晶片鍵合技術(shù)和薄膜傳輸技術(shù)

引言

結(jié)合離子注入工藝、激光照射和去除犧牲層，晶片鍵合技術(shù)是將高質(zhì)量薄膜轉(zhuǎn)移到不同襯底上的最有效方法之一。本文系統(tǒng)地總結(jié)和介紹了蘇州華林科納的晶片鍵合技術(shù)在電子、光學(xué)器件、片上集成中紅外傳感器和可穿戴傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。依次介紹了基于智能剝離技術(shù)

工藝的絕緣體上硅(SOI)晶片的制作、寬帶隙半導(dǎo)體、紅外材料和電光晶體的異質(zhì)集成以及薄膜轉(zhuǎn)移的晶片鍵合技術(shù)。此外，本文還重點(diǎn)介紹了基于上述平臺(tái)的器件設(shè)計(jì)和制造進(jìn)展。他們證明，轉(zhuǎn)移的薄膜可以滿足高性能電力電子、分子傳感器和高速調(diào)制器在5G之外的下一代應(yīng)用。此外，還報(bào)道了通過(guò)晶片鍵合和去鍵合方法制備的柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)。最后，討論了需要通過(guò)晶片鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展的前景和結(jié)論。

關(guān)鍵詞:異構(gòu)集成；晶片鍵合；薄膜轉(zhuǎn)移；系統(tǒng)級(jí)封裝(SIp)；傳感器；5G；6G；光子學(xué)；電力電子；物聯(lián)網(wǎng)；物的人工智能(AIot)；可穿戴電子設(shè)備

介紹

目前，我們正處于通信技術(shù)創(chuàng)新的風(fēng)口浪尖。第五代(5G)通信技術(shù)和5G之外的替代通信技術(shù)的發(fā)展將影響世界各國(guó)的技術(shù)格局。通信技術(shù)的目標(biāo)是在數(shù)據(jù)速率、延遲、大規(guī)模連接、網(wǎng)絡(luò)可靠性和能效方面實(shí)現(xiàn)革命性的飛躍。因此，高數(shù)據(jù)傳輸要求迫使終端產(chǎn)品的性能迅速提高。5G時(shí)代的到來(lái)離不開針對(duì)電信基礎(chǔ)設(shè)施的射頻(RF)前端的發(fā)展，而RF前端的核心就是由壓電諧振器組成的濾波器。具有高機(jī)電耦合的壓電諧振器將改善射頻前端的性能，。增加帶寬，降低損耗。在使用各種結(jié)構(gòu)和壓電材料的壓電諧振器中，基于鈮酸鋰薄膜的壓電諧振器具有顯著高的機(jī)電耦合。然而，目前還不可能通過(guò)傳統(tǒng)的沉積工藝在襯底、絕緣體上制備鈮酸鋰薄膜。利用轉(zhuǎn)移技術(shù)來(lái)移動(dòng)一片體鈮酸鋰并結(jié)合到載體襯底上是最常見和最有效的方法。進(jìn)入5G時(shí)代和5G之外，在晶圓制造過(guò)程中集成在芯片上的多樣化組件和器件中，薄膜LiNbO3電光調(diào)制器在信息傳輸速度和帶寬調(diào)制方面顯示出突出的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)平臺(tái)的制作，晶圓鍵合為鈮酸鋰薄膜的片上異質(zhì)集成提供了有效的技術(shù)支持。通過(guò)在LNOI晶片上設(shè)計(jì)和制備高速調(diào)制器，這種想法已經(jīng)被證實(shí)是可行的，晶片使用晶片直接鍵合技術(shù)從塊狀鈮酸鋰晶體上剝離單晶薄膜來(lái)制造。這將有利于5G通信之外的下一代應(yīng)用。

討論

晶圓鍵合法制備硅基和鍺基絕緣體上薄膜

半導(dǎo)體是各種光子和電子元件的基礎(chǔ)。它們是器件設(shè)計(jì)和制造的基本平臺(tái)。硅基和鍺基材料是眾多半導(dǎo)體中最受歡迎的，因?yàn)樗鼈冊(cè)诔墒熘圃?、低成本和大?guī)模生產(chǎn)方面取得了進(jìn)展[30，31]。因此，大多數(shù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝的發(fā)展都依賴于它們。然而，用于有源和無(wú)源器件的器件層的厚度通常為納米或微米級(jí)。為了避免信號(hào)串?dāng)_或元件擴(kuò)散，插入阻擋層在相鄰器件層之間是不可或缺的。因此，迫切需要解決絕緣體上硅基薄膜的制備問(wèn)題。盡管這種薄膜可以通過(guò)濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等在特定的襯底上生長(zhǎng)，但是非晶或多晶晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于最大化優(yōu)異的材料性能是具有挑戰(zhàn)性的。已經(jīng)開發(fā)了結(jié)合離子注入的晶片鍵合方法(稱為智能切割技術(shù)[32，33])。這項(xiàng)技術(shù)使得將薄層從單晶施主襯底轉(zhuǎn)移到支撐晶片成為可能，克服了物理限制并改變了襯底工業(yè)的面貌。

絕緣體上硅的智能切割技術(shù)及其應(yīng)用

如今，大多數(shù)用于芯片制造的行業(yè)領(lǐng)先的絕緣體上硅(SOI)晶片都是由智能切割技術(shù)制造的。SOI制造的標(biāo)準(zhǔn)智能切割工藝如圖2a所示。首先對(duì)兩個(gè)清洗過(guò)的硅晶片進(jìn)行表面氧化。其中一個(gè)用作支撐襯底，用于薄膜施主晶片。然后，氫離子(H+)注入產(chǎn)生被破壞。植入光元件有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)注入施主晶片。轉(zhuǎn)移層可以設(shè)計(jì)成沒有缺陷。通過(guò)控制H+的注入能量，可以高精度地確定轉(zhuǎn)移層的厚度。在完成離子注入后，氧化的晶片通過(guò)活化結(jié)合方法結(jié)合在一起。然后，在鍵合對(duì)上執(zhí)行退火工藝。一方面，施主晶片將從氣泡層完全破裂，使得薄膜剝離并保留在支撐晶片上。另一方面，高溫處理將有利于增強(qiáng)薄膜與支撐襯底之間的結(jié)合界面。最后，化學(xué)機(jī)械拋光用于平整和平滑表面，以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。對(duì)于施主晶片，襯底可以在每次層轉(zhuǎn)移操作之后被刷新和重新使用。圖2顯示了制造的SOI晶片的橫截面圖像。透射電子顯微鏡可以觀察到?jīng)]有任何缺陷的致密而尖銳的界面，證明了智能切割技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。我們應(yīng)該注意到，晶片鍵合適用于幾種材料和很寬的溫度范圍，為在其他襯底上實(shí)現(xiàn)任何薄膜材料同時(shí)保持初始晶體學(xué)特性開辟了道路。例如，鍺是電子工業(yè)的另一種基本材料[35–39]。GeOI也是高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)必不可少的平臺(tái)?；谥悄芮懈罴夹g(shù)，單晶鍺薄膜可以轉(zhuǎn)移到其他襯底上。透射電鏡研究表明，鍵合界面是無(wú)空隙的，證實(shí)該工藝可應(yīng)用于硅材料以外的薄膜轉(zhuǎn)移。此外，Smart Cut技術(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體設(shè)備，允許不同尺寸的產(chǎn)品。頂部薄膜層和掩埋氧化物層的厚度也可以以相當(dāng)大的靈活性進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，在均勻性、結(jié)合界面和厚度可變性的精確控制方面的優(yōu)異質(zhì)量是其他方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這項(xiàng)技術(shù)也為傳感器、能量收集、柔性電子、光子學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)等新興領(lǐng)域提供了新的機(jī)遇。

寬帶隙半導(dǎo)體薄膜轉(zhuǎn)移及其在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用

氮化鎵(GaN)是應(yīng)用于無(wú)線通信和光通信的理想材料，因?yàn)樗梢栽诟吖β屎透哳l率下工作[91–93]。因此，氮化鎵與硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體襯底的異質(zhì)集成引起了廣泛關(guān)注[94]。然而，由于GaN和Si之間的顯著晶格失配，將兩種材料結(jié)合成一個(gè)系統(tǒng)是具有挑戰(zhàn)性的。最近，在(100)取向的硅襯底上直接外延生長(zhǎng)氮化鎵薄膜的報(bào)道。由于硅襯底的非對(duì)稱表面疇，生成的氮化鎵薄膜通常是多晶的，具有雙疇結(jié)構(gòu)。

用于高散熱的碳化硅或金剛石襯底上寬帶隙半導(dǎo)體薄膜轉(zhuǎn)移的異質(zhì)鍵合

雖然寬帶隙半導(dǎo)體和SiCMOS的異質(zhì)集成可以帶來(lái)許多好處，但GaN和Ga2O3的應(yīng)用主要是大功率或高頻電子器件，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的材料性能。然而，自加熱引起的高通道溫度通常會(huì)降低器件的性能和可靠性。最有效的方法之一是利用散熱基板及時(shí)散熱。SiC因其高導(dǎo)熱性和與GaN的小晶格失配而被用作GaN的散熱基板。不幸的是，熱邊界電導(dǎo)的存在

GaN和SiC之間的(TBC)限制了熱傳輸，在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了顯著的誤差。氮化鎵可以在氮化鋁中間層的輔助下生長(zhǎng)在碳化硅襯底上，這對(duì)生長(zhǎng)高質(zhì)量的氮化鎵薄膜至關(guān)重要。通常會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)密度等問(wèn)題，使得界面熱阻更加嚴(yán)重。除了分子束外延和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積，晶圓鍵合技術(shù)是制造異質(zhì)氮化鎵/碳化硅結(jié)構(gòu)的另一種可行方法。與薄膜生長(zhǎng)和沉積相比，晶片鍵合具有許多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)晶格失配不敏感、溫度低、晶片級(jí)等。

為了在氮化鎵和碳化硅之間實(shí)現(xiàn)可靠的鍵合，SAB方法被用于直接晶片鍵合[12]。與智能切割技術(shù)不同，激光剝離用于氮化鎵薄膜轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的示意圖如圖4a所示。氮化鎵生長(zhǎng)在藍(lán)寶石晶片上，用作施主襯底。氮化鎵/碳化硅鍵合后，248納米激光照射在鍵合的晶片對(duì)上，使氮化鎵和藍(lán)寶石分離。鍵合晶片對(duì)和轉(zhuǎn)移的氮化鎵薄膜的光學(xué)圖像分別顯示在圖4b和4c中。原子鍵合已經(jīng)被TEM證實(shí)，鍵合界面只有3 nm，如圖4d所示。這表明通過(guò)結(jié)合激光剝離工藝的SAB方法可以獲得高質(zhì)量的氮化鎵/碳化硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。金剛石是熱管理的另一種流行基底[120]。氮化鎵薄膜也可以通過(guò)鍵合方法轉(zhuǎn)移到金剛石襯底上[11]。代替無(wú)中間體的SAB方法，納米尺度的無(wú)定形硅層被用于GaN/金剛石結(jié)合。在表面活化之前，硅被濺射到氮化鎵和金剛石襯底上。隨后的工藝與將氮化鎵薄膜轉(zhuǎn)移到碳化硅晶片上的工藝相同。

結(jié)論

基于薄壓電帶的柔性機(jī)械能采集器的最終分解圖和俯視圖如圖5a所示。制造甲基汞復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖如圖5b所示。首先，通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兼容工藝將具有金屬電極的復(fù)合壓電陶瓷沉積在硅上二氧化硅晶片上。器件結(jié)構(gòu)也同時(shí)轉(zhuǎn)移。其次，在晶圓表面旋涂光刻膠，防止器件結(jié)構(gòu)被后續(xù)的氫氟酸溶液腐蝕。浸沒處理后，沉積的具有光致抗蝕劑保護(hù)的PZT薄膜將與硅上二氧化硅晶片分離。最后，功能薄膜將被PDMS壓印到植入式電子設(shè)備的聚酰亞胺基底上?；谶@一過(guò)程和復(fù)合結(jié)構(gòu)，已經(jīng)提出了能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的機(jī)械-電能轉(zhuǎn)換的可植入裝置。器件參數(shù)和結(jié)構(gòu)如圖5c所示。在彎曲處理的激勵(lì)下，壓電薄膜會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)變形的電信號(hào)。圖5d和5e分別給出了在平坦和彎曲條件下夾持在彎曲臺(tái)上的壓電陶瓷的光學(xué)圖像。由于聚酰亞胺具有良好的生物相容性，這種裝置可用于生物體中的自供電植入裝置[146]。圖5f–h顯示了右心室、左心室和牛心臟自由壁上的壓電陶瓷的照片。不同的監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同的信號(hào)輸出。它證明了PZT薄膜轉(zhuǎn)移的有效性和依靠這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的生物相容性電子的可行性。

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