具压应力之硅基板及其制造方法

文档序号:9472849阅读:454来源:国知局
具压应力之硅基板及其制造方法
【专利说明】具压应力之硅基板及其制造方法
[0001]【相关申请的交叉引用】
[0002]本申请要求于2014年6月25日提交的美国临时专利申请62/016,973的优先权。此临时申请通过参考的形式合并到本申请中。
【技术领域】
[0003]本发明是关于一种硅基板及其制造方法,尤指一种具压应力的硅基板及其制造方法。
【【背景技术】】
[0004]氮化物半导体例如用于创造新的固态照明、用于无线通信的高效放大器、具有空前的低损耗的先进的电力电子元件,大阵列的新高性能元件。
[0005]在半导体材料中,氮化镓(GaN)已经显示出具有良好的导电性,导热性和热稳定性。此外,由于其宽的能隙,氮化镓能够在绿色到紫色波长发射并且也适合作为全色发光元件。然而,用于GaN的外延成长的典型的基板,如硅基板分别具有晶格常数和热膨胀系数的巨大差异,即17%和46%;导致了生产期间或之后的大的应力。由于这些过量的拉伸应力,异质结构的弯曲/翘曲或破裂可能会发生在GaN的外延薄膜成长完成后的冷却过程中,而导致元件产量的降低。例如,图1绘示现有在硅基板上的GaN外延成长所产生的一个异质结构10的剖面图。如图所示,由于在晶格常数和热膨胀系数的差异,所形成的异质结构可表现出具有一凹主表面12的GaN层的弯曲/翘曲。采用蓝宝石(氧化铝)基板可能有相同的问题(16%的晶格错配和34%的热膨胀系数差异),以及具有较高的成本。此外,碳化硅(SiC)也可以用作为基板(3.5%的晶格错配和25%的热膨胀系数差异)。然而,SiC的成本太高不敷一般商业目的使用。

【发明内容】

[0006]在一方面,本文中公开的实施例涉及一种异质结构,包括:一基板,具有第一主表面、第二主表面、从所述第一主表面延伸入所述基板一距离的扩散层;以及外延层,设置于所述基板的所述第二主表面上。
[0007]在另一方面,本文中公开的实施例涉及一种制作异质结构的方法,所述方法包括:提供具有第一主表面及第二主表面的基板;以约1200度至1300度之间的温度加热存在P型或η型掺质的所述基板,以形成从所述第一主表面延伸入所述基板一深度的一扩散层;于所述的第二主表面上沈积一外延层。
[0008]在另一方面,本文中公开的实施例涉及一种制作异质结构的方法,所述方法包括:提供具有第一主表面及第二主表面的基板;以1200度至1300度之间的温度加热存在P型或η型掺质的所述基板,以形成由所述第一主表面及所述第二主表面延伸入所述基板一深度的扩散层,其中所述扩散层在所述基板的非扩散层的任一侧。
[0009]本公开的其它方面和优点从下面的描述和所附的权利要求书将为显而易见。【【附图说明】】
[0010]图1绘示现有在硅基板上的GaN外延成长所产生的一个异质结构的剖面图;
[0011]图2绘示根据本发明的一个或多个实施例的具有扩散层的基板的剖面图;
[0012]图3是根据本发明的一个或多个实施例的异质结构的半导体装置的剖面图;
[0013]图3A是根据本发明的一个或多个实施例的异质结构的半导体装置的剖面图;
[0014]图4为根据本公开的一个或多个实施例表示在Si基板制造II1-V族化合物层的方法的具有剖面图的流程图;
[0015]图5为根据本公开的一个或多个实施例表示在Si基板制造II1-V族化合物层的方法的具有剖面图的流程图;
[0016]图6绘示根据本公开的一个或多个实施例的一个损伤层施加到基板之后的基板的剖面图;
[0017]图7绘示根据本公开的一个或多个实施例的一个保护层施加到基板之后的基板的剖面图;
[0018]图8绘示根据本发明的一个或多个实施例的具有损伤层、扩散层及保护层的基板的剖面图;
[0019]图9绘示的实验数据示出了施加II1-V族层以形成异质结构之前的用于减轻基板的弯曲/弓起的传统方法的电阻率结果;
[0020]图10绘示根据本发明的一个或多个实施例的当扩散工艺施加到基板的实验数据;
[0021]图11是比较绘示在图10和图11的两个例子的电阻率对深度作图。
【【具体实施方式】】
[0022]以下各实施例的说明是参考附加的图式,用以例示本发明可用以实施的特定实施例。
[0023]本发明的一个或多个实施例一般涉及半导体异质结构,其具有沈积/成长在基板的II1-V族化合物,例如GaN或AlN之外延层的半导体异质结构及其制作方法。一般而言,此公开的异质结构和方法可以使用硅(Si),蓝宝石(A1203)和碳化硅(SiC)作为基板。
[0024]传统上,当外延层的材料为GaN(或其他的II1-V族化合物)时,不同的基板与外延层在晶格常数和热膨胀系数的差异,针对不同基板分别是:对于硅基板(17%、46% );对于蓝宝石基板(16%、34%),以及对于SiC基板(3.5%、25%)。虽然SiC基板具有最小的晶格常数错配和最小的热膨胀系数,但它们也比其他的基板昂贵得多。由于基板与外延层之间的晶格常数和热膨胀系数差异,如果外延层直接成长在一个不根据本公开调整的基板上,异质结构内将产生应力场。具体地,当在基板上成长外延层时,通过GaN外延层的晶格错配以及热膨胀系数的差异,所述基板变得有应力产生。然后,当在GaN外延层随着硅基板被完整成长和冷却时,GaN外延层比在冷却之前由于大的热膨胀系数而对硅基板造成更大的拉伸应力。因此,所述异质结构的硅基板的可能弯曲及/或破裂。如上所讨论的,这些应力场可导致芯片翘曲及/或破裂,使得处理困难并可能损害装置的性能。
[0025]在一些实施例中,通过在硅基板与外延层之间设置一缓冲层,可防止所述异质结构弯曲/翘曲及/或破裂。因此,在一个或多个实施例中,具有粘弹性材料的缓冲层可结合使用,硅基板、蓝宝石基板等。例如,用于这些基板和此公开的II1-V族化合物的合适的缓冲层可包括氮化铝(AlN)。根据本公开的一个或多个实施例的缓冲层可以减少硅基板与外延层之间的晶格错配所造成的应力。但是,即使具有一个缓冲层以减小晶格及/或热膨胀系数错配,但应力场可能太大而无法克服弯曲及/或破裂。另外,缓冲层在为了成长有良好质量之外延层而必须具有良好的晶格结构;因此,它仍然需要高温晶体成长的处理,而这是复杂且昂贵的。在一些实施例中,本文所讨论的基板在本文所公开的任何方法的应用之前可以掺杂成P型或η型。公开于此的任何方法的应用之前,所讨论的基板的几何形状大致为直径为约四英寸的圆形,厚度为约500微米至约1000微米。贯穿本公开所讨论的基板/异质结构的“主表面”意指包括基板/异质结构的直径或表面(即较长尺寸的表面),而表面包围基板/异质结构的厚度表面(即圆形的基板/异质结构的侧边缘)可以被称为“二次表面”。在一些实施例中,本文公开的方法可以在相对低的成本上有利地生产具有实质平坦的主表面的半导体异质结构。
[0026]如上所述,由于晶格常数错配和热膨胀系数的差异,II1-V族化合物的异质结构外延地施加到基板上和如果不进行处理,在由外延施加层引起的应力下将趋向弯曲/弓起。换言的,所述异质结构的主表面变为拥有所述外延施加层的具有凹状表面的略微杯状。在外延层沈积到所述基板之前,本公开内容的一个或更多个实施例涉及在基板的主表面引起弯曲/弓起的方法。因此,当所述外延层随后沈积在预弯曲/弓起的基板的所述凸状主表面时,其合成的弯曲/弓起可以实质上抵消先前在基板上所引起的弯曲/弓起,以便最终创建一个实质上平坦的异质结构。
[0027]本公开的一个或多个实施例采用以下技术中的至少一个以在基板施加一个弯曲/低头及/或减少由其形成在异质结构的弯曲/弓起:(I)在基板上创建一损伤层、(2)应用掺质在基板内形成扩散层、以及(3)在基板施加保护层。在一些实施例中,可以使用所有三种技术的组合。在一个或多个实施例中,不同的技
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