CN116815124A - 一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体制备技术领域，公开一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法。S1、制备多晶金刚石膜，随后对其切割、研磨、抛光；S2、将氮化镓晶圆和步骤S1制备的金刚石膜分别清洗后，采用磁控溅射技术在氮化镓的氮面和金刚石膜单面分别镀制银铜钛合金介质层；S3、ICP刻蚀步骤S2所得氮化镓和金刚石膜的银铜钛合金介质层，得到刻蚀层；刻蚀结束后，清洗，真空烘干备用；S4、将步骤S3所得氮化镓和金刚石膜的刻蚀层上下面对面堆叠放置作为键合试样，然后直流电弧等离子体加热，得到目标产品。本发明通过介质层设计和独特的键合加热方式，能够在很大程度上提升氮化镓和金刚石的键合强度以及减低界面热阻。

Description

一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法

技术领域

本发明属于半导体制备技术领域，具体涉及一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法。

背景技术

氮化镓作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子速度大以及抗辐射能力强等特点，进而也成为未来大功率电子器件和高频微波器件的最佳选择。随着高新通信技术的不断发展，GaN HEMT器件和微波射频器件的散热问题已经成为限制GaN器件技术进一步发展和应用的最大瓶颈，而热耗散能力又主要由器件的衬底材料体现。现有SiC或Si散热衬底材料，由于其低的导热率，影响GaN器件使用效率和寿命。金刚石是自然界中已知热导率（2000 W/mK）最高的材料，并具有稳定的物理和化学性能，其作为衬底材料可以有效地从GaN晶体管中最热的位置提取热量，有效解决GaN器件性能提升的散热问题。

目前，制备金刚石基氮化镓器件技术主要分为两种方式：基于键合技术和基于氮化镓外延层生长金刚石技术。基于氮化镓外延层生长金刚石技术是指基于GaN外延层背面直接生长金刚石的方法。专利CN106783998A公开了一种基于金刚石衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管及其制备方法，在临时载片的正面涂敷键合材料，将碳化硅基氮化镓圆片和临时载片正面相对进行加热键合，随后去除碳化硅基氮化镓圆片的碳化硅衬底，再在氮化镓外延层表面生长一层介质和多晶金刚石散热层，随后分离于临时载片，最终获得高电子迁移率金刚石基氮化镓晶体管，该专利突破了外延技术难题，能够有效控制氮化镓外延生长金刚石。专利CN 11389411 A设计一种带金刚石微柱阵列的金刚石基GaN材料的制备方法，采用金刚石与原始衬底硅交替排列的方式及微柱阵列结构，晶格错排和畸变程度降低，增大了导热面积，大幅提高了散热效率。专利CN 114899099 A公开了一种金刚石衬底上生长氮化镓高电子迁移率晶体管的外延方法，通过MOCVD依次生长氮化铝高阻层、缓冲层、插入层和氧化铝镓势垒层，结合碳化硅新型复合缓冲层进行高温退火重结晶，解决大失配下金刚石衬底氮化镓外延层晶向控制难度大和缺陷密度高的问题，从而达到提高金刚石衬底氮化镓晶体管的晶体质量及电学性能的目的。

在目前报道的基于氮化镓外延层生长金刚石技术中，虽然在GaN表面生长金刚石的稳定性和散热能力等问题已得到解决，但金刚石与GaN之间仍然存在界面热阻高的问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，制备步骤如下：

S1、制备多晶金刚石膜，随后对其切割、研磨、抛光，切割后金刚石膜的形状、尺寸与氮化镓晶圆保持一致；

S2、将氮化镓晶圆和步骤S1制备的金刚石膜分别清洗后，采用磁控溅射技术在氮化镓的氮面和金刚石膜单面分别镀制银铜钛合金介质层；

S3、ICP刻蚀步骤S2所得氮化镓和金刚石膜的银铜钛合金介质层，得到刻蚀层；刻蚀结束后，清洗，真空烘干备用；

S4、将步骤S3所得氮化镓和金刚石膜的刻蚀层上下面对面堆叠放置作为键合试样，然后直流电弧等离子体加热，得到目标产品。

较好地，步骤S1中，多晶金刚石膜可以采用任何现有技术制备，包括但并不局限于采用微波等离子体化学气相沉积法制备：沉积温度850-870℃，沉积速率4-8 μm/h；研磨和抛光后金刚石膜的表面粗糙度Ra为2-3 nm。

较好地，步骤S2中，磁控溅射时，金刚石和氮化镓相邻放置在衬底上，衬底温度为200-300 ℃，银铜钛三个金属靶材同时溅射，银靶溅射靶功率设定为60-100 W，铜靶溅射靶功率设定为30-60 W，钛靶溅射靶功率设定为20-40 W，氩气通量 10-25 sccm，腔室压力0.5-0.7 Pa，溅射时间3-9 min。

较好地，步骤S2中，溅射速率应保证在2-4 nm/min，银铜钛合金介质层厚度控制在20-36 nm；溅射结束后，将氮化镓和金刚石膜及时放入真空皿备用，避免过多与空气接触。

较好地，步骤S3中，ICP刻蚀条件为：ICP刻蚀功率600-800 W，射频功率30-50 W，刻蚀氯气含量10-20 sccm，氩气含量8-12 sccm，刻蚀压强为2-4 Pa。

较好地，步骤S4中，直流电弧等离子体加热的参数为：加热温度880-920 ℃，电源功率为20-25 KW，氩气含量7.5-8.0 slm，腔室压力（直流电弧等离子体设备内腔压力）3.1-3.5 kPa，管道压力（抽真空系统与直流电弧等离子体设备相连管道内的压力）14.50-15.50kPa，保温10-15 min，随后以1-2 KW/5 min的速度降低电源功率实现降温，待降温至500-600 ℃时，关闭电源、停止通入氩气，随炉冷却至室温。

较好地，步骤S4中，直流电弧等离子体增加洛伦兹稳定磁场，键合试样增加洛伦兹扩展磁场；关闭电源时，同时关闭洛伦兹稳定磁场与洛伦兹扩展磁场。洛伦兹稳定磁场和洛伦兹扩展磁场均属于洛伦兹磁场，只不过洛伦兹稳定磁场用于稳定直流电弧等离子体，而洛伦兹扩展磁场用来扩展直流电弧等离子体。

较好地，洛伦兹稳定磁场与洛伦兹扩展磁场的磁场强度比例为1∶（0.1-0.3）。

较好地，为保证氮化镓和金刚石不被等离子体烧蚀，步骤S4中，键合试样放置在钼托中并采用钼盖掩盖。

较好地，为保证试样受热均匀性，步骤S4中，直流电弧等离子体底部与键合试样顶部之间保持30-40 cm距离。

本发明实施过程的关键在于：

（1）、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀银铜钛合金介质层，采用ICP刻蚀后，金刚石和氮化镓介质层表面会形成一刻蚀层，直流电弧等离子体加热前将氮化镓和金刚石膜的刻蚀层上下面对面堆叠放置作为键合试样并且金刚石和氮化镓上的刻蚀微结构尽可能地一一对应，减少因介质层顶端毛细效应带来电弧加热键合层厚度不均匀；

（2）、直流电弧等离子体加热能够提高氮化镓与金刚石键合的均匀性，并不损伤氮化镓导电层和金刚石键合面，保证键合质量，提升金刚石和氮化镓的结合强度，减少界面热阻。

有益效果：

（1）、金刚石是目前散热材料中最佳的热沉材料，能够满足半导体器件的散热需求，本发明通过介质层设计和独特的键合加热方式，能够在很大程度上提升氮化镓和金刚石的键合强度以及减低界面热阻；

（2）、本发明制备的氮化镓/金刚石，能够用于半导体器件材料，解决了氮化镓自身散热效果差和导热性能低的问题。

附图说明

图1：本发明制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，制备步骤如下：

（1）、采用微波等离子体化学气相沉积法制备多晶金刚石膜：采用2英寸单晶硅作为沉积衬底材料，异质外延生长CVD多晶膜，沉积参数主要包括：沉积温度860 ℃，甲烷/氢气=300/15（流量比），电源功率3900 W，沉积速率5 μm/h，沉积时长500 h，随后采用氟化氢试剂去除硅衬底，获得2.0 mm厚的多晶金刚石膜，如图1（a）所示；随后对多晶金刚石膜进行切割（切割后金刚石膜的形状、尺寸与氮化镓晶圆保持一致）、研磨、抛光（至表面粗糙度Ra为2 nm）；

（2）、将氮化镓和步骤S1制备的金刚石膜分别清洗后，采用磁控溅射技术在氮化镓的氮面和金刚石膜单面分别镀制银铜钛合金介质层：将氮化镓和金刚石分别放入磁控溅射设备中抽真空至2×10^-4 Pa以下，金刚石和氮化镓相邻放置在衬底上，衬底温度为200 ℃，银铜钛三个金属靶材同时溅射，设定银靶溅射靶功率为80 W，铜靶溅射靶功率设定为40 W，钛靶溅射靶功率设定为20 W，氩气通量 10 sccm，腔室压力0.5 Pa，溅射速率3 nm/min，溅射时间9 min，溅射结束后将氮化镓和金刚石膜试样及时放入真空皿备用，避免过多与空气接触，如图1（c）和（d）所示；

（3）、采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀方式刻蚀金刚石和氮化镓表面的银铜钛合金介质层，依据ICP刻蚀设定程序对介质层进行刻蚀：刻蚀ICP功率为600 W，射频功率为30W，刻蚀氯气含量10 sccm，氩气含量8 sccm，刻蚀压强为2 Pa，光刻胶采用AZ4620；刻蚀结束后，得到刻蚀层，所述刻蚀层由若干个均匀排布的圆台组成，金刚石和氮化镓两者刻蚀层上圆台的形状和数量基本上保持一致，清洗光刻胶后，随后转移至真空干燥箱200 ℃备用，如图1（e）和（f）所示；

（4）、将步骤S3所得氮化镓和金刚石膜的刻蚀层上下面对面堆叠放置作为键合试样放置在钼托中、采用钼盖掩盖并且金刚石和氮化镓上的圆台尽可能地一一对应，直流电弧等离子体加热键合，如图1（g）所示：直流电弧等离子体底部与键合试样顶部之间保持30cm距离，直流电弧等离子体外周增加洛伦兹稳定磁场，键合试样外周增加洛伦兹扩展磁场，加热温度为890 ℃，电源功率为21 KW，洛伦兹稳定磁场与洛伦兹扩展磁场的磁场强度比例为1/0.2，氩气含量7.5 slm，腔室压力3.1 kPa，管道压力14.50 kPa，保温10 min，随后以1KW/5 min的速度降低电源功率实现降温，待降温至550 ℃时，关闭电源、洛伦兹稳定磁场与洛伦兹扩展磁场、停止通入氩气，随炉冷却至室温，获得氮化镓/金刚石半导体材料，如图1（i）所示。

实施例2

一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，制备步骤如下：

（1）、采用微波等离子体化学气相沉积法制备多晶金刚石膜：采用2英寸单晶硅作为沉积衬底材料，异质外延生长CVD多晶膜，沉积参数主要包括：沉积温度870 ℃，甲烷/氢气=300/15（流量比），电源功率3900 W，沉积速率7 μm/h，沉积时长400 h，随后采用氟化氢试剂去除硅衬底，获得2.08 mm厚的多晶金刚石膜，如图1（a）所示；随后对多晶金刚石膜进行切割（切割后金刚石膜的形状、尺寸与氮化镓晶圆保持一致）、研磨、抛光（至表面粗糙度Ra为3 nm）；

（2）、将氮化镓和步骤S1制备的金刚石膜分别清洗后，采用磁控溅射技术在氮化镓的氮面和金刚石膜单面分别镀制银铜钛合金介质层：将氮化镓和金刚石分别放入磁控溅射设备中抽真空至2×10^-4 Pa以下，金刚石和氮化镓相邻放置在衬底上，衬底温度为300 ℃，银铜钛三个金属靶材同时溅射，设定银靶溅射靶功率为90 W，铜靶溅射靶功率设定为30 W，钛靶溅射靶功率设定为30 W，氩气通量 15 sccm，腔室压力0.6 Pa，溅射速率4 nm/min，溅射时间8 min，溅射结束后将氮化镓和金刚石膜试样及时放入真空皿备用，避免过多与空气接触，如图1（c）和（d）所示；

（3）、采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀方式刻蚀金刚石和氮化镓表面的银铜钛合金介质层，依据ICP刻蚀设定程序对介质层进行刻蚀：刻蚀ICP功率为700 W，射频功率为40W，刻蚀氯气含量15 sccm，氩气含量10 sccm，刻蚀压强为3 Pa，光刻胶采用AZ4620；刻蚀结束后，得到刻蚀层，所述刻蚀层由若干个均匀排布的圆台组成，金刚石和氮化镓两者刻蚀层上圆台的形状和数量基本上保持一致，清洗光刻胶后，随后转移至真空干燥箱200 ℃备用，如图1（e）和（f）所示；

（4）、将步骤S3所得氮化镓和金刚石膜的刻蚀层上下面对面堆叠放置作为键合试样放置在钼托中、采用钼盖掩盖并且金刚石和氮化镓上的圆台尽可能地一一对应，直流电弧等离子体加热键合，如图1（g）所示：直流电弧等离子体底部与键合试样顶部之间保持40cm距离，直流电弧等离子体外周增加洛伦兹稳定磁场，键合试样外周增加洛伦兹扩展磁场，加热温度为900 ℃，电源功率为22 KW，洛伦兹稳定磁场与洛伦兹扩展磁场的磁场强度比例为1/0.2，氩气含量7.7 slm，腔室压力3.3 kPa，管道压力14.70 kPa， 保温13 min，随后以1KW/5 min的速度降低电源功率实现降温，待降温至600 ℃时，关闭电源、洛伦兹稳定磁场与洛伦兹扩展磁场、停止通入氩气，随炉冷却至室温，获得氮化镓/金刚石半导体材料，如图1（i）所示。

Claims (10)

1.一种低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

S1、制备多晶金刚石膜，随后对其切割、研磨、抛光，切割后金刚石膜的形状、尺寸与氮化镓晶圆保持一致；

S2、将氮化镓晶圆和步骤S1制备的金刚石膜分别清洗后，采用磁控溅射技术在氮化镓的氮面和金刚石膜单面分别镀制银铜钛合金介质层；

S3、ICP刻蚀步骤S2所得氮化镓和金刚石膜的银铜钛合金介质层，得到刻蚀层；刻蚀结束后，清洗，真空烘干备用；

S4、将步骤S3所得氮化镓和金刚石膜的刻蚀层上下面对面堆叠放置作为键合试样，然后直流电弧等离子体加热，得到目标产品。

2.如权利要求1所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，采用微波等离子体化学气相沉积法制备多晶金刚石膜，沉积温度850-870℃，沉积速率4-8 μm/h；研磨和抛光后金刚石膜的表面粗糙度Ra为2-3 nm。

3.如权利要求1所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，磁控溅射时，金刚石和氮化镓相邻放置在衬底上，衬底温度为200-300 ℃，银铜钛三个金属靶材同时溅射，银靶溅射靶功率设定为60-100 W，铜靶溅射靶功率设定为30-60 W，钛靶溅射靶功率设定为20-40 W，氩气通量 10-25 sccm，腔室压力0.5-0.7 Pa，溅射时间3-9 min。

4.如权利要求1或3所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，溅射速率应保证在2-4 nm/min，银铜钛合金介质层厚度控制在20-36 nm；溅射结束后，将氮化镓和金刚石膜及时放入真空皿备用。

5.如权利要求1所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，ICP刻蚀条件为：ICP刻蚀功率600-800 W，射频功率30-50 W，刻蚀氯气含量10-20sccm，氩气含量8-12 sccm，刻蚀压强为2-4 Pa。

6.如权利要求1所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中，直流电弧等离子体加热的参数为：加热温度880-920 ℃，电源功率为20-25 KW，氩气含量7.5-8.0 slm，腔室压力3.1-3.5 kPa，管道压力 14.50-15.50 kPa，保温10-15 min，随后以1-2 KW/5 min的速度降低电源功率实现降温，待降温至500-600 ℃时，关闭电源、停止通入氩气，随炉冷却至室温。

7.如权利要求6所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中，直流电弧等离子体增加洛伦兹稳定磁场，键合试样增加洛伦兹扩展磁场；关闭电源时，同时关闭洛伦兹稳定磁场与洛伦兹扩展磁场。

8.如权利要求7所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：洛伦兹稳定磁场与洛伦兹扩展磁场的磁场强度比例为1∶（0.1-0.3）。

9.如权利要求1或6所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中，键合试样放置在钼托中并采用钼盖掩盖。

10.如权利要求1或6所述的低界面热阻氮化镓/金刚石材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中，直流电弧等离子体底部与键合试样顶部之间保持30-40 cm距离。