CN117238748A - 半导体器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：在衬底上形成氮化物外延厚膜，其表面粗糙且具有孔洞；沉积填充层，填充层填充氮化物外延厚膜表面的孔洞；平坦化处理以使填充层与氮化物外延厚膜表面持平；形成二维材料层；形成成核层，成核层为不连续的膜层；去除未被成核层覆盖的二维材料层以显露氮化物外延厚膜；在成核层和氮化物外延厚膜上外延生长器件外延层。本发明通过在在氮化物外延厚膜的孔洞内沉积填充层使其平坦，通过二维材料层提高晶格匹配度，并在孔洞处形成成核层，从而可在孔洞处形成与孔洞外晶体取向一致的器件外延层，提升晶体取向的面内及面外均匀性，实现在有缺陷的氮化物外延厚膜上进行无缺陷的外延生长的工艺方法。
Description
技术领域
本发属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种半导体器件的制作方法。
背景技术
在当前第三代半导体电子功率器件中，一般使用的衬底有包括硅、碳化硅及氮化镓等。硅衬底具有大的尺寸，例如8英寸或以上，但由于与氮化镓晶格失配大，在硅衬底上制备的上器件的耐压能力较低；碳化硅衬底具有高热导，尺寸可达4英寸，在碳化硅衬底可制成全碳化硅的MOS器件(MOSFET)或外延氮化镓(GaN)并制成射频器件，适应于大功率器件，但其价格较为昂贵；氮化镓衬底仅能量产2英寸产品，并且价格极其昂贵。
现有的一种替代方案是使用氮化镓厚膜，其厚度远小于同面积的衬底，且远大与同面积无支撑能力的薄膜。例如，4英寸氮化镓单晶衬底厚度一般为500μm以上，薄膜一般为10μm以下，而氮化镓厚膜的厚度为100μm左右。
通常氮化镓厚膜通过氢化物外延工艺(HVPE)在蓝宝石衬底上外延获得。但由于此种外延一般以三维生长模式纵向生长，故厚膜的表面并不平整，如图1所示，且生长腔中不可避免存在的灰尘使得厚膜中存在尺寸不一的孔洞，如图2所示。由于表面不平整及孔洞的缺陷，会导致后续的器件外延层难以在具有恶劣表面形貌的厚膜上进行生长。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
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半导体器件的制作方法，用于解决现有技术中氮化镓厚膜表面缺陷而导致器件外延难以生长的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半导体器件的制作方法，所述制作方法包括：1)提供一衬底；2)在所述衬底上形成氮化物外延厚膜，所述氮化物外延厚膜的表面粗糙且具有孔洞；3)在所述氮化物外延厚膜上沉积填充层，所述填充层填充所述氮化物外延厚膜表面的孔洞；4)对所述氮化物外延厚膜及填充层进行平坦化处理，以去除所述氮化物外延厚膜表面的粗糙并使所述孔洞内的所述填充层与所述氮化物外延厚膜表面持平；5)在所述氮化物外延厚膜及填充层上形成二维材料层；6)在所述二维材料层上形成成核层，所述成核层为不连续的膜层；7)刻蚀去除未被所述成核层覆盖的二维材料层以显露所述氮化物外延厚膜；8)在所述成核层和所述氮化物外延厚膜上外延生长器件外延层，基于所述器件外延层制备半导体器件。
可选地，所述衬底包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上具有氮化物模板层。
可选地，所述衬底包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上具有氮化铝缓冲层。
可选地，所述氮化物外延厚膜的厚度为50～200微米。
可选地，通过等离子体增强化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺在所述氮化物外延厚膜上沉积填充层，所述填充层的材料包括氧化硅和氮化硅中的一种。
可选地，步骤4)还包括：在平坦化之前或之后去除所述衬底。
可选地，所述二维材料层与所述氮化物外延厚膜的晶格失配度小于3％。
可选地，所述二维材料层包括石墨烯层，步骤5)通过转移工艺将石墨烯层从基底上转移至所述氮化物外延厚膜和填充层上，并通过调整转移时石墨烯层的角度使所述石墨烯层的原子排列与所述氮化物外延厚膜的原子排列匹配。
可选地，所述成核层的材料包括氮化铝，所述器件外延层的材料包括氮化物。
可选地，步骤6)通过溅射工艺在所述二维材料层上形成氮化铝成核层，通过控制溅射的时间，将所述氮化铝成核层的形貌控制为不连续的膜层。
可选地，所述成核层覆盖所述孔洞内的填充层的部分区域或全部区域。
如上所述，本发明的半导体器件的制作方法，具有以下有益效果：
本发明通过在在氮化物外延厚膜的孔洞内沉积填充层使其平坦，通过二维材料层提高晶格匹配度，并在孔洞处形成成核层，从而可在孔洞处形成与孔洞外晶体取向一致的器件外延层，提升晶体取向的面内及面外均匀性，实现在有缺陷的氮化物外延厚膜上进行无缺陷的外延生长的工艺方法。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1显示为通过氢化物外延工艺(HVPE)在蓝宝石衬底以三维生长模式纵向生长的外延层的扫描电镜图，其表面粗糙不平整。
图2显示为通过氢化物外延工艺(HVPE)在蓝宝石衬底生长的外延层的扫描电镜图，由于生长腔中不可避免存在的灰尘使得厚膜中存在尺寸不一的孔洞。
图3～图12显示为本发明实施例的半导体器件的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
10 衬底
11 氮化物外延厚膜
111 粗糙
112 孔洞
12 填充层
13 二维材料层
14 成核层
15 器件外延层
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。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所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。
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，遂图示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。
如图3～图12所示，本实施例提供一种半导体器件的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
如图3所示，首先进行步骤1)，提供一衬底10。
在一个实施例中，所述衬底10包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上具有氮化物模板层(未予图示)，所述氮化物模板层可以提高后续在其表面生长的氮化物外延厚膜11的生长质量。所述氮化物模板层例如可以为氮化镓模板层。
在另一个实施例中，所述衬底10也可以包括蓝宝石衬底及其上的氮化铝缓冲层(未予图示)，所述氮化铝缓冲层通过溅镀法制得。
如图4所示，然后进行步骤2)，在所述衬底10上形成氮化物外延厚膜11，所述氮化物外延厚膜11的表面粗糙111且具有孔洞112。
在一个实施例中，采用氢化物外延工艺(HVPE)在所述衬底10上形成氮化物外延厚膜11，所述氮化物外延厚膜11例如可以为氮化镓外延厚膜。由于氮化物外延厚膜11是以三维生长模式纵向生长，且生长腔中不可避免存在的灰尘，使得所述氮化物外延厚膜11表面粗糙111且具有孔洞112，所述孔洞112可以为圆孔、六边形孔或其它不规则形状的孔洞。
在一个实施例中，所述氮化物外延厚膜11的厚度为50～200微米。在一个具体示例中，所述氮化物外延厚膜11的厚度为100微米。
如图5所示，然后进行步骤3)，在所述氮化物外延厚膜11上沉积填充层12，所述填充层12填充所述氮化物外延厚膜11表面的孔洞112。
在一个实施例中，通过等离子体增强化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺在所述氮化物外延厚膜11上沉积填充层12，所述填充层12的材料包括氧化硅和氮化硅中的一种。在一个具体示例中，对于孔洞112较大的情况，可以通过等离子体增强化学气相沉积工艺在所述氮化物外延厚膜11上沉积填充层12，以提高填充效率；而对于孔洞112较小且形貌较为复杂的情况，可以通过原子层沉积工艺在所述氮化物外延厚膜11上沉积填充层12，以提高填充能力。
如图6所示，然后进行步骤4)，对所述氮化物外延厚膜11及填充层12进行平坦化处理，以去除所述氮化物外延厚膜11表面的粗糙111并使所述孔洞112内的所述填充层12与所述氮化物外延厚膜11表面持平。
在一个实施例中，可以通过化学机械抛光工艺(CMP)对所述氮化物外延厚膜11及填充层12进行平坦化处理，以去除所述氮化物外延厚膜11表面的粗糙111并使所述孔洞112内的所述填充层12与所述氮化物外延厚膜11表面持平。
在一个实施例中，步骤4)还包括：在平坦化之前或之后去除所述衬底10。例如，可以通过激光剥离工艺等去除所述衬底10，如图7所示。优选地，可以在平坦化之后去除所述衬底10，以在平坦化时为所述氮化物外延厚膜11及填充层12提供良好的支撑，避免氮化物外延厚膜11碎裂。
如图8所示，然后进行步骤5)，在所述氮化物外延厚膜11及填充层12上形成二维材料层13。
在一个实施例中，所述二维材料层13与所述氮化物外延厚膜11的晶格失配度小于3％。
在一个具体示例中，所述二维材料层13包括石墨烯层，步骤5)通过转移工艺将石墨烯层从基底上转移至所述氮化物外延厚膜11和填充层12上，并通过调整转移时石墨烯层的角度使所述石墨烯层的原子排列与所述氮化物外延厚膜11的原子排列匹配，如图9所示。具体地，可以依据所述氮化物外延厚膜11和所述石墨烯的晶向排布，将所述石墨烯转动至与所述氮化物外延厚膜11晶格最匹配的角度，以提高所述石墨烯层与所述氮化物外延厚膜11的晶格匹配度。
在一个具体示例中，所述石墨烯层为单层石墨烯层，或不超过10层的多层石墨烯层。
如图10所示，然后进行步骤6)，在所述二维材料层13上形成成核层14，所述成核层14为不连续的膜层。
在一个实施例中，步骤6)通过溅射工艺在所述二维材料层13上形成氮化铝成核层14，通过控制溅射的时间，将所述氮化铝成核层14的形貌控制为不连续的膜层。
在一个实施例中，所述成核层14覆盖所述孔洞112内的填充层12的部分区域或全部区域，如图10所示。
由于二维材料层的作用，氮化铝成核层14虽为不连续的膜层，但各不连续的部分，包括位于填充层12之上的，其晶体取向匹配于所述氮化物外延厚膜11的取向，且基本一致，例如，晶体取向一致率为99.9％以上、或99.99％以上、或99.999％以上。
如图11所示，然后进行步骤7)，刻蚀去除未被所述成核层14覆盖的二维材料层13以显露所述氮化物外延厚膜11。
在一个实施例中，直接以所述成核层14作为掩膜，对所述二维材料层13进行刻蚀，如干法刻蚀等，以将未被所述成核层14覆盖的二维材料层13去除。
如图12所示，最后进行步骤8)，在所述成核层14和所述氮化物外延厚膜11上外延生长器件外延层15，基于所述器件外延层15制备半导体器件。
在一个实施例中，所述成核层14的材料包括氮化铝，所述器件外延层15的材料包括氮化物，如氮化镓、氮化铝、氮化铟、氮化铝镓、氮化铟镓、氮化铝铟、氮化铝铟镓等。
例如，可以通过氢化物外延工艺(HVPE)或金属有机化学气相沉积工艺(MOCVD)在所述成核层14和所述氮化物外延厚膜11上外延生长器件外延层15。在生长的过程中，器件外延层15一方面在所述氮化物外延厚膜11表面向上生长，另一方面同时会在成核层14向上和侧向生长，由于孔洞112处具有成核层14，进而使得在孔洞112处形成与孔洞112外晶体取向一致的器件外延层15，提升晶体取向的面内及面外均匀性，实现在有缺陷的氮化物外延厚膜11上进行无缺陷的外延生长。
在一个实施例中，基于所述器件外延层15制备半导体器件，该半导体器件可以为高迁移率晶体管(High electron mobility transistor，HEMT)、发光二极管(Lightemitting diode，LED)、激光二极管(Laser diode，LD)等任意半导体器件。
如上所述，本发明的半导体器件的制作方法，具有以下有益效果：
本发明通过在在氮化物外延厚膜11的孔洞112内沉积填充层12使其平坦，通过二维材料层13提高晶格匹配度，并在孔洞112处形成成核层14，从而可在孔洞112处形成与孔洞112外晶体取向一致的器件外延层15，提升晶体取向的面内及面外均匀性，实现在有缺陷的氮化物外延厚膜11上进行无缺陷的外延生长的工艺方法。
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 (10)
1.一种半导体器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
1)提供一衬底；
2)在所述衬底上形成氮化物外延厚膜，所述氮化物外延厚膜的表面粗糙且具有孔洞；
3)在所述氮化物外延厚膜上沉积填充层，所述填充层填充所述氮化物外延厚膜表面的孔洞；
4)对所述氮化物外延厚膜及填充层进行平坦化处理，以去除所述氮化物外延厚膜表面的粗糙并使所述孔洞内的所述填充层与所述氮化物外延厚膜表面持平；
5)在所述氮化物外延厚膜及填充层上形成二维材料层；
6)在所述二维材料层上形成成核层，所述成核层为不连续的膜层；
7)刻蚀去除未被所述成核层覆盖的二维材料层以显露所述氮化物外延厚膜；
8)在所述成核层和所述氮化物外延厚膜上外延生长器件外延层，基于所述器件外延层制备半导体器件。
2.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述衬底包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底上具有氮化物模板层。
3.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述氮化物外延厚膜的厚度为50～200微米。
4.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：通过等离子体增强化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺在所述氮化物外延厚膜上沉积填充层，所述填充层的材料包括氧化硅和氮化硅中的一种。
5.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：步骤4)还包括：在平坦化之前或之后去除所述衬底。
6.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述二维材料层与所述氮化物外延厚膜的晶格失配度小于3％。
7.根据权利要求6所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述二维材料层包括石墨烯层，步骤5)通过转移工艺将石墨烯层从基底上转移至所述氮化物外延厚膜和填充层上，并通过调整转移时石墨烯层的角度使所述石墨烯层的原子排列与所述氮化物外延厚膜的原子排列匹配。
8.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述成核层的材料包括氮化铝，所述器件外延层的材料包括氮化物。
9.根据权利要求8所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：步骤6)通过溅射工艺在所述二维材料层上形成氮化铝成核层，通过控制溅射的时间，将所述氮化铝成核层的形貌控制为不连续的膜层。
10.根据权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述成核层覆盖所述孔洞内的填充层的部分区域或全部区域。
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2023
- 2023-06-29 CN CN202310788121.6A patent/CN117238748A/zh active Pending
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