氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法及对应器件与流程

1.本发明涉及半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法及对应器件。


背景技术：

2.相比于第一代硅和第三代砷化镓，氮化镓器件具有更高的输出功率，是目前射频领域的研究热点和重要发展方向之一。但是随着功率的增大，氮化镓开关和功率放大器的散热问题凸显出来，成为制约其发展的瓶颈问题。因此将氮化镓器件转移至高热导率的金刚石是目前解决氮化镓开关和功率放大器散热问题的有效途径之一。
3.目前有两种技术路线实现氮化镓与金刚石的键合：一是氮化镓表面先做完欧姆接触电极、栅电极，然后表面键合临时载片，再进行衬底去除、键合金刚石。由于正面电极的不平整，在与临时载片键合后，氮化镓底部是不平整的，尤其是衬底去除后尤为明显，不平整的底部很难实现与金刚石的良好键合；二是氮化镓材料表面先键合临时载片、去除衬底、背面键合或生长金刚石、去除正面临时载片、最后在正面做氮化镓欧姆接触电极制备。该工艺避免了第一种工艺制备过程中产生的氮化镓底面不平整的问题，但是却引入了新的问题，氮化镓欧姆接触电极制备是需要高温退火操作，会导致氮化镓与金刚石界面在高温下裂开。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法及对应器件，以解决现有技术中由于氮化镓底面不平整无法实现与金刚石良好键合问题，或者导致氮化镓与金刚石界面在高温工艺下裂开的问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，包括：
6.在氮化镓外延片的正面生长保护层，所述氮化镓外延片从下至上包括衬底、形核层和氮化镓外延层；
7.在所述保护层的正面的第一预设区域进行第一离子注入，以便在所述氮化镓外延层的正面所述第一预设区域对应的区域形成掺杂区，并采用预设温度激活所述第一离子；
8.在所述保护层的正面的第二预设区域进行第二离子注入，以便在所述氮化镓外延层的正面所述第二预设区域对应的区域形成隔离台面，所述第二预设区域与所述第一预设区域不重合；
9.在所述保护层的正面键合临时载片，去除所述氮化镓外延片底部的衬底以及形核层；
10.在所述氮化镓外延层的背面键合金刚石，并去除所述临时载片，露出所述保护层的正面；
11.在所述保护层的正面的所述第一预设区域上制备欧姆接触电极，并制备栅电极。
12.在一种可能的实现方式中，所述保护层的材料为sin
x
或sio2。
13.在一种可能的实现方式中，所述保护层的厚度为大于等于5nm，且小于等于500nm。
14.在一种可能的实现方式中，所述第一离子为si离子；
15.所述预设温度为大于等于1000℃且小于等于1400℃。
16.在一种可能的实现方式中，所述第二离子为n、b、mg或he离子。
17.在一种可能的实现方式中，所述临时载片为硅片，所述临时载片的厚度为大于等于100μm。
18.在一种可能的实现方式中，在所述保护层的正面键合临时载片，包括：
19.采用金金键合或介质键合方式，在所述保护层的正面键合临时载片；介质键合采用的介质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝或绝缘硅。
20.在一种可能的实现方式中，在所述氮化镓外延层的背面键合金刚石，包括：
21.在所述氮化镓外延层的背面生长第一介质层；
22.在金刚石的表面生长第二介质层；
23.将所述第一介质层和所述第二介质层键合。
24.在一种可能的实现方式中，
25.所述第一介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮化铝；
26.所述第二介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮化铝。
27.第二方面，本发明实施例提供了一种氮化镓开关器件和功率放大器，包括：采用上述第一方面或第一方面中的任一中可能的实现方式中所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法制备得到。
28.本发明实施例提供一种氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法及对应器件，通过在氮化镓外延片的正面生长保护层，防止高温激活第一离子时造成氮化镓外延片的分解；在氮化镓外延片的正面的第一预设区域进行离子注入，并采用高温激活，从而将离子注入及高温激活工艺融入到氮化镓外延片，而后再进行氮化镓外延片与金刚石的键合，从而避免氮化镓外延片与金刚石的键合片受到高温影响，形成键合片开裂；在氮化镓外延片的正面的第二预设区域注入离子隔离，使得氮化镓外延片的表面平整，降低后续氮化镓外延片与金刚石的键合难度，实现高频高功率氮化镓开关器件和功率放大器。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明实施例提供的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法的实现流程图；
31.图2是本发明实施例提供的氮化镓外延片的结构示意图；
32.图3是本发明实施例提供的生长保护层后的结构示意图；
33.图4是本发明实施例提供的第一离子注入后的结构示意图；
34.图5是本发明实施例提供的第二离子注入后的结构示意图；
35.图6是本发明实施例提供的临时载片键合后的结构示意图；
36.图7是本发明实施例提供的去除氮化镓外延片底部的衬底以及形核层后的结构示意图；
37.图8是本发明实施例提供的键合金刚石后的结构示意图；
38.图9是本发明实施例提供的去除临时载片后的结构示意图；
39.图10是本发明实施例提供的制备欧姆接触电极的结构示意图；
40.图11是本发明实施例提供的氮化镓开关器件和功率放大器的结构示意图。
具体实施方式
41.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
43.图1为本发明实施例提供的一种氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法的实现流程图，详述如下：
44.步骤101，在氮化镓外延片的正面生长保护层，氮化镓外延片从下至上包括衬底、形核层和氮化镓外延层。
45.如图2所示氮化镓外延片示意图，氮化镓外延片的制备过程包括：在衬底上生长一层形核层；在形核层上采用金属有机化学气相沉积方式或分子束外延设置生长氮化镓外延层。其中，氮化镓外延层包括氮化镓(gan)缓冲层、氮化镓(gan)沟道层以及algan势垒层。
46.其中，衬底可以为碳化硅(sic)衬底、蓝宝石衬底或硅衬底。
47.形核层的材料可以为氮化铝，即aln形核层，其厚度约100nm。
48.可选的，在氮化镓外延片的正面生长保护层，可以包括：在氮化镓外延片的正面采用低压力化学气相沉积法生长保护层，保护层可以保护氮化镓材料，防止氮化镓材料在离子激活时温度过高被分解。
49.其中，保护层的材料为sinx或sio2。保护层的厚度为大于等于5nm，且小于等于500nm。
50.可选的，在氮化镓外延片的正面采用低压力化学气相沉积法生长保护层之前，还可以包括：清洗氮化镓外延片。因此在生成氮化镓外延片后，清洗氮化镓外延片，在氮化镓外延片的正面的采用低压力化学气相沉积法生长保护层。
51.步骤102，在保护层的正面的第一预设区域进行第一离子注入，以便在氮化镓外延层的正面第一预设区域对应的区域形成掺杂区，并采用预设温度激活第一离子。
52.在一实施例中，第一离子为si离子，如图4所示，在保护层上的正面的第一预设区域注入si离子，该注入主要是为了在源漏区域形成重掺杂区，方便形成低阻欧姆接触。
53.但si离子注入需要高温才能激活，因此采用预设温度激活第一离子时采用的预设温度为大于等于1000℃且小于等于1400℃。而氮化镓材料高于1000℃会发生分解，材料会被破坏，所以需要sinx或sio2等介质形成保护层保护氮化镓材料，因此在本步骤之前需要
在氮化镓外延片的正面生长保护层。
54.第一预设区域为欧姆接触区域，对应图10中欧姆接触电极下方。
55.本步骤中，将离子注入及高温激活工艺融入到氮化镓外延层与金刚石键合之前，从而防止现有技术中先键合，再离子注入、高温激活而造成氮化镓外延层与金刚石的键合材料开裂的发生，实现低的欧姆接触电阻。
56.步骤103，在保护层的正面的第二预设区域进行第二离子注入，以便在氮化镓外延层的正面第二预设区域对应的区域形成隔离台面，第二预设区域与第一预设区域不重合。
57.可选的，参见图5，在保护层的正面的第二预设区域进行第二离子注入。在氮化镓开关器件和功率放大器的有源区域以外，即欧姆接触电极以外区域进行第二离子注入，进行隔离。第二离子为n、b、mg或he离子。
58.现有技术中，一般采用刻蚀台面隔离，但是刻蚀台面后容易使得台面表面不平整，从而导致后续进行键合时不能实现良好键合，本实施例中采用离子注入方式隔离，可以实现氮化镓外延片表面平整，降低与金刚石键合的难度，避免键合对t型栅等器件形貌的影响，有助于实现高频高功率氮化镓开关器件和功率放大器。
59.参见图5，台面隔离区域在硅离子注入区域外侧。
60.步骤104，在保护层的正面键合临时载片，去除氮化镓外延片底部的衬底以及形核层。
61.可选的，在保护层的正面键合临时载片。
62.在一实施例中，键合临时载片的目的在于提高氮化镓外延片的厚度，方便后续的器件操作，由于去除氮化镓外延片底部的衬底以及形核层后，氮化镓外延层仅剩几个微米厚，在如此薄的氮化镓外延层上很难进行器件工艺操作，容易导致断裂，所以在本实施例中，先键合一个厚一点的临时载片，再执行后续的衬底去除以及金刚石生长等操作。
63.可选的，临时载片为硅片，临时载片的厚度为大于等于100μm。
64.可选的，在保护层的正面键合临时载片，包括：
65.采用金金键合或介质键合方式，在保护层的正面键合临时载片；介质键合采用的介质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝或绝缘硅。
66.如图6所示，临时载片键合在保护层的正面。
67.可选的，在除氮化镓外延片底部的衬底以及形核层时，可以采用化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)的方式，或者采用干法刻蚀等方式。如图7所示，去除氮化镓外延片底部的衬底以及形核层，剩下氮化镓外延层、保护层和临时载片，将氮化镓外延层的背面朝上，以便后续生长金刚石时方便操作。
68.步骤105，在氮化镓外延层的背面键合金刚石，并去除临时载片，露出保护层的正面。
69.金刚石和氮化镓外延层无法实现直接键合，因此在本实施例中，首先在金刚石和氮化镓外延层表面生长一层介质层，基于此介质层进行键合，即可实现金刚石和氮化镓的键合。
70.可选的，在氮化镓外延层的背面键合金刚石，可以包括：在氮化镓外延层的背面生长第一介质层；在金刚石的表面生长第二介质层；将第一介质层和第二介质层键合。
71.可选的，在氮化镓外延层的背面生长第一介质层时，可以采用等离子体增强化学
的气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)、原子层沉积法或者溅射等方式生长第一介质层。同理，在金刚石的表面生长第二介质层时，可以采用pecvd、原子层沉积法或者溅射等方式生长第二介质层。
72.第一介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮化铝；第二介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮化铝。
73.其中，第一介质层和第二介质层的厚度可以相同，例如厚度均在10nm。
74.可选的，将第一介质层和第二介质层采用键合设备进行键合。
75.如图8所示，氮化镓外延层合金刚石通过介质层键合在一起。
76.在制备欧姆接触电极之前，需要先将临时载片去除，以便露出保护层的正面，为后续制备欧姆接触电极做准备，如图9所示。键合完成金刚石后，将临时载片的背面翻转为正面，采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方式，或者干法刻蚀和湿法腐蚀交叉使用的方式去除临时载片。
77.步骤106，在保护层的正面的第一预设区域上制备欧姆接触电极，并制备栅电极。
78.参见图10，在第一预设区域，采用光刻显影或刻蚀等工艺去除保护层，即去除欧姆接触区域内的sin
x
或sio2介质，并在对应区域内沉积ti或au金属，或者沉积ti、pt或au等金属，形成欧姆接触电极。
79.需要说明的是，在制备欧姆接触电极后，再制备栅金属电极，因此在去除保护层时，可以先去除欧姆接触区域内的sin
x
或sio2介质，在欧姆接触区域制备欧姆接触电极，再去除栅区域内的sin
x
或sio2介质，在栅区域制备栅电极。
80.可选的，去除栅区域内的sin
x
或sio2介质时，可以采用接触光刻或电子束曝光方式将栅区域内的sin
x
或sio2介质全部去除，或者采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方式去除部分sin
x
或sio2介质，但是在制备栅电极之前，需要将栅区域内的保护层全部去除干净。
81.结合多层光刻胶工艺，利用金属蒸发剥离工艺实现栅制备。栅区域采用的金属可以为ni或au，或者pt或au。参见图11栅制备完成示意图。
82.需要说明的是，在图11所示的器件增加外围电路，例如图11所示的器件连接开关器件构成氮化镓开关器件，在图11所示的器件外设置放大器得到功率放大器。
83.本发明实施例通过在氮化镓外延片的正面生长保护层，防止高温激活第一离子时造成氮化镓外延片的分解，在氮化镓外延片的正面的第一预设区域进行离子注入，并采用高温激活，从而将离子注入及高温激活工艺融入到氮化镓外延片，而后再进行氮化镓外延片与金刚石的键合，从而避免氮化镓外延片与金刚石的键合片受到高温影响，形成键合片开裂；在氮化镓外延片的正面的第二预设区域注入离子隔离，使得氮化镓外延片的表面平整，降低后续氮化镓外延片与金刚石的键合难度，实现高频高功率氮化镓开关器件和功率放大器。
84.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
85.以下为本发明的装置实施例，对于其中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。
86.图11示出了本发明实施例提供的氮化镓开关器件和功率放大器的结构示意图，为
了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
87.如图11所示，为上述任一实施例采用的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法制备得到的氮化镓开关器件和功率放大器，且具有上述任一实施例采用的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法带来的有益效果。
88.如图11所示金刚石的上表面键合有氮化镓外延层，氮化镓外延层的正面的第一预设区域内注入了第一离子，第二预设区域内注入了第二离子，形成台面隔离，在第一预设区域上制备有欧姆接触电极，在欧姆接触电极范围内制备有栅电极。
89.以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，包括：在氮化镓外延片的正面生长保护层，所述氮化镓外延片从下至上包括衬底、形核层和氮化镓外延层；在所述保护层的正面的第一预设区域进行第一离子注入，以便在所述氮化镓外延层的正面所述第一预设区域对应的区域形成掺杂区，并采用预设温度激活所述第一离子；在所述保护层的正面的第二预设区域进行第二离子注入，以便在所述氮化镓外延层的正面所述第二预设区域对应的区域形成隔离台面，所述第二预设区域与所述第一预设区域不重合；在所述保护层的正面键合临时载片，去除所述氮化镓外延片底部的衬底以及形核层；在所述氮化镓外延层的背面键合金刚石，并去除所述临时载片，露出所述保护层的正面；在所述保护层的正面的所述第一预设区域上制备欧姆接触电极，并制备栅电极。2.根据权利要求1所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，所述保护层的材料为sin
x
或sio2。3.根据权利要求1或2所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，所述保护层的厚度为大于等于5nm，且小于等于500nm。4.根据权利要求1所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，所述第一离子为si离子；所述预设温度为大于等于1000℃且小于等于1400℃。5.根据权利要求1所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，所述第二离子为n、b、mg或he离子。6.根据权利要求1所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，所述临时载片为硅片，所述临时载片的厚度为大于等于100μm。7.根据权利要求1所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，在所述保护层的正面键合临时载片，包括：采用金金键合或介质键合方式，在所述保护层的正面键合临时载片；介质键合采用的介质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝或绝缘硅。8.根据权利要求1所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，在所述氮化镓外延层的背面键合金刚石，包括：在所述氮化镓外延层的背面生长第一介质层；在金刚石的表面生长第二介质层；将所述第一介质层和所述第二介质层键合。9.根据权利要求8所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法，其特征在于，所述第一介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮化铝；所述第二介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氮化铝。10.一种氮化镓开关器件和功率放大器，其特征在于，采用上述权利要求1-9中任一项所述的氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法制备得到。

技术总结
本发明提供一种氮化镓开关器件和功率放大器的制备方法及相关器件。该方法包括：在氮化镓外延片的正面生长保护层；在保护层的正面的第一预设区域进行第一离子注入，并采用预设温度激活第一离子；在保护层的正面的第二预设区域进行第二离子注入，第二预设区域与第一预设区域不重合；在保护层的正面键合临时载片，去除氮化镓外延片底部的衬底以及形核层；在氮化镓外延层的背面键合金刚石，并去除临时载片，露出保护层的正面；在保护层的正面的第一预设区域上制备欧姆接触电极，并制备栅电极。本发明能够解决现有技术中氮化镓底面不平整无法实现与金刚石的良好键合问题，或者导致氮化镓与金刚石键合界面在高温下裂开的问题。化镓与金刚石键合界面在高温下裂开的问题。化镓与金刚石键合界面在高温下裂开的问题。


技术研发人员：吕元杰 王元刚 周国 刘方罡 戴剑 周幸叶 王磊 宋学峰 崔玉兴 卜爱民 冯志红
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十三研究所
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/8/9