應變改造複合半導體基片和其形成方法

2023-11-30 14:11:31

專利名稱：應變改造複合半導體基片和其形成方法
技術領域：
本發明大體上涉及用於半導體結構體或裝置的製造中的改造基片(engineered substrate)的製造、半導體結構體或裝置的製造中形成的中間結構體以及使用改造基片的半導體結構體或裝置。
背景技術：
使用包括一層或多層半導體材料的基片來形成各種半導體結構體和裝置，包括例如，集成電路(IC)裝置(如邏輯處理器和存儲裝置)、輻射發射裝置(如發光二極體(LED)、 共振腔發光二極體(RCLED)和垂直腔表面發射雷射器(VCSEL))和輻射傳感裝置(如光學傳感器)。常規上以逐層方式(即光刻印刷)在半導體基片的表面上和/或在半導體基片的表面中形成所述半導體裝置。歷史上，大多數用於半導體裝置製造工業的所述半導體基片包含矽材料的薄碟片 (discs)或「晶片」。所述矽材料的晶片通過以下過程製造首先形成較大的通常為圓柱形的矽單晶錠，隨後垂直於單晶錠的縱軸方向切割單晶錠以形成多個矽晶片。所述矽晶片具有可達約30釐米(30cm)以上(約12英寸(12in)以上)的直徑。雖然矽晶片通常具有的厚度為數百微米(例如約700微米)，實際上僅使用了位於矽晶片的主要表面上的非常薄的半導體材料的層(例如，小於約300納米(300nm))，以在矽晶片上形成有源裝置。已經發現，通過使位於半導體基片上的實際上用於形成半導體裝置的半導體材料的部分與所述基片的其餘大部分半導體(bulk semiconductor)材料電絕緣，可以改善半導體裝置的速度和功率效率。結果，已經開發出所謂的「改造基片」，該改造基片包括設置在介電材料(例如二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或氧化鋁(Al2O3))層上的相對較薄的半導體材料層(例如，該層具有的厚度小於約300納米(300nm))。可選的是，介電材料層可以相對較薄(例如，薄至不能由常規半導體裝置製造設備操作)，並且所述半導體材料和介電材料層可以設置在相對較大的主體或基礎基片上，以便於通過製造設備操作整個改造基片。結果，本領域經常將基礎基片稱為「操作(handle或handling)」基片。基礎基片還可以包含除了矽之外的半導體材料。本領域已知各種改造基片，並且其可以包含諸如矽(Si)、鍺(Ge)、III-V型半導體材料和II-VI型半導體材料等半導體材料。例如，改造基片可以包括在諸如氧化鋁(Al2O3)(也可稱之為「藍寶石」)等基礎基片的表面上形成的III-V型半導體材料的外延層。使用所述改造基片，在III-V型半導體材料的外延層之上可以形成另外的材料層並對其加工(例如圖案化)，從而在改造基片上形成一個或多個裝置。出於多種理由，在半導體層中(例如在III族氮化物材料中)的應變是不期望的。 應變層通常引起缺陷/位錯的密度增加，並且甚至可以引起膜中的裂紋形成。例如，應變效應對於高銦含量InGaN發光裝置是主要的損害原因，因為所述裝置所需的增加的銦百分比引入了升高的應變水平。這些層能夠僅以極其小的厚度和低的銦含量生長，以防止相分離材料的發生以及所引起的銦在整個所述層中的不均勻分布，這對於達到材料目標而言是一種不切實際的方法。引入應變的一種方式是通過加工期間半導體層可能經歷的溫度變化。當在較高的溫度下在非均勻基片或複合結構體上形成(例如外延生長)半導體材料的層時，隨著所獲得的結構體冷卻至室溫，由於各相鄰材料展示的熱膨脹係數(CTE)的任何差異，在半導體材料層的晶體晶格中引發晶格應變。如果下層的材料展示的熱膨脹係數高於半導體材料展示的熱膨脹係數，當使所獲得的結構體冷卻時半導體材料可處於壓縮應變的狀態。相反，如果下層的材料展示的熱膨脹係數低於半導體材料展示的熱膨脹係數，當使所獲得的結構體冷卻時半導體材料可處於拉伸應變的狀態。存在許多其中所述晶格應變對可以製造的裝置造成限制的半導體裝置和方法。將鬆弛(即未應變)的GaN作為hGaN/AWaN膜生長晶種的應用受限於極其小的厚度和低的銦/鋁含量，而所述極其小的厚度和低的銦/鋁含量在InGaN的情況下防止相分離材料的發生以及所引起的銦在整個所述層中的不均勻分布，或在AKiaN的情況下防止可能的膜的裂紋。舉例而言，銦含量大於7%的膜難以長厚(即> 500nm)，因為膜可能發生相分離，並因此被晶格失配引發的應變效應而劣化。綜上所述，需要可提供適當的晶格參數從而減少或取消與基片上生長或設置的外延膜的晶格失配的基片技術。

發明內容
本發明的實施方式涉及生產一種複合基片，所述複合基片包含在支持基片上的應變III族氮化物材料晶種層(晶種層例如GaN層等)，例如藍寶石上GaN(GANC)Q或絕緣體上GaN(GANOI)等，其晶格參數與要在複合基片上形成的裝置結構體(例如InGaN類發光體)基本上匹配。在一些實施方式中，半導體基片的製造方法包括通過在具有所需晶格應變的第一基片上形成III族氮化物材料和在所述III族氮化物材料的第一表面上形成Ga-面以及在所述III族氮化物材料的第二表面上形成N-面，從而形成應變供體結構體。選擇附著表面，其中所述附著表面是用於形成N-極複合基片的第一表面或用於形成Ga-極複合基片的第二表面。在應變供體結構體中於預定深度處形成弱化區，以在所述附著表面和所述弱化區之間限定應變晶種層和在所述弱化區和與附著表面相對的表面之間限定殘餘應變供體結構體。所述方法還包括將支持基片結合至III族氮化物材料的附著表面，和在弱化區處將殘餘應變供體結構體與應變晶種層分離，以形成包含支持基片和應變晶種層的應變複合基片。在其它實施方式中，半導體基片的製造方法包括通過在具有所需晶格應變的生長基片上形成III族氮化物材料和在所述III族氮化物材料的第一表面上形成Ga-面，從而形成應變供體結構體。在應變供體結構體中於預定深度處形成弱化區，以在所述第一表面和所述弱化區之間限定應變晶種層和在所述弱化區和所述生長基片之間限定殘餘應變供體結構體。所述方法還包括將支持基片結合至III族氮化物材料的第一表面，和在弱化區處將應變供體結構體與應變晶種層分離，以形成包含支持基片和應變晶種層的應變複合基片。
在另外的實施方式中，半導體基片的製造方法包括形成應變供體結構體。所述供體結構體通過以下過程形成在具有所需晶格應變的生長基片上形成III族氮化物材料和在所述III族氮化物材料的第一表面上形成Ga-面，將載體基片(carrier substrate)結合至所述第一表面，並且除去所述生長基片以暴露具有N-面的III族氮化物材料的第二表面。所述方法還包括在所述應變供體結構體中於預定深度處形成弱化區，以在所述第二表面和所述弱化區之間限定應變晶種層和在所述弱化區和所述第一表面之間限定殘餘應變供體結構體。所述方法還包括將支持基片結合至III族氮化物材料的第二表面，和在弱化區處將應變供體結構體與應變晶種層分離，以形成包含支持基片和應變晶種層的應變複合基片。在另外的實施方式中，應變複合基片包括支持基片和設置在支持基片上的包含 III族氮化物材料的應變晶種層。將應變晶種層從形成於第二支持基片上的具有所需晶格應變的包含III族氮化物材料的應變供體結構體分離。在另外的實施方式中，半導體裝置包括應變複合基片和設置在應變複合基片上的半導體裝置層，從而在半導體裝置上形成至少一種電子元件、至少一種光子元件或其組合。 應變複合基片包括支持基片和設置在支持基片上的包含III族氮化物材料的應變晶種層。 將應變晶種層從形成於第二支持基片上的具有所需晶格應變的包含III族氮化物材料的應變供體結構體分離。


雖然申請文件將特別指出並且清楚地請求保護本發明涉及的內容的權利要求為總結，但是當結合附圖一起閱讀時可以從本發明的描述中更容易地確定本發明的優點。圖1A-1D是發展(develop)應變複合基片和應變供體結構體的各動作中可以形成的結構體的簡化截面圖；圖2A-2E是發展N-極應變複合基片和GA-極應變供體結構體的各動作中可以形成的結構體的簡化截面圖；和圖3A-3G是發展Ga-極複合基片和N-極應變供體結構體的各動作中可以形成的結構體的簡化截面圖。
具體實施例方式此處提出的闡釋不意味著是任何特定材料、設備、系統或方法的實際情況，而只是用於描述本發明的理想化的代表。另外，圖之間的相同元件可以保留相同的數字標記。如本文所用，術語「 III-V型半導體材料」表示並且包括主要由來自元素周期表的 IIIA族(B、Al、feu In和Ti)中的一種或多種元素和來自元素周期表的VA族(N、P、As、釙和Bi)中的一種或多種元素組成的任何材料。如本文所用，當對於材料或結構體使用時，術語「熱膨脹係數」表示溫度區間(例如冷卻或加熱過程階段)內材料或結構體的平均線性熱膨脹係數。如本文所用，術語「改造基片」，其最廣義的意義表示並且包括包含兩個或多個材料層的任何基片，改造基片用作用於在其上製造一個或多個半導體裝置的基片。作為非限制性實例，改造基片包括絕緣體上的半導體型基片。
如本文所用，術語「材料的外延層」表示至少基本上是該材料的單晶並且形成為使得該單晶展示已知的晶體學取向的材料的層。如本文所用，術語「晶格參數」表示並且包括在表面的平面中測定的晶胞的原子之間的距離。如本文所用，當對於半導體材料的外延層使用時，術語「生長晶格參數」表示當半導體材料的層在較高的溫度下外延生長時半導體材料的層展示的平均晶格參數。如本文所用，當對於材料層使用時，術語「晶格應變」表示在與材料層的平面至少基本平行的方向上的晶體晶格應變。類似地，當對於材料層使用時，術語「平均晶格參數」表示在與材料層的平面至少基本平行的維度上的平均晶格參數。晶格應變可以是壓縮應變或拉伸應變。類似地，術語「應變」用於表示晶體晶格已經從所述材料的正常間距變形(例如伸展或壓縮)，因此其晶格間距不同於在均勻鬆弛晶體中對於所述材料正常遇到的晶格間距。如本文所用，術語「鬆弛(relax) 」或「經鬆弛(relaxed) 」表示並且包括具有無應變晶體學結構體的半導體材料的任何層，所述無應變晶體學結構體包含以能量有利方式取向的不對稱單元(例如原子或分子)。術語「鬆弛(relaxing)」表示並且包括改變原子在材料層中的相對於整體位置(bulk position)的位置，從而使得所述材料內的晶格應變得到至少部分減少，並且使所述材料接近或達到其平衡晶格常數。此處包括標題以有助於定位具體實施方式
的特定章節。這些標題不應該被視為對任何具體的標題下所描述概念的範圍的限制。另外，任何具體的標題中所述的概念通常適用於整個說明書的其它章節。本發明的實施方式涉及生產一種複合基片，所述複合基片包含在支持體上的應變III族氮化物晶種層(晶種層例如GaN層等)，例如藍寶石上GaN(GANC)Q或絕緣體上 GaN(GANOI)等，其晶格參數與要在其上形成的裝置結構體(例如InGaN類發光體)基本上匹配。可以將晶格匹配配置成在所述裝置結構體的生長溫度下更緊密地匹配。可以以不同方式改造生長溫度下的晶格參數。一種方法是改變初始應力，進而改變處於Ttl時晶種層中的晶格參數(L)，即對所述材料L(Ttl)預加應力。另一方法是對所述基片/晶種進行改造以獲得優選程度的應變，進而獲得優選的處於生長溫度時的晶格參數L(AT，ACTE)，S卩，晶格參數是生長溫度和CTE的函數。換言之，可以將總應力和由此所獲得的晶格參數表示為溫度的函數L(T) =L(T0)+L(AT, ACTE)。當前應用主要涉及改造晶種層中的預應力水平， 即 L (T0)。因此，本發明的實施方式包括用於形成應變改造III族氮化物複合基片的方法和結構體，所述複合基片包括由應變供體結構體供給的應變晶種層。可以對本發明的實施方式進行優化以產生具有所選的晶體性質(包括組成和極性)的大面積應變供體。本發明的實施方式通過改造平面內晶格參數來操控III族氮化物供體結構體中的應變程度(壓縮或拉伸)。另外，對複合基片的晶種層中的晶格參數和應變進行改造，從而改善晶種層和將在其上沉積的裝置結構體之間的晶格失配。在某些實施方式中，選擇複合基片的支持結構體的熱膨脹係數以改善在裝置結構體的生長溫度下晶種層和裝置結構體之間的晶格失配。
可以使多個晶種層從供體結構體的應變III族氮化物材料上層離 (delaminated)，並將其轉移到許多支持結構體，從而從單個應變供體結構體產生多個改造
複合基片。在某些實施方式中，應變供體結構體的應變III族氮化物材料的極性可以是 Ga-極或N-極。可以使用許多方法或這些方法的組合產生供體結構體的應變III族氮化物材料中的應變。作為第一實例，可以通過III族氮化物材料和在其上生長III族氮化物材料的初始生長基片之間的熱膨脹係數失配而產生應變III族氮化物材料中的應變。作為第二實例，可以通過III族氮化物材料和在初始生長基片上形成的緩衝層之間的晶格失配而產生應變III族氮化物材料中的應變。作為第三實例，可以對生長基片，或在其上生長III族氮化物材料的緩衝層進行雜質或摻雜物引入以改變晶格常數，引起III族氮化物材料中的後續應變。首先，討論應變供體結構體、複合基片和裝置結構體的形成方法。接下來，將在下文中討論在供體結構體中引發應變的這三種方法中每一種方法的另外細節。本文使用的元件編號可以是指通常具有數字(例如110)的元件，特殊情況下是指數字後帶有字母綴(例如，110A，IlOB等)的元件的特定實施方式。應變改造供體結構體圖1A-1D是發展應變複合基片和應變供體結構體的各動作中可以形成的結構體的簡化截面圖。圖IA中在基片110上形成包含III族氮化物材料的應變供體結構體130。作為非限制性實例，本文所述的分離方法可以使用SMART-CUTTM技術。所述方法詳細地描述於例如Bruel的美國專利第RE39，484號、Aspar等的美國專利第6，303，468號、 Aspar等的美國專利第6，335，258號、Moriceau等的美國專利第6，756，286號、Aspar等的美國專利第6，809，044號和Aspar等的美國專利第6，946，365號、以及Dupont的美國專利申請公開第2006/0099776號，本文通過該參考整體上併入每一篇的公開內容。但是，應該理解還可以使用包括利用預定弱化區的適於製造複合材料晶片的其它方法。為了進行該分離過程，可以在應變供體結構體130中形成預定的弱化區160。圖 IA顯示了 SMART-CUT 技術的使用，該技術中以能夠在應變供體結構體130中產生弱化區 160的劑量和能量將諸如氫離子或其它離子等原子物種(atomic species) 170穿過附著表面135注入。弱化區160基本上與主附著表面135平行，並且基於原子物種注入過程的參數處於預定深度。如圖IB中所示，由此在附著表面135和弱化區160之間形成應變晶種層190。另外，在弱化區160和與附著表面135相對的表面之間形成殘餘應變供體結構體四0。將支持基片210結合至附著表面135。可以對附著表面135和支持基片210相對的表面在結合之前進行調製以確保充分的結合。可以將應變供體基片130和支持基片210的整體結構體放置到爐(未示出)中並進行加熱，以使弱化區160進一步弱化。在弱化和分離步驟期間，除了提供熱能，可以使用其它形式的另外能量，例如機械能；化學能；或熱能、機械能和化學能的組合。分離後由此形成的結構體是如圖ID中所示的能夠進一步供給應變III族氮化物材料的薄層的殘餘應變供體結構體290和如圖IC中所示的應變複合結構體230。應變複合結構體230包括應變晶種層190和支持基片210。如圖IC中所示，可以將所述複合結構體翻轉以用於進行另外的加工。在進行任何進一步加工步驟之前，可以使應變複合基片230接受表面處理，例如拋光、清潔或其組合。 作為非限制性實例，另外的加工可以包括在所述複合結構體上增加裝置結構體M0。該裝置結構體240可以包括多層本領域已知的經摻雜半導體材料、未經摻雜半導體材料或有源區，以產生電子元件、光子元件和其組合。殘餘應變供體結構體290可以再利用以用於通過重複圖1A-1D中所示的過程形成另外的應變複合結構體。當然，在進行任何進一步加工步驟之前，可以使殘餘應變供體結構體290接受表面處理，例如拋光、清潔或其組合。另外，可以在殘餘應變供體結構體290上沉積另外的應變III族氮化物材料，以補充供給用材料的來源。在某些實施方式中，應變供體結構體130的應變III族氮化物材料的極性可以是 Ga-極或N-極。由於將應變複合基片翻轉，應變複合基片230中的晶種層190的應變III 族氮化物材料的極性與應變供體結構體160的III族氮化物材料的極性是顛倒的。因此， Ga-極供體材料得到N-極應變晶種層190，N-極供體材料得到Ga-極應變晶種層190。在某些裝置應用中，可以優選具有Ga-極應變晶種。Ga-極應變供體結構體圖2A-2E是從Ga-極應變供體結構體發展N-極應變複合基片的各動作中可以形成的結構體的簡化截面圖。圖2A中，提供作為均勻或不均勻基片的初始生長基片110。生長基片110包括經選擇以在隨後向生長基片110添加的III族氮化物材料130A中賦予所需應變水平的CTE。在某些實施方式中，可以在生長基片110上沉積緩衝層120。以下更全面地描述緩衝層120。其它實施方式可以不使用緩衝層120。沉積III族氮化物材料130A的層，可選地包括沉積另外的應變改造緩衝層120。III族氮化物材料130A沉積為Ga-極極性(Ga-極通常比N-極具有更高的品質，並且通常優選用於裝置製造)。所獲得的結構體是Ga-極III 族氮化物材料130A，由此產生具有在生長基片110上的應變Ga-極III族氮化物材料130A 以及可能的緩衝層120的應變供體結構體180A。生長基片上的材料是Ga-極，但是Ga-極材料的N-面131與生長基片110或可能的緩衝層120接觸。此外，附著表面135是Ga-面。圖2B-2E中所示的剩餘動作和結構體分別與以上關於圖1A-1D討論的動作和結構體相同。因此，除了它們指出各結構體的極性之外，沒有必要討論圖2B-2E的細節。圖2B和2C圖示將III族氮化物材料130A配置成Ga-極。類似地，圖2E圖示將殘餘應變供體結構體^OA配置成Ga-極。圖2D中，將應變晶種層190A相對於圖2C中所示的應變晶種層190A翻轉。因此，將應變複合基片230A配置成N-極，並且在N-極材料的 N-面上形成裝置結構體M0。N-極應變改造供體結構體圖3A-;3H是從N-極應變供體結構體發展Ga-極複合基片的各動作中可以形成的結構體的簡化截面圖。圖3A中，提供作為均勻或不均勻基片的初始生長基片110。生長基片110包括經選擇以在隨後向生長基片110添加的III族氮化物材料130B中賦予所需應變水平的CTE。在某些實施方式中，可以在生長基片110上沉積緩衝層120。其它實施方式可以不使用緩衝層120。沉積III族氮化物材料130B的層，可選地包括沉積另外的應變改造緩衝層120。 III族氮化物材料130B沉積為Ga-極極性(Ga-極通常比N-極具有更高的品質，並且通常優選用於裝置製造)。生長基片上的材料是Ga-極，但是Ga-極材料的N-面131與生長基片110或可能的緩衝層120接觸。此外，頂面是Ga-面132。圖:3B中，將載體基片150結合至III族氮化物材料130B的暴露Ga-面132。載體基片150的CTE可以與生長基片110的CTE基本上相等從而使得III族氮化物材料130B 中的應變水平沒有顯著改變，或作為選擇，載體基片150可以具有與初始生長基片110不同的CTE以進一步改造III族氮化物材料中的應變。以下更全面地討論對III族氮化物材料 130B賦予應變的各種方法。圖3C中，除去生長基片110，以及可選的緩衝層120。可以通過研磨、蝕刻、離子注入、雷射剝離或其它合適的方法除去所述層。將所獲得的結構體翻轉，得到極性顛倒的III 族氮化物材料130B。結果，產生了具有載體基片150上的應變N-極III族氮化物材料130B 的應變供體結構體180B，其具有附著至載體基片150的Ga-面132和暴露的N-面131。圖3D-3G中所示的剩餘動作和結構體分別與以上關於圖1A-1D所討論的動作和結構體相同。因此，除了它們指出各結構體的極性之外，沒有必要討論圖3D-3G的細節。圖3D和3E圖示將III族氮化物材料130B配置成N-極(S卩，N-面131是支持基片210的附著表面135)。類似地，圖3G圖示將殘餘應變供體結構體^OB配置成N-極。圖 3F中，將應變晶種層190B相對於圖3E中所示的應變晶種層190B翻轉。因此，將應變複合基片230B配置成Ga-極，並且在Ga-極材料的Ga-面上形成裝置結構體M0。在III族氮化物供體結構體中引發應變在上述任何實施方式中，可以以多種方法在應變供體結構體中引發應變。本文詳細討論的三種具體方法是通過CTE失配引發應變、通過緩衝層方法引發應變和通過雜質或摻雜物引入法(例如擴散、離子注入或二者的組合)引發應變。另外，一些實施方式可以包括兩種以上不同的用於引發應變的方法的組合。首先，詳細地討論每一種引發應變的方法。 其次，討論每一種引發應變的方法的非限制性實例。在形成和除去本文所述的各層時可以使用許多公知的方法。這些方法中的一些方法是有機金屬氣相外延法(MOVPE)、氫化物氣相外延法(HVPE)、分子束外延法和反應性離子蝕刻法(RIE)。具有由CTE失配法引發的應變的III族氮化物供體結構體無論生長基片110是否是均勻材料或是由多個不相同的層組成的複合基片，均可以通過選擇初始生長基片Iio來改造應變供體結構體180的應變III族氮化物材料130中的應變的水平和性質(拉伸或壓縮)。例如，考慮GaN在藍寶石生長基片上的生長。GaN層的熱膨脹係數顯著小於藍寶石 (即，GaN為5. 6 X 10_6°C ―1，而相比之下藍寶石為8. 6 X 10_6°C ―1)。因此，當完成GaN生長周期時，(例如在 1100°C )，當冷卻至室溫時CTE的差異會使GaN層處於壓縮應變，使藍寶石層處於拉伸應變。在其它實施方式中，可以將III族氮化物材料130設計成處於拉伸應變，由此使 III族氮化物材料130的平面內晶格參數「伸展(stretching)」。拉伸應變優選用於GaN晶格參數的伸展，從而減少與InGaN類裝置結構體240的晶格失配。為了實現將拉伸應變轉移至應變供體結構體180的III族氮化物材料130，優選的是在平均熱膨脹係數小於III族氮化物材料130的初始生長基片110上生長III族氮化物材料。作為非限制性實例，一些可能的生長基片 110 的 CTE 是:SiC(4. 5X IO-6oC ^1)、Si (3. 5X IO-6oC ^1) ,GaAs (5. 4X IO-6oC 「1) 和AlAs (3. 5X 10_6°C ―1)。CTE值是對於標準加工溫度範圍[251000°C ]給出的。如之前所述，還應該意識到使用CTE值大於III-V氮化物的基片可以用於備選實施方式中，以用於將壓縮應變引入III族氮化物供體材料中，這些結構體對於獲得具有較小應變水平的 AlGaN膜是期望的。||有誦過-7中層法引發的應奪的πι muAmimmm應變III族氮化物材料中的應變可以通過使用應變引發緩衝層120，由與一個或多個下層的晶格失配引起。如果緩衝層120的平均晶格參數大於III族氮化物材料130的平衡晶格參數，則在後來的供體材料中產生拉伸應變。反之，如果緩衝層120的平均晶格參數小於III族氮化物材料130的平衡晶格參數，則在後來的供體材料中產生壓縮應變。拉伸應變可優選用於使III族氮化物材料130伸展，以減少與InGaN類裝置結構體層240的失配，而壓縮應變可優選用於使III族氮化物材料130壓縮，以減少與AlGaN類裝置結構體層MO的失配。緩衝層120的材料在III族氮化物的生長條件下應該是基本上穩定的，由此能夠進行合適的應變引發層120的原位沉積，然後進行優選的III族氮化物材料130的沉積。如果緩衝層的沉積不能通過標準III族氮化物CVD技術進行，則可以例如通過MBE、濺射沉積或PVD使應變引發層120非原位(ex-situ)沉積。對於經由缺陷形成開始應變鬆弛，可以使隨後在應變引發緩衝層120上生長的 III族氮化物材料130的厚度保持在臨界厚度以下，因此在保持合理的低缺陷密度的同時維持在III族氮化物材料130中引入的應變程度。作為非限制性實例，增加III族氮化物材料130的晶格參數的緩衝層120所用的一些合適的材料包括但不限於，鋁鎵銦氮化物 (AlGaInN)的合適的合金組分、氧化鋅(SiO)和過渡金屬的合適的氮化物或氧化物，例如氮化鉿、氮化鈧GcN)。K^mit^mmmMmxm^mm^m m mmmmm^m通過用合適的物種摻雜III族氮化物材料，可以使晶格參數增加或減少以與後續生長層更合適的匹配。常規而言，已知矽，一種常規的用於GaN的η-型摻雜物可以擾動III 族氮化物晶格，這是由於較小的Si離子在第III列的晶格位置的取代。例如，參見Chine等 (Physica Status Solidi A203 1954)，其中對於 9 X IO18CnT3 的 Si 摻雜濃度，發現 GaN 的平面內晶格參數從3.189 A的非應變值增加至3.1918 A。另外，參見Kawaharazuka等(Journal of Crystal Growth，3014142007)，其中將Be和Mg摻雜物引入到GaN晶格中引起壓縮應變。作為非限制性實例，可以通過擴散法、離子注入或其組合將離子物種引入晶格。在某些實施方式中，可以在生長基片110的表面上沉積薄的氮化物材料的緩衝層。然後使緩衝層進行預定深度和密度的摻雜物物種轟擊。為了控制引入到所述材料中的應變的量，理想的是對引入的摻雜物物種的密度進行精確控制。作為非限制性實例，摻雜物物種包括Si、 Ge、Sn、Mg、Be、ai和Cd。雖然適於該實施方式的離子物種的列表不應該限於之前所列出的那些，而是還包括在引發平面內晶格常數發生改變的同時能夠引入III-V氮化物材料的晶格中的離子物種。示例件CTE失配實施方式作為第一實例，形成III族氮化物應變供體結構體並利用其來形成應變複合基片 230。該應變供體結構體包括結合到藍寶石載體基片150上的厚度為(0. 1 μ m 1000 μ m) 的應變N-極GaN供體材料。該實例基本上遵循圖3A-3G中所示的動作和結構體。在該實例中，使用矽生長基片110。在矽生長基片110上設置諸如A1N、AKkiN或其它合適的材料等的緩衝層120，然後是Ga-極GaN材料130的後續沉積。取決於生長條件和膜厚度，該GaN材料130中所獲得的應力為-IOOMPa 200MPa。預期的穿透位錯密度 (threading dislocation density, TDD)是 lX106/cm2 5X109/cm2(圖 3A)。使用Si3N4/Si&的組合作為結合層將藍寶石載體基片150結合至與矽生長基片 110相對的Ga-極GaN材料130的暴露Ga-面。可以藉助於熱退火和/或使用等離子體活化(plasma activation)作為預結合表面處理，從而強化結合結構體(圖。可以藉助於機械研磨、精磨(lapping)、拋光和利用選擇性蝕刻劑進行蝕刻，消除矽生長基片110，從而使緩衝層120的背表面暴露，所述選擇性蝕刻劑包括但不限於HF/ HNO3的混合物、KOH、TMAH。可以藉助於RIE、選擇性蝕刻、拋光或其組合除去緩衝層120以使GaN材料130的下側暴露(圖3C)。如果需要，可以通過與除去緩衝層120類似的方法調整GaN材料130的厚度。可以將所獲得的應變供體結構體180轉移到藍寶石支持基片210上，以形成應變複合基片230。可以利用晶片結合、晶片機械移除、SMART-CUT 技術或雷射分離的組合實現該轉移。所獲得的結構體是經由使用結合層(Si02/Si3N4)得到的位於藍寶石支持基片 210上的薄膜應變Ga-極GaN晶種層190。對GaN膜施加應力以增加平面內晶格參數從而與其上將沉積WhGaN有源裝置層MO(例如^iai5Giia85N)更好地匹配。注意，該實例的備選方案是應變供體結構體180包含結合到矽載體基片150而不是結合到藍寶石載體基片上的GaN材料130。在第二實例中，形成III族氮化物應變供體結構體180，並利用其來形成應變複合基片230。該應變供體結構體包括結合到藍寶石載體基片150上的厚度為(0. Ιμπι 1000 μ m)的應變N-極GaN供體材料。該實例基本上遵循圖3A-3G中所示的動作和結構體。在該實例中，使用碳化矽生長基片110。在碳化矽生長基片110上設置諸如A1N、 AlGaN或其它合適的材料等的緩衝層120，然後是Ga-極GaN材料130的後續沉積。取決於生長條件和膜厚度，該GaN材料130中所獲得的應力為-IOOMPa 200MPa。預期的TDD為 1 X 106/cm2 5X109/cm2。使用SW2作為結合層將藍寶石載體基片150結合至與碳化矽生長基片110相對的 Ga-極GaN材料130的暴露Ga-面。可以藉助於熱退火和/或使用等離子體活化作為預結合表面處理，從而強化結合結構體。可以藉助於機械研磨、精磨、拋光和選擇性蝕刻消除碳化矽生長基片110，從而使緩衝層120的背表面暴露。在GaN的厚度小於< 1 μ m的情況下，可以使用SMART-⑶T 技術通過穿過GaN膜直接在SiC基片中注入離子而除去SiC。在GaN膜比1 μ m厚的情況下，可以通過注入頂部 GaN基片並且在緩衝層之上引起分離而實現SiC的消除。在該情況下，沒有必要除去緩衝層。否則，可以藉助於RIE、選擇性蝕刻、拋光或其組合除去緩衝層120以使GaN材料 130的下側暴露。如果需要，可以通過與除去緩衝層120相似的方法調整GaN材料130的厚度。可以將所獲得的應變供體結構體180轉移到藍寶石支持基片210上，以形成應變複合基片230。可以利用晶片結合、晶片機械移除、SMART-CUT 技術或雷射分離的組合實現該轉移。所獲得的結構體是薄膜應變晶種層190，其是經由使用結合層(Si02/Si3N4)得到的位於藍寶石支持基片210上的Ga-極。對GaN膜施加應力以增加平面內晶格參數從而與其上將沉積WhGaN有源裝置層MO(例如^iai5Giia85N)更好地匹配。注意，該實例的備選方案是應變供體結構體180包含結合到矽載體基片而不是結合到藍寶石載體基片上的 GaN。示例件緩衝層實施方式作為第一實例，形成InGaN(或GaN)供體結構體。該實例基本上遵循圖3A 3G 中所示的動作和結構體。在該實例中，使用藍寶石生長基片110。藉助於例如M0VPE、HVPE 或MBE在藍寶石生長基片110上沉積作為緩衝層120的&ι0。經由例如HVPE、MBE或MOCVD在加0緩衝層120的表面上生長晶格匹配的 I%18G~82N或應變GaN。氮化物材料的厚度可以保持在臨界厚度以下，以防止在應變III族氮化物材料生長的情況下發生缺陷形成。使用SW2作為結合層將藍寶石載體基片150結合至與藍寶石生長基片110相對的應變III族氮化物材料130的表面。可以藉助於熱退火和/或使用等離子體活化作為預結合表面處理，從而強化結合結構體。可以藉助於溼式化學分離通過在稀HCl中蝕刻SiO應變-引發層120，消除藍寶石生長基片110，從而使緩衝層120的背表面暴露。如果需要，可以藉助於RIE、選擇性蝕刻、 拋光或其組合調整GaN材料130的厚度。ZnO的晶格參數為3.25 A，因此與銦含量為約18%的InGaN晶格匹配，銦含量約 18%是製造發光裝置(此處也稱為光子元件)中常用值。此外，ZnO是用於在藍寶石上沉積的理想材料，原因在於兩種材料之間熱膨脹係數的優良匹配(即，都具有8.6X10_6°C 1 的CTE,參見以下表2)。另外，可以對ZnO相對容易地(straight forwardly)蝕刻來分離所述結構體，這已經由 Rogers 等 Applied Physics Letters 91 071120 2007 所揭示。可以將所獲得的應變供體結構體180轉移到藍寶石支持基片210上，或其它合適的基片上，以形成應變複合基片230。可以利用晶片結合、晶片機械移除、SMART-CUT 技術或雷射分離的組合實現該轉移。所獲得的結構體是薄膜應變晶種層190，其是經由使用結合層(Si02/Si3N4)在藍寶石支持基片210上封止(terminated)的Ga-面。作為第二實例，形成InGaN(或GaN)供體結構體。該實例基本上遵循圖3A 3G 中所示的動作和結構體。在該實例中，使用SiC生長基片110。藉助於例如M0VPE、HVPE或 MBE在SiC生長基片110上沉積銦含量> 18%的鋁銦氮化物(AlJrvxN)作為緩衝層120。經由例如HVPE或MOVPE HhGaN(或GaN)在AUnN緩衝層120的表面上生長。氮化物材料的厚度可以保持在臨界厚度以下，以防止在應變III-V氮化物材料生長的情況下發生缺陷形成。
使用SW2作為結合層將藍寶石載體基片150結合至與藍寶石生長基片110相對的應變III族氮化物材料130的表面。可以藉助於熱退火和/或使用等離子體活化作為預結合表面處理，從而強化結合結構體。可以藉助於機械研磨、精磨、拋光和選擇性蝕刻，消除SiC生長基片110，從而暴露緩衝層120的背表面。藉助於反應性離子蝕刻、拋光或其組合除去引發應變的AlInN緩衝層120以暴露hGaN(或GaN)膜的底部。如果需要，可以藉助於RIE、選擇性蝕刻、拋光或其組合調整GaN材料130的厚度。作為用於氮化物生長的合金，AlInN擁有極大的潛能，因為當銦成分為約18%，即 Ala82 ^a18N時，其晶格與GaN匹配。因此可以通過在18%水平附近進行調整而使位於AlInN 層上的GaN的層生長中的應變的強度和方向發生變化。換言之，銦含量增加至高於18%會引起壓縮應變的增加，而減少至低於18%會引起拉伸應變的增加。另外，如以上實例中所述，AlInN層中的銦含量可以增加到超過18%水平，從而為InGaN生長提供晶格匹配基礎。此夕卜，由於SiC的CTE具有的值比GaN較小(即，4. 5X IO"6°C 與5. 6X 1(T6°C 相比)，應用碳化矽基片會在III族氮化物供體材料的晶格中引入另外程度的拉伸應變。因此，當在III族氮化物生長後晶片冷卻時，GaN層希望比SiC層收縮更大，但是由於SiC層的CTE較小而不能實現，引起GaN膜中的拉伸應變。如其它實例一樣，可以將支持基片210結合至應變供體結構體180，並且可以將應變複合基片230與殘餘應變供體結構體290分離。作為第三實例，形成InGaN(或GaN)供體結構體。該實例基本上遵循圖3A 3G 中所示的動作和結構體。在該實例中，使用SiC生長基片110。藉助於例如M0VPE、HVPE或 MBE將HfN(或的薄應變層作為緩衝層120沉積到SiC生長基片110上。經由例如HVPE或MOVPE使InGaN(或feiN)在HfN(或ScN)緩衝層120的表面上生長。III族氮化物材料的厚度可以保持在臨界厚度以下，以防止在應變III族氮化物材料生長的情況下發生缺陷形成。使用SiA作為結合層將藍寶石載體基片150結合至與藍寶石生長基片110相對的應變III族氮化物材料130的表面。可以藉助於熱退火和/或使用等離子體活化作為預結合表面處理，強化結合結構體。可以藉助於機械研磨、精磨、拋光和選擇性蝕刻，消除SiC生長基片110，從而使緩衝層120的背表面暴露。藉助於反應性離子蝕刻、拋光或其組合除去引發應變的HfN(或 ScN)緩衝層120，從而暴露^iGaN(或GaN)膜的底部。如果需要，可以藉助於RIE、選擇性蝕刻、拋光或其組合調整GaN材料130的厚度。許多過渡金屬化合物與III族氮化物是嚴密晶格匹配的，並且在III族氮化物生長條件下是相對穩定的。特別令人感興趣的材料是HfN，其對於GaN(0001)/HfN(lll)具有 +0.35%的晶格失配，因此會在後續的III族氮化物層中引發一定程度的拉伸應變。同樣， HfN證明對於III族氮化物材料的生長是合適的，例如參見Armitage等Applied Physics Letter 81，1450，2002。另外，已經顯示ScN在引發拉伸應變的同時同樣與III族氮化物生長相容，例如參見 Moram 等 Journal of Crystal Growth 298 268 2007。如之前所述，SiC 基片也會在InGaN(GaN)層中引發額外程度的拉伸應變。如其它實例一樣，可以將支持基片210結合至應變供體結構體180，並且可以將應變複合基片230與殘餘應變供體結構體290分離。示例件離子灃入實施方式作為第一實例，經由引入應變引發離子物種而形成InGaN(或GaN)供體結構體。 該實例基本上遵循圖3A 3G中所示的動作和結構體。在該實例中，使用藍寶石生長基片 110。藉助於例如MOVPE、HVPE或MBE在藍寶石生長基片110上沉積GaN薄層130。用矽或其它合適的摻雜物物種以適合的摻雜密度對該GaN薄層進行摻雜，該摻雜密度適於獲得約lX1019cm_3的在GaN中的所需應變。可以經由半導體結構體的退火而使摻雜物活化，以退火消除(anneal out)輻射損傷並且驅動雜質進入取代(或間隙)位置。經由HVPE或MOCVD在摻雜(即應變)層的表面上生長InGaN (或GaN)的後續層。 對於在應變III-V氮化物材料生長的情況下缺陷形成的發生，將氮化物材料的厚度保持在臨界厚度以下。使用SW2作為結合層將藍寶石載體基片150結合至與藍寶石生長基片110相對的應變III族氮化物材料130的表面。可以藉助於熱退火和/或使用等離子體活化作為預結合表面處理，從而強化結合結構體。可以藉助於機械研磨、精磨、拋光和雷射分離，消除藍寶石生長基片110，從而使 III族氮化物材料的背表面暴露。如果需要，可以藉助於RIE、選擇性蝕刻、拋光或其組合調整GaN材料130的厚度。如其它實例一樣，可以將支持基片210結合至應變供體結構體180，並且可以將應變複合基片230與殘餘應變供體結構體290分離。本文所述各種材料的晶格常數和CTE分別如表1和表2所示。
權利要求
1.一種半導體基片的製造方法，所述方法包括通過在具有所需晶格應變的第一基片上形成III族氮化物材料和在所述III族氮化物材料的第一表面上形成Ga-面以及在所述III族氮化物材料的第二表面上形成N-面，從而形成應變供體結構體；選擇附著表面，其中所述附著表面是用於形成N-極複合基片的第一表面或用於形成 Ga-極複合基片的第二表面；在所述應變供體結構體中於預定深度處形成弱化區，以在所述附著表面和所述弱化區之間限定應變晶種層，並在所述弱化區和與所述附著表面相對的表面之間限定殘餘應變供體結構體；將支持基片結合至所述III族氮化物材料的附著表面；和在弱化區處將所述殘餘應變供體結構體與所述應變晶種層分離，以形成包含所述支持基片和所述應變晶種層的應變複合基片。
2.如權利要求1所述的方法，其中形成所述應變供體結構體還包括在生長基片上形成所述III族氮化物材料，並使所述Ga-面位於所述III族氮化物材料的第一表面上。
3.如權利要求1所述的方法，其中形成所述應變供體結構體的步驟還包括在生長基片上形成所述III族氮化物材料，並使所述Ga-面位於所述III族氮化物材料的第一表面上；將載體基片結合至所述第一表面；和除去所述生長基片以暴露具有所述N-面的所述III族氮化物材料的所述第二表面。
4.如權利要求1所述的方法，其中在具有所需晶格應變的第一基片上形成所述III族氮化物材料的步驟包括選擇CTE不同於所述III族氮化物材料的CTE的第一基片，其中在生長周期和冷卻後，室溫的所述III族氮化物材料相對於室溫下鬆弛的III族氮化物材料而言處於應變中。
5.如權利要求4所述的方法，其中選擇所述第一基片的步驟包括選擇來自由Si、SiC、 GaAs和AlAs組成的組的材料。
6.如權利要求1所述的方法，其中在具有所需晶格應變的所述第一基片上形成所述 III族氮化物材料的步驟還包括在所述第一基片和所述III族氮化物材料之間形成至少一個緩衝層，其中所述至少一個緩衝層的平均晶格參數不同於所述III族氮化物材料的平衡晶格參數。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述至少一個緩衝層選自由Alfe^nN、ZnO,HfN和 ScN組成的組。
8.如權利要求1所述的方法，其中在具有所需晶格應變的所述第一基片上形成所述 III族氮化物材料的步驟還包括用配置成改變所述III族氮化物材料的晶格參數的摻雜物或雜質對所述III族氮化物材料進行摻雜。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述摻雜物或雜質選自由Si、Ge、Sn、Mg、Be、Zn和 Cd組成的組。
10.如權利要求1所述的方法，所述方法還包括通過重複形成所述弱化區、結合所述支持基片和分離位於所述殘餘應變供體結構體上的所述應變供體結構體的動作，從而再利用所述殘餘應變供體結構體以形成另外的應變複合基片。
11.如權利要求1所述的方法，其中選擇所述所需晶格應變以發展所述應變晶種層中的晶格參數，所述應變晶種層中的晶格參數與將在所述應變晶種層上形成的裝置結構體的晶格參數基本匹配。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述所需晶格應變是拉伸應變。
13.如權利要求1所述的方法，其中所述所需晶格應變是壓縮應變。
14.一種應變複合基片，所述應變複合基片包含支持基片；和設置在所述支持基片上的應變晶種層，所述應變晶種層包含III族氮化物材料，其中將所述應變晶種層與在具有所需晶格應變的第二支持基片上形成的包含III族氮化物材料的應變供體結構體分離。
15.如權利要求14所述的應變複合基片，其中所述應變晶種層包含位於配置用於接納半導體裝置層的所述應變晶種層的表面上的Ga-面極性。
16.如權利要求14所述的應變複合基片，其中所述應變晶種層包含位於配置用於接納半導體裝置層的所述應變晶種層的表面上的N-面極性。
17.如權利要求14所述的應變複合基片，其中所述所需晶格應變發展所述應變晶種層中的晶格參數，所述應變晶種層中的晶格參數與將在所述應變晶種層上形成的半導體裝置層的晶格參數基本上匹配。
18.如權利要求14所述的應變複合基片，所述應變複合基片還包括設置在所述應變複合基片上的半導體裝置層，以形成至少一種電子元件、至少一種光子元件或其組合。
全文摘要
本發明生產包括在支持基片上的應變III族氮化物材料晶種層的複合基片。所述複合基片的生產方法包括發展在所述III族氮化物材料中的所需晶格應變，以產生與將在所述複合基片上形成的裝置結構體的晶格參數基本上匹配的晶格參數。可以形成具有Ga極性或N極性的所述III族氮化物材料。可以通過在所述III族氮化物材料和生長基片之間形成緩衝層、在所述III族氮化物材料中注入摻雜物或引入雜質以修改其晶格參數，或在具有不同熱膨脹係數(CTE)的生長基片上形成具有熱膨脹係數(CTE)的III族氮化物材料，而發展所需晶格應變。
文檔編號H01L21/20GK102246291SQ200880132349
公開日2011年11月16日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者J-M·貝斯奧謝, 法布裡斯·勒泰特, 艾麗絲·布薩戈爾 申請人:矽絕緣體技術有限公司