TWI792550B

TWI792550B - 製造複合基板的方法

Info

Publication number: TWI792550B
Application number: TW110133641A
Authority: TW
Inventors: 吳建毅; 曾頎堯
Original assignee: 合晶科技股份有限公司
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2023-02-11
Also published as: TW202311584A

Abstract

本揭示內容的一些實施方式提供一種製造複合基板的方法，包含：形成阻障層於磊晶基板的氮化鎵磊晶結構上，其中磊晶基板包含基材與氮化鎵磊晶結構，氮化鎵磊晶結構設置於基材的第一表面上；形成鑽石層於基材的相對於第一表面的第二表面下；以及移除阻障層，獲得複合基板，其中複合基板自下而上依序包含鑽石層、基材以及氮化鎵磊晶結構。

Description

製造複合基板的方法

本揭示內容涉及製造複合基板的方法。

近來，對於降低氮化鎵微波功率元件的尺寸，以及提升輸出功率的要求逐漸增加。然而，隨著功率元件(例如包含氮化鎵磊晶結構的高頻元件)密度的增加，元件的熱積累迅速增加，降低元件的性能表現，使得元件的可靠性和穩定性受到嚴重挑戰，也成為提升功率元件之功率的限制。

因此，如何改善承載高頻元件的複合基板的散熱效果，是所欲解決的問題。

本揭示內容之一實施方式的目的在於，提供一種製造複合基板的方法，包含：形成阻障層於磊晶基板的氮化鎵磊晶結構上，其中磊晶基板包含基材與氮化鎵磊晶結構，氮化鎵磊晶結構設置於基材的第一表面上；形成鑽石層於基材相對於第一表面的第二表面下；以及移除阻障層，獲得複合基板，其中複合基板自下而上依序包含鑽石層、基材以及氮化鎵磊晶結構。

在一些實施方式中，基材包含矽基材、絕緣層上覆矽基材、藍寶石基材、或碳化矽基材。

在一些實施方式中，在形成阻障層於磊晶基板的氮化鎵磊晶結構上的步驟之前，更包含減薄基板的步驟。

在一些實施方式中，減薄基材的步驟包含：使用太鼓研磨技術，以減薄基材。

在一些實施方式中，形成阻障層於磊晶基板的氮化鎵磊晶結構上的步驟，包含：塗覆玻璃光阻材料於氮化鎵磊晶結構上；以及加熱玻璃光阻材料，使玻璃光阻材料燒結硬化，形成阻障層於氮化鎵磊晶結構上。

在一些實施方式中，形成鑽石層於基材相對於第一表面的第二表面下的步驟包含：提供複數鑽石顆粒於有機溶液中；將形成有阻障層的磊晶基板置入有機溶液中；在有機溶液中，對磊晶基板進行超音波處理，使鑽石顆粒嵌入基材的第二表面下，以形成成核層於基材的第二表面下；以及對基材的第二表面執行鑽石生長製程，以形成鑽石層於基材的第二表面下，其中鑽石層包含成核層。

在一些實施方式中，對基材的第二表面執行鑽石生長製程的步驟包含：通入反應氣體成長鑽石層，以形成鑽石層於基材的第二表面下，其中反應氣體包含甲烷以及氫氣。

在一些實施方式中，反應氣體更包含氯氣、氯甲烷前述材料之組合。

在一些實施方式中，將反應氣體總和的重量百分比以100%來計，甲烷的重量百分比為1%至16%。

在一些實施方式中，通入反應氣體成長鑽石層的步驟，包含在低於850°C的溫度下成長鑽石層的步驟。

可以理解的是，下述內容提供的不同實施方式或實施例可實施本揭露之標的不同特徵。特定構件與排列的實施例係用以簡化本揭露而非侷限本揭露。當然，這些僅是實施例，並且不旨在限制。舉例來說，以下所述之第一特徵形成於第二特徵上的敘述包含兩者直接接觸，或兩者之間隔有其他額外特徵而非直接接觸。此外，本揭露在複數個實施例中可重複參考數字及/或符號。這樣的重複是為了簡化和清楚，而並不代表所討論的各實施例及/或配置之間的關係。

本說明書中所用之術語一般在本領域以及所使用之上下文中具有通常性的意義。本說明書中所使用的實施例，包括本文中所討論的任何術語的例子僅是說明性的，而不限制本揭示內容或任何示例性術語的範圍和意義。同樣地，本揭示內容不限於本說明書中所提供的一些實施方式。

另外，空間相對用語，如「下」、「上」等，是用以方便描述一元件或特徵與其他元件或特徵在圖式中的相對關係。這些空間相對用語旨在包含除了圖式中所示之方位以外，裝置在使用或操作時的不同方位。裝置可被另外定位(例如旋轉90度或其他方位)，而本文所使用的空間相對敘述亦可相對應地進行解釋。

於本文中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則「一」與「該」可泛指單一個或多個。將進一步理解的是，本文中所使用之「包含」、「包括」、「具有」及相似詞彙，指明其所記載的特徵、區域、整數、步驟、操作、元件與/或組件，但不排除其它的特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件，與/或其中之群組。

將理解的是，儘管本文可以使用術語第一、第二等來描述各種元件，但是這些元件不應受到這些術語的限制。這些術語用於區分一個元件和另一個元件。舉例來說，在不脫離本實施方式的範圍的情況下，第一元件可以被稱為第二元件，並且類似地，第二元件可以被稱為第一元件。

於本文中，術語「和/或」包含一個或複數個相關聯的所列項目的任何和所有組合。

於本文中，所使用之「約」一般通常係指數值之誤差或範圍約百分之二十以內，較好地是約百分之十以內，而更佳地則是約百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如「約」所表示的誤差或範圍。

以下列舉數個實施方式以更詳盡闡述本發明之觸碰裝置，然其僅為例示說明之用，並非用以限定本發明，本發明之保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定者為準。需注意的是，圖式中之各元件之間的比例關係僅為示意。

第1A圖至第1F圖示例性地描述本揭示內容的一些實施方式中製造複合基板的各製程階段的示意圖。

首先，請見第1A圖，提供磊晶基板110。磊晶基板110包含基材112以及氮化鎵磊晶結構114設置於基材112的第一表面112A上。

在一些實施方式中，基材112包含矽基材、絕緣層上覆矽(Silicon On Insulator；SOI)基材、藍寶石基材、或碳化矽基材。在一些實施方式中，基材112的厚度範圍為300微米至1000微米，例如300微米、400微米、500微米、600微米、700微米、800微米、900微米、1000微米或前述任意區間的數值。在一些實施方式中，基材112的晶格定向包含＜111＞、＜100＞、＜110＞或前述組合。值得說明的是，若欲於基材112上形成氮化鎵磊晶結構114，基材112採用合適的晶格定向，可實現較好的晶格匹配性，避免缺陷產生，並提升磊晶生長的穩定與平整性，例如矽基材以及 SOI 基材的晶格定向為＜111＞，碳化矽的晶格定向為＜11-20＞，藍寶石基材的晶格定向為＜0001＞。

在一些實施方式中，可以使用有機金屬化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)，在基材112的第一表面112A上，形成厚度為1至10微米的氮化鎵磊晶結構114(高電子移動率晶體電晶體(High electron mobility transistor；HEMT))。在一些實施方式中，氮化鎵磊晶結構114依序包含種子層設置於基材112上、緩衝層設置於種子層上、阻抗層設置於緩衝層上、通道層設置於阻抗層上、屏障層設置於通道層上以及覆蓋層設置於屏障層上。在一些實施方式中，種子層可以包含氮化鋁，厚度在30奈米至300奈米之間。在一些實施方式中，緩衝層可以包含氮化鋁鎵、氮化鎵、前述材料之組合，例如梯式氮化鋁鎵或超晶格氮化鋁鎵/氮化鎵，厚度為300奈米至1000奈米之間。在一些實施方式中，阻抗層為氮化鎵，厚度可以為0.5微米至2.5微米之間。在一些實施方式中，通道層為氮化鎵，厚度為0.05微米至1微米之間。在一些實施方式中，屏障層包含氮化鋁鎵，厚度為10奈米至50奈米之間。在一些實施方式中，覆蓋層為氮化鎵，厚度為0.5奈米至150奈米。在一些實施方式中，在形成氮化鎵磊晶結構114後，接續設置閘極以及源極/汲極於氮化鎵磊晶結構114上。

接著，請見第1B圖，減薄基材112，以降低HEMT的導通電阻以及熱阻，提升電晶體的作用效率。

在一些實施方式中，可以先在氮化鎵磊晶結構114的表面114A上貼上厚度為100微米至200微米的保護膜(例如藍膜(舉例而言可以為熱解膠或紫外光膠)，圖未示)，以保護氮化鎵磊晶結構114。接著，由基材112的第二表面112B一側執行機械減薄，使基材112的厚度減薄至65微米至125微米後，再移除保護膜。舉例而言，請回見第1A圖，可以使用太鼓研磨(taiko grinding)技術，減薄基材112的內側區域R1，保留外圍區域R2，減薄後的基材112的第二表面112B一側將形成自外而內凹入的外厚內薄結構(第1B圖未示)，此種結構將有益於克服因減薄基材112而造成的基材112以及氮化鎵磊晶結構114過薄，應力易過度累積而翹曲的現象。

接著，請見第1C圖，形成阻障層120於氮化鎵磊晶結構114上，以用於在後續製程中保護氮化鎵磊晶結構114。

在一些實施方式中，阻障層120的材料易於設置與移除、可以保護氮化鎵磊晶結構114免於鑽石顆粒於超音波環境的衝擊損傷、並且可以耐高溫(例如可承受化學氣相沉積的作用溫度(例如至少400°C以上))。舉例而言，阻障層120可以為玻璃光阻。

具體而言，形成阻障層120於氮化鎵磊晶結構114上的步驟，包含塗覆玻璃光阻材料於氮化鎵磊晶結構114上；以及加熱玻璃光阻材料(例如500°C至700°C)，使玻璃光阻材料燒結而硬化，形成阻障層120於氮化鎵磊晶結構114上。在一些實施方式中，阻障層120僅覆蓋氮化鎵磊晶結構114的表面114A。在一些實施方式中，阻障層120除了覆蓋氮化鎵磊晶結構114的表面114A外，還可延伸覆蓋氮化鎵磊晶結構114的側壁114S，以提升保護氮化鎵磊晶結構114的效果(圖未示)。在一些實施方式中，阻障層120的厚度範圍可以為50微米至100微米(例如50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米或前述任意區間中的數值)。值得說明的是，阻障層120除了用於保護外，也可同時作為暫時基板，支撐磊晶基板110以避免磊晶基板110過薄而翹曲。

接著，請見第1D圖，形成成核層132於基材112的第二表面112B下，以針對後續待生長的鑽石層，預先提供足夠密度的成核晶粒，提升後續待生長的鑽石層的連續性(即，相鄰的晶粒之間連結及延伸的程度)。在一些實施方式中，形成成核層132於基材112的第二表面112B下的步驟包含：提供複數鑽石顆粒P於有機溶液(例如丙酮)中；將形成有阻障層120的磊晶基板110置入有機溶液中；在有機溶液中，對磊晶基板110進行超音波處理，使鑽石顆粒P嵌入基材112的第二表面112B下，以形成成核層132於基材112的第二表面112B下。在一些實施方式中，將形成有阻障層120的磊晶基板110置入有機溶液中包含將形成有阻障層120的磊晶基板110整體浸入有機溶液中，即，阻障層120以及磊晶基板110均浸入有機溶液中，相較於僅將磊晶基板110的第二表面112B浸於有機溶液中，可達成較好的鑽石顆粒P嵌入效果。在一些實施方式中，可以調整超音波的頻率以及有機溶液中鑽石顆粒P的密度等參數，從而實現期望的成核層132中的鑽石顆粒P密度，舉例而言，成核層132中的鑽石顆粒P密度大於10 ¹⁰個/平方公分時，可以使後續所形成的鑽石層連續性更佳。

接著，請見第1E圖(並同時參考第1D圖)，以成核層132為種子層，對基材112的第二表面112B執行鑽石生長製程，以形成鑽石層130於基材112的第二表面112B下，並且，在形成鑽石層130之後，原本的成核層132將作為鑽石層130的部份存在(圖未示)。

在一些實施方式中，對基材112的第二表面112B執行鑽石生長製程的步驟包含：通入包含甲烷以及氫氣的反應氣體成長鑽石層130，以形成鑽石層130於基材112的第二表面112B下。具體而言，可以經由化學氣相沉積(Chemical Vapor Disposition；CVD)，在負壓(例如壓力為1x10 ^-3托)、400°C至850°C(例如400°C、450°C、500°C、550°C、600°C、650°C、700°C、800°C、850°C或前述任意區間中的數值)的溫度範圍，以及1%至16%(例如1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%或前述任意區間中的數值)的甲烷濃度範圍內(此處濃度單位為重量百分比，並且反應氣體總和的重量百分比以100%來計)，成長鑽石層130。

值得注意的是，晶粒尺寸越小，則所生成之鑽石層130表面130B的粗糙度越小，散熱效果越好。在一些實施方式中，可以經由調控反應氣體種類、反應氣體濃度以及溫度等參數，控制鑽石層130的晶粒尺寸以及成長速度。

針對晶粒尺寸的調控方面，可以經由調控反應氣體的濃度，調控晶粒尺寸。舉例而言，在作用氣體為甲烷以及氫氣，並且溫度維持一致的條件下，隨著甲烷濃度由8%提升至16%，晶粒尺寸將由約20奈米下降至約14奈米，此外，隨著甲烷濃度持續提升(例如提升至20%)，晶粒尺寸將仍維持於約14奈米，並未持續下降，因此，甲烷濃度16%為可取得最小的晶粒尺寸的最低甲烷濃度，選擇此作用濃度，可於最低反應成本下獲得最小的晶粒尺寸。因此，反應氣體的濃度與晶粒尺寸的關係，並非全然正相關或是負相關，需經實際測試，方可從中選擇適當的濃度，從而獲得期望的晶粒尺寸。

在一些實施方式中，也可以透過降低溫度，來降低晶粒尺寸。舉例而言，在反應氣體使用甲烷以及氫氣的條件下，溫度控制在750°C時，可以獲得約為15.5奈米的晶粒尺寸，當溫度下降至650°C時，則晶粒尺寸下降至約為14.5奈米，當溫度進一步下降至550°C時，則晶粒尺寸下降至約6奈米至約7奈米。

在一些實施方式中，晶粒尺寸的範圍可以控制在9奈米至50奈米之間，例如9奈米、10奈米、15奈米、20奈米、25奈米、30奈米、35奈米、40奈米、45奈米、50奈米或前述區間中的任意數值。

，針對成長速度的調控方面，也可以經由調控甲烷濃度，調控成長速度。需說明的是，甲烷在不同濃度範圍下，成長速度的趨勢將會變化。當甲烷濃度小於3.5%時，隨著甲烷濃度提升，成長速度提升，例如甲烷濃度為1.5%時，成長速度約0.25微米/小時，當甲烷濃度提升為3.5%時，成長速度提升至約2.0微米/小時。但是，當甲烷濃度大於3.5%時，隨著甲烷濃度提升，成長速度卻會下降，例如甲烷濃度為4.5%時，成長速度下降至約1.5微米/小時。在一些實施方式中，成長速度的範圍可以控制在0.25微米/小時、0.5微米/小時、0.5微米/小時1微米/小時、1.5微米/小時、1.8微米/小時、2微米/小時、2.5微米/小時或前述區間中的任意數值。

在一些實施方式中，為提升成長速度，反應氣體可以更包含氯甲烷(CH _xCl _y，其中1≦x≦2，2≦y≦3)、氯氣(C1 ₂)前述材料之組合，利用C-Cl鍵結較C-H鍵結弱的原理，在氣相條件下可以產生較高濃度的含碳自由基，與此同時，氯原子還可以加速奪氫反應(hydrogen abstraction)，共同提升鑽石層130的成核密度，從而提升成長速度。藉此，可以在較低的反應溫度(一般而言，溫度越低，成長速度較慢)，同時維持甚至提升鑽石成長速度，獲得具有較小晶粒尺寸的鑽石層130。舉例而言，在反應氣體更包含氯甲烷以及氯氣時，鑽石層130的生長溫度僅需在400°C至600°C的範圍內(400°C、450°C、500°C、550°C、600°C或前述任意組合)，即可達成反應氣體僅為甲烷以及氫氣，以及反應溫度為850°C時，所達成的反應速率(例如維持成長速度為0.8微米/小時至1.8微米/小時之間)，同時獲得更小的晶粒尺寸。

在一些實施方式中，鑽石層130的厚度範圍為1微米至40微米之間，舉例而言1微米、5微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米、或前述任意區間中的數值。

在一些替代性的實施方式中，也可以直接經由CVD形成鑽石層130於基材112的第二表面112B下，而無須經由請參第1D圖的超音波處理，預先形成核層132的步驟。

接著，請見第1F圖，移除阻障層120，獲得複合基板100，複合基板100自下而上依序包含鑽石層130、基板112以及氮化鎵磊晶結構114。在一些實施方式中，複合基板100的厚度範圍為67微米至175微米，舉例而言67微米、80微米、90微米、100微米、125微米、150微米、175微米或前述任意區間中的數值。

本揭示內容之一些實施方式中所提供的複合基板100，採用將鑽石層130設置於基材112的第二表面112B下的設計，利用鑽石具有高導熱率(2000瓦/公尺·度(W/m·K))的原理(相較之下，矽的導熱率僅為150瓦/公尺·度，氮化鎵的導熱率僅為130瓦/公尺·度)，作為磊晶基板110的散熱基板，提升複合基板100的散熱效率，改善因磊晶基板110或其上所承載的元件(例如源極)的熱累積問題，並可作為實現提升元件功率密度提升以及高功率特性的途徑。

此外，相較於習知透過鍵合技術鍵合散熱基板的與基材的散熱技術，本揭示內容透過直接在基材112下成長鑽石層130，免於執行鍵合製程，並且同時免除在鍵合製程前需預執行的減薄散熱基板，以及分別氧化散熱基板以及基材的步驟，不僅可以簡化製程，並且可以避免基材112在鍵合相關的步驟中，因應力過度累積而破損的問題。

綜上所述，本揭示內容的一些實施方式提供的製造複合基板的方法，直接在基材上生成鑽石層作為散熱基板，利用鑽石的高導熱率，提升複合基板的散熱效率。此外，直接在基材上形成鑽石層的設計，可避免習知鍵合散熱基板與基材時所需的繁瑣步驟，以及基材可能於鍵合相關步驟中破損的問題，提升製程效率以及複合基板的良率。

儘管本揭示內容已根據某些實施方式具體描述細節，其他實施方式也是可行的。因此，所附請求項的精神和範圍不應限於本文所記載的實施方式。

100:複合基板 110:磊晶基板 112:基材 114:氮化鎵磊晶結構 120:阻障層 130:鑽石層 132:成核層 112A:第一表面 112B:第二表面 114A、130B:表面 114S:側壁 P:鑽石顆粒 R1、R2:區域

通過閱讀以下參考附圖對實施方式的詳細描述，可以更完整地理解本揭示內容。第1A圖至第1F圖示例性地描述本揭示內容的一些實施方式中製造複合基板的各製程階段的示意圖。

100:複合基板

110:磊晶基板

112:基材

114:氮化鎵磊晶結構

130:鑽石層

112B:第二表面

Claims

一種製造複合基板的方法，包含：塗覆一玻璃光阻材料於一磊晶基板的一氮化鎵磊晶結構上，其中該磊晶基板包含一基材與該氮化鎵磊晶結構，該氮化鎵磊晶結構設置於該基材的一第一表面上；加熱該玻璃光阻材料，使該玻璃光阻材料燒結硬化，形成一阻障層於該氮化鎵磊晶結構上；形成一鑽石層於該基材相對於該第一表面的一第二表面下；以及移除該阻障層，獲得一複合基板，其中該複合基板自下而上依序包含該鑽石層、該基材以及該氮化鎵磊晶結構。
如請求項1所述的方法，其中該基材包含一矽基材、一絕緣層上覆矽基材、一藍寶石基材、或一碳化矽基材。
如請求項1所述的方法，其中在形成該阻障層於該磊晶基板的該氮化鎵磊晶結構上的步驟之前，更包含減薄該基材的步驟。
如請求項3所述的方法，其中減薄該基材的步驟包含：使用太鼓研磨技術，以減薄該基材。
如請求項1所述的方法，其中形成該鑽石層於該基材相對於該第一表面的該第二表面上的步驟包含：提供複數鑽石顆粒於一有機溶液中；將形成有該阻障層的該磊晶基板置入該有機溶液中；在該有機溶液中，對該磊晶基板進行一超音波處理，使該些鑽石顆粒嵌入該基材的該第二表面下，以形成一成核層於該基材的該第二表面下；以及對該基材的該第二表面執行一鑽石生長製程，以形成該鑽石層於該基材的該第二表面下，其中該鑽石層包含該成核層。
如請求項5所述的方法，其中對該基材的該第二表面執行該鑽石生長製程的步驟包含：通入一反應氣體成長該鑽石層，以形成該鑽石層於該基材的該第二表面下，其中該反應氣體包含甲烷以及氫氣。
如請求項6所述的方法，其中該反應氣體更包含氯氣、氯甲烷前述材料之組合。
如請求項6所述的方法，其中將該反應氣體總和的重量百分比以100%來計，甲烷的重量百分比為1%至16%。
如請求項6所述的方法，其中通入該反應氣體成長該鑽石層的步驟，包含在低於850℃的溫度下成長該鑽石層的步驟。