專利名稱：外延基片的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種外延基片的制備方法，特別是GaN、SiGe、AlN或InN外延基片的制備方法，以及在該外延基片上或在該外延基片內(nèi)制造的電子器件。
背景技術(shù)：
外延是材料的晶體層沉積在同樣為晶體的基片上的過程。外延生長(zhǎng)的特征在于，可以在所生長(zhǎng)的材料的外延層中復(fù)制基片的晶體結(jié)構(gòu)。因此，基片的缺陷通常也被復(fù)制到外延層中。外延層一般應(yīng)用在電子或光電子用途中。其中特別受關(guān)注的是例如氮化鎵外延層，由于其具有較大的能帶間隙，因而應(yīng)用于藍(lán)光、紫光或紫外激光二極管中。
外延技術(shù)基本上可以分為兩類。第一類是均相外延，其中待生長(zhǎng)的材料具有與基片相同的性質(zhì)，這意味著它們的結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)是基本相同的。工業(yè)上所使用的實(shí)例是硅在硅基片上的均相外延或砷化鎵在砷化鎵基片上的外延生長(zhǎng)。
更令人們更感興趣的是所謂的異質(zhì)外延，其中待生長(zhǎng)的膜是在具有不同性質(zhì)的基片上生長(zhǎng)。在無法以晶體基片的形式獲得所需的材料時(shí)，這尤其重要。異質(zhì)外延本身固有兩個(gè)主要問題兩種材料結(jié)晶結(jié)構(gòu)的差異和兩種材料熱膨脹系數(shù)的差異。這些差異導(dǎo)致膜的內(nèi)部存在應(yīng)力，從而產(chǎn)生諸如位錯(cuò)等缺陷。
除了上述導(dǎo)致外延層品質(zhì)欠佳的問題之外，還可能由于基片的固有特性，使其不能充分適用于采用具有特定特性的外延層的器件的用途。例如，如果在碳化硅上生長(zhǎng)氮化鎵，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)優(yōu)良的外延生長(zhǎng)；但是，如果將該氮化鎵結(jié)構(gòu)用作發(fā)光器件，則由于碳化硅基片會(huì)吸收太多的光，因而碳化硅基片是不利的。
在現(xiàn)有技術(shù)中，存在多種克服上述問題的已知方法；但是，沒有任何一種方法能夠提供允許均相外延和異質(zhì)外延生長(zhǎng)的基片，并能夠全部克服上述的三個(gè)明顯問題。例如US 5,759,898已經(jīng)顯示可以成功地在絕緣體上覆硅的晶片上生長(zhǎng)外延的硅鍺薄膜，其中硅鍺層生長(zhǎng)在硅薄膜(約16nm)上，而所述硅薄膜本身位于二氧化硅層上，而二氧化硅層又順次位于硅晶片上。與直接在大塊硅基片上生長(zhǎng)的硅鍺膜相比，在此結(jié)構(gòu)中，大大減少了硅鍺膜中位錯(cuò)的出現(xiàn)。
WO 99/39377中介紹了另一種方法，其中通過離子注入產(chǎn)生了所謂的柔性基片(compliant substrate)。在該方法中，通過離子注入，在材料內(nèi)部得到了脆性層，同時(shí)在頂部產(chǎn)生了非常薄的層。該頂層通過脆性層與基片部分隔開，并在一定程度上緩解了待生長(zhǎng)的外延層與原始基片的頂層之間在晶體結(jié)構(gòu)和熱膨脹性方面的不匹配，從而使外延層中的應(yīng)力至少得到部分松弛。
這兩種方法在某種程度上克服了前述問題；但是，由于原始基片的存在，使得負(fù)面影響無法排除，當(dāng)原始基片的存在無法與生長(zhǎng)外延層的應(yīng)用相容時(shí)，需要其它處理步驟來除掉原始基片，導(dǎo)致更高的生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種外延基片的制備方法，該方法能夠進(jìn)一步降低基片的影響，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。該目的可以通過下文所述的方法來實(shí)現(xiàn)。
將偽基片從底層基片殘余部分上拆分下來在很大程度上可以解決前述問題。當(dāng)市售的底層基片與待生長(zhǎng)的均相外延層或異質(zhì)外延層不相容時(shí)，由于所獲得的偽基片(pseudo substrate)獨(dú)立于基片的殘余部分，因此可以降低該不相容性，因此幾乎不會(huì)受到后者的不合乎需要的性質(zhì)的影響。所以在此方法中仍然存在的子層(sub-layer)的影響可以被降至最低，因而不會(huì)起主要作用。
考慮到底層基片和所需外延層之間結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)的不相容性，以及熱膨脹系數(shù)的差異，由于本身已經(jīng)存在的提供在底層基片頂部的加強(qiáng)層(stiffening layer)通過異質(zhì)外延法進(jìn)行生長(zhǎng)，因此根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生偽基片也是有利的。這意味著通過為加強(qiáng)層選擇合適的材料(其選擇取決于底層材料的性質(zhì)和未來的外延層的性質(zhì))，可以降低上述那些不相容性。此外，在所需外延層在偽基片頂部生長(zhǎng)的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)的應(yīng)變能夠很大程度上在偽基片內(nèi)部被吸收。因此，產(chǎn)生由本發(fā)明的方法制造的偽基片可以用于提供具有更高品質(zhì)的外延層或薄膜。
為獲得經(jīng)分離的偽基片，加強(qiáng)層應(yīng)該足夠厚，以使偽基片具有獨(dú)立的性質(zhì)。這意味著偽基片必須足夠堅(jiān)固，從而能夠經(jīng)受從基片殘余部分上進(jìn)行分離的處理步驟；或者偽基片必需足夠穩(wěn)定，從而能夠用適當(dāng)?shù)姆椒◤幕臍堄嗖糠稚先∠?，目的是例如將其放在其它設(shè)備上進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
為了進(jìn)一步提高外延基片的晶體品質(zhì)，進(jìn)行加強(qiáng)層的生長(zhǎng)時(shí)、拆分時(shí)和均相外延層或異質(zhì)外延層生長(zhǎng)時(shí)的溫度范圍如下a)加強(qiáng)層的生長(zhǎng)在第一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，該溫度范圍的選擇使得在實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)的同時(shí)，弱界面不會(huì)發(fā)生可能令偽基片變形或損壞的變化，b)加強(qiáng)層一旦生長(zhǎng)到足夠厚，則停止生長(zhǎng)，升高溫度以進(jìn)一步弱化弱界面來實(shí)現(xiàn)分離，從而產(chǎn)生偽基片，在一個(gè)變化形式中，也可以應(yīng)用機(jī)械能來取代熱能，從而在弱界面處實(shí)現(xiàn)拆分，和c)拆分之后選擇溫度使得外延層的生長(zhǎng)條件得到優(yōu)化，以獲得改善的晶體品質(zhì)。
這樣，在拆分之前選擇溫度是為了平衡晶體的生長(zhǎng)并防止拆分，在拆分之后溫度可以僅適應(yīng)于生長(zhǎng)參數(shù)。
根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方案，外延層的生長(zhǎng)可以發(fā)生在第三溫度范圍內(nèi)，其溫度高于第一溫度范圍。這樣，對(duì)于外延層可以選擇優(yōu)化的生長(zhǎng)溫度，該溫度高于加強(qiáng)層的生長(zhǎng)溫度，而不必?fù)?dān)心在底層基片殘余部分中應(yīng)力的發(fā)展。
在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方案中，在提供加強(qiáng)層前進(jìn)行了注入。已知在離子注入過程中，所注入的離子不僅會(huì)以所需的程度擾亂基片內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)，而且還將缺陷引入到離子所經(jīng)過的層中。這意味著如果在提供加強(qiáng)層后進(jìn)行離子注入，則加強(qiáng)層將會(huì)含有可能會(huì)影響待生長(zhǎng)的外延層的品質(zhì)的缺陷。因此，先進(jìn)行離子注入，然后進(jìn)行加強(qiáng)層的生長(zhǎng)是有利的。
在本發(fā)明的一個(gè)變化形式中，子層可以具有至多約5微米的厚度，具體地是至多約2微米，更具體地是至多約1微米的厚度。選擇相對(duì)較厚的子層具有以下優(yōu)點(diǎn)為了獲得獨(dú)立的偽基片，加強(qiáng)層的厚度可以相對(duì)較小，從而加速該過程。另一方面，通過選擇厚度相對(duì)較小的子層，子層材料的任何不利性質(zhì)(例如光學(xué)用途中的吸光率)均可以最小化。通過調(diào)節(jié)離子能量，可以很容易地進(jìn)行子層厚度的控制。所述厚度也可以比所指出的值低。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，在向偽基片上提供均相外延層或異質(zhì)外延層之前，可以從偽基片上除掉子層和/或加強(qiáng)層。
有利地，第一溫度范圍可以是從室溫左右至900℃，更具體是至800℃，第二溫度范圍可以是從超過900℃至約1100℃，和/或第三溫度范圍從超過900℃開始。對(duì)于這些溫度，能夠獲得具有改善的晶體品質(zhì)的外延基片，特別是對(duì)于GaN。
一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方案包含在注入之前對(duì)底層基片的表面施加犧牲層，特別是薄二氧化硅層(SiO2層)。在隨后的處理步驟中通過此犧牲層進(jìn)行注入。這樣做有助于保護(hù)基片表面，使其免受在高能離子注入過程中可能發(fā)生的典型的有機(jī)污染或顆粒污染。
在一個(gè)有利的方式中，可以在提供加強(qiáng)層之前，或者換句話說，在離子注入之后，除掉犧牲層。如上所述，由高能離子注入可以導(dǎo)致有機(jī)污染。當(dāng)應(yīng)用犧牲層時(shí)，污染物固定在該層上，通過在后面的步驟中除掉該層也就除掉了污染物。此外，犧牲層的結(jié)晶學(xué)性質(zhì)或熱膨脹系數(shù)可能不適于所需加強(qiáng)層或外延層的進(jìn)一步的外延生長(zhǎng)。
在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方案中，加強(qiáng)層可通過沉積施加，具體地是通過外延沉積施加，更具體地是通過分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)或?yàn)R射來施加。這些方法可以生長(zhǎng)高品質(zhì)的結(jié)晶加強(qiáng)層，其品質(zhì)對(duì)于成功地生長(zhǎng)高品質(zhì)的外延層是非常關(guān)鍵的。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，加強(qiáng)層可以生長(zhǎng)到足夠厚，以使得偽基片具有自支持性能，具體的厚度范圍是至少約5微米至50微米，更具體的范圍是約10微米至40微米。這些厚度與以下事實(shí)相關(guān)加強(qiáng)層，最終與子層一起，為偽基片提供足夠的穩(wěn)定性，以使其表面在分離步驟中不會(huì)產(chǎn)生變形或者損壞。
在提供加強(qiáng)層之前，為提高加強(qiáng)層品質(zhì)，可以對(duì)底層基片的表面進(jìn)行進(jìn)行預(yù)處理，特別是用HF蝕刻、等離子蝕刻或共同使用的標(biāo)準(zhǔn)清潔1(SC1)和標(biāo)準(zhǔn)清潔2(SC2)。
進(jìn)一步提高偽基片品質(zhì)的方法是除了加強(qiáng)層之外，在加強(qiáng)層頂部或在底層基片和加強(qiáng)層之間提供至少一個(gè)附加層。這些層有助于克服殘存的結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)和熱膨脹的差異。因此，通過施加這些種類的附加層，可以進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力，導(dǎo)致外延膜的改善。
為了更進(jìn)一步提高所生長(zhǎng)的外延層的品質(zhì)，在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，向底層基片的頂部至少提供兩個(gè)附加層，其中至少一個(gè)附加層是在注入原子物質(zhì)之前提供的。因此底層基片上的第一層或多層結(jié)構(gòu)的外延是在注入原子物質(zhì)之前進(jìn)行的。然后第一層或多層結(jié)構(gòu)可以用作用于生長(zhǎng)加強(qiáng)層的成核層，所述生長(zhǎng)是在注入步驟之后進(jìn)行的。
在本發(fā)明的另一個(gè)變化形式中，原子物質(zhì)被注入到在注入原子物質(zhì)之前提供的至少一個(gè)附加層中，因此在至少一個(gè)附加層中產(chǎn)生了基本與表面平行的一個(gè)層狀區(qū)，從而限定了弱界面。這意味著在拆分步驟之后，將不會(huì)存在來自原始基片的材料，因此可以進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力，導(dǎo)致外延膜的改善。實(shí)際上，在此情況下，底層基片的殘余部分將由整個(gè)底層基片本身和至少一個(gè)附加層的一部分構(gòu)成，后者位于朝向底層基片的弱界面的下方。
在一個(gè)有利方式中，在偽基片分離后，對(duì)底層基片殘余部分的表面進(jìn)行拋光，特別是用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)進(jìn)行拋光，并在隨后的偽基片制備過程中重新用作底層基片。這意味著由相對(duì)較貴的單晶底層基片可以生產(chǎn)出特定的不可忽視的數(shù)量的高品質(zhì)偽基片。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，底層基片由硅、碳化硅、藍(lán)寶石、砷化鎵、磷化銦(InP)或鍺(Ge)中的一種材料制成。對(duì)于外延生長(zhǎng)，這些基片通常為單晶，并且存在各種晶體方向的表面。這些基片可以很容易地獲得，并且由于它們的性質(zhì)不同，它們會(huì)形成用于生長(zhǎng)大量不同偽基片的良好的底層，從而允許生產(chǎn)更大量的具有良好的晶體性能的外延層。
為了更大地提高待生長(zhǎng)的外延層的品質(zhì)，在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，外延加強(qiáng)層由與待生長(zhǎng)的均相外延層或異質(zhì)外延層相同的材料制成，使得均相外延層或異質(zhì)外延層以均相外延生長(zhǎng)的方式生長(zhǎng)。這意味著外延薄膜和偽基片之間幾乎不存在晶體結(jié)構(gòu)和熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致高品質(zhì)的外延膜。
在本發(fā)明的另一變化形式中，加強(qiáng)層可以具有與均相外延層或異質(zhì)外延層相似的晶體結(jié)構(gòu)和/或熱膨脹系數(shù)，使得均相外延層或異質(zhì)外延層以異質(zhì)外延生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)。當(dāng)?shù)讓踊湍繕?biāo)外延膜之間的晶體結(jié)構(gòu)或熱膨脹系數(shù)之間差異過大時(shí)，有利的做法是選擇性質(zhì)處于這兩個(gè)值之間的材料作為加強(qiáng)層。這樣做可以獲得優(yōu)良結(jié)晶品質(zhì)的加強(qiáng)層，還可以在隨后的制備步驟中獲得高品質(zhì)的外延膜。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，加強(qiáng)層可以由以下材料中的一種或多種制成氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、鍺化硅(SiGe)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)，或者由這些材料制成的合金，例如AlGaN、InGaN、InGaAs或AlGaAs。這些材料對(duì)電子和光電子元件來說很受關(guān)注，并且可以以處于加強(qiáng)層中的多個(gè)層的方式布置。
當(dāng)?shù)讓踊偷壍燃訌?qiáng)層之間提供附加層或多個(gè)層時(shí)，根據(jù)底層基片和加強(qiáng)層的材料的不同，緩沖層由以下材料中的一種或多種制成是特別有利的AlN、GaN、AlGaN或其組合。通過使用這些材料作為緩沖層，最終出現(xiàn)的約束可以受到限制，從而提高將在偽基片上生長(zhǎng)的外延膜的品質(zhì)。這些材料可以以多個(gè)層的形式來布置。
在本發(fā)明的另一個(gè)變化形式中，偽基片的背側(cè)表面(不接收均相外延層或異質(zhì)外延層的表面，作為拆分的結(jié)果而產(chǎn)生的表面)的表面粗糙度約為20RMS至200RMS，具體地約為20RMS至150RMS，更具體地約為20RMS至100RMS。由于這一事實(shí)，盡管實(shí)際上將偽基片與基片的殘余部分分離，并不受其存在的影響，但在偽基片和底層基片的殘余部分之間仍存在足夠的摩擦，使得偽基片的位置能夠相對(duì)較好地保持在底層基片的殘余部分的頂部。因此，可以在同一沉積設(shè)備上繼續(xù)處理，生長(zhǎng)下一層——該層可能是另一個(gè)緩沖層或最終的均相外延層或異質(zhì)外延層——而不必以某種特定方式處理偽基片，例如將其固定在基片夾具上。
本發(fā)明還涉及一種電子器件，該電子器件在根據(jù)上述方法生產(chǎn)的外延基片上或在所述外延基片中制造。


本發(fā)明的具體實(shí)施方案將在下面的參照附圖的詳細(xì)描述中變得更加清楚，其中圖1顯示了用于制備外延基片的本發(fā)明的制備工藝的示意圖，其中圖1a至1e示意性地顯示了根據(jù)第一實(shí)施方案的外延基片制備方法；圖1f至1h示意性地顯示了包含附加處理步驟的第二個(gè)實(shí)施方案，圖1a至1h中所顯示的工藝可以在例如Smart-cut之類的工藝生產(chǎn)線上運(yùn)行。
具體實(shí)施例方式
圖1a顯示了作為外延基片制備工藝的起點(diǎn)的底層基片。該基片1具有前側(cè)面2和背側(cè)面3。對(duì)于均相外延或異質(zhì)外延的應(yīng)用而言，底層基片通常為晶體，特別是單晶類型的晶體。至少一個(gè)表面(這里為前側(cè)面2)的邊界足夠清晰以作為外延(均相外延或異質(zhì)外延)層或薄膜生長(zhǎng)的起點(diǎn)。通常，將表面拋光并為外延做準(zhǔn)備，而且基本上與通常的晶體方向一致。底層基片1的精確尺寸在重要性上并不是主要的，但是至少前側(cè)面2的表面應(yīng)該足夠大，從而能夠生長(zhǎng)足夠大的適合于隨后器件需要的外延基片。特別相關(guān)的是由硅、碳化硅、藍(lán)寶石、砷化鎵、磷化銦或鍺制成的晶片。這些晶片通常呈圓盤狀，但也可以獲得矩形或正方形的樣式。目前，圓盤狀晶片的直徑可以是從50.8mm(2英寸)至300mm，但未來可以預(yù)見更大的直徑。
圖1b顯示了下一工藝步驟的結(jié)果。將氣態(tài)物質(zhì)(特別是氫離子)注入到底層基片1中。該注入通過底層基片1的前側(cè)面2進(jìn)行。所注入的物質(zhì)產(chǎn)生了較弱的層狀區(qū)4，其基本上平行于底層基片1的前側(cè)表面2。層狀區(qū)4的深度5可以用所注入物質(zhì)的能量來進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)向碳化硅中注入氫原子時(shí)，約為100KeV的能量所產(chǎn)生的層狀區(qū)的深度約為6000。將表面2和層狀區(qū)4之間的區(qū)域定義為子層6。用Smart-cut工藝進(jìn)行離子注入是特別有利的。
圖1c顯示了隨后的處理步驟的結(jié)果，即加強(qiáng)層7的沉積。在開始進(jìn)行處理時(shí)，先對(duì)底層基片1進(jìn)行了選擇，使其材料與加強(qiáng)層7的外延相容。特別是應(yīng)該與異質(zhì)外延生長(zhǎng)相容。
在該第一外延生長(zhǎng)步驟中，加強(qiáng)層生長(zhǎng)到約為1至50微米的厚度。加強(qiáng)層7的厚度8加上子層6的厚度5需要足以產(chǎn)生獨(dú)立的偽基片10，這意味著在偽基片10與底層基片殘余部分11上分離時(shí)或分離后，加強(qiáng)層7的表面9的品質(zhì)不會(huì)劣化。典型的加強(qiáng)層材料為氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、鍺化硅(SiGe)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)或者由這些材料制成的合金，如AlGaN、InGaN、InGaAs、AlGaAs。然而，在將來的應(yīng)用中可能需要其它材料來起到加強(qiáng)層的作用。通常加強(qiáng)層7可以通過任何能夠?qū)е峦庋由L(zhǎng)的沉積方法來施加。但是通過分子束外延(MBE)沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)沉積或?yàn)R射來生長(zhǎng)是特別合適的。
選擇加強(qiáng)層7生長(zhǎng)時(shí)的溫度，使得進(jìn)行外延生長(zhǎng)，而不會(huì)在弱界面4處發(fā)生的拆分，在弱界面4處發(fā)生拆分對(duì)加強(qiáng)層的品質(zhì)是不利的，甚至?xí)?dǎo)致加強(qiáng)層的損壞。通常加強(qiáng)層的生長(zhǎng)溫度為低于900℃。
圖1d顯示隨后的工藝步驟，即所產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的熱處理的結(jié)果，一旦加強(qiáng)層生長(zhǎng)已經(jīng)終止，導(dǎo)致偽基片10從底層基片的殘余部分11上拆分。由于偽基片10的總厚度(厚度5和厚度8的和)足以防止與發(fā)生斷裂的區(qū)域13相反的表面12上形成形態(tài)缺陷，因此表面12不會(huì)劣化。由于摩擦相互作用，發(fā)生斷裂的表面13的粗糙度足以使偽基片10保持在基片殘余部分11頂部的固定位置上。這對(duì)隨后的工藝步驟是有利的，特別是當(dāng)隨后的工藝步驟是在同一設(shè)備上進(jìn)行，而無需除掉偽基片10的時(shí)候。通常約為20RMS至200RMS，更具體地約為20RMS至150RMS，進(jìn)一步更具體地約為20RMS至100RMS的粗糙度均可以在此工藝中實(shí)現(xiàn)。
拆分在比加強(qiáng)層7生長(zhǎng)過程高的溫度發(fā)生。典型的溫度為900℃。
圖1e顯示隨后的工藝步驟的結(jié)果，該步驟為所需材料的外延生長(zhǎng)，它導(dǎo)致均相外延層或異質(zhì)外延層的形成，從而產(chǎn)生由層6、層7和層14構(gòu)成的外延基片。在此第二沉積步驟中，可以獲得均相外延層或異質(zhì)外延層14，其中所述第二沉積步驟用與第一沉積步驟類似的方式進(jìn)行，但現(xiàn)在可以選擇對(duì)于外延生長(zhǎng)的最佳溫度，而不必考慮拆分工藝。
根據(jù)工藝的目標(biāo)，第二層14的材料可以與偽基片11的加強(qiáng)層7的材料相同，或者，在異質(zhì)外延生長(zhǎng)中，層14的材料可以與加強(qiáng)層7的材料不同。因?yàn)閷位?0從底層基片殘余部分11上拆分，所以此第二層14的晶體品質(zhì)非常好?？梢韵蓱?yīng)力引起的缺陷。通常偽基片10的子層6(它含有底層基片1的材料)的負(fù)效應(yīng)可以被忽略，這是因?yàn)橥ǔ＿x擇其厚度使其明顯低于加強(qiáng)層7的厚度，這實(shí)際上意味著該偽基片11的行為類似于加強(qiáng)層7的材料的大塊基片。
這還意味著第二膜14的厚度不受限制，尤其是在層14的材料和層7的材料相同的時(shí)候更是如此。甚至還可以生長(zhǎng)橫向厚度變化的膜14。實(shí)際上偽基片10沒有對(duì)第二層14的結(jié)構(gòu)或厚度施加限制?？梢詰?yīng)用該工藝?yán)鐏砩L(zhǎng)高品質(zhì)的單晶，特別是當(dāng)層14和層7的材料是相同的時(shí)候；或者建立異質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致類似激光二極管的器件的形成。
在一個(gè)可選的工藝步驟(未示出)中，可以例如用干法蝕刻技術(shù)或者濕法蝕刻技術(shù)除掉子層6。
可以對(duì)底層基片1的殘余部分11進(jìn)行拋光，特別是用化學(xué)機(jī)械拋光法(CMP)進(jìn)行拋光，然后在隨后的偽基片10或外延基片生產(chǎn)過程中重新用作底層基片。
圖1f至1h顯示了已經(jīng)描述過的工藝的變化形式。對(duì)于第一實(shí)施方案，它們適合于插入到圖1a和圖1c所示的工藝步驟之間，從而取代與圖1b對(duì)應(yīng)的工藝步驟。
圖1f顯示了包含將犧牲層15沉積在底層基片1的頂部的工藝步驟的結(jié)果。該犧牲層15例如由二氧化硅制成，通過一種現(xiàn)有技術(shù)中已知的常用方法沉積。該犧牲層保護(hù)底層基片1的前側(cè)面2，使其免受在隨后的離子注入工藝步驟中可能產(chǎn)生的有機(jī)污染和顆粒污染。
圖1g顯示了離子注入步驟的結(jié)果。它與結(jié)合圖1b所描述的工藝步驟相同。但是，由于犧牲層15的存在，層狀區(qū)4的深度5比第一實(shí)施方案中小，這是因?yàn)樵谕瑯拥哪芰克较職鈶B(tài)物質(zhì)現(xiàn)在要穿過犧牲層，結(jié)果氣態(tài)物質(zhì)在較淺的深度5處停止。
圖1h顯示了除掉犧牲層的步驟的結(jié)果。在離子注入后，為了獲得底層基片1的清潔的前側(cè)面2表面，除掉犧牲層15。下一步是加強(qiáng)層的生長(zhǎng)，這與已經(jīng)結(jié)合圖1c進(jìn)行描述的工藝相同。
幾種其它替換產(chǎn)生了不同的實(shí)施方案。它們沒有在附圖中顯示，但是下面將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明。
為了進(jìn)一步提高加強(qiáng)層7和第二均相外延層或異質(zhì)外延層14的品質(zhì)，可以包括其它步驟。在施加加強(qiáng)層之前，為了促進(jìn)外延加強(qiáng)層7的成核，可以對(duì)前側(cè)表面2進(jìn)行準(zhǔn)備。為此可以使用采用氫氟酸(HF)的化學(xué)蝕刻、等離子蝕刻蝕刻、共同使用的標(biāo)準(zhǔn)清潔1(SC1)和標(biāo)準(zhǔn)清潔2(SC2)以及任何其它清潔技術(shù)。為了從底層基片1上除掉表面缺陷，在離子注入之前還可以采用熱氧化和去除氧化物。
為了提高加強(qiáng)層7的品質(zhì)，還可以使用至少一個(gè)附加層作為緩沖層。這些生長(zhǎng)在底層基片1上的附加層能夠緩解可能出現(xiàn)在加強(qiáng)層7內(nèi)部的任何應(yīng)力。典型的材料為氮化鋁、氮化鎵、氮化鋁鎵或其組合。也可以應(yīng)用復(fù)雜的緩沖技術(shù)如橫向附晶生長(zhǎng)(lateral overgrowth)等。在偽基片10和所需均相外延層或異質(zhì)外延層14之間還可以施加相同種類的附加層?？梢栽谧⑷氩襟E之前和/或注入步驟之后生長(zhǎng)附加層。在另一個(gè)變化形式中，通過注入將較弱的區(qū)域放入注入前生長(zhǎng)的一個(gè)附加層的內(nèi)部。
最終在生長(zhǎng)均相外延層或異質(zhì)外延層14之后，可以在基片上生長(zhǎng)其它層。
理想地，至少工藝步驟1c至1e在同一設(shè)備上進(jìn)行，而無需移動(dòng)偽基片10，這樣將降低向偽基片上或偽基片中引入污染物或劃傷的風(fēng)險(xiǎn)?？蛇x擇地，如果對(duì)所計(jì)劃的工藝有利，可以在步驟1d后將偽基片10從基片殘余部分11上分離下來。因此，偽基片的厚度需要足以進(jìn)行處理和從設(shè)備之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。
通過該制備方法獲得的均相外延膜或異質(zhì)外延膜14特別是由氮化鎵、鍺化硅、氮化鋁或氮化銦制成的薄膜。下面將詳述在碳化硅底層基片上制備外延氮化鎵膜的實(shí)施例。
提供具有硅封閉的表面的6H或4H復(fù)合型(poly type)單晶碳化硅或3C(三方)碳化硅作為底層基片?？商鎿Q地，該工藝也可以適用于由藍(lán)寶石制成的底層基片。使用氫離子進(jìn)行離子注入，劑量為2×1016H+/cm2～8×1016H+/cm2，能量為30KeV～210KeV，特別是劑量為5×1016H+/cm2，能量為120KeV。離子通過底層基片1的前側(cè)表面2注入。如上所述，可以使用犧牲層15防止污染。當(dāng)使用碳化硅時(shí)，可以通過加熱處理生長(zhǎng)厚度為幾百的二氧化硅層。注入后，可以用濃度為百分之十的氫氟酸(HF)除掉二氧化硅。通常20分鐘的時(shí)間足以除掉氧化層。
在下一步中，在低于800℃的溫度下通過MBE將氮化鎵沉積在經(jīng)注入的碳化硅底層基片上。該第一外延層相當(dāng)于加強(qiáng)層7，且厚度為幾微米?？蛇x擇地，在沉積氮化鎵之前，可以使用緩沖技術(shù)。另一個(gè)可選擇的步驟是在沉積前通過使用氫氟酸的化學(xué)蝕刻、或等離子蝕刻或共同使用的SC1和SC2清潔來清潔表面。
在下一步中，將試樣加熱至900℃或900℃以上，偽基片10和碳化硅底層基片殘余部分11之間發(fā)生斷裂。然后發(fā)生第二外延生長(zhǎng)步驟，其中氮化鎵生長(zhǎng)至厚度可達(dá)約200微米至300微米，從而生長(zhǎng)速度可以相對(duì)較高，例如為50μm/小時(shí)。該生長(zhǎng)步驟在900℃以上的溫度發(fā)生，對(duì)此可以進(jìn)一步改善為獲得具有更高結(jié)晶品質(zhì)的外延膜的生長(zhǎng)條件。
最后，將基片和新生長(zhǎng)的氮化鎵層返回到室溫，并可以將氮化鎵膜從基片上分離下來?？梢允褂没瘜W(xué)手段清潔氮化鎵的背側(cè)，以除掉任何殘留的碳化硅。通過用化學(xué)機(jī)械拋光來拋光原始碳化硅底層基片的表面來對(duì)其進(jìn)行循環(huán)利用。
權(quán)利要求
1.一種外延基片的制備方法，特別是GaN、SiGe、AlN或InN外延基片的制備方法，所述方法包含以下步驟-提供晶體底層基片(1)；-向底層基片(1)中注入原子物質(zhì)，特別是氫離子和/或稀有氣體，在底層基片(1)內(nèi)部產(chǎn)生基本平行于底層基片(1)的表面(2)的層狀區(qū)(4)，由此在底層基片殘余部分(11)和子層(6)之間限定弱界面；-在第一預(yù)定溫度范圍內(nèi)，在底層基片(1)的子層(6)的表面上生長(zhǎng)異質(zhì)外延加強(qiáng)層(7)；-由于在第二預(yù)定溫度范圍中的熱處理，將所述加強(qiáng)層(7)和所述底層基片(1)的子層(6)一起從底層基片的殘余部分(11)上拆分下來，以產(chǎn)生偽基片(10)，所述第二預(yù)定溫度范圍的溫度比所述第一溫度范圍的溫度高；和-在所述偽基片(10)上生長(zhǎng)均相外延層或異質(zhì)外延層(14)。
2.如權(quán)利要求1所述的外延基片的制備方法，其中所述均相外延層或異質(zhì)外延層(14)的生長(zhǎng)發(fā)生在第三預(yù)定溫度范圍內(nèi)，所述第三預(yù)定溫度范圍的溫度比第一預(yù)定溫度范圍的溫度高。
3.如權(quán)利要求1或2所述的外延基片的制備方法，其特征在于在提供所述加強(qiáng)層(7)之前進(jìn)行注入。
4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于所述子層(6)的厚度最多約為5μm，具體地最多約為2μm，更具體地其厚度最多約為1μm。
5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于所述第一溫度范圍是從室溫左右至900℃，更具體地為至800℃，所述第二溫度范圍是從超過900℃至約1100℃，和/或所述第三溫度范圍從超過900℃的溫度開始。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于在注入之前將犧牲層(15)，特別是薄二氧化硅(SiO2)層施加到底層基片(1)的表面(2)上，穿過所述犧牲層(15)進(jìn)行注入。
7.如權(quán)利要求6所述的外延基片的制備方法，其特征在于在提供所述加強(qiáng)層(7)之前除掉所述犧牲層(15)。
8.如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于通過沉積施加所述加強(qiáng)層(7)，特別是通過外延沉積施加，更特別是通過分子束外延(MBE)、通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、通過氫化物氣相外延(HVPE)或通過濺射施加。
9.如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于所述加強(qiáng)層(7)生長(zhǎng)到足夠厚，以使得偽基片(10)具有自支持性能，具體的厚度范圍是約5μm至50μm，更具體的范圍是約10μm至40μm。
10.如權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于在提供所述加強(qiáng)層(7)之前，對(duì)底層基片(1)的表面(2)進(jìn)行預(yù)處理，特別是用HF蝕刻、等離子蝕刻或共同使用的標(biāo)準(zhǔn)清潔1(SC1)和標(biāo)準(zhǔn)清潔2(SC2)進(jìn)行預(yù)處理。
11.如權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于除了所述加強(qiáng)層(7)之外，在所述加強(qiáng)層的頂部或在底層基片(1)和所述加強(qiáng)層(7)之間提供至少一個(gè)附加層。
12.如權(quán)利要求11所述的外延基片的制備方法，其特征在于在所述底層基片的項(xiàng)部提供至少兩個(gè)附加層，由此產(chǎn)生改性的底層基片，其中至少一個(gè)附加層是在注入原子物質(zhì)之前提供的。
13.如權(quán)利要求12所述的外延基片的制備方法，其特征在于將所述原子物質(zhì)注入到在注入所述原子物質(zhì)之前提供的經(jīng)改性的底層基片的至少一個(gè)附加層中，在所述至少一個(gè)附加層的內(nèi)部產(chǎn)生與表面基本平行的層狀區(qū)，由此限定弱界面。
14.如權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于分離所述偽基片(10)后，對(duì)底層基片殘余部分(11)的表面(13)進(jìn)行拋光，特別是用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)進(jìn)行拋光，并在隨后的偽基片(10)的制備工藝中重新用作底層基片(1)。
15.如權(quán)利要求1至14任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于所述底層基片(1)由硅、碳化硅、藍(lán)寶石、砷化鎵、磷化銦(InP)或鍺(Ge)中的一種材料制成。
16.如權(quán)利要求1至15任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于外延加強(qiáng)層(7)由與均相外延層或異質(zhì)外延層(14)相同的材料制成，使得均相外延層或異質(zhì)外延層(14)以均相外延生長(zhǎng)的方式生長(zhǎng)。
17.如權(quán)利要求1至15任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于外延加強(qiáng)層(7)具有與均相外延層或異質(zhì)外延層(14)相似的晶體結(jié)構(gòu)和熱膨脹系數(shù)，使得均相外延層或異質(zhì)外延層(14)以異質(zhì)外延生長(zhǎng)的方式生長(zhǎng)。
18.如權(quán)利要求1至17任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于所述加強(qiáng)層(7)由以下材料中的一種或幾種制成氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、鍺化硅(SiGe)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)或由這些材料制成的合金，例如AlGaN、InGaN、InGaAs或AlGaAs。
19.如權(quán)利要求10至18任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于在底層基片(1)和GaN等的加強(qiáng)層(7)之間的附加層是緩沖層，所述緩沖層由以下材料中的一種或幾種制成AlN、GaN、AlGaN或其組合。
20.如權(quán)利要求1至19任一項(xiàng)所述的外延基片的制備方法，其特征在于所述偽基片(10)的背側(cè)表面(13)的表面粗糙度為約20RMS至200RMS，具體地為約20RMS至150RMS，更具體地為約20RMS至100RMS，所述偽基片(10)的背側(cè)表面(13)是不接收均相外延層或異質(zhì)外延層(14)的表面，并且由于拆分而形成。
21.一種電子器件，所述電子器件生產(chǎn)在外延基片(14)上或外延基片(14)的內(nèi)部，所述外延基片(14)由權(quán)利要求1至20任一項(xiàng)所述的方法生產(chǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種外延基片的制備方法，特別是制備GaN、SiGe、AIN或InN外延基片的方法。本發(fā)明的目的是提供一種外延基片的制備方法，該方法能夠進(jìn)一步降低基片的影響，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。本發(fā)明的目的通過下述步驟實(shí)現(xiàn)提供底層基片，在底層基片中注入原子物質(zhì)以產(chǎn)生較弱的層狀區(qū)，在第一溫度下在底層基片表面提供外延加強(qiáng)層，和在更高的第二溫度下分離加強(qiáng)層，特別是與底層基片的子層一起從底層基片殘余部分上分離，由此使所分離的材料產(chǎn)生偽基片，在該偽基片上提供均相外延層或異質(zhì)外延層。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1802739SQ200480015751
公開日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者布魯斯·富爾 申請(qǐng)人:硅絕緣體技術(shù)有限公司