导体基板通过拆解功能层可避免高成本的基板薄化或去除工艺，简单高效的获得含外延层的薄膜结构。拆解后，外延种子层亦可通过低成本的方法去除，进而低成本的实现纯外延层薄膜结构。

Description

多层复合基板结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺和半导体封装技术领域，特别涉及一种多层复合半导体基板结构及其制备工艺方法。

背景技术

目前大功率、高频的电子器件在5G通信应用中前景巨大，但高功率、高频器件的散热问题是严重限制了器件可靠性和使用寿命。为解决上述器件散热问题的方法之一是将上述器件从原始衬底上剥离下来或将原始衬底减薄后，与具有高热导率材料进行集成。目前去除或减薄原始基体的方法主要有机械研磨，等离子体刻蚀或者化学腐蚀形核层等方法。

(1)机械研磨方法工艺时间长，材料损失多，而且通常研磨后表面需要化学机械抛光，才能和其他材料进行集成。

(2)等离子体刻蚀法会引入热应力，而且同样材料损失大，而且通常刻蚀后表面需要化学机械抛光，才能和其他材料进行集成。

(3)化学腐蚀形核层法需要长时间刻蚀，且刻蚀后的外延层表面粗糙，同样需要化学机械抛光使表面光滑。

综上所述，目前的各种方法工艺复杂且成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明系提供一种可拆解的多层复合半导体基板结构及其制备方法，以解决现有技术实现困难且成本较高的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种可拆解的多层复合半导体基板结构，该可拆解的多层复合半导体基板结构包括一外延层、一外延种子层、一拆解功能层、一键合界面层和一支撑衬底，其中：该拆解功能层形成于支撑衬底之上，该外延种子层通过一键合界面层与一拆解功能层键合，该键合界面层形成于外延种子层与拆解功能层的键合工艺，位于外延种子层与拆解功能层之间，外延层生长于外延种子层之上，且可包含形核层和缓冲层；外延层形成后，可对外延层和外延种子层两层或外延层、外延种子层和键合界面层三层又或外延层、外延种子层、键合界面层和可拆解功能层四层进行图形化加工。

上述方案中，该外延层为下列材料中的一种或多种组成：硅、氮化镓、铝氮化镓、氮化铝、氧化镓、硅、碳化硅和金刚石，厚度范围为10纳米-100微米。

上述方案中，该外延种子层为下列材料中的一种或多种组成：硅、氮化镓、铝氮化镓、氮化铝、氧化镓、硅、碳化硅和金刚石，厚度范围为10纳米-50微米；晶型可为单晶和多晶，该外延种子层可通过已知的表面处理方法使其表面光滑，适合外延。

上述方案中，该键合界面层的厚度范围为0.1-50纳米，为下列材料中的一种或多种叠层：硅，氧化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氮碳化学物、氧化铪、氧化铒和氧化锆；晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

上述方案中，该拆解功能层为下列材料中的一种或多种叠层：硅、氧化硅、锗、磷化铟、镍或类金刚石层等，通过沉积或生长等方法形成于支撑衬底之上，有一上表面，该拆解功能层主要用于其上多层结构的拆解以及外延过程中的应力缓冲，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶，厚度范围为50纳米-10微米。

上述方案中，该支撑衬底为下列材料的一种或多种：碳化硅，单氮化镓，蓝宝石(Al₂O₃)，石英，氮化铝，ScAlMgO₄等材料，厚度为200～2000微米，晶型不限，可为单晶和多晶。

根据本发明的另一个方面，提供了上述可拆解多层复合半导体基板的一种制备方法，

该方法包括：在支撑衬底上悬涂或沉积又或沉积后退火形成拆解功能层，该拆解功能层具有一上表面；通过研磨抛光等已公开方法使拆解功能层上表面光滑；

在拆解功能层上通过键合和层转移的方法形成外延种子层，该外延种子层具有一上表面，在键合工艺中，一键合界面层形成于外延种子层和拆解功能层之间；通过研磨抛光等已公开方法使外延种子层上表面光滑，适用于后续外延工艺；通过已公开的外延生长方法，在外延种子层形成外延层，此外延层可以包含形核层和缓冲层。外延层形成后，对外延层和外延种子层两层或外延层、外延种子层和键合界面层三层又或外延层、外延种子层、键合界面层和可拆解功能层四层进行图形化加工。

上述方案中，该支撑衬底为下列材料的一种或多种：碳化硅，单氮化镓，蓝宝石(Al₂O₃)，石英，氮化铝，ScAlMgO₄等材料，厚度为200～2000微米，晶型不限，可为单晶和多晶。优选透明衬底，同时起到支撑和透光，可透过激光，可用于激光照射剥离工艺。

上述方案中，该拆解功能层为下列材料中的一种或多种叠层：硅、氧化硅、氧化镓、锗、磷化铟、镍或类金刚石层等，通过悬涂、沉积或生长等方法形成于支撑衬底之上，有一上表面，该拆解功能层主要用于其上多层结构的拆解以及外延过程中的应力缓冲，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶，厚度范围为50纳米-20微米。

上述方案中，该键合界面层的厚度范围为0.1-500纳米，为下列材料中的一种或多种叠层：硅，氧化硅、氧化镓、氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氮碳化学物、氧化铪、氧化铒和氧化锆；晶型不限，可为非晶、单晶和多晶；该键合界面层用于实现外延种子层和拆解功能层的键合。

上述方案中，该外延种子层为下列材料中的一种或多种组成：硅、氮化镓、铝氮化镓、氮化铝、氧化镓、硅、碳化硅和金刚石，厚度范围为10纳米-50微米；晶型可为单晶和多晶，该外延种子层通过键合和层转移方法形成；外延种子层可通过已知的表面处理方法使其表面光滑，适合外延，用于外延生长。

上述方案中，该外延层上表面可先和另一衬底键合，然后通过机械应力剥离、激光照射剥离和化学刻蚀剥离等方法与支撑衬底分离，支撑衬底可以反复利用以降低成本。

上述方案中，拆解功能层中会在外延高温过程中引入应力，在内部形成无数微裂纹，进而可以实现简单的机械剥离。

上述方案中，亦可通过激光照射辅助实现剥离；具体原理是利用支撑衬底和拆解功能层的禁带差异，使激光能量聚集在拆解功能层中，使拆解功能层发生溶蚀、反应、气化、应力聚集等现象，增加拆解功能层中的微裂纹及其脆性，从而实现简单的机械剥离。

上述方案中，亦可通过化学刻蚀进行剥离，具体是通过化学试剂和化学气体如氟化氢和氢氧化钾等刻蚀拆解功能进行辅助剥离。

上述方案中，在拆解功能层以上的多层结构可通过键合和剥离方法转移至另一衬底后。转移后，可通过湿法或干法刻蚀等已公开方法将外延种子层或外延种子层及部分外延层去除。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种可拆解的多层复合半导体基板结构及其制备方法，因为支撑衬底可以反复利用以及外延种子层厚度极薄，可以节省材料成本和研磨减薄加工成本。

2、本发明提供的这种可拆解的多层复合半导体基板结构及其制备方法对支撑衬底的结晶质量无严格要求，可以在很大程度上节省昂贵的高质量单结晶材料成本。

3、本发明提供的这种可拆解的多层复合半导体基板结构及其制备方法，由于剥离后外延结构可以简单的通过键合直接转移至最终支撑衬底上，可简化各种工艺且可以实现更好的器件散热效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为依照本发明实施例的可拆解的多层复合基板结构的一种结构示意图。

图2为依照本发明实施例的可拆解的多层复合基板结构的另一种结构示意图。

图3为依照本发明实施例的可拆解的多层复合基板结构制作的一过程示意图。

图4为依照本发明实施例的将外延种子层转移至拆解功能层之上的一种方法的过程示意图。

图5为依照本发明实施例的将外延种子层的第二表面与拆解功能层在低温下进行键合的示意图。

图6为依照本发明实施例的一种剥离转移过程示意图。

【附图标记】

100––第一支撑衬底；

101––拆解功能层；1011––拆解功能层第一表面；

102––键合界面层；103––外延种子层；

1031––外延种子层第一表面；1032––外延种子层第二表面；

104––外延层；200––第二支撑衬底；300––第三支撑衬底

302––第二键合界面层；

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。具体实施例及附图仅用于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分非按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。

如图1所示，本发明提供的可拆解的多层复合半导体基板结构包括一外延层104、一外延种子层103、一键合界面层102、一拆解功能层101和一支撑衬底100，其中：该拆解功能层102形成于支撑衬底之上，该外延种子层103通过一键合界面层102与一拆解功能层101键合，该键合界面层102形成于外延种子层103与拆解功能层101的键合工艺，位于外延种子层103与拆解功能层102之间，外延层104生长于外延种子层103之上，且可包含形核层和缓冲层；

外延层104主要用于后续的器件制作，可为下列材料中的一种或多种组成：硅、氮化镓、铝氮化镓、氮化铝、氧化镓、硅、碳化硅和金刚石，厚度范围为10纳米-100微米。外延种子层103主要用于外延层的生长，为下列材料中的一种或多种组成：硅、氮化镓、铝氮化镓、氮化铝、氧化镓、硅、碳化硅和金刚石，厚度范围为10纳米-50微米；晶型可为单晶和多晶，该外延种子层103可通过已知的表面处理方法比如化学机械抛光使其表面光滑，或经过高温退回工艺去除缺陷，使其适合外延。键合界面层102的厚度范围为0.1-500纳米，为下列材料中的一种或多种叠层：硅，氧化硅、氧化镓、氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氮碳化学物、氧化铪、氧化铒和氧化锆；晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。拆解功能层101起到外延后的剥离释放，可以为下列材料中的一种或多种叠层：硅、氧化硅、氧化镓、锗、砷化镓、磷化铟、镍或类金刚石层等，通过悬浮或沉积又或高温反应等方法形成于支撑衬底之上，有一上表面1011，该拆解功能层101主要用于其上多层结构的拆解以及外延过程中的应力缓冲，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶，厚度范围为50纳米-10微米。支撑衬底100可为下列材料的一种或多种：单晶碳化硅，单晶氮化镓，蓝宝石(Al₂O₃)，石英，单晶ScAlMgO₄等透光材料，厚度为200～1000微米，支撑衬底100在外延层结构剥离释放后可以反复利用，从而使成本降低。

在本发明一实施例中，在外延层104形成后，可对外延层104和外延种子层103两层或外延层104、外延种子层103和键合界面层102三层又或外延层104、外延种子层103、键合界面层102和可拆解功能层101四层进行图形化加工，如图2和图3所示，可使剥离释放过程简化。

在本发明的一实施例中，支撑衬底100为单晶碳化硅，拆解功能层101为锗硅合金层或锗层又或硅层，键合界面层102为非晶硅，非晶锗或硅锗复合层,外延种子层103为单晶碳化硅层，外延层104为单晶铝氮化镓/氮化镓；各层的厚度可根据实际需求在权利要求范围内进行调整，例如外延种子层103和拆解功能层101厚度分为1微米和2微米；剥离可在拆解功能层101的层中或在拆解功能层101和键合界面层102的界面处完成，又或在拆解功能层101和支撑衬底100的界面处完成。

在本发明的一实施例中，支撑衬底100为ScAlMgO₄，拆解功能层101为锗硅合金层或锗层又或硅层，键合界面层102为非晶硅,外延种子层103为单晶碳化硅层，外延层104为单晶铝氮化镓/氮化镓；各层的厚度可根据实际需求在权利要求范围内进行调整，例如外延种子层103和拆解功能层101厚度分为1微米和2微米；剥离可在拆解功能层101的层中或在拆解功能层101和键合界面层102的界面处完成，又或在拆解功能层101和支撑衬底100的界面处完成。

基于上述本发明实施例提供的可拆解的多层复合半导体基板结构，本发明实施例还提供了制备这种可拆解的多层复合半导体基板结构的两种方法。

方法一具体包括以下步骤：

步骤1：在支撑衬底上形成拆解功能层并研磨抛光：

其中，该支撑衬底作为为其上各层的提供支撑作用，该支撑衬底和拆解功能层具有不同的禁带宽度和不同的热膨胀系数。在撑衬底上形成拆解功能层的方式有许多种，可以采用各种沉积方式如化学气相沉积，溅射沉积等，也可以通过悬涂工艺；亦可以通过先沉积后高温处理的方式形成需要的拆解功能层。

步骤2：通过键合方法将外延种子层转移到拆解功能层之上，在键合工艺中会形成一键合界面层，具体键合是指低温直接或间接键合甚至室温下键合，比如通过表面活性化方法或等离子体活化方法等，具体转移方法包括离子注入分离、刻蚀和激光剥离等方法：

步骤3：在外延种子层进行外延，获得一外延层，外延方法可为已知的方法如比如分子束外延，有机金属化学气相沉积法等。外延层可包含形核层或缓冲层；进而得到可拆解的多层复合基板结构。

基于上述本发明实施例提供的制备该可拆解的多层复合基板结构的方法，以下结合图1-6对制备工艺进行详细说明。

如图4所示，提供一支撑衬底100，材料选择为半绝缘单晶碳化硅。在半绝缘单晶碳化硅表面之上沉积拆解功能层101，有一上表面1011，拆解功能层101材料选择为非晶硅，沉积方法为化学气相沉积，沉积厚度为2微米，而后对其进行研磨使其表面光滑化；然后通过键合方法将一外延种子层103转移至拆解功能层101上表面1011之上，在键合工艺中形成一键合界面层102。

其中一种转移方式如图5所示，具体为有一支撑晶圆200，在其上形成外延种子层103，有第一上表面1031，将其第一表面1031与拆解功能层上表面1021键合，然后去除支撑衬底200，是外延种子层第二表面1032露出，表面处理后可用于外延。具体支撑衬底200材料可以是硅，外延种子层103的材料为单晶4H碳化硅层，厚度为500纳米。

在本发明实施例中，键合方法可采用表面活性化键合方法在超高真空里进行室温下直接键合。在直接接合过程中，在超高真空(10^-6Pa)中使用加速原子束或离子束比如氩(Ar)轰击拆解功能层101的第一表面1011和外延种子层103的第一表面1031，达到表面激活的目的，进而在室温下获得均一的高强度键合，此时键合界面层为由轰击引起的变质金刚石层和变质氮化硅层。需要理解的是，此键合步骤中使用的键合方法并不局限于表面活性化键合方法，也可以是其他键合方法比如等离子体激活键合等，也可以通过沉积中间层的方式来实现间接键合。

在本发明实施例中，在外延层104形成后，可对外延层104和外延种子层103两层或外延层104、外延种子层103和键合界面层102三层又或外延层104、外延种子层103、键合界面层102和可拆解功能层101四层进行图形化加工，如图2和图3所示，可使剥离释放过程简化。

在本发明实施例中，获得多层复合半导体基板后拆解过程可以和另一转移过程相结合，具体过程如图6所示：将获得的可拆解多层复合半导体基板的外延层上表面和另一支撑衬底300进行键合，在此键合工艺中形成一键合界面层302，而后通过拆解方式去除支撑基板100，而后可进一步去除残余的拆解功能层101，键合功能层102和外延种子层103。具体的剥离方法可以为激光照射剥离、机械应力剥离或化学刻蚀剥离。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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

1.一种可拆解的多层复合半导体基板结构，该复合基板结构包括一外延层、一外延种子层、一拆解功能层、一键合界面层和一支撑衬底，其中：

该拆解功能层形成于支撑衬底之上，该外延种子层通过一键合界面层与一拆解功能层键合，该键合界面层形成于外延种子层与拆解功能层的键合工艺，位于外延种子层与拆解功能层之间，外延层生长于外延种子层之上，且可包含形核层和缓冲层。

2.根据权利要求1所述的多层复合基板结构，其中，所述支撑衬底为下列材料的一种或多种：碳化硅，氮化镓，蓝宝石(Al₂O₃)，石英，氮化铝，ScAlMgO₄，金刚石等材料，厚度为200～2000微米，晶型不限，可为单晶和多晶。

3.根据权利要求1所述的多层复合基板结构，其中，所述拆解功能层，为下列材料中的一种或多种叠层：硅、氧化硅、锗、氧化镓、磷化铟、镍或类金刚石层等，通过沉积或生长等方法形成于支撑衬底之上，有一上表面，该拆解功能层主要用于其上多层结构的拆解以及外延过程中的应力缓冲，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶，厚度范围为50纳米-20微米。

4.根据权利要求1所述的多层复合基板结构，其中，所述键合界面层的厚度范围为0.1-500纳米，为下列材料中的一种或多种叠层：硅，氧化硅、氧化镓、氧化铝、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、氮碳化学物、氮碳氧化学物、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆；晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

5.根据权利要求1所述的多层复合基板结构，其中，所述外延种子层为下列材料中的一种或多种组成：硅、氮化镓、铝氮化镓、氮化铝、氧化镓、硅、碳化硅和金刚石，厚度范围为10纳米-50微米；晶型可为单晶和多晶。

6.根据权利要求1所述的多层复合基板结构，其中，所述外延层为下列材料中的一种或多种组成：硅、氮化镓、铝氮化镓、氮化铝、氧化镓、碳化硅和金刚石，厚度范围为10纳米-300微米。

7.一种制备权利要求1至6中任一项所述的制作可拆解的多层复合半导体基板结构的方法，包括：

在支撑衬底上悬涂或沉积又或沉积后退火形成拆解功能层，该拆解功能层具有一上表面；通过研磨抛光等已公开方法使拆解功能层上表面光滑；

在拆解功能层上通过键合和层转移的方法形成外延种子层，该外延种子层具有一上表面，在键合工艺中，一键合界面层形成于外延种子层和拆解功能层之间；通过研磨抛光等已公开方法使外延种子层上表面光滑，适用于后续外延工艺；通过已公开的外延生长方法，在外延种子层形成外延层，此外延层可以包含形核层和缓冲层。外延层形成后，亦可对外延层和外延种子层两层或外延层、外延种子层和键合界面层三层又或外延层、外延种子层、键合界面层和可拆解功能层四层进行图形化加工。

8.一种制备权利要求7中的多层复合半导体基板结构的方法，其中：外延层上表面可先和另一衬底键合，然后通过机械应力剥离和激光照射剥离等方法与支撑衬底分离，支撑衬底可以反复利用以降低成本；若第一次转移后的支撑衬底不是最终衬底，该剥离的多层结构可以在进一步去除键合界面层和外延种子层，进行第二次转移，将其转移到最终衬底上。

9.根据权利要求7和8所述的制备多层复合基板结构的方法，其中，通过外延过程在拆解功能层自动引入应力，使拆解功能层中形成无数微小裂纹，进而可以实现简单的机械剥离；激光照射剥离方法是利用支撑衬底和拆解功能层的禁带差异，使激光能量聚集在拆解功能层中，使拆解功能层发生溶蚀、反应、气化、应力聚集等现象，进一步增加拆解功能层中的微小裂纹，增加脆性，进而实现简单的机械剥离。

10.根据权利要求7和8所述的制备多层复合基板结构的方法，其中，该方法还包括：

将拆解功能层以上的多层结构通过键合和剥离方法转移至另一衬底后，可以通过湿法或干法刻蚀等已公开方法将外延种子层或外延种子层及部分外延层去除。