CN111564501A - GaN器件散热结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaN器件散热结构及制备方法，所述GaN器件散热结构的制备方法包括如下步骤：1）提供衬底，在所述衬底上方形成外延层；2）在所述衬底上定义有源区和非有源区，并在所述有源区的所述外延层上方形成有源区结构；3）在所述有源区的所述外延层和所述有源区结构上方形成隔离层；4）去除所述非有源区上的所述外延层；5）在所述非有源区的衬底上形成散热结构。本发明通过在GaN器件的上表面形成连接衬底的金属热沉散热结构，使GaN器件通过上表面有效散热；利用金属散热结构所形成的场板还进一步提升了器件的耐压性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种GaN器件散热结构及制备方法。
背景技术
GaN材料作为第三代半导体材料，具有高频率、高功率的特点，可以满足大功率密度应用的需求。在GaN器件的大功率应用过程中，器件的有效散热至关重要。
目前，针对基于衬底外延制备的GaN器件，现有的散热方案是通过对衬底背面进行减薄，将衬底背面与Cu热沉进行键合，通过器件衬底背面的Cu热沉增强GaN器件的散热能力，以确保GaN器件在大功率应用条件下的器件性能。
然而，GaN器件制备所用的衬底较厚，衬底减薄过程不但工艺要求严苛，也极易产生碎片等制品报废，这将大幅增加产品生产成本，降低产品竞争力。而在GaN器件中，产生热量的区域主要位于栅极以及栅漏之间的区域，在其通过沟道层至衬底进行散热时，需要通过一层缓冲层。该缓冲层位于GaN沟道层与衬底之间，用于在外延生长时缓解晶格失配所导致的应力，因此其缺陷较多，导致其热阻很高，导热系数仅为1.5~23W/mK。这将严重削弱GaN器件的散热效率，影响器件稳定性。
因此，有必要提出一种新的GaN器件散热结构及制备方法，解决上述问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN器件散热结构及制备方法，用于解决现有技术中GaN器件无法有效散热的问题。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种GaN器件散热结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提供衬底，在所述衬底上方形成外延层；
2）在所述衬底上定义有源区和非有源区，并在所述有源区的所述外延层上方形成有源区结构；
3）在所述有源区的所述外延层和所述有源区结构上方形成隔离层；
4）去除所述非有源区上的所述外延层；
5）在所述非有源区的衬底上形成散热结构。
作为本发明的一种可选方案，在步骤2）中形成的所述有源区结构包括栅极金属结构、源极金属结构和漏极金属结构。
作为本发明的一种可选方案，所述源极金属结构和所述漏极金属结构位于所述有源区的边缘并接触所述散热结构。
作为本发明的一种可选方案，在步骤5）中，形成所述散热结构的材料包括金属材料，所述散热结构除了形成于所述非有源区外，还从所述非有源区延伸至所述有源区的所述源极金属结构和/或所述漏极金属结构的上方区域以形成场板结构。
作为本发明的一种可选方案，在步骤5）后，还包括在所述散热结构上方形成石墨烯散热层的步骤。
作为本发明的一种可选方案，所述非有源区为多个间隔排布的孔形，所述散热结构为通孔结构。
本发明还提供了一种GaN器件散热结构，其特征在于，包括：
衬底，其上定义有有源区和非有源区；
外延层，其形成于所述有源区的衬底上方；
有源区结构，其形成于所述外延层上方；
隔离层，其形成所述外延层和所述有源区结构上方；
散热结构，其形成于所述非有源区的衬底上方。
作为本发明的一种可选方案，所述有源区结构包括栅极金属结构、源极金属结构和漏极金属结构。
作为本发明的一种可选方案，所述源极金属结构和所述漏极金属结构位于所述有源区的边缘并接触所述散热结构。
作为本发明的一种可选方案，所述散热结构的材料包括金属材料，所述散热结构除了形成于所述非有源区外，还从所述非有源区延伸至所述有源区的所述源极金属结构和/或所述漏极金属结构的上方区域以形成场板结构。
作为本发明的一种可选方案，所述GaN器件散热结构还包括：
石墨烯散热层，其形成于所述散热结构的上方。
作为本发明的一种可选方案，所述非有源区为多个间隔排布的孔形，所述散热结构为通孔结构。
如上所述，本发明提供一种GaN器件散热结构及制备方法，具有以下有益效果：
本发明通过在GaN器件的上表面形成连接衬底的金属热沉散热结构，使GaN器件通过上表面有效散热；利用金属散热结构所形成的场板还进一步提升了器件的耐压性能。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中GaN器件散热结构的制备方法的流程图。
图2显示为本发明实施例一中在衬底上方形成外延层后的截面示意图。
图3显示为本发明实施例一中在有源区的外延层上方形成有源区结构后的截面示意图。
图4显示为本发明实施例一中在有源区的外延层和有源区结构上方形成隔离层后的截面示意图。
图5显示为本发明实施例一中去除非有源区上的外延层后的截面示意图。
图6显示为本发明实施例一中在整个样品表面沉积金属层后的截面示意图。
图7显示为本发明实施例一中形成散热结构后的截面示意图。
图8显示为本发明实施例一中在散热结构上方形成有石墨烯散热层的截面示意图。
图9显示为本发明实施例一中场板结构形成于源极金属结构上方的截面示意图。
图10显示为本发明实施例一中场板结构形成于漏极金属结构上方的截面示意图。
图11显示为本发明实施例一中场板结构形成于源极金属结构上方，且散热结构上方形成有石墨烯薄膜的截面示意图。
图12显示为本发明实施例一中场板结构形成于漏极金属结构上方，且散热结构上方形成有石墨烯薄膜的截面示意图。
元件标号说明：100-衬底；100a-有源区；100b-非有源区；101-GaN沟道层；102-势垒层；103-缓冲层；104-栅极金属结构；105-源极金属结构；106-漏极金属结构；107-隔离层；108-散热结构；108a-金属层；108b-场板结构；109-石墨烯散热层；S1~S5-步骤1）~5）。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一：
请参阅图1至图12，本实施例提供了一种GaN器件散热结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提供衬底，在所述衬底上方形成外延层；
2）在所述衬底上定义有源区和非有源区，并在所述有源区的所述外延层上方形成有源区结构；
3）在所述有源区的所述外延层和所述有源区结构上方形成隔离层；
4）去除所述非有源区上的所述外延层；
5）在所述非有源区的衬底上形成散热结构。
在步骤1）中，请参阅图1的S1步骤及图2，提供衬底100，在所述衬底100上方形成外延层。
作为示例，所述衬底100包括SiC衬底，也可以是Si、蓝宝石或GaN等衬底。所述外延层包括GaN沟道层101、势垒层102和缓冲层103。所述势垒层102包括InAlN层或AlGaN层。所述缓冲层103用于缓解外延层与衬底的晶格失配，其包括GaN层或AlGaN层。所述缓冲层103在外延生长后残留的晶格缺陷较多，导致其热阻很高，导热系数仅为1.5~23W/mK，这将严重影响其上方器件结构至下方衬底的散热效率。
在步骤2）中，请参阅图1的S1步骤及图3，在所述衬底100上定义有源区100a和非有源区100b，并在所述有源区100a的所述外延层上方形成有源区结构。
作为示例，如图3所示，所述有源区结构包括栅极金属结构104、源极金属结构105和漏极金属结构106。可选地，所述源极金属结构104和所述漏极金属结构106位于所述有源区100a的边缘。上述设置可以使所述源极金属结构104和所述漏极金属结构106从所述有源区100a的边缘接触连接其他导热性能更好的结构，例如本实施例中的散热结构。
所述栅极金属结构104、所述源极金属结构105和所述漏极金属结构106可以通过以下步骤形成：
2-1）通过光刻显影定义出金属沉积区域，即栅源漏区域，其他区域被光刻胶层覆盖；
2-2）通过金属沉积工艺沉积金属层；
2-3）剥离除栅源漏区域外其他区域的光刻胶层及光刻胶层上的金属层后，形成所述栅极金属结构104、所述源极金属结构105和所述漏极金属结构106。
除了上述工艺步骤形成金属结构外，在本发明的其他实施案例中，也可以采用先沉积金属层，后光刻刻蚀以形成金属结构的工艺步骤。
在步骤3）中，请参阅图1的S1步骤及图4，在所述有源区100a的所述外延层和所述有源区结构上方形成隔离层107。
作为示例，所述隔离层107包括SiN层，形成所述隔离层107的方法包括如下步骤：
3-1）通过化学气相沉积（CVD）形成SiN层，所述SiN层的厚度范围介于50至100nm，也可以根据器件设计需要调整其厚度或选择其他介质材料形成所述隔离层107；
3-2）通过光刻工艺在所述有源区100a形成光刻胶层，以所述光刻胶层作为刻蚀掩膜，通过RIE干法刻蚀去除非有源区100b的所述SiN层，干法刻蚀气体包括SF6/Ar或CHF3/O2，最终在所述有源区100a形成所述隔离层107。
在步骤4）中，请参阅图1的S1步骤及图5，去除所述非有源区100b上的所述外延层。
作为示例，以所述隔离层107作为刻蚀掩膜，通过ICP干法刻蚀去除所述外延层，刻蚀停止于所述衬底100上。干法刻蚀气体包括BCl3/Cl2/Ar，上述气体的工艺流量分别为10/14/16sccm，工艺腔室的压强控制为5mT，上电极ICP射频功率为800W，下电极偏置射频功率为200W。上述干法刻蚀工艺能够确保对GaN层及AlGaN层具有较高的刻蚀速率以及对SiC等衬底材料保有较高的刻蚀选择比。需要指出的是，在步骤3）中形成的光刻胶层可以在步骤3）的刻蚀完成后通过湿法清洗去除，也可以在本步骤的刻蚀完成后统一清洗去除，本步骤可以以所述隔离层107作为刻蚀掩膜，也可以以步骤3）后残留的光刻胶层作为刻蚀掩膜，这并不影响本步骤工艺的实施。在本步骤刻蚀后，通过湿法清洗可以彻底去除可能的光刻胶残留以及干法刻蚀工艺过程中产生的聚合物残留（polymer）。
在步骤5）中，请参阅图1的S1步骤及图6至图7，在所述非有源区100b的衬底100上形成散热结构108。
作为示例，在本实施例中，形成所述散热结构的材料包括金属材料。在图6中，在整个样品表面通过金属溅射沉积工艺沉积金属层108a，所述金属层108a包括铜金属层。在本发明的其他实施案例中，也可以通过沉积铜种子层并电镀铜金属层的工艺形成所述金属层108a；在金属沉积后，通过光刻和刻蚀去除所述有源区100a上方的所述金属层108a，留下所述非有源区100b的所述金属层108a以形成图7中的所述散热结构108。对于铜金属层，可以采用稀硝酸溶液进行湿法刻蚀去除。可选地，在本实施例中，所述非有源区100b为多个间隔排布的孔形，所述散热结构108为通孔结构。所述通孔结构的CD尺寸为1~2μm，其深度依所述外延层厚度而定，贯通所述外延层直至所述衬底100。在本发明的其他实施案例中，所述非有源区100b的图形也可以是其他任意可行的设计结构，例如沟槽等。
作为示例，如图7所示，所述源极金属结构104和所述漏极金属结构106位于所述有源区100a的边缘并接触所述散热结构108。通过上述接触结构设置，可以使GaN器件使用过程中产生的热量通过所述源极金属结构104和所述漏极金属结构106直接导出至所述散热结构108，并迅速散发至器件外部，无需经由底部导热能力差的缓冲层进行导热，从而大幅提高了GaN器件的散热效率。
作为示例，如图8所示，在步骤5）中，还包括在所述散热结构108上方形成石墨烯散热层109的步骤。可选地，在沉积所述金属层108a后，在所述金属层108a上方进一步沉积石墨烯薄膜或通过薄膜转移技术覆盖石墨烯薄膜，以进一步增强器件的散热性能。石墨烯材料的导热系数高达3000~5000W/mK，能够大幅增加器件结构的散热能力。在刻蚀所述金属层108a前，先通过采用O2作为刻蚀气体的干法刻蚀去除待刻蚀的所述金属层108a上方的石墨烯薄膜，而后再通过稀硝酸溶液的湿法刻蚀去除所述金属层108a，以形成表面具有石墨烯薄膜的散热结构108。
作为示例，如图9至图12所示，在步骤5）中，所述散热结构108除了形成于所述非有源区100b外，还从所述非有源区100b延伸至所述有源区100a的所述源极金属结构105和/或所述漏极金属结构106的上方区域以形成场板结构108b。在本实施例中，在刻蚀去除所述有源区100a上方的所述金属层108a时，设计保留部分所述金属层108a，以形成所述场板结构108b。需要指出的是，当所述散热结构108不需要起场板作用时，形成所述散热结构108的材料也可以不是金属材料，而采用其他散热性能较好的材料，如金刚石外延层。
具体地，如图9所示，是所述场板结构108b形成于所述源极金属结构105上方的情况；如图10所述，是所述场板结构108b形成于所述漏极金属结构106上方的情况；如图11所示，是所述场板结构108b形成于所述源极金属结构105上方，且所述散热结构108上方形成有石墨烯薄膜109的情况；如图12所述，是所述场板结构108b形成于所述漏极金属结构106上方，且所述散热结构108上方形成有石墨烯薄膜109的情况。除了上述几例实施案例外，所述场板结构108b在所述有源区100a上方的覆盖分布情况还可以根据器件设计需求进行调整，以期得到耐压性能良好的GaN器件。
需要指出的是，本发明为了表述方便对各步骤进行了编号，但这并不代表本发明对各步骤的实施顺序进行了限定。在本发明的其他实施案例中，本实施例中各步骤也可以根据实际需求调整其实施顺序。
本实施例中所提供的GaN器件散热结构的制备方法，能够形成直接连通衬底的散热结构，使GaN器件的散热性能不再受限于热阻较高的缓冲层等外延层的散热能力，散热结构不但能从器件表面直接散热，也能经由衬底进行散热，这将有效提升GaN器件的散热性能；并且本实施例中利用金属散热结构在源漏结构上方所形成的场板结构还进一步提升了GaN器件的耐压性能。
实施例二：
如图7至图12所示，本实施例提供了一种GaN器件散热结构，其特征在于，包括：
衬底100，其上定义有有源区100a和非有源区100b；
外延层，其形成于所述有源区100a的衬底100上方；
有源区结构，其形成于所述外延层上方；
隔离层107，其形成所述外延层和所述有源区结构上方；
散热结构108，其形成于所述非有源区100b的衬底上方。
作为示例，如图7所示，所述衬底100包括SiC衬底，也可以是Si、蓝宝石或GaN等衬底。所述外延层包括GaN沟道层101、势垒层102和缓冲层103。所述势垒层102包括InAlN层或AlGaN层。所述缓冲层103用于缓解外延层与衬底的晶格失配，其包括GaN层或AlGaN层。
作为示例，如图7所示，所述有源区结构包括栅极金属结构104、源极金属结构105和漏极金属结构106。可选地，所述源极金属结构105和所述漏极金属结构106位于所述有源区100a的边缘并接触所述散热结构108。
作为示例，所述非有源区100b为多个间隔排布的孔形，所述散热结构108为通孔结构。
作为示例，如图8所示，所述GaN器件散热结构还包括石墨烯散热层109，其形成于所述散热结构108的上方。所述石墨烯散热层109可以进一步增强器件的散热性能。
作为示例，如图9至图12所示，所述散热结构108的材料包括金属材料，所述散热结构108除了形成于所述非有源区100b外，还从所述非有源区100b延伸至所述有源区100a的所述源极金属结构105和/或所述漏极金属结构106的上方区域以形成场板结构108b。
具体地，如图9所示，是所述场板结构108b形成于所述源极金属结构105上方的情况；如图10所述，是所述场板结构108b形成于所述漏极金属结构106上方的情况；如图11所示，是所述场板结构108b形成于所述源极金属结构105上方，且所述散热结构108上方形成有石墨烯薄膜109的情况；如图12所述，是所述场板结构108b形成于所述漏极金属结构106上方，且所述散热结构108上方形成有石墨烯薄膜109的情况。
综上所述，本发明提供了一种GaN器件散热结构及制备方法，所述GaN器件散热结构的制备方法包括如下步骤：1）提供衬底，在所述衬底上方形成外延层；2）在所述衬底上定义有源区和非有源区，并在所述有源区的所述外延层上方形成有源区结构；3）在所述有源区的所述外延层和所述有源区结构上方形成隔离层；4）去除所述非有源区上的所述外延层；5）在所述非有源区的衬底上形成散热结构。本发明通过形成直接连通衬底的散热结构，使GaN器件的散热性能不再受限于热阻较高的缓冲层等外延层的散热能力，这将有效提升GaN器件的散热性能，且利用金属散热结构所形成的场板还进一步提升了GaN器件的耐压性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种GaN器件散热结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提供衬底，在所述衬底上方形成外延层；
2）在所述衬底上定义有源区和非有源区，并在所述有源区的所述外延层上方形成有源区结构；
3）在所述有源区的所述外延层和所述有源区结构上方形成隔离层；
4）去除所述非有源区上的所述外延层；
5）在所述非有源区的衬底上形成散热结构。
2.根据权利要求1所述的GaN器件散热结构的制备方法，其特征在于，在步骤2）中形成的所述有源区结构包括栅极金属结构、源极金属结构和漏极金属结构。
3.根据权利要求2所述的GaN器件散热结构的制备方法，其特征在于，所述源极金属结构和所述漏极金属结构位于所述有源区的边缘并接触所述散热结构。
4.根据权利要求3所述的GaN器件散热结构的制备方法，其特征在于，在步骤5）中，形成所述散热结构的材料包括金属材料，所述散热结构除了形成于所述非有源区外，还从所述非有源区延伸至所述有源区的所述源极金属结构和/或所述漏极金属结构的上方区域以形成场板结构。
5.根据权利要求1所述的GaN器件散热结构的制备方法，其特征在于，在步骤5）中，还包括在所述散热结构上方形成石墨烯散热层的步骤。
6.根据权利要求1所述的GaN器件散热结构的制备方法，其特征在于，所述非有源区为多个间隔排布的孔形，所述散热结构为通孔结构。
7.一种GaN器件散热结构，其特征在于，包括：
衬底，其上定义有有源区和非有源区；
外延层，其形成于所述有源区的衬底上方；
有源区结构，其形成于所述外延层上方；
隔离层，其形成所述外延层和所述有源区结构上方；
散热结构，其形成于所述非有源区的衬底上方。
8.根据权利要求7所述的GaN器件散热结构，其特征在于，所述有源区结构包括栅极金属结构、源极金属结构和漏极金属结构。
9.根据权利要求8所述的GaN器件散热结构，其特征在于，所述源极金属结构和所述漏极金属结构位于所述有源区的边缘并接触所述散热结构。
10.根据权利要求9所述的GaN器件散热结构，其特征在于，所述散热结构的材料包括金属材料，所述散热结构除了形成于所述非有源区外，还从所述非有源区延伸至所述有源区的所述源极金属结构和/或所述漏极金属结构的上方区域以形成场板结构。
11.根据权利要求7所述的GaN器件散热结构，其特征在于，还包括：
石墨烯散热层，其形成于所述散热结构的上方。
12.根据权利要求7所述的GaN器件散热结构，其特征在于，所述非有源区为多个间隔排布的孔形，所述散热结构为通孔结构。
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