CN103682016A - 一种GaN外延或衬底的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN外延或衬底的制作方法,包括以下步骤:1)在硅衬底上生长缓冲层;2)光刻胶涂布和曝光,在缓冲层上形成定义图形;3)以光刻胶为掩模,刻蚀缓冲层和硅衬底,使硅衬底内部形成多个孔洞;4)去除光刻胶;5)热氧化硅衬底的孔洞内表面,使其被氧化硅覆盖;6)GaN外延生长。该方法可以有效的缓解GaN应力,防止GaN龟裂以及GaN晶格缺陷。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造工艺,具体涉及一种GaN外延或衬底的制作方法。
背景技术
GaN(氮化镓)属于宽禁带半导体材料,它具有优异的物理和化学性质,如禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高及抗辐照性能强、热导率和介电常数大,化学特性稳定等,特别适合制作高压、高温、高频、高功率、强辐照环境下使用的半导体器件。具体而言,GaN的禁带宽度比Si(硅)材料大,本征载流子浓度比Si低,由此决定了GaN基器件的极限工作温度比Si基器件高。从热稳定性方面考虑,Ⅲ-Ⅴ族化合物的键能比Si材料大,在高温下有更高的稳定性。但是,目前GaN单晶生长较为困难,难以获得高质量、大尺寸、低成本的GaN单晶。GaN难以在Si衬底上生长主要有两个方面,第一是晶格失配,二者的失配度大概是17%;二是热膨胀系数的差异也很大,导致GaN和Si之间的应力很大,GaN很容易龟裂。晶格适配通常是通过增加缓冲层来解决,而热膨胀系数到目前为止还没有很好的解决方法。
中国发明专利申请公布说明书(CN101514484,公开日:2009年8月26日)公开了用多孔的衬底生长GaN外延,可以有效的防止GaN的应力,防止GaN龟裂,但其方法很复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种GaN外延或GaN衬底的制作方法,以防止GaN晶格缺陷或龟裂。
为解决上述技术问题,本发明提供一种GaN外延的制作方法,包括以下步骤:
1)在硅衬底上生长缓冲层;
2)光刻胶涂布和曝光,在缓冲层上形成定义图形;
3)以光刻胶为掩模,刻蚀缓冲层和硅衬底,使硅衬底内部形成多个孔洞;
4)去除光刻胶;
5)热氧化硅衬底的孔洞内表面,使其被氧化硅覆盖;
6)GaN外延生长。
步骤1)中,所述缓冲层为AlN,Al2O3,GaN,AlAs,GaAs中的至少一种。所述缓冲层可以采用MOCVD或ALD方法生长,所述缓冲层的厚度为10-200nm。
步骤2)中,所述在缓冲层上形成定义图形为多个圆形区域,各个圆形区域的半径为0.01-100微米,间距为0.1-100微米。
步骤3)中,所述孔洞的表面为圆形,半径为0.01-100微米,各孔洞的间距为0.1-100微米,孔洞的深度为0.1-10微米。优选的,所述孔洞的表面为圆形,半径为3微米,各孔洞的间距为5微米,孔洞的深度为5微米。
步骤5)中,所述热氧化的温度为500-1200℃,压力为0.01-760Torr;所述氧化硅的厚度为10-500nm。
步骤6)中,GaN只在缓冲层上生长,在硅衬底孔洞内表面因有氧化硅覆盖,不生长GaN。所述GaN外延生长可以采用MOCVD的方法,在700-1300℃下,以H2为载气通入三甲基镓和NH3,形成10nm-500μm厚度的GaN。
此外,本发明还提供一种GaN衬底的制作方法,包括上述的步骤1)-步骤6),且在步骤6)之后增加如下步骤:采用湿法刻蚀或背面减薄的方法去除硅衬底,以形成GaN衬底。
和现有技术相比,本发明具有以下有益效果:本发明通过在硅衬底内部的孔洞表面覆盖一层氧化硅,氮化镓外延生长时,不会在硅衬底内部的孔洞内生长氮化镓,而只在缓冲层上生长氮化镓。由于硅衬底内有大量孔洞,故可以释放GaN的应力(有效缓解GaN应力),从而减少或防止GaN晶格缺陷和龟裂。本发明方法的工艺步骤简单,制造成本低,可操作性强。
附图说明
图1是本发明方法的步骤1完成后的剖面示意图;
图2是本发明方法的步骤2完成后的剖面示意图;
图3是本发明方法的步骤3完成后的剖面示意图;
图4是本发明方法的步骤4完成后的剖面示意图;
图5是本发明方法的步骤5完成后的剖面示意图。
图6是本发明方法的步骤6完成后的剖面示意图。
图7为图2的俯视图。
图中附图标记说明如下:
10是硅衬底,11是缓冲层,12是光刻胶,13是孔洞,14是氮化硅,15是氮化镓,A是圆形区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图6所示,本发明的一种GaN外延的制作方法,主要包括如下步骤:
1.在硅衬底10上生长缓冲层11,缓冲层11为AlN,Al2O3,GaN,AlAs,GaAs中的至少一种(见图1)。缓冲层11可以采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,金属有机化合物化学气相沉淀),ALD(原子层淀积)等方式生长,缓冲层11的厚度为10-200nm。
2.光刻胶12涂布和曝光,在缓冲层11上形成定义图形:多个圆形区域A,各个圆形区域A的半径为0.01-100微米(在本实施例中,优选为3微米),间距为0.1-100微米(在本实施例中,优选为5微米)(见图2,图7)。
3.以光刻胶12为掩模,采用干法刻蚀缓冲层11和硅衬底10,使硅衬底10内部形成数目众多的孔洞13,孔洞13的表面为圆形,半径在0.01-100微米,各孔洞之间的间距为0.1-100微米,孔洞13的深度在0.1-10微米。本实施例中,孔洞13的半径为3微米,各孔洞之间的间距为5微米,孔洞13的深度为5微米(见图3)。
4.采用本领域常规工艺方法去除光刻胶12(见图4)。
5.热氧化硅衬底10,是在硅衬底10内部的孔洞13表面覆盖一层氧化硅14(见图5)。热氧化的温度为500-1200℃,压力为0.01-760Torr,厚度为10-500nm。
6.GaN硅外延生长。氮化镓15只在缓冲层11上生长,因孔洞13内表面有氧化硅14覆盖,不会生长氮化镓,以形成只在缓冲层11上生长的GaN外延(见图6)。由于硅衬底内有大量孔洞,故可以释放GaN的应力(有效缓解GaN应力),从而减少或防止GaN晶格缺陷和龟裂。GaN可以采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)的方式生长,在700-1300℃下,以H2为载气通入三甲基镓和NH3,形成10nm-500μm厚度的GaN。
此外,作为本发明的延伸,本发明还提供一种GaN衬底的制作方法,即在上述步骤6之后增加如下步骤:可以采用湿法刻蚀或背面减薄等方法去除硅衬底10,以形成GaN衬底。
Claims (10)
1.一种GaN外延的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)在硅衬底上生长缓冲层;
2)光刻胶涂布和曝光,在缓冲层上形成定义图形;
3)以光刻胶为掩模,刻蚀缓冲层和硅衬底,使硅衬底内部形成多个孔洞;
4)去除光刻胶;
5)热氧化硅衬底的孔洞内表面,使其被氧化硅覆盖;
6)GaN外延生长。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)中,所述缓冲层为AlN,Al2O3,GaN,AlAs,GaAs中的至少一种。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,步骤1)中,所述缓冲层采用MOCVD或ALD方法生长,所述缓冲层的厚度为10-200nm。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤2)中,所述在缓冲层上形成定义图形为多个圆形区域,各个圆形区域的半径为0.01-100微米,间距为0.1-100微米。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3)中,所述孔洞的表面为圆形,半径为0.01-100微米,各孔洞的间距为0.1-100微米,孔洞的深度为0.1-10微米。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤3)中,所述孔洞的表面为圆形,半径为3微米,各孔洞的间距为5微米,孔洞的深度为5微米。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤5)中,所述热氧化的温度为500-1200℃,压力为0.01-760Torr;所述氧化硅的厚度为10-500nm。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤6)中,GaN只在缓冲层上生长,在硅衬底孔洞内表面因有氧化硅覆盖,不生长GaN。
9.如权利要求1或8所述的方法,其特征在于,步骤6)中,所述GaN外延生长采用MOCVD的方法,在700-1300℃下,以H2为载气通入三甲基镓和NH3,形成10nm-500μm厚度的GaN。
10.一种GaN衬底的制作方法,其特征在于,包括权利要求1所述的步骤1)-步骤6),且在步骤6)之后增加如下步骤:采用湿法刻蚀或背面减薄的方法去除硅衬底,以形成GaN衬底。
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