TW200908150A - Method to fabricate III-N semiconductor devices on the N-face of layers which are grown in the III-face direction using wafer bonding and substrate removal - Google Patents
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Description
200908150 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種使用傳統鎵面（Ga面）生長技術的氮面 (N面）結構製造方法。 本申請案根據35 U.S.C· Section 119(e)之規定主張以下 同在申請中及已共同讓與之美國專利申請案的權利： 2007年 3 月 29 日由 Umesh K. Mishra，Lee S. McCarthy， Chang Soo Suh及Siddharth Rajan申請之名為''使用晶圓接 合與基板移除以在三族面方向上生長之層的氮面上製造三 族氮化物半導體裝置的方法（METHOD TO FABRICATE III-N SEMICONDUCTOR DEVICES ON THE N-FACE OF LAYERS WHICH ARE GROWN IN THE III-FACE DIRECTION USING WAFER BONDING AND SUBSTRATE REMOVAL)·•的美國臨時專利申請案第60/908,917號，代理 人檔案號碼 30794.21 6-US-U1 (2007-33 6); 其以引用之方式併入本文中。 本申請案關係到以下同在申請中及已共同讓與之申請 案： 在相同日期由 Umesh K. Mishra，Yi Pei，Siddharth Raj an和Man Hoi Wong申請之名為”具有低緩衝泡漏及低寄 生電阻之氮面高電子移動性電晶體(N-FACE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS WITH LOW BUFFER LEAKAGE AND LOW PARASITIC RESISTANCE)”的美國實用專利申 請案第xx/xxx,xxx號，代理人檔案號碼30794.215-US-U1 130150.doc 200908150 (2007-269)，其根據 Section 119(e)之規定主張 2007年 3 月 29 日由 Umesh K. Mishra，Yi Pei，Siddharth Rajan和 Man Hoi Wong申請之名為”具有低緩衝洩漏及低寄生電阻之氮面高 電子移動性電晶體（N-FACE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS WITH LOW BUFFER LEAKAGE AND LOW PARASITIC RESISTANCE)，’的美國臨時專利申請案第 60/908,914號之優先權，代理人檔案號碼30794.215-US-U1 (2007-269);及 在相同日期由 Umesh K. Mishra，Michael Grundmann， Steven P. Denbaars及Shuji Nakamura申請之名為"雙粗化表 面氮面高亮度發光二極體（DUAL SURFACE-ROUGHENED N-FACE HIGH-BRIGHTNESS LED)"的美國實用專利申請 案第χχ/χχχ,χχχ號，代理人檔案號碼30794.217-US-U1 (20〇7_279)，其根據 Section 119(e)之規定主張 2〇07年 3 月 29 日由 Umesh K. Mishra，Michael Grundmann，Steven P. Denbaars及Shuji Nakamura申請之名為"雙粗化表面氮面高 亮度發光二極體（DUAL SURFACE-ROUGHENED N-FACE HIGH-BRIGHTNESS LED)"的美國臨時申請案第 60/908,919號之優先權，代理人檔案號碼30794.217-118-?1 (2007-279-1)； 該等申請案以引用之方式併入本文中。 【先前技術】
存在幾種方法獲得氮極（N極）裝置。最直接的方法是使 用一種自然提供N極性的基板諸如碳化矽（SiC)的碳面（C 130150.doc 200908150 面）或者藉由於諸如藍寶石之基板上使用表面處理，以產 生導向N極裝置的緩衝。 【發明内容】 本發明揭不了一種用於在多層體之氮面上製造m族氮化 物半導«置的方法，該方法包含於—生長基板上在ιπ族 極方向生長一ΙΠ族氮化物半導體裝置結構，將該m族氮化 物半導體裝置結構的一 III族面附接到一主基板，及至少部 分移除該生長基板以暴露該m族氮化物半導體裝置結構的 一氮面。該方法可進一步包含使用或者處理該半導體裝置 結構的一個或多個暴露氮面以便形成一裝置。該生長基板 可以為矽。裝置諸如高電子移動性電晶體（HEMT)，可以 使用該方法製造》 本發明進一步揭示了一種N極（〇〇〇])配向ΠΙ族氮化物半 導體裝置，其包含附接到一終止⑴族面之一主基板或載體 基板以及一個或多個（〇〇〇_1)配向氮化物層，其中每一層各 具有一個Ν面與一個III族面相對，且其中至少一個Ν面被 至少部分暴露。該等Ν面之一個或多個可被加以處理。該 裝置可進一步包含一（000-1)配向氮化物層堆疊，且該主基 板附接到終止該堆疊之一 III族面。 該一個或多個（000-1)配向氮化物層可以為一第—Α丨GaN 層’該第一 AlGaN層上之一第一 GaN層’該第一 GaN層上 之一第二AlGaN層，該第二AlGaN層上之一第二GaN層， 及一二維電子氣體可限制於該第二GaN層内。_閑極可於 該第一 AlGaN層之至少部分暴露的N面上進行處理，及一 130150.doc 200908150 源極及；及極可電接觸該第一 GaN層之至少部分暴露的n 面。 該裝置可以為-高電子移動性電晶體(HEMT)。 '揭示了種用於製造III族氮化物半導體裝置之方 法’該方法包含在Ga面或者ΠΙ族面配向上生長該半導體裝 置’以及藉由處理該裝置的—個或多個Ν面在氮面（Ν面）配 向上處理該半導體氮裝置。 【實施方式】
在下列較佳實施例的描述中，參考了形成本文一部分的 夕個附圖-及其中經由可實踐本發明之m實施例的說 明進灯展7F °應瞭解的是不脫離本發明範訂也可利用其 他實施例及作出結構變化。 綜述 月揭示了 III知面或者鎵面(Ga面)⑴族氮化物裝置， 及特疋’ III族面製造對其十分合適的增強模式（E模式卯_ N_裝置，可藉由在該ΙΠ族面或Ga面配向上之材料的生長進 盯製造’但在氮面（㈣）配向上進行處理，藉由將外延結 構接合到—載體晶圓及移除該生長結構。本發明容許使用 傳統0&面生長技術來製造新穎E模式N面結構。 技術描述 在此揭示内容中，提出了-種開發N極裝置的新方法， 其中忒裝置結構以Ga極方式生長但該結構的設計，包括但 不限於諸層之順序及合成包含裝置結構、摻雜佈局等等， 以百先處理该裝置之N面為目的進行設計。這典型地導致 130150.doc 200908150 於傳統情形為處理材料之Ga面而設計之裝 尤其，本發明方法可用·N材料系統中製 (E模式）高電子移動性雷a舯曰強摈式 ㈣性电日日體（職丁幼。ϋ藉由將該生μ 材料（帶有或不帶附加中@ 長的
了加中間層（舉例而言，諸如SiN 細^娜心批或叫卜其可用於包括純化及/或 坦化及/或熱傳導之多種目的）附接到—主基板（其可以為—
金屬、半金屬、半導體或一電介質或此等之一組合)來完 成。於其上Ga極表面材料生長之基板接著被移除，暴露： N面表面，其隨後可按照詩生長之N面裝置的類似方^ 進行處理。 待處理之N面結構也可包括多種改良諸如粒子植入、後 續重新生長或氟處理以便減小存取電阻或者提供其他導電 性工程諸如縮減閘極洩漏，增加緩衝器擊穿、電場成形等 等。
一種大體上不同 置的裝置設計。 遠基板移除既可以是完全的也可以是部分的。針對完全 移除該基板之情形圖1(a)、圖1(b)及圖1(c)用圖式展示了本 發明方法。圖1(a)說明了在一適於Ga極生長之生長基板 102上以Ga極方式生長一 AlGalnN裝置結構100的步驟，圖 1(b)說明了將該AlGalnN裝置結構100附接104到一主基板 106的步驟，及圖i(c)說明了移除108該生長基板1〇2以暴露 該AlGalnN裝置結構1〇〇之N面表面110以便處理的步驟。 舉例而言，該附接104可藉由晶圓接合來完成。 在圖1(a)及圖1(b)中，箭頭112指向Ga面<0001>方向，朝 130150.doc •10- 200908150 向該AlGalnN 100之Ga面表面114(因此，圖l(c)中相反表面 110為N面）。如圖i(a)中以Ga極方式（沿著該<〇〇〇ι>方向）生 長之AlGalnN 100具有一最後生長表面114,其為Ga面，以 及一第一生長表面110，其為N面。在圖1 (c)中，箭頭11 6 指示該N面<000-1>方向或N極配向，及因此指向該 AlGalnN 100之N面表面 11〇。 處理按照傳統設計之Ga極材料、按照傳統設計之n極材 料，與按照此新方法設計之N極裝置之間的差異展示於圖 2(a)、圖 2(b)及圖 2(c)中。 圖2(a)說明一種傳統Ga極設計200，其中一 AlGalnN結構 202在一適於Ga極生長之基板204上在Ga面方向上生長， 因此該AlGalnN 202之最後生長表面206具有一 Ga面及第一 生長表面係一 N面208。箭頭210指示Ga面方向<〇〇〇1>。 圖2(b)說明一種傳統N極設計212，其中該AlGalnN結構 214在一適於1^極生長之基板216上在一1^面<〇〇〇-1>方向上 生長，因此該AlGalnN 214之最後生長表面為一N面218及 第一生長表面係一 Ga面220。箭頭222指向N面方向<000-1>(朝向該AlGalnN 214之N面表面218，及因此，相反表面 220為 Ga面）。 圖2(c)說明本發明新方法提出的n極設計224，其包含於 一適於Ga極生長之生長基板228上以Ga極方式生長一 AlGalnN裝置結構226 ’將該AlGalnN装置結構226附接到 一主基板230，及移除232該生長基板228以暴露該AlGalnN 裝置結構226的氮面表面234。箭頭236指向晶體226的N面 130150.doc • 11 - 200908150 方向<000-1〉，朝向N面表面234。 在圖3(a)及圖3(b)中，比較了按傳統地（圖3(a))及於一矽 基板304上（圖3(b))生長及處理的基於n極增強模式氮化鎵 (GaN)裝置3 00、3 02 ’作為如何使用本發明方法之示範。 在圖3(a)中’多個裝置層，包含一第一 GaN層3〇6、一第 一AlGaN層 308、一第二GaN層310及一第二AlGaN層312, 生長在一適於N極生長之基板3 14上及隨後被處理以形成一 源極3 1 6、汲極3 18及一閘極320，其中虛線322指示裝置之 二維電子氣體（2DEG)322的位置。 箭頭324指向N面<000-1>方向，其也是生長方向。該生 長之N面裝置300具有層306沉積於基板314之上，層308沉 積於層306之上，層310沉積於層308之上及層312沉積於層 310之上。另外’在N面方向上的生長意味著層306-312之 每一層分別具有最後生長表面326-332，其為N面。 閘極320沉積/處理於該第二AlGaN層312之N面332上， 及該AlGaN層3 12被至少部分移除334以暴露該第二GaN層 310之N面表面330 ’因此源極316及汲極318可沉積/處理於 該N面表面330之上。如此，裝置300之一個或多個N面表 面330、332被處理。 在圖3(b)中’多個裝置層，包含一第一 AlGaN層336、一 第一 GaN層 338、一第二 AlGaN層 340及一第二 GaN層 342， 於一矽基板304之上在Ga面方向上（如箭頭344指示）生長， 附接到一主基板346，該矽基板304被移除348及舉例而言 接著5亥裝置302用一源極350、閘極352及汲極354進行處 I30150.doc •12- 200908150 理。 S亥第一 AlGaN層336生長於該基板304之上，該第一GaN 層338生長於s玄AlGaN層336之上，該第二AlGaN層係340生 長於該GaN層338之上，及該第二GaN層生長於該第二 AlGaN層340之上。虛線356展示裝置之2DEG的位置。 這導致一種N極（000-1)配向ΙΠ族氮化物半導體裝置 302，其包含附接到一終止Η〗族面364的一主基板346以及 一個或多個（000-1)配向氮化物層336_342，其中每一層各 具有一 III族面358-364與一 Ν面366-372相對，且其中至少 一個Ν面366、368被至少部分暴露。若諸層336_342形成一 堆疊，則該III族面364終止該堆疊。 特別地，該AlGaN氮化物層336具有一 Ga面358與一 Ν面 366相對，該GaN氮化物層338具有一 Ga面360與一 N面368 相對，該AlGaN氮化物層340具有一 Ga面362與一 N面370相 對’及§亥GaN氣化物層342具有一 Ga面364與一 N面372相 對。該等Ga面358-364分別為該等層336-342的最後生長表 面。 裝置302的一個或多個N面366-372可被處理。當§丨基板 304被移除時，第一AlGaN層336的N面表面366暴露及用閘 極352進行處理。此外，該AlGaN層336被部分移除374以 至少部分暴露GaN層338的N面表面368因此源極344和汲極 348可沉積於該GaN層338的N面368之上。一般而言，由於 基板304被移除，N面表面368、370及372可分別藉由選擇 性地蝕刻或移除層336、338及340而暴露。如此，藉由在 130150.doc -13- 200908150
Ga面或III族面配向上生長半導體裝置結構336_342，及藉 由用一源極3 5 0、閘極3 5 2及汲·極3 5 4處理該裝置的一個戍 多個N面366-372或蝕刻374(以類似於處理生長的N面裝置 300之方式（圖3(a))在氮面（N面）配向上處理該半導體氮裝 置而製成一種裝置。 本發明容許使用傳統生長技術來製造E模式HEMt結 構。然而，諸如離散電晶體、整合電晶體電路或光電子裝 置之裝置也可用此方法製造。因此，可生長任何裝置層 數。此外，上文討論中的Ga面可以為ΠΙ族面，及在^極 方向上的生長等效於在m族極或m族面配向或金屬面配向 上的生長。 總結 這晨總結本發明較佳實施例的描述。為說明及描述之目 的蚰文提出了本發明之一個或多個實施例的描述。其意 非在於詳盡無遺地描述本發明或限制本發明於所揭示之精 確形式。根據上述教學可以有許多修飾及變化，均未根本 上脫離本發明之本質。希望本發明之範疇不藉由此詳細描 述而限制，相反藉由附加於此的『申請專利範圍』來限 制。 【圖式簡單說明】 現淪及諸圖其中各處相同參考數字代表相應部件： 圖1為說明了本發明方法的一圖解，《中圖丨⑷說明了於 基板上以鎵極（Ga極）方式生長的一 AmaInN裝置結構， 圖Ub)說明該AlGalnN裝置結構對一主基板的附接，及圖 130150.doc 14 200908150 除以暴鉻该AlGalnN裝置結構的待處 圖2為比較傳統技術與本發明方法的一圖解，其中圖2⑷ 說明-種傳統Ga極設計，圖2晴明—種傳統雜設計， 及圖2(c)說明本發明新方法提出的雖設計。 圖3⑷為-圖解展示了在_種在傳統生長n面材料上製 造的N極E模式裝；詈e i 、/、以1且113(b)展不了在經由新提出的本發明
方法所獲得之-種於N面材料上製造的雖£模式裝置。 【主要元件符號說明】 、 100 AlGalnN裝置結構 102 生長基板 104 附接 106 主基板 108 移除 110 第一生長表面/N面 112 、 116 箭頭 114 最後生長表面/Ga面 200 傳統Ga極設計 202 、 214 AlGalnN 結構 204 、 216 基板 206 最後生長表面/Ga面 208 第一生長表面/N面 210 、 222 、 236 箭頭 212 傳統N極設計
1(c)說明該基板的移 理N面表面。 130150.doc 15- 200908150
218 最後生長表面/N面 220 第一生長表面/Ga面 224 N極設計 226 AlGalnN裝置結構 228 生長基板 230 主基板 232 移除 234 氮極表面 300 、 302 裝置 304 矽基板 306 、 338 第一 GaN層 308 、 336 第一 AlGaN層 310 > 342 第二GaN層 312 、 340 第二AlGaN層 314 基板 316 ' 350 源極 318 、 354 汲極 320 ' 352 閘極 322 虛線/二維電子氣體（2DEG) 324 ' 344 箭頭 326 、 328 、 330 、 332 最後生長表面/N面 334 、 348 移除 346 主基板 356 虛線 130150.doc •16- 200908150
Ga面 N面 I虫刻/移除 358 、 360 、 362 、 364 366 、 368 、 370 、 372 374 c
L -17- 130150.doc
Claims (1)
- 200908150 十、申請專利範圍： L 一種用於在多層體之氮面（N面）上製造III族氮化物半導 體裝置之方法，該方法包含： U)於一生長基板上在一 m族極方向生長一 m族氮化物 半導體裝置結構； (b)將該III族氮化物半導體裝置結構的一 ΙΠ族面附接 到一主基板；及 (C)至少部分移除該生長基板以暴露該III族氮化物半導 體裝置結構的一氮面。 2. 如請求項1之方法，其進一步包含使用或者處理該半導 體裝置結構的一個或多個暴露氮面以便形成一裝置。 3. 如請求項丨之方法，其中該生長基板為矽。 4 · 一種使用請求項1之方法製成之裝置。 5.如請求項4之裝置，其中該裝置為一高電子移動性電晶 體（ΗΕΜΤ)。 6· 一種氮極（Ν極）(000-1)配向ΙΠ族氮化物半導體裝置，其 包含： (a) —個或多個（000-1)配向氮化物層，每一層各具有一 個與一III族面相對之氮面（N面），其中至少一個N面被至 少部分暴露；及 (b) —主基板或載體基板，其附接到一終止m族面。 7·如請求項6之裝置’其中該等Ν面之一個或多個係經處 理。 8.如請求項6之裝置，其進一步包含一（〇〇〇_〇配向氮化物 130150.doc 200908150 層堆疊，且該主基板附接到終止該堆疊之一職面。 9.如請求項8之裝置，其中： ⑴該-個或多個（ooo-D配向氮化物層為一第一 Αΐ_ 層、位於該第一A1GaN層上之一第—㈣層、位於該第 Ga:層上之一第二爲心層、位於該第二㈣層上 之一第二GaN層； (2)—二維電子氣體被限制於該第二GaN層内； ()間極係位在该第一 A1GaN層之至少部分暴露的N 面上；且 (句一源極及一汲極係電接觸該第一 GaN層之至少 暴露的N面。 10·如請求項8之裝置，其中該裝置為一高電子移動性電晶 體（HEMT)。 11.種用於製造III族氮化物半導體裝置之方法，其包含： (a) 在鎵（Ga面）或者πΐ族面配向上生長該半導體裝 置；及 (b) 藉由處理該裝置的一個或多個]^面，而在該氮面 面）配向上處理該半導體氮化物裝置。 130150.doc
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