CN210120127U - 一种复合硅衬底 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合硅衬底，包括硅衬底，以及位于所述硅衬底背面的热膨胀补偿薄膜；热膨胀补偿薄膜包括耐高温保护层和至少一层热失配层，热失配层位于所述硅衬底和耐高温保护层之间，热失配层的热膨胀系数大于硅衬底的热膨胀系数。本实用新型可以调节硅衬底高温生长前的初始曲率，使硅基氮化物高温外延生长中存储更多压应力，同时避免衬底塑性形变发生，进而得到更厚的外延薄膜，达到改善器件缓冲层漏电和提高外延膜晶体质量的作用。

Description

一种复合硅衬底

技术领域

本实用新型属于半导体器件领域，特别涉及一种复合硅衬底。

背景技术

氮化镓基III-V族化合物半导体作为一种重要的第三代宽带隙半导体材料，其具有禁带宽度大、直接带隙、击穿电压高、耐高温、耐腐蚀、抗辐射、热导率高、电子饱和速度大和容易形成异质结等优良特性，已经成为制造发光器件（Light-emitting Diode LED）和高温，高频，大功率，抗辐射的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）的首选材料。由于缺少高质量的氮化镓衬底，氮化镓薄膜通常是通过异质外延的方法生长蓝宝石、碳化硅（SiC）、硅（Si）等衬底上。

相较于蓝宝石和SiC衬底，Si衬底作为GaN异质外延的一种重要的衬底材料，具有晶体质量高，单价低，尺寸大，热导率高（约是蓝宝石的3倍），电导率可以通过掺杂控制等优点。并且其成熟的工艺，使得Si基GaN基器件很容易实现微电子与光电子的集成，因而越来越受到科研界和产业界的关注。Si衬底上外延GaN一般选用（111）面的硅衬底，这是因为Si（111）面的三次对称性有利于（0001）面GaN的外延。

在Si衬底上异质外延生长GaN时，主要难点有两个：一个是外延膜和衬底存在较大的晶格失配（16.9%）使得外延膜中存在大量的穿透位错，另一个是硅衬底和氮化镓存在巨大的热失配（54%）使得硅基氮化镓外延翘曲难以控制且外延膜边缘很容易产生裂纹。因此，提高Si衬底上生长GaN薄膜的质量，需要采取各种方法控制薄膜外延中的应力，抑制裂纹产生和降低外延膜中位错密度。通常解决硅衬底与氮化镓间巨大热失配的方法是：在高温外延生长中利用AlN和GaN之间的晶格失配，引入足够的压应力，补偿生长完降温热失配产生的张应力，从而获得低应力低翘曲的外延片。

由于受到衬底强度的限制，硅基氮化镓高温生长中存储的压应力有限，因此获得低翘曲硅基氮化镓薄膜的厚度一般小于6um。在氮化镓薄膜高温外延生长中，当硅衬底（厚度1mm）的曲率大于100/km时，衬底就有发生塑性形变的风险，而高温下衬底发生塑性形变后，会导致衬底的强度发生突变，从而导致硅基氮化镓外延片的翘曲异常。

解决硅衬底上生长更厚氮化镓压时的应力存储问题的方法主要有两种，一种方法是：通过增加衬底的厚度，提高衬底机械强度，增加高温生长中存储的压应力，从而获得更厚的氮化镓外延膜。另一种方法是：采用和氮化镓具有热匹配的复合硅衬底，减小外延氮化镓降温时所需的补偿张应力，从而获得更厚的氮化镓薄膜。

以上两种方法都存在一定的缺陷，采用较厚衬底会导致外延片与芯片制作设备不兼容且增加外延厚度有限，而热匹配复合硅衬底由于其制作方法复杂，衬底价格较高和衬底供应稳定性存在问题因此会增加最终器件成本。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种复合硅衬底，可以调节硅衬底高温生长前的初始曲率，使硅基氮化物高温外延生长中存储更多压应力，同时避免衬底塑性形变发生，进而得到更厚的外延薄膜，达到改善器件缓冲层漏电和提高外延膜晶体质量的作用。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：

一种复合硅衬底，包括硅衬底，以及位于所述硅衬底背面的热膨胀补偿薄膜；热膨胀补偿薄膜包括耐高温保护层和至少一层热失配层，热失配层位于所述硅衬底和耐高温保护层之间，热失配层的热膨胀系数大于硅衬底的热膨胀系数。

优选的，热失配层由电介质或者金属材料制得，耐高温保护层由电介质材料制得。

优选的，热失配层为氧化铝、氧化镓、氧化锌、钨、钼和钛中的一种。

优选的，耐高温保护层为碳化硅，碳化硼，氮化硅，氮化硼中的一种。

优选的，热失配层的厚度范围为0.1um-10um。

优选的，耐高温保护层的厚度范围是0.1um-1um。

本实用新型通过在硅衬底背面生长一层高温保护层和至少一层热膨胀系数大于硅衬底的热失配层，形成具有对硅基III-V族氮化物外延的热膨胀应力补偿作用的复合硅衬底。本实用新型具有以下优点：

1．通过在硅衬底的背面蒸镀热膨胀补偿薄膜，增加硅衬底上氮化镓外延生长存储的压应力，从而生长厚度大于6um的氮化镓薄膜，生长厚度大于6um的氮化镓基薄膜，可以有效减小缓冲层垂直漏电为硅基氮化镓高压（650-950V）器件制作提供可能；

2．可以增加外延生长中的翘曲变化和存储压应力，从而可以生长更厚氮化镓薄膜；

3．可以补偿0.5-5um厚的V-III族氮化物与硅衬底在生长温度降到室温时产生的热失配应力；

4．可以降低外延生长到器件关键层的翘曲改善关键层生长温度均匀性；

5．可以有效过滤外延穿透位错，从而提高外延薄膜的晶体质量，改善器件的电学特性，适合实际生产应用。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

标号说明

热膨胀补偿薄膜1 耐高温保护层11 热失配层12 硅衬底2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。本实用新型所揭示的是一种复合硅衬底，如图1所示，为本实用新型的较佳实施例，包括硅衬底2，以及位于所述硅衬底2背面的热膨胀补偿薄膜1。热膨胀补偿薄膜1包括耐高温保护层11和至少一层热失配层12，热失配层12位于所述硅衬底2和耐高温保护层11之间，热失配层12的热膨胀系数大于硅衬底2的热膨胀系数。硅衬底的热膨胀系数2.44*10^-6/K，即热失配层12的热膨胀系数大于2.44*10^-6/K。

将本实用新型结构用于III-V族氮化物外延复合硅衬底外延结构，热膨胀补偿薄膜1的作用是补偿0.5-5um厚的V-III族氮化物与硅衬底在生长温度降到室温时产生的热失配应力。其中，热失配层12作用是产生热失配应力，耐高温保护层11的作用是避免热失配层12高温分解。热膨胀补偿薄膜1的生长方法可以使电镀沉积、电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积、等离子增强化学气象沉积等方法生长。

优选的，热失配层12由电介质或者金属材料制得，为氧化铝、氧化镓、氧化锌、钨、钼和钛中的一种。

优选的，耐高温保护层11由耐高温抗腐蚀的电介质材料制得，为碳化硅，碳化硼，氮化硅，氮化硼中的一种。

优选的，热失配层12的厚度范围为0.1um-10um。热失配层12的厚度小于0.1um产生的热失配应力过小不能产生预期效果，热失配层12的厚度大于10um热失配应力过大，可能导致衬底高温翘曲异常。耐高温保护层11的厚度范围是0.1um-1um。耐高温保护层11的厚度小于0.1um难以隔离热失配层12和高温腐蚀气体，耐高温保护层11的厚度大于1um，生产成本过高。

实施例一：

将复合硅衬底运用在氮化镓基HEMT外延上，其外延结构由下至上包括碳化硅层、氧化锌层、硅衬底、AlN成核层、AlGaN高阻应力传递层、GaN高阻缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层。其中，碳化硅层和氧化锌层形成热膨胀补偿薄膜，AlN成核层、AlGaN高阻应力传递层、GaN高阻缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层形成氮化镓薄膜。

在双抛硅衬底的正面甩一层2um左右厚光刻胶AZ2460来保护硅衬底正面避免蒸镀热失配补偿薄膜时衬底正面的划伤。利用脉冲激光沉积的方法（PLD）在硅衬底背面沉积一层厚度为0.5um的氧化锌薄膜，氧化锌的热膨胀系数为6.5*10^-6/K，大于硅衬底的热膨胀系数2.44*10^-6/K；然后将沉积有氧化锌的硅衬底放入化学气相沉积设备中沉积一层0.1um的碳化硅薄膜。由氧化锌薄膜和碳化硅薄膜形成的热膨胀补偿薄膜，可以补偿1um左右的氮化镓薄膜与硅衬底的热失配。利用上述具有热膨胀补偿薄膜的复合硅衬底可以生长出氮化镓薄膜的总厚度约为6.2um左右。

实施例二：

将复合硅衬底运用在氮化镓基LED外延片上，其外延结构由下至上包括氮化硼层、金属钨、硅衬底、AlN成核层、AlGaN应力传递层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p型GaN层，其中，氮化硼层和金属钨形成热膨胀补偿薄膜，AlN成核层、AlGaN应力传递层、n型GaN层，InGaN/GaN多量子阱层，p型GaN层形成氮化镓薄膜。

在双抛硅衬底的正面甩一层2um左右厚光刻胶AZ2460来保护硅衬底正面避免生长热失配补偿薄膜时衬底正面的划伤。然后将涂有光刻胶的硅衬底背面清洗干净，利用磁控溅射方法在硅衬底背面生长一层1.5um厚的金属钨，金属钨的热膨胀系数为4.6*10^-6/K，大于硅衬底的热膨胀系数2.44*10^-6/K；然后将镀有金属钨的硅衬底放入等离子增强化学气相沉积设备中生长一层200nm的氮化硼薄膜。由金属钨和氮化硼薄膜形成的热膨胀补偿薄膜，可以补偿1um左右的氮化镓薄膜与硅衬底的热失配。利用上述具有热膨胀补偿多层的复合硅衬底可以生长出LED外延薄膜（氮化镓薄膜）的总厚度约为6.1um左右。

热膨胀补偿薄膜1包含一层热膨胀系数大于硅衬底2的热失配层12（电介质：氧化铝，氧化镓，氧化锌，或者耐高温金属：金属钨，金属钼，金属钛）和一层耐高温保护层11（碳化硅，碳化硼，氮化硅，氮化硼）。热膨胀补偿薄膜1还可以由耐高温保护层11和多层热失配层12组成，例如，运用在氮化镓基LED外延片上，其外延结构由下至上包括氮化硼层、氧化锌、金属钛、硅衬底、AlN成核层、AlGaN应力传递层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p型GaN层，多层热失配层12是根据实际应用的器件不同而选择不同材料，可以是两层，三层或者更多层，在此不予赘述。

本实用新型通过在硅衬底背面生长热膨胀补偿薄膜，形成具有对硅基III-V族氮化物外延的热膨胀应力补偿作用的复合硅衬底。利用具有热膨胀补偿薄膜的复合硅衬底使高温外延生长开始时衬底具有更大的正曲率，从而增加异质外延中存储压应力获得生长厚度大于6um的氮化镓薄膜。利用具有热膨胀补偿薄膜的复合硅衬底抬高外延生长开始的正曲率，从而减小器件生长层时的负曲率改善关键层生长时的温度均匀性。利用具有热膨胀补偿薄膜的复合硅衬底生长更厚的氮化镓薄膜改善薄膜的晶体质量和减小缓冲层的垂直漏电。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种复合硅衬底，其特征在于：包括硅衬底，以及位于所述硅衬底背面的热膨胀补偿薄膜；热膨胀补偿薄膜包括耐高温保护层和至少一层热失配层，热失配层位于所述硅衬底和耐高温保护层之间，热失配层的热膨胀系数大于硅衬底的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的一种复合硅衬底，其特征在于：热失配层由电介质或者金属材料制得，耐高温保护层由电介质材料制得。

3.根据权利要求2所述的一种复合硅衬底，其特征在于：热失配层为氧化铝、氧化镓、氧化锌、钨、钼和钛中的一种。

4.根据权利要求2所述的一种复合硅衬底，其特征在于：耐高温保护层为碳化硅，碳化硼，氮化硅，氮化硼中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种复合硅衬底，其特征在于：热失配层的厚度范围为0.1um-10um。

6.根据权利要求1所述的一种复合硅衬底，其特征在于：耐高温保护层的厚度范围是0.1um-1um。