CN111668159A - 一种可剥离蓝宝石衬底的氮化镓基垂直器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可剥离蓝宝石衬底的氮化镓基垂直器件制备方法，属于半导体器件技术领域。具体步骤为，准备蓝宝石衬底，厚度为300um；采用典型的金属有机物化学气相沉淀MOCVD方法，在蓝宝石衬底上生长一层氮化镓化合物缓冲层；形成电极，准备载板，在载板正面沉积多层介质膜，形成载板互联线，再将氮化镓外延结构倒装至载板，减薄后再形成电极，最后划片。优点在于，该工艺相比同质外延结构又具有较低的成本，从而适用大规模化生产制造。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种可剥离蓝宝石衬底的氮化镓基垂直器件制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)作为一种宽禁带化合物半导体材料，具有高击穿场强和电子迁移率，在LED照明领域已经拥有广阔的市场，同时在高频通信和功率转换领域也有巨大的应用前景。由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，所以，目前商业化的GaN基器件基本都是采用异质外延的结构(例如蓝宝石、Si、SiC等)。
其中，最常用的异质结构是与GaN晶系结构相容的蓝宝石衬底。由于蓝宝石是绝缘体，常温下电阻率较大，导致无法在外延结构的蓝宝石面制作电极，制造垂直器件。通常只能在外延层的表面上制作电极，形成水平器件。对于应用在高频、高压、大功率的功率转换装置上时，通常要求GaN器件具有较高的耐压程度。而水平器件往往需要较大的面积，才能维持较大的表面电场。因此，垂直器件的优势就在于能够在不增大表面面积情况下，通过增加垂直方向上材料的厚度，来维持较高的耐压等级。其次，采用水平结构的LED发光二极管器件，存在有效发光面积较小，使材料的利用率降低的问题。另外，蓝宝石热导率约为0.25W/cm·K(@100℃)，导热性能较差。在大功率器件中，采用蓝宝石作为衬底，会面临严重的散热问题。
如果采用激光剥离技术将蓝宝石异质衬底进行剥离，由于蓝宝石衬底和GaN化合物材料层结合紧密，通常需要较大的激光能量才能够将界面完全分开，然而较大的激光能量会造成GaN化合物材料层的表面损伤较大，影响器件的性能。因此，为了达到较低的材料损伤，采用研磨减薄的方式剥离蓝宝石衬底。采用研磨的方式对形成于蓝宝石衬底上的GaN化合物材料层(通常是GaN的应力缓冲层)，从蓝宝石衬底背面进行减薄，通过控制减薄厚度，直至分解蓝宝石衬底和GaN缓冲层界面并将其剥离。蓝宝石衬底剥离技术面临一个主要的挑战：GaN化合物材料层的热膨胀系数与蓝宝石的热膨胀系数不同，且化合物材料层通常较薄(只有几个μm左右)，在剥离期间会出现外延层弯折的现象。为了解决该问题，本发明提出一种新的蓝宝石衬底的氮化镓基垂直器件结构及形成方法，目的在于改善减薄工艺对GaN外延结构造成的应力损伤，提高垂直器件的制造良率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可剥离蓝宝石衬底的氮化镓基垂直器件制备方法，解决了在剥离期间会出现外延层弯折的问题。
一种可剥离蓝宝石衬底的氮化镓基垂直器件制备方法，具体步骤及参数如下：
1、准备蓝宝石衬底1，用于生长的GaN的晶面为蓝宝石正面(通常为Ga面)，厚度约为300um。
2、外延结构生长：采用典型的金属有机物化学气相沉淀MOCVD方法，在步骤1完成的蓝宝石衬底1上生长一层氮化镓化合物缓冲层2，为1um～5um。用同样的方式在氮化镓化合物缓冲层2上生长单晶氮化镓层，为0.1um～3um。
3、电极形成：在GaN层3表面通过典型的光刻工艺、金属工艺(溅射、蒸发、电镀、沉积任一种)、退火工艺形成电极4。电极4金属由Al、Ag、Pd、Pt、Ti、Ni、Au、Cu、Cr中的一种或多种元素的合金构成。阳极金属厚度为0.1um～5um。
4、载板准备：要求载板由高电阻率的绝缘基材材料构成，一般为高阻硅、FR4、树脂等材料。
5、载板上介电层制造：在载板正面沉积多层介质膜(一般为硬质光刻胶介质，如聚酰亚胺等材料)，介质膜厚度要求与氮化镓外延结构上电极4的厚度相当(约为3um)，保证介质能够最大程度的支撑氮化镓外延结构。最终在介电层6上预留外延结构的电极4开孔，为后续外延结构贴装在载板5上准备。
6、载板互联线形成：采用电镀工艺形成互联线7，金属材料一般为铜，厚度约为2um。与形成介电层6的工艺同时进行，目的为了将氮化镓外延结构的电极4通过载板5上的互联线7，引出至其他没有放置外延结构的载板5位置上，方面后续测量或者集成其他组件。
7、氮化镓外延结构倒装至载板：采用高精度的贴片设备，将GaN外延结构含有电极4的一面与载板5正面相接触，电极4位置按照载板5预设计的开孔位置进行对准，然后采用回流焊的方式将GaN外延结构固定至载板5。同时，载板5上的介电层6能够紧紧贴合GaN外延结构，支撑后续减薄工艺。
8、减薄工艺：将步骤7形成的结构蓝宝石面利用化学机械研磨工艺进行减薄，去除掉所有的蓝宝石衬底1(大约厚度300um)，减薄至GaN化合物层2。
9、电极形成：在步骤:8形成的GaN化合物层2上，通过典型的光刻工艺、金属工艺(溅射、蒸发、电镀、沉积任一种)、退火工艺形成电极4。电极4金属由Al、Ag、Pd、Pt、Ti、Ni、Au、Cu、Cr中的一种或多种元素的合金构成。厚度为2um～3um。
10、划片：将载板5按照器件区域进行划片，形成可以独立工作的分立功率器件。
上述方法制备的器件结构包括GaN外延结构及其载板结构。GaN外延结构用于制造功率器件。载板结构用于承载激光剥离后的GaN外延结构。
所述外延结构包括生长GaN的蓝宝石衬底1、GaN化合物层2、GaN层3、以及电极4。
所述载板结构包括载板、载板上介质、介质内互联线7。介质的高度足够支撑GaN的外延结构。
本发明的优点在于，剥离工艺是形成垂直器件的关键工艺步骤，通过图形化的方法形成容易剥离的蓝宝石衬底，能够解决采用异质外延制造的垂直器件缓冲层位错密度较高的问题，减少垂直方向上泄露电流的路径，提高器件的耐压等级。同时，该工艺相比同质外延结构又具有较低的成本，从而适用大规模化生产制造。
附图说明
图1为步骤1-3示意图。其中，蓝宝石衬底1，氮化镓化合物层2，GaN层3，电极4。
图2为步骤4-6示意图。其中，载板5，介电层6，互联线7。
图3为步骤7示意图。其中，蓝宝石衬底1，氮化镓化合物层2，GaN层3，载板5，介电层6，互联线7，电极4。
图4为步骤8示意图。其中，蓝宝石衬底1，氮化镓化合物层2，GaN层3，载板5，介电层6，互联线7，电极4。
图5为步骤9示意图。其中，蓝宝石衬底1，氮化镓化合物层2，GaN层3，载板5，介电层6，互联线7，电极4。
图6为步骤10示意图。其中，蓝宝石衬底1，氮化镓化合物层2，GaN层3，载板5，介电层6，互联线7，电极4。
具体实施方式
一种可剥离蓝宝石衬底的氮化镓基垂直器件制备方法，具体步骤及参数如下：
1、准备蓝宝石衬底1，用于生长的GaN的晶面为蓝宝石正面(通常为Ga面)，厚度约为300um。
2、外延结构生长：采用典型的金属有机物化学气相沉淀MOCVD方法，在步骤1完成的蓝宝石衬底1上生长一层氮化镓化合物缓冲层2为2um；用同样的方式在氮化镓化合物缓冲层2上生长单晶氮化镓层1um。
3、电极形成：在GaN层3表面通过典型的光刻工艺、金属工艺、退火工艺形成电极4。电极4金属由Al、Ag、Pd合金构成。阳极金属厚度为1um。
4、载板准备：要求载板由高电阻率的绝缘基材材料构成，为高阻硅。
5、载板上介电层制造：在载板正面沉积多层介质膜，介质膜厚度要求与氮化镓外延结构上电极4的厚度相当(约为3um)，保证介质能够最大程度的支撑氮化镓外延结构。最终在介电层6上预留外延结构的电极4开孔，为后续外延结构贴装在载板5上准备。
6、载板互联线形成：采用电镀工艺形成互联线7，金属材料一般为铜，厚度约为2um。与形成介电层6的工艺同时进行，目的为了将氮化镓外延结构的电极4通过载板5上的互联线7，引出至其他没有放置外延结构的载板5位置上，方面后续测量或者集成其他组件。
7、氮化镓外延结构倒装至载板：采用高精度的贴片设备，将GaN外延结构含有电极4的一面与载板5正面相接触，电极4位置按照载板5预设计的开孔位置进行对准，然后采用回流焊的方式将GaN外延结构固定至载板5。同时，载板5上的介电层6能够紧紧贴合GaN外延结构，支撑后续减薄工艺。
8、减薄工艺：将步骤7形成的结构蓝宝石面利用化学机械研磨工艺进行减薄，去除掉所有的蓝宝石衬底1(大约厚度300um)，减薄至GaN化合物层2。
9、电极形成：在步骤:8形成的GaN化合物层2上，通过典型的光刻工艺、金属工艺(溅射、蒸发、电镀、沉积任一种)、退火工艺形成电极4。电极4厚度为2um。
10、划片：将载板5按照器件区域进行划片，形成可以独立工作的分立功率器件。
Claims (5)
1.一种可剥离蓝宝石衬底的氮化镓基垂直器件制备方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)准备蓝宝石衬底(1)，用于生长的GaN的晶面为蓝宝石正面，厚度约为300um；
2)外延结构生长：采用典型的金属有机物化学气相沉淀MOCVD方法，在步骤1)完成的蓝宝石衬底(1)上生长一层氮化镓化合物缓冲层(2)，为1um～5um。用同样的方式在氮化镓化合物缓冲层(2)上生长单晶氮化镓层，为0.1um～3um；
3)电极形成：在GaN层(3)表面通过典型的光刻工艺、金属工艺、退火工艺形成电极(4)；
4)载板准备：要求载板由高电阻率的绝缘基材材料构成；
5)载板上介电层制造：在载板正面沉积多层介质膜，介质膜厚度要求与氮化镓外延结构上电极(4)的厚度相当，保证介质能够最大程度的支撑氮化镓外延结构；最终在介电层(6)上预留外延结构的电极(4)开孔，为后续外延结构贴装在载板(5)上准备；
6)载板互联线形成：采用电镀工艺形成互联线(7)，金属材料为铜，厚度为2um；与形成介电层(6)的工艺同时进行，目的为了将氮化镓外延结构的电极(4)通过载板(5)上的互联线(7)，引出至其他没有放置外延结构的载板(5)位置上，方面后续测量或者集成其他组件；
7)氮化镓外延结构倒装至载板：采用高精度的贴片设备，将GaN外延结构含有电极(4)的一面与载板(5)正面相接触，电极(4)位置按照载板(5)预设计的开孔位置进行对准，然后采用回流焊的方式将GaN外延结构固定至载板(5)；同时，载板(5)上的介电层(6)能够紧紧贴合GaN外延结构，支撑后续减薄工艺；
8)减薄工艺：将步骤7)形成的结构蓝宝石面利用化学机械研磨工艺进行减薄，去除掉所有的蓝宝石衬底(1)，减薄至GaN化合物层(2)；
9)电极形成：在步骤8)形成的GaN化合物层(2)上，通过典型的光刻工艺、金属工艺、退火工艺形成电极(4)；
10)划片：将载板(5)按照器件区域进行划片，形成可以独立工作的分立功率器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备的器件结构包括GaN外延结构及其载板结构；GaN外延结构用于制造功率器件；载板结构用于承载激光剥离后的GaN外延结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延结构包括生长GaN的蓝宝石衬底(1)、GaN化合物层(2)、GaN层(3)和电极(4)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述电极(4)金属由Al、Ag、Pd、Pt、Ti、Ni、Au、Cu、Cr中的一种或多种元素的合金构成；阳极金属厚度为0.1um～5um。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中所述的绝缘基材材料为高阻硅、FR4或树脂材料。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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