Iii-n器件結(jié)構(gòu)和方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種III-N器件，其具有III-N層、在所述III-N層上的電極、與所述III-N層和電極相鄰的鈍化層、與所述鈍化層和電極相鄰的厚絕緣層、能夠?qū)@著熱量從所述III-N器件轉(zhuǎn)移出去的高導(dǎo)熱性載體以及在所述厚絕緣層與所述載體之間的粘合層。所述粘合層將所述厚絕緣層連接于所述載體。所述厚絕緣層可以具有精確控制的厚度并且是導(dǎo)熱的。
【專利說明】I I 1-N器件結(jié)構(gòu)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體電子器件，特別是去除原生基材的器件。
【背景技術(shù)】
[0002]通常使用硅(Si)半導(dǎo)體材料來制造現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件例如功率MOSFET、HEMT和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。更近些時候，碳化硅(SiC)功率器件由于其優(yōu)越的性質(zhì)而被開發(fā)。對于高功率電子學(xué)應(yīng)用而言，II1-N (II1-N)半導(dǎo)體器件與基于硅和SiC的器件相比具有許多潛在優(yōu)點，并且現(xiàn)在正成為攜帶大電流、支持高電壓、提供非常低電阻、并以快速切換時間在高電壓下運行的有吸引力的候選者。
[0003]由于大型II1-N基材尚不能廣泛獲得，因此目前II1-N半導(dǎo)體器件通過在適合的異質(zhì)基材(即在組成和/或晶格結(jié)構(gòu)上與被沉積的層顯著不同的基材)上異質(zhì)外延來生長。通常，II1-N半導(dǎo)體器件生長在硅、藍寶石(Al2O3)或碳化硅(SiC)基材上。用于施加II1-N層的技術(shù)可以包括分子束外延(MBE)、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和氫化物氣相外延(HVPE)。由于硅基材的低成本、廣泛的可用性、大的晶片尺寸、熱性質(zhì)且易于與硅基電子器件集成，硅基材正成為用于II1-N器件的特別有吸引力的基材候選物。由于硅與II1-N材料之間的大的晶格不匹配和熱膨脹系數(shù)不匹配，因此II1-N器件結(jié)構(gòu)通常包括成核層和應(yīng)力管控層(stress management layer),以允許生長厚的II1-N層。
[0004]圖1中示出的典型的現(xiàn)有技術(shù)II1-N高電子遷移率晶體管(HEMT)包括異質(zhì)基材10例如硅，在基材頂上的成核層9例如AlN或AlxGai_xN，在成核層頂上的應(yīng)力管控堆8例如AlN/GaN或AlxGai_xN/GaN超晶格，在應(yīng)力管控堆8頂上的溝道層11例如GaN層，以及在溝道層頂上的阻擋層12例如AlxGahN層。二維電子氣(2DEG)溝道19 (由虛線示出)在溝道層11與阻擋層12之間的界面附近被引入溝道層11中。被形成在柵極16的對面?zhèn)壬系脑礃O和漏極14和15分別與溝道層11中的2DEG溝道19接觸。柵極16調(diào)節(jié)柵極區(qū)域中的2DEG部分，即直接位于柵極16下方的2DEG部分。在阻擋層12頂上的絕緣體層13例如SiN層是防止或抑制與絕緣體層13相鄰的阻擋層表面處的電壓波動的表面鈍化層。
[0005]在異質(zhì)基材10上異質(zhì)外延生長或沉積器件的II1-N外延層，要求在基材10與溝道層11之間包括中間層，所述中間層包括成核層9和應(yīng)力管控堆8，以便將II1-N器件層與異質(zhì)基材10之間的熱和晶格不匹配的有害效應(yīng)例如層中的缺陷形成和應(yīng)力降至最低。然而，這些中間層通常具有高濃度的位錯、捕獲中心和可能對器件性能有害的其他缺陷。當(dāng)在運行期間向器件施加電壓時，這樣的缺陷能夠捕獲電荷(即具有能夠吸引并結(jié)合電子的電勢，使得被結(jié)合的電子對器件中的電流沒有貢獻或引起不穩(wěn)定性例如閾值電壓波動)。因此，成核層和應(yīng)力管控層可以造成電流-電壓特性與器件不含這些層時觀察到的電流-電壓特性存在差異。
[0006]已發(fā)現(xiàn)，去除可以在去除下方的異質(zhì)基材10之后接近并去除的成核層9和應(yīng)力管控堆8，可以使器件具有對高電壓II1-N器件應(yīng)用來說非常重要的優(yōu)越器件性質(zhì)。這些層的去除能夠使器件在高電壓下運行而不發(fā)生顯著的捕獲、泄漏或早期擊穿效應(yīng)，因此優(yōu)于尚未去除原生基材和應(yīng)力管控層的II1-N器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]—方面，本發(fā)明描述了一種II1-N器件，其包括其上具有電極的II1-N層，與所述II1-N層和電極相鄰的鈍化層，與所述鈍化層和電極相鄰的厚絕緣層，能夠?qū)@著熱量從所述II1-N器件轉(zhuǎn)移出去的高導(dǎo)熱性載體，以及在所述厚絕緣層與載體之間的粘合層。所述粘合層將所述厚絕緣層連接于所述載體。
[0008]對于本文描述的器件來說，下述一種或多種情況可能是適用的。所述厚絕緣層可以為至少I微米厚。所述厚絕緣層可以是氮化硅、氮化鋁、氧化硅、氧化鋁、聚合物電介質(zhì)和無機電介質(zhì)或有機電介質(zhì)。所述厚絕緣層可以是聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯(BCB)、SU8或這些電介質(zhì)的組合。所述粘合層可以是導(dǎo)熱的。所述粘合層可以是焊料和絕緣膠(dielectricglue)。所述粘合層可以是基于金屬的焊料。所述鈍化層可以是氮化硅、氮化鋁、二氧化硅、氧化鋁、聚合物電介質(zhì)和無機電介質(zhì)或有機電介質(zhì)。所述鈍化層和厚絕緣層可以具有基本上相同的組成。所述鈍化層與厚絕緣層的組合可以使所述II1-N層的表面鈍化。所述高導(dǎo)熱性載體可以是多晶碳化硅、硅、氮化鋁、金屬或金剛石。所述高導(dǎo)熱性載體可以為至少100微米厚。所述II1-N器件可以包括基材。所述基材可以與所述II1-N層相鄰。所述基材可以是硅、碳化硅、藍寶石和氮化鋁。所述II1-N器件可以包括在所述基材與II1-N層之間的成核層。所述II1-N器件可以包括在所述成核層與II1-N層之間的應(yīng)力管控層。所述電極可以是柵極，并且所述器件可以是晶體管。所述II1-N器件可以包括源極和在所述II1-N層中的溝道，并且所述源極和漏極可以接觸所述溝道。所述II1-N層可以包括溝道層和阻擋層。所述電極可以是陽極或陰極，并且所述器件可以是二極管。所述二極管可以是橫向器件。
[0009]在某些實施方式中，所述II1-N器件可以包括在所述厚絕緣層與鈍化層之間的第二介電絕緣層。所述第二介電絕緣層可以是氮化硅、氮化鋁、氧化硅、氧化鋁、聚合物電介質(zhì)和無機電介質(zhì)或有機電介質(zhì)。所述第二介電絕緣層可以具有在約0.5微米和5微米之間的厚度。所述厚絕緣層可以為至少I微米厚。所述厚絕緣層可以具有約I微米至50微米的厚度。所述厚絕緣層與第二介電絕緣層的組合厚度可以足以支持顯著工作電壓。所述第二介電絕緣層的導(dǎo)熱性可以低于所述厚絕緣層的導(dǎo)熱性。所述厚絕緣層與第二介電絕緣層的組合導(dǎo)熱性可以足以從所述II1-N器件消散顯著熱量。所述第二介電絕緣層可以是氮化硅，并且所述厚絕緣層可以是氮化鋁。所述高導(dǎo)熱性載體可以是氮化鋁。
[0010]另一方面，描述了一種制造II1-N器件的方法。所述方法包括在基材上形成第一結(jié)構(gòu)，所述第一結(jié)構(gòu)包括具有電極的II1-N器件，以及在所述II1-N器件的與所述基材對面的表面上的絕緣層。在形成所述第一結(jié)構(gòu)后，通過向高導(dǎo)熱性載體施加粘合層來形成第二結(jié)構(gòu)。將所述第二結(jié)構(gòu)的粘合層粘合于所述第一結(jié)構(gòu)的絕緣層。
[0011]所述方法的一種或多種實施方式可以包括以下特征中的一個或多個。所述方法可以包括去除所述基材?？梢栽谒鯥I1-N層的與所述鈍化層對面的一側(cè)上沉積第二鈍化層?？梢孕纬纱┻^所述第二鈍化層的通路?？梢栽谒鐾分谐练e導(dǎo)電材料。
[0012]另一方面，本發(fā)明描述了一種II1-N器件，其包括具有一定厚度的基材，與所述基材相鄰的II1-N層，與所述II1-N層相鄰并在與所述基材對面的一側(cè)上的電極，以及穿過所述基材的整個厚度的孔隙。
[0013]對于本文描述的所有器件來說，一種或多種下述情況可能是適用的。所述基材可以是硅、碳化硅、藍寶石和氮化鋁。所述電極可以是柵極、源極或漏極，并且所述器件可以是晶體管。所述孔隙可以在所述電極的對面。所述II1-N層可以包括溝道層和阻擋層。所述溝道層可以在所述阻擋層與基材之間。所述溝道層可以具有一定厚度，并且所述孔隙可以穿過所述基材的整個厚度，但是不穿過所述溝道層的整個厚度。所述電極可以是陽極或陰極，并且所述器件可以是二極管。所述二極管可以是橫向器件。所述II1-N器件可以包括位于所述孔隙中并與所述II1-N層接觸的鈍化層。所述鈍化層可以具有在約0.5微米和20微米之間的厚度。所述鈍化層可以延伸在所述基材的與所述II1-N層對面的一側(cè)上。所述II1-N器件可以包括與所述II1-N層的對面一側(cè)上的鈍化層相接觸的導(dǎo)熱層。所述導(dǎo)熱層可以是散熱片。所述鈍化層的導(dǎo)熱性可以足以從所述II1-N器件消散顯著熱量。所述鈍化層可以是氮化硅、氮化鋁、二氧化硅、氧化鋁、聚合物電介質(zhì)和無機電介質(zhì)或有機電介質(zhì)。所述鈍化層可以使與所述孔隙相鄰的II1-N層的表面鈍化。
[0014]另一方面，本發(fā)明描述了一種制造II1-N器件的方法。所述方法包括在具有一定厚度的基材上形成包括具有電極的II1-N器件的結(jié)構(gòu)，所述電極在所述II1-N器件的與所述基材對面的表面上。在形成所述結(jié)構(gòu)后，形成穿過所述基材的整個厚度的孔隙。
[0015]所述方法的一種或多種實施方式可以包括以下特征中的一種或多種。所述孔隙可以在所述電極的對面?？梢栽谒隹紫吨谐练e鈍化層。
[0016]通常介電絕緣層需要被制造成厚的，以支持器件運行期間介電絕緣層中的高電場，并且通常必須控制介電絕緣層的厚度，使得所述介電絕緣層的導(dǎo)熱性足以消散顯著熱量，以便確保器件擊穿電壓和其他器件參數(shù)的可重復(fù)性。這里描述的技術(shù)可能引起對II1-N器件中的熱傳導(dǎo)進行足夠精確的控制，特別是當(dāng)需要高電壓運行時，并因此可以使用該方法進行可重復(fù)的制造。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的II1-N HEMT器件的示意性橫截面圖。
[0018]圖2是包含介電絕緣層、粘合層和厚載體的II1-N HEMT器件的示意性橫截面圖。
[0019]圖3-5示出了形成圖2的II1-N HEMT器件的方法。
[0020]圖6和7是已去除生長時的基材、成核層和應(yīng)力管控層的II1-NHEMT器件的示意性橫截面圖。
[0021]圖8是含有兩個介電絕緣層的II1-N HEMT器件的示意性橫截面圖。
[0022]圖9是含有兩個介電絕緣層、粘合層和厚載體的II1-N HEMT器件的示意性橫截面圖。
[0023]圖10和11是已去除生長時的基材、成核層和應(yīng)力管控層的II1-NHEMT器件的示意性橫截面圖。
[0024]圖12-14是已部分去除生長時的基材的II1-N HEMT器件的示意性橫截面圖。
[0025]圖15是含有介電絕緣層、粘合層和厚載體的II1-N 二極管的示意性橫截面圖。
【具體實施方式】[0026]本發(fā)明描述了可以重復(fù)制造的半導(dǎo)體器件例如HEMT和二極管。本發(fā)明的一種實施方式是包括顯著厚的載體的II1-N半導(dǎo)體器件。所述載體可以在器件中提供附加的散熱途徑而不降低其擊穿電壓。在一種實施方式中，將器件最初生長或沉積在其上的基材去除。在這種情形中，載體也可以在基材去除過程中提供結(jié)構(gòu)支撐。當(dāng)在本文中使用時，“基材”是在其頂上沉積、例如外延生長有半導(dǎo)體器件的其他半導(dǎo)體材料層的半導(dǎo)體材料層，所述外延生長使得與所述基材接觸或相鄰的生長的半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)至少部分順應(yīng)于基材的晶體結(jié)構(gòu)，或者至少部分由基材的晶體結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)在本文中使用時，“生長時的基材”是II1-N器件最初沉積在其上的基材。在某些實施方式中，生長時的基材被整體去除，在某些實施方式中，生長時的基材被部分去除。
[0027]當(dāng)在本文中使用時，術(shù)語“器件面”是指半導(dǎo)體晶片、外延層或其上形成有電極的其他層的與器件發(fā)生歐姆和/或肖特基和/或金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)接觸的面?！胺疵妗痹谄骷鎸γ妗＠?，在圖1中，現(xiàn)有技術(shù)的II1-N HEMT的器件面是指分別與源極、漏極和柵極14、15和16相鄰的表面I (由箭頭所指示)。II1-N HEMT結(jié)構(gòu)的反面是指基材10底部的表面2 (由箭頭所指示)。
[0028]圖2示出了生長在異質(zhì)基材上的II1-N HEMT的示意圖。當(dāng)在本文中使用時，術(shù)語II1-N或II1-氮化物器件、材料或?qū)邮侵赣苫瘜W(xué)計量式AlxInyGazN的化合物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的器件、材料或?qū)?，其中x+y+z為約I。在異質(zhì)基材上制造的典型II1-N器件的實例包括高電子遷移率晶體管(HEMT )、POLFET、MESFET、LED、二極管激光器和電流孔隙垂直電子晶體管(Current Aperture Vertical Electron Transistor) (CAVET)。圖 2 中的 II1-N HEMT器件包括基材10、在基材頂上的成核層9和在成核層頂上的應(yīng)力管控堆8。在應(yīng)力管控堆8頂上形成的II1-N層11和12，是形成HEMT器件的基礎(chǔ)的II1-N材料。II1-N層11和12具有不同的組成，所述組成被選擇成使得在層11中產(chǎn)生2DEG溝道19 (由虛線所示)，層11在此被稱為“溝道層11”。層12中的一些或所有II1-N材料具有比溝道層11的能帶隙大的能帶隙，因此層12在此被稱為“阻擋層12”。例如，溝道層11和阻擋層12分別可以是GaN和AlxGa^N,其中X在0和I之間或等于I。
[0029]基材10可以包括硅、藍寶石、AlN、SiC或適合用于II1-N器件的另一種異質(zhì)基材，或由它們形成。由于異質(zhì)基材10與II1-N材料之間的大的晶格不匹配和熱膨脹系數(shù)不匹配，在直接沉積在異質(zhì)基材上的II1-N外延層中通常存在高的缺陷濃度和應(yīng)力。因此，在溝道層11與基材10之間包括在基材10頂上的成核層9和在成核層頂上的應(yīng)力管控堆8，以便將溝道層11與異質(zhì)基材10之間的不匹配效應(yīng)降至最低，并允許生長具有足夠高的結(jié)構(gòu)質(zhì)量的II1-N器件層。
[0030]除了圖1的現(xiàn)有技術(shù)器件結(jié)構(gòu)中的層之外，圖2的器件還包括介電絕緣層31以及用于將厚的導(dǎo)熱載體35連接到介電絕緣層31的粘合層32、33和34。介電絕緣層31由與絕緣體層13具有基本上相同組成的介電材料制成。介電絕緣層31可以是氮化硅、氮化鋁、氧化硅、氧化鋁、聚合物電介質(zhì)、無機電介質(zhì)或有機電介質(zhì)或這些介電材料的任何組合。電介質(zhì)的其他實例包括聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯(BCB)或SU8或這些電介質(zhì)的組合。可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強的化學(xué)氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)、濺射、旋涂或其他方法來沉積電介質(zhì)。載體35是厚且導(dǎo)熱的載體，例如多晶碳化硅(poly-SiC)、硅、氮化鋁、金屬或金剛石，并且與圖1中示出的不包括載體35的器件相比，可以在器件中用作附加的散熱途徑而不降低其擊穿電壓。下面描述了使用粘合層32、33和34將載體35連接于介電絕緣層31的方法。
[0031]介電絕緣層31應(yīng)該足夠?qū)?，以消散在II1-N器件運行的電壓下產(chǎn)生的顯著熱量。所述層應(yīng)該消散足夠多的熱量，以便不使器件退化并使器件可充分運行。如果器件溫度不超過使用器件的應(yīng)用中所述器件的額定最高溫度，則器件是可充分運行的。
[0032]與絕緣體層13組合的介電絕緣層31維持器件的最上方表面、即阻擋層12的表面的有效鈍化。當(dāng)在本文中使用時，“鈍化層”是指生長或沉積在II1-N器件中II1-N層的表面上，能夠防止或抑制器件運行期間所述表面處的電壓波動的任何層或?qū)拥慕M合。與絕緣體層13組合的介電絕緣層31可以是有效的鈍化層，因為這兩個層都由介電材料形成，所述介電材料當(dāng)被沉積在阻擋層12上時，在阻擋層12的最上方部分上產(chǎn)生很少表面態(tài)，或者防止阻擋層12的最上方部分上的表面態(tài)被電激活，并具有低的阱密度，這能夠足夠地防止或抑制器件運行期間表面態(tài)/界面態(tài)捕獲電荷。
[0033]對器件的最上方II1-N表面起到有效鈍化層作用的電介質(zhì)可能不具有與不能有效鈍化II1-N表面的其他電介質(zhì)相比同樣高的導(dǎo)熱性。例如，SiN具有比AlN低的導(dǎo)熱性，但是對于鈍化II1-N器件的最上方表面來說，它可能比AlN更有效。因此，可以對介電絕緣層31的厚度進行選擇，使得它能夠在器件運行期間消散足夠多的熱量以支持工作電壓而不使器件擊穿。如果介電絕緣層31過厚，所述層在器件運行期間可能不能消散足夠多的熱量，這可能引起不希望的器件性能例如早期擊穿和不良的器件可靠性。因此，介電絕緣層可以小于20微米，例如在3微米和20微米之間或在5微米和20微米之間。另一方面，如果它過薄，在器件運行期間在介電絕緣層31中得到的電場可能過大，引起介電材料擊穿，正如下面討論的。
[0034]介電絕緣層31也可以厚得足以支持器件運行期間所述層中存在的電場。在某些實施方式中，在器件運行期間載體35可能連接于地平面或其他散熱片，或者載體35或粘合層32-34可能導(dǎo)電，這能夠修改并增強介電絕緣層31中存在的電場。因此，介電絕緣層31可以厚得足以確保介電絕緣層31中的電場不超過介電材料的擊穿電場。
[0035]因此，介電絕緣層31的厚度可以為約I微米或更厚，例如在約I微米和20微米之間?？赡苄枰慕殡娊^緣層31的厚度取決于器件的工作電壓(即運行期間源極和漏極之間的最大電壓差)。例如，對于最高約100V的運行來說，厚度可以為約I微米或更厚，對于最高約300V的運行來說，厚度可以為約2微米或更厚，對于最高約600V的運行來說，厚度可以為約3微米或更厚，對于最高約1200V的運行來說，厚度可以為約6微米或更厚，對于最高約1700V的運行來說，厚度可以為約10微米或更厚，例如在約10微米和20微米之間。介電絕緣層31與絕緣體層13的組合顯著厚于圖1的不含介電絕緣層31的常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)器件中的厚度。該組合的層提供了足夠高的擊穿強度以支持器件運行期間的高電場，同時起到器件的鈍化層的作用。
[0036]圖2的器件的形成方法被示出在圖3-5中。參考圖3，將介電絕緣層31生長或沉積在圖1的整個器件結(jié)構(gòu)上。介電絕緣層31可以通過諸如MOCVD、PECVD、高溫CVD (HTCVD)、濺射、蒸發(fā)的方法或另一種方法來生長或沉積。
[0037]參考圖4，將粘合層32沉積在介電絕緣層31上，所述粘合層32可以是粘附性材料例如鈦、鉬、金或其他材料。圖4中示出的結(jié)構(gòu)100包括圖3的II1-N器件和粘合層32。表面3 (由箭頭所指示)是結(jié)構(gòu)100的器件面的表面。
[0038]參考圖5，將第二粘合層34例如鈦、鉬、金、或其他粘附性材料沉積在厚的導(dǎo)熱載體35上以形成結(jié)構(gòu)101,所述載體可以是poly-SiC、娃、A1N、金屬或金剛石。表面4 (由箭頭所指示)是結(jié)構(gòu)101的表面，即第二粘合層34的在粘合層34的與載體35對面的一側(cè)上的表面。
[0039]為了形成圖2中示出的結(jié)構(gòu)，可以將結(jié)構(gòu)101上下翻轉(zhuǎn)，并使用中間粘合層33例如焊料預(yù)制品或其他材料將表面4連接于結(jié)構(gòu)100的表面3，以將結(jié)構(gòu)100的表面3粘合于結(jié)構(gòu)101的表面4。
[0040]在某些實施方式中，從圖2的II1-N器件結(jié)構(gòu)去除生長時的基材10、成核層9和應(yīng)力管控堆8。在這種情形中，厚載體35不僅從所述結(jié)構(gòu)散熱，而且在下面描述的基材去除過程中為所述結(jié)構(gòu)提供機械支撐。在這種情形中，載體35通常必須顯著厚于II1-N層，并因此能夠在基材去除過程中為器件提供剛性和機械支撐。例如，載體35可以為100微米或更厚、300微米或更厚或者500微米或更厚。
[0041]圖6示出了已去除生長時的基材10、成核層9和應(yīng)力管控堆8的圖2的結(jié)構(gòu)。去除這些層的方法的實例如下所述。通過研磨或通過使用快速粗蝕刻，將圖2中示出的生長時的基材10變薄至低于100微米。在變薄后，可以通過蝕刻例如通過濕法蝕刻、通過基于氟化物的等離子體蝕刻、通過基于氯的等離子體蝕刻或通過不引入顯著缺陷的任何其他方法，來去除剩余部分的生長時的基材10、成核層9和應(yīng)力管控堆8。如圖6中所示，在去除圖2中示出的生長時的基材10、成核層9和應(yīng)力管控堆8之后，暴露出在II1-N器件的反面上的溝道層11的表面5 (由箭頭所指示)。
[0042]如圖7中所示，將器件上下翻轉(zhuǎn)，并將對面?zhèn)肉g化層36例如氮化硅、氮化鋁、氧化硅或其他材料沉積在溝道層11的暴露表面5上。然后形成通路，所述通路穿過對面?zhèn)肉g化層36和溝道層11，并且在通路連接到柵極16的情形中，穿過阻擋層12，分別到達源極、漏極和柵極14、15和16。然后將通路用導(dǎo)電材料37填充，所述導(dǎo)電材料接觸下面的電極，為器件產(chǎn)生可以在反面(現(xiàn)在為圖7中器件的頂面)上接近的電觸點。
[0043]在某些II1-N器件實施方式中，當(dāng)介電絕緣層31被制造成厚得足以防止所述層中的電場變得過大時，它事實上可能太厚而不能提供充分的熱傳導(dǎo)來消散足夠多的熱量以使器件在高工作電壓下充分運行。在這些應(yīng)用中，可以將介電絕緣層31用多個介電層代替，使得組合的介電層的每單位體積的平均導(dǎo)熱性大于介電絕緣層31其自身的導(dǎo)熱性。
[0044]圖8示出了在圖1的現(xiàn)有技術(shù)器件結(jié)構(gòu)頂上包括兩個介電層，而不是圖3中所示的單個介電絕緣層31的II1-N HEMT器件的示意圖。將第一介電絕緣層40例如氮化硅沉積在所述結(jié)構(gòu)的器件面上的表面I上，隨后將具有比第一介電絕緣層40更高的導(dǎo)熱性的第二介電絕緣層41例如氮化鋁沉積在第一介電絕緣層40上。第一介電絕緣層40與絕緣體層13組合，能夠有效地使下方的II1-N表面鈍化。如果不包含第一介電絕緣層40而將第二介電絕緣層41直接沉積在II1-N器件的最上方表面上或直接沉積在絕緣體層13頂上，則可能不能有效地鈍化器件的最上方II1-N表面。第一介電絕緣層40可以是薄的，例如約
0.5微米或在約0.5微米和5微米之間。第二介電絕緣層41可以為約I微米或更厚，例如在約I微米和10微米之間，或在約I微米和20微米之間，或在約I微米和50微米之間。與介電絕緣層41相比，介電絕緣層40可以被制造得更薄，以便使組合層的導(dǎo)熱性最大化。第一介電絕緣層40與第二介電絕緣層41的組合厚度可以大得足以支持顯著工作電壓，并且同時所述層可以具有足夠高的平均導(dǎo)熱性，以便組合層能夠從器件消散足夠多的熱量。
[0045]參考圖9，使用適合的中間粘附層42例如焊料、絕緣膠或其他粘合材料將厚載體43例如A1N、硅、金屬、SiC或金剛石沉積在第二介電絕緣層41上。理想情況下，粘附層42是導(dǎo)熱的，以使器件熱阻的任何增加最小化。例如，基于金屬的焊料可能具有比絕緣膠更高的導(dǎo)熱性，因此可能是更加導(dǎo)熱的，并且因此是更理想的使用材料。
[0046]圖10示出了已去除生長時的基材10、成核層9和應(yīng)力管控堆8的圖9的II1-N器件結(jié)構(gòu)。在去除這些層后，暴露出II1-N器件的反面上的溝道層11的表面6 (由箭頭所指示)。如圖11中所示，將對面?zhèn)肉g化層36例如氮化硅、氮化鋁、氧化硅或其他材料沉積在暴露的表面6上，并形成穿過對面?zhèn)肉g化層36分別到達源極、漏極和柵極14、15和16的導(dǎo)電通路。然后將通路用導(dǎo)電材料37填充，所述導(dǎo)電材料接觸下面的電極，為器件產(chǎn)生可以在II1-N器件的反面上接近的電觸點。
[0047]與圖7的具有單個介電絕緣層31的器件相比，在圖11的器件中使用兩個介電絕緣層41和42能夠進一步提高在器件運行期間從II1-N器件消散熱量，從而與圖7的僅具有單個介電絕緣層的器件相比進一步提高器件性能和可靠性。
[0048]圖7和11中示出的已去除生長時的基材的II1-N器件要求包含載體，所述載體如上所述具有高壓器件運行所需的足夠?qū)嵝砸韵崃慷辉斐稍缙趽舸Ｔ谀承嵤┓绞街?，可能理想的是，僅僅部分去除在其上形成II1-N器件的生長時的基材而不是將其全部去除。在這樣的情形中，II1-N器件可能不必包括載體，因為生長時的基材的保留部分能夠提供在高壓運行下散熱所需的導(dǎo)熱性。去除一部分生長時的基材能夠降低器件的寄生分量，同時仍允許生長時的基材的剩余部分為器件提供結(jié)構(gòu)支撐以及器件運行期間的散熱。在導(dǎo)電基材例如硅上形成的II1-N器件包括寄生電容，所述寄生電容能夠使器件易于過早擊穿并降低高頻器件的性能。在II1-N器件中、特別是在這些寄生電容可能最顯著的區(qū)域中部分去除生長時的基材，能夠降低器件中的總體寄生效應(yīng)，從而提高擊穿電壓并改善高頻器件性能。
[0049]圖12示出了已在包括源極14、漏極15和柵極16在內(nèi)的器件電極的下方和周圍的區(qū)域44中去除一部分基材10的II1-N HEMT器件。寄生電容在這些區(qū)域中是最顯著的，因為將兩種導(dǎo)電材料即導(dǎo)電基材10和電極隔開的距離在區(qū)域44中最短。因此，去除電極下方和周圍的基材以消除或降低這些區(qū)域中的寄生電容，可能是有利的。
[0050]如圖13中所示，在生長時的基材10已被去除的區(qū)域44中，將鈍化層45例如SiN沉積在溝道層11的暴露的表面上?？梢詫⑩g化層45沉積在溝道層11的暴露的表面上，以完全填充基材已被去除的區(qū)域44，或僅僅部分填充區(qū)域44，并且可以延伸到區(qū)域44周圍的區(qū)域。如圖14中所示，鈍化層45也可以覆蓋生長時的基材10的剩余部分，并且在某些情形中將散熱片70連接于鈍化層45的對面?zhèn)取Ｉ崞梢云鸬綇钠骷M一步散熱的作用。鈍化層45可以足夠厚，例如在約0.5微米和20微米之間或在約10微米和20微米之間或在約15微米和20微米之間，以使溝道層11的反面的暴露的表面鈍化，并且支持II1-N器件運行時的電壓。在如圖14中所示散熱片70連接到鈍化層45的對面?zhèn)鹊那樾沃?，鈍化層45不應(yīng)太厚以致其導(dǎo)熱性不足以消散在顯著工作電壓下運行所需的熱量，這將對器件性能和可靠性具有不利影響。[0051]上面描述的用于將II1-N晶體管連接于載體以便從晶體管散熱的方法，也可以適用于其他類型的II1-N器件。例如，圖15示出了與載體35連接的II1-N器件結(jié)構(gòu)的實例，其中II1-N器件是二極管而不是圖2中示出的HEMT器件。圖15中所示的二極管包括在阻擋層12頂上的陽極56和與溝道層11中的2DEG溝道19接觸的陰極55。圖15中示出的陰極55是單觸點(盡管在圖15中示出的橫截面圖中陰極55看起來像多個觸點,但圖15中示出的陰極55的2個部分事實上是相連的)。圖15中示出的二極管是橫向器件。盡管在圖15中沒有示出，但也可以使用將載體35連接到二極管的其他方法。例如，如圖9中所示，可以用多個介電層代替介電絕緣層31。如圖6中所示，基材10、成核層9和應(yīng)力管控堆8可以各自被部分或完全去除。當(dāng)基材被去除時，暴露的II1-N材料可以被鈍化層覆蓋，如圖7中所示。也與圖7中的器件類似，可以形成穿過鈍化層和II1-N材料以接近陽極56和陰極55的通路，并且可以在通路中沉積金屬觸點。也可以使用其他二極管結(jié)構(gòu)。
[0052]對圖11的結(jié)構(gòu)的其他可能的添加或修改包括下列?？梢栽谝粋€以上的沉積步驟中，使用一種以上的沉積方法來沉積第二介電絕緣層42的材料。例如，可以通過化學(xué)氣相沉積或其他技術(shù)在第一介電絕緣層41上沉積所需厚度例如約0.5微米至50微米的第二介電絕緣層42。然后可以通過另一種方法例如濺射來沉積高達約10微米的附加的第二介電絕緣層41材料。然后可以使用粘附層42將厚的絕緣載體43連接于介電絕緣層41的表面。對圖12的結(jié)構(gòu)的其他可能的添加或修改可以包括下列。可以將附加的層沉積在一部分鈍化層45上或所有鈍化層45上，并且這些附加的層可以不直接接觸溝道層11。例如，可以將金屬沉積在鈍化層45上。
[0053]應(yīng)該理解，可以對II1-N材料結(jié)構(gòu)進行修改，只要得到的結(jié)構(gòu)是可以利用其形成II1-N HEMT 或其他 II1-N 器件例如 HFET、MISHFET、MOSFET、MESFET、JFET、CAVET、POLFET、HEMT, FET、二極管或另一種器件的結(jié)構(gòu)即可。例如，所述結(jié)構(gòu)可以不包括在基材10與上方的II1-N層之間的應(yīng)力管控堆8或成核層9。
[0054]已知對器件性能有益的其他特征也可以被包括在圖6、10和12的結(jié)構(gòu)中。然而，應(yīng)該理解，可以做出各種修改而不背離本文描述的技術(shù)和結(jié)構(gòu)的精神和范圍。因此，其他實施方式在權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 1.1I1-N器件，其包含: 其上具有電極的II1-N層； 與所述II1-N層和電極相鄰的鈍化層； 與所述鈍化層和電極相鄰的厚絕緣層； 能夠?qū)@著熱量從所述II1-N器件轉(zhuǎn)移出去的高導(dǎo)熱性載體；以及 在所述厚絕緣層與所述載體之間的粘合層，所述粘合層將所述厚絕緣層連接于所述載體。
2.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述厚絕緣層為至少I微米厚。
3.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述厚絕緣層選自氮化硅、氮化鋁、氧化硅、氧化鋁、聚合物電介質(zhì)和無機電介質(zhì)或有機電介質(zhì)。
4.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述厚絕緣層是聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯(BCB)、SU8或這些電介質(zhì)的組合。
5.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述粘合層是導(dǎo)熱的。
6.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述粘合層選自焊料和絕緣膠。
7.權(quán)利要求6的II1-N器件，其中所述粘合層是基于金屬的焊料。
8.權(quán)利要求1的II1-N 器件，其中所述鈍化層選自氮化硅、氮化鋁、二氧化硅、氧化鋁、聚合物電介質(zhì)和無機電介質(zhì)或 有機電介質(zhì)。
9.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述鈍化層與所述厚絕緣層具有基本上相同的組成。
10.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述鈍化層與所述厚絕緣層的組合使所述II1-N層的表面鈍化。
11.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述高導(dǎo)熱性載體選自多晶碳化硅、硅、氮化鋁、金屬或金剛石。
12.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述高導(dǎo)熱性載體為至少100微米厚。
13.權(quán)利要求1的II1-N器件，其還包含與所述II1-N層相鄰的基材。
14.權(quán)利要求13的II1-N器件，其中所述基材選自硅、碳化硅、藍寶石和氮化鋁。
15.權(quán)利要求13的II1-N器件，其還包含在所述基材與所述II1-N層之間的成核層。
16.權(quán)利要求15的II1-N器件，其還包含在所述成核層與所述II1-N層之間的應(yīng)力管控層。
17.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述電極是柵極，并且所述器件是晶體管。
18.權(quán)利要求17的II1-N器件，其還包含源極、漏極和在所述II1-N層中的溝道，其中所述源極和漏極接觸所述溝道。
19.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述II1-N層包含溝道層和阻擋層。
20.權(quán)利要求1的II1-N器件，其中所述電極是陽極或陰極，并且所述器件是二極管。
21.權(quán)利要求20的II1-N器件，其中所述二極管是橫向器件。
22.權(quán)利要求1的II1-N器件，其還包含在所述厚絕緣層與所述鈍化層之間的第二介電絕緣層。
23.權(quán)利要求22的II1-N器件，其中所述第二介電絕緣層選自氮化硅、氮化鋁、氧化硅、氧化招、聚合物電介質(zhì)和無機電介質(zhì)或有機電介質(zhì)。
24.權(quán)利要求22的II1-N器件，其中所述第二介電絕緣層為約0.5-5微米厚。
25.權(quán)利要求22的II1-N器件，其中所述厚絕緣層為至少I微米厚。
26.權(quán)利要求22的II1-N器件，其中所述厚絕緣層為約1-50微米厚。
27.權(quán)利要求22的II1-N器件，其中所述厚絕緣層與所述第二介電絕緣層的組合厚度足以支持顯著工作電壓。
28.權(quán)利要求22的II1-N器件，其中所述第二介電絕緣層的導(dǎo)熱性低于所述厚絕緣層的導(dǎo)熱性。
29.權(quán)利要求22的II1-N器件，其中所述厚絕緣層與所述第二介電絕緣層的組合導(dǎo)熱性足以從所述II1-N器件消散顯著熱量。
30.權(quán)利要求22的II1-N器件，其中所述第二介電絕緣層是氮化硅，并且所述厚絕緣層是氮化鋁。
31.權(quán)利要求30的II1-N器件，其中所述高導(dǎo)熱性載體是氮化鋁。
32.制造II1-N器件的方法，所述方法包括: 在基材上形成第一結(jié)構(gòu)，所述第一結(jié)構(gòu)包含具有電極的II1-N器件，以及在所述II1-N器件的與所述基材對面的表面上的絕緣層； 通過向高導(dǎo)熱性載體施加粘合層來形成第二結(jié)構(gòu)；以及 將所述第二結(jié)構(gòu)的粘合層粘合于所述第一結(jié)構(gòu)的絕緣層。
33.權(quán)利要求32的方法 ，其還包括去除所述基材的步驟。
34.權(quán)利要求33的方法， 其還包括在所述II1-N層的與所述鈍化層對面的一側(cè)上沉積第二鈍化層。
35.權(quán)利要求34的方法，其還包括形成穿過所述第二鈍化層的通路。
36.權(quán)利要求35的方法，其還包括在所述通路中沉積導(dǎo)電材料。
37.1I1-N器件，其包含: 具有一定厚度的基材； 與所述基材相鄰的II1-N層； 與所述II1-N層相鄰并在與所述基材對面的一側(cè)上的電極；以及 穿過所述基材的整個厚度的孔隙。
38.權(quán)利要求37的II1-N器件，其中所述基材選自硅、碳化硅、藍寶石和氮化鋁。
39.權(quán)利要求37的II1-N器件，其中所述電極是柵極、源極或漏極，并且所述器件是晶體管。
40.權(quán)利要求37的II1-N器件，其中所述孔隙在所述電極的對面。
41.權(quán)利要求37的II1-N器件，其中所述II1-N層包含溝道層和阻擋層。
42.權(quán)利要求41的II1-N器件，其中所述溝道層在所述阻擋層與所述基材之間。
43.權(quán)利要求42的II1-N器件，其中所述溝道層具有一定厚度，并且所述孔隙穿過所述基材的整個厚度但是不穿過所述溝道層的整個厚度。
44.權(quán)利要求37的II1-N器件，其中所述電極是陽極或陰極，并且所述器件是二極管。
45.權(quán)利要求44的II1-N器件，其中所述二極管是橫向器件。
46.權(quán)利要求37的II1-N器件，其還包含位于所述孔隙中并與所述II1-N層相接觸的鈍化層。
47.權(quán)利要求46的II1-N器件，其中所述鈍化層為約0.5-20微米厚。
48.權(quán)利要求46的II1-N器件，其中所述鈍化層延伸在所述基材的與所述II1-N層對面的一側(cè)上。
49.權(quán)利要求48的II1-N器件，其還包含與所述II1-N層的對面一側(cè)上的鈍化層相接觸的導(dǎo)熱層。
50.權(quán)利要求49的II1-N器件，其中所述導(dǎo)熱層是散熱片。
51.權(quán)利要求46的II1-N器件，其中所述鈍化層的導(dǎo)熱性足以從所述II1-N器件消散顯著熱量。
52.權(quán)利要求46的II1-N器件，其中所述鈍化層選自氮化硅、氮化鋁、二氧化硅、氧化招、聚合物電介質(zhì)和無機電介質(zhì)或有機電介質(zhì)。
53.權(quán)利要求46的II1-N器件，其中所述鈍化層使與所述孔隙相鄰的II1-N層的表面鈍化。
54.制造II1-N器件的方法，所述方法包括: 在具有一定厚度的基材上形成包含具有電極的II1-N器件的結(jié)構(gòu)，所述電極在所述II1-N器件的與所述基材對面的表面上；以及 形成穿過所述基材的整個厚度的孔隙。
55.權(quán)利要求54的方法，其中所述孔隙在所述電極的對面。
56.權(quán)利要求55的方法，其 還包括在所述孔隙中沉積鈍化層。
【文檔編號】H01L21/335GK103493206SQ201280014875
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年1月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月2日
【發(fā)明者】普里米特·帕里克, 尤瓦扎·多拉, 吳毅鋒, 烏梅什·米什拉, 尼古拉斯·費希滕鮑姆 申請人:特蘭斯夫公司