CN215668289U - 介质图形化衬底结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种介质图形化衬底结构，包括蓝宝石衬底及介质图形化层，介质图形包括多个凸起和/或多个凹槽，介质图形之间相互连接，或介质图形均沿相同方向相互独立地横跨于蓝宝石衬底上，或位于介质图形之间的介质层相互连接。本实用新型的介质图形化衬底结构在用于制作功率器件时，在生长衬底表面生长GaN等外延层的过程中，介质图形表面不会生长外延材料，而只能通过介质图形之间显露出的衬底上表面的生长面生长，之后再侧向外延生长，从而可以有效减少因衬底材料与GaN外延层之间存在较大晶格失配和热膨胀系数失配而导致生长过程中出现的高翘曲度和高位错密度等问题，且此衬底结构有利于后续器件特殊结构的制作。

Description

介质图形化衬底结构

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别是涉及一种介质图形化衬底结构。

背景技术

第三代半导体(即采用宽禁带半导体材料的半导体产业领域，禁带宽度大于2.2eV，亦被称为高温半导体材料，较为成熟的是SiC和GaN半导体材料。作为半导体产业的重要组成部分，在高速、高频、高压领域具有关键的应用，其发展壮大对国民经济、国防安全、国际竞争、社会民生等领域均具有重要战略意义，是当前世界各国科技竞争的焦点之一。世界各国在第三代半导体领域都处于起步阶段，该领域中国加快步伐，极有可能弯道超车，获得领先地位。

氮化镓(GaN)是近年来发展最为迅速也是最热门的第三代半导体材料之一。由于GaN的化学性质稳定，耐高温，直接带隙宽度大，高频大功率等特点，能够很好地弥补Si和AsGa等半导体材料的缺点，因而成为下一代半导体材料器件的主要应用材料，是国内外研究的热点。

GaN外延技术目前面临的挑战主要包括：1)衬底材料与GaN外延层之间存在较大晶格失配和热膨胀系数失配，从而导致生长过程中的高翘曲度和高位错密度等问题；2)功率器件多为垂直结构，不导电的生长衬底会限制器件结构的制作。

因此，需要通过开发出新的技术来解决上述问题。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种介质图形化衬底结构，用于解决现有技术中衬底材料与GaN外延层之间存在较大晶格失配和热膨胀系数失配，从而导致生长过程中的高翘曲度和高位错密度、功率器件多为垂直结构，不导电的生长衬底会限制器件结构的制作等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种介质图形化衬底结构，所述介质图形化衬底结构包括蓝宝石衬底及位于所述蓝宝石衬底上的介质图形层，所述介质图形层包括介质层，所述介质层上形成有介质图形，所述介质图形包括多个凸起和/或多个凹槽，所述介质图形之间相互连接，或所述介质图形均沿相同方向相互独立地横跨于所述蓝宝石衬底的上表面，或位于所述介质图形之间的至少部分介质层相互连接。

在一可选方案中，所述介质图形包括多个相互独立的凹槽，所述凹槽贯穿所述介质层，位于所述凹槽之间的介质层相互连接。

更可选地，所述凹槽的平面形貌包括圆形和/或多边形，所述多个凹槽在所述介质层上均匀间隔分布。

在另一可选方案中，所述介质图形包括多个凸起，所述多个凸起相互连接。

更可选地，所述凸起的平面形貌包括圆形和/或多边形，所述多个凸起在所述蓝宝石衬底上均匀间隔分布。

在又一可选方案中，所述介质图形包括多个间隔分布的条状凹槽，所述多个条状凹槽向两侧延伸直至横跨于所述蓝宝石衬底上。

更可选地，所述条状凹槽的平面形貌包括直线型和曲线蜿蜒形中的任意一种。

可选地，所述介质层包括氧化硅层、氮化硅层和氮氧化硅层中的一个或由多个堆叠而成。

可选地，所述介质图形化衬底结构还包括缓冲层，所述缓冲层位于所述介质层的表面。

可选地，所述缓冲层包括氮化铝层。

如上所述，本实用新型的介质图形化衬底结构，具有以下有益效果：本实用新型的介质图形化衬底结构上形成有凹槽或凸起的介质图形，使得介质层表面呈现出凹凸不平的形貌，这样的介质图形化衬底结构在用于制作功率器件时，在介质层表面生长GaN等外延层的过程中，介质图形表面不会生长外延材料，而只能通过介质图形之间显露出的衬底上表面的生长面生长，之后再侧向外延生长，从而可以有效减少因衬底材料与GaN外延层之间存在较大晶格失配和热膨胀系数失配而导致生长过程中出现的高翘曲度和高位错密度等问题。且由于图形形貌的特殊设计，制备器件的过程中，可以在外延层一端开槽，使得刻蚀液可进入到外延层的整个下表面而将外延层底部的介质层腐蚀掉，使得外延层底部形成溶洞或隧道的镂空结构，有利于后续器件结构的制作。

附图说明

图1显示为本实用新型提供的介质图形化衬底结构的示例性截面结构示意图。

图2-4显示为本实用新型提供的介质图形化衬底结构于不同示例中的俯视结构示意图。

图5-8显示为本实用新型提供的介质图形化衬底结构在制备过程中于各步骤中呈现出的示例性截面结构示意图。

图9显示为实用新型提供的介质图形化衬底结构在用于制作功率器件过程中呈现出的示例性截面示意图。

元件标号说明

11 蓝宝石衬底

12 介质图形层

12a 介质层

121 介质图形

122 镂空结构

13 光刻胶层

14 外延层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本实用新型实施例时，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，其在此不应限制本实用新型保护的范围。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实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

目前在蓝宝石衬底上生长GaN外延层较为成熟，但是对于用GaN材料来制作功率器件，其外延层的晶体质量还达不到要求，以及蓝宝石不导电，在制作器件结构时会受到限制。基于此，本实用新型的发明人在长期工作中，经大量研究而提出可一种新型设计的介质图形化衬底结构，既能提高GaN外延层的晶体质量，又能解决器件结构限制等问题。

如图1至4所示，本实用新型提供一种介质图形化衬底结构，所述介质图形化衬底结构包括蓝宝石衬底11及位于所述蓝宝石衬底11上的介质图形层12，所述介质图形层12包括介质层，所述介质层上形成有介质图形121，所述介质图形121包括多个凸起和/或多个凹槽，以使得介质图形层12整体呈现为凹凸不平的状态，后者说介质图形层12上形成有多个相互连接的凹凸结构，所述介质图形121之间相互连接，或所述介质图形121均沿相同方向相互独立地横跨于所述蓝宝石衬底上11，或位于所述介质图形121之间的介质层相互连接，即由于这些凹凸结构的存在，使得介质图形层12与后续形成在其表面的外延层14之间形成相互连接的单个或多个通道(无论是凸起的相互连接还是凹槽之间的介质层材质相互连接，实质都是介质材料的相互连接，因而在后续腐蚀工艺中相互连接的介质层可以被腐蚀)，这些通道将在后续的过程中引导刻蚀液的流动。本实用新型的介质图形化衬底结构上形成有凹槽或凸起的介质图形，使得介质层表面呈现出凹凸不平的形貌，这样的介质图形化衬底结构在用于制作功率器件时，在介质层表面生长GaN等外延层的过程中，介质图形表面不会生长外延材料，而只能通过介质图形之间显露出的衬底上表面的生长面生长，之后再侧向外延生长，从而可以有效减少因衬底材料与GaN外延层之间存在较大晶格失配和热膨胀系数失配而导致生长过程中出现的高翘曲度和高位错密度等问题。且由于图形形貌的特殊设计，制备器件的过程中，可以在外延层一端开槽，使得刻蚀液可进入到外延层14的整个下表面而将外延层底部的介质层腐蚀掉，使得外延层底部形成溶洞或隧道的镂空结构，有利于后续器件结构的制作。

在一示例中，如图2所示，所述介质图形121包括多个相互独立的凹槽，所述凹槽优选向下贯穿所述介质层(即该凹槽内没有介质材料)，位于所述凹槽之间的介质层相互连接。在进一步的示例中，所述凹槽的平面形貌(即俯视结构)包括圆形和多边形中的一种或两种，且优选所述多个凹槽在所述介质层上均匀间隔分布。由于介质层具有连续性，介质图形化衬底结构介质图形层12后续在腐蚀过中腐蚀液可以逐渐将整个介质层腐蚀掉，使得外延层底部形成溶洞的镂空结构，有利于后续器件结构的制作。

在另一示例中，如图3所示，所述介质图形121包括多个凸起，所述多个凸起相互连接(构成凸起的材料为介质层的材料)。在进一步的示例中，所述凸起的平面形貌(即俯视结构)包括圆形和多边形的一种或两种的结合，且优选所述多个凸起在所述介质层上(同时也是在所述蓝宝石衬底11上)均匀间隔分布。由于介质层具有连续性，后续在腐蚀过中腐蚀液可以逐渐将整个介质层腐蚀掉，使得外延层底部形成溶洞的镂空结构，有利于后续器件结构的制作。

在又一示例中，如图4所示，所述介质图形121包括多个间隔分布的条状凹槽，所述多个条状凹槽向两侧延伸直至横跨所述蓝宝石衬底11上(或者说所述条状沟槽的延伸长度与其延伸方向上的介质层的延伸尺寸一致，因而从介质图形层12的边缘可以看到这些条状沟槽的存在)，以将所述介质图形层12分隔层多个互不相连的部分(但各部分的介质层是连续的)；所述条状凹槽的平面形貌可以为直线型，也可以为曲线蜿蜒形，还可以为两者的结合，即同时形成这两种结构的条状沟槽，该条状沟槽优选向下贯穿介质层。由于介质层横跨于整个蓝宝石衬底上11，后续在腐蚀过中腐蚀液可以逐渐将整个介质层腐蚀掉，使得外延层底部形成隧道的镂空结构，有利于后续器件结构的制作。

作为示例，所述介质层包括氧化硅层、氮化硅层和氮氧化硅层中的一个或由多个堆叠而成，即所述介质层可以为单层结构，或者由多个材料层上下叠置构成堆叠结构。

所述介质图形化衬底结构的示例性制备过程如下：

提供蓝宝石衬底11(即衬底材质为Al₂O₃)，优选但不限于采用气相沉积工艺于所述蓝宝石衬底11上形成所述介质层12a，所述介质层12a包括但不限于氧化硅层、氮化硅层和氮氧化硅层中的一种或由多种构成的堆叠结构，若为堆叠结构，则可以为周期性或非周期性堆叠，所述介质层12a的厚度较佳地为0.1微米-5微米，该步骤后得到的结构如图5所示；

于所述介质层12a上形成光刻胶层13，得到的结构如图6所示；

对所述光刻胶层13进行曝光显影以在所述光刻胶层13中定义出介质图形层12上的介质图形121的图案，得到的结构如图7所示；

以残余的光刻胶层13作掩膜对所述介质层12a进行干法刻蚀，以于所述介质层12a上形成包括所述介质图形121的所述介质图形层12，之后去除残余的光刻胶层13，得到的结构如图1所示。

在一示例中，所述介质图形化衬底结构还包括缓冲层(未示出)，位于所述介质图形层12的上表面，所述缓冲层包括但不限于氮化铝层，形成方法包括但不限于MOCVD或HVPE方法

在所述介质图形化衬底结构上形成外延层14后得到的结构如图8所示，所述外延层14位于所述介质图形层12的表面。所述外延层14包括但不限于氮化镓层。若形成有缓冲层(未示出)，则所述缓冲层位于所述介质图形化衬底结构和所述外延层14之间，形成所述外延层14的方法包括但不限于MOCVD或HVPE方法。

采用本发明的介质图形化衬底结构制作功率器件时，可在图8所示的结构的外延层14表面开槽，然后注入刻蚀液，由于介质图形121之间互相连接或介质图形121横跨整个介质图形层12(也即横跨于所述蓝宝石衬底11撒花姑娘)，于是腐蚀溶液可以将内部的介质图形全部腐蚀掉，形成溶洞或隧道等镂空结构122，具体参考图9所示。

本实用新型的介质图形化衬底结构可以广泛应用于各种类型的功率器件中，有着极大的商业利用价值。

综上所述，本实用新型提供一种介质图形化衬底结构，所述介质图形化衬底结构包括蓝宝石衬底及位于所述蓝宝石衬底上的介质图形层，所述介质图形层包括介质层，所述介质层上形成有介质图形，所述介质图形包括多个凸起和/或多个凹槽，所述介质图形之间相互连接，或所述介质图形均沿相同方向相互独立地横跨于所述蓝宝石衬底的上表面，或位于所述介质图形之间的介质层相互连接。本实用新型的介质图形化衬底结构上形成有凹槽或凸起的介质图形，使得介质层表面呈现出凹凸不平的形貌，这样的介质图形化衬底结构在用于制作功率器件时，在介质层表面生长GaN等外延层的过程中，介质图形表面不会生长外延材料，而只能通过介质图形之间显露出的衬底上表面的生长面生长，之后再侧向外延生长，从而可以有效减少因衬底材料与GaN外延层之间存在较大晶格失配和热膨胀系数失配而导致生长过程中出现的高翘曲度和高位错密度等问题。且由于图形形貌的特殊设计，制备器件的过程中，可以在外延层一端开槽，使得刻蚀液可进入到外延层的整个下表面而将外延层底部的介质层腐蚀掉，使得外延层底部形成溶洞或隧道的镂空结构，有利于后续器件特殊结构的制作。所以，本实用新型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实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型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，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种介质图形化衬底结构，其特征在于，所述介质图形化衬底结构包括蓝宝石衬底及位于所述蓝宝石衬底上的介质图形层，所述介质图形层包括介质层，所述介质层上形成有介质图形，所述介质图形包括多个凸起和/或多个凹槽，所述介质图形之间相互连接，或所述介质图形均沿相同方向相互独立地横跨于所述蓝宝石衬底的上表面，或位于所述介质图形之间的介质层相互连接。

2.根据权利要求1所述的介质图形化衬底结构，其特征在于，所述介质图形包括多个相互独立的凹槽，所述凹槽贯穿所述介质层，位于所述凹槽之间的介质层相互连接。

3.根据权利要求2所述的介质图形化衬底结构，其特征在于，所述凹槽的平面形貌包括圆形和/或多边形，所述多个凹槽在所述介质层上均匀间隔分布。

4.根据权利要求1所述的介质图形化衬底结构，其特征字在于，所述介质图形包括多个凸起，所述多个凸起相互连接。

5.根据权利要求4所述的介质图形化衬底结构，其特征在于，所述凸起的平面形貌包括圆形和/或多边形，所述多个凸起在所述蓝宝石衬底上均匀间隔分布。

6.根据权利要求1所述的介质图形化衬底结构，其特征在于，所述介质图形包括多个间隔分布的条状凹槽，所述多个条状凹槽向两侧延伸直至横跨于所述蓝宝石衬底上。

7.根据权利要求6所述的介质图形化衬底结构，其特征在于，所述条状凹槽的平面形貌包括直线型和曲线蜿蜒形中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的介质图形化衬底结构，其特征在于，所述介质层包括氧化硅层、氮化硅层和氮氧化硅层中的一个或由多个堆叠而成。

9.根据权利要求1-8任一项所述的介质图形化衬底结构，其特征在于，所述介质图形化衬底结构还包括缓冲层，所述缓冲层位于所述介质层的表面。

10.根据权利要求9所述的介质图形化衬底结构，其特征在于，所述缓冲层包括氮化铝层。

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