用于半导体器件的缺陷减轻结构制造技术

本发明专利技术提供了一种并入缺陷减轻结构(102)的方法和半导体器件(100)。半导体器件(100)包括衬底(101)、缺陷减轻结构(102)，包括放置在衬底上的掺杂或非掺杂的IV族合金层的组合以及金属和非金属的氮化物，以及器件有源层(103)，放置在缺陷减轻结构(102)上。通过沉淀一个或多个缺陷减轻层来制造缺陷减轻结构(102)，缺陷减轻层包括：放置在衬底(100)上的衬底成核层(102a)、放置在衬底成核层(102a)上的衬底中间层(102b)、放置在衬底中间层(102b)上的衬底顶层(102c)、放置在衬底顶层(102c)上的器件成核层(102d)、放置在器件成核层(102d)上的器件中间层(102e)、以及放置在器件中间层(102e)上的器件顶层(102f)。衬底中间层(102b)和器件中间层(102e)包括其沿着厚度坐标分布的成分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于半导体器件的缺陷减轻结构
本国际申请要求于2011年6月30日提交的题为“DefectMitigationStructuresforSemiconductorDevices”的美国专利申请No.13/172,880的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
技术介绍
如今制造的大多数半导体器件(包括光电器件，例如发光器件、固态激光器、功率电子器件、以及集成了光学器件和电子器件的片上微型系统)都是使用化合物半导体制造的，其中，化合物半导体包括例如：氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、以及有关的材料。在此类制造中使用的有关材料包括例如：氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)、镁掺杂的GaN、硅掺杂的GaN、InAlGaN合金、砷化铟镓(InGaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、InAlGaAs合金、磷化铝铟(AlInP)、磷化铝镓铟(AlInGaP)等。由于缺乏低廉高品质的相同材料的单晶体衬底(例如，体GaN衬底)，因此这些器件中的绝大多数使用不同材料(例如，蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、和硅(Si))的体衬底。然而，器件与不同衬底材料之间的晶体属性、热属性和化学属性的差异通常导致器件膜的高缺陷密度，这最终损害了半导体器件的性能。这些缺陷通常具有例如以下形式：错位、空位、替位、双晶面、空隙、与应力有关的三维(3D)生长岛状物(growthisland)、以及由于应力松弛引起的过大的表面粗糙度。已经在硅衬底的(111)平面上生长了例如以C轴为方向的外延GaN器件膜。如本文所使用的，(111)平面是指具有在结晶学中的Miller索引表示系统中用来对晶格中的平面进行定向的索引(111)的平面。在由三个垂直的晶格轴定义的硅的立体晶格中，该平面在每一个晶格轴上截断一个单元，也即是说，该平面是由晶格的三个对角点形成的。然而，由于晶格参数和热膨胀系数(CTE)的高度不匹配以及由于镓与硅之间的化学反应，因此在沉淀GaN之前通常需要硅上的氮化铝(AlN)成核膜。甚至在具有AlN成核膜的情况下，GaN膜仍然可能具有高达109/cm2的缺陷数。该较高的缺陷数是阻止将硅广泛地用作III族氮化物半导体器件的衬底的关键问题之一。采用硅衬底将通过利用传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造技术和供应链加速电子器件和光子器件的集成。因此，需要克服硅或硅基衬底上的III族氮化物膜的缺陷问题。因此，存在针对并入用于克服与硅基衬底上的III族氮化物器件有关的缺陷问题的缺陷减轻结构的方法和半导体器件的长期但未解决的需要。
技术实现思路
提供本部分从而以简化的形式引入对构思的选择，在本专利技术的具体实施方式中进一步描述了该构思。本部分并不旨在标识要求保护的主题的关键或本质的专利技术构思，也并不旨在确定要求保护的主题的范围。这里公开的方法和半导体器件解决了上文陈述的对并入克服与沉积在硅基衬底上的III族氮化物器件有关的缺陷问题的缺陷减轻结构的需要。如这里所使用的，术语“缺陷减轻结构”是指提供材料属性从衬底到器件层的过渡、提供用于钉扎由于该过渡产生的缺陷的物理位置、以及提供用于防止缺陷从衬底传播到器件层的势垒的半导体层。这里公开的半导体器件包括用于构造例如全发光器件膜堆叠或功率电子器件膜堆叠的各种层。这里公开的半导体器件包括：衬底；缺陷减轻结构，其包括放置在衬底上的掺杂的或非掺杂的IV族合金的层的组合以及具有六边形对称的金属氮化物层；以及放置在缺陷减轻结构上的器件有源层。衬底例如是偏轴的硅基衬底，并且可以具有与硅(Si)一起形成合金的掺杂剂或其它元素。在一个示例中，衬底是单晶硅基衬底。在其它示例中，衬底包括掺杂硅、非掺杂硅、硅的衍生物、以及具有化学分子式Si1-xGexCy的IV族合金，其中，0≤x≤1且0≤y≤1。IV族合金的典型示例包括Si0.95Ge0.05、碳化硅(SiC)、Si0.95Ge0.05C0.01等。在一个实施例中，对于GaN基器件中的应用，衬底是以<111>为方向的。此外，为了辅助二维(2D)生长机制并且为了避免后续膜的三维(3D)岛状物型生长机制，所提出的衬底的宏观定向误差角例如大于约0°小于约10°，或者从约1°到约5°。这确保了低宏观缺陷，例如，膜上的岛状物的数量以及例如小于约10nm的表面粗糙度。衬底具有小于10nm的粗糙度，并且其特征在于在与衬底成核层的接合区域处的晶体对称。器件有源层包括III族氮化物材料层，例如，氮化镓(GaN)基材料层。这里公开的方法和半导体器件还包括在硅基衬底的顶部生长的用于捕捉缺陷的外延膜。可以例如通过化学气相沉积(CVD)或者类似的工艺以范围从例如约350℃到约1100℃的温度生长构成缺陷减轻结构的这些外延膜。在一个实施例中，缺陷减轻结构包括具有不同成分、厚度、物理属性和化学属性的子层结构，这些子层结构形成了具有缺陷容纳功能的整个实体。例如，缺陷减轻结构包括一个或多个缺陷减轻层，其包括：放置在衬底上的衬底成核层、放置在衬底成核层上的衬底中间层、放置在衬底中间层上的衬底顶层、放置在衬底顶层上的器件成核层、放置在器件成核层上的器件中间层、以及放置在器件中间层上的器件顶层。在一个示例中，这些缺陷减轻层可以是包括形式为Si1-xGexCy的掺杂或非掺杂IV族合金的层的组合，其中，0≤x≤1且0≤y≤1。在另一示例中，缺陷减轻层还包括掺杂或非掺杂的金属氮化物、非金属氮化物、III族氮化物和这些材料的衍生物。此外，缺陷减轻层被生长使得在具有不同合金成分的层中捕捉由于材料不匹配产生的缺陷，以使生长在具有不同合金成分的层上的具有恒定的合金成分的层具有低缺陷密度。衬底中间层的成分沿着厚度坐标分布。在一个实施例中，衬底中间层的成分的分布基于衬底中间层的成分中单个成分的分布。衬底中间层中单个成分的分布包括任意数量的具有无关联的厚度的可变成分区域和恒定成分区域。此外，衬底中间层的可变成分区域中的每一个中单个成分的分布急剧地、加速地、匀速地或减速地改变。在另一实施例中，衬底中间层的成分的分布基于衬底中间层的成分中多于一个成分的分布。衬底中间层中成分的分布包括任意数量和位置的具有无关联的厚度的可变成分区域和恒定成分区域。此外，衬底中间层的可变成分区域中的每一个中成分的分布急剧地、加速地、匀速地或减速地改变。器件中间层按成分沿着厚度坐标分布。在一个实施例中，器件中间层的成分的分布基于器件中间层的成分中单个成分的分布。器件中间层中单个成分的分布包括任意数量的具有无关联的厚度的可变成分区域和恒定成分区域。此外，器件中间层的可变成分区域中的每一个中单个成分的分布急剧地、加速地、匀速地或减速地改变。在另一实施例中，器件中间层的成分的分布基于器件中间层的成分中多于一个成分的分布。器件中间层中成分的分布包括任意数量和位置的具有无关联的厚度的可变成分区域和恒定成分区域。此外，器件中间层的可变成分区域中的每一个中成分的分布急剧地、加速地、匀速地或减速地改变。衬底中间层包括例如具有化学分子式Si1-xGexCy的IV族合金，其中，0≤x≤1且0≤y≤1。器件成核层由例如金属或非金属氮化物和合金构成，具有晶格六方对称或在其平面之一上具有六边形对称。器件成核层包括例如氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件(100)，包括：衬底(101)；缺陷减轻结构(102)，放置在所述衬底(101)上；以及器件有源层(103)，放置在所述缺陷减轻结构(102)上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.30 US 13/172,8801.一种半导体器件，包括：衬底；缺陷减轻结构，放置在所述衬底上，其中，所述缺陷减轻结构包括：衬底成核层，放置在所述衬底上；衬底中间层，放置在所述衬底成核层上；衬底顶层，放置在所述衬底中间层上；器件成核层，放置在所述衬底顶层上，所述器件成核层包括Ge3N4和(Si1-xGex)3N4之一；器件中间层，放置在所述器件成核层上，其中，所述器件中间层的热膨胀系数与所述器件成核层的热膨胀系数不同，并且所述器件中间层的晶格参数与所述器件成核层的晶格参数类似；以及器件顶层，放置在所述器件中间层上；以及器件有源层，放置在所述缺陷减轻结构上。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底包括以下各项之一：掺杂硅、非掺杂硅、硅的衍生物、或者具有化学分子式Si1-xGexCy的IV族合金，其中，0＜x≤1且0＜y≤1。3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底是以<111>为方向的，并且所述衬底的宏观定向误差角是0°至10°。4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底是以<111>为方向的，并且所述衬底的宏观定向误差角是1°至5°。5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：所述衬底中间层包括衬底中间层的成分沿着厚度坐标的分布，并且所述衬底中间层的成分的分布基于以下分布之一：所述衬底中间层的成分中单个成分的分布或者所述衬底中间层的成分中多于一个成分的分布；并且所述器件中间层包括器件中间层的成分沿着厚度坐标的分布，并且所述器件中间层的成分的分布基于以下分布之一：所述器件中间层的成分中单个成分的分布或者所述器件中间层的成分中多于一个成分的分布。6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述衬底中间层中单个成分的分布包括任意数量的具有无关联的厚度的可变成分区域和恒定成分区域，并且所述可变成分区域中的每一个中单个成分的分布以以下方式之一改变：急剧、加速、匀速、或者减速。7.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述衬底中间层中多于一个成分的分布包括任意数量和位置的具有无关联的厚度的可变成分区域和恒定成分区域，并且所述可变成分区域中的每一个中多于一个成分的分布以以下方式之一改变：急剧、加速、匀速、或者减速。8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述器件中间层包括以下各项中的一项或多项：氮化铝AlN、氮化钛TiN、氮化铝铟AlInN、氮化铝镓AlGaN、AlInGaN、Si-AlN、Si-AlInN、Si-GaN、Si-AlGaN、Si-AlInGaN、Mg-AlN、Mg-AlInN、Mg-GaN、Mg-AlGaN、Mg-AlInGaN、Ge-AlN、Ge-AlInN、Ge-GaN、Ge-AlGaN、Ge-AlInGaN、或者其衍生物。9.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述器件中间层中单个成分的分布包括任意数量的具有无关联的厚度的可变成分区域和恒定成分区域，并且所述可变成分区域中的每一个中单个成分的分布以以下方式之一改变：急剧、加速、匀速、或者减速。10.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述器件中间层中多于一个成分的分布包括任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：祖宾·P·帕特尔，特蕾西·海伦·冯，唐劲松，鲁威，阿伦·拉马莫西，
申请(专利权)人：皮肯特研究有限责任公司，
类型：
国别省市：