氮化镓器件结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种氮化镓器件结构及其制备方法，氮化镓器件结构包括：氮化镓衬底，包括相对的第一面和第二面，氮化镓衬底中设置有自第二面朝第一面延伸的多个散热孔；功能层，设置于衬底第一面上；散热金属层，包括填充于散热孔内的多个导热金属柱以及设置于氮化镓衬底第二面上并与多个导热金属柱相连的导热金属面。本发明专利技术通过可有效将热导率低的氮化镓材料制成的器件所产生的热量导出，降低器件的结温，使器件可大功率工作。本发明专利技术可以有效提高散热孔的形成速率，进而提升工艺效率，避免了使用光阻作为刻蚀阻挡层，可有效避免光阻由于刻蚀碳化而造成的良率问题，提高工艺稳定性。提高工艺稳定性。提高工艺稳定性。

【技术实现步骤摘要】
氮化镓器件结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种氮化镓器件结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]第三代半导体材料由于能量禁带一般大于3.0电子伏，又被称为宽禁带半导体。相比于传统的硅基和砷化镓基半导体材料，宽禁带半导体(例如碳化硅、氮化镓、氮化铝及氮化铟等)由于具有特有的禁带范围、优良的光、电学性质和优异的材料性能，能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求，在汽车及航空工业、医疗、通讯、军事、普通照明及特殊条件下工作的半导体器件等方面具有十分广泛的应用前景。
[0003]氮化镓作为典型的第三代半导体材料，具有直接带隙宽等优异性能而受到广泛关注。氮化镓相较于第一代和第二代半导体材料除了具有更宽的禁带(在室温下其禁带宽度为3.4ev)，可以发射波长较短的蓝光，其还具有高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定、耐高温及耐腐蚀等特点。因此，氮化镓非常适合用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。目前，氮化镓半导体材料的研究和应用已成为全球半导体研究的前沿和热点。
[0004]然而，氮化镓导热系数仅为1.3W/cmK，比硅的热导系数(1.5W/cmK)低，更是约为碳化硅热导系数(5W/cmK)的的四分之一，因而严重限制了器件的工作功率。
[0005]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种氮化镓器件结构及其制备方法，用于解决现有技术中氮化镓热导率低散热不足而限制器件的工作功率的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种氮化镓器件结构的制备方法，包括步骤：1)提供一氮化镓衬底，包括相对的第一面和第二面；2)在所述氮化镓衬底的第一面上形成功能层；3)在所述氮化镓衬底中形成自所述第二面朝所述第一面延伸的多个散热孔；4)在所述氮化镓衬底的第二面形成散热金属层，所述散热金属层包括填充于所述散热孔内的多个导热金属柱以及设置于所述氮化镓衬底第二面上并与多个所述导热金属柱相连的导热金属面。
[0008]可选地，步骤2)及步骤3)之间还包括对所述氮化镓衬底进行减薄，将所述氮化镓衬底减薄至60μm以下。
[0009]可选地，步骤3)在所述氮化镓衬底中形成自所述第二面朝所述第一面延伸的多个散热孔的方法包括电化学腐蚀工艺和气相刻蚀工艺中的一种；
[0010]在所述电化学腐蚀工艺中，通过保护结构保护已形成的所述功能层及所述氮化镓
衬底第二面无需形成散热孔的区域，之后将氮化镓衬底浸泡在电化学溶液中并通电，以在所述氮化镓衬底的第二面形成散热孔，其中，通过控制所述氮化镓衬底的掺杂浓度及流通的电流密度控制所述散热孔的密度及直径，所述保护结构的材质包括蜡；
[0011]在所述气相刻蚀工艺中，通过保护结构保护已形成的所述功能层以及所述氮化镓衬底第二面不需要制备散热孔的区域，并在所述氮化镓衬底第二面需要制备散热孔的区域形成图形化掩膜层，然后将所述氮化镓衬底升温至700～1000℃，通过氯气刻蚀快速形成所述散热孔，所述保护结构和所述图形化掩膜层的材质包括二氧化硅。
[0012]可选地，步骤3)还包括在所述散热孔的内表面还覆盖绝缘材料层。
[0013]可选地，所述散热孔为贯穿所述氮化镓衬底；或所述散热孔未贯穿所述氮化镓衬底，且所述散热孔的深度为所述氮化镓衬底厚度的90％以上。
[0014]可选地，相邻两所述散热孔之间的间距少于或等于所述氮化镓衬底厚度的2倍。
[0015]可选地，步骤4)在所述氮化镓衬底的第二面形成散热金属层的方法包括旋涂、气相沉积、蒸镀、溅镀和电镀中的一种，所述散热金属层的材质包括铜、金、银、铟和锡中的一种。
[0016]可选地，所述功能层包括绝缘、n型或p型氮化镓层、氮化铝层、氮化铟层、氮化铝镓层、氮化铟镓层、氮化铟铝镓层中的一种或多种，由上述一或多层组成半导体结，基于所述半导体结形成半导体器件。
[0017]可选地，所述半导体器件为横向半导体结构，所述横向半导体结构包括所述半导体结以及设置于所述半导体结上的栅极结构，以及分别设置于所述栅极结构两侧的源极结构和漏极结构，通过控制所述栅极结构的电位以控制所述源极结构和漏极结构之间横向电流的导通或关闭。
[0018]可选地，所述半导体器件为垂直半导体结构，所述垂直半导体结构包括所述半导体结以及设置于所述半导体结上的栅极结构和源极结构，以及设置于所述氮化镓衬底第二面的漏极结构，通过控制所述栅极结构的电位以控制所述源极结构和漏极结构之间垂直电流的导通或关闭。
[0019]可选地，所述导热金属面与所述氮化镓衬底的第二面直接接触，以同时作为所述漏极结构。此时，在所述散热孔的内表面覆盖绝缘材料层。
[0020]可选地，所述氮化镓衬底的第二面设有未形成散热孔的漏极区域，所述漏极区域设置有所述漏极结构，所述漏极结构与所述氮化镓衬底的第二面直接接触，所述漏极区域与设置有所述散热孔的区域交错排布。此时，在所述散热孔的内表面不覆盖绝缘材料层。
[0021]本专利技术还提供一种氮化镓器件结构，所述氮化镓器件结构包括：氮化镓衬底，包括相对的第一面和第二面，所述氮化镓衬底中设置有自所述第二面朝所述第一面延伸的多个散热孔；功能层，设置于所述衬底第一面上；散热金属层，包括填充于所述散热孔内的多个导热金属柱以及设置于所述氮化镓衬底第二面上并与多个所述导热金属柱相连的导热金属面。
[0022]可选地，所述散热孔的内表面还覆盖有绝缘材料层；及/或：相邻两所述散热孔之间的间距少于或等于所述氮化镓衬底厚度的2倍；及/或：所述散热孔为贯穿所述氮化镓衬底，或所述散热孔未贯穿所述氮化镓衬底，且所述散热孔的深度为所述氮化镓衬底厚度的90％以上。
[0023]可选地，所述功能层包括绝缘、n型或p型氮化镓层、氮化铝层、氮化铟层、氮化铝镓层、氮化铟镓层、氮化铟铝镓层中的一种或多种，由上述一或多层组成半导体结，基于所述半导体结形成半导体器件。
[0024]可选地，所述半导体器件为横向半导体结构，所述横向半导体结构包括所述半导体结以及设置于所述半导体结上的栅极结构，以及分别设置于所述栅极结构两侧的源极结构和漏极结构，通过控制所述栅极结构的电位以控制所述源极结构和漏极结构之间横向电流的导通或关闭。
[0025]可选地，所述半导体器件为垂直半导体结构，所述垂直半导体结构包括所述半导体结以及设置于所述半导体结上的栅极结构和源极结构，以及设置于所述氮化镓衬底第二面的漏极结构，通过控制所述栅极结构的电位以控制所述源极结构和漏极结构之间垂直电流的导通或关闭。
[0026]可选地，所述导热金属面与所述氮化镓衬底的第二面直接接触，以同时作为所述漏极结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：1)提供一氮化镓衬底，包括相对的第一面和第二面；2)在所述氮化镓衬底的第一面上形成功能层；3)在所述氮化镓衬底中形成自所述第二面朝所述第一面延伸的多个散热孔；4)在所述氮化镓衬底的第二面形成散热金属层，所述散热金属层包括填充于所述散热孔内的多个导热金属柱以及设置于所述氮化镓衬底第二面上并与多个所述导热金属柱相连的导热金属面。2.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于：步骤2)及步骤3)之间还包括对所述氮化镓衬底进行减薄，将所述氮化镓衬底减薄至60μm以下。3.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于：步骤3)在所述氮化镓衬底中形成自所述第二面朝所述第一面延伸的多个散热孔的方法包括电化学腐蚀工艺和气相刻蚀工艺中的一种；在所述电化学腐蚀工艺中，通过保护结构保护已形成的所述功能层及所述氮化镓衬底第二面无需形成散热孔的区域，之后将氮化镓衬底浸泡在电化学溶液中并通电，以在所述氮化镓衬底的第二面形成散热孔，其中，通过控制所述氮化镓衬底的掺杂浓度及流通的电流密度控制所述散热孔的密度及直径，所述保护结构的材质包括蜡；在所述气相刻蚀工艺中，通过保护结构保护已形成的所述功能层以及所述氮化镓衬底第二面不需要制备散热孔的区域，并在所述氮化镓衬底第二面需要制备散热孔的区域形成图形化掩膜层，然后将所述氮化镓衬底升温至700～1000℃，通过氯气刻蚀快速形成所述散热孔，所述保护结构和所述图形化掩膜层的材质包括二氧化硅。4.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于：步骤3)还包括在所述散热孔的内表面还覆盖绝缘材料层。5.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于：相邻两所述散热孔之间的间距少于或等于所述氮化镓衬底厚度的2倍。6.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于：所述散热孔为贯穿所述氮化镓衬底；或所述散热孔未贯穿所述氮化镓衬底，且所述散热孔的深度为所述氮化镓衬底厚度的90％以上。7.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于：所述功能层包括绝缘、n型或p型氮化镓层、氮化铝层、氮化铟层、氮化铝镓层、氮化铟镓层、氮化铟铝镓层中的一种或多种，由上述一或多层组成半导体结，基于所述半导体结形成半导体器件。8.根据权利要求7所述的氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于：所述半导体器件为横向半导体结构，所述横向半导体结构包括所述半导体结以及设置于所述半导体结上的栅极结构，以及分别设置于所述栅极结构两侧的源极结构和漏极结构，通过控制所述栅极结构的电位以控制所述源极结构和漏极结构之间横向电流的导通或关闭。9.根据权利要求7所述的氮化镓器件结构的制备方法，其特征在于：所述半导体器件为垂直半导体结构，所述垂直半...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢敬权，殷淑仪，邓广柱，叶幸娟，
申请(专利权)人：东莞市中器集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：