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TWI538199B - 三族氮化物元件結構與形成方法 - Google Patents

三族氮化物元件結構與形成方法 Download PDF

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TWI538199B
TWI538199B TW101103390A TW101103390A TWI538199B TW I538199 B TWI538199 B TW I538199B TW 101103390 A TW101103390 A TW 101103390A TW 101103390 A TW101103390 A TW 101103390A TW I538199 B TWI538199 B TW I538199B
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帕立克波利米特
朵拉尤法拉
吳毅鋒
米喜拉鄔梅西
費希滕寶尼可拉斯
萊爾拉克許
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全斯法姆公司
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Description

三族氮化物元件結構與形成方法
本發明係關於半導體電子元件，特別是關於移除原生基板(native substrate)的元件。
諸如功率MOSFET、HEMT及絕緣閘雙極電晶體(IGBTs)之現代功率半導體元件一般係採用矽(Si)半導體材料製成。由於碳化矽(SiC)功率元件效能卓越，故近來傾向發展碳化矽功率元件。三族氮化物(III-N)半導體元件在高功率電子工程應用上具有勝過矽及碳化矽系元件的諸多潛在優勢，如今展露頭角成為能攜帶大電流、承受高電壓、提供極低電阻且以快速切換時間於高電壓下運作的有力候選元件。
由於大型III-N基板尚未普及，目前係藉由異質磊晶法於合適的異質基板(foreign substrate，即，在組成及/或晶格結構方面與該等沉積膜層實質不同的基板)上生長III-N半導體元件。通常係於矽、藍寶石(Al2O3)或碳化矽(SiC)基板上生長III-N半導體元件。施用該等III-N層的技術可包括分子束磊晶法(MBE)、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)及氫化物氣相磊晶法(HVPE)。因矽基板價廉、易取得、具有大型晶圓尺寸、熱性質及易與矽基電子元件整合，故矽基板漸成為III-N元件之特別有力的候 選基板。由於矽與III-N材料之間有著相當大的晶格不匹配性及熱膨脹係數差異，III-N元件結構通常含有成核層和應力管理層(stress management layer)，以允許生長厚III-N層。
第1圖圖示典型的習知III-N高電子移動率電晶體(HEMT)，該電晶體包含異質基板10(例如矽)、位於該基板上的成核層9(例如AlN或AlxGa1-xN)、位於該成核層上的應力管理堆疊8(例如AlN/GaN或AlxGa1-xN/GaN超晶格)、通道層11(例如位於該應力管理堆疊8上的GaN層)及阻障層12(例如位於該通道層上的AlxGa1-xN層)。在該通道層11內於靠近該通道層11與阻障層12間之界面處誘發形成二維電子氣體(2DEG)通道19(如虛線所圖示)。源極和汲極14、15分別形成於閘極16的相反兩側上，且源極和汲極14、15與位於通道層11內的2DEG通道19接觸。閘極16調節該2DEG位於閘極區域內的部分，即位於閘極16正下方的2DEG部分。絕緣層13(例如位於阻障層12上的SiN層)係表面鈍化層，該表面鈍化層能防止或抑制該絕緣層13與該阻障層鄰接之表面處的電壓波動。
於異質基板10上異質磊晶成長或沉積該元件之該等III-N磊晶層必需在基板10與通道層11之間設置多層中間層，該等中間層包含成核層9及應力管理堆疊8，以使III-N元件層與異質基板10間之熱和晶格不匹配性的危害效果(例如在該等層內形成缺陷和應力)減至最小。 然而，此等中間層通常具有高度集結的差排(dislocation)、陷捕中心(trapping center)及其他缺陷，此等缺陷可能有損元件效能。當於操作期間對該元件施加電壓時，此等缺陷可能捕捉電荷(即，具有可能吸引並束縛電子的電位，使得該等被束縛的電子無法貢獻給該元件中的電流或造成不穩定，例如造成臨界電壓波動)。因此，該等成核層和應力管理層可造成電流-電壓特性不同於該元件不含此等膜層時所觀察到的電流-電壓特性。
移除下方的異質基板10之後，可觸及並移除該等成核層9和應力管理堆疊8，且發現該等成核層9及應力管理堆疊8的移除可能使元件具有對於高電壓III-N元件應用而言極為重要的卓越元件效能。移除此等膜層可使元件能夠於高電壓下運作又不會遭遇實質陷捕、漏電或早期崩潰效應，故而優於該等尚未去除原生基板和應力管理層的III-N元件。
於一態樣中，係描述一種III-N元件，該III-N元件包含層上具有電極之III-N層、與該III-N層和該電極鄰接之鈍化層、與該鈍化層和該電極鄰接之厚絕緣層、能傳遞大量的熱離開該III-N元件的高熱傳導性載體及位於該厚絕緣層和該載體之間的接合層。該接合層使該厚絕緣層附著至該載體。
下述之一或多者可適用於本案中描述之該等元件。該厚絕緣層可為至少1微米厚。該厚絕緣層可為氮化矽、氮化鋁、氧化矽、氧化鋁、聚合物介電質及有機或無機介電質。該厚絕緣層可為聚醯亞胺、苯并環丁烯(benzocyclobutene，BCB)、SU8或此等介電質之組合物。該接合層可為熱傳導性。該接合層可為焊料及介電黏著劑。該接合層可為金屬系焊料(metal-based solder)。該鈍化層可為氮化矽、氮化鋁、二氧化矽、氧化鋁、聚合物介電質及無機或有機介電質。該鈍化層與該厚絕緣層可具有實質相同之組成。該鈍化層與該厚絕緣層之組合可鈍化使該III-N層之表面。該高熱傳導性載體可為多晶碳化矽、矽、氮化鋁、金屬或鑽石。該高熱傳導性載體可為至少100微米厚。該III-N元件可包含基板。該基板可鄰接該III-N層。該基板可為矽、碳化矽、藍寶石及氮化鋁。該III-N元件可包含位於該基板與該III-N層之間的成核層。該III-N元件可包含位於該成核層與該III-N層之間的應力管理層。該電極可為閘極，且該元件可為電晶體。該III-N元件可包含源極及位於該III-N層內的通道，且該源極和該汲極可接觸該通道。該III-N層可包含通道層及阻障層。該電極可為陽極(anode)或陰極(cathode)，且該元件可為二極體。該二極體可為側向式元件。
於某些實施例中，該III-N元件可包含位於該厚絕緣層與該鈍化層之間的第二介電絕緣層。該第二介電絕緣層 可為氮化矽、氮化鋁、氧化矽、氧化鋁(alumina)、聚合物介電質及無機或有機介電質。該第二介電絕緣層之厚度可介於約0.5微米至5微米。該厚絕緣層可為至少1微米厚。該厚絕緣層之厚度可介於約1微米至50微米。該厚絕緣層與該第二介電絕緣層之合併厚度可足以承受實質操作電壓。該第二介電絕緣層之熱傳導性可小於該厚絕緣層之熱傳導性。該厚絕緣層與該第二介電絕緣層之合併熱傳導性可足以使該III-N元件散掉大量的熱。該第二介電絕緣層可為氮化矽，且該厚絕緣層可為氮化鋁。該高熱傳導性載體可為氮化鋁。
於另一態樣中，係描述一種製造三族氮化物元件之方法。該方法包含於基板上形成第一結構，該第一結構包含具有電極之三族氮化物(III-N)元件及絕緣層，且該絕緣層位於該III-N元件之與該基板相反的表面上。於形成該第一結構後，藉由在高熱傳導性載體上施用接合層而形成第二結構。該第二結構之該接合層係與該第一結構之該絕緣層接合。
該方法之一或多個具體實施例可包含下述特徵之一或多者。該方法可包含移除該基板。在該III-N層之與該鈍化層相反的一面上可沉積第二鈍化層。可形成貫穿該第二鈍化層的通孔(via)。可於該通孔內沉積導電材料。
於另一態樣中，係描述一種III-N元件，該III-N元件包含具有一厚度的基板、與該基板鄰接的III-N層、電極(該電極係在與該基板相反的一面上與該III-N層鄰接) 及貫穿該基板之全部厚度的開孔。
下述之一或多者可適用於本案中描述之所有元件。該基板可為矽、碳化矽、藍寶石及氮化鋁。該電極可為閘極、源極或汲極，且該元件可為電晶體。該開孔係位於該電極之反面處。該III-N層可包含通道層及阻障層。該通道層可位於該阻障層與該基板之間。該通道層可具有一厚度，且該開孔可貫穿該基板之全部厚度但未貫穿該通道層之全部厚度。該電極可為陽極或陰極，且該元件可為二極體。該二極體可為側向式元件。該III-N元件可包含位於該開孔內並與該III-N層接觸的鈍化層。該鈍化層之厚度可介於約0.5微米至20微米之間。該鈍化層延伸覆蓋(extend over)在該基板之與該III-N層相反的一面上。該III-N元件可包含熱傳導層，該熱傳導層在與該III-N層相反的一面上接觸該鈍化層。該熱傳導層可為散熱片。該鈍化層之熱傳導性可足以使該III-N元件散掉大量的熱。該鈍化層可為氮化矽、氮化鋁、二氧化矽、氧化鋁、聚合物介電質及無機或有機介電質。該鈍化層可使該III-N層之與該開孔鄰接的表面鈍化。
於另一態樣中，係描述一種製造III-N元件之方法。該方法包含於基板上形成一結構，該基板具有一厚度，該結構包含具有電極之III-N元件，且該電極位於該III-N元件之與該基板相反的表面上。於形成該結構之後，形成貫穿該基板之全部厚度的開孔。
該方法之一或多個實施例可包含下述特徵之一或多項 特徵。該開孔可位於該電極之反面處。可於該開孔內沉積鈍化層。
介電絕緣層通常需製做得夠厚，以承受元件運作期間該等介電絕緣層內的高電場，且通常必需控制該等介電絕緣層之厚度，使得該等介電絕緣層之熱傳導性足以散掉大量的熱，以確保元件崩潰電壓和其他元件參數的再現性。本案所述之該等技術可達到充分地精確控制III-N元件內之熱傳導作用，特別是當需要進行高電壓運作時更是如此，且因此使用此製程進行再現性之製造是可行的。
本發明描述可再現地製造之半導體元件，例如HEMT及二極體。本發明之一實施例係一種含有實質厚度之載體的III-N半導體元件。該載體可允許於該元件中提供附加之散熱途徑且不會降低該元件之崩潰電壓。於一實施例中，最初供元件於上方進行成長或沉積的基板係經移除。於此實例中，該載體亦可於基板移除處理過程中提供結構性支撐。當用於本案中，「基板」係一種半導體材料層，於該半導體材料層頂部上可沉積(例如磊晶生長)半導體元件的其他半導體材料層，使得所生長之半導體材料與該基板接觸或鄰接處的晶體結構至少部分地與該基板之晶體結構一致，或至少部分係由該基板之晶體結 構所決定。當用於本案中，「原成長基板(as-grown susbtrate)」係最初供該III-N元件於上方進行沉積的基板。於某些實施例中係完全移除原成長基板，且於某些實施例中係部份移除原成長基板。
當用於本案中，「元件面(device face)」一詞意指半導體晶圓、磊晶層或其他層之在上方形成電極而與該元件形成歐姆及/或蕭特基氏及/或金屬-絕緣體-半導體(MIS)接觸的表面。該「反面(reverse face)」係位於與該元件面相反面處。例如，於第1圖中，該習知III-N HEMT的元件面係指分別與源極、汲極和閘極14、15與16鄰接之表面1(如箭頭所圖示者)。該III-N HEMT結構的反面係指該基板10之底部的表面2(如箭頭所圖示者)。
第2圖圖示成長於異質基板上之III-N HEMT的概要圖。當用於本案中，三族氮化物(III-N或III-nitride)元件、材料或膜層係指含有化學計量式AlxInyGazN之化合物半導體材料的元件、材料或膜層，且其中x+y+z約為1。製造於異質基板上的典型III-N元件之實例包括高電子遷移率電晶體(HEMTs)、POLFETs、MESFETs、LEDs、二極體雷射及電流開孔垂直式電子電晶體(CAVETs)。第2圖中之III-N HEMT元件包含基板10、位於該基板頂部上之成核層9及位於該成核層頂部上之應力管理堆疊8。形成於該應力管理堆疊8之頂部上的III-N層11和12係三族氮化物(III-N)材料，該等III-N材料用於形成該HEMT元件之基底。III-N層11和12具有不同組成， 該等組成係經選擇，而得以於該層11中誘導形成2DEG通道19(如虛線所圖示者)，以下該層11稱為「通道層11」。層12中的部份或所有III-N材料所具有之能帶隙大於通道層11之能帶隙，因此以下該層12稱為「阻障層12」。例如，通道層11和阻障層12可分別為GaN及AlxGa1-xN，其中x係介於0與1之間或等於1。
基板10可包含或由矽、藍寶石、AlN、SiC或適用於III-N元件中的其他異質基板形成。由於該異質基板10與III-N材料之間有著相當大的晶格不匹配性及熱膨脹係數差異，直接沉積在異質基板上的III-N磊晶層內通常具有高度缺陷集結情形(defect concentration)和應力。因此，在通道層11與基板10之間納入位於該基板10頂部上的成核層9及位於該成核層頂部上的應力管理堆疊8，以使通道層11與異質基板10間之不匹配效應減至最小位，且允許成長具有適當高結構品質的III-N元件層。
除第1圖之習知元件結構中的該等層之外，第2圖之元件包含介電絕緣層31及接合層32、33和34，該等接合層係用於使厚熱傳導性載體35附著於介電絕緣層31。介電絕緣層31係由與絕緣層13具有實質相同組成之介電材料所形成。介電絕緣層31可為氮化矽、氮化鋁、氧化矽、氧化鋁、聚合物介電質、無機或有機介電質或此等介電材料之任意組合。介電質之其他實例包括聚醯亞胺、苯并環丁烯(BCB)或SU8或此等介電質之組合。可使用化學氣相沉積法(CVD)、電漿增強化學氣相 沉積法(PECVD)、原子層沉積法(ALD)、濺射法、旋塗法或其他方法沉積介電質。載體35係厚的熱傳導性載體，例如多晶碳化矽(poly-SiC)、矽、氮化鋁、金屬或鑽石，且相較於第1圖所圖示不含載體35的元件而言，載體35可作為該元件中的附加散熱途徑又不會降低該元件之崩潰電壓。以下描述使用接合層32、33和34使載體35附著於介電絕緣層31的方法。
介電絕緣層31需具有足夠的熱傳導性，以散掉處於該III-N元件運作電壓下所產生的大量熱量。該層應能散掉夠多的熱，以免該元件退化，且進一步使該元件能充分運作。若該元件溫度不超過該元件所用之應用中的額定最大溫度，該元件便能充分運作。
介電絕緣層31結合絕緣層13能使該元件最上層表面(即，該阻障層12之表面)保持有效鈍化。當用於本案中，「鈍化層」代表成長或沉積於III-N元件之III-N層表面上的任一層或多層之組合，且該等層可在元件運作期間防止或抑制表面處的電壓波動。介電絕緣層31與絕緣層13之組合可為有效鈍化層，因為此兩層係皆由介電材料形成，且當此等層沉積於阻障層12上時，可在阻障層12之最上方表面上產生數種表面狀態，或防止阻障層12之最上方部份的表面狀態被電性活化，並具有低陷井密度，而能於元件運作期間適當地防止或抑制該等表面/界面狀態發生捕捉電荷的情形。
作為用於該元件最上層III-N表面之有效鈍化層的介 電質所具有之熱傳導性可能不比該等無法有效鈍化該III-N表面的其他介電質高。例如，SiN之熱傳導性低於AlN之熱傳導性，然而，SiN卻比AlN更能有效鈍化該III-N元件之最上方表面。因此，該介電絕緣層31之厚度係經選擇，使得該介電絕緣層31能夠於元件運作期間散掉足夠的熱，以承受該操作電壓又不會發生元件崩潰情形。若介電絕緣層31太厚，該層可能無法於元件運作期間散掉足夠的熱，而可能導致不如預期的元件效能(例如早期崩潰)及欠佳的元件可靠度。因此，介電絕緣層可小於20微米，例如介於3微米至20微米之間，或介於5微米至20微米之間。另一方面，若介電絕緣層31太薄，於元件運作期間該介電絕緣層31中所產生的電場可能太大，造成該介電材料如下述般崩潰。
介電絕緣層31亦可足夠厚，以承受餘元件運作期間存在於該層內的電場。在某些實施例中，於元件運作期間，載體35可附著於接地平面(ground plane)或其他散熱片，或該載體35或接合層32~34可為導電性，從而可調節並增強該存在於介電絕緣層31內的電場。因此，介電絕緣層31可夠厚，以確保介電絕緣層31內的電場不會超過該介電材料的崩潰電場。
因此，介電絕緣層31之厚度可為約1微米或更厚，例如介於約1微米至20微米。所需要的介電絕緣層31之厚度係取決於該元件的操作電壓(即，於操作期間該源極與汲極之間的最大電壓差)。例如，對於操作高達約100 伏特(V)而言，該厚度可約1微米或更厚，對於操作高達約300伏特而言，該厚度可約2微米或更厚，對於操作高達約600伏特而言，該厚度可約3微米或更厚，對於操作高達約1200伏特而言，該厚度可約6微米或更厚，對於操作高達約1700伏特而言，該厚度可約10微米或更厚，例如介於約10微米至20微米之間。介電絕緣層31與絕緣層13之組合實質上比第1圖中不含該介電絕緣層31之習知技術元件內的絕緣層要厚。該等組合層提供足夠高的崩潰強度，以於承受元件操作期間之高電場的同一時間內，同時作為該元件之鈍化層。
第3圖至第5圖圖示形成第2圖之元件的方法。參閱第3圖，介電絕緣層31係成長或沉積在第1圖的整個元件結構上。可藉由諸如MOCVD、PECVD、高溫CVD(HTCVD)、濺射、蒸鍍之方法或其他方法成長或沉積介電絕緣層31。
參閱第4圖，接合層32沉積在介電絕緣層31上，該接合層32可為黏著材料，例如鈦、鉑、金或其他材料。第4圖中所圖示之結構100包含第3圖之III-N元件及接合層32。表面3(如箭頭所圖示者)係該結構100之元件面的表面。
參閱第5圖，諸如鈦、鉑、金或其他黏著材料之第二接合層34係沉積於厚的熱傳導性載體35上，藉以形成結構101，其中該載體可為多晶SiC、矽、AlN、金屬或鑽石。表面4(如箭頭所圖示者)係結構101之表面，即是， 位於第二接合層34之與該載體35相反側上的表面。
為形成第2圖所圖示之結構，可翻轉該結構101使之倒置，且利用中間接合層33(例如，預成形焊料或其他材料)使該結構101之表面4附著於該結構100之表面3,以使結構100之表面3與結構101之表面4接合。
於某些實施例中，從第2圖之III-N元件結構中移除該原成長基板10、成核層9和應力管理堆疊8。於該種情況下，厚載體35不僅能使該結構散熱，還可於下述基板移除製程期間為該結構提供機械性支撐。於此情況下，載體35通常必需實質上比該等III-N層厚，故可於該基板移除製程期間提供剛性和機械性支撐。例如，載體35可為100微米或更厚、300微米或更厚，或500微米或更厚。
第6圖圖示該原成長基板10、成核層9及應力管理堆疊8經移除後的第2圖之結構。用於移除此等膜層之製程實例係如下所述。藉由研磨或利用快速浸蝕法(fast coarse etch)使第2圖所圖示之原成長基板10薄化至小於100微米。於薄化之後，可藉由蝕刻法，例如藉由溼式蝕刻法、氟化物系電漿蝕刻法、氯系電漿蝕刻法或任何不會引入實質缺陷之其他製程，移除該原成長基板10之剩餘部分、該成核層9及該應力管理堆疊8。如第6圖所圖示，於移除該原成長基板10、該成核層9及該應力管理堆疊8之後(三者皆圖示於第2圖)，暴露出位於該III-N元件之反面上的通道層11之表面5(如箭頭所圖示 者)。
如第7圖所圖示，使該元件倒置，並在通道層11之暴露表面5上沉積反面鈍化層36，該反面鈍化層36係例如氮化矽、氮化鋁、氧化矽或其他材料。隨後形成貫穿該反面鈍化層36和通道層11的通孔，且若該通孔欲連接閘極16，則該通孔貫穿阻障層12，以使該等通孔分別到達該源極、汲極和閘極14、15與16。接著以導電材料37填充該等通孔，該等通孔接觸下方的該等電極，以創造出該元件之電性接觸，可在該反面(現為第7圖之元件的頂面)上使用此等電性接觸。
於某些III-N元件實施例中，當介電絕緣層31製做得夠厚而足以防止該層內的電場變得過大時，該介電絕緣層31實際上可能太厚而無法提供足夠的熱傳導作用使該以高操作電壓全力運作之元件散掉足夠多的熱量。於此等應用中，可使用多層介電層替代該介電絕緣層31，使得該等組合介電層之每單位體積的平均熱傳導性大於該介電絕緣層31本身獨自擁有的單位體積之平均熱傳導性。
第8圖圖示一種III-N HEMT元件，該元件係位在第1圖之習知元件結構頂部上包含兩層介電層，而非第3圖中所圖示之單層介電絕緣層31。第一介電絕緣層40(例如氮化矽)係沉積於該結構之元件面上的表面1上，且沉積該第一介電絕緣層40後，於該第一介電絕緣層40上沉積第二介電絕緣層41(例如氮化鋁)，該第二介電絕緣 層41之熱傳導性大於該第一介電絕緣層40之熱傳導性。該第一介電絕緣層40結合絕緣層13能有效地鈍化該下方之III-N表面。若該第二介電絕緣層41係直接沉積在該III-N元件之最上方表面上或直接沉積在該絕緣層13之頂部上而不包含該第一介電絕緣層40，則可能無法有效鈍化該元件之最上方的III-N表面。該第一介電絕緣層40可為薄層，例如約0.5微米，或介於約0.5微米至5微米之間。該第二介電絕緣層41可約1微米或更厚，例如介於約1微米至10微米之間，或介於約1微米至20微米之間，或介於約1微米至50微米之間。介電絕緣層40可做得比介電絕緣層41薄，以使該等組合膜層的熱傳導性達到最大。該第一介電絕緣層40與該第二介電絕緣層41之合併厚度可夠大而足以承受實質操作電壓，且同時該等膜層可具有夠高的平均熱傳導性，使得該等組合膜層能夠讓該元件散掉足夠熱量。
參閱第9圖，使用合適之中間黏著層42(例如焊料、介電黏著劑或其他接合材料)使諸如AlN、矽、金屬、SiC或鑽石之厚載體43設置在該第二介電絕緣層41上。期望該黏著層42為熱傳導性，以使該元件之熱阻力任何增長可減至最小。例如，金屬系焊料之熱傳導性可能高於介電黏著劑之熱傳導性，而可能更加導熱，因此金屬系焊料係較期望使用之材料。
第10圖圖示移除該原成長基板10、成核層9和應力管理堆疊8後的第9圖之III-N元件結構。移除此等膜層 後，暴露出位於該III-N元件之反面上的通道層11之表面6(如箭頭所圖示者)。如第11圖所圖示，諸如氮化矽、氮化鋁、氧化矽或其他材料之反面鈍化層36係沉基於該暴露表面6上，且形成貫穿該反面鈍化層36的導電通孔，而使該等通孔分別到達該源極、汲極和閘極14、15與16。接著以導電材料37填充該等通孔，使該等通孔接觸下方的該等電極，以創造出該元件之電性接觸，可在該III-N元件之反面上使用此等電性接觸。
相較於第7圖之具有單層介電絕緣層31的元件，在第11圖之元件中使用兩層介電絕緣層41和42能進一步提高在元件操作期間內該III-N元件的熱能散發作用，從而比第7圖之僅具有單層介電層的元件更進一步提高元件效能和可靠度。
第7圖和第11圖所圖示之該等III-N元件已移除該等元件的原成長基板，該等元件必需包含載體，該載體具有足夠的熱傳導性以散掉進行高電壓元件運作所要求之熱量，而不會發生上述早期崩潰情形。在某些實施例中，期望僅移除部分之原成長基板(該基板上形成有III-N元件)，而非完全移除該原成長基板。在該情況下，由於該原成長基板之餘留部分能提供在高電壓操作下用於熱量散發作用所需的熱傳導率，該III-N元件可無需包含載體。移除部分之該原成長基板之步驟可減少該元件之寄生分量(parasitic component)，同時仍允許該原成長基板之餘留部分為該元件提供結構性支撐及元件運作期間的 熱散發作用。形成於導電基板(例如矽)上之III-N元件含有寄生電容，該寄生電容可使該等元件容易發生早期崩潰並降低高頻元件效能。部分移除III-N元件中之原成長基板，特別是移除內部可能有大量寄生電容之區域中的原成長基板，能降低該元件中的總寄生電容，從而提高該崩潰電壓且增進高頻元件效能。
第12圖顯示III-N HEMT元件，且該III-N HEMT元件中位於該等元件電極(包括源極14、汲極15和閘極16)下方和附近處之該等區域44內的基板10部分係經移除。由於在區域44內兩種導電材料(即，該導電基板10和該等電極)的間隔距離最小，故此等區域內的寄生電容最多。因此，移除位於該等電極下方和附近處的該基板可有利於消除或減少此等區域內的寄生電容。
如第13圖所圖示，區域44內的原成長基板10已移除，諸如SiN之鈍化層45係沉積在區域44內之通道層11的暴露表面上。鈍化層45可沉積於通道層11的暴露表面上，以完全填滿該基板已被移除的區域44，或僅部分填充區域44，且可延伸至區域44附近的區域。如第14圖所圖示，鈍化層45亦可覆蓋該原成長基板10之該等其餘部分，且在某些情況下，散熱片70係附著於鈍化層45之反面。該散熱片可用於使該元件進一步散熱。鈍化層45可夠厚，例如介於約0.5微米至20微米，或介於約10微米至20微米，或介於約15微米至20微米，以鈍化通道層11之反面的暴露表面，並承受該III-N元 件操作時的該等電壓。如第14圖所圖示般，在散熱片70連接鈍化層45之反面的情況下，鈍化層45不應如此厚，此種厚度之熱傳導性不足以在實質操作電壓下進行操作時散掉所要求的熱量，而將對元件效能和可靠度造成不良影響。
上述令III-N電晶體附著於載體以使該電晶體散熱的方法亦可實施於其他種類的III-N元件上。例如，第15圖圖示附著於載體35之III-N元件的實例，其中該III-N元件係二極體，而非第2圖所圖示之HEMT元件。第15圖所圖示之二極體包含陽極(anode)56和陰極(cathode)55，該陽極56位於阻障層12頂部上，該陰極55接觸位於通道層11內的2DEG通道19。第15圖所圖示之陰極55係單一個接觸，雖然在第15圖之剖面圖中該陰極55看似是多個接觸，然而第15圖中所圖示之陰極55的兩個部分實際上是相連的)。第15圖所圖示之二極體係側向式元件。雖然第15圖未示出，但亦可使用其他方法使該載體35連接至該二極體。舉例而言，可如第9圖中使用多層介電層取代該介電絕緣層31。如第6圖般，可各自地部分或完全移除該基板10、成核層9和應力管理堆疊8。當該基板係經移除，可如第7圖中，利用鈍化層覆蓋該暴露之III-N材料。亦可類似於第7圖中之元件般，形成貫穿該鈍化層和III-N材料的通孔，以觸及該陽極56和陰極55，且於該等通孔內沉積金屬接觸。亦可使用其他二極體結構。
可對第11圖之結構進行其他可能之添加或修飾包含以下所述者。可使用一個以上的沉積方法，於一個以上的沉積步驟中沉積第二介電絕緣層41之材料。例如，可利用化學氣相沉積或其他技術於該第一介電絕緣層40上沉積期望厚度(例如介於約0.5微米至50微米間)之第二介電絕緣層41。隨後，藉由其他方法(例如濺射法)沉積高達約10微米的第二介電絕緣層41之附加材料。接著使用黏著層42使厚絕緣載體43附著於介電絕緣層41之表面。可對第12圖之結構進行其他可能之添加或修飾包含以下所述者。可於鈍化層45之多個部分上或於全部的鈍化層45上沉積附加層，且此等附加層可能不直接接觸通道層11。例如，可於鈍化層45上沉積金屬。
應理解可對該三族氮化物材料結構做出多種修飾，只要能使用所產生之結構形成III-N HEMT元件或其他III-N元件(例如HFET、MISHFET、MOSFET、MESFET、JFET、CAVET、POLFET、HEMT、FET、二極體)或別的元件即可。例如，該結構可不含有介於該基板10與該等上方III-N層之間的該應力管理堆疊8或該成核層9。
已知有益於元件效能的其他特徵結構亦可納入第6、10和12圖之結構中。但能理解，可做出各種修飾態樣而不偏離本案所述技術和結構之精神與範圍。因此，後附請求項之範圍尚涵蓋其他實施例。
1‧‧‧表面
2‧‧‧表面
3‧‧‧表面
4‧‧‧表面
5‧‧‧表面
6‧‧‧表面
8‧‧‧應力管理堆疊
9‧‧‧成核層
10‧‧‧基板
11‧‧‧III-N層/通道層
12‧‧‧III-N層/阻障層
13‧‧‧絕緣層
14‧‧‧源極
15‧‧‧汲極
16‧‧‧閘極
19‧‧‧二維電子氣體通道
31‧‧‧介電絕緣層
32、33、34‧‧‧接合層
35‧‧‧熱傳導性載體
36‧‧‧反面鈍化層
37‧‧‧導電材料
40‧‧‧第一介電絕緣層
41‧‧‧第二介電絕緣層
42‧‧‧黏著層
43‧‧‧載體
44‧‧‧區域
45‧‧‧鈍化層
55‧‧‧陰極
56‧‧‧陽極
70‧‧‧散熱片
100‧‧‧結構
101‧‧‧結構
第1圖係習知III-N HEMT元件之概要剖面圖。
第2圖係含有一介電絕緣層、多層接合層和一厚載體之III-N HEMT元件之概要剖面圖。
第3至5圖圖示形成第2圖之III-N HEMT元件的方法。
第6和7圖係移除原成長基板、成核層及應力管理層後之III-N HEMT元件的概要剖面圖。
第8圖係含有兩層介電絕緣層之III-N HEMT元件的概要剖面圖。
第9圖係含有兩層介電絕緣層、一接合層和一厚載體之III-N HEMT元件的概要剖面圖。
第10和11圖係移除原成長基板、成核層及應力管理層後之III-N HEMT元件的概要剖面圖。
第12至14圖係部分移除元件之原成長基板後的III-N HEMT元件之概要剖面圖。
第15圖係含有一介電絕緣層、多層接合層和一厚載體之III-N二極體的概要剖面圖。
3‧‧‧表面
4‧‧‧表面
8‧‧‧應力管理堆疊
9‧‧‧成核層
10‧‧‧基板
11‧‧‧III-N層/通道層
12‧‧‧III-N層/阻障層
13‧‧‧絕緣層
14‧‧‧源極
15‧‧‧汲極
16‧‧‧閘極
19‧‧‧二維電子氣體通道
31‧‧‧介電絕緣層
32、33、34‧‧‧接合層
35‧‧‧熱傳導性載體
100‧‧‧結構
101‧‧‧結構

Claims (55)

  1. 一種製造一三族氮化物元件之方法，該方法包含下述步驟：於一基板上形成一第一結構，該第一結構包含一具有一電極之三族氮化物(III-N)元件及一絕緣層，且該絕緣層係位於該三族氮化物元件之與該基板相反的一表面上；藉由在一高熱傳導性載體上施用一接合層以形成一第二結構；使該第二結構之該接合層與該第一結構之該絕緣層接合；以及移除該基板。
  2. 如請求項1之方法，該方法進一步包含在該三族氮化物元件之與該絕緣層相反的一面上沉積一第二鈍化層。
  3. 如請求項2之方法，該方法進一步包含形成貫穿該第二鈍化層的一通孔。
  4. 如請求項3之方法，該方法進一步包含沉積一導電材料於該通孔內。
  5. 一種藉由如請求項1之方法所製造之三族氮化物元 件，該三族氮化物元件包含：一三族氮化物(III-N)層，且該三族氮化物層上具有一電極；一鈍化層，該鈍化層鄰接該III-N層和該電極；一厚絕緣層，該厚絕緣層鄰接該鈍化層和該電極；一高熱傳導性載體，該高熱傳導性載體能傳遞大量的熱離開該三族氮化物元件；及一接合層，該接合層位於該厚絕緣層和該載體之間，該接合層使該厚絕緣層附著於該載體。
  6. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該厚絕緣層係至少1微米厚。
  7. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該厚絕緣層係選自下述群組：氮化矽、氮化鋁、氧化矽、氧化鋁(alumina)、一聚合物介電質(polymeric dielectric)及一無機或有機介電質。
  8. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該厚絕緣層係聚醯亞胺、苯并環丁烯(BCB)、SU8或此等介電質之一組合物。
  9. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該接合層係熱傳導性。
  10. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該接合層係選自下述群組：焊料及介電黏著劑。
  11. 如請求項10之三族氮化物元件，其中該接合層係一金屬系焊料。
  12. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該鈍化層係選自下述群組：氮化矽、氮化鋁、二氧化矽、氧化鋁、一聚合物介電質及一無機或有機介電質。
  13. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該鈍化層與該厚絕緣層具有實質相同之組成。
  14. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該鈍化層與該厚絕緣層之組合使該III-N層的表面鈍化。
  15. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該高熱傳導性載體係選自下述群組：多晶碳化矽、矽、氮化鋁、一金屬或鑽石。
  16. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該高熱傳導性載體係至少100微米厚。
  17. 如請求項5之三族氮化物元件，該三族氮化物元件進一步包含一基板，該基板鄰接該III-N層。
  18. 如請求項17之三族氮化物元件，其中該基板係選自下述群組：矽、碳化矽、藍寶石及氮化鋁。
  19. 如請求項17之三族氮化物元件，該三族氮化物元件進一步包含一成核層，該成核層位於該基板與該III-N層之間。
  20. 如請求項19之三族氮化物元件，該三族氮化物元件進一步包含一應力管理層，該應力管理層位於該成核層與該III-N層之間。
  21. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該電極係一閘極，且該三族氮化物元件係一電晶體。
  22. 如請求項21之三族氮化物元件，該三族氮化物元件進一步包含一源極、一汲極及一位於該III-N層內之通道，其中該源極和該汲極接觸該通道。
  23. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該III-N層包含一通道層及一阻障層。
  24. 如請求項5之三族氮化物元件，其中該電極係一陽極(anode)或一陰極(cathode)，且該三族氮化物元件係一二極體。
  25. 如請求項24之三族氮化物元件，其中該二極體係一側向式元件。
  26. 如請求項5之三族氮化物元件，該三族氮化物元件進一步包含一第二介電絕緣層，該第二介電絕緣層位於該厚絕緣層與該鈍化層之間。
  27. 如請求項26之三族氮化物元件，其中該第二介電絕緣層係選自下述群組：氮化矽、氮化鋁、氧化矽、氧化鋁、一聚合物介電質及一無機或有機介電質。
  28. 如請求項26之三族氮化物元件，其中該第二介電絕緣層係約0.5微米至5微米厚。
  29. 如請求項26之三族氮化物元件，其中該厚絕緣層係至少1微米厚。
  30. 如請求項26之三族氮化物元件，其中該厚絕緣層係約1微米至50微米厚。
  31. 如請求項26之三族氮化物元件，其中該厚絕緣層與該第二介電絕緣層之合併厚度係足以承受實質操作電壓。
  32. 如請求項26之三族氮化物元件，其中該第二介電絕緣層之熱傳導性係小於該厚絕緣層之熱傳導性。
  33. 如請求項26之三族氮化物元件，其中該厚絕緣層與該第二介電絕緣層之合併熱傳導性係足以使該三族氮化物元件散掉大量的熱。
  34. 如請求項26之三族氮化物元件，其中該第二介電絕緣層係氮化矽，且該厚絕緣層係氮化鋁。
  35. 如請求項34之三族氮化物元件，其中該高熱傳導性載體係氮化鋁。
  36. 一種三族氮化物元件，該三族氮化物元件包含：一基板，該基板具有一厚度；一三族氮化物(III-N)層，該三族氮化物層鄰接該基板；以及數個電極，該等電極係在與該基板相反的一面上與該III-N層鄰接；其中位於所有電極下方和附近處之基板部分皆被移 除以形成數個開孔，該等開孔貫穿該基板之全部厚度。
  37. 如請求項36之三族氮化物元件，其中該基板係選自下述群組：矽、碳化矽、藍寶石及氮化鋁。
  38. 如請求項36之三族氮化物元件，其中該電極係一閘極、一源極或一汲極，且該三族氮化物元件係一電晶體。
  39. 如請求項36之三族氮化物元件，其中該開孔係位於該電極之反面處。
  40. 如請求項36之三族氮化物元件，其中該III-N層包含一通道層及一阻障層。
  41. 如請求項40之三族氮化物元件，其中該通道層係位於該阻障層與該基板之間。
  42. 如請求項41之三族氮化物元件，其中該通道層具有一厚度，且該開孔係貫穿該基板之該全部厚度但未貫穿該通道層之全部厚度。
  43. 如請求項36之三族氮化物元件，其中該電極係一陽極或一陰極，且該三族氮化物元件係一二極體。
  44. 如請求項43之三族氮化物元件，其中該二極體係一側向式元件。
  45. 如請求項36之三族氮化物元件，該三族氮化物元件進一步包含位於該開孔內並與該III-N層接觸的一鈍化層。
  46. 如請求項45之三族氮化物元件，其中該鈍化層係約0.5微米至20微米厚。
  47. 如請求項45之三族氮化物元件，其中該鈍化層延伸覆蓋在該基板之與該III-N層相反的一面上。
  48. 如請求項47之三族氮化物元件，該三族氮化物元件進一步包含一熱傳導層，該熱傳導層係在與該III-N層相反的一面上接觸該鈍化層。
  49. 如請求項48之三族氮化物元件，其中該熱傳導層係一散熱片。
  50. 如請求項45之三族氮化物元件，其中該鈍化層之熱傳導性係足以使該三族氮化物元件散掉大量的熱。
  51. 如請求項45之三族氮化物元件，其中該鈍化層係選 自下述群組：氮化矽、氮化鋁、二氧化矽、氧化鋁、一聚合物介電質及一無機或有機介電質。
  52. 如請求項45之三族氮化物元件，其中該鈍化層使該III-N層之與該開孔鄰接的表面鈍化。
  53. 一種製造一三族氮化物元件之方法，該方法包含下述步驟：於一基板上形成一結構，該基板具有一厚度，該結構包含一具有數個電極之三族氮化物(III-N)元件，且該等電極位於該三族氮化物元件之與該基板相反的一表面上；以及移除位於所有電極下方和附近處之基板部分以形成貫穿該基板之全部厚度的數個開孔。
  54. 如請求項53之方法，其中該開孔係位於該電極之反面處。
  55. 如請求項54之方法，該方法進一步包含沉積一鈍化層於該開孔內。
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