CN104576410A - 一种垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法 - Google Patents
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Abstract
<b>本发明公开了一种垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，将设置在蓝宝石衬底上的功率半导体器件转移至目标衬底上，该功率半导体器件包括生长在蓝宝石衬底上的外延层以及镀覆在外延层上表面的若干金属电极块，主要步骤如下：1）放置焊料：在功率半导体器件表面放置焊料；2）晶圆键合：采用晶圆级键合技术，通过焊料将功率半导体器件的上表面键合至目标衬底上；3）剥离蓝宝石衬底：采用激光剥离技术将功率半导体器件从蓝宝石衬底上剥离，以完成功率半导体器件的转移</b><b>，该方法操作简单，可有效防止因放置的焊料太多，导致在器件与目标衬底相键合时造成焊料与器件的金属电极块、外延层同时接触，导致器件短路、失效的情况发生。</b>
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，属于半导体工艺技术领域。
背景技术
目前，半导体工艺中一般采用蓝宝石、硅、碳化硅作为衬底来生长外延层。一般GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上，蓝宝石衬底有许多的优点：1、蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；2、蓝宝石的稳定性好，能够运用在高温生长过程中；3、蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底，但是蓝宝石衬底还具有以下缺陷：蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件，通常只在外延层上表面制作n型和p型电极。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加，同时，蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资，且蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K）），在使用功率半导体器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率半导体器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。
而硅是热的良导体，所以在硅衬底上制备的器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 而采用碳化硅衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率半导体器件。但相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造的成本较高。
因此，为了在减少成本的同时确保制作的器件的导电性和导热性能，目前，人们通常使用衬底转移技术来解决成本与质量之间的矛盾，而在衬底转移过程中通常会使用晶圆键合技术通过焊料将长有外延层（或已在外延层上完成工艺）的衬底与目标衬底键合到一起，然后通过激光剥离技术去除原衬底。而在操作过程中通常会存在以下问题，参见图1所示，在键合过程中，焊料与金属电极及外延层均有接触导致短路、器件失效。而目前，研究人员并没有很好的解决方案来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，通过该方法可确保器件在转移过程中不会失效，其方法简单、易于操作，同时节约了能源。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，将设置在蓝宝石衬底上的功率半导体器件转移至目标衬底上，所述功率半导体器件包括生长在所述蓝宝石衬底上的外延层以及镀覆在所述外延层上表面的相间隔设置的多个金属电极块，所述衬底转移方法主要包括如下步骤：
1）放置焊料：在所述功率半导体器件的所述金属电极块的上表面放置焊料，所述焊料在水平面上的投影面积小于所述金属电极块在水平面上的投影面积；
2）晶圆键合：将目标衬底放置在所述功率半导体器件的上端并与所述焊料相接触，采用晶圆级键合技术，通过所述焊料将所述功率半导体器件的所述金属电极块与所述目标衬底相键合；
3）剥离蓝宝石衬底：采用激光剥离技术将所述功率半导体器件从所述蓝宝石衬底上剥离，以完成所述功率半导体器件衬底的转移。
优选地，所述焊料为锡焊料，所述锡焊料呈球形或块状。
优选地，所述目标衬底材料为硅、碳化硅或多晶碳化硅。
优选地，所述金属电极块上表面还设置有用于防止所述焊料溢出的防溢框，所述焊料位于所述防溢框内。
进一步优选地，经步骤（2）后的所述焊料的高度不大于10um，面积不大于40um
2
且不超过所述金属电极块面积的95%。
进一步优选地，步骤（2）中采用了金-锡键合的方法进行键合。
进一步优选地，所述外延层的材料为氮化镓、氮化铝、碳化硅或砷化镓。
由于上述技术方案的运用，本发明克服了现有技术衬底转移过程中，采用焊料焊接技术将器件外延层与目标衬底键合，焊料在键合过程中被压缩导致焊料与金属电极及外延层同时接触，从而发生短路、器件失效，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明采用的方法简单、易于实施，且焊料的用量少，确保了在衬底上制作的器件的有效性，同时节约了能源。
附图说明
附图1是现有技术中功率半导体器件的衬底转移示意图；
附图2是蓝宝石衬底示意图；
附图3是蓝宝石衬底上生长外延层的示意图；
附图4是对蓝宝石衬底上外延层进行蚀刻处理的示意图；
附图5是镀覆金属电极块的示意图；
附图6是放置焊料的示意图；
附图7是功率半导体器件与目标衬底键合前的示意图；
附图8是功率半导体器件与目标衬底键合后的示意图；
附图9是剥离蓝宝石衬底的示意图；
其中：1、蓝宝石衬底；2、外延层；3、金属电极块；4、焊料；5、目标衬底；6、防溢框。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图2-9所示，一种垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，将设置在蓝宝石衬底1上的功率半导体器件转移至目标衬底上5，该功率半导体器件包括生长在蓝宝石衬底1上的外延层2以及镀覆在外延层2上表面的若干个相间隔设置的金属电极块3，该衬底转移方法主要包括如下步骤：
1）放置焊料4：在功率半导体器件的金属电极块的上表面上放置作为键合材料的焊料4，焊料4在水平面上的投影面积小于金属电极块3在水平面上的投影面积；
2）晶圆键合：将目标衬底5放置在功率半导体器件的上端并与焊料4相接触，采用晶圆级键合技术，通过焊料将功率半导体器件的金属电极块与目标衬底5相键合；
3）剥离蓝宝石衬底：采用激光剥离技术将所述功率半导体器件下表面的所述蓝宝石衬底1剥离，以完成所述功率半导体器件衬底的转移。
在本实施例中，功率半导体器件主要采用以下方法制作而成：1）先在蓝宝石衬底1上生长一层外延层2；2）采用干法刻蚀的方法对外延层2的表面进行部分蚀刻处理，以形成具有凹凸面的外延层2，而后在外延层2上采用蒸镀或溅射的方法镀覆一层金属电极，并将外延层2凹面内的金属电极进行去除，使留在凸面上的金属电极形成若干个金属电极块3，从而完成了器件的制作。在这里，外延层的材料可以是氮化镓、氮化铝、碳化硅或砷化镓。
在本实施例中，所述焊料4为锡焊料，所述锡焊料呈球形或块状，在步骤2）可采用金-锡键合的方法将器件的金属电极块与目标衬底5相键合，当然还可以采用硅作为焊料，则在步骤2）中可采用金-硅键合的方法将器件的金属电极块与目标衬底5相键合，在这里，所述目标衬底5材料可以是硅、碳化硅或多晶碳化硅。
为了防止焊料4在键合过程中溢出，导致焊料4与金属电极块3以及外延层2同时接触，导致器件短路，失效，在本实施例中，在金属电极块3上表面还设置有用于防止焊料4被压缩时溢出的防溢框6，该焊料4放置在防溢框6内，同时，经步骤（2）后焊料4的高度不大于10um，面积不大于40um
2
且不超过金属电极块3面积的95%。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，将设置在蓝宝石衬底上的功率半导体器件转移至目标衬底上，所述功率半导体器件包括生长在所述蓝宝石衬底上的外延层以及镀覆在所述外延层上表面的相间隔设置的多个金属电极块，其特征在于，所述衬底转移方法主要包括如下步骤：
1）放置焊料：在所述功率半导体器件的所述金属电极块的上表面放置焊料，所述焊料在水平面上的投影面积小于所述金属电极块在水平面上的投影面积；
2）晶圆键合：将目标衬底放置在所述功率半导体器件的上端并与所述焊料相接触，采用晶圆级键合技术，通过所述焊料将所述功率半导体器件的所述金属电极块与所述目标衬底相键合；
3）剥离蓝宝石衬底：采用激光剥离技术将所述功率半导体器件从所述蓝宝石衬底上剥离，以完成所述功率半导体器件衬底的转移。
2.根据权利要求1所述的垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，其特征在于：所述焊料为锡焊料，所述锡焊料呈球形或块状。
3.根据权利要求1所述的垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，其特征在于：所述目标衬底材料为硅、碳化硅或多晶碳化硅。
4.根据权利要求1所述的垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，其特征在于：所述金属电极块上表面还设置有用于防止所述焊料溢出的防溢框，所述焊料位于所述防溢框内。
5.根据权利要求1所述的垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，其特征在于：经步骤（2）后的所述焊料的高度不大于10um，面积不大于40um2且不超过所述金属电极块面积的95%。
6.根据权利要求2所述的垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，其特征在于：步骤（2）中采用了金-锡键合的方法进行键合。
7.根据权利要求1至6任一所述的垂直结构功率半导体器件的衬底转移方法，其特征在于：所述外延层的材料为氮化镓、氮化铝、碳化硅或砷化镓。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |