基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管及其制造方法

摘要

本发明公开了一种基于原子键合的片内微流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，衬底中设置有微流体通道，所述微流体通道设置在有源区功能层下方，通过原子键合工艺形成，微流体通道内设置有微流体。本发明采用原子键合技术将流体散热技术引入芯片内部，其原子键合采用氧化物或氮化物介质，其键合层厚度为几十纳米，有效减小了键合封接层热阻，实现了芯片内部的高效散热能力，解决了大功率氮化镓器件有源区热积累。相比传统的氮化镓器件，其功率密度可提升2倍以上，极大提高了器件最大输出功率，并维持较高的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于功率器件热管理开发技术领域，特别是一种基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管及其制造方法。

技术背景

以氮化镓为代表的第三代半导体功率器件已展现出其优异的大功率应用特性，在实际应用中的氮化镓功率芯片多为SiC衬底，其功率器件的功率密度仅达到其理论值的五分之一，氮化镓大功率的特性优势远未得到发挥。这主要是因为大功率微波器件在输出大功率的同时会产生大量热积累，尤其对于输出功率达到上百瓦甚至上千瓦的微波功率器件更加严重，引起器件结温的急剧升高，导致其器件性能和可靠性的严重下降。

目前氮化镓基功率器件主要外延生长在碳化硅、蓝宝石等衬底材料上，而这些衬底材料具有较低的热导率，散热问题严重限制了氮化镓器件的性能，部分研究基于金刚石衬底，但技术还在研究开发阶段，因此进行氮化镓半导体器件的热管理开发成为了解决其大功率应用的技术瓶颈。尤其是针对目前装备系统对超大功率和高集成度器件的特殊情况需求，现有的被动式的散热技术由于其自身的物理特性无法解决其系统芯片有源区热积累问题。从宏观尺度来讲，液体主动式散热能力通常是固体被动式散热能力的10倍以上，因此探索将液体冷却的主动散热技术和芯片近结区有效集成，将是解决这类超大功率特殊需求的热点研究方向，而如何克服现有技术所存在的不足，实现氮化镓器件芯片内部的微流散热技术则成为当今大功率器件热管理开发领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管及其制造方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管，自上而下依次包括有源区功能层、势垒层、缓冲层和衬底，衬底中设置有微流体通道，所述微流体通道设置在有源区功能层下方，通过原子键合工艺形成，微流体通道内设置有微流体。

所述微流体通道距离缓冲层10-20微米，距离衬底背面10-20微米。

所述衬底为Si、蓝宝石、SiC、金刚石材料中的任意一种。

所有源区功能层由栅、源和漏组成。

一种基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管的制造方法，包括氮化镓晶体管的制备和微流体通道的制备，微流体通道的制备包括以下步骤：

1)在已完成的氮化镓晶体管的正面涂一层保护层，对功能区进行保护，并采用键合技术进行将晶体管正面和临时载片进行键合；

2)利用磨片机将氮化镓晶体管的衬底进行研磨减薄，减薄后剩余衬底厚度在10-20微米；

3)在新的衬底片的一面涂一层保护层，对该衬底面进行保护；并采用键合技术进行将新的衬底和临时载片进行键合；

4)利用磨片机将新衬底片进行研磨减薄，减薄后剩余衬底厚度在80-200微米；

5)依据在氮化镓晶体管有源区的位置和尺寸，在减薄后的新衬底上的对应位置处光刻出设计的微流道的刻蚀图形，利用等离子体刻蚀机对衬底进行近结区微流道刻蚀，直至距离衬底背面层10-20微米停止，完成衬底微流道的刻蚀；

6)分别在氮化镓晶体管的衬底减薄面和嵌入微流道新衬底的减薄面的表面溅射一层纳米级氧化物或氮化物，厚度小于50um；随后将氮化镓晶体管的衬底减薄面与嵌入微流道新衬底的减薄面相对键合，同时保证微流道位置和有源区位置的一一对应，完成片内微流道的密封；

7)将两组临时键合载片除去，完成基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管的制备。

步骤6中将氮化镓晶体管的衬底减薄面与嵌入微流道新衬底的减薄面相对在200℃温度和2000Mpa压力条件下键合。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明利用等离子体刻蚀技术，通过原子键合技术将微通道引入氮化镓晶体管有源区下端的衬底中，达到其高效散热能力；其微流道的形成采用氧化物或氮化物的纳米界面键合密封在芯片内部形成，近而实现氮化镓晶体管芯片级流体热管理技术开发，提升氮化镓晶体管的芯片内部的高效散热特性。

附图说明

图1是本发明的基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管结构示意图。

图2(a)为氮化镓晶体管传统制备示意图，图2(b)为晶体管衬底减薄示意图，图2(c)为微通道结构衬底片键合示意图，图2(d)为微通道结构衬底片减薄示意图，图2(e)为微通道的刻蚀示意图，图2(f)为微流道的键合密封示意图，图2(g)为除去临时键合载片示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进一步进行详细说明。

结合图1，一种基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管，其片内微流散热氮化镓晶体管结构设计自上而下依次包括有源区功能层1、势垒层2、缓冲层3、衬底4及其微流道5。所述的衬底4为Si、蓝宝石、SiC、金刚石材料的任意一种；衬底中内含微流体通道5，该微流体通道5在有源区功能层1的下面，近临热源区6位置，通过原子键合工艺形成，通过微流体的换热可有效实现氮化镓晶体管的高效散热能力。

结合图2，一种基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管的制造方法，包括如下具体步骤：

1)氮化镓晶体管的传统制备：完成栅、源、漏的功能区的生长，得到氮化镓晶体管，如图2(a)；

2)基于原子键合的片内微流道制备；

①晶体管功能区的临时键合：在已完成的氮化镓晶体管的正面涂一层保护层，对功能区进行保护，并采用键合技术进行将晶体管正面和临时载片进行键合；

②晶体管衬底的减薄：利用磨片机将氮化镓晶体管的衬底进行研磨减薄，减薄后剩余衬底厚度在10-20微米，如图2(b)；

③微通道结构衬底片键合：在新的衬底片的一面涂一层保护层，对该衬底面进行保护；并采用键合技术进行将新的衬底和临时载片进行键合；如图2(c)；

④微通道结构衬底片减薄：利用磨片机将新衬底片进行研磨减薄，减薄后剩余衬底厚度在80-200微米，如图2(d)；

⑤微通道的刻蚀：依据在氮化镓晶体管有源区的位置和尺寸，在减薄后的新衬底上的对应位置处光刻出设计的微流道的刻蚀图形，利用等离子体刻蚀机对衬底进行近结区微流道刻蚀，直至距离衬底背面层10-20微米停止，完成衬底微流道的刻蚀，如图2(e)；

⑥微流道的键合密封：分别在氮化镓晶体管的衬底减薄面和嵌入微流道新衬底的减薄面的表面溅射一层纳米级氧化物或氮化物，厚度小于50um；随后将氮化镓晶体管的衬底减薄面与嵌入微流道新衬底的减薄面相对在特定温度和压力条件下键合，同时保证微流道位置和有源区位置的一一对应，完成片内微流道的密封，如图2(f)；

⑦除去临时键合载片：将2组临时键合载片除去，实现基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管的制备，如图2(g)。

实施例

一种近结微流嵌入式高效散热氮化镓晶体管设计和制造方法，具体包括：

1)完成氮化镓晶体管常规正面工艺，得到氮化镓晶体管，其衬底为SiC材料，有源区的尺寸为60*125um，为两栅结构；

2)基于原子键合的片内微流道制备；

①在已完成的氮化镓晶体管的正面涂一层氧化硅介质保护层，对功能区进行保护，并采用键合技术进行将晶体管正面和临时载片进行键合；

②将含临时载片的氮化镓晶体管放入磨片机，对其SiC衬底进行研磨减薄，减薄至厚度为15微米；

③在一片新的SiC衬底片的一面涂氧化硅介质保护层，对该衬底面进行保护，并采用键合技术进行将新的衬底和临时载片进行键合；

④将含临时载片的SiC衬底片放入磨片机，进行研磨减薄至厚度为100微米；

⑤依据在氮化镓晶体管有源区的位置和尺寸，在减薄后的新衬底上的对应位置处光刻出设计的微流道的刻蚀图形，设计两组微流道，和有源区栅结构对应，整体微流道尺寸区域60*125um，和有源区尺寸对应，利用等离子体刻蚀机对衬底进行近结区微流道刻蚀，直至距离衬底背面层20微米停止，完成衬底微流道的刻蚀；

⑥分别在氮化镓晶体管的衬底减薄面和嵌入微流道新衬底的减薄面的表面溅射一层纳米级氮化铝，厚度为20um；随后将氮化镓晶体管的衬底减薄面与嵌入微流道新衬底的减薄面相对在200℃温度和2000Mpa压力条件下键合，同时保证微流道位置和有源区位置的一一对应，完成片内微流道的密封；

⑦随后将临时键合载片除去，实现基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管的制备。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种基于原子键合的片内微流散热氮化镓晶体管制造方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。