混合外延支撑件及其制作方法.pdf

本发明涉及一种用于制作一外延支撑件的方法，其包括在一第一单晶导电碳化硅(SiC)或单晶氮化镓(GaN)衬底中形成一绝缘单晶碳化硅或一绝缘单晶氮化镓层。所述方法进一步包括将所述单晶碳化硅或氮化镓层转移至一由具有一不小于1.5W.cm－1.K－1的导热率的多晶硅陶瓷材料制成的第二衬底(4)上。所述方法能够制造尤其对于高频功率应用而言既经济又有效的电子组件。

1、  一种用于制作用于外延的支撑件的方法，其包括：
·在第一导电单晶碳化硅或氮化镓衬底中形成一层绝缘单晶碳化硅层或绝缘单晶氮化镓；
·将所述单晶碳化硅或氮化镓层转移至由具有1.5W.cm^-1.K^-1或更高的导热率的多晶陶瓷材料所形成的第二衬底上。

2、  如权利要求1所述的方法，其中所述单晶碳化硅或氮化镓层是通过向所述第一衬底中实施离子注入制作的。

3、  如权利要求2所述的方法，其中所述离子注入由氢或稀有气体、或共同注入的氢与稀有气体组合的离子注入组成。

4、  如权利要求1所述的方法，其中所述第二衬底为具有至少10⁴Ω.cm的电阻率的多晶碳化硅衬底。

5、  如权利要求1所述的方法，其中所述第二衬底为绝缘的或具有至少10⁴Ω.cm的电阻率的多晶氮化铝衬底。

6、  如权利要求1所述的方法，其中所述单晶碳化硅或氮化镓层具有在10⁴Ω.cm至10⁵Ω.cm范围内的电阻率。

7、  如权利要求1所述的方法，其包括在所述第一及第二衬底中的至少者上制作由绝缘材料形成的层。

8、  如权利要求7所述的方法，其中每一层绝缘材料均具有在10nm至3μm范围内的厚度。

9、  如权利要求1所述的方法，其中通过使所述第一衬底断裂来转移所述单晶碳化硅或氮化镓层。

10、  如权利要求9所述的方法，其中使所述第一衬底沿脆弱的层或脆弱的平面断裂。

11、  如权利要求9所述的方法，其中使所述第一衬底在300℃至1100℃范围内的温度下断裂。

12、  如权利要求1所述的方法，其中所述转移步骤包括通过分子键合来装配所述两个衬底。

13、  如权利要求1所述的方法，其中所述转移步骤之前是一个或一个以上清洗步骤，所述清洗步骤选自：化学清洗、化学机械清洗、称作“UV-臭氧”清洗的清洗及等离子表面激活。

14、  如权利要求1所述的方法，其中所述转移步骤之后是在900℃至1200℃范围内的温度下的退火步骤。

15、  一种用于外延的支撑件，其包括：
·衬底，其由具有1.5 W.cm^-1.K^-1或更高的导热率的多晶材料形成；及
·用于外延生长的层，其由绝缘单晶碳化硅或氮化镓形成。

16、  如权利要求15所述的用于外延的支撑件，其中所述衬底由多晶碳化硅形成。

17、  如权利要求15所述的用于外延的支撑件，其中所述衬底由多晶氮化铝形成。

18、  如权利要求15至17中任一权利要求所述的用于外延的支撑件，其进一步包括在所述多晶衬底与所述单晶碳化硅或氮化镓层之间的绝缘层。

19、  如权利要求18所述的用于外延的支撑件，其中所述绝缘层由氧化硅或氮化硅形成。

20、  如权利要求19所述的用于外延的支撑件，其中所述绝缘层具有在10nm至3μm范围内的厚度。

21、  一种电子结构，其包括如权利要求16至20中任一权利要求所述的支撑件，及其中形成至少一个电子组件的至少一层氮化物型材料。

22、  如权利要求21所述的结构，其中所述材料为氮化镓、氮化铝、氮化铟或氮化镓-铟、或由氮化镓与氮化铝组成的复合物。

23、  一种用于氮化物型材料层的外延生长的方法，其中所述层制作在如权利要求16至20中任一权利要求所述的支撑件上。

24、  如权利要求23所述的方法，其中所述材料为氮化镓、氮化铝、氮化铟或氮化镓-铟、或由氮化镓与氮化铝组成的复合物。

25、  如权利要求23所述的方法，其中还形成活性导电层。

26、  如权利要求25所述的方法，其中所述活性层经蚀刻以形成至少一个电子组件。

27、  如权利要求26所述的方法，其中所述电子组件包括电感器及/或电容器及/或传输线及/或晶体管。

混合外延支撑件及其制作方法
技术领域
本发明涉及用于外延的技术领域，具体而言涉及用于制作诸如氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、或其复合物的材料层的技术领域。
本发明还涉及基于诸如GaN、AlN及其复合物的材料的射频(RF)及微波电路领域。
背景技术
至今，还没有一种类似于牵引硅方法的用以牵引一结晶块以制作GaN或其他氮化物的单晶衬底的方法。所述材料主要是通过下述方式获得：在实质上由蓝宝石(Al₂O₃)形成但在某些情况下也可由碳化硅(SiC)或硅(Si)形成的衬底上通过异质外延来形成一薄膜。虽然通常使用呈薄膜形式的氮化物，但也可存在呈大块材料形式的单晶GaN。如在美国专利US-A-6413627中所述，此种衬底是通过下述方式获得：在一由一不同性质(例如(111)砷化镓(GaAs))组成的具有特定表面图案的衬底上异质外延一GaN厚层(通常为所述衬底的厚度)，而此衬底在外延后接着被移除。此方法可制作相对高质量的衬底，但产量小(非工业的)且成本相对较高。
人们已对宽带隙氮化物型材料(GaN、AlN、InN及其复合物)进行了大量非常主动的研究及开发。类似材料具有一相当宽的应用范围。此类材料的一个重要特性是其大的直接带隙，从而使其在与其他物种(例如氮化镓-铟(InGaN))复合时及当用于适当的组件结构(激光器UV、蓝色LED、白色LED等)中时成为蓝色光或紫罗兰色及紫外光的射极。由于其宽广的直接带隙特性，来自氮化物族(例如GaN、AlN、InN等)的材料可用于大量光电应用中。然而，这些宽广的带隙特性赋予所述材料族例如在高频功率应用中非常有利的其他特性。
在所述材料当中，GaN的特征(例如其能隙、故障域及载流子饱和率)在高频功率应用方面非常有利。
SiC还具有非常有利的特性，相对于GaN，SiC的主要优点是其导热率比GaN的导热率高四倍以上。此种标准对于功率组件的运行很重要，因为必须排出所述组件产生的自然热量中的尽可能多的热量以使所述热量不影响所述组件的运行。
氮化物，且尤其是GaN及其复合物是通过在一外来材料上的异质外延获得的。用作一用于薄膜外延的衬底或支撑件的主要材料为蓝宝石(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)及(111)硅(Si)。例如，使用这三种材料来制作GaN单层或用于电发光二极管、激光器、RF及微波组件等的异质结构及上层结构的更复杂堆叠。
硅非常有利是因为其易于获得且廉价、而且关于使用此种材料的微型制造技术的技能也已很成熟。
然而，在(111)Si上所获得的GaN层的质量在晶格参数方面及在硅与GaN之间的热膨胀系数方面存在差异。
类似于硅，SiC具有-低于GaN的热膨胀系数的热膨胀系数。因此，当在高温外延生长步骤后降低温度时，一外延生长在碳化硅上的GaN膜将处于张力下。然而，由于Si与GaN之间的热膨胀系数差大于SiC与GaN之间的热膨胀系数差，因此对硅的影响更加明显。一处于张力下的GaN层中的瑕疵数量因此往往会在硅上增加且所述层甚至可能在冷却期间破裂。由于这种原因，而且还由于SiC的六角形晶体结构及其接近于GaN的晶格参数的晶格参数，因此在SiC上比在硅上可获得更好质量的层。
蓝宝石可制作优质的外延生长层，因为与硅及SiC相比，蓝宝石的热膨胀系数高于GaN的热膨胀系数，此意味着外延生长的GaN层可在外延后温度下降时保持在压缩状态下。此压缩状态是用以限制在所述GaN层中出现瑕疵，尤其是膜破裂(在遇到SiC时)的最佳手段。由于所述可能的破裂与一GaN的有限厚度相关，因此使用蓝宝石意味着可在不发生破裂也不出现瑕疵的情况下制作更厚的层。使所述层更厚意味着可部分地减少(通过瑕疵之间的湮灭作用)因外延生长的层与衬底在晶格参数上的差异而诱发的瑕疵数量。因此，外延层可在蓝宝石上生长成具有与在SiC上相同的晶体质量。
不管所设想的应用如何，目前大多数异质外延GaN是在SiC或蓝宝石衬底上生长而成的。很多先进的外延技术(例如使用一具有更大或更小复杂性的缓冲层、横向外延覆晶生长或悬垂外延(pendeoepitaxy))均可制作具有越来越少瑕疵的层及具有不断增加的复杂度及效能的组件、量子超晶格激光器、或高电子迁移率晶体管(HEMT)。
制作最佳GaN层的技术无疑是同质外延，即在一GaN衬底上外延生长GaN。此种GaN衬底目前也是通过异质外延获得的且此种衬底中存在诸多晶体瑕疵。不过，此种衬底的密度明显低于一通过异质外延所获得的薄膜(例如少100-1000倍的错位)。此种技术可制作具有极好质量的层但具有某些限制，例如所制作的衬底尺寸-其目前小于50.8毫米(2英寸)，或其在市场上的可获得性-其产量太低以至不能保证充足供应。此外，与SiC衬底相比，可获得的GaN衬底只是导体类型的。
从技术上讲，已可在(111)硅上及在蓝宝石或SiC上制作所有种类的组件。然而，如果所获得的外延生长结构要用于高频功率应用，则必须考虑到两个标准：
●所述衬底能够确保排热以限制所述衬底的自我加热并确保所述组件以一稳定的方式运行且运作得良好；及
●所述电路支撑件的绝缘特性允许制作具有良好特征及最小信号损失的无源组件(电容器、电感器等)及传输线(电波导)。
蓝宝石为天然绝缘体且如上文已阐述的那样可制作优质GaN及其组合物层，但其导热率限制排热。
SiC的导热率比蓝宝石的导热率高10倍以上且因此确保对基于GaN的高频功率组件的极佳排热。此外，目前存在用于制作具有最小瑕疵数量的外延技术。
然而，SiC因其极高的成本而很少使用。作为一实例，对于异质外延处理而言，与一蓝宝石结构的成本相比，SiC衬底的成本介于对于导电晶片的10多倍与对于半绝缘晶片的50多倍之间。因使用SiC所涉及的额外成本限制将此类型的衬底用于高频功率应用。
此外，大块GaN衬底还具有太多缺点以至无法构成一工业解决方案。此种衬底的热特性比SiC更差；具体而言，此种衬底的导热率与Si的导热率大致相同。此外，可在市场上获得的小尺寸GaN对于工业应用而言太小而且仍非常昂贵(为SiC衬底价格的一至两倍)。最后，目前不存在呈衬底形式的半绝缘GaN；只存在呈外延生长薄膜形式的半绝缘GaN。
因此，当前技术状态在成本极高的高效能组件(在SiC上)与成本较低的低效能组件之间加以选择。
因此，存在一个关于发现用于外延及对应衬底或支撑件的替代技术的问题，所述替代技术可允许以合理的成本制作高效能电子组件尤其是基于氮化物型材料(例如GaN、AlN或InN或其复合物)的组件。
发明内容
根据本发明，在一由一具有高导热率的多晶材料形成的支撑件上制作一种用于混合外延的支撑件，所述支撑件由一半绝缘或绝缘材料(优选为SiC或GaN)薄层所构成。
因此，根据本发明的一方法的一个实施方案包括：
在一第一导电单晶SiC或GaN衬底中形成一绝缘单晶SiC或GaN层；
将所述单晶SiC或GaN层转移至一第二衬底上，所述第二衬底由具有每绝对温度每厘米1.5瓦特(W.cm^-1.K^-1)或更高的导热率的多晶陶瓷材料所形成。
因此，制作一用于外延的支撑件的成本因在一导电SiC衬底中形成一单晶体SiC层而显著降低。实际上，一导电SiC衬底的成本比一半绝缘SiC衬底的成本低5倍。
此外，在GaN的情况下，在一导电GaN衬底中形成一半绝缘GaN层可制作具有与高频功率应用相容的电导率的GaN衬底，而这对于当前以大块形式存在的GaN而言是不可能的。
在一具体实施方案中，可通过将氢或一稀有气体(例如氦或氩)或一氢/稀有气体组合(共同注入)离子注入至第一导电单晶SiC或导电单晶GaN衬底中来制作所述单晶SiC或GaN层。
此实施方案具有不管最初用于第一衬底的SiC多型体如何最初导电的SiC或GaN均在注入后变成绝缘或半绝缘的优点。
在注入转移及随后的高温退火后，甚至在1300℃下退火达数个小时后，仍保持所述膜的所述高电阻率特性。
举例而言，所述转移薄膜的所述高电阻率因此将在外延一氮化物(GaN、AlN、InN或其复合物)后仍保持不变。
往其上面转移所述绝缘单晶SiC层的所述第二衬底可为一具有至少10⁴欧姆厘米(Ω.cm)的电阻率的多晶SiC或一绝缘的或具有至少10⁴Ω.cm的电阻率的多晶AlN衬底。
多晶SiC具有与单晶SiC相同的热膨胀及导热率特性，且其可以一具有10⁴Ω.cm或更大(例如在10⁴Ω.cm至10⁵Ω.cm的范围内)的电阻率的半绝缘形式获得。因此，多晶SiC可用于制作用于RF及微波电路的支撑件，所述支撑件具有相当于通过单晶SiC获得的电及热特性的电及热特性，但成本低得多。
所述第一衬底的一部分与所述单晶SiC层的非破坏性分离允许再利用或重新使用所述第一衬底的所述部分(例如)来制作用于外延的其他支撑件。
一单晶SiC层往一多晶SiC支撑件上的转移可在无任何中间层的情况下直接进行，或也可通过一可为氧化硅或氮化硅或具有良好导热率的其他绝缘材料的绝缘层来进行。
氮化硅因其具有一0.3W.cm^-1.K^-1的相对高的导热率(其比氧化硅的导热率高的多)而尤其适于此类应用。此外，所述中间绝缘层的厚度可最小化(例如在50纳米(nm)至500nm范围内)以使其对排热具有极小影响，而此主要是由多晶SiC支撑件(其可为数百个微米(μm)厚)来保证的。
所述单晶SiC层可通过使所述第一衬底(例如)沿一脆弱的层或一平面且优选在一介于300℃至1100℃范围内的温度下断裂来转移。
用于将所述单晶SiC层转移至所述第二衬底上的步骤可通过借助分子键合装配所述两个衬底来进行；其之前可为一化学或化学机械清洗步骤，且其之后可为一在一介于900℃至1200℃范围内的温度下的退火步骤。
本发明还提供一种用于外延的支撑件，所述支撑件包括一具有一1.5W.cm^-1.K^-1或更高的导热率的多晶材料衬底及一由绝缘单晶SiC或GaN形成的用于外延生长的层。
所述衬底可为一绝缘多晶SiC衬底或一可为绝缘的或具有至少10⁴Ω.cm的电阻率的多晶AlN衬底。所述衬底也可由具有一1.5W.cm^-1K^-1或更高的导热率及至少10⁴Ω.cm的电阻率的其他陶瓷材料所形成。
根据本发明的一个特点，所述用于外延的支撑件进一步包括一在所述多晶衬底与单晶碳化硅(也可为氧化硅或氮化硅)层之间的绝缘层。所述绝缘层的厚度可在10nm至3μm范围内。
本发明还提供一种电子结构，所述电子结构包括一如上文所述用于外延的支撑件及一其中已制作至少一个电子组件的至少一个氮化物型材料层。所述材料可为氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、氮化镓-铟(InGaN)或一氮化镓与氮化铝的复合物。
所述氮化物型材料层是通过在上文所述用于外延的支撑件上实施外延生长获得的。
根据一具体方面，还在所述氮化物型层的至少一部分上形成一活性导电层。然后，可对所述活性层进行蚀刻以形成一个或一个以上电子组件，例如一电感器及/或一电容器及/或一传输线及/或一晶体管。
附图说明
图1A至1F显示根据本发明的一方法中的步骤；
图2A及2B显示用于使用本发明的一外延衬底来外延及制作一绝缘结构的步骤；
图3为基于GaN及AlGaN的一HEMT结构的一实例。
具体实施方式
图1A至1F中显示根据本发明的一方法的各步骤。
在此处所假设的实例中，一第一衬底2(图1A)由具有多种类型6H、4H或3C的标准导电单晶碳化硅形成。然而，根据本发明，第一衬底2也可由导电单晶氮化镓GaN来形成。在此种情况下，下文关于一单晶SiC衬底所述的方法中的各步骤是借助单晶GaN衬底代替SiC衬底来进行，所述GaN衬底为一大块GaN衬底或一通过在另一衬底上进行外延并随后进行氢注入所获得的GaN衬底。
一第二衬底4由绝缘多晶碳化硅SiC(其通常具有一10⁴Ω.cm或更高的电阻率)所形成。根据本发明的一变化形式，第二衬底4也可由多晶氮化铝(AlN)来形成。
在下一步骤(图1B)期间，沉积或生长(例如)氧化硅或氮化硅型的绝缘材料层6、8。如果其他材料为绝缘体并具有良好的导热率(例如氮氧化硅)，则也可使用所述其他材料。所述层的厚度可从10nm或数十纳米至1μm或大于一微米，例如3μm。可使用层6、8二者或仅其中的一者。所述层可具有相同或不同的性质。
透过层6在衬底2(图1C)中进行原子或离子注入10来形成一与衬底2的一表面13大致平行延伸的薄层12，以形成脆弱或断裂的一层或一平面，其在衬底2的体积中界定一旨在构成一薄膜的区域6、14，及一构成衬底2的大部分的区域15。所述注入通常为(例如)以一在1×10¹⁶至1×10¹⁷H^-/cm²范围内的剂量及范围在20千电子伏特(keV)至200keV内的能量的氢注入。也可使用其他物种或通过H/He共同注入来进行注入。
因此，获得一因注入所形成的瑕疵掩埋层12。所述层将衬底2与一具有一范围在10nm至1μm内的厚度的单晶SiC层14分开，从而通过离子注入而变成半绝缘。
在装配所述衬底前，可使用如下不同的方法来制备其键合表面以获得最佳键合：例如，CARO或RCA(SCI、SC2)型化学清洗、“UV-臭氧”清洗、等离子表面激活、对层6及8的化学机械抛光、或化学机械洗涤器型清洗、或这些不同方法的一组合。
根据本发明的变化形式，可在键合前移除层6及/或层8以在所有可以设想的配置中通过分子键合获得键合且具体而言提供在层14与衬底4的表面之间进行直接键合的可能性。
然后，装配所述两个衬底(图1D)并在一范围在300℃至1100℃内的温度下进行转移退火达一几分钟至数个小时的周期，此取决于温度。一热转移方法的实例为可视需要与供给机械能相结合在900℃下退火达1小时。此导致沿由离子层12所形成的脆弱平面的分离。
更准确地说，两个衬底2及4是通过一晶片键合型技术或通过粘合接触(例如通过分子键合或粘合)来装配。关于这些技术请参照Q.Y.Tong及U.Gosele的著作“Semiconductor WaferBonding”(Science and Technology)，Wiley Interscience Publications。
然后，通过一可导致一沿脆弱平面12断裂的处理来拆开衬底2的一部分。此种技术的一实例阐述于刊登在the Intemational Joumal of High speed Electronics and Systems，Vol10，n°1(2000)p131-146中的A.J.Auberton-Herve等人的名称为“Why can Smart-cutchange the future of microelectronics？”的文章中。
因此，获得结构16(图1E)，此结构为完全绝缘的(绝缘衬底4及绝缘层6和14)。而且，后续步骤均不会改变此特性。
然后，可采用一高温退火步骤(在900℃与1200℃之间)来加强键合界面或使其消失以避免任何随后的使膜14脱层的危险。可采用牺牲氧化或化学机械抛光步骤或这两种技术的组合来降低表面18的粗糙度，以便将来能在最佳可能条件下进行外延生长步骤。也可通过等离子干式蚀刻步骤、通过离子束蚀刻步骤或通过在非氧化气氛中的退火作业来降低衬底18的粗糙度。
然后，例如在化学机械抛光及化学清洗后，可再利用单晶SiC衬底2(图1F)以将其重新用于同一类型的应用。所述再利用可明显降低结构16的最终成本。
然后，可制作一例如由GaN或任何其他材料尤其由氮化物类型材料(InN、AlN或GaN与AlN的一复合物)组成的外延层22(图2A)，从而制作最终组件。例如，所使用的外延技术为MOCVD、MBE或HVPE。
也可制作例如包括量子井或高迁移率电子气体类型的复合结构。
优选地，所述外延温度不会超过1300℃达数个小时，以保持SiC层14的绝缘性质。此温度在例如700℃至1200℃的范围内。在一个实例中，为了制作一高频功率电路，首先外延生长半绝缘GaN层22，并随后外延生长一包含一高迁移率电子气体的活性导电层24以便后续制作一HEMT晶体管。
可通过借助在其中要制作无源组件(电感器、电容器、传输线等)的区30中进行湿式或干式蚀刻移除所述活性层来制作所述最终电路(图2B)。
在其中移除了导电层24的区域30中，只剩下一具有极佳排热特性的完全绝缘的结构，此意味着对于所制作的电路而言，甚至在高频及高功率下也可获得极佳质量效能。
图3显示一HEMT结构的一剖面，所述HEMT结构包括一配备有一根据本发明获得的单晶绝缘SiC层14的SiC衬底及一包括一GaN层22及一AlGaN层23的外延生长结构。层26为一钝化层。参考字母S、D及G分别表示所获得的晶体管的源极、漏极及栅极。
下表将所推荐的结构与半绝缘SiC及蓝宝石相比较。