CN212991102U

CN212991102U - 一种复合衬底结构

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Publication number: CN212991102U
Application number: CN202022144764.1U
Authority: CN
Inventors: 林志东; 房育涛; 张恺玄; 刘波亭
Original assignee: Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2030-09-25

Abstract

本实用新型涉及一种复合衬底结构，其中，复合衬底包括低阻衬底层和高阻衬底层，用于生长氮化镓外延；其中，位于底部且较厚的低阻衬底层，可增加复合衬底的机械强度，可减小高温异质外延生长中，外延片的翘曲，从而获得更厚的氮化镓基薄膜，提高薄膜晶体质量，改善器件的特性；并可降低外延片表面温差，从而改善外延片均匀性；高阻衬底层作为氮化镓外延的基板和射频器件的最终支撑层，可保证氮化镓器件的射频特性。本实用新型实施为复合硅衬底时，可利用离子注入的方式对一定厚度的高阻衬底层进行转性，形成相应厚度的低阻层，部分增强高阻衬底层的机械强度。本实用新型的制备方法简单，可用于氮化镓射频器件外延片的大量生产中。

Description

一种复合衬底结构

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种复合衬底结构。

背景技术

氮化镓基化合物半导体材料是一种重要的第三代半导体材料，由于其具有禁带宽度大、击穿场强高、直接带隙、较高的饱和电子速率等优点被广泛用于发光元件和高频、高功率电子元件的制作。伴随着高功率高效电源模块和5G高速通信的发展，氮化镓基电子器件获得越来越多市场应用。

由于氮化镓衬底存在价格昂贵、尺寸偏小等问题，目前商用的大部分氮化镓基器件外延材料是利用金属有机化学气相沉积设备异质外延生长在蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底上。在硅衬底(或碳化硅衬底)上异质生长氮化镓基薄膜(即外延薄膜)时，由于外延薄膜和衬底之间存在较大的热失配，为了在室温下获得低翘曲的外延片，需要在高温外延生长中存储足够的压应力，补偿降温过程中热失配产生的张应力。

衬底根据电阻率不同，可大致划分为低电阻率衬底与高电阻率衬底。其中，低电阻率衬底的机械强度优于高电阻率的衬底，因此低电阻率衬底外延生长氮化镓基薄膜，相同应力下翘曲更小，同时相比于高电阻率衬底不容易发生塑性形变从而可以存储更多的压应力，生长更厚的氮化镓薄膜。而一般氮化镓射频器件外延生长需要使用高电阻率衬底来减小衬底对器件射频信号的吸收，但相比于低电阻率衬底，高电阻率衬底的机械强度较差，高温外延衬底翘偏大；另外，高电阻率衬底可承受应力偏小，限制了氮化镓外延薄膜厚度；高电阻率衬底的制备工艺通常比低电阻率衬底复杂，因此高电阻率衬底的成本较高。

综上，衬底的选择在氮化镓薄膜厚度(影响晶体质量与器件特性)、成本与外延片性能(如氮化镓器件的射频特性)之间形成矛盾，现有技术无法同时满足更厚氮化镓薄膜、降低成本、保证外延片性能的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合衬底结构，保证半导体器件的射频特性，并获得更厚的外延薄膜，同时降低成本。

本实用新型的技术方案如下：

一种复合衬底结构，包括外延薄膜、复合衬底，复合衬底包括高阻衬底层、低阻衬底层，高阻衬底层与低阻衬底层设置为一体；外延薄膜生长于高阻衬底层的表面。

作为优选，通过在低阻衬底层表面外延生长高阻层，获得与低阻衬底层一体的高阻衬底层；或者，将高阻衬底层与低阻衬底层进行键合为一体。

作为优选，还设置粘合层，高阻衬底层与低阻衬底层之间通过粘合层进行粘合为一体。

作为优选，粘合层的厚度为0.01μm-10μm。

作为优选，粘合层为二氧化硅层、钛铂双层金属层、高电阻率硅层、高电阻率碳化硅层、低电阻率硅层或低电阻率碳化硅层。

作为优选，低阻衬底层的厚度大于高阻衬底层的厚度。

作为优选，高阻衬底层的厚度为100μm-300μm，低阻衬底层的厚度为300μm-1000μm。

作为优选，高阻衬底层朝向低阻衬底层的一侧，通过离子注入转性为一定厚度的低阻层。

作为优选，高阻衬底层为高电阻率硅衬底层或高电阻率碳化硅衬底层，低阻衬底层为低电阻率硅衬底层或低电阻率碳化硅衬底层。

作为优选，低阻衬底层为低电阻率硅衬底层，高阻衬底层为高电阻率硅衬底层，外延薄膜为氮化镓基薄膜，氮化镓基薄膜的结构为依次设置的AlN层、AlGaN层、GaN层、AlGaN势垒层、GaN帽层；或者，低阻衬底层为低电阻率碳化硅衬底层，高阻衬底层为高电阻率碳化硅衬底层，外延薄膜为氮化镓基薄膜，氮化镓基薄膜的结构为依次设置的AlN层、GaN层、AlGaN势垒层、GaN帽层。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型所述的复合衬底结构，其中，复合衬底包括低阻衬底层和高阻衬底层，用于生长氮化镓外延；其中，位于底部且较厚的低阻衬底层，可增加复合衬底的机械强度，可减小高温异质外延生长中，外延片的翘曲，从而获得更厚的氮化镓基薄膜，提高薄膜晶体质量，改善器件的特性；并可降低外延片表面温差，从而改善外延片均匀性；高阻衬底层作为氮化镓外延的基板和射频器件的最终支撑层，可保证氮化镓器件的射频特性。本实用新型实施为复合硅衬底时，可利用离子注入的方式对一定厚度的高阻衬底层进行转性，形成相应厚度的低阻层，部分增强高阻衬底层的机械强度。

本实用新型的制备方法简单，可用于氮化镓射频器件外延片的大量生产中。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例2的结构示意图；

图中：10是复合衬底，101是低阻衬底层，102是高阻衬底层，103是粘合层，20是外延薄膜。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。

本实用新型为了解决现有技术存在的无法同时满足氮化镓基薄膜厚度(影响晶体质量与器件特性)、成本与外延片性能(如氮化镓器件的射频特性)要求的不足，提供一种复合衬底结构，特别是氮化镓外延的复合衬底结构。本实用新型中，复合衬底可以增加衬底的机械强度，减小氮化镓外延生长的翘曲，减小外延片表面温差，改善外延片的均匀性；相比与传统高阻衬底，本实用新型的复合衬底可以耐受更大的压应力，从而可以补偿更厚的外延膜的热失配，生长更厚的氮化镓外延薄膜。

本实用新型所述的复合衬底结构，如图1、图2所示，包括外延薄膜20、复合衬底10，复合衬底10包括高阻衬底层102、低阻衬底层101，高阻衬底层102与低阻衬底层101设置为一体；外延薄膜20生长于高阻衬底层102的表面。

本实用新型中，高阻衬底层102与低阻衬底层101可通过多种不同的方式设置为一体，包括：通过在低阻衬底层101的表面外延生长高阻层，获得与低阻衬底层101一体的高阻衬底层102；或者，如图1所示，将高阻衬底层102与低阻衬底层101进行键合为一体；或者，如图2所示，还设置粘合层103，高阻衬底层102与低阻衬底层101之间通过粘合层103进行粘合为一体。

为了避免减小氮化镓异质外延生长中的翘曲，增加外延生长中衬底可存储的压应力，从而获得更厚的外延薄膜20(如氮化镓基薄膜)，本实用新型中，将低阻衬底层101的厚度实施为大于高阻衬底层102的厚度。

制备半导体器件(如氮化镓器件)的过程中，低阻衬底层101会在半导体器件制作过程中，在背面减薄的步骤中被去除，剩余的高阻衬底层102可以保证氮化镓器件的射频特性。

具体实施时，氮化镓射频器件外延材料(或氮化镓基薄膜)一般是生长在高阻衬底层102的表面上，但高阻衬底层102的机械强度较差，导致高温氮化镓外延生长时外延片翘曲偏大，外延片边缘和中心的温差较大。本实用新型通过将机械强度较好的一层低阻衬底层101设置在高阻衬底层102的背面，形成具有良好机械强度的复合衬底10，减小氮化镓高温外延生长时的翘曲，改善外延片表面温差，进而改善外延片的均匀性。另外，所述的复合衬底10可以承受更多的压应力，从而可以生长更厚的氮化镓基薄膜，提高氮化镓基薄膜晶体质量，改善氮化镓射频基外延片的电学特性。其中，复合衬底10中，影响半导体器件射频性能的低阻衬底层101，会在器件制作过程中进行去除，避免低阻衬底层101对半导体器件的射频性能产生影响。

本实用新型中，高阻衬底层102的厚度为100μm-300μm，电阻率大于1000ohm.cm，低阻衬底层101的厚度为300μm-1000μm，电阻率小于1ohm.cm，粘合层103的厚度为0.01μm-10μm。

具体实施时，还可以将高阻衬底层102朝向低阻衬底层101的一侧，通过离子注入转性为一定厚度的低阻层，以在高阻衬底层102朝向低阻衬底层的一侧增强机械强度，从而进一步改善氮化镓器件的射频特性。

高阻衬底层102与低阻衬底层101的材质可采用硅或碳化硅，当均采用硅时，将得到复合硅衬底，当均采用碳化硅时，将得到复合炭化硅衬底。具体地，高阻衬底层102可以选用高电阻率硅衬底层或高电阻率碳化硅衬底层，低阻衬底层101可以选用低电阻率硅衬底层或低电阻率碳化硅衬底层。粘合层103可以选用二氧化硅层、钛铂双层金属层，或者与高阻衬底层102或低阻衬底层101相同材料，即高电阻率硅层、高电阻率碳化硅层、低电阻率硅层或低电阻率碳化硅层。

对应于不同材料的复合衬底10，外延薄膜20的具体成分也可进行相应的选择。具体地，当低阻衬底层101为低电阻率硅衬底层，高阻衬底层102为高电阻率硅衬底层时，外延薄膜20为氮化镓基薄膜，氮化镓基薄膜的结构为依次设置的AlN层、AlGaN层、GaN层、AlGaN势垒层、GaN帽层。当低阻衬底层101为低电阻率碳化硅衬底层，高阻衬底层102为高电阻率碳化硅衬底层时，外延薄膜20为氮化镓基薄膜，氮化镓基薄膜的结构为依次设置的AlN层、GaN层、AlGaN势垒层、GaN帽层。

实施例一

本实施例提供一种如图1所示的复合衬底结构(即复合碳化硅衬底上生长氮化镓基HEMT外延片)的制备方法，步骤如下：

1)选择低阻衬底层101：选择一片厚度350μm、N型掺杂电阻率为0.02ohm.cm的低电阻率碳化硅衬底层，使用化学溶剂清洗低电阻率碳化硅衬底层的下表面；

2)选择高阻衬底层102：选择一片厚度为250μm，高电阻率大于100000ohm.cm的双抛高电阻率碳化硅衬底层，并用化学溶剂清洗高电阻率碳化硅衬底层的正反面；

3)将位于底部的低阻衬底层101与顶部的高阻衬底层102放入键合炉内，在一定的压力和温度下进行高温直接键合；可理解为直接用低阻衬底层101与的高阻衬底层102的表面作为粘合层103进行高温键合；

4)利用MOCVD在复合衬底10的表面(即高电阻率碳化硅衬底层的上表面)高温外延，依次生长260nm的AlN成核层、2.2μm的GaN缓冲层、20nm的Al_0.25Ga_0.75N势垒层和3nm的GaN帽层。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，步骤3)中，通过在低阻衬底层101的表面外延生长高阻层，获得与低阻衬底层101一体的高阻衬底层102。

其他部分与实施例1相同。

实施例3

本实施例提供一种如图2所示的复合衬底结构(即复合硅衬底上生长氮化镓基HEMT外延片)的制备方法，步骤如下：

1)选择低阻衬底层101：选择一片厚度500μm、电阻率为0.01ohm.cm的低电阻率硅衬底层，使用化学溶剂清洗低电阻率碳化硅衬底层的下表面，然后放入热氧化炉中，在低电阻率硅衬底层的表面形成一层30nm的氧化层，即为粘合层103；

2)选择高阻衬底层102：选择一片厚度为250μm，高电阻率大于5000ohm.cm的晶面双抛高电阻率硅衬底层，并用化学溶剂清洗高电阻率硅衬底层的正反面；

3)将位于底部的低阻衬底层101、中部的粘合层103与顶部的高阻衬底层102进行粘合为一体；

4)利用MOCVD在复合衬底10的表面(即高电阻率硅衬底层的上表面)高温外延，依次生长260nm的AlN成核层、600nm的Al_0.2Ga_0.8N层、1.5μm的GaN缓冲层、20nm的Al_0.25Ga_0.75N势垒层和3nm的GaN帽层。

上述实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作对本实用新型的限定。只要是依据本实用新型的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims

1.一种复合衬底结构，其特征在于，包括外延薄膜、复合衬底，复合衬底包括高阻衬底层、低阻衬底层，高阻衬底层与低阻衬底层设置为一体；外延薄膜生长于高阻衬底层的表面。

2.根据权利要求1所述的复合衬底结构，其特征在于，通过在低阻衬底层表面外延生长高阻层，获得与低阻衬底层一体的高阻衬底层；或者，将高阻衬底层与低阻衬底层进行键合为一体。

3.根据权利要求1所述的复合衬底结构，其特征在于，还设置粘合层，高阻衬底层与低阻衬底层之间通过粘合层进行粘合为一体。

4.根据权利要求3所述的复合衬底结构，其特征在于，粘合层的厚度为0.01μm-10μm。

5.根据权利要求3所述的复合衬底结构，其特征在于，粘合层为二氧化硅层、钛铂双层金属层、高电阻率硅层、高电阻率碳化硅层、低电阻率硅层或低电阻率碳化硅层。

6.根据权利要求1所述的复合衬底结构，其特征在于，低阻衬底层的厚度大于高阻衬底层的厚度。

7.根据权利要求6所述的复合衬底结构，其特征在于，高阻衬底层的厚度为100μm-300μm，低阻衬底层的厚度为300μm-1000μm。

8.根据权利要求1所述的复合衬底结构，其特征在于，高阻衬底层朝向低阻衬底层的一侧，通过离子注入转性为一定厚度的低阻层。

9.根据权利要求1至8任一项所述的复合衬底结构，其特征在于，高阻衬底层为高电阻率硅衬底层或高电阻率碳化硅衬底层，低阻衬底层为低电阻率硅衬底层或低电阻率碳化硅衬底层。

10.根据权利要求8所述的复合衬底结构，其特征在于，低阻衬底层为低电阻率硅衬底层，高阻衬底层为高电阻率硅衬底层，外延薄膜为氮化镓基薄膜，氮化镓基薄膜的结构为依次设置的AlN层、AlGaN层、GaN层、AlGaN势垒层、GaN帽层；或者，低阻衬底层为低电阻率碳化硅衬底层，高阻衬底层为高电阻率碳化硅衬底层，外延薄膜为氮化镓基薄膜，氮化镓基薄膜的结构为依次设置的AlN层、GaN层、AlGaN势垒层、GaN帽层。