专利名称：应变层松弛用补强层的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造可用在电子、光电子、光致电压领域中的半导体元件的应变 层和柔性衬底的领域，特别是涉及通过使用柔性衬底使应变膜松弛。
背景技术：
当无法获得天然大块衬底(bulk substrate)或者其过于昂贵的时候，通常通过在 种子衬底(seed substrates)上进行异质外延形成可用材料，从而使得通过异质外延使薄 膜在衬底上生长成为半导体技术中的重要制造步骤。例如，在发光半导体元件或太阳能电 池领域，存在在如蓝宝石或SiC等衬底上使异质外延膜生长从而随后形成最终半导体元件 的需求。在将异质外延膜转移至另一衬底后，这些膜例如可以用于在电子和光电子应用中 使用的层的外延生长。但是，当通过在与所述膜具有不同晶格常数和不同热膨胀系数的衬 底上异质外延形成膜时，则不适当的压缩应变或拉伸应变及相应产生的位错和裂纹会导致 对于在膜上生长的层的材料品质的有害影响。因此为了释放不适合的应变，在本领域中已 经提供位于所述衬底与异质外延膜之间的柔性衬底，其包括玻璃质层。然而，当前使用的用于使应变异质外延膜松弛的方法在抑制翘曲(buckling)和 裂纹形成等方面往往不能显示令人满意的结果。因此，本发明要解决的一个基本问题，是提 供一种用于使在衬底上方形成的应变层完全或几乎完全横向松弛的方法，该方法可以避免 或至少减轻上述缺陷。
发明内容
通过如权利要求1所述的用于使应变材料层松弛的方法可以解决上述问题。所述 方法包括以下步骤提供应变材料层和包含柔性材料且形成于所述应变材料层的第一面上的低粘性 层；在应变材料层的至少一部分第二面(与第一面相对)上且不完全覆盖所述应变材 料层形成补强层，由此形成多层叠层；和对所述多层叠层进行热处理(从而由此引起柔性材料层的再流动(reflow))，由 此至少部分地使应变材料层松弛。术语“低粘性”用于表示由其指定的层在热处理过程中的变形能力(也可参见下 文中的讨论)。特别是，在高于玻璃化转变温度的温度下进行的热处理(heattreatment) (加热处理(thermal treatment)、退火)将引起柔性材料的某种程度的再流动(塑性变形， 例如归因于某种程度的玻璃化转变)，由此引起相邻的应变材料层的弹性松弛。低粘性层例 如可以是包含在热处理下再流动的硼磷硅玻璃的包埋层。包埋层例如可以是氧化物层。多 层叠层也可以包含某种支持衬底，在所述支持衬底上形成低粘性层(参见下文中的详细描 述)O不同于现有技术，补强层被部分地提供在应变材料层的顶部。在热处理过程中，压缩应变材料层的暴露部分(未被补强层覆盖)可以横向自由膨胀，由此使应变松弛而不出 现显著的翘曲。通过适当选择应变材料层的被补强层覆盖的区域的大小，可以容易地控制 热处理过程中应变材料层的松弛百分比。对于拉伸应变材料，所暴露的材料可以在保持其 平坦性的同时自由收缩，而不会形成裂纹或导致表面粗糙。形成补强层的步骤可以包括在应变材料层的整个表面上沉积作为连续层的补强 层，随后使所沉积的补强层图案化，使得从应变材料层上部分除去补强层。图案化的执行使 得补强层部分地覆盖应变材料层，并在边缘处暴露应变材料层。图案化可以通过干法刻蚀 和光刻法实现，并会产生位于应变材料层顶部的补强层的岛状物(补强岛状物)。因此这种 图案化可以以可靠且相对省时的方式容易地实现。补强岛状物的尺寸可以通过利用光刻法 而得到精确控制。可以设想，应变材料层的位于补强岛状物下方的部分在热处理过程中不 会或几乎不会松弛。根据此处所公开的用于使应变材料层松弛的方法的一个实施方式，之后进行的使 补强层图案化的步骤和对多层叠层进行热处理的步骤依此顺序至少重复一次。换言之，使 初始的连续的补强层图案化，从而获得预定尺寸的上述补强岛状物，然后进行第一热处理， 以使应变材料层的未被补强岛状物覆盖的部分松弛。随后，减小补强岛状物的尺寸，并进行 第二热处理，由此使应变材料层的在第一热处理过程中被补强岛状物覆盖的部分松弛。可以进行反复的图案化和热处理，直至实现应变材料层的所需程度(百分比)的 松弛(这可以通过该加工顺序而非常精确地控制)，或者特别是直至没有补强岛状物的残 余留下和/或实现应变材料层的完全松弛。不同于现有技术，完全松弛可以通过反复热处 理不同尺寸的补强岛状物实现，而不会导致应变材料层的显著翘曲或其他缺陷。也可以特别是通过刻蚀一个或多个沟槽使应变材料层图案化，由此形成应变材料 岛状物以便于松弛。此外，低粘性层可以依照应变材料层来图案化。特别是，可以透过应变 材料层和低粘性层向下直至其上预先沉积低粘性层或预先与低粘性层粘合的支持衬底来 刻蚀一个或多个沟槽。沟槽也可以在低粘性层内进行而不达到支持衬底。此外，可以以使 得补强层的岛状物形成在应变材料层的岛状物的中央的方式使补强层图案化，以精确控制 应变材料岛状物的部分松弛。原则上，由补强材料层和应变材料层制得的岛状物可以被成 型为矩形、圆形或被认为适于进一步加工的任何其它形状。下文中，在适当情况下，术语“应变材料”可以指表现为岛状物的图案化层的连续层。而选自二元、三元或四元合金的III/N材料可用于应变层，本发明证明了当应变 材料层包含hGaN或由其构成时是特别有利的。InGaN材料中的铟含量可以为至多35%，优 选铟含量低于10%，更优选该含量为4% 7%。低粘性层可以包含硼磷硅玻璃(BPSG)或 包含硼或磷的 SiO2-化合物(Si02-compound comprising boron orphosphorus),或者由硼 磷硅玻璃(BPSG)或包含硼或磷的SiO2-化合物构成。例如，可以使用硼硅酸盐玻璃(BSG) 或磷硅酸盐玻璃(PSG)。可以通过硼和磷原子的含量来控制再流动特性。4重量％ 5重 量％的硼、2 %重量％的磷代表了合适的选择。补强层的材料将根据抑制应变材料层的被补强(岛状物)覆盖的部分的应变松弛 的机械能力进行选择。此外，刚性较高的材料允许较薄的补强层，刚性较低的材料需要较厚 的层，以便在热处理过程中获得应变材料层的所需的部分补强。例如，补强层可以具有50nm至应变层厚度的5倍的厚度。根据一个实例，补强层包含III-N材料、SiN(Si3N4或SiNH)、SiON或SW2或者由 III-N材料、SiMSi3N4或SiN:H) ,SiON或SW2构成，这些材料证明是可靠的补强措施，特别 是当应变InGaN层形成在包含硼磷硅玻璃或包含硼或磷的SiO2-化合物的包埋层的上方时 更是如此。可以沉积厚度为IOOnm 300nm的补强层、特别是Si3N4补强层，以在松弛热处 理过程中可靠地抑制约IOOnm厚的应变材料层的翘曲。也可以沉积厚度至多为应变材料层 厚度的5倍的补强层。如前所述，对补强层进行图案化的步骤和对包含应变材料层和补强层的多层叠层 进行热处理的步骤可以重复一次或多次。随后的各次热处理针对应变材料层的较大暴露 (未被补强岛状物覆盖)区域进行。拟松弛的暴露区域的度量可以例如根据低粘性层再流 动的能力、所使用的温度以及应变材料的杨氏模量来调整。根据一个实施方式，在使补强层 图案化的各步骤中，在一个横向维度上除去约100 μ m 400 μ m的补强材料。这意味着，在 一个横向维度上，在图案化的补强层、特别是由Si3N4构成的补强层的岛状物之间暴露比之 前的热处理中多出100 μ m 400 μ m的应变材料层、特别是应变InGaN层。因此，不久以后即可以暴露应变材料层的整个表面，并且其可以按照热处理加工 的顺序进行松弛。最终的热处理可以于在应变材料层上不残留补强层下进行。通过在每次 热处理加工之前减小补强岛状物的尺寸，通过各次热处理加工获得的松弛可以得到精确控 制。应该注意，在上述本发明的方法的实施方式中，不同于现有技术，低粘性层的厚度 可以被选择为小于热处理过程中应变材料层的膨胀长度或收缩长度，而不会引起膜的翘曲 或开裂。膨胀/收缩长度是由热处理引起的在应变材料的弹性松弛和低粘性层的塑性变形 过程中的横向膨胀/收缩的长度。此外，根据本发明的另一实例，上述方法还包括除去补强层的任何残余部分，使得应变材料的整个表面得以暴露并进行热处理；通过将(完全或部分)经松弛的应变材料粘合至沉积在另一衬底的层上，而将 (完全或部分)经松弛的应变材料转移至另一衬底上；和从所述经松弛的应变材料层上剥离低粘性层。当低粘性层沉积或粘合在某支持衬底上时，则将该支持衬底也与低粘性层一起剥 离。通过经松弛的应变材料的这一转移，与其上沉积有补强层的经松弛的应变材料层的表 面相对的表面将可以进行进一步加工，特别是对于材料层的外延。根据此方法，当应变材料为极性时，对于c平面III/N材料，可以对与在种子物质 (seed substance)上生长的面相对的经松弛的应变材料的面进行暴露，所述种子物质适于 层的任何后续外延生长。因此，活性层可以形成在用于光电子领域或光致电压领域中的经 松弛的应变材料的表面上。可以通过异质外延生长提供上述实例的应变材料层。具体而言，应变材料层、特别 是应变^iGaN层可以在种子衬底或在种子层、特别是GaN层上直接生长，所述种子层、特别 是GaN层在将包含柔性材料层、特别是硼磷硅玻璃的低粘性层沉积在应变材料层上的步骤 之前沉积在或附着于种子支持衬底、特别是蓝宝石支持衬底上；并且在将补强层，特别是包 含Si3N4的补强层沉积在应变材料层上之前，可以将所述应变材料层从种子衬底(层)上剥离，并通过低粘性层与支持衬底粘合。与应变材料一起从种子支持衬底上剥离的GaN种子 层也可以是补强层。此处所公开的用于使应变材料层松弛的方法可用于制造半导体元件、特别是光电 子元件或光致电压元件。因此，此处提供了一种用于制造半导体元件的方法，所述方法包括 如前述权利要求中任一项所述使应变材料松弛，还包括除去所述补强层的任何残余部分以 使所述应变材料的整个表面得以暴露并进行热处理，和在所形成的至少部分经松弛的应变 材料上外延生长材料层，特别是在至少部分经松弛的应变材料岛状物上生长活性层。此外，还提供了一种半导体结构，所述半导体结构包括支持衬底、在所述衬底上的 低粘性层、在所述低粘性层上的连续应变材料层或应变材料岛状物(特别是InGaN材料的 连续应变材料层或应变材料岛状物)，和部分覆盖所述连续应变材料层或应变材料岛状物 的补强层，特别是使所述应变材料层或所述应变材料岛状物具有100微米 400微米的暴 露宽度。
下面将参照附图描述本发明的其它特征和优点。在本说明书中，参考旨在说明本 发明的优选实施方式的附图。应该理解，这些实施方式并不代表本发明的全部范围。图1说明了用于使应变材料层松弛的本发明的方法的一个实例，所述实例包括在 应变材料层的顶部形成图案化的补强层。图2说明了用于使应变材料岛状物松弛的本发明的方法的另一个实例，其中在应 变材料岛状物的顶部形成补强岛状物。图3说明了用于使应变材料岛状物松弛的本发明的方法的又一个实例，其中于在 图案化的柔性物质上方形成的应变材料岛状物上形成补强岛状物。
具体实施例方式图1显示了根据本发明形成的多层叠层的一个实例。多层叠层包括支持衬底1、低 粘性层2、应变材料层3和图案化的补强层4。应变材料层3在某种子衬底上异质外延生长， 并通过本领域已知的任何晶片转移方法，例如通过研磨/回蚀、激光剥离、电磁辐射吸收或 SMART Cut :方法中的离子注入，转移至支持衬底1上。在本实例中，低粘性层2为包埋层， 例如包埋的氧化物层，其可由不同的独立层组成和包含至少一个柔性层(松弛层)。柔性层 包括但不限于硼磷硅玻璃(BPSG)或包含硼或磷的SiO2-化合物。可以容易地通过硼和磷 的含量调整热处理过程中的再流动速率。通过沉积补强层和利用光刻法进行刻蚀获得图案化的补强层4。由此，应变材料 层3在横向边缘得到暴露。在BPSG的松弛层的玻璃化转变温度(即，约800°C 850°C) 下进行热(加热)处理将引起例如由hGaN构成的应变材料层3的部分弹性松弛。对于约 0. 7%的晶格失配度(与名义晶格常数相比)，通过形成横向宽度为约300微米的沟槽来使 补强层图案化已经证明是合适的。不希望束缚于此理论，似乎图案化的补强层4部分地阻 碍了补强岛状物4下面的应变材料层3的松弛。热处理后减小补强岛状物的尺寸，以在应 变材料层3的横向维度上另外暴露约300微米，并执行第二热处理，以使部分经松弛的应变 材料层3进一步松弛且不产生严重翘曲。可以反复进行减小补强岛状物4的尺寸和进行热处理的这一过程，直至应变材料层3完全松弛。除去补强材料的可能的残余物，由此获得完整无损的经松弛的应变材料层，其可 用于结晶层(例如InGaN层)的后续(同质)外延，所述结晶层(例如InGaN层)可用于 在电子或光电子应用装置中的具体半导体元件的制造和太阳能电池的制造。取决于用于同 质外延生长的结晶层的完全松弛的应变材料层3的材料极性，例如利用沉积在另一衬底上 的另一包埋层，完全松弛的应变材料层3可由支持衬底1转移至另一衬底上。例如，优选将 松弛的应变c平面InGaN材料的面( 用于结晶层的外延生长。根据另一实例，按照如下所述的一些细节，形成图2中所示的多层叠层。使应变 材料层在沉积于或粘合于第一支持衬底上的种子层上异质外延生长。例如，应变材料层为 InGaN层，种子层为GaN层，并且第一支持衬底为蓝宝石衬底。但是，应该注意，InGaN仅代 表应变材料层的材料的一个实例。实际上，应变材料层可以是如ΙΙΙΛ材料等半导体材料， 并可以例如包含选自二元、三元或四元合金的III/N材料或者由其构成。应变InGaN层的厚度为约lOOnm，并且所述层包含约4%的铟。异质外延生长的应 变InGaN层3的晶格失配度为约0. 4%。在在应变InGaN层3上沉积包含硼磷硅玻璃层作 为柔性(松弛)材料层的包埋层，其厚度为约500nm。可选的是，在沉积包埋层之前，可先在 应变InGaN层上沉积约50nm厚的SW2层，以增强应变c平面InGaN层的镓面与包埋层之 间的粘附性。然后，通过包埋层注入离子物种(ionic species)以在hGaN/GaN材料中的约 400nm处形成弱化层(weakened layer)。提供该弱化层的目的是便于剥离种子层和种子衬 底。如图2所示在支持衬底1上沉积第二包埋层。第二包埋层的厚度为约4微米。支持衬 底1和应变hGaN层通过共同形成图2中的低粘性层2的第一和第二包埋层而粘合。在粘 合第一和第二包埋层之前的平面化和抛光之后，低粘性层2的厚度为约7微米。粘合后将 种子衬底在弱化层处剥离，并通过干法刻蚀除去残余的GaN材料。接下来，通过光刻加工使应变InGaN层图案化，以形成如图2所示的约ImmXlmm 的矩形应变InGaN岛状物3。图案化之后，在应变InGaN岛状物3上和应变材料岛状物3之 间沉积约200nm的化学计量的Si3N4。在稍后的热处理过程中充当补强层的Si3N4层的沉积 可以例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)实现。通过利用光刻的干法刻蚀使补强 层图案化，从而形成矩形岛状物4，其尺寸为约300微米X300微米 约400微米X400微 米，并位于应变材料岛状物3的中央。然后，在800°C进行热处理4小时，以使应变材料岛状物3得到部分松弛。之后， 通过干法刻蚀完全除去补强岛状物4，并进行第二热处理，以使应变材料岛状物3完全松 弛。由此，可以获得应变hGaN岛状物3的完全松弛并且几乎无翘曲。作为另外一种选择， 形成具有例如800微米X800微米尺寸的补强材料的岛状物，并在第一热处理后补强岛状 物4的尺寸减小至600微米X600微米，执行第二热处理，补岛状物4的尺寸减小至400微 米X400微米，执行第三热处理等，直至没有补强材料留下。通过这种反复的松弛过程，可 实现应变材料的完全松弛，而不会有任何显著的翘曲。在松弛过程中，具有0. 7%的晶格失配度且尺寸为约ImmX Imm的应变InGaN岛状 物将延长约7微米。然而，低粘性层2可具有约4微米的厚度，即，小于应变InGaN岛状物 3的膨胀长度，而不会影响松弛品质。
图3显示了与参照图2描述的实例相似的实例，不同之处在于，使低粘性层和应变 材料层都图案化，从而形成了由一个或多个沟槽分隔的低粘性材料2和应变材料岛状物3。 同样，补强岛状物4位于应变材料岛状物3的中央。如上所述，可以反复对补强岛状物4进 行热处理和进一步尺寸减小，以实现应变材料岛状物3的完全松弛，且不发生翘曲。所有上述实施方式都不意在作为限制，而是充当说明本发明的特征和优点的实 例。应该理解，一些或所有上述特征也可以以不同方式结合。
权利要求
1.用于使应变材料层松弛的方法，所述方法包括提供应变材料层和形成于所述应变材料层的第一面上的低粘性层；在所述应变材料层的与所述第一面相反的第二面的至少一部分上形成补强层，由此形 成多层叠层；和对所述多层叠层进行热处理，由此使所述应变材料层至少部分松弛。
2.如权利要求1所述的方法，其中形成补强层的步骤包括在所述应变材料层上沉积作 为连续层的所述补强层，随后使所沉积的补强层图案化，使得从所述应变材料层上部分除 去所述补强层。
3.如权利要求2所述的方法，其中随后进行的使所述补强层图案化的步骤和对所述多 层叠层进行热处理的步骤依此顺序重复至少一次。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述热处理之前使所述应 变材料层图案化，由此形成应变材料岛状物。
5.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括使所述低粘性层图案化。
6.如权利要求4或5所述的方法，其中使所述补强层图案化，使得所述补强层的岛状物 形成于所述应变材料层的岛状物上的中央。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述补强层包含SiN、SiON,SiO2或 III-N材料或者由SiN、SiON、Si&或III-N材料构成。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述应变材料层包含^iGaN或者由 MGaN构成。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述低粘性层包含硼磷硅玻璃(BPSG) 或包含硼或磷的SiO2-化合物或者由硼磷硅玻璃(BPSG)或包含硼或磷的SiO2-化合物构 成。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中沉积厚度为50nm至应变材料层厚度的 5倍的补强层。
11.如权利要求8所述的方法，其中在使所述补强层图案化的各重复步骤中，在一个横 向维度上，在图案化的所述补强材料之间暴露比之前的热处理中多出约100 μ m 400 μ m 的应变材料。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括除去所述补强层的任何残余部分，使得所述应变材料的整个表面得以暴露并进行热处理；通过将至少部分经松弛的应变材料粘合在目标衬底上，将所述至少部分经松弛的应变 材料转移至所述目标衬底上；和从所述经松弛的应变材料上剥离所述低粘性层。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述应变材料层、特别是应变InGaN层 在种子衬底、特别是GaN层上生长，所述种子衬底、特别是GaN层在将低粘性层、特别是硼磷 硅玻璃沉积在所述应变材料层上的步骤之前沉积在或附着于第一支持衬底上；并且其中在将所述补强层，特别是包含Si3N4的补强层沉积在所述应变材料层上之前，将所述应 变材料层从所述种子衬底上剥离，并通过低粘性层粘合于第二支持衬底。
14.用于制造半导体元件的方法，所述方法包括如前述权利要求中任一项所述使应变材料松弛，还包括除去所述补强层的任何残余部分以使所述应变材料的整个表面得以暴露 并进行所述热处理，和在所形成的至少部分经松弛的应变材料上外延生长材料层，特别是 在至少部分经松弛的应变材料岛状物上生长活性层。
15.半导体结构，所述半导体结构包括支持衬底、在所述衬底上的低粘性层、在所述低 粘性层上的连续应变材料层或应变材料岛状物，特别是InGaN材料的连续应变材料层或应 变材料岛状物，和部分覆盖所述连续应变材料层或应变材料岛状物的补强层，特别是使所 述应变材料层或所述应变材料岛状物具有100微米 400微米的暴露宽度。
全文摘要
本发明涉及一种用于使应变材料层松弛的方法，所述方法包括提供应变材料层和在所述应变材料层的第一面上形成的低粘性层；在应变材料层的与所述第一面相反的第二面的至少一部分上形成补强层，由此形成多层叠层；和对所述多层叠层进行热处理，由此至少部分地使应变材料层松弛。
文档编号H01L21/20GK102124557SQ200980132031
公开日2011年7月13日 申请日期2009年7月2日 优先权日2008年8月25日
发明者布鲁斯·富尔 申请人:硅绝缘体技术有限公司