CN111216034A - 一种半导体器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种半导体器件及其制作方法，所述制作方法包括：采用GaSb晶圆作为衬底，在正面电路结构已经完成的情况下，对GaSb晶圆背面进行减薄时，采用第一磨盘和研磨液进行减薄，其中，第一磨盘上设置有碳化钨涂层，通过碳化钨涂层对GaSb晶圆的表面进行研磨，由于碳化钨与GaSb晶圆之间，不只是物理研磨，还包括化学反应，且碳化钨涂层的颗粒粒径在纳米级别，因此，对GaSb晶圆进行处理的减薄过程与抛光过程合二为一，从而能够减少减薄后抛光的过程，无需对厚度和误差进行再次进行修整和去除，从而减少了工艺过程，通过一体化减薄和抛光过程，即可达到传统意义上的镜面抛光要求。

Description

一种半导体器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制作技术领域，尤其涉及一种半导体器件及其制作方法。
背景技术
锑化镓(GaSb)是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中的新兴材料之一，该材料电子迁移率高，带隙窄，可以制备发光器件、激光器、红外探测器，光伏电池等，广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。GaSb具有比Si更优异的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率，等效的GaSb元件和Si元件同时都工作在高频时，GaSb会具有更少的噪声。GaSb的另一个优点，它是直接能隙的材料，可以用来发光，它的发光效率比锗材料更高，不仅可以用来制作发光二极管、光探测器，还可以用来制作半导体激光器。
在GaSb的可靠性实验当中，大多数样品均出现在一段时间内，器件热阻随时间减小的现象。这是由于较高的试验温度使芯片与管壳之间的接触应力有所改善。对于功率FET,热阻是一个重要的参数，当器件处于同一功耗和外部环境时,热阻小，就可以减小沟道温度，提高器件正常使用状态的可靠性。通过GaSb材料厚度减薄、刻蚀贯穿GaSb材料的通孔、晶片背面电镀散热用大面积金属薄膜等工艺，可以减小GaSb器件热阻，从而有效地提高功率器件与电路的可靠性。在GaSb材料背面加工工艺中，减薄和抛光是最关键的半导体工艺。且现有技术中硅晶圆的减薄和抛光工艺对GaSb晶圆并不适用，因此亟需开发适用于GaSb晶圆的减薄工艺。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种半导体器件及其制作方法，以解决现有技术中硅晶圆的减薄和抛光工艺对GaSb晶圆并不适用的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种半导体器件制作方法，包括：
提供GaSb晶圆，所述GaSb晶圆包括相对设置的第一表面和第二表面；
在所述第一表面制作形成正面电路结构；
提供承载片；
将所述GaSb晶圆的正面电路结构与承载片贴合；
采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光，所述第一磨盘上设置有碳化钨涂层，所述碳化钨涂层的颗粒粒径为纳米级别，所述碳化钨涂层用于研磨所述GaSb晶圆。
优选地，所述碳化钨涂层的颗粒粒径范围为500nm-800nm，包括端点值。
优选地，所述研磨液包括：
润滑剂：PEG聚乙二醇混合物；
表面活性剂：苯磺酸盐；
分散剂：次氯酸盐；
去离子水；
PH值调节剂：氨水。
优选地，所述研磨液的各个组成部分的质量比例为：润滑剂PEG-600 1％～5％，PEG-1000 1％～5％；表面活性剂3％～5％；分散剂1％～4％；去离子水80％～94％；PH值调节剂：0.1％～1％；PH值8～10。
优选地，所述第一磨盘的转速为100rpm/min～200rpm/min，包括端点值；所述研磨液的流速范围为2ml/sec～3ml/sec，包括端点值。
优选地，在所述采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光之后，还包括：
采用第二磨盘和抛光液对所述第二表面进行精密抛光。
优选地，所述抛光液包括：纳米CeO2浆液。
优选地，所述抛光液中各组分的质量比例为：
5％～10％CeO2颗粒，粒径≤10nm；次氯酸盐和双氧水混合液5％～15％；去离子水80％～90％，PH值9～11。
优选地，所述采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光至所述GaSb晶圆的厚度小于100μm。
本发明还提供一种半导体器件，所述半导体器件采用上面任意一项所述的半导体器件制作方法制作形成。
优选地，所述半导体器件为发光二极管、光探测器、半导体激光器或光伏电池。
优选地，所述半导体器件的GaSb晶圆的厚度小于30μm，厚度均匀性分布±0.5μm，粗糙度小于或等于
Figure BDA0002392625710000031
经由上述的技术方案可知，本发明提供的半导体器件制作方法，采用GaSb晶圆作为衬底，在正面电路结构已经完成的情况下，对GaSb晶圆背面进行减薄时，采用第一磨盘和研磨液进行减薄，其中，所述第一磨盘上设置有碳化钨涂层，通过碳化钨涂层对GaSb晶圆的表面进行研磨，由于，本申请中碳化钨与GaSb晶圆之间，不单单只是物理研磨，还包括化学反应，且碳化钨涂层的颗粒粒径在纳米级别，因此，对GaSb晶圆进行处理的减薄过程与抛光过程合二为一，相对于现有技术中，减薄工艺和抛光工艺分离的制作步骤，能够减少减薄后抛光的过程，无需对厚度和误差进行再次进行修整和去除，从而减少了工艺过程，通过一体化减薄和抛光过程，即可达到传统意义上的镜面抛光要求。
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半导体器件制作方法流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种半导体器件制作方法流程图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中硅晶圆的减薄和抛光工艺对GaSb晶圆并不适用。
发明人发现，出现上述现象的原因是，现有技术中硅晶圆的减薄工艺和抛光工艺是分开的，通常先采用硬质砂轮对晶圆材料进行切削工艺，或者使用金属磨盘配合大颗粒(一般在20μm以上)的研磨浆液进行研磨，操作过程简单，设备结构简单，但是由于研磨浆液的颗粒较大，导致误差较大，而且，在晶圆材料上留下较大的划痕。而且整个过程基本为物理作用，因此，若晶圆最终加工厚度太小，则会导致晶圆碎裂。
为了减小减薄过程中产生的误差和划痕，还需要抛光工艺进行修整，抛光浆液的颗粒直径较小，而且抛光还附带化学腐蚀效果，从而进行抛光。由于抛光过程所需时长较长，导致整个减薄过程复杂，抛光工艺耗费时间较长。
而且由于GaSb晶圆本身硬度较低，和硅工艺比较来说，脆弱的物理机械性能使得其后道工艺加工难度很大。特别在减薄工艺中，由于设备运行施放的附加重量和进给压强的影响，极易在减薄过程中造成GaSb材料的碎裂，从而很难加工厚度低于100μm的GaSb材料。无法有效精确控制晶片厚度和表面粗糙度会造成刻蚀通孔尺寸变形，背面散热金属脱落的严重后果。过于快速而暴力的加工过程造成的横向剪切力也会使器件的电学性能发生退化。而且，抛光过程只能减小减薄过程中产生的划痕误差，但之前造成的划痕已经存在，无法进行消除，且耗时较长。因此需要开发专用于GaSb的减薄工艺和抛光工艺。
基于此，本发明提供一种半导体器件制作方法，包括：
提供GaSb晶圆，所述GaSb晶圆包括相对设置的第一表面和第二表面；
在所述第一表面制作形成正面电路结构；
提供承载片；
将所述GaSb晶圆的正面电路结构与承载片贴合；
采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光，所述第一磨盘上设置有碳化钨涂层，所述碳化钨涂层的颗粒粒径为纳米级别，所述碳化钨涂层用于研磨所述GaSb晶圆。
本发明提供的半导体器件制作方法，采用GaSb晶圆作为衬底，在正面电路结构已经完成的情况下，对GaSb晶圆背面进行减薄时，采用第一磨盘和研磨液进行减薄，其中，所述第一磨盘上设置有碳化钨涂层，通过碳化钨涂层对GaSb晶圆的表面进行研磨，由于，本申请中碳化钨与GaSb晶圆之间，不单单只是物理研磨，还包括化学反应，且碳化钨涂层的颗粒粒径在纳米级别，因此，对GaSb晶圆进行处理的减薄过程与抛光过程合二为一，相对于现有技术中，减薄工艺和抛光工艺分离的制作步骤，能够减少减薄后抛光的过程，无需对厚度和误差进行再次进行修整和去除，从而减少了工艺过程，通过一体化减薄和抛光过程，即可达到传统意义上的镜面抛光要求。
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。
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种半导体器件制作方法，包括：
S101：提供GaSb晶圆，所述GaSb晶圆包括相对设置的第一表面和第二表面；
需要说明的是，本实施例中不限定半导体器件的具体类型，所述半导体器件可以是发光二极管、光电探测器、功率放大器、低噪声放大器或者半导体激光器等器件，只是上述器件中的衬底为GaSb晶圆，并不是硅衬底。
S102：在所述第一表面制作形成正面电路结构；
本实施例中不限定所述正面电路结构的具体结构，根据半导体器件的具体结构不同，所述正面电路结构的具体结构也不相同，例如，所述半导体器件为发光二极管，则对应的正面电路结构可以是制作完成的N型半导体层、发光层、P型半导体层以及对应的N型电极和P型电极。当半导体器件为光电探测器时，对应的正面电路结构为光电探测器的正面电路结构，本实施例中，对此不作限定。
所述正面电路结构，为GaSb晶圆减薄表面对应的表面上已经制作完成的电路结构，本实施例中对此不作详细说明。
S103：提供承载片；
本实施例中不限定所述承载片的具体材质，只要能够对要进行减薄处理的GaSb晶圆提供支撑即可，本实施例中可选的，所述承载片可以是蓝宝石材质。
S104：将所述GaSb晶圆的正面电路结构与承载片贴合；
需要说明的是，本实施例中不限定将GaSb晶圆的正面电路结构与承载片贴合的具体工艺，可选的，采用如下方式进行贴合：
将已经制作有正面电路结构的GaSb晶圆的正面涂覆ZEP-502A型光刻胶，厚度3μm～4μm，180℃烘箱N2气氛烘烤20分钟；
在ZEP-502A型光刻胶上，180℃真空环境喷涂HMDS粘附剂；
在≤1×10-2mbar真空环境下，135℃～150℃下，用乙二醇钛酸酯粘附剂键合GaSb晶圆和蓝宝石承载片，键合压力1.5Bar，键合时间5min，冷却至室温20℃。
S105：采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光，所述第一磨盘上设置有碳化钨涂层，所述碳化钨涂层的颗粒粒径为纳米级别，所述碳化钨涂层用于研磨所述GaSb晶圆。
需要说明的是，本实施例中不限定第一磨盘上颗粒粒径范围，只要为纳米级别，即可相对于现有技术而言，比减薄工艺中采用的微米级别的划痕小，实现减薄的同时，并未带来较大划痕和较大的误差。本实施例中可选的，所述第一磨盘的材质为不锈钢材质，通过在不锈钢磨盘表面覆盖碳化钨涂层，形成具有碳化钨涂层的磨盘，结合研磨液对GaSb晶圆进行研磨。
具体的，可以将蓝宝石承载片安装在减薄夹具上，去除键合GaSb晶圆和蓝宝石承载片时，在GaSb背面残留的多余的钛酸酯颗粒残渣；
采用表面为碳化钨涂层的不锈钢磨盘和研磨浆液对贴合在蓝宝石承载片上的GaSb晶圆的第二表面(也即背面)进行一体化减薄抛光：碳化钨涂层的颗粒粒径500nm～800nm，包括端点值。磨盘转速100rpm/min～200rpm/min；研磨浆液主要成分为(1)润滑剂：PEG聚乙二醇混合物；(2)表面活性剂：苯磺酸盐；(3)分散剂：次氯酸盐；(4)DI水(去离子水)；(5)PH值调节剂：氨水。质量比例为：润滑剂PEG-600 1％～5％，PEG-1000 1％～5％；活性剂3％～5％；分散剂1％～4％；去离子水80％～94％；PH调节剂：0.1％～1％；PH值8～10；浆液流速2ml/sec～3ml/sec；减薄后GaSb晶圆的厚度＜100μm。
本实施例中可以通过厚度探针、台阶仪、光学轮廓仪进行测量，得到减薄后GaSb晶圆的厚度。
当GaSb晶圆的厚度小于100μm后，将之放入超声槽中超声清洗20min，超声频率40kHz～80kHz，清洗液采用RCA清洗液中的SC-2，SC-2成分为：HCl/H2O2/H2O－10％/10％/80％，加热温度80℃±5℃；用DI水冲洗干净，用40℃热N2吹干。
至此，采用本发明实施例提供的半导体器件制作方法，即可实现GaSb晶圆的背面减薄抛光一体化处理。将研磨抛光过程合一，减少了工艺过程，可以实现一次完成，厚度和TTV(Total Thickness Variation，指晶片在厚度测量值中的最大厚度与最小厚度的差值，一般称作晶片厚度变化值或者晶圆厚度值均匀性)都不需要再额外进行修整和去除。在完成减薄抛光一体化工艺之后，晶圆就已经达到了传统意义上的镜面抛光要求(表面粗糙度在数十nm级别)。
需要说明的是，在实际半导体器件制作过程中，若对GaSb晶圆表面的粗糙度要求更高，可选的，在进行减薄抛光一体化后，还可以包括精密抛光的步骤。也即，在所述采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光之后，如图2所示的，还包括：
S106：采用第二磨盘和抛光液对所述第二表面进行精密抛光。
具体的，步骤S105中的GaSb晶圆装入夹具，开始精密抛光，抛光液采用纳米CeO2浆液，质量比例为：5％～10％CeO2颗粒，粒径≤10nm；次氯酸盐和双氧水混合液5％～15％；DI水80％～90％，PH值9～11，流速4ml/s～8ml/s；第二磨盘采用聚酰胺树酯磨盘，第二磨盘采用螺旋型导液槽，第二磨盘公转转速40rpm/min～60rpm/min；夹具自转转速80rpm/min～120rpm/min；压力0.4Bar～0.6Bar。
同样采用厚度探针、台阶仪、光学轮廓仪进行测量，监控抛光的GaSb晶圆的厚度，在达到要求后，停止抛光，进行清洗。将精密抛光后的GaSb晶圆放入超声槽中超声清洗，超声频率40kHz～80kHz，清洗步骤采用丙酮10分钟，乙醇10分钟，DI水10分钟的顺序；清洗后将GaSb晶圆用40℃热N2吹干。
经过上述步骤的工艺操作，可以得到厚度＜30μm，直径4英寸圆形面积厚度均匀性分布±0.5μm，粗糙度
Figure BDA0002392625710000081
的镜面效果的GaSb材料。
本发明提供的半导体器件制作方法：
和常用的减薄方法不同，就使用了减薄抛光工艺一体化完成，减薄过程中起作用的磨削颗粒一开始就达到纳米级，从而避免了引入大尺寸的划伤。
使用了碳化钨材料磨盘，碳化钨的高莫氏硬度保证了减薄去除效果，同时表层颗粒脱落，里层颗粒露出的涂层自我更新过程也降低了GaSb表面损伤，表面粗糙度Ra达到很好的程度。
在精密抛光过程中，创新采用了纳米CeO2，提高了抛光效果的同时，材料去除效果也大大提高，精确的控制压强使得可以制作厚度很薄的抛光GaSb材料，达到更高的工艺水平。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种半导体器件，所述半导体器件采用上面实施例中所述的半导体器件制作方法制作形成。其中，所述半导体器件为发光二极管、光探测器、半导体激光器或光伏电池。正如上述实施例中所述的，通过上面实施例中所述的半导体器件制作方法制作形成的半导体器件的GaSb晶圆的厚度小于30μm，厚度均匀性分布±0.5μm，粗糙度小于或等于
Figure BDA0002392625710000082
也即，能够在保证GaSb晶圆的碎裂程度较小的情况下，通过减薄抛光一体化工艺得到厚度较小的GaSb晶圆，满足实际需求的粗糙度。
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。
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物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种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，并不排除在包括上述要素的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 (12)

1.一种半导体器件制作方法，其特征在于，包括：
提供GaSb晶圆，所述GaSb晶圆包括相对设置的第一表面和第二表面；
在所述第一表面制作形成正面电路结构；
提供承载片；
将所述GaSb晶圆的正面电路结构与承载片贴合；
采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光，所述第一磨盘上设置有碳化钨涂层，所述碳化钨涂层的颗粒粒径为纳米级别，所述碳化钨涂层用于研磨所述GaSb晶圆。
2.根据权利要求1所述的半导体器件制作方法，其特征在于，所述碳化钨涂层的颗粒粒径范围为500nm-800nm，包括端点值。
3.根据权利要求1所述的半导体器件制作方法，其特征在于，所述研磨液包括：
润滑剂：PEG聚乙二醇混合物；
表面活性剂：苯磺酸盐；
分散剂：次氯酸盐；
去离子水；
PH值调节剂：氨水。
4.根据权利要求3所述的半导体器件制作方法，其特征在于，所述研磨液的各个组成部分的质量比例为：润滑剂PEG-600 1％～5％，PEG-1000 1％～5％；表面活性剂3％～5％；分散剂1％～4％；去离子水80％～94％；PH值调节剂：0.1％～1％；PH值8～10。
5.根据权利要求1所述的半导体器件制作方法，其特征在于，所述第一磨盘的转速为100rpm/min～200rpm/min，包括端点值；所述研磨液的流速范围为2ml/sec～3ml/sec，包括端点值。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的半导体器件制作方法，其特征在于，在所述采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光之后，还包括：
采用第二磨盘和抛光液对所述第二表面进行精密抛光。
7.根据权利要求6所述的半导体器件制作方法，其特征在于，所述抛光液包括：纳米CeO2浆液。
8.根据权利要求7所述的半导体器件制作方法，其特征在于，所述抛光液中各组分的质量比例为：
5％～10％CeO2颗粒，粒径≤10nm；次氯酸盐和双氧水混合液5％～15％；去离子水80％～90％，PH值9～11。
9.根据权利要求1所述的半导体器件制作方法，其特征在于，所述采用第一磨盘和研磨液对所述GaSb晶圆的第二表面进行一体化减薄抛光至所述GaSb晶圆的厚度小于100μm。
10.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件采用权利要求1-9任意一项所述的半导体器件制作方法制作形成。
11.根据权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件为发光二极管、光探测器、半导体激光器或光伏电池。
12.根据权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件的GaSb晶圆的厚度小于30μm，厚度均匀性分布±0.5μm，粗糙度小于或等于
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