太赫兹GaAs肖特基二极管芯片衬底替换方法及异构芯片与流程

太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法及异构芯片
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法及基于该方法制备的异构芯片。


背景技术：

2.电磁频谱中0.1thz～10thz频率范围称为太赫兹(thz)频段，是宏观电子学向微观光子学过渡的频段。由于具有其他波段不具备的波长短、透过率高、带宽宽等独特性质，在安检成像、通信、生物医药、军事以及空间技术等领域具有重要的应用价值。thz技术是近年来迅速发展的一个新兴学科交叉和研究热点，在电子、信息、生命、国防、航天等方面蕴含着巨大应用前景，thz频带应用技术受到越来越广泛的关注。
3.thz二极管倍频/混频电路是利用二极管半导体器件非线性特性，倍频器利用其产生基波信号的谐波，提取相应阶次谐波，从而获得频率为基波频率倍数的射频源；混频器利用其进行频率搬移，进行滤波器选频，这些电路构成了太赫兹技术应用的基础。
4.经典的太赫兹电路，gaas肖特基二极管芯片通过导电银胶倒装焊粘在石英芯片上，石英电路再通过导电银胶粘在腔体内，这就构成一个经典的太赫兹电路(混合集成电路)应用模块。
5.这种传统的混合集成电路形式的太赫兹肖特基二极管的电路结构具有两个比较大的缺陷：随着太赫兹应用频率的提高，太赫兹二极管芯片的取片和操作工艺难度加大；二极管的gaas衬底随着频率提升，对太赫兹电路性能影响加大。为解决这些问题，出现了master(the method of adhesion by spin-on-dielectric temperature enhanced reflow)技术，其核心思想是将二极管芯片和外围电路制作在gaas晶圆衬底上，然后将衬底磨掉，用胶粘在石英基片上，形成石英衬底，本质是一种衬底替换。然后进行切片，形成石英衬底的电路。
6.这种技术其实为二极管芯片外延结构晶圆键合在石英基片上，进行衬底替换，其优点为降低了电路的寄生电容，提高了太赫兹电路的性能，其难点主要有两点：一是石英基片的减薄和加工，因为电路工作频率在太赫兹频段，频率高石英基片必须很薄，甚至到十几微米，对石英的减薄和加工都构成挑战；二是由于采用晶圆键合工艺，需要昂贵的晶圆键合设备，严苛工艺环境控制，以保证石英基板与gaas外延结构粘附性，具体工艺操作较难控制。


技术实现要素：

7.本发明实施例提供一种太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法及异构芯片，将高介电常数的gaas单晶衬底替换成低介电常数衬底，能够降低石英减薄制作的难度，降低肖特基二极管的寄生电容，提高肖特基二极管的截止频率，提高太赫兹电路制造的可重复性和电路仿真的准确性，同时，衬底直接用涂敷低介质液态材料代替代固态石英，省去了半导体与石英基片的晶圆键合工艺过程，提高小于10微米以下衬底厚度的控制的精确性。
8.为实现上述目的，第一方面，本发明采用的技术方案是：提供一种太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法，包括：
9.制备外延晶圆片；
10.在所述外延晶圆片上制作肖特基接触作为阳极，欧姆接触作为阴极；
11.在所述外延晶圆片正面粘接临时性磨片基板，以此作为临时性衬底，减薄所述外延晶圆片；
12.在减薄后的外延晶圆片背面涂敷预设厚度的低介质胶，形成低介电常数衬底；
13.在所述低介电常数衬底的表面粘接临时保护性基板；
14.以所述临时保护性基板作为临时衬底，去除外延晶圆片正面的所述临时性磨片基板；
15.阳极阴极隔离腐蚀；
16.一次固化所述低介电常数衬底；
17.去除所述低介电常数衬底表面的所述临时保护性基板；
18.二次固化所述低介电常数衬底，完成芯片的制作。
19.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低介质胶为sog涂敷玻璃胶，或bcb胶，或聚烯亚胺胶。
20.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低介质胶的厚度根据胶的粘稠度通过旋转的圈数确定，通过胶固化完成衬底替换。
21.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低介质胶的厚度为4-6微米。
22.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，固化所述低介电常数衬底，包括，将外延晶圆片放入氮气烘箱，固化t小时。
23.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述一次固化的温度为250℃-300℃，固化时间t为1.5-3小时。
24.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述二次固化的温度为300℃-350℃，固化时间t为1.5-3小时。
25.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，采用低温粘片粘接所述临时性磨片基板。
26.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，采用耐高温胶粘接所述临时保护性基板。
27.本发明提供的太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法，与现有技术相比，有益效果在于；(1)本发明以原芯片电路衬底作为基础，将芯片电路高介电常数的gaas单晶衬底替换为低介电常数衬底，构成太赫兹电路的低介质衬底结构，该低介电常数的衬底结构应用于太赫兹电路时，可以减少肖特基二极管的寄生电容，提高肖特基二极管的截止频率。
28.(2)由于二极管结构和其周围匹配和滤波电路皆为光刻制造，其结构尺寸偏差可以控制在1微米以内，提高了太赫兹电路制造的可重复性和电路仿真的准确性。
29.(3)同master技术相比，衬底直接涂敷液态低介质常数胶固化后形成，替代固态石英，省去了半导体与石英基片的晶圆键合工艺过程，同时对于小于10微米以下衬底厚度的控制更加精确。
30.本发明提供的衬底替换方法，直接能够制造小于10微米的衬底，无需对石英基片
减薄处理，且直接涂胶固化形成衬底，制作容易，工艺环境易于控制。
31.第二方面，本发明实施例还提供了一种异构芯片，采用所述的太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法制备。
附图说明
32.图1为本发明实施例提供的gaas常规外延结构的结构示意图；
33.图2为本发明实施例提供的外延晶圆片正面的肖特基二极管基本结构的结构示意图；
34.图3为本发明实施例提供的晶圆片衬底减薄去除后的结构示意图；
35.图4为本发明实施例提供的涂敷低介电胶的结构示意图；
36.图5为本发明实施例提供的在低介电胶表面设置临时保护性基板的结构示意图；
37.图6为本发明实施例提供的外延晶圆片正面临时保护衬底去除的结构示意图；
38.图7为本发明实施例提供的阳极阴极腐蚀隔离的结构示意图；
39.图8为本发明实施例提供的切割完成后的芯片的结构示意图；
40.附图标记说明：
41.1、gaas半绝缘单晶衬底；2、algaas腐蚀终止层；3、gaas层；4、n
+
gaas层；5、n-gaas层；6、阴极；7、阳极空气桥；8、阳极；9、临时性磨片基板；10、低介电常数衬底；11、临时保护性基板。
具体实施方式
42.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
43.本发明采用二极管芯片电路基本结构制作在gaas晶圆衬底上，然后将衬底磨掉，剩下二极管芯片和外围电路在一层极薄的gaas外延层上(厚度几微米)；采用一种液态的低介质胶，例如sog(spin-on-glass)涂敷玻璃胶，或bcb胶，或pmgi聚烯亚胺胶直接涂敷在gaas外延层上，其厚度根据胶的粘稠度及旋转的圈数确定，通过胶固化完成衬底替换。
44.本发明采用一种涂敷液态胶，通过旋转涂胶的方式涂在已去掉gaas衬底上的晶圆背面(其器件结构制作在晶圆正面)，通过旋转的圈数控制胶的厚度，达到要求的厚度后，通过加热，液态胶固化转化，从而实现太赫兹芯片电路的衬底替换。
45.本发明提供的太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法，具体实施例如下：
46.实施例一
47.请一并参阅图1至图8，现对本发明提供的太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法进行说明。所述太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法，包括以下步骤：
48.步骤一，晶圆片基本结构：采用gaas常规外延结构设计，如附图1。
49.本发明中采用常规的gaas外延结构制作gaas二极管器件，如图1所示，从下至上依次为：gaas半绝缘单晶衬底1，在其上面生长algaas腐蚀终止层2，厚度1000埃，在algaas终止层2上面生长n+gaas层4和n-gaas层5。上面所述半导体的生长方式采用常规的mbe技术或mocvd技术，制备半导体器件的外延晶圆片。
50.步骤二，肖特基二极管基本结构制作：采用常规技术在上面的外延晶圆片上制作gaas二极管基本结构，如阳极金属、阴极金属结构及阳极空气桥7，阳极结构为肖特基接触，采用ti/pt/au或pd/ti/au或者其他合理金属结构制备；阴极6结构为欧姆接触，采用augeni合金或者其他合理金属结构制备欧姆接触，如附图2所示。
51.步骤三，gaas半绝缘单晶衬底去除，如附图3：采用常规技术，将外延晶圆片正面粘在蓝宝石衬底之上进行减薄，粘片使用常用的低温蜡，蓝宝石衬底为临时性磨片基板9，作为临时性衬底。采用机械减薄和化学选择腐蚀减薄的方法，完成gaas半绝缘衬底彻底去除，同时去除algaas腐蚀终止层。
52.步骤四，低介电常数衬底10材料涂敷:采用涂胶设备，在上述已完成衬底去除的外延晶圆片上涂sog胶，胶厚5微米或5.5微米，如附图4。
53.步骤五，低介电常数衬底10的保护工艺，如附图5：将上述已完成衬底替换的外延晶圆片临时粘附在蓝宝石基片上，粘附胶采用耐高温胶，蓝宝石基片为临时保护性基板11。耐高温胶，选用适用于金属、陶瓷、玻璃、玻纤、石棉、石墨等耐高温材质自粘和互粘的耐高温胶。耐高温胶包括有机高温胶和无机高温胶两大类，选用适合粘接的胶即可。
54.步骤六，磨片的临时性衬底去除：采用常规方法，去除临时性磨片基板9，如附图6所示。
55.步骤七，阳极8及阴极6隔离腐蚀：清洗粘片蜡，然后采用常规半导体工艺，腐蚀隔离阳极8及阴极6，如附图7所示。
56.步骤八，sog胶一次固化：将上述得到的晶圆片放置于250℃的氮气烘箱内，进行2小时固化。温度还可以为260℃、280℃及300℃等不限，一次固化时间1.5小时、2小时、2.5小时不限。
57.步骤九，芯片切割：用半导体芯片常规工艺进行切割，切割深度大于5微米，然后使用有机溶剂去除临时保护性基板11，如附图8。
58.步骤十，sog胶二次固化，形成低介电常数衬底10：将上述晶圆片放置300℃氮气烘箱内，进行2小时固化，完成芯片制造。其中，二次固化的温度可以大于一次固化的温度。例如，可选260℃、280℃、300℃、350℃等不限，二次固化时间1.5小时、2小时、2.5小时不限，二次固化时间与一次固化可相同，亦可不同。
59.低介电常数衬底10采用液态胶涂敷固化形成为异构衬底，其厚度及及其他工艺参数可直接控制，无需对异构衬底减薄处理，直接涂胶固化形成，厚度易于控制。
60.实施例二
61.采用涂敷的pmgi聚烯亚胺胶实现衬底替换
62.与实施例一的不同之处在于步骤四：低介电常数的低介质胶材料涂敷:采用涂胶设备，在上述已完成衬底去除的晶圆片上涂上pmgi胶，胶厚5微米。
63.实施例三
64.采用涂敷的bcb胶实现衬底替换
65.与实施例一的不同之处在于步骤四：低介电常数衬底10材料涂敷:采用涂胶设备，在上述已完成衬底去除的晶圆片上涂上bcb胶，胶厚4.5微米。
66.本实施例提供的太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法，与现有技术相比，有益效果在于：
67.(1)本发明以原芯片电路衬底作为基础，将芯片电路高介电常数的gaas单晶衬底替换成低介电常数衬底，现太赫兹电路的低介质衬底结构，该低介电常数的衬底结构应用于太赫兹电路时，可以减少肖特基二极管的寄生电容，提高肖特基二极管的截止频率。
68.(2)由于二极管结构和其周围匹配和滤波电路皆为光刻制造，其结构尺寸偏差可以控制在1微米以内，提高了太赫兹电路制造的可重复性和电路仿真的准确性。
69.(3)同master技术相比，衬底直接用涂敷低介质材料替代固态石英，省去了半导体与石英基片的晶圆键合工艺过程，同时对于小于10微米以下衬底厚度的控制更加精确。
70.本发明提供的衬底替换方法，直接能够制备小于10微米的低介电常数衬底，无需对石英基片减薄处理，且直接涂胶固化形成衬底，制作容易，工艺环境易于控制。
71.基于同一发明构思，本技术实施例还提供一种异构芯片，采用所述的太赫兹gaas肖特基二极管芯片衬底替换方法制备。由于采用的涂敷低介质液态胶固化形成的薄膜异构衬底，替代固态石英，构成了不用于常规的异构芯片，制备的异构芯片结构尺寸偏差可以控制在1微米以内，提高了太赫兹电路制造的可重复性和电路仿真的准确性，可以减少肖特基二极管的寄生电容，提高肖特基二极管的截止频率。
72.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。