金剛石載氮化鎵晶片以及制造設(shè)備和制造方法
【專利摘要】公開了一種用于將寬帶隙半導(dǎo)體特別是氮化鎵外延層與合成金剛石基底集成的方法。通過將合成金剛石沉積到成核層上來產(chǎn)生金剛石基底，所述成核層沉積或形成在層狀結(jié)構(gòu)上，所述層狀結(jié)構(gòu)包含至少一個(gè)氮化鎵層。公開了以低翹曲和高結(jié)晶品質(zhì)制造金剛石載GaN晶片的方法以及用于制造金剛石載GaN晶片和為特定應(yīng)用定制的芯片的優(yōu)選選擇。
【專利說明】金剛石載氮化鎵晶片以及制造設(shè)備和制造方法
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求于2012年2月29日提交的美國臨時(shí)專利申請序列號61/604，979的優(yōu)先權(quán)。通過引用將該公開整體并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及高功率電子器件和光電器件以及它們的熱管理，并且特別涉及制造器件和結(jié)構(gòu)的方法，所述器件和結(jié)構(gòu)包括合成金剛石薄膜與具有與寬隙半導(dǎo)體的晶片的集成，并且更特別地是與氮化鎵基電子器件和光電器件的集成；包括高電子遷移率晶體管、射頻(RF)電子器件、發(fā)光二極管和激光器。
[0004]發(fā)明背景
[0005]半導(dǎo)體器件和電路中的熱管理在任何可制造和成本有效的電子和光電產(chǎn)品中都是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素，例如光產(chǎn)生和電信號放大。高效的熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是降低此類電子器件或光電器件的操作溫度并同時(shí)最大化性能(功率和速度)和可靠性。此類器件的例子是微波晶體管、發(fā)光二極管和激光器。根據(jù)操作頻率、功率要求和具體應(yīng)用，這些器件已經(jīng)常規(guī)地制造于硅、砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)上。近年來，氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)和其它寬隙半導(dǎo)體已經(jīng)顯露為功率電子器件和可見光產(chǎn)生光電子器件兩者的新選擇。氮化鎵材料系統(tǒng)產(chǎn)生具有如下性能的微波晶體管:高的電子遷移率(高速操作所必需的)、高的擊穿電壓(高功率所必需的)和大于GaAs、InP或硅的熱導(dǎo)率，并且因此適用于高功率應(yīng)用。還將GaN用于制造藍(lán)光和紫外激光器以及發(fā)光二極管中。盡管具有高溫性能(由于其寬帶隙和高臨界磁場)JMGaN電子器件和光電器件由于GaN生長通常使用的基底具有相對低的熱阻(thermal resistance)而在性能方面受限。這種缺陷在高功率微波和毫米波晶體管以及放大器中最為顯著，其中減少的冷卻要求和較長的器件壽命(這兩者都受益于較低的結(jié)溫度)是關(guān)鍵的要求。在高功率藍(lán)光和紫外激光器中表現(xiàn)出類似的需要，其中幾微米寬的激光器腔條通過低熱傳導(dǎo)材料將功率消散到芯片中。
[0006]眾所周知，金剛石是人類已知的最導(dǎo)熱的物質(zhì)。由于這個(gè)原因，自19世紀(jì)80年代通過化學(xué)氣相沉積使合成金剛石商業(yè)化以來，半導(dǎo)體行業(yè)已采用金剛石散熱片和均熱片以實(shí)現(xiàn)改良的熱管理。最佳的熱管理的目標(biāo)是使金剛石均熱片或金剛石層與電子器件或光電器件中的熱源緊密靠近。這意味著在薄芯片上構(gòu)建器件并且安裝在金剛石均熱片上、用金剛石層涂覆器件以及更近期將器件外延層轉(zhuǎn)移到金剛石上。
[0007]通過三種方法之一利用化學(xué)氣相沉積(CVD)制造金剛石晶片:等離子體增強(qiáng)的金剛石CVD(其中離解反應(yīng)物的能量來自微波源)，熱絲增強(qiáng)的金剛石CVD(其中離解氣體的能量來自熱鎢絲)，以及高壓焰炬(其中使用高直流電壓加速離子)。
[0008]CVD工藝在真空室中進(jìn)行，在所述真空室內(nèi)提供基底，金剛石將在所述基底頂部生長，并且將所述基底暴露于用以使在基底表面上形成金剛石所需的前體氣體的分子離解所需的能源。金剛石的化學(xué)氣相沉積中所需的前體氣體是碳源，典型為甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、一氧化碳(CO)和乙炔(C2H2),稀釋在氫氣(H2)中。用于高效金剛石沉積所需的氣體組合包含處在氫氣中的小(幾個(gè)百分比)組成的帶有碳的氣體，并且可以用很小百分比的氧氣(O2)進(jìn)一步協(xié)助反應(yīng)。在這些反應(yīng)中優(yōu)選的帶有碳的氣體是甲烷。
[0009]金剛石載GaN (GaN-on-diamond)技術(shù)和所產(chǎn)生的器件(記載于美國專利US7，595，507中)涉及以至金剛石基底的原子級連接的GaN外延層為特征的結(jié)構(gòu)。該技術(shù)使得能夠?qū)⒆詈玫臒釋?dǎo)體(金剛石)與基于氮化鎵(GaN)和GaN-相關(guān)的化合物的電子器件和光電器件結(jié)合起來。由于其固有的高臨界電場和寬帶隙，氮化鎵器件對于高功率的電子和光電應(yīng)用是優(yōu)選的，例如高功率RF晶體管和放大器、電源管理器件(肖特基二極管和開關(guān)晶體管)，以及高功率藍(lán)光和紫外激光器或發(fā)光二極管。
[0010]目前使GaN生長在幾種不同基底上:藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氮化鋁、單晶金剛石和GaN基底。除GaN基底之外，所有其它材料的晶格常數(shù)均不同于GaN和AlGaN的晶格常數(shù)。為了在晶格常數(shù)不同于GaN或AlGaN合金的基底之上外延地生長高品質(zhì)的AlGaN合金，業(yè)內(nèi)通常做法是在晶格錯(cuò)配的基底之上生長層或?qū)咏M合，以便終止位錯(cuò)和產(chǎn)生較低位錯(cuò)密度的外延層，在其上生長高品質(zhì)的活性層是可能的。直接生長在晶格失配的基底之上的層通常被稱為過渡或成核層，并且它們可以包括任意數(shù)目的二元或三元外延層。成核層然后接著是適當(dāng)厚的氮化鎵層，其被稱為緩沖層，添加該緩沖層以實(shí)現(xiàn)低位錯(cuò)密度的GaN以及使活性層與高度錯(cuò)位的成核層隔離。緩沖層的上表面通常以高品質(zhì)材料為特色，所述材料具有充分低從而允許器件活性層生長的位錯(cuò)密度。為了用于場效應(yīng)應(yīng)用，生長在硅、碳化硅和藍(lán)寶石外延晶片(ep1-wafer)上的GaN表面的可達(dá)到的典型位錯(cuò)密度可以介于108l/cm2和1010l/cm2之間。雙極器件例如雙極晶體管和光電器件的有效操作所需的缺陷密度的范圍是106l/cm2到108l/cm2。通常需要GaN緩沖層作為活性外延層結(jié)構(gòu)的一部分。就本申請而言，術(shù)語“過渡層”意指在同質(zhì)基底之上生長的所有層并且需要這些層以(a)將同質(zhì)基底的晶格常數(shù)轉(zhuǎn)變成GaN的晶格常數(shù)，和(b)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的材料，即位錯(cuò)密度足夠低以允許在之上生長期望的活性層。
[0011]術(shù)語器件“活性層”是指為實(shí)現(xiàn)電子器件例如高頻晶體管、高壓開關(guān)、肖特基二極管和/或光電器件例如激光二極管、發(fā)光二極管和超福射發(fā)光二極管所需的一個(gè)或多個(gè)外延層結(jié)構(gòu)。由于GaN緩沖層可以在活性層和過渡層內(nèi)起作用，因此過渡層和活性層之間的邊界可以落在緩沖層內(nèi)的某處。其精確位置可以不是物理的而是功能的:該邊界使適當(dāng)?shù)钠骷δ?活性層)所需與器件操作(過渡層)所不需要的分離。
[0012]圖1中所示的典型AlGaN/GaN HEMT的外延層結(jié)構(gòu)(現(xiàn)有技術(shù))包括設(shè)置在同質(zhì)基底I之上的多個(gè)外延層9。將外延層9分為兩個(gè)功能部分:過渡層8和活性層7。過渡層8包含至少一個(gè)層，但典型包含多個(gè)二元和三元化合物半導(dǎo)體外延層2，它們直接生長在同質(zhì)基底I之上，通常被稱為成核層，所述成核層然后接著是緩沖層3。生長在同質(zhì)基底I上的外延層的品質(zhì)隨著生長進(jìn)行而改善并且在一些厚度用虛線17表示，緩沖層3的晶體品質(zhì)(缺陷密度)變得足夠用于活性層7的高晶體品質(zhì)生長?；钚詫?包含多個(gè)外延層，對其數(shù)量、厚度和材料選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化以執(zhí)行電子器件或光學(xué)器件的特定功能?；钚詫?的生長將開始于和/或包括:生長一部分緩沖區(qū)3?；钚詫釉诠δ苌习ㄒ徊糠志彌_層的原因是因?yàn)樵诋愘|(zhì)結(jié)處的2DEG延伸到大帶隙材料和較低帶隙材料兩者中，并且因此它存在于GaN中(作為較低帶隙材料，即在緩沖區(qū)的頂部)。此外，活性層可以包括其它特性，例如作為背勢壘層，該背勢壘層將其延伸到緩沖區(qū)中。
[0013]至關(guān)重要的是要注意，除了為活性層的生長提供模板之外，過渡層通常不在器件操作中起作用。從熱管理的觀點(diǎn)看，成核層2(過渡層的一部分)的存在對器件熱性能有害。即，由于過渡層內(nèi)的多個(gè)層邊界、合金散射和位錯(cuò)，過渡層通常對垂直于這些層的熱流動(dòng)表現(xiàn)出顯著勢壘并且從而限制了器件的導(dǎo)熱性。
[0014]活性層7典型地將包含處在層結(jié)構(gòu)4之上的勢壘層6，其可包括溝道下(below-channel)勢魚(未示出)以減少本領(lǐng)域中公知的漏極誘發(fā)勢魚降低。勢魚層6此外可以包括處在勢壘層6之上的幾納米厚的GaN層和/或在勢壘層6之下的AlN夾層以改善二維電子氣2DEG 5中的電子遷移率，這也是本領(lǐng)域已知的。活性層7可以包含AlGaN或InGaN半導(dǎo)體合金或GaN、AlN、InN或任何其它相關(guān)材料的多個(gè)層以實(shí)現(xiàn)HEMT的期望的電性能。需要緩沖層以便使過渡層與電子氣5電隔離并且可以增加其厚度以提高器件的擊穿電壓。圖1中所示的示例性HEMT也將以至用10 (源極)、11 (柵極)和13 (漏極)表示的晶體管的接觸部為特征。源極10和漏極13接觸部將典型地產(chǎn)生至活性層7的歐姆接觸，而柵極11可以產(chǎn)生至活性層7的肖特基接觸。此外，可以使用隔離溝12或注入物(未示出)以便在同一晶片或芯片上使各個(gè)HEMT與相鄰器件隔開從而在同一芯片上形成單片集成電路。該晶體管的操作和上文所述的器件增強(qiáng)已經(jīng)記載于公共可得的文獻(xiàn)中，例如RudigerQuay 所著的標(biāo)題為 “Gallium Nitride Electronics” 的書籍，以及 Umesh K.Mishra 和J.Singh 標(biāo)題為“Semiconductor Device Physics and Design”,兩本書均由 Springer 于2008年出版。
[0015]將基于GaN的HEMTs用于許多高功率應(yīng)用，由于在GaN中2DEG中的電子的高密度以及高擊穿電場，它們導(dǎo)致高的操作電流和電壓，高于相似幾何結(jié)構(gòu)的GaAs器件。高電子遷移率晶體管中的占主導(dǎo)的熱發(fā)生出現(xiàn)在柵極和漏極15之間的區(qū)域中，靠近器件表面。在該區(qū)域中，隨著高漏極電勢而加速的電子的能量通過電子-聲子散射首先轉(zhuǎn)變成光頻聲子，并且然后通過聲子-聲子散射轉(zhuǎn)變?yōu)閿y帶熱量(熱傳導(dǎo))的聲頻聲子。傳統(tǒng)上，將圖1中所示的HEMT以基底I背面向下安裝到散熱片上:將背面金屬16附著至散熱片(圖1中未示出)。晶體管的活性層中產(chǎn)生的熱量必然擴(kuò)散至晶片的背面并且通過散熱片經(jīng)由背面16被帶走并且消散在環(huán)境中。對于由器件消散的給定功率，相對于環(huán)境溫度的活性層的溫度上升被稱為熱阻(thermal resistance)并且是所有電子器件的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)榛钚詫訙囟葲Q定了器件性能和其可靠性。目標(biāo)高功率電子和光電設(shè)計(jì)是使任何器件的熱阻最小化并且由此改善它們對溫度的可靠性和性能。
[0016]圖1中所示的具有示例性結(jié)構(gòu)的商業(yè)HEMTs的熱阻是由活性層的緊鄰層中的相對較低的熱導(dǎo)率控制，即活性層7和過渡層8的熱導(dǎo)率。更具體而言，作為過渡層8的一部分的成核層2可以包含三元化合物半導(dǎo)體合金，其表現(xiàn)出低的熱導(dǎo)率。最后，商業(yè)上用于基底I的材料具有低熱阻，從而進(jìn)一步有助于器件的總體低熱阻(例如藍(lán)寶石、硅)。這些材料和結(jié)構(gòu)限制的結(jié)果是，傳統(tǒng)的AlGaN/GaN場效應(yīng)晶體管是熱受限的，但是如果能以某種方法減小熱阻，則可以使其更好。總之，過渡層和基底的熱性能限制了器件的性能。
[0017]在工業(yè)中存在改善AlGaN/GaN HEMTs和類似高功率電子器件和光電器件的熱性能的需求。這種需求已經(jīng)激發(fā)了在通過晶片鍵合和/或?qū)拵恫牧系闹苯由L將寬帶隙器件活性材料與高熱傳導(dǎo)基底結(jié)合方面的若干研究。
[0018]相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)包括Schrantz等人的美國專利US 5，650，639，其公開了為改善熱性能的目的將外延層與金剛石基底鍵合；SaXler的美國專利US 7，033，912教導(dǎo)在薄碳化硅基底上生長金剛石并且任選地在該結(jié)構(gòu)上生長活性層Aetertre等人的美國專利US 6，794，276，教導(dǎo)產(chǎn)生用于半導(dǎo)體器件的新基底；以及Kub和Hobart的美國專利US7，358，152公開了改善電子器件(具體地，GaN HEMTs)熱傳導(dǎo)的一些方法，利用完成的器件或者空白的GaN外延晶片與高度導(dǎo)熱性的基底(包括合成金剛石)的晶片鍵合。
[0019]發(fā)明概述
[0020]本申請公開了一種用于集成GaN和CVD金剛石的方法以形成金剛石載氮化鎵(GaN-on-diamond)設(shè)計(jì)的晶片或基底，在其上可以使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體加工工藝制造電子器件或光電器件。所公開的用于制造所設(shè)計(jì)的金剛石載氮化鎵晶片的工藝被描述為應(yīng)用于高電子遷移率晶體管。然而，可以使用其他電子器件和光電器件來實(shí)施本文中所公開的發(fā)明而不背離本發(fā)明的精神，例如雙極晶體管、肖特基二極管、微波二極管、半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管和超輻射發(fā)光二極管。
[0021]本發(fā)明涉及制造寬帶隙的金剛石載化合物半導(dǎo)體復(fù)合材料基底，其中在設(shè)置于寬帶隙化合物-半導(dǎo)體層之上的介電層上生長金剛石層。更具體地，本發(fā)明公開了用于制造金剛石載氮化鎵設(shè)計(jì)的晶片的方法和設(shè)備。此外本發(fā)明涉及高功率微波晶體管、高壓場效應(yīng)晶體管和肖特基二極管的熱管理。
[0022]目標(biāo)是改善GaN基電子器件以達(dá)到較低的熱阻。本申請公開了制造晶片和器件的一些優(yōu)選方法并且公開了一些包括外延層結(jié)構(gòu)的優(yōu)選的晶片和器件結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)致上述改進(jìn)的器件配置?？梢詥为?dú)地使用所給出的方法和實(shí)施方案中的任一個(gè)以及與其它的公開實(shí)施方案結(jié)合使用以實(shí)現(xiàn)性能的改善。
[0023]術(shù)語
[0024]寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)是指電子器件和光電器件以及基于寬帶隙半導(dǎo)體的制造技術(shù)。
[0025]寬帶隙半導(dǎo)體意指:(a)包含介于氮(N)和至少一種來自元素周期表第III族元素(硼、鋁、鎵、銦和鉈)之間的鍵的半導(dǎo)體，和(b)包含介于碳(C)和至少一種來自元素周期表第IV族元素(碳、娃、鍺、錫和鉛)之間的鍵的半導(dǎo)體。在本申請中，寬帶隙意指但不限于氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁銦(AlInN)、碳化硅(SiC)和金剛石(C)。所述的材料(a)或(b)是單晶。
[0026]單晶材料、晶片或?qū)右庵甘且粋€(gè)晶體，即具有平移對稱。該術(shù)語對于晶體生長是常見的，并且是對于電子學(xué)中使用的大多數(shù)半導(dǎo)體的要求。實(shí)際的半導(dǎo)體具有缺陷，但缺陷密度足夠低，以致假定平移對稱性足以解釋這些材料的主要電子性能和光學(xué)性質(zhì)。
[0027]多晶材料意指由不同取向的晶體組成或者由多于一個(gè)晶體構(gòu)成。
[0028]無定形材料意指沒有真正的或明顯的結(jié)晶形式的材料。
[0029]合成材料意指人工制造的人造材料，即不是天然的，而合成金剛石意指人造金剛
O
[0030]合成金剛石是通過本領(lǐng)域已知方法中的任何一種生產(chǎn)的人造金剛石，包括但不限于高溫高壓技術(shù)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。
[0031]CVD金剛石包括但不限于熱絲、微波等離子體和高壓電弧化學(xué)氣相沉積工藝。
[0032]鍵合或晶片鍵合是其中使兩個(gè)表面(通常為半導(dǎo)體的表面)鄰近并且使其牢固附著的技術(shù)?？梢酝ㄟ^化學(xué)鍵合或使用粘合劑實(shí)現(xiàn)鍵合。該工藝常用于半導(dǎo)體技術(shù)中。例如參見 Tong 和 Gosele 的著作！Semiconductor Wafer Bonding, Springer Verlag, I989。
[0033]晶片翅曲(bow)是當(dāng)晶片放置在平坦表面上時(shí)晶片上任何點(diǎn)的最大聞度和最小高度之間的差異，如圖2所示，并且在垂直于該平坦表面的方向上測量該高度。朝上的表面是被測量的表面。
[0034]同質(zhì)基底(native substrate)是在其上生長工作外延層的基底。例如，當(dāng)在藍(lán)寶石上生長GaN時(shí)，藍(lán)寶石是同質(zhì)基底。當(dāng)在GaN基底上生長GaN時(shí)，同質(zhì)基底是GaN。
[0035]原位意指在自然的部位或位置。在半導(dǎo)體行業(yè)中其通常意指在另外的至關(guān)重要的過程期間執(zhí)行特殊任務(wù)，其中該任務(wù)對于該過程不是必不可少的并且其通常也不是在同一時(shí)間完成。這個(gè)術(shù)語的典型使用是描述，例如在生長/沉積期間光學(xué)監(jiān)測或者外延或薄膜生長。在該情形中，人們提及原位光學(xué)監(jiān)測。在另一實(shí)例中(而且也用于本申請的背景)，在已經(jīng)生長外延層并且已經(jīng)將晶片取出生長室之后，通常將鈍化層添加到場效應(yīng)晶體管的表面。最近，已存在進(jìn)展，其中當(dāng)在相同的生長室中時(shí)已經(jīng)將氮化硅鈍化層沉積在外延層之上。在這種情形中，人們提及原位氮化硅鈍化。原位氮化硅鈍化的實(shí)例報(bào)導(dǎo)于以下出版物中:“In situ SiN passivat1n of AlGaN/GaN HEMTs by molecularbeam epitaxy”，Electronics Letters,第 48 卷，第 14 期，第 779-780 頁，和 “SurfaceStabilizat1n for Higher Performance AlGaN/GaN HEMT with in-situ MOVPE SiN，，，MRSProceedings,第 831卷,Ε6.7, 2004。
[0036]非極性或半極性氮化鎵。六方氮化鎵的C-面是在其上生長氮化鎵的最常見平面。這個(gè)表面是極性的并且產(chǎn)生的異質(zhì)結(jié)在不同的氮化鎵相關(guān)合金之間的各界面處包含固定的電荷分布。氮化鎵也能生長在導(dǎo)致減少的或沒有界面電荷的一些其它晶體學(xué)平面上。這些平面被稱為半極性或非極性的平面。
[0037]過渡層是在具有晶格常數(shù)X1和晶格結(jié)構(gòu)L1的半導(dǎo)體S1的同質(zhì)基底I之上生長的外延層，以便使得能夠在同質(zhì)基底I之上生長具有晶格常數(shù)X2和晶格結(jié)構(gòu)L2的高品質(zhì)半導(dǎo)體S2，其中X1和X2充分地相異以防止直接在S1上的S2的低位錯(cuò)密度生長，這在本領(lǐng)域是眾所周知的。晶格結(jié)構(gòu)L1和L2可以相同或可以不同。例如，L1可以是面心立方，而匕可以是六方，或者L1和L2兩者可以都是立方。關(guān)于位錯(cuò)密度應(yīng)多么低的要求是由要制造的電子器件或光電器件的類型和其性能所決定。過渡層的確切結(jié)構(gòu)隨制造商而不同，并且就本申請而言，過渡層是指達(dá)到期望的缺陷/位錯(cuò)密度所需的任何以及所有層，是的能夠在過渡層之上生長活性層結(jié)構(gòu)。就本申請而言，過渡層包括成核層(多個(gè)三元和/或二元層)以及部分二元緩沖層。
[0038]晶片，由半導(dǎo)體制成的典型為原型的板片，在其上制造或?qū)⒅圃祀娮悠骷蚬怆娖骷?br> [0039]設(shè)計(jì)的晶片(engineered wafer)是包括多個(gè)層的晶片，制造所述層并隨后將它們加入以獲得晶片。
[0040]真空室抽氣的方式包括機(jī)械泵、渦輪分子泵以及本領(lǐng)域已知的與在真空室中抽真空結(jié)合使用的任何其它泵。
[0041]維持卡盤溫度的方式包括晶片的熱容式冷卻，其可以包括液體冷卻和通過調(diào)節(jié)液體溫度和液體流動(dòng)來控制卡盤溫度，這在本領(lǐng)域是眾所周知的。
[0042]監(jiān)測卡盤溫度的方式包括高溫計(jì)、熱電偶或開環(huán)控制。開環(huán)控制意指以從校準(zhǔn)研究知曉的功率操作卡盤從而產(chǎn)生特定的卡盤溫度。
[0043]難熔金屬是格外耐受熱和磨損的一類金屬。難熔金屬的最常見定義包括鈮、鑰、鉭、鎢和錸。它們都有高于2000°C的熔點(diǎn)。
[0044]附圖簡述
[0045]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的高電子遷移率晶體管外延層結(jié)構(gòu)。
[0046]圖2說明了翹曲測量的定義。
[0047]圖3是說明制造金剛石載GaN的設(shè)計(jì)晶片的優(yōu)選方法的框圖。
[0048]圖4不出了(a)晶片700的局部的圖不和(b)載體晶片720。
[0049]圖5不出了(a)晶片730的局部的圖不和(b)載體晶片740。
[0050]圖6是在制造金剛石載GaN晶片的工藝中使用的示例性的鍵合夾具的圖示。
[0051]圖7是為金剛石沉積準(zhǔn)備的晶片夾層結(jié)構(gòu)750的元件的說明。
[0052]圖8是在制造金剛石載GaN的設(shè)計(jì)晶片的優(yōu)選工藝中使用的金剛石生長室的元件的說明。
[0053]圖9描繪了晶片760的激光修邊。
[0054]圖10說明了使用優(yōu)選工藝制造的完整的金剛石載GaN的設(shè)計(jì)晶片的一個(gè)實(shí)施方案。
[0055]圖11示出了使用優(yōu)選工藝制造的完整的金剛石載GaN的設(shè)計(jì)晶片的替代性的實(shí)施方案。
[0056]圖12說明了晶片710的局部，具有原位氮化硅的氮化鎵外延層。
[0057]發(fā)明詳述
[0058]借助于圖3中的框圖以及用以闡明優(yōu)選工藝使用或生產(chǎn)的晶片結(jié)構(gòu)的其它圖來解釋優(yōu)選的方法100和200。在方法100中，提供的晶片是具有圖4A中說明性顯示的結(jié)構(gòu)的“同質(zhì)基底上的氮化鎵”700和具有圖4B中說明性顯示的結(jié)構(gòu)的“載體晶片”720。在方法200中，提供的晶片是具有圖12中說明性顯示的結(jié)構(gòu)的“具有原位氮化硅的同質(zhì)基底上的氮化鎵”710和具有圖4B中說明性顯示的結(jié)構(gòu)的“載體晶片”720。所述方法在步驟102之前合并而且對于任一種方法以相同的步驟繼續(xù)?？梢允褂萌我环椒▉砩a(chǎn)具有氮化硅涂層780的設(shè)計(jì)的金剛石載GaN的晶片(“具有氮化物的工作晶片”)。可以使用任一方法來生產(chǎn)沒有氮化硅涂層770的設(shè)計(jì)的金剛石載GaN的晶片(“沒有氮化物的工作晶片”)，如圖3中的流程圖中所說明的。換言之，在任一方法100或200中，在步驟120中去除氮化硅是任選的。方法之間的選擇取決于同質(zhì)基底上的GaN類型的可得性:或者原位氮化硅或者沒有。選擇是設(shè)計(jì)的晶片的制造商和/或使用該方法的產(chǎn)品的器件的制造商的選擇。
[0059]通過書寫說明書的順序和圖3所示的框圖給出工藝步驟的順序。
[0060]方法100
[0061]步驟101 “在同質(zhì)基底上提供氮化鎵”:在方法100中，在步驟101中提供外延晶片700，其中外延晶片700包含同質(zhì)基底和設(shè)置在該同質(zhì)基底之上的GaN外延層。晶片700的結(jié)構(gòu)示于圖4A中。晶片700包含生長在同質(zhì)基底701上的外延層704。外延層704包含設(shè)置在同質(zhì)基底701之上的過渡層708和設(shè)置在過渡層708之上的活性層707?；钚詫?07包含勢壘層706、二維電子氣705，并且可以任選地包括背勢壘(在圖4A中未示出)和任選的AlN界面層(在圖4A中未示出)，這在本領(lǐng)域已知是提高RF高電子遷移率晶體管的性能?；钚詫又邪牟牧习ǖ幌抻谏婕癎a、Al、In、B和N原子的任何二元、三元、四元合金。在一個(gè)實(shí)施方案中，活性層包含具有極性氮化鎵的至少一個(gè)層并且活性層的鎵終止的表面鄰近于表面700A。在一個(gè)實(shí)施方案中，活性層包含極性氮化鎵并且該活性層的鎵終止的表面鄰近于表面700A。過渡層708包含與同質(zhì)基底701相鄰的成核層702以及設(shè)置在成核層702之上的緩沖層703的至少一部分。緩沖層703優(yōu)選地由GaN制成。在活性層707和過渡層708之間的功能邊界709出現(xiàn)在緩沖區(qū)703之內(nèi)或其邊緣。在一個(gè)實(shí)施方案中，晶片結(jié)構(gòu)700代表在本領(lǐng)域中已知的AlGaN/GaN HEMT并且在Ga-面的GaN上生長活性層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，同質(zhì)基底701由硅制成。顯然，同質(zhì)基底701也可以由碳化硅、藍(lán)寶石和氮化鋁制成而不背離本發(fā)明的精神。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，將具有優(yōu)選設(shè)計(jì)700的晶片(但不限于設(shè)計(jì)700)作為起始材料提供給方法100。
[0062]外延晶片700的上表面被稱為表面700A，而外延晶片700的底表面被稱為表面700B。
[0063]步驟1lB “保護(hù)”:用包含氮化硅的層804涂覆晶片700的上表面700A，將其沉積在表面700A之上。優(yōu)選地使用熱化學(xué)氣相沉積來沉積氮化硅層。氮化硅層的厚度優(yōu)選是50納米，但可以使用較厚或較薄的薄膜而不背離本發(fā)明的精神。例如，已在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)有效的氮化硅的厚度在20nm和200nm之間的范圍。涂覆晶片700的上表面現(xiàn)在被稱為表面804A。
[0064]步驟1lC “多晶硅”:用沉積在氮化硅表面804A之上的多晶硅層805涂覆晶片700的上表面700A。多晶硅層805的厚度優(yōu)選是100nm,但介于10nm和2000nm之間的厚度是可能的。使用熱化學(xué)氣相沉積在600°C下沉積多晶娃層805。在一個(gè)實(shí)施方案中，多晶硅步驟跟隨著原位保護(hù)步驟，而不從處理室移除晶片。涂覆晶片700的上表面現(xiàn)在被稱為表面805A。
[0065]方法200
[0066]步驟101 “為同質(zhì)基底上GaN提供原位SiN”:在方法200中，在步驟122中提供外延晶片710，其中外延晶片710包含同質(zhì)基底、設(shè)置在同質(zhì)基底之上的GaN外延層，和在GaN外延層之上原位沉積的氮化硅層。圖12中說明了晶片710的示例性結(jié)構(gòu)。對于構(gòu)成晶片710的層(它們具有與結(jié)構(gòu)700中的相應(yīng)層相同的功能)的編號保持與晶片700中的那些層相同。本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，用于晶片700的具體外延層設(shè)計(jì)(層厚度、組分和層數(shù))可以與晶片710不同而不背離本發(fā)明的精神。晶片710包含生長在同質(zhì)基底701上的外延層704以及原位生長在外延層704之上的氮化硅層711。外延層704包含設(shè)置在同質(zhì)基底701之上的過渡層708和設(shè)置在過渡層708之上的活性層707?；钚詫?07包含勢壘層706、二維電子氣705，并且可以任選地包括背勢壘(在圖12中未示出)和任選的AlN界面層(在圖12中未示出)，這在本領(lǐng)域中是已知的，以改善RF高電子遷移率晶體管的性能?；钚詫又邪牟牧习ǖ幌抻谏婕癎a、Al、In、B和N原子的任何二元、三元、四元合金。在一個(gè)實(shí)施方案中，活性層包含具有極性氮化鎵的至少一個(gè)層并且該活性層的鎵終止的表面鄰近表面804A。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述活性層707的晶體取向可以是極性、半極性或非極性之一。過渡層708包含與同質(zhì)基底701相鄰的成核層702和設(shè)置在成核層702之上的緩沖層703的至少一部分。緩沖層703優(yōu)選地由GaN制造。在活性層707和過渡層708之間的功能邊界709出現(xiàn)在緩沖區(qū)703之內(nèi)或其邊緣。在一個(gè)實(shí)施方案中，晶片結(jié)構(gòu)710代表本領(lǐng)域中已知的AlGaN/GaN HEMT并且在Ga-面的GaN上生長活性層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，同質(zhì)基底701由硅制成。顯然，同質(zhì)基底701也可以由碳化硅、藍(lán)寶石和氮化鋁制成而不背離本發(fā)明的精神。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，將具有優(yōu)選設(shè)計(jì)710的晶片(但不限于設(shè)計(jì)710)作為起始材料提供給方法200。晶片710的上表面被稱為表面804A,而外延晶片710的底表面被稱為表面710B。
[0067]步驟106 “多晶硅”:用沉積在氮化硅表面804A之上的多晶硅層805涂覆晶片700的上表面700A。多晶硅層805的厚度優(yōu)選是100nm,但在10nm和2000nm之間的厚度是可能的。在600°C下使用熱化學(xué)氣相沉積來沉積多晶硅層805。涂覆晶片700的上表面現(xiàn)在被稱為表面805A。
[0068]方法100和200共有的步驟
[0069]在進(jìn)一步的文本中，使用晶片700作為起始材料來描述制造GaN/金剛石設(shè)計(jì)晶片的優(yōu)選方法(方法100)。如果實(shí)施方法200，那么晶片700和相關(guān)表面700A和700B將分別被晶片710和相關(guān)表面710A和710B替換。還清楚的是，當(dāng)實(shí)施方法100時(shí)，表面804A和805A意指氮化硅層804的表面，并且當(dāng)實(shí)踐方法200時(shí)，表面804A意指原位氮化硅層711的表面，并且在任一情況下805A表面是如果使用方法100則在步驟1lC中沉積的多晶硅層或者如果使用方法200則在步驟106中沉積的多晶硅層的表面。
[0070]步驟102 “測量翹曲”:使用表面輪廓儀或測微計(jì)測量以表面層700A向上的晶片700的翹曲。翹曲的記錄值被稱為第一翹曲值。在10mm晶片上的第一翹曲的典型值是在-4μηι和-12 μ m之間的負(fù)數(shù)。
[0071]步驟103 “載體晶片”:選擇載體晶片720(如圖4B所示)。在一個(gè)實(shí)施方案中，晶片720是具有晶體取向(100)或(110)的娃晶片。晶片720的至少一面是拋光的。晶片720的拋光面被稱為表面720B并且另一邊被稱為表面720A。
[0072]步驟104 “測量翹曲”:在表面720B上測量載體晶片720的翹曲并且翹曲值被稱為第二翹曲值。載體晶片720上的第二翹曲的典型值范圍在O和+10 μ m之間。
[0073]步驟105 “比較翹曲”:比較第一和第二翹曲值以便尋找將在隨后步驟中鍵合到晶片700的合適的載體晶片720。為了接受晶片700和720之間的匹配，必須同時(shí)地滿足以下兩個(gè)條件:
[0074]a)要么第一翹曲值是正數(shù)并且第二翹曲值是零或負(fù)數(shù)，要么第二翹曲值是負(fù)數(shù)并且第一翹曲值是零或正數(shù)，并且
[0075](b)第一和第二翹曲值之間的絕對差異小于或等于10 μ m乘以按毫米計(jì)的晶片直徑除以10mm的比值的平方。數(shù)學(xué)上表達(dá)為IBOW1-BOW2I彡10 μ m.(D/100)2，其中如評丨是第一翹曲值，BOW2是第二翹曲值，并且D是按毫米計(jì)的晶片直徑。如果(a)和(b)兩者都得到滿足，那么將晶片720與晶片700 —起使用并且以晶片720繼續(xù)至步驟108。如果滿足這兩個(gè)條件中的不到兩個(gè)，那么在步驟103中選擇新的載體晶片720并且重復(fù)步驟104和105直到滿足所述翹曲條件為止，并且所選的載體晶片720可被用于步驟108。
[0076]步驟107和108 “旋涂玻璃”:在步驟107，用玻璃806旋涂晶片700的表面805A并且在步驟108中用相同的玻璃(編號807)并且在相同的工藝條件下旋涂晶片720的表面720A。涂覆后，晶片700被稱為晶片730，如圖5A中所示，并且晶片720被稱為晶片740，如圖5B中所示。下面描述涂覆工藝條件和方案。這兩個(gè)步驟(步驟107和108)可依次或同時(shí)發(fā)生。用于層806和807的玻璃具有以下優(yōu)選的特征:(a)其熔點(diǎn)或加工溫度在1000°C或在1000°C的10%以內(nèi)，和(b)在室溫下線性熱膨脹系數(shù)(CTE)在3ppm/K和6ppm/K之間。這些技術(shù)參數(shù)已顯示對于隨后步驟110中的晶片的平坦粘附是必要的。證實(shí)對于該優(yōu)選工藝步驟有效的此類玻璃的實(shí)例是由Ferro公司(Mayfield Heights, Oh1)制造的Ferro Metal Sealing玻璃EG2800。使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工廠類型的旋涂機(jī)用所述玻璃涂覆晶片700和720兩者以4000rpm持續(xù)15秒產(chǎn)生3 μ m的玻璃厚度。然后將涂覆玻璃的晶片730和740在120°C的熱板上干燥5分鐘，然后清潔晶片背面(720A和700B)去除任何多余的玻璃，并且施加400°C下的另一熱板持續(xù)5分鐘。最后將晶片730和740兩者在750°C的爐中烘烤30分鐘以完全變干。晶片730的涂覆玻璃的表面現(xiàn)在被稱為表面806A，并且晶片740的涂覆玻璃的表面現(xiàn)在被稱為表面807B。在一個(gè)實(shí)施方案中，總玻璃厚度(806力口 807)在10nm和10 μ m之間。
[0077]步驟109 “加載夾具”:放置晶片730和740使得涂覆玻璃的表面806A和807B接觸，并且在升高的溫度以及將晶片相互壓在一起的軸向壓力下使其鍵合。在一個(gè)實(shí)施方案中，將晶片放入鍵合夾具中，該鍵合夾具能使壓力施加于晶片730和740，使得它們在退火步驟期間保持互相擠壓。包含在底部上的晶片730和在頂部的晶片740的晶片夾層結(jié)構(gòu)被稱為晶片夾層結(jié)構(gòu)721并且該晶片夾層結(jié)構(gòu)721的兩個(gè)露出表面是表面720A和700B。圖6中示出了示例性的鍵合夾具的視圖。圖6中的相對尺寸未按比例，該圖只說明對于成功完成優(yōu)選工藝步驟109所必需的夾具的功能要素。
[0078]鍵合夾具200至少包括:對要鍵合的晶片提供支撐的基部201，從頂部在要鍵合的晶片上提供壓力的橫桿202，兩件式有角的高度調(diào)節(jié)部件208，和圓頂209，該圓頂確保將晶片上的壓力施加在晶片的中心并且均勻分配給在其下方的晶片的整個(gè)表面。
[0079]在鍵合夾具200的底部，按順序放置如下元件:至少一個(gè)氧化鋁板203、第一石英板204、第一硅晶片205、具有鄰近第一硅晶片205的表面700B的晶片夾層結(jié)構(gòu)721、第二硅晶片206、第二石英板207，以及最后是在該堆疊體之上的圓頂209。所列出的晶片/板堆疊體(203、204、205、721、206和207)被稱為晶片/板堆疊體210。用有角的高度調(diào)節(jié)部件208將圓頂209向下按壓，所述高度調(diào)節(jié)部件壓靠在橫桿202上。在室溫下如此加載夾具并且對有角的高度調(diào)節(jié)部件進(jìn)行定位使得將微小的力作用在圓頂209上。將橫桿202與基部201連接，使得其抵抗任何向上的移動(dòng)，這是其中晶片/板堆疊體210在受熱時(shí)將膨脹的方向。一旦所述有角的高度調(diào)節(jié)部件208移動(dòng)以釋放來自晶片/堆疊體210的壓力，就能容易地移除橫桿202。石英板204和207各自具有等于3mm的近似厚度并且面向晶片夾層結(jié)構(gòu)721的表面的翹曲小于8 μ m。氧化鋁板203的總厚度是約5_。第一和第二硅晶片的厚度各自是約500μπι。所有晶片和板的直徑是至少與晶片夾層結(jié)構(gòu)721的直徑一樣大。
[0080]焊接夾具的操作原理如下:在室溫下加載夾具并且將夾具施加在晶片夾層結(jié)構(gòu)721 (其是堆疊體210的一部分)上的力設(shè)置為小的，但足以保持晶片在適當(dāng)?shù)奈恢?。隨著溫度升高，夾具201 (包括橫桿202、圓頂209和高度調(diào)節(jié)部件)和加載的晶片/板堆疊體210以不同的比率膨脹使得晶片夾層結(jié)構(gòu)721上的力增加。氧化鋁和硅的熱膨脹系數(shù)大于石英，因此晶片/板堆疊體210的膨脹超過通過基部201、橫桿202、圓頂209和高度調(diào)節(jié)部件208所允許的尺寸。用這種方式，在升高的溫度下夾具施加將晶片夾層結(jié)構(gòu)721壓在一起的力并且使用它們之間的旋涂玻璃層806/807實(shí)現(xiàn)晶片700和720的鍵合。夾具基部201、橫桿202、兩個(gè)有角的高度調(diào)節(jié)部件208和圓頂209都優(yōu)選地由具有CTE?0.6ppm/K的石英制成。顯然，可以使用氧化鋁或硅(作為高CTE材料)和石英(作為低CTE材料)以外的材料組合來完成相同的功能而不背離本發(fā)明的精神。
[0081]在另一個(gè)實(shí)施方案中，獨(dú)立地使用如本領(lǐng)域已知的合適設(shè)備來施加壓力和高溫曲線。在一個(gè)實(shí)施方案中，在升高的溫度過程之前和期間施加壓力，但在冷卻期間將其釋放(設(shè)為接近零)。
[0082]步驟110“鍵合”:將具有晶片夾層結(jié)構(gòu)721 (作為堆疊體210的一部分)的夾具裝入爐并且以加熱速度10°c /min加熱至1000°C，使在所述溫度下保溫20分鐘(保溫時(shí)間)隨后以約等于加熱速度的速度冷卻。卸載夾具并取出晶片夾層結(jié)構(gòu)721。在1000°C下夾具200作用到夾具中的直徑10mm的晶片夾層結(jié)構(gòu)721上的力的優(yōu)選值是至少50N并且不超過150N。在一個(gè)實(shí)施方案中，保溫時(shí)間在5至30分鐘范圍內(nèi)。
[0083]步驟111 “旋涂玻璃”:手工地或機(jī)器地用玻璃806涂覆晶片夾層結(jié)構(gòu)721的邊緣，并且然后在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工廠類型的旋涂機(jī)上以4000rpm用玻璃806旋涂晶片夾層結(jié)構(gòu)721的表面720A持續(xù)15秒鐘。這在表面720A上產(chǎn)生3 μ m的玻璃厚度。然后在120°C的熱板上干燥涂覆玻璃的晶片720持續(xù)5分鐘，然后清潔晶片表面700B以去除任何過量的玻璃，并且施加400°C下的另一熱板5分鐘。最后在750°C的爐中烘烤晶片夾層結(jié)構(gòu)721持續(xù)30分鐘以燒盡聚合物。
[0084]步驟112 “退火”:將晶片夾層結(jié)構(gòu)721裝入爐并且以加熱速度10°C /min加熱至1000C，在所述溫度下保溫20分鐘隨后以約等于加熱速度的速度冷卻。卸載夾具并取出晶片夾層結(jié)構(gòu)721。
[0085]步驟113“去除同質(zhì)基底”:現(xiàn)在使晶片夾層結(jié)構(gòu)721經(jīng)受基底去除步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過使用6 μ m粗砂首先執(zhí)行機(jī)械研磨直至同質(zhì)基底701的剩余厚度為100 μ m,來去除晶片700的硅部分701直到成核層702?，F(xiàn)在將已被減薄的硅701的表面暴露至2分鐘的氧等離子體以清洗，并且然后使用等離子體蝕刻在SF6中以10mTorr 290W和175V自偏壓去除剩余的100 μ m的硅。一旦硅層701被除去并且蝕刻在成核層702上停止，自偏壓電壓通常會跳起幾個(gè)伏特。典型的蝕刻速率是Iym/分鐘并且蝕刻持續(xù)約90分鐘。用熱丙酮清洗成核層702的露出表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，步驟114包括去除緩沖層703的一部分。在另一個(gè)實(shí)施方案中，通過等離子體蝕刻去除整個(gè)的同質(zhì)基底。存在許多去除硅基底直到蝕刻停止的方式(在本領(lǐng)域中是已知的)，可以將其中任一種用于該步驟而不背離本發(fā)明。
[0086]步驟114 “去除成核層”:在這個(gè)步驟中，去除成核層708。在一個(gè)實(shí)施方案中，接下來使晶片夾層結(jié)構(gòu)721在120°C的具有13升H2SO4和0.2升H2O2的熱硫酸中經(jīng)受濕法化學(xué)蝕刻。該步驟以500nm/hr的典型蝕刻速率去除AlGaN成核層。在該蝕刻結(jié)束時(shí)，表面700B這時(shí)是GaN緩沖層703。在一個(gè)實(shí)施方案中，步驟114也包括去除緩沖層703的一部分，優(yōu)選為在成核層702和功能邊界709之間的緩沖層703部分，在所述功能邊界709之上材料品質(zhì)高(缺陷密度低)。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過干法蝕刻去除成核層。在又一實(shí)施方案中，通過干法和濕法化學(xué)蝕刻的組合去除成核層。保持露出的GaN緩沖區(qū)703的表面被稱為表面703B。
[0087]步驟115 “沉積金剛石成核層”:這時(shí)在600°C爐中用熱氮化硅801涂覆GaN緩沖層的露出表面703B。典型的生長速率是約5nm/min并且調(diào)整時(shí)間以實(shí)現(xiàn)期望厚度。典型的厚度范圍是1nm至60nm。沉積的氮化硅801是無定形的，但可以是多晶的。氮化硅801的露出表面不被稱為表面801B，并且將該階段的晶片稱為晶片夾層結(jié)構(gòu)750。
[0088]在步驟115結(jié)束時(shí)，為金剛石沉積準(zhǔn)備的晶片夾層結(jié)構(gòu)750的結(jié)構(gòu)示意顯示于圖7中。晶片夾層結(jié)構(gòu)750包括以下層:存在于原生晶片700中的活性層707 (見圖4A)，在步驟106中在活性層707之上沉積的氮化硅層804，在步驟107和108中在多晶硅層805之上沉積的玻璃806和807，在步驟109中附著的載體晶片720，和在步驟115中沉積的在活性層之上的氮化硅層801。氮化硅層801的露出表面被稱為新表面801B，并且玻璃808的保持露出表面仍然被稱為808A。活性層707的結(jié)構(gòu)保持與晶片700中一致:活性層707包含GaN緩沖層703、二維電子氣705和AlGaN勢壘706。
[0089]在一個(gè)實(shí)施方案中，為金剛石沉積準(zhǔn)備的基底包含:硅晶片；設(shè)置在所述硅晶片之上的玻璃層；設(shè)置在所述玻璃層之上的多晶硅層；設(shè)置在所述多晶硅層之上的第一氮化硅層；設(shè)置在所述多晶硅層之上的多層結(jié)構(gòu)層，其包含由氮化鎵制成的至少一個(gè)層；設(shè)置在所述多層結(jié)構(gòu)層之上的厚度為1nm至10nm的第二氮化硅層；其中所述第二氮化硅層是無定形的。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述硅晶片具有大于0.2毫米的厚度。在又一實(shí)施方案中，所述玻璃層具有在0.1微米和10微米之間的厚度。在又一實(shí)施方案中，所述玻璃層具有至少1000°C的熔化溫度。在又一實(shí)施方案中，所述多晶硅層具有在0.1和2微米之間的厚度。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述第一氮化硅層是原位氮化硅。在又一實(shí)施方案中，所述第二氮化硅層具有在10納米和100納米之間的厚度。在又一實(shí)施方案中，所述至少一個(gè)氮化鎵層是半極性或非極性氮化鎵。在又一實(shí)施方案中，所述多層結(jié)構(gòu)層具有由鎵終止的氮化鎵構(gòu)成的表面，所述表面與所述第一氮化硅相鄰。
[0090]步驟116 “沉積金剛石”:為金剛石生長準(zhǔn)備晶片夾層結(jié)構(gòu)750的801B表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，首先使用帶有金剛石磨粒的布通過干擦(對于50-_晶片持續(xù)9分鐘或?qū)τ?00-mm晶片持續(xù)14分鐘)對表面801A進(jìn)行接種(seed)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，將晶片放下以使用大布擦拭且施加振動(dòng)接種。在又一實(shí)施方案中，通過使用相同的磨粒與超聲波浴乙醇、甲醇或異丙醇濕擦晶片。為金剛石生長接種表面的工藝是金剛石生長技術(shù)中公知的工藝。
[0091]這時(shí)將接種的晶片夾層結(jié)構(gòu)750裝入金剛石生長室中并且通過化學(xué)氣相沉積在表面801B之上生長金剛石層。
[0092]如圖8中示意性所示，CVD金剛石室包括:(a)真空室901，(b)卡盤902，操作性配置所述卡盤以便在強(qiáng)制冷卻槽911之上強(qiáng)制地或熱容性地溫度控制，(c)鑰圓盤903，其具有用于支撐一定直徑的晶片905的表面903A，所述鑰圓盤903設(shè)置在所述卡盤902和所述晶片905之間，并且操作性地配置所述鑰圓盤903以便沿垂直于所述晶片905的軸904旋轉(zhuǎn)，和(d)在所述鑰圓盤903上方、在絲接觸部911之間伸展且排列成線性一維陣列的多個(gè)絲906，所述絲906的陣列平行于所述表面903A，所述多個(gè)絲903距離所述表面903A不超過25mm。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述多個(gè)絲906距離所述晶片表面不小于4mm。使用管和歧管907操作性地配置所述真空室901 (如本領(lǐng)域已知的)以便將反應(yīng)氣體908提供至該室，其中所述反應(yīng)氣體908包含至少一種含碳的氣體和氫氣。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述含碳的氣體是甲烷(CH4)。所述反應(yīng)氣體可包括氧氣。真空室901進(jìn)一步配備有真空泵(位于圖8的出口 910處)并且被操作性配置以便在包括低于100托壓力的壓力范圍內(nèi)操作。可以通過維持恒定的泵速和調(diào)整氣體流量或者通過在出口 909處控制離開真空室901的流量控制值來執(zhí)行壓力控制。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述絲由難熔金屬制成。在又一實(shí)施方案中，所述絲由鎢制成。對卡盤冷卻以便將鑰圓盤的表面維持在800°C以下的溫度。真空室901的壁包括水冷卻。
[0093]過程方案包括步驟:(a)通過放置晶片夾層結(jié)構(gòu)750使表面808A面向鑰圓盤903而將晶片加載到室中，(b)提供多個(gè)絲，所述多個(gè)絲排列成在所述晶片夾層結(jié)構(gòu)750上方伸展并且平行于所述晶片表面的線性一維陣列，所述多個(gè)絲距離所述晶片表面不小于4mm，(c)以足以調(diào)整室壓力低于100托的流速將反應(yīng)氣體提供至室中，其中所述反應(yīng)氣體包含至少一種含碳的氣體和氫氣，(d)向所述多個(gè)絲提供電功率，所述功率是至少3kW，(d)維持生長條件持續(xù)足夠時(shí)間以生長預(yù)定厚度的金剛石。
[0094]在一個(gè)實(shí)施方案中，晶片尺寸是約10m且金剛石層的厚度是100 μ m±20 μ m，但可以在20到300 μ m范圍內(nèi)。完成的結(jié)構(gòu)顯示于圖9中并且標(biāo)示為760。將金剛石層標(biāo)示為723并且其最后生長的層標(biāo)示為723B。
[0095]步驟117 “測量翹曲”:一旦從真空室901中移除，就以表面723B向上測量晶片夾層結(jié)構(gòu)760上的第三翹曲值。該翹曲應(yīng)該是凸的(中心高于邊緣，即第三翹曲值是正數(shù))。在一個(gè)實(shí)施方案中，對于具有10ym厚的金剛石層723的約10mm直徑的晶片750和具有650μπι的名義厚度的晶片750，第三翹曲值小于1mm。這種情況的結(jié)果是在隨后的步驟120中完成的晶片770的低翹曲。在另一個(gè)實(shí)施方案中，在具有100 μ m金剛石厚度的10mm晶片夾層結(jié)構(gòu)750上的第三翹曲在650 μ m和950 μ m之間。在步驟120中實(shí)現(xiàn)平坦的GaN/金剛石設(shè)計(jì)晶片770和780方面的關(guān)鍵要求是晶片夾層結(jié)構(gòu)760的第三翹曲是凸的并且限于預(yù)定值。
[0096]步驟118 “激光修邊”:說明地顯示于圖9中的涂覆金剛石的晶片750包含用金剛石層723涂覆的晶片夾層結(jié)構(gòu)750。晶片夾層結(jié)構(gòu)750的邊緣也部分地涂覆有如以751所示的金剛石。這時(shí)對晶片750進(jìn)行修邊以便去除在用虛線755所示位置處的涂覆有金剛石的邊緣。激光修邊755之間的距離略小于晶片夾層結(jié)構(gòu)750的直徑，典型地總體上比其小Imm0
[0097]步驟119 “去除載體晶片”:這時(shí)使用濕法化學(xué)處理去除涂覆有玻璃808的載體晶片720 (兩者均為晶片夾層結(jié)構(gòu)750的一部分)的表面808A。首先使玻璃808暴露于HF持續(xù)I分鐘以去除玻璃808。包括CH3COOH:HNO3:HF(按體積2:2:1)的混合物構(gòu)成的piranha蝕刻接著是在四甲基氫氧化銨(TMAH) (CH3)4NOH中的蝕刻以去除載體晶片720、玻璃806和807以及多晶硅805。該步驟使氮化硅804露出。
[0098]步驟120 “去除氮化硅”:在一個(gè)實(shí)施方案中，通過在濃HF中以約10nm/min的蝕刻速率進(jìn)行蝕刻來去除氮化硅804。該過程使原生外延層的原始活性層707露出。所得的設(shè)計(jì)晶片標(biāo)示為晶片770并且其結(jié)構(gòu)說明于圖10中。設(shè)計(jì)晶片770包含活性層707、氮化硅金剛石成核層801和金剛石晶片723。
[0099]在另一個(gè)實(shí)施方案中，省略步驟120。當(dāng)要在該晶片上制造的器件將使用氮化物層804時(shí)情況如此。例如，可以使用剩余的氮化硅層作為高電子遷移率晶體管中的鈍化層。在該實(shí)施方案中，過程的結(jié)果是設(shè)計(jì)的晶片780，如圖11中所示。設(shè)計(jì)的晶片780包含活性層707、氮化娃金剛石成核層801、金剛石晶片723和氮化娃層804。在一個(gè)實(shí)施方案中，氮化硅804是原位氮化硅。在另一個(gè)實(shí)施方案中，氮化硅804是熱生長的氮化硅。
[0100]顯然，在不背離本發(fā)明的情況下，用于制造金剛石載GaN晶片的所述步驟的各種修改是可能的:改變步驟109中的板的厚度，步驟110、112、115和116的時(shí)間和溫度。也可以使用步驟109和116中公開的設(shè)備來制造各種其它創(chuàng)新性器件和晶片結(jié)構(gòu)。
[0101]還清楚的是，可以將所述優(yōu)選方法用于制造設(shè)計(jì)的晶片，通過改變活性層設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，所述設(shè)計(jì)的晶片可用于制造發(fā)光器件例如發(fā)光二極管、激光器、和超輻射發(fā)光二極管。對于該目的，顯然有可能修改活性層的晶體取向以適合任何所述應(yīng)用而不背離本發(fā)明的精神。具體地，活性層可以是極性、半極性或非極性。另外，可以將上面設(shè)計(jì)的高電子遷移率晶體管用于功率管理應(yīng)用，其中可以改變緩沖層厚度和外延層設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)以容許高的擊穿電壓。也可以使用優(yōu)選方法來制造高電壓肖特基二極管。
[0102]雖然為說明本發(fā)明顯示了某些代表性的實(shí)施方案和細(xì)節(jié)，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，可以對本文中公開的方法和設(shè)備做出各種變化而不背離本發(fā)明的范圍，所附權(quán)利要求書中限定了本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于合成金剛石生長的方法，該方法包括步驟: (a)提供具有抽氣裝置的真空室； (b)提供包含至少一層氮化鎵的設(shè)計(jì)的晶片，所述晶片具有直徑和生長表面； (C)提供具有用于支撐所述晶片的表面的臺，所述臺被操作性配置以沿垂直于所述設(shè)計(jì)的晶片的軸旋轉(zhuǎn)； (d)將所述晶片放置在所述表面上； (e)提供受冷卻的卡盤，其具有監(jiān)測所述卡盤溫度的裝置； (f)將所述臺放置到所述卡盤上； (g)在所述臺和所述卡盤之間維持間隙； (h)提供多個(gè)難熔金屬絲，排列成在所述晶片附近伸展的線性一維陣列，所述陣列平行于所述生長表面，所述多個(gè)絲距離所述生長表面不超過25mm ； (i)向所述室提供反應(yīng)氣體，其中所述反應(yīng)氣體包含氫氣和至少一種含碳的氣體，并建立工藝壓力；和 U)向所述多個(gè)難熔金屬絲提供電功率，所述電功率對于一個(gè)晶片是不小于3kW，持續(xù)足以生長期望厚度的合成金剛石的時(shí)間，其中所述受冷卻的卡盤維持所述卡盤溫度低于800。。。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生長表面包含氮化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述工藝壓力小于100托。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述設(shè)計(jì)的晶片包含至少一個(gè)包括硅的層。
5.一種為合成金剛石沉積而準(zhǔn)備的基底，其包含: (a)厚度大于0.2mm的娃晶片； (b)玻璃層； (C)多晶硅層； (d)第一氮化娃層； (e)包括至少一層氮化鎵的多層結(jié)構(gòu)層；和 (f)具有不大于10nm厚度的第二氮化硅層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基底，其中所述氮化鎵層以平行且鄰近于所述第一氮化硅的Ga覆面的表面為特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基底，其中所述氮化鎵層的表面是氮化鎵的非極性或半極性的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基底，其中所述玻璃具有高于1000°C的熔化溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基底，其中所述第二氮化硅層是原位氮化硅。
【文檔編號】C30B23/00GK104285001SQ201380020210
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月29日
【發(fā)明者】D·弗朗西斯, F·納塞爾-費(fèi)利, K·馬修斯, F·Y·洛, Q·迪杜克, S·蔡塞夫, F·埃耶克哈姆 申請人:六號元素技術(shù)美國公司