CN108807153A - 基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管及制备法 - Google Patents
基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管及制备法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的是一种基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管及制备法，其结构自下而上为金刚石、硅纳米层、氮化镓外延层，氮化镓外延层的表面设有漏极、栅极和源极；其制备方法包括：1）清洗；2）涂敷粘合材料；3）临时键合；4）去除碳化硅衬底；5）溅射硅纳米层；6）进行活化并室温键合；7）去除粘合材料；8）制备晶体管。优点：利用表面活化室温键合工艺将氮化镓外延层与金刚石衬底结合在一起，相比传统的高温键合工艺来说，降低了高温带来的应力问题，同时也不会因为高温对氮化镓外延层造成破坏。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种制备基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管及其制备方法，属于半导体工艺技术领域。
背景技术
氮化镓晶体管作为第三代宽禁带化合物半导体器件，具有高二维电子气浓度、高击穿场强、高的电子饱和速度等特点，但是氮化镓晶体管的功率性能优势远未充分发挥，其主要原因之一是氮化镓微波功率器件在输出大功率的同时会产生大量的热，却无法快捷有效地将这些热量散发出去。目前氮化镓材料主要外延生长在碳化硅、蓝宝石等衬底材料上，而这些衬底材料具有较低的热导率，散热问题严重限制了氮化镓器件的性能，因此寻找具有高的导热性衬底材料成为了解决散热问题的瓶颈。金刚石具有很高的热导率（800-2000W/mK），所以金刚石基氮化镓相比蓝宝石基氮化镓、硅基氮化镓以及碳化硅基氮化镓有着更好散热优势。
当前主要采用两种方式实现金刚石衬底与氮化镓结合，第一种是在金刚石衬底上直接外延生长氮化镓，这种方法生长难度大，同时晶格失配会产生较大的位错密度，导致在金刚石衬底上外延生长氮化镓材料质量差；第二种是利用键合材料（比如聚合物、氧化物介质等）实现金刚石衬底与氮化镓的键合，这种方法需要进行高温键合，氮化镓与金刚石的热膨胀系数相差较大，高温键合势必会引入因热失配带来的应力问题，有可能对氮化镓外延层造成破坏。
发明内容
本发明提出的是基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管及其制备方法，其目的旨在通过表面活化室温键合工艺获得金刚石基氮化镓圆片并且制备晶体管，解决传统高温键合带来的一系列问题。
本发明的技术解决方案：基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管，其结构包括金刚石、硅纳米层、氮化镓外延层、漏极、栅极和源极，其中金刚石的上表面设有硅纳米层，硅纳米层的上表面设有氮化镓外延层，氮化镓外延层的上表面分别设有漏极、栅极和源极。
基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1）清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片；
2）在临时载片正面涂敷粘合材料；
3）碳化硅基氮化镓圆片与临时载片正面相对临时键合；
4）将碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底去除；
5）在氮化镓外延层表面和金刚石衬底表面分别溅射一层硅纳米层；
6）利用氩原子束对氮化镓外延层与金刚石衬底表面的硅纳米层进行活化并室温键合；
7）用粘合材料去除液分离金刚石基氮化镓与临时载片；
8）在金刚石基氮化镓正面制备晶体管。
本发明的优点：利用室温表面活化键合直接实现金刚石衬底与氮化镓外延层的紧密结合，可充分发挥金刚石的高热导率优势。
附图说明
图1是临时载片样品示意图。
图2是碳化硅基氮化镓样品示意图。
图3是临时载片正面旋涂粘合材料示意图。
图4是临时载片正面朝下和碳化硅基氮化镓键合示意图。
图5是将碳化硅基氮化镓的碳化硅衬底去除示意图。
图6是在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面溅射硅纳米层示意图。
图7是在金刚石衬底表面溅射硅纳米层示意图。
图8是将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底表面活化键合示意图。
图9将临时载片和粘合材料去除示意图。
图10在金刚石基氮化镓上制备晶体管示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。
如图10所示，基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管，其结构包括金刚石、硅纳米层、氮化镓外延层、漏极、栅极和源极，其中金刚石的上表面设有硅纳米层，硅纳米层的上表面设有氮化镓外延层，氮化镓外延层的上表面分别设有漏极、栅极和源极。
基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1）清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片；
2）在临时载片正面涂敷粘合材料；
3）碳化硅基氮化镓圆片与临时载片正面相对临时键合；
4）将碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底去除；
5）在氮化镓外延层表面和金刚石衬底表面分别溅射一层硅纳米层；
6）利用氩原子束对氮化镓外延层与金刚石衬底表面的硅纳米层进行活化并室温键合；
7）用粘合材料去除液分离金刚石基氮化镓与临时载片；
8）在金刚石基氮化镓正面制备晶体管。
所述的步骤1）清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片包括：用10%稀盐酸清洗碳化硅基氮化镓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。碳化硅基氮化镓圆片和临时载片的结构如图1、图2所示。
如图3所示，所述的步骤2）在临时载片正面涂敷粘合材料包括：在临时载片的正面滴加粘合材料，用1000-3000转/分钟的速率进行旋涂，旋涂时间为30-60秒，将涂好粘合材料的临时载片正面朝上放在热板上进行预烘烤2-5分钟，热板温度为100-110℃。
如图4所示，所述的步骤3）碳化硅基氮化镓圆片与临时载片正面相对临时键合包括：将临时载片从热板上取出，室温下自然冷却后和碳化硅基氮化镓圆片正面相对叠在一起，使碳化硅基氮化镓圆片和临时载片尽量完全重叠，边缘整齐；用夹具固定好放入键合机进行键合，键合温度为250-350℃，键合时间为1小时。
如图5所示，所述的步骤4）将碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底去除包括：在临时载片的支撑下对碳化硅基氮化镓的碳化硅衬底完成背面减薄至50微米，再把剩余碳化硅衬底通过反应等离子体刻蚀掉，得到以临时载片为支撑的氮化镓外延层；接着用二氧化硅纳米悬浮液对氮化镓外延层表面进行精细抛光，抛光后氮化镓外延层表面的粗糙度小于1纳米；用稀释的盐酸清洗氮化镓外延层表面60秒钟，再用去离子水清洗，冲洗完之后保留氮化镓外延层表面的去离子水。
如图6、图7所示，所述的步骤5）在氮化镓外延层表面和金刚石衬底表面分别溅射一层硅纳米层包括：采用磁控溅射的方式在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面和金刚石衬底表面分别溅射厚度小于10纳米的无定形硅纳米层。
如图8所示，所述的步骤6）利用氩原子束对氮化镓外延层与金刚石衬底表面的硅纳米层进行活化并室温键合包括：对以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底表面的硅纳米层利用氩原子束进行活化，活化完之后将以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面与金刚石衬底表面正面相对直接放入键合机中施加4000毫巴的压力，温度保持室温，得到金刚石基氮化镓圆片。
如图9所示，所述的步骤7）用粘合材料去除液分离金刚石基氮化镓与临时载片包括：将金刚石基氮化镓圆片浸泡在粘合材料去除液中，待粘合材料被去除液全部溶解后金刚石基氮化镓圆片将与临时载片自动分离。
如图10所示，所述的步骤8）在金刚石基氮化镓正面制备高电子迁移率晶体管包括：在金刚石基氮化镓圆片的氮化镓外延层上分别制作漏极、栅极和源极，即制成基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管。
实施例
制备基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的方法，其具体步骤如下：
1）将碳化硅基氮化镓圆片和玻璃载片浸泡在稀释的盐酸中漂洗60秒钟，再用去离子水清洗，用氮气吹干，最后放在烘箱中彻底烘干水分，保证表面清洁干燥；
2）在玻璃载片正面上旋涂粘合材料，转速为3000转/分钟，加速度为5000转/秒，旋涂时间为60秒，将涂好粘合材料的玻璃载片正面朝上放热板上，热板温度为110℃，烘片时间2分钟；
3）将玻璃载片从热板上取出，室温下自然冷却后和碳化硅基氮化镓圆片正面相对叠在一起，使碳化硅基氮化镓圆片和玻璃载片尽量完全重叠，边缘整齐。用夹具固定好放入键合机进行键合，键合温度为350℃，键合时间为1小时；
4）键合好后在玻璃载片的支撑下对碳化硅基氮化镓的碳化硅衬底完成背面减薄，磨到50微米左右，再用把剩余碳化硅衬底通过反应等离子体刻蚀掉，得到以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层。接着利用二氧化硅纳米悬浮液对氮化镓外延层表面进行精细抛光，保证抛光后氮化镓外延层表面的粗糙度小于1纳米；
5）利用磁控溅射的方式在以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底表面分别溅射厚度10纳米的无定形硅纳米层；
6）对以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底表面的硅纳米层利用氩原子束进行活化，活化完之后将以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层表面与金刚石衬底表面正面相对直接放入键合机中施加4000毫巴的压力，温度保持室温，得到金刚石基氮化镓外延层圆片；
6）将金刚石基氮化镓圆片浸泡在粘合材料去除液中，待粘合材料被去除液全部溶解后金刚石基氮化镓圆片将与玻璃载片自动分离；
7）在金刚石基氮化镓圆片上制备晶体管。
以上步骤降低了高温带来的应力问题，利用室温表面活化键合直接实现金刚石衬底与氮化镓外延层的紧密结合，制得的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管可充分发挥金刚石的高热导率优势，同时也不会因为高温对氮化镓外延层造成破坏。
Claims (10)
1.基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管，其特征是包括金刚石、硅纳米层、氮化镓外延层、漏极、栅极和源极，其中金刚石的上表面设有硅纳米层，硅纳米层的上表面设有氮化镓外延层，氮化镓外延层的上表面分别设有漏极、栅极和源极。
2.如权利要求1所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是包括如下步骤：
1）清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片；
2）在临时载片正面涂敷粘合材料；
3）碳化硅基氮化镓圆片与临时载片正面相对临时键合；
4）将碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底去除；
5）在氮化镓外延层表面和金刚石衬底表面分别溅射一层硅纳米层；
6）利用氩原子束对氮化镓外延层与金刚石衬底表面的硅纳米层进行活化并室温键合；
7）用粘合材料去除液分离金刚石基氮化镓与临时载片；
8）在金刚石基氮化镓正面制备晶体管。
3.根据权利要求2所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是所述的步骤1）清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片包括：用10%稀盐酸清洗碳化硅基氮化镓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2所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是所述的步骤2）在临时载片正面涂敷粘合材料包括：在临时载片的正面滴加粘合材料，用1000-3000转/分钟的速率进行旋涂，旋涂时间为30-60秒，将涂好粘合材料的临时载片正面朝上放在热板上进行预烘烤2-5分钟，热板温度为100-110℃。
5.根据权利要求2所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是所述的步骤3）碳化硅基氮化镓圆片与临时载片正面相对临时键合包括：将临时载片从热板上取出，室温下自然冷却后和碳化硅基氮化镓圆片正面相对叠在一起，使碳化硅基氮化镓圆片和临时载片尽量完全重叠，边缘整齐；用夹具固定好放入键合机进行键合，键合温度为250-350℃，键合时间为1小时。
6.根据权利要求2所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是所述的步骤4）将碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底去除包括：在临时载片的支撑下对碳化硅基氮化镓的碳化硅衬底完成背面减薄至50微米，再把剩余碳化硅衬底通过反应等离子体刻蚀掉，得到以临时载片为支撑的氮化镓外延层；接着用二氧化硅纳米悬浮液对氮化镓外延层表面进行精细抛光，抛光后氮化镓外延层表面的粗糙度小于1纳米；用稀释的盐酸清洗氮化镓外延层表面60秒钟，再用去离子水清洗，冲洗完之后保留氮化镓外延层表面的去离子水。
7.根据权利要求2所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是所述的步骤5）在氮化镓外延层表面和金刚石衬底表面分别溅射一层硅纳米层包括：采用磁控溅射的方式在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面和金刚石衬底表面分别溅射厚度小于10纳米的无定形硅纳米层。
8.根据权利要求2所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是所述的步骤6）利用氩原子束对氮化镓外延层与金刚石衬底表面的硅纳米层进行活化并室温键合包括：对以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底表面的硅纳米层利用氩原子束进行活化，活化完之后将以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面与金刚石衬底表面正面相对直接放入键合机中施加4000毫巴的压力，温度保持室温，得到金刚石基氮化镓圆片。
9.根据权利要求2所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是所述的步骤7）用粘合材料去除液分离金刚石基氮化镓与临时载片包括：将金刚石基氮化镓圆片浸泡在粘合材料去除液中，待粘合材料被去除液全部溶解后金刚石基氮化镓圆片将与临时载片自动分离。
10.根据权利要求2所述的基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，其特征是所述的步骤8）在金刚石基氮化镓正面制备高电子迁移率晶体管包括：在金刚石基氮化镓圆片的氮化镓外延层上分别制作漏极、栅极和源极，即制成基于表面活化键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管。
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