半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明構(gòu)思涉及半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)、包括半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件和/或使用半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)制造半導(dǎo)體器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為用于形成氮化物基半導(dǎo)體器件的襯底，經(jīng)常使用藍(lán)寶石襯底。然而，藍(lán)寶石襯底通常是昂貴的而且具有高硬度，它們通常不適合芯片制造。藍(lán)寶石襯底一般也具有低電導(dǎo)率。在大尺寸藍(lán)寶石襯底的外延生長(zhǎng)中，由于藍(lán)寶石的低熱導(dǎo)率，襯底在高溫下彎曲。因此，難以制造大面積的藍(lán)寶石襯底。為了克服這樣的局限，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了使用硅襯底代替藍(lán)寶石襯底的氮化物基半導(dǎo)體器件。硅襯底由于具有比藍(lán)寶石襯底高的熱導(dǎo)率，即使在生長(zhǎng)氮化物薄膜所需的高溫下也不需要彎曲得如藍(lán)寶石襯底那么多。于是，用硅襯底生長(zhǎng)大尺寸薄膜是可能的。
[0003]然而，當(dāng)?shù)锉∧どL(zhǎng)在硅襯底上時(shí)，位錯(cuò)密度由于硅襯底與薄膜之間的晶格常數(shù)的差異而增加，而且裂紋可由于硅襯底與薄膜之間的熱膨脹系數(shù)的差異所導(dǎo)致的張應(yīng)力而產(chǎn)生。因此，已經(jīng)提出了能夠避免裂紋同時(shí)在硅襯底上具有高結(jié)晶度的用于生長(zhǎng)氮化物薄膜層的各種緩沖層結(jié)構(gòu)。
[0004]緩沖層彌補(bǔ)硅襯底與將要形成在其上的目標(biāo)層(例如，氮化物半導(dǎo)體薄膜)之間的晶格常數(shù)差異和熱膨脹系數(shù)差異。為了在硅襯底上生長(zhǎng)諸如GaN的氮化物半導(dǎo)體薄膜，在硅襯底上通常生長(zhǎng)AlN成核層，并且使用所得的在GaN上具有AlN的襯底作為偽襯底(pseudo-substrate)來(lái)生長(zhǎng)GaN薄膜。為了減少GaN薄膜中的位錯(cuò)和裂紋,緩沖層通常形成在成核層上。
[0005]當(dāng)GaN薄膜被用于發(fā)光二極管(LED)或功率器件時(shí)，GaN薄膜為了性能提高而必須生長(zhǎng)為具有低位錯(cuò)，并且為了避免裂紋而必須生長(zhǎng)為接收壓應(yīng)力。然而，隨著GaN薄膜的生長(zhǎng)，由于位錯(cuò)彎曲，應(yīng)力演化為張應(yīng)力，如果存在過(guò)多的位錯(cuò)，則在GaN薄膜的生長(zhǎng)期間產(chǎn)生裂紋。因此，使用緩沖層的主要目的是應(yīng)力控制和從緩沖層消除位錯(cuò)。為此，可以提出具有在AlN成核層與GaN薄膜之間的晶格常數(shù)的緩沖層結(jié)構(gòu)，其中晶格常數(shù)以階梯等級(jí)或連續(xù)等級(jí)的形式變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]至少一個(gè)示例實(shí)施方式包括能夠減少氮化物基半導(dǎo)體薄膜中的裂紋的半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)、包括半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件以及使用半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)制造半導(dǎo)體器件的方法。
[0007]根據(jù)至少一個(gè)示例實(shí)施方式，一種半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)包括硅襯底、形成在硅襯底上的成核層以及形成在成核層上的緩沖層，緩沖層包括由具有均勻的組分比的氮化物半導(dǎo)體材料形成的第一層、在第一層上的由與成核層相同的材料形成的第二層以及在第二層上的由與第一層相同的材料以相同的組分比形成的第三層。
[0008]成核層可以由AlN構(gòu)成。
[0009]半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)可以還包括在第三層上的由與成核層相同的材料形成的第四層以及在第四層上的由與第一層相同的材料以相同的組分比形成的第五層。
[0010]第一層的厚度可以在1nm-1OOOnm的范圍內(nèi)。
[0011]第一層可以由BxAlyInzGah_y_zN(0 ^ x<l,0<y<l,O ^ ζ<1,0 ^ x+y+z<l)形成。
[0012]第二層的厚度可以在lnm-200nm范圍內(nèi)。
[0013]壓應(yīng)力可以形成在緩沖層上。
[0014]根據(jù)至少一個(gè)不例實(shí)施方式,一種半導(dǎo)體器件包括娃襯底、形成在娃襯底上的成核層、形成在成核層上的緩沖層以及形成在緩沖層上的氮化物半導(dǎo)體層，緩沖層包括由具有均勻的組分比的氮化物半導(dǎo)體材料形成的第一層、在第一層上的由與成核層相同的材料形成的第二層以及在第二層上的由與第一層相同的材料以相同的組分比形成的第三層。
[0015]成核層可以由AlN形成。
[0016]緩沖層可以還包括在第三層上的由與成核層相同的材料形成的第四層以及在第四層上的由與第一層相同的材料以相同的組分比形成的第五層。
[0017]第一層可以由BxAlyInzGah_y_zN(0 ^ x<l,0<y<l,O ^ ζ<1,0 ^ x+y+z<l)形成。
[0018]第二層的厚度可以在lnm-200nm范圍內(nèi)。
[0019]緩沖層可以施加壓應(yīng)力到氮化物半導(dǎo)體層。
[0020]半導(dǎo)體器件可以還包括形成在氮化物半導(dǎo)體層上的器件層，器件層可以包括發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)以及肖特基二極管中的一種。
[0021]根據(jù)至少一個(gè)示例實(shí)施方式，一種制造半導(dǎo)體器件的方法包括提供硅襯底、在硅襯底上形成成核層、在成核層上形成緩沖層、以及在緩沖層上形成氮化物半導(dǎo)體層，緩沖層包括由具有均勻的組分比的氮化物半導(dǎo)體材料形成的第一層、在第一層上的由與成核層相同的材料形成的第二層以及在第二層上的由與第一層相同的材料以相同的組分比形成的第三層。
[0022]該方法可以還包括在氮化物半導(dǎo)體層上形成器件層。
[0023]該方法可以還包括去除硅襯底。
[0024]在去除硅襯底時(shí)，成核層和緩沖層的至少一部分可以被一起去除。
[0025]該方法可以還包括在通過(guò)去除硅襯底而暴露的表面上形成凹凸圖案。
[0026]根據(jù)至少一個(gè)示例實(shí)施方式，一種半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)包括襯底、在襯底上的成核層、在成核層上的氮化物半導(dǎo)體層以及在成核層與氮化物半導(dǎo)體層之間的緩沖層，成核層包括第一材料，緩沖層配置為補(bǔ)償襯底與氮化物半導(dǎo)體層之間的晶格常數(shù)差異和熱膨脹系數(shù)差異中的至少一個(gè)。
【附圖說(shuō)明】
[0027]通過(guò)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明構(gòu)思的至少一個(gè)示例實(shí)施方式將被更清楚地理解，在附圖中:
[0028]圖1是示出根據(jù)示例實(shí)施方式的半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0029]圖2示出包括在圖1中示出的示例半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)中的緩沖層的鎵(Ga)組分；
[0030]圖3A和圖3B分別示出在比較示例I和比較示例2中的緩沖層的Ga組分；
[0031]圖4是示出形成在比較示例1、比較示例2和本公開(kāi)的示例實(shí)施方式的緩沖層上的GaN薄膜的(002)方向和(102)方向的結(jié)晶度的圖形；
[0032]圖5是示出在比較示例1、比較示例2和示例實(shí)施方式中由緩沖層施加到目標(biāo)層的應(yīng)力的圖形；
[0033]圖6示出原子力顯微鏡(AFM)圖像，其示出根據(jù)示例實(shí)施方式的緩沖層的形貌；
[0034]圖7示出AFM圖像，其示出在比較示例I中的緩沖層的形貌；
[0035]圖8是示出根據(jù)另一示例實(shí)施方式的半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0036]圖9是示出圖8中示出的半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖層的Ga組分的圖形；
[0037]圖10是示出根據(jù)示例實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0038]圖11是示出根據(jù)另一示例實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0039]圖12是示出根據(jù)另一示例實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0040]圖13是示出根據(jù)另一示例實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0041]圖14是示出根據(jù)另一示例實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0042]圖15A至圖15J是描述制造圖14中示出的半導(dǎo)體器件的示例方法的視圖；以及
[0043]圖16是示出根據(jù)至少一個(gè)示例實(shí)施方式的制造半導(dǎo)體器件的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]現(xiàn)在將詳細(xì)參考至少一個(gè)示例實(shí)施方式，其示例在附圖中示出，其中相同的附圖標(biāo)記始終指示相同的元件。在這點(diǎn)上，示例實(shí)施方式可以具有不同的形式并且不應(yīng)理解為限于在此闡述的描述。因此，以下僅參照附圖描述至少一個(gè)示例實(shí)施方式以說(shuō)明示例特征。
諸如“......中的至少一個(gè)”的表述當(dāng)出現(xiàn)在一列元件之后時(shí)，其修飾整列元件而不修飾該列中的單個(gè)元件。
[0045]在下文，將參考附圖描述根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)示例實(shí)施方式的半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)、包括半導(dǎo)體緩沖結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法。在附圖中相似的附圖標(biāo)記始終指代相似的部件，而且在附圖中每個(gè)部件的尺寸為了描述的清晰和便利而可以被夸大。以下描述的實(shí)施方式僅是示例性的，根據(jù)實(shí)施方式的各種修改是可能的。在下面的描述中，諸如“在......之上”或“在......上”的表述可以包括“以無(wú)接觸的方式在......上”以及“以接觸的方式直接在......上”。
[0046]將理解，當(dāng)一元件被稱(chēng)為“在”另一元件“上”，“連接到”或“聯(lián)接到”另一元件時(shí)，它可以直接在另一元件上、直接連接到或聯(lián)接到另一元件，或者可以存在插入元件。相反，當(dāng)一元件被稱(chēng)為“直接在”另一元件“上”、“直接連接到”或者“直接聯(lián)接到”另一元件時(shí)，沒(méi)有插入元件存在。如在此使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)所列項(xiàng)目的任何和所有組合。此外，將理解，當(dāng)一層被稱(chēng)為在另一層之下時(shí)，它可以直接在另一層之下，或者也可以存在一個(gè)或多個(gè)插入層。此外，也將理解，當(dāng)一層被稱(chēng)為在兩個(gè)層“之間”時(shí)，它可以是兩個(gè)層之間僅有的層，或者也可以存在一個(gè)或多個(gè)插入層。
[0047]將理解，盡管術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等在這里可以被用于描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)該被這些術(shù)語(yǔ)限制。這些術(shù)語(yǔ)僅被用于區(qū)分一個(gè)元件、部件、區(qū)