一种基于氧化镓的半导体装置的制作方法

1.本实用新型涉及半导体装置及制造技术领域，特别涉及基于氧化镓的半导体装置。


背景技术：

2.电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电路控制，是工业设施、家用电器等设备电能控制与转换的核心器件，可以进行典型的功率处理，包括变频、变压、变流、功率管理等。硅基半导体功率器件是目前电力系统使用最普遍的功率器件，但其性能已接近由其材料决定的理论极限，使得其功率密度的增长呈饱和趋势。
3.氧化镓作为一种新的宽禁带半导体材料，其禁带宽度在4.7～5.3ev之间，在击穿场强、巴利加优值和成本等方面优势突出，目前共发现α、β、γ、δ、ε五种氧化镓的结晶形态，现阶段的研究，以围绕β-ga2o3和α-ga2o3的研究居多；其中，β-ga2o3最为稳定，其禁带宽度约为4.8ev；α-ga2o3稳定性次之，其禁带宽度约为5.3ev；
4.国际上，通常用巴利加优值来表征材料适合功率器件的程度，对于β-ga2o3材料，它的巴利加优值是第一代半导体材料si的3444倍，第三代宽禁带半导体材料gan的4倍、sic的10倍，β-ga2o3功率器件与gan和sic功率器件在相同耐压情况下，导通电阻更低，功耗更小，能够极大地降低器件工作时的电能损耗，具有广泛可期的应用前景。
5.然而，β-ga2o3材料本身的热导率很低，基于β-ga2o3衬底制备的半导体装置，其散热效果差，目前针对此问题，已知的技术，大都是将外延层与源衬底剥离，并将外延层转移到热导率高的衬底上制备器件来改善散热。须知，源衬底和外延的半导体层，属于同质外延，剥离难度大；另外，即使成功剥离后，半导体层还需与新衬底键合，这些工艺的实现难度大、复杂，且成本高；
6.因此，期望通过更为简便的方法，来解决散热问题；
7.另外，已知的半导体装置，还需要在半导体层表面再沉积介质层，用于绝缘，钝化保护，这进一步增加了工艺负复杂程度和成本。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提出一种基于氧化镓的半导体装置，改善由于β-ga2o3材料热导率低，导致基于β-ga2o3衬底制作的半导体装置散热效果差的问题。
9.为了实现上述目的，本实用新型提供的一种基于氧化镓的半导体装置的技术方案如下：
10.一种基于氧化镓的半导体装置，自下而上包括：氧化镓单晶衬底和层叠结构；其特征在于：所述的氧化镓单晶衬底具有绝缘特性，所述的氧化镓单晶衬底局部被蚀穿，并在该局部被蚀穿的区域沉积有下金属层。
11.优选地，所述的氧化镓单晶衬底是具有单斜晶系结构的结晶体。
12.进一步地，所述层叠结构，包括结晶性氧化物半导体薄膜层、多晶体层、金属薄膜层、绝缘层或者钝化层中的一层或者多层。
13.进一步地，所述的下金属层为一层或者多层。
14.进一步地，所述的下金属层为多层，且在所述的多层下金属层之间还包括有其它非金属导电层。
15.进一步地，所述的其它非金属导电层是掺杂多晶硅层。
16.进一步地，所述的半导体装置是肖特基二极管、pn结二极管、金属氧化物半导体场效应管、绝缘栅双极性晶体管、发光二极管、静电感应晶体管、结型场效应晶体管、高电子迁移率晶体管或金属半导体场效应晶体管。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
18.(1)本实用新型通过将β-ga2o3单晶衬底绝缘处理并且局部蚀穿，然后在衬底的局部蚀穿区与引入金属层与半导体外延层形成电性接触，使得半导体装置工作时产生的热量，能够从衬底蚀穿区域沉积的金属层很快的传导出去，解决了因β-ga2o3材料热导率低而导致半导体装置散热差的问题；
19.(2)本实用新型相较于目前已知的通过对源衬底和外延层实施剥离和转移的技术，本实用新型的技术方案，简化了制作工艺；
20.(3)本实用新型经过绝缘化处理的β-ga2o3单晶衬底，可起到绝缘保护的作用，对于一些半导体装置，可无需再额外沉积绝缘介质层。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，本实用新型要求的保护范围并不局限于实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.附图1是本实用新型的肖特基二极管的第一个适当的例子的示意图；
23.附图2是本实用新型的肖特基二极管的第二个适当的例子的示意图；
24.附图3是本实用新型的肖特基二极管的第三个适当的例子的示意图；
25.附图4是本实用新型的pn结二极管的一个适当的例子的示意图；
26.附图5是本实用新型的金属氧化物半导体场效应管的第一个适当的例子的示意图；
27.附图6是本实用新型的金属氧化物半导体场效应管的第二个适当的例子的示意图；
28.附图7是本实用新型的绝缘栅双极性晶体管的一个适当的例子的示意图；
29.附图8是本实用新型的发光二极管的一个适当的例子的示意图；
30.附图9是本实用新型的肖特基二极管的第四个适当的例子的示意图；
31.附图10是图9肖特基二极管制备方法的流程图；
32.附图中的标记所对应的技术特征为：
33.101
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氧化镓单晶衬底
34.102a n-型β-ga2o3半导体层
35.102b n+型β-ga2o3半导体层
36.102
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n型β-ga2o3半导体层
37.103a p-型β-ga2o3半导体层
38.103b p+型β-ga2o3半导体层
39.103
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p型β-ga2o3半导体层
40.104
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钝化层
41.105a 阳极金属层
42.105b 阴极金属层
43.106a 阳极金属层
44.107a 阳极金属层
45.107b 阴极金属层
46.108
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栅绝缘层
47.109a 多晶硅
48.109b 重掺杂p+型漏极区
49.109c 重掺杂p+型源极区
50.109d 金属层
51.110a 栅电极
52.110b 漏电极
53.110c 源电极
54.111a 栅电极
55.111b 集电极
56.111c 发射极
57.112a 第一电极
58.112b 第二电极
59.112c 透光性电极
60.113
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发光层
具体实施方式
61.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。
62.本技术的实用新型构思为半导体装置的制备无需衬底转移，通过对绝缘氧化镓单晶衬底进行局部蚀穿处理，在衬底的蚀穿区域沉积下金属层，使得下金属层直接与层叠结构电性接触，这样，半导体装置工作时，产生的热量可以通过下金属层很好的传递出去，极大的改善了半导体装置的散热；另外，绝缘的单晶衬底也起到绝缘保护的作用。为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来分别进行说明。
63.第一实施例
64.如附图1所示，是本实用新型所涉及的肖特基势垒二极管(sbd)的第一个例子。附
图1的氧化镓肖特基二极管半导体装置，采用在半导体层的表背两面分别设置电极的立式结构，包括：阳极金属层105a，局部蚀穿的β-ga2o3单晶衬底101，轻掺杂n-型的β-ga2o3半导体层102a，重掺杂n+型的β-ga2o3半导体层102b，阴极金属层105b；阳极金属层105a与轻掺杂n-型的ga2o3半导体层102a构成肖特基势垒；
65.附图1中，β-ga2o3单晶衬底101有进行掺杂处理使其绝缘。更具体的，掺杂元素为fe元素；
66.附图1中，β-ga2o3半导体层102a和β-ga2o3半导体层102b的形成，例如可以通过金属有机化学气相沉积(mocvd)、卤化物气相外延(hvpe)或雾化cvd(mist-cvd)等公知的方法进行；
67.附图1中，肖特基电极(即阳极金属层105a)以及欧姆电极(即阴极金属层105b)的材料可以是公知的电极材料，作为所述电极材料，例如有：al、mo、co、zr、sn、nb、fe、cr、ta、ti、au、pt、v、mn、ni、cu、hf、w、ir、zn、in、pd、nd或ag等金属或它们的合金；氧化锡、氧化锌、氧化铟、氧化铟锡、氧化锌铟等金属氧化物导电膜；聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯等有机导电性化合物、或它们的混合物等；
68.附图1中，肖特基电极以及欧姆电极的形成例如可以通过真空蒸镀法或溅射法等公知的方法进行。更具体的，当形成肖特基电极时，可以使由ni构成的层和由al构成的层进行层叠。
69.附图1的肖特基二极管(sbd)，在工作时，器件产生的热量可以从器件顶底两端的金属电极层很快的传导出去，极大的改善了氧化镓基功率器件的散热效果。
70.当β-ga2o3单晶衬底101的厚度较厚时，可以在刻蚀处理前，先对β-ga2o3单晶衬底101进行减薄处理。
71.第二实施例
72.如附图2所示，是本实用新型所涉及的肖特基势垒二极管(sbd)的第二个例子。附图2的肖特基二极管(sbd)除了附图1的结构之外，还具备阳极金属层106a，即肖特基二极管(sbd)有两层阳极金属层，分别是阳极金属层105a，作为内层，与轻掺杂n-型的β-ga2o3半导体层102a构成肖特基接触；阳极金属层106a，作为外层，与外部形成电性连接用；阳极金属层106a的材料，可以从附图1中公知的电极材料中选择。
73.第三实施例
74.如附图3所示，是本实用新型所涉及的肖特基势垒二极管(sbd)的第三个例子。附图3的肖特基二极管(sbd)除了附图2的结构之外，还具备钝化层104，相较于附图1和附图2的肖特基二极管(sbd，绝缘特性更好。钝化层104的材料，例如有aln、hf2o3、al2o3、mgo、sio2或si3n4等。该钝化层的形成，例如可以通过溅射法、真空蒸镀法或cvd法等公知的方法进行。
75.第四实施例
76.如附图4所示，是本实用新型所涉及的pn结二极管的一个例子。
77.附图4的pn结二极管半导体装置，包括：阳极金属层107a，局部蚀穿的β-ga2o3单晶衬底101，重掺杂p+型的β-ga2o3半导体层103b，重掺杂n+型的β-ga2o3半导体层102b，阴极金属层107b；
78.阳极金属层107a和阴极金属层107b的材料可以是公知的电极材料，作为所述电极材料，例如有：al、mo、co、zr、sn、nb、fe、cr、ta、ti、au、pt、v、mn、ni、cu、hf、w、ir、zn、in、pd、
nd或ag等金属或它们的合金；氧化锡、氧化锌、氧化铟、氧化铟锡、氧化锌铟等金属氧化物导电膜；聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯等有机导电性化合物、或它们的混合物等。金属电极的形成，例如可以通过真空蒸镀法或溅射法等公知的方法进行。
79.附图4的pn结二极管，在工作时，器件产生的热量可以从器件顶底两端的金属电极层很快的传导出去，极大的改善了氧化镓基功率器件的散热效果。
80.第五实施例
81.如附图5所示，是本实用新型所涉及的金属氧化物半导体场效应管(mosfet)的第一个例子。
82.附图5中的mosfet半导体装置，包括：局部蚀穿的β-ga2o3单晶衬底101，轻掺杂n-型的β-ga2o3半导体层102a，重掺杂p+型漏极区109b，重掺杂p+型源极区109c，栅绝缘层108，多晶硅栅极区109a，以及金属层109d；
83.附图5，是n沟道增强型mosfet，对衬底进行掺杂处理使其绝缘，然后在所述衬底上制作半导体叠层，这里衬底起到的作用是同质外延和绝缘；
84.β-ga2o3单晶衬底的热导率低，导热效果差，将衬底进行局部蚀穿，再沉积金属层，目的是通过底部金属层来提供散热通道，改善器件散热。
85.第六实施例
86.如附图6所示，是本实用新型所涉及的金属氧化物半导体场效应管(mosfet)的第二个例子。
87.附图6中的mosfet的半导体装置，包括：局部蚀穿的β-ga2o3单晶衬底101，重掺杂n+型的β-ga2o3半导体层102b，轻掺杂p-型的β-ga2o3半导体层103a，栅绝缘层108，多晶硅栅极区109a，栅电极110a，漏电极110b，源电极110c；
88.附图6是沟槽型mosfet，通过将衬底局部蚀穿，沉积金属层，作为漏电极，形成立式器件结构，同时，底部金属层也可作为散热通道，改善器件散热。
89.第七实施例
90.如附图7所示，是本实用新型所涉及的绝缘栅双极性晶体管(igbt)的一个例子。
91.附图7中的igbt的半导体装置，包括：局部蚀穿的β-ga2o3单晶衬底101，p型β-ga2o3半导体层103，n型β-ga2o3半导体层102，轻掺杂n-型的β-ga2o3半导体层102a，重掺杂n+型的β-ga2o3半导体层102b，p型β-ga2o3半导体层103，栅绝缘层108，栅电极111a，集电极111b，发射极111c。
92.第八实施例
93.如附图8所示，是本实用新型所涉及的发光二极管的一个例子。
94.附图8中的发光二极管的半导体装置，包括：局部蚀穿的β-ga2o3单晶衬底101，第二电极112b，n型β-ga2o3半导体层102，发光层113，p型β-ga2o3半导体层103，透光性电极112c，第一电极112a；
95.作为透光性电极的材料，例如有含有铟(in)或钛(ti)的氧化物的导电性材料。更具体而言，例如有in2o3、zno、sno2、ga2o3、tio2、ceo2或这些的两种以上的混晶或在其中进行掺杂的材料。通过由喷溅涂覆法等公知的方法设置这些材料，从而可以形成透光性电极。另外，在形成了透光性电极之后，也可以实施以透光性电极的透明化为目的的热退火。
96.根据图8的发光二极管，设第一电极112a为正极，设第二电极112b为负极，经由两
者使电流流入p型半导体层103、发光层113以及n型半导体层102，从而发光层113发光；
97.作为第一电极112a以及第二电极112b的材料，例如有：al、mo、co、zr、sn、nb、fe、cr、ta、ti、au、pt、v、mn、ni、cu、hf、w、ir、zn、in、pd、nd或ag等金属或它们的合金；氧化锡、氧化锌、氧化铟、氧化铟锡(ito)、氧化锌铟(izo)等金属氧化物导电膜等。电极的成膜法没有特别地限定，可以从印刷方式、涂布方式等湿式方式，真空蒸镀法、溅射法、离子电镀法等物理方式，cvd、等离子cvd法等化学方式等中，考虑与所述材料的妥当性而适当地选择。
98.第九实施例
99.如附图9所示，是本实用新型所涉及的肖特基势垒二极管(sbd)的第四个例子。附图9的肖特基二极管(sbd)，包括：局部蚀穿的β-ga2o3单晶衬底101，
100.轻掺杂n-型的β-ga2o3半导体层102a，重掺杂n+型的β-ga2o3半导体层102b，阴极金属层105b，阳极金属层105a，掺杂多晶硅层109a，阳极金属层106a；其中105a作为内层，与轻掺杂n-型的β-ga2o3半导体层102a构成肖特基接触；106a作为外层，与外部形成电性连接用，109a作为105a和106a的中间层，起到导电连接的作用。
101.图10表示图9肖特基二极管(sbd)的制备方法，包括如下步骤：
102.步骤s1，提供一氧化镓单晶衬底101，该衬底有进行掺杂处理使其绝缘；
103.步骤s2，在所述绝缘的氧化镓单晶衬底101上，生长轻掺杂n-型的ga2o3半导体层102a；
104.步骤s3，在所述轻掺杂n-型的ga2o3半导体层102a上，生长重掺杂n+型的ga2o3半导体层102b；
105.步骤s4，在所述重掺杂n+型的ga2o3半导体层102b上，沉积阴极金属层105b，该阴极金属层与重掺杂n+型的ga2o3半导体层102b构成欧姆接触；
106.步骤s5，可选步骤，为根据单晶衬底101的厚度，进行适当的减薄；
107.步骤s6，从衬底101底部对氧化镓单晶衬底101的局部进行刻蚀处理，使衬底101局部蚀穿，至轻掺杂n-型的ga2o3半导体层102a表面；
108.步骤s7，在位于衬底局部蚀穿区域的n-型ga2o3半导体层102a表面，沉积阳极金属层105a，该阳极金属层105a与轻掺杂n-型的ga2o3半导体层102a构成肖特基接触；
109.步骤s8，在步骤s7沉积的阳极金属层105a上，再沉积多晶硅层109a，并对多晶硅层109a进行掺杂，使其转化为电的良导体层；
110.步骤s9，在步骤s8沉积的多晶硅层109a上，再沉积阳极金属层106a，该阳极金属层106a与外部形成电性互连用。
111.需要说明的是，上述实施例只是列举了肖特基二极管、pn结二极管、金属氧化物半导体场效应管、绝缘栅双极性晶体管和发光二极管等半导体装置的结构，本技术的实用新型构思也可以适用于静电感应晶体管、结型场效应晶体管、高电子迁移率晶体管或金属半导体场效应晶体管等半导体装置中。
112.另外，上述实施例只列举了肖特基二极管(sbd)的制备方法，基于本技术的实用新型构思，上述方法可以根据不同的半导体装置的具体结构拓展至pn结二极管、金属氧化物半导体场效应管、绝缘栅双极性晶体管、发光二极管、静电感应晶体管、结型场效应晶体管、高电子迁移率晶体管或金属半导体场效应晶体管中。
113.应当理解的是，以上所述实施例附图仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对
其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。