專利名稱：用于基于氮化鎵或其它氮化物的半導(dǎo)體裝置的背側(cè)應(yīng)力補償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及半導(dǎo)體裝置。且更具體地說，本發(fā)明涉及用于基于氮化鎵或其它氮化物的半導(dǎo)體裝置的背側(cè)應(yīng)力補償。
背景技術(shù)：
正研究各種III-V族化合物以用于高功率電子應(yīng)用。這些化合物包括“III族氮化物”，例如氮化鎵(GaN)以及氮化鋁鎵(AWaN)。這些化合物通常通過襯底(例如硅、藍寶石及碳化硅)上的外延生長來制造。歸因于硅襯底的較低的制造成本，使用硅襯底通常是優(yōu)選的。同樣，硅襯底適合與其它基于硅的裝置(例如CMOS及BiCMOS裝置)單片集成。一個問題是硅<111>襯底上的III族氮化物的外延生長通常導(dǎo)致較大的晶格及熱系數(shù)失配。晶格失配可引起外延層及襯底的凹入彎曲，以及大穿透位錯密度形成。當外延層的厚度超過臨界值時，還可能發(fā)生斷裂及分層((!elimination)。外延層與襯底之間的高熱失配可在冷卻期間產(chǎn)生張應(yīng)力，其可能導(dǎo)致額外的斷裂及分層。發(fā)生的斷裂及分層可基于硅襯底的直徑、硅襯底的厚度及外延層的厚度而改變。 對于較小直徑的硅襯底(例如三英寸及四英寸直徑的晶片)，在沒有斷裂的情況下，可實現(xiàn)的最大外延層厚度通常為約2. 5 μ m到3 μ m。對于較大直徑的硅襯底(例如六英寸直徑的晶片或以上)，在沒有斷裂的情況下，針對約650 μ m到700 μ m的襯底厚度，可實現(xiàn)的最大外延層厚度通常為Ιμπι到2 μ m。具有高擊穿電壓(例如大于1000V)的功率裝置通常需要超過3 μ m的外延層厚度，其通常無法使用當前方法用較大硅襯底來實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容


為了更完整地理解本發(fā)明及其特征，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖進行的以下描述，在附圖中圖1說明根據(jù)本發(fā)明的具有背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的實例半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；圖2A到2G說明根據(jù)本發(fā)明的用于形成具有帶背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的實例技術(shù)；及圖3說明根據(jù)本發(fā)明的用于形成具有帶背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的實例方法。
具體實施例方式下文論述的圖1到3及本專利文獻中用于描述本發(fā)明的原理的各種實施例僅作為說明且不應(yīng)以任何限制本發(fā)明的范圍的方式加以解釋。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的原理可在任何類型的經(jīng)合適布置的裝置或系統(tǒng)中實施。一般來說，本發(fā)明描述用于在半導(dǎo)體襯底(例如硅或絕緣體上硅(SOI)襯底)上形成“III族氮化物”裝置的技術(shù)。背側(cè)襯底應(yīng)力補償方案是用于增加在襯底前側(cè)上的一個或一個以上III族氮化物外延層的厚度。“III族氮化物”指代使用氮及至少一種III族元素形成的化合物。實例III族元素包含銦、鎵及鋁。實例III族氮化物包含氮化鎵(GaN)、 氮化鋁鎵(AWaN)、氮化銦鋁(InAlN)、氮化銦鋁鎵(IniUGaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦QnN) 及氮化銦鎵(InGaN)。作為特定實例，此技術(shù)可用于在硅或SOI晶片上形成GaN、AKiaN或其它III族氮化物外延層。圖1說明根據(jù)本發(fā)明的具有背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的實例半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 100。更具體地說，圖1說明使用至少一種III族氮化物化合物形成的實例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 100的橫截面。如圖1中所示，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包含半導(dǎo)體襯底102，其表示在其上面形成其它層或結(jié)構(gòu)的任何合適襯底。舉例來說，半導(dǎo)體襯底102可表示硅<111>襯底。半導(dǎo)體襯底102還可表示藍寶石、碳化硅或其它半導(dǎo)體襯底。所述半導(dǎo)體襯底102可具有任何合適大小，例如三英寸、四英寸、六英寸、八英寸、十二英寸或其它直徑。應(yīng)力補償層104形成于所述半導(dǎo)體襯底102的背側(cè)上。所述應(yīng)力補償層104幫助抵消由沉積在襯底102的前側(cè)上的材料產(chǎn)生的應(yīng)力。舉例來說，所述應(yīng)力補償層104可在襯底102的前側(cè)上的一個或一個以上III族氮化物外延層的形成之前形成。所述應(yīng)力補償層104可由任何合適的材料(例如氮化鋁或其它III族氮化物膜)形成。所述應(yīng)力補償層 104還可以任何合適方式形成，例如通過使用物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)或等離子體增強CVD(PECVD)。在起初的沉積期間，所述應(yīng)力補償層104可無應(yīng)力或處于輕微的張應(yīng)力或壓縮應(yīng)力之下，例如在_250MPa與+250MPa之間。成核層106形成于所述半導(dǎo)體襯底102的前側(cè)上。所述成核層106可由任何合適材料且以任何合適方式形成。舉例來說，成核層106可由低溫氮化鋁層形成，其可具有若干納米至多達IOOnm的厚度。通常包含多個層(例如層108a到108b)的熱應(yīng)力管理層108形成于所述成核層 106上。所述熱應(yīng)力管理層108可由任何合適材料且以任何合適方式形成。舉例來說，所述熱應(yīng)力管理層108可使用具有不同鎵濃度的氮化鋁鎵層的組合來形成以產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。 因為低溫氮化鋁層是可壓縮的，所以其可被插入到熱應(yīng)力管理層108中。也可使用所述熱應(yīng)力管理層108的其它配置。舉例來說，所述熱應(yīng)力管理層108可包含氮化鋁/氮化鋁鎵 (各自為幾納米厚的多個薄層)的超晶格結(jié)構(gòu)。所述熱應(yīng)力管理層108可具有最少兩個層， 且那些層可重復(fù)兩次、三次或更多次。緩沖層110可形成于所述熱應(yīng)力管理層108上，且勢壘層112形成于所述緩沖層 110上。所述緩沖及勢壘層110到112中的每一者可由任何合適材料且以任何合適方式形成。舉例來說，所述緩沖及勢壘層Iio到112兩者可由氮化鋁鎵及可代表外延層的所述層 110到112中的至少一者形成。緩沖層中110中的鋁濃度可遠遠小于勢壘層112中的鋁濃
5度。鈍化層114形成于勢壘層112上。所述鈍化層114可由任何合適材料且以任何合適方式來形成。舉例來說，所述鈍化層114可由氧化物材料形成。形成于半導(dǎo)體襯底102的背側(cè)上的應(yīng)力補償層104可在冷卻期間幫助補償由形成于半導(dǎo)體襯底102的前側(cè)上的層106到114中的各者引起的張應(yīng)力。舉例來說，在應(yīng)力補償層104(例如氮化鋁膜)形成之后，應(yīng)力補償層104可經(jīng)歷隨后的處理步驟，在所述步驟期間，在襯底102的前側(cè)上形成III族氮化物功率裝置。所述隨后的處理步驟可包含制備襯底102以供外延生長、退火工藝及形成功率裝置所需的氮化鋁鎵或其它外延層。在這些或其它步驟期間，應(yīng)力補償層104可結(jié)晶，且晶粒生長可導(dǎo)致襯底102的背側(cè)上的張應(yīng)力的增加。此應(yīng)力可補償因外延生長而累積在襯底102上的張應(yīng)力。在冷卻工藝期間，背側(cè)及前側(cè)張應(yīng)力互相補償，從而幫助使所述襯底102保持在可接受的彎度。這可幫助引起無斷裂外延膜的形成，其具有超過電流限制的功率裝置活性層(例如層110)的總厚度，從而產(chǎn)生具有較高質(zhì)量及較高裝置性能(較高的擊穿電壓及驅(qū)動電流)的膜。對于六英寸或八英寸硅<111>襯底，此技術(shù)可用于實現(xiàn)不具有斷裂的較厚 (大于3μπι)的氮化鋁鎵或其它緩沖層110。同樣，晶片級制備上的合格率可較高，從而引起較低制造成本。此外，應(yīng)力補償層104中的氮化鋁(其具有高導(dǎo)熱性)可為高溫高電力操作提供額外的散熱特性，且還可充當背側(cè)密封件，以抵御源自硅襯底背側(cè)的污染。另外， 氮化鋁層可保護金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)襯底感受器，使其免于硅污染，其可產(chǎn)生外延生長重復(fù)能力及晶片到晶片合格率所需的最小感受器及室調(diào)節(jié)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100可隨后經(jīng)進一步處理以在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100內(nèi)或半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100上形成各種集成電路裝置。舉例來說，功率裝置(如基于氮化鎵場效晶體管(FET)或高電子遷移率晶體管(HEMT))可使用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100來形成。雖然圖1說明具有背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的一個實例，但是可對圖1做出各種改變。舉例來說，雖然上文描述特定材料及制造工藝，但可使用任何其它材料及制造工藝來形成所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的各個層或其它結(jié)構(gòu)。并且，雖然已描述了特定大小或尺寸，但半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100中的每一層可具有任何合適大小、形狀及尺寸。圖2Α到2G說明根據(jù)本發(fā)明的用于形成具有帶背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的實例技術(shù)。在圖2Α中，應(yīng)力補償層104形成于襯底102的背側(cè)上。在特定實施例中，襯底102可表示硅<111>襯底(例如直徑在四英寸與十二英寸之間的晶片)。應(yīng)力補償層104可表示涂覆在襯底102上的氮化鋁層。這可使用PVD技術(shù)(例如射頻磁控濺鍍)或其它合適技術(shù)來實現(xiàn)。氮化鋁層的厚度可在0. Ιμπι到5μπι的范圍內(nèi)。氮化鋁可在室溫(RT)下或加熱到某一溫度(例如400°C )時濺鍍。這可在導(dǎo)致具有在0-250MI^的范圍內(nèi)的應(yīng)力的非晶及/或微晶氮化鋁的形成的特定條件下(例如特定襯底偏置、RF功率及 Ar/N2局部壓力)完成。在這些條件下，襯底102可如圖2A中所示以最小彎度/彎曲保持相對平坦。注意，可將任何其它非晶及/或微晶材料用于應(yīng)力補償層104中。此時，可將具有應(yīng)力補償層104的襯底102轉(zhuǎn)移到用于生長用以形成基于III族氮化物的結(jié)構(gòu)或其它功率裝置的MOCVD或其它系統(tǒng)中。舉例來說，如圖2B到2F中所示，成核層106、熱應(yīng)力管理層108、緩沖層110、勢壘層112及鈍化層114形成于襯底102的前側(cè)上。在MOCVD或其它系統(tǒng)中的加熱后且在其它層106到114的至少一些層的生長期間，非晶或微晶應(yīng)力補償層104可結(jié)晶，且在襯底102的背側(cè)上施加張應(yīng)力。來自所述前側(cè)及來自所述背側(cè)的張應(yīng)力可大致彼此抵消，從而引起減小的或最小的彎曲及具有超過所需規(guī)格 (例如用于具有大于1000V的擊穿電壓的裝置的規(guī)格)的厚度的無斷裂膜的形成。甚至在使用較大直徑的襯底102時也可實現(xiàn)此情況。如圖2G所示，可使用所述結(jié)構(gòu)來制造集成電路元件202到206。集成電路元件202 到206可表示用以形成一個或一個以上功率裝置的任何合適結(jié)構(gòu)。舉例來說，元件202到 204可表示III族氮化物FET或HEMT的源極及漏極，且元件206可表示FET或HEMT的柵極。注意，可使用如圖2A到2F中所展示而制造的結(jié)構(gòu)來制造任何合適數(shù)目及類型的III 族氮化物裝置或其它裝置。雖然圖2A到2G說明用于形成具有帶背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的技術(shù)的一個實例，但可對圖2A到2G做出各種改變。舉例來說，雖然上文描述特定材料及處理技術(shù)，但可從任何合適的材料且以任何合適的方式來形成所述結(jié)構(gòu)的每一層或其它組件。圖3說明根據(jù)本發(fā)明的用于形成具有帶背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的實例方法300。如圖3中所展示，在步驟302處，在半導(dǎo)體襯底的背側(cè)上形成應(yīng)力補償層。舉例來說，這可包含在襯底102的背側(cè)上形成氮化鋁或其它III族氮化物的非晶或微晶層作為應(yīng)力補償層104。注意，然而，應(yīng)力補償層104可由任何其它合適材料形成，且應(yīng)力補償層104無需由III族氮化物形成。在步驟304處，在襯底的前側(cè)上形成一個或一個以上III族氮化物層。舉例來說， 這可包括在襯底102上形成成核層、熱應(yīng)力管理層、緩沖層及勢壘層。然而，可依據(jù)實施方案而省略這些層中的一者或一者以上。至少一層III族氮化物材料可在此步驟中形成，例如一個或一個以上III族氮化物外延層。在步驟306處，使用應(yīng)力補償層來產(chǎn)生應(yīng)力，以便補償來自一個或一個以上III族氮化物層的應(yīng)力。舉例來說，這可發(fā)生于襯底102的前側(cè)上的III族氮化物層或其它結(jié)構(gòu)的形成期間。舉例來說，當首次形成時，如果應(yīng)力補償層104是非晶或微晶的，那么其可在后面的制造步驟期間結(jié)晶且在襯底102中產(chǎn)生較大應(yīng)力。作為特定實例，應(yīng)力補償層104 可在襯底102的一側(cè)上產(chǎn)生張應(yīng)力，所述張應(yīng)力可抵消在襯底102的另一側(cè)上產(chǎn)生的張應(yīng)力。此時，在步驟308處，可完成一個或一個以上III族氮化物裝置的形成。舉例來說， 這可包含使用所述襯底結(jié)構(gòu)來形成一個或一個以上III族氮化物FET或HEMT的源極、漏極及柵極。雖然圖3說明用于形成具有帶背側(cè)應(yīng)力補償?shù)腎II族氮化物裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的一個實例，但可對圖3做出各種改變。舉例來說，雖然展示為一系列步驟，但圖3中的各個步驟可重疊、并行地發(fā)生或以不同的順序發(fā)生。陳述已用于本專利文獻內(nèi)的某些詞及短語的定義可為有利的。術(shù)語“包含”及“包括”，以及其派生詞表示沒有限制的包括。術(shù)語“或”是包括性的，表示及/或。雖然本發(fā)明已描述了某些實施例及大體相關(guān)聯(lián)的方法，但是對這些實施例及方法的更改及排列對所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的。因此，對實例實施例的以上描述不限定或限制本發(fā)明。在不脫離如所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神及范圍的情況
7下，其它改變、代替及更改也是可能的。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括在半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)上形成應(yīng)力補償層；及在所述半導(dǎo)體襯底的第二側(cè)上形成III族氮化物層；其中所述III族氮化物層在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生的應(yīng)力通過所述應(yīng)力補償層在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生的應(yīng)力而至少部分地減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述應(yīng)力補償層包括從非晶或微晶材料形成應(yīng)力補償層；且所述方法進一步包括在隨后在所述半導(dǎo)體襯底的所述第二側(cè)上形成一個或一個以上層期間使所述非晶或微晶材料結(jié)晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中使所述非晶或微晶材料結(jié)晶包括在隨后形成所述 III族氮化物層期間使所述非晶或微晶材料結(jié)晶。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中使所述非晶或微晶材料結(jié)晶包括在退火工藝期間使所述非晶或微晶材料結(jié)晶。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述非晶或微晶材料在所述半導(dǎo)體襯底上不產(chǎn)生應(yīng)力或產(chǎn)生較小量的應(yīng)力；且所述經(jīng)結(jié)晶的材料在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生較大量的應(yīng)力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述III族氮化物層包括 在所述半導(dǎo)體襯底的所述第二側(cè)上形成成核層；在所述成核層上形成熱應(yīng)力管理層； 在所述熱應(yīng)力管理層上形成外延緩沖層；及在所述緩沖層上形成外延勢壘層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中 所述成核層包括氮化鋁層；所述熱應(yīng)力管理層包括具有不同鎵濃度的多個氮化鋁鎵層； 所述緩沖及勢壘層包括具有不同鋁濃度的氮化鋁鎵層；且所述應(yīng)力補償層包括氮化鋁層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述緩沖層具有大于3μ m的厚度。
9.一種設(shè)備，其包括 半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)上的應(yīng)力補償層；及在所述半導(dǎo)體襯底的第二側(cè)上的III族氮化物層；其中所述設(shè)備經(jīng)配置以使得所述III族氮化物層在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生的應(yīng)力通過所述應(yīng)力補償層在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生的應(yīng)力而至少部分地減小。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述應(yīng)力補償層包括非晶或微晶材料的結(jié)晶形式；所述非晶或微晶材料在所述半導(dǎo)體襯底上不產(chǎn)生應(yīng)力或產(chǎn)生較小量的應(yīng)力；且所述經(jīng)結(jié)晶的材料在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生較大量的應(yīng)力。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述III族氮化物層包括 在熱應(yīng)力管理層及成核層上的外延緩沖層；及在所述緩沖層上的外延勢壘層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中 所述成核層包括氮化鋁層；所述熱應(yīng)力管理層包括具有不同鎵濃度的多個氮化鋁鎵層； 所述緩沖及勢壘層包括具有不同鋁濃度的氮化鋁鎵層；且所述應(yīng)力補償層包括氮化鋁層。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述緩沖層具有大于3μ m的厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其進一步包括 在所述III族氮化物層上的鈍化層。
15.一種系統(tǒng)，其包括 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括 半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)上的應(yīng)力補償層；及在所述半導(dǎo)體襯底的第二側(cè)上的III族氮化物層；及在所述III族氮化物中或在所述III族氮化物上的III族氮化物集成電路裝置； 其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)經(jīng)配置以使得所述III族氮化物層在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生的應(yīng)力通過所述應(yīng)力補償層在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生的應(yīng)力而至少部分地減小。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中 所述應(yīng)力補償層包括非晶或微晶材料的結(jié)晶形式；所述非晶或微晶材料在所述半導(dǎo)體襯底上不產(chǎn)生應(yīng)力或產(chǎn)生較小量的應(yīng)力；且所述經(jīng)結(jié)晶的材料在所述半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生較大量的應(yīng)力。
17.根據(jù)權(quán)利要去15所述的系統(tǒng)，其中所述III族氮化物層包括 在熱應(yīng)力管理層及成核層上的外延緩沖層；及在所述緩沖層上的外延勢壘層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中 所述成核層包括氮化鋁層；所述熱應(yīng)力管理層包括具有不同鎵濃度的多個氮化鋁鎵層； 所述緩沖及勢壘層包括具有不同鋁濃度的氮化鋁鎵層；且所述應(yīng)力補償層包括氮化鋁層。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述緩沖層具有大于3μ m的厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述III族氮化物集成電路裝置包括以下各項中的至少一者 π族氮化物場效晶體管FET及III族氮化物高電子遷移率晶體管ΗΕΜΤ。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種方法，其包含在半導(dǎo)體襯底(102)的第一側(cè)上形成(302)應(yīng)力補償層(104)及在所述襯底的第二側(cè)上形成(304)III族氮化物層(108a、108b、110、112)。所述III族氮化物層在所述襯底上產(chǎn)生的應(yīng)力通過所述應(yīng)力補償層在所述襯底上產(chǎn)生的應(yīng)力而至少部分地減小(306)。形成所述應(yīng)力補償層可包含從非晶或微晶材料形成應(yīng)力補償層。并且，所述方法可包含在隨后在所述襯底的所述第二側(cè)上形成一個或一個以上層(106到114)期間使所述非晶或微晶材料結(jié)晶。使所述非晶或微晶材料結(jié)晶可發(fā)生于隨后形成所述III族氮化物層期間及/或退火工藝期間。所述非晶或微晶材料可在所述襯底上不產(chǎn)生應(yīng)力或產(chǎn)生較小量的應(yīng)力，且所述經(jīng)結(jié)晶的材料可在所述襯底上產(chǎn)生較大量的應(yīng)力。
文檔編號H01L21/20GK102549716SQ201080042886
公開日2012年7月4日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者賈邁勒·拉姆達斯 申請人:國家半導(dǎo)體公司