倒裝結(jié)構(gòu)的氮化鎵基高電子遷移率晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指在藍(lán)寶石襯底上外延生長的氮化鎵基高電子迀移率晶體管的制作方法。該方法采用倒裝焊的方法，把外延在藍(lán)寶石襯底上氮化鎵基高電子迀移率晶體管固定到硅、氮化鋁陶瓷等導(dǎo)熱性能好的絕緣基板上。
【背景技術(shù)】
[0002]微波晶體管的主要器件類型有同質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(BJT)、異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和高電子迀移率晶體管(HEMT)等。
[0003]GaN材料的禁帶寬度大(Eg = 3.4eV)，臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(3.3MV/cm)較大，制作電子器件具有耐高溫、高壓的特點(diǎn)；它的電子飽和漂移速度達(dá)到2.5X107cm/s，適宜于制作高頻電子器件；它與AlGaN材料形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中可形成面密度高達(dá)113CnT2以上的二維電子氣(2DEG)，且界面處電子迀移率接近2000cm2/V.s，完全符合在大電流狀態(tài)下工作的功率器件要求；而且它的熱導(dǎo)率> 1.3W/cm*K，較為利于功率器件的散熱。GaN材料是制備高頻、大功率微波晶體管的首選材料。
[0004]由于GaN缺乏同質(zhì)襯底，GaN材料主要采用異質(zhì)外延方法進(jìn)行生長。目前生長GaN基器件材料最常用的襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC。藍(lán)寶石襯底是目前最被廣泛應(yīng)用于外延氮化鎵基材料的襯底，在材料的晶體質(zhì)量及生產(chǎn)成本之間是最優(yōu)的結(jié)果。藍(lán)寶石極低的熱導(dǎo)率(0.5W/cm*K)限制了器件的散熱，從而制約了器件的輸出功率和器件工作的穩(wěn)定性與可靠性。SiC雖然具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率(4.49W/cm.K)，但其成本非常昂貴，襯底尺寸也不盡如人意。采用Si襯底異質(zhì)外延生長GaN材料具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)價(jià)格低廉。目前2英寸Si片的市場(chǎng)價(jià)格僅為藍(lán)寶石的三分之一，相比SiC更是價(jià)格低廉。(2)容易得到大面積高質(zhì)量的襯底。(3)與藍(lán)寶石襯底相比，Si襯底具有優(yōu)越的散熱性能，其熱導(dǎo)率與GaN接近，在高溫、高頻條件下工作將表現(xiàn)出更多的優(yōu)越性。(4) Si基GaN微電子器件可以與成熟的Si器件做在同一塊晶片上，實(shí)現(xiàn)器件集成。成熟的Si器件工藝可以穩(wěn)定的進(jìn)行減薄、倒裝、封裝等步驟，同時(shí)提高器件工作的可靠性。(5)與藍(lán)寶石和SiC襯底相比，Si襯底的減薄、切害J、解理等加工工藝簡(jiǎn)單，能極大降低器件制作成本。(6)相對(duì)于藍(lán)寶石的絕緣性，Si則容易獲得不同電阻值的η型或ρ型材料。采用低阻Si襯底研制的GaN基器件可以做成異側(cè)電極器件，降低了工藝復(fù)雜性，并增加了制作管芯的數(shù)量。
[0005]雖然在Si襯底上外延生長GaN材料具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于Si襯底和GaN之間具有較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，Si基GaN異質(zhì)外延生長要比在藍(lán)寶石和SiC襯底上困難得多:Si襯底上外延生長GaN最主要的問題是應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋問題。高溫生長后的降溫過程中，由于Si襯底和GaN外延層之間高的熱膨脹系數(shù)失配(56% )會(huì)導(dǎo)致GaN薄膜受到很大的張應(yīng)力，這是裂紋產(chǎn)生的主要原因。另外GaN和Si之間的晶格失配(17%)使GaN外延層在生長過程中承受很大的張應(yīng)力，同樣會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。在高裂紋密度的GaN材料上無法制作器件。其次是晶體質(zhì)量問題。過大的晶格失配不僅會(huì)使GaN外延層處于張應(yīng)變狀態(tài)，而且導(dǎo)致GaN層中產(chǎn)生大量失配位錯(cuò)，其密度高達(dá)1iciCnT2數(shù)量級(jí)，嚴(yán)重影響了GaN材料的晶體質(zhì)量，從而限制器件性能的提高。此外，襯底中Si原子的擴(kuò)散也是一個(gè)重要問題。Si襯底的熱穩(wěn)定性較藍(lán)寶石差，高溫生長過程中，Si原子的擴(kuò)散加劇，使得GaN外延層中含有一定量的Si原子。這些Si原子可以與生長室中的氨氣反應(yīng)形成SixNy非晶薄膜，影響GaN外延層的晶體質(zhì)量。同時(shí)，Ga原子與襯底表面的Si原子發(fā)生回熔腐蝕反應(yīng)，使材料界面變得粗糙，也會(huì)降低GaN的晶體質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明專利的目的在于提供一種倒裝結(jié)構(gòu)的氮化鎵基高電子迀移率晶體管的制作方法。本發(fā)明把藍(lán)寶石襯底上外延的高質(zhì)量的氮化鎵基高電子迀移率晶體管與易于與目前的硅基集成電路集成、導(dǎo)熱性能好的硅、氮化鋁陶瓷等基板相結(jié)合?？梢栽诟哔|(zhì)量的氮化鎵基高電子迀移率晶體管外延材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合硅、氮化鋁陶瓷等基板散熱性能好、易于與成熟的硅器件做在同一塊晶片上，實(shí)現(xiàn)器件集成等優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，是制備高性能氮化鎵基高電子迀移率晶體管的有效方法。
[0007]本發(fā)明提供一種倒裝結(jié)構(gòu)的氮化鎵基高電子迀移率晶體管的制作方法，其中包括如下步驟:
[0008]步驟1:在藍(lán)寶石襯底上依次外延生長低溫成核層、氮化鎵高阻層、高迀移率氮化鎵層、氮化鋁插入層、鋁鎵氮?jiǎng)莼蕦雍偷壝睂?，形成外延片?br>[0009]步驟2:使用有機(jī)溶劑清洗+等離子體去除殘?jiān)?HCl浸泡的方法，去除外延片表面的碳、氧以及其他有機(jī)、無機(jī)的沾污；
[0010]步驟3:將氮化鎵帽層的兩側(cè)刻蝕掉，形成臺(tái)面，在臺(tái)面和氮化鎵帽層上制作金屬層，該金屬層覆蓋整個(gè)外延片的表面；
[0011]步驟4:刻蝕掉部分氮化鎵帽層上的金屬層，使得在氮化鎵帽層上形成兩個(gè)窗口，在兩個(gè)窗口內(nèi)制作絕緣的Si3N4鈍化膜，使得臺(tái)面上的金屬層形成源的歐姆接觸電極，另一側(cè)臺(tái)面上的金屬層形成漏的歐姆接觸電極，兩個(gè)窗口之間形成柵極的肖特基接觸電極；
[0012]步驟5:將藍(lán)寶石襯底從背面減薄到70 μ m-150 μ m，形成管芯；
[0013]步驟6:在一支撐體上與外延片上的歐姆接觸電極及肖特基接觸電極相對(duì)應(yīng)的部位開有圓孔，在圓孔填充金屬，制備源、漏歐姆接觸電極相對(duì)應(yīng)的倒裝焊金屬焊料層及倒裝焊金屬焊料層；
[0014]步驟7:在倒裝焊金屬焊料層及倒裝焊金屬焊料層上分別制作源、漏的電極引線和柵極的電極引線；
[0015]步驟8:將支撐體從背面減薄；
[0016]步驟9:將管芯倒裝焊到支撐體上；
[0017]步驟10:在管芯的表面蒸鍍Si3N4保護(hù)層，完成制備。
[0018]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明把藍(lán)寶石襯底上外延的高質(zhì)量的氮化鎵基高電子迀移率晶體管與易于與目前的硅基集成電路集成、導(dǎo)熱性能好的硅、氮化鋁陶瓷等基板相結(jié)合?？梢栽诟哔|(zhì)量的氮化鎵基高電子迀移率晶體管外延材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合硅、氮化鋁陶瓷等基板散熱性能好、易于與成熟的硅器件做在同一塊晶片上，實(shí)現(xiàn)器件集成等優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。
【附圖說明】
[0019]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做一個(gè)詳細(xì)的描述，其中:
[0020]圖1是本發(fā)明的制備流程圖；
[0021]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]請(qǐng)參閱圖1，配合參閱圖2所示，本發(fā)明提供一種倒裝結(jié)構(gòu)的氮化鎵基高電子迀移率晶體管的制作方法，其中包括如下步驟:
[0023]步驟1:在藍(lán)寶石襯底I上依次外延生長低溫成核層2、氮化鎵高阻層3、高迀移率氮化鎵層4、氮化鋁插入層5、鋁鎵氮?jiǎng)莼蕦?和氮化鎵帽層7，形成外延片，所述的低溫成核層2的材料為氮化鎵、氮化鋁或鋁鎵氮，厚度為20-100nm，所述的氮化鎵高阻層3的厚度為500-5000nm，所述的高迀移率氮化鎵層4的厚度為10_300nm，所述的氮化銷插入層5的厚度為0-5n