在硅衬底上形成GaN层的方法以及GaN衬底技术

本发明专利技术涉及在硅衬底上形成GaN层的方法以及GaN衬底。所述在硅衬底上形成GaN层的方法包括：在硅晶圆和位于该硅晶圆表面上的Al2O3膜之间形成一个非晶AlSiO膜；以及在所述Al2O3膜上方沉积多个层压层，其中每个层压层都包括位于AlN层上方的GaN层。所述GaN衬底包括：一个硅衬底，具有沿着<111>晶体取向的顶部表面和底部表面；一个Al2O3膜，在所述硅衬底的顶部表面的上方，其中所述Al2O3膜是晶体；一个非晶膜，在所述硅衬底的顶部表面和所述Al2O3膜之间；以及多个层压层，在所述Al2O3膜上方，其中每个层压层都包括位于AlN膜上方的GaN膜。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2012年12月6日、申请号为201210520205.3、名称为“硅上的高质量GaN高压HFET”的专利技术专利申请的分案申请。
本公开内容总体涉及氮化镓(GaN)衬底，更具体地，本公开内容涉及一种用于在硅上制备GaN衬底的方法。
技术介绍
宽带隙半导体广泛用于制备针对高压应用的有源器件。一种称为异质结场效应晶体管(HFET)(也被称作高电子迁移率晶体管(HEMT))的半导体结构类型使用宽带隙半导体来实施用于高性能功率电子器件(power electronics)的晶体管。在一个实施例中，宽带隙HFET器件可被用作高压开关功率转换器中的开关元件。GaN是已经得到特别关注的宽带隙半导体的一个实施例。例如，AlGaN/GaN HFET由于其较宽的带隙和高的电子饱和速度(这二者都使得能够实现高压操作)而显示出功率电子器件的前景。然而，形成GaN衬底时的困难和成本限制了将基于GaN的器件应用到特定市场。由于制造大量GaN晶圆(wafer)的成本和困难，通常通过在另一个衬底上生长GaN膜来制造GaN衬底。例如，碳化硅(SiC)或蓝宝石(Al2O3)晶圆可用作GaN衬底的操作晶圆(handle wafer)(即GaN膜沉积在操作晶圆上方)。然而，蓝宝石是一种不良的热导体，在封装期间表现出困难，而SiC晶圆也非常昂贵。此外，两种类型的晶圆都仅能用作小直径晶圆，这省去了较大直径所能提供的规模经济。形成GaN衬底的另一个选择是使用硅操作晶圆，硅操作晶圆是廉价的，并能够提供大直径。此外，已经很好地开发了针对硅晶圆的封装所需要的后端磨削和抛光。然而，由于GaN和硅之间的大的晶格失配和大的热失配，难于直接在硅(Si)衬底上可靠地生长GaN。而是，硅上无裂纹GaN的外延生长可能需要扩展(extensive)缓冲层，该缓冲层被建造以使得在生长期间以及生长之后的弯曲和翘曲最小化。此外，高压应用(例如600V以上)可能要求超过2.5μm甚至高达4μm(例如对于1000V的应用)的缓冲层。附图说明从下文结合附图呈现的更具体的描述，将会更明了本专利技术的多个实施方案的各个方面、特征和优势。本专利技术的非限制及非穷举性的实施方案通过参考下列附图进行描述，其中在各个视图中，相似的附图标记表示相似的部件，除非另有说明。图1示出了根据本专利技术的一个实施方案的在制备GaN衬底中使用的沿着<111>晶体取向具有暴露表面的示例性硅晶圆。图2示出了根据本专利技术的一个实施方案的处于制备GaN衬底的一个阶段时的衬底，其中在该阶段晶体氧化铝Al2O3膜在晶圆的顶部表面上。图3示出了根据本专利技术的一个实施方案的处于制备GaN衬底的另一个阶段时的衬底，其中在该阶段非晶膜(amorphous film)在Al2O3膜下方。图4示出了根据本专利技术的一个实施方案的处于制备GaN衬底的又一个阶段时的衬底，该阶段是在已经于AlN膜的顶部上生长GaN膜之后。图5示出了根据本专利技术的一个实施方案的处于制备GaN衬底的又一个阶段时的衬底，该阶段是在已经生长多个交错的GaN膜层和AlN膜层从而形成适于HFET成型的表面之后。图6是根据本专利技术的一个实施方案的制备可适于形成晶体管和其他器件的GaN衬底的一个示例性工艺的流程图。具体实施方式在下文的描述中陈述了多个特定细节，以提供对本专利技术的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员而言明了的是，不必使用特定细节来实践本专利技术。在其他实例中，为避免模糊本专利技术，没有详细描述众所周知的材料或方法。贯穿本申请文件所参引的“一个实施方案”、“一实施方案”、“一个实施例”或“一实施例”意指，关于所述实施方案或实施例所描述的具体特征、结构或特性包含在本专利技术的至少一个实施方案中。因此，在整个申请文件的不同地方出现的措词“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”未必都指的是相同的实施方案或实施例。而且，所述具体的特征、结构或特性可以任何合适的组合和/或子组合被结合在一个或多个实施方案或实施例中。具体的特征、结构或特性可包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路、或者提供所描述功能的其他合适的部件中。此外，应理解此处提供的附图是用于对本领域普通技术人员进行解释的目的，并且附图未必按比例画出。图1-5示出了图6所示出的示例性工艺的各个阶段时的GaN衬底，图6示出的示例性工艺用于形成可适于在制备晶体管(例如HFET)中使用的GaN衬底。流程图600(图6)的方框在下文参照图1-5以及多个示例性加工操作和步骤进行解释。图1-5中示出的衬底和结构的特征、形状和比例不对权利要求构成限制。此外，应理解，下文的解释是针对一个实施例，不对权利要求构成限制。如图1示出的，该图描绘了制备GaN衬底的初始阶段，晶圆100包括顶部表面104和底部表面102。在图1中示出的实施例中，晶圆100是<111>硅晶圆。在该实施例中，晶圆100是<111>硅晶圆，因为顶部表面104和底部表面102暴露了形成晶圆的晶体硅的<111>晶体取向。如下文描述的，晶圆100可用作操作晶圆，以生长GaN膜(未示出)。例如，可在晶圆100的顶部表面104或者一个中间层上方生长GaN膜(未示出)。晶圆100可以是典型的厚度，例如在500μm到1000μm之间，但是也可使用其他厚度。现参考图2，该图示出了在制备GaN衬底期间一个阶段之后的衬底200，氧化铝(Al2O3)膜202与晶圆100的顶部表面104交界(interface)。在一个实施例中，Al2O3膜202提供了一个类似于蓝宝石衬底的表面的表面，这可允许再利用针对蓝宝石衬底所开发的工艺。此外，Al2O3膜202还可作为用于生长随后的膜的种子层(seed layer)。例如，Al2O3膜202可以是用于随后的氮化铝(AlN)膜的种子层。在另一个实施例中，Al2O3膜202可具有c-轴线取向，该取向匹配硅晶圆的<111>表面(都是六边形)。晶体Al2O3膜202可以是5nm到50nm。在一个实施例中，晶体Al2O3膜202是约5nm。如进一步示出的，图2示出了在晶圆100的顶部表面104(图1)上方生长晶体Al2O3膜202之后的晶圆100。在一个实施例中，使用分子束外延(MBE)工具和MBE工艺来生长Al2O3膜202，使得Al2O3膜202直接在晶圆100的表面上。具体地，MBE允许在低温时沉积，这可防止硅的氧化。在沉积Al2O3膜202时较高的真空度还可帮助防止硅氧化。其他的工具和工艺——例如化学气相沉积(CVD)工艺和工具——还可用于形成Al2O3膜202(在Al2O3膜202与晶圆100的硅表面之间具有或者不具有干涉层)。在一个实施例中，由于Al2O3膜202和晶圆100之间的晶格失配，晶圆100可在Al2O3膜202上施加张应力(tensile stress)。Al2O3膜202中形成的位错(dislocation)可缓和初始张应力，并减少翘曲。如下文将讨论的，可在Al2O3膜202的顶部上生长额外的GaN膜层，这可允许在Al2O3膜202上施加压缩应力，并有助于减轻初始张应力，限制晶圆100中的翘曲。在一个实施例中，晶体Al2O3膜202可直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
在硅衬底上形成GaN层的方法，该方法包括：在硅晶圆和位于该硅晶圆表面上的Al2O3膜之间形成一个非晶AlSiO膜；以及在所述Al2O3膜上方沉积多个层压层，其中每个层压层都包括位于AlN层上方的GaN层。

【技术特征摘要】
2011.12.09 US 13/316,3051.在硅衬底上形成GaN层的方法，该方法包括：在硅晶圆和位于该硅晶圆表面上的Al2O3膜之间形成一个非晶AlSiO膜；以及在所述Al2O3膜上方沉积多个层压层，其中每个层压层都包括位于AlN层上方的GaN层。2.根据权利要求1所述的方法，其中形成一个非晶膜包括在600℃以上加热所述硅晶圆。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：在一个硅晶圆的顶部表面上的Al2O3膜中形成孔隙，其中，所述硅晶圆的顶部表面沿着<111>硅晶体取向，且其中所述孔隙被AlN和GaN填充。4.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述孔隙包括沿着所述孔隙的底部暴露所述非晶膜的一部分。5.根据权利要求4所述的方法，其中形成所述孔隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·拉姆德尼，J·P·爱德华兹，L·刘，
申请(专利权)人：电力集成公司，
类型：发明
国别省市：美国;US