專利名稱：用于承受應(yīng)力的系統(tǒng)的襯底及用于在所述襯底上生長晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于晶體生長(外延生長)的襯底的領(lǐng)域并涉及使用所述襯底的晶體生長的技術(shù)。
本發(fā)明適用于諸如GaN、GaAs、InP、GaAlAs、InGaAs、AlN、AlGaN或甚至SiGe等材料層的外延生長的技術(shù)。
背景技術(shù)：
當前，人們正在嘗試制作這些材料的外延層，尤其是在氮化鎵GaN的情況下。特別是，需要具有可靠的晶體質(zhì)量的相對厚的層(＞1或2μm)，這些層不承受應(yīng)力或稍微承受應(yīng)力且具有低缺陷密度(例如，具有小于106/cm2的位錯密度)。
一種已知的外延生長的實例是使用MOCVD技術(shù)在一用于外延的襯底上獲得厚GaN層(C＞12微米(μm))的GaN的外延生長。該文獻提及那種類型的外延生長實質(zhì)上是在下列體襯底上實施藍寶石、SiC及Si。那三種襯底是最常用的襯底，因為其是最容易獲得的襯底。人們已對諸如ZnO或LiGaO2等襯底進行了若干試驗。
當前，無論使用何種成核表面，均勻地沉積于一襯底表面上的外延GaN層具有一108至1010/cm2范圍內(nèi)的位錯密度。
通過MOCVD(生長溫度為1000-1100℃)獲得的厚GaN層中的應(yīng)力明顯取決于所述外延襯底的熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)決定了施加于所述系統(tǒng)上的熱彈性起源的應(yīng)力。
在藍寶石上制成的GaN層處于壓縮中，而在SiC上獲得的GaN層承受輕微的張力，但在硅上的GaN層則承受高張力。對于承受張力的層，此會導(dǎo)致一在外延薄膜中形成裂痕的強大趨向，從而毀壞外延薄膜。處于壓縮力中的層同樣是一個問題。
這種現(xiàn)象對于硅上的生長尤為明顯。對于所述外延支撐件而言，超過其便會出現(xiàn)裂痕的極限值為1μm至2μm，所述極限值是關(guān)于制作良好質(zhì)量層的一限制因素。
對SOI(絕緣體上硅)襯底的生長試驗已顯示，因為氧化物上存在的極薄的硅薄膜的揉順性質(zhì)，使用所述類型的襯底可減小外延生長層中的晶體缺陷密度。然而，所述系統(tǒng)在其吸收應(yīng)力的能力方面受到限制，尤其是對于厚GaN層(最多1μm至2μm)。
通過在具有圖形的襯底上生長晶體似乎可改進晶體質(zhì)量。所獲得的位錯密度大約為106/cm2。除已知為懸空外延(PE)、從溝槽中橫向生長(LOFT)及懸臂外延(CE)等技術(shù)外，還存在若干橫向外延生長(ELO)技術(shù)。所有這些技術(shù)均基于外延生長層的橫向生長及聚結(jié)以最終形成一連續(xù)薄膜。所獲得的連續(xù)薄膜具有若干晶體質(zhì)量得到改進的精確區(qū)域(橫向外延生長(FLOG)技術(shù))，或具有一晶體質(zhì)量均勻的薄膜(LOFT技術(shù))。這些解決方案已經(jīng)證明適合于藍寶石、SiC及Si(111)。
雖然這些解決方案改進了外延生長薄膜的晶體質(zhì)量，但其不能有效地解決所述外延生長薄膜中的應(yīng)力問題。
因此，存在這樣一個問題，即制作一種能夠在晶體生長期間，尤其是在一材料的厚外延生長期間，而且尤其是在所述材料的熱膨脹系數(shù)不同于或迥然不同于所述襯底或外延支撐件的熱膨脹系數(shù)的情況下吸收高強度應(yīng)力的襯底或支撐件。
還存在這樣一個問題，即找到一種能夠吸收高強度應(yīng)力的襯底或支撐件，以尤其在(例如)生長GaN層時獲得厚層。

發(fā)明內(nèi)容
在一第一方面，本發(fā)明提供一種用于晶體生長的支撐件，其包括
·一成核或生長層；·一多晶體、多孔或非晶緩沖層或中間層；及，·一基礎(chǔ)襯底。
所述緩沖層能夠吸收或調(diào)節(jié)在所述支撐件的成核或生長層上實施外延生長期間出現(xiàn)的應(yīng)力。
因此，這種新穎類型的支撐件能夠更容易地制作具有約為數(shù)μm(例如4μm)厚度的外延層，尤其是厚GaN層。
所述成核層可為一(例如)由Si或SiC或GaN形成的或由藍寶石或AlN或金剛石形成的單晶材料層。所述成核層可通過從另一襯底上轉(zhuǎn)移而獲得。
所述支撐襯底可由Si或SiC形成，且所述緩沖層可由非晶硅、多孔硅、多晶硅、非晶二氧化硅SiO2、非晶氮化硅Si3N4、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、藍寶石或氮化鋁(AlN)形成。
在一變化形式中，所述成核層由硅形成，所述緩沖層為多晶或多孔的，所述基礎(chǔ)襯底由硅形成，及一電絕緣層同樣被包含在所述成核層與所述緩沖層之間。所述絕緣層則可為一氧化物層(例如硅的)或一硼磷硅酸鹽玻璃層。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可與SOI(絕緣體上硅)類型的結(jié)構(gòu)相兼容。
因此，在本發(fā)明的一第一實施方案中，一中間層形成于所述基礎(chǔ)襯底與所述成核層或者所述SOI雙層(表面硅層和絕緣層(例如氧化硅))之間。
在本發(fā)明的另一實施方案中，在基礎(chǔ)襯底上形成一能夠吸收表面處所產(chǎn)生的熱彈性應(yīng)力的機械吸收構(gòu)件或機械系統(tǒng)。這種機械系統(tǒng)包括(例如)一吸收元件陣列，所述吸收元件陣列可通過機械加工(例如通過離子蝕刻)所述基礎(chǔ)襯底來獲得。
本發(fā)明還提供一種用于晶體生長的支撐件，其包括至少一成核或生長層及一其中蝕刻有圖形的基礎(chǔ)襯底。
所述成核層及所述基礎(chǔ)襯底可由硅形成，一氧化物或電絕緣層定位于所述成核層與所述襯底之間。
因此，所述第二實施方案也可與一SOI型結(jié)構(gòu)相兼容。
一緩沖層可定位于所述成核層或生長層或所述氧化物層與所述基礎(chǔ)襯底之間，所述緩沖層為多孔或單晶的，舉例而言，由Si、非晶硅、多孔硅、多晶硅、SiC、GaN、藍寶石或AlN所形成。
如上文所定義，可在根據(jù)本發(fā)明的一支撐件上實施根據(jù)本發(fā)明的一外延生長方法。


·圖1及2顯示本發(fā)明的一第一實施方案；·圖3A至4顯示本發(fā)明的一第二實施方案；·圖5A和5B顯示一種襯底斷裂方法的步驟。
具體實施例方式
在一第一實施方案中，一緩沖或中間層插在一成核或生長層與一基礎(chǔ)襯底之間，所述緩沖層能夠(例如)通過在所述層中產(chǎn)生晶體缺陷或通過所述層中材料的機械置換來吸收一定數(shù)量的應(yīng)力。
所述結(jié)構(gòu)的一實例顯示于圖1中，圖1顯示上文所提及的一成核層2、一緩沖層4、及一諸如Si或SiC或藍寶石(Al2O3)或氮化鋁(AlN)等的支撐襯底6。
舉例而言，緩沖層4為一多晶、多孔或非晶層。其可通過CVD技術(shù)形成，并可由硅(Si)、碳化硅(SiC)、磷化鎵(GaN)、藍寶石或氮化鋁(AlN)、二氧化硅(SiO2)、或氮化硅(Si3N4)等形成。所述材料僅以例示方式給出。
在所述硅層的實例中，所述緩沖層可為由非晶硅、多晶硅或多孔硅(通過有意的多孔化(porosification)或通過多孔沉積而獲得)形成的一薄層。
成核層2為(例如)一單晶材料層，其通過(例如)使用被稱作“智能切割”的斷裂方法(參見與此主題相關(guān)的圖5A和5B，或甚至參見下文于本說明書中所引用的由A.J.Auberton-Hervé所撰寫的文章)從一第一襯底轉(zhuǎn)移一薄層而獲得。
通常，所述成核層的厚度約為0.1μm至2μm，例如0.5pm；所述緩沖層的厚度約為零點幾μm，例如約0.01μm至約1μm或2μm，而所述襯底可約為數(shù)百μm，或在100μm至700μm范圍內(nèi)，例如約500μm或約525μm。
成核層2的熱膨脹系數(shù)C1和C2可與襯底6的熱膨脹系數(shù)C1和C2不同。舉例而言，SiC具有一4.5×10-6K-1的熱膨脹系數(shù)，Si具有一2.5×10-6K-1的熱膨脹系數(shù)，氧化鋁(Al2O3)具有一7×10-6K-1的熱膨脹系數(shù)。
層2的熱膨脹系數(shù)與襯底6的熱膨脹系數(shù)中的這種差可在溫度上升或者下降階段產(chǎn)生應(yīng)力，尤其是一旦相對差|C1-C2|/C1或|C1-C2|/C2在環(huán)境溫度下至少為10％或20％或30％，即約20℃或25℃時。
在那種類型的結(jié)構(gòu)中，溫度偏移期間所產(chǎn)生的應(yīng)力由緩沖層4吸收。在一多晶層的情況下，所述應(yīng)力通過缺陷產(chǎn)生而被吸收在多晶層內(nèi)。在一多孔層的情況下，所述孔允許材料的局部置換，從而以機械方式吸收張力或應(yīng)力。在一非晶層的情況下，所述應(yīng)力的特許松弛狀態(tài)是通過存在的層的蠕變而產(chǎn)生。
本發(fā)明還適用于一SOI型結(jié)構(gòu)，在SOI型結(jié)構(gòu)中，所述氧化物不是一硅氧化物，而是一在低溫下變得有粘性的氧化物，例如一硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)。如果所述層是粘性的，則其通過蠕變來吸收張力及應(yīng)力。
同一類型的緩沖層可插入所述氧化或絕緣層與所述襯底之間的一SOI結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)顯示于圖2中，其中參考標號10表示一半導(dǎo)體材料薄層，優(yōu)選為(例如)由硅、碳化硅SiC、氮化鎵GaN、藍寶石或AlN形成的單晶體。參考標號12表示一SiO2氧化物層，層14代表所述緩沖層及參考標號16代表一由一半導(dǎo)體材料(例如厚硅)形成的襯底。
在這種SOI結(jié)構(gòu)中，因為是在約數(shù)百度(例如1000℃)的溫度下實施所述晶體生長方法，所以該氧化物層還用作一應(yīng)力調(diào)節(jié)層。在那些溫度下，氧化物變得有粘性，并吸收一些應(yīng)力。
緩沖層14也將吸收一些所述應(yīng)力，但以一不同的方式，因為其未變得有粘性。
因此，成核層10與襯底16之間的熱膨脹系數(shù)的相對差在環(huán)境溫度(20℃或25℃)下可同樣大于10％或20％或30％。
對于一SOI結(jié)構(gòu)，緩沖層14可(例如)通過沉積一可框入并吸收應(yīng)力的非晶或多晶硅而產(chǎn)生且在(例如)10nm至1μm或0.1μm至2μm的厚度范圍內(nèi)。
通常，可通過轉(zhuǎn)移形成的層10的厚度約為10nm至300nm，或甚至在0.1μm至2μm的范圍內(nèi)?？赏ㄟ^沉積形成的層12的厚度約為數(shù)百nm，例如在100nm至700nm的范圍內(nèi)，例如400nm。
襯底10可具有與圖1所示的襯底6大致相同的厚度。
在圖3A所示的另一實施方案中，在一襯底20或剛性支撐件中生成一調(diào)節(jié)層22，所述調(diào)節(jié)層為彈性的，或者其至少在一與不同層24、26的平面平行的平面xy中具有一定彈性。所述層22是(例如)通過將凹口或溝槽或任何其他幾何圖形蝕刻在襯底20中而獲得。所述圖形具有彈性或可在一與層24、26的平面平行的平面中撓曲。通過應(yīng)用傳統(tǒng)的梁理論即可計算出所產(chǎn)生的彈性。在圖3B所示的一變體中，還可在襯底20的背面中形成于一與圖3A中的調(diào)節(jié)層類似的彈性調(diào)節(jié)層23，借此避免了層26與襯底20之間可能的粘著問題，此類問題可出現(xiàn)在圖3所示構(gòu)造中。此變體還能夠吸收應(yīng)力。
圖3A和3B中的兩個機械應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可存在于同一襯底中。
在另一變體(圖3C)中，(例如)在所述襯底的一側(cè)或兩側(cè)上制成襯底20中的凹口25(諸如“鋸痕”)。再一次，獲得了一種應(yīng)力吸收效應(yīng)。
也可在所述襯底的一側(cè)上具有一諸如圖3A或3B中所示的系統(tǒng)且在另一側(cè)上具有一諸如圖3C中所示的系統(tǒng)。
所蝕刻或挖空的圖形優(yōu)選以一二維周期性圖案或以一如圖4中所示的一維周期性圖案自身重復(fù)。
作為一實例，在襯底20中挖空若干深度p等于約10μm和寬度l＝1μm并間隔開一間距e＝1μm的溝槽，以形成所述機械吸收系統(tǒng)。
層24、26及襯底20可相同于或類似于層2、4且可相同于或類似于圖1中的襯底6，具有同樣的典型厚度且以同樣的技術(shù)獲得。舉例而言，成核層24可為一(例如)使用所述“智能切割”方法通過從一第一襯底中轉(zhuǎn)移一薄層或通過斷裂所述襯底(下文將結(jié)合圖5A和5B闡述所述方法的各步驟)而獲得的單晶材料層，而緩沖層26可(例如)為一由Si、SiC、GaN、藍寶石或AlN而形成的多晶或多孔層。
圖3A、3B或3C的結(jié)構(gòu)也可為一SOI類型的結(jié)構(gòu)，層26可為一氧化物或絕緣體層，而層24可為一硅精細層。
還可使用一諸如圖2中所示的結(jié)構(gòu)來實施這些實施方案，如上文參照圖3A至3C所闡述，在與層10、12、14的平面平行的一個面或另一個面上蝕刻襯底16，以形成一彈性調(diào)節(jié)層。
在圖3A中，如果是通過將層26分子粘著至襯底20而獲得所述支撐件的話，尤其因可實質(zhì)性減小(例如減小約50％)所招致的接觸表面面積，因此在一具有溝槽的襯底上實施粘著可修改所述粘著步驟。
別外，在高度蝕刻的表面(且因此具有一小的接觸表面面積或一大大減小的接觸表面面積)的情況下，舉例而言，可優(yōu)化所述溝槽或所述凹口的分布，以允許自發(fā)粘著。為此目的，可調(diào)整所述圖案的幾何參數(shù)，例如調(diào)整所述圖案的寬度及/或周期性。
為了獲得一蝕刻的襯底并能夠保留一平坦的粘著表面，可在粘著之前部分或完全地封閉所述襯底的表面。甚至完全封閉所述溝槽或所述蝕刻圖案的整個深度還能夠保留對應(yīng)力的一吸收效應(yīng)。
在一實例中，如果所述表面是由硅形成的，則如圖4(其中參考標號28指示在一溝槽充填硅至一深度h上方)中圖解說明，可實施一在一氫氣流中平滑襯底20的表面的步驟，以通過硅原子的遷移來部分或完全地彌合所述蝕刻坑。
在另一實例中，沉積一非一致性材料(例如，氧化物)以封閉表面上地所述溝槽?？赏ㄟ^一非優(yōu)化淺溝槽隔離(STI)充填方法來實施所述沉積。所述方法(例如)闡述于C.P.Chang等人的“Ahihly manufacturable corner rounding solution for0.18μm shallow trench insulation”一文(IEMD 97-661)中。
裝配的支撐件形成一元件，所述元件可通過所述溝槽的桿條或凹口或壁在所述熱彈性應(yīng)力作應(yīng)下的移動或變形來以機械方式吸收應(yīng)力。
此種被稱作“智能切割”(或襯底斷裂)的方法闡述于A.J.Auberton-Hervé等人所著的文章“Why can Smart Cut change the 20 future of microelectronics？)”中，所述文章刊登于(International Journal of High Speed Electronics andSystems，vol.10，No.1，2000，P.131-146)中。
下文參照圖5A和5B闡述此種方法的各個步驟，圖中參考編號40及42表示兩種(例如)均由半導(dǎo)體材料形成的襯底。
在一第一步驟(圖5A)中，在襯底40中實施離子或原子植入，從而形成一大致平行于襯底40的表面41延伸的薄層52。形成一薄弱或斷裂的層或平面，從而在襯底40的體積中界定一擬構(gòu)成一薄膜的下部區(qū)域45及一構(gòu)成襯底40的本體的上部區(qū)域44。通常植入氫，但也可植入其他物質(zhì)，包括共同植入氫和氦。
例如，如上所述，襯底42配備有雕刻圖案。從表面43及/或從表面47上實施雕刻。
然后，使用晶片粘著技術(shù)(使用微電子領(lǐng)域中已知的任一技術(shù)裝配晶片)或通過粘合接觸(例如分子粘附)或通過粘著來裝配如此制備好的兩個襯底40和42，使面43正對著面41。關(guān)于這些技術(shù)，可參閱Q.Y.Tong及U.Gsele的論著“Semiconductor Wafer Bonding”，(Science and Technoligy)，Wiley IntersciencePublications。
然后，通過一沿薄弱平面52引起斷裂的熱或機械處理將襯底40的一部分44移除。此技術(shù)的一實例闡述于上述A.J.Auberton-Hervé等人的文章中。
所獲得的結(jié)構(gòu)即為圖5B所示的結(jié)構(gòu)。
為了加固襯底42(或其面43)與薄層45(或接觸面41)之間的粘著界面或接合，將溫度提高到約1000℃可能較為理想。
在不同的升溫階段期間，蝕刻于襯底42中的圖形的結(jié)構(gòu)(尤其是其撓性或彈性)可補償或吸收應(yīng)力及因兩個襯底40、42的熱膨脹系數(shù)之間的差而引起的變分差。如上文已提及，所述系數(shù)之間的相對差在環(huán)境溫度下可為至少10％、至少20％或至少30％。
薄膜45也可為一成核或生長層，例如圖1至3C所示的層2、10或24(襯底42類似于圖1至4所示的襯底6、16、20)。然而，不同于那些結(jié)構(gòu)，圖5B中的結(jié)構(gòu)不提供一緩沖層。
薄膜45也可由一重疊薄膜組合來取代。換句話說，本發(fā)明的這一方面不僅涉及襯底系統(tǒng)上的一單層，而且涉及任何采用沉積于一襯底上的多個層的多層系統(tǒng)。這就是(例如)圖1至圖3C中的成核層與緩沖層的關(guān)聯(lián)性。
也可通過除離子植入以外的方法形成一薄弱平面。因此，如K.Sataguchi等人所著論文“ELTRANby Splitting Porous Si layers”(Proceedings of the 9thInternational Symposium on Silicon-on-Insulator Tech.and Device，99-3，theElectrochemical Society，Seattle，p.117-121(1999))中所闡述，還要制作一多孔硅層。
其他技術(shù)也能夠在不實施離子植入且不形成一薄弱平面的情況下使襯底變薄所述技術(shù)包括研磨和蝕刻。
權(quán)利要求
1.一種用于晶體生長的支撐件，其包括一成核層(2，10)；一多晶、多孔或非晶緩沖層(4，14)；及一支撐襯底(6，16)。
2.如權(quán)利要求1所述的支撐件，其中所述成核層(2)為一單晶材料層。
3.如權(quán)利要求2所述的支撐件，其中所述單晶材料由硅、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、藍寶石、氮化鋁(AlN)或金剛石形成。
4.如權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其中所述成核層(2)通過從另一襯底上轉(zhuǎn)移而獲得。
5.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其中所述支撐襯底(6，16)由硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍寶石、氮化鋁(AlN)或金剛石形成。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其中所述緩沖層由硅、非晶硅、多孔硅、多晶硅、碳化硅、氮化鎵、藍寶石、氮化鋁或氮化硅形成。
7.如權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其中所述成核層(10)由硅形成，所述緩沖層(14)為多晶或多孔性，所述支撐襯底(16)由一半導(dǎo)體層形成，且一氧化物層(12)包含于所述成核層與所述緩沖層(14)之間。
8.如權(quán)利要求7所述的支撐件，其中所述氧化物層為一熱的或沉積的硅氧化物層或一硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)層。
9.如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其中所述成核層的厚度在0.1μm至2μm范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其中所述緩沖層的厚度在0.01μm至2μm范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1至10中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其進一步包括蝕刻或形成在所述支撐襯底(6，26)中的圖形(22，23，25，43)。
12.一種用于晶體生長的支撐件，其包括至少一成核層(24)、及一其中蝕刻或形成或制作有圖形(22，23，25，43)的支撐襯底(6，16)，所述圖形具有彈性或可在平行于所述成核層的一平面中撓曲。
13.如權(quán)利要求12所述的支撐件，其中所述成核層及所述支撐襯底由硅形成，且一氧化物或絕緣體層位于所述成核層與所述襯底之間。
14.如權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的支撐件，其進一步包括一位于所述成核層(24)或所述氧化物或絕緣體層與所述支撐襯底之間的緩沖層(4，14)或中間層。
15.如權(quán)利要求14所述的支撐件，其中所述緩沖層為多晶或多孔性。
16.如權(quán)利要求15所述的支撐件，其中所述緩沖層由硅或非晶硅、多孔硅、多晶硅、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、藍寶石、氮化鋁(AlN)或氮化硅形成。
17.如權(quán)利要求11至16中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其中所述圖案是在或從所述襯底的面向所述成核層的所述面(43)中蝕刻或形成或制作而成，及/或在或從所述襯底的與面向所述成核層(2，10，24)的所述面相對的面(47)中蝕刻或形成或制作而成。
18.如權(quán)利要求11至16中任一權(quán)利要求所述的支撐件，所述圖案是在所述襯底的面向所述成核層的所述面(43)中蝕刻或形成或制作而成，或開始于所述襯底的面向所述成核層的所述面(43)，并部分或完全封閉于所述支撐襯底的所述表面(43)上。
19.如權(quán)利要求11至18中任一權(quán)利要求所述的支撐件，其中所述圖形呈凹口、溝槽或鋸痕形式。
20.一種外延生長方法，其中生長是在一如權(quán)利要求1至19中任一權(quán)利要求所述的支撐件上進行。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，生成的材料是由GaN、GaAs、InP、GaAlAs、InGaAs、AlN、AlGaN或SiGe形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于晶體生長的支撐件，其包括一成核層(2)、一多晶或多孔緩沖層(4)及一支撐層(6)。
文檔編號H01L21/762GK1795538SQ200480014590
公開日2006年6月28日 申請日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者法布里斯·勒泰特, 布魯諾·吉瑟蘭, 奧利維爾·雷薩克 申請人:S.O.I探測硅絕緣技術(shù)公司