CN105070701A - 一种GaN基倒装HEMT器件结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GaN基倒装HEMT器件结构及其制备方法。GaN基倒装HEMT器件结构包括基板、电极焊盘、电极、绝缘介质膜、外延层和导电通孔。所述外延层包括GaN缓冲层和AlGaN势垒层，栅电极一端穿过绝缘介质膜与栅电极焊盘连接，栅电极另一端与外延层的AlGaN势垒层连接，所述外延层通过栅电极焊盘与基板粘合在一起；所述基板、栅电极焊盘、绝缘介质膜、AlGaN势垒层、GaN缓冲层自下而上排布。本发明的HEMT器件外延片与散热基板通过栅电极焊盘连接，散热性能明显改善。另外源漏栅电极焊盘在外延层上方，没有刻蚀掉无用的外延层，外延层的有效利用率提高。本发明还提供一种GaN基倒装HEMT器件的制备方法。

Description

一种GaN基倒装HEMT器件结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体微电子技术领域，具体涉及一种GaN/AlGaN基倒装晶体管结构及其制备方法。

背景技术

GaN作为第三代半导体材料，具有更高的禁带宽度，更大的电子饱和漂移速度，更强的临近击穿电场，更高的热导率以及热稳定性等特性。GaN基氮化物半导体材料还具有很大的自发和压电极化特性，利用此特性制备的高电子迁移率晶体管是一种场效应半导体器件，它广泛应用于高频率放大器件或者高功率开关器件领域。

GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）常规结构为衬底、缓冲层、势垒层、介质膜和电极。常规HEMT衬底热导率低，散热性能差，限制了GaN基HEMT在高温大功率器件领域的广泛应用。GaN基HEMT是二维横向器件，源漏截断时电场分布不均匀，在栅电极靠近漏电极一侧电场强度很大，容易击穿导致器件失效。另外常规GaN基HEMT的源漏栅电极焊盘面积很大，电极焊盘下方的外延层被刻蚀掉，降低了外延片的有效使用面积。

发明内容

本发明针对现有GaN基HEMT器件散热性差、击穿电压低及外延片有效使用面积低等问题，提出一种GaN基倒装高电子迁移率晶体管结构，晶体管的外延层通过金属电极与散热基板连接，散热性能好；栅电极焊盘面积原大于栅电极本身，能够匀化电场强度分布，提高器件的耐高压特性；另外电极焊盘在电极上方，外延层利用率高。

本发明还提供一种上述倒装晶体管结构的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种GaN基倒装HEMT器件结构，包括基板、电极焊盘、电极、绝缘介质膜和外延层，所述电极包括漏电极、栅电极和源电极，所述电极焊盘包括栅电极焊盘、源电极焊盘和漏电极焊盘；栅电极焊盘位于绝缘介质膜与基板之间，所述外延层包括GaN缓冲层和AlGaN势垒层，栅电极一端穿过绝缘介质膜与栅电极焊盘连接，栅电极另一端与外延层的AlGaN势垒层连接，所述外延层通过栅电极焊盘与基板粘合在一起；所述基板、栅电极焊盘、绝缘介质膜、AlGaN势垒层、GaN缓冲层自下而上排布。

进一步地，漏电极、源电极分别通过导电通孔相应地与位于器件上部的漏电极焊盘和源电极焊盘电连接；导电通孔中填充有导电材料，导电通孔穿过外延层。

进一步地，还包括衬底，所述基板、栅电极焊盘、绝缘介质膜、AlGaN势垒层、GaN缓冲层、衬底自下而上排布；漏电极焊盘和源电极焊盘位于器件上部且位于衬底上部，导电通孔穿过外延层和衬底。

进一步地，所述栅电极焊盘面积覆盖整个外延片下端面面积，栅电极焊盘键合到基板上时，不需要进行电极对准。

本发明优选方案之一：

所述GaN基HEMT器件包含衬底（原有衬底或者部分原有衬底），源电极和源电极焊盘通过导电通孔进行电气连接，漏电极和漏电极焊盘通过导电通孔电气连接。

本发明优选方案之二：

所述述GaN基HEMT器件不包含原有衬底，源电极和源电极焊盘通过导电通孔进行电气连接，漏电极和漏电极焊盘通过导电通孔电气连接。

进一步地，所述源电极和漏电极可以是Ti/Al/Ti/Au合金材料，第一层Ti的厚度为5-100nm，Al的厚度为100-5000nm，第二层Ti的厚度10-1000nm，Au的厚度100-2000nm；

所述栅电极可以是Ni/Au合金，Ni的厚度10-1000nm，Au的厚度50-5000nm；

所述绝缘介质膜可以是二氧化硅、氮化硅或者氮化铝，厚度100-3000nm；

所述AlGaN势垒层厚度5-50nm，Al组分5%~50%；

所述GaN缓冲层50~5000nm；

所述外延层可以在AlGaN势垒层生长结束再生长一层盖帽层，所述盖帽层厚度0-5nm，材料可以是GaN、AlN或者氮化硅。

所述外延层在AlGaN势垒层和GaN缓冲层之间可以增加一氮化铝插层，厚度0-5nm。

制备上述一种GaN基倒装HEMT结构的方法，包括如下步骤：

(1)在衬底上生长GaN缓冲层，然后再生长GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN盖帽层，得到高电子迁移率晶体管外延片；

(2)将步骤(1)所述的外延片进行清洗，放入丙酮清洗，再放入乙醇清洗，之后用去离子水清洗，最后用氮气吹干；

(3)将经过步骤(2)清洗的外延片按照现有技术制备源、漏和栅电极；

(4)在步骤(3)所述样品沉积绝缘膜，通过光刻技术露出栅电极；

(5)在步骤(4)所述样品上沉积栅电极焊盘；

(6)将步骤(5)所述的样品的栅电极焊盘键合到基板上；

(7)将步骤(6)所述样品原来的衬底减小减薄或者去除得到样品背面；

(8)采用化学腐蚀或者物理刻蚀的方法，在步骤(7)所述的样品背面制备导两个电通孔，导电通孔分别延伸至漏电极、源电极；

(9)在步骤(8)所述的样品导电通孔内沉积或者电镀金属，使导电通孔具有电气连接功能；

(10)在所述样品背面制备源电极焊盘和漏电极焊盘。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明针对现有晶体管散热性差，击穿电压低以及外延层利用率低等问题，提出一种倒装HEMT结构，外延片制备好电极后，键合到基板上，然后减薄去除原来的衬底，通过通孔电气连接源漏电极与焊盘。首先，外延层通过电极与基板直接相连，系统热阻低，散热容易，可以提高器件的稳定性；其次，栅电极焊盘覆盖在外延片上方，能够匀化栅-漏电极之间的电场，提高器件的耐高压特性。再次，源漏栅电极焊盘都分布在外延层上方，不需要浪费外延层，可以提高HEMT外延片的有效利用率，减小器件成本。另外，本发明的倒装HEMT芯片的栅电极焊盘分布在整个外延片表面，与基板键合时不需要对版，工艺简单，成品率高。

附图说明

图1为现有技术GaN基HEMT结构剖面示意图；

图2为现有技术GaN基HEMT结构俯视示意图；

图3为本发明实施例1的倒装HEMT一种结构的剖面示意图；

图4为本发明实施例2的倒装HEMT另一种结构的剖面示意图；

图5为本发明实施例1的倒装HEMT结构的正面俯视面示意图；

图中：1为衬底；2为GaN缓冲层；3为AlGaN势垒层；3.1AlGaN势垒层边界；4为漏电极；4.1为漏电极焊盘；5为栅电极；5.1为栅电极焊盘；6为源电极；6.1为源电极焊盘；7为绝缘介质膜；8为基板；9为通孔电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

如图4，一种GaN基倒装HEMT器件结构，包括基板8、电极焊盘、电极、绝缘介质膜7和外延层，所述电极包括漏电极4、栅电极5和源电极6，所述电极焊盘包括栅电极焊盘5.1、源电极焊盘6.1和漏电极焊盘4.1；栅电极焊盘5.1位于绝缘介质膜与基板之间，所述外延层包括GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3，栅电极一端穿过绝缘介质膜与栅电极焊盘5.1连接，栅电极另一端与外延层的AlGaN势垒层连接，所述外延层通过栅电极焊盘5.1与基板粘合在一起；所述基板8、栅电极焊盘5.1、绝缘介质膜、AlGaN势垒层3、GaN缓冲层2自下而上排布。漏电极、源电极分别通过导电通孔9相应地与位于器件上部的漏电极焊盘4.1和源电极焊盘6.1电连接；导电通孔中填充有导电材料，导电通孔穿过外延层。

如图3，还包括衬底，所述基板8、栅电极焊盘5.1、绝缘介质膜、AlGaN势垒层3、GaN缓冲层2、衬底自下而上排布；漏电极焊盘4.1和源电极焊盘6.1位于器件上部且位于衬底上部，导电通孔穿过外延层和衬底。

所述栅电极焊盘面积覆盖整个外延片下端面面积（即正对部分的面积相等），栅电极焊盘键合到基板上时，不需要进行电极对准。

实施例1、制备GaN基倒装HEMT

如图3所示，制备方法步骤如下：

(1)按照现有技术在衬底上生长高电子迁移率晶体管外延层。

(2)将步骤（1）的样品放入煮沸的丙酮清洗5分钟，再放入煮沸的乙醇中清洗5分钟，后用去离子水冲洗5分钟，然后用氮气吹干；

(3)在步骤(2)所述的样品表面制备掩膜，采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀技术刻蚀GaN，将二维电子气(2DEG)刻断，进行台面隔离，之后去除掩膜；

(4)将步骤(3)所述样品的表面清洗后沉积Ti/Al/Ti/Au合金，厚度10/300/100/500nm,然后采用光刻技术制备源、漏电极，退火后得到源、漏欧姆接触；

(5)将步骤(4)所述的样品表面清洗后，沉积二氧化硅绝缘介质膜，厚度1000nm；

(6)在步骤(5)所述的样品表面制备掩膜，采用光刻技术，去除栅电极上方的绝缘介质膜，之后去除掩膜；

(7)在步骤(6)所述的样品表面沉积Ni/Au，厚度100/500nm；

(8)在步骤(7)所述的样品表面沉积Ti/Au,厚度100/1000nm,作为栅电极焊盘和键合金属；

(9)将步骤(8)所述的样品与已经准备好的基板采用键合技术粘合在一起；

(10)将步骤(9)所述样品的背面进行减薄，保留衬底厚度100um；

(11)将步骤(10)所述的样品采用刻蚀方法在所述背面制备导电通孔；

(12)将步骤(11)所述样品通过电镀技术，使导电通孔内部充满金属铜，成为电气连接线；

(13)将步骤(12)所述的样品清洗后，在所述背面沉积Ti/Au，厚度100/1000nm,光刻后得到源电极焊盘6.1和漏电极焊盘4.1。

实施例2、制备GaN基倒装HEMT

如图3所示，所述薄膜晶体管自下而上依次为8基板、5.1栅电极焊盘、5栅电极、7绝缘介质膜、4漏电极、6源电极、3AlGaN势垒层、2GaN缓冲层、9导电通孔、4.1楼点击焊盘和6.1源电极焊盘。

实施例2与实施例1的基本步骤相同，区别之处在于：

步骤(10)将样品的原有衬底完全去除。

本发明针对现有晶体管散热性差，击穿电压低以及外延层利用率低等问题，提出一种倒装HEMT结构，外延片制备好电极后，键合到基板上，然后减薄去除原来的衬底，通过通孔电气连接源漏电极与焊盘。首先，外延层通过电极与基板直接相连，系统热阻低，散热容易，可以提高器件的稳定性；其次，栅电极焊盘覆盖在外延片上方，能够匀化栅-漏电极之间的电场，提高器件的耐高压特性。再次，源漏栅电极焊盘都分布在外延层上方，不需要浪费外延层，可以提高HEMT外延片的有效利用率，减小器件成本。另外，本发明的倒装HEMT芯片的栅电极焊盘分布在整个外延片表面，与基板键合时不需要对版，工艺简单，成品率高。

Claims (5)

1.一种GaN基倒装HEMT器件结构，包括基板、电极焊盘、电极、绝缘介质膜和外延层，所述电极包括漏电极、栅电极和源电极，所述电极焊盘包括栅电极焊盘、源电极焊盘和漏电极焊盘；其特征在于栅电极焊盘位于绝缘介质膜与基板之间，所述外延层包括GaN缓冲层和AlGaN势垒层，栅电极一端穿过绝缘介质膜与栅电极焊盘连接，栅电极另一端与外延层的AlGaN势垒层连接，所述外延层通过栅电极焊盘与基板粘合在一起；所述基板、栅电极焊盘、绝缘介质膜、AlGaN势垒层、GaN缓冲层自下而上排布。

2.根据权利要求1所述的一种GaN基倒装HEMT器件结构，其特征在于漏电极、源电极分别通过导电通孔相应地与位于器件上部的漏电极焊盘和源电极焊盘电连接；导电通孔中填充有导电材料，导电通孔穿过外延层。

3.根据权利要求2所述的一种GaN基倒装HEMT器件结构，其特征在于还包括衬底，所述基板、栅电极焊盘、绝缘介质膜、AlGaN势垒层、GaN缓冲层、衬底自下而上排布；漏电极焊盘和源电极焊盘位于器件上部且位于衬底上部，导电通孔穿过外延层和衬底。

4.根据权利要求1所述的一种GaN基倒装HEMT器件结构，其特征在于所述栅电极焊盘面积覆盖整个外延片下端面面积，栅电极焊盘键合到基板上时，不需要进行电极对准。

5.制备权利要求1~4任一项所述一种GaN基倒装HEMT结构的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在衬底上生长GaN缓冲层，然后再生长GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和GaN盖帽层，得到高电子迁移率晶体管外延片；

(2)将步骤(1)所述的外延片进行清洗，放入丙酮清洗，再放入乙醇清洗，之后用去离子水清洗，最后用氮气吹干；

(3)将经过步骤(2)清洗的外延片按照现有技术制备源、漏和栅电极；

(4)在步骤(3)所述样品沉积绝缘膜，通过光刻技术露出栅电极；

(5)在步骤(4)所述样品上沉积栅电极焊盘；

(6)将步骤(5)所述的样品的栅电极焊盘键合到基板上；

(7)将步骤(6)所述样品原来的衬底减小减薄或者去除得到样品背面；

(8)采用化学腐蚀或者物理刻蚀的方法，在步骤(7)所述的样品背面制备导两个电通孔，导电通孔分别延伸至漏电极、源电极；

(9)在步骤(8)所述的样品导电通孔内沉积或者电镀金属，使导电通孔具有电气连接功能；

(10)在所述样品背面制备源电极焊盘和漏电极焊盘。