CN108598253B - Si基GaN压力传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于半导体技术领域，提供了一种Si基GaN压力传感器的制备方法，该方法包括：在GaN晶圆上制备压力敏感单元，其中，所述GaN晶圆包括衬底、衬底上表面的GaN缓冲层和所述GaN缓冲层上表面的势垒层；在第一硅片中制备凹槽；将形成所述凹槽后的所述第一硅片键合在第二硅片上，形成密封腔体；将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆与所述密封腔体键合，形成压力传感器，其中，所述GaN晶圆的衬底与所述第一硅片的表面接触。本发明能够实现高质量的气密性封装，极大地提升传感器的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种Si基GaN压力传感器的制备方法。
背景技术
压力传感器是一种可以把压力信号转换成可以直观获取的电信号的换能器，被广泛应用于生活的方方面面。目前半导体压力传感器主要是基于Si材料，但是Si材料温度特性差，采用扩散工艺形成的电阻在较高温度下特性会发生变化，用来隔离电阻和衬底的PN结的隔离度也会出现衰退，甚至发生穿通，导致器件彻底毁坏。通常Si材料压力传感器只能工作于温度低于120℃的环境下。
GaN禁带宽度为3.4eV，为Si材料的3倍，宽的禁带决定了GaN材料良好的高温特性，GaN材料的压力传感器可工作于温度为600℃的环境下。另外GaN材料还具有电子浓度高、电子迁移率高、抗辐照能力强等诸多优点，因此，基于GaN材料的压力传感器可以工作于极端复杂的环境。然而，由于GaN材料还只能通过异质外延的方法得到，衬底材料主要有蓝宝石、SiC、Si等。蓝宝石材料具有超高的化学稳定性，尚无有效的手段对其进行微结构加工。SiC材料虽然已经有方法进行刻蚀，但其较高的材料成本和工艺成本使其无法得到广泛应用。
Si材料是最理想的衬底材料。现有技术中，通常通过刻蚀GaN晶圆的硅衬底制备压力传感器的腔体，然而由于Si和GaN之间存在的巨大的晶格失配，通过异质外延得到的GaN材料表面存在严重的翘曲，从而导致通过现有技术制备Si基GaN压力传感器难以实现高气密性封装。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了Si基GaN压力传感器的制备方法，以解决现有技术中Si基GaN压力传感器难以实现高气密性封装的问题。
本发明实施例的提供了一种Si基GaN压力传感器的制备方法，包括：
在GaN晶圆上制备压力敏感单元，其中，所述GaN晶圆包括衬底、衬底上表面的GaN缓冲层和所述GaN缓冲层上表面的势垒层；
在第一硅片中制备凹槽；
将形成所述凹槽后的所述第一硅片键合在第二硅片上，形成密封腔体；
将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆与所述密封腔体键合，形成压力传感器，其中，所述GaN晶圆的衬底与所述第一硅片的表面接触。
可选的，所述在GaN晶圆上制备压力敏感单元之后，所述方法还包括：
将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆的衬底减薄至预设厚度。
进一步的，所述将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆的衬底减薄至预设厚度，包括：
通过机械研磨或化学腐蚀将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆的衬底减薄至预设厚度。
可选的，所述在第一硅片中制备凹槽，包括：
通过光刻工艺在所述第一硅片与非凹槽区对应的部分的上表面涂覆光刻胶层；其中，所述非凹槽区为所述第一硅片中除凹槽区以外的区域；
通过硅刻蚀工艺刻蚀所述第一硅片与所述凹槽区对应的部分，形成凹槽；
去除所述光刻胶层。
可选的，所述在第一硅片中制备凹槽，包括：
通过光刻工艺在所述第一硅片与非凹槽区对应的部分的上表面淀积介质层；其中，所述非凹槽区为所述第一硅片中除凹槽区以外的区域；
通过刻蚀工艺刻蚀所述介质层和所述第一硅片与所述凹槽区对应的部分，形成凹槽，其中，所述第一硅片的刻蚀速率与所述介质层的刻蚀速率之比大于200:1；
去除剩余的所述介质层。
进一步的，所述介质层为二氧化硅层、氮化硅层、金属铝层或金属镍层。
可选的，所述将形成所述凹槽后的所述第一硅片键合在第二硅片上，形成密封腔体，包括：
分别对形成所述凹槽后的所述第一硅片和所述第二硅片进行抛光和表面处理；
将经过抛光进而表面处理后的所述第一硅片和所述第二硅片贴合在一起；
将贴合后的所述第一硅片和所述第二硅片在0.1kPa压强200℃至1000℃温度下进行键合，使所述第一硅片和所述第二硅片紧密贴合，形成密封腔体。
可选的，所述将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆与所述密封腔体键合，包括：
对所述GaN晶圆和所述密封腔体进行表面处理；
在经表面处理后的所述密封腔体的第一硅片的表面均匀覆盖键合介质层；
将所述GaN晶圆通过所述键合介质层贴合到所述第一硅片上，并在0.1kPa压强200℃至400℃温度下进行键合，使所述GaN晶圆与所述密封腔体紧密贴合。
可选的，所述压力敏感单元为高电子迁移率晶体管、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。
可选的，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。
本发明实施例的有益效果为：本发明实施例通过首先在GaN晶圆上制备压力敏感单元，并在第一硅片上制备凹槽，将第一硅片键合在第二硅片上形成密封腔体，然后将GaN晶圆与密封腔体键合形成压力传感器，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是本发明实施例提供的Si基GaN压力传感器的制备方法实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的Si基GaN压力传感器的制备方法的结构示意图。
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***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***、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。
请参考图1，Si基GaN压力传感器的制备方法，包括：
步骤S101，在GaN晶圆上制备压力敏感单元，其中，所述GaN晶圆包括衬底、衬底上表面的GaN缓冲层和所述GaN缓冲层上表面的势垒层。
在本发明实施例中，请参考图2(1)，GaN晶圆从下至上依次包括衬底201、GaN缓冲层202和势垒层203。势垒层203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202能够缓冲势垒层203和衬底201由于晶格失配导致的应力。衬底201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。
请参考图2(2)，在GaN晶圆上制备压力敏感单元204，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。
可选的，步骤S101之后所述方法还包括：将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆的衬底减薄至预设厚度。
在本发明实施例中，请参考图2(3)，根据传感器灵敏度和量程要求，通过机械研磨或化学腐蚀将衬底201减薄至预设厚度，通常情况下，将衬底201减薄至20微米至50微米。
步骤S102，在第一硅片中制备凹槽。
在本发明实施例中，请参考图2(4)和图2(5)，在第一硅片205中制备凹槽206。
可选的，步骤S102的具体实现方式为：通过光刻工艺在所述第一硅片与非凹槽区对应的部分的上表面涂覆光刻胶层；其中，所述非凹槽区为所述第一硅片中除凹槽区以外的区域；通过硅刻蚀工艺刻蚀所述第一硅片与所述凹槽区对应的部分，形成凹槽；去除所述光刻胶层。
在本发明实施例中，第一硅片205分为凹槽区和非凹槽区，凹槽区为凹槽206所在的区域，非凹槽区为除凹槽区以外的区域。通过光刻和刻蚀工艺制备凹槽206。首先，通过光刻工艺在第一硅片205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，最后通过干法刻蚀工艺进行刻蚀，第一硅片205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205与凹槽区对应的部分将会被部分刻蚀掉，形成凹槽206。凹槽206的形状包括但不限于圆形、矩形、C型、E型。
可选的，步骤S102的具体实现方式为：通过光刻工艺在所述第一硅片与非凹槽区对应的部分的上表面淀积介质层；其中，所述非凹槽区为所述第一硅片中除凹槽区以外的区域；通过刻蚀工艺刻蚀所述介质层和所述第一硅片与所述凹槽区对应的部分，形成凹槽，其中，所述第一硅片的刻蚀速率与所述介质层的刻蚀速率之比大于200:1；去除剩余的所述介质层。
在本发明实施例中，还可以通过淀积介质层作为刻蚀掩膜层，介质层包括但不限于二氧化硅层、氮化硅层、金属铝层或金属镍层。首先，在第一硅片205与非凹槽区对应的部分的上表面淀积介质层，露出待刻蚀图形，然后通过干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺进行刻蚀，其中，需要保证介质层的刻蚀速率远小于第一硅片的刻蚀速率，以避免第一硅片205与非凹槽区对应的部分被刻蚀掉，通常，第一硅片205的刻蚀速率与介质层的刻蚀速率之比大于200:1。实际制备工艺中，介质层的厚度根据介质层的刻蚀速率、第一硅片205的刻蚀速率和需要刻蚀的第一硅片205的厚度进行选择。
步骤S103，将形成所述凹槽后的所述第一硅片键合在第二硅片上，形成密封腔体。
在本发明实施例中，请参考图2(6)，通过硅硅键合工艺将第一硅片205键合在第二硅片207上，形成密封腔体。
可选的，步骤S103的具体实现方式为：分别对形成所述凹槽后的所述第一硅片和所述第二硅片进行抛光和表面处理；将经过抛光进而表面处理后的所述第一硅片和所述第二硅片贴合在一起；将贴合后的所述第一硅片和所述第二硅片在0.1kPa压强200℃至1000℃温度下进行键合，使所述第一硅片和所述第二硅片紧密贴合，形成密封腔体。
在本发明实施例中，第一硅片205中凹槽206的尺寸不大于第二硅片207的尺寸，以保证第一硅片205和第二硅片207贴合能够形成密封腔体，并且，第一硅片205和第二硅片207均能够满足硅硅键合的条件。首先，将第一硅片205和第二硅片207进行抛光和表面处理，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205和第二硅片207贴合，并在0.1kPa压强200℃至1000℃温度下进行键合，使第一硅片205和第二硅片207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和第二硅片紧密贴合，形成密封腔体。
在本发明实施例中，一种实现方式先进行步骤S101，再进行步骤S102至步骤S103，另一种实现方式先进行步骤S102至步骤S103，再进行步骤S101，在此不做限定。
步骤S104，将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆与所述密封腔体键合，形成压力传感器，其中，所述GaN晶圆的衬底与所述第一硅片的表面接触。
在本发明实施例中，请参考图2(7)，GaN晶圆的尺寸与第一硅片的尺寸相同，采用介质键合的方式将形成压力敏感单元后的GaN晶圆与密封腔体键合，形成压力传感器。
可选的，步骤S104的具体实现方式为：对所述GaN晶圆和所述密封腔体进行表面处理；在经表面处理后的所述密封腔体的第一硅片的表面和/或所述GaN晶圆的硅衬底的下表面均匀覆盖键合介质层；将所述GaN晶圆通过所述键合介质层贴合到所述第一硅片上，并在0.1kPa压强200℃至400℃温度下进行键合，使所述GaN晶圆与所述密封腔体紧密贴合。
在本发明实施例中，请参考图2(7)，首先对GaN晶圆和密封腔体进行表面处理，得到洁净的表面，以满足键合工艺对表面洁净度的要求，然后在第一硅片205与GaN晶圆的接触面和/或GaN晶圆的衬底201均匀覆盖键合介质层208，键合介质层208包括但不限于金薄膜、金锡薄膜、金铜薄膜或环氧树脂鞥有机粘合剂，再将GaN晶圆的衬底201与第一硅片205贴合，最后在0.1kPa压强200℃至400℃温度下进行键合，使GaN晶圆与第一硅片205紧密贴合在一起，形成压力传感器。
制备的Si基GaN压力传感器在使用时，当传感器的表面受到压力时，密封腔体形变使压力敏感单元发生形变，进而引起器件电学特性发生变化，通过测量相关电学信号，即可完成压力信号的传感。
本发明实施例通过首先在GaN晶圆上制备压力敏感单元，并在第一硅片205上制备凹槽206，将第一硅片205键合在第二硅片206上形成密封腔体，然后将GaN晶圆与密封腔体键合形成压力传感器，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。
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 (9)
1.一种Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在GaN晶圆上制备压力敏感单元，其中，所述GaN晶圆包括衬底、衬底上表面的GaN缓冲层和所述GaN缓冲层上表面的势垒层；
在第一硅片中制备凹槽；
将形成所述凹槽后的所述第一硅片键合在第二硅片上，形成密封腔体，具体为：分别对形成所述凹槽后的所述第一硅片和所述第二硅片进行抛光和表面处理；将经过抛光进而表面处理后的所述第一硅片和所述第二硅片贴合在一起；将贴合后的所述第一硅片和所述第二硅片在0.1kPa压强200℃至1000℃温度下进行键合，使所述第一硅片和所述第二硅片紧密贴合，形成密封腔体；
将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆与所述密封腔体键合，形成压力传感器，其中，所述GaN晶圆的衬底与所述第一硅片的表面接触。
2.如权利要求1所述的Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，所述在GaN晶圆上制备压力敏感单元之后，所述方法还包括：
将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆的衬底减薄至预设厚度。
3.如权利要求2所述的Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，所述将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆的衬底减薄至预设厚度，包括：
通过机械研磨或化学腐蚀将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆的衬底减薄至预设厚度。
4.如权利要求1所述的Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，所述在第一硅片中制备凹槽，包括：
通过光刻工艺在所述第一硅片与非凹槽区对应的部分的上表面涂覆光刻胶层；其中，所述非凹槽区为所述第一硅片中除凹槽区以外的区域；
通过硅刻蚀工艺刻蚀所述第一硅片与所述凹槽区对应的部分，形成凹槽；
去除所述光刻胶层。
5.如权利要求1所述的Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，所述在第一硅片中制备凹槽，包括：
通过光刻工艺在所述第一硅片与非凹槽区对应的部分的上表面淀积介质层；其中，所述非凹槽区为所述第一硅片中除凹槽区以外的区域；
通过刻蚀工艺刻蚀所述介质层和所述第一硅片与所述凹槽区对应的部分，形成凹槽，其中，所述第一硅片的刻蚀速率与所述介质层的刻蚀速率之比大于200:1；
去除剩余的所述介质层。
6.如权利要求5所述的Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，所述介质层为二氧化硅层、氮化硅层、金属铝层或金属镍层。
7.如权利要求1所述的Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，所述将形成所述压力敏感单元后的所述GaN晶圆与所述密封腔体键合，包括：
对所述GaN晶圆和所述密封腔体进行表面处理；
在经表面处理后的所述密封腔体的第一硅片的表面和/或所述GaN晶圆的硅衬底的下表面均匀覆盖键合介质层；
将所述GaN晶圆通过所述键合介质层贴合到所述第一硅片上，并在0.1kPa压强200℃至400℃温度下进行键合，使所述GaN晶圆与所述密封腔体紧密贴合。
8.如权利要求1所述的Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，所述压力敏感单元为高电子迁移率晶体管、惠斯顿电桥电路或肖特基环形电容。
9.如权利要求1至8任一项所述的Si基GaN压力传感器的制备方法，其特征在于，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。
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