多层基底结构以及制造其的方法和系统技术方案

一种多层基底结构，其包括基底、形成于基底上的热匹配层以及在热匹配层之上的晶格匹配层。热匹配层包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝-氮氧化物、硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物中的至少一个。晶格匹配层包括第一化学元素和第二化学元素以形成合金。第一化学元素和第二化学元素具有类似的晶体结构和化学性质。热匹配层的热膨胀系数以及晶格匹配层的晶格参数均约定于第III-V族化合物半导体的成员的热膨胀系数和晶格参数。晶格匹配层的晶格常数约等于第III-V族化合物半导体的成员的晶格常数。晶格匹配层和热匹配层可利用横向控制遮板来沉积在基底上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 相关申请的夺叉引用 本申请要求2012年6月22日提交的临时申请第61/662,918号、2012年6月14 日提交的临时申请第61/659,944号，2013年3月11日提交的正式申请第13/794, 372号、 2013年3月11日提交的正式申请第13/794, 285号的优先权，其内容在此通过引用方式全 部并入。
本专利技术的示例的实施方式大体涉及半导体材料、方法和设备，且更具体地涉及用 于第III-V族化合物半导体的外延生长的多层基底结构以及用于制造其的系统。
技术介绍
第III-V族化合物半导体诸如氮化镓（GaN)、砷化镓（GaAs)、氮化铟（InN)、氮化铝 (AIN)和磷化镓（GaP)被广泛用于电子设备诸如微波频率集成电路、发光二极管、激光二极 管、太阳能电池、高功率和高频率电子产品以及光电设备的制造中。为了改善吞吐量并且降 低制造成本，期望增加基底的尺寸（如，直径）。由于大尺寸的III-V化合物半导体的生长 是非常昂贵的，因此许多外来物质，包括金属、金属氧化物、金属氮化物，以及半导体，诸如 碳化硅（SiC)、蓝宝石和硅，通常被用作用于III-V化合物半导体的外延生长的基底。 然而，由于晶格错配以及GaN层和下面的基底（外来物质）之间的热膨胀系数错 配，第III-V族化合物半导体（如，GaN)在基底（如，蓝宝石）上的外延生长对外延层的 结晶质量（如，晶界、错位和其他扩展缺陷，以及点缺陷）提出许多挑战。GaN层和下面的 基底之间的热膨胀系数的差异导致晶片间的大的曲率，在处理过程中或处理之后在返回室 温时产生，并且晶格常数的大的错配导致高的错位密度、不希望的应变以及传播到外延GaN 层中的缺陷。为了处理这些问题，应力弛豫策略被应用，诸如在GaN层和蓝宝石基底之间生 长缓冲层，或者通过改变适当的材料层来配衡压缩应变和拉伸应变。然而，通过增加缓冲层 或应力消除层，错位密度可能保持为高的，并且，由于涉及生长有源器件层（active device layer)的相同的沉积技术的使用，制造成本和复杂度显著增加。 当外来物质，包括金属、金属氧化物、金属氮化物，以及半导体，诸如碳化硅（SiC)、 蓝宝石和硅，被用作用于半导体的外延生长的基底时，半导体薄膜可利用分子束外延（MBE) 或金属有机化学气相沉积（MOCVD)技术被沉积在基底上，并且在一些情况下，利用原子层 沉积（ALD)或原子层外延（ALE)被沉积在基底上。然而，通过使用这些方法，不是全部原子、 离子或分子都有机会将自身组织为规则的布置，导致许多原子形成不希望的键合定向并且 显著地降低结晶质量以及消极地影响半导体材料的电子性能。结晶质量典型地以晶体大 小、晶粒大小、载流子寿命和扩散长度来描述。 虽然一些技术诸如区熔再结晶（ZMR)被设计为改善质量结晶材料，但是其可能遭 受如下的缺点：用于熔融被沉积的薄膜的一部分所产生的温度可能超过可由下面的基底处 理的最高温度。为了阻止下面的基底被加热至被沉积的薄膜的熔点，加热时间可以被缩短。 然而，缩短加热时间意味着在凝固时，晶体结构可能在垂直方向上生长，而不是在垂直方向 和横向方向这两个方向上同时生长。因此，外延生长可在垂直方向上而不是在横向方向上 被控制，导致沿着基底的小晶粒的面（patch)。
技术实现思路
根据本专利技术的一个示例性实施方式，多层基底结构包括基底、形成于基底上的热 匹配层、在热匹配层上面的晶格匹配层。热匹配层包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石 墨、铝-氮氧化物、硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物中的至少一个。晶格匹配层包括第一 化学元素和第二化学元素以形成合金。第一化学元素和第二化学元素具有类似的晶体结构 和化学性质。热匹配层的热膨胀系数约等于第III-V族化合物半导体的成员的热膨胀系 数。 根据本专利技术的一个示例性实施方式，制造多层基底结构的方法包括提供基底，在 基底上生长热匹配层。热匹配层包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝-氮氧化物、 硅、碳化硅、锌氧化物和稀土氧化物中的至少一个。该方法还包括在热匹配层的上面生长晶 格匹配层。晶格匹配层包括第一化学元素和第二化学元素以形成合金。第一化学元素和第 二化学元素具有类似的晶体结构和化学性质。热匹配层的热膨胀系数约等于第III-V族化 合物半导体的成员的热膨胀系数。 根据本专利技术的一个示例性实施方式，将薄膜沉积在基底上的方法包括利用视线沉 积法将原始材料从材料源引导到基底的表面上，用被布置在基底和原始材料之间的遮板阻 断基底的预定部分以产生被阻断的基底部分和未被阻断的基底部分以阻止原始材料沉积 在基底的初始的被阻断的部分上以及引起遮板和基底之间的相对移动，使得被阻断的基底 部分减少并且未被阻断的基底部分增加，由此产生移动的横向生长边界，导致在基底间的 横向外延生长。 根据本专利技术的一个示例性实施方式，将薄膜沉积在基底上的系统包括横向控制遮 板。横向控制遮板被布置在基底和原始材料之间并且被配置为阻断基底的一部分以阻止原 始材料沉积到基底的被阻断的部分上。横向控制遮板和/或基底中的一个相对于另一个移 动以形成移动的横向生长边界边缘，导致在基底间的横向外延沉积以及在具有大的晶粒尺 寸的基底表面间的结晶薄膜的形成。【附图说明】 因此已概括地描述了本专利技术的示例的实施方式，现在将参照附图，所述附图不必 按比例绘制，且其中： 图1A-1D阐释了根据示例性实施方式的示例性多层基底结构的示例的横截面图； 图2A阐释了六边的密堆结构的示意图； 图2B阐释了显示晶格常数的晶胞的示意图； 图3阐释了周期表； 图4阐释了根据示例性实施方式的转变温度和组成元素的原子百分数之间的相 图关系； 图5阐释了根据示例性实施方式的将薄膜沉积在基底上的示例的系统； 图6A-6C阐释了溅射沉积过程中汽化材料的示例性角分布；以及 图7A-7D阐释了根据本专利技术的示例性实施方式的在基底上生长大的扩展晶体的 示例的方法。【具体实施方式】 参照附图来更全面地描述各种实施方式。提供这些示例的实施方式以便本公开内 容将是彻底的且完全的，并且将全面地向具有本
学识的本说明书的读者表达专利技术 的范围。在上下文中，相同的数字是指相同的要素。 图IA阐释了根据示例性实施方式的示例性多层基底结构100的示例的横截面图。 多层基底结构100可包括基底102和在基底100上外延生长的外延层104。根据不同的 应用，基底102可包括半导体材料、化合物半导体材料，或其他类型的材料诸如金属或非金 属。例如，材料可包括钼、钼-铜、多铝红柱石、蓝宝石、石墨、铝-氮氧化物、硅、碳化硅、锌 氧化物和稀土氧化物，和/或其他合适的材料。 外延层104可包括第III-V族化合物半导体，诸如氮化铝（AIN)、氮化镓（GaN)、氮 化铟镓（InGaN)和氮化铟（InN)。如以上所描述的，在基底102和外延层104之间可存在晶 格常数错配。为了减少或消除由晶格常数错配造成的缺陷，外延层104在基底102上的生 长可使用具有在5nm-100nm的范围内的厚度的晶格匹配层106以适应（accommodate)基底 102和外延层104之间的晶格常数错配。晶格匹配层106可包括两个或更多个组成元素， 例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层基底结构，包括：第一化学元素，所述第一化学元素在室温下具有六边的密堆结构，所述六边的密堆结构在高于室温的α‑β相转变温度下转换成体心立方结构，所述第一化学元素的所述六边的密堆结构具有第一晶格参数；以及第二化学元素，所述第二化学元素在室温下具有六边的密堆结构且具有与所述第一化学元素类似的化学性质，所述第二化学元素的所述六边的密堆结构具有第二晶格参数；所述第二化学元素与所述第一化学元素可混溶以在室温下形成具有六边的密堆结构的合金，其中所述合金的晶格常数约等于第III‑V族化合物半导体的成员的晶格常数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：因德拉尼尔·德，F·马丘卡，
申请(专利权)人：帝维拉公司，
类型：发明
国别省市：美国;US