CN107946186A - 一种金刚石基GaN‑HEMTs制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石基GaN‑HEMTs制备方法，其步骤为：清洗GaN圆片和临时载片表面；制备键合中间层；在临时载片表面注入氢离子；将GaN圆片和临时载片表面进行活化；将GaN圆片和临时载片进行键合；将GaN圆片的衬底减薄抛光；减薄GaN外延层背面并清洗；在GaN外延层背面生长一层介质层及金刚石衬底；将GaN外延层和金刚石在高温下退火，使得临时载片在注入损伤处发生剥离；去除剩余的临时载片衬底；去除GaN外延层表面的介质层，得到金刚石基GaN外延层圆片；在金刚石基GaN外延层圆片上制备GaN‑HEMTs。本发明通过氧化物直接键合技术，实现耐高温的临时键合，满足高质量金刚石外延生长工艺高温要求。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种金刚石基GaN-HEMTs制备方法。
背景技术
宽禁带半导体GaN高电子迁移率晶体管器件(HEMTs)具有高频、高击穿电压、高功率密度、高宽带等优异的性质。随着GaN-HEMTs器件朝着更小尺寸、更高频率和更大输出功率的方向发展，器件的散热问题制约了GaN-HEMTs性能的进一步提升。目前使用的GaN-HEMTs通常制备在碳化硅、硅和蓝宝石等衬底上，热量通过衬底耗散到热沉，然而即使散热性能最突出的碳化硅的热导率也只有140W/m·K，散热问题成为GaN器件应用亟需解决的瓶颈之一。
金刚石作为自然界中热导率最高的材料(2000W/m·K)，在GaN器件的散热应用上具有得天独厚的优势。然而将这两种材料联系在一起却面临巨大的挑战。
现有技术中，一种方法是在金刚石衬底上直接外延GaN-HEMT，由于金刚石衬底和GaN巨大的热失配和晶格失配，导致外延生长的GaN材料质量较差，无法满足高性能的器件制备要求。另一种方法是去除GaN衬底和部分缓冲层材料在背面外延金刚石热沉，这种方法需要将GaN外延材料粘附在临时载片上，需要开发耐高温的临时键合工艺和经济高效的载片分离工艺，现有技术中尚无相关记载。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石基GaN-HEMTs制备方法，利用金刚石的高热导率解决大功率、高频GaN-HEMTs的散热问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种金刚石基GaN-HEMTs制备方法，包括以下步骤：
步骤1，清洗GaN圆片和临时载片表面；
步骤2，在临时载片表面制备一层介质层作为键合中间层；
步骤3，在临时载片表面注入氢离子，形成注入损伤层；
步骤4，将GaN圆片和临时载片表面用等离子体进行活化；
步骤5，将GaN圆片和临时载片正面相对在室温下进行预键合，并升温键合加固；
步骤6，将GaN圆片的衬底减薄抛光，然后通过反应等离子体刻蚀或化学腐蚀去除剩余衬底，并且停止在刻蚀停止层，得到以临时载片作为支撑的GaN圆片；
步骤7，减薄以临时载片作为支撑的GaN外延层背面，并对GaN背面和金刚石表面进行清洗；
步骤8，在以临时载片作为支撑的GaN外延层背面通过化学气相沉积生长一层介质层及金刚石衬底；
步骤9，将以临时载片为支撑的GaN外延层和金刚石结构在高温下退火，使得临时载片在注入损伤层发生剥离；
步骤10，通过反应等离子体刻蚀或化学腐蚀去除剩余的临时载片衬底；
步骤11，通过反应等离子体刻蚀或化学腐蚀去除GaN外延层表面的介质层，得到金刚石基GaN外延层圆片；
步骤12，在金刚石基GaN外延层圆片上制备GaN-HEMTs。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明通过晶圆级氧化物直接键合技术，实现耐高温的临时键合，避免了外延生长金刚石高温工艺对整体结构和GaN外延层的损伤；(2)以二氧化硅等介质为键合中间层的结构，有助于热失配材料界面的应力调控；(3)借助氢离子注入智能剥离技术，解决传统SiC载片研磨减薄去除过程中厚度均匀性的控制难题，避免对GaN外延层的损坏，实现工艺兼容且经济高效的载片剥离，最终获得高质量的金刚石衬底上GaN-HEMTs器件。
附图说明
图1是临时载片样品示意图。
图2是GaN外延片圆片样品示意图。
图3是临时载片正面沉积键合介质层示意图。
图4是临时载片正面注入氢离子示意图。
图5是将临时载片和GaN外延片正面相对键合示意图。
图6是减薄去除GaN外延片衬底示意图。
图7是以临时载片为支撑在GaN背面生长介质层和金刚石示意图。
图8是经高温退火临时载片在注入损伤区发生剥离示意图。
图9是去除剩余临时载片示意图。
图10去除键合介质层示意图。
图11是在金刚石基GaN制备HEMTs器件示意图。
具体实施方式
本发明的一种金刚石基GaN-HEMTs制备方法，包括以下步骤：
1)用稀释的盐酸清洗GaN圆片和临时载片表面，再用去离子水进行冲洗，然后放入甩干机进行甩干，GaN圆片衬底为硅或碳化硅，临时载片为硅或碳化硅；盐酸浓度为5-10％；
2)在临时载片的正面制备一层介质层作为键合中间层，介质材料为SiO2或Al2O3，AlN，厚度为50nm-500nm，制备方式为ALD、PECVD或LPCVD；
3)在临时载片正面注入一定剂量的氢离子，形成注入损伤层，注入氢离子的剂量在3×1016cm-2—2×1017cm-2，注入能量在10keV-200keV；
4)将GaN圆片和临时载片表面用等离子体进行活化，等离子体为Ar、O2、N2或者其混合物，腔体气压为50-200mTorr；功率为50-200W，气体流量为10-100sccm；
5)将表面活化后的GaN圆片和临时载片正面相对在常温下进行预键合，然后在200-900℃下进行加固，加固时间为1-24小时；
6)将键合后的GaN圆片衬底减薄，通过刻蚀或腐蚀去除剩余衬底，并且停止在刻蚀或腐蚀停止层，避免对GaN外延层的损坏，得到以临时载片作为支撑的GaN圆片；
7)减薄以临时载片作为支撑的GaN圆片背面，并用稀释的盐酸清洗GaN背面和金刚石表面，再用去离子水进行冲洗，然后放入甩干机进行甩干；盐酸浓度为5-10％；
8)在以临时载片作为支撑的GaN圆片背面化学气相沉积生长一层介质层和金刚石，介质层厚度20-100nm，介质为SiO2、Si3N4或Al2O3，金刚石厚度为50-200um，金刚石外延温度为400-900℃；
9)将以临时载片为支撑的GaN外延层和金刚石结构在高温下退火，使得临时载片在损伤处发生剥离，退火温度700-1100℃，退火时间1-10小时；
10)利用反应等离子体刻蚀或化学腐蚀剩余的载片薄膜；
11)通过化学腐蚀或反应等离子体刻蚀去除GaN外延层正面的介质层，得到金刚石基GaN外延层圆片；
12)在金刚石基GaN外延层圆片上制备GaN-HEMTs。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
1)样品准备：用稀释的10％盐酸清洗碳化硅基GaN圆片和临时载片硅片表面约60s，再用去离子水进行冲洗3-5次，然后放入甩干机进行甩干，如图1、图2所示。
2)临时载片正面沉积键合介质层：在临时载片硅片的正面通过等离子体增强化学气相沉积法制备厚度约500nm的SiO2，沉积温度约150-200℃，如图3所示。
3)离子注入：在临时载片正面注入能量80keV，剂量6×1016cm-2的氢离子，形成注入损伤层，如图4所示；
4)表面等离子体活化：将GaN圆片和临时载片表面用O2等离子体进行活化，腔体气压为50mTorr；功率为100W，气体流量为100sccm；
5)键合：将表面活化后的GaN圆片和临时载片正面相对放入键合机中在常温下进行预键合，预键合时间约1-2小时，然后在500℃下进行加固2-3小时，如图5所示；
6)衬底减薄：将键合后的GaN圆片衬底用研磨设备进行减薄至约100um，再通过抛光减薄至约50um，然后通过干法刻蚀去除剩余衬底，并且停止在刻蚀停止层，得到以临时载片作为支撑的GaN圆片，如图6所示；
7)背面清洗：减薄以临时载片作为支撑的GaN圆片背面，并用稀释的10％盐酸清洗GaN背面和金刚石表面约60s，再用去离子水进行冲洗3-5次，然后放入甩干机进行甩干；
8)外延介质和金刚石：在以临时载片作为支撑的GaN圆片背面化学气相沉积生长一层20-50nm的SiO2或AlN介质层，再生长约100um的金刚石，生长温度控制在为600℃，如图7所示；
9)退火剥离：将以临时载片为支撑的GaN外延层和金刚石结构在900℃高温下退火2小时，使得临时载片在损伤处发生剥离，如图8所示；
10)去除剩余临时载片：利用干法刻蚀剩余的临时载片薄膜，如图9所示；
11)去除键合介质层：通过化学腐蚀去除GaN外延层正面的SiO2，得到金刚石基GaN外延层圆片，如图10所示；
12)制备器件：在金刚石基GaN外延层圆片上制备GaN-HEMTs，经过以上步骤，得到基于离子注入转移技术的金刚石基GaN-HEMTs，如图11所示。
Claims (10)
1.一种金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，清洗GaN圆片和临时载片表面；
步骤2，在临时载片表面制备一层介质层作为键合中间层；
步骤3，在临时载片表面注入氢离子，形成注入损伤层；
步骤4，将GaN圆片和临时载片表面用等离子体进行活化；
步骤5，将GaN圆片和临时载片正面相对在室温下进行预键合，并升温键合加固；
步骤6，将GaN圆片的衬底减薄抛光，然后通过反应等离子体刻蚀或化学腐蚀去除剩余衬底，得到以临时载片作为支撑的GaN圆片；
步骤7，减薄以临时载片作为支撑的GaN外延层背面，并对GaN背面和金刚石表面进行清洗；
步骤8，在以临时载片作为支撑的GaN外延层背面通过化学气相沉积生长一层介质层及金刚石衬底；
步骤9，将以临时载片为支撑的GaN外延层和金刚石结构在高温下退火，使得临时载片在注入损伤层发生剥离；
步骤10，通过反应等离子体刻蚀或化学腐蚀去除剩余的临时载片衬底；
步骤11，通过反应等离子体刻蚀或化学腐蚀去除GaN外延层表面的介质层，得到金刚石基GaN外延层圆片；
步骤12，在金刚石基GaN外延层圆片上制备GaN-HEMTs。
2.根据权利要求1所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤1中的GaN圆片衬底为硅或碳化硅，临时载片为硅或碳化硅。
3.根据权利要求1或2所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤1用5-10％浓度的盐酸清洗GaN圆片和临时载片表面，再用去离子水进行冲洗，然后放入甩干机进行甩干。
4.根据权利要求1所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤2中的介质材料为SiO2、Al2O3或者AlN，厚度为50nm-500nm，制备方式为ALD、PECVD或者LPCVD。
5.根据权利要求1所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤3中注入氢离子的剂量为3×1016cm-2—2×1017cm-2，注入能量为10keV-200keV。
6.根据权利要求1所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤4中等离子体为Ar、O2、N2或者其混合物，腔体气压为50-200mTorr，功率为50-200W，气体流量为10-100sccm。
7.根据权利要求1所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤5中的键合加固温度为200-900℃，加固时间为1-24小时。
8.根据权利要求1所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤7中清洗的过程为：用5-10％浓度的盐酸清洗GaN背面和金刚石表面，再用去离子水进行冲洗，然后放入甩干机进行甩干。
9.根据权利要求1所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤8中的介质层厚度20-100nm，介质为SiO2、Si3N4或Al2O3，金刚石厚度为50-200um，金刚石外延温度为400-900℃。
10.根据权利要求1所述的金刚石基GaN-HEMTs制备方法，其特征在于，步骤9中的退火温度为700-1100℃，退火时间为1-10小时。
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