厚III‑N外延的方法和衬底技术

本发明专利技术提供了制造III‑N衬底的方法。方法包括：把Si衬底接合到支撑衬底，Si衬底具有背向支撑衬底的（111）生长表面；在（111）生长表面把Si衬底减薄到100μm或更小的厚度；以及在Si衬底被减薄之后在Si衬底的（111）生长表面上形成III‑N材料。支撑衬底具有比Si衬底更接近地匹配III‑N材料的热膨胀系数的热膨胀系数。公开了制造III‑N衬底的其它方法以及对应的晶片结构。

【技术实现步骤摘要】
厚I I 1-N外延的方法和衬底
本申请涉及II1-N晶片结构，并且更具体地涉及形成厚II1-N晶片结构。
技术介绍
作为用于制作器件的半导体材料，GaN提供优于Si的几个出众的特性，诸如更低阈值电压、更低通态电阻(Rdson)、更低寄生电容、更低栅极电阻和更好的FOM (品质因数)，从而导致优于Si的极大的性能和尺寸优点。对于作为明显激发因素的这样的优点，在半导体工业中已做出了进行中的广泛努力以改进GaN的晶体品质。例如，GaN通常具有高缺陷密度，其可归因于由生长衬底和GaN外延之间的晶格失配(例如在Si (111)上GaN的情况中为-17%)导致的滑移线。在许多情况(例如功率器件，诸如GaN基HEMT (高电子迁移率晶体管))中，减小由滑移线引起的缺陷密度产生器件性能的改进。除了 GaN外延自身，(一个或多个)下层缓冲层也应当具有良好的晶体品质。通过使用相对不昂贵的Si生长衬底，到现在为止已实现了可接受的GaN晶体品质。通过增加所沉积的GaN层的厚度来改进GaN晶体品质。 然而，在Si上生长的GaN的最大厚度受该两种材料之间的热膨胀系数(CTE)中的差限制。依赖于来源，GaN的CTE从5.6*10~_6/K到6.2*10~_6/Κ变化。Si具有2.6*10~_6/K的CTE。GaN的沉积通常在大约1000°C温度(例如针对MOCVD-金属有机化学蒸汽沉积为1000-1200°C)完成。如果所沉积的GaN层被制作得太厚，则其在随后的冷却期间由于由Si的较小CTE引起的严重张应力而破裂。因此在Si上沉积的GaN的最大厚度在6_8Mm的范围中。如果需要更厚的GaN层，通常使用更昂贵的衬底，诸如SiC、蓝宝石或非常稀少的(纯)GaN衬底。
技术实现思路
根据制造II1-N衬底的方法的实施例，方法包括:把Si衬底接合到支撑衬底，Si衬底具有背向支撑衬底的(111)生长表面；在(111)生长表面把Si衬底减薄到100 μ m或更小的厚度；以及在Si衬底被减薄之后在Si衬底的(111)生长表面上形成II1-N材料。支撑衬底具有比Si衬底更接近地匹配II1-N材料的热膨胀系数的热膨胀系数。 根据半导体晶片结构的实施例，晶片结构包括:衬底；衬底上的Si材料，Si材料具有10ym或更小的厚度以及背向衬底的(111) Si表面；以及II1-N材料，在Si材料的(111) Si表面上。衬底具有比Si材料更接近地匹配II1-N材料的热膨胀系数的热膨胀系数。 根据制造II1-N衬底的方法的另一实施例,方法包括:提供具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的第一衬底；在第一衬底的第一表面上形成第一厚度的II1-N材料；在II1-N材料形成为第一厚度之后去除第一衬底；把第二衬底接合到II1-N材料的侧面，第二衬底具有比第一衬底更接近地匹配II1-N材料的热膨胀系数的热膨胀系数；以及在第一衬底被去除且第二衬底被接合到II1-N材料之后，把II1-N材料的厚度增加到大于第一厚度的第二厚度。当II1-N材料的厚度从第一厚度增加到第二厚度时，II1-N材料的第一厚度足以确保第二衬底对II1-N材料的晶体结构没有影响。 根据GaN晶片的实施例，GaN晶片包括GaN材料。GaN材料具有至少200mm的直径和至少10 μ m的厚度。 通过阅读后面的详细描述，并且通过查看附图，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。 【附图说明】 图中的部件不一定按比例，相反地，重点放在图示本专利技术的原理上。此外，在图中，相似的参考数字指定对应的部分。在附图中:图1A到IC图示了根据实施例的在生长衬底上制造II1-N材料的方法的不同阶段期间半导体晶片结构的截面图；图2A到2E图示了根据第一实施例的在结构化生长衬底上制造II1-N材料的方法的不同阶段期间半导体晶片结构的截面图；图3A到3C图示了根据第二实施例的在结构化生长衬底上制造II1-N材料的方法的不同阶段期间半导体晶片结构的截面图；图4图示了根据第三实施例的用于生长II1-N材料的结构化衬底的截面图；图5A到5C图示了根据第四实施例的在结构化生长衬底上制造II1-N材料的方法的不同阶段期间半导体晶片结构的截面图；图6A到6B图示了根据第五实施例的在结构化生长衬底上制造II1-N材料的方法的不同阶段期间半导体晶片结构的截面图；图7图示了根据第六实施例的用于生长II1-N材料的结构化衬底的截面图；图8图示了根据第七实施例的用于生长II1-N材料的结构化衬底的截面图；图9A到9H图示了根据实施例的在不同阶段中制造II1-N材料的方法的不同阶段期间半导体晶片结构的截面图。 【具体实施方式】 本文中描述的实施例提供良好晶体品质的较厚GaN层(例如10 μ m或更厚)的沉积。如果需要，本文中描述的相同过程可以产生更薄的GaN层。在每个情况中，不昂贵的衬底(诸如Si河以用于沉积不同厚度的GaN层。由于在大直径(例如从200mm (所谓的‘8英寸’)到300mm (所谓的‘ 12英寸’)或甚至更大(诸如450mm (所谓的‘18英寸’))变化)中的广泛可用性，Si衬底尤其受关注。可以使用本文中描述的实施例来实现产生更好器件特性的高晶体品质II1-N材料。而且，根据本文中描述的实施例，器件和衬底之间的最大电压不再受限制，这可以是尤其受关注的，因为GaN的出众特性最适合于具有高击穿电压的器件。 接下来描述包括以下步骤的实施例:把针对II1-N材料的生长衬底接合到比生长衬底更好地与II1-N材料CTE匹配的支撑衬底，以及减薄生长衬底使得薄生长层仅保留为例如大约100 μ m或更少。薄生长层确定随后沉积的II1-N层的晶格并且支撑衬底限制在II1-N外延之后的冷却下来期间的应力问题。在一些实施例中，支撑衬底上的生长层可以按有利于随后的II1-N外延和/或减小应力的方式被结构化。 图1A到IC图示了根据实施例的制造过程的不同阶段期间半导体晶片结构的对应截面图。根据这个实施例，使用任何适合的已知接合过程如图1A中示出的那样把Si衬底100接合到支撑衬底102。Si衬底100具有背向支撑衬底102的(111)生长表面101 (或其它定向)，并且衬底100、102具有不同的CTE。使用任何适合的已知减薄过程(诸如湿化学刻蚀、CMP (化学机械抛光)等)如图1B中示出的那样在(111)生长表面101处把Si衬底100减薄至Ij 100 μ m或更小(例如10 μ m或更小)的厚度(Tthin)。在减薄Si衬底100上II1-N材料随后的形成期间发生的热膨胀以支撑衬底102而不是以Si衬底100为主，因为Si衬底100比支撑衬底102显著地薄(并且因此具有更小的体积)。这继而减小II1-N材料破裂的可能性，因为支撑衬底102被选择使得支撑衬底102的CTE较好地匹配II1-N材料的CTE，或至少比减薄的Si衬底100更接近地匹配II1-N材料。 在Si衬底100被减薄之后，使用任何适合的已知过程(诸如M0CVD)如图1C中示出的那样在减薄的Si衬底100的(111)生长表面101上形成II1-N材料104 (诸如GaN、AIN、InN等)。II1-N材料104在随后的冷却期间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造III‑N衬底的方法，所述方法包括：把Si衬底接合到支撑衬底，所述Si衬底具有背向所述支撑衬底的（111）生长表面；在所述（111）生长表面把所述Si衬底减薄到100μm或更小的厚度；以及在所述Si衬底被减薄之后在所述Si衬底的所述（111）生长表面上形成III‑N材料，其中所述支撑衬底具有比所述Si衬底更接近地匹配所述III‑N材料的热膨胀系数的热膨胀系数。

【技术特征摘要】
2013.03.25 US 13/8498641.一种制造II1-N衬底的方法，所述方法包括: 把Si衬底接合到支撑衬底，所述Si衬底具有背向所述支撑衬底的(111)生长表面； 在所述(111)生长表面把所述Si衬底减薄到10ym或更小的厚度；以及 在所述Si衬底被减薄之后在所述Si衬底的所述(111)生长表面上形成II1-N材料， 其中所述支撑衬底具有比所述Si衬底更接近地匹配所述II1-N材料的热膨胀系数的热膨胀系数。2.根据权利要求1的方法，进一步包括:在所述Si衬底中在所述衬底的背向所述(111)生长表面的接合表面处形成多个沟槽，其中在形成所述沟槽之后所述Si衬底在所述接合表面处被接合到所述支撑衬底。3.根据权利要求2的方法，进一步包括:在所述Si衬底在所述接合表面处被接合到所述支撑衬底之前用材料至少部分地填充所述沟槽。4.根据权利要求3的方法，其中至少部分地填充所述沟槽的所述材料是介电材料，所述介电材料还覆盖所述Si衬底的所述接合表面，并且其中所述支撑衬底被接合到覆盖所述Si衬底的所述接合表面的所述介电材料。5.根据权利要求3的方法，其中对所述Si衬底的所述减薄使所述沟槽暴露在所述(111)生长表面处，使得所述Si衬底被分离成Si材料岛。6.根据权利要求3的方法， 进一步包括:从所述Si衬底的所述接合表面去除所述材料，其中在所述材料从所述接合表面被去除之后，所述支撑衬底被接合到所述Si衬底的所述接合表面。7.根据权利要求6的方法，进一步包括:在所述材料从所述接合表面被去除之后在所述Si衬底的所述接合表面上形成附加Si，使得所述沟槽中的所述材料在所有侧面被Si包围，其中在所述附加Si被沉积在所述Si衬底的所述接合表面上之后所述支撑衬底被接合到所述Si衬底，使得所述支撑衬底与所述沟槽中的所述材料通过所述附加Si分离。8.根据权利要求7的方法，其中对所述Si衬底的所述减薄使所述沟槽暴露在所述(111)生长表面处。9.根据权利要求2的方法，其中所述沟槽比所述沟槽之间的所述Si材料宽。10.根据权利要求9的方法，进一步包括:用介电材料填充所述沟槽，其中所述II1-N材料通过外延横向过生长过程来形成，并且由所述外延横向过生长过程产生的所述II1-N材料中的大多数滑移线设置在Si而不是所述沟槽上方。11.根据权利要求3的方法，其中所述沟槽用至少两种不同的材料填充。12.根据权利要求11的方法,其中所述沟槽的内部用导电材料填充,并且包围所述内部的所述沟槽的外部用电绝缘材料填充。13.根据权利要求3的方法，其中所述材料通过衬里所述沟槽的侧壁和顶部来部分填充所述沟槽，使得所述沟槽被封闭并且所述沟槽的内部用气体填充。14.根据权利要求2的方法，其中当所述II1-N材料开始在所述(111)生长表面上形成时所述沟槽在所述Si衬底的所述(111)生长表面处是开口的。15.根据权利要求1的方法，其中所述II1-N材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：MH韦莱迈尔，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT