层状结构的制作方法

1.一种具体地但非排他性用于在si(100)基板上生长iii-n材料或者用于在si(100)基板上生长含金属材料的层状结构。


背景技术：

2.许多应用需要在其上要生长或放置一个或多个器件层的高质量iii-n层。例如，可以在氮化镓(gan)层上外延生长射频(rf)开关，以便获得合适的性质。通常，在gan层下方在基板上存在多个层。
3.为了外延生长，层的晶体结构必须与其下方的层匹配或兼容。每层的晶体排列由材料的最低能量状态和其下方的层的晶体取向规定。因此，对于同质外延(与前一层相同的材料的生长)，晶体取向将是相同的，而对于大多数异质外延(与前一层不同的材料的生长)，晶体取向也将是相同的。在后续层的晶体结构不同(例如，生长在立方体的硅上的六边形的gan)的情况下，后续层以兼容晶体取向生长。因此，gan在si(111)上以极性[0001]取向进行生长，而在(110)稀土氧化物的前一层上以半极性[11-20]取向进行生长。
[0004]
先前已经确定，结晶稀土氧化物以与其下方的层不同的晶体取向外延地生长。这被申请人称为“epi twist
tm”。假如晶格常数大致匹配或者上层的晶格常数是下层的晶格常数的整数倍，则这可以被用于生长具有与基板或前一层不同的晶体取向的后续层。
[0005]
已知使用双缓冲层在si(111)基板上生长gan(0001)，us 7,012,016。这在图1中被图示。
[0006]
从us8846504中已知，通过使用扭曲到(110)的第一氧化钆层和具有较接近gan(11-20)的晶格常数的第二氧化铒层，在si(100)上生长gan(11-20)。这在图2中被图示。
[0007]
在电子器件和光子器件行业中，诸如gan[0001]之类的纤锌矿(c方向)iii-n材料是优选的。对于电子器件，这种形式的gan的极性性质是制造高电子迁移率晶体管(hemt)所需的。因为si(100)基板广泛可得，所以使用si(100)基板也是优选的，并且因此便宜。与诸如si(111)之类的硅的其他取向相比，还可商购较大直径(高达300mm)的si(100)基板。此外，si(100)提供了通常在si(100)上制作的电子器件与光子器件集成的机会。
[0008]
当前gan芯片的一个问题在于，为了将它们集成到具有驱动电子器件的模块中，需要将gan芯片接合到si(100)上的模块，然后用布线连接它们。这引起了额外的故障模式和损失。这还可能使器件的速度受限于布线的电流容量。


技术实现要素：

[0009]
本发明寻求提供一种防止或克服以上提到的问题的层状结构。
[0010]
本发明提供了一种层状结构，该层状结构包括：呈[100]取向或具有高达20
°
的错切的基板；呈[111]取向的结晶方铁锰矿氧化物层，所述呈[111]取向的结晶方铁锰矿氧化物层被定位、生长或沉积在基板上；以及含金属层，所述含金属层与结晶方铁锰矿氧化物层在晶体学上匹配。
[0011]
呈[111]取向的结晶方铁锰矿氧化物层是有利的，因为它使得能够在呈[100]取向的基板上生长高质量的金属或含金属材料。有利地，可以在这种材料上生长光子器件和功率器件。例如，hemt、rf开关、存储器件、致动器和传感器可以全都生长、沉积或接合到高质量的金属或含金属层上。有利地，较高的晶体质量提高了器件性能。例如，对于rf滤波器和hemt，平面外方向上的单晶取向在所期望的晶体方向上导致较强的压电场。
[0012]
结晶方铁锰矿氧化物层可以直接定位、生长或沉积在基板上。因此，不存在中间层。
[0013]
基板可以包括硅(si)。有利地，si(100)在大直径晶片中是广泛可用的并且通常用于电子器件。有利地，在根据本发明的层状结构上生长的器件可以与直接生长在si(100)上的不同器件集成，这被称为异构集成。在si(100)上生长的器件是用于本文中描述的层状结构上生长的器件的驱动功率电子器件的情况下，这可以避免对连接器件的布线的需求。有利地，器件性能变成速度限制因素，而不是布线。有利地，通过省略布线来消除潜在的故障模式。
[0014]
结晶方铁锰矿氧化物可以是外延的。有利地，通过外延沉积或生长较容易地获得良好的结晶性。
[0015]
结晶方铁锰矿氧化物可以是稀土氧化物。结晶方铁锰矿氧化物可以是氧化钪(sc2o3)。有利地，在si(100)上以[111]取向生长氧化钪。有利地，高质量的金属或含金属材料可以在sc2o3(111)上以有益的取向生长。
[0016]
含金属层可以是外延的。有利地，含金属层可以在同一工具中紧接在结晶方铁锰矿氧化物层之后生长、沉积。有利地，降低或消除了在层之间引入污染的风险。
[0017]
含金属层可以是iii-n材料。它可以是氮化镓(gan)。有利地，这是用于例如hemt的优质材料。它可以是氮化铝(aln)。这是用于诸如射频滤波器之类的压电器件的优质材料。它可以是钼(mo)。这是用于滤波器的背电极或者用于光子器件的有效反射层或背接触件的优质材料。它也是用于滤波器中的hemt屏障的iii-(re)-n材料的后续生长的优质材料。
[0018]
含金属层可以被溅射。有利地，可以提供具有结晶方铁锰矿氧化物层的基板作为模板。含金属层可以在相同或不同的制造位置中被溅射到模板上。例如，一方可以制作模板，而另一方可以接收模板并在其上溅射含金属层。可替换地，可以在一个位置制作模板，并且可以通过同一实体或附属实体在另一位置处将含金属层溅射到其上。在某些情形下，溅射含金属层可能比外延生长或其他沉积方法便宜和/或快。
[0019]
被溅射的含金属层可以是mo。有利地，mo在行业中通常是被溅射的，因此用于溅射mo的工艺是成熟的且可重复的。可替换地，被溅射的材料可以是诸如gan或aln之类的iii-n材料。
[0020]
本发明还提供了一种包括所描述的层状结构的光子器件。光子器件可以是光电发射器、光电检测器或组合的光电发射器和光电检测器。它可以是led或微型led。有利地，这些应用中的每一个得益于本层状结构的较高质量的含金属层和/或异构集成益处。
[0021]
本发明还提供了包括所描述的层状结构的电子器件、射频滤波器或高电子迁移率晶体管。有利地，这些应用中的每一个得益于本层状结构的较高质量的含金属层和/或异构集成益处。
[0022]
本发明还提供了一种制造层状结构的方法，所述方法包括以下步骤：在呈[100]晶
体取向或错切高达20
°
的基板上外延地沉积呈[111]取向的结晶方铁锰矿氧化物；以及在结晶方铁锰矿氧化物层上沉积含金属层。
[0023]
有利地，该方法在常用取向的基板上提供了较高质量的金属或含金属材料。有利地，较高的晶体质量提高了器件性能。例如，对于rf滤波器和hemt，平面外方向上的单晶取向在所期望的晶体方向上导致较强的压电场。
[0024]
沉积含金属层的步骤可以包括外延沉积。有利地，它可以紧接在外延地沉积结晶方铁锰矿氧化物层的步骤之后并且在同一工具中执行。
[0025]
可替换地，沉积含金属层的步骤可以包括溅射。有利地，可以在不同的时间和/或位置添加该层。有利地，溅射是行业中一种成熟的工艺，从而提供了便宜的价格和可重复的结果。
附图说明
[0026]
将参考附图以示例的方式更充分地描述本发明，在附图中：
[0027]
图1是用于在硅上生长iii-n的现有技术层堆叠；
[0028]
图2是用于在硅上生长iii-n的现有技术层堆叠；
[0029]
图3是根据本发明的层堆叠；
[0030]
图4是在稀土氧化物上的mo的现有技术生长的rheed图线；
[0031]
图5是根据本发明的在稀土氧化物上的mo的生长的rheed图线；
[0032]
图6是根据本发明的层堆叠；
[0033]
图7是根据本发明的层堆叠；
[0034]
图8是在稀土氧化物上的aln的现有技术生长的xrd图线；
[0035]
图9是根据本发明的在稀土氧化物上的aln的生长的xrd图线；以及
[0036]
图10是根据本发明的层堆叠。
具体实施方式
[0037]
在整个本公开中，如本领域的读者将理解的，晶体取向《100》是指立方晶体结构的面，并涵盖使用米勒指数的[100]取向、[010]取向和[001]取向。类似地，《0001》涵盖[0001]和[000-1]，除非材料极性是临界的。任一个或多个指数的整数倍相当于指数的等价版本。例如，(222)等同于(111)-与(111)相同。
[0038]
现在，将参考图3更具体地描述本发明。示出了具有基板12、结晶方铁锰矿氧化物层(crystalline bixbyite oxide layer)14和含金属层16的层状结构10。基板12是轴上硅，因此其具有《100》晶体取向。如本领域的读者将理解的，晶体取向《100》是指立方晶体结构的面，并涵盖使用米勒指数的[100]取向、[010]取向和[001]取向。本文中参考si(100)还涵盖了朝向另一结晶方向(例如，朝向(111)平面)错切高达20
°
的硅基板12。
[0039]
因为si《100》用于诸如用于处理、存储或制图的计算机芯片之类的消费电子器件，所以si《100》容易以相对低的成本大量获得。si《100》还因为其高电荷载流子迁移率(高于si的其他取向)而被广泛用于诸如互补金属氧化物半导体(cmos)之类的驱动光子器件的电子电路。因此，如果可以获得足够的晶体质量，则通过在si《100》上生长光子器件并在其间具有合适的层，获得了集成优势。
[0040]
硅基板12可以是单片的；其整个包括块状单晶硅。可替换地，硅基板12还可以包括用于其部分或全部厚度的多孔硅，例如，它可以形成子层。基板12可以包括多孔的上部部分以及非多孔的下部部分。可替换地，基板12可以包括一个或多个分立的、非连续的多孔部分，而其余部分为非多孔的(具有块体硅性质)。这些部分可以在子层的平面内和/或贯通层的厚度(在生长方向的意义上，水平和/或垂直地)是不连续的。这些部分可以以规则排列或不规则图案跨基板12分布和/或通过它分布。多孔区域内的孔隙率可以是恒定的或可变的。在孔隙率可变的情况下，它可以通过厚度线性地变化，或者可以根据诸如二次函数、对数函数或阶跃函数之类的不同函数而变化。
[0041]
可替换地，基板可以包括硅-锗(sige)(例如，si
0.8
ge
0.2
)或绝缘体上硅(soi)。
[0042]
单晶的结晶方铁锰矿氧化物层14被定位、生长或沉积在基板12上。结晶方铁锰矿氧化物层14可以是稀土氧化物层。稀土元素是钪(sc)、钇(y)和所有的镧系元素，即-镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)和镥(lu)。方铁锰矿氧化物的晶体结构为方铁锰矿。其他方铁锰矿氧化物包括氧化铟(in2o3)、氧化钒(v2o5)、氧化铁(fe2o3)、氧化锰(mn2o3)以及稀土、金属和氧的三元化合物(re-m-o)。
[0043]
优选地，结晶方铁锰矿氧化物层14被外延沉积。当结晶方铁锰矿氧化物在足够的表面温度、足够低的氧浓度和足够慢的生长速率下被沉积在基板12或另一层上时，取决于基板12或前一层的取向，它与前一层的晶体取向不匹配。替代地，结晶方铁锰矿氧化物以不同的取向生长，这是被发明人称为“epi twist
tm”的工艺。当在si(100)上生长大部分结晶方铁锰矿氧化物时，结晶方铁锰矿氧化物层14以表面能比[100]取向低的[110]取向生长。
[0044]
有利地，本发明的发明人已确定，仅需要单个结晶方铁锰矿氧化物层14来既改变晶体取向又为后续层提供合适的表面。这与现有技术的层状结构形成对照，在现有技术的层状结构中，例如如图1中所示，需要两个结晶方铁锰矿氧化物(稀土氧化物)层，一个用于改变晶体取向，而另一个用于提供具有合适晶格匹配和质量的表面。有利地，生长一个结晶方铁锰矿氧化物层14比生长两个结晶方铁锰矿氧化物层14快、便宜且容易。有利地，层之间的界面少了一个，这意味着引入的缺陷或层间应变的风险降低。单个结晶方铁锰矿氧化物层14使得在表面能与失配能之间进行平衡较简单，而不是使用一个层来消除这些中的一个而使用另一层来管理另一个。
[0045]
有利地，结晶方铁锰矿氧化物层14将含金属层16与si基板12进行绝缘，这防止了金属硅化物形成。如果在较高温度下沉积金属以便提高质量，则在没有结晶方铁锰矿氧化物层14的情况下，这种硅化物尤其将有可能形成。
[0046]
图3图示了具有包括si(100)的基板12的层状结构10。结晶方铁锰矿氧化物层14包括在si(100)上以[111]取向生长的氧化钪sc2o3。含金属层16包括在sc2o3(111)上以[110]取向生长的钼mo。有利地，这制作出高质量的mo，因此对后续器件层较好。例如，这是指对于滤波器，它形成了高效的背电极。可替换地，对于光子器件，它是有效的反射层或背接触件。mo(110)层的表面原子的排列有利于在《0001》方向上生长诸如aln或alscn之类的iii-(re)-n层。有利地，在mo(110)上生长的氮化物层表现出比在mo(112)上生长的氮化物层好的晶体质量。图4是er2o3上的mo的生长的反射高能量电子衍射(rheed)图案。mo在er2o3(110)上以[112]取向生长。可以看出，存在几个亮条纹，这表示电子的衍射，并且它们彼此
未对准。这表明该层的表面是多面的，而不是光滑的。图5是根据本发明的sc2o3(111)上的mo(110)的生长的类似rheed图案。可以看出，存在1个亮条纹和两个一阶衍射条纹，并且它们全是平行的，这表明晶体质量比图4中看到的晶体质量好。
[0047]
作为稀土氧化物但不属于镧系元素的氧化钪的行为与其他结晶方铁锰矿氧化物尤其是稀土氧化物的行为惊人地不同之处在于，它的最低能量取向为[111]，因此它在si(100)上以该取向生长。材料的优选晶体取向取决于其表面能和与下方的层的晶格失配。晶体内的原子的排列也是一个因素，因为这影响了不同表面上的原子之间的间距以及表面是否只有氧原子、只有金属原子或二者的组合。sc是比其他稀土元素小的原子，并且sc2o3的晶格间距小于其他结晶方铁锰矿氧化物。因此，sc2o3(111)表现出与si(100)较大的晶格失配：约-9％。为此原因，表面能变成限定晶体取向的主导因素，而在与si(100)较好的晶格匹配(例如，高达
±
2％)的结晶方铁锰矿氧化物中，晶格匹配是主导因素，即使呈(110)取向的表面能可能是呈(111)取向的两倍。
[0048]
含金属层16可以被外延地或以其他方式沉积、或者可以被溅射。由于结晶方铁锰矿氧化物14的结晶性，它具有含有在其上生长或沉积含金属层16的有益取向的表面。因此，这种含金属层16将更适合于支持所期望的器件。
[0049]
含金属层16已被描述为mo。可替换地，它可以是诸如钽(ta)、钨(w)、铂(pt)或镍(ni)之类的过渡金属中的任一种或诸如al、ga、sn或sb之类的来自周期表的iii族至vi族中的任一族中的金属。可替换地，它可以是一种或多种金属与一种或多种非金属之间的合金。
[0050]
图6图示了具有包括si(100)的基板12的层状结构10。结晶方铁锰矿氧化物层14包括以[111]取向生长的氧化钪sc2o3。含金属层16是iii-v半导体，iii-v半导体是一种或多种iii族材料与一种或多种v族材料的合金。可选地，iii-v半导体还可以包括稀土，例如，是iii-re-n材料。iii-v可以是诸如gan、aln、ingan、algan、inn、alscn、alyn、gascn、gayn、alybn、gaybn之类的二元或三元合金。有利地，诸如gan之类的六方iii-v材料在(111)子层上以纤锌矿相生长。
[0051]
含金属层16是呈[0001]取向的iii-n合金。例如，iii-n可以是纤锌矿gan。gan被广泛用于电子应用和光子应用。例如，gan被用于高电子迁移率晶体管(hemt)和led显示器。
[0052]
目前，例如，在电信或互联网基站中，诸如hemt之类的gan器件通过布线连接到基于硅的cmos电子器件。布线表现出潜在的故障模式。它还可能限制操作速度。本发明允许在也可以容纳cmos电子器件的si(100)基板上方生长gan器件。由于cmos电子器件和gan器件相邻，因此避免了布线，这消除了相关联的故障模式并且意味着器件性能受器件本身影响，而不是受连接的限制影响。有利地，生长gan(0001)的能力意味着固有电荷是可用的，因为gan是极性的，这使得在没有掺杂的情况下能够进行压电切换。gan器件可以被配置为例如通过在微处理器中执行降压电压转换来管理功率。
[0053]
类似地，对于led或μled应用，可以根据本发明的层状结构10在si(100)上生长基于gan的发射器或基于gan的发射器阵列。每个发射器对应于显示器的一个像素。一个发射器或多个发射器可以由也生长在或安装在si(100)上的电子控制组件或器件控制。因此，发射器和控件可以并置，优选地相邻，使得阵列中的每个像素可以被容易且直接地单独寻址。有利地，可以快速且准确地点亮和切断像素。
[0054]
例如，如图7中所示，层状结构10可以生长在si(100)基板的一部分上，而电子控制
组件生长在si(100)晶片的另一部分上。晶片的第二部分可以包括呈[110]取向的方铁锰矿氧化物层18。方铁锰矿氧化物层18可以包括当生长在si(100)上时扭曲到[110]取向的氧化铒(er2o3)。然后，可以生长与[110]取向兼容的层20。例如，层20可以包括mo(112)。
[0055]
图8是直接在er2o3上生长的现有技术的iii-n(aln)的x射线衍射(xrd)图线。可以看出，aln没有xrd峰，这意味着质量非常低。通过对比，当在sc2o3上生长aln时，在图9中存在表现出优良质量的尖峰。
[0056]
图10图示了具有包括si(100)的基板12的层状结构10。如在先前示例中一样，在基板12上生长呈[111]取向的结晶方铁锰矿氧化物层14。含金属层16包含铁电材料。含金属层16可以包含氮。例如，铁电材料可以是scaln或scgan。这种层适于存储器件、铁电开关、致动器和传感器。这是因为iii-(re)-n材料结合了压电性质、铁电性质和热电性质。
[0057]
层状结构10可以用于具有si-cmos的单片集成rf滤波器。另外，与si-cmos单片集成的基于gan的hemt。
[0058]
尽管结晶方铁锰矿氧化物层14已经被描述为呈[111]取向的氧化钪，但可替换地，它可以是在si(100)上生长时扭曲到[111]取向的任何方铁锰矿氧化物。
[0059]
尽管含iii-v金属的层16已经被描述为gan(0001)，但可替换地，它可以是aln、ingan、algan、inn、alscn、alyn、gascn、gayn、alybn、gaybn或本领域中已知的任何iii-v合金。