JP4792558B2 - バックサイドビアを含む窒化ガリウム材料デバイスおよび方法 - Google Patents

バックサイドビアを含む窒化ガリウム材料デバイスおよび方法 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
発明の分野
本発明は一般に半導体、より具体的には窒化ガリウム材料および窒化ガリウム材料を製造する方法に関する。
発明の背景
窒化ガリウム材料には、窒化ガリウム（GaN）ならびに窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)および窒化アルミニウムインジウムガリウム（AlInGaN）などのその合金が含まれる。これらの材料は、高エネルギー電子遷移を起こさせる比較的広い直接バンドギャップを有する半導体化合物である。そのような電子遷移は、青い光を有効に発する能力、高周波で信号を伝達する能力他を含む数多くの魅力的な特性を有する窒化ガリウム材料をもたらすことができる。したがって、窒化ガリウム材料は、トランジスタ、フィールドエミッタおよびオプトエレクトロニックデバイスなどの多くの半導体デバイス用途で幅広く調査されている。
窒化ガリウム材料は、炭化珪素(SiC)、サファイアおよびシリコンを含む多くの異なる基体上に形成されてきた。シリコン基体は容易に入手でき、かつ比較的安価であり、シリコン加工技術はよく開発されてきた。しかし、半導体デバイスを製造するためにシリコン基体上に窒化ガリウム材料を形成することは、格子定数、熱膨張およびシリコンと窒化ガリウムとの間のバンドギャップにおける相違から起こる問題を克服しなければならないことを意味する。
多くの半導体デバイスは、例えば、電源の端子に導電コンタクトを与える、少なくとも２つの電気コンタクトを含む。典型的なデバイスにおいて、電流はデバイス上の第一コンタクト（例、アノード）からデバイス上の第二コンタクト（例、カソード）に流れる。いくつかのデバイスにおいて、第一および第二コンタクトは、デバイスのトップサイド（すなわち、上面）上に配置される。そのようなデバイスは、電流が第一コンタクトから第二コンタクトにデバイスを通って水平に流れるので、水平伝導デバイスと呼ばれる。他のデバイスにおいて、第一コンタクトはデバイスのトップサイド上に配置され、第二コンタクトはデバイスのバックサイド（すなわち、底面）上に配置される。そのようなデバイスは、垂直伝導デバイスと呼ばれる。いくつかの場合において、垂直伝導デバイスは、他の点では類似の機能をする水平デバイスよりも小型に製造できるが、それは、水平デバイスは多数のトップサイドコンタクトを含むが、一方垂直デバイスはたった１つのトップサイドコンタクトだけでもよいからである。デバイスサイズを縮小することは、単位面積（ウェファー）ごとに製造されるデバイスの数を増加するので有利であり得る。かくて、垂直伝導デバイスは、いくつかの用途において水平伝導デバイスよりも好まれ得る。
発明の概要
本発明には、バックサイドビア（via）を有する窒化ガリウム材料デバイスおよびそのデバイスを形成する方法を提供することが含まれる。デバイスには、シリコンなどの基体上に形成される窒化ガリウム材料が含まれる。デバイスは、また、基体と窒化ガリウム材料との間に１つ以上の非伝導層を含んでもよく、それは窒化ガリウム材料の付着を手助けできる。ビアが与えられ、非伝導層を通ってデバイスのバックサイドから延びて、ビア内に付着させた電気コンタクトと、例えば、デバイスのトップサイド上の電気コンタクトとの間の電気伝導を可能とする。かくて、本発明のデバイスは、垂直伝導であり得る。他の場合において、ビアは、例えば、光抽出を高めるために、電気コンタクトを有さなくてもよい。典型的なデバイスには、なかんずく、レーザーダイオード（LDs)、発光ダイオード(LEDs)、パワー整流ダイオード、FETs（例、HFETs）、Gunn効果ダイオードおよびバラクタダイオードが含まれる。
１つの側面において、本発明は半導体構造物を提供する。半導体構造物は、基体のバックサイドから延びる少なくとも１つのビアを有する基体およびビア中に形成される電気コンタクトを含む。半導体構造物は、また、基体上に形成される窒化ガリウム材料領域も含む。
別の側面において、本発明は半導体構造物を提供する。半導体構造物は、シリコン基体のバックサイドから延びる少なくとも１つのビアを有するシリコン基体を含む。半導体構造物は、また、シリコン基体上に形成される窒化ガリウム材料領域も含む。
別の側面において、本発明は垂直伝導半導体デバイスを提供する。半導体デバイスは、シリコン基体およびシリコン基体上に形成される窒化ガリウム材料領域を含む。半導体デバイスは垂直伝導が可能である。
別の側面において、本発明は半導体構造物を提供する。半導体構造物は、シリコン基体およびシリコン基体上に形成される窒化ガリウム材料領域を含む。半導体構造物は、また、窒化ガリウム材料領域とシリコン基体との間に形成される非伝導層、および非伝導層を通して半導体構造物のバックサイドから延びるビア内に形成される電気コンタクトも含む。
別の側面において、本発明は半導体構造物を形成する方法を提供する。その方法は、基体上に窒化ガリウム材料領域を形成し、半導体構造物のバックサイドから延びるビアを形成し、そしてビア内に電気コンタクトを形成することを含む。
別の側面において、本発明は半導体構造物を形成する方法を提供する。その方法は、シリコン基体上に窒化ガリウム材料領域を形成し、そしてシリコン基体のバックサイドから延びるビアを形成することを含む。
別の側面において、本発明は半導体構造物を形成する方法を提供する。その方法は、シリコン基体上に第一層を形成し、そして第一層上に窒化ガリウム材料領域を形成することを含む。その方法は、さらに第一層のバックサイドを曝露するために基体を除去することを含む。
他の利点の中でもなかんずく、本発明は、デバイスが非伝導層を含むときでも、垂直伝導窒化ガリウム材料デバイスの製造を可能とする。特に、そのような非伝導層を含むシリコン基体を有する垂直伝導デバイスを製造することが可能である。シリコン基体は、それらが容易に入手でき、比較的安価で、かつ既知の技術を用いて加工できるので、特に望ましい。
さらに、本発明の垂直伝導デバイスを、垂直伝導デバイス上のトップサイドコンタクトが少ないために、同類の機能の水平デバイスよりも小さな寸法で形成してもよい。小さいデバイス寸法を利用することは、与えられたウェファー上でより多くのデバイス形成を可能とし得る。
また、本発明の方法を用いて形成されたバックサイドコンタクトは、他の有利な機能を有し得る。いくつかの場合において、バックサイドコンタクトは、デバイスの操業の間に発生する熱エネルギーを除去するヒートシンクとして機能できる。また、バックサイドコンタクトは、オプトエレクトロニックデバイスの出力効率を高める反射層としても機能し得る。
本発明のどの実施態様も本明細書に記載される利点のすべてを有するわけではないと理解されたい。本発明の他の利点、側面および特徴は、以下の図面と結びつけて考慮したとき、本発明の下記の詳細な記載から明らかとなろう。
発明の詳細な記述
本発明は、バックサイドビアを含む窒化ガリウム材料デバイスおよびデバイスを形成する方法を提供する。
図１を参照すると、本発明の１つの実施態様による半導体デバイス１０が示されている。半導体デバイス１０には、基体１２および基体上に形成される窒化ガリウム材料デバイス領域１４が含まれる。さらに後述するように、デバイス構造物は、典型的に窒化ガリウム材料領域１４内に少なくとも部分的に形成される。デバイス１０にはさらに、例えば、窒化ガリウム材料デバイス領域１４のその後の付着を容易にするために、基体１２上に形成される非伝導層１５が含まれる。トップサイド電気コンタクト１６（デバイスのトップサイド１８上）およびバックサイド電気コンタクト２０（デバイスのバックサイド２２上）は、デバイスを動力で動かす外部電源への接続のために与えられる。バックサイドコンタクト２０は、デバイスのバックサイド２２から延びるビア２４内に置かれる。ビア２４は、非伝導層１５を通ってデバイス１０内の伝導領域（例、デバイス領域１４）に延びる。ビア２４内でのバックサイドコンタクト２０の付着の結果として、電流は、非伝導層１５によりブロックされることなく、デバイス領域14を通ってバックサイドコンタクトとトップサイドコンタクト１６との間を流れることができる。かくて、バックサイドコンタクト２０とトップサイドコンタクト１６との間でデバイス１０を通る垂直伝導が、非伝導層１５の存在にもかかわらず達成できる。
本明細書で用いたとき、「非伝導」とは、電流の流れを妨げる、もしくは電流の流れを１つ以上の方向に無視し得る量に制限する層をいう。「非伝導」層は、例えば、非伝導体材料で形成してもよいし、あるいは「非伝導」層に隣接する層から十分にオフセットのバンドを有する半導体材料で形成してもよい。「非伝導」層は、本来および単独では伝導性であり得るが、隣接する層とのバンドオフセットもしくは不連続の結果としてやはり非伝導（例、垂直方向に）であり得る。本明細書で用いたとき、「垂直伝導」とは、デバイス内で垂直方向への電流の流れをいう。「垂直伝導」は、バックサイドコンタクトとトップサイドコンタクトとの間でもあり得るし、あるいは垂直に離されたデバイス内の異なる層の間でもあり得る。
層が別の層もしくは基体「上に（on）」もしくは「上方に（over）」あるとして言及されるとき、それは層もしくは基体上に、もしくは、層もしくは基体上方に直接存在し得るし、あるいは介在する層も存在してもよいと理解されたい。別の層もしくは基体上に「直接存在」する層とは、介在する層が存在しないことを意味する。また、層が別の層もしくは基体上にあるとして言及されるとき、それは層もしくは基体全体、あるいは層もしくは基体の一部を被覆し得ると理解されたい。図面に示されるように、「トップサイド」という語はデバイスの上面をいい、「バックサイド」という語はデバイスの底面をいう。かくて、トップサイドはデバイスのバックサイドの反対側にある。
いくつかの好ましい実施態様において、基体１２はシリコン基体である。本明細書で用いたとき、シリコン基体１４はシリコン層を含むいかなる基体をもいう。適切なシリコン基体の例には、なかんずく、全体がシリコン（例、バルクシリコンウェファー）、絶縁体上シリコン(SOI)基体、サファイア上シリコン(SOS)基体およびSIMOX基体からなる基体が含まれる。適切なシリコン基体には、ダイヤモンド、AlNもしくは他の多結晶質材料など別の材料に結合されるシリコンウェファーを有する基体も含まれる。異なる結晶配向を有するシリコン基体１２を用いてもよい。いくつかの場合において、シリコン（１１１）基体が好ましい。他の場合において、シリコン（１００）基体が好ましい。
他の実施態様において、サファイアおよび炭化珪素基体などシリコン基体以外の基体を用いてもよいことを理解されたい。
基体１２はいかなる寸法でもよく、その具体的な寸法は用途により決まる。適切な直径には、それらに限定はされないが、２インチ（５０ｍｍ）、４インチ（１００ｍｍ）、６インチ（１５０ｍｍ）および８インチ（２００ｍｍ）が含まれる。いくつかの実施態様において、シリコン基体１２は比較的厚く、例えば、２５０ミクロンよりも大きい。厚い基体は、いくつかの場合において、薄い基体に起こり得る曲げに一般に抵抗できる。いくつかの実施態様において、シリコン基体１２は、シリコン基体を通したビア２４の形成を容易にするために、好ましくは薄く、例えば、１００ミクロン未満である。
非伝導層１５を、例えば、下記の事柄の１つ以上を達成するために、窒化ガリウム材料デバイス領域１４の付着に先立って基体１２上に形成してもよい：窒化ガリウム材料デバイス領域１４と基体１２の熱膨張率間の相違から起こる熱応力を低下させることにより窒化ガリウム材料デバイス領域１４中のクラック形成を減少；窒化ガリウム材料デバイス領域１４と基体１２の格子定数間の相違から起こる格子応力を低下させることにより窒化ガリウム材料デバイス領域１４中の欠陥形成を減少；および基体１２と窒化ガリウム材料デバイス領域１４のバンドギャップ間の相違を減少させることにより基体１２と窒化ガリウム材料デバイス領域１４間の伝導を増加。非伝導層１５を種々の他の理由により基体１２と窒化ガリウム材料デバイス領域間に形成してもよいことを理解されたい。非伝導層１５の存在は、シリコン基体を利用するときに特に好ましい。
非伝導層１５の組成は、少なくとも部分的には、基体の型と窒化ガリウム材料デバイス領域１４の組成にかかっている。シリコン基体を利用するいくつかの実施態様において、非伝導層１５は、好ましくは少なくとも層の一部で変化させた組成を有する組成的に勾配をつけた遷移層を含み得る。適切な組成的に勾配をつけた遷移層は、例えば、本明細書にその内容すべてが取り込まれる２０００年１２月１４日に出願された“Gallium Nitride Materials and Methods”と題する、同時係属中で共有の米国特許出願シリアル第09/736,972号に記載されている。組成的に勾配をつけた遷移層は、窒化ガリウム材料と基体１２（例、シリコン）間の熱膨張率の相違から起こる熱応力を低下させることにより窒化ガリウム材料デバイス領域１４中のクラック形成を減少させることにおいて特に有効である。いくつかの実施態様において、非伝導層１５が組成的に勾配をつけたものであるとき、層１５は、AlxInyGa(1-x-y)N、AlxGa(1-x)NもしくはInyGa(1-y)Nなどの窒化ガリウムの合金からなる。これらの実施態様において、合金の元素（例、Ga、Al、In)の少なくとも１つの濃度は、典型的に層の断面厚さの少なくとも一部で変化させてある。
他の実施態様において、非伝導層１５は、その厚さにわたって一定の（すなわち、不変の）組成を有する。そのような非伝導層には、緩衝層および中間層が含まれる。適切な中間層は、例えば、先に挙げた米国特許出願シリアル第09/736,972号に記載されている。いくつかの実施態様において、非伝導層は、AlxInyGa(1-x-y)N、AlxGa(1-x)NもしくはInyGa(1-y)Nなどの窒化ガリウム合金の一定の組成を有する。
例示の実施態様において、単一の非伝導層１５は、基体１２と窒化ガリウム材料デバイス領域１４間に示される。他の実施態様は、１より多い非伝導層を含んでもよい。例えば、デバイス１０は、非伝導性の組成的に勾配をつけた遷移層と非伝導中間層とを含んでもよい。いくつかの実施態様において、１つ以上の伝導層が基体１２と窒化ガリウム材料デバイス領域１４間に存在してもよく、それらは非伝導層の前述の特徴を１つ以上達成し得ることも理解されたい。例えば、組成的に勾配をつけた遷移層は、いくつかの場合において伝導性でもよい。いくつかの場合において、伝導層は、基体と窒化ガリウム材料デバイス領域間の唯一の層である。１つ以上の伝導層を含む実施態様において、構造物は非伝導層を含まなくてもよい。
図１の実施態様において、ビア２４は、垂直伝導がデバイス１０中で起こるように基体１２の非伝導層１５を通って延びる。かくて、最小限度で、ビア２４は、トップサイドコンタクト１６とバックサイドコンタクト２０間に伝導垂直パスを造るのに十分な長さ（L）を有する。ビア２４は、例えば、窒化ガリウム材料デバイス領域１４内の位置まで延びてそのような伝導パスを形成し得る。いくつかの場合において、さらに後述する加工を容易にするために、ビア２４を窒化ガリウム材料デバイス領域１４内のエッチングストップ層（例、図５の４６参照）まで延ばすことが好ましいかもしれない。いくつかの実施態様において、ビア２４は、窒化ガリウム材料デバイス層の下の位置まで、例えば、ドープされた伝導遷移層の上方部分内に延び得、かくて、垂直伝導パスが形成される。いくつかの場合において、ビア２４は、デバイス１０内に形成されるソース領域もしくはドレイン領域まで延び得る。
ビア２４の正確な寸法および形状はその用途によって変わる。ビアの典型的な横断面積は、バックサイド２２で約１００ミクロンｘ約１００ミクロンである。図示されるように、ビア２４が内側にテーパーされ、かくて、ビアに円錐形状（すなわち、平頭ピラミッド形状）を与えることが好ましいかもしれない。内側へのテーパーは、ビア２４の側壁２８上のバックサイドコンタクト２０の付着を容易にすることができる。他の場合において、さらに後述され、かつ図１０に示されるように、ビアが外側にテーパーされる（すなわち、バックサイドから離れた方向に増大する横断面積を有する）ことが好ましいかもしれない。外側にテーパーされたビアは、いくつかの実施態様において、内部光反射を強め、かつ光抽出を向上させ得る。
図１において、デバイス１０は単一ビア２４を含む。しかし、さらに後述され、かつ図２〜３に示されるように、他の実施態様は１より多いビアを含み得る。
本明細書で用いたとき、「電気コンタクト」もしくは「コンタクト」という語句は、電極、端子、コンタクトパッド、コンタクト区域、コンタクト領域などを含む電源により有効にコンタクトできる半導体デバイス上のいかなる伝導構造物をもいう。バックサイドコンタクト２０およびトップサイドコンタクト１６は、いくつかの金属を含む伝導性材料で形成される。当業界で既知の適切な伝導性材料のいずれを用いてもよい。コンタクト１６、２０の組成は、コンタクトの型によるかもしれない。例えば、コンタクト１６、２０は、ｎ‐型材料もしくはｐ‐型材料に接触し得る。ｎ‐型コンタクトに適する金属には、チタン、ニッケル、アルミニウム、金、銅およびこれらの合金が含まれる。ｐ‐型コンタクトに適する金属には、ニッケル、金およびチタン、ならびにこれらの合金が含まれる。
コンタクト１６、２０は、コンタクトがその物理的面積全体で導電性であることを保証するに十分な厚さを有する。コンタクト１６、２０の適切な厚さは、例えば、約０．０５ミクロン〜約１０ミクロンである。いくつかの場合において、バックサイドコンタクト２０の厚さは、ビア２４の側壁２８上のむらのある付着ゆえにその面積上で変化し得る。バックサイドコンタクト２０およびトップサイドコンタクト１６の表面積は、一般にコンタクトがワイヤ結合、空気ブリッジングなどを通して適切な電源の端子により接触できるのに十分である。いくつかの好ましい実施態様において、バックサイドコンタクト２０は、実質的にバックサイド上のみで延び、例えば、デバイス１０のサイド３０上では延びない。かくて、これらの好ましい実施態様において、サイド３０には実質的にバックサイドコンタクト２０がない。
いくつかの実施態様において、バックサイドコンタクト２０は、有効なヒートシンクとしても機能し得る。これらの実施態様において、バックサイドコンタクト２０は、デバイスの操業の間に発生する熱エネルギーを除去する。このことは、さもなければデバイスを損傷するであろう量の熱を発生する条件下で、デバイス１０の操業を可能とし得る。特に、高電流密度で操業するレーザーダイオードは、バックサイドコンタクト２０をヒートシンクとして利用してもよい。バックサイドコンタクト２０を、熱エネルギー除去を強めるように特別に設計してもよい。例えば、バックサイドコンタクト２０を、熱除去で特に有効な銅および金などの材料で構成してもよい。また、バックサイドコンタクト２０およびビア２４を、例えば、多数のビアおよび／またはデバイス領域１４に有意に延びるビアを含むことにより、大きな表面積がデバイス領域１４と接触するように設計してもよい。
いくつかの実施態様において、デバイス１０が光学電子デバイスであるとき、バックサイドコンタクト２０は反射層として機能できる。基体１２から離れて内部にエミットされた光を有効に反射することにより、バックサイドコンタクト２０はデバイスのトップサイド１８およびサイド３０から放出された光を導くことができる。かくて、デバイスの出力効率を高め得る。特に、レーザーダイオードおよび発光ダイオードは、バックサイドコンタクト２０の反射性を利用することによって性能を高めることができる。光を反射するためバックサイドコンタクト２０の能力を高めるために、ビア２４は、バックサイドコンタクトが発光活性層（例、図４の３８、図５の５０）に隣接して延びるように形成される。
いくつかの実施態様において、図９〜１１に関連してさらに後述するように、ビア２４にはコンタクトがないことが好ましいかもしれない。すなわち、コンタクトはビア内に形成されない。これらの実施態様において、ビアは、デバイスの内部層（例、非伝導層１５もしくは窒化ガリウム材料デバイス領域１４）を外部に曝露する窓として機能できる。この曝露は、デバイスからの光の抽出を高め得、このことはLEDsなどのオプトエレクトロニックデバイスにおいて特に有用であり得る。いくつかの場合において、内部デバイス層の曝露を最大限にするために、基体１２を、例えば、エッチングにより完全に除去してもよい。そのようなデバイスは図１２に示され、かつさらに後述される。ビア２４が電気コンタクトのない実施態様において、コンタクトはバックサイド２２の他の（無ビア）区域を含むデバイスの他の部分に形成されることを理解されたい。
窒化ガリウム材料デバイス領域１４は、少なくとも１つの窒化ガリウム材料層を含む。いくつかの場合において、窒化ガリウム材料デバイス領域１４は、たった１つの窒化ガリウム材料層を含む。他の場合において、さらに後述され、かつ図４〜８に示されるように、窒化ガリウム材料デバイス領域１４は、１より多い窒化ガリウム材料層を含む。異なる層は、半導体構造物の異なる領域を形成できる。窒化ガリウム材料領域は、また酸化物層もしくは金属層などの窒化ガリウム材料組成を有さない１つ以上の層も含んでもよい。
本明細書で用いたとき、「窒化ガリウム材料」という語句は、窒化ガリウム（GaN）および、なかんずく、窒化アルミニウムガリウム（AlxGa(1-x)N）、窒化インジウムガリウム（InyGa(1-y)N）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（AlxInyGa(1-x-y)N）、ガリウムアルセニドホスホライドナイトライド（GaAsaPbN(1-a-b)）、アルミニウムインジウムガリウムアルセニドホスホライド（AlxInyGa(1-x-y)AsaPbN(1-a-b)）などのその合金のいずれかをいう。典型的には、存在するとき、砒素および／または燐は低濃度である（すなわち、５重量％未満）。いくつかの好ましい実施態様において、窒化ガリウム材料は高濃度のガリウムを有し、かつアルミニウムおよび／またはインジウムをほとんど含まないかまったく含まない。高ガリウム濃度の実施態様において、（ｘ＋ｙ）の合計は０．４未満、０．２未満、０．１未満、あるいはそれ以下でもよい。いくつかの場合において、窒化ガリウム材料層がGaNの組成（すなわち、ｘ＋ｙ＝０）を有することが好ましい。窒化ガリウム材料は、ドープｎ‐型もしくはｐ‐型でもよく、あるいは真性（intrinsic）でもよい。適切な窒化ガリウム材料は、本明細書にその内容すべてが取り込まれる米国特許出願シリアル第09/736,972号に記載されている。
窒化ガリウム材料領域１４は、そこでデバイスの形成を可能とするような十分高い品質を有するものである。好ましくは、窒化ガリウム材料領域１４は、低クラックレベルおよび低欠陥レベルを有する。前述したように、非伝導層１５は、クラックおよび／または欠陥形成を減少し得る。いくつかの実施態様において、窒化ガリウム材料領域１４は、約１０9欠陥／ｃｍ2を有する。低クラックレベルを有する窒化ガリウム材料は、先に挙げた米国特許出願シリアル第09/736,972号に記載されている。いくつかの場合において、窒化ガリウム材料領域１４は、０．００５μｍ／μｍ2未満のクラックレベルを有する。いくつかの場合において、窒化ガリウム材料は、０．００１μｍ／μｍ2未満の非常に低いクラックレベルを有する。いくつかの場合において、窒化ガリウム材料領域１４が、０．０００１μｍ／μｍ2未満のクラックレベルにより定義されるように、実質的にクラックを有さないことが好ましいかもしれない。
いくつかの場合において、窒化ガリウム材料領域１４は、単結晶質構造を有する層（単数もしくは複数）を含む。いくつかの好ましい場合において、窒化ガリウム材料領域１４は、ウルツ鉱（Wurtzite；六方晶）構造を有する１つ以上の層を含む。
窒化ガリウム材料デバイス領域１４の厚さおよび異なる層の数は、少なくとも部分的には、特定の用途の要件により決められる。最小限度で、窒化ガリウム材料デバイス領域１４の厚さは、所望デバイスの形成を可能とするのに十分なものである。窒化ガリウム材料デバイス領域１４は、一般に、常にではないが、０．１ミクロンよりも大きな厚さを有する。他の場合において、窒化ガリウム材料領域１４は、０．５ミクロンよりも大きい、０．７５ミクロンよりも大きい、１．０ミクロンよりも大きい、２．０ミクロンよりも大きい、あるいは５．０ミクロンよりもさらに大きい厚さを有する。
デバイス１０を、既知の加工技術を用いて形成してもよい。非伝導層１５および窒化ガリウム材料デバイス領域１４を、例えば、技術の中でも、金属有機化学蒸着（MOCVD）、分子ビームエピタキシ（MBE）、ハイドライド気相エピタキシ（HVPE）を用いて、基体１２上に付着させてもよい。いくつかの場合において、MOCVDプロセスが好まれるかもしれない。シリコン基体１２上に組成的に勾配をつけた非伝導層１５および窒化ガリウム材料デバイス領域１４を形成するための適切なMOCVDプロセスは、先に挙げた米国特許出願シリアル第09/736,972号に記載されている。窒化ガリウム材料デバイス領域１４が異なる層を有するとき、いくつかの場合において、デバイス領域１４全体を形成するために単一付着工程（例、MOCVD工程）を用いることが好ましい。単一付着工程を用いるとき、加工パラメーターを、異なる層を形成するのに適当な時間で適切に変化させる。いくつかの好ましい場合において、非伝導層１５および窒化ガリウム材料デバイス領域１４を形成するために、単一成長工程を用いてもよい。
いくつかの場合において、例えば、本明細書にその内容すべてが取り込まれる米国特許第6,051,849号に記載されるように、下にある窒化ガリウム層をマスク開口部を通して、ついでマスク上側方に成長させて窒化ガリウム材料デバイス領域を形成することを包含する側方エピタキシャル全面成長（LEO）技術を用いてデバイス領域１４を成長させることが好ましいかもしれない。いくつかの場合において、例えば、本明細書にその内容すべてが取り込まれる米国特許第6,177,688号に記載されるように、窒化ガリウム材料ポストの側壁を隣接する側壁からの成長が融合するまでトレンチ内に成長させて窒化ガリウム材料デバイス領域を形成することを包含するペンデオエピタキシャル技術を用いてデバイス領域１４を成長させることが好ましいかもしれない。
従来のエッチング技術を用いてビア２４を形成してもよい。適切な技術には、湿式化学エッチングおよびプラズマエッチング（すなわち、なかんずく、RIE、ICPエッチング）が含まれる。デバイス１０の異なる層を通してエッチングするとき、異なるエッチング技術を利用してもよい。例えば、弗素系RIEプロセスを用いて基体１２を通してエッチングしてもよいし、塩素系RIEプロセスを用いて窒化ガリウムデバイス領域１４および／または非伝導層１５を通してエッチングしてもよい。所定のエッチング時間を用いて所望寸法を有するビア２４を形成してもよい。他の場合において、技術を用いることにより容易にエッチングされない組成を有するエッチングストップ層（例、図５の４６参照）をデバイス１０内に与えてエッチングを停止してもよく、こうすることにより、所望寸法を有するビア２４を形成するためにエッチング時間の正確な制御が必要とならない。
バックサイドコンタクト２０およびトップサイドコンタクト１６を、金属などの伝導性材料を付着させるのに適する既知の技術を用いて付着させてもよい。そのような技術には、なかんずく、スパッター、電子ビーム付着および蒸発が含まれる。いくつかの場合において、異なる金属組成を有する一連の層を連続して付着させてコンタクト１６、２０を形成する。これらの場合のいくつかにおいて、アニール技術を用いてコンタクト組成の平衡化を生じる。バックサイドコンタクト２０をビア２４内に付着させるので、付着技術をビア２４内に十分な被覆面積を与える方法で実施すべきである。かくて、バックサイドコンタクト２０の付着時間は、トップサイドコンタクト１６の場合よりも長くてもよい。
図２は、本発明の別の実施態様による多数のビア２４ａ、２４ｂを含むデバイス１０ａを図解する。単一のバックサイドコンタクト２０が両方のビア２４ａ、２４ｂ中および上に形成される。図２に示されるような多数のビア２４ａ、２４ｂを用いることは、熱除去を高め、光反射を向上させ、かつ垂直伝導を増大させ得る。
図３は、本発明の別の実施態様による多数のビア２４ａ、２４ｂを含むデバイス１０ｂを図解する。第一バックサイドコンタクト２０ａがビア２４ａ中に形成され、第二バックサイドコンタクト２０ｂがビア２４ｂ中に形成される。誘電層３１を、例えば、バックサイドコンタクト２０ｂの部分を電気的に単離するために用いて、デバイス１０の短絡を防いでもよい。誘電層３１に適する組成物には、酸化珪素および窒化珪素が含まれる。図３の実施態様は、トップサイドコンタクト（図１の１６）を有さない。図３の実施態様を、表面搭載デバイスの場合などトップサイドコンタクトを有することが望ましくない場合に利用してもよい。
本発明には本明細書に図解されるもの以外の形態をもつバックサイドビアおよびバックサイドコンタクトを有するデバイスも含まれることを理解されたい。例えば、バックサイドコンタクト２０は、ソース領域もしくはドレイン領域などの窒化ガリウム材料デバイス領域１４内の活性領域まで延びてもよい。また、バックサイドコンタクト２０は、バックサイドコンタクトもデバイスのトップサイド１８上にコンタクトを形成するように、実質的にデバイスの厚さにわたって延びてもよい。
電子および光学デバイスを含む当業界で既知の適切な半導体デバイスは、いずれも本発明の特徴を利用し得る。多くの場合において、デバイスを窒化ガリウム材料領域１４内に形成してもよい（すなわち、唯一の活性デバイス領域は、窒化ガリウム材料領域１４内にある）。他の場合において、デバイスは、窒化ガリウム材料領域１４内の一部のみに形成され、かつ基体１２などの他の領域にも形成される。
典型的なデバイスには、なかんずく、レーザーダイオード（LDs)、発光ダイオード(LEDs)、パワー整流ダイオード、FETs（例、HFETs）、Gunn効果ダイオードおよびバラクタダイオードが含まれる。図４〜８は、本発明による窒化ガリウム材料デバイスの例を図解する。しかしながら、他の構造物を有するデバイスも本発明の範囲内にあることを理解されたい。
図４は、本発明の１つの実施態様による典型的なLED３２を図解する。LED３２は、非伝導層１５上に形成される窒化ガリウム材料デバイス領域１４を含む。非伝導層１５は、組成的に勾配をつけてもよく、シリコン基体１２上に形成される。例示の実施態様において、下記の層は連続して窒化ガリウム材料デバイス領域１４を構成する：シリコンドープGaN層３４、シリコンドープAlxGa(1-x)N層３６（０〜２０重量％のAlを含む）、GaN/InGaN単一もしくはマルチプル量子井戸３８、マグネシウムドープAlxGa(1-x)N層４０（１０〜２０重量％のAlを含む）およびマグネシウムドープGaN層４１。ビア２４は、バックサイド２２からGaN層３４内の位置まで延びる。トップサイドコンタクト１６はｐ‐型金属で形成され、バックサイドコンタクト２０はｎ‐型金属で形成される。LED３２を、下記のものを含む種々の異なる構造物として与えてもよい：二重ヘテロ構造物（例、層３６中Al＞０％）、単一ヘテロ構造物（例、層３６中Al＝０％）、対称構造物もしくは非対称構造物。その１つが図８に示されるが、種々の異なる構造物を有するLEDsも提供され得ることを理解されたい。
図５は、本発明の１つの実施態様による典型的なレーザーダイオード４２を図解する。レーザーダイオード４２は、非伝導層１５上に形成される窒化ガリウム材料デバイス領域１４を含む。非伝導層１５は、組成的に勾配をつけてもよく、シリコン基体１２上に形成される。例示の実施態様において、下記の層は連続して窒化ガリウム材料デバイス領域１４を構成する：シリコンドープGaN層４４、シリコンドープAlxGa(1-x)N層４６（５〜３０重量％のAlを含む）、シリコンドープAlxGa(1-x)N層４８（０〜２０重量％のAlを含む）、GaN/InGaN単一もしくはマルチプル量子井戸５０、マグネシウムドープAlxGa(1-x)N層５２（５〜２０重量％のAlを含む）、マグネシウムドープAlxGa(1-x)N層５４（５〜３０重量％のAlを含む）およびマグネシウムドープGaN層５５。ビア２４は、バックサイド２２からエッチングストップ層として機能するAlxGa(1-x)N層４６まで延びる。トップサイドコンタクト１６はｐ‐型金属で形成され、バックサイドコンタクト２０はｎ‐型金属で形成される。種々の異なる構造物を有するレーザーダイオードも提供され得ることを理解されたい。
図６は、本発明の１つの実施態様によるパワー整流ダイオード５６を図解する。ダイオード５６は、非伝導層１５上に形成される窒化ガリウム材料デバイス領域１４を含む。非伝導層１５は、組成的に勾配をつけてもよく、シリコン基体１２上に形成される。例示の実施態様において、下記の層は連続して窒化ガリウム材料デバイス領域１４を構成する：シリコンドープGaN層５８および真性GaN層６０。ビア２４は、バックサイド２２からGaN層５８内の位置まで延びる。トップサイドコンタクト１６は整流金属で形成され、バックサイドコンタクト２０はｎ‐型金属で形成される。種々の異なる構造物を有するダイオードも提供され得ることを理解されたい。
図７は、本発明の１つの実施態様によるダブルゲートHFET６４を図解する。HFET６４は、非伝導層１５上に形成される窒化ガリウム材料デバイス領域１４を含む。非伝導層１５は、組成的に勾配をつけてもよく、シリコン基体１２上に形成される。例示の実施態様において、下記の層は連続して窒化ガリウム材料デバイス領域１４を構成する：真性GaN層６６および真性AlGaN領域６８。ビア２４は、バックサイド２２からGaN層６６内の位置まで延びる。HFET６４は、ソーストップサイドコンタクト１６ａ、ゲートトップサイドコンタクト１６ｂおよびドレイントップサイドコンタクト１６ｃを含む。バックサイドゲートコンタクト２０はビア２４内に形成される。複数のゲートを有するHFETsなど、種々の異なる構造物を有するHFETsも提供され得ることを理解されたい。
図８は、本発明の別の実施態様による多数のバックサイドビア２４ａ、２４ｂを含むLED７０を図解する。LED７０は、非伝導層１５上に形成される窒化ガリウム材料デバイス領域１４を含む。非伝導層１５は、組成的に勾配をつけてもよく、シリコン基体１２上に形成される。例示の実施態様において、下記の層は連続して窒化ガリウム材料デバイス領域１４を構成する：シリコンドープGaN層７２、シリコンドープAlxGa(1-x)N層７４（０〜２０重量％のAlを含む）、GaN/InGaN単一もしくはマルチプル量子井戸７６、マグネシウムドープAlxGa(1-x)N層７８（１０〜２０重量％のAlを含む）およびマグネシウムドープGaN層８０。ビア２４ａはバックサイド２２からGaN層７２内の位置まで延び、ビア２４ｂはバックサイド２２からGaN層８０内の位置まで延びる。ｎ‐型バックサイドコンタクト２０ａはビア２４ａ内に形成され、ｐ‐型バックサイドコンタクト２０ｂはビア２４ｂ内に形成される。誘電層３１は、短絡を防ぐためにｐ‐型バックサイドコンタクト２０ｂの部分を単離する。種々の異なる構造物を有するLEDsも提供され得ることを理解されたい。
図９は、本発明の別の実施態様による電気コンタクトのないバックサイドビア２４を含むLED８２を図解する。LED８２は、伝導層８４上に形成される窒化ガリウム材料デバイス領域１４を含む。伝導層８４は遷移層として機能し得、かつ組成的に勾配をつけることができる。例示の実施態様において、下記の層は連続して窒化ガリウム材料デバイス領域１４を構成する：シリコンドープGaN層８６、シリコンドープAlxGa(1-x)N層８８（０〜２０重量％のAlを含む）、GaN/InGaN単一もしくはマルチプル量子井戸９０、マグネシウムドープAlxGa(1-x)N層９２（１０〜２０重量％のAlを含む）およびマグネシウムドープGaN層９４。ビア２４はバックサイド２２から伝導層８４まで延び、かくて、伝導層を環境に曝露する。ｎ‐型コンタクト２０がバックサイド２２上に形成される。
図１０は、バックサイドビア２４の形状を除いて図９に示されるものに類似するLED９６を図解する。図１０に示される実施態様において、ビアは、バックサイド２２から離れた方向に増大する横断面積を有する。このビア形状は、内部光反射（矢印で示されるような）および外部光抽出を高め得る。いくつかの場合において、LED９６を、さらに光反射を高めるために、反射包装表面９８上に搭載してもよい。
図１１は、本発明の別の実施態様によるLED１００を図解する。LED１００は、図９および１０に示されるLEDsと同じ層構造物を含む。LED１００は、基体１２の前後に形成されるいくつかのコンタクト１０２を有する。LED１００は、またｎ‐型コンタクト１０４およびｐ‐型コンタクト１０６も含む。誘電層３１は、短絡を防ぐためにｎ‐型およびｐ‐型コンタクトの部分を単離する。
図１２は、本発明の別の実施態様によるLED１０８を図解する。LED１０８の加工の間、基体全体はエッチング工程を用いて除去されている。したがって、伝導層８４のバックサイド全体は、環境に曝露される。この実施態様は、LEDからの光抽出を最大にするために特に有用であり得る。
当業者は、本明細書に挙げたすべてのパラメーターが例示の意味であり、実際のパラメーターは本発明の半導体および方法が用いられる特定の用途によることを容易に理解するであろう。したがって、前記実施態様は例としてのみ示されるものであり、添付の特許請求の範囲およびそれと同等物内で、本発明は具体的に記載した方法以外でも実施され得ることを理解されたい。
本発明の１つの実施態様によるバックサイドビアを含む半導体デバイスを図解する。 本発明の別の実施態様による多数のバックサイドビアを含む半導体デバイスを図解する。 本発明の別の実施態様による多数のバックサイドビアを含むがトップサイドビアを含まない半導体デバイスを図解する。 本発明の別の実施態様によるLEDを図解する。 本発明の別の実施態様によるレーザーダイオードを図解する。 本発明の別の実施態様によるパワー整流ダイオードを図解する。 本発明の別の実施態様によるダブルゲートHFETを図解する。 本発明の別の実施態様による多数のバックサイドビアを含むがトップサイドビアを含まないLEDを図解する。 本発明の別の実施態様による電気コンタクトのないバックサイドビアを含むLEDを図解する。 本発明の別の実施態様による光の内部反射を強めるように造形されたバックサイドビアを有するバックサイドビアを含むLEDを図解する。 本発明の別の実施態様によるデバイスのバックサイド上に形成される正および負コンタクトを含むLEDを図解する。 本発明の別の実施態様による加工の間に基体が除去された後のLEDを図解する。

Claims (10)

  1. 基体のバックサイドから延びる少なくとも１つのビアを有するシリコン基体；
    前記ビア中に形成される電気コンタクト；
    前記基体上に形成される窒化ガリウム材料領域、ここで、前記窒化ガリウム材料領域は１より多い窒化ガリウム材料層を含む；および
    前記基体と前記窒化ガリウム材料領域との間に形成され、窒化ガリウムの合金を含む非伝導層
    を含む半導体構造物であって、
    半導体構造物がＦＥＴを含み、前記電気コンタクトおよびビアが前記基体のバックサイドから前記窒化ガリウム材料領域内に形成されるソース領域まで延び、
    前記ビアが前記窒化ガリウム材料領域の全ての層を通して延びていない、
    半導体構造物。
  2. 前記電気コンタクトが前記基体のバックサイドから前記半導体構造物の伝導領域まで延びる、請求項１に記載の半導体構造物。
  3. 前記電気コンタクトが前記基体のバックサイドから前記窒化ガリウム材料領域まで延びる、請求項２に記載の半導体構造物。
  4. 前記ビアが前記非伝導層を通して形成され、前記電気コンタクトが前記非伝導層を通して延びる、請求項１に記載の半導体構造物。
  5. 前記非伝導層が組成的に勾配をつけた遷移層を含む、請求項１に記載の半導体構造物。
  6. 前記ビアが前記基体を通して形成され、前記電気コンタクトが前記基体を通して延びる、請求項１に記載の半導体構造物。
  7. 前記電気コンタクトが前記基体のバックサイドから前記窒化ガリウム材料領域内の領域まで延びる、請求項１に記載の半導体構造物。
  8. さらに前記半導体構造物のトップサイド上に形成されるトップサイド電気コンタクトを含む、請求項１に記載の半導体構造物。
  9. 前記半導体構造物が垂直伝導が可能である、請求項１に記載の半導体構造物。
  10. 半導体デバイスが前記窒化ガリウム材料領域中に形成される、請求項１に記載の半導体構造物。
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