氧化镓异质集成结构及制备方法

1.本发明属于半导体技术领域，涉及一种氧化镓异质集成结构及制备方法。


背景技术：

2.氧化镓(ga2o3)凭借着超宽带隙和超高击穿场强，成为了一种极具发展前景的第四代半导体材料。其baliga优值(bfom)远优于硅(si)，氧化镓基器件在低功耗的大功率应用场景中具有十分优异的表现。
3.此外，由于大尺寸的氧化镓单晶可采用熔融生长法获得，因此其成本也可以控制在较低的水平，适合大规模生产。然而，氧化镓的热导率极低，仅约为硅的1/8，这使得散热成为了制约氧化镓基器件发展的关键问题之一。
4.目前，将氧化镓与高导热衬底进行异质集成是提高器件散热能力的重要方式。虽然通过该方法对实现氧化镓基器件散热能力意义重大，但仅基于此仍然无法完全解决氧化镓基器件的散热问题。
5.因此，提供一种氧化镓异质集成结构及制备方法，以对氧化镓基器件的结构进行进一步优化，以解决氧化镓基器件的散热问题实属必要。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氧化镓异质集成结构及制备方法，用于解决现有技术中氧化镓基器件的散热问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氧化镓异质集成结构的制备方法，包括以下步骤：
8.提供氧化镓晶片及异质衬底晶片，所述氧化镓晶片及所述异质衬底晶片均具有抛光面；
9.自所述氧化镓晶片的抛光面进行离子注入，于所述氧化镓晶片中形成缺陷层；
10.将所述氧化镓晶片的抛光面与所述异质衬底晶片的抛光面进行键合；
11.进行退火，沿所述缺陷层进行剥离，获得包括自上而下叠置表面损伤层、氧化镓层及所述异质衬底晶片的第一复合结构；
12.对所述第一复合结构进行表面处理，去除所述表面损伤层显露所述氧化镓层；
13.进行同质外延于所述氧化镓层的表面生长氧化镓外延层，获得包括自上而下叠置所述氧化镓外延层、所述氧化镓层及所述异质衬底晶片的第二复合结构；
14.对所述第二复合结构的表面进行刻蚀，制备表面具有绒面结构的所述氧化镓异质集成结构。
15.可选地，对所述第二复合结构的表面进行刻蚀的方法包括湿法刻蚀，其中，刻蚀溶液包括naoh溶液及koh溶液中的一种或组合；刻蚀溶液的浓度包括1～50％，湿法刻蚀温度包括20～200℃，湿法刻蚀时间包括1～60min。
16.可选地，同质外延采用的方法包括气相外延、化学气相沉积、分子束外延、脉冲激
光沉积中的一种或组合。
17.可选地，对所述第二复合结构的表面进行刻蚀前或对所述第二复合结构的表面进行刻蚀后，还包括形成金属电极的步骤；制备所述金属电极的方法包括蒸镀法、溅射法、溶脱剥离法中的一种或组合；所述金属电极包括ti金属电极、ni金属电极、pt金属电极、au金属电极、ag金属电极中的一种或组合。
18.可选地，所述氧化镓晶片包括α-氧化镓晶片、β-氧化镓晶片、γ-氧化镓晶片、δ-氧化镓晶片和ε-氧化镓晶片中的一种；所述异质衬底晶片包括硅晶片、碳化硅晶片、氮化铝晶片和氮化镓晶片中的一种。
19.可选地，离子注入包括h离子注入及he离子注入中的一种或组合。
20.可选地，对所述第一复合结构进行表面处理的方法包括机械研磨、化学机械抛光、干法刻蚀、湿法刻蚀中的一种或组合。
21.可选地，进行键合的方法包括表面活化键合、金属键合、亲水性键合及阳极键合中的一种。
22.本发明还提供一种氧化镓异质集成结构，所述氧化镓异质集成结构包括自上而下叠置的氧化镓外延层、氧化镓层及异质衬底晶片，且所述氧化镓异质集成结构的表面具有绒面结构。
23.可选地，所述氧化镓异质集成结构包括氧化镓基异质pn结或氧化镓基肖特基势垒二极管。
24.如上所述，本发明的氧化镓异质集成结构及制备方法，通过对异质集成的氧化镓复合结构进行表面刻蚀，以基于naoh溶液或koh溶液对材料的各向异性刻蚀，在氧化镓复合结构的表面留下具有凹槽的绒面结构，以增加器件的总体有效散热面积，增强了基于此制备的氧化镓基器件的散热能力，以解决氧化镓基器件的散热问题，提高氧化镓基器件的使用寿命。
附图说明
25.图1显示为本技术实施例中制备氧化镓异质集成结构的工艺流程示意图。
26.图2显示为本技术实施例中提供的氧化镓晶片的结构示意图。
27.图3显示为本技术实施例中提供的异质衬底晶片的结构示意图。
28.图4显示为本技术实施例中进行离子注入形成缺陷层后的结构示意图。
29.图5显示为本技术实施例中进行键合后的结构示意图。
30.图6显示为本技术实施例中进行退火、剥离后的结构示意图。
31.图7显示为本技术实施例中进行同质外延生长氧化镓外延层后的结构示意图。
32.图8显示为本技术实施例中形成金属电极后的结构示意图。
33.图9显示为本技术实施例中进行刻蚀形成绒面结构后的结构示意图。
34.元件标号说明
35.100
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氧化镓晶片
36.100a
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氧化镓晶片的抛光面
37.101
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氧化镓层
38.200
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异质衬底晶片
39.200a
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异质衬底晶片的抛光面
40.300
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缺陷层
41.400
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表面损伤层
42.500
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氧化镓外延层
43.600
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金属电极
具体实施方式
44.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
45.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
46.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向，可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触，另外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
47.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
48.如图1，本实施例提供一种氧化镓异质集成结构的制备方法，包括以下步骤：
49.s1：提供氧化镓晶片及异质衬底晶片，所述氧化镓晶片及所述异质衬底晶片均具有抛光面；
50.s2：自所述氧化镓晶片的抛光面进行离子注入，于所述氧化镓晶片中形成缺陷层；
51.s3：将所述氧化镓晶片的抛光面与所述异质衬底晶片的抛光面进行键合；
52.s4：进行退火，沿所述缺陷层进行剥离，获得包括自上而下叠置表面损伤层、氧化镓层及所述异质衬底晶片的第一复合结构；
53.s5：对所述第一复合结构进行表面处理，去除所述表面损伤层显露所述氧化镓层；
54.s6：进行同质外延于所述氧化镓层的表面生长氧化镓外延层，获得包括自上而下叠置所述氧化镓外延层、所述氧化镓层及所述异质衬底晶片的第二复合结构；
55.s7：对所述第二复合结构的表面进行刻蚀，制备表面具有绒面结构的所述氧化镓异质集成结构。
56.本实施实施例通过对异质集成的氧化镓复合结构进行表面刻蚀，在氧化镓复合结构的表面留下具有凹槽的绒面结构，以增加器件的总体有效散热面积，增强了基于此制备
的氧化镓基器件的散热能力，以解决氧化镓基器件的散热问题，提高氧化镓基器件的使用寿命。
57.以下结合说明书附图2～附图9，对有关所述氧化镓异质集成结构的制备进行介绍。
58.首先，参阅图2及图3，执行步骤s1，提供氧化镓晶片100及异质衬底晶片200，所述氧化镓晶片100具有氧化镓晶片的抛光面100a及所述异质衬底晶片200具有异质衬底晶片的抛光面200a。
59.具体的，所述氧化镓晶片100以及所述异质衬底晶片200的尺寸可根据需要进行选择，包括2英寸～12英寸，如4英寸、6英寸等。所述氧化镓晶片100可包括α-氧化镓晶片、β-氧化镓晶片、γ-氧化镓晶片、δ-氧化镓晶片和ε-氧化镓晶片中的一种；所述氧化镓晶片100可包括n型掺杂的氧化镓单晶晶片或本征氧化镓单晶晶片；所述异质衬底晶片200可包括硅晶片、碳化硅晶片、氮化铝晶片和氮化镓晶片中的一种；所述异质衬底晶片200可包括p型掺杂的异质衬底晶片、n型掺杂的异质衬底晶片或本征异质衬底晶片，具体可根据需要进行选择。
60.接着，参阅图4，执行步骤s2，自所述氧化镓晶片的抛光面100a进行离子注入，于所述氧化镓晶片100中形成缺陷层300。
61.作为示例，离子注入可包括h离子注入及he离子注入中的一种或组合。
62.具体的，离子注入的能量可为20kev～200kev，如20kev、100kev、200kev等，剂量可为2
×
10
16
ions/cm2～2
×
10
18
ions/cm2，如2
×
10
16
ions/cm2、2
×
10
17
ions/cm2、2
×
10
17
ions/cm2等，温度可为20℃～200℃，如20℃、100℃、150℃、200℃等。
63.图4中的箭头表示离子注入的方向，其中，所述氧化镓晶片的抛光面100a作为注入面，在一示例中，可自所述氧化镓晶片的抛光面100a进行单类型离子注入，即离子注入包括h离子注入或he离子注入。当注入离子为h离子时，所述h离子可对预设深度处的所述氧化镓晶片100的晶格形成破坏，即形成所述缺陷层300，以便于后续的剥离处理，其中，形成所述缺陷层300的深度由离子注入的能量决定，而能否形成分离所需的缺陷密度由离子注入的剂量决定。当注入离子为he离子时，所述he离子会在所述氧化镓晶片100内的预设深度处形成所述缺陷层300，所述he离子会聚集在所述缺陷层300中并产生压强，在后续的剥离处理过程中，部分所述氧化镓晶片100可以从缺陷浓度最大处实现剥离。在另一示例中，也可自所述氧化镓晶片的抛光面100a进行两种类型离子的共注入，即注入离子为h离子及he离子，其中，所述h离子如上所述可用于形成缺陷，所述he离子可以被所述h离子形成的缺陷捕获，并通过物理作用使这些缺陷扩大并相互结合，相当于在所述h离子已产生的缺陷内部施加了一额外的作用力，最终形成可以分离所述氧化镓晶片100的裂痕，进而促进部分所述氧化镓晶片100从缺陷浓度最大处实现剥离，可以有效地促进部分所述氧化镓晶片100在离子注入剂量较低的情况下剥离，即可以有效地降低离子注入的总剂量，进而缩短了制备周期，节约生产成本。
64.接着，参阅图5，执行步骤s3，将所述氧化镓晶片的抛光面100a与所述异质衬底晶片的抛光面200a进行键合。
65.作为示例，进行键合的方法可包括表面活化键合、金属键合、亲水性键合及阳极键合中的一种。
66.具体得，键合的压力可为5mpa～500mpa，如5mpa、30mpa、50mpa、100mpa、500mpa等，真空度可为2
×
10-7
pa～1
×
10-4
pa，如2
×
10-7
pa、1
×
10-5
pa、1
×
10-4
pa等，温度可为室温等。
67.接着，参阅图6，执行步骤s4，进行退火，沿所述缺陷层300进行剥离，获得包括自上而下叠置表面损伤层400、氧化镓层101及所述异质衬底晶片200的第一复合结构。
68.具体的，对所述第一复合结构进行退火处理可在由真空、氮气、氧气、惰性气体中至少一种形成的气氛下进行，退火温度可为200℃～1000℃，如200℃、500℃、1000℃等，退火时间可为5min～72h，如5min、1h、24h、72h等。在退火过程中，注入离子会向剥离位置扩散，进而促进部分所述氧化镓晶片100从所述缺陷层300的缺陷浓度最大处实现剥离，以得到所述第一复合结构。
69.接着，执行步骤s5，对所述第一复合结构进行表面处理，去除所述表面损伤层400显露所述氧化镓层101。
70.作为示例，表面处理的方法可包括机械研磨、化学机械抛光、干法刻蚀、湿法刻蚀中的一种或组合，通过如化学机械抛光等表面处理工艺后，可以去除残留于所述氧化镓层101表面的所述缺陷层300及部分氧化镓材料，以得到高质量的所述氧化镓层101。
71.接着，参阅图7，执行步骤s6，进行同质外延于所述氧化镓层101的表面生长氧化镓外延层500，获得包括自上而下叠置所述氧化镓外延层500、所述氧化镓层101及所述异质衬底晶片200的第二复合结构。
72.作为示例，同质外延采用的方法可包括气相外延、化学气相沉积、分子束外延、脉冲激光沉积中的一种或组合。
73.具体的，当外延方式为气相外延时，生长温度可为600～1000℃，如600℃、800℃、1000℃等，采用的ga源可为gacl等，其分压可为10～200pa，如10pa、100pa、200pa等，o源可包括o2、臭氧、氧等离子体、空气中的一种或组合，载气可为n2或ar的一种或组合；当外延方式为化学气相沉积时，生长温度可为500～1200℃，如500℃、800℃、1000℃、1200℃等，ga源可为高纯ga、三乙基镓或乙酰丙酮镓等，o源可为o2或o2和水蒸气的混合气，载气可为ar、he、n2中的一种或多种的组合，生长腔气压可为2～100torr，如2torr、50torr、100torr等；当外延方式为分子束外延时，生长温度可为600～1000℃，如600℃、800℃、1000℃，ga源可为高纯ga，o源可包括o2、臭氧、氧等离子体中的一种或组合；当外延方式为脉冲激光沉积时，衬底温度可为400～600℃，如400℃、500℃、600℃等，沉积气氛可为o2与ar的组合，其中o2占比可为1～30％，如1％、10％、30％等，生长气压可为1
×
10-3
pa～1pa，如1
×
10-3
pa、1
×
10-2
pa、1pa等，激光功率密度可为1～20j/cm2，如1j/cm2、10j/cm2、20j/cm2等。
74.其中，根据需要，当氧化镓为掺杂材料时，掺杂源可包括sn、si、mg、fe、ge、al、in中的一种或组合。
75.接着，参阅图8，还可包括形成金属电极600的步骤；制备所述金属电极600的方法可包括蒸镀法、溅射法、溶脱剥离法中的一种或组合；所述金属电极600可包括ti金属电极、ni金属电极、pt金属电极、au金属电极、ag金属电极中的一种或组合。
76.具体的，如图8，本技术实施例中，在所述氧化镓外延层500及所述异质衬底晶片200的表面均制备形成所述金属电极600，以制备垂直导电型器件，但并非局限于此，也可仅在所述氧化镓外延层500的一侧制备形成所述金属电极600，以制备水平导电型器件，关于所述金属电极600的制备方法、材质及形貌等均可根据需要设置，此处不作过分限制。
77.其中，所述氧化镓异质集成结构可包括氧化镓基异质pn结或氧化镓基肖特基势垒二极管，但并非局限于此。
78.接着，参阅图9，执行步骤s7，对所述第二复合结构的表面进行刻蚀，制备表面具有绒面结构的所述氧化镓异质集成结构。
79.作为示例，对所述第二复合结构的表面进行刻蚀的方法可包括湿法刻蚀，其中，刻蚀溶液可包括naoh溶液及koh溶液中的一种或组合；刻蚀溶液的浓度可包括1～50％，如1％、10％、20％、50％等，湿法刻蚀温度可包括20～200℃，如20℃、100℃、200℃等，湿法刻蚀时间可包括1～60min，如1min、30min、60min等。
80.具体的，由于naoh溶液或koh溶液对氧化镓材料及硅晶片、碳化硅晶片、氮化铝晶片、氮化镓晶片均具有各向异性刻蚀，从而本技术实施例可在所述氧化镓外延层500以及所述异质衬底晶片200上均形成具有凹槽的所述绒面结构，当然根据材料的差异，形成的所述绒面结构的形貌会不同，通过所述绒面结构可以增加器件的总体有效散热面积，以增强散热能力，从而可解决氧化镓基器件的散热问题，提高氧化镓基器件的使用寿命。
81.本技术实施例中，所述金属电极600是在对所述第二复合结构的表面进行刻蚀之前制备，以便于降低刻蚀对所述金属电极600的影响，但并非局限于此，在另一实施例中，也可对所述第二复合结构的表面进行刻蚀后制备所述金属电极600，此处不作过分限制。
82.参阅图8，本技术实施例还提供一种氧化镓异质集成结构，所述氧化镓异质集成结构包括自上而下叠置的氧化镓外延层500、氧化镓层101及异质衬底晶片200，且所述氧化镓异质集成结构的表面具有绒面结构。
83.具体的，所述氧化镓异质集成结构可采用上述氧化镓异质集成结构的制备方法制备，但并非局限于此，本实施例中的所述氧化镓半导体结构采用上述制备工艺制备，从而有关所述氧化镓异质集成结构的材质、结构等，此处不作赘述。
84.作为示例，如图9，所述氧化镓异质集成结构还可包括金属电极600，所述金属电极600可包括ti金属电极、ni金属电极、pt金属电极、au金属电极、ag金属电极中的一种或组合。关于所述金属电极600的材质及形貌等均可根据需要设置，此处不作过分限制。
85.作为示例，所述氧化镓异质集成结构可包括垂直导电型器件或水平导电型器件。
86.作为示例，所述氧化镓异质集成结构可包括氧化镓基异质pn结或氧化镓基肖特基势垒二极管。
87.综上所述，本发明的氧化镓异质集成结构及制备方法，通过对异质集成的氧化镓复合结构进行表面刻蚀，以基于naoh溶液或koh溶液对材料的各向异性刻蚀，在氧化镓复合结构的表面留下具有凹槽的绒面结构，以增加器件的总体有效散热面积，增强了基于此制备的氧化镓基器件的散热能力，以解决氧化镓基器件的散热问题，提高氧化镓基器件的使用寿命。
88.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种氧化镓异质集成结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供氧化镓晶片及异质衬底晶片，所述氧化镓晶片及所述异质衬底晶片均具有抛光面；自所述氧化镓晶片的抛光面进行离子注入，于所述氧化镓晶片中形成缺陷层；将所述氧化镓晶片的抛光面与所述异质衬底晶片的抛光面进行键合；进行退火，沿所述缺陷层进行剥离，获得包括自上而下叠置表面损伤层、氧化镓层及所述异质衬底晶片的第一复合结构；对所述第一复合结构进行表面处理，去除所述表面损伤层显露所述氧化镓层；进行同质外延于所述氧化镓层的表面生长氧化镓外延层，获得包括自上而下叠置所述氧化镓外延层、所述氧化镓层及所述异质衬底晶片的第二复合结构；对所述第二复合结构的表面进行刻蚀，制备表面具有绒面结构的所述氧化镓异质集成结构。2.根据权利要求1所述的氧化镓异质集成结构的制备方法，其特征在于：对所述第二复合结构的表面进行刻蚀的方法包括湿法刻蚀，其中，刻蚀溶液包括naoh溶液及koh溶液中的一种或组合；刻蚀溶液的浓度包括1～50％，湿法刻蚀温度包括20～200℃，湿法刻蚀时间包括1～60min。3.根据权利要求1所述的氧化镓异质集成结构的制备方法，其特征在于：同质外延采用的方法包括气相外延、化学气相沉积、分子束外延、脉冲激光沉积中的一种或组合。4.根据权利要求1所述的氧化镓异质集成结构的制备方法，其特征在于：对所述第二复合结构的表面进行刻蚀前或对所述第二复合结构的表面进行刻蚀后，还包括形成金属电极的步骤；制备所述金属电极的方法包括蒸镀法、溅射法、溶脱剥离法中的一种或组合；所述金属电极包括ti金属电极、ni金属电极、pt金属电极、au金属电极、ag金属电极中的一种或组合。5.根据权利要求1所述的氧化镓异质集成结构的制备方法，其特征在于：所述氧化镓晶片包括α-氧化镓晶片、β-氧化镓晶片、γ-氧化镓晶片、δ-氧化镓晶片和ε-氧化镓晶片中的一种；所述异质衬底晶片包括硅晶片、碳化硅晶片、氮化铝晶片和氮化镓晶片中的一种。6.根据权利要求1所述的氧化镓异质集成结构的制备方法，其特征在于：离子注入包括h离子注入及he离子注入中的一种或组合。7.根据权利要求1所述的氧化镓异质集成结构的制备方法，其特征在于：对所述第一复合结构进行表面处理的方法包括机械研磨、化学机械抛光、干法刻蚀、湿法刻蚀中的一种或组合。8.根据权利要求1所述的氧化镓异质集成结构的制备方法，其特征在于：进行键合的方法包括表面活化键合、金属键合、亲水性键合及阳极键合中的一种。9.一种氧化镓异质集成结构，其特征在于：所述氧化镓异质集成结构包括自上而下叠置的氧化镓外延层、氧化镓层及异质衬底晶片，且所述氧化镓异质集成结构的表面具有绒面结构。10.根据权利要求9所述的氧化镓异质集成结构，其特征在于：所述氧化镓异质集成结构包括氧化镓基异质pn结或氧化镓基肖特基势垒二极管。

技术总结
本发明提供一种氧化镓异质集成结构及制备方法，通过对异质集成的氧化镓复合结构进行表面刻蚀，以基于NaOH溶液或KOH溶液对材料的各向异性刻蚀，在氧化镓复合结构的表面留下具有凹槽的绒面结构，以增加器件的总体有效散热面积，增强了基于此制备的氧化镓基器件的散热能力，以解决氧化镓基器件的散热问题，提高氧化镓基器件的使用寿命。化镓基器件的使用寿命。化镓基器件的使用寿命。


技术研发人员：欧欣 瞿振宇 游天桂 徐文慧 赵天成
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/24