CN110970340B - 一种柔性InP HBT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性InP HBT器件及其制备方法，器件包括柔性衬底以及形成于所述柔性衬底上键合有键合层，所述键合层上结合有停止层，所述停止层上设置有InP HBT器件。制备方法为首先在InP衬底上正向生长带有停止层的InP HBT外延结构，然后在该InP HBT外延片上完成器件及电路制备，再在临时载片正面旋涂可逆临时键合材料，将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对进行临时键合，对InP衬底背面进行选择性去除直至停止层，在InP HBT外延层背面制作键合材料，将InP HBT外延层背面与柔性衬底进行键合，最后将InP HBT外延层与临时载片分离，得到柔性InP HBT器件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种柔性InP HBT器件及其制备方法。
背景技术
InP HBT具有优异的频率特性、良好的器件一致性以及击穿特性，是实现超高速、超高频电路的最佳选择，在无线通信、高频传输等方面具有重要的应用前景。通常InP HBT器件制备在刚性的InP衬底外延片上，而且InP衬底极为易碎，一定程度上制约了InP HBT器件的发展。如果InP HBT器件具有可拉伸、可延展等柔性特点，则其将具有更大的灵活性，能够适应非平面、小体积等不同复杂的工作环境，满足未来电子信息设备小型化、高集成化和智能化的发展需求。
针对刚性衬底电子器件的柔性化需求，国际上主流方法是将刚性衬底薄膜化，使其具有弯曲、延展等柔性特性，然后再将其直接贴附到PDMS、PI、PET 等高分子聚合物柔性衬底上。这种方式还存在许多问题有待解决，例如柔性衬底与半导体晶体管器件之间的界面接触不紧密，界面性质不稳定等问题，导致器件性能在柔性衬底上及大变形环境下性能退化甚至失效。此外目前公开报道的所有超高速、超高频柔性电子器件的制备面积都比较小，尚无法一次制备晶圆级的柔性晶体管器件，而且在转移过程中容易出现破损现象。
本发明提供一种柔性InP HBT超高速器件及制备方法，通过外延层剥离和低温异质键合转移的方式，实现晶圆级的高性能柔性InP HBT超高速、超高频器件的制备，同时具有良好的弯曲性和延展性等柔性特点。该制备方法能够与现有化合物半导体工艺和微纳加工工艺兼容，具备批量化制备潜力，为柔性电子器件的高频化、高速化发展奠定重要基础。
发明内容
针对InP HBT基超高速、超高频器件的柔性化需求，本发明的目的在于提供一种柔性InP HBT器件及其制备方法，用于解决现有传统刚性衬底电子器件柔性化过程中器件性能退化严重和大面积批量制备困难等问题，制备出高性能晶圆级柔性InP HBT器件
实现本发明目的的技术解决方案如下：
一种柔性InP HBT器件，包括柔性衬底以及形成于所述柔性衬底上键合有键合层，所述键合层上结合有停止层，所述停止层上设置有InP HBT器件。
进一步的，所述的柔性InP HBT器件，所述的柔性衬底包括但不限于柔性金属、聚酰亚胺、聚乙烯乙二醇或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述的键合层包括但不限于金属或聚合物。
一种以上所述的柔性InP HBT器件的制备方法，包括以下步骤；
步骤1，在InP衬底上正向生长带有停止层的InP HBT外延结构；
步骤2，在带有停止层的InP外延片上完成器件及电路制备；
步骤3，在临时载片正面旋涂可逆临时键合材料；
步骤4，将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对进行临时键合；
步骤5，对InP衬底背面进行选择性去除直至停止层；
步骤6，在InP HBT外延层背面制作键合材料，形成键合层；
步骤7，将InP HBT外延层背面与柔性衬底进行键合；
步骤8，将InP HBT外延层与临时载片分离，得到柔性InP HBT器件。
进一步的，所述的柔性InP HBT器件的制备方法，步骤2中停止层材料为 InGaAs或InGaP，InP HBT外延结构为InP/InGaAs/InP结构。
进一步的，所述的柔性InP HBT器件的制备方法，步骤3中所述临时载片为蓝宝石、硅片、碳化硅片或氮化铝片中的一种；所述可逆临时键合材料包括但不限于光刻胶、粘合剂或高温蜡类，通过光解、热解等方式，可逆临时键合材料的粘结度将降低，使得无机半导体薄膜能够与临时载片分离。
进一步的，所述的柔性InP HBT器件的制备方法，步骤4中临时键合温度为100-350℃，压力为100Mpa-5000MPa，时间为5-30分钟。
进一步的，所述的柔性InP HBT器件的制备方法，步骤5中对InP衬底背面进行选择性去除的方法包括但不限于机械研磨、机械抛光、化学抛光、湿法腐蚀和干法刻蚀中的任意一种或几种的结合。
进一步的，所述的柔性InP HBT器件的制备方法，步骤6中所述的键合材料包括但不限于金属或聚合物。
进一步的，所述的柔性InP HBT器件的制备方法，步骤7中所述的键合温度为RT-300℃，压力为1000Mpa-8000MPa，时间为10-180分钟。
进一步的，所述的柔性InP HBT器件的制备方法，步骤8中，InP HBT外延层与临时载片分离的方法包括但不限于光解或热解方式。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：通过外延层剥离和低温异质键合转移的方式，能够与现有化合物半导体工艺和微纳加工工艺兼容，具备批量化制备潜力，解决传统刚性衬底半导体电子器件柔性化制备过程中器件性能退化严重和大面积批量制备困难等问题，具备批量化制备潜力，为电子器件的小型化、集成化和智能化发展奠定基础。
附图说明
图1是InP衬底示意图。
图2是InP衬底上正向外延带有停止层的InP HBT外延层示意图。
图3是InP器件及电路制备示意图。
图4是完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片临时键合示意图。
图5是InP衬底背面选择性去除示意图。
图6是InP HBT外延层背面旋涂键合材料示意图。
图7是InP HBT外延层背面与柔性衬底键合示意图。
图8是InP HBT外延层与临时载片分离示意图。
图1-8中：1是InP衬底，2是InP HBT外延层，3是停止层，4是InP HBT器件及电路结构，5是临时键合材料，6是临时键合载片，7是键合材料，8是柔性衬底。
具体实施方式：
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案。
一种柔性InP HBT器件及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在InP衬底上正向生长带有停止层的InP HBT外延结构：其中InP衬底为半绝缘衬底，通过MBE或MOCVD等方法在InP衬底上先异质外延一层 InGaAs或InGaP等材料作为停止层，停止层厚度在20nm-1μm，然后依次外延 InP/InGaAs/InP等常见InP HBT结构，外延层厚度在1-10μm，如图1、2所示。
步骤2，在带有停止层的InP HBT外延片上完成器件及超高速电路制备：在带有停止层的InP HBT外延片正面通过光刻、蒸发、刻蚀、沉积等工艺完成器件及电路的制备，如图3所示。
步骤3，在临时载片正面旋涂可逆临时键合材料：其中临时载片可以为蓝宝石、硅、碳化硅或氮化铝等刚性衬底，可逆临时键合材料可以为光刻胶、粘合剂、高温蜡类中的一种，且在一定条件下与临时载片的粘附程度可逆，临时键合材料厚度在10-50μm，旋涂转速设置为1000-5000转/分钟，旋涂时间为30秒-1分钟，将涂好第二临时键合材料的临时载片正面朝上放在热板上预烘烤，热板温度设置为100-200℃，时间为1-5分钟，如图4所示。
步骤4，将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对进行临时键合：将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对贴合在一起，放入粘片机中进行临时键合，键合温度设置在100-350℃，压力为100Mpa-5000MPa，键合时间为5-30分钟，如图5所示。
步骤5，对InP衬底背面进行选择性去除直至停止层：通过机械研磨、机械抛光、化学抛光、湿法腐蚀和干法刻蚀等几种减薄方式中的一种或几种相结合，对InP 外延片衬底进行减薄，并将衬底全部去除，直到表面露出停止层为止，如图6 所示。
步骤6，在InP HBT外延层背面制作键合材料：采用蒸发、溅射、沉积生长的方法在InP HBT外延层背面制作金属、聚合物、介质等常用键合材料，键合材料厚度为0.2-5μm，如图7所示。
步骤7，将InP HBT外延层背面与柔性衬底进行键合：将InP HBT外延片背面与柔性衬底贴合在一起，放入键合机器中进行键合，RT-300℃，压力为 1000Mpa-8000MPa，时间为10-180分钟，如图8所示。
步骤8，将InP HBT外延层与临时载片分离，得到柔性InP HBT器件：将键合后的结构通过光解或热解等方式，实现与临时载片的分离，得到柔性InP HBT器件。
下面通过实施例对本发明内容做进一步说明。
实施例1
一种柔性InP HBT器件及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在半绝缘InP衬底上，通过MBE制备出厚度200nm的InGaAs停止层，然后依次外延厚度为200nm的InP、1μm的InGaAs和100nm的InP HBT外延层结构。
步骤2，在该InP HBT外延层正面通过光刻、蒸发、刻蚀、沉积等工艺完成器件及超高速电路的制备。
步骤3，在碳化硅临时载片正面旋涂25μm的临时键合材料粘合剂，旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为45s，将涂好临时键合材料的碳化硅临时载片正面朝上放在热板上预烘烤，热板温度设置为110℃，时间为2分钟。
步骤4，将完成电路工艺的InP外延片与碳化硅临时载片正面相对贴合在一起，放入粘片机中进行临时键合，键合温度设置在190℃，压力为200MPa，键合时间为20分钟。
步骤5，通过机械研磨将以碳化硅载片为支撑的InP HBT外延片从背面减薄至 100μm，然后放入湿法腐蚀液中进行腐蚀，直至InP衬底完全去除，露出InGaAs 停止层。
步骤6，在以碳化硅载片为支撑的InP HBT外延层背面旋涂BCB聚合物材料，旋涂转速为2000转/分钟，旋涂时间为60s，然后放入键合机中进行预固化。
步骤7，将以碳化硅载片为支撑的InP HBT外延片背面与PI柔性衬底贴合在一起，放入键合机器中进行键合，键合温度为180℃，压力为1000MPa，时间为 60分钟。
步骤8，将该碳化硅载片、超薄InP HBT电路和柔性PI衬底构成的键合结构放置在加热台上进行加热，加热温度为200℃，通过热滑动剥离法将碳化硅载片分离，并用去胶剂、丙酮、酒精清洗，得到柔性InP HBT器件。
实施例2
一种柔性InP HBT器件及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在半绝缘InP衬底上，通过MBE制备出厚度200nm的InGaP停止层，然后依次外延厚度为300nm的InP、1μm的InGaAs和200nm的InP HBT外延层结构。
步骤2，在该InP HBT外延层正面通过光刻、蒸发、刻蚀、沉积等工艺完成器件及超高速电路的制备。
步骤3，在蓝宝石临时载片正面旋涂25μm的临时键合材料粘合剂，旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为45s，将涂好临时键合材料的蓝宝石临时载片正面朝上放在热板上预烘烤，热板温度设置为110℃，时间为2分钟。
步骤4，将完成电路工艺的InP外延片与蓝宝石临时载片正面相对贴合在一起，放入粘片机中进行临时键合，键合温度设置在250℃，压力为5000MPa，键合时间为30分钟。
步骤5，通过机械研磨将以蓝宝石临时载片为支撑的InP HBT外延片从背面减薄至100μm，然后放入湿法腐蚀液中进行腐蚀，直至InP衬底完全去除，露出InGaAs 停止层。
步骤6，在以蓝宝石载片为支撑的InP HBT外延层背面旋涂BCB聚合物材料，旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为50s，然后放入键合机中进行预固化。
步骤7，将以蓝宝石载片为支撑的InP HBT外延片背面与PI柔性衬底贴合在一起，放入键合机器中进行键合，键合温度为300℃，压力为6000MPa，时间为 120分钟。
步骤8，将该蓝宝石载片、超薄InP HBT电路和柔性PI衬底构成的键合结构放置在加热台上进行加热，加热温度为200℃，通过热滑动剥离法将蓝宝石载片分离，并用去胶剂、丙酮、酒精清洗，得到柔性InP HBT器件。
实施例3
一种柔性InP HBT器件及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在半绝缘InP衬底上，通过MBE制备出厚度200nm的InGaAs停止层，然后依次外延厚度为300nm的InP、1μm的InGaAs和100nm的InP HBT外延层结构。
步骤2，在该InP HBT外延层正面通过光刻、蒸发、刻蚀、沉积等工艺完成器件及超高速电路的制备。
步骤3，在氮化铝临时载片正面旋涂20μm的临时键合材料粘合剂，旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为45s，将涂好临时键合材料的氮化铝临时载片正面朝上放在热板上预烘烤，热板温度设置为110℃，时间为2分钟。
步骤4，将完成电路工艺的InP外延片与氮化铝临时载片正面相对贴合在一起，放入粘片机中进行临时键合，键合温度设置在350℃，压力为1000MPa，键合时间为30分钟。
步骤5，通过机械研磨将以氮化铝载片为支撑的InP HBT外延片从背面减薄至 100μm，然后放入湿法腐蚀液中进行腐蚀，直至InP衬底完全去除，露出InGaAs 停止层。
步骤6，在以氮化铝载片为支撑的InP HBT外延层背面旋涂BCB聚合物材料，旋涂转速为2500转/分钟，旋涂时间为70s，然后放入键合机中进行预固化。
步骤7，将以氮化铝载片为支撑的InP HBT外延片背面与PI柔性衬底贴合在一起，放入键合机器中进行键合，键合温度为300℃，压力为6000MPa，时间为 60分钟。
步骤8，将该氮化铝载片、超薄InP HBT电路和柔性PI衬底构成的键合结构放置在加热台上进行加热，加热温度为300℃，通过热滑动剥离法将氮化铝载片分离，并用去胶剂、丙酮、酒精清洗，得到柔性InP HBT器件。
经过以上步骤，就实现了一种柔性InP HBT器件及其制备方法。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种柔性InP HBT器件，其特征在于，包括柔性衬底以及形成于所述柔性衬底上的键合层，所述键合层上结合有停止层，所述停止层上设置有InP HBT器件；
所述的柔性InP HBT器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在InP衬底上正向生长带有停止层的InP HBT外延结构；
步骤2，在带有停止层的InP外延片上完成器件及电路制备；
步骤3，在临时载片正面旋涂可逆临时键合材料；
步骤4，将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对进行临时键合；
步骤5，对InP衬底背面进行选择性去除直至停止层；
步骤6，在InP HBT外延层背面制作键合材料，形成键合层；
步骤7，将InP HBT外延层背面与柔性衬底进行键合；
步骤8，将InP HBT外延层与临时载片分离，得到柔性InP HBT器件；
步骤2中停止层材料为InGaAs或InGaP，InP HBT外延结构为InP/InGaAs/InP结构，步骤4中临时键合温度为100-350℃，压力为100Mpa-5000MPa，时间为5-30分钟，步骤7中所述的键合温度为RT-300℃，压力为1000Mpa-8000MPa，时间为10-180分钟。
2.根据权利要求1所述的柔性InP HBT器件，其特征在于，所述的柔性衬底包括柔性金属、聚酰亚胺、聚乙烯乙二醇或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述的键合层包括金属或聚合物。
3.根据权利要求1所述的柔性InP HBT器件，其特征在于，制备方法步骤3中所述临时载片为蓝宝石、硅片、碳化硅片或氮化铝片中的一种；所述可逆临时键合材料包括光刻胶、粘合剂或高温蜡类，通过光解、热解方式，可逆临时键合材料的粘结度将降低，使得无机半导体薄膜能够与临时载片分离。
4.根据权利要求1所述的柔性InP HBT器件，其特征在于，制备方法步骤5中对InP衬底背面进行选择性去除的方法包括机械研磨、机械抛光、化学抛光、湿法腐蚀或干法刻蚀中的任意一种或几种的结合。
5.根据权利要求1所述的柔性InP HBT器件，其特征在于，制备方法步骤6中所述的键合材料包括金属或聚合物。
6.根据权利要求1所述的柔性InP HBT器件，其特征在于，制备方法步骤8中，InP HBT外延层与临时载片分离的方法包括光解或热解方式。
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