一种包括提供在其表面上具有缓冲层的单晶衬底的方法。所述缓冲层提供所述衬底的晶体晶格结构与所述半导体层的晶体晶格结构之间的过渡，并且所述缓冲层的电阻率通过使用离子注入将掺杂剂注入到所述缓冲层中而增大；以及在经过离子注入的所述缓冲层上形成半导体层。所述半导体层可以是具有形成于其中的高电子迁移率晶体管的宽带隙半导体层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用离子注入的高电阻率氮化物缓冲层的半导体材料生长
本公开大体上涉及具有III族氮化物缓冲层的方法和结构，更具体地涉及具有高电阻率III族氮化物缓冲层的方法和结构。
技术介绍
如本领域所知，III族氮化物被用于许多半导体器件中。III族氮化物是包括氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)及其所有相关合金(包括Inx(AlyGa1-y)1-xN(其中0≤x≤1且0≤y≤1)和Bz(Inx(AlyGa1-y)1-x)1-zN(其中0≤x≤1且0≤y≤1且0≤z≤1))的材料族系。电子器件通常使用III族氮化物材料来利用当两种不同的III族氮化物材料被外延结合在一起时发生的极化不匹配以在产生的异质结处产生电活性载流子。同样如本领域所知，在许多应用中，这些III族氮化物生长在诸如碳化硅(SiC)、硅(Si)或蓝宝石(Al2O3)衬底的单晶衬底的顶部。由于衬底的晶体晶格结构与III族氮化物的晶体晶格结构之间的晶体晶格结构不匹配，因此在III族氮化物的外延生长期间形成失配位错，以减小外延层中的应变并允许III族氮化物的面内晶格参数向其体晶格结构弛豫。对于电气应用而言，在有源器件区域生长之前，通常在衬底上生长厚度超过1微米的由一种或多种III族氮化物材料组成的缓冲层，以允许该材料在生长过程中弛豫并尽可能多地减少缺陷。缓冲层是在衬底和晶体半导体器件层之间生长的过渡层，其最小化源自衬底界面处的失配位错到晶体半导体器件层中的晶体缺陷的传播。由于晶格不匹配导致的缓冲层中的位错的减少对于随后由晶体半导体器件层制造的晶体管的性能和可靠性都是至关重要的。如本领域所知，在许多应用中，晶体半导体器件层由宽带隙半导体材料构成。宽带隙指的是当电子在两个级之间切换时产生半导体作用的能级差。例如，硅和其他常见的非宽带隙材料具有大约0.5至1.5eV(电子伏特)的带隙，而宽带隙材料反之通常具有大约2至6.2eV的带隙。宽带隙III族氮化物半导体材料的示例包括氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铟铝(InAlN)。同样，由于衬底和宽带隙半导体材料之间的晶体晶格结构不匹配，缓冲层用于在两种晶格结构之间过渡。缓冲层可以包括一层或多层材料，并且可以包括生长在诸如SiC、Si或蓝宝石的衬底的顶部的诸如氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟铝(InAlN)或氮化铟镓(InGaN)的层。在要在其上生长这些宽带隙材料的表面处的晶格匹配缓冲层的晶体质量对于利用这些宽带隙材料构建的电路和器件的性能和可靠性都是至关重要的。衬底和宽带隙材料之间的晶格不匹配导致晶体缺陷。缓冲材料作为过渡层在衬底和宽带隙材料之间生长，这最小化了晶体缺陷传播到用于诸如晶体管和二极管的待构建的有源电子元件的宽带隙材料中。缓冲层中的缺陷还可能产生在许多应用中不期望的电活性载流子。因此，生长防止晶体缺陷传播到有源宽带隙材料层中并且具有高电阻率的缓冲层是至关重要的。同样如本领域所知，如果缓冲层在晶体管的操作期间不具有足够高的电阻率，则劣质缓冲层会提供进入宽带隙半导体的泄露电流路径。更具体地，除了降低缺陷密度之外，如上所述，缓冲层还需要具有高电阻率，以用于包括用于射频(RF)应用的晶体管的许多应用。如上所述，如果缓冲层在诸如晶体管的电子器件的操作期间没有足够高的电阻率，则缓冲层会提供超出晶体半导体器件层的泄露电流路径。已经尝试例如通过在缓冲层的外延生长期间将诸如Fe(铁)、Be(铍)和C(碳)的杂质掺杂剂引入缓冲层中以提供具有足够大的电阻率的缓冲层。这些杂质能够降低缓冲层的导电性，但是它们还会通过降低晶体半导体器件层中的载流子浓度或通过器件操作期间的不希望的电荷俘获来负面地影响由晶体半导体器件层制造的器件的电性能。可以通过产生外延晶体材料层的任意数量的技术(包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和化学束外延(CBE))来生长缓冲层和晶体半导体层。使用MBE、MOCVD或CBE所需的生长条件(诸如衬底温度、缓冲层组成、缓冲层厚度和杂质掺杂水平)对于生长可再现的高质量缓冲层材料是至关重要的。
技术实现思路
根据本公开，提供了一种方法，所述方法包括：提供在其表面上具有缓冲层的单晶衬底，所述缓冲层具有一定的电阻率；增大所述缓冲层的所述一定的电阻率，其包括通过离子注入将掺杂剂注入到所述缓冲层中；在经过离子注入的所述缓冲层上形成半导体层。在一个实施例中，所述半导体层为宽带隙半导体层。在一个实施例中，所述衬底具有晶体晶格结构，并且所述半导体层具有晶体晶格结构，所述缓冲层提供所述衬底的晶体晶格结构与所述半导体层的晶体晶格结构之间的匹配。在一个实施例中，在所述离子注入之前在所述缓冲层上形成离子注入保护层，并且掺杂剂的离子注入将所述掺杂剂穿过所述注入保护层注入到所述缓冲层中。在一个实施例中，在所述离子注入之后去除所述离子注入保护层，并且在暴露的所述缓冲层上形成所述半导体层。在一个实施例中，所述缓冲层是III族氮化物。在一个实施例中，所述半导体层为宽带隙半导体层。在一个实施例中，在宽带隙半导体材料中形成高电子迁移率晶体管。在一个实施例中，提供了一种半导体结构，所述半导体结构包括：单晶衬底；在所述衬底的表面上的缓冲层，所述缓冲层在其中具有离子注入的电阻掺杂剂；布置在经过离子注入的所述缓冲层上的半导体层。利用这种方法，可以通过使用离子注入将缓冲层转变为高电阻率材料。这对于在构建于宽带隙材料上的晶体管的操作期间最小化穿过缓冲材料的任何泄漏电流特别有用。虽然离子注入技术目前被用于隔离有源区域(该有源区域被形成以用于构建有源晶体管)并且被用于防止因为经过离子注入的区域的电阻变高而导致的有源晶体管之间的串扰，但专利技术人已经认识到在晶体管下方的缓冲层上使用离子注入是有效的并且提供了将缓冲层转变成高电阻的晶格匹配层的有利方法。专利技术人已经认识到，通过离子注入可以显著提高III族氮化物的电阻率，而不会显著改变III族氮化物的晶体结构，从而允许单晶半导体层在电绝缘的经过离子注入的III族氮化物材料的表面上外延生长。本文公开的方法在产生缓冲层时提供了额外的容差，因为无论缓冲层是否具有高缺陷密度(例如失配位错，该失配位错在没有离子注入的情况下是导电的，而该导电是不被希望的)，离子注入都将缓冲层材料转变成高电阻材料。虽然离子注入可能损伤缓冲层的表面下方的缓冲层材料，但缓冲层的顶表面具有充分的原子排序，使其能够被用于随后的外延生长。因此，可以在缓冲层的顶部生长诸如AlN、GaN、AlGaN、InAlN或InGaN的外延单晶III族氮化物膜。利用这种方法，以相对简单的、可再现的工艺形成掺杂缓冲层从而产生高电阻率缓冲层，因为离子注入将缓冲层材料转变成高电阻材料，而不管缓冲层材料的质量如何。在以下附图和说明书中阐述了本公开的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本公开的其他特征、目的和优点将是显而易见的。附图说明图1A-1E是根据本公开的结构在其制造过程的各个阶段中的示意性横截面概略图，该结构具有在衬底上的半导体材料，其中在半导体材料和衬底之间布置有缓冲层，以将衬底的晶体晶格结构过渡为半导体层的晶体晶格本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于形成半导体结构的方法，所述方法包括：提供在其表面上具有缓冲层的单晶衬底，所述缓冲层具有一定的电阻率；增大所述缓冲层的所述一定的电阻率，其包括通过离子注入将掺杂剂注入到所述缓冲层中；以及在经过离子注入的所述缓冲层上形成半导体层。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.18 US 62/376,7221.一种用于形成半导体结构的方法，所述方法包括：提供在其表面上具有缓冲层的单晶衬底，所述缓冲层具有一定的电阻率；增大所述缓冲层的所述一定的电阻率，其包括通过离子注入将掺杂剂注入到所述缓冲层中；以及在经过离子注入的所述缓冲层上形成半导体层。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述半导体层为宽带隙半导体层。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述衬底具有晶体晶格结构，并且所述半导体层具有晶体晶格结构，其中所述缓冲层提供所述衬底的晶体晶格结构与所述半导体层的晶体晶格结构之间的匹配。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述半导体层形成在经过离子注入的所述缓冲层的表面上，并且其中所述半导体层与经过离子注入的所述缓冲层的所述表面具有相同的面内晶格结构。5.如权利要求1所述的方法，其中，在所述离子注入之前在所述缓冲层上形成离子注入保护层；并且其中掺杂剂的离子注入将所述掺杂剂穿过所述注入保护层注入到所述缓冲层中。6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述离子注入之后去除所述离子注入保护层并且在暴露的所述缓冲层上形成所述半导体层。7.如权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲层为III族氮化物。8.如权利要求7所述的方法，其中，所述半导体层为宽带隙半导体层。9.如权利要求7所述的方法，其中，所述衬底具有晶体晶格结构，并且所述半导体层具有晶体晶格结构，其中所述缓冲层提供所述衬底的晶体晶格结构与所述半导体层的晶体晶格结构之间的匹配。1...
【专利技术属性】
技术研发人员：K·黄，B·D·舒尔茨，A·克尔，
申请(专利权)人：雷声公司，
类型：发明
国别省市：美国,US
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