包含多晶化学气相沉积钻石的化合物半导体装置结构制造方法及图纸

本发明专利技术揭露了一种半导体装置结构，其包含：单晶化合物半导体材料层；以及多晶化学气相沉积钻石材料层，其中该多晶化学气相沉积钻石材料层经由厚度小于25nm、厚度变化不大于15nm的接合层与该单晶化合物半导体材料层接合，其中通过该单晶化合物半导体材料层与该多晶化学气相沉积钻石材料层之间的接口处的瞬态热反射所测量的有效热边界电阻(TBReff)小于25m

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含多晶化学气相沉积钻石的化合物半导体装置结构
本专利技术的某些实施例涉及化合物半导体装置结构和制造方法，其包含在化合物半导体和多晶化学气相沉积钻石之间具有低热边界电阻的多晶化学气相沉积钻石。本专利技术的主要应用是大功率电子和光电装置的热管理。
技术介绍
半导体装置和电路中的热管理是任何可制造且具有成本效益的电子和光电产品(如光生成和电信号放大)的关键设计元素。高效热设计的目标是降低这种电子或光电装置的工作温度，同时最大限度地提高性能(功率和速度)和可靠性。这种装置的实例是微波电晶体，发光二极管和半导体激光器。根据操作频率和功率要求，这些装置通常由硅(silicon)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)制造，且近年来也由氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及其他间隙半导体制造。特别地，氮化镓材料系统产生具有高电子迁移率(高速操作所必需的)、高击穿电压(高功率所必需的)和高于砷化镓，磷化铟或硅的热导率的微波电晶体，因此有利于在大功率应用中使用。氮化镓也用于制造蓝光和紫外线激光器和发光二极管。尽管具有高温性能，但由于通常用于生长氮化镓的基板的相对较低的耐热性(thermalresistance)，氮化镓电子和光电子装置的性能受到限制。这种缺陷在大功率微波及毫米波电晶体以及放大器中最为显著，其中减少冷却要求和更长的装置寿命都受益于较低的接面温度(junctiontemperature)，这是非常关键的需求。在大功率蓝光和紫外激光器中也出现了类似的需求，其中几微米宽的激光模槽条(cavitystripe)通过低导热性材料将功率耗散到晶片中。众所周知，当考虑等向行为(isotropicbehaviors)时，钻石是人类在室温下已知的最导热的物质。因此，自从1980年代通过化学气相沉积技术商业化人造钻石，半导体工业一直采用钻石散热器和散热器来改良热管理。最佳热管理的目标是使钻石散热器或钻石层紧靠电子或光电装置中的热源。这意味着在薄的晶片上构建装置，并安装在钻石散热器、具有钻石层的涂层装置上、或将装置外延层(epilayers，即外延生长的半导体层)转移到钻石上。钻石氮化镓(GaN-on-diamond)技术和所得到的装置(描述于美国专利7,595,507中)涉及具有从化学气相沉积钻石基板小于1微米的氮化镓外延层的结构。该技术可将最佳热导体(钻石)与基于氮化镓(GaN)和氮化镓相关化合物的电子和光电子装置接合在一起，同时最小化与例如更常见的半导体-焊料-钻石(semiconductor-solder-diamond)附着相关联的任何热障碍方案。由于氮化镓的固有高临界电场和宽带隙(bandgap)，氮化镓装置对于高功率电子和光电子应用是比较理想的，例如高功率RF电晶体和放大器、功率管理装置(肖特基二极管(Schottkydiodes)和开关电晶体)以及高功率蓝光和紫外线激光器或发光二极管。氮化镓目前在几种不同的基板上生长：蓝宝石、硅、碳化硅、氮化铝、单晶钻石和氮化镓基板。除了氮化镓基板之外，所有其它材料都具有不同于氮化镓和氮化铝镓(AlGaN)的晶格常数(latticeconstants)。天然钻石是一种优秀的热导体，但是由于其可用面积、低纯度人造钻石的热性能降低、以及成本，因此这些应用尚不可用。目前，人造钻石的制造具有不同程度的结晶度。通过化学气相沉积(CVD)沉积的多晶钻石适用于半导体工业，因为其导热率接近于单晶钻石，其可以提供电隔离、具有低介电损耗、并且可以制成透明的。用于半导体工业的化学气相沉积钻石基板可以形成为具有标准直径的圆形晶片。钻石晶片通过三种主要方法之一的化学气相沉积制造：等离子体增强钻石化学气相沉积，其中解离反应物的能量来自微波源；热辅助钻石化学气相沉积，其中解离气体的能量来自热丝；以及等离子体使用高直流电压加速离子。在这些方法中，人造钻石生长在非钻石基板之上，例如硅、氮化硅、碳化硅和不同的金属。化学气相沉积钻石生长制程在真空室中进行，在真空室内设置有在其上生长钻石的基板。将基板暴露于解离在基板表面上形成钻石所需的前驱气体分子所需的能量源。钻石的化学气相沉积中所需的前驱气体是在氢气(H2)中稀释的碳源。典型的碳载气体是甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、一氧化碳(CO)和乙炔(C2H2)，其中甲烷(CH4)是最常用的。高效钻石沉积所需的气体组合在氢中含有少量(几％)的碳载气成分，并且可以通过添加氧或氧前驱体如CO或CO2来进一步辅助反应。根据碳载气流量和氢气流量的莫耳比率(molarratio)，给出了指定气流配方的最常用参数。例如，以[CH4]/[H2]的百分比计，其中[CH4]和[H2]通常以每分钟标准立方厘米(sccm)测量的莫耳流速。沉积制程中的典型基板温度为550℃至1200℃，沉积速率通常以每小时微米(μm)测量。人造钻石在非钻石基板上的生长包含表面制备阶段和成核(nucleation)阶段，其中调整条件以增强主体(非钻石)基板上的钻石晶体的生长。这通常是通过以受控和可重复的方式用钻石粉末接种(与基板划伤相连)的表面来完成的。在生长阶段，人造钻石的颗粒尺寸增加，结果人造钻石薄膜在沉积后固有地粗糙。钻石的成核通常以非常小的钻石域嵌入非钻石矩阵中开始，其在近基板区域中的导热性差。在现有技术中已经讨论了各种接种，包含机械、超声波和超声波接种在各种基板和晶片上的成核层。基于氮化镓的高电子迁移率电晶体(GaN-basedHEMTs)中增加的高功率密度使热管理非常重要。具有高导热性的化学气相沉积多晶钻石与现有技术的碳化硅基板相比，在装置接面附近提供了优异的除热能力。最新的钻石氮化镓高电子迁移率电晶体已经表现出优异的装置特性[D.C.Dumkaetal.,IEEEElectronLett.49(20),1298(2013)]，并可扩展到4英寸晶圆[D.Francisetal.,DiamondRel.Mater.19(2-3),229(2010)]。这种钻石氮化镓技术从硅或碳化硅上的金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的氮化铝镓/氮化镓外延层开始，并且涉及沉积薄的介电接种层(dielectricseedinglayer)，其可为非结晶(amorphous)或多晶(例如碳化硅、硅、氮化硅、氮化铝、氧化镁、氮化硼或氧化铍)和暴露的氮化镓上的化学气相沉积钻石，在去除天然氮化镓生长基板和过渡层之后[D.C.Dumkaetal.,IEEEElectronLett.49(20),1298(2013)；D.Francisetal.,DiamondRel.Mater.19(2-3),229(2010)]。介电接种层既用作钻石材料的成核层，也用作钻石生长期间的氮化镓的保护层。因此，介电接种层必须足够厚以实现这些功能。然而，钻石生长的介电中间层和初始成核层在氮化镓/钻石接面处产生有效的热边界电阻(TBReff)，这是限制钻石全部热效益的主要热障[J.W.Pomeroyetal.,Appl.Phys.Lett.104(8),083513(2014)]。迄今为止，钻石在氮化镓上的直接生长是有问题的。这主要是由于原子氢与暴露的氮化镓的反应以及随后的氮化镓基板的退化(degradation)和还原(reduction)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置结构，其特征在于，包含：单晶化合物半导体材料层；以及多晶化学气相沉积钻石材料层，其中所述多晶化学气相沉积钻石材料层经由厚度小于25nm、厚度变化不大于15nm的接合层与所述单晶化合物半导体材料层接合，其中通过所述单晶化合物半导体材料层与所述多晶化学气相沉积钻石材料层之间的接口处的瞬态热反射所测量的有效热边界电阻(TBReff)小于25m

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.18 GB 1502698.2;2014.12.18 US 62/093,7271.一种半导体装置结构，其特征在于，包含：单晶化合物半导体材料层；以及多晶化学气相沉积钻石材料层，其中所述多晶化学气相沉积钻石材料层经由厚度小于25nm、厚度变化不大于15nm的接合层与所述单晶化合物半导体材料层接合，其中通过所述单晶化合物半导体材料层与所述多晶化学气相沉积钻石材料层之间的接口处的瞬态热反射所测量的有效热边界电阻(TBReff)小于25m2K/GW，在该半导体装置结构上测量的变化幅度不超过12m2K/GW，并且其中所述单晶化合物半导体材料层具有以下特征之一或两者：电荷迁移率至少为1200cm2V-1s-1；以及片电阻不超过2.根据权利要求1所述的半导体装置结构，其特征在于，所述接合层的厚度小于20纳米、15纳米或13纳米。3.根据权利要求1或2所述的半导体装置结构，其特征在于，所述接合层的厚度至少为5纳米、8纳米、10纳米或12纳米。4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体装置结构，其特征在于，所述接合层的厚度变化不大于12纳米、10纳米、8纳米或5纳米。5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体装置结构，其特征在于，所述接合层由非晶或多晶材料形成。6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体装置结构，其特征在于，所述接合层由碳化硅、硅、氮化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化镁、氮化硼或氧化铍形成。7.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置结构，其特征在于，所述接合层由纳米结晶钻石形成。8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体装置结构，其特征在于，通过所述化合物半导体材料层与所述多晶化学气相沉积钻石材料层之间的接口处的瞬态热反射所测量的有效热边界电阻(TBReff)不超过20m2K/GW、15m2K/GW、12m2K/GW、10m2K/GW、8m2K/GW或6m2K/GW。9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体装置结构，其特征在于，在所述半导体装置结构上，通过所述单晶化合物半导体材料层与所述多晶化学气相沉积钻石层之间的接口处的瞬态热反射所测量的有效热边界电阻(TBReff)的变化不大于10m2K/GW、8m2K/GW、6m2K/GW或4m2K/GW。10...

【专利技术属性】
技术研发人员：法兰克扬蒂斯·劳，丹尼尔·法兰西斯，菲洛兹·纳瑟菲利，丹尼尔詹姆斯·推辰，
申请(专利权)人：RFHIC公司，
类型：发明
国别省市：韩国,KR