在矽襯底上形成GaN層的方法以及GaN襯底與流程

2023-06-05 08:30:12 2

技術領域

本公開內容總體涉及氮化鎵(GaN)襯底，更具體地，本公開內容涉及一種用於在矽上製備GaN襯底的方法。

背景技術：

寬帶隙半導體廣泛用於製備針對高壓應用的有源器件。一種稱為異質結場效應電晶體(HFET)(也被稱作高電子遷移率電晶體(HEMT))的半導體結構類型使用寬帶隙半導體來實施用於高性能功率電子器件(power electronics)的電晶體。在一個實施例中，寬帶隙HFET器件可被用作高壓開關功率轉換器中的開關元件。

GaN是已經得到特別關注的寬帶隙半導體的一個實施例。例如，AlGaN/GaN HFET由於其較寬的帶隙和高的電子飽和速度(這二者都使得能夠實現高壓操作)而顯示出功率電子器件的前景。然而，形成GaN襯底時的困難和成本限制了將基於GaN的器件應用到特定市場。

由於製造大量GaN晶圓(wafer)的成本和困難，通常通過在另一個襯底上生長GaN膜來製造GaN襯底。例如，碳化矽(SiC)或藍寶石(Al2O3)晶圓可用作GaN襯底的操作晶圓(handle wafer)(即GaN膜沉積在操作晶圓上方)。然而，藍寶石是一種不良的熱導體，在封裝期間表現出困難，而SiC晶圓也非常昂貴。此外，兩種類型的晶圓都僅能用作小直徑晶圓，這省去了較大直徑所能提供的規模經濟。

形成GaN襯底的另一個選擇是使用矽操作晶圓，矽操作晶圓是廉價的，並能夠提供大直徑。此外，已經很好地開發了針對矽晶圓的封裝所需要的後端磨削和拋光。然而，由於GaN和矽之間的大的晶格失配和大的熱失配，難於直接在矽(Si)襯底上可靠地生長GaN。而是，矽上無裂紋GaN的外延生長可能需要擴展(extensive)緩衝層，該緩衝層被建造以使得在生長期間以及生長之後的彎曲和翹曲最小化。此外，高壓應用(例如600V以上)可能要求超過2.5μm甚至高達4μm(例如對於1000V的應用)的緩衝層。

附圖說明

從下文結合附圖呈現的更具體的描述，將會更明了本發明的多個實施方案的各個方面、特徵和優勢。

本發明的非限制及非窮舉性的實施方案通過參考下列附圖進行描述，其中在各個視圖中，相似的附圖標記表示相似的部件，除非另有說明。

圖1示出了根據本發明的一個實施方案的在製備GaN襯底中使用的沿著晶體取向具有暴露表面的示例性矽晶圓。

圖2示出了根據本發明的一個實施方案的處於製備GaN襯底的一個階段時的襯底，其中在該階段晶體氧化鋁Al2O3膜在晶圓的頂部表面上。

圖3示出了根據本發明的一個實施方案的處於製備GaN襯底的另一個階段時的襯底，其中在該階段非晶膜(amorphous film)在Al2O3膜下方。

圖4示出了根據本發明的一個實施方案的處於製備GaN襯底的又一個階段時的襯底，該階段是在已經於AlN膜的頂部上生長GaN膜之後。

圖5示出了根據本發明的一個實施方案的處於製備GaN襯底的又一個階段時的襯底，該階段是在已經生長多個交錯的GaN膜層和AlN膜層從而形成適於HFET成型的表面之後。

圖6是根據本發明的一個實施方案的製備可適於形成電晶體和其他器件的GaN襯底的一個示例性工藝的流程圖。

具體實施方式

在下文的描述中陳述了多個特定細節，以提供對本發明的透徹理解。然而，對於本領域普通技術人員而言明了的是，不必使用特定細節來實踐本發明。在其他實例中，為避免模糊本發明，沒有詳細描述眾所周知的材料或方法。

貫穿本申請文件所參引的「一個實施方案」、「一實施方案」、「一個實施例」或「一實施例」意指，關於所述實施方案或實施例所描述的具體特徵、結構或特性包含在本發明的至少一個實施方案中。因此，在整個申請文件的不同地方出現的措詞「在一個實施方案中」、「在一實施方案中」、「一個實施例」或「一實施例」未必都指的是相同的實施方案或實施例。而且，所述具體的特徵、結構或特性可以任何合適的組合和/或子組合被結合在一個或多個實施方案或實施例中。具體的特徵、結構或特性可包括在集成電路、電子電路、組合邏輯電路、或者提供所描述功能的其他合適的部件中。此外，應理解此處提供的附圖是用於對本領域普通技術人員進行解釋的目的，並且附圖未必按比例畫出。

圖1-5示出了圖6所示出的示例性工藝的各個階段時的GaN襯底，圖6示出的示例性工藝用於形成可適於在製備電晶體(例如HFET)中使用的GaN襯底。流程圖600(圖6)的方框在下文參照圖1-5以及多個示例性加工操作和步驟進行解釋。圖1-5中示出的襯底和結構的特徵、形狀和比例不對權利要求構成限制。此外，應理解，下文的解釋是針對一個實施例，不對權利要求構成限制。

如圖1示出的，該圖描繪了製備GaN襯底的初始階段，晶圓100包括頂部表面104和底部表面102。在圖1中示出的實施例中，晶圓100是矽晶圓。在該實施例中，晶圓100是矽晶圓，因為頂部表面104和底部表面102暴露了形成晶圓的晶體矽的晶體取向。如下文描述的，晶圓100可用作操作晶圓，以生長GaN膜(未示出)。例如，可在晶圓100的頂部表面104或者一個中間層上方生長GaN膜(未示出)。晶圓100可以是典型的厚度，例如在500μm到1000μm之間，但是也可使用其他厚度。

現參考圖2，該圖示出了在製備GaN襯底期間一個階段之後的襯底200，氧化鋁(Al2O3)膜202與晶圓100的頂部表面104交界(interface)。在一個實施例中，Al2O3膜202提供了一個類似於藍寶石襯底的表面的表面，這可允許再利用針對藍寶石襯底所開發的工藝。此外，Al2O3膜202還可作為用於生長隨後的膜的種子層(seed layer)。例如，Al2O3膜202可以是用於隨後的氮化鋁(AlN)膜的種子層。在另一個實施例中，Al2O3膜202可具有c-軸線取向，該取向匹配矽晶圓的表面(都是六邊形)。晶體Al2O3膜202可以是5nm到50nm。在一個實施例中，晶體Al2O3膜202是約5nm。

如進一步示出的，圖2示出了在晶圓100的頂部表面104(圖1)上方生長晶體Al2O3膜202之後的晶圓100。在一個實施例中，使用分子束外延(MBE)工具和MBE工藝來生長Al2O3膜202，使得Al2O3膜202直接在晶圓100的表面上。具體地，MBE允許在低溫時沉積，這可防止矽的氧化。在沉積Al2O3膜202時較高的真空度還可幫助防止矽氧化。其他的工具和工藝——例如化學氣相沉積(CVD)工藝和工具——還可用於形成Al2O3膜202(在Al2O3膜202與晶圓100的矽表面之間具有或者不具有幹涉層)。

在一個實施例中，由於Al2O3膜202和晶圓100之間的晶格失配，晶圓100可在Al2O3膜202上施加張應力(tensile stress)。Al2O3膜202中形成的位錯(dislocation)可緩和初始張應力，並減少翹曲。如下文將討論的，可在Al2O3膜202的頂部上生長額外的GaN膜層，這可允許在Al2O3膜202上施加壓縮應力，並有助於減輕初始張應力，限制晶圓100中的翹曲。

在一個實施例中，晶體Al2O3膜202可直接接觸晶圓100，即，在晶圓100的頂部表面104和Al2O3膜202之間沒有幹涉膜。如果例如通過防止晶圓100的表面在形成晶體Al2O3膜202之前被氧化的方式沉積Al2O3膜202，則可能是這種情形。在一個實施方案中，可以一種具體的方式加工半導體器件200，以允許在矽晶圓100和Al2O3膜202之間形成中間膜(未示出)，從而減輕應力或者用於其他目的。例如，可形成一層矽鋁氧化物，以在晶圓100與晶體Al2O3膜202交界處緩解應力。

現參考圖3，該圖示出了根據本發明的實施方案的在製備GaN襯底期間一個階段之後的襯底300，非晶膜302在晶圓100與Al2O3膜304之間形成。在一個實施例中，非晶膜302包括來自晶圓100和Al2O3膜的鋁、矽和氧(AlSiO)。在一些實施例中，孔隙(void)306可構成和改變原始生長的Al2O3膜202的表面拓撲，以形成Al2O3膜304。具體地，孔隙306可允許通過湮沒(annihilation)工藝來減小位錯密度。一些孔隙306的底部可暴露非晶AlSiO膜302；然而，並非所有的孔隙都必須暴露非晶AlSiO膜302。此外，AlN膜308已經在Al2O3膜304上方形成，並暴露非晶膜302的一部分。在其他實施例中，可形成不具有孔隙的非晶膜302。此外，在一些情形中，可以不在非晶膜302的暴露在孔隙306的底部處的部分上形成AlN膜308。

在一個實施例中，可在高溫退火期間於Al2O3膜304和晶圓100之間形成非晶膜302，所述高溫退火還可導致Al2O3膜304匯集(pool)並形成暴露非晶膜302的一部分的孔隙306。孔隙306可由隨後的膜沉積和/或後續的在Al2O3膜304的表面上的生長而被填充，並可通過導致穿透位錯(threading dislocation)卷回至其他穿透位錯，來促進在後續形成的GaN膜中的穿透位錯湮沒。在另一個實施例中，孔隙306還可使位錯從向上行進轉向至可發生裂隙的襯底表面。即使在Al2O3膜304中形成孔隙306，Al2O3膜304的區域仍可保持晶體結構。

在一個實施例中，非晶膜302可緩解Al2O3膜304和晶圓100之間的應力。非晶膜302的厚度可由晶圓100的溫度以及將晶圓100保持在該溫度時的時間來控制。在一個實施例中，非晶膜302可在低至800℃的溫度時形成。非晶膜302的典型厚度在2nm到10nm之間。在一種情形中，非晶膜302是2nm厚。

在一個示例性工藝中，孔隙306和AlSiO非晶膜302在如下工藝期間形成，該工藝用以在金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工具中於Al2O3膜304上生長一個初始AlN膜308。生長AlN膜308的第一步可以是在生長AlN膜308之前從Al2O3膜304的表面移除汙染物的高溫退火。例如，該高溫退火可以是約850℃到950℃，持續5到20分鐘。在該高溫退火期間，可形成孔隙306和非晶膜302。用於形成AlN膜308的示例性方法開始於氮化工藝，以在Al2O3膜308上形成薄的AlN膜。接著，可使用(氨)NH3作為氮源，使用三甲基鋁(TMA)作為鋁源，在MOCVD室中形成低溫AlN膜。換句話說，TMA提供了鋁，該鋁在表面處與來自NH3的氮成核(nucleate)，從而在約550℃到650℃的溫度時形成AlN膜。一旦形成AlN膜，溫度可以升高至1050℃且持續約1到5分鐘，以使AlN晶體化。在一個實施例中，AlN膜308可以是例如約20nm厚，但是厚度還可以在10nm到200nm之間。

圖4示出了在製備GaN襯底期間一個階段之後的襯底400。第一層壓層(laminate layer)已經形成，該層壓層包括上文關於圖3描述的AlN膜308和GaN膜402。如圖4中示出的，Al2O3膜304中的孔隙還存在於GaN膜402的表面中。然而，孔隙的尺寸明顯減小。此外，可在GaN膜402中看到穿透位錯404，尤其可在Al2O3膜304中的孔隙上方的區域中看到穿透位錯404。

如果AlN膜是第一層壓層的一部分，則可在Al2O3膜和暴露的非晶膜上方生長AlN膜。隨後的層壓層可具有在先前的層壓層的GaN膜上方生長的AlN膜。可按照上文關於方框604的描述生長AlN膜。或者可使用其他具有不同溫度、生長速度和V/Ⅲ比的工藝。例如，第一層壓層(其中AlN膜在Al2O3膜和暴露的非晶膜上形成)包括一個可由高溫工藝形成的AlN膜，但是在隨後的層壓層中使用的隨後的AlN膜層可使用如下一個工藝方法，該工藝方法使用比用於第一層壓層的AlN膜的方法更低的峰值溫度。作為其他實施例，用於後續生長的AlN膜的方法可以省略晶體化或氮化步驟。每個層壓層的AlN膜可以是例如約20nm厚，但是厚度還可在10nm和200nm之間。

在生長AlN膜之後，在AlN膜上方生長GaN膜。例如，MOCVD工具可用於生長GaN膜。一個示例性方法可包括1030℃的溫度、100託的壓力、以及約2000的V/Ⅲ比(例如NH3與三甲基鎵(TMGA)的比)、以及2μm/hr的生長速度。在一些情形中，用於生長AlN膜的相同的MOCVD室可用於GaN膜，無需將晶圓從工具中移出。在另一些情形中，單獨的工具可用於AlN膜和GaN膜。多個層壓層中的每一個的GaN膜可以是500nm到50000nm厚。最後的GaN膜可以是若干微米厚，以支撐高壓(例如600V以上)器件。

由於在Al2O3膜中形成了孔隙(上文關於圖3討論的)，所以第一層壓層的GaN膜不會生長成為一個完整晶體。而是，該GaN膜會具有相對高的缺陷密度，例如位錯，尤其是穿透位錯。GaN膜內位於Al2O3中的孔隙上方的區域可具有尤其高的穿透位錯密度。在至少2個(例如2、3、4、5或更多個)層壓層後，電晶體(或其他器件)例如AlGaN/GaN HFET可在頂部層壓層的GaN膜中形成。該頂部GaN膜可具有適合於待形成的具體類型器件的厚度。例如，如果待形成高壓(例如600V以上)器件，則可期望頂部GaN膜的厚度為至少2.5μm。如果待形成甚至更高電壓(例如1000V)的器件，則可需要頂部GaN膜的厚度為4μm。

圖5示出了在製備GaN襯底期間一個階段之後的襯底500。已經生長了三個額外的層壓層。具體地，已經生長了AlN膜502和GaN膜504的層壓層、AlN膜506和GaN膜508的層壓層，以及AlN膜510和GaN膜512的層壓層。如可看到的，對於每個隨後的層壓層，GaN膜中的穿透位錯密度減小。類似地，Al2O3膜302中的孔隙隨著每個額外的層壓層而收縮。GaN膜512的頂部表面514可以適合於形成電晶體(或其他器件)，例如AlGaN/GaN HFET。

在至少2個(例如2、3、4、5或更多個)層壓層後，電晶體(或其他器件)例如AlGaN/GaN HFET可在頂部層壓層的GaN膜中形成。該頂部GaN膜可具有適合於待形成的具體類型器件的厚度。例如，如果待形成高壓(例如600V以上)器件，則期望頂部GaN膜的厚度為至少2.5μm。如果待形成甚至更高電壓(例如1000V)的器件，則需要頂部GaN膜的厚度為4μm。此外，當示出GaN膜512沒有任何穿透位錯時，這表示與之前層壓層中的一些或者所有相比，GaN膜512具有改進的穿透位錯密度。

根據第一GaN膜的厚度，一個或多個孔隙仍可存在於GaN膜的表面上。然而，隨著生長額外的層壓層，孔隙上方的區域可具有高速率的穿透位錯湮沒，甚至僅僅在第二層壓層之後。換句話說，每個層壓層的GaN膜可具有比之前的層壓層的GaN膜更低的穿透位錯密度。因此，在某一數量的層壓層之後，GaN膜可以是平坦的(在表面上看不到孔隙)，且穿透位錯密度在可接受的水平。因此，通過使用多個層壓層來代替單個較厚的層，一些位錯線可以從豎直向上行進被重新導向至形成裂紋的表面。

因此，上文描述的新的緩衝層可表現得類似於藍寶石襯底，允許很容易地轉用(transfer)針對藍寶石所開發的外延工藝。該緩衝層允許使用比藍寶石襯底更便宜的GaN襯底。注意到，GaN膜在Al2O3上的生長還可以是在連續的壓縮應力下(不同於當在矽上直接生長GaN時，其中取決於應力工程所使用的各層的組合，GaN膜可以是張緊的或壓縮的)。GaN的壓縮應力可以補償在冷卻襯底期間由矽和GaN之間的熱失配所生成的張應力。該補償可形成無裂縫的GaN膜，用於高壓應用的較厚的GaN膜，以及6英寸或8英寸矽襯底的簡單轉變。

圖6示出了形成GaN襯底的一個示例性工藝的流程圖600。在方框602中，獲得一個在頂部表面上具有Al2O3膜的矽晶圓。在方框603中，在Si晶圓和Al2O3之間的交界處形成非晶膜。在方框604中，使用例如高溫退火在Al2O3膜中形成孔隙。在方框606中，形成多個層壓層。每個層壓層包括AlN膜頂部上的一個GaN膜。

上述對本發明所示出實施例的描述，包括在摘要中所描述的內容，並不意在是窮舉性的或者是對於所公開的精確形式的限制。由於本發明的具體實施方案和實施例是出於說明目的而被描述的，因此在不偏離本發明的更寬精神和範圍的情況下，各種等同的修改都是可能的。事實上，應理解，厚度、材料、加工操作等的特定實施例被提供用於解釋目的，其他的厚度、材料、加工操作等還可被用在根據本發明教導的其他實施方案、實施例和工藝中。

可以按照上述詳細描述，對本發明的實施例進行這些修改。在下面的權利要求中使用的措詞不應該被解釋為將本發明限制在說明書和權利要求中所公開的特定實施方案。而是，本發明的範圍將完全由下面的權利要求決定，所述權利要求將根據權利要求解釋的既定規則被解釋。本說明書和附圖相應地被認為是說明性的而非限制性的。