CN204216065U - 一种制作氮化物外延层、自支撑衬底与器件的晶圆结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种制作氮化物外延层、自支撑衬底与器件的晶圆结构，包括：初始衬底、设在初始衬底表面的氧化物牺牲层和设在氧化物牺牲层表面的氮化物外延层。本新型提供的晶圆结构新颖，采用的牺牲层材料为即具有类纤锌矿晶体结构的氧化物，所选用的氧化物易于在化学溶液中分解，实现湿法刻蚀，为制作氮化物外延层、自支撑衬底或器件晶圆过程中所需的衬底剥离、衬底转移和晶圆键合等工艺技术提供了有利条件，同时也保证了氮化物外延材料具有较高的晶体质量。

Description

一种制作氮化物外延层、自支撑衬底与器件的晶圆结构

技术领域

本实用新型涉及一种制作氮化物外延层、自支撑衬底与器件的晶圆结构，属于化合物半导体领域。

背景技术

当前，以具有纤锌矿晶体结构的氮化物(Al_xIn_yGa_1-x-yN,0≤x,y≤1；x+y≤1)为代表的第三代化合物半导体产品正进入高速发展的阶段：器件种类不断丰富，性能不断提高，应用领域不断扩大，市场价值不断攀升。相比传统的硅、砷化物等半导体材料，在高温、高功率、高频率、抗辐射和高能量转换效率的应用场合，有着无可比拟的优势。这些应用场合包括半导体照明、信息显示、电力生产与输送、新能源汽车、航空航天、雷达、通讯等。使用氮化物制造的半导体器件可大致分为两大类：光电晶件和电子器件。具体地，光电器件包括：发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光电探测器(PD)和太阳能电池等；电子器件包括：肖特基二极管(SD)、高速电子迁移晶体管(HEMT)、金属氧化物场效应管(MOSFET)、异质节双极晶体管(HBT)、微电子机械系统(MEMS)等。

制造氮化物器件晶圆，即晶圆级的光电或电子器件，首先要选择合适的初始衬底，如蓝宝石、硅、碳化硅等异质衬底，或者如氮化镓、氮化铝同质衬底。然后使用氮化物外延生长方法在衬底上进行氮化物材料的外延层生长与器件晶圆生长，此后进行器件晶圆加工，得到分离的半导体器件单元。常见的外延生长方法包括：有机金属化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)、射频磁控溅射(RF-MS)等。

目前，选择同质衬底进行外延生长得到的氮化物薄膜材料晶体质量较高，相应的器件性能与可靠性也较高。但是，同质衬底的成本要高出异质衬底很多。

这主要是由于加工同质衬底的成本高、良率和产能较低造成的。以GaN自支撑衬底为例，目前主要采用HVPE方法在蓝宝石衬底上生长厚膜(300-500μm)来实现。HVPE生长系统的产能不高，同时还需要采用激光剥离或自剥离等方法实现GaN厚膜和蓝宝石衬底的分离，而剥离工艺一直是掣肘良率的瓶颈问题。

因此，可以看到，如果在制造GaN自支撑衬底的工艺中，采用某种材料的牺牲层置于蓝宝石和GaN厚薄之间，便可提高剥离良率，降低GaN衬底的成本。当然，该牺牲层材料的加入不应破坏GaN外延厚膜的晶体质量，同时易于在化学溶剂中溶解，通过湿法刻蚀方便实现化学剥离。

不仅如此，当采用同质衬底制作氮化物外延层、氮化物器件晶圆时，如果能同样地在同质衬底和外延材料之间插入一层牺牲层，既保证外延材料的晶体质量，又能方便地实现化学剥离，那么就能实现同质衬底的循环使用，这样将大大降低氮化物外延层、氮化物器件晶圆的成本。

另一方面，实现氮化物外延层与初始衬底的分离也是氮化物晶圆器件晶圆的需要。因为，衬底剥离、衬底转移技术是氮化物器件晶圆的制造、加工过程中的常用手段，同时也与器件晶圆的结构设计、性能表现密不可分。

以氮化物光电器件LED为例，目前业界多采用在蓝宝石衬底上进行氮化物外延生长，通常制作的器件结构为正装芯片结构。这种芯片结构的p、n电极都从器件的上方引出，由于n型氮化物在底层，所以需要使用干法刻蚀制作台阶露出n型层。这种结构不仅增加了光照和刻蚀工艺的次数，增加了成本，而且由于工作电流是水平传输的，对于电流密度较大的情形，会出现“电流拥挤效应”的问题，给器件的性能表现和可靠性带来负面影响。

因此，垂直结构的LED器件是一个很好的选择。然而，蓝宝石却无法通过掺杂实现导电。所以，实现垂直结构LED要求蓝宝石衬底能够被剥离、去掉。目前，大多采用激光剥离的方法实现氮化物LED器件与衬底的分离，与制作GaN衬底的情况相同，采用激光剥离方法存在可操作性差、良率低、设备昂贵的问题。倘若能在氮化物LED器件与衬底之间插入一层过渡的中间层，即牺牲层，便可简化剥离过程，降低成本。

上述牺牲层的设计对于电子器件的制作也是很有意义的。比如HEMT器件，目前采用SiC或Si衬底作为初始衬底的情况较多，一般而言，在SiC衬底上进行氮化物外延层或器件生长的晶体质量高，器件性能更好；而在Si衬底上的成本低，但晶体质量和性能相对较差。当然，如果选用GaN同质衬底，HEMT器件的性能可能会更加优异。因此，如果在初始衬底和外延层之间插入牺牲层，则可以通过衬底剥离、衬底键合与衬底转移技术使成本较高的SiC、GaN衬底可以循环使用，降低成本，而同时保证较高的器件性能。类似地，在制作MEMS器件时，也会经常使用到衬底剥离、键合和转移工艺技术，此处不再详细举例。

欧洲专利申请号为EP1930486A1的发明专利公开了一种采用金属氮化物为牺牲层来制作半导体衬底的方法。该方法在使用HVPE、MOCVD、MBE等生长技术制作GaN等衬底时，通过插入一层或多层Fe₂N、CrN、MoN、TaN、NbN、TiN、CuN等金属氮化物作为剥离层或牺牲层，来实现衬底的化学剥离。

据文献Applied Physics Letters 91,071120(2007)报道，D.J.Rogers等人采用ZnO薄膜材料作为牺牲层插入在蓝宝石衬底和GaN外延层之间，成功地生长了具有较高晶体质量的GaN外延层，同时实现了外延层与蓝宝石衬底间的化学剥离。由于ZnO和GaN均为纤锌矿结构，并具有较小的晶格常数(1.8％)和热膨胀系数的差异，因此在ZnO薄膜上外延生长GaN具有较高的晶体质量。此外，ZnO易于在酸、碱溶解中腐蚀、分解，因而可以实现有效的化学剥离。

美国专利申请号为2009/0075481A1的发明专利公开了一种采用ZnO或Mg_xZn_1-xO(0<x≤1)作为缓冲层和剥离层来进行氮化物衬底制备的方法。在使用MOCVD或HVPE生长完氮化物衬底后，通过酸溶液对ZnO或Mg_xZn_1-xO(0<x≤1)的湿法刻蚀实现氮化物衬底与初始衬底的分离。

法国专利申请号为FR2978601A1的发明专利公开了一种在GaN衬底上生长ZnO或CrN或SiO₂或Ga₂O₃薄膜作为牺牲层制作氮化物外延层、氮化物衬底和氮化物LED器件的方法。其中，牺牲层通过MOCVD或PLD方法制备；而对于剥离工艺完成后较薄的氮化物LED器件晶圆，则通过Ge或Si或Cu等导电衬底实现承接。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种制作氮化物外延层、自支撑衬底与器件的晶圆结构。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种制作氮化物外延层、自支撑衬底与器件的晶圆结构，其特征在于，包括：初始衬底、设在初始衬底表面的氧化物牺牲层和设在氧化物牺牲层表面的氮化物外延层。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述氧化物牺牲层的材质为单晶材料LiGaO₂、LiAlO₂、NaAlO₂、NaGaO₂、AgGaO₂、Li₂SiO₃、Li₂GeO₃、Na₂SiO₃、Na₂GeO₃、Li₃PO₄、Li₃AsO₄、Li₃VO₄、ScAlMgO₄中的至少一种，或两种以上单晶材料的固溶体中的至少一种。

进一步，所述氧化物牺牲层由LiAlO₂单晶薄膜和LiGaO₂单晶薄膜组成，所述LiAlO₂单晶薄膜设在初始衬底的表面，所述LiGaO₂单晶薄膜设在LiAlO₂单晶薄膜的表面；

所述氮化物外延层由AlN缓冲层和GaN厚膜层组成，所述AlN缓冲层设在LiGaO₂单晶薄膜的表面，所述GaN厚膜层设在AlN缓冲层的表面。

进一步，所述氮化物外延层从下至上依次由n-Al_0.3Ga_0.7N缓冲层、n-GaN电子注入层、InGaN/GaN多量子阱有源区、p-GaN空穴注入层，所述n-Al_0.3Ga_0.7N缓冲层设在氧化物牺牲层的表面；

所述氧化物牺牲层为LiGaO₂单晶薄膜；

所述晶圆结构还包括：p型欧姆接触层和金属铜衬底，所述p型欧姆接触层设在p-GaN空穴注入层的表面，所述金属铜衬底设在p型欧姆接触层的表面。

进一步，所述氮化物外延层从下至上依次由AlN成核层、GaN缓冲层、AlN中间层和Al_0.3Ga_0.7N层组成，所述AlN成核层设在氧化物牺牲层的表面；

所述氧化物牺牲层为NaGaO₂单晶薄膜。

进一步，上述晶圆结构，所述初始衬底为6H-SiC、Si、蓝宝石、AlN、InN、GaN或4H-SiC。

本实用新型的有益效果是：

本新型提供的晶圆结构新颖，采用的牺牲层材料为即具有类纤锌矿晶体结构的氧化物，所选用的氧化物易于在化学溶液中分解，实现湿法刻蚀，为制作氮化物外延层、自支撑衬底或器件晶圆过程中所需的衬底剥离、衬底转移和晶圆键合等工艺技术提供了有利条件，同时也保证了氮化物外延材料具有较高的晶体质量。

附图说明

图1为实施例1提供的晶圆结构的结构示意图；

图2为实施例2提供的晶圆结构的结构示意图；

图3为实施例3提供的晶圆结构的结构示意图；

图4为实施例4提供的晶圆结构的结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100、初始衬底；

200、氧化物牺牲层，201、LiAlO₂单晶薄膜，202、LiGaO₂单晶薄膜；

300、氮化物外延层，301、AlN缓冲层，302、GaN厚膜层，303、n-Al_0.3Ga_0.7N缓冲层，304、n-GaN电子注入层，305、InGaN/GaN多量子阱有源区，306、p-GaN空穴注入层，307、AlN成核层，308、GaN缓冲层，309、AlN中间层，310、Al_0.3Ga_0.7N层；

400、p型欧姆接触层；

500、金属铜衬底；

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例1

如图1所示，一种制作氮化物外延层、自支撑衬底与器件的晶圆结构，包括：初始衬底100、设在初始衬底100表面的氧化物牺牲层200和设在氧化物牺牲层200表面的氮化物外延层300。

实施例2

如图2所示，一种制作氮化物自支撑衬底的晶圆结构，包括：初始衬底100、设在初始衬底100表面的氧化物牺牲层200和设在氧化物牺牲层200表面的氮化物外延层300，

其中，所述初始衬底100为6H-SiC；

所述氧化物牺牲层200由LiAlO₂单晶薄膜201和LiGaO₂单晶薄膜202组成，所述LiAlO₂单晶薄膜201设在6H-SiC的表面，所述LiGaO₂单晶薄膜202设在LiAlO₂单晶薄膜201的表面；

所述氮化物外延层300由AlN缓冲层301和GaN厚膜层302组成，所述AlN缓冲层301设在LiGaO₂单晶薄膜202的表面，所述GaN厚膜层302设在AlN缓冲层301的表面。

实施例3

如图3所示，一种制作氮化物LED外延片器件的晶圆结构，包括：初始衬底100、设在初始衬底100表面的氧化物牺牲层200、设在氧化物牺牲层200表面的氮化物外延层300，设在氮化物外延层300表面的p型欧姆接触层400和设在p型欧姆接触层400表面的金属铜衬底500，

其中，所述初始衬底100为GaN；

所述氧化物牺牲层200为LiGaO₂单晶薄膜；

所述氮化物外延层300从下至上依次由n-Al_0.3Ga_0.7N缓冲层303、n-GaN电子注入层304、InGaN/GaN多量子阱有源区305、p-GaN空穴注入层306，所述n-Al_0.3Ga_0.7N缓冲层303设在LiGaO₂单晶薄膜的表面。

实施例4

如图4所示，一种制作氮化物HEMT外延片器件的晶圆结构，包括：初始衬底100、设在初始衬底100表面的氧化物牺牲层200和设在氧化物牺牲层200表面的氮化物外延层300，

其中，所述初始衬底100为4H-SiC，

所述氧化物牺牲层200为NaGaO₂单晶薄膜，

所述氮化物外延层300从下至上依次由AlN成核层307、GaN缓冲层308、AlN中间层309和Al_0.3Ga_0.7N层310组成，所述AlN成核层307设在NaGaO₂单晶薄膜的表面。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制作氮化物外延层、自支撑衬底与器件的晶圆结构，其特征在于，包括：初始衬底、设在初始衬底表面的氧化物牺牲层和设在氧化物牺牲层表面的氮化物外延层。

2.根据权利要求1所述的晶圆结构，其特征在于，所述氧化物牺牲层由LiAlO₂单晶薄膜和LiGaO₂单晶薄膜组成，所述LiAlO₂单晶薄膜设在初始衬底的表面，所述LiGaO₂单晶薄膜设在LiAlO₂单晶薄膜的表面。

3.根据权利要求2所述的晶圆结构，其特征在于，所述氮化物外延层由AlN缓冲层和GaN厚膜层组成，所述AlN缓冲层设在LiGaO₂单晶薄膜的表面，所述GaN厚膜层设在AlN缓冲层的表面。

4.根据权利要求1所述的晶圆结构，其特征在于，所述氮化物外延层从下至上依次由n-Al_0.3Ga_0.7N缓冲层、n-GaN电子注入层、InGaN/GaN多量子阱有源区、p-GaN空穴注入层，所述n-Al_0.3Ga_0.7N缓冲层设在氧化物牺牲层的表面。

5.根据权利要求4所述的晶圆结构，其特征在于，所述氧化物牺牲层为LiGaO₂单晶薄膜。

6.根据权利要求5所述的晶圆结构，其特征在于，还包括：p型欧姆接触层和金属铜衬底，所述p型欧姆接触层设在p-GaN空穴注入层的表面，所述金属铜衬底设在p型欧姆接触层的表面。

7.根据权利要求1所述的晶圆结构，其特征在于，所述氮化物外延层从下至上依次由AlN成核层、GaN缓冲层、AlN中间层和Al_0.3Ga_0.7N层组成，所述AlN成核层设在氧化物牺牲层的表面。

8.根据权利要求7所述的晶圆结构，其特征在于，所述氧化物牺牲层为NaGaO₂单晶薄膜。

9.根据权利要求1-8任一所述的晶圆结构，其特征在于，所述初始衬底为6H-SiC、Si、蓝宝石、AlN、InN、GaN或4H-SiC。