專利名稱：氮化鎵基半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法，更具體地，涉及氮化鎵基半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
近來，隨著信息和通訊技術(shù)的快速發(fā)展，用于高速和大容量信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)正在被快速地發(fā)展。就這方面來說，隨著對(duì)個(gè)人移動(dòng)電話、衛(wèi)星通訊、軍事雷達(dá)、廣播通訊和通訊中繼器件的需求的增大，對(duì)高速和高功率電子器件的需求增加，需要這些器件用于使用微波和毫米波段的高速電信(telecommunication)系統(tǒng)。用于控制相對(duì)高水平的功率的功率器件在包括通訊領(lǐng)域的許多領(lǐng)域中用于各種目的，正在對(duì)其進(jìn)行各種類型的研究。氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體具有優(yōu)良的材料性質(zhì)，諸如大的能隙、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、高電子飽和速度( 3X107cm/sec)等，因此GaN基半導(dǎo)體可以不僅應(yīng)用到光學(xué)器件，還可以應(yīng)用到高頻和高功率電子器件。采用GaN基半導(dǎo)體的電子器件具有各種優(yōu)點(diǎn)， 諸如高擊穿電場( 3X106V/cm)、高的最大電流密度、在高溫下穩(wěn)定的操作特性、高熱導(dǎo)率等。特別地，在采用GaN基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFET)的情形下，由于結(jié)界面處的能帶不連續(xù)性大，所以電子可以密集地集中在結(jié)界面處，因此電子遷移率可以進(jìn)一步增大。由于這樣的材料性質(zhì)，GaN基半導(dǎo)體可以應(yīng)用到高功率器件。然而，由于GaN基半導(dǎo)體器件通常使用具有較低熱導(dǎo)率的藍(lán)寶石襯底，所以GaN基半導(dǎo)體器件不具有良好的散熱特性。盡管為了改善的散熱特性可以使用SiC襯底來代替藍(lán)寶石襯底，但是SiC襯底較昂貴(比藍(lán)寶石襯底貴約10倍)，因此用于制造GaN基半導(dǎo)體器件的整個(gè)成本增加。此外，在使用GaN基半導(dǎo)體器件作為功率器件的情形下，存在與電壓耐受特性、制造工藝等相關(guān)的各種問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例實(shí)施例提供氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其具有優(yōu)良的散熱特性并在改善電壓耐受特性方面是有利的。本發(fā)明的示例實(shí)施例還提供了制造GaN基半導(dǎo)體器件的方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件包括散熱襯底；和布置在散熱襯底上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFET)器件，其中HFET器件包括GaN基多層，具有靠近散熱襯底的凹陷區(qū)域；柵極，布置在凹陷區(qū)域中；以及源極和漏極，布置在GaN基多層的在柵極的兩個(gè)相對(duì)側(cè)的部分上，柵極、源極和漏極附接到散熱襯底。凹陷區(qū)域可以具有雙凹陷結(jié)構(gòu)。GaN基多層可以包括2維電子氣QDEG)層。GaN多層可以包括自散熱襯底依次設(shè)置的Aly^vyN層和AlxGai_xN層。這里，在 Aly^vyN層中，y可以滿足0. 1 ^ y ^ 0. 6 ；在AlxGa^xN層中，χ可以滿足0彡χ < 0. 01。GaN基多層還可以包括在AlxGiVxN層上的高電阻GaN基材料層。
凹陷區(qū)域可以形成在AlyGiVyN層上或者可以跨越AlyGiVyN層和AlxGi^xN層形成。散熱襯底可以包括具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率的材料。散熱襯底可以包括Al-Si、Si、Ge、晶體 A1N、非晶 A1N、非晶 SiC、Al、W、Cr、Ni、Cu
和這些金屬的合金中的至少之一。GaN基半導(dǎo)體器件還可以包括在散熱襯底與HFET器件之間的接合層。GaN基半導(dǎo)體器件還可以包括鈍化層，該鈍化層布置在散熱襯底與HFET器件之間并覆蓋至少部分HFET器件。鈍化層可以具有包括鋁氧化物、硅氮化物和硅氧化物中至少之一的單層結(jié)構(gòu)或多
層結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件包括散熱襯底；和布置在散熱襯底上的肖特基二極管器件，其中肖特基二極管器件包括GaN基多層，與散熱襯底分離；及陽極和陰極，布置在GaN基多層的面對(duì)散熱襯底的表面上并附接到散熱襯底，陰極和GaN基多層形成肖特基接觸。GaN基多層可以包括2維電子氣QDEG)層。散熱襯底可以包括具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率的材料。 GaN基半導(dǎo)體器件還可以包括在散熱襯底與肖特基二極管器件之間的接合層。根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種制造氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括 在第一襯底上形成具有凹陷區(qū)域的GaN基多層；在凹陷區(qū)域中形成柵極以及在GaN基多層的在柵極的兩個(gè)相對(duì)側(cè)處的部分上形成源極和漏極；將第二襯底附接到第一襯底的源極、 漏極和柵極；以及去除第一襯底。第一襯底可以是藍(lán)寶石襯底。GaN基多層可以形成為包括2維電子氣QDEG)層。形成GaN基多層的步驟可以包括在第一襯底上形成AlxGai_xN層(0彡x<0.01)； 以及在Alx^vxN層上形成AlyGai_yN層(0. 1彡y彡0. 6)。形成GaN基多層的步驟還可以包括在第一襯底與Α1Χ(^_ΧΝ層之間形成高電阻的 GaN基材料層。凹陷區(qū)域可以形成在AlyG _yN層上或者跨越AlyG _yN層和AlxGi^xN層形成。凹陷區(qū)域可以形成為具有雙凹陷結(jié)構(gòu)。第二襯底可以包括具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率的材料。第二襯底可以包括Al-Si、Si、Ge、晶體 A1N、非晶 A1N、非晶 SiC、Al、W、Cr、Ni、Cu
和這些金屬的合金中的至少之一。該方法還可以包括在第二襯底附接到源極、漏極和柵極之前形成覆蓋至少部分源極、漏極和柵極的鈍化層。鈍化層可以具有包括鋁氧化物、硅氮化物和硅氧化物中至少之一的單層結(jié)構(gòu)或多
層結(jié)構(gòu)。該方法還可以包括在第二襯底上形成多個(gè)金屬焊盤。在此情形下，第二襯底可以附接到第一襯底，使得金屬焊盤分別對(duì)應(yīng)于源極、漏極和柵極。第一襯底可以通過使用激光剝離法去除。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種制造氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括在第一襯底上形成GaN基多層；在GaN基多層上形成陽極和陰極，使得陰極和GaN基多層形成肖特基接觸；將第二襯底附接到第一襯底的陽極和陰極；以及去除第一襯底。第一襯底可以是藍(lán)寶石襯底。GaN基多層可以形成為包括2維電子氣QDEG)層。第二襯底可以包括具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率的材料。第一襯底可以通過使用激光剝離法去除。


通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其它的特征以及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，在附圖中圖1至圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件的截面圖；圖4A至圖4G是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造GaN基半導(dǎo)體器件的方法的截面圖；圖5是用于描述在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造GaN基半導(dǎo)體器件的方法中用于接合兩個(gè)襯底的操作的平面圖；圖6A至圖6F是用于描述在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造GaN基半導(dǎo)體器件的方法中形成具有凹陷區(qū)域的GaN基薄膜的方法的截面圖；圖7和圖8是用于描述在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的制造GaN基半導(dǎo)體器件的方法中形成具有凹陷區(qū)域的GaN基薄膜的方法的截面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的GaN基半導(dǎo)體器件的截面圖；以及圖IOA至圖IOE是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的制造GaN基半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述各個(gè)示例實(shí)施例，附圖中示出了示范性實(shí)施例。將理解，當(dāng)稱一元件“連接到”或“耦接到”另一元件時(shí)，它可以直接連接到或耦接到另一元件，或者還可以存在插入的元件。相反，當(dāng)稱一元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時(shí)，不存在插入元件。如此處所用的，術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)所列相關(guān)項(xiàng)目的任何及所有組合。將理解，雖然這里可使用術(shù)語“第一”、“第二”等描述各種元件、組件、區(qū)域、層和/ 或部分，但這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受限于這些術(shù)語。這些術(shù)語僅用于將一個(gè)元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一元件、組件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。因此，以下討論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分而不背離示范性實(shí)施例的教導(dǎo)。為便于描述此處可以使用諸如“在· · ·之下”、“在· · ·下面”、“下”、“在· · ·之上”、
“上”等空間相對(duì)性術(shù)語以描述如附圖所示的一個(gè)元件或特征與另一個(gè)(些)元件或特征之間的關(guān)系。將理解，空間相對(duì)性術(shù)語是用來概括除附圖所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉(zhuǎn)過來，被描述為“在”其他元件或特征“下面”或 “之下”的元件將會(huì)在其他元件或特征“之上”。這樣，示范性術(shù)語“在...下面”就能夠涵蓋之上和之下兩種取向。器件可以采取其他取向(旋轉(zhuǎn)90度或在其他取向)，此處所用的空間相對(duì)性描述符做相應(yīng)解釋。這里所用的術(shù)語只是為了描述特定實(shí)施例的目的，并非要限制示范性實(shí)施例。如此處所用的，除非上下文另有明確表述，否則單數(shù)形式“一”和“該”均旨在包括復(fù)數(shù)形式。還將理解，術(shù)語“包括”和/或“包含”，當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，指定了所述特征、整體、步驟、 操作、元件和/或組件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或增加。這里參照截面圖描述示范性實(shí)施例，這些圖為示例實(shí)施例的理想化實(shí)施例(和中間結(jié)構(gòu))的示意圖。因而，舉例來說，由制造技術(shù)和/或公差引起的圖示形狀的變化是可能發(fā)生的。因此，本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)被解釋為局限于此處示出的區(qū)域的特定形狀，而是包括由例如制造引起的形狀偏差在內(nèi)。例如，示出為矩形的注入?yún)^(qū)域?qū)⑼ǔ＞哂械箞A或彎曲的特征和/或在其邊緣處的注入濃度梯度，而不是從注入?yún)^(qū)域到非注入?yún)^(qū)域的二元變化。類似地，通過注入形成的埋入?yún)^(qū)域可以導(dǎo)致在埋入?yún)^(qū)域與通過其發(fā)生注入的表面之間的區(qū)域中的一些注入。因此，附圖所示的區(qū)域本質(zhì)上是示意性的，它們的形狀并非要示出器件的區(qū)域的實(shí)際形狀，也并非要限制示范性實(shí)施例的范圍。除非另行定義，此處使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)都具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所通常理解的同樣的含義。還應(yīng)當(dāng)理解的是，術(shù)語，諸如通用詞典中所定義的那些，否則應(yīng)當(dāng)被解釋為具有與它們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域的語境中的含義相一致的含義，而不應(yīng)被解釋為理想化的或過度形式化的意義，除非此處明確如此定義。在下文，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件及其制造方法。在附圖中，為了清晰，層和區(qū)域的厚度被夸大。在附圖中相似的附圖標(biāo)記指代相似的元件，因此將省略它們的描述。圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件。參照?qǐng)D1，異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFET)器件200布置在散熱襯底100上。散熱襯底100可以是具有比藍(lán)寶石襯底的熱導(dǎo)率高的導(dǎo)熱襯底。例如，散熱襯底100可以是由如下形成的襯底金屬-非金屬(半導(dǎo)體)化合物，諸如Al-Si ；非金屬(半導(dǎo)體或陶瓷)， 諸如Si、Ge、晶體A1N、非晶AlN或非晶SiC ；金屬，諸如Al、W、Cr、Ni、Cu或這些金屬的合金。 散熱襯底100可以具有比藍(lán)寶石優(yōu)良的散熱特性并可以比晶體SiC襯底便宜。布置在散熱襯底100上的HFET器件200也可以被稱作高電子遷移率晶體管 (HEMT)器件。HFET器件200可以包括與散熱襯底100間隔布置的GaN基多層GLl。GaN基多層GLl可以具有靠近散熱襯底100布置的凹陷區(qū)域R1。凹陷區(qū)域Rl可以具有雙凹陷結(jié)構(gòu)。HFET器件200可以包括布置在GaN基多層GLl的面對(duì)散熱襯底100的表面(圖1中的底表面)上的源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl。柵電極Gl可以形成在凹陷區(qū)域Rl中。 因此，柵電極Gl可以具有雙凹陷柵結(jié)構(gòu)。柵絕緣層Gll可以布置在柵電極Gl與GaN基多層GLl的凹陷區(qū)域Rl之間。源電極Sl和漏電極Dl可以在柵電極Gl的兩個(gè)相對(duì)側(cè)布置在 GaN基多層GLl上。換句話說，源電極Sl和漏電極Dl可以在凹陷區(qū)域Rl的兩個(gè)相對(duì)側(cè)處布置在GaN基多層GLl上。盡管沒有示出，但是歐姆接觸層可以進(jìn)一步分別布置在源電極 Sl與GaN基多層GLl之間以及漏電極Dl與GaN基多層GLl之間。散熱襯底100可以經(jīng)由源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl附接到HFET器件200。彼此分離開的金屬焊盤層Ml至M3可以布置在散熱襯底100上，源電極Sl、漏電極Dl和柵電極Gl可以分別附接到金屬焊盤層Ml至M3。金屬焊盤層Ml至M3可以分別被看作源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl的一部分。金屬焊盤層Ml至M3可以包括例如Au層或 AuSn層。源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl的沒有被金屬焊盤層Ml至M3覆蓋的部分以及 GaN基多層GLl的在其間的部分可以被鈍化層Pl覆蓋。鈍化層Pl可以具有包括例如鋁氧化物層、硅氮化物層和硅氧化物層中至少之一的單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。預(yù)定的接合層110可以布置在散熱襯底100與金屬焊盤層Ml至M3之間。換句話說，接合層110可以布置在散熱襯底100上，金屬焊盤層Ml至M3可以形成在接合層110上。 接合層110可以是例如硅氧化物層。接合層110可以可選地提供。也就是，可以提供接合層110或者可以不提供接合層110。此外，如果需要，可以省略金屬焊盤層Ml至M3。在下文，將詳細(xì)描述GaN基多層GLl和凹陷區(qū)域Rl。GaN基多層GLl可以包括兩個(gè)或更多層，例如第一層10、第二層20和第三層30。 第三層30、第二層20和第一層10可以自散熱襯底100按陳述的順序布置。第三層30可以是AlyGai_yN層(這里，0. 1彡y彡0.6)并可以具有從約25nm至40nm的厚度。第二層20 可以為AlxGai_xN層(這里，OSx <001)。換句話說，第二層20可以是用低于約的Al 摻雜的GaN層。在第二層20用Al摻雜的情形下，不僅第二層20的載流子(電子)濃度增大，而且第二層20的結(jié)晶性可以改善。因此，可以改善GaN基半導(dǎo)體器件的特性。第二層 20的厚度可以小于第三層30或者可以不小于第三層30。2維電子氣層(在下文稱作2DEG 層)可以存在于第二層20接觸第三層30的界面附近。在2DEG層中，2DEG層的對(duì)應(yīng)于凹陷區(qū)域Rl的中央部分的部分可以斷裂或者可以具有不同于2DEG層的其余部分的特性。第二層20可以被當(dāng)做溝道層。布置在第二層20上的第一層10是包含GaN的層并可以是具有比一般半導(dǎo)體高的電阻的半絕緣層。第一層10可以是未摻雜的GaN層或用諸如Mg、Zn、 C、狗等雜質(zhì)摻雜的GaN層，第一層10的薄層電阻可以為例如109Q/Sq或以上。在第一層 10形成為具有高電阻的未摻雜GaN層的情形下，可以防止在GaN基半導(dǎo)體器件的操作期間由于雜質(zhì)的向外擴(kuò)散引起的問題。后面將描述增大第一層10的電阻而沒有用Mg、Zn、C或狗摻雜第一層10的方法。當(dāng)?shù)谝粚?0具有高電阻(也就是，半絕緣性質(zhì))時(shí)，可以抑制 /防止通過第一層10的電流泄漏，因此可以容易地增強(qiáng)GaN基半導(dǎo)體器件的特性。如果需要，可以省略第二層20。換句話說，第一層10和第三層30可以彼此直接接觸而沒有第二層 20。在此情形下，2DEG層可以形成在第一層10與第三層30之間的界面上或界面附近?；蛘撸郊訉涌梢赃M(jìn)一步布置在第二層20與第三層30之間。附加層可以是具有與第三層30 相似電特性的層或者可以不是具有與第三層30相似電特性的層。由于凹陷區(qū)域R1，柵電極Gl可以具有凹陷柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)柵電極Gl具有凹陷柵結(jié)構(gòu)時(shí)，改變了 2DEG層的對(duì)應(yīng)于柵電極Gl的電特性，增大了源電極Sl與漏電極Dl之間的有效溝道長度，因此可以加強(qiáng)HFET器件200的電壓耐受特性。凹陷區(qū)域Rl可以具有雙凹陷結(jié)構(gòu)。在凹陷區(qū)域Rl具有單凹陷結(jié)構(gòu)的情形下，電場會(huì)集中在凹陷區(qū)域Rl處，因此會(huì)降低擊穿電壓。然而，如果凹陷區(qū)域Rl如本實(shí)施例中一樣形成為具有雙凹陷結(jié)構(gòu)，可以降低電場的集中，因此對(duì)于加強(qiáng)電壓耐受特性，具有雙凹陷結(jié)構(gòu)的凹陷區(qū)域Rl可以是更有利的。盡管圖1示出凹陷區(qū)域Rl形成為直到第三層30與第二層20之間的界面，但是形成凹陷區(qū)域Rl的范圍(深度)可以改變。例如，凹陷區(qū)域Rl可以如圖2所示形成為不到達(dá)第三層30與第二層20之間的界面，或者可以如圖3所示形成為穿透第三層30并延伸到第二層20中。HFET器件200的閾值電壓可以根據(jù)凹陷區(qū)域Rl的深度而改變。例如，當(dāng)凹陷區(qū)域Rl形成為具有較大的深度時(shí)，HFET器件200的閾值電壓可以在正方向上增大。因此，可以實(shí)現(xiàn)常關(guān)型(normally off type)器件。由于如上所述的根據(jù)本實(shí)施例的GaN基半導(dǎo)體器件布置在散熱襯底100上，GaN基半導(dǎo)體器件可以具有優(yōu)良的散熱特性。此外，由于柵電極Gl的雙凹陷結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)GaN 基半導(dǎo)體器件的電壓耐受特性。圖4A至圖4G示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造GaN基半導(dǎo)體器件的方法。參照?qǐng)D4A，GaN基多層GLl可以形成在第一襯底SUBl上。第一襯底SUBl可以為例如藍(lán)寶石襯底。由于沒有襯底具有與GaN基材料相同的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，所以GaN 基材料通常生長在藍(lán)寶石襯底上。在形成GaN基多層GLl之前，緩沖層5可以形成在第一襯底SUBl上，然后GaN基多層GLl可以形成在其上?？梢圆贾镁彌_層5以通過降低第一襯底SUBl和GaN基多層GLl的第一層10之間晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異來防止GaN基多層GLl的結(jié)晶性的惡化。緩沖層5可以由例如GaN或SiC形成。如果緩沖層5為GaN層， 則緩沖層5可以被當(dāng)作GaN基多層GLl的一部分。GaN基多層GLl可以形成為包括兩個(gè)或更多材料層，例如第一層10、第二層20和第三層30。第一層10、第二層20和第三層30可以自第一襯底SUBl按陳述的順序布置。第一層10、第二層20和第三層30可以分別對(duì)應(yīng)于如以上參照?qǐng)D1所述的第一層10、第二層 20和第三層30。換句話說，第一層10可以是包含GaN的層，并可以是具有比一般半導(dǎo)體高的電阻的半絕緣層。第一層10可以是未摻雜的GaN層或用諸如Mg、Zn、C、Fe等雜質(zhì)摻雜的GaN層，第一層10的薄層電阻可以為例如109Q/Sq或以上。下面將簡要地描述將第一層10形成為具有高電阻而沒有用Mg、Zn、C或狗摻雜第一層10的方法。在生長緩沖層5 之后，通過在從約900°C至約950°C的溫度熱處理(退火)所生長的緩沖層5幾分鐘，緩沖層5的晶粒尺寸可以變得較小。當(dāng)GaN薄膜(也就是，第一層10)生長在這樣的具有小晶粒尺寸和高密度的緩沖層5上時(shí)，形成了能夠俘獲電子的( 空位，因此第一層10可以具有高電阻而沒有用雜質(zhì)摻雜。這里，用于生長GaN薄膜(也就是，第一層10)的溫度可以為從約1020°C至約1050°C。在將溫度從熱處理緩沖層5的溫度提升到從約1020°C至約1050°C 的溫度的期間(也就是，溫度上升期間)，可以進(jìn)行GaN薄膜(也就是，第一層10)的生長工藝。以此方式，可以獲得具有高電阻的未摻雜的GaN層(也就是，第一層10)。然而，形成第一層10的方法不限于此，可以對(duì)其進(jìn)行各種修改。同時(shí)，第二層20可以為AlxGai_xN層 (這里，0 ^ χ < 0.01)，第三層30可以為AlyGi^yN層(這里，0. 1彡y彡0. 6)。2DEG層可以存在于第二層20接觸第三層30的界面附近。第三層30的厚度可以例如為從約25nm至 40nmo參照?qǐng)D4B，凹陷區(qū)域Rl可以通過部分蝕刻GaN基多層GLl而形成。凹陷區(qū)域Rl 可以形成為具有雙凹陷結(jié)構(gòu)。換句話說，凹陷區(qū)域Rl可以形成為使得凹陷區(qū)域Rl的下部具有第一寬度，而凹陷區(qū)域Rl的上部具有比第一寬度大的第二寬度。2DEG層的對(duì)應(yīng)于凹陷區(qū)域Rl的中央部分的部分可以斷裂或者可以具有不同于2DEG層的其余部分的特性。任何的各種方法/操作可以用于形成凹陷區(qū)域R1。凹陷區(qū)域Rl的深度/范圍不限于圖4B中示出的那些。換句話說，如以上參照?qǐng)D2和圖3所述，可以改變凹陷區(qū)域Rl的深度/范圍。參照?qǐng)D4C，柵絕緣層Gll和柵電極Gl可以形成在GaN基多層GLl的凹陷區(qū)域Rl中。因此，柵電極Gl可以具有雙凹陷柵結(jié)構(gòu)。源電極Sl和漏電極Dl可以形成在GaN基多層GLl的在柵電極Gl的兩個(gè)相對(duì)側(cè)的部分上。換句話說，源電極Sl和漏電極Dl可以形成在GaN基多層GLl的在凹陷區(qū)域Rl的兩個(gè)相對(duì)側(cè)的部分上。盡管沒有示出，但是歐姆接觸層可以進(jìn)一步分別布置在源電極Sl與GaN基多層GLl之間以及漏電極Dl與GaN基多層GLl 之間。GaN基多層GL1、源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl可以構(gòu)成HFET器件200。HFET器件200可以對(duì)應(yīng)于圖1的HFET器件200。參照?qǐng)D4D，在覆蓋源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl的鈍化層Pl形成在GaN基多層GLl上之后，源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl的部分可以通過部分蝕刻鈍化層Pl而暴露。鈍化層Pl可以具有包括例如鋁氧化物層、硅氮化物層和硅氧化物層中至少之一的單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D4E和圖4F，其上形成有HFET器件200的第一襯底SUBl可以附接到第二襯底SUB2。第二襯底SUB2可以對(duì)應(yīng)于圖1的散熱襯底100。換句話說，第二襯底SUB2可以是具有比第一襯底SUBl (例如，藍(lán)寶石襯底)高的熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱襯底。例如，第二襯底SUB2 可以是由如下形成的襯底金屬-非金屬(半導(dǎo)體)化合物，諸如Al-Si ；非金屬(半導(dǎo)體或陶瓷)，諸如Si、Ge、晶體A1N、非晶AlN或非晶SiC ；金屬，諸如Al、W、Cr、Ni、Cu或這些金屬的合金。這樣的第二襯底SUB2可以具有比藍(lán)寶石襯底優(yōu)良的散熱特性并可以比晶體SiC 襯底便宜。在兩個(gè)襯底SUBl和SUB2彼此附接之前，預(yù)定的接合層110和金屬焊盤層Ml至 M3可以形成在第二襯底SUB2的頂表面上。接合層110可以例如由硅氧化物形成。金屬焊盤層Ml至M3可以由例如Au或AuSn形成。HFET器件200的源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl可以附接到第二襯底SUB2的金屬焊盤層Ml至M3上。金屬焊盤層Ml至M3可以分別接合到源電極Si、漏電極Dl和柵電極G1。接合操作可以在預(yù)定的溫度進(jìn)行。圖4E和圖4F中示出的接合操作可以以晶片級(jí)進(jìn)行。換句話說，如圖5所示，第一襯底SUBl和第二襯底SUB2可以以晶片級(jí)接合。參照?qǐng)D5，由源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl構(gòu)成的多個(gè)第一圖案布置在處于晶片階段的第一襯底SUBl上，由金屬焊盤層Ml至M3 構(gòu)成的多個(gè)第二圖案布置在處于晶片階段的第二襯底SUB2上，兩個(gè)襯底SUBl和SUB2可以接合到彼此。由于可以通過以晶片級(jí)進(jìn)行襯底SUBl和SUB2的接合操作而一次制造大量器件，所以可以改善生產(chǎn)率。圖5中示出的第一圖案和第二圖案的形狀可以改變。由于這樣的改變?cè)诒绢I(lǐng)域是已知的，所以將省略其詳細(xì)描述。在圖5中，附圖標(biāo)記Kl和K2表示用于在接合操作期間對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)襯底SUBl和SUB2的位置的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。參照?qǐng)D4G，可以去除第一襯底SUBl。第一襯底SUBl可以通過使用例如激光剝離法去除。由于激光剝離法在本領(lǐng)域是公知的，所以將省略其詳細(xì)描述。接著，盡管沒有示出， 但如果需要，可以去除緩沖層5。因而，可以容易地制造HFET結(jié)構(gòu)的GaN基半導(dǎo)體器件，其布置在散熱襯底(也就是，第二襯底SUB》上并具有優(yōu)良的散熱特性和改善的電壓耐受特性。在上述形成GaN基半導(dǎo)體器件的方法中，形成凹陷區(qū)域Rl (圖4B)的方法可以改變。下面將參照?qǐng)D6A至圖6F來描述其示例。參照?qǐng)D6A，緩沖層5、第一層10和第二層20可以通過使用類似于圖4A的方法形成在第一襯底SUBl上。接著，預(yù)定的第一掩模圖案MPl可以形成在第二層20上。第一掩模圖案MPl可以形成為具有第一寬度wl并可以由硅氧化物或硅氮化物形成。
參照?qǐng)D6B，第三-第一層30a可以生長在第二層20的頂表面的其上沒有形成第一掩模圖案MPl的部分(也就是，第二層20的頂表面的暴露部分)上。接著，可以去除第一掩模圖案MP1。其結(jié)果在圖6C中示出。參照?qǐng)D6D，第二掩模圖案MP2可以形成在第二層20的在之前步驟中通過去除第一掩模圖案MPl而暴露的部分上。第二掩模圖案MP2可以形成得比第三-第一層30a厚，第三-第一層30a上的第二掩模圖案MP2的上部可以具有比第一掩模圖案MPl的寬度大的第二寬度(《2)。因此，第三-第一層30a的在兩個(gè)相對(duì)側(cè)的端部可以被第二掩模圖案MP2覆
至
ΓΤΠ ο參照?qǐng)D6E，第三-第二層30b可以生長在第三-第一層30a的頂表面的其上沒有形成第二掩模圖案MP2的部分(也就是，第三-第一層30a的頂表面的暴露部分)上。接著，可以去除第二掩模圖案MP2。其結(jié)果在圖6F中示出。參照?qǐng)D6F，形成具有雙凹陷結(jié)構(gòu)的凹陷區(qū)域R1’。第三-第一層30a和第三-第二層30b可以是由相同材料形成的層，第三-第一層30a和第三-第二層30b可以一起被稱作第三層30’。第三層30’可以是由與圖4B的第三層30相同的材料形成的層。如上所述，在通過使用第一掩模圖案MPl和第二掩模圖案MP2形成具有雙凹陷結(jié)構(gòu)的凹陷區(qū)域R1’的第三層30’的情形下，可以容易地控制凹陷區(qū)域R1’的深度。此外，可以容易地控制凹陷區(qū)域R1’的底表面到2DEG層之間的距離(厚度)。因此，圖6A至圖6F 中示出的方法對(duì)于控制GaN基半導(dǎo)體器件的特性會(huì)是更有利的。各種修改可以應(yīng)用于圖6A至圖6F所示的方法。在圖6B所示的操作中，不去除第一掩模圖案MP1，可以形成從第一掩模圖案MPl的兩個(gè)相對(duì)側(cè)延伸的附加掩模圖案。在形成附加掩模圖案之后，可以形成第三-第二層30b。在此情形下，通過結(jié)合第一掩模圖案MPl 和附加掩模圖案所形成的結(jié)構(gòu)可以類似于圖6D的第二掩模圖案MP2。此外，在圖6A所示的操作中，預(yù)定材料層可以在形成第一掩模圖案MPl之前形成在第二層20a上，第一掩模圖案MPl可以形成在該材料層上，可以進(jìn)行接下來的操作。預(yù)定材料層可以由與構(gòu)成第三層30’的材料相同或相似的材料形成。凹陷區(qū)域的底表面與第二層20之間的距離可以基于預(yù)定材料層的厚度來決定。因而，可以獲得如圖2所示的凹陷區(qū)域Rl不到達(dá)第二層20的結(jié)構(gòu)。其示例在圖7中示出。在圖7中，附圖標(biāo)記四表示預(yù)定材料層。此外，通過使用圖6A至圖6F所示方法的變型，可以獲得以上參照?qǐng)D3描述的結(jié)構(gòu)，也就是其中凹陷區(qū)域Rl穿透第三層30并延伸到第二層20中的結(jié)構(gòu)。其示例在圖8中示出。圖9示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的GaN基半導(dǎo)體器件。根據(jù)本實(shí)施例的GaN基半導(dǎo)體器件包括肖特基二極管結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D9，肖特基二極管器件300布置在散熱襯底100上。散熱襯底100可以與圖 1的散熱襯底100相同。肖特基二極管器件300可以包括與散熱襯底100間隔開的GaN基多層GL2。GaN基多層GL2可以包括兩個(gè)或更多層，例如第一層11、第二層22和第三層33。 第三層33、第二層22和第一層11可以以陳述的順序自散熱襯底100布置。第一層11、第二層22和第三層33可以分別對(duì)應(yīng)于圖1的第一層10、第二層20和第三層30。類似于圖 1的GaN基多層GL1，可以在GaN基多層GL2中進(jìn)行各種修改。肖特基二極管器件300可以包括陽極Al和陰極Cl，陽極Al和陰極Cl布置在GaN基多層GL2的面對(duì)散熱襯底100的表面(圖9中的底表面)上。歐姆接觸層1可以布置在陽極Al與GaN基多層GL2之間，而肖特基接觸層2可以布置在陰極Cl與GaN基多層GL2之間。根據(jù)構(gòu)成陽極Al和陰極Cl的材料，可以不布置歐姆接觸層1和/或肖特基接觸層2。接合層110可以布置在散熱襯底100上，第一和第二金屬焊盤層Ml 1和M22可以布置在接合層110上。陽極Al和陰極Cl可以接合到第一和第二金屬焊盤層Mll和M22。接合層110可以為例如硅氧化物層。第一和第二金屬焊盤層Mll和M22可以包括例如Au層或AuSn層。如果需要，第一和第二金屬焊盤層Ml 1和M22可以直接布置在散熱襯底100上而沒有接合層110?；蛘?，陽極Al和陰極Cl可以直接附接到散熱襯底100而沒有第一和第二金屬焊盤層Mll和M22。陽極Al和陰極Cl的沒有被第一和第二金屬焊盤層Mll和M22覆蓋的部分以及 GaN基多層GL2位于其間的部分可以被鈍化層P2覆蓋。鈍化層P2可以具有包括例如鋁氧化物層、硅氮化物層或硅氧化物層的單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。圖IOA至圖IOE示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的制造GaN基半導(dǎo)體器件的方法。參照?qǐng)D10A，通過使用與圖4A的方法類似的方法，緩沖層5和GaN基多層GL2可以形成在第一襯底SUBl上。GaN基多層GL2可以使用與用于形成圖4A的GaN基多層GLl相同的材料和相同的方法來形成。GaN基多層GL2的第一層11、第二層22和第三層33可以分別對(duì)應(yīng)于圖1的第一層10、第二層20和第三層30。參照?qǐng)D10B，陽極Al和陰極Cl可以布置在GaN基多層GL2上以彼此間隔開。歐姆接觸層1可以形成在陽極Al與GaN基多層GL2之間，肖特基接觸層2可以形成在陰極Cl 與GaN基多層GL2之間。在覆蓋陽極Al和陰極Cl的鈍化層P2形成在GaN基多層GL2上之后，部分的陽極Al和陰極Cl可以通過部分蝕刻鈍化層P2而暴露。GaN基多層GL2、陽極 Al和陰極Cl可以構(gòu)成肖特基二極管器件300。參照?qǐng)DIOC和圖10D，其上形成有肖特基二極管器件300的第一襯底SUBl可以附接到第二襯底SUB2。第二襯底SUB2可以對(duì)應(yīng)于圖9 的散熱襯底100。換句話說，第二襯底SUB2可以是具有比第一襯底SUBl (例如，藍(lán)寶石襯底)高的熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱襯底。在兩個(gè)襯底SUBl和SUB2彼此附接之前，預(yù)定接合層110以及第一和第二金屬焊盤層Mll和M22可以形成在第二襯底SUB2的頂表面上。接合層110可以由例如硅氧化物形成。第一和第二金屬焊盤層Mll和M22可以由例如Au或AuSn形成。 肖特基二極管器件300的陽極Al和陰極Cl可以附接到第二襯底SUB2的第一和第二金屬焊盤層Mll和M22上。第一和第二金屬焊盤層Mll和M22可以分別接合到陽極Al和陰極 Cl。接合操作可以以晶片級(jí)在預(yù)定溫度進(jìn)行。參照?qǐng)D10E，第一襯底SUBl可以被去除。第一襯底SUBl可以通過使用例如激光剝離法去除。由于激光剝離法在本領(lǐng)域是眾所周知的，將省略對(duì)其的詳細(xì)描述。接著，盡管沒有示出，但是如果需要，可以去除緩沖層5。盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的示范性實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以在其中進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化而不背離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書定義。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基半導(dǎo)體器件，包括 散熱襯底；異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管器件，布置在所述散熱襯底上， 其中所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管器件包括 氮化鎵基多層，具有靠近所述散熱襯底的凹陷區(qū)域； 柵極，布置在所述凹陷區(qū)域中；以及源極和漏極，布置在所述氮化鎵基多層的在所述柵極的兩個(gè)相對(duì)側(cè)的部分上， 并且所述柵極、所述源極和所述漏極附接到所述散熱襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述凹陷區(qū)域具有雙凹陷結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述氮化鎵基多層包括2維電子氣層。
4.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述氮化鎵基多層包括自所述散熱襯底依次設(shè)置的Aly^vyN層和AlxGai_xN層，且在AlyGi^yN層中，0. 1彡y彡0.6，及在 AipahN 層中，0 彡 χ < 0. 01。
5.如權(quán)利要求4所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述氮化鎵基多層還包括在所述 AlxGai_xN層上的高電阻氮化鎵基材料層。
6.如權(quán)利要求4所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述凹陷區(qū)域形成在所述AlyGai_yN 層上或者跨越所述Aly^vyN層和所述AlxGai_xN層形成。
7.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述散熱襯底包括具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率的材料。
8.如權(quán)利要求7所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述散熱襯底包括Al-Si、Si、Ge、晶體A1N、非晶A1N、非晶SiC、Al、W、Cr、Ni、Cu和這些金屬的合金中的至少之一。
9.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，還包括在所述散熱襯底與所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管器件之間的接合層。
10.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，還包括鈍化層，該鈍化層布置在所述散熱襯底與所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管器件之間并覆蓋至少部分所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管器件，其中所述鈍化層具有包括鋁氧化物、硅氮化物和硅氧化物中至少之一的單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
11.一種氮化鎵基半導(dǎo)體器件，包括 散熱襯底；和肖特基二極管器件，布置在所述散熱襯底上， 其中所述肖特基二極管器件包括 氮化鎵基多層，與所述散熱襯底分離；及陽極和陰極，布置在所述氮化鎵基多層的面對(duì)所述散熱襯底的表面上并附接到所述散熱襯底，而且所述陰極和所述氮化鎵基多層形成肖特基接觸。
12.如權(quán)利要求11所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述氮化鎵基多層包括2維電子氣層。
13.如權(quán)利要求11所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其中所述散熱襯底包括具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率的材料。
14.如權(quán)利要求11所述的氮化鎵基半導(dǎo)體器件，還包括在所述散熱襯底與所述肖特基二極管器件之間的接合層。
15.一種制造氮化鎵基半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括 在第一襯底上形成具有凹陷區(qū)域的氮化鎵基多層；在所述凹陷區(qū)域中形成柵極以及在所述氮化鎵基多層的在所述柵極的兩個(gè)相對(duì)側(cè)處的部分上形成源極和漏極；將第二襯底附接到所述第一襯底的所述源極、所述漏極和所述柵極；以及去除所述第一襯底。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一襯底是藍(lán)寶石襯底。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述氮化鎵基多層形成為包括2維電子氣層。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中形成所述氮化鎵基多層包括 在所述第一襯底上形成AlxGai_xN層(0 < χ < 0. 01)；以及在所述AlxGai_xN層上形成AlyGai_yN層(0. 1彡y彡0. 6)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中形成所述氮化鎵基多層還包括在所述第一襯底與所述Alx^vxN層之間形成高電阻的氮化鎵基材料層。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述凹陷區(qū)域形成在所述Aly^vyN層上或者跨越所述Aly^vyN層和所述AlxGai_xN層形成。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述凹陷區(qū)域形成為具有雙凹陷結(jié)構(gòu)。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第二襯底包括具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率的材料。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第二襯底包括Al-Si、31、66、晶體々11非晶 A1N、非晶SiC、Al、W、Cr、Ni、Cu和這些金屬的合金中的至少之一。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述第二襯底附接到所述源極、所述漏極和所述柵極之前形成覆蓋至少部分所述源極、所述漏極和所述柵極的鈍化層，其中所述鈍化層具有包括鋁氧化物、硅氮化物和硅氧化物中至少之一的單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
25.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在所述第二襯底上形成多個(gè)金屬焊盤，其中所述第二襯底附接到所述第一襯底，使得所述金屬焊盤分別對(duì)應(yīng)于所述源極、所述漏極和所述柵極。
26.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一襯底通過使用激光剝離法去除。
27.一種制造氮化鎵基半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括 在第一襯底上形成氮化鎵基多層；在所述氮化鎵基多層上形成陽極和陰極，使得所述陰極和所述氮化鎵基多層形成肖特基接觸；將第二襯底附接到所述第一襯底的所述陽極和所述陰極；以及去除所述第一襯底。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第一襯底是藍(lán)寶石襯底。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述氮化鎵基多層形成為包括2維電子氣層。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第二襯底包括具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率的材料。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第一襯底通過使用激光剝離法去除。
全文摘要
本發(fā)明提供了氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件及其制造方法。GaN基半導(dǎo)體器件可以包括布置在散熱襯底上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFET)或肖特基二極管。HFET器件可以包括GaN基多層，具有凹陷區(qū)域；柵極，布置在凹陷區(qū)域中；以及源極和漏極，布置在GaN基多層的在柵極(或凹陷區(qū)域)的兩個(gè)相對(duì)側(cè)的部分上。柵極、源極和漏極可以附接到散熱襯底。凹陷區(qū)域可以具有雙凹陷結(jié)構(gòu)。當(dāng)這樣的GaN基半導(dǎo)體器件在被制造時(shí)，可以使用晶片接合工藝和激光剝離工藝。
文檔編號(hào)H01L29/778GK102403348SQ20111027102
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者李哉勛, 金基世 申請(qǐng)人:三星Led株式會(huì)社