一种硅基氮化镓器件的近结散热方法与流程

1.本发明涉及一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，属于半导体器件技术领域。


背景技术：

2.氮化镓作为第三代半导体的代表材料，具有高迁移率、高临界电场、高发光效率等多种优势，被广泛应用于半导体照明、射频功放、电力电子等多个领域。
3.用于氮化镓外延生长的衬底主要有：蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓等。氮化镓同质衬底是氮化镓外延的最优选择，由于不存在晶格失配和热失配，在氮化镓衬底外延和制备的器件性能优异，然而氮化镓衬底价格昂贵，产量低，且目前无法制备出大面积的晶圆，所以氮化镓衬底目前只商用于对外延要求及其严苛的器件，如氮化镓激光器；碳化硅衬底与氮化镓衬底一样，同样具有高临界电场、高热导率等优点，但由于成本也是相对较高，目前主要商用于对热管理要求较高的器件，如高频率的氮化镓微波射频器件；蓝宝石是最早开始研究的衬底材料之一，蓝宝石衬底的散热差，但价格相对低廉，但是其只能应用于一些低功率，低频率的器件，如发光二极管等；硅衬底由于产量丰富，技术成熟，成本低，且能与传统cmos工艺兼容，被认为是商业上最有潜力的氮化镓衬底材料。
4.然而，由于硅的热导率低，高功率硅基氮化镓器件工作时，散热较差，严重影响了器件的性能和寿命。因此，硅基氮化镓器件亟待解决的就是散热问题。目前，传统散热方法主要是通过优化封装的形式，来对器件进行热管理。例如：中国专利文献cn108766897a提供了一种实现大功率gan器件层散热的三维异质结构的封装方法，利用gan芯片体-tsv射频转接板-硅支撑块等多个叠层衬底实现立体折叠微流道设计，微流体从封装壳体底层流入后拾阶而上冷却gan器件层热点然后拾阶而下流出。该立体叠层方法设计繁琐，工艺复杂，在实际器件制备过程中，很难保持一定可重复性。
5.中国专利文献cn108198793a提供了一种微流嵌入式高效散热氮化镓晶体管及其制造方法，氮化镓晶体管自上而下依次包括有源区功能层、势垒层、缓冲层和衬底层，有源区功能层由栅、源和漏构成，所述衬底层中设置有微流体通道，所述微流体通道设置在有源区下面的硅衬底内部。该发明将流体散热技术引入芯片内部，实现了高效散热能力，解决了大功率氮化镓器件有源区热积累。该方法通过在衬底背面进行刻蚀，形成冷却液流通沟道，但是该方法中微流道距离有源区的距离仍然较远，不能进行高效的热交换，器件性能还有进一步提升空间。
6.因此，开发一种新的硅基氮化镓器件的近结散热方法，对于硅基氮化镓器件的制备和商业化应用具有重要的意义。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，尤其是现有硅基氮化镓器件的散热问题一直没有得到有效解决的不足，本发明提供了一种硅基氮化镓器件的近结散热方法。本发明通过干法刻蚀，在硅基氮化镓表面形成狭缝，使用xef2气体从正面通过该狭缝对硅衬底进行各向同性的干法
刻蚀，形成内部镂空的近结冷却通道，再通过二次外延生长gan层，使表面缺口闭合，形成密封通道，通过向冷却通道内注入冷却液形成外循环冷却系统，有效解决硅基氮化镓器件的散热问题；并且本发明的方法通过在硅衬底上刻蚀周期性沟槽，减少了衬底上潜在漏电通道的连通几率，减小了器件的衬底漏电，提高了器件的击穿性能。
8.本发明的技术方案如下：
9.一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，包括步骤如下：
10.(1)在硅衬底上外延生长gan层ⅰ；
11.(2)在gan层ⅰ表面沉积sio2薄膜，之后进行选区刻蚀，形成刻蚀窗口；
12.(3)对gan层ⅰ和硅衬底进行刻蚀，在gan层ⅰ上形成平行排列的v形缺口，每个v形缺口的底部设置有狭缝，所述狭缝垂直延伸至硅衬底内部；
13.(4)利用xef2通过硅衬底内部的狭缝对硅衬底进行进一步刻蚀，形成冷却通道；
14.(5)继续在gan层ⅰ上外延生长gan层ⅱ和功能层，使gan层ⅰ表面的缺口闭合；
15.(6)对硅衬底背面进行刻蚀形成若干个矩形凹槽a和若干个矩形凹槽b，矩形凹槽a和矩形凹槽b交替周期排列；之后与载片键合，完成硅衬底内冷却通道的密封，在载片底部设置冷却液的进口和出口，所述进口与矩形凹槽a连通，所述出口与矩形凹槽b连通，所述进口与出口相对设置；向冷却通道中注入冷却液，形成一个外循环的散热系统，实现硅基氮化镓器件的散热。
16.根据本发明优选的，步骤(1)中，在硅衬底上生长gan层ⅰ的方法为本领域现有技术，优选的，使用金属有机化学气相沉积(mocvd)法进行外延生长；所述gan层ⅰ的厚度为2-6μm。
17.根据本发明，步骤(2)中，sio2薄膜的沉积工艺为本领域现有技术，可使用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或原子力沉积(ald)等方法进行沉积；优选的，使用等离子体增强气相化学沉积(pecvd)法进行sio2薄膜的沉积。
18.根据本发明，步骤(2)中所述刻蚀步骤为：通过光刻显影工艺，按照预设图案使用boe湿法刻蚀sio2，定义后续干法刻蚀区域和掩膜区域；其刻蚀方法为本领域现有技术。
19.根据本发明优选的，步骤(3)中所述刻蚀采用基于cl2/bcl3的icp工艺进行刻蚀；所述v形缺口开口的宽度为0.5-10μm，v形缺口开口的长度贯穿晶圆表面，所述v形缺口的高度等于gan层ⅰ的厚度；所述v形缺口的间距为50-100μm，所述v形缺口的个数不做具体限定；硅衬底内部的狭缝的深度为0.5-2μm。
20.根据本发明，步骤(3)中所述v形缺口底部以及硅衬底内部的狭缝宽度没有要求，只要后续能够使xef2气体进入硅衬底内部，对硅衬底进行刻蚀即可，但是该狭缝的宽度应尽可能的小。
21.根据本发明优选的，步骤(4)中所述冷却通道的纵截面为半圆形，所述半圆形的半径为10-30μm；利用xef2在硅衬底内部具有各向同性的刻蚀特点，选择性刻蚀硅衬底，而不刻蚀gan层，有效的在gan层下的硅衬底内部构建出近结冷却通道。
22.根据本发明优选的，步骤(5)中，继续外延生长gan层ⅱ前，使用boe溶液刻蚀掉sio2膜层。
23.根据本发明优选的，步骤(5)中所述的gan层ⅱ的厚度为1-2μm；继续生长gan层ⅱ，gan层ⅰ上刻蚀出的缺口逐渐合并。
24.根据本发明优选的，步骤(5)中所述的功能层为led、ld、hemt、mosfet、diode等gan基光电和电子器件对应的外延结构，为本领域常用结构。
25.根据本发明优选的，步骤(6)中所述刻蚀为采用bosch工艺对硅衬底背面进行刻蚀。
26.根据本发明优选的，步骤(6)中所述矩形凹槽a和矩形凹槽b的间距为300-2000μm；所述矩形凹槽a和矩形凹槽b均与冷却沟道的长度方向垂直，矩形凹槽a和矩形凹槽b的长度均贯穿所有冷却通道，矩形凹槽a、矩形凹槽b的宽度均为200-1000μm；所述矩形凹槽a、矩形凹槽b的底部与gan层ⅰ下表面的距离均为5-25μm；所述矩形凹槽a的前端距离硅衬底前端面500-2000μm，矩形凹槽a的后端距离硅衬底后端面6000-10000μm，矩形凹槽b的前端距离硅衬底前端面6000-10000μm，矩形凹槽b的后端距离硅衬底后端面500-2000μm。
27.根据本发明，步骤(6)中所述硅衬底背面指的是与功能层相对的一面；所述载片为本领域常用材质；所述键合方法为本领域现有技术。
28.根据本发明优选的，步骤(6)中所述的冷却液为高电阻率、高热导率冷却液；优选的，所述的冷却液为去离子水。
29.本发明未详尽说明的，均为本领域现有技术。
30.本发明的技术特点及有益效果如下：
31.1、本发明的方法通过对硅基gan层进行干法刻蚀和gan层再生长的方案，构建出硅衬底内的冷却通道，在该冷却通道内注入冷却液，形成一个外循环的散热系统；并且在衬底冷却通道内注入高电阻、高热导的冷却液，提高了衬底的整体电阻，减小的器件漏电，提高的硅基氮化镓器件的击穿性能；衬底内冷却通道的设置一定程度上缓解了二次外延过程中gan和si的晶格失配和热失配问题，有效减小了gan薄膜的表面应力，进一步提高器件性能。传统的微流散热技术一般只采用衬底背面刻蚀的方式得到散热沟道，冷却液无法接近器件有源区，从而导致热交换效率低，散热效果差。相比于传统的方法，本发明的方法是一种新型的近结散热方法，通过正面刻蚀，引入冷却通道，既能将冷却液设计在有源区附近，有效解决硅基氮化镓器件的散热问题，也能有效减小衬底漏电，提高器件性能。
32.2、本发明的方法解决了硅基氮化镓器件(包括光电器件、射频器件、功率器件等)的热传递问题，通过外循环冷却，将器件产生的热量传递出芯片之外，为硅基氮化镓器件的进一步商业应用，奠定了重要基础。
附图说明
33.图1为本发明的硅基氮化镓器件的衬底冷却通道制备的工艺流程图。
34.图2为本发明硅基氮化镓器件硅衬底背面刻蚀结构示意图。
35.其中1为部分冷却沟道；2为硅衬底的后端面；3为硅衬底的前端面；4为矩形凹槽a的前端；5为矩形凹槽a的后端；6为矩形凹槽b的前端；7为矩形凹槽b的后端；a为矩形凹槽a；b为矩形凹槽b。
36.图3为本发明键合后冷却液进出口设置及冷却液流动方向示意图。
37.图4为本发明的硅基氮化镓器件近结散热方法的示意图。
38.图5为实施例1制备的algan/gan hemt的功能层示意图。
39.图6为实施例1制备的algan/gan hemt的横向电子器件的击穿示意图。
40.图7为实施例1制备的algan/gan hemt的gan狭缝和硅衬底内冷却通道截面的tem图。
41.图8为实施例1制备的algan/gan hemt的gan表面sem图，其中(a)为gan层ⅰ刻蚀后的表面的sem图；(b)为生长gan层ⅱ后的gan层表面的sem图。
42.图9为实施例2制备的gan基垂直结构mosfet功能层外延示意图。
43.图10为实施例2制备的gan基垂直结构mosfet器件结构示意图。
44.图11为实施例3中gan基led功能层外延示意图。
45.图12为实施例3中gan基led器件结构示意图。
具体实施方式
46.下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不限于此。实施例中未详尽说明的，均为本领域现有技术。
47.同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
48.实施例1
49.一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，以algan/gan hemt为例，包括步骤如下：
50.(1)采用mocvd外延方法在硅衬底上第一次生长5μm的gan层ⅰ，如图1a所示；
51.(2)在gan层ⅰ表面使用等离子体增强气相化学沉积(pecvd)法沉积sio2薄膜，使用boe溶液进行选区刻蚀，通过光刻显影工艺，按照预设图案使用boe湿法刻蚀sio2，定义后续干法刻蚀区域和掩膜区域，形成刻蚀窗口，如图1b所示；
52.(3)采用基于cl2/bcl3的icp工艺对生长于硅衬底上的gan层ⅰ和硅衬底进行刻蚀，在gan层ⅰ上形成平行排列的v形缺口，v形缺口开口的宽度为3.5μm，v形缺口开口的长度贯穿晶圆表面，v形缺口的高度为5μm，v形缺口之间的间距为50μm，每个v形缺口的底部设置有狭缝，所述狭缝垂直延伸至硅衬底内部，硅衬底内部的狭缝的深度为0.5μm，如图1c所示；
53.(4)利用xef2通过硅衬底内部的狭缝对硅衬底进行进一步刻蚀，形成半径为10μm的纵截面为半圆形的冷却通道，如图1d所示；
54.(5)使用boe溶液刻蚀掉多余sio2膜层；二次外延生长1μm的gan层ⅱ，第一次生长的gan层ⅰ上刻蚀出的缺口逐渐变小，最终合并，之后继续生长功能层(algan25nm)，如图1e所示，之后经过金属电极蒸镀，得到algan/gan hemt器件；
55.(6)采用bosch刻蚀工艺对硅衬底背面进行选区刻蚀，如图2所示，形成若干个矩形凹槽a和若干个矩形凹槽b，矩形凹槽a和矩形凹槽b交替周期排列，矩形凹槽a和矩形凹槽b的间距为300μm，矩形凹槽a和矩形凹槽b均与冷却沟道的长度方向垂直，矩形凹槽a、矩形凹槽b的宽度均为300μm，所述矩形凹槽a、矩形凹槽b的底部与gan层ⅰ的下表面距离为8μm，使矩形凹槽a、矩形凹槽b与冷却通道相连通；所述矩形凹槽a的前端4与硅衬底前端面3的距离为500μm，矩形凹槽a的后端5与硅衬底后端面2的距离为6000μm，矩形凹槽b的前端6与硅衬底前端面3的距离为6000μm，矩形凹槽b的后端7与硅衬底后端面2的距离为500μm。
56.(7)使用bcb胶在150℃下将刻蚀后的硅衬底背面键合在新的载片上，所述载片为带有控制电路的pcb板，完成硅衬底内部冷却通道的密封。之后在载片底部开设冷却液的进口和出口，所述进口与所有矩形凹槽a的前端连通，所述出口与所有矩形凹槽b的后端连通，
所述进口与出口相对设置，即进口和出口分别位于硅衬底的前端面和后端面上；向冷却通道中注入冷却液去离子水，冷却液从进口流入，与器件进行热交换，从出口流出，形成完全内外循环回路，实现硅基氮化镓器件的散热，如图3所示。
57.图4为本实施例的近结散热方法的示意图，从图4中可以看出，本发明的冷却液可以接近器件的有源区，具有较高的热交换效率。
58.图5为本实施例制备的algan/gan hemt的二次外延层示意图，该外延层包括1μm非故意掺杂gan层和25nm非故意掺杂algan，algan与gan界面形成二维电子气。
59.图6为实施例1制备的algan/gan hemt的横向电子器件的击穿示意图，其中
①
为衬底漏电通道，
②
为电极间横向漏电通道，由于硅衬底冷却通道镂空，注入高电阻率和热导率的冷却液，硅衬底上漏电减少，优化了该器件衬底漏电问题，提高了器件的击穿特性。
60.图7为实施例1制备的algan/gan hemt的gan狭缝和硅衬底内部冷却通道截面的tem图，其中gan上刻蚀狭缝为v形，开口宽度为3.5μm；硅衬底内部刻蚀沟道为半圆形，半径约为10μm。
61.图8为实施例1制备的algan/gan hemt的gan表面sem图，其中(a)为gan层ⅰ刻蚀后的表面形貌，表面粗糙，有很多刻蚀后的损伤；(b)为再生长gan层ⅱ后的表面形貌，表面相对平滑，只存在少量表面凹坑；图中的方形开口为观察gan狭缝和硅衬底内部冷却通道截面的tem图而设置的开口。
62.实施例2
63.一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，以gan基垂直结构mosfet为例，包括步骤如下：
64.(1)采用mocvd外延方法在硅衬底上第一次生长2.5μm的gan层ⅰ，如图1a所示；
65.(2)在gan层ⅰ表面使用等离子体增强气相化学沉积(pecvd)法沉积sio2薄膜，使用boe溶液选区刻蚀，通过光刻显影工艺，按照预设图案使用boe湿法刻蚀sio2，定义后续干法刻蚀区域和掩膜区域，形成刻蚀窗口，如图1b所示；
66.(3)采用基于cl2/bcl3的icp工艺对生长于硅衬底上的gan层ⅰ和硅衬底进行刻蚀，在gan层ⅰ上形成平行排列的v形缺口，v形缺口开口的宽度为3μm，v形缺口开口的长度贯穿晶圆表面，v形缺口的高度为2.5μm，v形缺口之间的间距为80μm，每个v形缺口的底部设置有狭缝，所述狭缝垂直延伸至硅衬底内部，硅衬底内部的狭缝的深度为1μm，如图1c所示；
67.(4)利用xef2通过硅衬底内部的狭缝对硅衬底进行进一步刻蚀，形成半径为20μm的纵截面为半圆形的冷却通道，如图1d所示；
68.(5)使用boe溶液刻蚀多余sio2膜层；二次外延生长1.5μm的gan层ⅱ，第一次生长的gan层ⅰ上刻蚀出的缺口逐渐变小，最终合并，之后继续生长功能层，如图1e所示，之后经过金属电极蒸镀，得到gan垂直mosfet器件；
69.(6)如实施例1步骤(6)所述，所不同的是：矩形凹槽a和矩形凹槽b的间距为800μm，矩形凹槽a、矩形凹槽b的宽度均为500μm，所述矩形凹槽a、矩形凹槽b的底部与gan层ⅰ下表面的距离均为15μm。
70.(7)如实施例1步骤(7)所述，所不同的是：载片为硅片，键合条件为使用bcb胶在200℃条件下进行键合。
71.图9为实施例2制备的gan基垂直mosfet的二次外延层示意图，包括1.5μm厚gan层
ⅱ
和功能层n
-gan/n-‑
gan/p-gan/n-‑
gan，厚度分别为500nm/3μm/350nm/200nm，掺杂浓度分别为1
×
10
19
cm-3
/2
×
10
16
cm-3
/4
×
10
19
cm-3
/5
×
10
18
cm-3
。
72.图10为实施例2中gan基垂直mosfet器件结构示意图。
73.实施例3
74.一种硅基氮化镓器件的近结散热方法，以gan基led为例，包括步骤如下：
75.(1)采用mocvd外延方法在硅衬底上第一次生长3μm的gan层ⅰ，如图1a所示；
76.(2)在gan层ⅰ表面使用等离子体增强气相化学沉积(pecvd)法沉积sio2薄膜，使用boe溶液选区刻蚀，通过光刻显影工艺，按照预设图案使用boe湿法刻蚀sio2，定义后续干法刻蚀区域和掩膜区域，形成刻蚀窗口，如图1b所示；
77.(3)采用基于cl2/bcl3的icp工艺对生长于硅衬底上的gan层ⅰ和硅衬底进行刻蚀，在gan层ⅰ上形成平行排列的v形缺口，v形缺口开口的宽度为4μm，v形缺口开口的长度贯穿晶圆表面，v形缺口的高度为3μm，v形缺口之间的间距为100μm，每个v形缺口的底部设置有狭缝，所述狭缝垂直延伸至硅衬底内部，硅衬底内部的狭缝的深度为1.5μm，如图1c所示；
78.(4)利用xef2通过硅衬底内部的狭缝对硅衬底进行进一步刻蚀，形成半径为30μm的纵截面为半圆形的冷却通道，如图1d所示；
79.(5)使用boe溶液刻蚀多余sio2掩膜层；二次外延生长约2μm gan层ⅱ，第一次生长的gan层ⅰ上刻蚀出的缺口逐渐变小，最终合并，之后继续生长功能层，如图1e所示，之后经过金属电极蒸镀，得到gan led器件；
80.(6)如实施例1步骤(6)所述，所不同的是：矩形凹槽a和矩形凹槽b的间距为1600μm，矩形凹槽a、矩形凹槽b的宽度均为800μm，所述矩形凹槽a、矩形凹槽b的底部与gan层ⅰ下表面的距离均为20μm。
81.(7)如实施例1步骤(7)所述，所不同的是：载片为玻璃，键合条件为使用bcb胶在250℃条件下进行键合。
82.图11为实施例3制备的gan基led的二次外延层示意图，包括gan层ii，厚度为2μm，和功能层n-gan/ingan/gan
×
6/p-gan，厚度分别为1μm/3nm/7nm
×
6/200nm,其中ngan和pgan掺杂浓度分别为1
×
10
19
cm-3
和5
×
10
18
cm-3
，有源区不掺杂。
83.图12为实施例3中gan基led器件结构示意图。