CN105140122B - 一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法 - Google Patents

一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法，具体实施步骤包括(1)衬底上深孔的刻蚀；(2)AlN材料的沉积以及平坦化；(3)AlGaN/GaN异质结生长及GaN HEMT器件的制备；(4)样品和临时载体的键合；(5)衬底的减薄以及背面金属的制作；(6)样品和临时载体的分离。本发明针对Si以及蓝宝石衬底低热导率导致在该类衬底上研制的GaN HEMT散热能力差的问题，提出在衬底中引入具有高热导率AlN的方法解决上述问题，可有效改善器件散热能力，同时与传统AlGaN/GaN工艺完全兼容的优点。

Description

一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法
技术领域
本发明涉及微电子工艺，具体地涉及一种改善GaN(氮化镓)HEMT(高电子迁移率晶体管)器件散热性能的方法，属于半导体器件制备技术领域。
背景技术
GaN HEMT器件具有的高频、高功率密度以及高工作温度的优点使其成为微波大功率器件以及电力电子器件发展的新方向。然而，散热问题制约着GaN HEMT功率器件的性能，如功率密度以及效率等。功率器件的热量通常都积聚在有源区域，为了提升器件的散热能力，通常采用倒扣焊或者采用高热导率材料的方法。倒扣焊工艺对于器件压点有着独特的要求，因此在应用中需要对器件工艺及流程展开专项的开发。而采用热导率材料改善器件散热能力的方法主要是提升半导体器件衬底的热导率。目前主要采用具有高热导率的SiC衬底来解决这一问题。然而，SiC衬底的价格通常是GaN外延所用的Si以及蓝宝石的数倍，不利于降低器件的成本。而Si以及蓝宝石材料虽然具有成本优势，但在散热能力方面却比较差。
为了提升GaN HEMT器件的导热能力，目前主要采用替换衬底的方法，如将Si，蓝宝石衬底或SiC衬底替换为金刚石衬底(J.W.Pomeroy，M.Bernardoni，D.C.Dumka，D.M.Fanning，M.Kuball，Low thermal resistance GaN-on-diamond transistorscharacterized by three-dimensional Raman thermography mapping，Applied PhysicsLetters，Volume 104，Issue 8，2014，Pages 083513-083513)。该方法技术难度高，同时金刚石材料的价格导致器件成本的进一步提升。其他的方法还包括在GaN HEMT表面沉积AlN等高热导率的材料来提升器件的散热(N.Tsurumi，H.Ueno，T.Murata，H.Ishida，Y.Uemoto，T.Ueda，K.Inoue，T.Tanaka，AlN Passivation Over AlGaN/GaN HFETs for Surface HeatSpreading，IEEE Transactions on Electron Devices，Volume 57，Issue 5，2010，Pages980-985)。该方法虽然可以提升器件的散热能力，但不能解决衬底部分散热差的问题。
发明内容
发明目的：本发明针对采用低成本的Si以及蓝宝石衬底制备的GaN HEMT器件散热效率低的问题，提供了一种可有效改善器件散热能力，同时制备工艺和现有GaN HEMT器件全兼容的改善GaN HEMT器件散热性能的方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的提出一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法，包括如下步骤：
(1)提供一衬底，利用激光刻蚀工艺在衬底上刻蚀出深孔；
(2)用磁控溅射方法在步骤(1)获得深孔的衬底上溅射一层AlN材料；
(3)采用退火炉在氮气氛下对样品进行高温处理，然后采用CMP工艺使AlN材料平坦化；
(4)采用MOCVD在AlN材料上生长AlGaN/GaN异质结；
(5)在步骤(4)中生长了AlGaN/GaN异质结的样品上采用GaN HEMT通用工艺刻蚀出台面隔离区域、制备欧姆接触和肖特基接触，完成GaN HEMT正面工艺；
(6)在步骤(5)完成GaN HEMT正面工艺的样品表面通过甩胶的方法涂覆一层蜡，通过低温键合的方法将样品和蓝宝石临时载体键合；
(7)采用机械研磨的方法减薄衬底，直到AlN材料漏出；
(8)在减薄后的样品背面通过电镀的方法电镀一层Au；
(9)将经过步骤(8)处理的样品放入有机溶剂中使样品和蓝宝石临时载体分离。
其中，所述的衬底为Si或蓝宝石衬底。
优选地，所述的深孔的深宽比小于3∶1，所述AlN材料的厚度大于深孔的深度；孔间距为30～100μm。
优选地，步骤(3)中，所述高温处理温度为800℃～1100℃。更优选地，所述高温处理温度为1000到1050℃，该温度范围和MOCVD生长GaN材料的温度区间接近，有利于降低衬底材料内部应力对外延材料生长的影响。
优选地，所述CMP平坦化工艺采用金刚石抛光液实现，其中，所述金刚石的平均颗粒粒径小于5μm，抛光后表面粗糙度低于1nm，以衬底材料无孔区域表面为基准，AlN层剩余厚度50nm到1μm。
步骤(6)中，所述蜡的厚度1μm～10μm。蜡层太薄，由于样品表面存在一定起伏，容易导致部分区域黏贴不牢，影响后续的衬底减薄工艺。而蜡层如果过厚，容易导致键合中蜡中的溶剂难于挥发完全，导致蜡层强度降低，有可能在后续机械研磨中导致样品和零时载体分离。
优选地，步骤(6)中，所述低温键合方法的键合温度在150℃～200℃，键合压力为0.5bar到5bar。
具体地，步骤(7)中，所述机械研磨分为粗磨和细抛两部分先粗磨后细抛，粗磨磨料颗粒直径在10μm到20μm，粗磨过程中样品减薄速率控制在50～100μm每小时，等样品剩余厚度达到120μm左右，采用颗粒直径在3～10μm的磨料在抛光垫上进行细抛，抛光速率10μm～20um每小时，减薄后表面粗糙度低于100nm。
优选地，步骤(8)中，电镀Au的厚度大于1～20μm。
步骤(9)中，所述有机溶剂为丙酮、甲苯、去蜡剂和二甲苯中的任意一种。有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
(1)器件工艺与传统GaN HEMT器件以及电路制备工艺完全兼容；
(2)通过高热导率材料的引入可有效提升Si以及蓝宝石衬底的导热能力，可广泛应用于采用Si以及蓝宝石衬底研制的各类GaN HEMT器件的研制生产中；
(3)AlN模板技术的引入，降低了GaN异质外延生长的难度，更有利于提升外延材料质量。
附图说明
图1为衬底深孔制作示意图；
图2为填充AlN材料后的示意图；
图3为AlN材料的平坦化的示意图；
图4为AlGaN/GaN异质结的制备示意图；
图5为台面隔离区域、Ti/Al/Ni/Au欧姆接触和Ni/Au肖特基接触的制备示意图；
图6低温键合蓝宝石临时载体的示意图；
图7为衬底减薄的示意图；
图8为器件背面金属化的示意图；
图9为改善后的GaN HEMT器件的结构示意图。
具体实施方式
本发明是一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法，包括Si或蓝宝石衬底深孔的制作；高热导率AlN材料的填充以及表面平坦化；AlGaN/GaN异质结的材料的外延及器件的制备；Si或蓝宝石衬底的减薄及背面金属化。具体方法如下：
(1)利用激光刻蚀工艺在蓝宝石衬底1上刻蚀出长宽为50μm，高为100μm的深孔2，如图1所示；
(2)采用磁控溅射在获得深孔2的蓝宝石衬底1上溅射一层110μm的AlN材料3，如图2所示；
(3)采用退火炉在氮气氛下对步骤(2)得到的样品进行900℃的高温处理，然后采用基于金刚石抛光液的CMP工艺将AlN材料3抛光至仅剩100nm，如图3所示；
(4)采用MOCVD在样品上生长AlGaN/GaN异质结4，如图4所示；
(5)采用GaN HEMT通用工艺刻蚀出台面隔离区域、制备Ti/Al/N i/Au欧姆接触5和Ni/Au肖特基接触6，如图5所示；
(6)在步骤(5)得到的样品表面通过甩胶的方法涂覆一层2μm的蜡7，通过低温键合的方法将样品和蓝宝石临时载体8键合，键合温度190℃，压力1bar，如图6所示；
(7)采用机械研磨，首先用颗粒直径在10～20μm的磨料对样品进行粗磨，粗磨过程中样品减薄速率控制在50～100μm每小时，等样品剩余厚度达到120μm左右，采用颗粒直径在3～10μm的磨料在抛光垫上进行细抛，抛光速率10μm～20um每小时，从而减薄衬底1，减薄后衬底厚度控制在100μm左右，使AlN材料3漏出，如图7所示；
(8)在减薄后的样品背面通过电镀的方法电镀一层2μm的Au 9，如图8所示；
(9)将样品放入甲苯中使样品和蓝宝石临时载体8分离，如图9所示，从而得到改善后的GaN HEMT器件。
本发明通过高热导率材料的引入可有效提升Si以及蓝宝石衬底的导热能力，可广泛应用于采用Si以及蓝宝石衬底研制的各类GaN HEMT器件的研制生产中，器件工艺与传统GaN HEMT器件以及电路制备工艺完全兼容；同时，AlN模板技术的引入，降低了GaN异质外延生长的难度，更有利于提升外延材料质量。

Claims (8)

1.一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）提供一衬底，利用激光刻蚀工艺在衬底上刻蚀出深孔；
（2）用磁控溅射方法在步骤（1）获得深孔的衬底上溅射一层AlN材料；
（3）采用退火炉在氮气氛下对样品进行高温处理，然后采用CMP工艺使AlN材料平坦化，其中，步骤（3）中，所述高温处理温度为800℃~1100℃，所述CMP平坦化工艺采用金刚石抛光液实现，其中，所述金刚石的平均颗粒粒径小于5μm，抛光后表面粗糙度低于1nm，以衬底材料无孔区域表面为基准，AlN层剩余厚度50nm到1μm；
（4）采用MOCVD在AlN材料上生长AlGaN/GaN异质结；
（5）在步骤（4）中生长了AlGaN/GaN异质结的样品上采用GaN HEMT通用工艺刻蚀出台面隔离区域、制备欧姆接触和肖特基接触，完成GaN HEMT正面工艺；
（6）在步骤（5）完成GaN HEMT正面工艺的样品表面通过甩胶的方法涂覆一层蜡，通过低温键合的方法将样品和蓝宝石临时载体键合；
（7）采用机械研磨的方法减薄衬底，直到AlN材料漏出；
（8）在减薄后的样品背面通过电镀的方法电镀一层Au；
（9）将经过步骤（8）处理的样品放入有机溶剂中使样品和蓝宝石临时载体分离。
2.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的方法，其特征在于，所述的衬底为Si或蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的方法，其特征在于，所述的深孔的深宽比小于3：1，所述AlN材料的厚度大于深孔的深度；孔间距为 30~100μm。
4.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的方法，其特征在于，步骤（6）中，所述蜡的厚度1μm~10μm。
5.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的方法，其特征在于，步骤（6）中，所述低温键合方法的键合温度在150℃~200℃，键合压力为0.5bar到5bar。
6.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的方法，其特征在于，步骤（7）中，所述机械研磨分为粗磨和细抛两部分先粗磨后细抛，粗磨磨料颗粒直径在10μm到20μm，细抛颗粒直径在3~10μm，减薄后表面粗糙度低于100nm。
7.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的方法，其特征在于，步骤（8）中，电镀Au的厚度大于1~20μm。
8.根据权利要求1所述的改善GaN HEMT器件散热性能的方法，其特征在于，步骤（9）中，所述有机溶剂为丙酮、甲苯、去蜡剂和二甲苯中的任意一种。
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Assignee: Nanjing Zhongdian Core Valley High Frequency Device Industry Technology Research Institute Co., Ltd.

Assignor: China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute

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Denomination of invention: Method for improving cooling performance of GaN high-electron mobility transistor (HEMT) device

Granted publication date: 20180720

License type: Common License

Record date: 20200119