一种半导体外延层的转移方法与流程

本发明涉及半导体器件制造，特别是涉及一种半导体外延层的转移方法。

背景技术：

1、近年来，随着第五代移动通信（5g）、相控阵雷达、卫星通信、新能源汽车及智能电网等领域的快速发展，半导体器件正加速向高频、高压、高功率密度及高密度集成方向演进。传统的单一材料衬底一衬底材料已难以同时满足集成电路对高集成度、高速运算及高功率处理能力的综合需求。在此背景下，异质异构集成技术通过将成熟、精密且低成本的硅基集成电路与具备高频、高压及高效特性的化合物半导体器件（如gan器件等）集成于同一微系统中，能够充分发挥不同材料体系的性能优势，突破单一衬底材料在载流子迁移率、击穿电场、热导率等方面的固有限制，成为后摩尔时代集成电路发展的关键路径。

2、外延层转移技术作为实现异质异构集成的核心工艺之一。通常需要将已完成正面器件工艺的功能性晶圆通过临时键合方式固定于载板上，将器件晶圆减薄至十几微米乃至几微米的超薄厚度，随后将其剥离并转移至目标基板上，最终实现高性能异质集成。然而，针对微米级厚度的外延层，现有的外延层转移技术在应用中面临如下挑战，主要体现在以下几个方面：

3、首先，传统转移工艺多采用环氧胶、pmma等有机粘合层进行临时键合。在后续的固化、高温退火及最终剥离过程中，有机胶层会产生显著的热失配应力和机械剪切应力。对于厚度仅为微米量级的脆性化合物半导体材料，转移过程中的应力累积易导致外延层损伤，从而导致器件失效，工艺兼容性极差。

4、其次，有机粘合层在去胶剥离后，极易在外延层表面残留难以去除的聚合物杂质；若采用金属键合层，则面临金属原子在高温下向外延层扩散的风险。上述界面污染影响器件电学性能，严重制约了器件良率的提升。

5、再次，一方面，有机粘合层本身的总厚度变化（ttv）通常较大（≥5μm），且在高温键合过程中易发生流动变形，导致后续精密减薄及化学机械抛光工艺中晶圆受力不均，引发裂片风险，无法满足高精度集成工艺的要求。另一方面，现有粘片胶即使在常温下也表现出显著的弹性特征（弹性模量约为1gpa），缺乏足够的刚性支撑。这使得在外延层的减薄过程中，无法精确控制其最终厚度，导致厚度一致性差。

6、最后，部分先进的转移工艺步骤需要承受250℃以上的高温，而现有的有机粘片胶体系普遍难以耐受该热预算，易发生碳化或变性。此外，传统临时键合方案难以适配8英寸及以上大尺寸晶圆的均匀涂覆与应力控制需求，限制了其大规模的应用。

7、为此，针对微米级厚度的外延层转移，开发一种同时兼顾高刚性机械支撑、低应力键合、无残留无损剥离和高工艺兼容性的外延层转移技术，成为异质异构集成领域极为迫切的技术需求，对推动下一代高频、高压、高功率密度集成芯片的产业化发展具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半导体外延层的转移方法，用于解决现有的针对微米级厚度的外延层转移过程中存在的应力损伤、机械支撑不足、界面污染与残留以及有机粘合层总厚度变化大导致的外延层的转移良率低和工艺兼容性差的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半导体外延层的转移方法，包括如下步骤：

3、提供一支撑衬底，所述支撑衬底具有相对设置的第一面和第二面，于所述支撑衬底的第一面和第二面上形成第一介质层；

4、对所述支撑衬底进行深硅刻蚀形成硅通孔，并进行湿法腐蚀去除所述第一介质层形成多孔硅载板；

5、于所述多孔硅载板的两侧形成第二介质层，所述第二介质层填充所述硅通孔，并在所述多孔硅载板的表面上形成第三介质层；

6、提供一半导体外延结构，所述半导体外延结构至少包括衬底、外延层以及设置于所述外延层上的第四介质层；将所述第四介质层与所述第三介质层进行键合以形成第一临时键合结构；

7、对所述第一临时键合结构中所述半导体外延结构的所述衬底进行减薄处理，实现所述衬底的剥离，提供一晶圆器件，将所述第一临时键合结构与所述晶圆器件进行键合形成第二临时键合结构；

8、对所述第三介质层进行氢氟酸处理，让所述多孔硅载板与所述第二临时键合结构分离，实现所述半导体外延结构中所述外延层与所述晶圆结构的异质集成。

9、可选地，位于所述支撑衬底的第一面上的所述第一介质层的厚度为1.8~2.2μm，位于所述支撑衬底的第二面上的所述第一介质层的厚度为1.8~2.2μm，且在形成所述第一介质层之前，还包括对所述支撑衬底进行清洗处理的步骤。

10、可选地，形成所述硅通孔包括：于位于所述支撑衬底的第一面上的所述第一介质层的表面形成第一光刻胶层；对所述第一光刻胶层进行曝光和显影处理，在所述第一光刻胶层中形成矩阵排列的图案；所述图案显露出所述第一介质层，基于所述图案对所述第一介质层进行刻蚀以显露出所述支撑衬底，对显露出的所述支撑衬底进行深硅刻蚀、从而在所述支撑衬底中形成多个硅通孔。

11、可选地，所述硅通孔呈阵列分布且沿横向相邻的所述硅通孔之间的距离为5μm，沿竖向相邻的所述硅通孔之间的距离为4μm，所述硅通孔的尺寸大小为5μm*2μm。

12、可选地，在形成所述第二介质层后还包括对所述第二介质层的表面进行化学机械抛光平坦化，使得所述第二介质层的表面粗糙度＜1nm，在形成所述第三介质层后还包括对所述第二介质层的表面进行化学机械抛光平坦化，使得所述第三介质层的表面粗糙度＜1nm。

13、可选地，所述第二介质层的厚度至少为2μm，所述第二介质层的总厚度变化小于2μm，所述第三介质层的厚度为6000å，所述第三介质层的总厚度变化小于2μm。

14、可选地，所述第一介质层为氮化硅层、所述第二介质层为氧化硅层、所述第三介质层为氮化硅层、所述第四介质层为氧化硅层。

15、可选地，将所述第四介质层与所述第三介质层进行亲水性键合工艺以形成第一临时键合结构后还包括对形成的所述第一临时键合结构进行170℃，48小时的退火工艺处理的过程。

16、可选地，所述晶圆器件的表面形成有第五介质层，以使得所述第一临时键合结构与所述晶圆器件键合的方式为介质键合。

17、可选地，所述氢氟酸处理的方法包括使用氢氟酸溶液浸泡，且所述氢氟酸溶液的质量百分浓度为5%~20%；所述氢氟酸溶液处理时的温度为10~50℃，时间为10min。

18、如上所述，本发明的半导体外延层的转移方法，具有以下有益效果：通过对支撑衬底进行加工形成多孔硅载板，并在多孔硅载板上依次形成第二介质层和第三介质层，先将半导体外延结构与第三介质层进行亲水性键合形成第一临时键合结构，对半导体外延结构中的衬底进行减薄处理后，再将器件晶圆与第一临时键合结构的外延层进行键合形成第二临时键合结构，再腐蚀多孔硅载板，实现多孔硅载板的无外力释放，从而完成外延层转移，实现异质异构集成。区别于传统有机胶固化产生的热应力及机械剥离力，本发明在每个键合阶段均采用低温介质键合工艺，将退火温度严格控制在150°c以内，从而抑制热应力的产生；在多孔硅载板的剥离阶段，利用氢氟酸对第三介质层进行各向同性的钻蚀释放，使得转移过程应力趋近于零，其次，由于键合过程全采用不同的介质材料，杜绝了有机胶残留，保障了界面的极致洁净，且介质材料层还能够提供优异的机械支撑力，此外，介质键合工艺可以将键合层总厚度变化稳定控制在≤2μm，远优于传统有机胶的≥5μm水平，从而大幅降低了后续减薄与cmp过程中的裂片风险，且键合层优异的耐热性使其完美适配大尺寸晶圆的高温工艺需求，从而提高了其生产良率。