CN104409499A - 半导体外延结构、半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体外延结构、半导体器件及其制造方法，半导体外延结构包括衬底和位于衬底上的半导体外延层，衬底与半导体外延层实现完整分离后，在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层，高导热率绝缘层的导热率高于衬底的导热率；该半导体器件包括半导体外延结构和位于半导体外延结构中半导体外延层正面上的源极、漏极、以及栅极。本发明可以实现衬底材料的重复利用，既保证了半导体外延层的晶体质量，又降低了材料成本，还省去了后续针对衬底材料的减薄工艺，简化了工艺，降低了工艺成本，提高了工艺成品率；并且高导热率绝缘层可以显著改善器件散热能力，并且避免衬底漏电和击穿问题出现，大大提高了器件的性能和可靠性。

Description

半导体外延结构、半导体器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种半导体外延结构、半导体器件及其制造方法。

背景技术

氮化镓(GaN)半导体材料的禁带宽度比较大，基于氮化镓(GaN)半导体材料形成的异质结结构，在异质结界面处可以产生高浓度的二维电子气，并被局限于量子势井中，其电子迁移率非常高。利用此特点制作的半导体器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)具有击穿电场大、电流密度高、电子饱和漂移速度快等特点，非常适合于制作高温、高频、高压和大功率的器件，可以广泛用于射频微波领域及电力电子领域，是目前半导体器件领域的研究热点之一。

氮化镓电力电子器件广泛使用的是蓝宝石衬底。基于蓝宝石衬底的氮化镓外延层质量非常好，制作出来的器件性能优异，但是存在几个问题：第一，蓝宝石衬底成本较高，并且伴随后续减薄切割工艺而被消耗，不可重复使用，提高了材料成本；第二，针对衬底后续要进行减薄工艺，提高了工艺复杂性和工艺成本，并且影响器件成品率；第三，蓝宝石衬底导热率较差，当器件工作在大电流状态时，容易产生散热问题，进而影响器件特性和可靠性；第四，衬底材料质量控制不好容易引人衬底漏电和击穿问题，降低器件特性和可靠性。

为了解决成本问题，使用硅衬底来生长氮化镓外延层是目前研究的热点，但是仍然存在几个难点：第一，基于硅衬底的氮化镓外延层质量不如蓝宝石衬底优异，并且随着硅衬底尺寸增大，氮化镓外延层质量更加不好控制，相应的会影响制作出来的器件性能；第二，硅衬底后续也要进行减薄工艺，也存在工艺复杂性、成本及成品率问题；第三，由于硅衬底导热率也一般，也存在大电流工作状态下的散热问题；第四，由于硅衬底导电，器件在工作过程中容易引入衬底漏电或击穿问题。

目前没有一种技术可以同时解决上述所有问题，都只是针对性的改善，甚至是以牺牲其它特性作为代价的。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的半导体外延结构、半导体器件及其制造方法，能同时实现降低衬底材料成本，保证外延层晶体质量，简化工艺，降低工艺成本，改善器件散热能力，避免衬底漏电和击穿，提高器件性能和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种衬底被剥离并且在外延层背面覆盖有高导热率绝缘材料层结构的半导体外延结构、半导体器件及其制造方法。该器件结构首先在蓝宝石衬底上生长出高质量的氮化镓外延层，在后续工艺中利用激光技术将衬底剥离掉，然后在氮化镓外延层背面覆盖高导热率的绝缘材料层，最后完成其他制造工艺，对成本与器件性能同时进行改善。

该结构同时解决了现有氮化镓电子器件中存在的多个问题：

首先，本发明中的蓝宝石衬底在后续工艺中通过激光技术被完整剥离，回收之后可以重复进行氮化镓外延层材料的生长，大大减小了材料成本；

第二，本发明中的氮化镓外延层是在蓝宝石衬底上生长的，其工艺难度小，生长技术成熟，稳定可靠，相比硅或其他衬底材料，可以保证非常优良的材料质量，基于此外延材料而制作的半导体器件特性优异，可靠性高；

第三，本发明中的衬底材料被剥离后，省去了后续针对衬底进行的减薄工艺，降低了工艺复杂度和工艺成本，提高了工艺成品率；

第四，本发明中的氮化镓外延层背面覆盖有高导热率绝缘层材料，包括类钻碳膜，金刚石膜等，其导热率非常高(金刚石的热导率约2000W/mK左右，类钻碳的热导率约600W/mK左右，碳化硅衬底的热导率约400W/mK左右，蓝宝石衬底的热导率约35W/mK左右，硅衬底的热导率约140W/mK)，大大提高了器件的散热能力，改善了因为散热问题而导致的器件性能退化或可靠性问题，类钻碳膜或金刚石膜可以通过各种CVD方法形成，也可以通过溅射或键合等方式形成，其厚度根据散热要求、在后续工艺中对外延层的支撑能力以及成本而定，具体厚度在20μm～200μm左右；

第五，本发明中的氮化镓外延层背面覆盖的金刚石膜或类钻碳膜等，其介电常数非常高、绝缘性好、耐高压，可以避免其他衬底材料引入的衬底漏电和击穿问题，大大提高了器件特性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种半导体外延结构，所述半导体外延结构为整个或部分晶圆，半导体外延结构至少包括衬底和半导体外延层，所述半导体外延层位于所述衬底上，所述衬底与半导体外延层实现完整分离后，在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层，所述高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率。

相应地，一种半导体器件，所述半导体器件包括上述的半导体外延结构和位于所述半导体外延结构中半导体外延层正面上的源极、漏极、以及位于源极和漏极之间的栅极。

作为本发明的进一步改进，所述衬底为氮化镓、铝镓氮、铟镓氮、铝铟镓氮、磷化铟、砷化镓、碳化硅、金刚石、蓝宝石、锗、硅中的一种或多种的组合。

作为本发明的进一步改进，所述高导热率绝缘层包括金刚石、类钻碳中的一种或其组合。

作为本发明的进一步改进，所述高导热率绝缘层的厚度为20μm～500μm。

作为本发明的进一步改进，所述半导体外延层和高导热率绝缘层之间还包括界面介质层，所述界面介质层用于增强高导热率绝缘层的材料质量和粘附性。

相应地，一种半导体器件的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：

S1、在衬底上形成半导体外延层；

S2、将所述衬底与半导体外延层完整分离；

S3、在所述半导体外延层背面形成高导热率绝缘层，所述高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率；

S4、在所述半导体外延层上形成源极、漏极、以及位于源极和漏极之间的栅极。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4在步骤S2之前完成，所述步骤S4还包括：在半导体器件正面形成保护层；所述步骤S3还包括：去除半导体器件正面的保护层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体为：

通过激光技术将衬底与半导体外延层完整分离。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的高导热率绝缘层通过CVD工艺、溅射工艺、键合工艺中的一种或多种的组合形成。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中还包括：

在所述半导体外延层背面进行刻蚀、腐蚀、减薄抛光工艺中的一种或多种的组合。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中还包括：在所述半导体外延层背面形成界面介质层，所述界面介质层用于增强高导热率绝缘层的材料质量和粘附性。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中还包括：

在所述半导体外延层上形成场板结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明半导体外延结构、半导体器件及其制造方法可以实现衬底材料的重复利用，既保证了半导体外延层的晶体质量，又降低了材料成本，还省去了后续针对衬底材料的减薄工艺，简化了工艺，降低了工艺成本，提高了工艺成品率；并且高导热率绝缘层可以显著改善器件散热能力，并且避免衬底漏电和击穿问题出现，大大提高了器件的性能和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中传统衬底结构的半导体器件结构截面示意图；

图2为本发明第一实施方式中衬底被剥离并且在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层结构的半导体器件截面示意图；

图3A-3C为本发明第一实施方式中衬底被剥离并且在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层结构的半导体器件的工艺制造过程示意图；

图4A-4B为本发明第一实施方式中衬底被剥离并且在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层结构的半导体器件的另一种工艺制造过程示意图；

图5是本发明第二实施方式中刻蚀掉半导体外延层下方成核层的半导体器件截面示意图；

图6是本发明第三实施方式中半导体外延层下方形成一层界面介质层的半导体器件截面示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所作出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例或结构之间具有任何关联性。

参图1所示为现有技术中传统衬底结构的半导体器件结构截面示意图，该半导体器件包括：

衬底1，衬底可以是氮化镓、铝镓氮、铟镓氮、铝铟镓氮、磷化铟、砷化镓、碳化硅、金刚石、蓝宝石、锗、硅或其他任何能够生长III族氮化物材料的材料中的一种或多种的组合，并且可以通过激光技术或其他剥离技术与半导体外延层完整剥离；

在衬底1上是部分氮化物外延层2，其内部一般包括成核层、缓冲层、沟道层，包括GaN、AlN、AlGaN、AlGaInN等III族氮化物材料；

在部分氮化物外延层2上是氮化物势垒层3，势垒层一般包括AlGaN或其他氮化物，部分氮化物外延层2和氮化物势垒层3组成了器件的整个半导体外延层结构，并且在两层之间的异质结界面处形成高浓度二维电子气，产生了导电沟道；

在势垒层3上左右两端是源极4和漏极5，源极和漏极与二维电子气电连接；

进一步地，本发明还可以在势垒层3上沉积介质层6对材料表面进行钝化保护，介质层6包括SiN、SiO₂、SiON、Al₂O₃、HfO₂、HfAlO_x中的一种或多种的组合；

在源极4和漏极5之间的区域，介质层6被刻蚀出凹槽，然后沉积金属形成栅极7，栅极可以是T形或伽马形等。

本发明公开了一种半导体外延结构，该半导体外延结构为整个或部分晶圆，半导体外延结构至少包括衬底和半导体外延层，半导体外延层位于衬底上，衬底与半导体外延层实现完整分离后，在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层，高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率。

参图2为本发明第一实施方式中的衬底被剥离并且在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层结构的半导体器件截面示意图。其中原衬底1被完整剥离，在半导体外延层背面重新覆盖了高导热率绝缘层8。

在高导热率绝缘层8上是部分氮化物外延层2，其内部一般包括成核层、缓冲层、沟道层，包括GaN、AlN、AlGaN、AlGaInN等III族氮化物材料；

在部分氮化物外延层2上是氮化物势垒层3，势垒层一般包括AlGaN或其他氮化物，部分氮化物外延层2和氮化物势垒层3组成了器件的整个半导体外延层结构，并且在两层之间的异质结界面处形成高浓度二维电子气，产生了导电沟道；

在势垒层3上左右两端是源极4和漏极5，源极和漏极与二维电子气电连接；

在势垒层3上沉积介质层6对材料表面进行钝化保护，介质层6包括SiN、SiO₂、SiON、Al₂O₃、HfO₂、HfAlO_x中的一种或多种的组合；

在源极4和漏极5之间的区域，介质层6被刻蚀出凹槽，然后沉积金属形成栅极7，栅极可以是T形或伽马形，本实施方式中栅极以T形为例进行说明。

本实施方式中的衬底剥离工艺可以实现衬底材料的重复利用，既保证了半导体外延层的晶体质量，又降低了材料成本，还省去了后续针对衬底材料的减薄工艺，简化了工艺，降低了工艺成本，提高了工艺成品率；并且本实施方式中的高导热率绝缘层工艺可以显著改善器件散热能力，并且避免衬底漏电和击穿问题出现，大大提高了器件的性能和可靠性。

图3为形成本发明第一实施方式中衬底被剥离并且在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层结构的工艺制造过程示意图。

首先在衬底1上生长出高质量的半导体外延层，本实施方式中半导体外延层包括部分氮化物外延层2和氮化物势垒层3，如图3A所示，衬底包括蓝宝石、碳化硅、硅或其他可以生长高质量氮化镓外延层的衬底材料，且衬底可以被完整剥离；

然后通过激光技术或其他已知的衬底分离技术或其组合将衬底与半导体外延层完整分离，如图3B所示。对基于蓝宝石衬底的氮化镓器件，可以使用激光剥离技术，利用光子能量大于氮化镓带宽(Eg＝3.41eV)，而小于蓝宝石带宽的特点，将蓝宝石和氮化镓界面处的氮化镓材料热分解，随后将蓝宝石衬底和氮化镓外延层完整分离；对于碳化硅衬底或硅衬底等其他半导体材料衬底，可以使用其他激光技术进行分离，比如激光隐形切割技术，通过将激光透过材料表面并聚焦于内部设定深度处，当内部激光功率密度超过某一临界值时，可以破坏聚焦深度处的材料晶格结构，形成高位错密度层和微裂纹或孔洞，然后通过扩晶实现衬底材料的完整分离。分离之后的衬底可以重复利用进行外延层生长；

然后在半导体外延层背面重新覆盖一层高导热率绝缘层8，如图3C所示，高导热率绝缘层8的导热率、介电常数和击穿电场等高于原衬底1的导热率、介电常数和击穿电场，能够显著改善半导体器件的散热能力、漏电和击穿等问题。该高导热率绝缘层包括金刚石、类钻碳或其他高导热率绝缘材料中的一种或其组合，其中，金刚石的热导率约2000W/mK左右，类钻碳的热导率约600W/mK左右，碳化硅衬底的热导率约400W/mK左右，蓝宝石衬底的热导率约35W/mK左右，硅衬底的热导率约140W/mK。高导热率绝缘层的厚度一般为20μm～500μm，可通过CVD工艺、溅射工艺、键合工艺或其他工艺中的一种或其组合形成。

接下来在半导体外延层正面做完后续工艺，形成如图2所示的整个半导体器件。

图4为形成本发明第一实施方式中衬底被剥离并且在外延层背面覆盖有高导热率绝缘层结构的另外一种工艺制造过程示意图。

首先在原衬底上生长好高质量外延层后，直接在外延层正面做完后续工艺，形成如图1所示的整个半导体器件；

然后用保护层9将正面图形器件保护起来，再剥离掉原衬底，如图4A所示；

随后在外延层背面覆盖高热导率绝缘层材料8，如图4B所示；

最后去掉正面保护层9，形成最终如图2所示的半导体器件。

图5是本发明第二实施方式中刻蚀掉半导体外延层下方成核层的半导体器件截面示意图。

氮化物外延层下方的成核层一般包括GaN、AlN、AlGaN中的一种或多种的组合，因为成核层一般晶体质量很差、热阻很大，会严重影响器件的散热。与第一实施方式相比，本实施方式中在将衬底与半导体外延层完整分离后，形成高导热率绝缘层之前需先对氮化物外延层背面进行刻蚀、腐蚀、或减薄抛光等工艺，去除氮化物外延层中的成核层，并且减小氮化物外延层的厚度，形成如图5中所示的氮化物外延层2’，本实施方式中将成核层刻蚀掉同时减小了外延层的厚度，可以进一步减小热阻，改善器件的散热特性。

图6是本发明第三实施方式中半导体外延层下方形成一层界面介质层的半导体器件截面示意图。

与第一实施方式相比，本实施方式中半导体外延层和高导热率绝缘层之间包括一层界面介质层10，用来增强高导热率绝缘层的材料质量和粘附性。

本实施方式中半导体器件的制造方法可以采用第一实施方式中的两种方法，只需在形成高导热率绝缘层8之前，先在半导体外延层背面形成一层界面介质层10，其余均与第一实施方式中的方法相同，在此不再进行赘述。

由以上技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

首先，本发明中的蓝宝石衬底在后续工艺中通过激光技术被完整剥离，回收之后可以重复进行氮化镓外延层材料的生长，大大减小了材料成本；

第二，本发明中的氮化镓外延层是在蓝宝石衬底上生长的，其工艺难度小，生长技术成熟，稳定可靠，相比硅或其他衬底材料，可以保证非常优良的材料质量，基于此外延材料而制作的半导体器件特性优异，可靠性高；

第三，本发明中的衬底材料被剥离后，省去了后续针对衬底进行的减薄工艺，降低了工艺复杂度和工艺成本，提高了工艺成品率；

第四，本发明中的氮化镓外延层背面覆盖有高导热率绝缘层材料，包括类钻碳膜，金刚石膜等，其导热率非常高，大大提高了器件的散热能力，改善了因为散热问题而导致的器件性能退化或可靠性问题，类钻碳膜或金刚石膜可以通过各种CVD方法形成，也可以通过溅射或键合等方式形成，其厚度根据散热要求、在后续工艺中对外延层的支撑能力以及成本而定，具体厚度在20μm～200μm左右；

第五，本发明中的氮化镓外延层背面覆盖的金刚石膜或类钻碳膜等，其介电常数非常高、绝缘性好、耐高压，可以避免其他衬底材料引入的衬底漏电和击穿问题，大大提高了器件特性和可靠性。

综上所述，本发明半导体外延结构、半导体器件及其制造方法可以实现衬底材料的重复利用，既保证了半导体外延层的晶体质量，又降低了材料成本，还省去了后续针对衬底材料的减薄工艺，简化了工艺，降低了工艺成本，提高了工艺成品率；并且高导热率绝缘层可以显著改善器件散热能力，并且避免衬底漏电和击穿问题出现，大大提高了器件的性能和可靠性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (12)

1.一种半导体外延结构，所述半导体外延结构为整个或部分晶圆，半导体外延结构至少包括衬底和半导体外延层，所述半导体外延层位于所述衬底上，其特征在于，所述衬底与半导体外延层实现完整分离后，在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层，所述高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率。

2.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括权利要求1所述的半导体外延结构和位于所述半导体外延结构中半导体外延层正面上的源极、漏极、以及位于源极和漏极之间的栅极。

3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述衬底为氮化镓、铝镓氮、铟镓氮、铝铟镓氮、磷化铟、砷化镓、碳化硅、金刚石、蓝宝石、锗、硅中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述高导热率绝缘层包括金刚石、类钻碳中的一种或其组合。

5.根据权利要求4所述的半导体器件，其特征在于，所述高导热率绝缘层的厚度为20μm～500μm。

6.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体外延层和高导热率绝缘层之间还包括用于增强高导热率绝缘层的材料质量和粘附性界面介质层。

7.一种如权利要求2所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

S1、在衬底上形成半导体外延层；

S2、将所述衬底与半导体外延层完整分离；

S3、在所述半导体外延层背面形成高导热率绝缘层，所述高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率；

S4、在所述半导体外延层上形成源极、漏极、以及位于源极和漏极之间的栅极。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S4在步骤S2之前完成，所述步骤S4还包括：在半导体器件正面形成保护层；所述步骤S3还包括：去除半导体器件正面的保护层。

9.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

通过激光技术将衬底与半导体外延层完整分离。

10.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中的高导热率绝缘层通过CVD工艺、溅射工艺、键合工艺中的一种或多种的组合形成。

11.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中还包括：

在所述半导体外延层背面进行刻蚀、腐蚀、减薄抛光工艺中的一种或多种的组合。

12.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中还包括：在所述半导体外延层背面形成界面介质层，所述界面介质层用于增强高导热率绝缘层的材料质量和粘附性。