[发明专利]设计的硅衬底上的GAN器件

说明书

用于适应和/或控制在大直径硅衬底上在III‑N生长期间引起的应力/应变的硅上GaN(GOS)结构和技术。硅衬底的背侧可被处理以使具有标准化直径和厚度的衬底适应于GOS应用。通过对硅衬底进行预处理以便以抵消由III‑N材料引起的应力和/或提高衬底吸收应力的能力的方式对衬底预加应力，可缓解在高温外延生长过程期间的弯曲和/或翘曲。在设计的GOS衬底上加工的III‑N器件可被与在分开的衬底上加工的硅MOS器件集成在一起。用于提高衬底弹性和/或抵消由III‑N材料引起的衬底应力的结构还可被用于将3D IC的III‑N和硅MOS器件互连。

背景技术

在便携式电子应用中对集成电路(IC)的需求已激发更高水平的半导体器件集成。开发的许多高级半导体器件试图利用III-N材料，所述III-N材料针对高压和高频应用（比如功率管理IC和RF功率放大器）表现出特定前途。III-N异质外延(异质结构)场效应晶体管(HFET)(诸如，高电子迁移率晶体管(HEMT)和金属氧化物半导体(MOS) HEMT)采用具有一个或多个异质结的半导体异质结构。基于GaN的HFET器件受益于相对较宽的带隙(大约3.4eV)(实现比基于Si的MOSFET高的击穿电压)以及高载流子迁移率。III-N材料系统也用于光子学(例如，LED)、光生伏打学和传感器，其中的一项或多项可用于集成到电子器件平台中。

从衬底成本角度，以及针对更加紧密地集成基于GaN的器件与基于硅的器件的可能性，以异质外延方式使III-N膜生长到硅衬底上是有益的。然而，因为晶格失配以及氮化物材料和硅衬底之间的线性热膨胀系数的失配，这种硅上GaN (GOS)生长是困难的。在高温过程(诸如，外延生长)期间，热膨胀失配能够引起衬底弯曲和翘曲。弯曲是衬底表面的竖直位移的量度并且随着衬底直径增加而变得更加显著，除非硅衬底厚度显著增加以提供抵抗更大的热失配应力所需的更大的刚性。然而，硅衬底直径和厚度在几乎没有考虑GOS应用的情况下被标准化。作为结果，在200 mm、725 μm厚的硅衬底中引起大约300 μm的弯曲的高温GaN生长可在300 mm、775 μm厚的硅衬底中引起超过650 μm的弯曲。

因为已知的应力设计缓冲层不能适应具有当前采用的直径并且经历针对硅CMOS的开发的硅衬底中引起的弯曲，所以能够减小晶片弯曲的替代技术和架构将会有益于在这些大直径硅衬底上加工基于GaN的器件。

附图说明

在附图中，作为示例而非作为限制图示这里描述的材料。为了图示的简单和清楚，附图中图示的元件未必按照比例绘制。例如，为了清楚，一些元件的尺寸可相对于其它元件被夸大。另外，在认为合适的情况下，参考标记已在附图之中被重复以指示对应或类似的元件。在附图中：

图1是图示根据实施例的GOS衬底的背侧处理和在这种衬底上集成制造的器件的流程图；

图2图示根据一些实施例的包括背侧应力调节材料的GOS衬底的剖视图；

图3是图示根据实施例的GOS衬底的背侧处理和在这种衬底上集成制造的器件的流程图；

图4图示根据一些实施例的包括背侧应力调节结构的GOS衬底的剖视图；

图5A和5B是根据一些实施例的GOS衬底上的背侧应力调节结构的平面图；

图5C是根据一些实施例的包括背侧应力调节结构的GOS衬底的剖视图；

图5D是根据一些实施例的GOS衬底上的背侧应力调节结构的平面图；

图6A是根据一些实施例的包括背侧应力调节结构的GOS衬底的剖视图；

图6B是根据一些实施例的GOS衬底上的背侧应力调节结构的平面图；

图6C是根据一些实施例的3D IC结构的剖视图，该3D IC结构包括布置在薄硅衬底上的基于硅的CMOS器件和布置在应力设计硅衬底上的基于III-N的器件；