CN102978695A - 半导体器件外延生长的隐形结构衬底 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体器件外延生长的隐形结构衬底，解决目前存在的外延生长中应力场问题。本发明在Si、蓝宝石、SiC的III-V或者II-VI半导体器件衬底，对常规衬底进行定位定点地处理，对外延衬底或者外延结构层的物理化学性能进行处理和改善，使衬底的发生物理或者化学性能的改变，为衬底内部包含密度、晶格常数、晶相、热膨胀系数和杨氏模量中一种或一种以上任意组合的材料性能改变介质层所述的隐形结构衬底。通过本发明，隐形结构衬底为质异外延器件生长的应力场问题提供可行性的解决方案，为制备高质量和高性能半导体器件奠定基础。

Description

半导体器件外延生长的隐形结构衬底

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种用于半导体器件外延生长的新型衬底结构。

背景技术

近年来，以Si、蓝宝石、SiC为衬底的半导体器件研究备受科研工作者的关注，在部分领域取得重大突破及产业化的应用。例如以GaN、InGaN、AlGaN为主的III-V氮化物最为典型的例子，其连续可变的直接带隙，优异的物理化学性能，高饱和电子迁移率等特性，使其成为发光二极管，激光器，功率器件等光电子器件的优选材料。

然而，GaN的单晶制备条件要求高，产业化比较困难，与GaN外延生长相匹配的材料还没有找到。目前，GaN一般是以Si、蓝宝石、SiC为衬底的异质外延器件制备，但是GaN与这三种衬底存在着不同程度的晶格和热膨胀失配。例如，与Si的晶格和热胀失配分别为-16.96%和3.9%，与蓝宝石的分别为13.9%和8.5%等。如此大的晶格和热膨胀系数失配使GaN在外延器件过程中产生巨大的应力场，从而影响器件性能，例如LED的有源区的缺陷密度大，形成非辐射复合中心，降低内量子效率等。其次，应力场使器件出现弯曲或者断裂等不良的现象。因此，解决异质外延中生产的应力场成为提高GaN器件性能的关键问题。目前，很多生长技术用于异质或者同质外延生长过程产生应力场的释放。例如侧向外延生长，缓冲插入层，超晶格交替生长层，应力补偿层，掺杂生长和变条件生长等技术。这些生长技术在一定程度上减弱了应力场对器件等制备的影响。然而，这些技术的共同特征都是在生长过程中通过改变生长工艺参数（温度、时间、流量、压强等）进行调节应力场。这些传统应力调节的方法在某些领域的器件制备满足了产业应用的要求，但由于通过调节传统的应力调节只能部分释放应力，不能更有效或者完全地进行应力释放，在某些领域因无法完全消除应力场而满足不了应用或者高性能的制备要求。一些用于异质外延的应力释放的技术仍然处于探索过程。

发明内容

本发明的目地在于针对现有技术存在的不足，提供一种本发明目的是基于现有的应力释放调节技术基础上，突破传统工艺调节的思维，以全新的思路来解决目前存在的外延生长中应力场问题。

为达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种半导体器件外延生长的隐形结构衬底，在外延生长过程中，不同材料的晶格失配和热膨胀系数等会生产应力，其对外延生长产生不良的结果，为有效地释放应力，在Si、蓝宝石、SiC的III-V或者II-VI半导体器件衬底，借助激光、气氛退火或者化学湿法对外延衬底或者外延结构层的表面或者内部的物理化学性能进行定位定点处理和改善，使衬底的表面或者内部（距离衬底上表面500nm到距离衬底下表面500nm之间）发生物理或者化学性能的改变，包括热膨胀系数、化学键、晶格常数、晶相、杨氏模量形成性能改善的准介质层或者介质层，为衬底内部包含密度、晶格常数、晶相、热膨胀系数和杨氏模量中一种或一种以上任意组合的材料性能改变介质层，所述隐形结构衬底包括单层材料、多层复合材料衬底、周期性材料衬底、渐变衬底（热膨胀系数或者杨氏模量的渐变的Si、蓝宝石、SiC），其具有位错阻断、偏转、应力场释放与互补等效果；

利用激光、气氛退火或者化学湿法对衬底进行物理或者化学腐蚀，使其形成中空的准介质层，实现阻断或者缓冲应力场；

或利用激光、气氛退火或者化学湿法对衬底进行物理或者化学等方面的性能进行处理和改善，使其在材质等方面的性能发生改变，形成介质层，从而达到与应力释放所要求匹配的性能。

在其中一些实施例中，所述介质层为空气隙，隐形结构衬底中的空气隙准介质层性能根据外延层与衬底之间的实际性能进行设计和技术处理，空气隙的厚度、大小，材质的形状（三角形、梯形、矩形、正方形、多边形等）、热性能（热膨胀系数）和力学性能（杨氏模量）。

在其中一些实施例中，所述衬底中的材质性能改变包括介质层在衬底中的位置、层数和性能，介质层在衬底中的位置位于表面或者内部（距离衬底上表面500nm到距离衬底下表面500nm之间）、层数（1-20层可变）、厚度、热性能（热膨胀系数）和力学性能（杨氏模量）。

在其中一些实施例中，所述隐形结构衬底表面层存在空气隙准介质层，而且衬底内部也存在空气隙准介质层，所述隐形结构衬底的空气隙准介质层的位置处于衬底表面或者衬底内部，其准介质层的层数是单层或者多层（1-20层），排列可以是按规则或者准介质层的性能渐变（厚度、微观形状、热膨胀系数、杨氏模量等）的规则排列。

在其中一些实施例中，所述隐形结构衬底的空气隙准介质层中的空气隙的形状（三角形、梯形、矩形、正方形、多边形等）、大小、密度、厚度特征是可变的；

隐形结构衬底表面层存在空气隙，衬底内部存在周期性地空气隙准介质层，其周期性主要表现准介质层与本征衬底的规则相间排列。

在其中一些实施例中，所述衬底通过技术处理，改变衬底某一位置，其位置位于衬底表面或者内部（距离衬底上表面500nm到距离衬底下表面500nm之间），改变衬底该位置的密度、晶格系数，热膨胀系数、化学键的物理化学性能，从而形成另一种介质层，其各介质层的物理和化学等结构性能的具体参数是根据计算或者实际需要进行设计和技术处理（激光、气氛退火或者化学湿法），最终形成另一类隐形结构衬底。

在其中一些实施例中，直接在常规衬底上进行技术处理和改善，形成符合要求的隐形结构衬底，然后再进行器件制备应用

在其中一些实施例中，先在常规衬底上生长一层外延层，然后进行对外延复合衬底进行加技术处理和改善，从而形成隐形衬底结构，然后进行器件制备应用。

通过本发明，实现一种新型的隐形结构衬底，突破了传统通过调节常规工艺来释放应力场的思维。本发明的应用对象材料主要有Si、蓝宝石、SiC等III-V或者II-VI半导体化合物。隐形结构衬底为质异外延器件生长的应力场问题提供可行性的解决方案，为制备高质量和高性能半导体器件奠定基础。

附图说明

图1所示实施例的隐形结构衬底制备技术路线。

图2所示实施例的隐形结构衬底方案一。

图3所示实施例的隐形结构衬底方案二。

图4所示实施例的隐形结构衬底方案三。

图5所示实施例的隐形结构衬底方案四。

图6所示实施例的隐形结构衬底方案五。

图7所示实施例的隐形结构衬底方案六。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目地、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下通过实施例对本发明做进一步的阐述。

本发明实施例的效果图参见附图1、附图2，本发明的隐形结构衬底，衬底内部包含密度、晶格常数、晶相、热膨胀系数和杨氏模量中一种或一种以上任意组合的材料性能改变介质层。

隐形结构衬底中的介质层可以为空气隙；隐形结构衬底中的材质性能改变的介质层在衬底中的位置、层数和性能是可变的。隐形结构衬底的空气隙准介质层的位置可以处于衬底表面或者衬底内部。其类介质层的层数可以是单层或者多层，排列可以是按规则或者不规则的排列。隐形结构衬底的空气隙准介质层中的空气隙的形状、大小、密度、厚度等特征是可变的。隐形结构衬底中的材质性能改变的介质层的位置可以处于衬底表面或者衬底内部。其介质层的层数可以是单层或者多层，排列可以是按规则或者不规则的排列。

本发明提出借助某些技术对外延衬底或者外延结构层等物理化学等性能进行处理和改善，例如热膨胀系数、化学键、晶格常数、晶相、杨氏模量等，从而形成性能发生改变的介质层或者准介质层，进而形成隐形结构衬底，以满足应力场的释放要求，其方案示意图如图1所示。一种思路是直接在常规衬底上进行技术处理和改善，形成符合要求的隐形结构衬底，然后再进行器件制备应用。另一种思路是根据要求先在常规衬底上生长一层外延层，然后进行对外延复合衬底进行加技术处理和改善，从而形成隐形衬底结构，然后进行器件制备应用。

本发明所提供的隐形结构衬底以III-V或者II-VI的半导体化合物为对象。隐形结构衬底包含两方面的应力释放机理：一方面利用某些技术对衬底进行物理或者化学腐蚀，使其形成中空的准介质层，实现阻断或者缓冲应力场；另一方面利用某些技术对衬底进行物理或者化学等方面的性能进行处理和改善，使其在材质等方面的性能发生改变，形成介质层，从而达到与应力释放所要求匹配的性能。例如衬底的热膨胀系数、晶格常数、晶相、杨氏模量等。本发明的隐形结构衬底能有效地解决在各类衬底上进行半导体器件所遇到的应力场问题。

本发明示例一，如图2所示，镂空衬底表面层存在一层空气隙准介质层，由于类似悬空的接触，此结构可以有效地减少由于衬底与外延层的晶格失配或者热膨胀失配所产生的应力场对外延层的影响。这是由于外延层与衬底处于准接触状态，引入了准介质层，其改变了衬底的热胀系数等方面的热学性能，以达到与外延层匹配，这样可以缓冲由热应力场引起的衬底弯曲，从而达到释放应力的状态。隐形结构衬底中的空气隙准介质层性能可以根据外延层与衬底之间的实际性能进行设计和技术处理。例如空气隙的厚度、大小，材质的形状和热性能等。

本发明示例二，如图3所示，隐形结构衬底不仅表面层存在空气隙准介质层，而且衬底内部也存在空气隙准介质层，这样可以进一步改变衬底物理化学等方面性能，从而更好地实现衬底与外延层之间的各种性能的匹配。

本发明示例三，如图4所示，隐形结构衬底除了表面层存在空气隙，衬底内部存在周期性地空气隙准介质层，有利用于进一步改变衬底的热胀系数等方面的性能，从而更好地实现衬底的应力场释放和互补。发明中所提到的空气隙准介质层可以根据实际的需要利用不同形状、大小、厚度等参数的空气隙准介质层来满足应力场释放要求。

本发明示例四、五、六，与图5、图6、图7所示的结构思路相同，不同的是没有引入简单的空气隙准介质层，而是通过技术处理，改变衬底某一位置的物理化学性能，例如密度，晶格系数，热膨胀系数、化学键能等，从而形成另一种介质层，其各介质层的物理和化学等结构性能的具体参数是根据计算或者实际需要进行设计和技术处理，最终形成另一类隐形结构衬底，从而实现应力场的释放。性能改善的介质层结构以多种结构方式实现，如图6所示。

通过本发明，实现一种新型的隐形结构衬底，突破了传统通过调节常规工艺来释放应力场的思维。本发明的应用对象材料主要有Si、蓝宝石、SiC等III-V或者II-VI半导体化合物。隐形结构衬底为质异外延器件生长的应力场问题提供可行性的解决方案，为制备高质量和高性能半导体器件奠定基础。

本发明提供一种新型的隐形结构衬底。在外延生长过程中，不同材料的晶格失配和热膨胀系数等会生产应力，其对外延生长产生不良的结果。利用隐形结构衬底能够有效地释放应力，为制备高性能器件提供了必要的基础。本发明对象包括以Si、蓝宝石、SiC等常规半导体器件衬底，经过某种技术对常规衬底进行定位定点地处理，使衬底的某一位置发生物理或者化学等性能的改变，形成性能改善的准介质层或者介质层，例如热膨胀系数、化学键、晶格常数、晶相、杨氏模量等，最终形成符合要求的隐形结构衬底。所述的隐形结构衬底包括单层材料、多层复合材料衬底、周期性材料衬底、渐变衬底等，其具有位错阻断、偏转、应力场释放与互补等效果。本发明改变传统的调节外延工艺释放应力的思维，提供一种新型的外延应力释放思路，克服生长过程中由于应力过大而产生的不良影响，从而实现高质量高性能的半导体器件制备。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的技术，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种半导体器件外延生长的隐形结构衬底，在外延生长过程中，不同材料的晶格失配和热膨胀系数等会生产应力，其对外延生长产生不良的结果，为有效地释放应力，其特征在于，在Si、蓝宝石、SiC的III-V或者II-VI半导体器件衬底，借助激光、气氛退火或者化学湿法对外延衬底或者外延结构层的表面或者内部的物理化学性能进行定位定点处理和改善，使衬底的表面或者内部发生物理或者化学性能的改变，包括热膨胀系数、化学键、晶格常数、晶相、杨氏模量形成性能改善的准介质层或者介质层，衬底内部包含密度、晶格常数、晶相、热膨胀系数和杨氏模量中一种或一种以上组合的材料性能改变介质层，所述隐形结构衬底包括单层材料、多层复合材料衬底、周期性材料衬底、Si、蓝宝石、SiC的III-V或者II-VI杨氏模量渐变的衬底，其具有位错阻断、偏转、应力场释放与互补效果；

利用激光、气氛退火或者化学湿法对衬底进行物理或者化学腐蚀，使其形成中空的准介质层，实现阻断或者缓冲应力场；

或利用激光、气氛退火或者化学湿法对衬底进行物理或者化学等方面的性能进行处理和改善，使其在材质等方面的性能发生改变，形成介质层，从而达到与应力释放所要求匹配的性能。

2.根据权利要求1所述的半导体器件外延生长的隐形结构衬底，其特征在于，所述介质层为空气隙，隐形结构衬底中的空气隙准介质层性能根据外延层与衬底之间的实际性能进行设计和技术处理，包括空气隙的厚度、大小、材质的形状、热性能或力学性能；

所述空气隙的形状是三角形、梯形、矩形、正方形、多边形，所述空气隙的热性能是热膨胀系数，所述空气隙的力学性能是杨氏模量。

3.根据权利要求1所述的半导体器件外延生长的隐形结构衬底，其特征在于，所述衬底中的材质性能改变包括介质层在衬底中的位置、层数和性能，介质层在衬底中的位置位于表面；

或者介质层在衬底中的位置位于内部，距离衬底上表面500nm到距离衬底下表面500nm之间；

介质层的层数为1-20层，性能表现在热膨胀系数和杨氏模量的改变。

4.根据权利要求2所述的半导体器件外延生长的隐形结构衬底，其特征在于，所述隐形结构衬底的空气隙准介质层的位置处于衬底表面或者衬底内部，其准介质层的层数是单层或者多层，排列是按规则或者准介质层的性能渐变的规则排列；

隐形结构衬底表面层存在空气隙准介质层，而且衬底内部也存在空气隙准介质层。

5.根据权利要求2所述的半导体器件外延生长的隐形结构衬底，其特征在于，所述隐形结构衬底的空气隙准介质层中的空气隙的形状、大小、密度、厚度特征是可变的；

所述隐形结构衬底表面层存在空气隙，衬底内部存在周期性地空气隙准介质层，其周期性表现准介质层与本征衬底的规则相间排列。

6.根据权利要求1所述的半导体器件外延生长的隐形结构衬底，其特征在于，所述衬底通过技术处理，改变衬底某一位置，其位置位于衬底表面或者内部，改变衬底该位置的密度、晶格系数，热膨胀系数、化学键的物理化学性能，从而形成另一种介质层，最终形成另一类隐形结构衬底。

7.根据权利要求1所述的半导体器件外延生长的隐形结构衬底，其特征在于，所述衬底直接进行技术处理和改善，形成符合要求的隐形结构衬底，然后再进行器件制备应用。

8.根据权利要求1所述的半导体器件外延生长的隐形结构衬底，其特征在于，所述衬底先生长一层外延层，然后进行对外延复合衬底进行加技术处理和改善，从而形成隐形衬底结构，然后进行器件制备应用。

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