CN109860049A - 一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法 - Google Patents

Abstract

一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，在临时载片的表面涂覆粘合剂；将氮化镓高电子迁移率晶体管的正面粘结到临时载片上，烘烤，得到以临时载片为支撑的原始器件；将以临时载片为支撑的原始器件的衬底进行减薄，对减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面进行反溅射处理去除表面污物；在减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面溅射中间层材料W/Au；使溅射有中间层材料的减薄器件背面与金刚石衬底键合面结合，实现衬底转移；再脱离临时载片即可。本发明通过中间层材料W/Au实现了GaN HEMT和金刚石的异质集成，实现了常温、大气压条件下金刚石基GaN HEMT的高效低成本制备，提高了其散热性能。

Description

一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法

技术领域

本发明属于半导体器件封装散热领域，涉及一种新型热管理技术和异质材料集成技术，具体涉及一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法。

背景技术

自20世纪90年代起，第3代宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)得到广泛研究。GaN材料具有较大的禁带宽度(Eg＝3.4eV)，高临界击穿场强(3.0MV/cm)和高电子饱和漂移速度(2.7×10⁷cm/s)，与AlGaN材料形成的异质结构中还可形成高浓度(10¹³cm^-2)的二维电子气(2DEG)，是高温、高压、高频、大功率微波器件的理想材料。通过二十多年快速发展，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件已经成为高性能射频系统的首选，不仅在军用装备中大显身手，在民用通信领域如4G和5G移动通信基站建设中也大放异彩。

然而GaN HEMT在大电流工作条件下，近结处热量积累无法有效散发会使结温显著上升，导致器件的功率输出特性迅速恶化，严重制约了GaN HEMT功率性能的发挥。因此迫切需要寻找高效散热材料作为GaN HEMT的衬底来解决GaN功率器件的散热瓶颈。

目前GaN材料主要采用异质外延方法生长在蓝宝石、Si和SiC衬底上。蓝宝石衬底异质外延生长GaN，成本较低，但蓝宝石热导率极低(0.5W·cm^-1·K^-1)大大限制了器件散热；SiC衬底具有较高的热导率(4.9W·cm^-1·K^-1)，并且与GaN晶格失配小、位错密度低，适用于高质量GaN外延材料的生长，但成本较高；Si衬底价格低廉，但热导率较小(1.5W·cm^-1·K^-1)，由于很大的晶格失配和热膨胀系数失配，生长的GaN晶体质量较差。

金刚石是自然界导热性能最好的材料之一，拥有超高的热导率(22W·cm^-1·K^-1)，是GaN HEMT所用的导热性能最好的衬底材料SiC(4.9W·cm^-1·K^-1)的4倍以上。但在金刚石上直接外延生长GaN难度很大，在于二者的晶格失配会产生较大的位错密度。为此，很多研究者都在开发新技术实现金刚石与GaN的异质集成。目前主要有三种技术途径：在减薄的衬底上，或者在去除掉原始衬底的GaN外延层上直接生长CVD多晶金刚石，再完成后续有源区工艺，达到制备金刚石基GaN HEMT的目的；将具有超高平整度(Rq<1nm)表面的金刚石与GaN在超高真空(<10^-6Pa)下通过表面激活实现无中间层直接键合(SAB)；在低温或常温下通过中间层材料(Si,Ti/Au,Cr/Au,Ta/Au等)实现金刚石与GaN的键合。后两种方法目前仅停留在晶片级键合阶段，并未见成熟的器件级异质集成的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，包括以下步骤：

1)在临时载片的表面涂覆粘合剂；

2)将氮化镓高电子迁移率晶体管的正面粘结到临时载片上，并烘烤，得到以临时载片为支撑的原始器件；

3)将以临时载片为支撑的原始器件的衬底进行减薄，得到以临时载片为支撑的减薄后器件；

4)对减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面进行反溅射处理，去除表面污物；

5)在减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面溅射中间层材料W/Au；W层作为底层薄膜，Au作为顶层薄膜；

6)通过热压键合使溅射有中间层材料的减薄器件背面与金刚石衬底键合面紧密接触，通过中间层材料的特性使器件与金刚石衬底紧密结合，实现衬底转移；

7)使用去除剂浸泡键合后的器件，使键合后的器件与临时载片分离，得到金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，临时载片为本征硅片，其正面为抛光面，表面均方粗糙度小于2nm，反面为未抛光面；粘合剂为AR-P 3510T光刻胶或者LOR剥离胶。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，氮化镓高电子迁移率晶体管的衬底材料为硅、蓝宝石或碳化硅；烘烤温度为115-150℃，烘烤时间为3-10min。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，将器件原始衬底减薄至小于20μm。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，减薄后器件的背面均方粗糙度小于10nm；金刚石衬底键合面的均方粗糙度小于5nm。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，金刚石衬底为单晶或多晶。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，反溅射功率为30-70W，时间为100-360s。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，W层厚度为2-30nm，Au层厚度为5-100nm。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中，热压键合的条件为：真空度为10^-2-10⁵Pa，键合温度为25-100℃，保温时间为5-10min，键合压力为100-400Kg，键合时间为5-10min。

本发明进一步的改进在于，步骤7)中，当粘合剂为AR-P 3510T光刻胶时，去除剂为丙酮；当粘合剂为LOR剥离胶时，去除剂为ZX238显影液。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明开发出新的键合中间层结构W/Au，其中W层作为底层薄膜，与衬底表面具有很强的结合力，Au作为顶层薄膜，具有很强的延展性，通过原子扩散，极大增加了键合强度；(2)本发明通过中间层材料W/Au实现了GaN HEMT和金刚石的异质集成，避开了CVD多晶金刚石生长的繁琐步骤，以及生长过程中高温对GaN HEMT的影响；(3)本发明实现了常温、大气压条件下金刚石基GaN HEMT的制备，与SAB相比，不仅实现了器件级应用，而且无需超高真空、高平整度和高温退火等苛刻条件，大大降低了工艺成本；(4)本发明开发出新的键合层材料的热导率(W：1.74W·cm^-1·K^-1，Au：3.17W·cm^-1·K^-1)比常用的Si(1.5W·cm^-1·K^-1)，Ti(0.219W·cm^-1·K^-1),Cr(0.937W·cm^-1·K^-1),Ta(0.575W·cm^-1·K^-1)等更高，散热效果更好；(5)本发明直接使用完整的原始GaN HEMT进行制备，工艺简洁高效，并且避免了器件有源层和电极的制备工艺对键合界面产生的影响。

进一步的，本发明中的反溅射功率为30-70W，时间为100-360s，反溅射功率不应过高，时间也不应过长，否则Ar离子束过度轰击样片表面，会导致表面平整度下降，对键合效果产生影响。

附图说明

图1a为GaN HEMT原始器件的结构示意图；

图1b为临时载片示意图；

图1c为金刚石衬底示意图；

图2为临时载片抛光面涂覆粘合剂后示意图；

图3为以临时载片为支撑的原始器件示意图；

图4a为以临时载片为支撑的留有10μm厚SiC原始衬底的减薄后器件示意图；

图4b为以临时载片为支撑的SiC原始衬底完全去除掉的减薄后器件示意图；

图5为减薄后器件背面和金刚石衬底键合面反溅射处理示意图；

图6a为减薄后器件背面溅射W/Au中间层材料示意图；

图6b为金刚石衬底键合面溅射W/Au中间层材料示意图；

图7为溅射有中间层材料的减薄器件背面与金刚石衬底键合面热压键合示意图。

图8为金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明包括以下步骤：

1)依次用丙酮和无水乙醇超声清洗GaN HEMT原始器件(9.5mm×10.5mm×80μm，参阅图1a)，临时载片(本征硅片，10×11×0.5mm，参阅图1b)和多晶金刚石衬底(10×11×0.5mm，参阅图1c)表面。这里使用的GaN HEMT原始器件的原始衬底为SiC。清洗时，先用丙酮超声清洗5min，再用无水乙醇超声清洗5min，最后用无水乙醇涮洗，然后吹干。

2)将临时载片抛光面朝上，在其上涂覆合适的粘结剂，保证粘结剂具有较好柔性并耐受150-200℃的高温烘烤，如AR-P 3510T光刻胶或者LOR剥离胶等，参阅图2，确保涂覆均匀。

3)将原始器件正面朝下，粘结到临时载片上，并放入烘箱中烘烤，得到以临时载片为支撑的原始器件，参阅图3。粘结过程中，轻轻按压，使原始器件与临时载片充分接触，确保粘结剂没有溢出到器件背面。其中，烘烤温度为115-150℃，烘烤时间为5min。

4)使用离子刻蚀，将以临时载片为支撑的器件的原始衬底SiC减薄至小于20μm，完全去除，保证氮化镓外延层完好，得到以临时载片为支撑的减薄后器件，参阅图4a和图4b，其中，图4a是将原始衬底SiC减薄至10μm的器件示意图，图4b是原始衬底SiC被完全去除的器件示意图。

以下步骤主要在图4b所示的原始衬底被完全去除的工艺基础上进行。

5)使用原子力显微镜测试减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面的表面粗糙度，确保表面非常平整。要求减薄后器件的背面均方粗糙度小于10nm，金刚石衬底键合面的均方粗糙度小于5nm。测试及保存过程中，应保证减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面没有受到污染，否则应再次清洗。

6)使用磁控溅射仪，对减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面进行反溅射处理，参阅图5，去除表面污物。其中，反溅射功率为30-70W，时间为100-360s。注意反溅射功率不应过高，时间也不应过长，否则Ar离子束过度轰击样片表面，会导致表面平整度下降，对键合效果产生影响。

7)使用磁控溅射仪，在减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面溅射中间层材料W/Au，参阅图6a和图6b，其中，W层厚度为2-30nm，Au层厚度为5-100nm。

8)使用热压键合使溅射有中间层材料的减薄器件背面与金刚石衬底键合面紧密接触，参阅图7，键合过程中真空度为10^-2-10⁵Pa，键合温度为25-100℃，保温时间为3-10min，键合压力为100-400Kg，键合时间为5-10min。通过中间层材料特性使器件与金刚石衬底紧密结合，实现衬底转移。

9)使用去除剂浸泡键合后的器件，使之与临时载片分离。对于AR-P 3510T光刻胶，去除剂使用丙酮即可；对于LOR剥离胶，去除剂应使用ZX238显影液。

10)使用丙酮和无水乙醇对去除临时载片的键合后器件表面进一步清洗，得到金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管，参阅图8。

本发明将氮化镓高电子迁移率晶体管原始衬底通过离子刻蚀减薄，再利用中间层材料W/Au将氮化镓高电子迁移率晶体管与金刚石衬底进行异质集成，实现转移衬底，制备出金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管，改善其散热性能。

Claims (10)

1.一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在临时载片的表面涂覆粘合剂；

2)将氮化镓高电子迁移率晶体管的正面粘结到临时载片上，并烘烤，得到以临时载片为支撑的原始器件；

3)将以临时载片为支撑的原始器件的衬底进行减薄，得到以临时载片为支撑的减薄后器件；

4)对减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面进行反溅射处理，去除表面污物；

5)在减薄后器件的背面和金刚石衬底键合面溅射中间层材料W/Au；W层作为底层薄膜，Au作为顶层薄膜；

6)通过热压键合使溅射有中间层材料的减薄器件背面与金刚石衬底键合面接触，通过中间层材料的特性使器件与金刚石衬底结合，实现衬底转移；

7)使用去除剂浸泡键合后的器件，使键合后的器件与临时载片分离，得到金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤1)中，临时载片为本征硅片，其正面为抛光面，表面均方粗糙度小于2nm，反面为未抛光面；粘合剂为AR-P3510T光刻胶或者LOR剥离胶。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤2)中，氮化镓高电子迁移率晶体管的衬底材料为硅、蓝宝石或碳化硅；烘烤温度为115-150℃，烘烤时间为3-10min。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤3)中，将器件原始衬底减薄至小于20μm。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤4)中，减薄后器件的背面均方粗糙度小于10nm；金刚石衬底键合面的均方粗糙度小于5nm。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤4)中，金刚石衬底为单晶或多晶。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤4)中，反溅射功率为30-70W，时间为100-360s。

8.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤5)中，W层厚度为2-30nm，Au层厚度为5-100nm。

9.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤6)中，热压键合的条件为：真空度为10^-2-10⁵Pa，键合温度为25-100℃，保温时间为5-10min，键合压力为100-400Kg，键合时间为5-10min。

10.根据权利要求1所述的一种金刚石基氮化镓高电子迁移率晶体管异质集成方法，其特征在于，步骤7)中，当粘合剂为AR-P 3510T光刻胶时，去除剂为丙酮；当粘合剂为LOR剥离胶时，去除剂为ZX238显影液。