CN106783998A - 一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法 - Google Patents
一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法，首先清洗碳化硅基氮化镓圆片和临时载片表面；在临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料，并放在热板上烘烤；将碳化硅基氮化镓圆片和临时载片正面相对进行键合；将碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底减薄抛光、刻蚀去除掉剩余的碳化硅衬底；清洗以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面；在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面生长一层介质；将以临时载片为支撑的氮化镓外延层外延生长多晶金刚石衬底，将金刚石基氮化镓圆片与临时载片自动分离；在金刚石基氮化镓圆片上制备高电子迁移率晶体管。本发明打破了原有外延生长难度大的限制，能够较好的控制在氮化镓上外延生长金刚石。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，特别是一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法。
背景技术
氮化镓高电子迁移率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。但是氮化镓高电子迁移率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(200610011228.6、200810226288.9、201410582456.3)，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。不过当前在金刚石衬底上直接外延生长氮化镓的方法存在很大的问题，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，从而使得基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管性能优势无法充分发挥。目前研究人员还没有很好的解决在金刚石衬底上外延生长氮化镓质量差以及生长难度大的问题，这也限制了金刚石基氮化镓器件的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法，能够获得高质量的基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法，包括以下步骤：
1)用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；
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，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，不会对氮化镓外延层造成破坏，此时得到了以临时载片为支撑的氮化镓外延层；
6)用盐酸清洗以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面，再用去离子水进行冲洗，然后放入甩干机进行甩干；
7)在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面通过等离子体增强化学气相沉积生长一层介质；
8)将以临时载片为支撑的氮化镓外延层放入化学气相沉积反应腔内在介质层表面低温外延生长多晶金刚石衬底，得到了金刚石基氮化镓圆片；
9)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；
10)在金刚石基氮化镓圆片上制备高电子迁移率晶体管，从而得到了基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)打破了在金刚石衬底上外延生长氮化镓质量差以及难以生长的限制。(2)粘合材料均匀性好，使得外延层不易起皱或者断裂。(3)采用在以临时载片为支撑的氮化镓上外延生长金刚石，同时在氮化镓与金刚石之间沉积薄介质起保护氮化镓外延层的作用也不会影响散热，与传统在金刚石衬底上外延生长氮化镓的方法相比，打破了原有外延生长难度大的限制，能够较好的控制在氮化镓上外延生长金刚石。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
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沉积介质层示意图。
图7是在以临时载片为支撑的氮化镓外延层上外延生长金刚石衬底示意图。
图8是将临时载片和粘合材料去除示意图。
图9是在金刚石基氮化镓上制备高电子迁移率晶体管示意图。
具体实施方式
本发明基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法，包括以下步骤：
1)用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。
2)在临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料。所述步骤2)中的涂敷采用旋涂方法，转速1000转/分钟-3000转/分钟，时间为30-60秒。
3)将临时载片正面朝上放在热板上烘烤。所述步骤3)中的烘烤时间为2-5分钟，热板温度为100-110摄氏度。
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。所述步骤4)中的键合温度为250-350摄氏度。
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，不会对氮化镓外延层造成破坏，此时得到了以临时载片为支撑的氮化镓外延层。
6)用盐酸清洗以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面，再用去离子水进行冲洗，然后放入甩干机进行甩干。
7)在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面通过等离子体增强化学气相沉积生长一层介质。所述步骤7)中的介质是氮化硅或氧化硅，生长厚度20-50纳米。
8)将以临时载片为支撑的氮化镓外延层放入化学气相沉积反应腔内在介质层表面低温外延生长多晶金刚石衬底，得到了金刚石基氮化镓圆片。所述步骤8)中的生长温度为400-500℃，厚度为90-100微米。
9)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。
10)在金刚石基氮化镓圆片上制备高电子迁移率晶体管，从而得到了基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管。
实施例
本发明基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法，由以下步骤制备而得：
①准备样品：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。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，旋涂时间不少于30秒钟，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，如图3所示。
③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，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，如图5所示。
⑤沉积介质：用稀释的盐酸清洗以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层表面60秒钟，再用去离子水进行冲洗，放入甩干机进行甩干，然后在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面通过等离子体增强化学气相沉积生长一层介质，此介质可以是氮化硅或氧化硅等，生长厚度20-50纳米，如图6所示。
⑥低温外延生长金刚石：在以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层放入化学气相沉积反应腔内在介质层表面低温外延生长多晶金刚石衬底，生长温度控制在400-500℃，厚度100微米，得到了金刚石基氮化镓圆片，如图7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8所示。
⑧制备器件：在金刚石基氮化镓圆片上制备高电子迁移率晶体管，经过以上步骤，就实现了基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备，如图9所示。
Claims (7)
1.一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于包括以下步骤：
1)用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；
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，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，不会对氮化镓外延层造成破坏，此时得到了以临时载片为支撑的氮化镓外延层；
6)用盐酸清洗以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面，再用去离子水进行冲洗，然后放入甩干机进行甩干；
7)在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面通过等离子体增强化学气相沉积生长一层介质；
8)将以临时载片为支撑的氮化镓外延层放入化学气相沉积反应腔内在介质层表面低温外延生长多晶金刚石衬底，得到了金刚石基氮化镓圆片；
9)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；
10)在金刚石基氮化镓圆片上制备高电子迁移率晶体管，从而得到了基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管。
2.一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)用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；
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，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，不会对氮化镓外延层造成破坏，此时得到了以临时载片为支撑的氮化镓外延层；
6)用盐酸清洗以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面，再用去离子水进行冲洗，然后放入甩干机进行甩干；
7)在以临时载片为支撑的氮化镓外延层表面通过等离子体增强化学气相沉积生长一层介质；
8)将以临时载片为支撑的氮化镓外延层放入化学气相沉积反应腔内在介质层表面低温外延生长多晶金刚石衬底，得到了金刚石基氮化镓圆片；
9)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；
10)在金刚石基氮化镓圆片上制备高电子迁移率晶体管，从而得到了基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤2)中的涂敷采用旋涂方法，转速1000转/分钟-3000转/分钟，时间为30-60秒。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤3)中的烘烤时间为2-5分钟，热板温度为100-110摄氏度。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤4)中的键合温度为250-350摄氏度。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤7)中的介质是氮化硅或氧化硅，生长厚度20-50纳米。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤8)中的生长温度为400-500℃，厚度为90-100微米。
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