CN112992678A - 基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，属于半导体制造技术领域，包括：SiC衬底正面制备GaN异质结层；减薄SiC衬底；刻蚀SiC衬底；生长金刚石层；去除牺牲层及其上的金刚石层；GaN异质结层的正面制备源极、漏极和栅极；刻蚀SiC衬底和GaN异质结层，形成与源极连通的源通孔；去除通孔掩膜层，制备背面接地金属，完成金刚石衬底GaN晶体管器件的制备。本发明提供的制备方法，借助SiC刻蚀通孔，取代难度较大的金刚石激光通孔，实现金刚石上GaN异质结器件背面通孔接地，为金刚石衬底GaN晶体管器件的制备提供了方便；同时，由于只是在背面部分小区域去除了SiC衬底，避免了材料大的形变，为后序正面工艺提供了方便。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，更具体地说，是涉及一种基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法。
背景技术
金刚石衬底GaN晶体管技术近年来逐渐引起国内外学者和产业界的关注，此技术相比目前主流的SiC衬底GaN晶体管技术在高功率和高频微波领域有潜在的应用。多晶金刚石衬底的高热导率能显著提高晶体管的热管理能力，从而将GaN基RF器件的功率密度提升到3倍。目前主流的金刚石衬底GaN晶体管的制备工艺有两种主要技术路线，一是去除背面SiC衬底后在背面外延生长多晶金刚石，二是把去除背面SiC衬底后的晶圆和多晶金刚石进行晶圆级键合，然后在金刚石衬底GaN HEMT正面做S(源)，G(栅)和D(漏)金属电极，做通孔和背面电极实现源接地。
这种方法目前的技术瓶颈是：制备的金刚石衬底GaN HEMT(氮化镓晶体管)，由于背面SiC衬底的去除和高温下金刚石的生长，材料的形变比较大，为后续正面工艺带来了挑战，二是金刚石通孔工艺难度大，不成熟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，旨在解决金刚石刻蚀难度大，导致通孔工艺难度大且工艺复杂的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，包括：
步骤一，SiC衬底正面制备GaN异质结层；
步骤二，减薄所述SiC衬底；
步骤三，在减薄的所述SiC衬底背面生长牺牲层；
步骤四，在所述牺牲层上涂光刻胶；
步骤五，曝光、显影，在所述牺牲层上形成金属掩膜区图形；
步骤六，蒸发、剥离金属，在所述金属掩膜区图形上制备金属掩膜层；
步骤七，去除金属掩膜层覆盖以外区域的牺牲层，在所述牺牲层上形成凹槽区；
步骤八，湿法去除所述金属掩膜层；
步骤九，以保留的牺牲层为掩膜，刻蚀SiC衬底，使所述凹槽区延伸至所述GaN异质结层的背面；
步骤十，在保留的牺牲层上以及GaN异质结层的背面生长金刚石层；
步骤十一，湿法去除保留的牺牲层及其上的金刚石层；
步骤十二，GaN异质结层的正面制备源极、漏极和栅极；
步骤十三，在保留的金刚石层和保留的SiC衬底上制备通孔掩膜层；
步骤十四，以通孔掩膜层为掩膜，刻蚀SiC衬底和GaN异质结层，形成与源极连通的源通孔；
步骤十五，去除通孔掩膜层，制备背面接地金属，完成金刚石衬底GaN晶体管器件的制备。
作为本申请另一实施例，步骤一中，所述GaN异质结层包括缓冲层、沟道层和势垒层。
作为本申请另一实施例，步骤一中，所述GaN异质结层包括缓冲层、沟道层、插入层、势垒层和帽层，其中，所述插入层为1～2nm AlN层，所述帽层为2～4nm GaN层。
作为本申请另一实施例，步骤一中，所述势垒层为AlxGaN，0＜x≤1；或者，所述势垒层为InxAlN，0＜x≤1；或者，所述势垒层为InxAlyGaN，0≤x＜1，0＜y≤1，0≤x+y≤1。
作为本申请另一实施例，步骤一中，所述缓冲层为AlN，所述沟道层为GaN。
作为本申请另一实施例，步骤二中，所述SiC衬底厚度大于300μm，减薄后的SiC衬底厚度为1μm～100μm。
作为本申请另一实施例，步骤三中，所述牺牲层为SiO2。
作为本申请另一实施例，步骤十中，所述金刚石层的厚度相比牺牲层和减薄后的SiC衬底厚度总和至少小1μm。
作为本申请另一实施例，步骤十三中，所述通孔掩膜层为SiO2或金属Ni。
作为本申请另一实施例，步骤十五中，通过磁控溅射和电镀形成通孔金属化和背面接地金属。
本发明提供的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，通过保留通孔区SiC衬底，借助SiC刻蚀通孔取代难度较大的金刚石激光通孔工艺，实现金刚石上GaN异质结器件背面通孔接地，为金刚石衬底GaN HEMT器件的制备提供了方便；同时，SiC衬底GaNHEMT晶圆上只是在背面部分小区域去除了SiC，避免了材料大的形变，为后序正面工艺制备提供了方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法的结构示意图。
图中：1、SiC衬底；2、缓冲层；3、沟道层；4、插入层；5、势垒层；6、帽层；7、牺牲层；8、光刻胶；9、金属掩膜层；10、金刚石层；11、源极；12、栅极；13、漏极；14、通孔掩膜层；15、源通孔；16、背面接地金属；17、金属化通孔。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，现对本发明提供的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法进行说明。所述基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，包括：
步骤一，参见图1(a)，SiC衬底1正面制备GaN异质结层；
步骤二，参见图1(b)，减薄所述SiC衬底1；
步骤三，参见图1(c)，在减薄的所述SiC衬底1背面生长牺牲层7；
步骤四，参见图1(d)，在牺牲层7上涂光刻胶8；
步骤五，参见图1(e)，曝光、显影，在牺牲层7上形成金属掩膜区图形；
步骤六，参见图1(f)，蒸发、剥离金属，在金属掩膜区图形上制备金属掩膜层9；
步骤七，参见图1(g)，去除金属掩膜层9覆盖以外区域的牺牲层7，在牺牲层7上形成凹槽区；
步骤八，参见图1(h)，湿法去除金属掩膜层9；
步骤九，参见图1(i)，以保留的牺牲层7为掩膜，刻蚀SiC衬底1，使凹槽区延伸至所述GaN异质结层的背面；
步骤十，参见图1(j)，在保留的牺牲层7上以及GaN异质结层的背面生长金刚石层10；
步骤十一，参见图1(k)，湿法去除保留的牺牲层7及其上的金刚石层10；
步骤十二，参见图1(l)，GaN异质结层的正面制备源极11、漏极13和栅极12；
步骤十三，参见图1(m)，在保留的金刚石层10和保留的SiC衬底1上制备通孔掩膜层14；
步骤十四，参见图1(n)，以通孔掩膜层14为掩膜，刻蚀SiC衬底1和GaN异质结层，形成与源极11连通的源通孔15；
步骤十五，参见图1(o)，去除通孔掩膜层14，制备背面接地金属16，完成金刚石衬底GaN晶体管器件的制备。
本发明提供的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，与现有技术相比，通过保留通孔区SiC衬底1，借助SiC刻蚀通孔取代难度较大的金刚石激光通孔工艺，实现金刚石上GaN异质结器件背面通孔接地，为金刚石衬底GaN HEMT器件的制备提供了方便；同时，SiC衬底1GaN HEMT晶圆上只是在背面部分小区域去除了SiC，避免了材料大的形变，为后序正面工艺制备提供了方便。
可选地，请参见图1(a)，步骤一中，所述GaN异质结层包括缓冲层2、沟道层3和势垒层5。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，可选地，请参见图1(a)，步骤一中，所述GaN异质结层包括缓冲层2、沟道层3、插入层4、势垒层5和帽层6，其中，所述插入层4为1～2nm AlN层，所述帽层6为2～4nm GaN层。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，可选地，参见图1(a)，步骤一中，所述势垒层5为AlxGaN，0＜x≤1，较优范围0.15≤x≤0.4；或者，所述势垒层5为InxAlN，0＜x≤1，较优范围0.13≤x≤0.25；或者，所述势垒层5为InxAlyGaN，0≤x＜1，0＜y≤1，0≤x+y≤1。
可选地，作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参见图1(a)，步骤一中，所述缓冲层2为AlN，所述沟道层3为GaN。
步骤二中，参见图1(b)，所述SiC衬底1厚度大于300μm，减薄后的SiC衬底1厚度为1μm～100μm。
步骤三中，参见图1(c)，牺牲层7为SiO2。牺牲层7作为最终要去除的结构，由于沉积金刚石层10时，金刚石会均匀的覆盖在衬底表面，如果金刚石直接全部沉积在衬底上，会导致成孔部位的金刚石难以去除，设置的目的是为了在成孔的位置去除沉积在牺牲层7上的金刚石层10，从而实现去除沉积在该衬底对应孔位的金刚石层10，以便于最后通过干法刻蚀或湿法腐蚀去除SiC衬底1成孔。
步骤七中，参见图1(g)，利用干法刻蚀，或者干法刻蚀结合湿法腐蚀，去除金属掩膜层9覆盖以外区域的牺牲层7。
步骤九中，参见图1(i)，本技术采用ICP刻蚀掉SiC，其控制精度比全面去除背面SiC的机械研磨工艺精度高。机械研磨去除SiC衬底1容易碎片，完全去除SiC的时间不容易控制
步骤十中，参见图1(j)，金刚石层10的厚度相比牺牲层7和减薄后的SiC衬底1厚度总和至少小1μm。可选地，金刚石层10的厚度可以低于减薄后的SiC衬底1厚度，也可以高于减薄后的SiC衬底1厚度，但是要小于牺牲层7和减薄后的SiC衬底1厚度的总和，以便于去除牺牲层7及其上的金刚石。
步骤十二中，参见图1(l)，制备的源极11、漏极13和栅极12是晶体管器件最基本的结构，还可以基于该结构基础的钝化层优化以及场板结构优化。
可选地，步骤十三中，参见图1(m)，通孔掩膜层14为SiO2或金属Ni。其中，通孔掩膜层14与上述金属掩膜层9的制备过程相似，在此不再赘述。SiO2的生长方法可以是PECVD或LPCVD，厚度10um到1000um，金属Ni的制备方法可以是电子束蒸发、磁控溅射蒸发或电镀。采用光刻的方法曝光出源通孔15区域，然后采用ICP刻蚀掉SiO2和金属Ni掩膜，为刻蚀SiC形成源通孔15做好准备。
步骤十四中，采用ICP刻蚀SiC衬底1和GaN异质结层，形成源通孔15。
进一步地，步骤十五中，参见图1(o)，通过磁控溅射和电镀形成金属化通孔17和背面接地金属16。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一，SiC衬底(1)正面制备GaN异质结层；
步骤二，减薄所述SiC衬底(1)；
步骤三，在减薄的所述SiC衬底(1)背面生长牺牲层(7)；
步骤四，在所述牺牲层(7)上涂光刻胶(8)；
步骤五，曝光、显影，在所述牺牲层(7)上形成金属掩膜区图形；
步骤六，蒸发、剥离金属，在所述金属掩膜区图形上制备金属掩膜层(9)；
步骤七，去除金属掩膜层(9)覆盖以外区域的牺牲层(7)，在所述牺牲层(7)上形成凹槽区；
步骤八，湿法去除所述金属掩膜层(9)；
步骤九，以保留的牺牲层(7)为掩膜，刻蚀SiC衬底(1)，使所述凹槽区延伸至所述GaN异质结层的背面；
步骤十，在保留的牺牲层(7)上以及GaN异质结层的背面生长金刚石层(10)；
步骤十一，湿法去除保留的牺牲层(7)及其上的金刚石层(10)；
步骤十二，GaN异质结层的正面制备源极(11)、漏极(12)和栅极(13)；
步骤十三，在保留的金刚石层(10)和保留的SiC衬底(1)上制备通孔掩膜层(14)；
步骤十四，以通孔掩膜层(14)为掩膜，刻蚀SiC衬底(1)和GaN异质结层，形成与源极(11)连通的源通孔(15)；
步骤十五，去除通孔掩膜层(14)，制备背面接地金属(16)，完成金刚石衬底GaN晶体管器件的制备。
2.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述GaN异质结层包括缓冲层(2)、沟道层(3)和势垒层(5)。
3.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述GaN异质结层包括缓冲层(2)、沟道层(3)、插入层(4)、势垒层(5)和帽层(6)，其中，所述插入层(4)为1～2nm AlN层，所述帽层(6)为2～4nm GaN层。
4.如权利要求1或2所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述势垒层(5)为AlxGaN，0＜x≤1；或者，所述势垒层(5)为InxAlN，0＜x≤1；或者，所述势垒层(5)为InxAlyGaN，0≤x＜1，0＜y≤1，0≤x+y≤1。
5.如权利要求1或2所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述缓冲层(2)为AlN，所述沟道层(3)为GaN。
6.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述SiC衬底(1)厚度大于300μm，减薄后的SiC衬底(1)厚度为1μm～100μm。
7.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述牺牲层(7)为SiO2。
8.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤十中，所述金刚石层(10)的厚度相比牺牲层(7)和减薄后的SiC衬底(1)厚度总和至少小1μm。
9.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤十三中，所述通孔掩膜层(14)为SiO2或金属Ni。
10.如权利要求1所述的基于金刚石衬底的GaN场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤十五中，通过磁控溅射和电镀形成金属化通孔(17)和背面接地金属(16)。
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