CN110211880A - 金刚石基氮化镓hemt结构制造方法 - Google Patents

金刚石基氮化镓hemt结构制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，包括：在第一衬底上依次形成牺牲层和阻挡层；在所述阻挡层上生长氮化物外延层，并在所述氮化物外延层表面沉积第一介质层；选取第二衬底，在所述第二衬底上形成第二介质层；将所述第一介质层和第二介质层键合，使所述氮化物外延层夹在所述第一衬底与第二衬底之间；去除所述第一衬底和牺牲层，暴露出阻挡层；在所述暴露出的阻挡层表面生长金刚石层；去除所述第二衬底、第一介质层和第二介质层。本申请所提出的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，能够便捷的制造出金刚石基HEMT结构，有利于大功率器件的广泛使用和HEMT器件的产业化。

Description

金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法。
背景技术
作为第三代半导体材料的代表，氮化镓(氮化镓)具有许多优良的特性，高临界击穿电场、高电子迁移率、高二维电子气浓度和良好的高温工作能力等。基于氮化镓的第三代半导体器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结场效应晶体管(HFET)等已经得到了应用，尤其在射频、微波等需要大功率和高频率的领域具有明显优势。
微波功率器件由于其工作功率大，发热量也大，如果产生的热量无法及时散发，会加速材料缺陷的延展以及器件的老化失效。传统的氮化镓外延使用蓝宝石以及硅基衬底，其热阻较大，因此无法有效的利用氮化镓材料高功率密度的优点制作大功率器件。低热阻碳化硅衬底的价格昂贵，经过数十年的发展，碳化硅基氮化镓器件也已经趋向功率密度的极限。因此如何进一步提高氮化镓大功率器件的散热能力，是射频微波器件目前面临的一个主要问题，一种直接的解决方法是采用比碳化硅更高导热率的材料，如金刚石，来取代传统的衬底。但是，由于金刚石的高硬度带来的加工难度，以及同氮化物材料之间巨大的晶格常数差异，一直缺乏合适的工艺手段制作基于金刚石衬底的氮化镓HEMT器件。
发明内容
本申请提出一种金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，包括：
在第一衬底上依次形成牺牲层和阻挡层；
在所述阻挡层上生长氮化物外延层，并在所述氮化物外延层表面沉积第一介质层；
选取第二衬底，在所述第二衬底上形成第二介质层；
将所述第一介质层和第二介质层键合，使所述氮化物外延层夹在所述第一衬底与第二衬底之间；
去除所述第一衬底和牺牲层，暴露出阻挡层；
在所述暴露出的阻挡层表面生长金刚石层；
去除所述第二衬底、第一介质层和第二介质层。
在一个实施例中，所述的第一介质层和第二介质层使用高温热融合键合。
在一个实施例中，所述第一介质层和第二介质层材料为氮化硅或者二氧化硅。
在一个实施例中，所述牺牲层三五族氮化物薄膜组成的超晶格结构。
在一个实施例中，所述牺牲层的厚度不超过500nm。
在一个实施例中，所述阻挡层材料为氮化铝
在一个实施例中，所述阻挡层的厚度不小于10nm。
在一个实施例中，在所述氮化物外延层包括依次层叠的氮化镓缓冲层，沟道层和势垒层。
在一个实施例中，所述生长金刚石采用微波增强等离子体化学气相沉积的方法，生长温度为500℃-800℃。
本申请所提出的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，能够便捷的制造出金刚石基HEMT结构，有利于大功率器件的广泛使用和HEMT器件的产业化。
附图说明
图1为制备金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法的流程图；
图2-图5为表示制备根据本发明的一些实施例的金刚石基的氮化镓HEMT结构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明中，在“形成在另一层上的层”中，可以意味着在另一层上方形成层，但不一定层与另一层直接物理或电接触(例如，可以存在一个或多个其他层在两层之间)。然而，在一些实施例中，“在......上形成”可以表示层与另一层的顶面的至少一部分直接物理接触。
本实施例所提出的HEMT结构制造方法请参考图1-图5，所述方法包括：
S10：在第一衬底上通过MOCVD外延生长的方法依次形成牺牲层和阻挡层，以及HEMT高迁移率电子器件结构。
具体的，如图2所示，所述第一衬底10材料可以是蓝宝石或者硅材料。所述牺牲层20生长在所述第一衬底10上。所述牺牲层20材料包括但不限于GaN、AlN，AlGaN，InGaN等三五族氮化物薄膜及其组合所形成的超晶格结构，总体厚度不超过500nm。所述牺牲层的用途是用来调节氮化镓材料同衬底材料之间的晶格失配，降低后续外延层薄膜的应力。同时，该牺牲层还有助于第一衬底的剥离工艺，特别是当衬底为蓝宝石材料的时候。
为了生长所述牺牲层20，可以先用化学试剂如丙酮和甲醇清洗所述衬底10正面面，然后利用氮气干燥，再通过金属有机化学气相沉积或者分子束外延或者直流溅射的方法，在气体环境(氢气或者氮气或者氢气氮气混合气体)或者真空将衬底加热到一定温度(可以是100℃-120℃)，三族氮化物材料生长形成牺牲层20。所述形成牺牲层20的具体工艺条件可以根据实际情况选择。
由于氮化镓材料特殊的极性特征，第一衬底10移除以后的材料表面为氮极性面，其化学特征活跃。如果没有特殊结构保护，那么衬底去除后暴露出来的氮化镓表面易于形成表面缺陷，进而构成漏电通道，恶化射频功率器件的性能。本专利通过外延生长的方法，在形成所述牺牲层20之后，直接将所述阻挡层30生长在所述牺牲层20上，所述阻挡层30材料为氮化铝。由于氮化铝的禁带宽度大于6eV，本身就是良好的绝缘体，因此可以保护后续氮化镓器件外延结构，免于形成漏电通道。所述的阻挡层30的厚度不低于10nm，阻挡层30的厚度越低，所述外延层和后续形成的金刚石层之间的界面热阻就越低，更有利于大功率器件的散热。
在所述的阻挡层30上，继续生长氮化物外延层40，所述氮化物外延层可以包括依次层叠的氮化镓缓冲层，沟道层，势垒层。所述氮化物缓冲层20的厚度为100nm-10um。所述势垒层材料包括但不限于AlGaN或者InAlN，所述势垒层的厚度为3nm-100nm。所述势垒层可以通过金属有机化学气相沉积或者分子束外延或者直流溅射的方法生长形成。所述沟道层材料包括但不限于GaN或者InGaN。所述沟道层与所述势垒层相接触的表面存在有二维电子气，所述二维电子气具有高电子密度和高电子迁移率。所述沟道层可以通过金属有机化学气相沉积或者分子束外延或者直流溅射的方法生长形成。
S20：在所述外延层40表面采用化学气相沉积(CVD)的方法，沉积第一介质层50。然后选取第二衬底60，在其表面也采用化学气相沉积的方法沉积第二介质层70。然后通过键合工艺，将第一介质层50和第二介质层70键合在一起，形成如图3所示的结构。
所述的第二衬底50也采用蓝宝石或者硅材料，由于后续键合工艺需要达到一定的温度，为了避免热膨胀失配引起的键合缺陷，第一衬底10和第二衬底60采用相同的材料。
所述第一介质层50和第二介质层70采用二氧化硅或者氮化硅，以及两者的可能组合。介质层的沉积可采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)或者高温低压力化学气相沉积(LPCVD)方法，使用的反应气体包括但不限于硅烷(SiH4)、氧气(O2)、氨气(NH3)、氮气(N2)、笑气(N2O)等，沉积温度在200～900C之间，介质层厚度不小于100nm。
将所述的第一衬底10和第二衬底60进行直接键合：以各面上的介质层作为媒介，使用高温热融合键合(fusion bonding)的方法将所述第一介质层50和第二介质层70键合。为了实现键合，所述第一介质层50和第二介质层70表面需要进行必要的清洁，研磨抛光，以及活化处理，抛光完成的介质层表面粗糙度在1nm以下，这样使得两片衬底紧贴在一起时，介质层原子之间的范德华力可以将衬底直接粘合为一体。键合完毕以后，HEMT外延结构被夹在两个衬底之间。为了达到足够高的键合强度，键合后的衬底结合对需经历高温处理，处理温度不低于200C。
S30：完全剥离去除第一衬底10，以及第一衬底10上的牺牲层20，暴露出阻挡层30，形成图4所示的结构。
如果第一衬底10为蓝宝石材料，那么可以采用激光剥离的方法去除第一衬底10。所使用的激光为紫外线准分子激光，波长范围通常在190～250nm范围内，对蓝宝石完全透明，但是对应的能量大于氮化镓能带宽度，可以被牺牲层完全吸收，从而实现牺牲层的分解以及第一衬底的分离。
如果第一衬底10为硅材料，那么可以采用研磨减薄结合干法刻蚀的方法去除第一衬底10。研磨减薄通常使用金刚砂轮对硅衬底的背面进行削磨，减薄速率不低于5微米每分钟，减薄后第一衬底的厚度通常在20-50微米之间。通常减薄后的第一衬底还需要进行抛光研磨，以减小表面粗糙度至1微米以下。剩余的第一衬底硅材料可以使用等离子体刻蚀技术完全去除。由于此处无需保留硅材料，无需顾虑刻蚀的各项异性，因此通常仅使用六氟化硫(SF6)为反应气体以提高刻蚀速率，减少聚合物的产生，同时提高过刻蚀比例以完全去除第一衬底。
第一衬底10去除后，剩余的氮化物牺牲层20可以通过含氯等离子体干法刻蚀来去除。刻蚀过程中，可以在反应气体里添加适量的氧气或者含氟气体，并控制反应功率，使得刻蚀可以停止在阻挡层30表面。为了去除过刻蚀对阻挡层30带来的表面缺陷，可以通过精细抛光的方法去掉少量阻挡层。
S40：以第二衬底60作为载片，在暴露出的阻挡层30表面采用化学气相沉积的方法生长金刚石层80。然后移除第二衬底80，以及用于键合的第一介质层50和第二介质层70，形成如图5所示的结构。
所述生长金刚石层80采用微波增强等离子体化学气相沉积的方法，需要首先在衬底表面，即暴露出阻挡层30表面，备制一层仔晶作为形核层，然后使用微波谐振装置激发含碳的甲烷和氢气的混合气体形成等离子体，可以快速沉积多晶金刚石薄膜，生长温度仍需达到500-800C。这也是前述工艺采用介质层高温热融合键合的原因，因为只有以二氧化硅、氮化硅作为键合媒介，第二衬底和外延结构才能承受高温不发生分离。
金刚石薄膜的生长厚度一般需大于100um，然后整个晶圆反过来以剥离第二衬底。如果第二衬底60为蓝宝石，则仍可以通过准分子激光剥离的方法剥离第二衬底，但是第二介质层70必须含有氮化硅，其禁带宽度约在2～4eV之间，可以吸收深紫外波长而发生分解，从而充当剥离的牺牲层，将第二衬底分离。如果第二衬底60为硅，则可以通过类似前述的方法进行减薄和干法刻蚀去除，这里就不在赘述。第二衬底60分离以后，再通过氢氟酸溶液的湿法处理去除剩余的第一介质层50和第二介质层70，则整个HEMT外延结构就被转移到金刚石薄膜衬底上，中间以宽禁带的氮化铝层作为绝缘阻挡层。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，包括：
在第一衬底上依次形成牺牲层和阻挡层；
在所述阻挡层上生长氮化物外延层，并在所述氮化物外延层表面沉积第一介质层；
选取第二衬底，在所述第二衬底上形成第二介质层；
将所述第一介质层和第二介质层键合，使所述氮化物外延层夹在所述第一衬底与第二衬底之间；
去除所述第一衬底和牺牲层，暴露出阻挡层；
在所述暴露出的阻挡层表面生长金刚石层；
去除所述第二衬底、第一介质层和第二介质层。
2.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，所述的第一介质层和第二介质层使用高温热融合键合。
3.根据权利要求2所述的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层材料为氮化硅或者二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，所述牺牲层三五族氮化物薄膜组成的超晶格结构。
5.根据权利要求4所述的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度不超过500nm。
6.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，所述阻挡层材料为氮化铝。
7.根据权利要求6所述的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度不小于10nm。
8.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，在所述氮化物外延层包括依次层叠的氮化镓缓冲层，沟道层和势垒层。
9.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓HEMT结构制造方法，其特征在于，所述生长金刚石采用微波增强等离子体化学气相沉积的方法，生长温度为500℃-800℃。
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