一种金刚石与氮化镓集成的方法转让专利
申请号 : CN201911054671.5
文献号 : CN110838438A
文献日 : 2020-02-25
发明人 : 吴立枢 , 孔月婵 , 戴家赟 , 陈堂胜
申请人 : 中国电子科技集团公司第五十五研究所
摘要 :
本发明是一种金刚石与氮化镓集成的方法，首先清洗氮化镓外延片和临时载片，然后将两者正面相对临时键合，键合后将氮化镓外延片的衬底去除，再将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入去离子水中贴合在一起，然后放在旋转台甩干，贴合面形成键合层，再放入键合机中加温加压，最后去掉临时载片和粘合材料既得。本发明利用氮化铝水解形成氢氧化铝键合层将氮化镓外延层与金刚石衬底结合在一起，相比常规利用低热导率键合材料将氮化镓与金刚石衬底键合在一起来说，降低了键合工艺难度，减少了对氮化镓外延层损伤的风险，同时可提高金刚石对氮化镓半导体器件的散热效果。
权利要求 :
1.一种金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）用盐酸水溶液清洗氮化镓外延片和临时载片表面，再用去离子水进行冲洗，然后烘干；
2）将烘干后的氮化镓外延片和临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料；
3）将涂敷粘合材料后的氮化镓外延片和临时载片正面朝上进行烘烤；
4）将烘烤后的氮化镓外延片和临时载片在室温下自然冷却，然后将氮化镓外延片和临时载片正面相对加热键合；
5）将加热键合后的氮化镓外延片的衬底减薄抛光，然后利用反应等离子体刻蚀去除掉剩余的衬底，同时刻蚀停止在氮化铝层，得到了以临时载片为支撑的氮化镓外延层；
6）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
7）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速2000转/分钟-3000转/分钟，贴合面形成键合层；
8）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200-300摄氏度，压力1000-2000毫巴；
9）键合完成后，将临时载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
2.根据权利要求1所述的金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，步骤1）中盐酸水溶液的质量百分比浓度为10%。
3.根据权利要求1所述的金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，步骤1）中所述的氮化镓外延片包括但不限于氮化镓高电子迁移率晶体管外延圆片或氮化镓光电二极管外延圆片，所述的临时载片包括但不限于蓝宝石、氮化铝或玻璃。
4.根据权利要求1所述的金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，步骤2）中涂敷粘合材料采用旋涂方式，转速1000转/分钟-3000转/分钟，时间为30-60秒，所述的粘合材料包括但不限于耐高温热塑性材料或光刻胶。
5.根据权利要求1所述的金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，步骤3）中烘烤温度为100-110℃，烘烤时间2-5分钟。
6.根据权利要求1所述的金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，步骤4）中加热键合的温度为250-350℃。
7.根据权利要求1所述的金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，步骤5）中抛光至衬底厚度小于50μm。
8.根据权利要求1所述的金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，步骤5）中所述的氮化镓外延片的衬底包括但不限于蓝宝石、碳化硅或硅。
9.根据权利要求1所述的金刚石与氮化镓集成的方法，其特征在于，步骤9）中临时载片分离的方式包括但不限于光解或热解方式。
说明书 :
一种金刚石与氮化镓集成的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种金刚石与氮化镓集成的方法，属于半导体工艺技术领域。
背景技术
[0002] 氮化镓具有禁带宽度大、高二维电子气浓度、高击穿场强、高的电子饱和速度等特点，可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件。但是氮化镓半导体器件的功率以及效率性能优势远未充分发挥，其主要原因之一是氮化镓半导体器件在输出大功率以及效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，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半导体器件的性能，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。当前主要采用两种方式实现金刚石衬底与氮化镓结合，第一种是在金刚石衬底上直接外延生长氮化镓，这种方法生长难度大，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。第二种是利用键合材料（比如聚合物、氧化物介质等）实现金刚石衬底与氮化镓的键合，这种方法需要引入低热导率的键合材料，从而使得基于金刚石衬底的氮化镓半导体器件性能优势无法充分发挥。
[0003]
发明内容
[0004] 本发明提出的是一种金刚石与氮化镓集成的方法，其目的旨在获得金刚石衬底氮化镓外延片用于制备氮化镓半导体器件，发挥金刚石衬底高热导率的优势，提高氮化镓半导体器件的输出功率以及效率。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：一种金刚石与氮化镓集成的方法，包括以下步骤：
1）用盐酸水溶液清洗氮化镓外延片和临时载片表面，再用去离子水进行冲洗，然后烘干；
2）将烘干后的氮化镓外延片和临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料；
3）将涂敷粘合材料后的氮化镓外延片和临时载片正面朝上进行烘烤；
4）将烘烤后的氮化镓外延片和临时载片在室温下自然冷却，然后将氮化镓外延片和临时载片正面相对加热键合；
5）将加热键合后的氮化镓外延片的衬底减薄抛光，然后利用反应等离子体刻蚀去除掉剩余的衬底，同时刻蚀停止在氮化铝层，得到了以临时载片为支撑的氮化镓外延层；
6）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
7）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速2000转/分钟-3000转/分钟，贴合面形成键合层；
8）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200-300摄氏度，压力1000-2000毫巴；
9）键合完成后，将临时载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
1）用盐酸水溶液清洗氮化镓外延片和临时载片表面，再用去离子水进行冲洗，然后烘干；
2）将烘干后的氮化镓外延片和临时载片的正面涂敷粘合材料作为键合材料；
3）将涂敷粘合材料后的氮化镓外延片和临时载片正面朝上进行烘烤；
4）将烘烤后的氮化镓外延片和临时载片在室温下自然冷却，然后将氮化镓外延片和临时载片正面相对加热键合；
5）将加热键合后的氮化镓外延片的衬底减薄抛光，然后利用反应等离子体刻蚀去除掉剩余的衬底，同时刻蚀停止在氮化铝层，得到了以临时载片为支撑的氮化镓外延层；
6）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
7）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速2000转/分钟-3000转/分钟，贴合面形成键合层；
8）将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200-300摄氏度，压力1000-2000毫巴；
9）键合完成后，将临时载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
[0006] 进一步，所述的金刚石与氮化镓集成的方法，步骤1）中盐酸水溶液的质量百分比浓度为10%。
[0007] 进一步，所述的金刚石与氮化镓集成的方法，步骤1）中所述的氮化镓外延片包括但不限于氮化镓高电子迁移率晶体管外延圆片或氮化镓光电二极管外延圆片，所述的临时载片包括但不限于蓝宝石、氮化铝或玻璃。
[0008] 进一步，所述的金刚石与氮化镓集成的方法，步骤2）中涂敷粘合材料采用旋涂方式，转速1000转/分钟-3000转/分钟，时间为30-60秒，所述的粘合材料包括但不限于耐高温热塑性材料或光刻胶。
[0009] 进一步，所述的金刚石与氮化镓集成的方法，步骤3）中烘烤温度为100-110℃，烘烤时间2-5分钟。
[0010] 进一步，所述的金刚石与氮化镓集成的方法，步骤4）中加热键合的温度为250-350℃。
[0011] 进一步，所述的金刚石与氮化镓集成的方法，步骤5）中抛光至衬底厚度小于50μm。
[0012] 进一步，所述的金刚石与氮化镓集成的方法，步骤5）中所述的氮化镓外延片的衬底包括但不限于蓝宝石、碳化硅或硅。
[0013] 进一步，所述的金刚石与氮化镓集成的方法，步骤9）中临时载片分离的方式包括但不限于光解或热解方式。
[0014] 本发明的有益效果在于：利用氮化铝水解形成氢氧化铝键合层将氮化镓外延层与金刚石衬底结合在一起，相比常规利用低热导率键合材料将氮化镓与金刚石衬底键合在一起来说，降低了键合工艺难度，减少了对氮化镓外延层损伤的风险，同时可提高金刚石对氮化镓半导体器件的散热效果。
[0015]
附图说明
[0016] 图1是临时载片样品示意图。
[0017] 图2是氮化镓外延片样品示意图。
[0018] 图3临时载片正面朝下和氮化镓外延片键合示意图。
[0019] 图4是将氮化镓外延片的衬底去除示意图。
[0020] 图5是以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合示意图。
[0021] 图6是以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底旋转甩干示意图。
[0022] 图7是以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底键合示意图。
[0023] 图8是金刚石衬底氮化镓外延片示意图。
[0024] 具体实施方式：下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。
[0025] 实施例1本实施例提供一种金刚石与氮化镓集成的方法，具体包括以下步骤：
①备样品：将临时载片和氮化镓外延片用稀释的盐酸（质量百分比浓度10%）和去离子水清洗干净，并烘干，如图1，如图2所示。
①备样品：将临时载片和氮化镓外延片用稀释的盐酸（质量百分比浓度10%）和去离子水清洗干净，并烘干，如图1，如图2所示。
[0026] ②临时键合：在临时载片和氮化镓外延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和氮化镓外延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，然后将氮化镓外延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，如图3所示。③背面工艺：键合完成后氮化镓外延片的衬底经过磨片，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衬底，同时刻蚀停止在氮化铝层，此时得到了以临时载片为支撑的氮化镓外延层，如图4所示。
[0027] ④浸泡：将以临时载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起，如图5所示。
[0028] ⑤旋转甩干：将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速2000转/分钟-3000转/分钟，贴合面形成键合层，如图6所示。
[0029] ⑥键合：将以临时载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度200-300摄氏度，压力1000-2000毫巴，如图7所示。
[0030] ⑦去键合：键合完成后，将临时载片分离，包括但不限于光解或热解方式，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片，如图8所示。
[0031] 实施例2本实施例提供了一种金刚石衬底氮化镓集成的方法，具体包括：
1）将蓝宝石载片和氮化镓外延片（圆片）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。
1）将蓝宝石载片和氮化镓外延片（圆片）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。
[0032] 2）在蓝宝石载片和氮化镓外延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，将涂好粘合材料的蓝宝石载片和氮化镓外延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。
[0033] 3）将蓝宝石载片和氮化镓外延片从热板上取出，室温下自然冷却后氮化镓外延片和蓝宝石载片正面相对叠在一起，使氮化镓外延片和蓝宝石载片尽量完全重叠，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；4）键合好后在蓝宝石载片的支撑下对氮化镓外延片的硅衬底完成背面减薄，磨到50微米左右，再用把剩余硅衬底通过反应等离子体刻蚀掉，得到以蓝宝石载片为支撑的氮化镓外延层；
5）将以蓝宝石载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
6）将以蓝宝石载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速2000转/分钟，甩干掉大部分去离子水，贴合面形成键合层；
7）将以蓝宝石载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200摄氏度，压力1000毫巴，键合完成后，采用加热分离的方法将蓝宝石载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
5）将以蓝宝石载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
6）将以蓝宝石载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速2000转/分钟，甩干掉大部分去离子水，贴合面形成键合层；
7）将以蓝宝石载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200摄氏度，压力1000毫巴，键合完成后，采用加热分离的方法将蓝宝石载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
[0034] 经过以上步骤，就实现了金刚石衬底氮化镓外延片的制备。
[0035] 实施例3本实施例提供了一种金刚石衬底氮化镓集成的方法，具体包括：
1）将氮化铝载片和氮化镓外延片载片（圆片）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。
1）将氮化铝载片和氮化镓外延片载片（圆片）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。
[0036] 2）在氮化铝载片和氮化镓外延片正面上旋涂粘合材料，转速为2000转/分钟，加速度为5000转/秒，旋涂时间为50秒，将涂好粘合材料的氮化铝载片和氮化镓外延片正面朝上放热板上，热板温度为100摄氏度，烘片时间5分钟。
[0037] 3）将氮化铝载片和氮化镓外延片从热板上取出，室温下自然冷却后氮化镓外延片和氮化铝载片正面相对叠在一起，使氮化镓外延片和氮化铝载片尽量完全重叠，边缘整齐，用夹具固定好放入键合机进行键合，键合温度为300摄氏度，键合时间为1小时；4）键合好后在氮化铝载片的支撑下对氮化镓外延片的硅衬底完成背面减薄，磨到50微米左右，再用把剩余硅衬底通过反应等离子体刻蚀掉，得到以氮化铝载片为支撑的氮化镓外延层；
5）将以氮化铝载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
6）将以氮化铝载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速2000转/分钟，甩干掉大部分去离子水，贴合面形成键合层；
7）将以氮化铝载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200摄氏度，压力1500毫巴，键合完成后，采用加热分离的方法将氮化铝载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
5）将以氮化铝载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
6）将以氮化铝载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速2000转/分钟，甩干掉大部分去离子水，贴合面形成键合层；
7）将以氮化铝载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200摄氏度，压力1500毫巴，键合完成后，采用加热分离的方法将氮化铝载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
[0038] 经过以上步骤，就实现了金刚石衬底氮化镓外延片的制备。
[0039] 实施例4本实施例提供了一种金刚石衬底氮化镓集成的方法，具体包括：
1）将玻璃载片和氮化镓外延片（圆片）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。
1）将玻璃载片和氮化镓外延片（圆片）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。
[0040] 2）在玻璃载片和氮化镓外延片正面上旋涂粘合材料，转速为2500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和氮化镓外延片正面朝上放热板上，热板温度为105摄氏度，烘片时间4分钟。
[0041] 3）将玻璃载片和氮化镓外延片从热板上取出，室温下自然冷却后氮化镓外延片和玻璃载片正面相对叠在一起，使氮化镓外延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250摄氏度，键合时间为2小时；4）键合好后在玻璃载片的支撑下对氮化镓外延片的硅衬底完成背面减薄，磨到50微米左右，再用把剩余硅衬底通过反应等离子体刻蚀掉，得到以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层；
5）将以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
6）将以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速3000转/分钟，甩干掉大部分去离子水，贴合面形成键合层；
7）将以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200摄氏度，压力2000毫巴，键合完成后，采用加热分离的方法将玻璃载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
5）将以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层和金刚石衬底键合面相对放入去离子水中贴合在一起；
6）将以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放在旋转台上，圆片上下面固定，转速3000转/分钟，甩干掉大部分去离子水，贴合面形成键合层；
7）将以玻璃载片为支撑的氮化镓外延层与金刚石衬底放入键合机中加温加压，温度
200摄氏度，压力2000毫巴，键合完成后，采用加热分离的方法将玻璃载片分离，同时清洗掉粘合材料，最终得到金刚石衬底氮化镓外延片。
[0042] 经过以上步骤，就实现了金刚石衬底氮化镓外延片的制备。