專利名稱：生產(chǎn)半導體結(jié)構(gòu)的方法
生產(chǎn)半導體結(jié)構(gòu)的方法本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)半導體結(jié)構(gòu)的方法，特別是生產(chǎn)用于光電子學的半導體結(jié)構(gòu) 的方法。由于缺少大面積的單晶襯底，現(xiàn)今往往在合適的異質(zhì)襯底例如單晶藍寶石或碳 化硅上異質(zhì)外延生產(chǎn)由具有寬帶隙的半導體材料(或?qū)拵栋雽w)例如GaN、AlGaN或 InGaN制成的高功率或光電子元件。然而，這樣的異質(zhì)襯底可能具有對在其上生產(chǎn)的元件的功能不利的性質(zhì)。這些問 題中一些從 C. A. Tran 等人的 Journal of Crystal Growth 298 (2007) 722. 722 中得知。藍 寶石與其它的材料相比具有相對低的導熱性，其影響是只能很差地消除在其上生產(chǎn)的高功 率或光電子元件的熱損失，這對該元件的功能產(chǎn)生不利的影響。此外，已知的是最初在藍寶 石上形成但后來轉(zhuǎn)移到金屬合金襯底上的LED結(jié)構(gòu)在效率方面具有更有利的性質(zhì)。由于它的高熱導率，使用碳化硅(SiC)作為襯底解決了熱損失的問題。然而，對于 形成SiC的有效成本和在相當大的襯底上而言僅僅少數(shù)方法是有效的?？色@得的大塊SiC 襯底的直徑最多只有100mm。US 6328796公開了一種可供選擇的方法，其中3C_SiC層是通過以下步驟產(chǎn)生的 碳化作為施主晶片的硅晶片表面，隨后將該硅施主晶片的SiC層結(jié)合到由多晶SiC制成的 載體片上，然后去除硅施主晶片的剩余部分以暴露SiC層。使用多晶的SiC作為襯底的好 處是，與硅相比，GaN和SiC的熱膨脹系數(shù)彼此較相似。這對進一步熱處理步驟可能是有利 的。WO 03/034484公開了另一個方法，其中通過離子束合成法(IBS)可以在硅襯底上 產(chǎn)生3C多晶形的單晶硅碳層(在硅上的IBS 3C-SiC)。在這個方法中，通過將碳離子注入 到硅襯底中，熱處理和除去被離子注入所損傷的部分硅襯底而產(chǎn)生SiC層。用這種方式暴露的SiC層的表面可以通過化學機械拋光而被拋光至小于0.5nm的 粗糙度，參照EP 1 727 190 Al，使得隨后可以外延生長GaN。WO 98/14986公開了一種方法，通過該方法可以通過將兩個材料層的界面暴露于 電磁輻射下來將這兩個材料層分離。所述分離是基于這兩個材料層中接近于界面的一層的 熱分解。在實踐中，可以使用這個方法在藍寶石上生產(chǎn)由GaN或InGaN制成的光電子元件， 以及隨后通過熱分解接近于藍寶石與GaN或InGaN之間的界面的GaN或InGaN來分離藍寶石層。這個激光剝離方法的缺點是對在電磁輻射的作用下或在熱作用下分解的材料系 統(tǒng)的限制。此外這個技術(shù)上復雜的方法要求使用強激光，其波長具有超過使用的寬帶隙半 導體的帶隙的能量?；谏鲜鰡栴}，本發(fā)明的目的是提供用于光電子學的高質(zhì)量外延層，其避免了現(xiàn) 有技術(shù)中已知方法的缺點。本發(fā)明的目的是通過生產(chǎn)半導體結(jié)構(gòu)的方法而實現(xiàn)，所述方法包括在第一硅襯底 上提供通過在硅中注入碳而產(chǎn)生的含有單晶3C-SiC層的3C-SiC半導體層結(jié)構(gòu)；和在所述 3C_SiC半導體層結(jié)構(gòu)上施加適合于生成光電子元件的氮化物化合物半導體的外延層，其特征在于通過將氮化物層結(jié)合到第二襯底表面上以及機械或化學去除3C-SiC半導體層結(jié)構(gòu) 的含硅和SiC的層而將所述氮化物化合物半導體的外延層轉(zhuǎn)移到第二襯底上，所述第二襯 底是具有大于或等于80%的高反射率的金屬合金或基本透明的襯底。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在SiC結(jié)構(gòu)外延生長例如GaN的情況下硅或多晶SiC襯底還具 有不利的性質(zhì)，因為即使在GaN層中生產(chǎn)發(fā)光二極管(LED)的這種情況下，一部分發(fā)射輻射 被襯底所吸收，因此降低了效率。在用于產(chǎn)生碳化硅層的各種有效的方法之中，使用離子束合成法，因為在3C_SiC 上產(chǎn)生的外延層具有特別好的性質(zhì)并且生產(chǎn)是比較有利的。例如，IBS SiC不具有任何微 管，所述微管被認為在光電子學中是特別關(guān)鍵的，特別是由于它們導致LED的徹底失效。而 且在這種情況下使用的襯底，例如硅晶片，可獲得的直徑為大于100毫米，并且最多300毫 米。正在研制直徑為450mm的硅晶片。與通過其它的方法產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)相比較以及與其它多晶形如4H和6H的SiC相比 較，IBS 3C-SiC還有的好處是僅僅通過CMP拋光就可以使其足夠平滑，從而為隨后的外延 生長步驟作好準備。因此，優(yōu)選通過以下步驟生產(chǎn)3C_SiC襯底將碳離子注入到硅襯底內(nèi)，熱處理所 述硅襯底使得在硅晶片的特定的深度處形成埋入的3C-SiC單晶層，隨后除去硅襯底的上 層直到3C-SiC層暴露，然后化學機械拋光該暴露的3C-SiC層的表面。術(shù)語硅晶片包括所有含有硅的并且適于通過注入碳而形成埋入的碳化硅層的晶 片。眾所周知，具有(100)、(110)或者(111)晶體取向的并且由FZ(浮區(qū)法)或CZ(提 拉法)生長的晶體產(chǎn)生的硅晶片是適合的晶片。使用的硅晶片的直徑優(yōu)選為50mm、100mm、150mm、200mm、300mm 或 450mm。優(yōu)選以與硅晶片表面法線成0-20°的角度進行在硅晶片中注入碳離子，隨后優(yōu)選 在1050-1400°C的溫度下進行熱處理2-20個小時，從而在硅晶片中形成埋入的單晶3C-SiC 層以及在這個碳化硅層之上和之下形成非晶性過渡區(qū)。所述過渡區(qū)包含各種多晶形的SiC 沉淀物、無定形的多晶SiC和硅。此外上層過渡區(qū)包括多個注入誘發(fā)的缺陷。只進行單次注入步驟。特別是，與WO 03/034484相比，沒有提供例如氦離子的第 二次離子注入以形成損傷層。碳離子的注入優(yōu)選以淺的角度進行以便抑制晶格溝道效應。因此尤其優(yōu)選的是以 與硅晶片的表面法線成1-10°的角度注入該離子。隨后優(yōu)選通過合適的化學蝕刻步驟、通過氣相蝕刻或反應性離子蝕刻、通過熱氧 化和隨后的蝕刻、或者通過機械去除或化學機械去除方法如研磨、磨光或拋光來將上層硅 層和位于單晶3C-SiC層之上的非晶形過渡區(qū)去除。從而埋入的單晶3C_SiC層被暴露。然后優(yōu)選用含有膠體硅酸鹽(二氧化硅)的漿液對3C_SiC層進行化學機械拋光。 在CMP拋光之前不對暴露的3C-SiC層進行預處理。特別是不提供與CMP拋光相結(jié)合的機 械預拋光和熱氧化，這也不是優(yōu)選的。拋光時間優(yōu)選小于30min。尤其優(yōu)選拋光時間小于15min。
更尤其優(yōu)選拋光時間小于5min。優(yōu)選用lO-lOOmirT1的拋光板轉(zhuǎn)速進行CMP拋光。優(yōu)選用大于或等于0. 05巴且小于或等于1. 0巴，尤其優(yōu)選為0. 05-0. 4巴，更尤其 優(yōu)選為0. 05-0. 2巴的拋光壓力進行CMP拋光。可以調(diào)整使用的漿液的pH，例如，通過在漿液中加入氫氧化鈉(NaOH)來調(diào)整，并 且漿液的PH優(yōu)選是8-11。優(yōu)選在20_60°C的拋光溫度下，尤其優(yōu)選在20_40°C的拋光溫度下和更尤其優(yōu)選 在室溫下進行CMP拋光。暴露的碳化硅表面優(yōu)選通過CMP拋光而被平滑到粗糙度小于或等于0. 5nm RMS?？梢赃_到低至0. Inm RMS的低粗糙度值。隨后在3C_SiC層的表面上沉積氮化物化合物半導體的外延層。所述外延層優(yōu)選由氮化物化合物半導體或包括一個或多個氮化物化合物半導體 的層結(jié)構(gòu)組成，所述氮化物化合物半導體選自氮化鋁、氮化鎵、氮化銦、氮化鋁鎵和氮化鎵 銦。同樣使用氧化鋅是優(yōu)選的。但是，這種材料相對昂貴。這優(yōu)選產(chǎn)生的層結(jié)構(gòu)包括含有氮化物化合物半導體的外延層、單晶3C_SiC層、非 晶形過渡區(qū)和硅晶片的剩余硅殘余。然后將由例如氮化物化合物半導體組成的外延層轉(zhuǎn)移到第二襯底上。所述第二襯底用來避免吸收損失，并且整體確保比在藍寶石或SiC襯底上的常規(guī) GaN LED更高的光輸出。第二襯底優(yōu)選是金屬的并且具有80%或更高，特別優(yōu)選90%或更高的反射率。不過，具有透射系數(shù)為50%以上，特別優(yōu)選80%以上和更特別優(yōu)選90%以上的透 明或半透明襯底也是適合的。第二襯底優(yōu)選是具有高熱導率的金屬合金。特別優(yōu)選使用由銅合金制成的襯底。Ag、Al和Au (銀、鋁、金)同樣是適合的。此外使用含透明或半透明材料的襯底也是適合的。例如，其可以是玻璃襯底。在玻璃襯底上可以具有透明的氧化層。特別優(yōu)選的是氧化錫銦。特別優(yōu)選的是導電的襯底或?qū)樱⑶以撘r底或?qū)佑蓪τ谟傻飳由系腖ED芯片 發(fā)射的電磁輻射具有高透射系數(shù)的材料組成。尤其適合的是氧化錫銦(ITO)或氧化鋅。透明塑料襯底或乃至透明結(jié)構(gòu)襯底同樣是優(yōu)選的。外延層的轉(zhuǎn)移優(yōu)選通過以下步驟進行將整個外延生長的3C_SiC層結(jié)構(gòu)通過它 的外延生長表面結(jié)合到第二襯底上，隨后將該3C-SiC層結(jié)構(gòu)的所有含硅或碳化硅的層去 除，使得僅僅先前外延沉積的層(氮化物)仍然留在第二襯底上。通過機械方法如研磨、磨光或拋光或通過濕和干化學蝕刻方法例如用TMAH (氫氧 化四甲銨)來進行層的去除。特別優(yōu)選的是在將外延層轉(zhuǎn)移到第二襯底上之前已經(jīng)將包含硅或碳化硅的層去 除，在這種情況下機械方法、化學方法或機械方法和化學方法相結(jié)合也是適合的。
然而，在這種情況下，要預先將載體片或薄膜(例如“碳膜”)粘合在層結(jié)構(gòu)的外延 層上。例如，蠟或樹脂(連接介質(zhì))適用于這種連接。其應該是隨后可以容易地溶解在溶 劑例如丙酮中的材料。特別優(yōu)選的是首先將金屬材料的導電反射層施加到GaN層上。例如，Ag、Al或Au 是適合的。這個層可以例如是氣相沉積的。隨后將碳膜施加到該層上。為了更進一步地穩(wěn) 定和容易處理，還優(yōu)選連接載體片。所述載體片便于在結(jié)合期間處理外延層。在施加了載體片和除去外延生長的3C_SiC層結(jié)構(gòu)中含硅和碳化硅的層之后，將 外延層結(jié)合到第二襯底上。所述結(jié)合本身可以通過半導體工業(yè)中長久以來所公知的任何結(jié)合方法來進行。這些主要涉及使兩個表面通過粘合接觸、親水/疏水結(jié)合或者活化要結(jié)合的兩個 表面中的至少一個表面。在 Q. Y. Tong 禾口 ILGoesele 的‘‘Semiconductor Wafer ‘‘ ， (Science and Technology), Wiley Interscience Publications 中詳細描述了各禾中方法。隨后將連接介質(zhì)溶解并且從結(jié)合層上去掉載體片。這使得預先外延沉積到3C_SiC上的且連接到第二襯底上的氮化物層保留下來。本發(fā)明的實質(zhì)優(yōu)點是通過使用離子束合成和由此產(chǎn)生的3C_SiC層，為隨后沉積 氮化物化合物半導體提供了優(yōu)良的襯底，使得可以通過簡單的結(jié)合步驟和簡單的例如蝕刻 或研磨步驟而將優(yōu)質(zhì)的層，例如III族氮化物，轉(zhuǎn)移到另一個襯底上，優(yōu)選選擇第二襯底使 得在III族氮化物上產(chǎn)生的元件(LED)顯示出良好的性能/能量平衡。
權(quán)利要求
一種生產(chǎn)半導體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括在第一硅襯底上提供通過在硅中注入碳而產(chǎn)生的包含單晶3C SiC層的3C SiC半導體層結(jié)構(gòu)；和將適用于生產(chǎn)光電子元件的氮化物化合物半導體外延層施加到所述3C SiC半導體層結(jié)構(gòu)上，其特征在于，將氮化物層結(jié)合到第二襯底的表面上并且機械或化學去除所述3C SiC半導體層結(jié)構(gòu)的含硅和SiC的層，從而將所述氮化物化合物半導體外延層轉(zhuǎn)移到第二襯底上，所述第二襯底是具有大于或等于80％的高反射率的金屬合金或基本上透明的襯底。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述硅襯底是浮區(qū)法生長的硅材料的晶片。
3.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述硅襯底是提拉法生長的硅材料的晶片。
4.如權(quán)利要求1-3之一的方法，其特征在于，所述3C-SiC半導體層是通過以下步驟形 成的在將碳離子注入至硅襯底的特定深度之后對硅襯底進行熱處理，使得在硅晶片的特 定深度處形成埋入的3C-SiC單晶層，隨后將位于所述埋入的3C-SiC層之上的層去除直到 暴露該3C-SiC層，然后化學機械拋光該單晶3C-SiC層的暴露表面。
5.如權(quán)利要求4的方法，其特征在于，通過拋光將所述暴露的3C-SiC層平滑至表面粗 糙度為 0. 05-0. 5nm RMS。
6.如權(quán)利要求1-5之一的方法，其特征在于，在所述3C-SiC層上沉積的所述氮化物化 合物半導體選自氮化鋁、氮化鎵、氮化銦、氮化鋁鎵和氮化鎵銦。
7.如權(quán)利要求1-6之一的方法，其特征在于，所述第二襯底由金屬或金屬合金組成。
8.如權(quán)利要求7的方法，其特征在于，所述第二襯底由銅合金組成。
9.如權(quán)利要求1-6之一的方法，其特征在于，所述第二襯底是玻璃襯底。
10.如權(quán)利要求1-9之一的方法，其特征在于，在去除所述外延3C-SiC層結(jié)構(gòu)的含硅和 碳化硅的層之前，將載體片或薄膜粘合到3C-SiC層結(jié)構(gòu)的外延層上，用于這種連接的材料 是在將外延層結(jié)合到第二襯底上之后可以很容易溶解的材料，以便從外延層上去除所述載 體片或薄膜。
11.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于，通過機械方法如研磨、磨光或拋光或通過濕和 干化學蝕刻方法或通過機械去除和化學去除的結(jié)合來去除所述3C-SiC層結(jié)構(gòu)的含硅和碳 化硅的層。
全文摘要
本發(fā)明涉及生產(chǎn)半導體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括在第一硅襯底上提供通過在硅中注入碳而產(chǎn)生的包含單晶3C-SiC層的3C-SiC半導體層結(jié)構(gòu)；和將適用于生產(chǎn)光電子元件的氮化物化合物半導體外延層施加到所述3C-SiC半導體層結(jié)構(gòu)上，其特征在于，將氮化物層結(jié)合到第二襯底的表面上并且機械或化學去除3C-SiC半導體層結(jié)構(gòu)的含硅和SiC的層，從而將所述氮化物化合物半導體外延層轉(zhuǎn)移到第二襯底上，所述第二襯底是具有大于或等于80％的高反射率的金屬合金或基本上透明的襯底。
文檔編號H01L33/46GK101933170SQ200980103630
公開日2010年12月29日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者B·墨菲, M·黑貝倫 申請人:硅電子股份公司