半导体外延结构、半导体器件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体外延结构、半导体器件及其制造方法，半导体外延结构包括衬底和位于衬底上的半导体外延层，衬底与半导体外延层实现完整分离后，在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层，高导热率绝缘层的导热率高于衬底的导热率；该半导体器件包括半导体外延结构和位于半导体外延结构中半导体外延层正面上的源极、漏极、以及栅极。本发明专利技术可以实现衬底材料的重复利用，既保证了半导体外延层的晶体质量，又降低了材料成本，还省去了后续针对衬底材料的减薄工艺，简化了工艺，降低了工艺成本，提高了工艺成品率；并且高导热率绝缘层可以显著改善器件散热能力，并且避免衬底漏电和击穿问题出现，大大提高了器件的性能和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，特别是涉及一种。
技术介绍
氮化镓(GaN)半导体材料的禁带宽度比较大，基于氮化镓(GaN)半导体材料形成的异质结结构，在异质结界面处可以产生高浓度的二维电子气，并被局限于量子势井中，其电子迁移率非常高。利用此特点制作的半导体器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)具有击穿电场大、电流密度高、电子饱和漂移速度快等特点，非常适合于制作高温、高频、高压和大功率的器件，可以广泛用于射频微波领域及电力电子领域，是目前半导体器件领域的研究热点之一。 氮化镓电力电子器件广泛使用的是蓝宝石衬底。基于蓝宝石衬底的氮化镓外延层质量非常好，制作出来的器件性能优异，但是存在几个问题:第一，蓝宝石衬底成本较高，并且伴随后续减薄切割工艺而被消耗，不可重复使用，提高了材料成本；第二，针对衬底后续要进行减薄工艺，提高了工艺复杂性和工艺成本，并且影响器件成品率；第三，蓝宝石衬底导热率较差，当器件工作在大电流状态时，容易产生散热问题，进而影响器件特性和可靠性；第四，衬底材料质量控制不好容易引人衬底漏电和击穿问题，降低器件特性和可靠性。 为了解决成本问题，使用硅衬底来生长氮化镓外延层是目前研究的热点，但是仍然存在几个难点:第一，基于硅衬底的氮化镓外延层质量不如蓝宝石衬底优异，并且随着硅衬底尺寸增大，氮化镓外延层质量更加不好控制，相应的会影响制作出来的器件性能；第二，硅衬底后续也要进行减薄工艺，也存在工艺复杂性、成本及成品率问题；第三，由于硅衬底导热率也一般，也存在大电流工作状态下的散热问题；第四，由于硅衬底导电，器件在工作过程中容易引入衬底漏电或击穿问题。 目前没有一种技术可以同时解决上述所有问题，都只是针对性的改善，甚至是以牺牲其它特性作为代价的。 因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的，能同时实现降低衬底材料成本，保证外延层晶体质量，简化工艺，降低工艺成本，改善器件散热能力，避免衬底漏电和击穿，提高器件性能和可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种衬底被剥离并且在外延层背面覆盖有高导热率绝缘材料层结构的。该器件结构首先在蓝宝石衬底上生长出高质量的氮化镓外延层，在后续工艺中利用激光技术将衬底剥离掉，然后在氮化镓外延层背面覆盖高导热率的绝缘材料层，最后完成其他制造工艺，对成本与器件性能同时进行改善。 该结构同时解决了现有氮化镓电子器件中存在的多个问题: 首先，本专利技术中的蓝宝石衬底在后续工艺中通过激光技术被完整剥离，回收之后可以重复进行氮化镓外延层材料的生长，大大减小了材料成本； 第二，本专利技术中的氮化镓外延层是在蓝宝石衬底上生长的，其工艺难度小，生长技术成熟，稳定可靠，相比硅或其他衬底材料，可以保证非常优良的材料质量，基于此外延材料而制作的半导体器件特性优异，可靠性高； 第三，本专利技术中的衬底材料被剥离后，省去了后续针对衬底进行的减薄工艺，降低了工艺复杂度和工艺成本，提高了工艺成品率； 第四，本专利技术中的氮化镓外延层背面覆盖有高导热率绝缘层材料，包括类钻碳膜，金刚石膜等，其导热率非常高(金刚石的热导率约2000W/mK左右，类钻碳的热导率约600W/mK左右，碳化硅衬底的热导率约400W/mK左右，蓝宝石衬底的热导率约35W/mK左右，硅衬底的热导率约140W/mK)，大大提高了器件的散热能力，改善了因为散热问题而导致的器件性能退化或可靠性问题，类钻碳膜或金刚石膜可以通过各种CVD方法形成，也可以通过溅射或键合等方式形成，其厚度根据散热要求、在后续工艺中对外延层的支撑能力以及成本而定，具体厚度在20 μ m?200 μ m左右； 第五，本专利技术中的氮化镓外延层背面覆盖的金刚石膜或类钻碳膜等，其介电常数非常高、绝缘性好、耐高压，可以避免其他衬底材料引入的衬底漏电和击穿问题，大大提高了器件特性和可靠性。 为了实现上述目的，本专利技术实施例提供的技术方案如下: —种半导体外延结构，所述半导体外延结构为整个或部分晶圆，半导体外延结构至少包括衬底和半导体外延层，所述半导体外延层位于所述衬底上，所述衬底与半导体外延层实现完整分离后，在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层，所述高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率。 相应地，一种半导体器件，所述半导体器件包括上述的半导体外延结构和位于所述半导体外延结构中半导体外延层正面上的源极、漏极、以及位于源极和漏极之间的栅极。 作为本专利技术的进一步改进，所述衬底为氮化镓、铝镓氮、铟镓氮、铝铟镓氮、磷化铟、砷化镓、碳化硅、金刚石、蓝宝石、锗、硅中的一种或多种的组合。 作为本专利技术的进一步改进，所述高导热率绝缘层包括金刚石、类钻碳中的一种或其组合。 作为本专利技术的进一步改进，所述高导热率绝缘层的厚度为20μπι?500μπι。 作为本专利技术的进一步改进，所述半导体外延层和高导热率绝缘层之间还包括界面介质层，所述界面介质层用于增强高导热率绝缘层的材料质量和粘附性。 相应地，一种半导体器件的制造方法，所述制造方法包括以下步骤: S1、在衬底上形成半导体外延层； S2、将所述衬底与半导体外延层完整分离； S3、在所述半导体外延层背面形成高导热率绝缘层，所述高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率； S4、在所述半导体外延层上形成源极、漏极、以及位于源极和漏极之间的栅极。 作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S4在步骤S2之前完成，所述步骤S4还包括:在半导体器件正面形成保护层；所述步骤S3还包括:去除半导体器件正面的保护层。 作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2具体为: 通过激光技术将衬底与半导体外延层完整分离。 作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S3中的高导热率绝缘层通过CVD工艺、溅射工艺、键合工艺中的一种或多种的组合形成。 作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S3中还包括: 在所述半导体外延层背面进行刻蚀、腐蚀、减薄抛光工艺中的一种或多种的组合。 作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S3中还包括:在所述半导体外延层背面形成界面介质层，所述界面介质层用于增强高导热率绝缘层的材料质量和粘附性。 作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S4中还包括: 在所述半导体外延层上形成场板结构。 本专利技术具有以下有益效果: 本专利技术可以实现衬底材料的重复利用，既保证了半导体外延层的晶体质量，又降低了材料成本，还省去了后续针对衬底材料的减薄工艺，简化了工艺，降低了工艺成本，提高了工艺成品率；并且高导热率绝缘层可以显著改善器件散热能力，并且避免衬底漏电和击穿问题出现，大大提高了器件的性能和可靠性。 【附图说明】 为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 图1为现有技术中传统衬底结构的半导体器件结构截面示意图； 图2为本专利技术第一实施方式中衬底被剥离并且在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层结构的半导体器件截面示意图； 图3A-3C为本专利技术第一实施方式中衬底被剥离并且在半导体外延层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体外延结构，所述半导体外延结构为整个或部分晶圆，半导体外延结构至少包括衬底和半导体外延层，所述半导体外延层位于所述衬底上，其特征在于，所述衬底与半导体外延层实现完整分离后，在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层，所述高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率。

【技术特征摘要】
1.一种半导体外延结构，所述半导体外延结构为整个或部分晶圆，半导体外延结构至少包括衬底和半导体外延层，所述半导体外延层位于所述衬底上，其特征在于，所述衬底与半导体外延层实现完整分离后，在半导体外延层背面覆盖有高导热率绝缘层，所述高导热率绝缘层的导热率高于所述衬底的导热率。2.—种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括权利要求1所述的半导体外延结构和位于所述半导体外延结构中半导体外延层正面上的源极、漏极、以及位于源极和漏极之间的栅极。3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述衬底为氮化镓、铝镓氮、铟镓氮、铝铟镓氮、磷化铟、砷化镓、碳化硅、金刚石、蓝宝石、锗、硅中的一种或多种的组合。4.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述高导热率绝缘层包括金刚石、类钻碳中的一种或其组合。5.根据权利要求4所述的半导体器件，其特征在于，所述高导热率绝缘层的厚度为20 μ m ?500 μ m。6.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体外延层和高导热率绝缘层之间还包括用于增强高导热率绝缘层的材料质量和粘附性界面介质层。7.—种如权利要求2所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述制造方...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴轶，刘飞航，张乃千，
申请(专利权)人：苏州捷芯威半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32