專利名稱：用于修正硅襯底的緩沖結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于修正用于隨后的目標(biāo)材料淀積的硅襯底的緩沖結(jié)構(gòu)、前身器件結(jié)構(gòu)和包括所述緩沖結(jié)構(gòu)的器件以及形成所述結(jié)構(gòu)和器件的方法。具體涉及適用于生長目標(biāo)材料的緩沖結(jié)構(gòu)，目標(biāo)材料例如是，III-V族半導(dǎo)體或Si上的鈣鈦礦氧化物，該緩沖結(jié)構(gòu)還特別應(yīng)用于氮化鎵材料。
氮化鎵材料是具有使其在很多微電子應(yīng)用中有用的許多吸引人的特性的半導(dǎo)體化合物。一般，它們需要在適合的襯底上作為單晶(外延)層生長，其中襯底影響外延生長機(jī)制。盡管希望在大的襯底上以大批量生長單晶層，但是用于異質(zhì)外延生長的合適的襯底很難確定。
藍(lán)寶石(Al2O3)、碳化硅和硅都已經(jīng)用作用于氮化鎵淀積的襯底，但是在襯底和目標(biāo)材料的各自特性中的差異能限制獲得的層的質(zhì)量。GaN具有與上述的襯底不同的熱膨脹系數(shù)，且因此，由于較厚的襯底層加于其上的束縛，一旦處理之后進(jìn)行冷卻，GaN層就有破裂的傾向。在氮化鎵層中的破裂嚴(yán)重地限制了它們的最終用途的應(yīng)用。
另一個(gè)問題在于，對于發(fā)生高質(zhì)量的外延生長，襯底和目標(biāo)材料的晶格參數(shù)必須相同或適當(dāng)?shù)亟咏?。襯底表面結(jié)構(gòu)和取向強(qiáng)烈影響獲得的目標(biāo)材料層，且如果沒有良好的晶格參數(shù)匹配，則將導(dǎo)致形成很多位錯(cuò)，并導(dǎo)致?lián)p失目標(biāo)材料結(jié)構(gòu)的精細(xì)控制。這種缺陷的形成不利地影響了獲得的單晶體的電學(xué)和/或光學(xué)特性，并再次限制最終用途的應(yīng)用。
已經(jīng)開發(fā)防止破裂形成和缺陷形成的現(xiàn)有技術(shù)，包括含有使用過渡或緩沖層。用于降低在異質(zhì)外延系統(tǒng)中的螺紋位錯(cuò)一個(gè)對策是使用非晶的或多晶的緩沖層。例如，在Motorola TFOS(Three Fives on Silicon)工藝中，在襯底上淀積粘附的單晶氧化膜。在達(dá)到該氧化物的“臨界厚度”之前(在該厚度處出現(xiàn)很多缺陷)，將至膜界面的該襯底轉(zhuǎn)變成非晶層，對于某些材料來講，該非晶層可吸收失配應(yīng)變并導(dǎo)致低位錯(cuò)密度。在應(yīng)變消除發(fā)生之前對粘附的氧化層的要求限制了這個(gè)接近+/-5-7％的在失配范圍之內(nèi)的層(在該失配處，臨界厚度降低到一個(gè)原子單層之下)。
也已經(jīng)示出使用具有分級的或步進(jìn)式的合成物的過渡或緩沖層可以用以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)。分級的或步進(jìn)式的層的作用是逐步引入應(yīng)變，并因此提供位錯(cuò)移動(dòng)的機(jī)會(huì)。反過來，通過延長每個(gè)失配位錯(cuò)的長度并促進(jìn)消除它們的螺紋段，這降低了穿過層表面的位錯(cuò)數(shù)量。使用過渡層以直接在硅上外延生長氮化鎵材料的現(xiàn)有技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用包括組成分級的GaN的Al和In的合金的層，但只獲得有限的成功。
由于對GaN和其他III-V族半導(dǎo)體的重要技術(shù)的興趣，已經(jīng)開發(fā)幾種可選技術(shù)用于在Si襯底上生長GaN，盡管有17％的晶格失配。這些包括pendoepitaxy技術(shù)和外延橫向過度生長(ELOG)技術(shù)，其中GaN在圖案化的襯底上生長，和所謂的Nitronex工藝，其中在GaN生長之前，首先通過在乙烯中退火將Si襯底轉(zhuǎn)變?yōu)镾iC。然而，同時(shí)所有這些工藝已經(jīng)成功示范了在Si層上的GaN生長，缺陷密度仍明顯高于所需的，且基板預(yù)處理明顯增加了生產(chǎn)成本。
在本發(fā)明的第一方面中，提供用于修正用于隨后的目標(biāo)材料淀積的硅襯底的緩沖結(jié)構(gòu)，該緩沖結(jié)構(gòu)包括組成分級的緩沖層，該緩沖層包括IIIB族的氮化物合金，所述的合金包括兩種或多種IIIB族元素，其相對數(shù)量隨著深度而變化以實(shí)現(xiàn)所述的分級。
這里使用的術(shù)語IIIB族涉及到稀土元素Sc、Y、La和Ac；這些元素在某些可選的實(shí)際操作中也已經(jīng)作為IIIA族元素而公知。
一般使用的術(shù)語III-V族半導(dǎo)體涉及到B、Al、Ga、In或Tl與N、P、As、Sb或Bi的化合物。
在Si上的GaN合金和其他的III-V族半導(dǎo)體的外延淀積提出了由于上述的在硅和這些材料之間的高度晶格失配以及不同熱膨脹系數(shù)的重要挑戰(zhàn)。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，IIIB族氮化物的物理特性和晶體結(jié)構(gòu)使其尤其適合用于在允許淀積高質(zhì)量目標(biāo)材料層的硅上提供分級的緩沖結(jié)構(gòu)。然而，在IIIB族氮化物內(nèi)部，在其各自的立方結(jié)構(gòu)中存在足夠的晶格參數(shù)參差，以便“通用的”制造，用于外延生長的硅基襯底，也就是能夠適合于匹配目標(biāo)材料的寬范圍的那個(gè)。因此，本發(fā)明提供適合于生長高質(zhì)量GaN的緩沖結(jié)構(gòu)，以及能夠適合于寬范圍的其它目標(biāo)材料的襯底結(jié)構(gòu)，包括其它III-V族半導(dǎo)體和工藝上的重要材料，例如鈣鈦礦氧化物。
在本發(fā)明的另一方面中，提供一種晶體結(jié)構(gòu)，在該晶體結(jié)構(gòu)中在硅襯底上提供前述的緩沖結(jié)構(gòu)，且同樣的晶體結(jié)構(gòu)包括前述的緩沖結(jié)構(gòu)和提供于其上的目標(biāo)材料層。還提供一種包括這種晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
在再一方面中，提供一種用于形成用以修正用于隨后的目標(biāo)材料淀積的硅襯底的緩沖結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括在硅襯底上生長包括IIIB族氮化物合金的組成分級的緩沖層，所述的合金包括兩種或多種IIIB族元素，其相對數(shù)量隨著深度而變化以實(shí)現(xiàn)所述的分級。
在優(yōu)選的方面中，提供用于修正用以隨后的目標(biāo)材料淀積的硅襯底的緩沖結(jié)構(gòu)，緩沖結(jié)構(gòu)包括組成分級的緩沖層，該緩沖層包括氮化鑭合金，所述的合金還包括一種或多種來自IIIB族的其他元素以實(shí)現(xiàn)所述的分級。
現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中

圖1a是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選晶體結(jié)構(gòu)的示意性截面圖，和橫靠圖1a的圖1b示出了獲得的具有穿過該結(jié)構(gòu)的厚度T的晶格參數(shù)L；圖2a是根據(jù)本發(fā)明的第二晶體結(jié)構(gòu)的示意性截面圖，和橫靠圖2a的圖2b再次示出了獲得的具有穿過該結(jié)構(gòu)的厚度T的晶格參數(shù)L；和，圖3a至3g示出對于根據(jù)本發(fā)明的可選緩沖結(jié)構(gòu)，濃度x隨著厚度t變化的示范性分布。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可使用緩沖結(jié)構(gòu)以修正硅襯底以制造高度可適應(yīng)的緩沖結(jié)構(gòu)，在緩沖結(jié)構(gòu)上可淀積一定范圍內(nèi)的目標(biāo)材料(例如，GaN)，以制造用于電學(xué)和光學(xué)應(yīng)用的半導(dǎo)體器件，其中緩沖結(jié)構(gòu)包括合金的組成分級層，合金包括兩種或多種IIIB族元素(La、Y、Sc或Ac)。
LaN、ScN和YN都是半金屬，或窄隙半導(dǎo)體(例如，ScN具有2.2eV左右的帶隙)。因此，根據(jù)本發(fā)明的緩沖結(jié)構(gòu)可根據(jù)選擇而制成導(dǎo)電的，例如在LED應(yīng)用中，需要其與器件的底部電接觸，或可選地，例如在微波FET應(yīng)用中，需要的是高電阻。
如這里使用的，術(shù)語“硅襯底”指的是包括單晶硅層的任何襯底，例如包括，大的硅晶片、絕緣體上的硅襯底、藍(lán)寶石上的硅襯底、SIMOX襯底和具有接合到另一多晶材料的硅晶片的襯底。
其中將結(jié)構(gòu)或?qū)用枋龀稍谝r底或其它的層上，將所述結(jié)構(gòu)或?qū)又苯硬贾迷谒鲆r底或其它層的整個(gè)或部分的上方，或如果還存在中間層的話間接布置在所述襯底或其它層的整個(gè)或部分的上方。
在“組成分級”緩沖層中，各自的IIIB族元素的相對數(shù)量將隨著在緩沖層中的深度而改變，至少貫穿緩沖層厚度的一部份?？紤]到各自純的單獨(dú)IIIB族氮化物(舉例為LaN或ScN)，可改變該相對數(shù)量，以逐漸地隨著自硅襯底之間的距離而降低晶格參數(shù)。在恰好最小處，在該層內(nèi)部的不同深度處將存在兩個(gè)不同的合成物。然而，通常在單晶或晶格中的La、Sc或Y原子各自的相對濃度中存在逐步變化。
與現(xiàn)有技術(shù)緩沖系統(tǒng)大不相同，其傾向于使用具有合金的緩沖層，以吸收失配應(yīng)變，其中合金為例如具有與目標(biāo)GaN(Wurzite)的相適合的晶體結(jié)構(gòu)的InN或AlN，本發(fā)明基于包括自不同周期族，即IIIB族元素的組成分級緩沖層的生長。獲得的氮化物合金晶格具有不同的晶體結(jié)構(gòu)(立方NaCl)，其能依據(jù)分級實(shí)現(xiàn)晶格參數(shù)中的大的變化，并接近Si和GaN的晶格匹配，如以下進(jìn)一步描述的。
另外，由于IIIB族元素明顯較硅低的陽電性，它們優(yōu)先于SiN形成氮化物。因此，在初始晶體生長階段期間，其較早(與現(xiàn)有技術(shù)工藝相比)進(jìn)行防止在暴露的襯底上形成氮化物的步驟(該氮化物是非晶的并擾亂襯底和異質(zhì)外延層之間的外延關(guān)系)，導(dǎo)向簡單化的、較低成本的制造工藝。
該合金可至少包含從鑭、鈧和釔中選出的兩種IIIB族元素。LaN、YN和ScN全部具有立方(NaCl)晶體結(jié)構(gòu)，其晶格參數(shù)是，對于LaN為0.530nm，對于YN為0.489nm和對于ScN為0.445nm；硅具有0.5431nm的相應(yīng)晶格參數(shù)。因此，在Si表面上的生長可以始于例如純的LaN或純的YN的緩沖層的開始合成，或始于LaYN或LaScN或YScN或LaYScN，其具有高于75％且優(yōu)選90％或更多的具有較大氮化物參數(shù)的該元素的高濃度；之后，其它元素(多種元素)的數(shù)量會(huì)增加，直到較大參數(shù)元素的數(shù)量降低到25％或更少，優(yōu)選10％或更少。具體地，LaN給出了特別好的晶格匹配，使得可以實(shí)現(xiàn)非常低的錯(cuò)位密度，且因此，在Si上獲得較高質(zhì)量的外延層，而不是先前的有可能。當(dāng)GaN是目標(biāo)材料時(shí)，實(shí)現(xiàn)小于108cm-2的錯(cuò)位密度，以及小于1nm的RMS(路線均方)表面粗糙度值。
圖1a示出了優(yōu)選實(shí)施例，其中在單晶硅襯底上淀積La(1-x)ScxN(0＜x＜1)外延層，其中x隨著遠(yuǎn)離襯底的距離而增加，以提供適合于III-V族化合物的外延生長的適應(yīng)襯底。晶體結(jié)構(gòu)1包括硅襯底3、組成分級的La(1-x)ScxN緩沖層5和GaN的目標(biāo)材料層7。圖1b示出怎樣分級(從x＝0至x＝1)化合物，以給出在晶格參數(shù)L中隨著穿過緩沖層的厚度T的持續(xù)變化。因此，通過利用分級層技術(shù)，可以制造能夠與在接近0.530nm和接近0.445nm之間的任一立方晶格參數(shù)、和在接近0.3748nm和0.3146nm之間的任一六方晶格參數(shù)相匹配的緩沖層或“適應(yīng)襯底”。因此，本發(fā)明利于任意氮化物或氧化物的目標(biāo)材料的生長，該目標(biāo)材料具有立方的或六方的晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠匹配在IIIB族氮化物立方結(jié)構(gòu)中的模板生長平面?？梢苑旨壴摶衔?，以便在緩沖層的外表面(或最外部的表面區(qū)域)產(chǎn)生選擇的晶格參數(shù)，該緩沖層與在2％內(nèi)、且優(yōu)選1％內(nèi)和最優(yōu)選0.1％內(nèi)的希望的目標(biāo)材料的晶格參數(shù)相匹配。
該合金可從由La(1-x)ScxN(0＜x＜1)、La(1-y)YyN(0＜y＜1)、Y(1-z)SczN(0＜z＜1)和La(1-x-y)ScxYyN(0＜x＜1，0＜y＜1，x+y＜1)組成的組中選擇。分級LaScN合金的使用提供特定可適應(yīng)的緩沖結(jié)構(gòu)，其中緩沖層的富有鑭的區(qū)域設(shè)置成與硅襯底相鄰，并轉(zhuǎn)變到在接收目標(biāo)材料的相對面上設(shè)置的富有鈧的區(qū)域。類似地使用具有富有Y和Sc區(qū)域的分級的YScN合金。ScN具有在(111)表面上的0.3146nm的原子間距的立方晶體結(jié)構(gòu)，該間距接近GaN的0.3189nm。因此，本發(fā)明可提供適合于高質(zhì)量的單晶GaN生長的界面，具有低缺陷密度。當(dāng)需要具有較大晶格參數(shù)的目標(biāo)材料時(shí)，分級LaYN合金可以滿足。
可以以很多方式改變分級緩沖層的合成物，且為了設(shè)計(jì)具體前身器件結(jié)構(gòu)的物理和電學(xué)特性將選擇該合成物。一般在氮化物合金中存在的較大晶格參數(shù)的元素(例如，鑭和/或釔)的數(shù)量向分級層的目標(biāo)材料側(cè)降低，以便由一個(gè)或兩個(gè)小很多的氮化物晶格參數(shù)元素(例如，鈧和/或釔)來代替。該分級可以精細(xì)或者粗糙，且可按照線性分布、階梯式分布和/或曲線分布中的任意一個(gè)或多個(gè)。在合成物中可能存在持續(xù)變化，或在分級中可能存在一個(gè)或多個(gè)間斷，該間斷可使得固定濃度區(qū)域和/或變化濃度區(qū)域相互分開。該分級可橫跨組成分級層的整個(gè)深度或厚度、或僅橫跨部分深度而發(fā)生。優(yōu)選地，分級層包括至少一個(gè)恒定合成物的區(qū)域，其強(qiáng)制了在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定點(diǎn)處晶格的松弛。
圖3a至3f通過示出在優(yōu)選的La(1-X)ScxN(0＜x＜1)緩沖層中x變化的一般分布，說明在緩沖層中成分x隨著厚度t變化的方式。鈧的數(shù)量可從0％或從較高的％數(shù)量例如10％增加。圖3a示出了x隨著厚度或深度的階梯式增加，其在濃度中具有兩個(gè)階梯，同時(shí)圖3b示出了多個(gè)步驟。圖3c示出了x隨著深度的線性增加，和圖3d示出了相同的但具有恒定合成物的中間區(qū)域。在圖3e中初始合成物在線性增加之前保持恒定，而在下面的圖3g中，在緩沖層的頂部存在附加的恒定合成物。最后，圖3f示出了包括初始階梯式增加的具體優(yōu)選分布，接下來是最后的線性分級。階梯式增加允許迅速建立緩沖層濃度，其中產(chǎn)生了位錯(cuò)，但是將其限制到較低區(qū)域，而在上部層中的平緩分級防止位錯(cuò)達(dá)到表面。
將理解的是，在圖3a至3f中說明的該分布僅僅是示范性的，和該分級層的合成物可以以其他的方式變化，例如，依據(jù)使用的外延生長工藝。
分級率將取決于最終的目標(biāo)材料。對于GaN，x(或者y或者z)在每微米4至0.2的范圍內(nèi)變化。
緩沖層的深度取決于最終用途的應(yīng)用和所需的目標(biāo)材料的質(zhì)量。在某些情況下，例如，緩沖層可達(dá)到7微米，但是優(yōu)選在0.5-4微米的范圍內(nèi)和更優(yōu)選在1-2微米的范圍內(nèi)。在其他情況下，例如，緩沖層的深度可＜1微米，優(yōu)選0.1-0.8微米和更優(yōu)選0.4-0.5微米。
在某些優(yōu)選實(shí)施例中，可以存在至少一個(gè)在緩沖層與目標(biāo)材料層和襯底層之間的其中之一或者兩者之間的中介層。由于擴(kuò)散等，這種中介層可以在生長期間形成，而且由于其他原因，將必須引進(jìn)不同的合成物層到例如目標(biāo)層的下方，以幫助不同目標(biāo)材料的成核。
圖2a示出了包括與圖1a的結(jié)構(gòu)中相同的層的第二晶體結(jié)構(gòu)，還包括在襯底上的LaN單層4，以及直接位于目標(biāo)材料層7的下方的恒定合成物鑭鈧氮化物合金6的子層。如果緩沖層包括直接位于襯底上的初始子層，則在某些應(yīng)用中其是有利的，一般深度為1-2nm，且一般只含有較大晶格參數(shù)元素的氮化物。這種子層可提供假晶的初始層，該層采取襯底的晶體形式。對于LaScN合金緩沖層，純的LaN可因此用在子層中。之后，可通過分級緩沖層的生長逐漸增加應(yīng)變。
理論上，本發(fā)明的緩沖結(jié)構(gòu)在硅襯底的Si(111)表面上生長。對于GaN，這給出了對于六方GaN的生長具有適合的對稱的模板?？蛇x地，Si(001)表面可用于立方材料的生長，例如鈣鈦礦氧化物或閃鋅礦GaN、InN、AlN及其合金。還可以生長緩沖層，其和所選平面的理想取向具有小的切余物(offcut)，例如達(dá)到5°，優(yōu)選達(dá)到1或2°，盡管在某些情況下不超出0.1或0.5°的更小角度會(huì)有用。這種切余物允許控制緩沖層和目標(biāo)材料的生長機(jī)制，以提高例如表面形態(tài)的特性。
包括III-V族氮化物AlN、InN、GaN和其合金的III-V族半導(dǎo)體對異質(zhì)外延目標(biāo)材料有特別的興趣。其材料特性允許產(chǎn)生跨過從紅光到UV波長范圍內(nèi)的有效光發(fā)射體，且還提供高功率、高電壓的電子設(shè)備。因此，目標(biāo)材料優(yōu)選包括III-V族半導(dǎo)體，更優(yōu)選包括鋁、鎵或氮化銦或者其合金，且更優(yōu)選包括氮化鎵。本發(fā)明提供特別適合Wurzite(六方GaN-最普遍使用的相位)的表面生長，但是也可生長立方(閃鋅礦)GaN，并且類似地構(gòu)成AlN和InN合金。ScN是另一重要的目標(biāo)材料。
其中存在重要的技術(shù)興趣的另一組材料是鈣鈦礦構(gòu)成的氧化物，因此目標(biāo)材料可選地包括鈣鈦礦氧化物。這些氧化物表示出興趣材料特性的范圍例如，鐵電、巨磁阻、高介電常數(shù)和壓電性，其特性全部都具有器件應(yīng)用。很多鈣鈦礦氧化物具有小于Si的晶格參數(shù)，因此需要緩沖層以能夠高質(zhì)量地外延生長，但是落在通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的晶格尺寸范圍內(nèi)。具有尖晶石型結(jié)構(gòu)的氧化物還可通過本發(fā)明來生長?？赡艿拟}鈦礦氧化物目標(biāo)材料的實(shí)例可包括鉭酸鉛鈧、鈦酸鉛鋯、鈦酸鍶、鈦酸鋇、錳酸鑭鈣、錳酸鑭鍶、錳酸鑭鋇、鋯酸鈣、鋯酸鍶、鋯酸鋇、氧化鉿、硅酸鉿、鉿酸鈣、鉿酸鍶和鉿酸鋇。
該目標(biāo)材料可直接生長在緩沖層上，因此驅(qū)動(dòng)了分級層的最終的松弛?？蛇x地，緩沖結(jié)構(gòu)還可包括例如達(dá)到2微米的IIIB族氮化物合金的恒定合成物層，IIIB族氮化物合金設(shè)置在目標(biāo)材料下面的緩沖層頂部，該層在生長材料層之前幾乎強(qiáng)制完成了晶格的松弛。
目標(biāo)材料可形成至少一個(gè)具有希望的電子和機(jī)械特性的器件層。在某些應(yīng)用中，可能需要不止一個(gè)相同材料的器件層，在其他的應(yīng)用中，可在緩沖層上方淀積不止一個(gè)不同材料的器件層。隨意地，在選擇的生長溫度下通過將緩沖層的最頂部區(qū)域或子層分級成輕微超出目標(biāo)材料的晶格參數(shù)(例如，高達(dá)2％之多)來將目標(biāo)材料置于壓縮應(yīng)變之下。事實(shí)上，最頂部區(qū)域可包括例如高達(dá)1微米的具有需要的稍小晶格參數(shù)的固定合成物的氮化物合金的子層。以這種方式，可以利用在緩沖層外表面和材料層之間的晶格參數(shù)中的細(xì)微差別，以在冷卻時(shí)，可以對壓縮應(yīng)變補(bǔ)償在Si和目標(biāo)材料之間的不利的熱膨脹失配。例如，ScN具有稍小于GaN的晶格參數(shù)，通過引進(jìn)的壓縮應(yīng)變的程度，可降低Si和GaN之間的拉伸的熱失配應(yīng)變，因此降低了目標(biāo)材料的破裂的可能性。
IIIB族氮化物可在某一程度上用作防止外延層和襯底之間的原子種類相互擴(kuò)散的阻擋層。而且，可利用各種公知的外延生長工藝來淀積IIIB族氮化物，且該IIIB族氮化物具有相對高的熔點(diǎn)，提供與隨后的一般需要的例如GaN的目標(biāo)材料所需的生長條件兼容。在以下的實(shí)例中，使用分子束外延(MBE)以形成緩沖結(jié)構(gòu)。然而，該緩沖結(jié)構(gòu)還可使用例如金屬有機(jī)分子束外延(MOMBE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、等離子體增強(qiáng)物理氣相淀積(PECVD)、化學(xué)束外延(CBE)、液相外延(LPE)或其他公知的適合于外延生長的技術(shù)來生長。優(yōu)選地，選擇該技術(shù)以使緩沖結(jié)構(gòu)和目標(biāo)材料能夠使用相同的設(shè)備來淀積，優(yōu)選在單個(gè)的工藝中進(jìn)行。因此，由于LaN、ScN和YN全部都從基于氫的前身而生長，所以對于GaN合金目標(biāo)材料，可按常規(guī)使用MOCVD。
根據(jù)本發(fā)明的緩沖結(jié)構(gòu)可用在各種器件應(yīng)用中，在技術(shù)領(lǐng)域中包括電子學(xué)、光電子學(xué)、MEMS、光子學(xué)、傳感器和成像器。因此，在另一方面，本發(fā)明提供包括前述的晶體/緩沖結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。該器件可以是光學(xué)或電子器件，具有包括LED、激光二極管、晶體管等的共同應(yīng)用。
本發(fā)明還提供例如硅晶片的硅襯底，含有一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明通過在其部分表面上選擇性的區(qū)域外延生長的緩沖結(jié)構(gòu)。此時(shí)可將這種緩沖結(jié)構(gòu)及其相關(guān)目標(biāo)材料層與在硅襯底/晶片的其他部分上圖案化的硅器件結(jié)合。
該器件一般包括目標(biāo)材料、緩沖層和硅襯底，但是存在硅襯底隨后被除去(因此，幾乎用作模板)的應(yīng)用，例如，在該緩沖層適合于使其自身用作器件的底部接觸時(shí)。
在另一方面中，本發(fā)明提供使用本發(fā)明的方法獲得的單晶目標(biāo)材料，該材料已經(jīng)從緩沖層分離。該單晶材料可用在各種半導(dǎo)體或其它的應(yīng)用中，且可被摻雜以形成適合于這些應(yīng)用的材料。
制備根據(jù)本發(fā)明的包括La/Sc氮化物合金的分級緩沖層的緩沖結(jié)構(gòu)的一個(gè)方式的實(shí)例在以下的例子中描述實(shí)例1使用標(biāo)準(zhǔn)濕法化學(xué)工藝，在非真空(ex-vacuo)情況下，首先從Si襯底除去自然氧化物，并且允許在Si襯底上以可控方式重新形成薄的均勻自然氧化膜。將該襯底裝入到MBE室中并加熱到接近950℃達(dá)30分鐘，以熱還原重新形成的自然氧化物，導(dǎo)致了干凈(7×7)重建的(111)Si襯底。
將預(yù)處理過的Si襯底冷卻到700℃，并使用具有通常的0.3ml/sec的La流量和10-7乇的環(huán)境壓力的泄流室來將1和2之間的La金屬單層淀積到Si表面上(以便防止Si襯底的氮化)。因此通過在氮中放出氣體來將MBE室的環(huán)境壓力增加到5×10-6乇，且使用具有500W功率設(shè)置的r.f.等離子體氮源將La單層轉(zhuǎn)變成氮化物。
重新打開La遮擋板以開始生長厚度為1-2nm的LaN層，且此時(shí)也打開Sc遮擋板。通過相對傾斜La和Sc室，La(1-x)ScxN的組成分級層的生長始于接近x＝0.5每微米的分級率。Sc室的開始流量是0.003ml/sec。在淀積分級層期間，襯底溫度是從700℃傾斜至900℃且保持富含氮的條件。
在提供考慮希望的目標(biāo)材料的適合的晶格參數(shù)的合成物處停止分級。在該實(shí)例中，為了給隨后的GaN淀積提供晶格匹配，La(1-x)ScxN層的分級在合成物L(fēng)a0.07Sc0.93N處停止，且然后淀積恒定合成物L(fēng)aScN的0.5微米層以確保膜的完全松弛。
此時(shí)使用傳統(tǒng)的MOCGD工藝淀積GaN的目標(biāo)材料層。
權(quán)利要求
1.一種緩沖層結(jié)構(gòu)，用于修正用于隨后的目標(biāo)材料淀積的硅襯底，該緩沖層結(jié)構(gòu)包括組成分級緩沖層，該組成分級緩沖層包括IIIB族氮化物合金，所述的合金包括兩種或多種IIIB族元素，其相對數(shù)量隨著深度而變化以實(shí)現(xiàn)所述的分級。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的緩沖結(jié)構(gòu)，其中該合金含有從鑭、鈧和釔中選出的至少兩種IIIB族元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的緩沖結(jié)構(gòu)，其中該合金選自由La(1-x)ScxN(0＜x＜1)、La(1-y)YyN(0＜y＜1)、Y(1-z)SczN(0＜z＜1)和La(1-x-y)ScxYyN(0＜x＜1，0＜y＜1，x+y＜1)組成的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的緩沖結(jié)構(gòu)，其中該合金是組成分級的氮化鑭鈧合金。
5.一種晶體結(jié)構(gòu)，包括如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求中的緩沖結(jié)構(gòu)和提供在所述的緩沖層上的目標(biāo)材料層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的晶體結(jié)構(gòu)，其中在目標(biāo)材料下方的緩沖層的最頂部區(qū)域中淀積IIIB族氮化物合金的恒定合成物子層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6的晶體結(jié)構(gòu)，其中目標(biāo)材料是具有立方或六方晶體結(jié)構(gòu)的任何氧化物或氮化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的晶體結(jié)構(gòu)，其中目標(biāo)材料是包括AlN、InN和GaN或其合金中的任一個(gè)的III-V族半導(dǎo)體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的晶體結(jié)構(gòu)，其中III-V族半導(dǎo)體包括氮化鎵。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中任一項(xiàng)的晶體結(jié)構(gòu)，其中在硅襯底之上提供緩沖結(jié)構(gòu)。
11.一種半導(dǎo)體器件，包括如在權(quán)利要求5至10的任一項(xiàng)中的晶體結(jié)構(gòu)。
12.一種形成緩沖結(jié)構(gòu)的方法，該緩沖結(jié)構(gòu)用于修正用于隨后的目標(biāo)材料淀積的硅襯底，該方法包括在硅襯底上生長包括IIIB族氮化物合金的組成分級緩沖層，所述的合金包括兩種或多種IIIB族元素，其相對數(shù)量隨著深度而變化以實(shí)現(xiàn)所述的分級。
13.如權(quán)利要求15中要求的方法，其中緩沖結(jié)構(gòu)如權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)或多項(xiàng)中所說明的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的方法，其中目標(biāo)材料層隨后淀積在緩沖結(jié)構(gòu)上。
15.如權(quán)利要求14中要求的方法，還包括處理步驟以形成半導(dǎo)體器件。
16.組成分級的IIIB族氮化物合金中間層的使用，以修正用于在所述的襯底上異質(zhì)外延生長的硅襯底。
17.一種緩沖結(jié)構(gòu)，基本上與前面參考附圖所描述的一樣。
18.一種形成緩沖結(jié)構(gòu)的方法，基本上與前面參考附圖所描述的一樣。
全文摘要
一種緩沖結(jié)構(gòu)(1)，包括由氮化物合金(5)制成的組成分級層，氮化物合金包括兩種或多種IIIB族元素，例如La、Y、Sc或Ac，該緩沖結(jié)構(gòu)用于修正硅襯底(3)以產(chǎn)生通用襯底，在該襯底上可淀積一定范圍內(nèi)的目標(biāo)材料(7)，例如GaN，以制造用于電學(xué)和光學(xué)應(yīng)用的半導(dǎo)體器件。獲得的晶格參數(shù)L隨著穿過該結(jié)構(gòu)的厚度T變化。
文檔編號C30B29/38GK1751379SQ200480004678
公開日2006年3月22日 申請日期2004年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月19日
發(fā)明者D·J·沃利斯 申請人:秦內(nèi)蒂克有限公司