CN106601807A - 基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件，其自上而下包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)和Si3N4钝化层(7)。其中AlGaN势垒层的下方为栅极(6)，两侧为漏极(4)和源极(5)；漏极的下方为漏极凸点(8)，源极的下方为源极凸点(9)，漏极凸点和源极凸点下方为AlN基板(10)。本发明利用AlN材料的热导率高于蓝宝石材料的特性，将蓝宝石衬底置于顶层，将AlN基板置于底层，提高了器件的热可靠性，可用于制作高频大功率集成电路。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种AlGaN/GaN异质结结构的高电子迁移率器件，可用于制作高频大功率集成电路。
背景技术
GaN材料作为第三代半导体材料中的代表，具有许多优良的物理特性。其禁带宽度大，击穿场强高，热导率高，电子饱和速度大。这些特点使其在高温、高频、大功率领域有着十分广阔的应用前景。而AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管作为一种基于GaN材料的器件，也具有非常优异的性能。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管具有高击穿电压，高饱和漂移速度，较小的泄露电流，大电子面密度，高热导率。但在实际应用过程中，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管仍然面临着十分严重的热可靠性问题。在微波大功率应用时，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的自热效应会使器件的结温不断升高，导致有源区载流子迁移率的减少和饱和漂移速度的下降。最终导致出现退化甚至失效。蓝宝石由于其成本低廉，经常被用作高电子迁移率晶体管的衬底材料，但又因为其热导率小，导致自热效应在蓝宝石衬底中尤为严重。传统的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的结构如图1所示。器件由上至下分别由Si3N4钝化层，AlGaN势垒层，GaN缓冲层和衬底组成。这种结构的高电子迁移率晶体管在高压工作时会有比较严重的自热效应，从输出特性曲线上表示为饱和区漏电流的下降，影响器件性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述传统高电子迁移率晶体管结构的不足，提出一种基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法，以有效抑制自热效应，提高漏电流，使器件的输出特性曲线更加平直。
本发明的技术思路是：通过采用倒装芯片对传统高电子迁移率晶体管器件的正装结构进行改变，并利用AlN材料的热导率高于蓝宝石材料的特性，将高电子迁移率晶体管器件倒焊在AlN基板上，实现器件更高的热可靠性。
基于以上技术思路本发明的技术方案如下：
1.一种基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括：衬底，GaN缓冲层，AlGaN势垒层，Si3N4钝化层，AlGaN势垒层的两侧为漏极和源极，AlGaN势垒层的下方为栅极，其特征在于：
衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、Si3N4钝化层这四者自上而下依次排列，漏极的下方设有漏极凸点，源极的下方设有源极凸点，漏极凸点和源极凸点的下方设有基板。
作为优选，凸点高度在5～10μm范围内确定。
作为优选，衬底采用蓝宝石，漏极凸点和源极凸点采用Au，基板采用AlN。
作为优选，GaN缓冲层的厚度为1.5μm；AlGaN势垒层的厚度为0.03μm。
2.一种倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件，其制作步骤主要包括：
1)在衬底正面利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为1.5μm的GaN缓冲层；
2)在GaN缓冲层上利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为0.03μm，Al组分为0.3的AlGaN势垒层；
3)在AlGaN势垒层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉AlGaN势垒层和GaN缓冲层，形成深度为0.5μm的台面；
4)在AlGaN势垒层上利用电子束蒸发工艺淀积Ni/Au/Ni多层金属，形成栅极，然后进行退火；
5)在AlGaN势垒层的两侧利用电子束蒸发工艺淀积Ti/Al/Mo/Au多层金属，形成源极和漏极，然后进行退火；
6)在AlGaN势垒层上利用等离子增强化学气相淀积生长厚度为0.5μm的Si3N4钝化层；
7)在Si3N4钝化层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉Si3N4钝化层，露出源极和漏极；
8)在源极和漏极上电镀制作凸点，并利用倒焊技术将凸点与基板粘合在一起，完成器件的制作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明使用倒装芯片，将衬底设置在器件顶层，将AlN基板设置在器件最底层，利用AlN材料的热导率高于蓝宝石材料的特性，有效减少了自热效应，提高了漏电流，使器件的输出特性曲线更加平直，增强了热可靠性；
2.本发明利用凸点与基板的粘合，实现了器件与基板的直接连接，减小了延迟，减少了寄生效应，提高了器件性能。
附图说明
图1为现有的高电子迁移率晶体管器件结构示意图；
图2为本发明的高电子迁移率晶体管器件结构示意图；
图3为制备本发明高电子迁移率晶体管器件的工艺流程图；
图4为本发明器件与现有器件的直流输出特性的对比图；
图5为本发明器件与现有器件的直流转移特性和跨导特性的对比图；
图6为本发明三个实例的直流输出曲线的对比图。
具体实施方案
以下结合附图对本发明的技术方案和效果做进一步的详细描述。
参照图2，本发明的器件包括衬底1，GaN缓冲层2，AlGaN势垒层3，漏极4，源极5，栅极6，Si3N4钝化层7，漏极凸点8，源极凸点9和基板10。其中衬底1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、Si3N4钝化层7这四者自上而下依次排列，漏极4和源极5位于AlGaN势垒层3的两侧，栅极6位于AlGaN势垒层的下方，漏极凸点8位于漏极4的下方，源极凸点9位于源极5的下方，基板10位于漏极凸点8和源极凸点9下方。
所述漏极凸点8和源极凸点9的高度均为5～10μm，
所述衬底1，采用蓝宝石材料，
所述GaN缓冲层2，其厚度为1.5μm，
所述AlGaN势垒层3，其厚度为0.03μm，
所述漏极4和源极5采用多层金属Ti/Al/Mo/Au，
所述栅极6采用多层金属Ni/Au/Ni，
所述漏极凸点8和源极凸点9采用Au材料，
所述基板10，采用AlN材料。
参照图3，本发明器件的制备方法给出以下三种实施例：
实施例1，制作源、漏极凸点高度为5μm的倒装芯片结构式AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件。
步骤1，生长GaN缓冲层，如图3a。
在蓝宝石衬底的正面利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为1.5μm的GaN缓冲层，生长的工艺条件如下：
三乙基镓为镓源，高纯氨气为氨源；
温度为1060℃，压力为90Torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为170μmol/min。
步骤2，生长AlGaN势垒层，如图3b。
在GaN缓冲层上利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为0.03μm，Al组份为0.3的AlGaN势垒层，生长的工艺条件如下：
三乙基镓为镓源，三甲基铝为铝源，高纯氨气为氨源；
温度为1010℃，压力为80Torr，氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm，镓源流量为16μmol/min，铝源流量为3μmol/min。
步骤3，刻蚀出台面，如图3c。
在AlGaN势垒层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉AlGaN势垒层和GaN缓冲层，形成深度为0.5μm的台面，刻蚀的工艺条件如下：
反应气体Cl2的流量为5sccm，压力为10mTorr，功率为100W。
步骤4，制作栅极，如图3d。
4a)在除台面外的AlGaN势垒层表面利用电子束蒸发工艺淀积金属，形成栅极，所淀积的金属为Ni/Au/Ni，厚度分别为0.05μm，0.228μm，0.022μm，淀积的工艺条件如下：
真空度为1×10-3Pa，功率为600W，蒸发速率为
4b)在温度为500℃的N2环境中退火30s。
步骤5，制作源极和漏极，如图3e。
5a)在AlGaN势垒层的两侧的台面处利用电子束蒸发工艺淀积多层金属，形成源极和漏极，所淀积的金属为Ti/Al/Mo/Au，厚度分别为0.07μm，0.2μm，0.13μm，0.4μm。淀积的工艺条件如下：
真空度为1.6×10-3Pa，功率为1000W，蒸发速率为
5b)在880℃的N2环境中快速热退火45s。
步骤6，生长Si3N4钝化层，如图3f。
在AlGaN势垒层表面利用等离子增强化学气相淀积生长厚度为0.5μm的Si3N4钝化层，生长的工艺条件如下：
NH3的气体流量为2.5sccm，N2的气体流量为900sccm，SiH4的气体流量为200sccm，温度为300℃，射频功率为25W，压力为900mTorr。
步骤7，刻蚀Si3N4钝化层，如图3g。
在Si3N4钝化层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉Si3N4钝化层，露出源极和漏极。刻蚀的工艺条件如下：
反应气体Cl2的流量为5sccm，压力为10mTorr，功率为100W。
步骤8，制作源、漏凸点，凸点高度为5μm，如图3h。
8a)在源极和漏极上利用电子束蒸发技术或其他能够淀积金属的技术制作凸点底部金属化层UBM，材料为Ni/Au；
8b)在UBM层上利用电镀技术淀积厚度为5μm的Au；
8c)对Au进行回流处理，形成凸点。
步骤9，利用倒焊技术将源、漏凸点与AlN基板粘合在一起，如图3i。
9a)在AlN基板表面利用电子束蒸发技术或其他能够淀积金属的技术淀积一层Au；
9b)利用倒装焊机将将源、漏凸点与AlN基板粘合在一起，完成器件的制作。
实施例2，制作源、漏极凸点高度为7.5μm的倒装芯片结构式AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件。
步骤一，生长GaN缓冲层。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤1相同。
步骤二，生长AlGaN势垒层。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤2相同。
步骤三，刻蚀出台面。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤3相同。
步骤四，制作栅极。
4.1)在除台面外的AlGaN势垒层表面利用电子束蒸发工艺淀积金属，形成栅极，
所淀积的金属为Ni/Au/Ni，厚度分别为0.05μm，0.228μm，0.022μm，
所淀积的工艺条件：真空度为0.8×10-3Pa，功率为500W，蒸发速率为
4.2)在温度为500℃的N2环境中退火30s。
步骤五，制作源极和漏极。
5.1)在AlGaN势垒层的两侧的台面处利用电子束蒸发工艺淀积多层金属，形成源极和漏极，
所淀积的金属为Ti/Al/Mo/Au，厚度分别为0.07μm，0.2μm，0.13μm，0.4μm，
所淀积的工艺条件：真空度为1.4×10-3Pa，功率为800W，蒸发速率为
5.2)在880℃的N2环境中快速热退火45s。
步骤六，生长Si3N4钝化层。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤6相同。
步骤七，刻蚀Si3N4钝化层。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤7相同。
步骤八，制作源、漏凸点，凸点高度为7.5μm。
在源极和漏极上利用电子束蒸发技术或其他能够淀积金属的技术制作凸点底部金属化层UBM，材料为Ni/Au；在UBM层上利用电镀技术淀积厚度为7.5μm的Au，并对Au进行回流处理，形成凸点
步骤九，利用倒焊技术将源、漏凸点与AlN基板粘合在一起。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤9相同。
实施例3，制作源、漏极凸点高度为10μm的倒装芯片结构式AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件。
步骤A，生长GaN缓冲层。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤1相同。
步骤B，生长AlGaN势垒层。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤2相同。
步骤C，刻蚀出台面。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤3相同。
步骤D，制作栅极。
首先，在除台面外的AlGaN势垒层表面利用电子束蒸发在真空度为0.6×10-3Pa，功率为300W，蒸发速率为的工艺条件下淀积厚度分别为0.05μm，0.228μm，0.022μm的Ni/Au/Ni多层金属，形成栅极；
其次，在温度为500℃的N2环境中退火30s。
步骤E，制作源极和漏极。
首先，在AlGaN势垒层的两侧的台面处利用电子束蒸发工艺在真空度为1.2×10- 3Pa，功率为600W，蒸发速率为的工艺条件下淀积厚度分别为0.07μm，0.2μm，0.13μm，0.4μm的Ti/Al/Mo/Au多层金属，形成源极和漏极；
其次，在880℃的N2环境中快速热退火45s。
步骤F，生长Si3N4钝化层。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤6相同。
步骤G，刻蚀Si3N4钝化层。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤7相同。
步骤H，制作源、漏凸点，凸点高度为10μm。
首先，在源极和漏极上利用电子束蒸发技术或其他能够淀积金属的技术制作凸点底部金属化层UBM，材料为Ni/Au；
其次，在UBM层上利用电镀技术淀积厚度为10μm的Au；
最后，对Au进行回流处理，形成凸点。
步骤I，利用倒焊技术将源、漏凸点与AlN基板粘合在一起。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤9相同。
本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：
1.仿真参数
设置器件宽度为100μm，用于表征二维电子气的界面电荷密度为7×1012cm-2。
2.仿真内容
仿真1，对普通高电子迁移率晶体管器件与本发明使用的倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的直流输出特性进行仿真对比，结果如图4。
由图4可见，相比于普通结构的高电子迁移率晶体管器件，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的漏电流有了较大的提升：
在Vg＝1V时，普通结构的高电子迁移率晶体管器件的漏电流峰值为24.76mA，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的漏电流峰值为35.06mA，比普通结构的高电子迁移率晶体管器件的漏电流峰值提升了41.6％；
在Vg＝2V时，普通结构的高电子迁移率晶体管器件的漏电流峰值为28.02mA，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的漏电流峰值为41.74mA，比普通结构的高电子迁移率晶体管器件的漏电流峰值提升了48.97％；
在Vg＝3V时，普通结构的高电子迁移率晶体管器件的漏电流峰值为30.51mA，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的漏电流峰值为47.4mA，比普通结构的高电子迁移率晶体管器件的漏电流提升了55.36％。
而且相比于普通结构的高电子迁移率晶体管器件，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的漏电流下降幅度也有改善，以Vd＝20V时的漏电流相较于漏电流峰值的下降幅度作为比较依据：
在Vg＝1V时，普通结构的高电子迁移率晶体管器件漏电流下降了20.27％，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件漏电流下降了4.91％；
在Vg＝2V时，普通结构的高电子迁移率晶体管器件漏电流下降了20.7％，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件漏电流下降了8.7％；
在Vg＝3V时，普通结构的高电子迁移率晶体管器件漏电流下降了19.63％，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件漏电流下降了10.21％。
综合漏电流峰值和漏电流的下降幅度可见，本发明的倒装芯片高电子迁移率晶体管器件能有效抑制高电子迁移率晶体管器件的自热效应。
仿真2，对普通高电子迁移率晶体管器件与本发明使用的倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的直流转移特性与跨导特性进行仿真对比，结果如图5。
由图5可见，相比于普通的高电子迁移率晶体管器件，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的跨导值有了较大的提升。以跨导峰值作为比较依据，普通结构的高电子迁移率晶体管器件的跨导峰值为6.18mS，使用本发明倒装芯片的高电子迁移率晶体管器件的跨导峰值为8.19mS，后者相比于前者跨导峰值提高了32.52％。
通过仿真2可见，使用本发明倒装芯片结构能够有效提升高电子迁移率晶体管器件的跨导值，提高栅控能力。
仿真3，对本发明的三个实例直流输出特性进行仿真对比，结果如图6。
由图6可见，凸点高度的越小，器件的漏电流越大，抑制自热效应能力越好。
以上描述仅是本发明的几个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于倒装芯片的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括：衬底(1)，GaN缓冲层(2)，AlGaN势垒层(3)，Si3N4钝化层(7)，AlGaN势垒层的两侧为漏极(4)和源极(5)，AlGaN势垒层的下方为栅极(6)，其特征在于：
衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)、Si3N4钝化层(7)这四者自上而下依次排列，漏极的下方设有漏极凸点(8)，源极的下方设有源极凸点(9)，漏极凸点和源极凸点的下方设有基板(10)。
所述漏极凸点(8)和源极凸点(9)的高度均为5～10μm。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，衬底(1)采用蓝宝石，漏极凸点(8)和源极凸点(9)采用Au，基板(10)采用AlN。
3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于GaN缓冲层(2)的厚度为1.5μm；AlGaN势垒层(3)的厚度为0.03μm。
4.一种基于倒装芯片的高电子迁移率晶体管制作方法，包括如下步骤：
1)在衬底正面利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为1.5μm的GaN缓冲层；
2)在GaN缓冲层上利用金属有机物化学气相淀积生长厚度为0.03μm，Al组分为0.3的AlGaN势垒层；
3)在AlGaN势垒层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉AlGaN势垒层和GaN缓冲层，形成深度为0.5μm的台面；
4)在AlGaN势垒层上利用电子束蒸发工艺淀积Ni/Au/Ni多层金属，形成栅极，然后进行退火；
5)在AlGaN势垒层的两侧利用电子束蒸发工艺淀积Ti/Al/Mo/Au多层金属，形成源极和漏极，然后进行退火；
6)在AlGaN势垒层上利用等离子增强化学气相淀积生长厚度为0.5μm的Si3N4钝化层；
7)在Si3N4钝化层上制作掩膜，通过曝光显影形成刻蚀区，利用反应离子刻蚀工艺在刻蚀区刻蚀掉Si3N4钝化层，露出源极和漏极；
8)在源极和漏极上电镀制作凸点，并利用倒焊技术将凸点与基板粘合在一起，完成器件的制作。
5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤1)中的金属有机物化学气相淀积，其工艺条件为：
镓源为三乙基镓，氨源为高纯氨气；
温度为1060℃；
压力为90Torr；
氢气流量为5000sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为170μmol/min。
6.根据权利要求4所述的方法，其中步骤2)中的金属有机物化学气相淀积，其工艺条件为：
镓源为三乙基镓，铝源为三甲基铝，氨源为高纯氨气；
温度为1010℃；
压力为80Torr；
氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm，镓源流量为16μmol/min，铝源流量为3μmol/min。
7.根据权利要4所述的方法，其中步骤3)和步骤7)中的反应离子刻蚀工艺，其工艺条件为：反应气体Cl2的流量为5sccm，压力为10mTorr，功率为100W。
8.根据权利要求4所述的方法，其中步骤4)中的电子束蒸发工艺，其工艺条件为：真空度小于1.2×10-3Pa，功率为200～700W，蒸发速率小于
9.根据权利要求4所述的方法，其中步骤5)中的电子束蒸发工艺，其工艺条件为：真空度小于1.8×10-3Pa，功率为200～1800W，蒸发速率小于
10.根据权利要求4所述的方法，其中步骤6)中的等离子增强化学气相淀积，其工艺条件为：气体为NH3，N2及SiH4，气体流量分别为2.5sccm，900sccm和200sccm，温度为300℃，射频功率为25W，压力为900mTorr。
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