CN116631960B - GaN HEMT器件制备方法及GaN HEMT器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN HEMT器件制备方法及GaN HEMT器件，制备方法包括：在蓝宝石衬底上生长缓冲层；在缓冲层上生长GaN通道层；在通道层上生长AlGaN阻挡层，且通道层与阻挡层之间的异质结界面处形成2DEG；从阻挡层向下刻蚀至通道层以形成两个凹槽，并分别将源极电极、漏极电极设置在凹槽中；在阻挡层上设置栅极电极；将蓝宝石衬底研磨至厚度小于或等于350μm，及在GaN HEMT器件上远离蓝宝石衬底的一侧形成钝化层；在钝化层的表面设置热扩散层，且热扩散层与2DEG处的有源器件通道区域在器件厚度方向的投影上至少部分重合，兼顾器件在蓝宝石衬底上的正常运行以及热扩散层的导热系数。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种GaN HEMT器件制备方法及GaN HEMT器件。
背景技术
GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)结构通常通过MOCVD(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积)在市售衬底(如硅，碳化硅，蓝宝石甚至单晶GaN)上外延生长。用于消费/工业/汽车电源开关和射频放大器应用的各种低压、高压和高频氮化镓HEMT器件由CMOS兼容工艺模块在4至8英寸晶圆上的晶圆厂制造。用于特定应用的基板材料的选择取决于许多因素，其中导热系数至关重要。
蓝宝石在氮化镓HEMT结构中使用的所有材料(Si、SiC和GaN)中导热率最低。在蓝宝石衬底上制造的任何器件在正常工作期间都会因有源器件传导通道区域产生过多热量而遭受热引起的器件性能下降甚至故障，在这些区域中，高密度电流在漏极侧栅极边缘流动，峰值温度通常超过200℃。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，也不必然会给出技术教导；在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的是提供一种GaN HEMT器件制备方法及GaN HEMT器件，利用热扩散层降低蓝宝石衬底上GaN HEMT器件传导通道峰值温度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种GaN HEMT器件制备方法，利用热扩散层降低蓝宝石衬底上GaN HEMT器件传导通道峰值温度，所述制备方法包括以下步骤：
在蓝宝石衬底上生长缓冲层，所述缓冲层包括GaN缓冲层或AlGaN缓冲层；
在所述缓冲层上生长GaN通道层；
在所述GaN通道层上生长AlGaN阻挡层，且所述GaN通道层与AlGaN阻挡层之间的异质结界面处形成2DEG；
从所述AlGaN阻挡层向下刻蚀至GaN通道层以形成两个凹槽，并分别将源极电极、漏极电极设置在所述凹槽中；
在所述AlGaN阻挡层上设置栅极电极；
将所述蓝宝石衬底研磨至厚度小于或等于350μm，及在GaN HEMT器件上远离蓝宝石衬底的一侧形成钝化层；以及，
在所述钝化层的表面设置热扩散层，且所述热扩散层与所述2DEG处的有源器件通道区域在器件厚度方向的投影上至少部分重合。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述有源器件通道区域设有多个有源器件通道；
所述热扩散层与所述有源器件通道一一对应，所述热扩散层设置在对应的有源器件通道内，且所述热扩散层的长度与所述有源器件通道区域的长度一致。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述热扩散层的厚度小于或等于10μm。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，对研磨后的蓝宝石衬底的底面上与所述有源器件通道区域相对的局部位置进行加工，得到比所述蓝宝石衬底上其他区域的厚度小50μm以上的更薄衬底区域。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述有源器件通道区域设有多个有源器件通道；
所述更薄衬底区域与所述有源器件通道一一对应，所述更薄衬底区域设置在对应的有源器件通道内，且所述更薄衬底区域的长度与所述有源器件通道区域的长度一致。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，利用脉冲激光器在所述蓝宝石衬底上加工孔结构和/或沟槽结构，以形成所述更薄衬底区域，所述脉冲激光器的激光脉冲宽度介于5飞秒至100皮秒，所述脉冲激光器的功率密度大于3J/cm2。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，GaN HEMT器件制备方法还包括将所述蓝宝石衬底的背面通过导电焊膏附接到一封装芯片。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，研磨前的蓝宝石衬底的厚度介于500至1300μm，研磨后的蓝宝石衬底的厚度介于100至350μm。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种GaN HEMT器件，包括封装芯片以及与其导电连接的半导体模块，所述半导体模块包括：
蓝宝石衬底，其背面通过导电焊膏附接到所述封装芯片；
缓冲层，其通过MOCVD在所述衬底上外延生长；
GaN通道层，其生长在缓冲层上；
AlGaN阻挡层，其生长在所述GaN通道层上，且所述GaN通道层与AlGaN阻挡层之间的异质结界面处形成2DEG；
晶体管，其中，所述晶体管的源极电极、漏极电极设置在所述AlGaN阻挡层的贯穿凹槽中，所述晶体管的栅极电极设置在所述AlGaN阻挡层上；
钝化层，其覆盖所述GaN通道层和AlGaN阻挡层；
热扩散层，其设置在所述钝化层的表面，且所述热扩散层与所述2DEG处的有源器件通道区域在器件厚度方向的投影上至少部分重合。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述有源器件通道区域设有多个有源器件通道；
所述热扩散层与所述有源器件通道一一对应，所述热扩散层设置在对应的有源器件通道内，且所述热扩散层的长度与所述有源器件通道区域的长度一致，所述热扩散层的厚度小于或等于10μm。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述蓝宝石衬底的底面上设有更薄衬底区域，所述更薄衬底区域与所述有源器件通道区域相对，所述更薄衬底区域比所述蓝宝石衬底上其他区域的厚度小50μm以上。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：在钝化层的表面沉积热扩散层，其在长度方向上覆盖有源器件通道区域，既不会对GaN HEMT在蓝宝石衬底上的正常运行产生负面影响，同时又保持导热系数不远低于其理论体积值，降低蓝宝石衬底上GaN HEMT器件传导通道峰值温度，提高器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请中记载的一些实施例，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为本发明的一个示例性实施例提供的GaN HEMT器件制备方法的流程示意图；
图2为本发明的一个示例性实施例提供的蓝宝石衬底上典型GaN HEMT的结构示意图；
图3为本发明的一个示例性实施例提供的上部钝化、下部研磨后的GaN HEMT半成品结构示意图；
图4为本发明的一个示例性实施例提供的添加热扩散层的GaN HEMT器件结构示意图；
图5为本发明的一个示例性实施例提供的GaN HEMT器件上热扩散层与有源器件通道的投影位置关系图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
增强通过封装从有源器件通道区域到环境空气的热传递的第一个解决方案是通过在封装前对基板进行背面研磨，将基板厚度从例如大于1mm减少到350μm以下。然而，如果基板变得太薄，特别是对于较大尺寸的晶圆，由于晶圆翘曲和开裂问题，基板背面研磨具有其最小厚度限制。6英寸GaN HEMT外延片的最终衬底厚度实际上约为100～200μm，以避免晶圆断裂。考虑到这种变薄的蓝宝石衬底，在前晶圆表面漏极侧栅极边缘的器件传导通道中产生的峰值热源距离蓝宝石衬底背面仍然相距100μm以上，最终芯片附件粘合材料(如氮化铝(AlN)焊盘)所在的表面。
为了更有效地降低漏极侧栅极边缘器件传导通道中的峰值温度，最有效的方法是在器件前表面附近引入高导热材料，用作散热器，而不会影响GaN HEMT器件的操作。这种散热器实际上可以将集中位置产生的热量平均化或者分散到整个器件区域。一种常用的散热器材料是氮化铝(AlN)层，其理论导热系数为320W/(m·K)，为块状晶体形式。然而，在晶圆加工中，AlN传统上通过各种方法(例如CVD，PVD或ALD)沉积在厚度为5μm以下的薄膜中。这种AlN薄膜是具有不同晶粒尺寸的多晶形式，在大多数报道的情况下，由于晶界声子散射，导热系数大大降低到20W/(m·K)以下。
本发明提供了一种GaN HEMT器件制备方法，通过PVD DC/RF溅射工具沉积厚度在5μm以下的薄金属层作为散热器层，既不会对GaN HEMT在蓝宝石衬底上的正常运行产生负面影响，同时又保持导热系数不远低于其理论体积值，与AlN材料对多晶薄膜的导热系数不同，多晶薄膜的导热系数通常为其晶体体积值的5％以下。这种金属散热器层将以合适的厚度(例如1μm)添加到器件的最终钝化层(SiN或SiO2或聚酰亚胺或BCB或它们的组合)的顶部，并且仅限于覆盖器件的有源区域，因为那里的发热量是最大的。
在本发明的一个实施例中，提供了一种GaN HEMT器件制备方法，利用热扩散层降低蓝宝石衬底上GaN HEMT器件传导通道峰值温度，所述制备方法参见图1，包括以下步骤：
在蓝宝石衬底100上生长缓冲层200，所述缓冲层200可以是GaN缓冲层或AlGaN缓冲层；
在所述缓冲层200上生长GaN通道层300；
在所述GaN通道层300上生长AlGaN阻挡层400，且所述GaN通道层300与AlGaN阻挡层400之间的异质结界面处形成2DEG；
从所述AlGaN阻挡层400向下刻蚀至GaN通道层300以形成两个凹槽，并分别将源极电极510、漏极电极520设置在所述凹槽中；
在所述AlGaN阻挡层上设置栅极电极530；以上步骤获得的器件半成品如图2所示，其中，2DEG用GaN通道层300与AlGaN阻挡层400交界处的虚线表示。
在GaN HEMT器件上远离蓝宝石衬底100的一侧形成钝化层600；及将所述蓝宝石衬底100研磨至厚度小于或等于350μm，研磨前的蓝宝石衬底100的厚度介于500至1300μm，研磨后的蓝宝石衬底100的厚度可选介于100至350μm，参见图2至图3的变化。
参见图4，在所述钝化层600的表面设置热扩散层700，且所述热扩散层700与所述2DEG处的有源器件通道区域在器件厚度方向的投影上至少部分重合。
如图5所示，所述有源器件通道区域设有多个有源器件通道810；所述热扩散层700与所述有源器件通道810一一对应，所述热扩散层700设置在对应的有源器件通道810内，且所述热扩散层700的长度与所述有源器件通道区域的长度一致。
进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述热扩散层700的厚度小于或等于10μm，比如通过PVD DC/RF溅射工具沉积厚度在5μm的氮化铝(AlN)层。
在本发明的一个实施例中，所述制备方法还包括对研磨后的蓝宝石衬底的底面上与所述有源器件通道区域相对的局部位置进行加工，得到比所述蓝宝石衬底上其他区域的厚度小50μm以上的更薄衬底区域。所述更薄衬底区域与所述有源器件通道区域的多个有源器件通道一一对应，所述更薄衬底区域设置在对应的有源器件通道内，且所述更薄衬底区域的长度与所述有源器件通道区域的长度一致。
本实施例中是利用脉冲激光器在所述蓝宝石衬底上加工孔结构和/或沟槽结构，以形成所述更薄衬底区域，所述脉冲激光器的激光脉冲宽度介于5飞秒至100皮秒，所述脉冲激光器的功率密度大于3J/cm2。
然后将所述蓝宝石衬底的背面通过导电焊膏附接到一封装芯片。
在本发明的一个实施例中，提供了一种GaN HEMT器件，包括封装芯片以及与其导电连接的半导体模块，所述半导体模块包括：
蓝宝石衬底100，其背面通过导电焊膏附接到所述封装芯片；
缓冲层200，其通过MOCVD在所述蓝宝石衬底100上外延生长；
GaN通道层300，其生长在缓冲层200上；
AlGaN阻挡层400，其生长在所述GaN通道层300上，且所述GaN通道层300与AlGaN阻挡层400之间的异质结界面处形成2DEG；
晶体管，其中，所述晶体管的源极电极510、漏极电极520设置在所述AlGaN阻挡层400的贯穿凹槽中，所述晶体管的栅极电极530设置在所述AlGaN阻挡层400上；
钝化层600，其覆盖所述GaN通道层300和AlGaN阻挡层400；
热扩散层700，其设置在所述钝化层600的表面，且所述热扩散层700与所述2DEG处的有源器件通道区域在器件厚度方向的投影上至少部分重合。
具体地，所述有源器件通道区域设有多个有源器件通道810；
所述热扩散层700与所述有源器件通道810一一对应，所述热扩散层700设置在对应的有源器件通道810内，且所述热扩散层700的长度与所述有源器件通道区域的长度一致，所述热扩散层700的厚度小于或等于10μm。
本实施例中的所述蓝宝石衬底100的底面上设有更薄衬底区域，所述更薄衬底区域与所述有源器件通道区域相对，所述更薄衬底区域100比所述蓝宝石衬底上其他区域的厚度小50μm以上。比如研磨前的蓝宝石衬底100的厚度为约500μm，研磨后的蓝宝石衬底100的厚度为约300μm，更薄衬底区域的厚度为约200μm。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种GaN HEMT器件制备方法，其特征在于，利用热扩散层降低蓝宝石衬底上GaNHEMT器件传导通道峰值温度，所述制备方法包括以下步骤：
在蓝宝石衬底上生长缓冲层，所述缓冲层包括GaN缓冲层或AlGaN缓冲层；
在所述缓冲层上生长GaN通道层；
在所述GaN通道层上生长AlGaN阻挡层，且所述GaN通道层与AlGaN阻挡层之间的异质结界面处形成2DEG，所述2DEG处形成的有源器件通道区域设有多个有源器件通道(810)；
从所述AlGaN阻挡层向下刻蚀至GaN通道层以形成两个凹槽，并分别将源极电极、漏极电极设置在所述凹槽中；
在所述AlGaN阻挡层上设置栅极电极；
将所述蓝宝石衬底研磨至厚度小于或等于350μm，对研磨后的蓝宝石衬底的底面上与所述有源器件通道区域相对的局部位置进行加工，得到比所述蓝宝石衬底上其他区域的厚度小50μm以上的更薄衬底区域；所述更薄衬底区域与所述有源器件通道(810)一一对应，所述更薄衬底区域设置在对应的有源器件通道内，及在GaN HEMT器件上远离蓝宝石衬底的一侧形成钝化层；以及，
在所述钝化层的表面设置热扩散层(700)，且所述热扩散层(700)与所述2DEG处的有源器件通道区域在器件厚度方向的投影上至少部分重合，且所述热扩散层(700)与所述有源器件通道(810)一一对应，所述热扩散层(700)设置在对应的有源器件通道(810)内。
2.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件制备方法，其特征在于，所述热扩散层的长度与所述有源器件通道区域的长度一致。
3.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件制备方法，其特征在于，所述热扩散层的厚度小于或等于10μm。
4.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件制备方法，其特征在于，研磨前的蓝宝石衬底的厚度介于500至1300μm，研磨后的蓝宝石衬底的厚度介于100至350μm。
5.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件制备方法，其特征在于，所述更薄衬底区域的长度与所述有源器件通道区域的长度一致。
6.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件制备方法，其特征在于，利用脉冲激光器在所述蓝宝石衬底上加工孔结构和/或沟槽结构，以形成所述更薄衬底区域，所述脉冲激光器的激光脉冲宽度介于5飞秒至100皮秒，所述脉冲激光器的功率密度大于3J/cm2。
7.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件制备方法，其特征在于，还包括将所述蓝宝石衬底的背面通过导电焊膏附接到一封装芯片。
8.一种GaN HEMT器件，其特征在于，包括封装芯片以及与其导电连接的半导体模块，所述半导体模块包括：
蓝宝石衬底，其背面通过导电焊膏附接到所述封装芯片；
缓冲层，其通过MOCVD在所述衬底上外延生长；
GaN通道层，其生长在缓冲层上；
AlGaN阻挡层，其生长在所述GaN通道层上，且所述GaN通道层与AlGaN阻挡层之间的异质结界面处形成2DEG，所述2DEG处形成的有源器件通道区域设有多个有源器件通道(810)；
晶体管，其中，所述晶体管的源极电极、漏极电极设置在所述AlGaN阻挡层的贯穿凹槽中，所述晶体管的栅极电极设置在所述AlGaN阻挡层上；
钝化层，其覆盖所述GaN通道层和AlGaN阻挡层；
热扩散层(700)，其设置在所述钝化层的表面，且所述热扩散层与所述2DEG处的有源器件通道区域在器件厚度方向的投影上至少部分重合，且所述热扩散层(700)与所述有源器件通道(810)一一对应，所述热扩散层(700)设置在对应的有源器件通道(810)内；
其中，所述蓝宝石衬底的区域分为更薄衬底区域和其他区域，所述更薄衬底区域与所述有源器件通道(810)一一对应，所述更薄衬底区域设置在对应的有源器件通道(810)内，所述更薄衬底区域比所述蓝宝石衬底上其他区域的厚度小50μm以上，所述其他区域的厚度小于或等于350μm。
9.根据权利要求8所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述热扩散层的长度与所述有源器件通道区域的长度一致，所述热扩散层的厚度小于或等于10μm。
10.根据权利要求8所述的GaN HEMT器件，其特征在于，所述更薄衬底区域的长度与所述有源器件通道区域的长度一致。
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