氮化鎵基半導體器件及其制造方法

專利名稱：氮化鎵基半導體器件及其制造方法
技術領域：
本公開涉及半導體器件及其制造方法，更具體地，涉及氮化鎵基半導體器件及其制造方法。
背景技術：
近來，隨著信息和通訊技術的快速發展，用于高速和大容量信號傳輸的技術正在被快速地發展。就這方面來說，隨著對個人移動電話、衛星通訊、軍事雷達、廣播通訊和通訊中繼器件的需求的增大，對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。用于控制相對高水平的功率的功率器件在包括通訊領域的許多領域中用于各種目的，正在對其進行各種類型的研究。氮化鎵(GaN)基半導體具有優良的材料性質，諸如大的能隙、高的熱穩定性和化學穩定性、高電子飽和速度( 3X107cm/sec)等，因此GaN基半導體可以不僅應用到光學器件，還可以應用到高頻和高功率電子器件。采用GaN基半導體的電子器件具有各種優點， 諸如高擊穿電場( 3X106V/cm)、高的最大電流密度、在高溫下穩定的操作特性、高熱導率等。特別地，在采用GaN基異質結結構的異質結構場效應晶體管(HFET)的情形下，由于結界面處的能帶不連續性大，所以電子可以密集地集中在結界面處，因此電子遷移率可以進一步增大。由于這樣的材料性質，GaN基半導體可以應用到高功率器件。然而，由于GaN基半導體器件通常使用具有較低熱導率的藍寶石襯底，所以GaN基半導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襯底來代替藍寶石襯底，但是SiC襯底較昂貴(比藍寶石襯底貴約10倍)，因此用于制造GaN基半導體器件的整個成本增加。此外，在使用GaN基半導體器件作為功率器件的情形下，存在與電壓耐受特性、制造工藝等相關的各種問題。

發明內容
本發明的示例實施例提供氮化鎵基半導體器件，其具有優良的散熱特性并在改善電壓耐受特性方面是有利的。本發明的示例實施例還提供了制造GaN基半導體器件的方法。根據本發明的一方面，氮化鎵(GaN)基半導體器件包括散熱襯底；和布置在散熱襯底上的異質結構場效應晶體管(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域；柵極，布置在凹陷區域中；以及源極和漏極，布置在GaN基多層的在柵極的兩個相對側的部分上，柵極、源極和漏極附接到散熱襯底。凹陷區域可以具有雙凹陷結構。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寶石襯底高的熱導率的材料。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構或多
層結構。根據本發明的另一方面，一種氮化鎵(GaN)基半導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寶石襯底高的熱導率的材料。 GaN基半導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。根據本發明的一方面，一種制造氮化鎵(GaN)基半導體器件的方法，該方法包括 在第一襯底上形成具有凹陷區域的GaN基多層；在凹陷區域中形成柵極以及在GaN基多層的在柵極的兩個相對側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。凹陷區域可以形成為具有雙凹陷結構。第二襯底可以包括具有比藍寶石襯底高的熱導率的材料。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構或多
層結構。該方法還可以包括在第二襯底上形成多個金屬焊盤。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應于源極、漏極和柵極。第一襯底可以通過使用激光剝離法去除。根據本發明的另一方面，一種制造氮化鎵(GaN)基半導體器件的方法，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寶石襯底高的熱導率的材料。第一襯底可以通過使用激光剝離法去除。


通過參照附圖詳細描述本發明的示范性實施例，本發明的以上和其它的特征以及優點將變得更加明顯，在附圖中圖1至圖3是根據本發明實施例的氮化鎵(GaN)基半導體器件的截面圖；圖4A至圖4G是示出根據本發明實施例制造GaN基半導體器件的方法的截面圖；圖5是用于描述在根據本發明實施例的制造GaN基半導體器件的方法中用于接合兩個襯底的操作的平面圖；圖6A至圖6F是用于描述在根據本發明實施例的制造GaN基半導體器件的方法中形成具有凹陷區域的GaN基薄膜的方法的截面圖；圖7和圖8是用于描述在根據本發明另一實施例的制造GaN基半導體器件的方法中形成具有凹陷區域的GaN基薄膜的方法的截面圖；圖9是根據本發明另一實施例的GaN基半導體器件的截面圖；以及圖IOA至圖IOE是示出根據本發明另一實施例的制造GaN基半導體器件的方法的截面圖。
具體實施例方式現在將參照附圖更全面地描述各個示例實施例，附圖中示出了示范性實施例。將理解，當稱一元件“連接到”或“耦接到”另一元件時，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，當稱一元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在插入元件。如此處所用的，術語“和/或”包括一個或多個所列相關項目的任何及所有組合。將理解，雖然這里可使用術語“第一”、“第二”等描述各種元件、組件、區域、層和/ 或部分，但這些元件、組件、區域、層和/或部分不應受限于這些術語。這些術語僅用于將一個元件、組件、區域、層或部分與另一元件、組件、區域、層或部分區別開。因此，以下討論的第一元件、組件、區域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區域、層或部分而不背離示范性實施例的教導。為便于描述此處可以使用諸如“在· · ·之下”、“在· · ·下面”、“下”、“在· · ·之上”、
“上”等空間相對性術語以描述如附圖所示的一個元件或特征與另一個(些)元件或特征之間的關系。將理解，空間相對性術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過來，被描述為“在”其他元件或特征“下面”或 “之下”的元件將會在其他元件或特征“之上”。這樣，示范性術語“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90度或在其他取向)，此處所用的空間相對性描述符做相應解釋。這里所用的術語只是為了描述特定實施例的目的，并非要限制示范性實施例。如此處所用的，除非上下文另有明確表述，否則單數形式“一”和“該”均旨在包括復數形式。還將理解，術語“包括”和/或“包含”，當在本說明書中使用時，指定了所述特征、整體、步驟、 操作、元件和/或組件的存在，但并不排除一個或多個其他特征、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施例，這些圖為示例實施例的理想化實施例(和中間結構)的示意圖。因而，舉例來說，由制造技術和/或公差引起的圖示形狀的變化是可能發生的。因此，本發明的實施例不應被解釋為局限于此處示出的區域的特定形狀，而是包括由例如制造引起的形狀偏差在內。例如，示出為矩形的注入區域將通常具有倒圓或彎曲的特征和/或在其邊緣處的注入濃度梯度，而不是從注入區域到非注入區域的二元變化。類似地，通過注入形成的埋入區域可以導致在埋入區域與通過其發生注入的表面之間的區域中的一些注入。因此，附圖所示的區域本質上是示意性的，它們的形狀并非要示出器件的區域的實際形狀，也并非要限制示范性實施例的范圍。除非另行定義，此處使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)都具有本發明所屬領域內的普通技術人員所通常理解的同樣的含義。還應當理解的是，術語，諸如通用詞典中所定義的那些，否則應當被解釋為具有與它們在相關領域的語境中的含義相一致的含義，而不應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，將詳細描述根據本發明實施例的氮化鎵(GaN)基半導體器件及其制造方法。在附圖中，為了清晰，層和區域的厚度被夸大。在附圖中相似的附圖標記指代相似的元件，因此將省略它們的描述。圖1示出根據本發明一實施例的氮化鎵(GaN)基半導體器件。參照圖1，異質結構場效應晶體管(HFET)器件200布置在散熱襯底100上。散熱襯底100可以是具有比藍寶石襯底的熱導率高的導熱襯底。例如，散熱襯底100可以是由如下形成的襯底金屬-非金屬(半導體)化合物，諸如Al-Si ；非金屬(半導體或陶瓷)， 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可以具有比藍寶石優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布置的凹陷區域R1。凹陷區域Rl可以具有雙凹陷結構。HFET器件200可以包括布置在GaN基多層GLl的面對散熱襯底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可以形成在凹陷區域Rl中。 因此，柵電極Gl可以具有雙凹陷柵結構。柵絕緣層Gll可以布置在柵電極Gl與GaN基多層GLl的凹陷區域Rl之間。源電極Sl和漏電極Dl可以在柵電極Gl的兩個相對側布置在 GaN基多層GLl上。換句話說，源電極Sl和漏電極Dl可以在凹陷區域Rl的兩個相對側處布置在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構或多層結構。預定的接合層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，將詳細描述GaN基多層GLl和凹陷區域Rl。GaN基多層GLl可以包括兩個或更多層，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的結晶性可以改善。因此，可以改善GaN基半導體器件的特性。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層的對應于凹陷區域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基半導體器件的操作期間由于雜質的向外擴散引起的問題。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。當第一層10具有高電阻(也就是，半絕緣性質)時，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GaN基半導體器件的特性。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。或者，附加層可以進一步布置在第二層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。由于凹陷區域R1，柵電極Gl可以具有凹陷柵結構。當柵電極Gl具有凹陷柵結構時，改變了 2DEG層的對應于柵電極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HFET器件200的電壓耐受特性。凹陷區域Rl可以具有雙凹陷結構。在凹陷區域Rl具有單凹陷結構的情形下，電場會集中在凹陷區域Rl處，因此會降低擊穿電壓。然而，如果凹陷區域Rl如本實施例中一樣形成為具有雙凹陷結構，可以降低電場的集中，因此對于加強電壓耐受特性，具有雙凹陷結構的凹陷區域Rl可以是更有利的。盡管圖1示出凹陷區域Rl形成為直到第三層30與第二層20之間的界面，但是形成凹陷區域Rl的范圍(深度)可以改變。例如，凹陷區域Rl可以如圖2所示形成為不到達第三層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凹陷區域Rl的深度而改變。例如，當凹陷區域Rl形成為具有較大的深度時，HFET器件200的閾值電壓可以在正方向上增大。因此，可以實現常關型(normally off type)器件。由于如上所述的根據本實施例的GaN基半導體器件布置在散熱襯底100上，GaN基半導體器件可以具有優良的散熱特性。此外，由于柵電極Gl的雙凹陷結構，可以增強GaN 基半導體器件的電壓耐受特性。圖4A至圖4G示出根據本發明實施例制造GaN基半導體器件的方法。參照圖4A，GaN基多層GLl可以形成在第一襯底SUBl上。第一襯底SUBl可以為例如藍寶石襯底。由于沒有襯底具有與GaN基材料相同的晶格常數和熱膨脹系數，所以GaN 基材料通常生長在藍寶石襯底上。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。可以布置緩沖層5以通過降低第一襯底SUBl和GaN基多層GLl的第一層10之間晶格常數和熱膨脹系數的差異來防止GaN基多層GLl的結晶性的惡化。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可以被當作GaN基多層GLl的一部分。GaN基多層GLl可以形成為包括兩個或更多材料層，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可以分別對應于如以上參照圖1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，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，可以對其進行各種修改。同時，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參照圖4B，凹陷區域Rl可以通過部分蝕刻GaN基多層GLl而形成。凹陷區域Rl 可以形成為具有雙凹陷結構。換句話說，凹陷區域Rl可以形成為使得凹陷區域Rl的下部具有第一寬度，而凹陷區域Rl的上部具有比第一寬度大的第二寬度。2DEG層的對應于凹陷區域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域R1。凹陷區域Rl的深度/范圍不限于圖4B中示出的那些。換句話說，如以上參照圖2和圖3所述，可以改變凹陷區域Rl的深度/范圍。參照圖4C，柵絕緣層Gll和柵電極Gl可以形成在GaN基多層GLl的凹陷區域Rl中。因此，柵電極Gl可以具有雙凹陷柵結構。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的兩個相對側的部分上。換句話說，源電極Sl和漏電極Dl可以形成在GaN基多層GLl的在凹陷區域Rl的兩個相對側的部分上。盡管沒有示出，但是歐姆接觸層可以進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可以構成HFET器件200。HFET器件200可以對應于圖1的HFET器件200。參照圖4D，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構或多層結構。參照圖4E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可以對應于圖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，藍寶石襯底)高的熱導率的導熱襯底。例如，第二襯底SUB2 可以是由如下形成的襯底金屬-非金屬(半導體)化合物，諸如Al-Si ；非金屬(半導體或陶瓷)，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可以具有比藍寶石襯底優良的散熱特性并可以比晶體SiC 襯底便宜。在兩個襯底SUBl和SUB2彼此附接之前，預定的接合層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。接合操作可以在預定的溫度進行。圖4E和圖4F中示出的接合操作可以以晶片級進行。換句話說，如圖5所示，第一襯底SUBl和第二襯底SUB2可以以晶片級接合。參照圖5，由源電極Si、漏電極Dl和柵電極Gl構成的多個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 構成的多個第二圖案布置在處于晶片階段的第二襯底SUB2上，兩個襯底SUBl和SUB2可以接合到彼此。由于可以通過以晶片級進行襯底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。由于這樣的改變在本領域是已知的，所以將省略其詳細描述。在圖5中，附圖標記Kl和K2表示用于在接合操作期間對準兩個襯底SUBl和SUB2的位置的對準標記。參照圖4G，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域是公知的，所以將省略其詳細描述。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結構的GaN基半導體器件，其布置在散熱襯底(也就是，第二襯底SUB》上并具有優良的散熱特性和改善的電壓耐受特性。在上述形成GaN基半導體器件的方法中，形成凹陷區域Rl (圖4B)的方法可以改變。下面將參照圖6A至圖6F來描述其示例。參照圖6A，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。
參照圖6B，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。其結果在圖6C中示出。參照圖6D，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的在兩個相對側的端部可以被第二掩模圖案MP2覆
至
ΓΤΠ ο參照圖6E，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。其結果在圖6F中示出。參照圖6F，形成具有雙凹陷結構的凹陷區域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形成具有雙凹陷結構的凹陷區域R1’的第三層30’的情形下，可以容易地控制凹陷區域R1’的深度。此外，可以容易地控制凹陷區域R1’的底表面到2DEG層之間的距離(厚度)。因此，圖6A至圖6F 中示出的方法對于控制GaN基半導體器件的特性會是更有利的。各種修改可以應用于圖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的兩個相對側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，通過結合第一掩模圖案MPl 和附加掩模圖案所形成的結構可以類似于圖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，可以進行接下來的操作。預定材料層可以由與構成第三層30’的材料相同或相似的材料形成。凹陷區域的底表面與第二層20之間的距離可以基于預定材料層的厚度來決定。因而，可以獲得如圖2所示的凹陷區域Rl不到達第二層20的結構。其示例在圖7中示出。在圖7中，附圖標記四表示預定材料層。此外，通過使用圖6A至圖6F所示方法的變型，可以獲得以上參照圖3描述的結構，也就是其中凹陷區域Rl穿透第三層30并延伸到第二層20中的結構。其示例在圖8中示出。圖9示出根據本發明另一實施例的GaN基半導體器件。根據本實施例的GaN基半導體器件包括肖特基二極管結構。參照圖9，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可以分別對應于圖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。根據構成陽極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。或者，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構或多層結構。圖IOA至圖IOE示出根據本發明另一實施例的制造GaN基半導體器件的方法。參照圖10A，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可以分別對應于圖1的第一層10、第二層20和第三層30。參照圖10B，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可以構成肖特基二極管器件300。參照圖IOC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可以對應于圖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，藍寶石襯底)高的熱導率的導熱襯底。在兩個襯底SUBl和SUB2彼此附接之前，預定接合層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在預定溫度進行。參照圖10E，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域是眾所周知的，將省略對其的詳細描述。接著，盡管沒有示出，但是如果需要，可以去除緩沖層5。盡管已經參照本發明的示范性實施例具體示出并描述了本發明，但是本領域普通技術人員將理解，可以在其中進行形式和細節上的各種變化而不背離本發明的精神和范圍，本發明的范圍由權利要求書定義。
權利要求
1.一種氮化鎵基半導體器件，包括 散熱襯底；異質結構場效應晶體管器件，布置在所述散熱襯底上， 其中所述異質結構場效應晶體管器件包括 氮化鎵基多層，具有靠近所述散熱襯底的凹陷區域； 柵極，布置在所述凹陷區域中；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相對側的部分上， 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.如權利要求1所述的氮化鎵基半導體器件，其中所述凹陷區域具有雙凹陷結構。
3.如權利要求1所述的氮化鎵基半導體器件，其中所述氮化鎵基多層包括2維電子氣層。
4.如權利要求1所述的氮化鎵基半導體器件，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.如權利要求4所述的氮化鎵基半導體器件，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.如權利要求4所述的氮化鎵基半導體器件，其中所述凹陷區域形成在所述AlyGai_yN 層上或者跨越所述Aly^vyN層和所述AlxGai_xN層形成。
7.如權利要求1所述的氮化鎵基半導體器件，其中所述散熱襯底包括具有比藍寶石襯底高的熱導率的材料。
8.如權利要求7所述的氮化鎵基半導體器件，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.如權利要求1所述的氮化鎵基半導體器件，還包括在所述散熱襯底與所述異質結構場效應晶體管器件之間的接合層。
10.如權利要求1所述的氮化鎵基半導體器件，還包括鈍化層，該鈍化層布置在所述散熱襯底與所述異質結構場效應晶體管器件之間并覆蓋至少部分所述異質結構場效應晶體管器件，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構或多層結構。
11.一種氮化鎵基半導體器件，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.如權利要求11所述的氮化鎵基半導體器件，其中所述氮化鎵基多層包括2維電子氣層。
13.如權利要求11所述的氮化鎵基半導體器件，其中所述散熱襯底包括具有比藍寶石襯底高的熱導率的材料。
14.如權利要求11所述的氮化鎵基半導體器件，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體器件的方法，該方法包括 在第一襯底上形成具有凹陷區域的氮化鎵基多層；在所述凹陷區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相對側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.如權利要求15所述的方法，其中所述第一襯底是藍寶石襯底。
17.如權利要求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.如權利要求18所述的方法，其中所述凹陷區域形成在所述Aly^vyN層上或者跨越所述Aly^vyN層和所述AlxGai_xN層形成。
21.如權利要求15所述的方法，其中所述凹陷區域形成為具有雙凹陷結構。
22.如權利要求15所述的方法，其中所述第二襯底包括具有比藍寶石襯底高的熱導率的材料。
23.如權利要求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構或多層結構。
25.如權利要求15所述的方法，還包括在所述第二襯底上形成多個金屬焊盤，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應于所述源極、所述漏極和所述柵極。
26.如權利要求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.如權利要求27所述的方法，其中所述第一襯底是藍寶石襯底。
29.如權利要求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.如權利要求27所述的方法，其中所述第二襯底包括具有比藍寶石襯底高的熱導率的材料。
31.如權利要求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
本發明提供了氮化鎵(GaN)基半導體器件及其制造方法。GaN基半導體器件可以包括布置在散熱襯底上的異質結構場效應晶體管(HFET)或肖特基二極管。HFET器件可以包括GaN基多層，具有凹陷區域；柵極，布置在凹陷區域中；以及源極和漏極，布置在GaN基多層的在柵極(或凹陷區域)的兩個相對側的部分上。柵極、源極和漏極可以附接到散熱襯底。凹陷區域可以具有雙凹陷結構。當這樣的GaN基半導體器件在被制造時，可以使用晶片接合工藝和激光剝離工藝。
文檔編號H01L29/778GK102403348SQ20111027102
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月14日 優先權日2010年9月14日
發明者李哉勛, 金基世 申請人:三星Led株式會社