CN117888204A - 多孔结构及单晶衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多孔结构及单晶衬底的制备方法，包括：在衬底上形成本征氮化物层、本征含铟氮化物层；在本征含铟氮化物层上生长氮化物叠层，包括交替的n‑氮化物层和u‑氮化物层；将上述所得结构浸入蚀刻溶液中进行电化学腐蚀，在氮化物叠层中形成第一孔洞；进行加热退火，使本征含铟氮化物层的铟组分分解并析出，以在本征含铟氮化物层中形成第二孔洞。本发明形成的多孔结构可以有效降低氮化物叠层和本征含铟氮化物层中的应力，避免氮化物叠层和本征含铟氮化物层翘曲或破裂的问题。本发明在氮化物叠层和本征含铟氮化物层均形成有孔洞，可以进一步提高GaN单晶层的应力释放，大大降低GaN单晶层的应力，以获得厚度更大应力更低的GaN单晶层。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种多孔结构及单晶衬底的制备方法。
背景技术
以氮化镓(GaN)及其合金为代表的第三代半导体材料是近十几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，它具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、导热性能好、结构稳定等诸多优异性能，在光电子和微电子技术领域都具有巨大的应用前景。光电子领域中，由于III族氮化物的禁带宽度在0.7-6.2eV范围内连续可调，覆盖了从红光到紫外的波段，可制作绿色、蓝色乃至紫外波段发光器件以及白光照明。此外，最近兴起的紫外光LED在丝网印刷、聚合物固化、环境保护也显示了特殊的用途，极大的激发了研究人员的研究兴趣。GaN激光器在信息存储领域也大有作为，还可应用在医疗诊断、海底探潜和通讯等各个方面。
当前，GaN一般异质外延于蓝宝石、碳化硅或硅衬底上。由于晶格失配和热失配，异质外延的GaN氮化镓内部存在较大的应力，使得外延层翘曲，降低了外延层的晶体质量，并限制外延层的厚度。
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多孔结构及单晶衬底的制备方法，用于解决现有技术中GaN外延单晶内应力较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多孔结构的制备方法，所述制备方法包括：提供一衬底；在所述衬底上形成本征氮化物层；在所述征氮化物层上形成本征含铟氮化物层；在所述本征含铟氮化物层上生长氮化物叠层，所述氮化物叠层包括交替的n-氮化物层和u-氮化物层，且所述氮化物叠层的最上层为u-氮化物层；将上述所得结构浸入蚀刻溶液中进行电化学腐蚀，在所述氮化物叠层中形成第一孔洞；将上述所得结构进行加热退火，使所述本征含铟氮化物层分解并析出铟，以在所述本征含铟氮化物层中形成第二孔洞。
可选地，所述衬底包括蓝宝石衬底，所述本征氮化物层包括非故意掺杂的u-GaN层，所述本征含铟氮化物层包括非故意掺杂的u-InGaN层。
可选地，所述n-氮化物层包括Si掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，所述u-氮化物层包括非故意掺杂的InaAlbGa1-a-bN层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤a≤1，0≤b≤1，0＜1-x-y≤1，0＜1-a-b≤1，所述氮化物叠层中，所述n-氮化物层与所述u-氮化物层的叠层次序为n-氮化物层/u-氮化物层或u-氮化物层/n-氮化物层，且所述氮化物叠层的最上层为u-氮化物层。
可选地，所述刻蚀溶液包括酸性溶液，所述酸性溶液包括草酸。
本发明还提供一种单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括：如上任意一项方案所述的多孔结构的制备方法制作多孔结构；在所述多孔结构上形成GaN单晶厚膜；去除所述衬底；进行研磨抛光，以去除所述本征氮化物层、所述本征含铟氮化物层和所述氮化物叠层。
可选地，通过氢化物气相外延工艺在所述多孔结构上形成GaN单晶厚膜，所述GaN单晶厚膜的厚度为300微米以上。
可选地，通过激光剥离方法去除所述衬底，其中，所述激光剥离的分离面为所述本征氮化物层或所述本征含铟氮化物层。
本发明还提供一种单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括：如上任意一项方案所述的多孔结构的制备方法制作多孔结构；在所述多孔结构上形成第一GaN单晶层；去除所述衬底；在所述第一GaN单晶层上形成第二GaN单晶层；进行研磨抛光，以去除所述本征氮化物层、所述本征含铟氮化物层和所述氮化物叠层。
可选地，通过氢化物气相外延工艺在所述多孔结构上形成所述第一GaN单晶层和所述第二GaN单晶层，所述第一GaN单晶层的厚度为100微米～200微米，所述第二GaN单晶层的厚度为300微米以上。
可选地，通过激光剥离方法去除所述衬底，其中，所述激光剥离的分离面为所述本征氮化物层或所述本征含铟氮化物层。
如上所述，本发明的多孔结构及单晶衬底的制备方法，具有以下有益效果：
本发明一方面在本征含铟氮化物层上生长氮化物叠层，其包括交替的n-氮化物层和u-氮化物层，后续可通过刻蚀溶液进行电化学腐蚀，在氮化物叠层中形成第一孔洞；另一方面，本发明通过形成本征含铟氮化物层，在后续通过退火使含铟氮化物分解并析出铟，进而在本征含铟氮化物层中形成第二孔洞，同时，具有第一孔洞的氮化物叠层，可吸收含本征铟氮化物层在分解时的体积变化，防止薄膜起皮或破洞，本发明形成的多孔结构可以有效降低氮化物叠层和本征含铟氮化物层中的应力，降低氮化物叠层和本征含铟氮化物层翘曲或破裂的问题。
本发明通过在多孔结构的氮化物叠层和本征含铟氮化物层上外延生长GaN单晶层，由于氮化物叠层和本征含铟氮化物层的内应力较低，且在外延过程中可通过多孔结构进一步释放GaN单晶层的应力，从而可形成应力驰豫且厚度较大的GaN单晶层。本发明在氮化物叠层和本征含铟氮化物层均形成有孔洞，可以进一步提高GaN单晶层的应力释放，从而进一步降低GaN单晶层的应力，以获得厚度更大应力更低的GaN单晶层。
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～图6显示为本发明实施例1的多孔结构的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
图7～图9显示为本发明实施例2的单晶衬底的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
图10～图13显示为本发明实施例3的单晶衬底的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101 衬底
102 本征氮化物层
103 本征含铟氮化物层
104 氮化物叠层
1041 n-氮化物层
1042 u-氮化物层
105 第一孔洞
106 第二孔洞
107 第一GaN单晶层
108 第二GaN单晶层
201 GaN单晶厚膜
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。
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。
实施例1
如图1～图6所示，本实施例提供一种多孔结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
如图1～图3所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101；在所述衬底上形成本征氮化物层102；在所述征氮化物层上形成本征含铟氮化物层103；
在一个实施例中，所述衬底101可以为蓝宝石衬底。所述本征氮化物层102包括非故意掺杂的u-GaN层，所述本征含铟氮化物层103包括非故意掺杂的u-InGaN层。
在一个实施例中，可以通过氢化物气相外延或金属有机化学气相沉积工艺在所述衬底上形成本征氮化物层102。然后通过金属有机化学气相沉积工艺在所述本征氮化物层102上形成本征含铟氮化物层103。
如图4所示，然后进行步骤2)，在所述本征含铟氮化物层103上生长氮化物叠层104，所述氮化物叠层104包括交替的n-氮化物层1041和u-氮化物层1042，且所述氮化物叠层104的最上层为u-氮化物层1042。
在一个实施例中，可以通过如金属有机化学气相沉积工艺等在所述本征含铟氮化物层103上生长氮化物叠层104，所述氮化物叠层104可以为交替的n-氮化物层1041和u-氮化物层1042所形成的超晶格结构。
在一个实施例中，所述n-氮化物层1041包括Si掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，厚度为10-300nm，所述u-氮化物层1042包括非故意掺杂的InaAlbGa1-a-bN层，厚度为10-300nm，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤a≤1，0≤b≤1，0＜1-x-y≤1，0＜1-a-b≤1，所述氮化物叠层104中，所述n-氮化物层1041与所述u-氮化物层1042的堆叠次序为n-氮化物层1041/u-氮化物层1042或u-氮化物层1042/n-氮化物层1041，且所述氮化物叠层104的最上层为u-氮化物层1042。
如图5所示，最后进行步骤3)，将上述所得结构浸入蚀刻溶液中进行电化学腐蚀，在所述氮化物叠层104中形成第一孔洞105。通常来说，所述第一孔洞105形成在氮化物叠层104的/n-氮化物层1041中，如图5所示。
在一个实施例中，所述刻蚀溶液包括酸性溶液，所述酸性溶液包括草酸。所述刻蚀溶液可以选用其他适于电化学腐蚀的溶液，并不限于此处所列举的示例。
如图6所示，最后进行步骤4)，将上述所得结构进行加热退火，使所述本征含铟氮化物层103分解并析出铟，以在所述本征含铟氮化物层103中形成第二孔洞106。例如，可以通过调控升温速度和幅度，利用升温退火，使本征含铟氮化物层103分解和析出铟进而在所述本征含铟氮化物层103中形成第二孔洞106。上述具有第一孔洞的氮化物叠层，可吸收本征含铟氮化物层103在分解时的体积变化，防止薄膜起皮和破洞。
实施例2
如图1～图6和图7～图10所示，本发明还提供一种单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括：
首先，如图1～图6所示，通过如实施例1的多孔结构的制备方法制作多孔结构。
然后，如图7所示，在所述多孔结构上形成第一GaN单晶层107。
在一个实施例中，可以通过氢化物气相外延工艺在所述多孔结构上形成所述第一GaN单晶层107，所述第一GaN单晶层107的厚度为100微米～200微米，该厚度的第一GaN单晶层107一方面有一定的自支撑能力，另一方面，该厚度积累的应力较低。
然后，如图8所示，去除所述衬底101。
在一个实施例中，可以通过激光剥离方法去除所述衬底101，其中，所述激光剥离的分离面可以为所述本征氮化物层102或所述本征含铟氮化物层103。当剥离面为本征含铟氮化物层103时，可以采用波长较长的激光进行剥离，从而有效降低剥离成本。
然后，如图9所示，在所述第一GaN单晶层107上形成第二GaN单晶层108。
在一个实施例中，可以通过氢化物气相外延工艺在所述多孔结构上形成所述第二GaN单晶层108，所述第二GaN单晶层108的厚度优选为大于所述第一GaN单晶层107的厚度，所述第二GaN单晶层108的厚度为300微米以上，以获得厚度较大的GaN单晶层。本实施例先生长一定厚度的第一GaN单晶层107，在去除衬底101后，再生长较大厚度的第二GaN单晶层108，从而可以有效提高最终获得的GaN单晶层的质量。
最后，如图10所示，进行研磨抛光，如采用化学机械抛光工艺(CMP)进行研磨抛光，以去除所述本征氮化物层102、所述本征含铟氮化物层103和所述氮化物叠层104。本实施例的本征含铟氮化物层103和氮化物叠层104中具有孔洞，可以有效提高研磨抛光的去除效率。
实施例3
如如图1～图6和图11～图13所示，本实施例提供一种单晶衬底的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
首先，如图1～图6所示，通过如实施例1的多孔结构的制备方法制作多孔结构。
然后，如图11所示，在所述多孔结构上形成GaN单晶厚膜201；
在一个实施例中，可以通过氢化物气相外延工艺在所述多孔结构上形成GaN单晶厚膜201，所述GaN单晶厚膜201的厚度为300微米以上。本发明通过在多孔结构的氮化物叠层104上外延生长GaN单晶厚膜201，由于氮化物叠层104和本征含铟氮化物层103的内应力较低，且在外延过程中可通过多孔结构进一步释放GaN单晶厚膜201的应力，从而可形成应力驰豫且厚度较大的GaN单晶厚膜201。本发明仅需一步外延形成GaN单晶厚膜201，可以有效节省工艺步骤和成本。本发明在氮化物叠层104和本征含铟氮化物层103均形成孔洞，可以进一步提高GaN单晶厚膜201的应力释放，从而进一步降低GaN单晶厚膜201的应力，以获得厚度更大应力更低的GaN单晶厚膜201。
然后，如图12所示，去除所述衬底101。
在一个实施例中，可以通过激光剥离方法去除所述衬底101，其中，所述激光剥离的分离面可以为所述本征氮化物层102或所述本征含铟氮化物层103。当剥离面为本征含铟氮化物层103时，可以采用波长较长的激光进行剥离，从而有效降低剥离成本。
最后，如图13所示，进行研磨抛光，如采用化学机械抛光工艺(CMP)进行研磨抛光，以去除所述本征氮化物层102、所述本征含铟氮化物层103和所述氮化物叠层104，获得厚度较大的GaN单晶层。本实施例的本征含铟氮化物层103和氮化物叠层104中具有孔洞，可以有效提高研磨抛光的去除效率。
如上所述，本发明的多孔结构及单晶衬底的制备方法，具有以下有益效果：
本发明一方面在本征含铟氮化物层上生长氮化物叠层，其包括交替的n-氮化物层和u-氮化物层，后续可通过刻蚀溶液进行电化学腐蚀，在氮化物叠层中形成第一孔洞；另一方面，本发明通过形成本征含铟氮化物层，在后续通过退火使本征含铟氮化物分解并析出铟，在本征含铟氮化物层中形成第二孔洞，同时，具有第一孔洞的氮化物叠层，可吸收含本征铟氮化物层在分解时的体积变化，防止薄膜起皮或破洞，本发明形成的多孔结构可以有效降低氮化物叠层和本征含铟氮化物层中的应力，避免氮化物叠层和本征含铟氮化物层翘曲或破裂的问题。
本发明通过在多孔结构的氮化物叠层和本征含铟氮化物层上外延生长GaN单晶层，由于氮化物叠层和本征含铟氮化物层的内应力较低，且在外延过程中可通过多孔结构进一步释放GaN单晶层的应力，从而可形成应力驰豫且厚度较大的GaN单晶层。本发明在氮化物叠层和本征含铟氮化物层均形成有孔洞，可以进一步提高GaN单晶层的应力释放，从而进一步降低GaN单晶层的应力，以获得厚度更大应力更低的GaN单晶层。
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)
1.一种多孔结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成本征氮化物层；
在所述征氮化物层上形成本征含铟氮化物层；
在所述本征含铟氮化物层上生长氮化物叠层，所述氮化物叠层包括交替的n-氮化物层和u-氮化物层，且所述氮化物叠层的最上层为u-氮化物层；
将上述所得结构浸入蚀刻溶液中进行电化学腐蚀，在所述氮化物叠层中形成第一孔洞；
将上述所得结构进行加热退火，使所述本征含铟氮化物层分解并析出铟，以在所述本征含铟氮化物层中形成第二孔洞。
2.根据权利要求1所述的多孔结构的制备方法，其特征在于：所述衬底包括蓝宝石衬底，所述本征氮化物层包括非故意掺杂的u-GaN层，所述本征含铟氮化物层包括非故意掺杂的u-InGaN层。
3.根据权利要求1所述的多孔结构的制备方法，其特征在于：所述n-氮化物层包括Si掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，所述u-氮化物层包括非故意掺杂的InaAlbGa1-a-bN层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤a≤1，0≤b≤1，0＜1-x-y≤1，0＜1-a-b≤1，所述氮化物叠层中，所述n-氮化物层与所述u-氮化物层的叠层次序为n-氮化物层/u-氮化物层或u-氮化物层/n-氮化物层，且所述氮化物叠层的最上层为u-氮化物层。
4.根据权利要求1所述的多孔结构的制备方法，其特征在于：所述刻蚀溶液包括酸性溶液，所述酸性溶液包括草酸。
5.一种单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
如权利要求1～4任意一项所述的多孔结构的制备方法制作多孔结构；
在所述多孔结构上形成GaN单晶厚膜；
去除所述衬底；
进行研磨抛光，以去除所述本征氮化物层、所述本征含铟氮化物层和所述氮化物叠层。
6.根据权利要求5所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：通过氢化物气相外延工艺在所述多孔结构上形成GaN单晶厚膜，所述GaN单晶厚膜的厚度为300微米以上。
7.根据权利要求5所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：通过激光剥离方法去除所述衬底，其中，所述激光剥离的分离面为所述本征氮化物层或所述本征含铟氮化物层。
8.一种单晶衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
如权利要求1～4任意一项所述的多孔结构的制备方法制作多孔结构；
在所述多孔结构上形成第一GaN单晶层；
去除所述衬底；
在所述第一GaN单晶层上形成第二GaN单晶层；
进行研磨抛光，以去除所述本征氮化物层、所述本征含铟氮化物层和所述氮化物叠层。
9.根据权利要求8所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：通过氢化物气相外延工艺在所述多孔结构上形成所述第一GaN单晶层和所述第二GaN单晶层，所述第一GaN单晶层的厚度为100微米～200微米，所述第二GaN单晶层的厚度为300微米以上。
10.根据权利要求8所述的单晶衬底的制备方法，其特征在于：通过激光剥离方法去除所述衬底，其中，所述激光剥离的分离面为所述本征氮化物层或所述本征含铟氮化物层。
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