CN102263178A

CN102263178A - 外延片及其形成方法

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Publication number: CN102263178A
Application number: CN2011101497408A
Authority: CN
Inventors: 李园; 赵东晶
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明提出了一种外延片，包括：Si晶圆；形成在所述Si晶圆之上的多个凸起结构，所述多个凸起结构之间间隔预定距离，且所述多个凸起结构呈阵列排列；形成在所述多个凸起结构顶部的第一半导体材料薄层，且所述第一半导体材料薄层中的一部分相对于所述Si晶圆悬空；和形成在所述第一半导体材料薄层之上的过渡层和氮化物系化合物半导体材料层。通过多个凸起结构可以有效释放Si晶圆和氮化物系化合物半导体材料层之间的热失配应力，从而有利于形成大尺寸的外延片。

Description

外延片及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造及设计技术领域，特别涉及一种外延片及其形成方法。

背景技术

随着绿色能源的不断进步，发光二极管(light emitting diode，LED)以其寿命长、发光效率高、体积小、坚固耐用、颜色丰富，被广泛应用于显示屏、背光源、特种照明等领域。LED的核心是LED外延片，其主要结构包括：衬底、缓冲层、N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层。作为LED外延片核心的有源区发光层介于N型半导体层与P型半导体层之间，使P型半导体层和N型半导体层的界面构成的PN结。由于衬底和膜层不同的热膨胀系数，以及外延方法的制约，因此致使了在膜层生长后，会由于热失配而在膜层内会产生内应力，例如对于LED领域的Al₂O₃(蓝宝石)衬底来说，在Al₂O₃或SiC衬底生长的GaN外延片就会产生压应力。然而蓝宝石和SiC衬底非常昂贵，而且晶圆不易做大，因此导致目前的LED非常昂贵。由于Si材料便宜，工艺成熟，且有大直径晶圆，因此，目前出现了很多基于Si材料的应用，如光电、微波等应用需要用到不同的材料，如GaN等。

但是，Si和这些III-V族材料存在很大的晶格失配与热应力失配，晶格失配引起位错，热应力失配在较大外延厚度时会引起薄膜龟裂(Crack)，导致外延出来的薄膜质量不佳，因此限制了外延薄膜的厚度。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决难以在Si晶圆上形成大尺寸异质材料的缺陷。

为达到上述目的，本发明一方面提出一种外延片，包括：Si晶圆；形成在所述Si晶圆之上的多个凸起结构，所述多个凸起结构之间间隔预定距离，且所述多个凸起结构呈阵列排列；形成在所述多个凸起结构顶部的第一半导体材料薄层，且所述第一半导体材料薄层中的一部分相对于所述Si晶圆悬空；形成在所述第一半导体材料薄层之上的氮化物系化合物半导体材料层。

在本发明的一个实施例中，所述凸起结构从所述凸起结构的中部向顶部逐渐增大以使两个凸起结构顶部之间的间隙小于所述两个凸起结构中部之间的间隙。

在本发明的一个实施例中，所述凸起结构和所述第一半导体材料薄层包括Si_yGe_1-y。

在本发明的一个实施例中，还包括：形成在所述Si晶圆和所述多个凸起结构之间的多孔结构层，其中，所述多孔结构层的顶部为平整表面。

在本发明的一个实施例中，所述多孔结构层包括Si_1-xC_x、Si或Si_yGe_1-y。

在本发明的一个实施例中，所述第一半导体材料薄层通过对所述多个凸起结构退火形成，其中，所述退火温度为1000-1350度，且在退火时气氛中含有氢气。

在本发明的一个实施例中，在退火时还通入SiH₄、GeH₄、SiH₂Cl₂、SiHCl₃中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，所述过渡层和所述氮化物系化合物半导体材料层为GaN、InGaN或AlGaN。

在本发明的一个实施例中，还包括：形成在所述第一半导体材料薄层和所述氮化物系化合物半导体材料层之间的过渡层。

本发明实施例另一方面还提出了一种外延片的形成方法，包括以下步骤：提供Si晶圆；在所述Si晶圆之上形成多个凸起结构，所述多个凸起结构之间间隔预定距离，且所述多个凸起结构呈阵列排列；在所述多个凸起结构顶部形成第一半导体材料薄层，且所述第一半导体材料薄层中的一部分相对于所述Si晶圆悬空；在所述第一半导体材料薄层之上形成氮化物系化合物半导体材料层。

在本发明的一个实施例中，还包括：对所述Si衬底进行阳极氧化以在所述Si衬底表面形成多孔结构层；并对形成所述多孔结构层的Si衬底进行退火以在所述多孔结构层顶面形成平整表面。

在本发明的一个实施例中，所述第一半导体材料薄层通过对所述多个凸起结构退火形成，其中，所述退火温度为800-1350度，且在退火时气氛中含有氢气。

在本发明的一个实施例中，所述所述氮化物系化合物半导体材料层为GaN、InGaN或AlGaN。

在本发明的一个实施例中，所述在Si晶圆之上形成多个凸起结构进一步包括：在所述Si晶圆之上形成第一半导体材料层；向所述第一半导体材料层之中注入Si或Ge离子以在所述第一半导体材料层之中形成离子注入层；和对所述第一半导体材料层进行选择性刻蚀以形成所述多个凸起结构。

在本发明的一个实施例中，所述刻蚀为各向异性的湿法刻蚀。

在本发明的一个实施例中，还包括：在所述第一半导体材料薄层和所述氮化物系化合物半导体材料层之间形成过渡层。

本发明实施例具有如下优点：

1、通过多个凸起结构可以有效释放Si晶圆和氮化物系化合物半导体材料层之间的热失配应力，从而有利于形成大尺寸的外延片。

2、由于退火形成的第一半导体材料薄层非常薄，与氮化物系化合物半导体材料层之间易形成良好的晶格匹配，两者之间有良好的界面态，从而保证了氮化物系化合物半导体材料层的生长质量，因此在本发明实施例中可以仅需要很薄的过渡层，甚至不需要过渡层。由于减小了过渡层的厚度，并且第一半导体材料薄层也非常薄，因此非常有利于器件的散热，并有助于器件制造成本的降低。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的外延片中Si晶圆和多个凸起结构的俯视图；

图2为本发明一个实施例的外延片中Si晶圆和多个凸起结构的剖视图；

图3为本发明一个实施例的外延片的剖视图；

图4为本发明再一个实施例的外延片的剖视图；和

图5为本发明实施例的外延片的形成方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

如图1所示，为本发明实施例的外延片中Si晶圆和多个凸起结构的俯视图。如图2所示，为本发明一个实施例的外延片中Si晶圆和多个凸起结构的剖视图。如图3所示，为本发明一个实施例的外延片的剖视图。该外延片可用于形成LED或大功率器件。该外延片包括Si晶圆1100，形成在Si晶圆1100之上的多个凸起结构1200，多个凸起结构1200之间间隔预定距离，且多个凸起结构1200呈阵列排列，如图1所示。需要说明的是，在本发明的一个实施例之中凸起结构1200可为垂直结构，而在图2和图3的实施例中，凸起结构1200从凸起结构1200的中部向顶部逐渐增大以使两个凸起结构1200顶部之间的间隙小于两个凸起结构1200中部之间的间隙，从而可以通过退火或外延形成半导体薄层1300。如果对于两个凸起结构1200顶部之间间隙小于中部之间间隙的情况来说，上述预定距离是两个凸起结构1200之间的最近距离，即两个凸起结构1200顶部之间的距离。本发明适于小尺寸器件，特别适于解决小尺寸器件的漏电问题。其中，如图2所示，每个凸起结构的顶部尺寸最大以使所述两个凸起结构顶部之间的距离最小。换句话说，每个凸起结构的侧面为菱形或圆弧形以使两个凸起结构顶部之间的距离最小，从而方便后续退火或外延形成第一半导体材料薄层1300。需要说明的是，由于本发明实施例中第一半导体材料薄层1300相对于Si晶圆悬空，因此可以起到绝缘的作用，同时第一半导体材料薄层1300(例如Ge或SiGe)很薄，通常小于20nm，在后续的氮化物系化合物半导体材料层外延过程中，通过该薄层适当的晶格畸变，可以与氮化物系化合物半导体材料层之间形成良好的晶格匹配，而该薄层下部微小的凸起和悬空结构可以释放晶格畸变带来的应力，因此第一半导体材料薄层和氮化物系化合物半导体材料层可以不需要过渡层(如AlN)等。当然在本发明的其他实施例中，也可以采用过渡层，但过渡层的厚度可以很薄，从而利于散热并降低制造成本。

该外延片还包括形成在多个凸起结构1200顶部的第一半导体材料薄层1300，且第一半导体材料薄层1300与Si晶圆1100之间间隔预定高度，从而形成悬空结构。在本发明实施例中所述的预定高度需要根据刻蚀的最大深度确定，但只要第一半导体材料薄层1300与Si晶圆1100之间不接触即可。凸起结构1200可为多种形状，例如柱状、长条形等，在本发明的实施例中，只要两个凸起结构1200之间间隔的预定距离足够小以至于通过退火能够形成第一半导体材料薄层1300即可。在本发明的实施例中，第一半导体材料薄层1300通常都很薄，一般约为10nm以下。在本发明的优选实施例中，凸起结构1200和第一半导体材料薄层1300为Si_yGe_1-y。

本发明实施例通过高温氢气氛退火能使表面原子发生迁移，退火温度一般约在1000-1350度，同时在本发明实施例中退火时还需要气氛中含有氢气以活化形成的第一半导体材料薄层1300的表面。优选地，在高温氢气氛退火时还通入SiH₄、GeH₄、SiH₂Cl₂、SiHCl₃中的一种或多种，通过气体分解在表面沉积少量的Si和/或Ge原子，以使获得的第一半导体材料薄层1300的表面更加平整，从而获得更好的效果。在退火之后，两个相邻的多个凸起结构1200的顶部会相互接触从而形成第一半导体材料薄层1300。

本发明实施例对于某些特定晶向的第一半导体材料薄层1300来说，其在顶部的侧向生长速度不低于纵向生长速度，从而可以使得外延的材料很快将两个凸起结构1200之间顶部的间隙先封闭，从而使得第一半导体薄层1300与Si晶圆1100之间不会直接接触。

在本发明实施例中，该外延片还需要在第一半导体材料薄层1300之上的过渡层4000和氮化物系化合物半导体材料层2000。在本发明的一个实施例中，过渡层4000例如为AlN，氮化物系化合物半导体材料层2000例如为GaN、InGaN、AlGaN等，以形成LED或大功率器件，如图3所示。由于本发明实施例中的第一半导体材料薄层1300非常薄，与氮化物系化合物半导体材料之间易形成良好的晶格匹配，同时多个微小的凸起和悬空结构可以有效释放Si晶圆和氮化物系化合物半导体材料层之间的热失配应力，因此保证了氮化物系化合物半导体材料层在Si基体上的高质量异质生长。

如图4所示，为本发明另一个实施例的外延片的剖视图。在该实施例中，该外延片还包括形成在Si晶圆1100和多个凸起结构1200之间的多孔结构层3000，，且多孔结构层3000顶面形成有平整表面，从而便于在形成LED器件之后，在多孔结构层3000处将Si晶圆剥离。通常该多孔结构层3000具有较大的孔隙率。

如图5所示，为本发明实施例的外延片的形成方法流程图，包括以下步骤：

步骤S501，提供Si晶圆。

步骤S502，在Si晶圆之上形成多个凸起结构，其中，多个凸起结构之间间隔预定距离，且多个凸起结构呈阵列排列。其中，如图2和3所示，凸起结构从凸起结构的中部向顶部逐渐增大以使两个凸起结构顶部之间的间隙小于两个凸起结构中部之间的间隙，从而可以通过退火或外延形成半导体薄层。在本发明的优选实施例中，凸起结构为多层结构，其中，所述多层结构中的最顶层为Si_1-xC_x、Si_yGe_1-y。可通过刻蚀形成多个凸起结构，例如先在Si晶圆上外延一层或多层用于形成凸起结构的第一半导体材料层，例如Si、Si_1-xC_x、Si_yGe_1-y、Ge等。当然在本发明的其他实施例中，也可以将晶圆片表层作为第一半导体材料层，即直接在晶圆片的表面进行刻蚀以形成多个凸起结构。接着对其进行刻蚀以形成多个凸起结构。

优选地，先向第一半导体材料层之中注入Si或Ge离子以在第一半导体材料层之中形成离子注入层，接着采用干法刻蚀对第一半导体材料层进行选择性刻蚀以形成多个凸起结构，由于离子注入层中损伤严重，晶体结构被打乱，其刻蚀速度大于第一半导体材料层其他部分的刻蚀速度，从而可以形成图2所示的结构。

更为优选地，首先在Si晶圆之上形成第一半导体材料层，接着向第一半导体材料层之中注入Si或Ge离子以在第一半导体材料层之中形成离子注入层，然后采用具有各向异性的湿法刻蚀对第一半导体材料层进行选择性刻蚀以形成所述多个凸起结构。

步骤S503，在多个凸起结构顶部形成第一半导体材料薄层，且第一半导体材料薄层与Si晶圆之间间隔预定高度以使所述第一半导体材料薄层中的一部分相对于Si晶圆悬空。其中，第一半导体材料薄层包括Si_yGe_1-y等。

在本发明实施例中，可对Si晶圆及多个凸起结构退火形成所述第一半导体材料薄层。本发明实施例通过退火能使表面材料发生迁移，退火温度一般约在1000-1350度，同时在本发明实施例中退火时还需要气氛中含有氢气以活化形成的第一半导体材料薄层的表面。优选地，在退火时还通入SiH₄、GeH₄、SiH₂Cl₂、SiHCl₃中的一种或多种以使获得的第一半导体材料薄层的表面更加平整，从而获得更好的效果。

在本发明的另一个实施例中，还可通过外延的方式形成第一半导体材料薄层。包括表面为(100)晶向的Si、Si_1-xC_x、Si_yGe_1-y、Ge晶片，由于外延材料在顶部的侧向生长速度不低于纵向生长速度，从而可以使得外延的材料很快将两个凸起结构之间顶部的间隙封闭，从而第一半导体材料薄层与晶圆片之间不会直接接触，从而依然能够保持第一半导体材料薄层的一部份相对于晶圆片悬空。

在本发明的一个优选实施例中，如果退火之后第一半导体材料薄层的厚度比较厚的话，则还需要对该第一半导体材料薄层进行刻蚀或减薄处理。

步骤S504，在第一半导体材料薄层之上形成过渡层和氮化物系化合物半导体材料层。在本发明的一个实施例中，过渡层例如为AlN，氮化物系化合物半导体材料层例如为InGaN、GaN、AlGaN等。

在本发明的一个实施例中，还包括对Si衬底进行阳极氧化以在所述Si衬底表面形成多孔结构层，并对形成多孔结构层的Si衬底进行退火以在所述多孔结构层顶面形成平整表面，以在形成LED之后通过所述多孔结构层对所述Si晶圆进行剥离。

本发明实施例具有如下优点：

2、由于退火形成的第一半导体材料薄层与氮化物系化合物半导体材料层之间易形成良好的晶格匹配，因此两者之间有非常好的界面态，从而保证了氮化物系化合物半导体材料层的生长质量，因此在本发明实施例中可以仅需要很薄的过渡层，甚至不需要过渡层。由于减小了过渡层的厚度，并且第一半导体材料薄层也非常薄，因此非常有利于器件的散热，并有助于器件制造成本的降低。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种外延片，其特征在于，包括：

Si晶圆；

形成在所述Si晶圆之上的多个凸起结构，所述多个凸起结构之间间隔预定距离，且所述多个凸起结构呈阵列排列；

形成在所述多个凸起结构顶部的第一半导体材料薄层，且所述第一半导体材料薄层中的一部分相对于所述Si晶圆悬空；和

形成在所述第一半导体材料薄层之上的氮化物系化合物半导体材料层。

2.如权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述凸起结构从所述凸起结构的中部向顶部逐渐增大以使两个凸起结构顶部之间的间隙小于所述两个凸起结构中部之间的间隙。

3.如权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述凸起结构和所述第一半导体材料薄层包括Si_yGe_1-y。

4.如权利要求1所述的外延片，其特征在于，还包括：

形成在所述Si晶圆和所述多个凸起结构之间的多孔结构层，其中，所述多孔结构层的顶部为平整表面。

5.如权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述多孔结构层包括Si_1-xC_x、Si或Si_yGe_1-y。

6.如权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一半导体材料薄层通过对所述多个凸起结构退火形成，其中，所述退火温度为1000-1350度，且在退火时气氛中含有氢气。

7.如权利要求6所述的外延片，其特征在于，在退火时还通入SiH₄、GeH₄、SiH₂Cl₂、SiHCl₃中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述所述氮化物系化合物半导体材料层为GaN、InGaN或AlGaN。

9.如权利要求1所述的外延片，其特征在于，还包括：

形成在所述第一半导体材料薄层和所述氮化物系化合物半导体材料层之间的过渡层。

10.一种外延片的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供Si晶圆；

在所述Si晶圆之上形成多个凸起结构，所述多个凸起结构之间间隔预定距离，且所述多个凸起结构呈阵列排列；

在所述多个凸起结构顶部形成第一半导体材料薄层，且所述第一半导体材料薄层中的一部分相对于所述Si晶圆悬空；和

在所述第一半导体材料薄层之上形成氮化物系化合物半导体材料层。

11.如权利要求10所述的外延片的形成方法，其特征在于，所述凸起结构从所述凸起结构的中部向顶部逐渐增大以使两个凸起结构顶部之间的间隙小于所述两个凸起结构中部之间的间隙。

12.如权利要求10所述的外延片的形成方法，其特征在于，所述凸起结构和所述第一半导体材料薄层包括Si_yGe_1-y。

13.如权利要求10所述的外延片的形成方法，其特征在于，还包括：

对所述Si衬底进行阳极氧化以在所述Si衬底表面形成多孔结构层；

对形成所述多孔结构层的Si衬底进行退火以在所述多孔结构层顶面形成平整表面。

14.如权利要求13所述的外延片的形成方法，其特征在于，所述多孔结构层包括Si_1-xC_x、Si或Si_yGe_1-y。

15.如权利要求10所述的外延片的形成方法，其特征在于，所述第一半导体材料薄层通过对所述多个凸起结构退火形成，其中，所述退火温度为800-1350度，且在退火时气氛中含有氢气。

16.如权利要求15所述的外延片的形成方法，其特征在于，在退火时还通入SiH₄、GeH₄、SiH₂Cl₂、SiHCl₃中的一种或多种。

17.如权利要求10所述的外延片的形成方法，其特征在于，所述所述氮化物系化合物半导体材料层为GaN、InGaN或AlGaN。

18.如权利要求10所述的外延片的形成方法，其特征在于，所述在Si晶圆之上形成多个凸起结构进一步包括：

在所述Si晶圆之上形成第一半导体材料层；

向所述第一半导体材料层之中注入Si或Ge离子以在所述第一半导体材料层之中形成离子注入层；和

对所述第一半导体材料层进行选择性刻蚀以形成所述多个凸起结构。

19.如权利要求18所述的外延片的形成方法，其特征在于，所述刻蚀为各向异性的湿法刻蚀。

20.如权利要求10所述的外延片的形成方法，其特征在于，还包括：

在所述第一半导体材料薄层和所述氮化物系化合物半导体材料层之间形成过渡层。