專利名稱：實(shí)現(xiàn)至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)至少部分松弛的應(yīng)變材料的方法。
背景技術(shù)：
III-V材料近來已變成大量研究的中心課題，這是因?yàn)槠湓诖蠓秶膽?yīng)用中超越了經(jīng)典的娃晶片。例如，III-V材料對于光電子應(yīng)用、光伏應(yīng)用和電カ應(yīng)用(例如，光伏電池(特別是多結(jié)光伏電池)、激光二極管、LED、ニ極管和許多其他應(yīng)用)中具有優(yōu)異的性能。然而，與硅不同，實(shí)現(xiàn)III-V材料的體晶片(bulk wafer)是非常昂貴的，或者在某些情況下是不可能的。在這些情況下，一種獲得III-V材料的體結(jié)構(gòu)的可行技術(shù)是使III-V 材料從晶種襯底外延生長。例如，如圖6所示，可以使用帶有應(yīng)變III-V外延層柔性的供體襯底，所述III-V外延層為ー個(gè)III-V層(GaN)和ー個(gè)更加應(yīng)變的層6130 (InGaN)，在所述層6130上沉積有由硼磷硅玻璃BPSG(即包含例如4. 5%的硼和2%的磷且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為約800°C的SiO2)制成的柔性或低粘性層6120或另ー種柔性(compliant)材料。通過Smart CutTM加エ，將應(yīng)變層經(jīng)由硼磷硅層或另一種柔性材料轉(zhuǎn)移到新的中間襯底6110上，從而形成結(jié)構(gòu)體6100。當(dāng)通過例如提高結(jié)構(gòu)體6100的溫度來執(zhí)行松弛步驟時(shí)，應(yīng)變層能夠借助于低粘性層的流動(dòng)而部分松弛，與應(yīng)變島狀物的弾性松弛相反，所述流動(dòng)為塑性變形。然而，該松弛步驟S61會(huì)遭受所謂的翹曲(buckling)問題。更具體而言，所得到的至少部分松弛的InGaN層6231具有波浪形狀，這是因?yàn)榫Ц竦膽?yīng)變至少部分沿Dl方向得到釋放。此外,在結(jié)構(gòu)體6200中，層6221也可以發(fā)生翹曲。通過制造方法(例如圖7所示的方法，已知其來自專利文獻(xiàn)EP2151852A1)能夠減小上述翹曲問題。在圖7中能夠看到，結(jié)構(gòu)體7100包括支持襯底(例如，由Si、SiC、Ge或藍(lán)寶石制成)7110、柔性或松弛層(例如BPSG，即含B的SiO2化合物(BSG)或含P的SiO2化合物(BPG) )7120和應(yīng)變材料島狀物(例如InGaN) 7130。隨后，通過加熱結(jié)構(gòu)體7100并借助于柔性層的流動(dòng)，對結(jié)構(gòu)體7100進(jìn)行松弛步驟S71。所得到的結(jié)構(gòu)體7200包含至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物7231。島狀物7231的至少部分松弛至少在具有島狀物7231的界面處導(dǎo)致形成了延長的柔性層7221。在進(jìn)ー步的沉積步驟S72中，將包埋層7340沉積在至少部分松弛的材料的島狀物7231上。隨后，在包埋層7340的頂部上，使第二支持襯底7350與包埋層7340粘合。因此所得到的結(jié)構(gòu)體7300包含至少部分松弛的材料的島狀物7231，所述島狀物7231經(jīng)由層7221與第一支持襯底7110連接并同時(shí)經(jīng)由層7340與第二支持襯底7350連接。在隨后的轉(zhuǎn)移步驟S73中，使包含至少部分松弛的材料的島狀物7231、包埋層7340和第二支持襯底7350的結(jié)構(gòu)體7400從結(jié)構(gòu)體7300中脫離。可以利用例如激光剝離來實(shí)現(xiàn)上述脫離，所述激光玻璃包括用激光對位于襯底和島狀物7231之間的吸收層進(jìn)行照射。作為另ー選擇，可以通過例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)將支持襯底7110和延長的晶種層7221都除去，或者還可以通過在晶種層7120中注入離子井隨后加熱結(jié)構(gòu)體7300，來實(shí)現(xiàn)上述脫離。在此階段，通過使用島狀物7231作為晶種，可以在步驟S74中進(jìn)行至少部分松弛的結(jié)構(gòu)體7560的外延生長。此外，通過控制步驟S71中的松弛量，可以控制所述至少部分松弛的結(jié)構(gòu)體7560的物理特性，例如晶格參數(shù)、低位錯(cuò)密度、松弛程度。然而，這一方法仍有ー些缺點(diǎn)。該方法要求較多的步驟并且翹曲現(xiàn)象仍然可視島狀物的尺寸而出現(xiàn)。此外，當(dāng)應(yīng)變材料的應(yīng)變較高時(shí)，可以觀察到應(yīng)變InGaN發(fā)生破裂和脫層(delamination)。應(yīng)變可以依賴于晶種層和島狀物之間的晶格失配以及島狀物的厚度。所述厚度越大，應(yīng)變就越高。對于InGaN島狀物和GaN晶種層的情況，InGaN中的In量越尚，晶格失配和應(yīng)變就越尚
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是通過減少步驟數(shù)并進(jìn)ー步減少翹曲現(xiàn)象來改進(jìn)上述方法。上述目標(biāo)通過下述方法來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的方法是在目標(biāo)襯底上形成至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物的方法，該方法包括以下步驟a)在第一襯底的側(cè)面上形成應(yīng)變材料的島狀物；b)使所述第一襯底在包含所述應(yīng)變材料的島狀物的側(cè)面上與所述目標(biāo)襯底粘合；和c)在粘合步驟后，使所述第一襯底與所述目標(biāo)襯底分離，并且通過第一熱處理使所述應(yīng)變材料的島狀物至少部分松弛。通過執(zhí)行本發(fā)明的方法，可以實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)移襯底連接的至少部分松弛的材料的島狀物，而且因?yàn)樵诓襟Eb)中第一襯底和目標(biāo)襯底同時(shí)存在于所述島狀物的兩側(cè)上，翹曲現(xiàn)象能夠進(jìn)ー步減少。在一些實(shí)施方式中，該方法還可以包括步驟d):在所述應(yīng)變材料的島狀物上形成夾持(gripping)材料層和/或松弛材料層,其中所述夾持材料層改善所述島狀物和所述松弛材料層之間的粘著。由于形成了松弛材料層，可以促進(jìn)兩種襯底之間的粘合。在一些實(shí)施方式中，目標(biāo)襯底可以在其表面上包含粘合材料層，并且在步驟b)中粘合可以發(fā)生在所述松弛材料層和所述粘合材料層之間。在一些實(shí)施方式中，松弛材料和粘合材料可以是BPSG或在600°C 1000°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下流動(dòng)的任何材料。在一些實(shí)施方式中，粘合層可以包含電磁輻射的吸收層，例如SixNy:H。在一些實(shí)施方式中，使島狀物至少部分松弛的步驟可以包括下述步驟在松弛層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近(優(yōu)選在600°C 1000°C )對經(jīng)粘合的第一襯底和目標(biāo)襯底加熱數(shù)小時(shí)(優(yōu)選2小時(shí) 6小時(shí))。在一些實(shí)施方式中，步驟c)可以包括彈性松弛。在一些實(shí)施方式中，在步驟c)后，可以將至少部分松弛的材料的島狀物的表面拓?fù)湫蚊?topology)保持在IOnm RMS以下,且優(yōu)選在6nm以下,所述表面拓?fù)湫蚊彩怯肸ygo度量法在約140微米X 100微米的視場(field)上測得的。
在一些實(shí)施方式中，該方法還可以包括步驟e):在步驟a)之前，在第一襯底側(cè)面上形成晶種層，其中，在步驟a)中應(yīng)變材料的島狀物可以形成在所述晶種層上。在一些實(shí)施方式中，晶種層可以是GaN、任何半導(dǎo)體材料、硅、III-V合金、III-N材料、ニ元合金、三元合金、四元合金中的任何ー種，例如AlGaN或AlInGaN。在一些實(shí)施方式中，該方法還可以包括步驟f):在步驟b)之前，在第一襯底上的晶種層內(nèi)的區(qū)域中或在第一襯底中注入離子物種，從而形成弱化層。通過在至少部分松弛的材料的層內(nèi)的區(qū)域中注入離子，在步驟c)中，除了使島狀物至少部分松弛外，還可以通過對至少部分松弛的材料的層的弱化來將該島狀物從第一襯底轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底。因?yàn)樵趩我徊襟E中實(shí)現(xiàn)了松弛和轉(zhuǎn)移這一事實(shí)，能夠減少必需步驟的 數(shù)目。在一些實(shí)施方式中，在步驟c)中可以進(jìn)行熱處理以使弱化層分離。使用此方法，可以在同一熱處理過程中實(shí)現(xiàn)島狀物的松弛和離子注入?yún)^(qū)的弱化。此外，通過執(zhí)行此方法，可以使島狀物至少部分松弛，并且阻礙了翹曲的出現(xiàn)，且不出現(xiàn)脫層。目標(biāo)襯底是支持物同時(shí)也是補(bǔ)強(qiáng)襯底，并且在無翹曲的情況下促進(jìn)橫向松弛。在一些實(shí)施方式中，在步驟c)中，分離和松弛可以同時(shí)發(fā)生。在一些實(shí)施方式中，與目標(biāo)襯底粘合的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物可以脫離并物理移動(dòng)離開第一襯底。在一些實(shí)施方式中，可以從第一襯底脫離的由應(yīng)變材料和晶種層組成的雙層的厚度可以是150nm 500nm。在一些實(shí)施方式中，步驟a)還可以包括順應(yīng)應(yīng)變材料的島狀物的形狀在第一襯底中或在第一晶種層中形成溝槽，并且可以使弱化層形成在所述溝槽下方。在一些實(shí)施方式中，在第一熱處理過程中，可以以1°C /分鐘 50°C /分鐘的速率、優(yōu)選以TC /分鐘 20°C /分鐘的速率的速度改變加熱溫度。在一些實(shí)施方式中，該方法還可以包括步驟g):第二熱處理，所述第二熱處理可以在使至少部分松弛的應(yīng)變材料物理移動(dòng)離開第一襯底后在所述松弛層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近進(jìn)行。在一些實(shí)施方式中，該方法還可包括步驟h):在步驟g)的過程中或在步驟g)之前，使晶種層變薄。通過在具有第二熱處理的步驟g)之前執(zhí)行該變薄步驟，可以通過減少補(bǔ)強(qiáng)晶種材料的量來促進(jìn)島狀物的松弛。在一些實(shí)施方式中，可以重復(fù)步驟g)和步驟h)直至島狀物基本(substantially)松弛。在一些實(shí)施方式中，在步驟g)和/或步驟h)之前，可以沿著應(yīng)變材料島狀物來將松弛材料層和/或粘合材料層部分或完全圖案化，從而促進(jìn)完全松弛。在一些實(shí)施方式中，應(yīng)變材料可以是應(yīng)變SiGe，應(yīng)變III/V材料或優(yōu)選包含3% 20%、更優(yōu)選5% 15%的銦的應(yīng)變InGaN。在一些實(shí)施方式中,第一襯底和目標(biāo)襯底中的任何ー個(gè)可以是藍(lán)寶石、娃、SiC或Ge中的任何ー種，優(yōu)選所述第一襯底和所述目標(biāo)襯底是相同的或具有相似的熱膨脹系數(shù)。相似的熱膨脹系數(shù)有助于避免襯底在熱處理過程中的不同膨脹，這種不同膨脹會(huì)使結(jié)構(gòu)體變?nèi)?。在一些?shí)施方式中，島狀物的尺寸可以是約300nmX300nm至幾毫米X幾毫米，并且可以具有任何形狀。在一些實(shí)施方式中，可以使至少部分松弛的材料的島狀物與最終襯底粘合，并且通過激光剝離可以使目標(biāo)襯底脫離。例如，第一襯底、中間襯底和目標(biāo)襯底中 的任一個(gè)都可以是藍(lán)寶石材質(zhì)，藍(lán)寶石對提供193nm光的Ar/F激光的電磁輻射是透明的。如果該エ藝流程使用硅襯底或SiC襯底，可以使用對襯底的蝕刻或拋光來除去襯底，且/或可以不回收襯底并可以將其銷毀。借助于在第三襯底上進(jìn)行的第二粘合和激光剝離エ藝來進(jìn)行的對松弛的InGaN的第二轉(zhuǎn)移能夠允許松弛的III-V在Ga面上外延再生長。在一些實(shí)施方式中，至少部分松弛的材料的島狀物能夠通過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于1000°C 1200°c的非柔性氧化物層與最終襯底粘合。本發(fā)明還可以涉及松弛的III-V、II-VI或IV材料的工作層，這些材料可以在使用任ー個(gè)上述實(shí)施方式的方法獲得的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物上外延生長。本發(fā)明還可以涉及在上述實(shí)施方式的工作層中或在上述實(shí)施方式的工作層上形成的光電子器件和/或光伏器件，例如Led、激光器、太陽能電池。


將附圖并入說明書中并形成說明書的一部分來闡明本發(fā)明的若干實(shí)施方式。這些附圖與描述一起用于說明本發(fā)明的特征、優(yōu)點(diǎn)和原理。附圖的目的僅是闡明關(guān)于如何能夠?qū)嵤┖褪褂帽景l(fā)明的優(yōu)選實(shí)例和替代性實(shí)例，并不應(yīng)將附圖解讀為是將本發(fā)明限制在僅那些已闡明和描述的實(shí)施方式上。從下文對附圖所闡明的本發(fā)明各種實(shí)施方式的更具體的描述，其他特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得明顯，在附圖中相似的標(biāo)記表示相似的元件，其中圖I 圖5是闡明本發(fā)明的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物的形成方法的示意圖；圖6是闡明現(xiàn)有技術(shù)的至少部分松弛的應(yīng)變材料層的形成方法的示意圖；和圖7是闡明現(xiàn)有技術(shù)的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物的形成方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I 圖5闡明了本發(fā)明實(shí)施方式的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物的形成方法的詳細(xì)步驟。在圖I中能夠看到，結(jié)構(gòu)體1100包括第一支持襯底1110、晶種層1120和應(yīng)變材料層1130。支持襯底1110可以是藍(lán)寶石(Al2O3),或者是硅、SiC或Ge。晶種層1120是單晶層，并且可以是GaN。應(yīng)變材料層1130是結(jié)晶層，優(yōu)選為單晶材料，并且可以是InGaN ;如果目的是在松弛后獲得較高的晶格參數(shù)，以使松弛的InGaN材料外延生長并在其頂上形成エ作層，則InGaN中具有較高的銦濃度，優(yōu)選高于7% 8%，最高至15%。晶種層1120的厚度可以是至少2 μ m,以降低表面上的位錯(cuò)密度。根據(jù)In的比例，應(yīng)變材料層1130的厚度可以是 50nm 300nm。當(dāng)層1120和層1130的材料處于其天然無應(yīng)カ的狀態(tài)時(shí)，即具有標(biāo)定晶格參數(shù)吋，晶種層1120和應(yīng)變材料層1130的原子晶格是不同的。然而，當(dāng)層1130在層1120頂上以偽同晶生長方式外延生長時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致層1130的結(jié)晶材料發(fā)生應(yīng)變。例如，如果層1120是GaN而層1110是藍(lán)寶石，則GaN在與GaN的晶格參數(shù)不同的藍(lán)寶石上生長，從而使CaN層發(fā)生應(yīng)變。此外，例如，如果層1130是InGaN，其可以保留GaN晶種層的晶格參數(shù)，而GaN晶種層則保留了藍(lán)寶石襯底1110的晶格參數(shù)。由于InGaN比GaN具有更多的與藍(lán)寶石的晶格失配，所以InGaN層的應(yīng)變程度可以比GaN層的更高。作為另ー選擇，結(jié)構(gòu)體1100可以在支持襯底1110和晶種層1120之間和/或在晶種層1120和應(yīng)變材料層1130之間包含其他層。
在后續(xù)的圖案化步驟Sll中，隨后使用例如平版印刷術(shù)或激光消融術(shù)在結(jié)構(gòu)體1100中實(shí)現(xiàn)了ー個(gè)或多個(gè)孔或溝槽1240，從而獲得結(jié)構(gòu)體1200。在圖I中能夠看到，孔1240刺透應(yīng)變材料層1130并至少刺入晶種層1120，從而實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變材料的至少兩個(gè)島狀物1231?？?240沿Dl方向的深度1241至少比應(yīng)變材料層1130的厚度更長。更優(yōu)選的是，該深度比通過后續(xù)的在晶種層1120中的注入而形成的弱化區(qū)的深度更長。孔1240沿D2方向的寬度1242可以為例如5μπι 50μπι，優(yōu)選為5μπι 10 μ m。沿D2方向的寬度1242越小，后期轉(zhuǎn)移應(yīng)變材料島狀物1231的步驟就越容易。通常，可以實(shí)現(xiàn)約8μπι的孔1240的寬度1242。如圖2所示，進(jìn)行了一個(gè)或多個(gè)層沉積步驟S21來沉積第一粘合或夾持材料層2151、第二粘合或松弛材料層2150和介電材料層2153中的至少ー種層或任何氧化物層，井且可以與夾持材料或松弛材料相同。根據(jù)沉積步驟的進(jìn)行方式，可以獲得兩種結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體2100Α和結(jié)構(gòu)體2100Β。在第一種變化形式中，結(jié)構(gòu)體2100Α是通過以下方式獲得的經(jīng)由將介電材料2153層(該介電材料2153的厚度至少與孔1240的厚度1241相當(dāng))沉積在結(jié)構(gòu)體1200上的步驟和執(zhí)行CMP以從應(yīng)變材料島狀物1231中除去多余的介電材料2153從而將該介電材料僅留在孔1240中的步驟，而填充了孔1240。在該填充步驟之后，沉積了夾持材料層2151及隨后的松弛材料層2150,2151和2150這兩層具有沿Dl方向的合并厚度2154。在第二種變化形式中，結(jié)構(gòu)體2100Β是通過以下方式獲得的沉積夾持材料層2151井隨后沉積松弛材料層2150，這兩層具有沿Dl方向的合并厚度2154。在圖2中，合并厚度2154比孔1240的深度1241更短。兩個(gè)材料層2150、2151會(huì)因此形成材料2150、2151的島狀物2152Β，如結(jié)構(gòu)體2100Β中所示。介電材料2153可以是氧化硅，例如能夠通過CMP來拋光和磨平的任何材料。該實(shí)施方式中的松弛材料2150是BPSG，但還可以是用于松弛步驟的任何柔性層。通常而言，其可以是在600°C 1000°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下流動(dòng)的任何材料，例如包含4. 5%的硼和2%的磷的BPSG層的是約850°C。更優(yōu)選的是，所述材料在熱處理過程中不釋放任何污染性顆粒。如后文所述，使用這種材料可以使與目標(biāo)襯底3170能夠更好地粘合，特別是在相同的材料3190也被設(shè)置在目標(biāo)襯底3170上的情況下。松弛材料層2150沿Dl方向的厚度通常為300nm至大于Iym,優(yōu)選為約500nm。該實(shí)施方式中的夾持材料2151是SiO2，但還可以是使III-N材料和BPSG之間形成牢固粘合的任何材料?？梢酝ㄟ^PECVD來沉積SiO2,并且可以施加熱處理來使該層脫氣并變得更密，從而提供最牢固的粘合效果。使用SiO2使得應(yīng)變材料層1130或島狀物1231和夾持材料2151之間可以形成更佳的粘合。夾持材料2151的層沿Dl方向的厚度小于松弛材料2150的層的厚度，并且可以是IOnm lOOnm，優(yōu)選為50nm。在圖2未示出的第三種變化形式中，可以僅沉積松弛材料2150，來代替夾持材料2151和松弛材料2150的層。作為另ー種選擇，可以沉積超過兩種材料。夾持層2151和松弛材料2150的沉積步驟S21可以利用任何適合的技術(shù)來進(jìn)行，如LPCVD (低壓化學(xué)氣相沉積)、PECVD (等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積)或任何其他技術(shù)。在沉積了松弛材料2150后，可以對結(jié)構(gòu)體2100A和結(jié)構(gòu)體2100B中的任何ー個(gè)執(zhí)行加熱步驟，以同時(shí)增加材料2150和材料2151的密度?？梢酝ㄟ^將結(jié)構(gòu)體2100A和結(jié)構(gòu)體2100B中的任何一個(gè)插入溫度高于沉積溫度且低于流動(dòng)溫度的加熱槽中，保持I小吋 4小時(shí)、優(yōu)選保持I小時(shí)，來執(zhí)行該加熱步驟。退火取決于結(jié)構(gòu)體2100A和結(jié)構(gòu)體2100B中的材料的性質(zhì)。隨后可以對結(jié)構(gòu)體2100A和結(jié)構(gòu)體2100B中的任何ー個(gè)執(zhí)行離子注入步驟S22，從而分別產(chǎn)生結(jié)構(gòu)體2200A和結(jié)構(gòu)體2200B。該注入步驟在晶種層1120內(nèi)注入離子物種，例如氫離子和/或氦離子，從而形成預(yù)定的分離區(qū)2260、2261。在圖2中能夠看到，可以獲得不同的注入?yún)^(qū)2260和2261，根據(jù)注入能量，這些注入?yún)^(qū)沿Dl方向的深度不同。例如，用60KeV 90KeV的注入能量獲得了較淺的深度2260。用IOOKeV 130KeV的注入能量可以獲得較深的深度2261。通過控制注入?yún)^(qū)在晶種層1120內(nèi)的深度，能夠控制從脫離的晶種層1120和應(yīng)變材料層1130或島狀物1231分別到注入?yún)^(qū)2260或注入?yún)^(qū)2261的厚度2262或厚度2263。通常，厚度2262、2263為IOOnm 500nm。該注入可以透過松弛層2150來完成。厚度2262和2263從應(yīng)變的InGaN層1130底部開始直至圖2中的箭頭2262和箭頭2263的頂端。該層將與應(yīng)變III-V層和提供存在于該エ藝流程中的一部分補(bǔ)強(qiáng)效果的GaN層1120 —起被轉(zhuǎn)移。注入越深，注入對應(yīng)變材料層的損害就越少。然而，對于更深的注入，在由層1120、層1130構(gòu)成的粘合襯底和目標(biāo)襯底中可能存在更高的應(yīng)變，其可能導(dǎo)致脫層。作為另ー選擇，可以控制注入?yún)^(qū)的深度和層2150、層2151、層1130和層1120的厚度，從而在支持襯底1110內(nèi)得到注入?yún)^(qū)。對于結(jié)構(gòu)體2100B而言，由于孔2140B的存在，離子注入步驟S22導(dǎo)致形成了注入?yún)^(qū)2260A和注入?yún)^(qū)2261A以及注入?yún)^(qū)2260B和注入?yún)^(qū)2261B。注入?yún)^(qū)2260A和注入?yún)^(qū)2261A基本上與注入?yún)^(qū)2260和注入?yún)^(qū)2261對應(yīng)。然而，由于孔2140B的存在，通過該孔注入的離子會(huì)延伸到結(jié)構(gòu)體2200B中更深的水平。更具體而言,這些離子將導(dǎo)致形成注入?yún)^(qū)2260B和注入?yún)^(qū)2261B。隨后，如圖3A所示，通過分別將結(jié)構(gòu)體2200A粘合至結(jié)構(gòu)體3100A，或?qū)⒔Y(jié)構(gòu)體2200B粘合至結(jié)構(gòu)體3100B，對結(jié)構(gòu)體2200A和結(jié)構(gòu)體2200B中的任一個(gè)執(zhí)行粘合步驟S31。在圖3中能夠看到，結(jié)構(gòu)體3100A或結(jié)構(gòu)體3100B包含目標(biāo)襯底3170、脫離層或吸收層(absorbing layer) 3180和粘合層3190。該實(shí)施方式中的目標(biāo)襯底3170是藍(lán)寶石,但也可以是任何襯底，只要其熱膨脹系數(shù)與第一襯底相似，在此情況下，如果エ藝流程中需要 進(jìn)行一次激光剝離，所述目標(biāo)襯底可以是透明襯底?？蛇x的是，第一襯底和目標(biāo)襯底是相同的或具有相似的熱膨脹系數(shù)，以避免在熱處理過程中出現(xiàn)任何差異性熱膨脹和任何脫層。該實(shí)施方式中的脫離層3180是SixNy:H，但也可以是與激光剝離設(shè)備的波長匹配的脫離層和目標(biāo)襯底中的任何ー個(gè)。在后期階段，能夠使用激光剝離エ藝來除去透明藍(lán)寶石目標(biāo)襯底，在此過程中，激光通過透明的目標(biāo)襯底3170進(jìn)入，并被層3180吸收。SiN層3180的厚度可以是50nm 300nm,優(yōu)選為200nm。該實(shí)施方式中的粘合層3190是BPSG，但也可以是任何柔性材料層。使用這種材料的優(yōu)點(diǎn)在于提供了更好的與結(jié)構(gòu)體2100A、2100B的松弛層2150的粘合和松弛效果。粘合層3190沿Dl方向的厚度可以是500nm 3 μ m，優(yōu)選為I μ m。粘合步驟S31可以包括CMP步驟，所述CMP步驟包括在粘合層3190和松弛材料層2150上都進(jìn)行CMP以使層2150和層3190的表面粗糙度都在5埃RMS以下、優(yōu)選小于5埃RMS，其中表面粗糙度是用原子力顯微鏡(AFM)在5微米X5微米的視場上測得的。對這些粗糙度值的選擇提高了粘合。隨后，使結(jié)構(gòu)體3100A與結(jié)構(gòu)體3200A接觸，或者使結(jié)構(gòu)體3100B與結(jié)構(gòu)體3200B 接觸，從而啟動(dòng)粘合。將所得到的粘合結(jié)構(gòu)體示于圖3B中。 除了兩個(gè)島狀物之間的區(qū)域2140B以外，結(jié)構(gòu)體3300B與結(jié)構(gòu)體3300A基本相似。隨后，如圖4所示，通過分離和松弛步驟S41，由結(jié)構(gòu)體3300A和結(jié)構(gòu)體3300B分別獲得了結(jié)構(gòu)體4100A和結(jié)構(gòu)體4100B。所述分離和松弛步驟可以通過將結(jié)構(gòu)體3300A或結(jié)構(gòu)體3300B插入加熱槽中并執(zhí)行以下加熱步驟來實(shí)現(xiàn)⑴在室溫下開始；然后(ii)加熱升溫至50°C 250°C，并將所述溫度保持30分鐘到幾小時(shí)的時(shí)間；然后(iii)加熱升溫至280°C 700°C，井根據(jù)植入條件將所述溫度保持幾分鐘到超過20小時(shí)的時(shí)間；然后(iv)根據(jù)柔性層性質(zhì)熱升溫至400°C 900°C，并將所述溫度保持2小吋 6小時(shí)的時(shí)間。從ー個(gè)加熱步驟到下ー個(gè)加熱步驟，對于所有的逐漸上升(ramp up)和逐漸下降(ramp down)或冷卻，以1°C /分鐘 50°C /分鐘以上的速率、優(yōu)選以1°C /分鐘 20°C /分鐘的速率來實(shí)現(xiàn)溫度變化。所述分離和松弛步驟S41的效果可見于圖4的結(jié)構(gòu)體4100A或結(jié)構(gòu)體4100B中。
在圖4中能夠看到，結(jié)構(gòu)體4100A或結(jié)構(gòu)體4100B分別是通過使支持襯底1110及一部分晶種層1120脫離結(jié)構(gòu)體3300A和結(jié)構(gòu)體3300B而得到的。脫離的這部分晶種層1120包含晶種層1120的位于離子注入?yún)^(qū)2260、2261和支持襯底1110之間的部分。此外，分離和松弛步驟S41使應(yīng)變材料島狀物1231因松弛層2150和粘合層3190的流動(dòng)而至少部分松弛，從而形成至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物4132。這能夠在圖4中看到，其中應(yīng)變的晶種層4120沿D2方向的長度4102比結(jié)構(gòu)體3300A和結(jié)構(gòu)體3300B中的任ー個(gè)沿D2方向的原始長度3101更長。在單個(gè)加熱步驟中既執(zhí)行分離又執(zhí)行松弛的優(yōu)點(diǎn)是能夠減少步驟數(shù)。此外，通過使晶種層1120(4121)的已轉(zhuǎn)移部分和第一襯底1110保持在結(jié)構(gòu)體3300A和結(jié)構(gòu)體3300B中，應(yīng)變材料島狀物1231的松弛可以在無翹曲的情況下以弾性方式實(shí)現(xiàn)，從而不形成新的晶體缺陷(例如，位錯(cuò))，不會(huì)在島狀物的材料中形成破裂，并且不會(huì)出現(xiàn)脫層。實(shí)際上，在松弛步驟中，在結(jié)構(gòu)體頂部上第一襯底1110的存在提供了很大的補(bǔ)強(qiáng)效果，該效果可以避免翹曲并保持復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，如果分離步驟和松弛步驟同時(shí)發(fā)生,會(huì)減少可能的卡盤(chuck)劃傷所帶來的損傷的風(fēng)險(xiǎn)和對此損傷的處理。對于結(jié)構(gòu)體4100B，觀察到了相同的效果，除了結(jié)構(gòu)體4100B還包含源自島狀物之間的孔2140B的孔4191B之外。隨后，可以對結(jié)構(gòu)體4100A或結(jié)構(gòu)體4100B可選地進(jìn)行進(jìn)ー步的松弛和變薄步驟S42，從而形成結(jié)構(gòu)體4200A和結(jié)構(gòu)體4200B。如有需要，還可以沿著所存在的島狀物的邊界使目標(biāo)襯底上的柔性層4191和柔性層4151至少部分圖案化，從而輔助松弛。所述松弛和變薄步驟S42可以通過將結(jié)構(gòu)體4100A和結(jié)構(gòu)體4100B中的任ー個(gè)插入加熱槽中并在800°C 1000°C下對該槽加熱I小時(shí) 8小時(shí)來實(shí)現(xiàn)。此外，在加熱處理 之前、過程中或之后，可以使應(yīng)變的晶種層4121變薄，從而產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)體4100A或結(jié)構(gòu)體4100B的厚度4103相比減少了的厚度4204。這具有使柔性BPSG層4151和柔性層4191流動(dòng)的效果，從而使至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物4132中的至少一部分壓縮應(yīng)變能夠松弛，并且放大了晶格參數(shù)。這可以在圖4中看到，其中，出于說明目的，至少部分松弛的島狀物4233沿D2方向的長度4203比松弛程度較少的島狀物4232的長度4102更長。對于結(jié)構(gòu)體4200B，取得了相同的效果，除了結(jié)構(gòu)體4200B還包含源自孔2140B的孔4191B之外。根據(jù)其他變化形式，還可以進(jìn)行多于I次的松弛和變薄步驟S42，從而逐漸地使至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物4132進(jìn)ー步松弛，同時(shí)因?qū)?222的存在仍防止翹曲。隨后，在圖5中能夠看到，對結(jié)構(gòu)體4200A和結(jié)構(gòu)體4200B進(jìn)行進(jìn)一步的松弛和變薄步驟S51，從而形成結(jié)構(gòu)體5100A和結(jié)構(gòu)體5100B。所述松弛和變薄步驟S51可以通過將結(jié)構(gòu)體4200A和結(jié)構(gòu)體4200B中的任ー個(gè)插入加熱槽中并在800°C 1000°C下對該槽加熱I小吋 8小時(shí)來實(shí)現(xiàn)。此外，在加熱處理之前、過程中或之后，可以使層4222變薄，從而最終導(dǎo)致層4222被完全除去。這具有以下效果將至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物4132的至少一部分應(yīng)變傳遞至應(yīng)變的夾持材料層和/或應(yīng)變的粘合層4292和/或?qū)?252，從而分別形成應(yīng)變的夾持材料層和/或應(yīng)變的粘合層5193和/或?qū)?153。這能夠見于圖5中，其中，結(jié)構(gòu)體5100A和結(jié)構(gòu)體5100B的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物5134沿D2方向的長度5104比結(jié)構(gòu)體4200A和結(jié)構(gòu)體4200B的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物4233和應(yīng)變的晶種層4222的長度4203更長。在結(jié)構(gòu)體5100B上取得了相同的效果，除了其還包含源自孔2140B的孔4191B之外?？梢詫⑺沙诘膷u狀物轉(zhuǎn)移到最終襯底(例如藍(lán)寶石)上，從而恢復(fù)正確的極性，并得到在島狀物和最終襯底之間具有高粘性的粘合層，使III族元素面向Ga。粘合可以是直接粘合，或是用高粘性層或非柔性層或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度超過1000°C的層(例如SiO2)進(jìn)行的粘合，從而不會(huì)在外延生長熱處理過程中出現(xiàn)流動(dòng)。如果可以在目標(biāo)襯底和島狀物之間設(shè)置吸收性的SixNy :H層，則可以通過激光剝離來完成該第二轉(zhuǎn)移。可將層3180、層5193、層5153、層2151和層5134中的任一個(gè)以及新的粘合層轉(zhuǎn)移到最終襯底上。在生長步驟S52中，使用至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物5134作為晶種，來使由至少部分松弛的應(yīng)變材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體5000外延生長。結(jié)構(gòu)體5000的材料可以與島狀物5134的材料相同。作為另ー選擇，其可以是具有相容的原子晶格結(jié)構(gòu)的不同材料，例如III-N材料、II-VI或IV材料。優(yōu)選的是，在將材料島狀物轉(zhuǎn)移到帶有高粘性層的最終襯底上時(shí)，使結(jié)構(gòu)體5000生長。隨后，可以將層3180、層3193、層5153和層2151中的任ー個(gè)完全除去。該最終步驟可以包括CMP步驟和/或蝕刻步驟。一旦5134位于最終襯底的頂部，通過在松弛的應(yīng)變材料上的外延生長可以實(shí)現(xiàn)InGaN的重新生長。如果松弛的應(yīng)變材料是非極性的，可以通過在步驟S52中所示的層5134上直接進(jìn) 行外延生長來實(shí)現(xiàn)上述重新生長。在結(jié)構(gòu)體5200B上取得了相同的效果，除了結(jié)構(gòu)體5200B還包含源自孔2140B的孔4191B之外。通過控制上述松弛和變薄步驟S42的執(zhí)行次數(shù)，能夠精確控制結(jié)構(gòu)體5000以及對應(yīng)的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物5134的松弛量。優(yōu)選的是，在該エ藝流程結(jié)束吋，島狀物基本松弛，從而使結(jié)構(gòu)體5000也基本松弛。由于晶種層4222僅在臨近該エ藝結(jié)束時(shí)被除去，使得翹曲的出現(xiàn)能夠因松弛步驟中的殘余襯底1110而得到抑制。本發(fā)明的實(shí)施方式及變化形式的上述エ藝因此使得步驟數(shù)減少，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變III-V材料的松弛，其中翹曲可以從根本上得到防止。此外，由于松弛步驟中第一襯底的存在，本發(fā)明減少了現(xiàn)有技術(shù)中觀察到的破裂和脫層。
權(quán)利要求
1.ー種在目標(biāo)襯底上形成至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物的方法，所述方法包括以下步驟 a)在第一襯底(1110)的側(cè)面上形成(Sll)應(yīng)變材料的島狀物(1231)； 其特征在于 b)使所述第一襯底在包含所述應(yīng)變材料的島狀物的側(cè)面上與所述目標(biāo)襯底(3170)粘合(S31);和 c)在粘合步驟后，使所述第一襯底與所述目標(biāo)襯底分離，并且通過第一熱處理使所述應(yīng)變材料的島狀物至少部分松弛(S41)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，所述方法還包括以下步驟 d)在所述應(yīng)變材料的島狀物上形成(S21)夾持材料層(2151)和/或松弛材料層(2150)，所述夾持材料層改善所述島狀物和所述松弛材料層之間的粘著。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中， 所述目標(biāo)襯底在其表面上包括粘合材料層(3190)，而且 在步驟b)中，粘合發(fā)生在所述松弛材料層和所述粘合材料層之間。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，所述松弛材料和所述粘合材料是BPSG或者是在600°C 1000°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下流動(dòng)的任何材料。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述粘合層包含電磁輻射的吸收層，例如SixNy:H。
6.如權(quán)利要求2 5中任一項(xiàng)所述的方法，其中， 使所述島狀物至少部分松弛的步驟包括下述步驟在松弛層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近，優(yōu)選在600°C 1000°C，對經(jīng)粘合的第一襯底和目標(biāo)襯底加熱數(shù)小時(shí)，優(yōu)選2小吋 6小時(shí)。
7.如權(quán)利要求I 6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟c)包括彈性松弛。
8.如權(quán)利要求I 7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在步驟c)后，將至少部分松弛的材料的島狀物的表面拓?fù)湫蚊脖３衷贗Onm RMS以下，且優(yōu)選在6nm以下，所述表面拓?fù)湫蚊彩怯肸ygo度量法在約140微米X 100微米的視場上測得的。
9.如權(quán)利要求I 8中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括以下步驟 e)在步驟a)之前，在所述第一襯底的側(cè)面上形成晶種層(1120)， 其中， 在步驟a)中，所述應(yīng)變材料的島狀物形成在所述晶種層上。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述晶種層是GaN、任何半導(dǎo)體材料、硅、III-V合金、III-N材料、ニ元合金、三元合金、四元合金中的任何ー種，例如AlGaN或AlInGaN。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，所述方法還包括以下步驟 f)在步驟b)之前，在所述第一襯底上的所述晶種層內(nèi)的區(qū)域(2260、2261)中或在所述第一襯底中注入(S22)離子物種，從而形成弱化層。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中， 在步驟c)中，進(jìn)行熱處理以使所述弱化層分離。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中， 在步驟c)中，所述分離和所述松弛同時(shí)發(fā)生。
14.如權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，使與所述目標(biāo)襯底粘合的所述至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物脫離并物理移動(dòng)離開所述第一襯底。
15.如權(quán)利要求12 14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，從所述第一襯底脫離的由應(yīng)變材料和晶種層組成的雙層的厚度是150nm 500nm。
16.如權(quán)利要求11 15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟a)還包括順應(yīng)所述應(yīng)變材料的島狀物的形狀在所述第一襯底中或在所述晶種層中形成溝槽，并且使所述弱化層形成在所述溝槽下方。
17.如權(quán)利要求I 16中任一項(xiàng)所述的方法，其中， 在所述第一熱處理過程中，以TC /分鐘 50°C /分鐘的速率、優(yōu)選以TC /分鐘 200C /分鐘的速率改變加熱溫度。
18.如權(quán)利要求14 17中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括以下步驟 g)第二熱處理(S42)，所述第二熱處理在使所述至少部分松弛的應(yīng)變材料物理移動(dòng)離開所述第一襯底后在所述松弛層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近進(jìn)行。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，所述方法還包括以下步驟 h)在步驟g)的過程中或在步驟g)之前，使所述晶種層變薄(S42)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，重復(fù)步驟g)和步驟h)直至所述島狀物基本松弛。
21.如權(quán)利要求19或20所述的方法，其中，在步驟g)和/或步驟h)之前，沿著所述應(yīng)變材料島狀物來將所述松弛材料層(2150)和/或所述粘合材料層(3190)部分或完全圖案化，從而促進(jìn)完全松弛。
22.如權(quán)利要求I 21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述應(yīng)變材料是應(yīng)變SiGe，應(yīng)變III/V材料或優(yōu)選包含3% 20%、更優(yōu)選包含5% 15%的銦的應(yīng)變InGaN。
23.如權(quán)利要求I 22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一襯底和所述目標(biāo)襯底中的任何一個(gè)是藍(lán)寶石、硅、SiC或Ge中的任何ー種，優(yōu)選所述第一襯底和所述目標(biāo)襯底是相同的或具有相似的熱膨脹系數(shù)。
24.如權(quán)利要求I 23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述島狀物的尺寸是約300nmX300nm至幾毫米X幾毫米,并且可以具有任何形狀。
25.如權(quán)利要求I 24中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使所述至少部分松弛的材料的島狀物與最終襯底粘合，并且通過激光剝離使所述目標(biāo)襯底脫離。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，使所述至少部分松弛的材料的島狀物通過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于1000°C 1200°C的非柔性氧化物層與所述最終襯底粘合。
27.一種松弛的III-V、II-VI或IV材料的工作層，所述工作層在使用權(quán)利要求I 26中任一項(xiàng)所述的方法獲得的至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物上外延生長。
28.一種光電子器件和/或光伏器件，例如Led、激光器、太陽能電池，所述光電子器件和/或光伏器件形成在權(quán)利要求27所述的工作層中或形成在權(quán)利要求27所述的工作層上。
全文摘要
本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物的方法。具體而言，本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明涉及一種在目標(biāo)襯底上形成至少部分松弛的應(yīng)變材料的島狀物的方法，所述方法包括以下步驟a)在第一襯底(1110)的側(cè)面上形成(S11)應(yīng)變材料的島狀物(1231)；b)使所述第一襯底在包含所述應(yīng)變材料的島狀物的側(cè)面上與所述目標(biāo)襯底(3170)粘合(S31)；和c)在粘合步驟后，使所述第一襯底與所述目標(biāo)襯底分離，并且通過第一熱處理使所述應(yīng)變材料的島狀物至少部分松弛(S41)。
文檔編號(hào)H01L21/20GK102693902SQ20121007407
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
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