Ga功率IC与SiCMOS驱动异质集成芯片的制备方法与流程
gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，特别涉及异质集成芯片的制备方法。
背景技术：
2.由于algan/gan异质结间存在极强的极化效应，能够形成极高迁移率和载流子浓度的二维电子气(2deg)。gan基功率ic利用algan/gan异质结2deg工作，器件具有导通电阻小、开关速度快的优点，使得器件的通态损耗和开关大大降低。因此gan功率ic非常适合应用于高频、高功率、高压的电子电力器件，在新能源汽车、电力、光伏、led等领域有上百亿美元的应用前景。
3.由于gan工艺的集成度较低，为了满足gan功率ic的安全正常工作要求，通常需要在gan功率ic旁配置一个功能相对复杂、集成度较高的si cmos驱动电路，例如由si cmos构成的数字电源控制器可以保障高频运行下的gan器件能够实时地对输出电压的变化做出响应。目前gan和si cmos驱动这两种不同工艺体系下的电路采用的是金丝键合的方式组合，互联金丝长度较长，导致集成芯片额外寄生较大，传输损耗较高，影响集成芯片性能。近年来新采用的基于微球(bump)芯片键合的工艺，可以一定程度上减小互联长度，但是通过几个微球堆叠而成的集成芯片，会对使用可靠性带来一定的挑战。
技术实现要素：
4.本发明提出一种gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其目的是为了解决，现有通常采用的分立结构导致额外寄生传输损耗较大，且总体积较大的问题。为此，本发明采用的技术方案如下：
5.一种gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，包括以下步骤：
6.设计gan功率ic电路，流片得到gan功率ic晶圆；
7.设计si cmos驱动电路，流片得到si cmos晶圆；
8.在gan功率ic晶圆正面旋涂粘附剂，将gan功率ic晶圆正面与临时载片正面相对进行临时键合；
9.将与临时载片键合的gan功率ic晶圆的衬底减薄，将与临时载片键合的gan功率ic晶圆的剩余衬底去除；
10.在si cmos晶圆正面旋涂永久键合材料；
11.将去除si衬底后的gan功率ic背面与si cmos正面进行永久键合；
12.将gan功率ic背面与si cmos键合结构中的临时载片分离出来，并对分离后的键合结构进行清洗；
13.在清洗后的gan功率ic与si cmos键合结构上方制备微带线，将信号端口进行互联，得到由gan功率ic与si cmos驱动电路组成的异质集成芯片。
14.进一步地，所述gan功率ic电路的衬底材料包括但不限于si基gan、sic基gan、gan基gan或蓝宝石基gan中的一种，所述gan功率ic中的gan器件结构包括但不限于垂直导通型
或平面导通型中的一种。
15.进一步地，所述si cmos驱动电路的衬底材料为si或soi，衬底厚度为300μm-700μm；驱动电路的尺寸为100μm-10cm。
16.进一步地，所述粘附剂包括但不限于光刻胶、高温蜡类或bcb聚合物中的一种；所述临时载片包括但不限于蓝膜、蓝宝石、硅片、碳化硅片或氮化铝片中的一种；所述临时键合的温度为80-350℃，压力为50mpa—5000mpa，时间为5-60分钟。
17.进一步地，所述将与临时载片键合的gan功率ic晶圆的衬底减薄的方式为机械研磨、机械抛光、化学抛光中的任意一种或多种，减薄后的剩余衬底厚度不小于1μm，且不大于100μm；所述将与临时载片键合的gan功率ic晶圆的剩余衬底去除的方式为湿法腐蚀或干法刻蚀中的任意一种或多种。
18.进一步地，所述永久键合材料为聚合物或金属焊料中的一种；所述聚合物包括但不限于bcb或pi，所述金属焊料包括但不限于金锡或金铟；所述永久键合材料的厚度为20nm至20μm；所述永久键合的方式包括共晶键合、热压键合、活化键合和直接键合中的一种，键合温度为100℃至400℃，键合时间为1分钟至3小时，键合压力为10n至20000n。
19.进一步地，将gan功率ic背面与si cmos键合结构中的临时载片分离的方法包括但不限于热解、光解和气解。
20.进一步地，所述微带线的材质包括但不限于金、铜、铝中的一种，微带线厚度为100nm至5μm。
21.本发明的有益效果：
22.本发明将厚度不足10μm的gan功率ic功能薄层集成到si cmos驱动电路晶圆上并进行集成，构建gan基功率ic与si cmos异质集成芯片。集成芯片厚度与分立的gan芯片和si cmos芯片基本相同。同时通过微电子工艺中的微带线工艺实现信号的互联，将gan功率ic与si cmos之间的互联长度缩短至数十微米，仅为传统键合线长度的5％。在显著降低集成芯片面积的前提下，减小额外寄生和传输损耗，实现综合性能提升。
附图说明
23.图1是在gan表面制备gan功率ic电路示意图；
24.图2是soi顶层硅表面制备si cmos驱动电路示意图；
25.图3是在gan功率ic正面旋涂粘附剂，并将其与临时载片正面相对临时键合示意图；
26.图4是将与临时载片键合的gan功率ic的衬底减薄示意图；
27.图5是将与临时载片键合的gan功率ic芯片剩余衬底去除示意图；
28.图6是在si cmos晶圆正面旋涂永久键合材料示意图；
29.图7是将去除衬底gan功率ic背面和si cmos驱动正面进行永久键合示意图；
30.图8是将临时载片与gan功率ic和si cmos驱动电路的键合结构进行分离并清洗示意图；
31.图9是最终得到的gan功率ic与si cmos驱动电路薄膜组成的异质集成芯片示意图。
32.图中标号：1是gan功率管芯；2是gan外延缓冲层；3是gan外延衬底；4是si cmos电
路有源层；5是si cmos电路衬底；6是临时键合粘附剂；7是临时载片；8是永久键合材料；9是空气桥。
具体实施方式
33.下面结合附图进一步描述本发明的技术方案。
34.一种gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，包括以下步骤：
35.①
设计gan功率ic电路，流片得到gan功率ic晶圆：其中gan功率ic衬底材料包括但不限于si基gan、sic基gan、gan基gan或蓝宝石基gan中的一种，所述gan功率ic中的gan器件结构包括但不限于垂直导通型或平面导通型中的一种，如图1所示。
36.②
设计si cmos驱动电路，流片得到si cmos晶圆，其中si cmos驱动电路衬底材料为soi或si，衬底厚度为300μm-700μm；驱动电路的尺寸为100μm-10cm，如图2所示。
37.③
在gan功率ic正面旋涂粘附剂：其中粘附剂包括但不限于光刻胶、高温蜡类或bcb等聚合物中的一种，如图3所示。
38.④
将gan功率ic正面与临时载片正面相对进行临时键合：其中临时载片包括但不限于蓝膜、蓝宝石、硅片、碳化硅片或氮化铝片中的一种，临时键合温度为80-350℃，压力为50mpa—5000mpa，时间为5-60分钟，如图3所示。
39.⑤
将与临时载片键合的gan功率ic的衬底减薄：其中衬底减薄方法为机械研磨、机械抛光、化学抛光中的任意一种或多种，减薄后的剩余厚度不小于1μm，且不大于100μm，如图4所示。
40.⑥
将与临时载片键合的gan功率ic的剩余衬底去除：其中剩余衬底去除方法为湿法腐蚀或干法刻蚀中的任意一种或多种，如图5所示。
41.⑦
在si cmos晶圆正面旋涂永久键合材料：其中永久键合材料为bcb(苯并环丁烯)或pi(聚酰亚胺)等聚合物或金锡、金铟等金属焊料中的一种；永久键合材料的厚度为20nm至20μm，如图6所示。
42.⑧
将去除衬底后的gan功率ic背面和si cmos驱动正面进行永久键合：其中永久键合方式包括共晶键合、热压键合、活化键合和直接键合等方式中的一种，键合温度为100℃至400℃，键合时间为1分钟至3小时，键合压力为10n至20000n，如图7所示。
43.⑨
将临时载片与gan功率ic和si cmos驱动电路的键合结构进行分离，并清洗：其中分离方法包括但不限于热解、光解和气解等方式，例如可将临时载片、键合的gan功率ic薄膜与si cmos驱动衬底构成的临时键合结构正面朝上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临时载片与衬底进行分离，并用去胶剂、丙酮、酒精清洗，然后采用砂轮和激光等方式进行划片，如图8所示。
44.⑩
在gan功率ic与si cmos键合结构上方制备微带线，将信号端口进行互联：其中微带线金属包括但不限于金、铜、铝中的一种，例如可以通过电镀方式在表面制备金属空气桥微带线，微带线厚度为100nm至5μm，如图9所示。
45.得到由gan功率ic与si cmos驱动电路组成的异质集成芯片，如图9所示。
46.实施例1
47.①
在(111)晶向的si基gan晶圆上制备出平面导通型gan hemt功率管，gan hemt器件层和布线层组成的功能层总厚度约6μm。
48.②
在总厚度725μm的(100)晶向soi晶圆上制备出尺寸2*2mm的si cmos驱动电路。
49.③
在si基gan晶圆正面旋涂约15μm厚的高温蜡，旋涂转速为2500转/分钟，旋涂时间为60s，预烘烤温度为150℃，时间为2分钟。
50.④
将si基gan晶圆正面与碳化硅载片正面相对贴合在一起，放入粘片机进行临时键合，键合工艺参数为温度190℃，键合时间15分钟，键合压力500mpa。
51.⑤
通过机械研磨将si基gan晶圆的衬底si从背面研磨减薄至50μm；
52.⑥
通过氟基气体将si基gan晶圆剩余的50μm si衬底全部刻蚀，直到暴露出algan层停止。
53.⑦
在si cmos晶圆正面旋涂bcb作为永久键合材料，其中bcb厚度约1μm，bcb旋涂转速约1500转。
54.⑧
将去除衬底si的si基gan晶圆背面和si cmos驱动晶圆正面相对，放入键合机进行永久键合，键合工艺参数为温度250℃，键合时间30分钟，键合压力800mpa。
55.⑨
将临时载片、键合的gan功率ic薄膜与si cmos驱动晶圆构成的临时键合结构正面朝上放置在加热台上进行加热，加热温度为250℃，通过热滑动剥离法将临时载片与碳化硅衬底进行分离，并用去胶剂、丙酮、酒精清洗。
56.⑩
在gan功率ic与si cmos键合结构上方，通过电镀方式在表面制备约3μm厚的微带线空气桥，将gan功率ic与si cmos进行互联，得到由gan功率ic与si cmos驱动电路组成的异质集成芯片。
57.经过以上步骤，就实现了gan功率ic与si cmos驱动电路组成的异质集成芯片的制备方法。
58.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。
技术特征：
1.一种gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：设计gan功率ic电路，流片得到gan功率ic晶圆；设计si cmos驱动电路，流片得到si cmos晶圆；在gan功率ic晶圆正面旋涂粘附剂，将gan功率ic晶圆正面与临时载片正面相对进行临时键合；将与临时载片键合的gan功率ic晶圆的衬底减薄，将与临时载片键合的gan功率ic晶圆的剩余衬底去除；在si cmos晶圆正面旋涂永久键合材料；将去除si衬底后的gan功率ic背面与si cmos正面进行永久键合；将gan功率ic背面与si cmos键合结构中的临时载片分离出来，并对分离后的键合结构进行清洗；在清洗后的gan功率ic与si cmos键合结构上方制备微带线，将信号端口进行互联，得到由gan功率ic与si cmos驱动电路组成的异质集成芯片。2.根据权利要求1所述gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其特征在于，所述gan功率ic电路的衬底材料包括但不限于si基gan、sic基gan、gan基gan或蓝宝石基gan中的一种，所述gan功率ic中的gan器件结构包括但不限于垂直导通型或平面导通型中的一种。3.根据权利要求1所述gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其特征在于，所述si cmos驱动电路的衬底材料为si或soi，衬底厚度为300μm-700μm；驱动电路的尺寸为100μm-10cm。4.根据权利要求1所述gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其特征在于，所述粘附剂包括但不限于光刻胶、高温蜡类或bcb聚合物中的一种；所述临时载片包括但不限于蓝膜、蓝宝石、硅片、碳化硅片或氮化铝片中的一种；所述临时键合的温度为80-350℃，压力为50mpa—5000mpa，时间为5-60分钟。5.根据权利要求1所述gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其特征在于，所述将与临时载片键合的gan功率ic晶圆的衬底减薄的方式为机械研磨、机械抛光、化学抛光中的任意一种或多种，减薄后的剩余衬底厚度不小于1μm，且不大于100μm；所述将与临时载片键合的gan功率ic晶圆的剩余衬底去除的方式为湿法腐蚀或干法刻蚀中的任意一种或多种。6.根据权利要求1所述gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其特征在于，所述永久键合材料为聚合物或金属焊料中的一种；所述聚合物包括但不限于bcb或pi，所述金属焊料包括但不限于金锡或金铟；所述永久键合材料的厚度为20nm至20μm；所述永久键合的方式包括共晶键合、热压键合、活化键合和直接键合中的一种，键合温度为100℃至400℃，键合时间为1分钟至3小时，键合压力为10n至20000n。7.根据权利要求1所述gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其特征在于，将gan功率ic背面与si cmos键合结构中的临时载片分离的方法包括但不限于热解、光解和气解。8.根据权利要求1所述gan功率ic与si cmos驱动异质集成芯片的制备方法，其特征在
于，所述微带线的材质包括但不限于金、铜、铝中的一种，微带线厚度为100nm至5μm。
技术总结
本发明公开了一种Ga功率IC与SiCMOS驱动异质集成芯片的制备方法，将Ga功率IC功能薄层与SiCMOS驱动衬底进行集成，通过微电子工艺中的微带线工艺实现信号的互联，构建Ga基功率IC与SiCMOS驱动异质集成芯片，在显著降低集成芯片面积的前提下，减小额外寄生和传输损耗，实现综合性能提升。实现综合性能提升。实现综合性能提升。
