在基板上形成SiC结晶以实现GAN和Si电子器件集成的机理

摘要

上述在基板上形成SiC结晶的机构实现了在同一基板上形成和集成GaN基器件和Si基电子器件。通过向Si基板区域中注入碳和随后退火基板形成SiC结晶区域。在SiC结晶区域形成过程中使用注入停止层以覆盖Si器件区域。

说明书

技术领域

本发明是关于在Si基板上形成SiC结晶以及，更具体地说，是关于在 Si基板上形成SiC结晶以实现III-V基器件和Si基器件的集成。

背景技术

氮化镓(GaN)基材料在电子，机械和化学性能方面具有很多优点， 如带隙宽，崩溃电压高，电子迁移率高，弹性模量大，压电和压阻系数高 等，和化学惰性。这些优点使得GaN基材料在用于制造器件如高亮度发光 二极管(LEDs)，电源开关器件，稳压器，电池保护器，显示屏驱动器， 电信器件等方面具有吸引力。

另外，过去几十年里在Si基器件和电子器件的设计以及生产方面取得 的进步表明了Si基器件的缩放能力和电路复杂性的卓越水平。结果，为了 高级应用，需要在同一个晶片上集成GaN基器件和Si基器件以实现提高的 功能和设计复杂性。通常将GaN基材料制造的器件形成在蓝宝石基板或 SiC基板上。因此产生了关于此内容的以下公开。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种其上带有GaN基器件和Si 基器件的硅基板，包括：

所述GaN基器件，位于SiC结晶区域上，其中所述SiC结晶区域 形成在所述硅基板中；和

所述Si基器件，位于硅区域上，其中所述硅区域在所述硅基板上 与所述SiC结晶区域毗邻。

根据本发明所述的硅基板，其中所述SiC结晶区域的表面与所述硅区 域的表面基本在同一水平。

根据本发明所述的硅基板，其中所述GaN基器件选自由发光器件，电 源开关器件，稳压器，电池保护器，平板显示驱动器，和通信器件组成的 组。

根据本发明所述的硅基板，其中所述GaN基器件为金属氧化物半导体 高电子迁移率晶体管(MOS-HEMT)或HEMT。

根据本发明所述的硅基板，其中所述Si基器件为MOS场效应晶体管 (FET)。

根据本发明所述的硅基板，其中所述GaN基器件和所述Si基器件通过 互连互相连接。

根据本发明所述的硅基板，其中具有多个金属互连层。

根据本发明所述的一种在Si基板上形成GaN基器件和Si基器件的方 法，包括：

在所述Si基板上方沉积注入停止层；

图案化所述注入停止层以覆盖所述Si基板区域和曝露出剩余区 域；

实施离子注入以注入碳到所述Si基板的所述剩余区域中；

实施退火以在所述剩余区域中形成SiC结晶；

在所述剩余区域的所述SiC结晶上形成所述GaN基器件和在所述 Si基板的覆盖区域上形成所述Si基器件，其中在形成所述Si基器件 之前移除所述注入停止层。

根据本发明所述的方法，其中在约500℃到约900℃的温度范围内实施 所述离子注入。

根据本发明所述的方法，其中在约室温到约150℃的温度范围内实施 所述离子注入。

根据本发明所述的方法，其中在约900℃到约1200℃的温度范围内实 施所述退火，并且在退火设备中通过选自由快速热退火，闪光退火，和激 光退火以及熔炉退火组成的组的工艺来实施所述退火。

根据本发明所述的方法，其中在取决于实施所述离子注入的温度的温 度和持续时间下实施退火。

根据本发明所述的方法，其中碳注入的剂量在约1E16离子/cm²到约 1E19离子/cm²的范围内。

根据本发明所述的方法，其中制造所述GaN基器件的材料包括GaN 和AlGaN。

根据本发明所述的方法，其中在所述剩余区域中的所述SiC结晶的厚 度在约1μm到约8μm之间。

根据本发明所述的方法，其中以多个步骤实施所述离子注入，其中注 入能量在约20KeV到约800KeV之间。

根据本发明所述的方法，其中所述注入停止层由介电材料制成并且其 厚度在约100埃到约5000埃之间。

根据本发明所述的方法，其中所述GaN基器件选自由发光器件，电源 开关器件，稳压器，电池保护器，平板显示驱动器，和通信器件组成的组。

根据本发明提供的一种在Si基板上形成GaN基器件和Si基器件的方 法，包括：

在所述Si基板上沉积注入停止层；

图案化所述注入停止层以覆盖所述Si基板区域和曝露出剩余区 域；

实施离子注入以向所述Si基板的所述剩余区域注入碳，其中在约 500℃到约900℃的温度范围内实施所述离子注入；和

在所述剩余区域的所述SiC结晶上形成所述GaN基器件以及在所 述Si基板的所述覆盖区域上形成所述Si基器件，其中在形成所述Si 基器件之前移除所述注入停止层。

根据本发明所述的方法，还包括：

在实施所述离子注入之后，实施退火以在所述剩余区域中形成SiC 结晶，其中在快速热处理系统中，在约900℃到约1200℃的温度范围 内实施所述退火。

附图说明

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明， 并且相同的附图编号用于标示出相同的结构元件。

图1A为根据一些实施例的，示出了GaN基金属氧化物半导体高电子 迁移率晶体管(MOS-HEMT)的横截面。

图1B为根据一些实施例的，示出了GaN基HEMT的横截面。

图2A-图2C为根据一些实施例的，示出了硅(Si)基板经历在所述Si 基板上形成SiC结晶的工艺序列的横截面示意图。

图3A-图3E为根据一些实施例的，示出了硅(Si)基板200经历形成 GaN基和Si基器件的工艺序列的横截面示意图。

具体实施方式

据了解为了实施本发明的不同部件，以下公开提供了许多不同的实施 例或实例。以下描述元件和布置的特定实例以简化本公开。当然这些仅仅 是实例并不打算限定。再者，本公开可在各个实例中重复参照数字和/或字 母。该重复是为了简明和清楚，而且其本身没有规定所述各种实施例和/或 结构之间的关系。

图1A为根据一些实施例的，示出了GaN基金属氧化物半导体高电子 迁移率晶体管(MOS-HEMT)100的横截面。如图1所示，晶体管100包 括GaN层101，AlGaN层102，Al₂O₃栅极介电层103，源极触点104，漏 极触点105，和栅极106。在一些其它实施例中，直接将栅极106沉积在 AlGaN层102上而且不存在Al₂O₃栅极介电层103。根据一些实施例，如图 1B所示，如果没有Al₂O₃栅极介电层，则转换器为GaN HEMT。

栅极106由一种或多种导电材料如金属或掺杂的多晶硅制成。用于形 成栅极106的材料的实例为Ni/Au。源极触点和漏极触点104、105也由导 电材料如金属制成。用于形成源极和漏极触点104，105的材料的实例为 Ti/Al。GaN层101生长在SiC基板或蓝宝石基板110上。在一些实施例中， 在GaN层101和基板110之间存在缓冲层120。缓冲层120在一些器件中 不存在。缓冲层120用于提高GaN的生长和质量。也可将缓冲层120称为 成核层。用于缓冲层120的材料的实例是GaN和AlGaN的混合物。用于 缓冲层120的材料的另一个实例是AlN。

SiC基板和蓝宝石基板都是结晶固体，其制造成本都很昂贵。另外， 纯SiC和蓝宝石基板的尺寸相对较小。例如，它们可为2、3、4或6英寸。 相反Si基板可为12英寸或更大。另外，纯SiC和蓝宝石基板与用于Si基 器件的互补金属氧化物半导体(CMOS)加工工艺不兼容。

SiC基板与蓝宝石基板相比，SiC基板具有更好的热性能和导电性能。 另外，与蓝宝石基板相比，SiC基板可耐受更高的温度。因此，更理想的 是在SiC基板上制造GaN基器件。但是仍然需要解决上述关于SiC基板的 问题，如高成本，基板尺寸小，和与CMOS加工工艺不兼容。

如果可以将GaN基器件下方的SiC结晶形成在Si基板上，则集成这两 种类型的器件会容易得多。此外，由于Si基板相对较大，如8”、12”和 不久将来的18”，因此就能解决SiC基板(只含有SiC)的小尺寸问题。 根据一些实施例，图2A-2C示出了硅(Si)基板200经过Si基板上形成SiC 结晶工艺序列的横截面示意图。图2A示出了注入停止层210形成在Si基 板200上和注入停止层210覆盖一部分基板。注入停止层210可由一种或 多种介电材料制成并且可为单层或复合层。在一些实施例中，注入层由二 氧化硅(SiO₂)制成。注入停止层210所需的厚度取决于形成SiC的注入 能量。在一些实施例中，注入停止层210的厚度在约100埃到约5000埃的 范围内。在一些其它实施例中，注入停止层210为复合层，由多个介电层 组成。例如，注入停止层210包括厚度在约50埃到约1000埃范围内的氧 化物层和厚度在约300埃到约5000埃范围内的氮化物层。在又一些实施例 中，注入停止层210由光刻胶制成。根据一些实施例，注入停止层210由 化学气相沉积(CVD)如等离子体增强CVD沉积。图案化注入停止层210 以覆盖一部分Si基板和曝露出用于碳(C)注入的剩余部分。

根据一些实施例，图2B示出了碳离子215指向基板200的表面。将一 些碳离子注入到Si基板未被注入停止层210覆盖的部分中。碳被注入到Si 基板的注入区域220中。在一些实施例中，注入区域220的厚度在约1μm 到约8μm的范围内。通过离子注入法离子注入碳原子到Si基板中。根据 一些实施例，碳离子注入的注入能量在约20KeV到约800KeV的范围内。 根据一些实施例，碳注入剂量在约1E16到约1E19离子每平方厘米 (ions/cm²)范围内。

碳注入可发生在多个步骤中以形成注入区域220，每个步骤具有不同 的注入能量。在注入过程中，Si基板可保持在不同的温度。在一些实施例 中，在碳离子注入过程中，基板200的温度可保持在约室温到约150℃(冷 注入)的范围内。基板200将要经历退火工艺以将Si基板中注入的C转化 为SiC结晶。在一些其它实施例中，基板200的温度可保持在约500℃到 约900℃(热注入)的范围内。在热离子注入过程中，在相对较高的温度(如 在约500℃到约900℃之间)下将碳注入到Si基板中可在被注入的基板的 一些区域形成SiC结晶，其改进了退火之后的SiC基板质量。

根据一些实施例，在碳离子注入之后，基板200经历退火以形成来自 注入的碳和相邻的Si网状系统的SiC结晶。如果通过热离子注入法注入碳， 可以省略退火操作。然而，如果在低温(如在约室温到约150℃之间)下 注入碳，则需要退火操作以形成SiC结晶。在一些实施例中，退火温度在 约900℃到约1200℃的范围内。退火可发生在快速热处理设备中，如用于 快速热退火，闪光退火，和激光退火的设备，或熔炉。在一些实施例中， 退火时间为约2分钟到约45分钟之间。在一些实施例中，退火时间在约 30分钟到约4小时的范围内。如果退火温度较高，则退火时间可少一些。 实施离子注入的温度影响退火温度和退火时间。在注入过程中，热离子注 入可形成一些SiC。结果，可降低退火时间和温度。在一些实施例中，在 惰性气体如Ar或He的环境下进行退火。

在退火之后，SiC结晶形成在区域220’中，区域220’在硅区域230的 旁边，硅区域230在注入停止层210的下面。由于添加了碳原子，区域220’ 稍大于区域220。可将GaN基材料沉积在区域220’中的SiC上以形成GaN 基器件。硅区域230可用于沉积材料以形成Si基器件。根据一些实施例， 图3A-3E示出了正在实施形成GaN基和Si基器件工艺序列的硅(Si)基板 200的横截面示意图。图3A示出了包括SiC结晶区域220的Si基板200。 基板200也具有被介电层225覆盖的区域230。在一些实施例中，介电层 230由氧化物制成，其厚度在约100埃到约5000埃的范围内。也可使用其 它介电材料。介电层225用于保护区域230中的Si表面。在一些实施例中， 介电层225为上述注入停止层210。

根据一些实施例，如图3B所示，然后将缓冲层240沉积在SiC结晶区 域220的表面上。缓冲层240可由族III-N基材料、金属氮化物、金属碳化 物、金属碳-氮化物、纯金属、金属合金、含硅材料等形成，可通过金属有 机化学气相沉积(MOCVD)、有机金属气相外延(MOVPE)、等离子体 增强CVD(PECVD)、远程等离子体增强CVD(RPCVD)、分子束外延 (MBE)、氢化物气相外延(HVPE)、液相外延(LPE)、氯化物VPE (Cl-VPE)等方法形成。可用于缓冲层240的材料的实例包括GaN，InN， AlN，InGaN，AlGaN，AlInN，AlInGaN等。如上所述，缓冲层240可包 括多个层，如以可选的图案堆叠的多个AlN层和多个掺杂硅的GaN层。可 用p-型或n-型杂质掺杂缓冲层240，或基本上不掺杂。结果，缓冲层240 可为p-型或n-型，或基本上中性。在一些实施例中，缓冲层240的沉积温 度在约200℃到约1200℃的范围内。

在缓冲层240沉积之后，在缓冲层240上沉积GaN层250。用于形成 GaN层250的方法可包括MOCVD、MOVPE、MBE、HVPE、LPE、VPE、 CI-VPE等。根据一些实施例，GaN层的厚度在约0.8μm到约5μm的范 围内。在一些实施例中，GaN层250的沉积温度在约200℃到约1200℃的 范围内。

根据一些实施例，如图3A所示，然后在GaN层250上沉积AlGaN层 260。可通过MOCVD、MOVPE、MBE、HVPE、LPE、VPE、CI-VPE等形 成AlGaN层260。根据一些实施例，AlGaN层的厚度在约10nm到约1000nm 的范围内。根据一些实施例，如图3C所示，在AlGaN层260沉积之后， 沉积保护介电层270。保护介电层270可由氧化物、氮化物、氧氮化物或 其它合适的介电材料制成。在Si基MOS场效应晶体管(FETs)形成过程 中使用保护介电层270保护GaN基材料。层240、250、260和270的形成 可包括图案化和蚀刻以将这些层移除以免沉积到介电层225上。在一些实 施例中，AlGaN层260的沉积温度在约200℃到约1200℃的范围内。

在保护介电层270形成之后，从基板上移除介电层225以曝露出Si区 域230。在一些实施例中，介电层225的移除包括移除沉积在区域230上 的层，如层240、250、260和270。可包括图案化和蚀刻。之后，根据一 些实施例，如图3C所示，在区域230上形成MOSFET300。根据一些实施 例，MOSFET 300包括栅极介电层301、栅极302、间隔303、源极和漏极 区域304和隔离结构305。隔离结构305可为场氧化物或浅沟隔离。

根据一些实施例，如图3D所示，在MOSFET 300形成之后，保护介 电层310覆盖Si区域230和器件如MOSFET 300。保护介电层310可由氧 化物，氮化物，氮氧化物，或其它合适的材料制成。保护介电层310用于 保护Si表面和器件如MOSFET 300。然后在AlGaN层260上形成栅极316， 源极触点314，和源极触点315。在一些实施例中，栅极316和源极/漏极 触点314、315由不同的材料制成。如图3D所示，在栅极316和源极/漏极 触点314、315形成之后，形成了GaN HEMT 350。

在GaN HEMT 350形成之后，开始形成MOSFET 300和HEMT 350的 互连。根据一些实施例，如图3E所示，形成金属1层325和触点320以与 栅极302，以及源极/漏极区域304、305形成接触。在金属1层325和触点 320的形成过程中，保护介电层可覆盖HEMT 350和曝露的GaN基材料。 然后形成金属2层335和通孔330以与Si区域中的金属1层325和HEMT 350的栅极316，源极/漏极触点314、315形成连接。可通过单或双镶嵌工 艺形成金属2层335和通孔330。可在金属2层335上形成额外的互连层 以实现额外的互连。通过一个或多个介电层350隔离互连结构。

如上所述，在器件300和350的形成过程中，轮流地覆盖Si区域230 和SiC区域220以保护一个区域不受另一个区域的加工操作的影响。加工 顺序取决于热兼容，注入扩散和污染的考虑。

GaN基器件结构100，100*，350和Si基器件结构300仅仅是实例。 带有不同层的其它类型GaN基器件和其它类型的Si基器件也可在Si基板 上使用混合的SiC/Si以形成和集成GaN基和Si基器件的混合物。图3A-3F 中所描述的加工序列也仅仅是实例。也可使用其它加工序列。

尽管在Si基板上形成SiC结晶的机理的实施例被描述为用于形成GaN 基器件。所述实施例也适用于形成由其它类型的III-V化合物材料制成的器 件。

上述在Si基板上形成SiC结晶区域的机理实现了在同一个基板上形成 和集成GaN基器件和Si基器件。通过向Si基板区域注入碳，然后退火基 板而形成SiC结晶区域。在SiC结晶区域形成过程中，使用注入停止层覆 盖Si器件区域。

在一个实施例中，提供了一种其上带有GaN基器件和Si基器件的硅基 板。所述硅基板包括SiC结晶区域上的GaN基器件。SiC结晶区域形成在 硅基板中。硅基板也包括硅区域上的Si基器件，并且在硅基板上硅区域与 SiC结晶区域毗邻。

在另一个实施例中，提供了一种在Si基板上形成GaN基器件和Si基 器件的方法。所述方法包括在Si基板上沉积注入停止层，然后图案化注入 停止层以覆盖Si基板区域并且曝露出剩余的区域。所述方法还包括实施离 子注入以注入碳到Si基板的剩余区域中，并且实施退火以在剩余区域中形 成SiC结晶。所述方法还包括在剩余区域的SiC结晶上形成GaN基器件以 及在Si基板的覆盖区域上形成Si基器件。在形成Si基器件之前移除注入 停止层。

在又一个实施例中，提供了一种在Si基板上形成GaN基器件和Si基 器件的方法。所述方法包括在Si基板上沉积注入停止层，以及图案化注入 停止层以覆盖Si基板区域并且曝露出剩余的区域。所述方法还包括实施离 子注入以将碳注入到Si基板的剩余区域中，而且在约500℃到约900℃之 间的温度下实施离子注入。所述方法还包括在剩余区域的SiC结晶上形成 GaN基器件；以及在Si基板的覆盖区域上形成Si基器件。在形成Si基器 件之前移除注入停止层。

本领域的技术人员可以对公开的方法和系统中的布置，操作和细节进 行各种明显的更改，改变和变化。尽管为了更清楚地理解，详细地描述了 本发明，但是很明显，在本文所附权利要求范围内可以进行一定的改变和 更改。因此，本发明的实施例只是为了说明而不用于限定，并且本发明不 限于本文所述的细节，而是可以在本文所附权利要求的范围和等效内进行 更改。