包含多晶化學氣相沉積鑽石的化合物半導體裝置結構的製作方法
2023-06-18 22:30:16
本發明的某些實施例涉及化合物半導體裝置結構和製造方法，其包含在化合物半導體和多晶化學氣相沉積鑽石之間具有低熱邊界電阻的多晶化學氣相沉積鑽石。本發明的主要應用是大功率電子和光電裝置的熱管理。
背景技術：
半導體裝置和電路中的熱管理是任何可製造且具有成本效益的電子和光電產品(如光生成和電信號放大)的關鍵設計元素。高效熱設計的目標是降低這種電子或光電裝置的工作溫度，同時最大限度地提高性能(功率和速度)和可靠性。這種裝置的實例是微波電晶體，發光二極體和半導體雷射器。根據操作頻率和功率要求，這些裝置通常由矽(silicon)、砷化鎵(gaas)、磷化銦(inp)製造，且近年來也由氮化鎵(gan)、氮化鋁(aln)及其他間隙半導體製造。特別地，氮化鎵材料系統產生具有高電子遷移率(高速操作所必需的)、高擊穿電壓(高功率所必需的)和高於砷化鎵，磷化銦或矽的熱導率的微波電晶體，因此有利於在大功率應用中使用。氮化鎵也用於製造藍光和紫外線雷射器和發光二極體。儘管具有高溫性能，但由於通常用於生長氮化鎵的基板的相對較低的耐熱性(thermalresistance)，氮化鎵電子和光電子裝置的性能受到限制。這種缺陷在大功率微波及毫米波電晶體以及放大器中最為顯著，其中減少冷卻要求和更長的裝置壽命都受益於較低的接面溫度(junctiontemperature)，這是非常關鍵的需求。在大功率藍光和紫外雷射器中也出現了類似的需求，其中幾微米寬的雷射模槽條(cavitystripe)通過低導熱性材料將功率耗散到晶片中。
眾所周知，當考慮等向行為(isotropicbehaviors)時，鑽石是人類在室溫下已知的最導熱的物質。因此，自從1980年代通過化學氣相沉積技術商業化人造鑽石，半導體工業一直採用鑽石散熱器和散熱器來改良熱管理。最佳熱管理的目標是使鑽石散熱器或鑽石層緊靠電子或光電裝置中的熱源。這意味著在薄的晶片上構建裝置，並安裝在鑽石散熱器、具有鑽石層的塗層裝置上、或將裝置外延層(epilayers，即外延生長的半導體層)轉移到鑽石上。
鑽石氮化鎵(gan-on-diamond)技術和所得到的裝置(描述於美國專利7,595,507中)涉及具有從化學氣相沉積鑽石基板小於1微米的氮化鎵外延層的結構。該技術可將最佳熱導體(鑽石)與基於氮化鎵(gan)和氮化鎵相關化合物的電子和光電子裝置接合在一起，同時最小化與例如更常見的半導體-焊料-鑽石(semiconductor-solder-diamond)附著相關聯的任何熱障礙方案。由於氮化鎵的固有高臨界電場和寬帶隙(bandgap)，氮化鎵裝置對於高功率電子和光電子應用是比較理想的，例如高功率rf電晶體和放大器、功率管理裝置(肖特基二極體(schottkydiodes)和開關電晶體)以及高功率藍光和紫外線雷射器或發光二極體。
氮化鎵目前在幾種不同的基板上生長：藍寶石、矽、碳化矽、氮化鋁、單晶鑽石和氮化鎵基板。除了氮化鎵基板之外，所有其它材料都具有不同於氮化鎵和氮化鋁鎵(algan)的晶格常數(latticeconstants)。天然鑽石是一種優秀的熱導體，但是由於其可用面積、低純度人造鑽石的熱性能降低、以及成本，因此這些應用尚不可用。目前，人造鑽石的製造具有不同程度的結晶度。通過化學氣相沉積(cvd)沉積的多晶鑽石適用於半導體工業，因為其導熱率接近於單晶鑽石，其可以提供電隔離、具有低介電損耗、並且可以製成透明的。用於半導體工業的化學氣相沉積鑽石基板可以形成為具有標準直徑的圓形晶片。鑽石晶片通過三種主要方法之一的化學氣相沉積製造：等離子體增強鑽石化學氣相沉積，其中解離反應物的能量來自微波源；熱輔助鑽石化學氣相沉積，其中解離氣體的能量來自熱絲；以及等離子體使用高直流電壓加速離子。在這些方法中，人造鑽石生長在非鑽石基板之上，例如矽、氮化矽、碳化矽和不同的金屬。
化學氣相沉積鑽石生長製程在真空室中進行，在真空室內設置有在其上生長鑽石的基板。將基板暴露於解離在基板表面上形成鑽石所需的前驅氣體分子所需的能量源。鑽石的化學氣相沉積中所需的前驅氣體是在氫氣(h2)中稀釋的碳源。典型的碳載氣體是甲烷(ch4)、乙烷(c2h6)、一氧化碳(co)和乙炔(c2h2)，其中甲烷(ch4)是最常用的。高效鑽石沉積所需的氣體組合在氫中含有少量(幾％)的碳載氣成分，並且可以通過添加氧或氧前驅體如co或co2來進一步輔助反應。根據碳載氣流量和氫氣流量的莫耳比率(molarratio)，給出了指定氣流配方的最常用參數。例如，以[ch4]/[h2]的百分比計，其中[ch4]和[h2]通常以每分鐘標準立方釐米(sccm)測量的莫耳流速。沉積製程中的典型基板溫度為550℃至1200℃，沉積速率通常以每小時微米(μm)測量。
人造鑽石在非鑽石基板上的生長包含表面製備階段和成核(nucleation)階段，其中調整條件以增強主體(非鑽石)基板上的鑽石晶體的生長。這通常是通過以受控和可重複的方式用鑽石粉末接種(與基板劃傷相連)的表面來完成的。在生長階段，人造鑽石的顆粒尺寸增加，結果人造鑽石薄膜在沉積後固有地粗糙。鑽石的成核通常以非常小的鑽石域嵌入非鑽石矩陣中開始，其在近基板區域中的導熱性差。在現有技術中已經討論了各種接種，包含機械、超聲波和超聲波接種在各種基板和晶片上的成核層。
基於氮化鎵的高電子遷移率電晶體(gan-basedhemts)中增加的高功率密度使熱管理非常重要。具有高導熱性的化學氣相沉積多晶鑽石與現有技術的碳化矽基板相比，在裝置接面附近提供了優異的除熱能力。最新的鑽石氮化鎵高電子遷移率電晶體已經表現出優異的裝置特性[d.c.dumkaetal.,ieeeelectronlett.49(20),1298(2013)]，並可擴展到4英寸晶圓[d.francisetal.,diamondrel.mater.19(2-3),229(2010)]。這種鑽石氮化鎵技術從矽或碳化矽上的金屬有機化學氣相沉積(mocvd)生長的氮化鋁鎵/氮化鎵外延層開始，並且涉及沉積薄的介電接種層(dielectricseedinglayer)，其可為非結晶(amorphous)或多晶(例如碳化矽、矽、氮化矽、氮化鋁、氧化鎂、氮化硼或氧化鈹)和暴露的氮化鎵上的化學氣相沉積鑽石，在去除天然氮化鎵生長基板和過渡層之後[d.c.dumkaetal.,ieeeelectronlett.49(20),1298(2013)；d.francisetal.,diamondrel.mater.19(2-3),229(2010)]。介電接種層既用作鑽石材料的成核層，也用作鑽石生長期間的氮化鎵的保護層。因此，介電接種層必須足夠厚以實現這些功能。然而，鑽石生長的介電中間層和初始成核層在氮化鎵/鑽石接面處產生有效的熱邊界電阻(tbreff)，這是限制鑽石全部熱效益的主要熱障[j.w.pomeroyetal.,appl.phys.lett.104(8),083513(2014)]。
迄今為止，鑽石在氮化鎵上的直接生長是有問題的。這主要是由於原子氫與暴露的氮化鎵的反應以及隨後的氮化鎵基板的退化(degradation)和還原(reduction)。用於規避本領域技術人員已知的問題的典型方法是在如上所述用作氮化鎵的保護層和鑽石成核層的氮化鎵的頂部上生長介電中間層。雖然這種方法在保護氮化鎵層方面已經取得了成功，但是它引入了多個熱邊界，這些熱邊界對總體熱耐性產生負面影響，並且具有高導電性基板的全部優點。另外，對氮化鎵和鑽石之間的介電中間層的要求將額外的表面製備和沈積步驟引入到製程中，這增加了製程的複雜性和成本。
實現鑽石與氮化鎵的密切整合的一個重大挑戰在於平衡由於氮化鎵和鑽石接面處的各種層面引起的熱邊界電阻(tbr)的降低，其實現了適當的接種水平以牢固地粘附到成核層，並且當在其上沉積化學氣相沉積鑽石時為下面的氮化鎵提供足夠的保護，以便不會不利地影響氮化鎵外延層結構的電子性能。本發明人已經研究了介電中間層厚度對氮化鎵/鑽石接面處的有效熱邊界電阻(tbreff)的影響。本發明人之前已經發現，在化學氣相沉積鑽石生長期間，需要至少35納米厚度的介電中間層來保護氮化鎵基板。然而，這導致氮化鎵和鑽石之間的有效熱邊界電阻為下限約25m2k/gw。
技術實現要素：
本發明人已經開發了兩種不同的鑽石接種技術以及受控的早期階段化學氣相沉積鑽石生長，其允許減少或完全消除化合物半導體和鑽石之間的介電中間層的厚度，同時仍允許化合物半導體上的鑽石生長而不損壞化合物半導體材料。一種技術使用納米結晶鑽石接種形成納米結晶鑽石成核層，其可以有效地替代本說明書先前技術部分所描述的非鑽石介電中間層。另一種技術保留了非鑽石介電中間層，但厚度小於25nm，並且通過確保介電中間層具有高度的平坦度和厚度均勻性，使用「軟接種」方法在化學氣相沉積鑽石生長在其上之前不會在介電中間層中引入損傷，避免了化學氣相沉積鑽石生長期間底層化合物半導體的損壞，並且使用受控的早期階段化學氣相沉積鑽石生長來確保介電中間層不蝕穿到下面的化合物半導體材料上。也可以使用兩種不同的接種技術的組合，亦即減小在其上具有納米結晶鑽石成核層之非鑽石介電中間層的厚度。
在納米結晶鑽石接種的情況下，已經發現可以使用納米結晶鑽石粉末的膠體懸浮液(colloidalsuspension)和施加聲波功率形成合適的種子層，其具有選擇的粒度、沉積時間和聲波功率，以實現需要有效的熱邊界電阻(tbreff)，同時還確保種子層在化學氣相沉積鑽石生長期間用作有效的保護屏障，使得下面的化合物半導體不被過度損壞。此外，令人驚奇地發現，這樣的種子層不能防止化學氣相沉積鑽石層與化合物半導體基板的粘合。這是非常令人驚訝的，因為人們會認為在基板上提供相對厚的納米結晶種子顆粒層將防止化學氣相沉積鑽石層粘附到化合物半導體基板上。也就是說，人們會認為化學氣相沉積鑽石層將接合到納米結晶種子顆粒層，但是納米結晶種子顆粒將不會接合到下面的化合物半導體基板。雖然不受理論束縛，但似乎納米結晶鑽石種子層的氣相滲透(vapourphaseinfiltration)可能在鑽石生長的早期階段發生，導致納米結晶種子顆粒接合到下面的化合物半導體基板，並且還與納米結晶鑽石層相干接合(coherentbonded)，而不會過度損壞下面的化合物半導體基板。
在非鑽石介電中間層的情況下，令人驚訝地發現，其可以減小到小於25nm的厚度，同時在其化學氣相沉積鑽石生長期間仍然不損壞下面的化合物半導體材料。在這種情況下，已發現在介電中間層上的多晶化學氣相沉積鑽石生長的早期階段，通過鑽石化學氣相沉積合成氣氛的氫等離子體在未塗布鑽石的區域(即先前在介電中間層上形成之鑽石的完整塗層)。如果介電層的區域被蝕穿到下面的化合物半導體層上，則這會損害化合物半導體層，並且有害地影響對於大功率半導體裝置應用至關重要的層的電子特性。正是由於這個原因，在先前的作業中提供了至少35nm厚度的介電中間層，以在其化學氣相沉積鑽石生長期間保護氮化鎵基板。然而，通過研究介電中間層的微結構及其如何受不同的接種技術和化學氣相沉積鑽石生長條件影響，現在已經發現，介電中間層的蝕穿(etch-through)問題是由於非均勻性而加劇具有較薄區域的介電中間層的厚度有效地形成容易蝕刻的弱區域。這些較薄區域可能是由於介電中間層沉積在化合物半導體之平坦度/粗糙度不均勻性的表面所導致的和/或在用於介電中間層之沉積過程之介電層厚度的不均勻性所導致的。還發現，較薄區域可能是由鑽石粉末接種期間在介電中間層中形成的深刻劃痕導致的。使用常用方法以鑽石粉末來接種摩擦的表面。此外，蝕穿的問題也通過使用早期生長階段鑽石合成條件而加劇，其中在介電層上形成鑽石材料的完全塗層之前，其過度地蝕刻介電層的暴露區域。如果這些問題得到緩解，那麼介電層的厚度可以明顯地減小，而在化學氣相沉積鑽石生長過程中，不會蝕穿和損壞下面的化合物半導體材料。這可以通過以下方式實現：在其上沉積介電中間層之前，仔細平面化化合物半導體表面；精心控制介電中間層製程，以提供高平坦度、低粗糙度的介電中間層表面和均勻的介電中間層厚度；可選地進一步對介電中間層進行表面處理，以形成高平坦度、低粗糙度的介電中間層表面以及均勻的介電中間層厚度；使用軟接種方法以鑽石粉末接種介電層，而不會在介電層中形成深刻劃痕，其包含選擇不使用偏置增強成核(biasenhancednucleation)而是機械鑽石粉末接種技術；以及在化學氣相沉積鑽石生長的初始階段中控制化學氣相沉積鑽石的沉積條件，以在鑽石生長的初始階段期間通過例如將足夠的含碳氣體引入化學氣相沉積合成氣氛中，防止接合層(bondinglayer)蝕穿到化合物半導體層中，使得接合層在接合層的任何區域被蝕穿到化合物半導體層之前完全塗布在多晶化學氣相沉積鑽石中。
上述方法具有以下優點：(i)可以使鑽石-半導體接口處的接合層更薄，從而降低熱邊界電阻並改善半導體裝置的熱特性；(ii)半導體裝置結構的熱邊界電阻的均勻性得到改善，從而減輕了大功率半導體應用中的裝置結構性能的不均勻性；以及(iii)在其化學氣相沉積鑽石生長期間不損壞半導體材料，使得其保持適合於大功率半導體應用的良好電子特性。
鑑於上述，提供了一種半導體裝置結構，其包含：化合物半導體材料層；以及多晶化學氣相沉積鑽石材料層，其中該多晶化學氣相沉積鑽石材料層經由厚度小於25nm、厚度變化不大於15nm的接合層與該化合物半導體材料層接合，其中通過該化合物半導體材料層與該多晶化學氣相沉積鑽石材料層之間的接口處的瞬態熱反射所測量的有效熱邊界電阻(tbreff)小於25m2k/gw，在該半導體裝置結構上測量的變化幅度不超過12m2k/gw，並且其中該化合物半導體材料層具有以下特徵之一或兩者：電荷遷移率至少為1200cm2v-1s-1；以及片電阻不超過700ω/平方。
本發明的實施方案提供了與未損壞的化合物半導體層組合的具有超低和均勻熱障電阻的鑽石-化合物半導體(例如gan)接口。因此，可以優化裝置結構的熱和電子特性。此外，通過提供與最終應用中的電子性能要求一致的高產率、均勻、低熱障電阻的優點來建立理解和能力，本發明人已經能夠實現受控且有針對性的超低均勻熱障電阻同時保持化合物半導體材料的電子性能特性。也就是說，可以從高質量的單晶化合物半導體基板開始，並在基板上生長多晶化學氣相沉積鑽石層，使得鑽石與單晶化合物半導體緊密地熱接觸，而不會不適當地損壞化合物半導體。
本發明還提供一種如上所述的半導體裝置結構的製造方法，該方法包括：提供包括化合物半導體材料層的基板；在該基板的表面上形成接合層，該接合層具有小於25納米的厚度，且厚度變化不大於15納米；以及使用化學氣相沉積(cvd)技術在該接合層上生長多晶化學氣相沉積鑽石層，其中控制早期階段生長以防止該接合層蝕穿至該化合物半導體層。生長該多晶化學氣相沉積鑽石層的步驟包含在鑽石生長的初始階段期間將足夠的含碳氣體引入該化學氣相沉積合成氣氛中，使得該接合層之任何區域在蝕穿到該化合物半導體層之前完全塗布於該多晶化學氣相沉積鑽石。形成該接合層的步驟包含沉積該接合層，平坦化該接合層，接著用鑽石粉末接種該接合層，其中控制該接種使得沒有深刻劃痕被引入該接合層，從而滿足嚴格的厚度變化要求。
附圖說明
為了更好地理解本發明並且示出如何實施本發明，現在將通過參考附圖的方式來描述本發明的實施例，其中：
圖1示出了用於測量化合物半導體材料層和多晶化學氣相沉積鑽石材料層之間的接面處的有效熱邊界電阻(tbreff)的瞬態熱電反射測量裝置的示意圖；
圖2標出了在鑽石晶片上的反射光譜，證明了在532納米的探針雷射波長處的反射變化和表面溫度調製之間的線性近似的有效性；
圖3示出了具有不同厚度的介電接種層的鑽石氮化鎵晶片的標準化瞬態反射，其使用兩種鑽石生長方法：熱絲(hf)化學氣相沉積；以及微波(mw)等離子體化學氣相沉積(插圖示出了樣本層結構的示意圖)。
圖4示出了氮化鎵/鑽石接面的有效熱邊界電阻作為介電接種層厚度的函數，對應的電晶體峰值通道溫升在右垂直軸上表示；
圖5示出了具有35nm的介電中間層的氮化鎵/鑽石接口的橫截面，並且表明使用軟接種和受控的早期鑽石生長導致只有約12nm的介電層被鑽石生長損壞-這表明在化學氣相沉積鑽石生長期間，介電中間層可以顯著地變薄而不蝕穿氮化鎵；
圖6標出了替代方案的透射電子顯微鏡(tem)橫截面，其中提供了沒有接口空隙的有序超納米結晶鑽石中間層；以及
圖7示出了包含化合物半導體材料層、超薄接合層和多晶化學氣相沉積鑽石材料層之三層結構的示意圖。
附圖標記說明
70：化合物半導體材料層
72：超薄均勻接合層
74：多晶化學氣相沉積鑽石材料層
具體實施方式
在描述根據本發明實施例之用於實現低熱邊界電阻的鑽石氮化鎵產品的改良種子技術之前，下面給出了用於探測這種產品之熱邊界電阻的新測量技術的描述。
測量技術包含瞬態熱電反射方法來表徵鑽石上的鑽石有效熱邊界電阻。這種完全非接觸式技術不需要任何額外的沉積，並且可以在裝置製造之前在生長晶片上使用。晶圓熱電阻的快速評估使得鑽石氮化鎵晶圓製造商能夠改善電晶體熱性能的生長條件。
納秒瞬態熱反射法是一種基於雷射的泵浦探針(laser-basedpump-probe)技術[j.w.pomeroyetal.,ieeeelectrondevicelett.35(10),1007(2014)]。使用高於氮化鎵帶隙的10納秒、355納米脈衝雷射(nd：yag的三次諧波)作為泵浦光束來衝擊加熱氮化鋁鎵/氮化鎵(algan/gan)表面。該溫度升高引起了與線性溫度相關的表面反射的變化。使用532納米cw雷射(nd：yag的二次諧波)作為探針光束來監測時域中的反射(以及溫度)變化。由於熱擴散到氮化鎵層和鑽石基板中，表面溫度會鬆弛，從而可以從溫度瞬變(temperaturetransient)中提取包含效熱邊界電阻在內的熱性能。兩個雷射束同軸地引導到標準顯微鏡，以方便晶片映像。放大的矽光電檢測器用於記錄從樣本表面反射的探針雷射的強度。實驗裝置的示意圖如圖1所示。
在特定條件下，當探頭雷射波長在總反射光譜的最大值或最小值附近時部分相干的內部反射(coherentinternalreflections)，反射變化可能不與表面溫度調製成正比。這裡選擇的探針雷射波長(532納米)不會落入這些「非線性」區域，如圖2所示。60℃的溫升相當於反射的10納米波長偏移，使用氮化鎵折射率的波長[[n.a.sanfordetal.,j.appl.phys.94(5),2980(2003)]和溫度[n.watanabe,etal.,j.appl.phys.104(10),106101(2008)]的依賴性。在這些測量中，在反射變化和表面溫度升高之間的線性近似有效的區域內，最高溫度調製小於60℃。此外，在具有和不具有金傳感器的晶片上獲得相同的熱反射衰減[j.w.pomeroyetal.,ieeeelectrondevicelett.35(10),1007(2014)]，證實反應確實來自表面溫度。
圖3標出了一系列氮化鎵-鑽石晶片的時間解析的標準化反射變化，每個具有28納米至100納米的介電接種層的標稱厚度(nominalthickness)，以及通過熱絲(hf)生長的鑽石基板、化學氣相沉積或微波(mw)等離子體化學氣相沉積。隨著熱量更有效地擴散到鑽石基板中，瞬態中快速衰減(因此表面溫度)表示較低的有效熱邊界電阻。該測量對有效熱邊界電阻最敏感，因為氮化鎵/鑽石接面是主要的熱障。然而，鑽石基板的影響也有助於溫度瞬態，如第3圖中的長時間尺度所示。瞬態超過500納秒的分離表明，不透明的鉿(hf)鑽石具有比半透明的微波(mw)鑽石更小的熱導率。
使用有限元熱模型(elementthermalmodel)擬合測量的瞬變，並將提取的有效熱邊界電阻繪製為圖4中的介電中間層厚度的函數。有效熱邊界電阻與介電層厚度大致呈線性關係；這些偏差可能是由於晶圓與晶圓之間不同的鑽石成核面的貢獻。使用多指電晶體熱模型[j.w.pomeroyetal.,ieeeelectrondevicelett.35(10),1007(2014)]，計算對應於每個有效熱邊界電阻的峰值信道溫升，並顯示在右垂直軸上。這突出了減少有效熱邊界電阻降低裝置熱阻的重要性。通過將有效熱邊界電阻從50m2k/gw降低到12m2k/gw，電晶體通道溫升可以降低30％。然而，已發現使用標準鑽石接種技術需要約35納米厚度的陶瓷中間層，以在化學氣相沉積鑽石生長期間保護氮化鎵基板。從圖4可以看出，這導致有效熱邊界電阻的下限為約20至25m2k/gw。
鑑於上述，本發明人已經研究了在化合物半導體基板和其上形成多晶化學氣相沉積鑽石層生長之間提供更好接口的不同方法。如發明說明部分所述，已經發現，多晶化學氣相沉積鑽石生長在介電中間層上的早期階段，通過鑽石化學氣相沉積合成氣氛(synthesisatmosphere)的氫等離子體在未塗布鑽石的區域中蝕刻介電中間層(即，在介電中間層上形成鑽石的完整塗層之前)。如果介電層的區域被蝕刻到下面的化合物半導體層上，則這會損害化合物半導體層，並且有害地影響對於大功率半導體裝置應用至關重要的層的電子特性。然而，通過研究介電中間層的微結構(microstructure)以及其如何被通過使用不同的接種技術和化學氣相沉積鑽石生長條件來影響，現在已經發現，介電中間層的蝕刻問題是由於非均勻性而加劇具有較薄區域以有效地形成容易蝕刻之弱區域的介電中間層的厚度。這些較薄區域可能是其上沉積介電中間層之化合物半導體表面的平坦度/粗糙度不均勻的結果和/或介電中間層的沉積製程導致介電層的厚度不均勻。還發現，較薄區域可能是由鑽石粉末接種期間，例如使用常用摩擦表面方法來接種鑽石粉末，在介電中間層中形成的深刻劃痕(deepscratches)的結果。此外，蝕穿(etchthrough)的問題也通過使用早期生長階段的鑽石合成條件而加劇，其中在介電層上形成鑽石材料的完全塗層之前，其過度地蝕刻介電層的暴露區域。
因此已經確定，如果這些問題得到緩解，那麼介電層的厚度可以顯著地減小，而在化學氣相沉積鑽石生長製程中，其不會蝕刻和損壞下面的化合物半導體材料。這可以通過使用以下技術的組合來實現，包含：
1.在其上沉積介電中間層之前，仔細平坦化化合物半導體表面，其可以包含例如表面拋光技術和/或蝕刻技術，以提供基本沒有表面突出缺陷的平坦、低粗糙度、低損傷的表面；
2.仔細控制介電中間層的製程，以提供高平坦度、低粗糙度的介電中間層表面以及低且均勻的介電中間層厚度；
3.可選地進一步對介電中間層進行表面處理，以形成高平坦度、低粗糙度的介電中間層表面以及低且均勻的介電中間層厚度；
4.使用接種方法用鑽石粉末接種介電層，而不會在介電層中形成深刻劃痕，其包含不使用偏置增強成核(biasenhancednucleation)而是機械鑽石粉末接種技術；以及
5.在化學氣相沉積鑽石生長的初始階段中控制化學氣相沉積鑽石的沉積條件，以在鑽石生長的初始階段期間通過例如將足夠的含碳氣體引入化學氣相沉積合成氣氛中，防止接合層(bondinglayer)蝕穿到化合物半導體層中，使得接合層在接合層的任何區域被蝕穿到化合物半導體層之前完全塗布在多晶化學氣相沉積鑽石中。
本發明的實施例可以利用以下特徵的組合：
-準備好的表面(低粗糙度/低損傷/低缺陷密度)
-具有納米精度的可控並可測量的中間層沉積製程
-與中間層和隨後的化學氣相沉積鑽石生長一致的接種製程。這可能包含，例如：
ο納米接種(超聲波/ultrasonic)
ο納米種子(電化學/electrochemical)
ο不接種，例如偏置增強成核提供了更標準的預合成(pre-synthesis)接種製程的替代方案
ο上述表面處理、中間層沉積、以及直徑為至少50mm、75mm、100mm或140mm的晶片的接種的均勻性
-與先前步驟一致的鑽石生長過渡期以及有針對性的熱障電阻(thermalbarrierresistance)。這種過渡期的實踐包含：
ο壓力/功率斜坡
ο何時以及如何引入碳物質(例如，在何種基板溫度引入ch4)
ο碳-氫(c:h)濃度比
ο在直徑為至少50mm、75mm、100mm或140mm的晶片上的上述化學氣相沉積鑽石生長參數的均勻性
實質上，通過這種「理解」，首次生產具有低、受控和針對性的熱邊界電阻的氮化鎵/中間層/鑽石產品。
在一種方案中，蝕刻化合物半導體層(例如gan/algan外延層)以提供平坦、低粗糙度、低缺陷表面。然後將保護的、非常薄的非晶介電層(例如sin)沉積在表面上。可以使用施加無絨布的細鑽石砂粒進行接種，其壓力以單位數grams/cm2測量。這與使用以100’sgrams/cm2測量的壓力的正常接種方案形成對比。為了補償較低的施加壓力，可以延長相對於更標準的接種方法的時間進行軟接種(soft-seeding)製程，例如大約是標準接種製程的兩倍。
接種製程的一個重要特徵是在非常薄的接合層上形成非常細小的劃痕，而不會導致接合層的材料之更深的開槽(grooving)和/或大量(bulk)移除。標準接種可以提供細小的劃痕，但通常也從接合層中除去大量的材料。如果大量的材料從超薄接合層移除，那麼底層化合物半導體的一部分在早期鑽石生長期間被暴露或暴露。在實踐中，為了實現細小的劃痕而不進行大量的移除，在接種製程中必須僅施加非常輕的壓力。一種方法類似於標準機械手臂接種，幾乎沒有施加壓力到接種布上。可以使用自動機械接種方法，其中使用軟刷(softbrushes)將超薄接合層接種。為了鑽石生長的有效接種，必須對表面進行足夠的劃傷，而不會產生從超薄接合層去除大量材料的許多劃痕及/或深度劃痕。
有利的是，在這種製備之基板上的化學氣相沉積鑽石生長使用適於在大面積晶片上提供高度可控和均勻的化學氣相沉積鑽石生長條件的化學氣相沉積反應器技術進行。例如，專利文獻wo2012/084661，wo2012/084657，wo2012/084658，wo2012/084659，wo2012/084655，wo2012/084661和wo2012/084656中描述了一種微波等離子體化學氣相沉積鑽石反應器技術，其高度可控並且能夠提供大面積晶片上之高度均勻的化學氣相沉積鑽石生長條件，其包含微波功率、電場分布、氣體流量和大面積晶片的基板溫度等合成參數的可調控制。這確保了在化學氣相沉積鑽石生長的早期階段，以大大不同的速度蝕刻所製備的基板，並且只要接合層本身具有高度均勻的厚度，就可以將接合層的厚度減小到最小。
上述方法具有以下優點：(i)可以使鑽石-半導體接口處的接合層更薄，從而降低熱邊界電阻並改善半導體裝置的熱特性；(ii)半導體裝置結構的熱邊界電阻的均勻性得到改善，從而減輕了大功率半導體應用中的裝置結構性能的不均勻性；以及(iii)在其化學氣相沉積鑽石生長期間不損壞半導體材料，使得其保持適合於大功率半導體應用的良好電子特性。
鑑於上述，提供了一種半導體裝置結構，其包含：化合物半導體材料層；以及多晶化學氣相沉積鑽石材料層，其中該多晶化學氣相沉積鑽石材料層經由厚度小於25nm、厚度變化不大於15nm的接合層與該化合物半導體材料層接合，其中通過該化合物半導體材料層與該多晶化學氣相沉積鑽石材料層之間的接口處的瞬態熱反射所測量的有效熱邊界電阻(tbreff)小於25m2k/gw，在半導體裝置結構上測量的變化幅度不超過12m2k/gw，並且其中該化合物半導體材料層具有以下特徵之一或兩者：電荷遷移率至少為1200cm2v-1s-1；以及片電阻不超過700ω/平方。
本發明的實施例提供了一種鑽石化合物半導體(例如氮化鎵)接口，於其間設置有超薄接合層，而不損害化合物半導體。因此，可以優化裝置結構的熱和電子特性。例如，有效熱邊界電阻(tbreff)可以降低到不超過20m2k/gw、15m2k/gw、12m2k/gw、10m2k/gw、8m2k/gw或6m2k/gw。此外，可以保持化合物半導體的電子特性，以提供：至少1200cm2v-1s-1、1400cm2v-1s-1或1600cm2v-1s-1的電荷遷移率；不超過700ω/平方，600ω/平方或500ω/平方的片電阻；不超過10-5安培或10-6安培的漏電流；及/或至少5w/mm或6w/mm的最大功率。
圖5示出了具有35nm之介電中間層的氮化鎵/鑽石界面的橫截面。通過仔細地平坦化化合物半導體的表面，使用良好控制的介電中間層沉積製程，使用軟接種方法，並使用受控的早期鑽石生長來減少介電層的蝕刻，介電中間層只有12nm厚的部分受到化學氣相沉積鑽石生長的影響。因此，很明顯，在該實施例中，介電中間層的厚度可以減小到約12nm，同時在化學氣相沉積鑽石生長期間仍避免蝕刻到氮化鎵材料。換句話說，接合層的厚度可以例如小於20nm、15nm或13nm。根據所使用的具體材料和條件，接合層的厚度可以為至少5nm、8nm、10nm或12nm，以提供足夠厚度的接合層來保護下面的氮化鎵。
使用本文所述的方法明顯的改善了化合物半導體和鑽石層之間之接口的均勻性。例如，接合層可以具有不超過12nm、10nm、8nm或5nm的厚度變化。這導致更均勻的熱性能特性，使有效熱邊界電阻(tbreff)的變化可以降低到不超過10m2k/gw、8m2k/gw、6m2k/gw或4m2k/gw。此外，這些參數可以在具有至少50mm、80mm、100mm、120mm或140mm的直徑的大面積晶片上實現。
接合層可以由非晶或多晶材料形成。接合層材料的例子包含碳化矽、二氧化矽、矽、氮化矽、氮化鋁、氧化鎂、氮化硼或氧化鈹。或者，本發明人發現接合層可以由納米結晶鑽石形成。在這種替代方法中，使用納米及/或超納米結晶鑽石的超聲處理及/或電化學沉積形成受控厚度之實質上無空隙的鑽石成核層(nucleationlayer)。該方法不包含在鑽石材料和化合物半導體材料之間之額外的介電中間層，因此避免了對化合物半導體晶片承受高溫並可能影響產量及/或成本之額外的陶瓷沉積步驟的要求。此外，通過消除額外的介電中間層，這開啟了將鑽石材料和化合物半導體材料之間的有效熱邊界電阻降低到理論最小值3m2k/gw的機會。還設想這些方法的組合可以用於提供與納米結晶鑽石種子層組合的薄介電層。
此外，已發現如果在接合層中使用碳化物形成材料，例如矽或矽基化合物，然後在化學氣相沉積鑽石生長的早期階段，接合層的大部分(例如體積大於50％、75％或90％)可以轉化為諸如碳化矽等碳化物材料。在這種情況下，接合層和化學氣相沉積鑽石合成製程的均勻性允許接合層的受控轉化而不蝕穿到下面的化合物半導體。
還已經發現可以使用納米結晶鑽石粉末的膠體懸浮液和施加聲波功率形成種子層，其具有選擇的顆粒尺寸、沉積時間和聲波功率以實現所需的有效熱邊界電阻(tbreff)，同時還確保種子層在化學氣相沉積鑽石生長期間用作有效的保護屏障，使得下面的化合物半導體不被過度損壞。一種替代方案是使用電化學方法，其控制鑽石/晶片相對電位以產生均勻及保形沉積(conformaldeposition)。此外，令人驚奇地發現，這樣的種子層不能防止化學氣相沉積鑽石層與化合物半導體基板的粘合。
雖然之前已經描述了包含膠體懸浮液、納米結晶鑽石粉末和聲波功率或電化學沉積的應用於高成核密度鑽石的接種和生長，但是用於提高鑽石化合物半導體接口之熱障電阻(thermalbarrierresistance)之方法的影響和性質以前沒有被證明。本發明人已經設計了一種塗布化合物半導體基板的方法，其允許調整分散在半導體基板上之種子堆棧的厚度和密度，從而控制與先前實現的結果相比形成這種堆棧有關的熱邊界電阻。通過調整例如時間、聲波功率和接種介質，本發明人已經證明了堆棧之厚度和分散之密度的控制，以便優化與氮化鎵和鑽石之間的這種層有關的熱邊界電阻。特別地，通過用於成核之厚且導熱的超導納米結晶及/或納米結晶鑽石塗層代替介電中間層，本發明人已經消除了兩個熱接口和一個熱挑戰的成核/保護層。
第6圖示出了超納米結晶種子層的透射電子顯微照片(tem)的橫截面，其指示具有可辨別的鑽石種子且沒有接面空隙的明確定義的納米結晶鑽石接面。納米結晶鑽石層可具有不超過10％、8％、6％或4％的透射電子顯微鏡影像測量的空隙體積分數。或者或另外，在包含至少200納米×100納米的面積的代表性樣本中，納米結晶鑽石層可以沒有大於20納米、15納米厚度10納米或5納米厚度的空隙。優選地，在包含至少200納米×100納米的面積的代表性樣本中，納米結晶鑽石層在透射電子顯微鏡影像中沒有可見空隙。
如上所述的種子層使多晶化學氣相沉積鑽石材料直接沉積在化合物半導體基板上，而不需要介電中間層。種子層可以使用平均粒度不超過15nm或10nm及/或不小於1nm的納米結晶鑽石粉末形成。在接種步驟中使用的納米結晶鑽石粉末的d90顆粒尺寸可不超過40nm、30nm或20nm。此外，可使用納米結晶鑽石粉末的膠體懸浮液形成種子層，並且可控制諸如沉積時間和聲波功率的沉積參數以實現所需的有效熱邊界電阻(tbreff)。製備化合物半導體基板的一種方法是將矽晶片上的氮化鎵接合到載體矽晶片，然後蝕刻出離開接合晶片的生長矽晶片。在移除生長矽晶片之後，暴露氮化鎵材料的背面。然後將該暴露的表面浸入到具有納米鑽石晶種的罐中，並將整罐以超聲波接種10分鐘。通過調整接種的確切時間來調整種子層的厚度。這個確切的時間取決於顆粒的密度和尺寸。然後將化合物半導體基板從罐中取出並旋轉乾燥以除去不良附著的種子。酒精幹燥後得到的晶片準備進行鑽石沉積。
雖然本發明可應用於一系列化合物半導體，但根據某些實施方案，化合物半導體材料層包含iii-v族化合物半導體材料，例如氮化鎵。在接合層上生長的多晶化學氣相沉積鑽石材料層可以具有至少5微米、10微米、20微米、30微米、50微米、80微米、100微米、200微米、300微米或500微米的厚度。在接合層上生長的覆蓋多晶化學氣相沉積鑽石材料優選為包含微米級晶粒(micronscalegrains，即多晶化學氣相沉積鑽石材料層包含尺寸大於1微米的晶粒)，並且優選地是微波等離子體化學氣相沉積鑽石材料，因為這種類型的多晶化學氣相沉積鑽石材料具有比熱絲多晶化學氣相沉積鑽石及/或納米多晶化學氣相沉積鑽石更高的熱導率。
圖7示出了包含化合物半導體材料層70、超薄均勻接合層72和多晶化學氣相沉積鑽石材料層74的三層結構的示意圖。
雖然已經參考實施例具體示出和描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，在不脫離權利要求所限定的本發明的範圍的情況下，可以對形式和細節進行各種改變。