CN103021814A - 一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，包括选用初始单晶碳化硅晶圆与衬底材料；通过注氢智能剥离方法在初始单晶碳化硅晶圆中注入离子形成一层气泡层；将初始单晶碳化硅晶圆与衬底材料进行表面处理后，清洗表面并旋转甩干，之后对初始单晶碳化硅晶圆与衬底材料进行等离子辅助键合；将键合形成的材料进行高温退火，初始单晶碳化硅晶圆的气泡层会聚集并使初始单晶碳化硅晶圆发生蹦离，得到单晶碳化硅复合衬底材料。本发明提出的氮化镓基半导体材料的制备方法，既可以使氮化镓基材料的外延获得高质量的碳化硅单晶衬底，又可以有效降低衬底材料的成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料的制备技术，尤其涉及一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法。
背景技术
由In-Al-Ga-N构成的氮化镓(GaN)基四元合金体系宽禁带半导体材料已经成为半导体照明、高密度光存储、高电压大功率新型半导体器件的重要材料基础。由GaN基材料制成的半导体器件，例如高亮度蓝光/白光发光二极管(LED)，蓝光/紫光激光二极管，紫外探测器，高迁移率晶体管，高功率晶体管，高电压晶体管等已获得较为广泛的应用。
由于GaN材料无法获得体生长的单晶材料，目前其材料的制备均以外延材料为主，外延衬底主要为单晶蓝宝石(α-Al2O3)、单晶硅(111Si)、单晶碳化硅(SiC)等，外延技术主要为金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。蓝宝石优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟；不足方面也很多，如很大的晶格失配(16％)目前采用过渡层生长技术来克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片来克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。除了蓝宝石衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。所以在高功率器件的应用方面SiC衬底比Al2O3衬底更具有优势。但是高质量的SiC单晶材料的制备也是难点，目前国际上能提供商用的高品质的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司，价格是相同尺寸Al2O3衬底的几倍甚至十几倍。
法国SOITEC公司提出的氢离子注入与键合的注氢智能剥离技术(Smart-cut)在绝缘体上硅(SOI)材料制备中获得了广泛的应用。他们也将这种技术转移到了GaN基材料衬底的制备中，专门针对高功率GaN器件的应用。其方法如图1所示，需要一块标准厚度的单晶硅片(111晶向)，作为初始硅片4，需要一片由多晶SiC制备的衬底晶圆5。在初始硅片4上用CVD方法在其表面形成一层硅的氧化物沉淀(SiO2)6，在氧化层附近注入氢离子(H+)，清洗已有氧化层和氢离子的硅片，将其与之衬底晶圆5键合，形成绝缘体上硅材料7。随后进行高温退火，氢离子蹦离的操作(蹦离下来的初始硅片可以反复使用)得到多晶SiC衬底的SOI晶片，再次退火，抛光即可得到用于GaN材料外延使用的衬底。此方法采用多晶SiC做为衬底材料，可以有效地降低成本，但又可以利用SiC材料本身良好的导热性。GaN材料外延在由Sart-cut方法剥离下来的单晶Si衬底上，以获得好的外延材料质量。但是GaN与Si仍然存在18％的晶格失配，GaN的热膨胀系数约为5.6*10-6/K，Si的热膨胀系数约为2.6*10-6/K，存在很大的热失配，这对于大功率器件也是很不利的。
发明内容
本发明克服了现有技术中晶格失配较高或者成本过高的缺陷，提出了一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法。本发明提出的氮化镓基半导体材料的制备方法，既可以使氮化镓基材料的外延获得高质量的碳化硅单晶衬底，又可以有效降低衬底材料的成本。
本发明提出了一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，包括：
步骤一：选用初始单晶碳化硅晶圆与衬底材料；
步骤二：通过注氢智能剥离方法在所述初始单晶碳化硅晶圆中注入离子形成一层气泡层；
步骤三：将所述初始单晶碳化硅晶圆与所述衬底材料进行表面处理后，清洗表面并旋转甩干，之后对所述初始单晶碳化硅晶圆与衬底材料进行等离子辅助键合；
步骤四：将所述键合形成的材料进行高温退火，所述初始单晶碳化硅晶圆的气泡层会聚集并使初始单晶碳化硅晶圆发生蹦离，得到所述单晶碳化硅复合衬底材料。
其中，所述初始单晶碳化硅晶圆为4H或6H相的直径1～6英寸单晶碳化硅，厚度为0.1～0.8mm。
其中，所述衬底材料为直径1～6英寸的单晶硅或多晶硅晶圆，或由氮化物/氧化物陶瓷粉末烧结而成的圆盘，厚度为0.2mm～1mm。
其中，所述步骤二中注氢智能剥离方法注入的离子包括氢离子、氦离子或者二者共注，以及硼离子和氢离子共注，注入能量为5keV-1000keV，注入剂量为1E15-1E18cm-2，注入温度为室温。
其中，所述步骤四中高温退火的温度为300-800℃。
其中，所述步骤四中的单晶碳化硅复合衬底材料的碳化硅的厚度为1～50um。
其中，进一步包括步骤五：将所述单晶碳化硅复合衬底材料与所述剩余的初始单晶碳化硅晶圆进行表面抛光处理，抛光后的所述单晶碳化硅复合衬底材料用于作为GaN基材料的外延，所述剩余的初始单晶碳化硅晶圆继续用于下一次智能剥离操作。
其中，所述氮化物陶瓷粉末包含氮化硼，氮化铝；所述氧化物陶瓷粉末包括三氧化二铝。
本发明所使用的初始单晶碳化硅晶圆具有与氮化镓晶格失配小，热膨胀系数接近，热导率高的优点，非常适合做氮化镓基材料外延的衬底。本发明提出的对碳化硅单晶注氢智能剥离方法，可以对初始单晶碳化硅晶圆有效地反复利用，可以极大地降低碳化硅做为氮化镓外延衬底材料的成本。本发明提出的单晶碳化硅复合衬底材料结构中除氧化物陶瓷做为衬底的结构外不存在任何导热不好的氧化层材料，非常有利于氮化镓基大功率器件的散热。对于氮化镓基高频器件的应用，本发明中所述的衬底材料也可以是三氧化二铝陶瓷粉末烧结的圆盘。与单纯的蓝宝石单晶衬底相比，即可获得三氧化二铝材料在高频领域的优势(信号泄漏小)，又有碳化硅单晶衬底的优点，且成本低廉。本发明可以获得与氮化镓晶格失配只有3.5％，热膨胀系数4.6*10-6/K，热导率约为500W/m·K的单晶碳化硅复合衬底。本发明既充分利用了碳化硅做为氮化镓基材料外延衬底的优越性，又可以有效降低碳化硅单晶衬底的成本。因为对单晶碳化硅初始晶圆可以被智能切割至少10次，在成本方面已经可以与蓝宝石相当甚至更低，在大功率器件方面的优势是蓝宝石无法实现的。
附图说明
图1是现有技术中注氢智能剥离技术制备绝缘体上硅的示意图。
图2是本发明氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法的流程图。
图3是本发明制备单晶碳化硅复合衬底材料的示意图。
图4是本发明制备的单晶碳化硅复合衬底材料应用于外延GaN基高压器件的示意图。
图5是本发明制备的单晶碳化硅复合衬底材料上用MOCVD制备的多量子阱LED芯片结构的示意图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
如图1-5，1-初始单晶碳化硅晶圆，2-衬底材料，3-单晶碳化硅复合衬底材料，4-初始硅片，5-衬底晶圆，6-氧化物沉淀，7-绝缘体上硅材料，11-氮化镓基高压晶体管材料结构，12-氮化镓基高压晶体管的漏极，13-氮化镓基高压晶体管的栅极，14-氮化镓基高压晶体管的源极，15-漏极衬底隔离槽，16-典型的多量子阱LED芯片结构。
本发明的氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，如图2所示，包括：
步骤一：选用初始单晶碳化硅(SiC)晶圆1与衬底材料2；初始单晶碳化硅晶圆1为4H或6H相的直径1～6英寸单晶碳化硅，厚度为0.1～0.8mm。衬底材料2为直径1～6英寸的单晶硅或多晶硅晶圆，或由氮化物/氧化物陶瓷粉末烧结而成的圆盘，厚度为0.2mm～1mm。氮化物陶瓷粉末包含氮化硼，氮化铝；氧化物陶瓷粉末包括三氧化二铝。
步骤二：注氢智能剥离方法的离子注入，注入为氢离子、氦离子或者二者共注，也可以是硼离子和氢离子共注；注入能量为5keV-1000keV，注入剂量为1E15-1E18cm-2，注入温度为室温，注入的离子在初始SiC晶圆内形成一层气泡层；
步骤三：将初始单晶碳化硅晶圆1与衬底材料2用氮或者氧低温等离子体进行表面处理，处理后用去离子水清洗表面并旋转甩干，之后对初始单晶碳化硅晶圆1与衬底材料2进行等离子辅助键合；
步骤四：将键合形成的材料进行高温退火，初始单晶碳化硅晶圆1的气泡层会聚集并使初始单晶碳化硅晶圆1发生蹦离，得到单晶碳化硅复合衬底材料3。
本发明中，步骤四中高温退火的温度为300-800℃。
本发明中，步骤四中的单晶碳化硅复合衬底材料3的碳化硅的厚度为1～50um。
本发明中，进一步包括步骤五：将单晶碳化硅复合衬底材料3与剩余的初始单晶碳化硅晶圆1进行表面抛光处理，抛光后的单晶碳化硅复合衬底材料3用于作为氮化镓(GaN)基材料的外延，所述剩余的初始单晶碳化硅晶圆继续用于下一次智能剥离操作。
实施例：
本实施例中制备氮化镓基半导体材料外延复合衬底的过程包括以下步骤，如图3所示：
步骤一：选用初始SiC晶圆1与衬底材料2。初始SiC晶圆1为4H或6H相的直径1～6英寸单晶SiC，厚度为0.1～0.8mm。衬底材料2为直径1～6英寸的单晶Si或多晶Si晶圆，或由氮化物/氧化物陶瓷粉粉末烧结而成的圆盘，厚度为0.2mm～1mm。
步骤二：注氢智能剥离方法的离子注入，注入为氢离子、氦离子或者二者共注，也可以是B离子和氢离子共注；注入能量为5keV-1000keV，注入剂量为1E15-1E18cm-2，注入温度为室温，注入的离子在初始SiC晶圆1内形成一层气泡层。
步骤三：将注入氢离子的初始SiC晶圆1与衬底材料2用氮或者氧低温等离子体进行表面处理，处理后，用去离子水清洗表面并旋转甩干，之后进行等离子辅助键合。
步骤四：将键合形成的材料进行高温退火，高温退火的温度为300-800℃。离子注入的气泡层会聚集并可使SiC发生蹦离，得到单晶SiC复合衬底材料3。
步骤五：将单晶SiC复合衬底材料3与剩余的初始SiC晶圆1进行表面抛光处理，抛光后的单晶SiC复合衬底材料3可用于GaN基材料的外延。
其中，氮化物陶瓷粉末包含BN，AlN等，氧化物陶瓷粉末包括Al2O3等。
其中，单晶SiC复合衬底材料3中单晶SiC的厚度为1～50um。
本发明提出的单晶SiC复合衬底材料3用于外延GaN基LED芯片，步骤五中对单晶SiC复合衬底材料3的抛光也可以省略。因为在LED照明应用中，往往会在外延GaN材料之前对衬底材料进行图形化处理，以便提高最终LED芯片发光的发散性和均匀性。不进行衬底的抛光反倒有利于这种应用。如图5所示，可以在单晶SiC复合衬底材料3上面用MOCVD制备典型的多量子阱LED芯片结构，衬底3表面的图形有利于提高其出光效率。
本发明制备的单晶SiC复合衬底材料3用于外延GaN基高压器件，SiC下面的衬底材料2将使用单晶Si或多晶Si晶圆，以便于进行双面的光刻和图形转移。如图4所示，本发明制备的单晶SiC复合衬底材料3上设置有GaN基高压晶体管材料结构11、GaN基高压晶体管的漏极12、GaN基高压晶体管的栅极13、GaN基高压晶体管的源极14以及漏极衬底隔离槽15。对于高电压的应用，SiC和Si的耐压都没有GaN好，因此为了减小器件的漏电流，提高器件耐压，可以在器件的漏端做一个隔离槽。因此对于这种应用使用单晶或多晶Si衬底的单晶SiC复合衬底材料，更有利于衬底图形的光刻刻蚀。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (8)
1.一种氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一：选用初始单晶碳化硅晶圆(1)与衬底材料(2)；
步骤二：通过注氢智能剥离方法在所述初始单晶碳化硅晶圆(1)中注入离子形成一层气泡层；
步骤三：将所述初始单晶碳化硅晶圆(1)与所述衬底材料(2)进行表面处理后，清洗表面并旋转甩干，之后对所述初始单晶碳化硅晶圆(1)与衬底材料(2)进行等离子辅助键合；
步骤四：将所述键合形成的材料进行高温退火，所述初始单晶碳化硅晶圆(1)的气泡层会聚集并使初始单晶碳化硅晶圆(1)发生蹦离，得到所述单晶碳化硅复合衬底材料(3)。
2.如权利要求1所述的氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，其特征在于，所述初始单晶碳化硅晶圆(1)为4H或6H相的直径1～6英寸单晶碳化硅，厚度为0.1～0.8mm。
3.如权利要求1所述的氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，其特征在于，所述衬底材料(2)为直径1～6英寸的单晶硅或多晶硅晶圆，或由氮化物/氧化物陶瓷粉末烧结而成的圆盘，厚度为0.2mm～1mm。
4.如权利要求1所述的氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤二中注氢智能剥离方法注入的离子包括氢离子、氦离子或者二者共注，以及硼离子和氢离子共注，注入能量为5keV-1000keV，注入剂量为1E15-1E18cm-2，注入温度为室温。
5.如权利要求1所述的氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤四中高温退火的温度为300-800℃。
6.如权利要求1所述的氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤四中的单晶碳化硅复合衬底材料(3)的碳化硅的厚度为1～50um。
7.如权利要求1所述的氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，其特征在于，进一步包括步骤五：将所述单晶碳化硅复合衬底材料(3)与所述剩余的初始单晶碳化硅晶圆(1)进行表面抛光处理，抛光后的所述单晶碳化硅复合衬底材料(3)用于作为GaN基材料的外延，所述剩余的初始单晶碳化硅晶圆(1)继续用于下一次智能剥离操作。
8.如权利要求3所述的氮化镓基半导体材料外延复合衬底的制备方法，其特征在于，所述氮化物陶瓷粉末包含氮化硼，氮化铝；所述氧化物陶瓷粉末包括三氧化二铝。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130403 |