中間層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地總體涉及在硅晶片上的單晶稀土氧化物層之間的無(wú)定形二氧化硅的形成。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在許多光電應(yīng)用場(chǎng)合中，II1-N材料是理想的半導(dǎo)體材料。如本領(lǐng)域所知，II1-N半導(dǎo)體材料必須被提供為晶體或單晶形態(tài)，以用于作為制造各種光電器件的最有效且有用的基底。此外，因?yàn)樵诠璋雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)所發(fā)展的廣泛背景和技術(shù)，以及電子電路的集成更為容易，因此單晶II1-N半導(dǎo)體材料最便于在單晶硅晶片上形成。然而，如果在(111)取向的硅上生長(zhǎng)c軸，則在硅和諸如GaN這樣的II1-N材料之間的晶格常數(shù)不匹配度為17 %。此外，在諸如GaN這樣的II1-N材料之間的熱膨脹差為56%。這兩種因素都導(dǎo)致殘留應(yīng)力，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)缺陷和機(jī)械損傷(例如，裂縫)。
[0003]在硅襯底和II1-N層之間設(shè)置可以吸收應(yīng)力的緩沖層將有助于解決該問(wèn)題。已經(jīng)在美國(guó)提交了若干在審專利申請(qǐng)，其中，在硅襯底上生長(zhǎng)稀土氧化物，以用作用于后續(xù)II1-N半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的應(yīng)力工程設(shè)計(jì)緩沖層(stress engineered buffer layer)。這些在審美國(guó)專利申請(qǐng)中的兩個(gè)申請(qǐng)為:2011年10月21日提交的13/278,952號(hào)申請(qǐng)，名稱為“用于硅上111-N的應(yīng)變彌補(bǔ) REO 緩沖區(qū)” Strain Compensated REO Buffer for II1-N onSilicon);和2012年3月20日提交的61/613，289號(hào)申請(qǐng)，名稱為“REO模板上的II1-N成核”(Nucleat1n of II1-N on REO Templates)，通過(guò)引用使它們包含在本文中。
[0004]雖然稀土氧化物(REO)應(yīng)力工程設(shè)計(jì)緩沖層可以將應(yīng)力降低至可控水平，但通過(guò)在硅襯底和稀土氧化物緩沖區(qū)之間包含無(wú)定形二氧化硅層可以便于降低或基本上消除應(yīng)力。二氧化硅為無(wú)定形材料，并且在高于500 0C的溫度下具有低粘度，所述低粘度導(dǎo)致應(yīng)力松弛，這從在冷卻硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的GaN(I I1-N材料)期間的熱應(yīng)力的觀點(diǎn)來(lái)看是關(guān)鍵的。一個(gè)主要問(wèn)題是無(wú)定形二氧化硅層的形成必須在生長(zhǎng)單晶REO緩沖區(qū)期間發(fā)生，因?yàn)樵跓o(wú)定形硅層上生長(zhǎng)REO將產(chǎn)生多晶REO緩沖區(qū)，其不適合用于單晶II1-N生長(zhǎng)。
[0005]存在可能形成二氧化硅界面層的若干方法，但所有方法都具有嚴(yán)重缺點(diǎn)。在第一方法中，在REO生長(zhǎng)期間可以提供富氧氣氛。該方法的一些問(wèn)題是在該工藝期間需要高氧壓，其不利于腔體(chamber)中的MBE部件的使用壽命，并且S1x層對(duì)于充分進(jìn)行應(yīng)力釋放而言厚度不夠。在第二方法中，在硅襯底上生長(zhǎng)REO層，隨后在氧氣氛中對(duì)該結(jié)構(gòu)退火。在2010年8月31日公布的題目為“半導(dǎo)體晶片及其制造工藝(Semiconductor Wafer andProcess for its Product 1n)”的美國(guó)專利7，785，706及其同名的美國(guó)公開(kāi)2010/0221869，描述了該類型的一種方法。這種方法的一個(gè)問(wèn)題是，二氧化硅僅在界面處形成，并且很難控制這種形成，氧化需要較長(zhǎng)時(shí)間、溫度和/或高氧壓，因?yàn)楣璧难趸菙U(kuò)散受限的過(guò)程，這意味著隨著二氧化硅層的厚度增加，氧化變得更慢。硅襯底的氧化在界面的外邊緣處開(kāi)始，并且向內(nèi)擴(kuò)散且進(jìn)一步進(jìn)入硅襯底，使得幾乎不可能制造具有均勻厚度的無(wú)定形娃層。
[0006]因此，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中固有的前述和其它缺陷進(jìn)行改良將是非常有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007 ]簡(jiǎn)單地說(shuō)，根據(jù)在II1-N材料的層和娃襯底之間形成REO介電層和無(wú)定形二氧化娃的層的優(yōu)選方法，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的期望目標(biāo)和方面。該方法包括提供晶體硅襯底和在硅襯底上沉積第一層單晶稀土氧化物。第一層單晶稀土氧化物在鄰近所述硅襯底處具有與所述硅襯底的晶格常數(shù)近似匹配的第一晶格常數(shù)，并且第一層稀土氧化物的晶格常數(shù)在鄰近上表面處被調(diào)整為近似匹配選擇的II1-N材料的晶格常數(shù)。無(wú)定形硅的均勻?qū)颖怀练e在第一層稀土氧化物上。第二層稀土氧化物被沉積在無(wú)定形硅的層上。沉積第二層稀土氧化物的步驟包括使所述襯底的溫度驟變至外延生長(zhǎng)所需的溫度并且外延生長(zhǎng)所述第二層稀土氧化物。外延生長(zhǎng)所需的溫度使所述無(wú)定形硅的層結(jié)晶以形成晶化硅的層并且晶化硅將第一層稀土氧化物的選擇的II1-N材料的晶格常數(shù)轉(zhuǎn)移至所述第二層稀土氧化物。氧化晶體娃以將晶體娃轉(zhuǎn)化為無(wú)定形娃。在氧化無(wú)定形娃之后或在氧化無(wú)定形娃期間在第二層稀土氧化物上外延生長(zhǎng)II1-N材料的層。
[0008]根據(jù)在稀土氧化物的層和硅襯底之間的REO介電層和無(wú)定形二氧化硅層的優(yōu)選實(shí)施方式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的期望目標(biāo)和方面。該結(jié)構(gòu)包括具有沉積在硅襯底上的第一層單晶稀土氧化物的晶體硅襯底。第一層單晶稀土氧化物在鄰近硅襯底處具有約為硅襯底的晶格常數(shù)的第一晶格常數(shù)，并且在鄰近上表面處具有約為選擇的II1-N材料的晶格常數(shù)的第二晶格常數(shù)。無(wú)定形硅的均勻?qū)颖怀练e在第一層稀土氧化物上。第二層稀土氧化物被沉積在無(wú)定形硅的層上。第二層稀土氧化物具有選擇的II1-N材料的晶格常數(shù)。選擇的II1-N材料的單晶層外延沉積在第二層稀土氧化物上。
【附圖說(shuō)明】
[0009]結(jié)合附圖，由以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的前述和另外及更多特定目的和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得容易顯而易見(jiàn)，其中:
[0010]圖1?6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的在用于生長(zhǎng)II1-N半導(dǎo)體材料的單晶稀土氧化物的層之間形成無(wú)定形二氧化硅的工藝的若干連續(xù)步驟的簡(jiǎn)化層圖；
[0011]圖7和8說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的在單晶稀土氧化物的層之間形成無(wú)定形二氧化硅的另一種方法中的步驟;且
[0012]圖9和10說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的在單晶稀土氧化物的層之間形成無(wú)定形二氧化硅的另一種方法中的步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0013]鑒于在硅襯底上形成II1-N半導(dǎo)體層的工藝中對(duì)于應(yīng)力緩和的需求，已經(jīng)對(duì)在硅襯底和一個(gè)II1-N層或多個(gè)II1-N層之間形成二氧化硅(S12)的無(wú)定形層作了一些努力和研究。然而，迄今為止提出的用于形成無(wú)定形層的各種方法都具有大幅降低工藝和結(jié)果的效率或效果的若干缺陷或問(wèn)題。此外，在II1-N層和硅襯底之間的稀土介電層提高了在III _N層中形成的電子器件的電擊穿特性。因此，在本文中公開(kāi)了用于在單晶稀土氧化物的層之間形成二氧化硅(S12)的無(wú)定形層的新方法。新方法被大幅改進(jìn)，并且導(dǎo)致在單晶稀土氧化物層之間包含無(wú)定形二氧化硅層的結(jié)構(gòu)的形成，所述無(wú)定形二氧化硅層可以被精確地控制并且大幅吸收或降低在硅襯底和II1-N半導(dǎo)體層之間的應(yīng)力。
[0014]參照?qǐng)D1，如本領(lǐng)域中所理解地來(lái)說(shuō)明硅襯底10，其為包含硅的單晶材料，并且在一些應(yīng)用中可以包含其它材料，所有這些材料都被包括在通用術(shù)語(yǔ)“娃”襯底中。另外，所述襯底可以為例如硅片或其一些部分，并且在本文中被稱為通用術(shù)語(yǔ)“襯底”。雖然硅襯底10被示為具有(111)晶體取向，但應(yīng)理解的是，其不限于任何特定晶體取向，而是可以包括
(111)取向娃，(110)取向娃，(100)取向娃，其各種偏移(off cuts or offset)，或在本領(lǐng)域中已知和使用的任何其它取向或變體。
[0015]將單晶稀土氧化物(REO)的絕緣層12外延沉積在硅襯底10的表面上。使用任何已知的生長(zhǎng)方法，如MBE、M0CVD、PLD(脈沖激光沉積)、濺射、ALD (原子層沉積)或任何其它已知的用于薄膜的生長(zhǎng)方法，在襯底10的表面上直接生長(zhǎng)稀土氧化物層12。在本公開(kāi)的全文中，當(dāng)提及稀土材料時(shí)，將理解“稀土”材料被一般地定義為任何鑭系元素以及鈧和釔。雖然為了方便理解，在本文中將層12稱為“層”，應(yīng)該理解其可以為具有從與襯底10的下界面處指定為au的晶格常數(shù)到上表面或界面處指定為al2的晶格常數(shù)分級(jí)的晶格常數(shù)的單層，如圖1所示?；蛘邔?2可以包括具有逐漸變化的晶格常數(shù)aOaUan的多個(gè)REO層，如圖2所示。為了本公開(kāi)的目的，將術(shù)語(yǔ)“層”定義為包括單個(gè)或多個(gè)層或亞層。
[0016]在該實(shí)例中，層12不僅充當(dāng)II1-N層和硅襯底10之間的稀土介電層，以提高在II1-N層中形成的電子器件的電擊穿特性，而且還充當(dāng)調(diào)整硅襯底10和II1-N層之間晶格常數(shù)的緩沖區(qū)(buffer)。因此，在該實(shí)例中，襯底界面處的晶格常數(shù)au被選擇為約為單晶硅的晶格常數(shù)，而晶格常數(shù)al2San被調(diào)整為約為II1-V半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)，所述II1-V半導(dǎo)體材料將在該結(jié)構(gòu)的頂部生長(zhǎng)。
[0017]參照?qǐng)D3，在接近室溫或約20°C?約100°C的溫度下，將無(wú)定形硅的平滑層14沉積在REO層12的表面上。在這個(gè)【具體實(shí)施方式】中，術(shù)語(yǔ)“平滑”被定義為是指該層每處都具有基本上均勾的厚度。層14的厚度優(yōu)選在Inm和1nm之間。在該實(shí)施例中，使用無(wú)定形娃的低溫沉積，以保持無(wú)定形Si層14平滑，因?yàn)镾i表面能高于REO的表面能，因此在外延生長(zhǎng)的典型溫度下，Si形成島狀物(island)。
[0018]參照?qǐng)D4，在無(wú)定形Si層14的表面上形成第二稀土氧化物層16。在無(wú)定形Si層14的完全結(jié)晶發(fā)生前，在襯底溫度驟變期間(即，襯底的溫度驟變至外延生長(zhǎng)所需的溫度)開(kāi)始第二 REO層16的生長(zhǎng)。第二 REO層16也充當(dāng)抑制Si原子的移動(dòng)性，并且防止形成Si島狀物的表面活性劑。因此，第二 REO層16有助于保持Si層14平滑。在形成REO層16的REO沉積期間，Si層14完全結(jié)晶，并且將REO層12的晶體結(jié)構(gòu)特征(crystal structure register)轉(zhuǎn)移至REO層16，其后REO層16外延生長(zhǎng)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，RE0層16約為1nm以下。
[0019]一旦REO層