CN117646275A - 一种大尺寸高热导率iii族氮化物外延材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的制备方法，利用功能层和支撑层的键合衬底，先在功能层正面生长多晶金刚石，然后去掉支撑层，在功能层背面生长III族氮化物外延材料，获得多晶金刚石与III族氮化物材料的异质集成结构。III族氮化物、功能层、多晶金刚石三者之间是直接生长成键连接，确保了声子的传播，并充分利用多晶金刚石高热导率的优点提高了整个异质集成结构的热导率；III族氮化物外延材料生长在复合衬底之上，不会受到破坏，保证了其性能；通过选取不同的键合衬底表面，可以控制生长金属极性或氮极性的III族氮化物材料，满足不同领域应用需求。本发明的制备方法对尺寸没有限制，可以实现大尺寸批量化的生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的制备方法。
背景技术
以GaN为代表的III族氮化物材料具有禁带宽度大范围可调、击穿场强高、电子饱和漂移速率大以及耐高温抗辐照等诸多优点，在功率电子、射频电子以及光电子方面具有重要应用。特别是，III族氮化物材料应用于高电压大电流大功率的电力电子或射频电子方面具有远超传统Si基器件的优势。例如，SiC基GaN大功率射频电子器件已经被用在5G基站中，替代传统Si LDMOS器件。Si基GaN大功率的电力电子器件已经被广泛应用于消费快充领域，大幅提升了充电效率。
对于高电压大电流大功率的电力电子或射频电子器件，其关键科学问题之一在于散热。在大功率工作时，芯片产生的热量会使芯片温度上升数百度，如果不能高效散热，高温将迅速烧毁芯片。目前商业广泛认可的高效散热方案是在SiC衬底上生长GaN外延材料并制作芯片，得益于SiC衬底约340W/m·K的热导率，GaN芯片中的热量可以较快地散走。然而，SiC的热导率仍不够高，这限制了GaN芯片的功率无法继续提升。为了实现GaN芯片更高的功率，采用热导率更高的衬底是主要研究趋势之一。金刚石作为自然界热导率最高的材料之一，单晶金刚石的热导率可以达到2200W/m·K，多晶金刚石的热导率也有约1800W/m·K，是SiC衬底热导率的5倍以上。所以金刚石与III族氮化物材料的异质集成也是目前的研究热点之一。不过，单晶金刚石受限于其毫米级的尺寸和极高的价格，难以实用。而多晶金刚石可以直接在异质衬底上生长，其尺寸与异质衬底尺寸一致，且生产成本远低于单晶金刚石。
但是，多晶金刚石没有长程有序的晶格结构，无法直接在其表面生长III族氮化物外延材料。目前常见的异质集成方案有2种：一种是利用键合技术，将III族氮化物外延材料与多晶金刚石进行键合，再去除III族氮化物外延材料原本的衬底。这种方法必然引入键合界面，通常还需要引入SiO2等低热导率的键合介质，这将大幅降低整体异质集成结构的热导率。另一种是直接在III族氮化物外延材料表面生长多晶金刚石，再去除III族氮化物外延材料原本的衬底。这种方法会在生长多晶金刚石的过程中损伤III族氮化物外延材料，破坏其二维电子气结构，导致成品芯片性能大幅下降。
发明内容
为了实现III族氮化物外延材料与多晶金刚石的异质集成，提升III族氮化物材料器件散热性能，同时避免引入键合界面、避免损伤III族氮化物材料，本发明提出一种大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的制备方法，实现全新的异质集成结构。
本发明采用以下技术方案：
一种大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的制备方法，包括以下步骤：
1）选取顶层为功能层、底层为支撑层的键合衬底，所述功能层与支撑层直接键合在一起，或者通过键合介质层键合在一起；
2）在键合衬底的功能层正面生长多晶金刚石；
3）去除键合衬底的支撑层与键合介质层，并对功能层背面进行表面处理；
4）在功能层背面生长III族氮化物外延材料。
上述步骤1）选取的键合衬底的功能层正面的材料可以是Si面SiC、C面SiC、Ga面GaN、N面GaN、Al面AlN或N面AlN的单晶材料。
上述步骤1）选取的键合衬底的功能层的厚度可以是10 nm~50000 nm。
上述步骤1）选取的键合衬底的键合介质层的材料可以是氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiNx），多晶硅、或氧化铝（Al2O3），或无键合介质层（直接键合）。
上述步骤1）选取的键合衬底的支撑层的材料可以是单晶Si、单晶SiC、单晶AlN或单晶Al2O3，也可以是多晶AlN、多晶SiC或多晶Si。
上述步骤1）选取的键合衬底的支撑层的厚度可以是0.1mm~5 mm。
上述步骤1）选取的键合衬底的制备方法可以是Smart-Cut方法，键合-减薄方法，或注氧隔离方法，优选为Smart-Cut方法。
上述步骤1）选取的键合衬底的形状可以是厘米级片状至8英寸晶圆形状。
优选地，上述步骤2）在键合衬底的功能层正面生长多晶金刚石的方法为微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）。
优选地，上述步骤2）在键合衬底的功能层正面生长多晶金刚石的厚度为0.1 mm~5mm。
上述步骤3）去除键合衬底的支撑层与键合介质层的方法可以是先机械研磨减薄支撑层，再化学腐蚀去除键合介质层。
上述步骤3）去除键合衬底的支撑层与键合介质层的方法也可以是先化学腐蚀去除支撑层，再化学腐蚀去除键合介质层。
优选地，上述步骤3）去除键合衬底的支撑层与键合介质层的方法可以是先化学腐蚀去除键合介质层，再直接剥离支撑层。
上述步骤3）对功能层背面进行表面处理的方法为有机清洗。优选地，先对功能层进行化学机械抛光，再进行有机清洗。
上述步骤4）在功能层背面生长III族氮化物外延材料的方法可以是金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）或这两种方法的组合。
上述步骤4）在功能层背面生长的III族氮化物外延材料可以是AlN、GaN、InN，或者是AlGaN、InGaN、InAlN，或者是InAlGaN或者是其叠层组合。优选地，采用AlN过渡层、渐变Al组分AlGaN层和/或超晶格应力调控层来调控应力，避免III族氮化物外延材料开裂，获得高质量III族氮化物外延材料。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的制备方法，获得了多晶金刚石与III族氮化物材料的异质集成结构，充分利用了多晶金刚石高热导率的优点，实现比传统SiC基GaN更高的热导率。本发明制备的全新的异质集成结构，一方面，保证了III族氮化物、功能层、多晶金刚石三者之间都是直接生长成键连接，确保了声子的传播，提高了整体异质集成结构的热导率；另一方面，III族氮化物外延材料生长在复合衬底之上，不会受到破坏，保证了器件的优异性能；另外，通过选取键合衬底不同表面，可以控制生长金属极性或氮极性的III族氮化物材料，充分满足不同领域应用需求。本发明不仅解决了传统多晶金刚石与III族氮化物异质集成中的两个严重问题，并且本发明对尺寸没有限制，可以实现大尺寸批量化的生产。
附图说明
图1是本发明实施例一制备大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的方法流程示意图。
图2是本发明实施例二制备大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，本实施例制备大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的方法包括以下步骤11-15：
步骤11，选取包含功能层、键合介质层和支撑层的GaN键合衬底。具体的，所述GaN键合衬底的功能层正面的材料是N面GaN，功能层厚度是200 nm；键合介质层材料是SiO2，厚度是100 nm；支撑层的材料是多晶陶瓷AlN，厚度是500 μm。该GaN键合衬底整体尺寸为2英寸晶圆形状，生产方法为Smart-Cut方法。
步骤12，生长多晶金刚石。具体的，使用MPCVD方法在GaN键合衬底的功能层正面生长500 μm厚的多晶金刚石。
步骤13，腐蚀键合介质层，剥离支撑层。具体的，利用HF缓冲溶液（BOE）腐蚀键合介质，并利用机械剥离方法剥离支撑层，使样品只剩下GaN功能层和多晶金刚石。
步骤14，对功能层背面进行CMP和有机清洗。具体的，先利用CMP处理GaN功能层背面，再使用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗。
步骤15，在功能层背面生长III族氮化物外延材料。具体的，生长方法为MOCVD，生长材料为GaN，厚度为1 μm。
本实施例生长的GaN材料为Ga极性，且基于高质量的GaN功能层和高热导率的多晶金刚石层，最终实现大尺寸高质量高热导率的GaN外延材料。
实施例二
请参见图2，本实施例制备大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的方法包括以下步骤21-25：
步骤21，选取包含功能层、键合介质层和支撑层的SiC键合衬底。具体的，所述SiC键合衬底的功能层正面是Si面SiC，功能层厚度是100 nm；键合介质层材料是SiO2，厚度是200 nm；支撑层的材料是Si(100)，厚度是525 μm。该SiC键合衬底整体尺寸是6英寸晶圆形状，生产方法为Smart-Cut方法。
步骤22，生长多晶金刚石。具体的，使用MPCVD方法在SiC键合衬底的功能层正面生长1 mm厚的多晶金刚石。
步骤23，研磨减薄去除支撑层，化学腐蚀去除键合介质层。具体的，先使用晶圆减薄机研磨减薄去除支撑层，再使用BOE溶液去除键合介质层。
步骤24，对功能层背面进行有机清洗。具体的，使用丙酮、乙醇、去离子水对功能层背面进行有机清洗。
步骤25，在功能层背面生长III族氮化物外延材料。具体的，生长方法为MOCVD，生长结构依次为AlN成核层、AlGaN应力控制层、GaN层。
本实施例生长的GaN材料为N极性，并且得益于多晶金刚石、SiC功能层的高热导率、以及整体大尺寸，特别适合应用于超大功率超高频率射频电子领域。
Claims (10)
1.一种大尺寸高热导率III族氮化物外延材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）选取顶层为功能层、底层为支撑层的键合衬底，所述功能层与支撑层直接键合在一起，或者通过键合介质层键合在一起；
2）在键合衬底的功能层正面生长多晶金刚石；
3）去除键合衬底的支撑层与键合介质层，并对功能层背面进行表面处理；
4）在功能层背面生长III族氮化物外延材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述功能层的正面是Si面SiC、C面SiC、Ga面GaN、N面GaN、Al面AlN或N面AlN的单晶材料，功能层厚度为10 nm~50000 nm；所述支撑层的材料选自单晶Si、单晶SiC、单晶AlN、单晶Al2O3、多晶AlN、多晶SiC和多晶Si；所述键合介质层的材料选自氧化硅、氮化硅、多晶硅和氧化铝，或者无键合介质层。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）选取的键合衬底为厘米级片状至8英寸晶圆形状。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）采用微波等离子体化学气相沉积方法在键合衬底的功能层正面生长多晶金刚石。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）在功能层正面生长的多晶金刚石的厚度为0.1~5 mm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中去除键合衬底的支撑层与键合介质层的方法是：先机械研磨减薄支撑层，再化学腐蚀去除键合介质层；或者，先化学腐蚀去除支撑层，再化学腐蚀去除键合介质层；或者，先化学腐蚀去除键合介质层，再直接剥离支撑层；步骤3）中对功能层背面进行表面处理的方法是先进行化学机械抛光，再进行有机清洗。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）采用金属有机化学气相沉积或分子束外延或这两种方法的组合在功能层背面生长III族氮化物外延材料。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）在功能层背面生长的III族氮化物外延材料是AlN、GaN或InN，或者是AlGaN、InGaN、InAlN，或者是InAlGaN，或者是它们的叠层组合。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中采用AlN过渡层、渐变Al组分AlGaN层和/或超晶格应力调控层来调控应力，避免III族氮化物外延材料开裂，获得高质量III族氮化物外延材料。
10.权利要求1~9任一所述的制备方法获得的大尺寸高热导率III族氮化物外延材料。
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