CN111900107B - 基于直接键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管制备方法 - Google Patents

基于直接键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于直接键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管制备方法，包括：清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片；碳化硅基氮化镓圆片与临时载片正面相对临时键合；去除碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底；清洗氮化镓外延层；在氮化镓外延层表面和金刚石衬底表面分别蒸发金属层；利用氩原子束对氮化镓外延层与金刚石衬底表面的金属层进行轰击并完全去除掉金属层，并进行键合；去除液分离金刚石基氮化镓与临时载片；在金刚石基氮化镓正面制备晶体管。本发明利用直接键合工艺将氮化镓外延层与金刚石衬底结合在一起，减少了对氮化镓外延层损伤的风险，同时减少了低热导率键合材料的引入，可进一步提高金刚石对氮化镓晶体管的散热效果。

Description

基于直接键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管制备方法
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种基于直接键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管制备方法。
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实现金刚石衬底与氮化镓的键合，这种方法需要引入低热导率的键合材料，从而使得基于金刚石衬底的氮化镓晶体管性能优势无法充分发挥。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于直接键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管制备方法，旨在获得金刚石基氮化镓圆片并且制备晶体管，发挥金刚石衬底高热导率的优势，提高氮化镓晶体管的输出功率。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于直接键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管制备方法，包括以下步骤：
1)清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片；
2)在临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料；
3)将临时载片正面朝上放在热板上烘烤；
4)待临时载片在室温下自然冷却后，将碳化硅基氮化镓圆片和临时载片正面相对进行键合；
5)将碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底减薄抛光至小于50微米的厚度，然后利用反应等离子体刻蚀去除掉剩余的碳化硅衬底，同时刻蚀会停止在刻蚀停止层，得到以临时载片为支撑的氮化镓外延层；利用二氧化硅纳米悬浮液对氮化镓外延层表面进行抛光；
6)利用电子束蒸发的方式在以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底表面分别蒸发小于10纳米的金属层；
7)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金属层利用氩原子束进行轰击并完全去除掉金属层，处理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-6000毫巴的压力，温度为200-300摄氏度，得到基于直接键合的金刚石基氮化镓外延层圆片；
8)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；
9)在金刚石基氮化镓圆片上制备氮化镓晶体管。
进一步的，步骤1)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。
进一步的，步骤2)在临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料，转速1000转/分钟-3000转/分钟，时间为30-60秒。
进一步的，步骤3)将临时载片正面朝上放在热板上烘烤2-5分钟，热板温度100-110摄氏度。
进一步的，步骤4)待临时载片在室温下自然冷却后，将碳化硅基氮化镓圆片和临时载片正面相对在温度为250-350摄氏度的条件下键合。
进一步的，步骤5)中抛光后氮化镓外延层表面的粗糙度小于1纳米。
进一步的，步骤6)中所述金属层为金、钛、钨或镍。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明利用直接键合工艺直接实现金刚石衬底与氮化镓外延层的紧密结合，可最大限度的发挥金刚石的高热导率优势；(2)本发明中蒸发金属层是为了减少氩原子束对氮化镓外延层与金刚石衬底表面的轰击作用，提高金刚石衬底与氮化镓外延层之间的键合强度。
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蒸发金属层示意图。
图7是在金刚石衬底表面蒸发金属层示意图。
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直接键合示意图。
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。
①准备样品：将碳化硅基氮化镓圆片和临时载片用稀释的盐酸和去离子水清洗干净，并烘干，如图1、图2所示。
②在临时载片正面涂敷粘合材料：在临时载片的正面滴适量的粘合材料，根据不同厚度需要用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，热板温度在100-110摄氏度左右，时间2～5分钟，如图3所示。
③临时键合：将碳化硅基氮化镓圆片和临时载片的正面相对叠在一起，利用键合机进行圆片键合，键合温度为250-350摄氏度，键合时间1-2小时，如图4所示。
④背面工艺：键合完成后碳化硅基氮化镓圆片的衬底经过磨片，磨到碳化硅衬底厚度剩余100微米左右，然后进行抛光，抛光至碳化硅衬底厚度剩余50微米左右，再用把剩余碳化硅衬底利用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，如图5所示。
⑤蒸发：利用电子束蒸发的方式在以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底表面分别蒸发小于10纳米的金属层，此金属层可为金、钛、钨、镍等等，如图6、图7所示。
蒸发金属层是为了减少氩原子束对氮化镓外延层与金刚石衬底表面的轰击作用，提高金刚石衬底与氮化镓外延层之间的键合强度。
⑥键合：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金属层利用氩原子束进行轰击并完全去除掉金属层，处理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-6000毫巴的压力，温度为200-300摄氏度，得到基于直接键合的金刚石基氮化镓外延层圆片，如图8所示。
⑦去键合：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9所示。
⑧制备器件：在金刚石基氮化镓圆片上制备晶体管，如图10所示。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种金刚石基氮化镓晶体管的制备方法，具体包括：
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摄氏度，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摄氏度，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)利用电子束蒸发的方式在以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底表面分别蒸发8纳米的金属钛；
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金属钛层利用氩原子束进行轰击并完全去除掉金属钛层，处理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，温度为250摄氏度，得到基于直接键合的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。
经过以上步骤，就实现了金刚石基氮化镓晶体管的制备。

Claims (7)

1.一种基于直接键合工艺的金刚石基氮化镓晶体管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片；
2)在临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料；
3)将临时载片正面朝上放在热板上烘烤；
4)待临时载片在室温下自然冷却后，将碳化硅基氮化镓圆片和临时载片正面相对进行键合；
5)将碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底减薄抛光至小于50微米的厚度，然后利用反应等离子体刻蚀去除掉剩余的碳化硅衬底，同时刻蚀会停止在刻蚀停止层，得到以临时载片为支撑的氮化镓外延层；利用二氧化硅纳米悬浮液对氮化镓外延层表面进行抛光；
6)利用电子束蒸发的方式在以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底表面分别蒸发小于10纳米的金属层；
7)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金属层利用氩原子束进行轰击并完全去除掉金属层，处理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-6000毫巴的压力，温度为200-300摄氏度，得到基于直接键合的金刚石基氮化镓外延层圆片；
8)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；
9)在金刚石基氮化镓圆片上制备氮化镓晶体管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)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。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)在临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料，转速1000转/分钟-3000转/分钟，时间为30-60秒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)将临时载片正面朝上放在热板上烘烤2-5分钟，热板温度100-110摄氏度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)待临时载片在室温下自然冷却后，将碳化硅基氮化镓圆片和临时载片正面相对在温度为250-350摄氏度的条件下键合。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中抛光后氮化镓外延层表面的粗糙度小于1纳米。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6)中所述金属层为金、钛、钨或镍。
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