氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，包括依次连接的氮化镓衬底层、氮化镓介质层、砷化镓介质层、砷化镓衬底层，氮化镓介质层、砷化镓介质层内均开设介质孔，氮化镓介质层、砷化镓介质层之间连接键合金属触点，氮化镓介质层连接氮化镓器件电极，砷化镓介质层连接砷化镓器件电极，氮化镓衬底层、砷化镓衬底层上均开设背通孔，氮化镓衬底层连接氮化镓衬底背金属，砷化镓衬底层连接砷化镓衬底上表面电极，氮化镓器件电极与砷化镓器件电极通过介质通孔、键合金属触点互联，且通过两个背通孔与氮化镓衬底背金属、砷化镓衬底上表面电极互联。能够实现高密度、高性能、多功能的氮化镓与砷化镓异质集成射频芯片。功能的氮化镓与砷化镓异质集成射频芯片。功能的氮化镓与砷化镓异质集成射频芯片。

【技术实现步骤摘要】
氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，具体涉及氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，还涉及氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片制备方法。

技术介绍

[0002]随着5G时代的到来，通信系统有了减小体积、提高密度、提高效率、降低能耗、降低成本等更高的技术要求。后5G和6G通信系统除了继续提高在通信速度、容量、时延和空间范围等方面的指标外，也需要解决在目前5G通信系统的方案中遇到的重要问题，即高成本和高功率消耗。在4G向5G和后5G、6G通信系统演进的过程中，通信系统需要处理的频段越来越多；另外随着大规模多输入多输出(MIMO)技术和载波聚合技术的广泛应用，通信基站和终端设备需要集成由多个射频收发模块和天线组成的大规模阵列，从而造成系统的成本和功率消耗急剧上升。由于在高频段射频前端模块的效率的显著下降，通信载波频率向毫米波波段的延伸也进一步加剧了基站和终端电子设备功率的消耗。进行高密度的系统集成可以有效降低5G、后5G和6G通信设备的高成本和高功耗。
[0003]氮化镓作为第三代半导体，具有禁带宽度大、电子迁移率高、电子饱和速度高、等优异特性，在下一代射频器件、电力电气器件等领域具有广泛的应用潜力。氮化镓基器件在发射端具有大功率、高效率的优势；而砷化镓基器件在接收端具有低噪声、高增益的优势。因此，如果能够实现氮化镓和砷化镓微波芯片的高密度微纳异质集成，对于解决当前通信系统的问题具有重要意义。但是，在材料兼容性、工艺兼容性、热兼容性与电磁兼容性方面还存在许多难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，能够实现氮化镓和砷化镓微波芯片的高密度微纳异质集成。
[0005]本专利技术的目的是提供氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片制备方法，能够得到高密度、高性能、多功能的氮化镓与砷化镓异质集成射频芯片。
[0006]本专利技术所采用的第一个技术方案是，氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，包括依次连接的氮化镓衬底层、氮化镓介质层、砷化镓介质层、砷化镓衬底层，氮化镓介质层、砷化镓介质层内均开设介质孔，氮化镓介质层、砷化镓介质层之间连接键合金属触点，氮化镓介质层连接氮化镓器件电极，砷化镓介质层连接砷化镓器件电极，氮化镓衬底层、砷化镓衬底层上均开设背通孔，氮化镓衬底层连接氮化镓衬底背金属，砷化镓衬底层连接砷化镓衬底上表面电极，氮化镓器件电极与砷化镓器件电极通过介质通孔、键合金属触点互联，且通过两个背通孔与氮化镓衬底背金属、砷化镓衬底上表面电极互联。
[0007]本专利技术的特点还在于：
[0008]氮化镓介质层包括连接氮化镓衬底层的(0001)面的氮化镓HEMT外延层，氮化镓HEMT外延层依次连接氮化镓器件钝化和层间介质、氮化镓金属间介质、砷化镓介质层，氮化
镓器件钝化和层间介质、氮化镓金属间介质内开设介质通孔a，氮化镓器件钝化和层间介质连接氮化镓器件电极，氮化镓金属间介质与砷化镓介质层之间连接键合金属触点。
[0009]氮化镓衬底层、氮化镓HEMT外延层内均开设相通的氮化镓衬底背通孔，氮化镓衬底层及氮化镓衬底背通孔壁表面贴合连接氮化镓衬底背金属。
[0010]砷化镓介质层包括连接砷化镓衬底层的(001)面的砷化镓pHEMT外延层，砷化镓pHEMT外延层依次连接砷化镓器件钝化和层间介质、砷化镓金属间介质、氮化镓介质层，砷化镓器件钝化和层间介质、砷化镓金属间介质内均开设介质通孔b，砷化镓器件钝化和层间介质连接砷化镓器件电极。
[0011]砷化镓衬底层、砷化镓pHEMT外延层内均开设相通的砷化镓衬底背通孔，砷化镓衬底层及砷化镓衬底背通孔壁表面贴合连接砷化镓衬底上表面电极。
[0012]氮化镓衬底层选用碳化硅、硅、蓝宝石衬底中的一种，厚度为30
‑
500μm；
[0013]砷化镓衬底层为砷化镓，厚度为1
‑
50μm。
[0014]氮化镓HEMT外延层为三族氮化物半导体材料，包含氮化铝成核层、铝镓氮过渡层、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、铝镓氮或者铟铝氮势垒层，总厚度为200nm
‑
1.5μm，在氮化镓沟道层与铝镓氮或者铟铝氮势垒层之间形成二维电子气；
[0015]砷化镓pHEMT外延层、为三族砷化物或三族磷化物材料，包含砷化镓缓冲层、砷化镓沟道层、三族砷化物或三族磷化物势垒层，总厚度为50
‑
1000nm，在砷化镓沟道层与三族砷化物或三族磷化物势垒层之间形成二维电子气；
[0016]氮化镓器件钝化和层间介质、砷化镓器件钝化和层间介质均为二氧化硅或氮化硅，厚度为50
‑
2000nm；
[0017]氮化镓金属间介质、砷化镓金属间介质均为二氧化硅，或氮化硅，厚度为100
‑
5000nm。
[0018]氮化镓器件电极、砷化镓器件电极、氮化镓衬底背金属、砷化镓衬底上表面电极均为Ti、Al、Ni、Au、Ge、Pt、Cu中的一种或多种混合材料。
[0019]键合金属触点为Ti、TiN、W中的一种。
[0020]本专利技术所采用的第二个技术方案是，氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片制备方法，包括以下步骤：
[0021]选取氮化镓衬底层和砷化镓衬底层，在氮化镓衬底层表面和砷化镓衬底层表面淀积低k介质层，进行开孔刻蚀和金属填充；制备氮化镓器件电极和砷化镓器件电极，并分别连接在介质层上；对氮化镓衬底层表面和砷化镓衬底层表面的介质和金属进行同步化学机械抛光；基于机械压力和热应力进行混合键合；对氮化镓衬底层和砷化镓衬底层的碳化硅衬底进行研磨减薄；分别刻蚀背通孔并进行背面金属的互联。
[0022]本专利技术有益效果是：
[0023]1)采用氮化镓与砷化镓相结合的材料结构，突破单一材料器件性能的限制，协同提升毫米波射频前端的功率、效率和噪声性能；
[0024]2)氮化镓器件与砷化镓器件面对面三维异质集成，集成密度高、金属互联距离短、占位面积小，具有最小的空间间距，并且氮化镓晶圆的碳化硅衬底有助于大功率器件散热；
[0025]3)针对具有不同特性的化合物半导体晶圆开发介质与金属混合抛光与混合键合技术，制备方法适用的晶圆尺寸大，键合强度高，可靠性高。
附图说明
[0026]图1是本专利技术氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构的结构示意图；
[0027]图2是本专利技术氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片制备方法流程图。
[0028]图中，1
‑
氮化镓衬底层；2
‑
氮化镓HEMT外延层；31
‑
氮化镓器件钝化和层间介质；32
‑
砷化镓器件钝化和层间介质；41
‑
氮化镓金属间介质；42
‑
氮化镓金属间介质；5
‑
砷化镓pHEMT外延层；6
‑
砷化镓衬底层；71...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，其特征在于，包括依次连接的氮化镓衬底层(1)、氮化镓介质层、砷化镓介质层、砷化镓衬底层(6)，氮化镓介质层、砷化镓介质层内均开设介质孔，氮化镓介质层、砷化镓介质层之间连接键合金属触点(10)，氮化镓介质层连接氮化镓器件电极(81)，砷化镓介质层连接砷化镓器件电极(82)，氮化镓衬底层(1)、砷化镓衬底层(6)上均开设背通孔，氮化镓衬底层(1)连接氮化镓衬底背金属(71)，砷化镓衬底层(6)连接砷化镓衬底上表面电极(72)，氮化镓器件电极(81)与砷化镓器件电极(82)通过介质通孔、键合金属触点互联，且通过两个背通孔与氮化镓衬底背金属(71)、砷化镓衬底上表面电极(72)互联。2.根据权利要求1所述氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，其特征在于，所述氮化镓介质层包括连接氮化镓衬底层(1)的(0001)面的氮化镓HEMT外延层(2)，所述氮化镓HEMT外延层(2)依次连接氮化镓器件钝化和层间介质(31)、氮化镓金属间介质(41)、砷化镓介质层，所述氮化镓器件钝化和层间介质(31)、氮化镓金属间介质(41)内开设介质通孔a(9)，所述氮化镓器件钝化和层间介质(31)连接氮化镓器件电极(81)，所述氮化镓金属间介质(41)与砷化镓介质层之间连接键合金属触点(10)。3.根据权利要求2所述氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，其特征在于，所述氮化镓衬底层(1)、氮化镓HEMT外延层(2)内均开设相通的氮化镓衬底背通孔(111)，所述氮化镓衬底层(1)及氮化镓衬底背通孔(111)壁表面贴合连接氮化镓衬底背金属(71)。4.根据权利要求1所述氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，其特征在于，所述砷化镓介质层包括连接砷化镓衬底层(6)的(001)面的砷化镓pHEMT外延层(5)，所述砷化镓pHEMT外延层(5)依次连接砷化镓器件钝化和层间介质(32)、砷化镓金属间介质(42)、氮化镓介质层，所述砷化镓器件钝化和层间介质(32)、砷化镓金属间介质(42)内均开设介质通孔b(11)，所述砷化镓器件钝化和层间介质(32)连接砷化镓器件电极(82)。5.根据权利要求4所述氮化镓和砷化镓三维异质集成射频芯片结构，其特征在于，所述砷化镓衬底层(6)、砷化镓pHEMT外延层(5)内均开设相通的砷化镓衬底背通孔(112)，所述砷化镓衬底层(6)及砷化镓衬底背通孔(112)壁表面贴合连接砷化镓...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志宏，罗诗文，李晓燕，董高峰，杜航海，邢伟川，张苇杭，周弘，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：