一种垂直结构半导体器件的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直结构半导体器件的制造方法，包括以下步骤：1)在蓝宝石衬底表面上生长外延层，并将外延层进行单元区域划分；2)在单元区域内填充导电绝缘材料；3)分别在外延层和转移衬底上制备第一层粘合层和第二层粘合层，并将其粘合在一起；4)按照逆时针或顺时针方向，利用单光束或双光束激光辐照方式，由外向内直线渐进式扫描方式进行逐点扫描，实现蓝宝石衬底和外延层剥离；5)利用芯片工艺暴露出N型材料表面，并于制备电极和钝化保护层，最终完成器件制备。

【技术实现步骤摘要】
一种垂直结构半导体器件的制造方法
本专利技术属于半导体器件工艺领域，具体涉及一种垂直结构半导体器件的制造方法。
技术介绍
以III-N材料体系为基础的可见光和紫外波段发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)自20世纪60年代开始逐步实现红外、红光、绿光、蓝光、紫外波段高效发光，自此半导体照明技术获得快速发展，产品的发光效率获得了持续提升，开始取代传统照明方式成为市场主流技术，现阶段LED应用市场规模已达到数千亿元；同时III-N材料体系具有高电子迁移率和高击穿电场等特点，也是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。近年来用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新型器件，在部分应用领域已经取代硅基器件，因此III-N材料具有十分广阔的市场发展前景，尤其在垂直结构半导体器件领域中。III-N材料普遍采用蓝宝石材料作为外延衬底，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长得到外延结构层，但由于蓝宝石与III-N材料体系之间存在大的晶格失配和热失配，且材料自身导热性能和导电性能较差，严重影响了大功率LED的制作和发展。最常见的平面型器件是利用干法刻蚀将从P-GaN层刻蚀到N-GaN层以暴露出N型接触区，并将N型P型电极制作在芯片表面的同一侧。其电流从沿水平方向流过器件的功能区，由于电子横向注入是从一个电极出发到另一个电极，导致途中电流密度分布不均匀，产生电流拥堵效应同时也造成了发光不均匀，且热分布也不均匀，容易造成器件快速老化失效，从而限制了单颗LED芯片的尺寸以及器件的发光。采用垂直结构芯片技术可以解决以上技术瓶颈问题。垂直结构芯片将器件的两个电极放在外延薄膜的两侧，电流沿垂直方向流过器件，大幅度提升单芯片工作电流密度，可以制备大尺寸单颗芯片，同时彻底解决蓝宝石绝缘且散热不佳的问题。垂直结构芯片制造主要采用衬底转移技术，先在外延层上加工出芯片间的沟道，然后利用晶圆键合技术将转移衬底和外延片粘合在一起，然后从蓝宝石一侧利用准分子激光辐照外延层，利用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除，并将外延层转移到其他导电导热性能良好的衬底上。目前最为常见的激光剥离加工方式，是沿着水平或垂直方向往复连续递进式进行蓝宝石和外延层的剥离，这种方法工艺简单，对设备要求相对校对，但是激光辐照外延层界面时由于外延层吸收激光能量分解同时将产生较大的应力释放和高压氮气冲击，采用这种加工方式将会对其相邻区域未剥离的外延功能区带来严重的冲击影响，因此容易造成材料损伤，器件失效或器件漏电情况显著加剧，最终导致器件的工艺成品率和自身可靠性大幅度降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种垂直结构半导体器件的制造方法，该方法在完成外延层和转移衬底键合后，其激光剥离采用正方形或矩形激光光斑，按照由外向内直线型渐进式逐点扫描方式，实现蓝宝石衬底和外延片的分离，由于激光从被加工样品的外围开始进行扫描，剥离瞬间产生的高压氮气可以更有效地从已经被剥离的外围进行释放，因此可以大幅度降低激光剥离瞬间因高压氮气冲击和应力释放对其相邻器件的影响，且直线式移动方式相比圆型或弧线型螺线由外向内渐进方式，对设备移动和程序执行复杂程度的要求大幅度降低，同时正方形或矩形激光光斑相比圆形光斑更容易实现剥离区域的完整衔接或光斑重叠，还可以通过采用双光束加工方式从而实现缩短剥离工艺周期，采用该激光剥离工艺方法，可以有效提升器件良率，降低产品漏电情况，为其规模化生产提供更好的解决方案。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种垂直结构半导体器件的制造方法，包括以下步骤：1)在蓝宝石衬底表面上生长外延层，并于外延层上制备第一层粘合层，同时在转移衬底表面上制备第二层粘合层；2)利用晶圆粘合方法将第一层粘合层和第二层粘合层连接在一起，实现蓝宝石衬底上的外延层和转移衬底贴合；3)利用激光加工方法，将激光光斑从蓝宝石衬底一侧辐照被加工外延层，具体激光剥离方式为按照由外向内直线型渐进方式，并以微米级移动逐点扫描，外延层的最底层吸收激光能量发生分解从而使蓝宝石衬底和外延层分离开来，最终实现外延层完整的转移到转移衬底之上；4)利用干法刻蚀工艺将分离后的蓝宝石衬底表面刻蚀至N型重掺杂层，利用光刻、电子束蒸发、溅射工艺在N型重掺杂层上制备电极，利用CVD化学气相沉积技术在器件表面制备钝化保护层，完成垂直结构器件的制备。本专利技术进一步的改进在于，蓝宝石衬底的形状为圆形、正方形、长方形、三角形，或者其他不规则形状；其尺寸范围从1/4英寸到6英寸，其表面状况为镜面、纳米级/微米级凸起和坑洞中的一种或多种。本专利技术进一步的改进在于，外延层包括氮化铝和氮化镓材料体系中GaN、AlN、InGaN、AlGaN和AlInGaN的一种或多种，且在该外延层之上加工有单元区域之间的沟道，并在沟道间填充硬质或柔性导电绝缘层。本专利技术进一步的改进在于，沟道间的硬质或柔性导电绝缘层为氧化硅、氮化硅、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、环氧树脂和硅胶中的一种。本专利技术进一步的改进在于，第一层粘合层和第二层粘合层采用金属类铟、镍、钛、银、铝、金、铂和金锡中一种或多种制成，或者非金属柔性材料聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、环氧树脂和硅胶中一种或多种制成。本专利技术进一步的改进在于，晶圆粘合方法为金属共晶键合，低熔点金属熔融键合，聚合物加热固化粘合和紫外固化粘合方法中的一种或多种。本专利技术进一步的改进在于，激光光斑为正方形或矩形，边长尺寸在数十微米到数千微米之间可调，且光斑采用重叠辐照方式进行剥离。本专利技术进一步的改进在于，激光剥离采用直线型渐进方法按照顺时针或逆时针方向，沿正方形或矩形边长由外向内逐点扫描。本专利技术进一步的改进在于，激光加工光束采用单光束或双光束方式由外向内渐进式扫描；激光加工光斑微米级移动距离在数十至数千微米范围内可调。本专利技术进一步的改进在于，微米级移动通过激光光斑移动或载具移动来实现。本专利技术进一步的改进在于，干法刻蚀工艺为ICP感应耦合等离子刻蚀或RIE反应离子刻蚀技术中的一种。本专利技术进一步的改进在于，CVD化学气相沉积技术为PECVD等离子增强化学气相沉积、LPCVD低压化学气相沉积、APCVD常压化学气相沉积技术中的一种。本专利技术进一步的改进在于，钝化保护层为氧化硅或氮化硅中的一种。本专利技术具有如下的优点：相对于现有的水平或垂直往复式蓝宝石衬底激光剥离技术，本专利技术采用由外向内按照直线型渐进方式并以微米级移动进行逐点扫描来实现蓝宝石衬底的剥离。本专利技术的优点是充分利用现有设备工艺能力，减少对机台硬件进行改造和复杂的移动程序编制，可批量处理外延片，不仅降低了工艺复杂度，还通过采用由外向内的逐点扫描方式，大幅度降低了剥离瞬间界面处高压氮气冲击和应力释放两种影响可能造成的器件性能恶化，经过工艺验证，在现有的单光束激光剥离工艺条件下，其剥离工艺良率可提升10％以上，适合用规模化批量生产。附图说明图1a是本专利技术蓝宝石衬底及其外延层和第一层粘合层结构示意图，图1b是转移衬底及其表面上第二层粘合层结构示意图。图2是本专利技术蓝宝石之上外延层和转移衬底键合后的结构示意图。图3是具体实施例1中加工方法示意图。图4是具体实施例3中加工方法示意图。图中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直结构半导体器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在蓝宝石衬底(100)表面上生长外延层(101)，并于外延层(101)上制备第一层粘合层(102)，同时在转移衬底(200)表面上制备第二层粘合层(202)；2)利用晶圆粘合方法将第一层粘合层(102)和第二层粘合层(202)连接在一起，实现蓝宝石衬底(100)上的外延层(101)和转移衬底(200)贴合；3)利用激光加工方法，将激光光斑从蓝宝石衬底(100)一侧辐照被加工外延层(101)，具体激光剥离方式为按照由外向内直线型渐进方式，并以微米级移动逐点扫描，外延层(101)的最底层吸收激光能量发生分解，从而使蓝宝石衬底(100)和外延层(101)分离开来，最终实现外延层(101)完整的转移到转移衬底(200)之上；4)利用干法刻蚀工艺将分离后的蓝宝石衬底(100)表面刻蚀至N型重掺杂层，利用光刻、电子束蒸发、溅射工艺在N型重掺杂层上制备电极，利用CVD化学气相沉积技术在器件表面制备钝化保护层，完成垂直结构器件的制备。

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构半导体器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在蓝宝石衬底(100)表面上生长外延层(101)，并于外延层(101)上制备第一层粘合层(102)，同时在转移衬底(200)表面上制备第二层粘合层(202)；2)利用晶圆粘合方法将第一层粘合层(102)和第二层粘合层(202)连接在一起，实现蓝宝石衬底(100)上的外延层(101)和转移衬底(200)贴合；3)利用激光加工方法，将激光光斑从蓝宝石衬底(100)一侧辐照被加工外延层(101)，具体激光剥离方式为按照由外向内直线型渐进方式，并以微米级移动逐点扫描，外延层(101)的最底层吸收激光能量发生分解，从而使蓝宝石衬底(100)和外延层(101)分离开来，最终实现外延层(101)完整的转移到转移衬底(200)之上；4)利用干法刻蚀工艺将分离后的蓝宝石衬底(100)表面刻蚀至N型重掺杂层，利用光刻、电子束蒸发、溅射工艺在N型重掺杂层上制备电极，利用CVD化学气相沉积技术在器件表面制备钝化保护层，完成垂直结构器件的制备。2.根据权利要求1所述的一种垂直结构半导体器件的制造方法，其特征在于，蓝宝石衬底(100)的形状为圆形、正方形、长方形、三角形，或者其他不规则形状；其尺寸范围从1/4英寸到6英寸，其表面状况为镜面、纳米级/微米级凸起和坑洞中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种垂直结构半导体器件的制造方法，其特征在于，外延层(101)包括氮化铝和氮化镓材料体系中GaN、AlN、InGaN、AlGaN和AlInGaN的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：云峰，郭茂峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61