CN104538304A - 倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，包括：在蓝宝石衬底上依次外延生长低温成核层、氮化镓高阻层、高迁移率氮化镓层、氮化铝插入层、铝镓氮势垒层和氮化镓帽层，形成外延片；浸泡、清洗；在台面和氮化镓帽层上制作金属层；制作两个窗口，在窗口内制作绝缘的Si3N4钝化膜，之两个窗口之间形成栅极的肖特基接触电极；将蓝宝石衬底减薄；制备源、漏欧姆接触电极相对应的倒装焊金属焊料层及倒装焊金属焊料层；制作源、漏的电极引线和栅极的电极引线；将管芯倒装焊到支撑体上；在管芯的表面蒸镀Si3N4保护层，完成制备。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是指在蓝宝石衬底上外延生长的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法。该方法采用倒装焊的方法，把外延在蓝宝石衬底上氮化镓基高电子迁移率晶体管固定到硅、氮化铝陶瓷等导热性能好的绝缘基板上。
背景技术
微波晶体管的主要器件类型有同质结双极型晶体管(BJT)、异质结双极型晶体管(HBT)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和高电子迁移率晶体管(HEMT)等。
GaN材料的禁带宽度大(Eg＝3.4eV)，临界击穿场强(3.3MV/cm)较大，制作电子器件具有耐高温、高压的特点；它的电子饱和漂移速度达到2.5×107cm/s，适宜于制作高频电子器件；它与AlGaN材料形成的异质结构中可形成面密度高达1013cm-2以上的二维电子气(2DEG)，且界面处电子迁移率接近2000cm2/V·s，完全符合在大电流状态下工作的功率器件要求；而且它的热导率＞1.3W/cm·K，较为利于功率器件的散热。GaN材料是制备高频、大功率微波晶体管的首选材料。
由于GaN缺乏同质衬底，GaN材料主要采用异质外延方法进行生长。目前生长GaN基器件材料最常用的衬底是蓝宝石、Si和SiC。蓝宝石衬底是目前最被广泛应用于外延氮化镓基材料的衬底，在材料的晶体质量及生产成本之间是最优的结果。蓝宝石极低的热导率(0.5W/cm·K)限制了器件的散热，从而制约了器件的输出功率和器件工作的稳定性与可靠性。SiC虽然具有优良的热导率(4.49W/cm·K)，但其成本非常昂贵，衬底尺寸也不尽如人意。采用Si衬底异质外延生长GaN材料具有以下优点：(1)价格低廉。目前2英寸Si片的市场价格仅为蓝宝石的三分之一，相比SiC更是价格低廉。(2)容易得到大面积高质量的衬底。(3)与蓝宝石衬底相比，Si衬底具有优越的散热性能，其热导率与GaN接近，在高温、高频条件下工作将表现出更多的优越性。(4)Si基GaN微电子器件可以与成熟的Si器件做在同一块晶片上，实现器件集成。成熟的Si器件工艺可以稳定的进行减薄、倒装、封装等步骤，同时提高器件工作的可靠性。(5)与蓝宝石和SiC衬底相比，Si衬底的减薄、切割、解理等加工工艺简单，能极大降低器件制作成本。(6)相对于蓝宝石的绝缘性，Si则容易获得不同电阻值的n型或p型材料。采用低阻Si衬底研制的GaN基器件可以做成异侧电极器件，降低了工艺复杂性，并增加了制作管芯的数量。
虽然在Si衬底上外延生长GaN材料具有上述许多优点，但是由于Si衬底和GaN之间具有较大的晶格失配和热膨胀系数差异，Si基GaN异质外延生长要比在蓝宝石和SiC衬底上困难得多：Si衬底上外延生长GaN最主要的问题是应力导致的裂纹问题。高温生长后的降温过程中，由于Si衬底和GaN外延层之间高的热膨胀系数失配(56％)会导致GaN薄膜受到很大的张应力，这是裂纹产生的主要原因。另外GaN和Si之间的晶格失配(17％)使GaN外延层在生长过程中承受很大的张应力，同样会导致裂纹产生。在高裂纹密度的GaN材料上无法制作器件。其次是晶体质量问题。过大的晶格失配不仅会使GaN外延层处于张应变状态，而且导致GaN层中产生大量失配位错，其密度高达1010cm-2数量级，严重影响了GaN材料的晶体质量，从而限制器件性能的提高。此外，衬底中Si原子的扩散也是一个重要问题。Si衬底的热稳定性较蓝宝石差，高温生长过程中，Si原子的扩散加剧，使得GaN外延层中含有一定量的Si原子。这些Si原子可以与生长室中的氨气反应形成SixNy非晶薄膜，影响GaN外延层的晶体质量。同时，Ga原子与衬底表面的Si原子发生回熔腐蚀反应，使材料界面变得粗糙，也会降低GaN的晶体质量。
发明内容
本发明专利的目的在于提供一种倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法。本发明把蓝宝石衬底上外延的高质量的氮化镓基高电子迁移率晶体管与易于与目前的硅基集成电路集成、导热性能好的硅、氮化铝陶瓷等基板相结合。可以在高质量的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延材料的基础上，结合硅、氮化铝陶瓷等基板散热性能好、易于与成熟的硅器件做在同一块晶片上，实现器件集成等优点相结合，是制备高性能氮化镓基高电子迁移率晶体管的有效方法。
本发明提供一种倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上依次外延生长低温成核层、氮化镓高阻层、高迁移率氮化镓层、氮化铝插入层、铝镓氮势垒层和氮化镓帽层，形成外延片；
步骤2：使用有机溶剂清洗+等离子体去除残渣+HCl浸泡的方法，去除外延片表面的碳、氧以及其他有机、无机的沾污；
步骤3：将氮化镓帽层的两侧刻蚀掉，形成台面，在台面和氮化镓帽层上制作金属层，该金属层覆盖整个外延片的表面；
步骤4：刻蚀掉部分氮化镓帽层上的金属层，使得在氮化镓帽层上形成两个窗口，在两个窗口内制作绝缘的Si3N4钝化膜，使得台面上的金属层形成源的欧姆接触电极，另一侧台面上的金属层形成漏的欧姆接触电极，两个窗口之间形成栅极的肖特基接触电极；
步骤5：将蓝宝石衬底从背面减薄到70μm-150μm，形成管芯；
步骤6：在一支撑体上与外延片上的欧姆接触电极及肖特基接触电极相对应的部位开有圆孔，在圆孔填充金属，制备源、漏欧姆接触电极相对应的倒装焊金属焊料层及倒装焊金属焊料层；
步骤7：在倒装焊金属焊料层及倒装焊金属焊料层上分别制作源、漏的电极引线和栅极的电极引线；
步骤8：将支撑体从背面减薄；
步骤9：将管芯倒装焊到支撑体上；
步骤10：在管芯的表面蒸镀Si3N4保护层，完成制备。
本发明的有益效果是，本发明把蓝宝石衬底上外延的高质量的氮化镓基高电子迁移率晶体管与易于与目前的硅基集成电路集成、导热性能好的硅、氮化铝陶瓷等基板相结合。可以在高质量的氮化镓基高电子迁移率晶体管外延材料的基础上，结合硅、氮化铝陶瓷等基板散热性能好、易于与成熟的硅器件做在同一块晶片上，实现器件集成等优点相结合。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明做一个详细的描述，其中：
图1是本发明的制备流程图；
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，配合参阅图2所示，本发明提供一种倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底1上依次外延生长低温成核层2、氮化镓高阻层3、高迁移率氮化镓层4、氮化铝插入层5、铝镓氮势垒层6和氮化镓帽层7，形成外延片，所述的低温成核层2的材料为氮化镓、氮化铝或铝镓氮，厚度为20-100nm，所述的氮化镓高阻层3的厚度为500-5000nm，所述的高迁移率氮化镓层4的厚度为10-300nm，所述的氮化铝插入层5的厚度为0-5nm，所述的铝镓氮势垒层6的厚度为15-30nm，铝组分为15％-30％，所述的氮化镓帽层7的厚度为1-10nm；
步骤2：使用有机溶剂清洗+等离子体去除残渣+HCl浸泡的方法，去除外延在蓝宝石衬底上的氮化镓基高电子迁移率晶体管表面的碳、氧以及其他有机、无机的沾污；
步骤3：如图2所示，在清洗干净的氮化镓基高电子迁移率晶体管的表面制作源的欧姆接触电极8、漏的欧姆接触电极14，并在整个电极区域制备倒装金属焊料。氮化镓基高电子迁移率晶体管的欧姆接触主要采用Ti/Al/Pt/Au，Ti/AI/Ni/Au，Ti/AI/Ti/Au等多层金属结构，并且要经过700℃到900℃的高温退火处理。我们采用Ti/AI/Ti/Au制备源、漏的欧姆接触电极。刻蚀掉部分氮化镓帽层7上的金属层，使得在氮化镓帽层7上形成两个窗口，在两个窗口内制作绝缘的Si3N4钝化膜19，使得台面上的金属层形成源的欧姆接触电极8，另一侧台面上的金属层形成漏的欧姆接触电极14，两个窗口之间形成栅极的肖特基接触电极11；
步骤4：如图2所示，在氮化镓基高电子迁移率晶体管的表面制作绝缘的Si3N4钝化膜19。Si3N4不仅可以做为钝化膜，抑制器件的电流崩塌，而且可以做为绝缘膜隔离场板和栅金属；
步骤5：将蓝宝石衬底从背面用研磨的方法减薄到70μm-150μm；
步骤6：利用切割法或划片法将氮化镓基高电子迁移率晶体管外延片分割成独立的单个管芯；
步骤7：如图2所示，在高导热率的硅、氮化铝陶瓷等支撑体17上制备源、漏欧姆接触电极相对应的倒装焊金属焊料层9、15及源、漏的电极引线10、16。在高导热率的硅、氮化铝陶瓷等支撑体17上制备栅极肖特基接触电极相对应的倒装焊金属焊料层12及栅极的电极引线13；
步骤8：根据设计要求将硅、氮化铝陶瓷等支撑体17从背面减薄并切割成适合单个管芯倒装焊的单个支撑体；
步骤9：如图2所示，最后利用倒装焊技术将管芯倒装焊到具有源、漏欧姆接触电极相对应的倒装焊金属焊料层及源、漏电极引线的热导率高的硅、氮化铝陶瓷等支撑体17上，使整个源、漏欧姆接触电极的金属焊料与支撑体上的金属焊料层接触；
步骤10：如图2所示，在管芯的表面蒸镀Si3N4保护层18。
其中所述的欧姆接触电极8、14的材料为Ti/Al/Pt/Au、Ti/AI/Ni/Au或Ti/AI/Ti/Au，该欧姆接触电极8、14是经过700℃到900℃的高温退火处理。其中所述的肖特基接触电极11的材料为Ni/Au，该肖特基接触电极11是经过700℃到900℃的高温退火处理。
本专利以氮化镓基高电子迁移率晶体管为例，但又不仅仅局限于氮化镓基高电子迁移率晶体管，同样适用于同质结双极型晶体管(BJT)、异质结双极型晶体管(HBT)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和高电子迁移率晶体管(HEMT)等电力电子器件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上依次外延生长低温成核层、氮化镓高阻层、高迁移率氮化镓层、氮化铝插入层、铝镓氮势垒层和氮化镓帽层，形成外延片；
步骤2：使用有机溶剂清洗+等离子体去除残渣+HCl浸泡的方法，去除外延片表面的碳、氧以及其他有机、无机的沾污；
步骤3：将氮化镓帽层的两侧刻蚀掉，形成台面，在台面和氮化镓帽层上制作金属层，该金属层覆盖整个外延片的表面；
步骤4：刻蚀掉部分氮化镓帽层上的金属层，使得在氮化镓帽层上形成两个窗口，在两个窗口内制作绝缘的Si3N4钝化膜，使得台面上的金属层形成源的欧姆接触电极，另一侧台面上的金属层形成漏的欧姆接触电极，两个窗口之间形成栅极的肖特基接触电极；
步骤5：将蓝宝石衬底从背面减薄到70μm-150μm，形成管芯；
步骤6：在一支撑体上与外延片上的欧姆接触电极及肖特基接触电极相对应的部位开有圆孔，在圆孔填充金属，制备源、漏欧姆接触电极相对应的倒装焊金属焊料层及倒装焊金属焊料层；
步骤7：在倒装焊金属焊料层及倒装焊金属焊料层上分别制作源、漏的电极引线和栅极的电极引线；
步骤8：将支撑体从背面减薄；
步骤9：将管芯倒装焊到支撑体上；
步骤10：在管芯的表面蒸镀Si3N4保护层，完成制备。
2.根据权利要求1所述的倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中所述的低温成核层的材料为氮化镓、氮化铝或铝镓氮，厚度为20100nm。
3.根据权利要求1所述的倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中所述的氮化镓高阻层的厚度为5005000nm。
4.根据权利要求1所述的倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中所述的高迁移率氮化镓层的厚度为10300nm。
5.根据权利要求1所述的倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中所述的氮化铝插入层的厚度为0-5nm。
6.根据权利要求1所述的倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中所述的铝镓氮势垒层的厚度为15-30nm，铝组分为15％-30％。
7.根据权利要求1所述的倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中所述的氮化镓帽层的厚度为1-10nm。
8.根据权利要求1所述的倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中所述的欧姆接触电极的材料为Ti/Al/Pt/Au、Ti/AI/Ni/Au或Ti/AI/Ti/Au，该欧姆接触电极是经过700℃到900℃的高温退火处理。
9.根据权利要求1所述的倒装结构的氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，其中所述的支撑体的材料为Ni/Au、Pt/Au或Pt/Ti/Au。
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