[發(fā)明專利]一種氮化鎵基半導(dǎo)體材料外延復(fù)合襯底的制備方法

無效

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• 申請日: 2012-12-25
• 公開（公告）號: CN103021814A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 亢勇;陳邦明
• 申請（專利權(quán)）人: 上海新儲集成電路有限公司
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 上海麥其知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31257
• 代理人: 董紅曼

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)，尤其涉及一種氮化鎵基半導(dǎo)體材料外延復(fù)合襯底的制備方法。

背景技術(shù)

由In-Al-Ga-N構(gòu)成的氮化鎵(GaN)基四元合金體系寬禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)成為半導(dǎo)體照明、高密度光存儲、高電壓大功率新型半導(dǎo)體器件的重要材料基礎(chǔ)。由GaN基材料制成的半導(dǎo)體器件，例如高亮度藍(lán)光/白光發(fā)光二極管(LED)，藍(lán)光/紫光激光二極管，紫外探測器，高遷移率晶體管，高功率晶體管，高電壓晶體管等已獲得較為廣泛的應(yīng)用。

由于GaN材料無法獲得體生長的單晶材料，目前其材料的制備均以外延材料為主，外延襯底主要為單晶藍(lán)寶石(α-Al₂O₃)、單晶硅(111Si)、單晶碳化硅(SiC)等，外延技術(shù)主要為金屬有機化學(xué)汽相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。藍(lán)寶石優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)相對成熟；不足方面也很多，如很大的晶格失配(16％)目前采用過渡層生長技術(shù)來克服，導(dǎo)電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服，機械性能差不易切割通過激光劃片來克服，很大的熱失配對外延層形成壓應(yīng)力因而不會龜裂。但是，差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。除了藍(lán)寶石襯底外，目前用于氮化鎵生長襯底就是SiC，它在市場上的占有率位居第2，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高、晶體品質(zhì)難以達(dá)到Al₂O₃和Si那么好、機械加工性能比較差。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題，而是采用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題。所以在高功率器件的應(yīng)用方面SiC襯底比Al₂O₃襯底更具有優(yōu)勢。但是高質(zhì)量的SiC單晶材料的制備也是難點，目前國際上能提供商用的高品質(zhì)的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司，價格是相同尺寸Al₂O₃襯底的幾倍甚至十幾倍。

法國SOITEC公司提出的氫離子注入與鍵合的注氫智能剝離技術(shù)(Smart-cut)在絕緣體上硅(SOI)材料制備中獲得了廣泛的應(yīng)用。他們也將這種技術(shù)轉(zhuǎn)移到了GaN基材料襯底的制備中，專門針對高功率GaN器件的應(yīng)用。其方法如圖1所示，需要一塊標(biāo)準(zhǔn)厚度的單晶硅片(111晶向)，作為初始硅片4，需要一片由多晶SiC制備的襯底晶圓5。在初始硅片4上用CVD方法在其表面形成一層硅的氧化物沉淀(SiO2)6，在氧化層附近注入氫離子(H+)，清洗已有氧化層和氫離子的硅片，將其與之襯底晶圓5鍵合，形成絕緣體上硅材料7。隨后進行高溫退火，氫離子蹦離的操作(蹦離下來的初始硅片可以反復(fù)使用)得到多晶SiC襯底的SOI晶片，再次退火，拋光即可得到用于GaN材料外延使用的襯底。此方法采用多晶SiC做為襯底材料，可以有效地降低成本，但又可以利用SiC材料本身良好的導(dǎo)熱性。GaN材料外延在由Sart-cut方法剝離下來的單晶Si襯底上，以獲得好的外延材料質(zhì)量。但是GaN與Si仍然存在18％的晶格失配，GaN的熱膨脹系數(shù)約為5.6*10^-6/K，Si的熱膨脹系數(shù)約為2.6*10^-6/K，存在很大的熱失配，這對于大功率器件也是很不利的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中晶格失配較高或者成本過高的缺陷，提出了一種氮化鎵基半導(dǎo)體材料外延復(fù)合襯底的制備方法。本發(fā)明提出的氮化鎵基半導(dǎo)體材料的制備方法，既可以使氮化鎵基材料的外延獲得高質(zhì)量的碳化硅單晶襯底，又可以有效降低襯底材料的成本。

本發(fā)明提出了一種氮化鎵基半導(dǎo)體材料外延復(fù)合襯底的制備方法，包括：

步驟一：選用初始單晶碳化硅晶圓與襯底材料；

步驟二：通過注氫智能剝離方法在所述初始單晶碳化硅晶圓中注入離子形成一層氣泡層；

步驟三：將所述初始單晶碳化硅晶圓與所述襯底材料進行表面處理后，清洗表面并旋轉(zhuǎn)甩干，之后對所述初始單晶碳化硅晶圓與襯底材料進行等離子輔助鍵合；

步驟四：將所述鍵合形成的材料進行高溫退火，所述初始單晶碳化硅晶圓的氣泡層會聚集并使初始單晶碳化硅晶圓發(fā)生蹦離，得到所述單晶碳化硅復(fù)合襯底材料。