專利名稱：用于通過氫化物氣相外延法制造自支撐半導(dǎo)體襯底的半導(dǎo)體襯底和掩模層及所述自支撐 ...的制作方法
延法制造自支撐半導(dǎo)體村底的半導(dǎo)體村底和掩模層及所述自支撐半導(dǎo)體襯底的制造方法本發(fā)明涉及一種用于通過氫化物氣相外延法制造自支撐半導(dǎo)體襯底的半導(dǎo)體襯底 和掩模層及所述自支撐半導(dǎo)體襯底的制造方法，尤其涉及到了使用氫化物氣相外延技術(shù) (HVPE)制造自支撐氮化鎵(GaN)襯底，氮化鋁(A1N)襯底，鋁鎵氮化物(AlGaN)襯 底，氮化銦(InN)襯底和銦鎵氮化物(InGaN)襯底的方法。其中半導(dǎo)體層與襯底(如 起始/初始襯底或異質(zhì)襯底)自分離，而不需要另外的工序。這種自分離是通過在掩模 層上的側(cè)向外延生長(ELO,外延側(cè)向覆蓋覆蓋生長)實現(xiàn)的，其中所述掩模層帶有開 口 (窗口)。在這些窗口中，優(yōu)選未覆蓋的薄初始層(或起始層)，所述薄初始層先在 襯底(如藍(lán)寶石)上完成生長。所述生長從窗口開始。在形成的凸起完成聚合后，一 種粘附/連續(xù)的半導(dǎo)體層進一步生長。起始襯底和生長層之間的張力造成半導(dǎo)體村底發(fā) 生自分離，隨后可作為粘覆蓋片從反應(yīng)器中移出。所述工藝方法可以從App 1 i ed Phys i cs Letters, Vol, 85， No. 20， 15. 11. 2004, pp. 4630-4632中得知。由第三族氮化物(GaN， A1N, InN)組成的分層結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代眾多高頻功率電子器件 的基礎(chǔ)，例如，基于HFETS (異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管)的通信系統(tǒng)，傳感芯片，抗輻射的空 間電子器件，以及光電子器件，例如用于照明、印刷、顯示、存儲、通信和醫(yī)療領(lǐng)域 的紫外、藍(lán)光、白光發(fā)光二極管(LEDS)和藍(lán)光激光二極管。所迷分層一般通過在起始 村底上運用金屬有機物氣相外延(M0VPE)方法以及運用分子束外延(MBE)方法制造。理想的起始襯底應(yīng)該和生長于其上的層同屬于一種材料系統(tǒng)，例如，GaN襯底。因 此，首先要求提供低瑕疵生長，即充分完善的晶格失配(同質(zhì)外延)和一致的熱膨脹性。 基于應(yīng)用，摻雜有利于將襯底制成N型導(dǎo)電性層，半絕緣性層或者P型導(dǎo)電性層。與其他半導(dǎo)體，例如硅(Si )和砷化鎵(GaAs)相反，使用常見的單晶體生長法生 產(chǎn)直徑2英寸及以上的GaN晶體至今還未取得成功。傳統(tǒng)的制造工藝如高溫高壓(即HPSG 高壓溶解生長)條件下從溶化狀態(tài)進行生長只能得到直徑在平方厘米量級的晶體板。迄 今為止，通過升華進行生長的方法也未成功。因此到目前為止，分層結(jié)構(gòu)多數(shù)仍通過在 例如藍(lán)寶石和碳化硅(SiC)(異質(zhì)外延)的異質(zhì)襯底上外延生長制造。所述外延生長法 對所述分層結(jié)構(gòu)不利，例如因不同的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致位錯密度和翹面。 所述翹面在某種程度上將會在后續(xù)工藝處理中產(chǎn)生問題，因為通過光刻方法對結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化受限于翹面晶片的最小識別距離。
因此，試圖生產(chǎn)一種最初在初始起始襯底上生長隨后從其上分開的GaN起始襯底。 美國專利6， 740， 604描述了一種方法GaN-層在起始村底上生長之后，后續(xù)工藝 通過激光輻射使所述GaN-層分離。因此，所述方法需要后續(xù)工藝步驟，所述步驟耗費工 時并且成品率受制于光照面積。而且，所述方法沒有解決翹面問題，因為由GaN-層和 GaN-襯底構(gòu)成的封裝從生長溫度冷卻到室溫時將造成所述翹面。由熱失配所導(dǎo)致的層翹 面，當(dāng)所述層從起始襯底上分離后，仍將部分保留。
美國專利6， 413， 627描述了一種適用于GaAs起始襯底的方法。GaN在由電介質(zhì)掩 模構(gòu)成的GaAs襯底的兩面都生長。所述方法要求費時的刻蝕過程用于移出GaAs襯底， 此外所述蝕刻過程有毒。兩個GaN-層中只有一個能被使用，而且需要一種特殊的裝置用 于兩面生長。
Oshima et al. (Y. Oshima， T. Eri， N. Shibata, H. Sunakawa, L Kobayashi, T. Ichibashi， A. Usui,使用含有空穴輔助分離的氫化物氣相外延工藝進行自支撐半導(dǎo) 體村底制造的方法，Jpn. J. Appl. Phys. 42, Ll (2003))描述了一種方法TiN的多孔 層沉積在初始GaN層上，其中所述GaN層從空隙之外開始生長。但是，控制TiN層的孔 隙度的方法以及所述方法是否可以被重復(fù)還未明確。在所述方法中，厚的GaN-層通過外 力與初始襯底分離，這就需要附加的工藝步驟以及必要的裝置。
從WO 99/10816中得知的側(cè)向外延覆蓋生長(ELO或者稱為ELOG)作為一種降低缺 陷率的可能方案。所述WO 99/10816中描述了用于ELOG方法的電介質(zhì)掩模材料。但是 這種方法也不能避免由起始襯底和GaN-層組成的封裝的翹面問題。
從DEIOO 11 876 Al得知，金屬掩模已經(jīng)被使用，這里的金屬掩模材料由鎢構(gòu)成。 所述兩份公開發(fā)表的文獻都在探討通過ELOG方法降低缺陷密度。而自支撐襯底的制造 還不是這些工作的目標(biāo)。
此外，從US4, 868， 633可知一種用于生長GaAs的方法，所述方法中不是尋求多個 柱狀初始區(qū)域的側(cè)向覆蓋生長，相反，是有限區(qū)域的生長。所述方法甚至避免采用側(cè)向 覆蓋生長。因此，使用了WSi:Zn掩模層，其中所述WSi:Zn掩模層用于避免側(cè)向覆蓋生 長。US 4, 868, 633中的

圖1和圖2以及相關(guān)文字4笨討了 GaAs如何在柱狀區(qū)域及其周圍 生長。當(dāng)WSi掩模最上層的W濃度高的時候，將抑制凸起的形成。當(dāng)WSi掩模最上層的 Si濃度高的時候，會在WSi掩模上形成GaAS復(fù)晶層。因為要避免在WSi掩模上形成GaAs 層，所以用鋅摻雜WSi掩模。此外，材料科學(xué)和技術(shù)(Materials Science and Engineering) B, VoL. 82, No. 1, 22.05.2001, pp. 62-63 ( 3 )摘要(Abstract)中提到使用WNx掩模層進行GaN-層的 生產(chǎn)和處理，其中麗x掩模用于替代W掩模，以避免GaN-層的分離。
US 6， 146， 457描述了一種方法通過氣相外延技術(shù)在一種生長基座上沉積半導(dǎo)體 層，其中所述生長基座由Si-襯底，SiC-襯底，藍(lán)寶石襯底和薄的中間層所構(gòu)成，其中缺 陷發(fā)生在襯底中，而不是在后續(xù)的冷卻操作的外延層中，所述缺陷是由于半導(dǎo)體層和村 底具有不同的熱膨脹系數(shù)。因此，可以得到高質(zhì)量的半導(dǎo)體層。在上述專利的權(quán)利要求 3中，明確地提到了氧化硅，氮化硅和碳化硅都可作為中間層的材料。根據(jù)權(quán)利要求4， 所述方法同樣也構(gòu)造中間層，但是用于減少缺陷密度的EL0G方法即沒被提及，也沒被 描述。而且，無論是權(quán)利要求或是實施中，作為此方法結(jié)果的自支撐半導(dǎo)體襯底都沒被 提及。
因此，此發(fā)明的目標(biāo)是提供一種制造自支撐(即襯底無固定)半導(dǎo)體層的方法，優(yōu) 選采用如下材料制造氮化鎵(GaN),氮化鋁(A1N )，鋁鎵氮化物(AlGaN)，氮化銦(InN ) 和銦鎵氮化物(InGaN),其中所述方法具有盡可能少的工藝步驟，并且可以制造平面 半導(dǎo)體層，而沒有或者僅有些許的翹面或者彎曲。而且提供一種造價低并且平面度高的 自支撐半導(dǎo)體襯底。
如本發(fā)明中的所述下列內(nèi)容使得上述目標(biāo)得以實現(xiàn)具有權(quán)利要求1中的特點的工 藝方法；具有權(quán)利要求36中的特點的襯底；以及權(quán)利要求39中的掩模層。優(yōu)選實施例 在從屬權(quán)利要求中得到闡述。
本發(fā)明中用于制造半導(dǎo)體襯底的方法具備以下工藝步驟 ——提供起始襯底；
一一形成在初始襯底上形成有大量開口的掩模層；
一一至少有一個半導(dǎo)體襯底的生長，其中掩模層通過至少一種所述半導(dǎo)體材料側(cè)向覆蓋 生長；以及隨后
一一冷卻起始襯底、掩模層和半導(dǎo)體襯底，其中用于形成掩模層的材料至少部分包含鎢 硅氮化物或者硅化鴒；
一一在生長中或者在未冷卻之前，使得半導(dǎo)體襯底和起始襯底已經(jīng)分離開，以便獲得自 支撐的半導(dǎo)體襯底，其中半導(dǎo)體襯底包含至少一種氮化合物半導(dǎo)體材料。
用于形成掩模層的材料優(yōu)選完全由鶴硅氮化物或者硅化鴒構(gòu)成。鉤硅氮化物或硅化 鉤構(gòu)成的掩模層優(yōu)選不被其他物質(zhì)摻雜。尤其優(yōu)選采用鎢硅氮化物。優(yōu)選在形成掩模層之前使得連續(xù)初始層在村底上生長， 所述掩模層被沉積在初始層上。也可選擇將掩模層直接沉積在沒有任何初始層的襯底 上，尤其有利于SiC襯底。
所構(gòu)造的掩模層采用如下方式處理優(yōu)選通過濺射法或者氣相沉積法沉積連續(xù)的掩 模層，并隨后引入多個開口。所述開口優(yōu)選采用等離子千化學(xué)蝕刻引入掩模層。也可選 擇濕化學(xué)蝕刻或者剝離工藝。
在如此構(gòu)造的掩^f莫層上，從開口開始，至少有一個由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第一半導(dǎo)體 層-聚合層生長，并完全地覆蓋掩模材料，以構(gòu)成連續(xù)的層。
初始層優(yōu)選包含一種半導(dǎo)體氮化合物，更為優(yōu)選包含由第三族或者第五族元素構(gòu)成 的氮化合物，其中更為優(yōu)選GaN， A1N, AlGaN， InN， InGaN， AlInN, AlInGaN化合物。
在所述第一半導(dǎo)體層上，進一步沉積半導(dǎo)體層，優(yōu)選在同一生長過程中沉積。厚度 優(yōu)選超過50微米，更優(yōu)選超過200微米。也可選擇，第一半導(dǎo)體層可以在第一次生長 過程中產(chǎn)生，并且在第二次生長過程中被第二半導(dǎo)體層以覆蓋整個區(qū)域的方式覆蓋生 長。所述第二半導(dǎo)體層也優(yōu)選包含氮化合物半導(dǎo)體，更優(yōu)選是由第三族或者第五組族元 素構(gòu)成的氮化合物，其中更為優(yōu)選GaN, A1N， AlGaN， InN, InGaN， AlInN, AlInGaN化 合物。
起始襯底優(yōu)選包含碳化硅或者藍(lán)寶石。優(yōu)選在如此構(gòu)造的半導(dǎo)體層上包含氮化合物 半導(dǎo)體，或者金屬觸頭，用于制造電子或者光電子器件。
自支撐半導(dǎo)體襯底優(yōu)選在起始襯底和掩模開口內(nèi)的半導(dǎo)體襯底的分界處通過龜裂 形成，并基于生長過程中張力或者基于初始襯底與至少一個半導(dǎo)體襯底在冷卻過程中不 同的熱膨脹系數(shù)而形成。
沖艮據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體村底用于生產(chǎn)電子或者光電子器件，所述半導(dǎo)體襯底包含氮化 合物(優(yōu)選GaN， A1N， AlGaN， InN, InGaN, Al InN或Al InGaN化合物)半導(dǎo)體，其中 根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底，包含鎢硅氮化物痕量，或者硅化鎢痕量，或者硅和鎢痕量。 痕量元素的濃度取決于分離后對這些殘余物的檢測范圍。所述濃度量優(yōu)選超過1015個原 子每立方厘米。然而，不能排除本發(fā)明的方法在不能探測所述痕量元素時也可生產(chǎn)半導(dǎo) 體襯底。
通過本發(fā)明所述方法可以生產(chǎn)低缺陷率自支撐的GaN晶片，所述GaN晶片從初始襯 底自行分離。所述分離可能在生長過程中已經(jīng)發(fā)生，這是因為生長出的半導(dǎo)體層的張力 隨著層厚度的增加而增加，或者分離也可能由于不同的熱膨脹系數(shù)而最遲發(fā)生在從生長溫度進行冷卻的過程中。已發(fā)現(xiàn)的所述分離現(xiàn)象尤其會發(fā)生在使用鎮(zhèn)硅氮化物或硅化鵠 作為掩模材料時。因此，可以采用一種附加技術(shù)步驟用于所述分離。由于所述分離已經(jīng) 處于高溫狀態(tài)，GaN晶片僅有很小的或者根本沒有翹面或者彎曲，這有利于后續(xù)處理。
因此，本發(fā)明所述用于半導(dǎo)體襯底制造的掩模層至少部分要由鴒硅氮化物構(gòu)成。優(yōu) 選完全由鵠硅氮化物構(gòu)成的掩模層。優(yōu)選所述鴒硅氮化物構(gòu)成的掩模層不被其他物質(zhì)摻 雜。
優(yōu)選采用一種合適的初始層，使得半導(dǎo)體層S (如GaN )在其上外延生長成為可能。 所述初始層優(yōu)選由數(shù)微米厚的GaN-層組成，所述GaN-層通過異質(zhì)外延沉積到起始襯底 上。作為用于GaN生長的起始襯底，藍(lán)寶石，SiC， Si和GaAs都已經(jīng)通過實驗證明。作 為制作起始村底的方法，可以采用任何技術(shù)在起始村底上沉積閉合GaN-層。這里，MOVPE， HVPE, MBE是凈皮廣泛運用的沉積方法。也可選擇，初始層包含A1N， AlGaN, InN, InGaN， AlInN或AlInGaN化合物。所述初始層優(yōu)選包含后續(xù)沉積的第一半導(dǎo)體層-聚合層的材 料。當(dāng)在SiC上生長時，優(yōu)選省去起始/初始層。
當(dāng)使用初始層時， 一個薄的掩模層會被沉積，其成分至少部分含有硅化鴒(WSi ) 或鎢硅氮化物(WSiN)。當(dāng)不含有初始層，掩模層將被直接沉積到襯底上。ELOG掩模層 的典型厚度為50 - 200納米。所述WSi-掩模層，或優(yōu)選為WSiN-掩模層的沉積通過光刻 構(gòu)造，通過濕化或干化蝕刻方法形成窗口 ，通過所述方法將初始層或襯底(SiC襯底) 暴露。也可采用其他方法構(gòu)造所述初始層，例如所說的剝離法。所述通常用于半導(dǎo)體技 術(shù)的建造方法具有明確的并且可重復(fù)的掩模層開口制備方法。優(yōu)選所述開口被周期性的 大量提供，所迷開口具有環(huán)形或者多角形的幾何形狀，或者含有平行沉積帶。
也可采用無后續(xù)構(gòu)造步驟的多孔WSiN層。這里，所述方法結(jié)果的可重復(fù)性還需要 證實。
在掩模過的初始層或掩蔽的襯底上，至少50微米厚的GaN/AlGaN-層(或其他氮化 物半導(dǎo)體層)通過氣象外延法生長。這里，所述物質(zhì)在窗口外垂直生長并沿掩模層側(cè)向 生，直到生長前沿與扁平層再次聚合。根據(jù)本發(fā)明，第一半導(dǎo)體層未粘附于所述WSiN
構(gòu)成的掩模層基本上是后續(xù)自分離的先決條件。起始襯底的連接通過掩模層上的窗口 (開口 )單獨形成。
當(dāng)選擇SiC作為起始襯底時，可以省略GaN初始層的沉積。WSiN掩模層被直接沉積 到起始襯底上并被構(gòu)建。隨后，由GaN， A1N, AlGaN或其他氮化物半導(dǎo)體所組成的第一 粘附半導(dǎo)體層，即聚合層，將通過ELO法生長。隨后立即采用相同的外延生長方法，或其他可選的外延生長方法，氮化物半導(dǎo)體(優(yōu)選厚度超過50微米)的第二厚半導(dǎo)體層， 將在聚合層的整個面積上生長。
合理地選擇掩模幾何形狀、沉積參數(shù)和工藝控制，所生長的第二厚半導(dǎo)體層與第一 半導(dǎo)體層-聚合層一起，整個區(qū)域與起始襯底分離，并且形成自支撐的晶片(如2英寸直 徑)。所述晶片能用來生長各種結(jié)構(gòu)的層以用于器件，或作為種子用于大量生長GaN晶 體，A1N晶體，AlGaN晶體或其他氮化物半導(dǎo)體，其中，可選的用于磨光表面的工藝步 驟(拋光，蝕刻)仍然可以采用。
本發(fā)明將隨后結(jié)合附圖和實施例加以詳細(xì)描述。
圖1是含有初始層la的起始村底1的剖面視圖2是含有掩模層2和(在掩模層形成后)開口 3的起始襯底的剖面視圖； 圖3是在掩模層2形成之后的含有開口 3的起始襯底的平面視圖； 圖4是作為聚合層的第一半導(dǎo)體層4側(cè)向生長時的含有掩模層的起始襯底的剖面 視圖5是作為聚合層的第一半導(dǎo)體層4側(cè)向生長后的含有掩模層的起始襯底形成粘 附層的剖面視圖6是至少一個第一半導(dǎo)體層已經(jīng)在整個區(qū)域上^L第二厚半導(dǎo)體層5所覆蓋生長的 起始襯底的剖面視圖7是根據(jù)本發(fā)明的含有第一半導(dǎo)體層4的半導(dǎo)體襯底6的剖面視圖，所述第一半 導(dǎo)體層4通過自分離而與所述起始村底分離；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的通過自分離而與所述起始襯底分離的半導(dǎo)體襯底6，其中所述 半導(dǎo)體襯底6含有的第一半導(dǎo)體層4和第二半導(dǎo)體層5由同樣材料構(gòu)造。
在第一個實施例中，2微米厚的初始GaN層la通過MOVPE法在起始襯底1 ( c-平面 藍(lán)寶石晶片，直徑2英寸或者50.8毫米)上生長(如圖1所示)。隨后，所述初始層 la的整個區(qū)域被100納米厚的賊射掩模層2 ( WSiN層)所覆蓋(如圖2所示)。所述掩 模層2是通過光刻和后續(xù)蝕刻方法構(gòu)造，從而形成六角形排列的圓形開口 3 (窗口 )(如 圖3所示)。在所述實施例中，六角形排列的圓形開口 3 (窗口 )直徑為IO微米，并且 相鄰窗口的中心距離為15微米。
在如此構(gòu)造的起始村底上，首先，GaN材料的第一半導(dǎo)體層4作為聚合層生長(如圖 4和圖5所示)。這里，含有初始層la的其上構(gòu)造有掩模層2和開口3的起始襯底l在水平 HVPE反應(yīng)器中被加熱到1， Q40。C，其中，表面被750。C以上的氨水固定。當(dāng)反應(yīng)器中的壓力為800hPa，溫度為l， 040°C， V/III比率為5時生長開始。整個區(qū)域的生長率為150 微米每小時。5分鐘后，第一半導(dǎo)體層4以聚合層的形式粘附，并且平均厚度大約10 15 微米。隨后，第一粘附半導(dǎo)體層4 (聚合層)會被厚度大于100微米的第二半導(dǎo)體層5所 覆蓋生長，其中厚度大于200um會更加有利(如圖6所示)。在實施例中，半導(dǎo)體層厚度 為450微米。生長期間在起始襯底1和生長出的半導(dǎo)體襯底6之間產(chǎn)生的應(yīng)力，以及工藝 控制和掩模幾何尺寸，會造成生長出的半導(dǎo)體襯底6與其下方的起始襯底1的分離，如圖 7所示，其中所述半導(dǎo)體襯底6由第一半導(dǎo)體層4 (聚合層)和第二半導(dǎo)體層5構(gòu)成。通過 每小時300。C的冷卻速率，半導(dǎo)體襯底6的表面再次被冷卻到750。C的氨水加固。所述操 作結(jié)束后，以GaN-層封裝形式分離的半導(dǎo)體襯底具有大約460微米的厚度并可從反應(yīng)器 中移出。
在第二個實施例中，2微米厚的GaN初始層la通過MOVPE法在起始襯底1 ( c-平面 藍(lán)寶石襯底，50. 8厘米直徑)上覆蓋生長(如圖1所示)。隨后，所述初始層的整個區(qū) 域?qū)⒈?00納米厚的濺射掩模層2 ( WSiN層)所覆蓋(如圖2所示)。所述掩模層2是 通過光刻和后續(xù)蝕刻方法如此構(gòu)造，因此形成平行的延伸帶(開口 3)。因此，所述掩模 層2被用作帶掩模。
然后如此構(gòu)造的起始晶片1, 2通過M0VPE法被覆蓋生長GaN,以使窗口之外所生長 的凸起區(qū)聚合(如圖4和圖5所示)。聚合完成后，在所獲得的GaN-粘附層4上，由GaN, A1N或AlGaN構(gòu)成的厚度超過50微米的層5采用適合于高生長率的方法生長，其中半導(dǎo) 體層5的厚度如果超過200微米是有利的(如圖6所示)。生長期間在起始襯底1和生 長出的半導(dǎo)體襯底6之間產(chǎn)生的應(yīng)力，以及合適的工藝控制和掩模幾何尺寸，會造成生 長出的層與其下方的起始襯底間的分離，如圖7所示。
在第三個實施例中，使用SiC的起始層l,省略先前的沉積初始層la的步驟。所述 SiC晶片1直接被100納米厚的濺射掩模層2 ( WSiN層)所覆蓋。所述掩模層2是通過 光刻以及后續(xù)蝕刻方法如此構(gòu)造的，從而形成了六角形排列的圓形開口 3(窗口)(如圖 3所示)。
然后如此構(gòu)造的起始晶片1, 2通過MOVPE法被GaN覆蓋生長，以保證在窗口外生 長的凸起區(qū)確實發(fā)生聚合。當(dāng)聚合完成后，由GaN, A1N或者AlGaN所構(gòu)成的厚度超過 50微米的第二半導(dǎo)體層5,將使用適合高速生長的方法，在已獲得的聚合GaN-層4上生 長，其中半導(dǎo)體層5的厚度如果超過200微米是有利的。生長期間在起始襯底1和生長 出的半導(dǎo)體襯底6之間產(chǎn)生的應(yīng)力和由溫度改變(特別是從生長溫度進行冷卻時)所引起的熱應(yīng)力，以及合適的工藝控制和掩模幾何尺寸，會造成生長出的層6與其下方的起 始襯底1的分離，其中所述半導(dǎo)體襯底6包含第一半導(dǎo)體層4 (聚合層)和第二厚半導(dǎo) 體層5。
這里，生長的第一半導(dǎo)體層4和生長的第二半導(dǎo)體層5可能由同種或者不同材料所 構(gòu)成。半導(dǎo)體層4和5可能在相同生長過程或不同生長過程中生長。半導(dǎo)體襯底6也可 能僅由第一半導(dǎo)體層4所構(gòu)成。
圖8顯示了本發(fā)明中的半導(dǎo)體襯底6，其中第二半導(dǎo)體層5與第一半導(dǎo)體層4 (聚 合層)含有同種半導(dǎo)體材料。圖中省略初始層la。圖中第二半導(dǎo)體層在同一生長過程中 被沉積。因此，半導(dǎo)體層4和5彼此融合。
至少一個第一半導(dǎo)體層4的生長厚度優(yōu)選在1 ~ 5(M鼓米，更優(yōu)選在10-30微米。 第二半導(dǎo)體層5的生長厚度優(yōu)選為大于100微米，更優(yōu)選為大于200微米。 在三個實施例的每一個中，通過摻入合適的雜質(zhì)如p型雜質(zhì)或者n型雜質(zhì)或者也可 以是半隔離摻雜，生長出的GaN-， A1N-和AlGaN-層能夠以目標(biāo)所定的方式來生產(chǎn)。生長 出的第三族氮化物的n型摻雜可以通過氯化氫氣體與硅的反應(yīng)，或者簡單地加入含有硅
化合物二氯硅烷(Cl2SiH2)的方式實現(xiàn)。
生長出的第三族氮化物的p型摻雜可以通過鎂Mg和氯化氫氣體的反應(yīng)，或者加入 含有鎂的化合物(作為表面活性劑或者被摻入到層中)，例如bis-cyclopentadienyl
iron(ferrocen: Cp2Fe: Fe (C5H5) 2)到氣相中的方式實現(xiàn)。采用類似方法，銦也可以被
用作表面活性劑。
為獲得半絕緣電學(xué)特性而進行第三組氮化物的摻雜可以通過鐵(Fe)與氯化氫氣體 反應(yīng),或者力口入包含牽夾的4匕合4勿,例J;口 bis—cyclopentadienyl iron(ferrocen: Cp2Fe:
Fe (C5H5) 2)到氣相中的方法實現(xiàn)。
與固態(tài)源相比，氣態(tài)摻雜物簡化了工藝，因為氣態(tài)摻雜物可連續(xù)受控。 通過上述方法得到的自支撐半導(dǎo)體襯底6,在分離之后可能包含鎢硅氮化物痕量，
或者硅化鵪痕量或硅或鉤痕量。優(yōu)選的痕量范圍為大于1015個原子每立方厘米或者范圍 在每單分子層的十分之一或更高。這些數(shù)值有賴于對痕量的探測限度。優(yōu)選痕量范圍低 于200納米。
本發(fā)明的掩模層2用于在起始襯底1上產(chǎn)生自支撐的半導(dǎo)體襯底6的準(zhǔn)備，至少部分包含鵠硅氮化物或者硅化鴒。掩模層2優(yōu)選完全由鉤硅氮化物或者硅化鴒構(gòu)成。
所獲得的由GaN, A1N, AlGaN, InN， InGaN, AlInN或AlInGaN化合物構(gòu)成的自支 撐半導(dǎo)體層可以進一步被用作襯底(氮化物襯底)，以用于采用MOVPE或者MBE方法的 第三族氮化物層結(jié)構(gòu)的生長，或者通過放置金屬觸頭用于生產(chǎn)電子或者光電子器件。最 后，所述自支撐半導(dǎo)體層表面可被拋光。氮化物襯底也可以被用作初始層，以用于采用 HVPE方法的第三族氮化物的進一步生長。
本發(fā)明不局限于上述各實施例。相反，在不脫離本發(fā)明精神和內(nèi)容的條件下，可通 過合并或者修改已提及的方法和特點，進一步實現(xiàn)實施例的變化。標(biāo)記列表
1 起始襯底 la ^7i臺J:
2 掩模層
3 開口
4 第一半導(dǎo)體層一聚合層
5 第二半導(dǎo)體層一厚半導(dǎo)體層
6 半導(dǎo)體襯底
權(quán)利要求
1.一種用于構(gòu)造半導(dǎo)體襯底(6)的方法，包含下列步驟1)提供一個起始襯底(1)，2)在所述起始襯底(1)上形成含有大量開口(3)的掩模層(2)，3)生長所述至少一個半導(dǎo)體襯底(6)，其所述中掩模層(2)是用至少一種半導(dǎo)體材料側(cè)向覆蓋生長的，以及隨后，4)冷卻所述起始襯底(1)，所述掩模層(2)和所述半導(dǎo)體襯底(6)其特征在于，其中用于形成所述掩模層(2)的材料至少部分包含鎢硅氮化物或硅化鎢，其中所述半導(dǎo)體襯底(6)與所述起始襯底(1)的分離發(fā)生在生長或者冷卻過程中，其中所述半導(dǎo)體襯底(6)是自支撐的，以及其中所述半導(dǎo)體襯底(6)包含至少一種氮化合物半導(dǎo)體。
2. 如權(quán)利要求l所述方法，其特征在于用于形成所述掩模層(2)的材料完全由 鴒硅氮化物或者硅化鴒構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求1或2所述方法，其特征在于所述自支撐半導(dǎo)體襯底(6 )通過所 述起始襯底(1 )與處于所述掩模(2 )的所述開口 ( 3 )中的所述半導(dǎo)體襯底(6 )之間 的龜裂形成，所述龜裂由于冷卻過程中所述起始襯底(1)和所述至少一個半導(dǎo)體襯底(6 )之間不同的熱膨脹系數(shù)造成，或者由于生長過程中所生長的半導(dǎo)體層的張力造成。
4. 如權(quán)利要求1至3中的至少一個權(quán)利要求所述的方法，其特征在于步驟c )中， 所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)作為聚合層生長，其中所述掩模層(2)由所述半導(dǎo)體 材料(4)側(cè)向覆蓋生長，直到所述聚合層形成，使得所述半導(dǎo)體襯底(6)由所述至少 一個第一半導(dǎo)體層(4)構(gòu)成。
5. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于步驟c)中，所述至少一個第二半導(dǎo)體層 (5)生長在所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)上，使得所述半導(dǎo)體襯底(6)由所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)和所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5)所構(gòu)成。
6. 如權(quán)利要求4或5中至少一個權(quán)利要求所述方法，其特征在于通過所述步驟c ) 中所生長的所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)和所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5)由相同 的材料或者不同的材料構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)生長的 厚度為1 ~50微米。
8. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)生長的 厚度為10~ 30微米。
9. 如權(quán)利要求5所述方法，其特征在于所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5)生長的 厚度超過1G(M敫米。
10. 如權(quán)利要求5所述方法，其特征在于所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5)生長 的厚度超過300微米。
11. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于步驟b)之前，所述至少一個初始層 (la )在所述起始襯底(1 )的整個區(qū)域上生長，其中所述初始層(la )含有一層或多層獨立的層，并且所述掩模層(2)在所述至少一個初始層(la)上形成。
12. 如權(quán)利要求10所述方法，其特征在于所述初始層(la )厚度為0. 1 ~ 10微米。
13. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述掩模層(2 )厚度為50 ~ 200微米。
14. 如權(quán)利要求4至6中的一個權(quán)利要求所述方法，其特征在于所述至少一個第 一半導(dǎo)體層(4 )的生長厚度為1 ~ 50微米。
15. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5)和/ 或至少一個初始層(la)含有至少一種氮化合物半導(dǎo)體。
16. 如權(quán)利要求14或15中的一個權(quán)利要求所述方法，其特征在于包含于所述至 少一個第一半導(dǎo)體層(4)和/或所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5)和/或所述至少一個初 始層之中的至少一種所述氮化合物半導(dǎo)體是一種由第三族和/或第五族元素所構(gòu)成的氮 化合物。
17. 如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于其中至少一種所述氮化合物是GaN、AlN、 AlGaN、 InN、 InGaN、 AlInN或AlInGaN。
18. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于所述起始襯底(l)包含碳化硅，藍(lán) 寶石，硅或砷化鎵。
19. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于步驟b)中，先沉積連續(xù)掩模層(2), 隨后將多個所述開口 (2 )摻入所述掩模層(2 )中。
20. 如權(quán)利要求19所述方法，其特征在于所述開口 ( 3)是通過光刻和蝕刻法， 或者通過剝離法摻入所述掩模層(2 )中。
21. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)是 通過氬化物氣相外延法生長的。
22. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)是 通過側(cè)向外延生長(ELOG)法覆蓋生長所述初始層(la)而被沉積的。
23. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于步驟c)中，至少一個第二半導(dǎo)體層 (5)在所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)的全部區(qū)域上生長。
24. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)通 過金屬有機物氣相外延(M0VPE)生長。
25. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于通過所述至少一個第一半導(dǎo)體層的生 長使得所述開口 (3)之外所生長的凸起聚合，并且形成聚合表面。
26. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5)以 不小于30微米每小時的速度生長。
27. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于在所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5 ) 和/或所述至少一個初始層Ua)和/或所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)中，n型摻雜通過與di-chlorosilane(Cl2SiH2)反應(yīng)進行。
28. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于在所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5 ) 和/或所述至少一個初始層(la)和/或所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)的生長過程中，Mg(C5Hs)2作為表面活性劑被添加，以用于p型摻雜，或者用于向所述層中摻雜。
29. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于在所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5) 和/或所述至少一個初始層(la)和/或所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)中，采用鐵或者Fe (C5H5) 2進行半絕緣摻雜。
30. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于在所述至少一個第二半導(dǎo)體層(5) 和/或所述至少一個初始層(la)和/或所述至少一個第一半導(dǎo)體層(4)的生長過程中， 銦作為表面活性劑被添加，或者用于向所述層中摻雜。
31. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于至少一個金屬觸頭放置于所述半導(dǎo)體 層(6)上，用于生產(chǎn)電子或者光電子器件。
32. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于隨后至少一層GaN-層，A1N-層，AlGaN-層，InN-層，InGaN-層，Al InN-層或者AlInGaN-層進一步被沉積在所述至少一個第一半 導(dǎo)體層(4)上，用于生產(chǎn)更厚的GaN-層，A1N-層，AlGaN-層，InN-層，InGaN-層，AlInN-層或者AlInGaN-層，或者GaN-單晶體、A1N-單晶體、AlGaN-單晶體、InN-單晶體、InGaN-單晶體、A11nN-單晶體或A11 nGaN-單晶體。
33. 如前述權(quán)利要求所述方法，其特征在于隨后至少一層GaN-層，AlN-層，AlGaN-層，InN-層，InGaN-層，AlInN-層或者AlInGaN-層進一步被沉積在所述半導(dǎo)體襯底(6 )上，用于生產(chǎn)更厚的GaN-層，A1N-層，AlGaN-層，InN-層，InGaN-層，AIM-層，或者 GaN-單晶體、AiN-單晶體、AlGaN-單晶體、InN-單晶體、InGaN-單晶體、AlInN-單晶體 或AlInGaN-單晶體。
34. 如權(quán)利要求32和33所述方法，其特征在于GaN-層，AlN-層，AlGaN-層，InN-層，InGaN-層，AlInN-層，或者GaN-單晶體、AlN-單晶體、AlGaN-單晶體、InN-單晶體、 InGaN-單晶體、AlInN-單晶體或AlInGaN-單晶體隨后被鋸切而分成單個。
35. 如權(quán)利要求34所述方法，其特征在于所述鋸切采用金屬絲鋸。
36. 用于生產(chǎn)電子或者光電子器件的自支撐半導(dǎo)體襯底(6)，其中半導(dǎo)體襯底(6) 包含至少一種氮化合物半導(dǎo)體，其特征在于所述半導(dǎo)體襯底U)包含鴒硅氮化物痕 量或者硅化鉤痕量，和/或鴒和硅痕量。
37. 如權(quán)利要求36所述自支撐半導(dǎo)體襯底(6),其特征在于鶴硅氮化物痕量或 者硅化鉤痕量，和/或鴒和硅痕量，其各自的所述痕量濃度范圍至少為1015個原子每立 方厘米。
38. 用于構(gòu)造位于起始襯底(1 )上的自支撐半導(dǎo)體襯底(6 )的掩模層，其特征在 于沉積于所述起始襯底(1)上的所述掩模層至少部分由鎢硅氮化物構(gòu)成。
39. 如權(quán)利要求38所述掩模層，其特征在于所述掩模層(2 )完全由鎢硅氮化物 構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自支撐半導(dǎo)體襯底及其制造方法并且涉及用于制造自支撐半導(dǎo)體襯底的掩模層，其中半導(dǎo)體襯底與起始襯底自分離，而無需更多工藝步驟。本發(fā)明所述用于生產(chǎn)半導(dǎo)體襯底的方法包含以下步驟提供初始襯底；形成一個在初始襯底上具有大量間隙的掩模層；生長至少一個半導(dǎo)體襯底，其中掩模層被至少一種半導(dǎo)體材料側(cè)向附晶生長；以及隨后冷卻初始襯底、掩模層和半導(dǎo)體襯底，其中用于構(gòu)造掩模層的材料至少部分包含鎢硅氮化物或者硅化鎢，其中半導(dǎo)體襯底和起始襯底分開于至少一種半導(dǎo)體襯底生長或冷卻過程中，并且獲得自支撐半導(dǎo)體襯底。本發(fā)明所述用于自支撐半導(dǎo)體襯底生產(chǎn)的掩模層，至少部分包含鎢硅氮化物或硅化鎢。
文檔編號H01L21/02GK101218662SQ200680023027
公開日2008年7月9日 申請日期2006年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月29日
發(fā)明者克里司汀·漢尼, 君特·特安科, 艾伯海德·里克特, 馬庫斯·威爾斯 申請人:弗萊堡混合材料股份有限公司