[发明专利]氮化镓器件结构及其制备方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。