基于金刚石钝化散热的ＧａＮ器件兼容工艺设计

GaN HEMT器件在高功率下由于自热效应的影响会使其结温显著上升，，过高的结温会使得器件各个方面的性能发生恶化，，，导致其大功率性能远未发挥出来。。。。ＧａＮ器件的热量主要集中于芯片近结区，，，，如何将近结区热源处的热量传递至非热源区是芯片级热管理的主要研宄内容。。目前，
，髙热导率的材料和ＧａＮ器件集成的被动散热技术是芯片级热管理研宄的热点和主流理念，
，，，主要的集成类型有三种
：一、
、、、以金刚石材料作衬底集成；二、、ＧａＮ器件有源区下端嵌入式集成高热导率材料；三、、、、高导热钝化层集成。。。。金刚石具有高热导率，，
，是作为 GaN器件钝化散热的理想材料
。。因此开展高热导率的金刚石薄膜材料作ＧａＮ芯片钝化层的散热仿真对指导该散热技术的开发与应用有着重大意义
。。。但将高热导率金刚石材料集成到 GaN 件源漏之间有源区是目前的一个技术难点，，
，
，需要解决金刚石生长、、、刻蚀等工艺与传统 GaN 器件工艺的兼容。
。。金刚石钝化散热GaNHEMT的制备工艺与传统GaNHEMT制备工艺兼容性好，，，，主体工艺流程可以沿用传统的GaN HEMT艺，
，，需要解决的是金刚石生长
、、、刻蚀与传统工艺的兼容性问题，
，
，以下主要介绍金刚石钝化散热的GaN器件兼容工艺的设计。。。。

金刚石钝化散热GaN器件工艺与传统的GaNHEMT率器件工类似，
，，不同之处在于相较于传统 GaN HEMT 器件金刚石化散热GaN 器件使用了金刚石薄膜作为钝化层。。该工艺在在金刚石钝化散热 GaN EMT 器件制备工艺基础上
，，，引入势垒层保护、、、
、高精度微纳金刚石薄膜刻蚀
、、、、区金属生长与剥离、、、多指结构互连等工艺方法，
，，克服金刚石生长过程中的晶格失配、、、、应力失配势垒层保护等问题，，
，并深入研究了各种刻蚀参数对薄膜刻蚀质量的影响，，，同时对栅极生长与金属互连进行优化
，
，解决了金刚石钝化生长与 GaN 率器件传统工艺兼容性开发问题
，
，贯穿了金刚石钟化散热结构 GaN 的制备工艺，，最终实现了具有高效散热能力金刚石钝化散热结构的 GaN 器件制备，，进而解决芯片本身的热积累问题，，，进一步提升 GaN 器件的功率输出能力。。。。

金刚石钝化散热ＧａＮ器件工艺与传统的ＧａＮＨＥＭＴ功率器件工艺类似，，不同之处在于相较于传统ＧａＮＨＥＭＴ器件，，，金刚石钝化散热ＧａＮ器件使用了金刚石薄膜作为钝化层
，，，金刚石一般在高温氢等离子体环境下进行化学气相沉积。。。。金刚石薄膜的生长与刻蚀需要与传统ＧａＮＨＥＭＴ器件工艺相兼容。。。。同时
，，，，本文对栅电极的形成与金属互连进行了优化设计，，，以满足整体工艺的兼容性
。。。。图３．１为金刚石钝化散热ＧａＮ器件兼容工艺流程，，黄色部分为不同于传统工艺、、、、需要兼容与优化的工艺步骤。。。工艺起始于ＳｉＣ基ＧａＮＨＥＭＴ外延材料，，
，
，总体步骤如下：

（１）表面清洗

一般而言，，，器件在开始正式工艺之前，，需要对材料表面进行严格的清洗。
。。如果这些杂质没有清理干净，，材料表面的残胶与氧化物的存在会增大器件电阻，，
，甚至改变器件输出特性，
，严重影响器件性能。
。。
。因此，，干净清洁的材料表面对于器件的后续工艺的进行必不可少。
。
。ＧａＮ材料的清洗一般包括有机清洗与无机清洗两部分，，有机清洗用于去除ＧａＮ材料表面保护胶与油脂等有机物，，无机清洗主要用于去除ＧａＮ表面的氧化物。。。。金刚石钝化散热ＧａＮＨＥＭＴ器件表面清洗工艺具体步骤如下：首先将ＳｉＣ基ＧａＮ材料样品放入丙酮溶液中进行超声清洗，，，超声２分钟即可，，
，超声功率不宜过大，，以避免损坏样品，，，，紧接着将样品放入Ｎ－甲基吡略焼酮（ＮＭＰ）溶液中进行水浴
，
，，，水浴温度维持在６０°Ｃ，，，水浴时间为２０分钟。。
。接下来，，，
，将样品再分别在丙酮和乙醇中进行各３分钟的超声清洗，，以去除样品表面残留的ＮＭＰ
，，随后用去离子水清洗
，，，，去掉残余的丙酮、、乙醇溶液，，最后用Ｎ２将表面吹干。。。以上步骤为有机清洗
，
，
，，去除样品表面的油脂、、
、残胶等有机物。。。之后再进行无机清洗，，先配置２０％的氢氟酸溶液，
，然后将样品放入配好的氢氟酸溶液中清洗３０ｓ，，
，，氢氟酸溶液的主要作用是去除样品表面的氧化物
，，，然后快速将从氢氟酸溶液中拿出的样品放入去离子水中清洗干净，
，，
，最后用Ｎ２吹干。。

（２）源漏欧姆接触

半导体与金属接触时，
，，，多会形成势垒层，
，
，，但当半导体掺杂浓度很高时，，，，电子可借險道效应穿过势垒，
，，，从而形成低阻值的欧姆接触。。。欧姆接触对半导体器件非常重要，
，，
，形成良好的欧姆接触有利于电流的输入和输出。。对不同半导体材料
，，，由于其功函数不相同，，用作欧姆接触的合金也会有所不同，
，
，应当选择合适的合金
。
。
。
。形成欧姆接触的方式有两种，
，，，一种是降低势垒高度，，这样载流子不需要很高能量就能越过势垒
。。
。另一种方式是大幅度减小势垒宽度
，，，一般可以通过重掺杂的方式来实现，，此时载流子可以通过隧穿效应穿过势垒层，，，，形成隧穿电流。。。。对于ＧａＮＨＥＭＴ器件
，
，，，由于其具有很高的表面态，
，，，与金属接触时，，，，一般都会形成势垒。
。。ＧａＮＨＥＭＴ器件就是利用隧穿效应实现欧姆接触的
，，，，只要接触金属功函数与ＧａＮ功函数接近，，，电子可以通过隧穿效应越过势垒层，，，，且接触电阻很小，
，可以形成很好的欧姆接触。
。。ＧａＮＨＥＭＴ器件的欧姆接触一般是在表面蒸发Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ四层金属结构，，，，然后在髙温下快速退火形成合金来实现的。。
。Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ四层金属结构中，
，
，最底层的Ｔｉ在高温下会扩散到下方ＡｌＧａＮ势垒层，，，，与之发生固相反应生成Ｔｉ、、Ａｌ、
、、Ｇａ和Ｎ的多元化合物
，
，，使半导体表面层中金属元素占比大于Ｎ元素
，
，产生了Ｎ空位，，半导体表面层相当与ｎ型重参杂，，
，有利于形成很窄的势垒层，
，提升电子隧穿效应，
，，，一般第一层的Ｔｉ很薄，，，，在２０ｎｍ左右；第二层金属Ａ１功函数为４．２ｅｖ，，，与ＧａＮ功函数非常接近，，
，可以降低电子隧穿时金属与半导体两边的能级差，，
，降低导通电阻，
，，
，通常Ｔｉ／Ａｌ厚度比例在１
：５左右；第三层金属Ｎｉ（也可以用Ｐｔ或Ｔｉ）则是起到阻挡层的作用，，，，由于Ａ１与Ａｕ在高温下容易相互滲透形成Ａｌ－Ａｕ复合结构，，会使合金变得很粗糙影响器件性能，，，，Ｎｉ阻挡层可以防止Ａｕ向下扩散，
，，保护下方Ｔｉ／ＡＩ金属结构
；第四层金属Ａｕ导电性能优异，，
，
，同时Ａｕ化学性质稳定，，，，不宜被氧化
，
，，可以保护下方的Ｔｉ／Ａｌ金属不被氧化
。。
。。

如上文所述，，，源漏蒸发的Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ四层金属结构需要经过高温退火，，使Ｔｉ扩散到ＡｌＧａＮ势垒层中去，，高温退火是形成高质量源漏合金的重要步骤，，，退火的温度、
、、时间等因素都会对源漏合金的造成很大影响
，，
，，好的源漏合金应该表面平整、、粘附性好，，
，，且接触电阻低
。。退火温度通常在８００°Ｃ以上，，在＞＾２等惰性气体的保护下快速退火。。本文采用的源漏合金结构为Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ，，，
，通过蒸发的方式依次生长在源漏上，，，，厚度分别为２０／１３５／４０／４５ｍｎ。。最后再放入快退炉中，，，，在Ｎ２氛围的保护下，，快速升温到８４０°Ｃ，，，并保持３０ｓ，，，然后自然降温。。
。。最后得到的源漏合金表面平整。。

（３）器件隔离

ＧａＮＨＥＭＴ功率器件通过多个小栅宽器件并联的方式来増加电流密度，，，，如果不进行处理，，，小栅宽器件之间是存在电流通路的，，，
，这样会造成器件漏电，，，
，因此
，
，
，需要破坏有源区以外的二维电子气沟道，，，，对有源区进行隔离。。。实现ＧａＮＨＥＭＴ器件隔离的方法通常有两种：一种是台面刻蚀，，，利用＜：１２等气体对有源区周围的产生二维电子气的沟道刻蚀掉，，，，形成刻蚀隔离沟槽，，从而阻断有源区以外的导电通道。。。该方法的优点是工艺简单易于实现，，但刻蚀形成的沟槽会影响器件的均匀性与成品率。。另一种隔离方法是离子注入，，
，
，通过离子注入机，，，将Ｂ＋
、、、、＃以及Ｈｅ＋等离子注入到有源区以外的区域，，，，Ｂ＋离子的注入使得这些区域形成了高阻区，，
，，有效实现了有源区外的电流流通，，，以此达到隔离目的。。本文使用两步离子注入工艺，，，，在进行离子注入前需要旋涂较厚的耐高温光刻胶
，，，以防止高能离子对有源区的破坏
，，，，离子注入按不同能量大小分两次进行，
，
，，首先以较小能量注入一定剂量Ｂ＋离子
，，，，此时注入深度在导电沟道偏上，，，然后在以较高能量注入一定剂量Ｂ＋离子，，，
，此时注入深度在导电沟道偏下，
，两次注入的离子在导电沟道位置交叠，，，，提高注入的稳定性。。。。

(４）金刚石生长

生长一层用于散热的金刚石薄膜
，，厚度在５００~ｌＯＯＯｎm，
，
，
，金刚石薄膜的质量对最终器件的散热性能影响很大，，髙质量金刚石薄膜生长至关重要
。。。。

(５）金刚石薄膜刻蚀

栅金属的制备需要对金刚石进行刻蚀
，，，，金刚石高精度微纳尺度刻蚀质量不仅影响后续栅金属的制备
、、、、同时刻蚀过程中的损伤应力会影响器件的本征输出特性。。
。。由于金刚石材料物理特性非常稳定，，
，湿法刻蚀难以进行，
，几乎只能进行干法刻蚀
。。。。目前已有的关于金刚石刻蚀的研宄大多都是关注刻蚀的速率，，
，且刻蚀尺度都是在微米以上
。。。
。对于微纳尺度的刻蚀
，，，
，刻蚀的形貌，，，
，尤其是刻蚀后表面洁净度研究较少。。。

(６）栅极肖特基接触

由于栅极只是起到电流的调控作用，，，栅极不参与电流的运输，，，所以栅极需要形成具有整流效应的金－半肖特基接触。。栅极质量对器件开关性能影响很大，，，栅漏电会造成器件低频噪音，
，器件在关断状态下仍有电流通过，，
，影响器件开／关电流比
。。。金－半接触面的势垒高度由金属功函数和ＧａＮ半导体亲和能之差决定
，，，目前用于制作ＧａＮＨＥＭＴ器件栅金属的材料为一般为Ｎｉ／Ａｕ双层结构金属材料
，，Ｎｉ／Ａｕ与ＡｌＧａＮ势垒层表面会形成肖特基结。。

在栅金属蒸发进行前，
，，需要先将３０ｎｍ的ＳｉＮ缓冲层刻蚀掉
，，，按照２倍厚度刻蚀，，将ＳｉＮ处理干净
。。。然后涂上电子束光刻胶
，
，，利用电子束光刻设备对栅区曝光显影，，，，然后蒸发Ｎｉ／Ａｕ，，，蒸发厚度为２０／６００ｎｍ，
，
，Ｎｉ／Ａｕ双层金属结构使得肖特基栅具有非常好的整流特性。
。。。（７）二次钝化

栅极金属生长完成后，，，沉积４００ｎｍＳｉＮ钝化层用于保护栅金属，，
，同时，
，
，作为后续金属互连工艺中源与栅之间的隔离层。。

（８）金属互连

栅金属完成钝化后
，，
，，整个器件被ＳｉＮ所覆盖，
，，
，需要对源漏上方ＳｉＮ与金刚石进行刻蚀开孔，，，，以引出源漏电极。。刻蚀的材料从上到下依次有４００ｍｎＳｉＮ、、
、５００~１ＯＯＯｎｍ金刚石以及３０ｎｍＳｉＮ，，，，ＳｉＮ刻蚀与金刚石刻蚀条件与上述工艺相同。。。。＇开孔刻蚀完成之后，，然后旋涂光刻胶曝光显影
，，，露出需要蒸发金属的源漏区域以及金属互连结构，
，，蒸发金属为２０／６００ｎｍ的Ｔｉ／Ａｕ合金结构。。。至此
，，金刚石钝化散热的ＧａＮＨＥＭＴ器件制备基本完成。
。
。

目前，，
，，尊龙时凯晶圆级金刚石已达到国际先进、、、国内领先，，采用MPCVD法制备高质量金刚石热沉片，，，，并独特研发基于等离子体辅助研磨抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法，，，产品热导率高达1000-2200W/m.k，
，，标准厚度0.25mm、、、0.30mm或0.50mm等，，，在良好散热效果范围之内，
，
，，是极佳的散热材料
。。此外
，
，还可提供金属化（Ti/Pt/Au 溅射沉积金属层，，，可选单面或双面镀膜）、、、、Ti/Pt/Au 溅射沉积金属图案
、、AuSn 焊料层等
。。。。公司其他核心产品还包括金刚石基氮化镓、、单晶金刚石和金刚石基氮化铝、
、、、硅基氮化铝和蓝宝石基氮化铝等，，产品可应用于5G基站、、、、激光器、、、医疗器械
、、大功率LED、、新能源汽车
、、新能源光伏、、航空航天和国防军工等领域。。。。