基于氮化物的发热半导体器件的热管理结构的制作方法

1.本公开大体涉及热管理结构，特别是涉及基于氮化物的发热器件的热管理结构。


背景技术：

2.如本领域所知，使用宽带隙材料如gan、algan、inn、aln、inaln、scaln和各种三族(iii族)氮化物化合物的基于iii族氮化物的二极管、fet(场效应晶体管)和hbt(异质结双极晶体管)已被广泛用于高功率射频/微波应用中，因为其性能比其他常规半导体如硅和gaas好5到10倍。即使该技术和材料有可能产生更高的功率密度，但由于需要有效的热管理技术，因此功率水平会受到影响。功率器件在工作中会产生大量的热量。例如，见r.e.leoni,n.j.kolias,p.jablonski,f.altunkilic,e.johnson,and w.bourcy,“raytheon high power density gan technology”2017ieee compound semiconductor integrated circuit symposium dig.,oct 2017，该文描述显示gan晶体管可产生50w/mm的输出功率，也可产生～50w/mm的耗散热量。
3.如果产生的热量不能迅速消散，晶体管的性能会因温度升高而下降。三族氮化物材料的热导率比gaas和inp材料的高。因此，基于氮化物的材料(如gan、aln、inn和sic)成为功率器件的理想选择。例如，在其上生长gan的碳化硅(sic)衬底材料可以实现大约6倍于gaas的热耗散潜力，从而在器件在较高电压和较高电流下运行时实现较低的功率下降、较低的温度和较高的效率。然而，即使sic具有高热导率，其性能也受到热限制，这促使人们希望在器件的发热区域附近插入具有更高热导率的材料。
4.本领域还已知的是，在过去的十年里，人们一直在努力开发一种技术，以便将基于gan的功率器件与合成钻石结合起来(合成钻石是众所周知的最佳导热材料)，从而管理器件在工作中的温度上升。d.c.dumka和p.saunier,“algan/gan hemts on diamond substrate”,在proc.ieee drc conf.dig,2007,pp.31-32,g.h.jessen,j.k.gillespie,y-f.wu,g.d.via,a.crespo,d.langley,j.wasserbauer,f.faili,d.francis,d.babic,f.ejeckam,s.guo,和i.eliashevich,“algan/gan hemt on diamond technology,”在proc.ieee compound semicond.ingter.circuit symp.tech.dig.,2006,pp.271
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274,和f.ejeckam,“gan-on-diamond:a brief history,”在ieee l.eastman conf.dig,2014报道了将薄gan晶片粘结在金刚石衬底或晶片上的技术。技术上的挑战阻碍了发展，例如，由于gan和金刚石晶片之间的cte(热膨胀系数)不匹配而产生的裂缝，粘结两个晶片的困难，高温合金等工艺的兼容性，等等。


技术实现要素：

5.根据本公开，提供了一种半导体结构，其具有：晶体衬底；生长在衬底上的单晶体半导体层；以及形成在单晶体层的一部分上的发热半导体器件。所述衬底具有完全穿过其设置于发热半导体器件的下方的选定部分的孔洞，所述孔洞从所述衬底的底部部分延伸到所述单晶体半导体层。单晶体或多晶体导热材料被设置在所述孔洞中，这种材料填充所述
孔洞，并从所述衬底的底部延伸到所述半导体层，并与所述半导体层直接接触。
6.在一个实施例中，所述衬底是硅或碳化硅。
7.在一个实施例中，所述发热器件是晶体管或二极管。
8.在一个实施例中，所述半导体层是三族(iii族)氮化物。
9.在一个实施例中，所述单晶体或多晶体导热材料是金刚石、碳纳米管或石墨烯或其组合。
10.在一个实施例中，所述金刚石是化学气相沉积金刚石、纳米晶体金刚石(ncd)涂层或烧结金刚石粉末。
11.在一个实施例中，所述碳纳米管(cnt)通过化学气相沉积或外延生长形成。
12.在一个实施例中，所述石墨烯通过化学气相沉积或外延生长形成。
13.在一个实施例中，提供了一种半导体结构，所述半导体结构具有：晶体衬底；生长在所述衬底上的单晶体半导体层；以及形成在所述单晶体层的一部分上的发热半导体器件。所述衬底具有完全穿过其设置于所述发热半导体器件的下方的选定部分的孔洞，所述孔洞从所述衬底的底部部分延伸到所述单晶体半导体层。单晶体或多晶体导热材料被设置在所述孔洞中，这种材料填充所述孔洞并从所述衬底的底部延伸到所述单晶体半导体层并与所述单晶体半导体层直接接触。
14.在一个实施例中，提供了一种半导体结构，所述半导体结构具有：硅或碳化硅衬底；设置在所述衬底上的三族氮化物层；以及具有源极区、漏极区和设置在所述源极区与所述漏极区之间的栅极区的场效应晶体管，所述场效应晶体管被形成在氮化物层上。所述衬底具有完全穿过的孔洞，所述孔洞从所述衬底到所述三族氮化物层并且位于所述源极区、漏极区和栅极区的下方。诸如金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合之类的导热材料被设置在所述孔洞中，并填充所述孔洞并且从所述衬底的底部延伸到所述三族氮化物层并与所述三族氮化物层直接接触。
15.在一个实施例中，提供了一种半导体结构，所述半导体结构具有：硅或碳化硅衬底；设置在所述衬底上的三族氮化物层；以及异质结双极晶体管，所述异质结双极晶体管具有发射极区、基极区、集电极区和副集电极区，其设置在所述发射极区与副集电极区之间，所述异质结双极晶体管被形成在所述三族氮化物层上。所述衬底具有完全穿过其设置于所述副集电极区的下方的选定部分的孔洞。金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合填充所述孔洞，并且从所述衬底的底部延伸到所述三族氮化物层并与所述三族氮化物层直接接触。
16.在一个实施例中，提供了一种半导体结构，所述半导体结构具有：硅或碳化硅衬底；设置在所述衬底上的三族氮化物化合物层；以及p-n结二极管，所述p-n结二极管具有阳极区和阴极区，其设置在所述阳极区与所述阴极区之间，所述p-n结二极管被形成在所述三族氮化物层上。所述衬底具有完全穿过其设置于阴极区的下方的选定部分的孔洞。金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合被放置在所述孔洞中，并且填充所述孔洞并从所述衬底的底部延伸到所述三族氮化物层并与所述三族氮化物层直接接触。
17.在一个实施例中，提供了一种用于形成半导体结构的方法，所述方法包括：在sic或si衬底的顶部上生长三族氮化物层；选择性地去除设置在所述三族氮化物层的选定区域的下方的sic或si的部分，这种蚀刻终止于所述三族氮化物层；以及利用金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合填充蚀刻区域，所述金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合从所述衬底的底部
延伸到所述三族氮化物层并与所述三族氮化物层直接接触。
18.通过这样的布置，金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合被设置在有源二极管或晶体管区域(即所谓的“热区”)的下方，所述有源二极管或晶体管区域在发热半导体器件的运行期间产生最多的热量。例如，fet的“热区”位于栅极和漏极之间，其在高电压和高电流运行期间具有最高的电场。例如，hbt的“热区”位于基极和集电极之间，其在高电压和高电流运行期间具有最高的电场。因此，虽然用于基于三族氮化物的二极管、fet和hbt的常见衬底是sic和硅，并且aln或aln化合物是常见的过渡缓冲层材料，以用于在sic或si衬底的顶部上生长基于三族氮化物的活性层，根据本公开，诸如合成金刚石(cvd金刚石、纳米晶体金刚石(ncd)涂层、或烧结金刚石粉末)、碳纳米管、石墨烯或其组合之类的高导热材料在二极管、fet和hbt的活性层生长之前形成在热区下方，以使得所述三族氮化物活性层的生长以及二极管、fet和hbt的晶片制造都不会受到在带孔洞的sic或硅衬底上填充这些高导热材料的工艺和过程的影响。
19.因此，本发明人已经认识到，在发热半导体器件的下方设置合成金刚石(cvd金刚石、纳米晶体金刚石(ncd)涂层或烧结金刚石粉末)、碳纳米管、石墨烯或这些高导热材料的组合，并利用金刚石、碳纳米管、石墨烯或这些高导热材料的组合填充孔洞，使得衬底和高导热材料(如合成金刚石、碳纳米管、石墨烯或所述高导热材料的组合)之间的热应力最小。
20.本公开的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。从描述和附图以及权利要求书中可以看出本公开的其他特征、目的和优点。
附图说明
21.图1a-1f是根据本公开的场效应晶体管(fet)半导体结构在其制造的不同阶段的示意性横截面图；
22.图1c’是根据图1a-1f中工艺的备选实施例的场效应晶体管(fet)半导体结构在其制造的一个不同阶段的示意性横截面图；
23.图2是根据本公开的另一个实施例的二极管半导体结构的示意性横截面简图；
24.图3是根据本公开的另一实施例的异质结双极晶体管(hbt)半导体结构的示意性横截面简图；以及
25.图4是具有多个根据本公开的fet的单片微波集成电路(mmic)的俯视图。
26.各附图中的类似附图标记表示类似元素。
具体实施方式
27.现在参考图1a，提供了在本文中被称为衬底10的晶体晶片，此处例如为硅(si)或碳化硅(sic)。如图所示，氮化铝(aln)过渡缓冲层12外延生长在衬底10的上表面上。过渡缓冲层可以是aln、gan和algan材料的任何组合和变化。
28.现在参考图1b，完全穿过衬底的选定部分蚀刻出孔洞14，这种孔洞从衬底10的底部竖直(垂直地)延伸穿过整个衬底10直至氮化铝(aln)蚀刻停止过渡缓冲层12的底部，如图所示，使用半导体工艺，利用光刻、掩膜和蚀刻工艺来开设所述孔洞。选择性干法蚀刻技术(此处例如为六氟化硫(sf6))蚀刻掉发热器件(未示出并且待形成)的热区下面的衬底材料(sic或si)，并且蚀刻停止于从而暴露出aln蚀刻停止过渡缓冲层12的底部表面的选定部
分15，如图所示。
29.现在参考图1c，热导率比衬底10高的材料16(此处例如是指非导电的、单晶体或多晶体的、例如合成金刚石，此处例如是指化学气相沉积(cvd)金刚石)在衬底10的背部表面或底部表面上并穿过孔洞14形成，从而填充孔洞14，并直接沉积到aln过渡缓冲层12的暴露的底部部分15上，从而填充蚀刻孔洞14，如图所示。需要指出的是，文献中报道的快速cvd生长是每小时100um。如果cvd生长缓慢，则蚀刻孔洞14可以被烧结的金刚石粉末填充。纳米晶体金刚石(ncd)薄膜是另一种填充蚀刻区域的选择。如果ncd生长缓慢，则蚀刻区域可以被烧结的金刚石粉末填充，然后碳纳米管(cnt)或石墨烯层16b(图1c’)可以沉积在cvd金刚石、ncd金刚石或烧结金刚石粉末层16a的顶部上，如图1c’所示，以提供图1c中的高导热层指定材料16。
30.现在参考图1d，对其中合成金刚石、cnt、石墨烯或合成金刚石、cnt、石墨烯组合的三种高导热材料16填充孔洞14的sic或si衬底10进行打磨，以便去除栅极区下栅极触点36和漏极区下漏极触点34之间的热区17下方的孔洞14中以外的合成金刚石、cnt、石墨烯或三种高导热材料的组合16，如图1f所示。
31.现在参考图1e，aln层过渡缓冲层12的厚度可以调整，例如必要时通过生长打磨将其降低，任何一种基于三族(iii族)氮化物的有源二极管、fet和hbt半导体层结构(分别见图2和图3)都可以在其中下方孔洞中填充合成金刚石、cnt、石墨烯或这三种高导热材料的组合的sic或si上生长；更特别地以分层结构18的形式生长。例如，如图1e所示，三族氮化物结构(gan、algan、aln、ingan、scaln)。
32.现在参考图1f，此处的发热器件是有源器件，此处是场效应晶体管(fet)30，其具有源极区下源极触点32、漏极区下漏极触点34以及设置在源极区和漏极区之间的栅极区下栅极触点36。此处，在fet 30中有接地的源极触点32，所以使用任何常规的光刻背侧蚀刻工艺，通过分层结构18、aln过渡缓冲层12并通过衬底10形成了导电通孔/接地平面导体38。应该理解的是，虽然为简单起见，fet 30被显示为具有单个栅极触点36，但这种fet通常会有与共同的栅极电极相互连接的多个栅极触点，每个栅极触点被设置在源极触点和(漏极)触点之间，如图4所示。
33.如图所示，提供了常规钝化层40。需要指出的是，合成金刚石、cnt、石墨烯或这三种材料的组合16被设置在发热半导体器件fet 30的热区下方。
34.现在参考图2，此处的半导体结构是另一种类型的发热有源器件，即二极管50。因此，此处的结构50还包括碳化硅(sic)或硅(si)衬底10、氮化铝(aln)过渡缓冲层12，其中衬底10具有用合成金刚石、cnt、石墨烯或这三种高导热材料的组合填充的孔洞，如上面结合图1a-1f所述的那样形成。
35.二极管50此处例如包括位于过渡缓冲层12上的半绝缘(si)氮化镓层(gan)、位于半绝缘层51上的此处为n+gan的阴极触点层52、位于阴极触点层52上的n-gan的阴极层54、位于阴极层54上的p-gan层56。阴极触点58与阴极触点层52接触，阳极触点59与p-gan层56接触，所有这些都是通过常规工艺形成的。需要指出的是，如图所示，在层51、52、54和56之间的交界处产生了热区17。
36.现在参考图3，此处的半导体结构是另一种类型的发热有源器件，即异质结双极晶体管(hbt)60。因此，结构60此处还包括碳化硅(sic)或硅(si)衬底10、氮化铝(aln)过渡缓
冲层12，其中，衬底10具有用合成金刚石、cnt、石墨烯或这三种高导热材料的组合填充的孔洞，如上面结合图1a-1f所述的那样形成。
37.hbt 60此处例如包括位于过渡缓冲层12上的n+ingan或n+gan的集电极触点层62、位于层62上的n-gan或n-algan副集电极层64、位于层64上的n-gan或n-algan集电极层66、位于层66上的p-gan或p-ingan基极层68、位于层68上的n-gan或n-algan发射极层69。集电极触点70被形成为与集电极触点层62接触，基极触点72与层68接触，发射极触点74与发射极层69接触，所有这些都是以常规工艺形成的。需要指出的是，如图所示，在层64和62之间的交界处产生了热区17。
38.现在参考图4，mmic 90被显示为在其上表面上具有衬底10、发热有源器件(此处是多栅极配置fet 36)、无源非发热器件94(如功率合路器、功率分配器)和无源器件(如电阻和电容、微波传输线)。需要指出的是，高导热材料16(合成金刚石、cnt、石墨烯或这三种高导热材料的组合)仅仅设置在有源器件92的下方，而不设置在无源器件94的下方。
39.现在应该理解，根据本公开的半导体结构包括：晶体衬底；生长在衬底上的单晶体半导体层；形成在晶体层的一部分上的发热半导体器件；其中，衬底在其设置在发热半导体器件下方的选定部分中具有孔洞，该孔洞从衬底的底部部分延伸到单晶体半导体层；并且单晶体或多晶体导热材料被设置在孔洞中，该材料填充该孔洞并从衬底的底部延伸到半导体层并与之直接接触。该半导体结构可单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个：其中，该衬底是硅或碳化硅；其中，发热器件是晶体管或二极管；其中，半导体层是三族氮化物；其中，单晶体或多晶体是设置在该孔洞中的导热材料；其中，单晶体或多晶体是化学气相沉积金刚石、纳米晶体金刚石(ncd)、烧结金刚石粉末、碳纳米管、石墨烯，或其组合；其中，单晶体或多晶体导热材料不导电；其中，发热器件为二极管；其中，发热器件为晶体管；其中，导热材料为合成金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合。
40.现在还应该理解，根据本公开的半导体结构包括：硅或碳化硅衬底；设置在衬底上的单晶体层；多个设置在单晶体层上的有源器件和设置在衬底上的无源器件；其中，衬底在其选定部分中具有多个孔洞，所述选定部分被设置在多个有源器件的下方但不在无源器件下方的区域中；以及设置在孔洞中的单晶体或多晶体材料，所述单晶体或多晶体材料填充所述孔洞并从衬底的底部延伸到单晶体层并与之直接接触。该半导体结构还可以包括以下特征，其中，所述单晶体或多晶体材料是化学气相沉积金刚石、纳米晶体金刚石(ncd)、烧结金刚石粉末、碳纳米管、石墨烯或其组合。
41.现在还应该理解，根据本公开的半导体结构包括：晶体衬底；生长在衬底上的单晶体半导体层；形成在单晶体层的一部分上的发热半导体器件；其中，所述衬底在其选定部分中具有孔洞，所述选定部分设置在产生最多热量的发热半导体器件的发热部分的下方，所述孔洞从衬底的底部部分延伸至单晶体半导体层；以及单晶体或多晶体导热材料，所述单晶体或多晶体导热材料被设置在所述孔洞中，这种材料填充所述孔洞并从衬底的底部延伸到半导体层并与之直接接触。该半导体结构可单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个：其中，所述衬底是硅或碳化硅；其中，所述发热器件是晶体管或二极管；其中，所述半导体层是三族氮化物；其中，所述单晶体或多晶体材料是设置在孔洞中的导热材料；其中，所述导热材料是合成金刚石、石墨烯或其组合。
42.还应该理解的是，一种用于形成半导体结构的方法包括：在sic或si衬底的顶部上
生长氮化物层；选择性地去除设置在氮化物层的选定区域下方的sic或si的部分，这种蚀刻终止于氮化物层；以及利用合成金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合填充蚀刻区域。
43.现在还应该理解，根据本公开的半导体结构包括：硅或碳化硅衬底；设置在所述衬底上的三族氮化物化合物(混合物)层；异质结双极晶体管，所述异质结双极晶体管具有发射极区、基极区、集电极区和副集电极区，其设置在发射极区与副集电极区之间，该异质结双极晶体管被形成在三族氮化物层上；其中，所述衬底在其设置于副集电极区的下方的选定部分中具有孔洞；以及合成金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合，所述合成金刚石、碳纳米管、石墨烯或其组合被设置在所述孔洞中，并填充所述孔洞并且从所述衬底的底部延伸到所述三族氮化物层并与之直接接触。
44.现在还应该理解，根据本公开的半导体结构包括：硅或碳化硅衬底；设置在衬底上的三族氮化物化合物层；p-n结二极管，所述p-n结二极管具有阳极区和阴极区，其设置在阳极区与阴极区之间，所述p-n结二极管被形成在所述三族氮化物层上；其中，所述衬底在其设置于阴极区的下方的选定部分中具有孔洞；以及合成金刚石、纳米晶体金刚石(ncd)、烧结金刚石粉末、碳纳米管、石墨烯或其组合，所述合成金刚石、纳米晶体金刚石(ncd)、烧结金刚石粉末、碳纳米管、石墨烯或其组合被设置在所述孔洞中，并填充所述孔洞并且从所述衬底的底部延伸到所述三族氮化物层并与之直接接触。
45.已经描述了本公开的一些实施例。然而，可以理解的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，过渡层12可以是aln/al
x
ga
1-x
n，其中x ix为0至1的数字。本公开可以应用于sic和硅衬底的顶部上的三族氮化物化合物缓冲层和活性层材料的任何变化。因此，其他实施例也在以下权利要求的范围内。