包含增加半导体器件性能的晶体匹配层的多层结构的制作方法

本申请根据美国法典第35条119(e)款要求于2015年6月25日提交的美国临时申请no.62/184,692，名称为“通过在algan-ingan的固溶体中使用iii族氮化物晶体匹配层(“cml”)薄膜的部件的种子质量生长而形成的功率器件和led体系结构”；和于2015年9月25日提交的美国临时申请no.62/233,157，名称为“非晶态和多晶衬底上的晶体半导体生长”的优先权；其全部内容通过引用并入本文。

本申请根据涉及2013年12月13日提交的美国临时申请no.14/106,657，名称为“衬底结构和方法”；并涉及2012年6月14日提交的美国临时申请no.8,956,952，名称为“多层衬底结构和制造方法”，其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及多层半导体结构。

背景技术：

当今，用于高亮度led和功率半导体器件(包含高功率低频开关、阻塞二极管和高频开关器件)的半导体器件已经在algan-ingan的固溶体中发现具有宽带隙的半导体的不可否认的家族。algan-ingan和其他iii族氮化物(iii-n)半导体具有如下特性：高介电击穿电场(耐1-10mv/cm电场)、高关断电压(大于1000伏)、极低的导通电阻(低寄生接触和迁移通道电阻)、极高的载流子饱和漂移速度、由ga-n和al-n的大的键能导致的极高的操作温度，和恶劣环境下极高的辐射硬度。

iii族氮化物半导体可用于高电子迁移率晶体管(hemt)器件和发光二极管器件。然而，由于可能使电子和光电性能的改进的大量的材料改进，led向主流过渡以满足全球通用照明要求的性能障碍依然存在。如今，受到在横向设备上的高电流密度的影响，高亮度led实现其理论效率的50-60％，并且在高驱动电流下表现出明显的效力下降。在过去的十年，功率晶体管在硅基开关和功率器件上展现出了改进的性能。然而，晶圆的结晶质量，宽带隙衬底的有限的晶圆直径，受源极漏极接触间距所限制的低于预期的填充密度，以及gan基晶体管的可靠性仍是基于氮化镓的功率器件的商业化中存在的问题，这妨碍了成熟器件工业的发展。

技术实现要素：

本发明的各种实施例寻求通过利用晶体匹配层来创造能够被用在许多基于半导体的应用(例如led、hemt、射频滤波器)中的改进的多层结构。

在一个实施例中，本发明的各种实施例的目标通过建立多层结构实现，该多层结构包括衬底、在衬底上形成的晶体匹配层、在晶体匹配层上形成的半导体层，和在半导体层上形成的器件层。晶体匹配层用作针对器件层的欧姆接触并且与半导体层晶格基本匹配。

在一个实施例中，器件层由hemt组成，hemt能够在高功率和/或高速下运行。

在一个实施例中，器件层由led组成，led能够产生可见光或紫外线。

在一个实施例中，器件层由射频滤波器组成。

在一个实施例中，晶体匹配层的热膨胀系数与半导体层的热膨胀系数基本匹配。在替代的实施例中，半导体层的热膨胀系数与衬底的热膨胀系数基本匹配。

在一个实施例中，晶体匹配层作为散热片而操作。

在一个实施例中，晶体匹配层作为反射层而操作。

在一个实施例中，在多层器件中的电流是垂直的。

附图说明

图1示出根据现有技术的示例性多层晶体管器件的剖视图。

图2示出根据现有技术的示例性多层晶体管器件的剖视图。

图3示出根据示例性实施例的示例性多层结构的剖视图。

图4示出根据示例性实施例的示例性多层结构的剖视图。

图5示出根据示例性实施例的示例性多层结构的剖视图。

图6示出根据示例性实施例的示例性多层结构的剖视图。

图7示出根据如图6所示的示例性实施例的示例性多层结构的俯视图。

图8示出根据现有技术的示例性多层结构的剖视图。

图9示出根据示例性实施例的示例性多层结构的剖视图。

图10示出根据示例性实施例的示例性多层结构的剖视图。

具体实施方式

参照附图更全面地描述各种实施例。提供这些示例性实施例是为了使得本公开透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给具有本领域知识的本发明的读者。相似的附图标记始终指的是相似的元素。在此提供的附图可能不是按比例绘制的。

为了理解本发明，参考半导体器件的当前状态是有帮助的。图1示出作为高电子迁移率晶体管(hemt)的已知构造的多层结构100。多层结构包含衬底102、gan层104、algan薄膜106、源极108、漏极110和栅极112。衬底102可以由硅、碳化硅(sic)或蓝宝石组成。

类似的，图2示出了多层结构100的不同实施例。在该多层结构100的实施例中，通过蚀刻多层结构100的背面并金属化多层结构100的背面以形成背面栅极来实现第二背面栅极114。

不同于多层结构100，多层结构300使用晶体匹配层(cml)，其允许多层结构300相对于先前存在的多层结构100具有许多优点。图3示出多层结构300的第一实施例。多层结构300由衬底302、cml304、半导体层306和器件层308组成。衬底302可以由石墨、石墨烯、蓝宝石、钼、cumo、sic、硅、稀土氧化物(reo)、lialo2、陶瓷例如聚氮化铝等材料组成。cml304可以通过包括但不限于物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)、分子束外延(mbe)等的任何合适的沉积方法沉积在衬底302上。cml304可以由金属和/或金属合金组成。半导体层306可以通过包括但不限于pvd、cvd、ald和mbe的任何合适的沉积方法沉积在cml304上。在一个实施例中，半导体层306包括固溶体氮化镓(gan)的成员，和/或其与铝(al)、铟(in)、硼(b)的合金，包括但不限于：aln、algan、gan、inn、ingan和bn。器件层308可以由任何合适的器件结构组成。例如，led、射频滤波器、或hemt结构。多层结构300可以使许多其他器件受益，包括但不限于光电阴极、光电倍增管、速调管、自由电子激光器、激光二极管腔和激光二极管。

在一个实施例中，cml304的晶格常数与半导体层306的晶格常数基本匹配。cml可以包括两种或更多种组成元素，例如两种组分，第一化学元素和第二化学元素，以形成合金。在室温下，组成元素可以具有类似的晶体结构，例如hcp结构。除了晶体结构以外，组成元素可具有相似的化学性质。在一个实施例中，第一和第二化学元素可能均属于第四主族元素(例如钛(ti)、锆(zr)、铪(hf)和(rf))，第四主族元素合金、第四主族元素的氮化物以及与钽(ta)、硼(b)、硅(si)的元素进一步合金化的合金。合金可以包括第三主族化学元素或具有类似的晶体结构和类似的化学性质的更多元素。根据半导体层306的晶格常数，可以修改构成cml304合金的不同的化学元素和这些化学元素的比例以与半导体层306基本匹配。

为了使cml的晶格常数与半导体层的晶格常数基本匹配，cml的晶格常数必须在半导体层的晶格常数的+/-1～3％的范围内。例如，cml可以由zrti组成并且半导体层可以由gan组成。在另一个例子中，cml层由hfti组成并且半导体层由algan组成。例如，用于绿色led的ingan半导体中的12原子百分比的in将具有3.23埃的晶格常数，并且可以与以1原子百分比的ti合金化的99原子百分比的zr基本匹配。在另一个例子中，在led和晶体管中常用的gan半导体可以具有3.19埃的晶格常数，并且与以14原子百分比的ti合金化的86原子百分比的zr基本匹配。在另一个例子中，具有3.11埃的晶格常数的aln可以与以43原子百分比的ti合金化的57原子百分比的zr基本匹配。在所有这些具体例子中，zr可以由hf替代，并以类似原子百分比的比例与ti合金化。在所有描述的情况下，金属合金的晶格常数在半导体的晶格常数的3％内匹配。

在一个实施例中，cml304的热膨胀系数(cte)与半导体层306的cte基本匹配。为了使cml304的cte与半导体层306的cte基本匹配，cml的cte必须在+/-15％的范围内。例如，cml能够由86原子百分比的纯zr和14原子百分比的钛(ti)组成并且半导体层能够由gan组成。在该示例中，当冷却到室温时，zr的cte是5.7ppm/mk(每米·开尔文ppm)，ti的cte是8.5ppm/mk。为了确定金属合金的加权平均值是否在15％内匹配晶格，我们计算：0.86乘以5.7加上0.14乘以8.5，其对于zrti合金产生6.09ppm/mk或在gan的cte值(5.5ppm/mk)的10.7％之内。在另一个例子中，cml可以由86％纯hf和14％ti组成，并且半导体可以由gan组成。对于该例子，计算如下：0.86乘以5.9(针对hf)加上0.14乘以8.5的加权平均，得到6.26ppm/mk，其在gan的值的13.8％以内。在半导体层306由gan组成的特定情况下，cte的15％匹配能够使半导体层306在200m直径衬底302上生长至8微米(1x10^-6米)的厚度，而对于多层结构300具有小于50微米的最大弯曲或扭曲。另外，当半导体层306由gan组成时，基本匹配cte能够使半导体层306生长至5微米的厚度，并在多层结构300中具有小于25微米的弓形或扭曲。当衬底302的直径从200mm增加到300mm时，半导体层306的最大厚度减小到5微米和2.5微米以分别满足50微米和25微米的最大弓形规格，同时衬底和半导体层的性质保持不变。

cml304的晶格和cte可能均与半导体层306基本匹配。当多层结构300的总厚度小于8微米(对于200mm衬底)或小于5微米(针对300mm衬底)时，这是有利的。在多层结构的总厚度大于8微米的情况下，将衬底与半导体层306进行cte匹配而不是使cml304的cte与半导体层306的cte基本匹配是有利的。随着多层结构的直径增大，并且随着半导体层和激活器件层的厚度总数增加超过8微米，具有接近的cte匹配变得更重要。在后一种情况下，衬底能够匹配半导体层和器件层的平均cte。

当多层结构的衬底被用于cte匹配半导体层，被认为基本匹配的衬底可取决于多层结构的应用。在一个实施例中，衬底的cte必须在半导体层的cte的±5％以内以基本匹配。例如，为了衬底与gan(具有近似5.6的cte)基本匹配，衬底必须具有5.32与5.88之间的cte。钼的cte约为5.4，并且根据优选的实施例，与gan的cte基本匹配。在功率半导体分立器件和gan基ic或高电流密度光电子器件中的应用；其中在衬底上的半导体器件层的制造期间产生显着的热应力将受益于根据优选实施例的cte的基本匹配。另一方面，根据优选的实施例，具有近似2.6的cte的硅衬底将不与根据优选实施例的gan膜的cte基本匹配。根据优选的实施例，与gan基本匹配的其他材料包括但不限于：锆、钼、纯砷、zrti(86：14原子百分比)、碳化物、和多粒度或多晶氮化铝陶瓷(1比1原子比)。

在一个实施例中，如果衬底的cte在半导体层的cte的1(每开尔文度ppm的单位)以内，则衬底的cte与半导体层的cte基本匹配。根据本实施例，与gan基本匹配的其他材料包括但不限于：锆、锇、铪、铬、钼、铈、铼、钽、铱、钌、钨、镨、锗、inas、inp、insb、alas、alp、gap、gaas、纯砷、钼铜、zrti合金、hfti合金、碳化物和聚氮化铝陶瓷(1比1原子比)、钛、钼合金、钨合金、镍合金、铌合金、铱合金、可伐合金(kovar)、钕合金、钼铜、ti金属合金、zr合金、hf合金、碳化物、不同原子比例的聚氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、二氧化钛(titania)、多晶sic。根据本实施例，需要基本匹配的cte的典型应用包括但不限于：热退火、热去气或清洁步骤，物理或化学薄膜生长、重结晶步骤、金属接触焙烧步骤，注入和后续退火，或任何电路制造步骤(掩膜生长，蚀刻/形成图案，镀金属，化学机械平坦化(cmp)等)，其需要在1400摄氏度至室温范围内的温度加热/冷却步骤并且必须保持低于50微米的衬底或晶弓，超过任何晶圆直径。

在另一个实施例中，如果衬底的cte在(每开尔文度ppm的单位)iii-n膜的cte的0.5倍以内，则衬底的cte与半导体层的cte基本匹配。例如，钼具有大约5.4的cte，其在gan的cte(每开尔文度ppm的单位)的0.5倍以内。根据本实施例，与gan基本匹配的其他材料包括但不限于：钼、纯砷、铬、zrti(86：14)、碳化物、锗、锇、锆、铪、insb、可伐合金和聚氮化铝陶瓷(1比1原子比)。根据本实施例，需要基本匹配的cte的典型应用包括但不限于：热退火、热去气或清洗步骤、物理或化学薄膜生长、重结晶步骤、金属接触焙烧步骤，注入和后续退火，或任何电路制造步骤(掩膜生长、蚀刻/形成图案、镀金属、cmp等)，其需要在1400摄氏度至室温范围内温度升温/降温步骤并且必须保持低于衬底或晶圆弓的25微米，超过任何晶圆直径。。

在一个实施例中，cml304被用作掩埋极高导热层以在操作和处理期间从多层结构300带走热量。使cml作为导热层的一个好处是其是沉积的第一层之一，因此其可以在制造多层衬底的过程中为衬底提供热保护。在一个实施例中，cml由zrti或hfti组成。这些合金传导热并横向散热以保持多层结构在设备运行期间在可接受的温度范围内(例如低于摄氏350度)。在一些实施例中，cml可以具有由al或cu组成的添加物，以在cml与半导体层之间建立起基本晶格匹配后改进cml的热传导率。cml的厚度范围也能够基于需要的热导率的量来修改，但理想地应该保持在100nm至1um的范围内。

图4示出作为双栅极hemt的多层结构300的示例性实施例。多层结构300的器件层308包括algan薄膜312、源极310、漏极314和栅极316。半导体层306是gan薄膜。cml304作为用于多层设备的第二掩埋栅。cml可以用作第二掩埋栅，因为其用作多层结构300的背面欧姆接触。与现有技术相比，cml允许在缺陷密度(例如在半导体层306中的穿透位错)中减少100～1000倍，并且cml能够使明显更薄的半导体层306生长(比现有技术薄5～10倍)。后者立即降低设备成本，生长时间缩短5～10倍，并且使cml能够在algan层312与半导体层306界面(其中二维电子气(2deg)所在的界面)，或在多层结构300中的晶体管的高电子迁移率通道的1微米以内。这使得有效的场效应从通电的cml层穿透以调制2deg从源极到漏极的传导，或者换句话说，以大于100千兆赫率的速率夹断导电沟道，以实现有效的射频晶体管动作。

如图4中所示的双栅极结构类似于图2中的现有技术，其意义在于它是具有两个栅极的hemt。然而，图4中所示的结构具有超越传统双栅极hemt的上述优势。另外，不需对衬底进行背面蚀刻以创造第二栅极。其次，gan的薄膜厚度可小于或等于1微米，同时保持极低的缺陷密度。在ganhemts的现有技术中(如图2中所示)，gan层104的范围为5～10微米，并具有100～1000的更大的缺陷密度。这在多个方面对器件性能有负面影响，包括但不限于：器件生长成本较高(8～10小时生长时间)，晶体管的关断电压限制在600伏以下，开关速度限制在10兆赫以下。与此形成鲜明对比的是，本发明可以在1～2小时的生长时间内制造、关断电压可以大于3000伏特，并且开关速度可以大于100兆赫。

在一个实施例中，多层结构300包括具有200毫米或300毫米直径的750微米至1.0毫米厚的硅晶圆111的层(302)，500纳米到1.0微米厚的zrti(86％：14％合金)(304)，1.0到5.0微米厚的n型gan(306)，0.1微米到0.5微米厚的algan(25％al，75％ga)(312)。请注意，在层304和层306中可能存在变化，以达到层306中所需的缺陷密度。类似的，algan层312可以以1倍至5倍的厚度生长，以使通向栅极316的泄漏电流最小化。绝缘层可以沉积在器件层308上以及栅极316与algan层312之间以最小化表面泄漏路径。绝缘层可以由氮化物和氧化物组成，并且包括但不限于氮化硅和二氧化硅。类似地，在310、314和316接触点的金属接触金属配方中可能存在变化，包括ag/al和ti/au混合物，以及相对厚度的变化。通常，第一元素的厚度在5-50nm的范围内，而第二元素的厚度在1～5微米的范围内。另外，可以根据需要堆叠多个层以改进接触电阻。

图5示出了作为单个栅极hemt的多层结构300的示例性实施例。在该实施例中，多层结构300的器件层308包括algan薄膜312、源极310、漏极314和栅极316。在一个实施例中，algan312具有0.1微米至0.5微米的厚度。半导体层是gan膜，其可能厚或薄。cml304在该实施例中用作单个栅极。为了改进cml的场效应控制电压，ag/al可以沉积在cml上，然后cml能够被退火，该过程被称为触发接触点，其中cml充当背面肖基特接触。以这种方式将cml退火的好处在于，源极310和漏极314可以更紧密地结合在一起，有助于帮助建立更高密度的多层结构。如在图5中示出的配置的好处是既降低了器件工艺的成本和复杂度，又提高了每晶圆的器件填充密度。在其他实施例中，作为ag/al的替代物或在ag/al之外，au可以被烧制到cml中以便进一步增加cml的电流传导。

图6示出了作为垂直结构的多层结构300的示例性实施例。在该实施例中，多层结构300由绝缘层318(例如sio2的氧化物层)组成。cml304也用作晶体管漏极314的欧姆接触点。另外，薄膜algan312当前以垂直方式排列。cml的欧姆接触性质允许将多层结构300被实现为垂直晶体管。电流现在将垂直流动(即从源极到漏极)，而不是以传统的水平方式(如图1和图2所示)。垂直电流流动消除了在平面中源极和漏极彼此靠近所导致的已知平面结构中呈现的横向电流拥挤效应，并通过在充电的源极和漏极接触点之间具有在水平器件中不被允许的大间隔，能够实现大于10,000伏的电压关断，并允许极大电流(大于5amps/mm²)在源极与大背面漏极接触点之间流动从而形成大圆盘。在一个实施例中，多层结构300由如下材料构成：具有200毫米或300毫米直径的750微米至1.00毫米厚的硅111晶圆(302)、500纳米至1.0微米厚的zrti(86％：14％合金)(304)、1.0微米至5.0微米厚的n型gan(306)、具有0.1微米～0.5微米厚度的algan(25％al，75％ga)(312)、0.1～0.5厚度的二氧化硅层306(318)。请注意，在层304和306中可能存在变化以达到层306中所需的缺陷密度。类似地，algan的厚度可以增加1～5倍，以最小化泄漏到栅极的电流。在一些实施例中，绝缘层可沉积在多层结构300的表面上以及栅极316与algan层312之间以最小化表面泄露路径。这些绝缘层可以由氮化物和氧化物组成，并且可以包括但不限于氧化硅和二氧化硅。类似地，310和316接触点的金属接触金属配方中可能存在多种变化，包括ag/al和ti/au混合物，以及相对厚度的变化。通常，第一元素的厚度在5～50nm的范围内，而第二元素的厚度在1～5微米。另外，可以根据需要堆叠310和316中的多个层以改进接触电阻。尽管图6示出cml304是用于晶体管漏极的欧姆接触，但也在本发明的范围内使cml304也用作晶体管源极的欧姆接触。

图7示出如图6所示的多层结构300的实施例的俯视图。该视图示出了具有圆柱对称性的一种方法，其包含但不限于根据图6可以为hemt电路提供非常大的填充密度。

图8示出多层led结构820的示例性实施例。在该实施例中，led结构820包括硅或蓝宝石衬底800、1um～3um的algan缓冲层802、3um～5um的n型gan层804、15nm～80nm的多量子阱层806、0.1um～0.5um的p型gan层808、氧化铟锡810、阳极812和阴极814的200nm～300nm透明导电氧化物(tco)接触点。

图9示出了作为led器件的多层结构300的示例性实施例，其改进了先前已知的多层led结构820。为了清楚起见，根据图8对多层结构300进行了重新编号，以显示本发明的区别和优点。然而，括号中显示了对应于图3的相应参考编号。多层结构300具有与led结构820相同的部件中的一些。然而，多层结构300具有cml818。在一个实施例中，cml818由hfti或zrti组成。cml818允许从多层器件300去除algan缓冲层802。另外，cml818的实施允许n型gan层804在led结构820中的尺寸从3um～5um减小到小于或等于1um。层804的减少和层802的移除允许多层结构300比led结构820短4um至8um。另外，这些变化还允许制造时间从8小时(对于led结构820)减少到2小时(对于多层结构300)。

图10示出作为led器件的多层结构300的替代示例性实施例。类似于图5中所示的实施例，由于其电流传导质量，cml818被用作背面阴极。在一个实施例中，au被烧入cml中以改进具有n型gan层804的cml的电流条件质量。背面阴极接触允许电流从阳极垂直流向阴极。这种垂直的电流流动允许多层结构300处理极高的电流。例如，现有技术的高亮度led产生每平方厘米25安培至每平方厘米50安培的光，电流密度>80％标准化效率，后者随着更多电流通过器件效率下降而降低。当前的垂直led将正向电流密度增加到>500安培每平方厘米，在整个正向电流密度范围内具有>95％的标准化效率。类似于图9中示出的实施例，本实施例也去除了algan缓冲层并减小了n型gan层的尺寸，从而将制造时间从8个小时减少到2个小时。

cml可以用作反射镜层，其尤其对led有用。在一个实施例中，cml由zrti或hfti组成。cml反射紫外光和可见光。如本领域已知，可见光具有大约4～7.5x1014hz之间的频率，750nm～400nm之间的波长和1.65～3.1ev的量子能量。紫外线具有大约在7.5x1014～3x1016hz之间的频率、405nm～10nm之间的波长，和3.1～124ev之间的量子能量。为了作为有效的反射层进行操作，cml层的厚度被选择为大致等于(即在5nm内)感兴趣的波长的1/4。例如紫外线具有大约405nm的波长，因此，在一个实施例中，405的约1/4是100nm，所以cml将具有100nm的厚度。表1如下示出由zrti和/或hfti组成的cml的反射率的实验结果。

表1

光的颜色沿横轴显示，且相应的反射率在垂直方向上显示，如％r。通常对于典型的眼睛反应，450用作可见蓝光的下限，而450nm及以下在曲线上被认为是紫外光。样本t001、t002是具有hfti的样本，而所有其他样本t003至t005具有优化的zrti作为单层以反射300nm的光。

在一个实施例中，多层结构通过cml和薄氮化物(即，aln或其他绝缘体)的交替层产生布拉格(bragg)反射镜。在这样的实施例中，通过pvd溅射或其他合适的沉积方法沉积薄氮化物层(即，aln或其他绝缘体)。使用上述紫外-蓝光的例子，将100nmcml层与25nm到100nm的aln交替的序列重复至少3个步骤。具有这种配置的布拉格反射镜导致至少95％的反射率。该高反射率是由于hf和zr的原子序数部分达到而得到的。当使用布拉格几何时，只需要使用hf和/或zr进行3次重复(其中一层cml和一层薄氮化物层是一次重复)。

在这里阐述的许多修改和其他示例实施例将使得具有在这些示例涉及的技术领域中的知识的读者能够从前面的描述和相关附图中呈现的教导中受益。因此，应该理解，这些实施例不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在权利要求的范围内。此外，尽管前面的描述和相关联的附图在元件和/或功能的某些示例性组合的上下文中描述了示例实施例，但是应该理解，可以通过替代实施例来提供元件和/或功能的不同组合，而不脱离所附权利要求的范围。就这一点而言，例如，除了上面明确描述的元件和/或功能之外的不同组合也被设想为也可以在一些所附权利要求中提出。