[发明专利]应变改造复合半导体基片和其形成方法

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于半导体结构体或装置的制造中的改造基片(engineered substrate)的制造、半导体结构体或装置的制造中形成的中间结构体以及使用改造基片的半导体结构体或装置。

背景技术

使用包括一层或多层半导体材料的基片来形成各种半导体结构体和装置，包括例如，集成电路(IC)装置(如逻辑处理器和存储装置)、辐射发射装置(如发光二极管(LED)、共振腔发光二极管(RCLED)和垂直腔表面发射激光器(VCSEL))和辐射传感装置(如光学传感器)。常规上以逐层方式(即光刻印刷)在半导体基片的表面上和/或在半导体基片的表面中形成所述半导体装置。

历史上，大多数用于半导体装置制造工业的所述半导体基片包含硅材料的薄盘片(discs)或“晶片”。所述硅材料的晶片通过以下过程制造：首先形成较大的通常为圆柱形的硅单晶锭，随后垂直于单晶锭的纵轴方向切割单晶锭以形成多个硅晶片。所述硅晶片具有可达约30厘米(30cm)以上(约12英寸(12in)以上)的直径。虽然硅晶片通常具有的厚度为数百微米(例如约700微米)，实际上仅使用了位于硅晶片的主要表面上的非常薄的半导体材料的层(例如，小于约300纳米(300nm))，以在硅晶片上形成有源装置。

已经发现，通过使位于半导体基片上的实际上用于形成半导体装置的半导体材料的部分与所述基片的其余大部分半导体(bulk semiconductor)材料电绝缘，可以改善半导体装置的速度和功率效率。结果，已经开发出所谓的“改造基片”，该改造基片包括设置在介电材料(例如二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)或氧化铝(Al₂O₃))层上的相对较薄的半导体材料层(例如，该层具有的厚度小于约300纳米(300nm))。可选的是，介电材料层可以相对较薄(例如，薄至不能由常规半导体装置制造设备操作)，并且所述半导体材料和介电材料层可以设置在相对较大的主体或基础基片上，以便于通过制造设备操作整个改造基片。结果，本领域经常将基础基片称为“操作(handle或handling)”基片。基础基片还可以包含除了硅之外的半导体材料。

本领域已知各种改造基片，并且其可以包含诸如硅(Si)、锗(Ge)、III-V型半导体材料和II-VI型半导体材料等半导体材料。

例如，改造基片可以包括在诸如氧化铝(Al₂O₃)(也可称之为“蓝宝石”)等基础基片的表面上形成的III-V型半导体材料的外延层。使用所述改造基片，在III-V型半导体材料的外延层之上可以形成另外的材料层并对其加工(例如图案化)，从而在改造基片上形成一个或多个装置。

出于多种理由，在半导体层中(例如在III族氮化物材料中)的应变是不期望的。应变层通常引起缺陷/位错的密度增加，并且甚至可以引起膜中的裂纹形成。例如，应变效应对于高铟含量InGaN发光装置是主要的损害原因，因为所述装置所需的增加的铟百分比引入了升高的应变水平。这些层能够仅以极其小的厚度和低的铟含量生长，以防止相分离材料的发生以及所引起的铟在整个所述层中的不均匀分布，这对于达到材料目标而言是一种不切实际的方法。

引入应变的一种方式是通过加工期间半导体层可能经历的温度变化。当在较高的温度下在非均匀基片或复合结构体上形成(例如外延生长)半导体材料的层时，随着所获得的结构体冷却至室温，由于各相邻材料展示的热膨胀系数(CTE)的任何差异，在半导体材料层的晶体晶格中引发晶格应变。如果下层的材料展示的热膨胀系数高于半导体材料展示的热膨胀系数，当使所获得的结构体冷却时半导体材料可处于压缩应变的状态。相反，如果下层的材料展示的热膨胀系数低于半导体材料展示的热膨胀系数，当使所获得的结构体冷却时半导体材料可处于拉伸应变的状态。存在许多其中所述晶格应变对可以制造的装置造成限制的半导体装置和方法。

将松弛(即未应变)的GaN作为InGaN/AlGaN膜生长晶种的应用受限于极其小的厚度和低的铟/铝含量，而所述极其小的厚度和低的铟/铝含量在InGaN的情况下防止相分离材料的发生以及所引起的铟在整个所述层中的不均匀分布，或在AlGaN的情况下防止可能的膜的裂纹。举例而言，铟含量大于7％的膜难以长厚(即＞500nm)，因为膜可能发生相分离，并因此被晶格失配引发的应变效应而劣化。

综上所述，需要可提供适当的晶格参数从而减少或取消与基片上生长或设置的外延膜的晶格失配的基片技术。

发明内容