CN104465373A - 在硅片上制作氮化镓高电子迁移率晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是在（100）晶面的硅片上制作氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，包括：1）用MOCVD在（111）晶面的硅片上外延生长氮化镓高电子迁移率晶体管的外延层材料；2）进行氮化镓高电子迁移率晶体管的工艺制作；3）旋涂光刻胶保护器件结构，并将圆片临时键合到载片上；4）腐蚀；5）在露出来的氮化镓外延层上旋涂BCB；6）自然冷却并放入键合机中进行热压键合；7）去掉临时载片，并将圆片正面进行彻底清洗。本发明优点：可以实现在Si（100）面上的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备，工艺简单、成品率高，摆脱了由于晶格失配难以直接在Si（100）面上外延生长氮化镓高电子迁移率晶体管外延层材料的困境。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种在Si（100）晶面的硅片上制作氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，属于半导体工艺技术领域。
背景技术
氮化镓作为第三代半导体材料具有较宽的禁带宽度以及较大的电子饱和速度等优异的特性，因此采用氮化镓材料制作的高电子迁移率晶体管具有高速度、高功率等特点。氮化镓材料主要通过异质外延生长的方法获得，采用价格昂贵的碳化硅等作为外延衬底，成本较高，限制了氮化镓材料的发展。而基于硅（Si）衬底的氮化镓外延材料则具有成本低、尺寸大等优势，因此备受国内外学者的关注。
此外，对于成熟的硅集成电路来说，所用的硅衬底材料均为Si（100）面，如果也可以在Si（100）面上实现氮化镓器件的制备，则能够将氮化镓器件与成熟的硅器件集成在同一圆片上，充分发挥两者各自的性能优势，实现任何单一技术不可能实现的性能和功能，具有重大意义。
但是受到材料本身晶格常数的限制，目前的硅基氮化镓材料还只能在Si（111）面上实现异质外延生长，而对于Si（100）面等与氮化镓外延膜之间存在严重晶格失配的衬底材料上，异质外延生长的氮化镓材料具有很高的位错密度，质量较差。
针对这一问题，研究人员一般采用先插入过渡层再进行氮化镓材料异质外延的方法，但仍然无法消除晶格严重失配对材料质量造成的巨大影响，导致器件性能严重退化。在这方面目前并没有很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对目前异质外延等方法无法实现在Si（100）面制作氮化镓高电子迁移率晶体管的问题，提出一种利用外延转移来实现基于Si（100）晶面硅衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备的新方法，能够突破不同材料晶格常数失配的固有限制，保证氮化镓外延层的质量和器件的高性能。
本发明的技术解决方案：在Si（100）晶面的硅片上制作氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征是包括以下步骤：
1）用MOCVD在Si（111）晶面的硅片上外延生长氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）的外延层材料；
2）在上述Si（111）衬底的外延圆片上进行氮化镓高电子迁移率晶体管的工艺制作；
3）在氮化镓高电子迁移率晶体管圆片正面旋涂光刻胶保护器件结构，并将圆片临时键合到载片上；
4）将键合后的圆片置于腐蚀溶液中进行腐蚀，腐蚀时间由硅衬底的厚度决定，直到将硅材料全部腐蚀干净，只剩下氮化镓外延材料和高电子迁移率晶体管结构；
5）在露出来的氮化镓外延层上旋涂BCB，转速1000rpm-5000rpm，时间为30秒，并在温度为100摄氏度的热板上烘烤2~5分钟；
6）自然冷却后，将临时载片上的氮化镓高电子迁移率晶体管和Si（100）晶面的硅衬底正面相对，放入键合机中进行热压键合；
7）键合完成后，去掉临时载片，并将圆片正面进行彻底清洗。
所述在Si（111）晶面的硅衬底上进行氮化镓外延材料的生长并完成高电子迁移率晶体管的制备，再利用类似外延层转移的方法将氮化镓高电子迁移率晶体管转移到Si（100）晶面的硅衬底上，即采用临时衬底作为承接载体，将氮化镓高电子迁移率晶体管外延片键合到临时衬底上，然后去除Si（111）晶面的硅衬底材料，再在临时衬底的支撑下将氮化镓高电子迁移率晶体管键合到Si（100）晶面硅衬底上；最后去除临时衬底。
本发明的优点：
①可以摆脱半导体材料晶格失配等固有限制，在Si（100）面上实现氮化镓高迁移率晶体管的制作；
②利用临时衬底作为载体，支撑超薄的氮化镓外延层，使其在转移过程中不易发生起皱、断裂等形变。
本发明最大的特点在于首先在其他衬底上进行氮化镓高电子迁移率晶体管的工艺制作，然后用外延层转移的方法来实现氮化镓器件与Si（100）衬底的集成，与传统的异质外延生长相比，打破了半导体材料本身的固有限制，保证了外延层材料的较高质量。而且工艺相对简单，与现有硅基氮化镓器件制作工艺兼容性非常好。
附图说明
图1是在Si（111）面上生长GaN HEMT外延材料的示意图。
图2是在Si（111）面上制作GaN HEMT器件的示意图。
图3是GaN HEMT圆片正面旋涂光刻胶的示意图。
图4是GaN HEMT圆片正面和临时载片键合的示意图。
图5是将圆片上的Si（111）面硅衬底去除的示意图。
图6是在临时载片支撑下的氮化镓外延层上旋涂BCB的示意图。
图7是临时载片支撑下的GaN HEMT与Si（100）面Si衬底键合的示意图。
图8是将临时衬底和光刻胶去除的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。
①利用金属有机化学气相淀积（MOCVD）在Si（111）面上生长氮化镓高电子迁移率晶体管的外延层材料，如图1所示。
②在Si（111）衬底上采用常规工艺进行GaN HEMT器件的制备，主要包括器件源极、栅极、漏极三个电极的制作，如图2所示。
③在GaN HEMT上涂敷光刻胶：在GaN HEMT的正面滴适量的光刻胶，根据不同厚度（2-4um）需要用1000-5000转/秒的速率进行旋涂，旋涂时间不少于30秒钟，将涂好光刻胶的砷化镓外延片正面朝上放在热板上进行预烘烤，热板温度在110摄氏度左右，时间2~5分钟，如图3所示。
④通过光刻胶将GaN HEMT圆片粘贴到临时载片上：将GaN HEMT圆片的正面和临时载片的正面相对叠在一起，利用键合机进行圆片键合，键合力应不低于4000N，键合时间1小时，如图4所示。
⑤配置腐蚀硅衬底的腐蚀溶液：在常温下，将浓度为≥40%的分析纯氢氟酸(HF)溶液、浓度为65-68%的分析纯硝酸(HNO3)溶液与去离子水按体积比HF: HNO3: H2O =1：（1 ～3）:（5～10）按HF、HNO3、去离子水顺序混合制成刻蚀溶液。
⑥腐蚀Si（111）衬底：将键合好的圆片样品浸没在上述腐蚀溶液中，轻微晃动样品，待Si（111）衬底全部腐蚀干净露出氮化镓外延层以后用去离子水冲洗，并用氮气(N2)吹干；如图5所示。
⑦旋涂BCB：在露出的氮化镓外延层上每英寸滴5毫升的BCB，根据不同厚度（2-4um ）需要用1000-5000转/秒的速率进行旋涂，旋涂时间不少于30秒钟，然后正面朝上放在热板上进行预烘烤，热板温度在100摄氏度左右，时间2~5分钟，如图6所示。
⑧与Si（100）衬底键合：将氮化镓圆片涂过BCB的一面与Si（100）衬底的正面相对叠在一起，利用键合机进行圆片键合。键合温度为250摄氏度，键合时间1小时，如图7所示。
⑨去除临时衬底：将键合完成的圆片浸泡在丙酮中，液面应全部没过圆片，待光刻胶被丙酮全部溶解后，Si（100）衬底的GaN HEMT圆片与临时载片将自动分离，将其小心托起用去离子水冲洗干净，并用氮气（N2）吹干即可。如图8所示。
实施例
①将Si（111）衬底彻底清洗，然后利用金属有机化学气相淀积（MOCVD）在Si（111）面上生长氮化镓高电子迁移率晶体管的外延层材料；
②在上述硅基氮化镓圆片上进行GaN HEMT器件的半导体工艺制作；
③正面旋涂光刻胶，转速为2000转/秒，加速度为2000转/秒，旋涂时间为90秒；将涂好光刻胶的GaN HEMT圆片正面朝上放热板上，热板温度为110摄氏度，烘片时间2分钟；
④将GaN HEMT圆片从热板上取出和玻璃片正面相对叠在一起，用夹具固定好放入键合机进行键合，键合力为4000N，键合时间为60分钟，通过光刻胶将GaN HEMT键合到临时载片上；
⑤用量筒分别取100ml分析纯氢氟酸(HF)溶液、250ml分析纯硝酸(HNO3)溶液，按HF、HNO3顺序倒入2000ml去离子水中混合制成腐蚀液；
⑥将键合好的圆片浸没在腐蚀液中，轻轻晃动，Si（111）衬底材料被完全腐蚀掉以后将圆片取出，用去离子水冲洗干净，并用氮气（N2）吹干；
⑦在玻璃片支撑下的氮化镓外延层上每英寸滴5毫升的BCB，旋涂BCB，转速为2000转/秒，加速度为2000转/秒，旋涂时间为90秒。涂好后正面朝上放在热板上，热板温度为100摄氏度，烘片时间2分钟；
⑧将氮化镓外延层和Si（100）衬底正面相对叠在一起，用夹具固定好放入键合机进行键合，键合温度为250摄氏度，键合时间为60分钟；
⑨将键合完的圆片浸泡在丙酮中，液面应全部没过圆片，待光刻胶被丙酮全部溶解后玻璃片将自动分离，将Si（100）衬底的GaN HEMT圆片取出，用去离子水冲洗干净，并用氮气（N2）吹干。
经过以上步骤，就实现了在（100）晶面的硅片上氮化镓高电子迁移率晶体管的制备。
本发明为涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.在Si（100）晶面的硅片上制作氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征是包括以下步骤：
1）用MOCVD在Si（111）晶面的硅片上外延生长氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）的外延层材料；
2）在上述Si（111）衬底的外延圆片上进行氮化镓高电子迁移率晶体管的工艺制作；
3）在氮化镓高电子迁移率晶体管圆片正面旋涂光刻胶保护器件结构，并将圆片临时键合到载片上；
4）将键合后的圆片置于腐蚀溶液中进行腐蚀，腐蚀时间由硅衬底的厚度决定，直到将硅材料全部腐蚀干净，只剩下氮化镓外延材料和高电子迁移率晶体管结构；
5）在露出来的氮化镓外延层上旋涂BCB，转速1000rpm-5000rpm，时间为30秒，并在温度为100摄氏度的热板上烘烤2~5分钟；
6）自然冷却后，将临时载片上的氮化镓高电子迁移率晶体管和Si（100）晶面的硅衬底正面相对，放入键合机中进行热压键合；
7）键合完成后，去掉临时载片，并将圆片正面进行彻底清洗。
2.根据权利要求1所述的在Si（100）晶面的硅片上制作氮化镓高电子迁移率晶体管的方法，其特征是所述在Si（111）晶面的硅衬底上进行氮化镓外延材料的生长并完成高电子迁移率晶体管的制备，再利用类似外延层转移的方法将氮化镓高电子迁移率晶体管转移到（100）晶面的硅衬底上，即采用临时衬底作为承接载体，将氮化镓高电子迁移率晶体管外延片键合到临时衬底上，然后去除Si（111）晶面的硅衬底材料，再在临时衬底的支撑下将氮化镓高电子迁移率晶体管键合到Si（100）晶面硅衬底上；最后去除临时衬底。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150325 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |