CN110349924A - 一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法 - Google Patents

一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，包括：基于刻蚀技术初步实现片内散热区域的前期图形；利用ICP分步刻蚀技术实现对散热区内部刻蚀表面形貌的控制；引入高导热缓冲层材料进行刻蚀表面预生长技术；进行片内定向金刚石生长技术，实现其片内嵌入金刚石复合衬底的制备，最后进行氮化镓晶体管的制备。本发明利用刻蚀控制表面形貌和引入高导热缓冲层，提高其SiC衬底和金刚石散热区的界面质量，降低其界面热阻，近而达到提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的目的。

Description

一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺 方法
技术领域
本发明属于氮化镓大功率器件热管理开发技术领域，特别是一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法。
背景技术
随着器件高功率和小型集成化的发展，现阶段在GaN功率器件的研制和应用进程中，GaN器件在高功率状态下的可靠性面临严峻挑战，导致其大功率性能优势远未充分发挥。其主要原因之一是GaN微波功率芯片在工作时存在自热效应，且随功率的增大而增加，加大了在输出大功率的同时芯片有源区的热积累效应，使器件的性能和可靠性下降，氮化镓器件芯片级热管理技术已成为大功率器件领域重要研究热点之一。
目前，应用于功率器件的芯片级热管理技术主要包括采用金刚石衬底材料、金刚石钝化层材料和嵌入金刚石高效散热区等途径。而采用嵌入金刚石高效散热区的氮化镓晶体管的片内热输运能力严重依赖与金刚石和SiC衬底的界面热阻，因此，如何提升金刚石和SiC衬底的界面质量，降低其界面热阻，是进一步提升内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，包括以下步骤：
步骤1、基于光刻、电镀、刻蚀完成片内衬底散热区域的前期图形；
步骤2、利用ICP分步刻蚀技术对片内衬底散热区内部刻蚀表面形貌；
步骤3、采用蒸发或溅射技术，引入高导热缓冲层材料进行刻蚀表面预生长；
步骤4、进行片内定向金刚石生长，实现其片内嵌入金刚石复合衬底的制备；
步骤5、最后进行氮化镓晶体管的制备。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)通过巧妙合理的引入ICP分步刻蚀技术实现片内衬底散热区内部刻蚀表面形貌的控制，为金刚石的定向生长提供了优良界面；(2)引入SiN高导热缓冲层材料进行刻蚀表面预生长，有效缓解SiC衬底和嵌入金刚石材料的晶格匹配，提升其界面质量，达到提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的目的。
附图说明
图1是本发明提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法流程图。
图2是本发明实施例中工艺示意图。
图3(a)、图3(b)为传统工艺和本发明工艺结温对比图。
具体实施方式
如图1所示，一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，利用刻蚀控制表面形貌和引入高导热缓冲层，提高其SiC衬底和金刚石散热区的界面质量，降低其界面热阻，近而达到提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的目的，该方法具体包括以下步骤：
(1)基于传统的光刻、电镀、刻蚀等技术初步实现片内衬底散热区域的前期图形，如图2-A所示，采用厚镍金属作为衬底刻蚀的掩膜；厚镍金属的厚度为5-10微米，片内衬底为SiC、Si或蓝宝石。
(2)利用ICP分步刻蚀技术实现对片内衬底散热区内部刻蚀表面形貌的控制，其刻蚀表面的粗糙度小于15nm，如图2-B所示。第一步的SiC刻蚀速率控制在1um/min以内，刻蚀深度为总深度的85-95％；第二步刻蚀采用慢刻蚀，刻蚀速率控制在0.2um/min以内，并引入气体含量5-10％的Ar气进行刻蚀面的控制。
(3)采用蒸发或溅射技术引入SiN高导热缓冲层材料进行刻蚀表面预生长，SiN缓冲层材料厚度不超过15nm，高导热缓冲层热阻小于等于50m2K/GW；如图2-C所示。
(4)采用抛光工艺处理掉非散热区表面的SiN缓冲层，随后采用CVD进行散热区金刚石材料的定向生长进行片内定向金刚石生长，如图2-D所示，实现其片内嵌入金刚石复合衬底的制备。
(5)最后采用传统工艺进行氮化镓晶体管有源区的制备，如图2-E所示。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例针对片内嵌入金刚石氮化镓晶体管的制备，进行界面工艺控制，提升其芯片内部热输运能力。
①基于传统的光刻、电镀、刻蚀等技术初步实现片内SiC衬底散热区域的前期图形，该散热区的表面尺寸和氮化镓晶体管设计的有源区尺寸一致为300um*125um，并采用厚镍金属作为SiC刻蚀的掩膜。
②利用ICP分步刻蚀技术实现对片内衬底散热区内部刻蚀表面形貌的控制。SiC厚度为190um，散热区的刻蚀深度为180um，前期的SiC刻蚀速率控制在1um/min，刻蚀深度为总深度160um；随后的20um深度刻蚀采用慢刻蚀，引入气体含量5％的Ar气进行刻蚀面的控制，刻蚀速率控制在0.2um/min；刻蚀完测试其表面粗糙度为13.7nm。
③采用蒸发工艺引入SiN高导热缓冲层材料进行刻蚀表面预生长，SiN缓冲层材料厚度为13nm。
④采用抛光工艺处理掉非散热区表面的SiN缓冲层，随后采用CVD进行散热区金刚石材料的定向生长进行片内定向金刚石生长，实现其片内嵌入金刚石复合衬底的制备。
⑤最后进行氮化镓晶体管有源区的制备，并进行其散热能力测试，在相同工作条件下，其结温比未进行界面控制的传统工艺降低8.5％，如图3(a)、图3(b)所示，有效提升了其芯片内部热输运能力。

Claims (6)

1.一种提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于光刻、电镀、刻蚀技术实现片内衬底散热区域的前期图形；
步骤2、利用ICP分步刻蚀技术对片内衬底散热区内部刻蚀表面形貌；
步骤3、采用蒸发或溅射技术，引入高导热缓冲层材料进行刻蚀表面预生长；
步骤4、进行片内定向金刚石生长，实现其片内嵌入金刚石复合衬底的制备；
步骤5、最后进行氮化镓晶体管的制备。
2.根据权利要求1所述的提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，其特征在于，片内衬底散热区的刻蚀是采用ICP分步刻蚀控制其内部刻蚀表面形貌，其刻蚀表面的粗糙度小于15nm。
3.根据权利要求2所述的提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，其特征在于，所述ICP分步刻蚀是基于刻蚀速率和刻蚀气氛的调节，第一步刻蚀的速率控制在1um/min以内，第二步刻蚀的速率控制在0.2um/min以内，并引入气体含量5-10％的Ar气。
4.根据权利要求1所述的提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，其特征在于，引入高导热缓冲层材料进行刻蚀表面预生长厚度不超过15nm，其材料为SiN介质。
5.根据权利要求1或4所述的提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，其特征在于，高导热缓冲层热阻小于等于50m2K/GW。
6.根据权利要求1所述的提升片内嵌入金刚石氮化镓晶体管热输运能力的工艺方法，其特征在于，片内衬底为SiC、Si或蓝宝石。
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