用于制造半导体本体的方法和半导体装置与流程

本技术要求2020年10月30日的德国专利申请de10 2020 128 680.5的优先权，其内容通过参引全部并入本文。本发明涉及一种用于制造半导体本体、尤其光电子器件的方法。本发明还涉及一种半导体装置，尤其光电子器件。

背景技术：

1、在制造半导体器件时，通常使用不同的或至少经变型的材料体系以产生所需的功能性。这些材料体系在此可以具有不同的晶格常数，即其晶格结构中的原子在相应的材料体系中具有不同的间距。除了晶格间距以外，电学特性也会发生变化。可以在以下地址https://de.wikipedia.org/wiki/iii-v-verbindungshalbleiter#/media/datei:iii-v-halbleiter.png找到示出带隙和晶格常数之间的关系的已知的描述。示出了关于在纤锌矿以及闪锌矿结构中的晶格常数绘制的带隙。元素之间的线表示三元化合物。纤锌矿结晶具有2个晶格常数a和c，闪锌矿只有唯一的晶格常数。

2、在光电子器件中，在大于600nm的波长下发射的ingan量子阱的生长，例如由于铟含量增加(超过30％)造成困难。其原因是晶格间距增大，所述晶格间距随着in份额增加而增加。这种富含ingan的合金具有大的晶格。

3、当在gan缓冲层上沉积这种材料时，不同的晶格常数通常会引起与位于其下方的gan层的持续失配，这引起更高的缺陷密度和/或具有不同in浓度的相分离。

4、在具有更好温度稳定性和/或更高效率的ingaaip器件的情况下，也出现类似的问题。在所述材料体系中，将对载体限界的势垒生长到多量子阱的两侧上以产生光，具有较大带隙的直接带隙的材料，会变得有利。然而，这种材料与gaas衬底会有明显的晶格失配，并且不能以良好的结晶质量培养。

5、因此，一般而言，当需要高结晶质量时，难以生长与位于其下方的层具有高晶格常数失配的特定的化合物半导体。

6、为了避免或至少减少这些问题，例如使用非常厚的、逐渐适配的缓冲层、通过缺陷诱发引起的晶格松弛、小图案化和用电介质掩模的掩蔽。然而，例如，厚层或逐渐适配的缓冲层在一些应用中在其电学特性方面是不利的。此外，提高了生产耗费和制造条件的监控。

7、因此需要提出一种用于制造半导体器件的方法，其中可以减少上述问题。

技术实现思路

1、下面提出一种方法，其中蓝宝石衬底和作为器件的一部分的层之间的保持力减小。由此，由于材料体系不同导致的不同晶格常数影响不那么强。尤其，这样可以减小应变，由此即使在晶格常数低适配的情况下外延生长也是可能的。这通过借助于电化学剥离工艺改变各个层来实现。

2、为此，发明人提出了一种用于制造半导体本体的方法，该方法在第一步骤中设有：提供辅助载体。接着，在载体上沉积层序列，所述层序列包括具有掺杂的半导体材料、尤其iii-v族半导体材料的第一层和在第一层上的具有未掺杂的半导体材料的第二层。在随后的步骤中，将第一层电化学多孔化，其中孔隙度为至少20体积％。

3、此外，发明人现在提出在第一经多孔化的第一层和第二层中可选地构成台地结构。然后在第二层上产生功能性的层序列。为此，功能性的层序列具有至少一个平坦的第三层，所述第三层施加在设有台地结构的第二层上，其中至少一个平坦的第三层包括不同于第二层的特定晶格常数。孔隙度也可以在50体积％和90体积％之间。

4、通过多孔化将间隙或空腔插入第一层的结构中。这些空腔可以实现补偿应变，而在这种情况下不会增加施加在经多孔化的层上的层中出现的缺陷的数量。换言之，通过多孔化可以补偿由于不同晶格常数引起的应变，使得不产生晶格效应。借助于可选的附加的台地结构还附加地增强了这种效应。在一些材料体系中，连带第一层的多孔化的台地结构化特别适用于补偿在晶格常数方面的较大差异。

5、在此背景下，晶格常数被理解为限定的材料体系中的晶胞的长度。在此，材料体系是统一的和不包含缺陷或晶格缺陷。也就是说，所述材料体系是无应变的。晶格常数是每个材料体系的特征变量，并且在无应变的材料体系方面也称作为特定晶格常数。因此，不同的材料体系可以具有不同的特定晶格常数，如上面的链接所示。因此，如果将具有不同晶格常数的材料体系放置在一起，则在这些体系的边界区域中形成应变，即晶格常数发生变化。这种变化随着距边界区域的间距增加而变得更小。此外，在晶格常数方面的差异太大的情况下可能出现空缺或缺陷。通过所提出的方法以及根据本发明的实施方案，可以有针对性地利用该效应。

6、在下文中，功能性的半导体层序列或功能性的半导体本体表示以下层序列，所述层序列结构化为使得其能够作为制成的器件承担电学功能。在这种情况下，功能性的半导体层序列可以被分割，其中每个单独元件于是具有期望的功能性。功能性的半导体层序列的示例是层序列，所述层序列例如具有适合于光发射的区域。另一示例是npn结，其具有晶体管功能。层序列还可以将多个功能相互组合。

7、辅助载体是由惰性材料制成的载体，其用作之后的方法尤其半导体材料的外延沉积的基础。辅助载体的材料例如是蓝宝石(al2o3)，然而也是氮化硅或其他材料。适宜的可以是，所述材料针对在生产半导体器件时使用的各种蚀刻工艺是惰性的。在一些情况下，辅助载体保留在器件上并且成为所述器件的一部分；在这种情况下，辅助载体也简称为载体基板。在其他情况下，剥离在辅助载体上制造的器件(如下文进一步叙述)。

8、半导体材料通常被理解为未掺杂的化合物半导体材料，除非另有明确提及。在这种情况下，术语“未掺杂”表示：没有进行用另一种元素或材料的专门的、有意识的和有意的掺杂。在实践中总是存在的缺陷或杂质不属于本技术意义上的掺杂。化合物半导体材料是在晶体结构中产生的两种、三种或更多种元素的组合，使得形成能带结构并且使得得出的元素具有半导体电学特性。典型的化合物半导体是所谓的iii-v族化合物半导体，其由第五主族的一种或多种元素和第三主族的一种或多种元素组成。化合物半导体材料的示例是gaas、algaas、gan、algan、ingan、gap、ingap、algap、alingan、alingap和此处提到的其他材料。

9、掺杂的半导体是引入有掺杂质的半导体材料。掺杂质根据期望掺杂在iii-v族化合物半导体的情况下可以是用于n型掺杂的si、te、se、ge或ge，和例如用于p型掺杂的mg、be或c。本技术中列举了其他掺杂质。在iii-v族化合物半导体材料的外延沉积期间引入掺杂质，但也可以在事后通过各种方法进行掺杂。掺杂浓度比起始材料或基础材料的原子浓度低几个量级。例如，浓度处于1*1017掺杂原子/cm3至5*1021掺杂原子/cm3的范围中。

10、电化学分解或电化学蚀刻是借助电压和电流溶解半导体材料的工艺。由此可以溶解或蚀刻一层半导体材料。然而，这种工艺并非均匀地进行，而是不均匀地进行，例如由于位错或材料缺陷。这可以在合适的参数选择例如施加的电压和掺杂质的浓度以及要蚀刻的半导体材料的情况下来利用。因此，例如，可以实现要蚀刻的材料的不同速度和孔隙度。因此，术语“电化学多孔化”被理解为电化学工艺，该电化学工艺选择性地将材料从本体内析出，使得留下多孔或海绵状的结构。经多孔化的半导体本体或半导体层因此产生类似于雪旺氏体或骨骼的网状框架结构，其具有足够的稳定性同时具有低的质量或材料体积。

11、层可以经受选择性多孔化工艺，其中在该工艺之前施加结构化的掩模。通过所述掩模，减少或防止由于所谓的遮挡在该层的区域中产生的电流流动，使得在其上设置有掩模的区域中不发生多孔化或仅发生非常少的多孔化。相应地，未多孔化的半导体本体不显示网状或海绵状结构，尽管它仍然可能具有各种缺陷或晶格缺陷。此外，在一些实施方案中，在边界区域中会产生如下效应，其中本身未多孔化的区域的一个部段显示出低程度的多孔化，尤其在这样的区域的边缘处，其中所谓的孔隙度(进一步参见下文)随着与边缘的间距增加而减小。

12、在未多孔化的区域的情况下，在电化学蚀刻工艺期间将电解质引入到被遮挡的区域之下变得困难或同样被阻止，使得那里不会形成另外的蚀刻通道，或者现有通道不会被电解质扩宽。因此，在被遮挡的区域之下去除率变得明显更低，使得材料在那里明显更少地多孔化直至根本不多孔化。

13、术语“孔隙度”描述了材料体积与层的总体积的比值。因此，在30％的范围中的孔隙度表示：与原始体积相比，30％的材料已被去除。在孔隙度为90％的情况下，90％的材料通过电化学沉积工艺析出并且仅剩下10％的材料。

14、在制造功能性的半导体层序列之后，在一些方面提出，将功能性的层序列从第一层剥离，其中第二层可选地保留在功能性的层序列上。替选地，功能性的层序列也可以这样从辅助载体剥离，使得经多孔化的第一层保留在功能性的半导体层序列上并且可以可选地用作为用于电磁辐射的耦合输出结构。在这样的实施方案中，经多孔化的第一层也可以被进一步处理。例如，接触区域可以施加在所述第一层上。

15、在一些方面，构成台地结构，其方式为在第一步骤中将结构化的掩模施加在第二层上。接着，蚀刻第二层和经多孔化的第一层以构成凹陷部。在一些示例中，这些凹陷部构成为经多孔化的第一层中的沟槽。

16、在一些方面，在多孔化第一层之后形成台地结构。然而，根据所使用的材料体系，也可能在电化学多孔化的步骤之前构成台地结构。

17、另一方面涉及第一层的设计方案。在一些实施方案中，以子步骤施加第一层，其中在第一子步骤之后中断施加并且沉积薄的分离层，尤其未掺杂的分离层。接着，继续第一层的外延沉积。由此，第一层被划分成朝向载体的区域和背离载体的区域。在一些方面，掺杂度在第一层的区域之间在此也是不同的，或者用于分离层的其他材料体系也是可能的。不同的孔隙度可以通过产生具有分区域不同程度的掺杂的第一层和/或薄的分离层实现。由此，孔隙度既可以针对整个晶片进行适配，也可以局部适配于用于生长其他层的需求。

18、另一方面涉及在第一层中制造另外的结构。一方面，产生层序列的步骤包括产生未多孔化的区域。这通过以下方式进行，其中，将结构化的掩模施加到层序列的第二层上以在结构化的掩模下方产生不要多孔化的区域并且接着在第一层的电化学多孔化之后去除结构化的掩模。由此，第一层的区域保留在“被遮挡的”区域下方，即所述第一层的区域没有被多孔化或仅在很小程度上被多孔化。这些区域现在显示出不同的机械和电气特性。因此，未多孔化或仅轻微多孔化的区域会在涂覆第三层时在所述第三层中产生应变。在一些方面，这被利用来形成例如发射具有不同波长的光的有源区域。

19、因此，功能性的层序列可以构成为具有用于在多孔化的区域之上构成为发射第一波长的光的有源区域和用于在未多孔化的区域之上发射第二波长的光的有源区域。不同的波长尤其通过由在多孔化的或未多孔化的区域之上的不同晶格常数造成的应变引起。

20、在一些方面可能适宜的是，将结构化的掩模中的尺寸选择得略大于结构化的掩模下方的第一层的未被多孔化的一个区域或多个区域。在电化学工艺中，掩模的遮挡防止或减少电流沿着第一层中的该区域和在该区域下方的流动。由此，第一层的材料保持基本上完好。掩模的略大的尺寸也补偿了可能存在的轻微的欠蚀刻

21、在一些方面，台地结构可以在上述选择性多孔化之前或之后执行。由此也可以至少部分地控制多孔化。因此，可以提出结构化的掩模和台地结构化构成的组合，使得在各个方法步骤之后产生如下结构，在所述结构中第一层的多孔化的区域和未多孔化的区域通过沟槽分离地交替。

22、在一些实施方案中，凹陷部，尤其呈沟槽形式的凹陷部，具有在5nm至500nm的范围中的宽度，尤其20nm至300nm的范围中并且更尤其小于200nm的宽度。在这种情况下，沟槽可以延伸直至辅助载体，但也可以在所述辅助载体之前终止，或者如果在第一层中存在分离层，则所述沟槽可以在那里终止。

23、为了能够吸收由于晶格常数方面的差异而引起的可能的应变，一方面构成为沟槽和凹陷部的台地结构不应太大。上述值在实验中证实为合适的。然而，台地结构之间的间距也不应太大，以便可以补偿由沟槽或凹陷部引起的应变。作为2个相邻的台地结构之间的间距提出400nm至4μm的范围，尤其800nm至2.5μm的范围和尤其小于2μm的范围。在一些方面，可以限定台地结构的宽度与2个台地结构之间的间距之间的比值。该比值可以在4至15的范围中，尤其在8至12的范围中，并且尤其处于9.5至10.5的范围中。

24、另一方面涉及晶格常数的偏差，尤其在形成功能性的层序列的一部分的第二层和第三层之间的晶格常数的偏差。平坦的第三层的晶格常数可以与第二层的晶格常数偏差最多20％，尤其在大约0.4％至3％的范围中，尤其在0.5％至2.7％的范围中。基于gan或gaas的材料可以用作为不同层的材料，这些材料又可以用si、c、ge或还有mg掺杂。功能性的层序列的第三层尤其可以包括含铟层。该层也可以构成为超晶格或者就其而言可以包括层序列。在这种情况下，铟份额可以在0.0001％至25％的范围中，例如在2％至20％的范围中。该层也可以构成为超晶格或者就其而言可以包括层序列。第二半导体层序列的后续层，尤其这些对光学功能有贡献的层，可以具有至少20％、尤其至少40％并且尤其在30％至60％的范围中的铟含量。在一些实施方案中，铟含量还可为高达100％。上面列出了替选的基础材料。掺杂可以在外延沉积期间进行。这也允许连续适配掺杂浓度。

25、在一个实施例中，第二层具有未掺杂的gan并且平坦的第三层具有含铟材料，例如ingan。铟份额，第一层由掺杂的gan形成，其中掺杂浓度在1*1017原子/cm3至5*1021原子/cm3的范围中。

26、发明人已经认识到晶体结构的取向，尤其在台地结构化的情况下，是进一步降低缺陷密度和在沉积和生长过程期间获得光滑表面的相关因素。因此，在一些方面提出，在具有纤锌矿结构的材料中将聚结面定向为使得所述聚结面垂直于a轴[1120]。

27、另一方面涉及功能性的层序列的不同设计方案。在一些实施方案中，外延产生功能性的层序列包括产生多量子阱结构。多量子阱结构构成用于发射一种波长的光。在这种情况下，多量子阱结构可以在至少一个台地结构上延伸。在一些方面，多量子阱结构既在第一层的经多孔化的区域之上也在未多孔化的区域之上延伸。由此，由于存在的应变，在第一层中的相应的区域之上的多量子阱结构中产生不同的能带分布。这被实现，因为晶格常数因应变而局部改变，使得生长材料的化学计量组成在生长过程期间发生变化，由此带隙又发生改变。这种效应例如在含铟的材料体系的情况下可以被利用，因为ga/in的比值随着晶格常数升高朝铟的方向从而朝较长波长的方向移动。由此可以产生不同波长的光。

28、发明人已经认识到，与明显的推测相反，在第三层沉积在台地结构化的第二层上时，第三层的材料刚好没有或仅非常少量地进入沟槽。尤其，第三层的材料不会填充这些沟槽，而是形成跨越沟槽的桥，使得留下空腔。同时，台地结构与经多孔化的第一层组合，补偿由于晶格常数变化引起的应变。

29、另一方面涉及半导体装置或半导体本体。在一些方面，所述半导体装置或半导体本体包括辅助载体和具有第一层和施加在其上的第二层的层序列，第一层具有掺杂的半导体材料。所述半导体装置或半导体本体具有未掺杂的半导体材料，其中第一层包括至少一个经多孔化的区域，所述经多孔化的区域的孔隙度为至少20体积％。此外，在第一层和第二层中引入由多个凹陷部组成的台地结构。具有至少一个平坦的第三层的功能性的层序列被施加到设有台地结构的第二层上，其中至少一个平坦的第三层具有与第二层不同的晶格常数。

30、通过将引入的台地结构与经多孔化的第一层组合，减少或甚至防止平坦的第三层中的应变。由此，也可以使用具有不同晶格常数的材料体系，其中多孔化可实现第三层以及功能性的层序列的松弛。

31、在一些方面，凹陷部或沟槽的宽度小于200nm，两个凹陷部之间的间距小于2000nm。沟槽的其他尺寸和沟槽之间的间距在上文给出。在一些实例中，凹陷部的宽度是两个相邻的凹陷部之间的间距的大约1/5至1/20。

32、在一些其他方面，第一层并不连续地多孔化。相反，可以设有至少一个未多孔化的区域，所述区域至少部分地被经多孔化的区域包围。由此，不同的应用是可能的。例如，至少一个未多孔化的区域可以构成用于之后安置在其上的功能性的半导体本体的保持结构。同样，未多孔化的区域可以用于在其他层中局部针对性地引入应变，从而实现带隙变化或电特性变化。

33、在此可以提出，至少一个未多孔化的区域由形成台地结构的沟槽与经多孔化的区域分离。

34、另一方面涉及功能性的层序列的设计方案。因此，在一些实施方案中，功能性的层序列构成具有施加在第三层上的多量子阱结构。在一些方面，多量子阱结构的位于第一层的经多孔化的区域之上的第一区域构成用于发射第一波长的光，并且多量子阱结构的位于第一层的未多孔化的区域之上的第二区域构成用于发射较短的第二波长的光。

35、在一些其他方面，第一层可以包括具有第一孔隙度的第一子区域和由分离层分离的、具有第二孔隙度的第二子区域。由此可以实现各种应用，所述应用例如需要局部分离的不同晶格常数。第三层中的缺陷密度也可以通过附加的分离层进一步降低。

36、在一个实施方案中，第一层包括n型掺杂而第二层是未掺杂的，其中第一层和第二层具有相同的基础材料。例如，第二层可以包括未掺杂的gan层并且第三层可以用ingan形成，其中铟份额在从0.0001％至25％、尤其小于15％的范围中。第三层也可以构成为超晶格或者就其而言可以包括层序列。第二半导体层序列的后续层，尤其对光学功能有贡献的这些层，可以具有至少20％、尤其至少40％和尤其在30％至60％的范围中的铟含量。在某些实施方案中，也可以使用100％的铟份额，尤其在铟层非常薄地构成的情况下如此。在外延生长过程期间由于应变出现晶格常数的局部变化，使得在生长过程期间生长的材料的化学计量组成发生变化。由此，生长的材料体系中的铟份额例如可以局部变化，从而改变带隙。由此可以产生在运行中产生不同波长的光的区域。