氮化镓器件结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体工艺和半导体封装技术领域，特别涉及一种具有高散热性能的氮化镓器件结构及其制备方法。

背景技术：

氮化镓具有禁带宽度大、直接带隙、电子漂移速度快、耐高温等优点，适合制备大功率、高频率的电子器件和光电器件，比如微波晶体管等。高功率、高频氮化镓器件的散热问题是器件可靠性和寿命的关键影响因素，目前解决氮化镓器件散热问题的方法之一是将氮化镓与具有高热导率的金刚石进行集成，集成方法主要有：

(1)在金刚石上生长氮化镓。这种方法是在单晶金刚石上外延生长所需的氮化镓层，但单晶金刚石制备困难、尺寸小、价格极其昂贵。相比于硅、碳化硅等常用的氮化镓生长基板，单晶金刚石与氮化镓有更严重的热失配问题。另外，这种方法难以去除氮化镓与金刚石之间的缓冲层，导致氮化镓与金刚石之间的热阻较大。

(2)在氮化镓上生长金刚石。金刚石的外延生长需要高温工艺(700℃左右及以上)，因此在金刚石生长过程中易产生氮化镓层及基板的翘曲甚至破裂。另外，由于金刚石生长的高温工艺会破坏氮化镓器件和金属布线，氮化镓器件和金属布线的加工需要在金刚石生长完成后进行，限制了制造工艺的灵活性，且要求金刚石基板足够厚或者需要额外的基板支撑工艺，成本将会大大增加。

(3)氮化镓–金刚石键合。通过直接或间接研磨金刚石晶圆提高待键合金刚石表面平坦度和光滑度，然后进行氮化镓与金刚石间的晶圆键合。直接或间接研磨金刚石晶圆需要较厚的自支撑金刚石晶圆，成本高，特别是，金刚石的直接研磨非常困难，效率低，会大大增加成本；间接研磨金刚石晶圆需要沉积较厚的介质层，会大大影响期望的散热效果。

因此，现有的氮化镓散热方案成本较高且散热效果不甚理想。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明系提供一种具有高散热性能的氮化镓器件结构及其制备方法，以解决现有技术存在的氮化镓散热方案成本较高且散热效果差的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种氮化镓器件结构，该氮化镓器件结构包括一氮化镓芯片、一刻蚀停止层和一金刚石散热层，其中：该刻蚀停止层具有一第一表面，作为生长界面，该金刚石散热层生长于该刻蚀停止层的该第一表面上；该刻蚀停止层具有一与所述第一表面相对的第二表面，作为键合界面，该氮化镓芯片键合于该刻蚀停止层的该第二表面上。

上述方案中，该刻蚀停止层系形成于一牺牲晶圆上，该牺牲晶圆与该刻蚀停止层具有不同的刻蚀速率，通过选择性刻蚀该牺牲晶圆而露出该刻蚀停止层的该第二表面。

上述方案中，所述刻蚀停止层采用热导率高于氮化硅热导率的材料制备而成，以保证散热效果，其厚度为小于30nm，所述热导率高于氮化硅热导率的材料为碳化硅sic、氮化铝aln、氮化硼bn、氧化铍beo、氮化镓gan及氧化铝al2o3。所述刻蚀停止层的存在可以避免金刚石晶圆的研磨抛光，再结合氮化镓器件层-金刚石散热层-高导热率支撑层的散热结构，金刚石散热层可以采用较为小的厚度，无需使用自支撑的金刚石厚膜基板，可在保证增强散热性能的同时显著降低成本。

上述方案中，所述金刚石散热层的厚度范围为10-150微米。

上述方案中，该氮化镓器件结构还包括高热导率支撑层，生长于该金刚石散热层之上，用于辅助支撑和散热，可以是热导率较高的介质材料，也可以为热导率较高的金属材料或金属基金刚石复合材料。

上述方案中，该高热导支撑层为介质或金属，采用下列材料中的一种或多种叠层组合制备而成：碳化硅sic、氮化铝aln、氮化硼bn、氧化铍beo、钛ti、铜cu、镍ni、钯pd、铂pt、金au、银ag、金属合金、金属焊料以及金属基金刚石复合材料。

上述方案中，该氮化镓芯片系移除基底(例如硅、碳化硅或蓝宝石)以及外延用缓冲层后的氮化镓薄膜，包括有源器件以及至少一层金属布线层，其厚度小于20微米。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制备氮化镓器件结构的方法，包括：在牺牲晶圆上沉积刻蚀停止层；在刻蚀停止层的第一表面上生长金刚石散热层；选择性刻蚀去除牺牲晶圆，露出刻蚀停止层的与第一表面相对的第二表面；将氮化镓芯片与刻蚀停止层的第二表面进行键合。

上述方案中，该牺牲晶圆作为沉积该刻蚀停止层的衬底，并作为在该刻蚀停止层上生长该金刚石散热层的衬底，该牺牲晶圆与该刻蚀停止层具有不同的刻蚀速率。

上述方案中，该方法还包括：在金刚石散热层表面沉积用以辅助支撑和散热的高热导率支撑层，包括下列材料中的一种或多种叠层组合：碳化硅sic、氮化铝aln、氮化硼bn、氧化铍beo、钛ti、铜cu、镍ni、钯pd、铂pt、金au、银ag、金属合金、金属焊料以及金属基金刚石复合材料，厚度为10至1000微米。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种具有高散热性能的氮化镓器件结构及其制备方法，氮化镓芯片与金刚石键合结构的制造方法为低温工艺(不超过200℃)，避免了高温下热失配产生的翘曲问题，且不对已有器件造成破坏，可实现带有器件的氮化镓晶圆或芯片与较薄金刚石层的集成，无需使用自支撑的金刚石厚膜基板，可在保证增强散热性能的同时显著降低成本，解决了现有技术存在的氮化镓散热方案成本较高且散热效果差的问题。

2、本发明提供的这种具有高散热性能的氮化镓器件结构及其制备方法，利用具有较高热导率的刻蚀停止层(例如sic或aln)的平坦光滑的第二表面与氮化镓芯片直接进行键合，对金刚石的厚度均匀度和平坦度要求低，无需困难且成本高昂的金刚石研磨抛光工艺，避免了高温生长工艺和金刚石研磨抛光工艺而且可降低金刚石晶圆厚度，从而大大降低了工艺难度和成本，提高了成品率同时有效改善了散热效果。

3、本发明提供的这种具有高散热性能的氮化镓器件结构及其制备方法，可实现晶圆级或芯片级集成，提供更高灵活性的同时更可充分利用大尺寸硅基氮化镓和硅基金刚石的低成本优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为依照本发明实施例的具有高散热性能的氮化镓器件结构的一种结构示意图。

图2为依照本发明实施例的具有高散热性能的氮化镓器件结构的另一种结构示意图。

图3为依照本发明实施例的在一选定牺牲晶圆上沉积刻蚀停止层的过程示意图。

图4为依照本发明实施例的在刻蚀停止层第一表面生长金刚石散热层的示意图。

图5为依照本发明实施例的在金刚石散热层表面沉积高导热率支撑层的示意图。

图6为依照本发明实施例的去除刻蚀停止层背面的牺牲晶圆露出第二表面的示意图。

图7为依照本发明实施例的氮化镓晶圆的示意图。

图8为依照本发明实施例的在氮化镓晶圆正面临时键合于支撑晶圆的示意图。

图9为依照本发明实施例的去除氮化镓晶圆背面基底及缓冲层的示意图。

图10为依照本发明实施例的将氮化镓芯片第二表面与刻蚀停止层第二表面进行键合的示意图。

图11为依照本发明实施例的将氮化镓芯片与刻蚀停止层第二表面键合后的示意图。

图12为依照本发明实施例的多个氮化镓芯片与刻蚀停止层/金刚石/高导热率支撑层进行键合的示意图。

图13为依照本发明实施例的将图12中临时键合层及支撑晶圆去除后的具有高散热性能的氮化镓器件结构的示意图。

【附图标记】

100––牺牲晶圆；

101––刻蚀停止层；

1011––刻蚀停止层第一表面；1012––刻蚀停止层第二表面；

102––金刚石层；

1021––金刚石生长界面；1022––金刚石层第一表面；

103––高热导率支撑层；1031––金属粘附层；1032––金属层；

104––临时键合层；105––支撑晶圆；

200––氮化镓晶圆基底；201––缓冲层；

202––氮化镓芯片层；2021––氮化镓芯片层第一表面；

2022––氮化镓芯片层第二表面；

203––临时键合层；204––支撑晶圆；

301––键合界面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。具体实施例及附图仅用于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分非按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。

如图1至图4所示，本发明提供的具有高散热性能的氮化镓器件结构为一层状结构，包括一氮化镓芯片202、一刻蚀停止层101和一金刚石散热层102，其中，刻蚀停止层101具有第一表面1011和与第一表面1011相对的第二表面1012，第一表面1011作为金刚石散热层102的生长界面，金刚石散热层102生长于刻蚀停止层101的第一表面1011上；第二表面1012作为键合界面，氮化镓芯片202键合于刻蚀停止层101的第二表面1012上。刻蚀停止层101和金刚石散热层102构成氮化镓芯片202的散热结构。

刻蚀停止层101系形成于牺牲晶圆100上，牺牲晶圆100与刻蚀停止层101具有不同的刻蚀速率，通过选择性刻蚀牺牲晶圆100而露出刻蚀停止层101的第二表面1012，以用于与氮化镓芯片202进行键合。刻蚀停止层101采用热导率高于氮化硅热导率的材料制备而成，以保证散热特性，其厚度一般不超过30nm。刻蚀停止层101可以采用下列材料中的一种或多种：碳化硅sic、氮化铝aln、氮化硼bn、氧化铍beo、氮化镓gan及氧化铝al2o3。刻蚀停止层101的第一表面1011和第二表面1012可以分别为刻蚀停止层101的正面和背面，即第一表面1011为刻蚀停止层101的正面，第二表面1012为刻蚀停止层101的背面；或者，第一表面1011为刻蚀停止层101的背面，第二表面1012为1该刻蚀停止层101的正面。刻蚀停止层101的存在可以避免金刚石晶圆的研磨抛光，再结合氮化镓器件层-金刚石散热层-高导热率支撑层的散热结构，金刚石散热层可以采用较为小的厚度，无需使用自支撑的金刚石厚膜基板，可在保证增强散热性能的同时显著降低成本。

金刚石散热层102生长于刻蚀停止层101的该第一表面1011之上，金刚石生长界面1021位于刻蚀停止层101的第一表面1011与金刚石散热层102第二表面之间。金刚石散热层102中的金刚石是采用下列材料中一种或者多种：单晶金刚石、多晶金刚石或者非晶金刚石。金刚石散热层102的厚度范围可以为10至150微米。

氮化镓芯片202包括有源器件以及至少一层金属布线层，氮化镓芯片202移除基底(例如硅、碳化硅或蓝宝石等)以及外延用缓冲层后的氮化镓薄膜，其厚度一般小于20微米。参照图7至图9，氮化镓芯片202具有第一表面2021和与其相对的第二表面2022，氮化镓芯片202的第二表面2022为去除氮化镓晶圆基底200和缓冲层201后的氮化镓背表面。图11中，键合界面301位于氮化镓芯片层第二表面2022与刻蚀停止层101的第二表面1012之间。

在本发明实施例中，键合于刻蚀停止层的第二表面上的氮化镓芯片可以是一个，也可以是多个，刻蚀停止层和金刚石散热层具有相同的横向尺寸，刻蚀停止层及金刚石散热层的横向尺寸可以大于或等于氮化镓芯片的横向尺寸，刻蚀停止层及金刚石散热层的横向尺寸大于氮化镓芯片的横向尺寸的作用是为了更好地散热。

为了对氮化镓散热结构形成一定的支持作用，可以在金刚石散热层上增加高热导率支撑层，高热导率支撑层选用具有高热导率的材料，使得除了支持作用，还可以具有一定的散热作用。

如图2所示，本发明提供的具有高散热性能的氮化镓器件结构还可以包括一高热导率支撑层103，高热导率支撑层103生长于金刚石散热层102之上，用于辅助支撑和散热，以进一步保证散热特性。高热导率支撑层103的厚度大于金刚石散热层102的表面粗糙度，可以采用热导率较高的化合材料，也可以为热导率较高的金属材料，例如化学气相沉积碳化硅或氮化铝，其厚度为10至1000微米。

当高热导支撑层103中包含有金属时，高热导支撑层103包括金属粘附层1031和金属层1032，金属粘附层1031的作用是增强金属层和金刚石散热层间的粘附强度，金属层1032的作用是支撑和散热作用。

高热导支撑层可以为介质或金属，采用下列材料中的一种或多种叠层组合制备而成：碳化硅sic、氮化铝aln、氮化硼bn、氧化铍beo、钛ti、铜cu、镍ni、钯pd、铂pt、金au、银ag、金属合金、金属焊料以及金属基金刚石复合材料。在一实施例中，金属粘附层可以为溅射沉积的镍和钛叠层组合，其镍厚度为100纳米，钛厚度为50纳米；金属层也可以为电镀铜和金叠层组合，其铜厚度为50至100微米，金厚度为100纳米。

在本发明的一实施例中，金刚石散热层102和高热导率支撑层103的厚度可根据实际情况进行调整，例如分别为90微米和90微米。

本发明实施例提供的具有高散热性能的氮化镓器件结构，通过采用刻蚀停止层避免了金刚石的研磨抛光，结合氮化镓芯片-刻蚀停止层-金刚石散热层-高导热率支撑层的散热结构，金刚石散热层可以采用较为小的厚度，无需使用自支撑的金刚石厚膜基板，可在保证增强散热性能的同时显著降低成本。

基于上述本发明实施例提供的具有高散热性能的氮化镓器件结构，本发明实施例还提供了制备该具有高散热性能的氮化镓器件结构的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：在牺牲晶圆上沉积刻蚀停止层；

其中，该牺牲晶圆作为沉积该刻蚀停止层的衬底，并作为在该刻蚀停止层上生长该金刚石散热层的衬底，该牺牲晶圆与该刻蚀停止层具有不同的刻蚀速率。在牺牲晶圆上沉积刻蚀停止层的方式有许多中，可以采用外延生长方式，也可以采用溅射沉积或者其他沉积方式。

步骤2：在刻蚀停止层的第一表面上生长金刚石散热层；

其中，所述在刻蚀停止层的第一表面上生长金刚石散热层，金刚石散热层的生长方式有多种，可以采用化学气相沉积，也可以采用等离子气相沉积，也可以采用其他沉积方式，该金刚石散热层与该刻蚀停止层之间存在金刚石生长界面；

金刚石散热层并不局限于其中一种，可以是多种金刚石的复合材料，例如可以是单晶金刚石与多晶金刚石的复合材料，其中复合的方式可以采用层状结构复合，也可以采用其他复合方式，例如可以在单晶金刚石中混合有非晶金刚石，金刚石散热层可以采用非层状结构的其他结构。

步骤3：选择性刻蚀去除牺牲晶圆，露出刻蚀停止层的与第一表面相对的第二表面；

为了保证后续加入氮化镓芯片，需要将沉积刻蚀停止层的牺牲晶圆去除，可以利用选择性刻蚀的方法将牺牲晶圆去除，使得刻蚀停止层的另一个表面裸露出来，也即通过选择性刻蚀牺牲晶圆以产生刻蚀停止层的第二表面；由于需要对沉积有刻蚀停止层的牺牲晶圆进行选择性刻蚀，以将牺牲晶圆去除，为了可以完全去除牺牲晶圆且保留刻蚀停止层，在牺牲晶圆和刻蚀停止层的材料选择上使得两种材料具有不同的刻蚀速率。

步骤4：将氮化镓芯片与刻蚀停止层的第二表面进行键合，得到具有高散热性能的氮化镓器件结构；其中，键合是指低温直接或间接键合甚至室温下键合，比如通过表面活性化方法。

在上述制备具有高散热性能的氮化镓器件结构的工艺中，在刻蚀停止层的第一表面上生长金刚石散热层之后，或者是在选择性刻蚀去除牺牲晶圆露出刻蚀停止层的第二表面之后，或者是在将氮化镓芯片与刻蚀停止层的第二表面进行键合得到具有高散热性能的氮化镓器件结构之后，还可以包括：在金刚石散热层表面生长用以支撑和散热的高热导率支撑层。该高热导率支撑层为高热导率材料层，其是在金刚石散热层表面化学气相沉积碳化硅或氮化铝而成，厚度为10至1000微米。

需要说明的是，为了对氮化镓散热结构形成一定的支持作用，可以在所述金刚石散热层上增加高热导率支撑层，所述高热导率支撑层选用具有高热导率的材料，使得除了支持作用，还可以具有一定的散热作用。

基于上述本发明实施例提供的制备该具有高散热性能的氮化镓器件结构的方法，以下结合图3至图13对制备工艺进行详细说明。

a、提供一牺牲晶圆100，牺牲晶圆材料选择为硅。在硅晶圆正表面之上沉积刻蚀停止层101，如图3所示，沉积述刻蚀停止层101材料选择为碳化硅，沉积方法为化学气相沉积，沉积厚度为30纳米。

b、在刻蚀停止层101正面(即刻蚀停止层101的第一表面1011)之上采用化学气相沉积方法生长金刚石散热层102，如图4所示。

c、在金刚石散热层102第一表面1022之上采用电镀方法沉积300微米厚的金属铜作为高热导率支撑层103，如图5所示。

d、将具有金刚石散热层102和高热导率支撑层103的牺牲晶圆正面(即高热导率支撑层103表面)与支撑晶圆105(一硅基晶圆或玻璃晶圆)通过临时键合层104(聚合物胶)进行临时键合。

e、去除刻蚀停止层101背面的牺牲晶圆100，露出刻蚀停止层101背表面即刻蚀停止层第二表面1012，以用于与氮化镓芯片202进行键合，如图6所示。抛光并清洗刻蚀停止层第二表面1012，使其厚度小于30纳米，表面粗糙度rms小于1纳米。

f、另提供一正面含有氮化镓芯片202的氮化镓晶圆，该氮化镓晶圆自上而下依次包含氮化镓芯片202、缓冲层201和氮化镓晶圆基底200，如图7所示。在氮化镓晶圆正表面2021旋涂聚合物临时键合层203，将氮化镓晶圆正面(即氮化镓芯片202第一表面)与支撑晶圆204(另一硅基晶圆或玻璃晶圆)通过临时键合层203(聚合物胶)进行临时键合，如图8所示。

g、去除氮化镓晶圆基底200以及用于在氮化镓晶圆基底200上外延生长氮化镓的缓冲层201(例如aln和algan等)，露出氮化镓芯片202的背面即氮化镓芯片202的第二表面2022，如图9所示。

h、抛光并清洗氮化镓芯片的第二表面2022，使表面粗糙度rms小于1纳米。

i、将氮化镓芯片202的第二表面2022与刻蚀停止层101的第二表面1012直接进行键合，如图10所示。键合后得到键合界面301如图11所示。

j、拆除临时键合层104、支撑晶圆105或临时键合层203、支撑晶圆204中的至少一个。

k、晶圆切割，得到金刚石基上氮化镓芯片，即得到具有高散热性能的氮化镓器件结构。

在本发明实施例中，键合方法采用表面活性化键合方法在超高真空里进行室温下直接键合。在直接接合过程中，在超高真空(10^-6pa)中使用加速原子束或离子束比如氩(ar)轰击氮化镓芯片层202的第二表面2022和刻蚀停止层101的第二表面1012，去除表面污染物和氧化层以达到表面激活的目的，进而在室温下获得均一的高强度键合。需要理解的是，此键合步骤中使用的键合方法并不局限于表面表面活性化键合方法，也可以是其他键合方法比如等离子体激活键合等。

在本发明实施例中，亦可将多个氮化镓芯片正面临时键合于支撑晶圆并去除氮化镓芯片的背面基底，露出并抛光多个芯片的氮化镓芯片层第二表面2022，再将多个芯片的氮化镓芯片层第二表面2022键合于刻蚀停止层第二表面1012之上，如图12所示。最后切割后得到的氮化镓芯片与金刚石键合结构，其金刚石层102和高热导率支撑层103的横向尺寸大于氮化镓芯片层202的横向尺寸，如图13所示。本实施例特别适合于将已经测试合格的氮化镓芯片键合于不同横向尺寸的金刚石层之上。

在本发明实施例中，亦可在拆除临时键合于金刚石散热层之上的支撑晶圆后，再在金刚石散热层第一表面上制作高热导率支撑层103，即将实施例一中的步骤c后移至步骤i以及拆除金刚石上的临时键合支撑晶圆之后。

在本发明实施例中，为了在制备过程中便于操作增加了支撑晶圆，支撑晶圆可以采用玻璃晶圆，也可以采用硅基晶圆。

在本发明实施例中，对于氮化镓芯片的形成，凡是可以形成氮化镓芯片的方式均适用于本发明实施例。下面介绍一种氮化镓芯片的形成方式：取一氮化镓器件，所述氮化镓器件包含有硅基晶圆、缓存层、氮化镓薄膜、钝化层；将氮化镓器件中的硅基晶圆和缓存层去除，以将器件中的氮化镓薄膜暴露出来，去除的方式可以是机械研磨或者干、湿法化学刻蚀方法，又或者是多种方法的复合；暴露出的氮化镓薄膜进行抛光处理，以减少氮化镓薄膜表面的粗糙度，较小的表面的粗糙度有利于使氮化镓薄膜键合在刻蚀停止层的第二表面上。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。