CN107346728A - 一种大尺寸硅衬底iii族氮化物外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，包括如下步骤：提供一硅衬底；将所述硅衬底放入反应腔体内，并使得所述硅衬底与水平面呈预设角度；所述预设角度大于0°；在所述硅衬底正反两面同时外延生长III族氮化物薄膜。本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法针对现有大尺寸硅衬底上GaN外延面临的巨大热膨胀系数失配的问题，提出一种内在应力平衡的双面外延的方法，可以实现任意大尺寸硅衬底上III族氮化物的高质量外延生长，无论在III族氮化物的外延过程还是降温过程，硅衬底能够始终保持平整，从而彻底解决了热失配及晶格失配引起的晶圆翘曲问题。而且，一次生长就可以获得两个面的材料，可以大幅提高生产效率。

Description

一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体领域，涉及一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法。
背景技术
相比于体硅材料，III族氮化物材料因其直接带隙、极大内建电场等特性，在光电、功率、射频、MEMS等领域有其独特优势。其中III指元素周期表中第III族中的至少一种元素。
III族氮化物材料的外延以GaN外延为基础。GaN外延主要以异质外延为主，异质衬底主要有蓝宝石、SiC、Si等。目前广泛使用的蓝光LED大部分都是以蓝宝石上GaN外延片制作而成。硅衬底相比蓝宝石衬底有尺寸大、散热好、价格便宜、可与传统硅电路集成等优势，是目前研究的重点。
但是，硅上GaN外延主要面临两个问题：一晶格失配，二热膨胀系数失配。晶格失配的问题可以通过AlN、AlGaN等缓冲层技术有效解决。所以，巨大的热失配是目前硅基GaN外延的主要问题。由于GaN外延温度超过1050摄氏度，因此，在外延结束的降温阶段，Si和GaN巨大的热失配会使得外延衬底剧烈翘曲(GaN的热膨胀系数比Si大56％，因此降温意味着剧烈收缩)。
目前，解决热失配问题的主要途径是预应变缓冲层技术，即通过巧妙设计缓冲层使晶格失配与热失配相互平衡，最终使得晶圆平整。但是，晶圆的翘曲程度随晶圆的尺寸增大剧烈增加，目前的预应变技术仅在6英寸以下晶圆有较好的效果。而且，预应变缓冲层结构复杂，不易掌握，也增加了外延过程的不稳定性。
因此，如何提供一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，以降低晶圆翘曲程度、提高外延层质量，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，用于解决现有技术中硅上GaN外延热失配严重，导致晶圆翘曲程度随晶圆尺寸增大而剧烈增加的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，包括如下步骤：
提供一硅衬底；
将所述硅衬底放入反应腔体内，并使得所述硅衬底与水平面呈预设角度；所述预设角度大于0°；
在所述硅衬底正反两面同时外延生长III族氮化物薄膜。
可选地，所述硅衬底为双面抛光硅片。
可选地，所述硅衬底采用(111)晶向硅。
可选地，外延生长过程中，所述硅衬底与水平面的夹角范围是75°-105°。
可选地，外延生长过程中，所述硅衬底与水平面的夹角为90°。
可选地，所述III族氮化物薄膜为单层或多层薄膜。
可选地，所述III族氮化物薄膜的厚度范围是5nm-100μm。
可选地，所述III族氮化物薄膜包括GaN层、AlN层、InN层、InGaN层及AlGaN层中的一种或多种。
可选地，所述硅衬底为6寸、8寸或12寸晶圆。
可选地，所述反应腔体为MOCVD反应腔体。
可选地，通过在所述反应腔体内通入包括Ⅲ族元素的有机化合物和N的氢化物的晶体生长源材料，以热分解反应方式在所述硅衬底上进行气相外延，生长得到所述III族氮化物薄膜。
如上所述，本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法针对现有大尺寸硅衬底上GaN外延面临的巨大热膨胀系数失配的问题，提出一种内在应力平衡的双面外延的方法，可以实现任意大尺寸硅衬底上III族氮化物的高质量外延生长，无论在III族氮化物的外延过程还是降温过程，硅衬底能够始终保持平整，从而彻底解决了热失配及晶格失配引起的晶圆翘曲问题。而且，一次生长就可以获得两个面的材料，可以大幅提高生产效率。
附图说明
图1显示为本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法的工艺流程图。
图2显示为本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法提供的硅衬底的结构示意图。
图3-图5显示为本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法将所述硅衬底放入反应腔体内，并使得所述硅衬底与水平面呈预设角度的示意图。
图6显示为本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法在所述硅衬底正反两面同时外延生长III族氮化物薄膜的示意图。
元件标号说明
S1～S3 步骤
1 硅衬底
2 反应腔体
301，302 III族氮化物薄膜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，包括如下步骤：
S1：提供一硅衬底；
S2：将所述硅衬底放入反应腔体内，并使得所述硅衬底与水平面呈预设角度；所述预设角度大于0°；
S3：在所述硅衬底正反两面同时外延生长III族氮化物薄膜。
首先请参阅图2，执行步骤S1：提供一硅衬底1。
由于III族氮化物晶体主要为六方晶格，一般仅能生长于六轴对称的Si(111)晶面，因此本实施例中，所述硅衬底1优选采用(111)晶向硅。
具体的，所述硅衬底1为双面抛光硅片。
硅加工中，多线切割、研磨等加工过程中，会在硅片表面形成损伤层，从而使得硅片表面有一定粗糙度。抛光就是在磨片基础上，通过化学机械研磨方式，进一步获得更光滑、平整的硅单晶表面的过程。
抛光可以去除硅片表面的损伤层，降低硅片表面的粗糙度，例如抛光前硅片表面粗糙度可达10-20微米，而抛光后硅片表面粗糙度可降至及时纳米。本步骤中采用双面抛光硅片可使得硅片正面及背面均有利于III族氮化物薄膜的生长。
此外，本发明中需要尽量保证所述硅衬底1正面及背面的均匀性一致。在理性状态下，硅片上、下表面之间，对应的测量点的垂直距离完全一致，且任意表面均与理想平面相平行；硅片表面晶格完整，所有非饱和的悬挂键位于表面的二维平面内；硅片无杂质污染，无各种晶体缺陷。硅片的平整度可采用以下两个参数来衡量：(1)总指示读数(TIR)：硅片抛光表现最高点和最低点只差，即峰谷差值；(2)焦平面偏差(FPD)：表面最高点和最低点二者中，偏离基准平面的最大值。
对于所述硅衬底1背面的抛光，可先采用化学腐蚀的方法将硅片背面进行化学剥离，以减薄损伤层，消除内应力，为抛光创造条件。所述化学腐蚀可包括酸性腐蚀和碱性腐蚀。
作为示例，所述硅衬底1可采用6寸、8寸或12寸晶圆。当然在其它实施例中，所述硅衬底1也可采用更小或更大尺寸的晶圆，此处不应过分限制本发明的保护范围。
然后请参阅图3至图5，执行步骤S2：将所述硅衬底1放入反应腔体2内，并使得所述硅衬底1与水平面呈预设角度；所述预设角度大于0°。
本步骤中将所述硅衬底1呈非水平放置的作用一方面是使所述硅衬底1正面及背面均能够与晶体生长源材料充分接触，以在所述硅衬底1正面及背面均能生长III族氮化物薄膜；另一方面是降低所述硅衬底1的重量对后续双面生长内在应力平衡的影响。
作为示例，所述硅衬底1与水平面的夹角范围是75°-105°。如图3所示，显示为所述硅衬底1与水平面的夹角为80°的示意图。如图4所示，显示为所述硅衬底1与水平面的夹角为110°的示意图。如图5所示，显示为所述硅衬底1与水平面的夹角为90°的示意图。
本实施例中，所述硅衬底1与水平面的夹角优选为在外延生长过程中保持为90°，从而完全消除了所述硅衬底1的重量对双面生长III族氮化物薄膜内在应力平衡的影响。
最后请参阅图6，执行步骤S3：在所述硅衬底1正反两面同时外延生长III族氮化物薄膜。
具体的，所述III族氮化物薄膜可以为单层或多层薄膜，包括但不限于GaN层、AlN层、InN层、InGaN层及AlGaN层中的一种或多种，且所述GaN层、AlN层、InN层、InGaN层及AlGaN层可根据应用的需要为P型掺杂层、N型掺杂层或非掺杂层，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，所述III族氮化物薄膜的厚度范围是5nm-100μm。
作为示例，所述反应腔体选用MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)生长设备，具体生长过程包括：
以Ⅲ族元素的有机化合物和N的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在所述硅衬底1的正面及反面进行气相外延，生长各种Ⅲ族氮化物以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
至此，通过本发明的方法实现了大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长，无论在III族氮化物外延过程中还是降温过程中，所述硅衬底1能够始终保持平整，彻底解决了热失配及晶格失配引起的晶圆翘曲问题。而且，一次生长就可以获得两个面的材料，可以大幅提高生产效率。
本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法避免衬底由于热失配翘曲的原理如下：由于正反两面III族氮化物与Si的失配同时存在，只要两个面的生长均匀性相差不大，正反两面的无伦晶格失配还是热失配都大小相等，方向相反。因此可以相互抵消，达到整体平衡。所以硅衬底在整个外延阶段都是平整的，不会产生任何翘曲。
本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法的优势在于：由于外延结构对称性，无伦衬底大到8寸甚至12寸，衬底始终保持平整。而且，一次生长就可以获得两个面的材料，相当于生产效率提高了一倍。
综上所述，本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法针对现有大尺寸硅衬底上GaN外延面临的巨大热膨胀系数失配的问题，提出一种内在应力平衡的双面外延的方法，可以实现任意大尺寸硅衬底上III族氮化物的高质量外延生长，无论在III族氮化物的外延过程还是降温过程，硅衬底能够始终保持平整，从而彻底解决了热失配及晶格失配引起的晶圆翘曲问题。而且，一次生长就可以获得两个面的材料，可以大幅提高生产效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一硅衬底；
将所述硅衬底放入反应腔体内，并使得所述硅衬底与水平面呈预设角度；所述预设角度大于0°；
在所述硅衬底正反两面同时外延生长III族氮化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：所述硅衬底为双面抛光硅片。
3.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：所述硅衬底采用(111)晶向硅。
4.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：外延生长过程中，所述硅衬底与水平面的夹角范围是75°-105°。
5.根据权利要求4所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：外延生长过程中，所述硅衬底与水平面的夹角为90°。
6.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：所述III族氮化物薄膜为单层或多层薄膜。
7.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：所述III族氮化物薄膜的厚度范围是5nm-100μm。
8.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：所述III族氮化物薄膜包括GaN层、AlN层、InN层、InGaN层及AlGaN层中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：所述硅衬底为6寸、8寸或12寸晶圆。
10.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：所述反应腔体为MOCVD反应腔体。
11.根据权利要求1所述的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，其特征在于：通过在所述反应腔体内通入包括Ⅲ族元素的有机化合物和N的氢化物的晶体生长源材料，以热分解反应方式在所述硅衬底上进行气相外延，生长得到所述III族氮化物薄膜。
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