专利名称：氮化镓基场效应管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体技术领域的场效应管，特别是涉及一种具有新 型背金结构的氮化镓基场效应管及其制备方法。
背景技术：
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，以其禁带宽度大(3. 4eV)、 击穿电压高(3.3MV/cm)、 二维电子气浓度高(〉1013cm2)、饱和电子速度大 (2.8X107cm/s)等特性在国际上受到广泛关注。目前，AlGaN/GaN HEMT器 件的高频、高压、高温以及大功率特性使之在微波功率器件方面有着巨大 的前景。
虽然铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN) HEMT功率器件(高电子迁移率晶体 管)的性能近年来得到了长足的进展，尤其在高频大功率方面，但是仍有 很多问题没有解决，大功率器件的散热和接地问题一直困扰着AlGaN/GaN HEMT实用化和产业化进程。背金技术是目前AlGaN/GaN HEMT常用的一种散 热方法。
采用常规背金技术制作的AlGaN/GaN HEMT功率器件，通常的工艺步骤
为
步骤l、制作AlGaN/GaN HEMT管芯，完成器件；
步骤2、匀胶保护正面管芯，粘片，采用物理机械抛光方法减薄、抛光;
步骤3、采用背面光刻技术进行光刻，在AlGaN/GaN HEMT管芯对应位 置形成背金图形；
步骤4、溅射钛/金(Ti/Au)复合层金属形成背金起镀层；
步骤5、利用光学光刻技术进行光刻，在AlGaN/GaN HEMT管芯对应位 置形成电镀图形；步骤6、电镀金(Au)，剥离形成背金结构；
步骤7、划片，分离成单个AlGaN/GaN HEMT管芯； 步骤8、粘片、封装。
实践中利用金锡合金，经过300度高温粘片，将单个分离的功率器件 管芯固定封装在管壳内；或者利用金锡焊料，经过400度高温粘片，将单 个分离的功率器件管芯固定在PCB板上进行内匹配。
本发明人在实践中发现现有技术存在以下缺陷，在300度高温条件下， 金锡合金或金锡焊料容易向内扩散，进入钛/金起镀层，从而影响电镀层结 构的粘附性，导致背金层结构容易从AlGaN/GaNHEMT管芯脱落，从而使器 件的实用可靠性降低。
由此可见，上述现有的场效应管及其制备方法在结构与使用上，显然 仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。本发明人基于从事此类产 品设计制造的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新 的场效应管及其制备方法，能够改进一般现有的场效应管及其制备方法， 使其更具有实用性。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的氮化镓基场效应管背金结构及其 制备方法存在的缺陷，而提供一种具有新型背金结构的氮化镓基场效应管 及其制备方法，所要解决的技术问题是阻止金锡焊料或金锡合金向起镀层 和衬底的接触面渗透，增强背金结构与场效应管芯衬底的粘附性，从而提 高场效应管的可靠性。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据 本发明提出的一种氮化镓基场效应管，包括正面管芯、衬底和背金结构， 所述的背金结构设置在衬底底面，该背金结构包括背金起镀层和电镀层， 所述的背金起镀层是由钛金属层、钨金属层和金金属层构成的复合金属层， 所述的钛金属层与所述的衬底接触。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。优选的，前述的场效应管，其中所述的钛金属层的厚度为10-20nm，钨 金属层的厚度为35-60nm，金金属层的厚度为60-100nm。
优选的，前述的场效应管，其中所述的电镀层的材质为金属金。 优选的，前述的场效应管，其中所述的衬底为碳化硅或者蓝宝石。 优选的，前述的场效应管，其中所述的管芯包括氮化镓层，设置在 所述的衬底顶面；铝镓氮层，设置在所述的氮化镓层上；以及栅极、源极 和漏极，设置在铝镓氮层上，所述的源极和漏极位于所述的栅极两侧。 优选的，前述的场效应管，其中所述的衬底的厚度为100-200nm。 优选的，前述的场效应管，其中所述的电镀层的厚度为2-4nm。 本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据 本发明提出的一种场效应管的制备方法，包括以下步骤 步骤l:对场效应管的衬底进行减薄和抛光；
步骤2:采用光刻法在所述的场效应管管芯对应的衬底背面形成背金图
形；
步骤3:通过溅射法，在所述的衬底背面形成钛/钨/金复合金属层作为 起镀层；
步骤4:通过电镀法，在上述的复合金属层上形成电镀层。 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。 前述的场效应管的制备方法，其中所述的经过步骤1得到的衬底的粗 糙度低于+20nm。
前述的场效应管的制备方法，其中所述的步骤1包括首先采用物理
机械法对衬底进行减薄和抛光，然后以氢氧化钠溶液作为抛光液对衬底进 行化学机械抛光。
前述的场效应管的制备方法，其中所述的氢氧化钠溶液的pH值为 7. 5-11。
前述的场效应管的制备方法，其中所述的步骤3所述的钛/钨/金复合 金属层包括厚度为10-20nm的钛金属层，厚度为35-60nm的钨金属层， 厚度为60-100nm的金金属层。前述的场效应管的制备方法，在其中所述的步骤3得到的复合金属层 上先形成一电镀图形，然后再进行步骤4。
前述的场效应管的制备方法，其中所述的电镀图形与所述的起镀层图 形相同，由起镀层和电镀层共同形成背金结构。。
前述的场效应管的制备方法，其中所述的场效应管包括 衬底；
氮化镓层，设置在所述的衬底顶面； 铝镓氮层，设置在所述的氮化镓层上；以及
栅极、源极和漏极，设置在铝镓氮层上，所述的源极和漏极位于所述 的栅极两侧。
前述的场效应管的制备方法，在所述的步骤1之前对场效应管的正面 涂光刻胶；在步骤4之后利用丙酮对无图形区域的起镀层和电镀层金属进 行剥离。
前述的场效应管的制备方法，其还包括采用金锡焊料进行粘片和封 装步骤。
经由上述可知，本发明公开了一种具有新型背金结构的氮化镓基场效 应管及其制备方法，包括采用氢氧化钠(NaOH)抛光液，利用化学机械抛 光对GaN基场效应管的衬底进行减薄和抛光；采用溅射的方法溅射钛/钨/ 金(Ti/W/Au)复合层金属的方法形成背金起镀层，采用电镀的方法电镀金 形成整个氮化镓基场效应管的背金结构。
借由上述技术方案，本发明场效应管及其制备方法至少具有下列优点-
1、 本发明提供的氮化镓基场效应管，采用钛/钨/金作为起镀层，在粘 片封装的过程中，钛/钨/金系统有效地阻挡了在高温烘烤过程中金锡焊料 或金锡合金向衬底的渗透，增强了背金结构在碳化硅衬底或蓝宝石衬底的 粘附性。
2、 本发明提供的氮化镓基场效应管的制备方法，利用氢氧化钠抛光 液，采用化学机械抛光的方法对衬底进行抛光，提高碳化硅衬底或蓝宝石 衬底的平整度，使衬底粗糙度达到〈士20nm，有效地减小了尘埃在衬底的附着，提高了背金结构在碳化硅衬底或蓝宝石衬底的粘附性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的 技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例 并配合附图详细说明如后。
图1为本发明的场效应管管芯剖面结构示意图。
图2为本发明提供的制作GaN基场效应管的剖面示意图。 图3为本发明提供的制作GaN基场效应管的流程图。
具体实施例方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功 效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的场效应管及其制备方 法其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1和图2所示，图1为本发明所基于的GaN基场效应管管芯的结 构示意图，图2基场效应管的剖面示意图。该场效应管包括管芯、衬底IOO 和背金结构。所述的管芯包括设置在所述的衬底100顶面的氮化镓层101; 设置在所述的氮化镓层101上的铝镓氮层102;以及设置在铝镓氮层102上 的栅极104、源极103和漏极105，所述的源极和漏极位于所述的栅极两侧。 源极103与铝镓氮层102以及漏极105与铝镓氮层102之间通过退火合金 形成欧姆接触，栅极104通过蒸发金属形成在铝镓氮层102上。所述的衬 底为碳化硅或者蓝宝石，衬底的厚度为100-200nm，衬底的粗糙度为士20nm。 所述的背金结构设置在衬底100底面，该背金结构包括背金起镀层和电镀 层140。所述的背金起镀层是由钛金属层110、钨金属层120和金金属层130 构成的复合金属层，所述的钛金属层110直接与所述的衬底100接触。电 镀层140设置在上述的金金属层130之上。上述的钛金属层110的厚度为 10-20nm，钩金属层120的厚度为35-60nm，金金属层130的厚度为60-100nm。 所述的电镀层的材质为金属金，电镀层的厚度为2-4um。所述的背金起镀层是通过溅射钛/钨/金(Ti/W/Au)金属形成，所述的电镀层是通过在背金 起镀层金属上电镀金的方法形成。
基于本发明上述提供的氮化镓基场效应管的结构，图3示出了本发明 提供的场效应管制作流程图，该方法包括如下步骤
步骤S1、制作AlGaJVGaN HEMT (铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管) 管芯；管芯结构如图1所示，该管芯包括设置在所述的衬底顶面的氮化 镓层；设置在所述的氮化镓层上的铝镓氮层；以及设置在铝镓氮层上的栅 极、源极和漏极，所述的源极和漏极位于所述的栅极两侧。
步骤S2、采用正性光刻胶9918涂覆正面管芯，对其进行保护，光刻胶 的厚度为4咖；并采用倒扣粘附的方式粘片。
步骤S3、采用物理机械方法对衬底进行减薄，将管芯的厚度减薄到 150mn，然后用pH值为7.5-ll的氢氧化钠溶液作为抛光液，对衬底进行化 学机械抛光，使衬底的粗糙度低于士20nm;
步骤S4、采用背面光学光刻技术进行光刻，在AlGaN/GaNHEMT管芯的 衬底底面形成背金图形。
步骤S5、利用磁控溅射方法在衬底底面溅射钛/钨/金(Ti/W/Au)复合 层金属形成背金起镀层，控制钛/钨/金三种金属的厚度为10-20nm、35-60nm 和60-100nm，较佳的，所述的Ti/W/Au的厚度为20nm/50nm/80nm。该起镀 层具有与上述的背金图形相同的起镀层图形。
步骤S6、利用光学光刻技术对背金起镀层进行光刻，与前述的背金图 形对应形成电镀图形；所述的电镀图形与所述的起镀层图形相同。
步骤S7、在背金起镀层上电镀金(Au)，形成2.5-4um的电镀层，所 述的起镀层和电镀层共同形成背金结构，优选电镀层的厚度为3um;
步骤S8、利用丙酮对无图形区域的起镀层和电镀层金属进行剥离，形 成本实施例的具新型背金结构的氮化镓基场效应管；采用金锡焊料正面粘 片，封装。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利 用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例 所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围 内。
权利要求
1、一种氮化镓基场效应管，包括正面管芯、衬底和背金结构，所述的背金结构设置在衬底底面，该背金结构包括背金起镀层和电镀层，其特征在于所述的背金起镀层是由钛金属层、钨金属层和金金属层构成的复合金属层，所述的钛金属层与所述的衬底接触。
2、 根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，其中所述的钛金属层的厚度为10-20nm，钨金属层的厚度为35-60nm，金金属层的厚度为 60-100nm。
3、 根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述的电镀层的材 质为金属金。
4、 根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述的衬底为碳化硅或者蓝宝石。
5、 根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述的正面管芯包括氮化镓层，设置在所述的衬底顶面； 铝镓氮层，设置在所述的氮化镓层上；以及栅极、源极和漏极，设置在铝镓氮层上，所述的源极和漏极位于所述 的栅极两侧。
6、 根据权利要求1-5任一项所述的场效应管，其特征在于，所述的衬 底的厚度为100-200nm。
7、 根据权利要求1或3所述的场效应管，其特征在于其中所述的电镀 层的厚度为2-4um。
8、 一种场效应管的制备方法，其特征在于包括以下步骤 步骤l:对场效应管的衬底进行减薄和抛光；步骤2:采用光刻法在所述的场效应管管芯对应的衬底背面形成背金图形；步骤3:通过溅射法，在所述的衬底背面形成钛/钨/金复合金属层作为 起镀层；步骤4:通过电镀法，在上述的复合金属层上形成电镀层。
9、 根据权利要求8所述的场效应管的制备方法，其特征在于，经过步 骤1得到的衬底的粗糙度低于i20nm。
10、 根据权利要求8所述的场效应管的制备方法，其特征在于，所述 的步骤1包括首先采用物理机械法对衬底进行减薄和抛光，然后以氢氧 化钠溶液作为抛光液对衬底进行化学机械抛光。
11、 根据权利要求10所述的场效应管的制备方法，其特征在于其中所 述的氢氧化钠溶液的pH值为7. 5-11。
12、 根据权利要求8所述的场效应管的制备方法，其特征在于步骤3 所述的钛/钨/金复合金属层包括厚度为10-20nm的钛金属层，厚度为 35-60nm的钨金属层，厚度为60-100nm的金金属层。
13、 根据权利要求8所述的场效应管的制备方法，其特征在于，在步 骤3得到的复合金属层上先形成一电镀图形，然后再进行步骤4。
14、 根据权利要求13所述的场效应管的制备方法，其特征在于，所述 的电镀图形与所述的起镀层图形相同，由起镀层和电镀层共同形成背金结 构。
15、 根据权利要求8所述的场效应管的制备方法，其特征在于所述的 场效应管管芯包括氮化镓层，设置在所述的衬底顶面； 铝镓氮层，设置在所述的氮化镓层上；以及栅极、源极和漏极，设置在铝镓氮层上，所述的源极和漏极位于所述 的栅极两侧。
16、 根据权利要求8-15任一项所述的场效应管的制备方法，其特征在 于，在所述的步骤1之前对场效应管的正面涂光刻胶；在步骤4之后利用 丙酮对无图形区域的起镀层和电镀层金属进行剥离。
17、 根据权利要求16所述的场效应管的制备方法，其特征在于，还包 括采用金锡焊料进行粘片和封装步骤。
全文摘要
本发明是关于一种氮化镓基场效应管及其制备方法。该场效应管包括正面管芯、衬底和背金结构，所述的衬底包括碳化硅衬底或蓝宝石衬底，所述的背金结构设置在衬底底面，该背金结构包括背金起镀层和电镀层，所述的背金起镀层是由钛金属层、钨金属层和金金属层构成的复合金属层，所述的钛金属层与所述的衬底接触。本发明采用氢氧化钠抛光液，对场效应管的衬底进行化学机械抛光，采用溅射钛/钨/金复合层金属的方法形成背金起镀层，利用钨的良好阻挡性能，钛/钨/金系统有效地阻挡金锡合金或金锡焊料在高温条件下向衬底渗透，有效地增强了背金结构在碳化硅衬底或蓝宝石衬底的粘附性。
文档编号H01L29/778GK101442071SQ200810240270
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者刘新宇, 刘果果, 李诚瞻, 郑英奎, 珂 魏, 俊 黄 申请人:中国科学院微电子研究所