形成高電子遷移率半導(dǎo)體器件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及形成高電子遷移率半導(dǎo)體器件的方法。在實(shí)施例中，通過包含提供第一半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)基板，以及在基礎(chǔ)基板上形成SiC或者III-V系材料之一的層的方法，形成半導(dǎo)體器件。在不同實(shí)施例中，基礎(chǔ)基板可以是硅，多孔硅，或者其上形成有成核位點(diǎn)的多孔硅，或者在(111)面中的硅。
【專利說明】形成高電子遷移率半導(dǎo)體器件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般而言涉及電子器件，更具體而言，涉及半導(dǎo)體及其結(jié)構(gòu)、以及形成半導(dǎo)體器件的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]以往，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)利用各種方法來形成使用了 III系半導(dǎo)體材料、諸如氮化鎵(GaN)作為半導(dǎo)體材料之一的半導(dǎo)體器件。該器件通常地形成在GaN基板上。然而，GaN比較昂貴，結(jié)果導(dǎo)致對于半導(dǎo)體器件而言成本高。
[0003]從而，期望的是具有成本低的使用GaN或者其他II1-V系和/或I1-VI系材料、諸如III族氮化物系材料的半導(dǎo)體器件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]圖1概要地示出依據(jù)本發(fā)明的可能對于形成GaN有用的晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的示例；
[0005]圖2概要地示出依據(jù)本發(fā)明的GaN和硅的晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的示例；
[0006]圖3-圖5示出依據(jù)本發(fā)明的形成GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的方法的實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段；
[0007]圖6示出依據(jù)本發(fā)明的納米多孔硅的各種圖像；
[0008]圖7-圖12示出依據(jù)本發(fā)明形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段；
[0009]圖13-圖15示出依據(jù)本發(fā)明形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段；
[0010]圖16-圖19示出依據(jù)本發(fā)明形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段；
[0011]圖20-圖21示出依據(jù)本發(fā)明形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段；
[0012]圖22-圖24示出依據(jù)本發(fā)明形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段；
[0013]圖25示出依據(jù)本發(fā)明形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例；
[0014]圖26-圖28示出依據(jù)本發(fā)明形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段；以及
[0015]圖29-圖31示出依據(jù)本發(fā)明形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段。

【具體實(shí)施方式】
[0016]為了示出的簡潔和清晰，圖中的元件不一定是成比例的，而且不同圖中的相同參考號碼表示相同的元件，除非另有規(guī)定。另外，為了說明的簡潔起見，省略了周知步驟和元件的說明和細(xì)節(jié)。本文使用的電流承載電極或者電流承載元件意味著承載電流經(jīng)由器件的該器件的元件，諸如是MOS晶體管的源極或者漏極、或者雙極晶體管的發(fā)射極或者集電極、或者二極管的陰極或者陽極；控制電極意味著控制電流經(jīng)由器件的該器件的元件，諸如是MOS晶體管的柵極、或者雙極晶體管的基極。盡管在此處說明的器件作為某些N溝道或者P溝道器件、或者某些N型或者P型摻雜區(qū)，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，依據(jù)本發(fā)明互補(bǔ)器件也是可能的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，導(dǎo)電類型指的是經(jīng)由其發(fā)生導(dǎo)電、諸如經(jīng)由空穴或者電子的導(dǎo)電的機(jī)制，因此，導(dǎo)電類型不是指摻雜濃度，而是摻雜類型、諸如P型或者N型。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，本文使用的涉及電路操作的詞語“在……期間”、“當(dāng)……時(shí)”和“在……時(shí)”不是意味著動作在啟動動作的瞬間發(fā)生的嚴(yán)格的術(shù)語，而是可以有一些小但是合理的延遲、諸如在由最初動作啟動的反應(yīng)之間的各種傳播延遲。另外，術(shù)語“當(dāng)……時(shí)”意味著某一動作至少發(fā)生在啟動動作的持續(xù)時(shí)間的一些部分中。使用的詞語“約”或者“大體上”意味著元件的值具有預(yù)計(jì)為接近規(guī)定值或者規(guī)定位置的參數(shù)。然而，如本領(lǐng)域周知的那樣，總是會有阻止該值或者位置恰好如規(guī)定那樣的小偏差。本領(lǐng)域已公認(rèn)高達(dá)至少10%(對于半導(dǎo)體摻雜濃度而言,高達(dá)20%)的偏差是距離如上所述的理想目標(biāo)的合理的偏差。權(quán)利要求或/和附圖的具體說明中中的被用于元件名的一部分的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等是用于區(qū)分類似的元件的，不一定用來說明或者時(shí)間上的，或者空間上的排名或者其他任何方式的順序。應(yīng)該理解的是，這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)?shù)木硾r下是可互換的 ，本文說明的實(shí)施例可以是與本文說明或示出不同的其他順序的操作。為了使附圖清楚，器件結(jié)構(gòu)的摻雜區(qū)被示出為具有普遍的直線邊緣和精確角度的角。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，由于摻雜劑的擴(kuò)散和激活，摻雜區(qū)的邊緣一般可能不是直線，而且角可能不是精確角。
[0017]此外，說明可以示出蜂窩式設(shè)計(jì)(體區(qū)域是多個(gè)蜂窩式區(qū)域)，而不是單體設(shè)計(jì)(體區(qū)域包括以狹長圖案、通常以蛇形圖案形成的單個(gè)區(qū)域)。然而，預(yù)期的是本說明是適用于蜂窩式實(shí)施方式和單基實(shí)施方式這兩者。
[0018]圖1概要地示出可能對于形成GaN有用的晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的示例。晶體結(jié)構(gòu)可以被稱為纖鋅礦(Wurtzite)結(jié)構(gòu)。示出的GaN結(jié)構(gòu)的示例包含鎵(Ga)原子10和氮原子
11。認(rèn)為在GaN與Si的晶體結(jié)構(gòu)之間有失配。認(rèn)為GaN比Si具有更小的晶格常數(shù)。例如，在Si(Ill)上與GaN(OOOl)基面之間可能有約17%的晶格失配。還認(rèn)為在Si與GaN之間有約24%的熱膨脹失配。另外，GaN晶格常數(shù)(六方基面)小于Si (111)的晶格常數(shù)，導(dǎo)致GaN外延應(yīng)力為拉伸。在Si上形成GaN時(shí)，該差異可能導(dǎo)致高缺陷密度。缺陷密度可以在約108至1010cm-2的范圍內(nèi)。晶格失配應(yīng)力會引起錯(cuò)配位錯(cuò)、和可能約109cm_2的穿透位錯(cuò)密度(threading dislocat1n density)。該應(yīng)力可能導(dǎo)致GaN膜的開裂、或者娃基板的滑動或者開裂。由下文進(jìn)一步可知，在一個(gè)示例實(shí)施例中，形成具有II1-V或者I1-VI材料作為器件的一部分的半導(dǎo)體的方法可以包含在硅基板上形成該材料，這會降低半導(dǎo)體器件的制造成本。由下文可知，至少一個(gè)示例方法使用(100)硅來形成II1-V或者I1-VI系材料的層。其他實(shí)施例可以使用(111)娃、或者取向偏離(off-orientat1n)娃、或者其他半導(dǎo)體、或者電介質(zhì)基板。
[0019]該晶格失配應(yīng)力不應(yīng)與有益的AlGaN/GaN晶格應(yīng)變混淆。與能隙間斷(AEC)結(jié)合的該有益的應(yīng)力提供壓電效應(yīng)，該壓電效應(yīng)負(fù)責(zé)二維電子氣體(2DEG)和AlGaN/GaN高電子遷移率(HEM)晶體管(HEMT)的超高導(dǎo)電性。
[0020]圖2概要地示出硅外延的晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的示例。該視圖示出從(100)面觀察的立方晶體結(jié)構(gòu)中的硅(111)面17。(111)面17從(100)表面投影，如圖所示。在一個(gè)示例實(shí)施例中，基板可以被優(yōu)先蝕刻，暴露特定表面面諸如{111}、{112}、{110}等，并使用期望的面以減小的晶格失配和熱膨脹失配來生長異質(zhì)外延。
[0021]圖3-圖5示出形成諸如例如GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的、高電子遷移率(HEM)器件的方法的實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段。半導(dǎo)體器件可以是晶體管或者二極管或者其他HEM器件。
[0022]圖3示出包含硅基板44的半導(dǎo)體晶片40的實(shí)施例的示例的部分的減小的剖視圖，娃基板44形成為在(100)面具有表面?；?4可以是體(bulk)基板、或者可以是形成在體基板上的硅層，例如可以是形成在體硅基板、或者玻璃陶瓷、或者其他體基板上的外延層。在一個(gè)實(shí)施例中，形成基板44以暴露(111)面的側(cè)壁表面、諸如表面41和42。表面41和42可以通過蝕刻基板(100)面的表面來暴露。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解,與〈100〉方向相比，(100)表面在〈111〉方向蝕刻得更快，使得〈111〉方向形成諸如由表面41和42所示的側(cè)壁。表面41和42可以類似于圖2所示的面17。例如，基板可以被各向異性地蝕刻。
[0023]圖4示出基板44和層43的一部分的更大的視圖。
[0024]GaN或者SiC或者其他II1-V或者I1-VI系材料的高電子遷移率(HEM)結(jié)構(gòu)或者層43可以形成在基板44的(111)表面上。通常地，層43(及其材料)可以形成為外延層。在一些實(shí)施例中，由表面41和42形成的(111)面的峰可以被變平，如虛線46所示。谷可以通過填充或者其他技術(shù)變平，如虛線49所示。谷的變平可以由外延或者CVD或者其他技術(shù)形成。谷的變平還可以通過在到達(dá)銳底角之前結(jié)束蝕刻來形成。更平坦的表面便于層43更可靠地形成，諸如例如為層43形成更一致的厚度。峰可以由平面化技術(shù)、諸如例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或者其他周知的平面化操作移除。
[0025]圖5示出在基板44上形成HEM器件45的下個(gè)階段。2DEG溝道52可以形成在至少層43的一部分的GaN或者SiC或者其他II1-N或者I1-V或者I1-VI系材料的至少一部分中。在實(shí)施例中，源極電極47和漏極電極48可以形成在層43的、在(111)面的交替面(諸如例如表面41和42上)的部分上。在一個(gè)實(shí)施例中，電極47和48可以形成在覆(overlie)在表面41和42的谷上的層43的谷中。例如，導(dǎo)體材料可以被用于形成電極47和48。實(shí)施例可以包含在層43的部分上形成另一個(gè)材料，以為器件45形成2DEG溝道52 (以一般方式由虛線示出)。實(shí)施例可以包含在層43上形成溝道形成材料50。例如，氮化鋁鎵(AlGaN)的層可以形成在層43的與電極47和/或48相鄰的部分。材料50可以是輔助形成2DEG的任何材料，諸如例如AlGaN、InGaN、或者其他II1-V或者I1-VI 二元、三元、或者四元合金復(fù)合半導(dǎo)體、或者諸如結(jié)晶Ga2O3的材料和類似材料。在一個(gè)實(shí)施例中，材料50可以形成在覆在表面41和42的表面的峰、或者變平頂部部分、和/或相鄰部分的層43的表面的部分上。材料50可以在用于電極47和48的材料之前或者之后形成。對于HEM晶體管的實(shí)施例而言，柵極電極51可以形成在材料50的一部分上或者覆在其上。實(shí)施例可以包含形成材料51作為導(dǎo)體材料?？蛇x的柵極絕緣體53可以形成在材料50與柵極電極(諸如材料51的一部分)之間。絕緣體53可以是Hf02、Si02、Al2O3、或者其他周知的絕緣體材料。該方法便于增加基板的每單位面積的用于HEM半導(dǎo)體器件的總表面積，因而降低成本。
[0026]圖6示出各種類型的多孔硅和/或納米多孔硅的各種圖像。例如,硅基板可以包含在表面上具有孔或者納米孔(諸如例如圖6所示的孔)的表面。孔可以具有開口，該開口具有從約小于2納米(2nm)的直徑至約1000納米(100nm)的直徑、或者各種尺寸。形成HEM器件的方法的另一個(gè)實(shí)施例可以包含使用具有多孔硅和/或納米多孔硅表面的硅基板。多孔表面的孔可以由各種方法形成，該方法包含用酸或者其他蝕刻材料來蝕刻表面、或者通過表面的激光燒蝕。實(shí)施例可以包含使用掩模來保護(hù)基板的表面的部分，并僅在基板的表面的暴露部分形成孔。
[0027]圖7-圖12示出形成包含GaN或者SiC或者其他II1-N系或者II1-V系或者I1-VI系半導(dǎo)體材料的HEM器件的方法的實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段。本方法的實(shí)施例可以包含形成結(jié)晶區(qū)域、或者散布有絕緣體和/或氧化物的結(jié)晶區(qū)域，以便于GaN和/或SiC或者其他II1-N系或者II1-V系或者I1-VI系半導(dǎo)體材料在硅上的生長。
[0028]圖7示出2個(gè)硅基板55和57的實(shí)施例的一部分的示例的減小的剖視圖，2個(gè)硅基板55和57可以形成為在基板55和57的表面的至少一部分上具有孔，因而，分別形成多孔表面區(qū)域或者多孔表面56和58。每個(gè)基板55和57可以是體基板、或者可以是形成在體基板上的硅層。例如，可以是在體硅基板或者玻璃或者陶瓷或者其他體基板上形成的外延層。如圖6的說明解釋的那樣，并且如表面56和58的不同的相關(guān)孔示出的那樣，孔的深度和開口的直徑可以變化?？卓梢孕纬稍诨?5和/或57的(111)或者(100)面或者其他面上，以形成基板55和/或57的表面的多孔表面或者多孔區(qū)域76。
[0029]參考圖8,絕緣體層62形成在基板55或者57之一的表面上，以形成基板61。在實(shí)施例中，層62可以是二氧化硅層，通過氧化基板55和/或57的多孔表面而形成。在其他實(shí)施例中，還可以使用其他絕緣體、諸如例如Si3N4或者AlN,以替代或者添加至二氧化硅。
[0030]圖9示出在方法的示例中另一個(gè)步驟的示例下的基板61?；?1的表面可以諸如通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或者其他平面化技術(shù)而基本上被平面化，以暴露成核位點(diǎn)。例如，成核位點(diǎn)可以包含:包含散布有半導(dǎo)體區(qū)域63的絕緣體區(qū)域64的基板61的表面。絕緣體區(qū)域64的寬度由之前形成的表面56或者58中的孔的尺寸形成。由散布的硅和絕緣體區(qū)域(諸如例如區(qū)域63和64)形成的成核位點(diǎn)，在基板61的表面上形成成核區(qū)域65。
[0031]參考圖10，HEM層67的HEM結(jié)構(gòu)可以形成在基板61的表面上，諸如形成在成核區(qū)域65上。層67的材料可以是GaN或者SiC或者其他II1-N系或者II1-V系或者I1-VI系半導(dǎo)體材料或者諸如例如圖25說明中說明的多個(gè)層。在實(shí)施例中，層67的材料可以諸如通過使用MBE或者M(jìn)OCVD或者類似技術(shù)的沉積過程，來形成為外延層。認(rèn)為區(qū)域64的絕緣體材料不具有固定的晶格結(jié)構(gòu)，這可以便于區(qū)域65吸收晶格應(yīng)變的至少一部分，因而減小施加至層67的晶格應(yīng)力、諸如例如層67與基板61之間的應(yīng)力。例如，減小至少在基板61的表面附近的晶格應(yīng)力。如圖9中以一般方式示出的那樣，區(qū)域64的絕緣體材料、諸如例如二氧化硅，散布在硅區(qū)域63之間。絕緣體的存在允許晶格失配容納。層67可以被用于在基板61上形成HEM半導(dǎo)體器件或者多個(gè)HEM器件。例如，HEM器件元件可以形成在層67上，諸如例如對于器件45(圖5)說明的元件。
[0032]圖11示出在硅上、諸如例如在基板61上，形成HEM層的替代方法的步驟下的基板61。碳化硅(SiC)層69可以形成在基板61的表面上、諸如形成在成核區(qū)域65上。層67可以形成在層69上。層69的材料的晶格結(jié)構(gòu)更接近層67的晶格結(jié)構(gòu)，這會減小施加至層67的晶格應(yīng)力。
[0033]圖12示出在硅上、諸如例如在基板61，上形成HEM器件的另一個(gè)替代方法的步驟下的基板61。氮化鋁(AlN)層73可以形成在基板61的表面上、諸如形成在成核區(qū)域65上。SiC層69可以形成在層73上，而且層67可以形成在層69上?；蛘?，可以省略層69，而且層67可以形成在層73上。
[0034]在硅基板上形成HEM材料、諸如例如GaN或者SiC或者其他III或者I1-V或者I1-VI系材料會降低成本。使用多孔硅基板會減少缺陷和應(yīng)力，因而降低成本。
[0035]圖13-圖15示出形成諸如GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的另一個(gè)方法的實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段。
[0036]圖13示出多孔硅(Si)基板70、諸如例如類似于如圖7的說明中解釋的基板55或者57之一并包含多孔區(qū)域76的基板。HEM層或者層67可以形成在多孔表面76上。GaN或者SiC或者其他III或者I1-V或者I1-VI系材料可以形成在多孔硅上，該多孔硅由于晶格容納而具有低晶格應(yīng)力和高品質(zhì)。例如，認(rèn)為孔可以吸收一些應(yīng)變，這會減小施加至層67的晶格應(yīng)力。由下文進(jìn)一步可知，可以通過該方法的接下來的步驟，更進(jìn)一步減小應(yīng)變。
[0037]參考圖14，可以定義GaN器件層。例如，可以生成一般由虛線示出的脆性(friable)區(qū)域或者層77，以輔助從基板70移除層67的至少一部分。區(qū)域77可以形成在基板70的表面附近、諸如在體層或者外延層的表面上，或者可以形成在層67中與基板70的界面附近。層77可以通過分布在GaN層的層67中的近表面區(qū)域中的窄帶中的高濃度的輕元素(諸如氫或者氦)以擴(kuò)散或者離子注入來形成。或者，脆性區(qū)域77可以形成在基板70的表面附近的基板70中。區(qū)域77可以由各種方法形成，包含化學(xué)或者機(jī)械方法。區(qū)域77接下來將被用于從基板70移除層67的至少一部分，諸如移除大體上平行于基板70的表面、或者沿著層67的長軸延伸的層67的一部分。
[0038]適當(dāng)?shù)闹虚g基板或者載體材料或者載體基板79可以鍵合到層67的相反表面、諸如例如鍵合到GaN或者SiC層。在一個(gè)示例實(shí)施例中，基板79包含硅的高摻雜N型層(N+)。N+硅可以是高摻雜的硅晶片，或者可以是高摻雜區(qū)或者外延層、諸如在體硅或者玻璃或者陶瓷基板上的外延層。在其他實(shí)施例中，基板79可以摻雜為P型、或者可以不摻雜。基板79還可以是SiC、GaAs、Al203、Ge、或者一些其他半導(dǎo)體材料。由于基板79被鍵合至層67，晶格應(yīng)力被最小化，允許使用未摻雜的或者不同地?fù)诫s的基板。
[0039]參考圖15，熱沖擊或者其他應(yīng)力被施加至鍵合的晶片對，使得脆性層77開裂、或者從原始材料體將鍵合的材料的至少一部分分離并擺脫。例如層67可以沿著大體上平行于基板70的表面的長軸分開。這留下了層67的一部分、諸如例如GaN或者SiC層的一部分，附接至基板79。在一個(gè)實(shí)施例中，層77分開，以從基板70分離至少一部分層67，使得層67的一部分形成鍵合至基板79上的層80，層67的另一個(gè)部分保持附接至基板70。具有最多缺陷的層67的該部分、諸如例如GaN或者SiC層的該部分歸屬于基礎(chǔ)基板(諸如歸屬于基板70)，并且并非在基板79 (諸如例如中間基板)上的結(jié)果層80 (諸如例如GaN或者SiC層)的一部分。在基板70的一些硅可以保持附接至層80的情況下，由于蝕刻選擇性，任何殘留的硅可以容易從層80被移除。另外，層80，諸如例如GaN或者SiC層，可以再次遷移，例如如圖22-23的說明所示，以具有被暴露用來進(jìn)一步外延沉積，并將層加厚用于以低缺陷密度制造器件的最有效的生長表面。層80可以被用于在硅基板79上形成HEM半導(dǎo)體器件，如上文解釋的那樣。
[0040]另外，基板70可以被重復(fù)使用來生長另外的GaN、SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體材料。該方法的一個(gè)示例在圖22-31的說明中說明。
[0041]由于多孔硅的晶格容納，該方法導(dǎo)致高品質(zhì)的GaN或者SiC層或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體層。層67的分離還會輔助移除層67中的缺陷，并改善所得的GaN、SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體材料的品質(zhì)。該方法還提供更精確的厚度控制。由于形成在硅基板上，所得的GaN或者SiC其他II1-N或者II1-V或者
I1-VI系層具有高品質(zhì)和更低成本。另外，晶片鍵合的加工成本比一次性使用GaN或者SiC基板的成本小。
[0042]圖16-圖19示出形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他II1-N系或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段的部分。
[0043]圖16示出碳化硅(SiC)基板84的一部分的實(shí)施例的示例的減小的剖視圖。層67可以形成在基板84的表面上。認(rèn)為因?yàn)榛?4與層67的材料之間的更接近的晶格匹配，層67具有減少了的缺陷。由下文進(jìn)一步可知，層67的一部分可以被移除并被用于形成品質(zhì)改善且成本降低的HEM器件。在替代實(shí)施例中，可選的AlN層85可以在形成層67之前，形成在基板84的表面上，例如諸如在圖29-31的說明中說明的那樣，而且層67可以形成在層85上。
[0044]參考圖17，根據(jù)方法的另一個(gè)步驟，脆性區(qū)域77形成在層67中或者其表面附近的基板84中。除了 SiC外，基板84還可以是S1、GaAs、Al203、Ge、或者一些其他半導(dǎo)體材料。
[0045]參考圖18，層67的部分、例如III系材料或者GaN或者SiC或者例如其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體材料的一部分，沿著或者在脆性區(qū)域77附近被移除。分開脆性區(qū)域77可以將層67分離為兩部分，具有作為層88保持附接至基板84的第一部分88、以及從基板84分離的第二部分87。
[0046]參考圖19，層67的部分87，例如移除的層，可以鍵合至或者附接至中間基板90，并形成層87?；?0可以類似于如上文說明的基板79(圖14)?；?0還可以是SiC、GaAs, Al2O3, Ge、或者一些其他半導(dǎo)體材料。層87可以使用周知的晶片鍵合技術(shù)附接至基板90。層87可以被用于形成HEM半導(dǎo)體器件,例如可以被用于形成具有類似于器件45 (圖5)的元件的晶體管或者二極管。
[0047]圖20-圖21示出形成包含GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段。
[0048]參考圖20，GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系層可以形成在SiC基礎(chǔ)基板上。在一個(gè)實(shí)施例中，層67可以形成在基板84上。脆性區(qū)域77可以形成在層67或者基板84中，如上文解釋的那樣。例如，脆性區(qū)域77可以形成為如上文解釋的那樣，諸如例如在形成于SiC基板的III系材料中形成。硅中間基板90可以鍵合到III系層上。在一個(gè)實(shí)施例中，基板90可以鍵合到層67上。
[0049]參考圖21，層67的一部分可以從基板84被移除，并保持鍵合至基板90。例如III系材料或者例如GaN的一部分沿著或者在脆性區(qū)域77附近被移除。區(qū)域77可以沿著長軸、諸如例如大致沿著基板84的表面的面被分開，從而分開層67。層67的部87可以從基板84分離，并保持鍵合至基板90。在一個(gè)實(shí)施例中，層67，例如III系材料，約沿著脆性區(qū)域或者在其附近分開，留下層67或者III系材料的部分在硅中間基板上。在實(shí)施例中，中間基板90優(yōu)選的是硅(111)，但也可以是其他半導(dǎo)體，而且具有選定的極性或者晶體取向和/或摻雜水平。
[0050]HEM半導(dǎo)體器件然后可以在層87中形成，如上文說明的那樣。在實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件可以形成在GaN或者其他III系層中。
[0051]圖22-圖25示出形成GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段。
[0052]圖22在使用基板90從層67移除層87之后的階段開始，諸如在圖18_19或者圖20-21的說明中解釋的那樣。實(shí)施例在使用Si中間基板從SiC基礎(chǔ)基板移除III系材料層(諸如例如GaN)之后開始，諸如在圖19或者圖21的說明中解釋的那樣。層87可以通過晶片鍵合使用周知的晶片鍵合技術(shù)附接至基板90，或者可以使用范德華力進(jìn)行鍵合。脆性區(qū)域77形成在層87中。
[0053]參考圖23，在實(shí)施例中，另一個(gè)中間基板94附接至層87。在實(shí)施例中，基板94是類似于基板79或者90的，而且被鍵合至層87。實(shí)施例可以包含另一個(gè)中間基板、諸如Si中間基板，被鍵合至III系層的表面。
[0054]參考圖24，脆性層77被分開，從而以大體上沿著約在基板90的表面的面中的長軸將層87分開，留下層87的一部分附接至基板94作為HEM層95。另一個(gè)實(shí)施例可以包含移除第一中間基板，在第二中間基板上留下III系層。HEM半導(dǎo)體器件可以形成在層95上、諸如例如III系層上。
[0055]一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該實(shí)施例能夠使用層95的面、例如諸如III系的前面(諸如GaN中的Ga面)層作為正面，用于另外的GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系層、諸如例如另外的外延層、諸如AlGaN(例如參見圖25)的高生長速率。
[0056]圖25示出形成包含GaN或者SiC或者其他111系器件或者其他II I_N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例。在實(shí)施例中，III系層可以包含一起形成的多個(gè)層。任何層67或者87或者95可以包含多個(gè)層。例如，AlN層97可以形成在基板94或者其他上文解釋的基板上、諸如例如基礎(chǔ)基板上。GaN層98可以形成在AlN層97上。AlGaN層99可以形成在GaN層98上，并且/或GaN層100或者其他III系材料可以形成在AlGaN層99上。
[0057]在一個(gè)示例實(shí)施例中，GaN可以為約0.1至10 μ m厚，作為獨(dú)立層或者作為總多層結(jié)構(gòu)的部分。AlN層97可以為約I納米至1000納米厚(Inm至100nm)。GaN層98可以為約0.1至10微米厚(0.1至10 μ m)。AlGaN層99可以為約2至100納米厚(2至10nm)，GaN層100可以為約10至1000納米厚(10至100nm)。
[0058]圖26-圖28示出形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他III系器件或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM半導(dǎo)體器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)步驟。在一個(gè)實(shí)施例中，基板可以重新使用于多個(gè)序列的形成器件。
[0059]圖26示出在將層67分開并在晶片84上留下層67的一部分作為層88 (例如在圖18-19的說明中說明的那樣)之后附近的點(diǎn)的步驟?；?4可以被重新使用來形成其他HEM器件。實(shí)施例可以包含從基板84移除層88的殘留部分，進(jìn)而重新使用基板84。例如，該方法可以包含從SiC基礎(chǔ)基板移除III系材料層(諸如例如GaN)，例如使用諸如在圖18的說明和圖19的開始中解釋的用硅中間基板來移除GaN層。SiC基礎(chǔ)基板可以被重新使用來形成另一個(gè)III系層。
[0060]如圖26-27中示出的那樣，層88可以從基板84移除。例如，層88可以諸如通過濕法蝕刻、或者干法蝕刻、或者CMP或者其他拋光操作來移除。實(shí)施例可以包含諸如可以通過濕法蝕刻、或者干法蝕刻、或者CMP或者其他拋光操作，從基礎(chǔ)SiC基板的表面移除任何殘留的GaN。
[0061]圖28示出基板84可以接下來被重新使用來形成另一個(gè)HEM半導(dǎo)體器件。例如，另一個(gè)層67可以形成在基板84，作為操作的部分，以形成下一半導(dǎo)體器件。實(shí)施例可以包含SiC基礎(chǔ)晶片、諸如例如基板84，可以被重新使用來形成其他III系材料層的另一個(gè)GaN層。
[0062]圖29-圖31示出形成包含GaN或者SiC半導(dǎo)體器件或者其他III系器件或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件的HEM器件的方法的另一個(gè)替代實(shí)施例的示例的部分中的各個(gè)階段。該方法包含替代方法來重新使用基板、諸如例如基板84。
[0063]參考圖29，AlN層73可以形成在基板84的表面上?；?4然后可以被用于使用上文說明的技術(shù)來形成HEM器件，包含如圖16-25的說明中說明的那樣。在形成HEM器件之后，操作通常地至少留下附接至AlN層73的層88的殘留物或者一部分。
[0064]參考圖30，蝕刻過程可以被用于移除殘留在層73上的層88的一部分或者殘留物。層73通常起到該操作的蝕刻終止的作用，使得層73被蝕刻操作最低限地影響。因此，層73用作選擇性蝕刻終止。在實(shí)施例中，該方法包含使用選擇性蝕刻，在AlN層73終止的步驟。
[0065]參考圖31，接下來，基板84和層73可以被再用來形成另一個(gè)HEM器件。在實(shí)施例中，SiC基板84可以與AlN層73 —起使用，用于形成另外的GaN外延層。
[0066]由上述說明可知，實(shí)施例可以包含在晶格匹配的SiC上的高品質(zhì)GaN、或者GaN可以形成。實(shí)施例可以包含通過在硅基板上形成HEM器件，從而以低成本形成高品質(zhì)SiC半導(dǎo)體器件或者其他III系器件或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系半導(dǎo)體器件。在實(shí)施例中，通過在體或者外延層的表面上，以分布在GaN層的近表面區(qū)域中的窄帶中的高濃度的輕元素(諸如氫或者氦)的擴(kuò)散或者離子注入來生成脆性層。這允許通過各種方法進(jìn)行層分離，減小缺陷材料的量。由于蝕刻選擇性，從SiC移除殘留GaN可以容易完成。對于重復(fù)器件重新使用相同的高成本SiC或者GaN基板提供了顯著的成本的降低。該方法導(dǎo)致在低成本硅基板上的高品質(zhì)的GaN/SiC，因而能實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比。晶片鍵合的額外的加工成本比在SiC基板上使用一次性GaN小。在使用GaAs、AlN、藍(lán)寶石、或任何昂貴的基板時(shí)，可以米用相同的概念。
[0067]由所有上述內(nèi)容可知，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，該形成半導(dǎo)體器件的方法可以包括:
[0068]提供包含娃的第一半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)基板、諸如例如娃基板或者碳化娃基板；以及
[0069]在所述基礎(chǔ)基板上形成GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系材料之一的層。
[0070]該方法的實(shí)施例可以包含提供多孔硅基板，并在所述多孔硅基板的多孔表面上形成成核位點(diǎn)。
[0071]該方法的另一個(gè)實(shí)施例可以包含在所述多孔表面上形成絕緣體，并將所述絕緣體平面化。
[0072]在實(shí)施例中，該方法可以包含將所述絕緣體形成為氧化硅、二氧化硅、氮化硅、或者氮化招之一。
[0073]本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解，一種HEM器件可以包括:硅基礎(chǔ)基板，在(111)面具有表面；以及
[0074]GaN或者其他I1-V或者I1-VI材料的層，在所述硅基礎(chǔ)基板的表面上，其中，所述層在所述硅基礎(chǔ)基板的所述(111)面上形成有(0001)面。
[0075]另一個(gè)實(shí)施例可以包含所述HEM器件在所述層的至少一部分上包含溝道材料。
[0076]在實(shí)施例中，所述溝道材料可以包含AlGaN的層。
[0077]實(shí)施例可以包含所述HEM器件包含覆在所述溝道材料上的柵極材料。
[0078]本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以理解，形成HEM器件的方法的一個(gè)實(shí)施例可以包括:提供包含硅的第一半導(dǎo)體材料(例如硅基板或者碳化硅基板)的基礎(chǔ)基板、諸如例如基板70或者84等之一；
[0079]覆在所述基礎(chǔ)基板上形成GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系材料之一的層；
[0080]在所述層與下層材料的界面附近形成脆性區(qū)域；
[0081]從所述基礎(chǔ)基板分離所述層的一部分；
[0082]將所述層的一部分附接至中間基板；以及
[0083]在所述層的一部分中形成所述HEM器件。
[0084]該方法的實(shí)施例可以包含沿著實(shí)質(zhì)上平行于所述基礎(chǔ)基板的所述表面的所述層的長軸，將所述層分為兩部分。
[0085]本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以理解，形成HEM器件的方法可以包括:提供包含硅的第一半導(dǎo)體材料(例如硅基板或者碳化硅基板)或者其他包含硅的材料的基礎(chǔ)基板、諸如例如基板70或者84等之一；
[0086]覆在所述基礎(chǔ)基板上形成GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系材料之一的層；
[0087]在所述層與下層材料的界面附近形成脆性區(qū)域；
[0088]將中間基板附接至所述層，諸如例如基板90 ；
[0089]從所述基礎(chǔ)基板分離所述層的一部分；以及
[0090]在所述層的一部分中形成所述HEM器件。
[0091]本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)一步理解，形成HEM器件的方法可以包括:提供包含硅的第一半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)基板，例如娃基板或者碳化娃基板；以及
[0092]在所述基礎(chǔ)基板上形成GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系材料之一的層。
[0093]該方法的另一個(gè)實(shí)施例可以包含提供所述基礎(chǔ)基板包含提供多孔娃基礎(chǔ)基板。
[0094]該方法的實(shí)施例可以包含在所述層中形成脆性區(qū)域。
[0095]在實(shí)施例中，該方法可以包含將中間基板鍵合至所述層。
[0096]實(shí)施例可以包含從所述基礎(chǔ)基板分離所述中間基板和所述層的至少一部分。
[0097]另一個(gè)實(shí)施例可以包含從所述基礎(chǔ)基板分離所述層的至少一部分。
[0098]在實(shí)施例中，該方法可以包含將所述層的一部分鍵合至中間基板。
[0099]實(shí)施例可以包含清洗所述基礎(chǔ)基板，并在所述基礎(chǔ)基板上形成另一個(gè)層，其中，所述另一個(gè)層是GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系材料之一。
[0100]一個(gè)實(shí)施例可以包含形成包含所述層的所述HEM器件。
[0101]在實(shí)施例中，該方法可以包含:提供在所述基礎(chǔ)基板的表面上具有孔的多孔娃基礎(chǔ)基板；在所述孔上以及所述孔內(nèi)形成絕緣體；以及將所述表面平面化，以在所述基礎(chǔ)基板的所述表面上形成硅成核位點(diǎn)。
[0102]實(shí)施例可以包含形成包含多個(gè)III系層的層。
[0103]另一個(gè)實(shí)施例可以包含形成AlN層，并在所述AlN層上形成GaN層。
[0104]實(shí)施例可以包含提供在(111)面中具有表面的娃基礎(chǔ)基板。
[0105]該方法還可以包含在所述硅基礎(chǔ)基板的所述表面上形成GaN的層，其中，所述GaN在所述硅基礎(chǔ)基板的(111)面上形成有(0001)面。
[0106]實(shí)施例可以包含提供是硅或者碳化硅之一的基板。
[0107]另個(gè)實(shí)施例可以包含:提供是SiC、GaAs、Al2O3、或者Ge之一的基板；在所述基礎(chǔ)基板上形成層；在所述層中形成脆性區(qū)域，并分離所述脆性區(qū)域，以從所述基礎(chǔ)基板分離所述層的至少一部分。
[0108]實(shí)施例可以包含從所述基礎(chǔ)基板移除所述層的殘留物，并在所述基礎(chǔ)基板上形成另一個(gè)層，其中，所述另一個(gè)層是在所述基礎(chǔ)基板上的GaN或者SiC或者其他II1-N或者
II1-V或者I1-VI系材料之一。
[0109]盡管用特定優(yōu)選的實(shí)施例和示例實(shí)施例說明了說明的主題，上述附圖和其說明描述的僅僅是典型的和示例性的主題的實(shí)施例，并且因此不應(yīng)被認(rèn)為限制其范圍，明顯的是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到很多替代和變化。
[0110]如權(quán)利要求在此以后所反映的那樣，創(chuàng)新方面可以在于少于單個(gè)上述公開的實(shí)施例中的所有特征。因此，在此以后表述的權(quán)利要求特此明確地被并入該【具體實(shí)施方式】中，每個(gè)權(quán)利要求其自身作為發(fā)明的單獨(dú)的實(shí)施例。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，盡管本文說明的一些實(shí)施例包含一些特征，但是不包括在其他實(shí)施例中包括的其他特征，不同實(shí)施例的特征的組合也要位于本發(fā)明的范圍內(nèi)，而且形成不同實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種形成高電子遷移率HEM器件的方法，包括: 提供包含硅的第一半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)基板； 覆在所述基礎(chǔ)基板上形成GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系材料之一的層； 在所述層與下層材料的界面附近形成脆性區(qū)域； 從所述基礎(chǔ)基板分離所述層的一部分； 將所述層的所述一部分附接至中間基板；以及 在所述層的所述一部分中形成所述HEM器件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，分離所述層的所述一部分包含將所述層沿著大體上平行于所述基礎(chǔ)基板的所述表面的所述層的長軸，分為兩部分。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包含在分離所述層的所述一部分之前，將所述中間基板附接至所述層的所述一部分。
4.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括: 提供包含硅的第一半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)基板；以及 在所述基礎(chǔ)基板上形成GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系材料之一的層。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，提供所述基礎(chǔ)基板包含提供多孔硅基礎(chǔ)基板。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，還包含在所述層中形成脆性區(qū)域。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包含將中間基板鍵合至所述層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包含從所述基礎(chǔ)基板分離所述中間基板和所述層的至少一部分。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，還包含從所述基礎(chǔ)基板分離所述層的至少一部分。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包含將所述層的所述一部分鍵合至中間基板。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包含清洗所述基礎(chǔ)基板，并在所述基礎(chǔ)基板上形成另一個(gè)層，其中，所述另一個(gè)層是GaN或者SiC或者其他II1-N或者II1-V或者I1-VI系材料之一。
12.如權(quán)利要求4所述的方法，還包含形成包含所述層的所述HEM器件。
13.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，提供基礎(chǔ)基板包括提供在所述基礎(chǔ)基板的表面上具有孔的多孔娃基礎(chǔ)基板； 在所述孔上以及所述孔內(nèi)形成絕緣體；以及 將所述表面平面化，以在所述基礎(chǔ)基板的所述表面上形成硅成核位點(diǎn)。
14.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，形成所述層包含形成包含多個(gè)III系層的層。
15.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，形成所述層包含形成AlN層，并在所述AlN層上形成GaN層。
16.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，提供所述基礎(chǔ)基板包含:提供在(111)面具有表面的娃基礎(chǔ)基板；以及 在所述硅基礎(chǔ)基板的所述表面上形成GaN的層，其中，GaN在所述硅基礎(chǔ)基板的(111)面上形成有(0001)面。
17.一種高電子遷移率HEM器件，包括:硅基礎(chǔ)基板，在(111)面具有表面；以及 GaN或者其他I1-V或者I1-VI材料的層，在所述硅基礎(chǔ)基板的所述表面上，其中，所述層在所述硅基礎(chǔ)基板的所述(111)面上形成有(0001)面。
18.如權(quán)利要求17所述的HEM器件，還包含在所述層的至少一部分上的溝道材料。
19.如權(quán)利要求18所述的HEM器件，其中，所述溝道材料包含AlGaN。
20.如權(quán)利要求18所 述的HEM器件，還包含覆在所述溝道材料上的柵極材料。
【文檔編號】H01L29/739GK104051236SQ201410095340
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】A·薩利赫, 小J·M·帕西 申請人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司