采用电解抛光工艺制作GaNHEMT背面通孔的方法与流程

本发明涉及半导体器件及集成电路制造工艺技术领域，尤其是指一种采用电解抛光工艺制作GaN HEMT背面通孔的方法，用于改善GaN器件的散热性能。

背景技术：

近年来，第三代宽禁带半导体材料GaN以其较宽的禁带宽度(3.4eV)、较高的击穿电场(3*10⁶V/cm)和较高的电子饱和速率(2*10⁷cm/s)等特点成为大功率、高温、高频应用中具有发展潜力的器件，近年来得到了广泛关注，其作为新一代微波固态功率器件，具有广阔的应用前景。目前，制约GaN HEMT的除了有成本问题外，最主要考虑的问题是散热问题，由于GaN HEMT输出功率大，这意味着耗散功率也同时增大，也为如何进行散热系统的设计提出了挑战。目前考虑的最多的方法是更换衬底，由于SiC衬底有高热导率这个特点，所以可以利用SiC衬底来解决这一问题。但是SiC衬底的缺点是比起蓝宝石和Si衬底，价格有点高，从而对器件成本的降低产生不利的影响。实际上，更换衬底的方法，只是单纯地从材料入手去改变器件的散热能力，并不能彻底地解决衬底散热差的问题。GaN器件在高频应用中，其背面需要大面积接地，于是背面通孔的方法就开始运用于改善GaN HEMT器件性能。而在实际过程中，为了减薄GaN HEMT的背面衬底，一般会利用化学机械研磨和激光刻蚀。但是这样不仅成本比较高，而且刻蚀出来比较粗糙。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用电解抛光工艺制作GaN HEMT背面通孔的方法，改善以Si衬底制备的GaN HEMT器件散热问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：采用电解抛光工艺制作GaN HEMT背面通孔的方法，包括以下步骤：

1)通过MOCVD得到在Si衬底上生长AlGaN/GaN异质结实验片，然后通过下料清洗、台面隔离、正面电极制作、欧姆接触(肖特基势垒制作)、电镀，完成GaN HEMT正面工艺；

2)将步骤1)已完成的GaN HEMT正面工艺样品进行涂胶保护，保护胶的厚度为10000-12000埃，烘烤时间设为12-18min，烘烤温度为100-120℃，选用正性光刻胶307T；

3)将涂好保护胶的实验品放在烘箱中烘烤8-12min，烘烤温度140-160℃；

4)采用化学腐蚀的方法减薄Si衬底背面；

5)采用电解抛光的方式，以GaN外延片为阳极，铜电极为阴极，将背面抛光；

6)利用光刻得到背面通孔图案，然后运用磁控溅射蒸镀的方法制作Ni掩蔽层，形成金属掩膜；

7)将衬底晶片倾斜θ角，同时采用RIE-ICP方法进行背面通孔的刻蚀；

8)用浓盐酸腐蚀金属掩膜Ni，然后再次电解被腐蚀的孔壁，保证通孔内壁光滑，至此便完成背面通孔制作。

在步骤4)中，化学腐蚀所采用的腐蚀液为KOH腐蚀液，配比为:KOH:H₂O:C₂H₅OH＝2：1：1，衬底腐蚀时间为40-50min，衬底减薄到40-80um，腐蚀完后将实验品依次放入丙酮和去胶液分别超声浸泡8-12min，再进行冲水至水阻值达到10MΩ以上，接着甩干。

在步骤5)中，电解抛光所采用的电解抛光液为Na₂SO₄，浓度为50g/L，采用恒电流输出模式0.8-1.2A，阴阳极间距为10-20cm，抛光时间8-12min，抛光完毕后将实验片分别放在丙酮、去胶液中处理8-12min，再进行冲水至水阻值达到10MΩ以上，接着甩干。

在步骤6)中，金属掩膜的厚度为1-2um。

在步骤7)中，将衬底晶片倾斜20-30°角，RIE-ICP采用的气体是O₂与SF₆混合气体，气体流量比为1:3，总流量为40sccm，反应室压力为8mtorr,RIE射频功率设定为300W，ICP射频功率设定为1800W，刻蚀速度2um/min，蚀刻深度为110-120um。

在步骤8)中，刻蚀完毕后需用浓盐酸去除掩膜金属Ni,处理时间为2-4min，处理完成后，进行冲水至水阻值达到10MΩ以上，接着甩干。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、采用电解抛光的方式对Si衬底进行减薄，大大的减小了抛光成本，且工艺操作简单，适合实验室、工业上HEMT背面通孔的制作。

2、采用电解抛光的方式对干法刻蚀后的孔壁进行处理，获得了较平滑的蚀刻表面，为后续金属淀积提供了良好的接触表面，大大减小了接触阻抗，提高器件高频工作时的接地特性。

附图说明

图1为Si衬底上生长AlGaN/GaN异质结实验片。

图2为经过正面处理之后的示意图。

图3为做完正面保护的示意图。

图4为衬底减薄的示意图。

图5为电解抛光对比示意图。

图6为电解抛光装置。

图7为磁控溅射蒸镀Ni的示意图。

图8为RIE-ICP刻蚀示意图。

图9为GaN HEMT最终通孔图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所涉及的GaN HEMT背面通孔，包括Si衬底1，在Si衬底生生长GaN/AlGaN异质外延2，在异质外延表面制作电极3(如图2所示)，在器件背面生成通孔，最终形成GaN HEMT背面通孔优化结构，其具体制作过程如下：

1)通过MOCVD得到在Si衬底上生长AlGaN/GaN异质结实验片，然后经过GaN HEMT通用工艺，即下料清洗、台面隔离、正面电极制作、欧姆接触(肖特基势垒制作)、电镀等，得到台面隔离区域、正面电极、欧姆接触、肖特基势垒等，完成GaN HEMT正面工艺，如图2所示。

2)将步骤1)已完成GaN HEMT正面工艺样品进行涂胶保护，如图3所示，保护胶4的厚度为10000-12000埃，烘烤时间设为12-18min，烘烤温度为100-120℃，选用正性光刻胶307T。

3)将涂好保护胶的实验品放在烘箱中烘烤8-12min,烘烤温度140-160℃，烤完后放置在氮气柜里准备随时用。

4)在腐蚀槽中分别倒入6000mL氢氧化钾、3000mL水、3000mL乙醇，搅拌均匀，冷却至室温，待用，其中要求氢氧化钾：水：乙醇＝2:1:1。

5)将已做好正面涂胶保护的实验片进入氢氧化钾腐蚀液中，上下抖动，设置腐蚀时间为40-50min，Si衬底减薄到40-80um，如图4所示，腐蚀完后将实验片取出再依次放入丙酮和去胶液分别超声浸泡8-12min，再进行冲水至水阻值达到10MΩ以上，接着甩干。

6)在电解槽中加入100g硫酸钠、2000mL纯水，搅拌均匀后检测pH值，用酸碱溶液来调节，使其pH值保持在6-8之间。

7)搭建电解装置(如图6所示)，完毕后把实验片放在阳极9，实验片背面与阴极铜10正对，采用恒电流6输出模式0.8-1.2A，开关7来启动电解装置，滑动变阻器8来控制电流大小，阴阳极间距为10-20cm，抛光时间8-12min，抛光完毕后进行冲水至水阻值达到10MΩ以上，接着甩干。其中未做电解抛光处理的背面和电解抛光后的背面的对比如图5所示。

8)将实验片分别放在丙酮、去胶液中超声波处理8-12min，再进行冲水至水阻值达到10MΩ以上，接着甩干。

9)在实验片上涂覆负性光刻胶7080T，烘烤温度100-120℃，烘烤时间100-120s，后经过曝光显影获得背面通孔图案。

10)采用磁控溅射蒸镀方法在背面蒸镀1-2um金属镍5，撕金剥离之后，得到刻蚀阻挡层，如图7所示。

11)将实验片放入干法刻蚀设备中，先将实验片倾斜20-30°角，再利用RIE-ICP方法对背面进行干法刻蚀，采用的气体是O₂与SF₆混合气体，气体流量比为1:3，总流量为40sccm，反应室压力为8mtorr,RIE射频功率设定为300W，ICP射频功率设定为1800W，刻蚀速度2um/min，刻蚀深度为110-120um，刻蚀时间为55-60min，将实验片取出并测量出刻蚀深度，如图8所示。

12)将实验片放入浓盐酸浸泡2-4min，去掉剩余掩膜金属Ni，将实验片进行冲水至水阻值达到10MΩ以上，接着甩干。

13)将步骤6)中的电解液调至7，并将12)步骤中的实验片放入电解阳极，采用恒电流输出模式0.8-1.2A，电解抛光10min后关闭电源。

14)正面工艺样品进行涂胶保护，保护胶的厚度为10000-12000埃，烘烤时间设为12-18min，烘烤温度为100-120℃，选用正性光刻胶307T。

15)将实验片分别放在丙酮、去胶液中超声波处理8-12min，再进行冲水至水阻值达到10MΩ以上，接着甩干，完成GaN HEMT背面通孔的制作，如图9所示。

综上所述，相比现有技术，通过本发明不仅可以减少抛光时的成本，而且操作简单，容易获得较平滑的刻蚀表面，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。