CN219716879U - 一种复合半导体衬底结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构包括：支撑衬底、单晶硅层以及碳化硅层；所述单晶硅层设置于所述支撑衬底和碳化硅层之间；所述支撑衬底和单晶硅层之间设置有键合界面层；所述键合界面层的厚度为0nm～5μm，且不为0nm。本实用新型提供的复合半导体衬底结构提高了由氧化镓或氮化镓材料制成的半导体器件的性能和可靠性。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体材料及器件技术领域，具体涉及一种复合半导体衬底结构及其制备方法与应用。
背景技术
在半导体领域，通常将至少两种材料进行复合，得到复合半导体衬底结构，以满足特定的应用需求，比如：将高导热支撑基板和器件功能层基板进行复合制备的复合衬底能够提高器件的散热性能。
相比于传统的Si和SiC基功率器件以及GaN横向结构功率器件，GaN基垂直结构器件能有效的实现低导通电阻和高击穿电压。且具有如下明显优势：(a)只需增加外延层厚度即可有效提高器件击穿电压而不必增大器件尺寸，器件成本降低；(b)峰值电场从表面移到半导体内部，电场分布更均匀，因而器件可靠性更高；(c)电流分布更均匀因而容许更大电流和更高的电流密度传输；(d)更好的散热性能。
氧化镓、氮化镓具有宽带隙、高击穿场强等优点，其Baliga因子比硅高出了几个数量级，在下一代电力电子产品中的应用潜力引起了研究者们广泛的关注。然而，氧化镓、氮化镓的热导率并不高，降低了由这些材料制造的器件的工作性能和可靠性。例如，氧化镓由于属于单斜晶系导致其晶体结构具有高度的各向异性，氧化镓体材料的热导率至少比其他宽带隙半导体低一个数量级，而氧化镓薄膜材料的热导率更要低于氧化镓体材料的热导率。在高频和高功率环境中器件栅极附近局部焦耳热导致沟道温度过高，严重限制了由氧化镓材料制成的器件的性能和可靠性。
由于氧化镓材料和氮化镓材料不容易获得体生长的单晶材料，目前其材料的制备均以外延材料为主，外延衬底主要为单晶蓝宝石、单晶硅、单晶碳化硅等，外延技术主要为金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。蓝宝石优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟：不足方面也很多，如很大的晶格失配(16％)目前采用过渡层生长技术来克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片来克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。除了蓝宝石衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氨化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像蓝宝石衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。所以在高功率器件的应用方面SiC衬底比蓝宝石衬底更具有优势。但是高质量的SiC单晶材料的制备也是难点，目前国际上能提供商用的高品质的SiC衬底的厂家只有美CREE公司，价格是相同尺寸蓝宝石衬底的几倍甚至十几倍。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种复合半导体衬底结构及其制备方法与应用。本实用新型提供的制备方法解决了现有技术中存在的高热导率衬底制造成本高的问题。
为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
第一方面，本实用新型提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构包括：支撑衬底、单晶硅层以及碳化硅层；
所述单晶硅层设置于所述支撑衬底和碳化硅层之间；所述支撑衬底和单晶硅层之间设置有键合界面层；
所述键合界面层的厚度为0nm～5μm，且不为0nm，例如可以是10nm、100nm、500nm、1μm、2μm、3μm、4μm或5μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
本实用新型提供的复合半导体衬底结构既可以使氧化镓薄膜或氮化镓薄膜外延获得高质量的复合衬底，又可以有效降低衬底材料的成本。
本实用新型所述键合界面层用于增强键合强度，缓解高热导率衬底的表面加工难度，其厚度会影响散热效果和热失配应力，厚度过高会导致器件热量难以散出以及器件制作良率低。
作为本实用新型的优选技术方案，所述单晶硅层的厚度为70nm～1μm，例如可以是70nm、100nm、300nm、500nm、800nm或1μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述支撑衬底包括多晶氮化铝支撑衬底或多晶碳化硅支撑衬底。
优选地，所述支撑衬底的厚度为200μm～1mm，例如可以是200μm、400μm、600μm、800μm或1mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述支撑衬底的直径为2～12英寸，例如可以是2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、10英寸或12英寸，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，所述支撑衬底的直径不小于所述单晶硅层的直径。
优选地，所述键合界面层包括Si层、SiC层、AlN层、Al2O3层、SiNx层、金刚石层或含W的高熔点化合物层中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括Si层和SiC层的组合，AlN层和Al2O3层的组合，Si层、SiC层和SiNx层的组合，或金刚石层和含W的高熔点化合物层的组合。
优选地，所述复合半导体衬底还包括外延生长在碳化硅层上的含镓化合物薄膜。
优选地，所述含镓化合物薄膜包括氧化镓薄膜或氮化镓薄膜。
优选地，所述含镓化合物薄膜的厚度为200nm～10μm，例如可以是200nm、400nm、600nm、800nm或1μm、2μm、4μm、6μm、8μm或10μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
本实用新型所述含镓化合物薄膜的厚度需要控制在200nm～10μm之间，其厚度过高会导致成本增加，过薄则无法保证较高的晶体质量。
优选地，所述碳化硅层的晶型为4H、6H或3C中的任意一种，优选为3C。
第二方面，本实用新型提供了一种如第一方面提供的复合半导体衬底结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)选用初始单晶硅晶圆与支撑衬底；
(2)通过注氢剥离方法在所述初始单晶硅晶圆中注入离子形成缺陷层以及单晶硅层；
(3)在所述支撑衬底的键合面生长键合界面层，而后与步骤(2)所得单晶硅层相互键合，得到第一复合组件；
(4)对步骤(3)所得第一复合组件进行退火处理，表面处理后外延生长碳化硅层，得到所述复合半导体衬底结构。
优选地，步骤(1)所述单晶硅晶圆的直径为2～12英寸，例如可以是2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、10英寸或12英寸，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述注氢剥离方法中氢离子注入的能量为20keV～500keV，例如可以是20keV、50keV、100keV或500keV，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述注氢剥离方法中氢离子注入的剂量为1×1016cm-2～1×1017cm-2，例如可以是1×1016cm-2、2×1016cm-2、4×1016cm-2、6×1016cm-2、8×1016cm-2或1×1017cm-2，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述注氢剥离方法中的预设深度为70nm～1μm，例如可以是70nm、100nm、500nm或1μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述生长键合界面层的方法包括热氧化、气相沉积或离子束溅射中的任意一种。
优选地，步骤(3)所述键合前还包括对支撑衬底和单晶硅层键合面的预处理。
优选地，所述预处理包括依次进行的表面处理以及等离子激活。
优选地，所述表面处理的方法包括高温处理、化学机械抛光、表面薄膜沉积、反应离子刻蚀、离子束刻蚀、或离子束掠入射抛光中的任意一种；
优选地，所述等离子激活的气体包括氧气、氮气或氩气中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括氧气和氮气的组合，氧气和氩气的组合，氮气和氩气的组合，或氧气、氮气和氩气的组合。
本实用新型所述键合前需要键合面先进行表面处理，使得键合面满足晶圆键合的条件。
优选地，步骤(3)所述键合的温度为20～800℃，例如可以是20℃、50℃、100℃、200℃、400℃、600℃或800℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
本实用新型所述键合的温度为20～800℃，键合温度过高会导致成本增加和剥离提前发生，无法实现高质量转移。
优选地，步骤(4)所述退火的温度为300～1100℃，例如可以是300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃或1100℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
优选地，步骤(4)所述退火的时间为1min～24h，例如可以是1min、30min、1h、4h、8h、12h、16h、20h或24h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
本实用新型所述退火的目的是通过高温使得注入缺陷层的性质发生改变，使得缺陷层两侧的材料断开连接，断开后在单晶硅层的上表面上形成损伤层，而后通过表面处理去除损伤层。
本实用新型所述退火的温度为300～1000℃，其温度过高会导致成本增加，过低则无法有效去除注入引起的晶体缺陷。
优选地，步骤(4)所述表面处理包括高温处理、化学机械抛光、表面薄膜沉积、反应离子刻蚀、离子束刻蚀、或离子束掠入射抛光中的任意一种。
优选地，步骤(4)所述外延生长碳化硅层的方法包括物理气相传输、金属有机化合物化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延法中的任意一种。
优选地，所述制备方法还包括在所述碳化硅层上生长含镓化合物薄膜；
优选地，所述生长含镓化合物薄膜的方法包括物理气相传输、金属有机化合物化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延法中的任意一种；
优选地，所述含镓化合物薄膜包括氧化镓薄膜或氮化镓薄膜。
第三方面，本实用新型提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括第一方面提供的复合半导体衬底结构。
本实用新型所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本实用新型不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)本实用新型提供的制备方法克服了现有技术中晶格失配较高或者成本过高的缺陷；
(2)本实用新型提供的复合半导体衬底结构提高了由氧化镓或氮化镓材料制成的半导体器件的性能和可靠性。
附图说明
图1是本实用新型实施例1提供的单晶硅晶圆的剖面图；
图2为本实用新型实施例1提供的支撑衬底的剖面图；
图3为本实用新型实施例1提供的注氢剥离后单晶硅晶圆的剖面图；
图4为本实用新型实施例1提供的第一复合组件的剖面图；
图5为本实用新型实施例1提供的退火后第一复合组件的剖面图；
图6为本实用新型实施例1提供的复合半导体衬底结构的剖面图；
图7为本实用新型实施例提供的生长含镓化合物薄膜的复合半导体衬底结构的剖面图。
其中，1为单晶硅晶圆，1a为单晶硅晶圆的注入面，11为缺陷层，111为损伤层，12为单晶硅层，2为支撑衬底，2a为键合面，3为碳化硅层，4为氧化镓薄膜或氮化镓薄膜。
具体实施方式
需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构包括：多晶氮化铝支撑衬底2、单晶硅层12以及碳化硅层3；
所述单晶硅层12设置于所述多晶氮化铝支撑衬底2和碳化硅层3之间；所述多晶氮化铝支撑衬底2和单晶硅层12之间设置有键合界面层；所述键合界面层的厚度为500nm。
所述多晶氮化铝支撑衬底2的厚度为600μm，直径为10英寸，其直径不小于所述单晶硅层12的直径；
所述键合界面层包括SiC层；
所述单晶硅层12的厚度为500nm，晶型为3C。
所述复合半导体衬底还包括外延生长在碳化硅层上的氧化镓薄膜4，所述氧化镓薄膜4的厚度为2μm。
所述复合半导体衬底结构的制备方法包括如下步骤：
(1)选用如图1所示的单晶硅晶圆1以及如图2所示的支撑衬底2；
(2)通过注氢剥离方法在所述初始单晶硅晶圆中注入离子形成缺陷层11以及单晶硅层12，如图3所示；
其中，所述氢智能剥离方法为：从单晶硅晶圆的注入面1a向单晶硅片1进行氢离子注入，形成缺陷层11以及单晶硅层12；
所述氢智能剥离方法中氢离子注入的能量为75kev，氢离子注入的剂量为6×1016cm-2，预设深度为750nm；
(3)采用离子束溅射法在所述支撑衬底的键合面2a生长键合界面层，而后与步骤(2)所得单晶硅层在200℃下进行相互键合，得到如图4所示的第一复合组件；
其中，在所述键合前还包括对支撑衬底和单晶硅层键合面依次进行的表面处理以及等离子激活；所述表面处理为化学机械抛光，所述等离子激活的气体为氮气；
(4)在1000℃下对步骤(3)所得第一复合组件进行10h的退火处理，得到如图5所示的退火后第一复合组件的剖面图，然后经过高温表面处理后外延生长碳化硅层3，得到如图6所示的复合半导体衬底结构；
其中，退火处理后得到损伤层111，表面处理的目的就是为了去除损伤层111；
(5)采用物理气相传输法在步骤(4)所得碳化硅层3上生长氧化镓薄膜4，得到如图7所示的生长含镓化合物薄膜的复合半导体衬底结构的剖面图。
实施例2
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本实施例将步骤(2)所述氢剥离方法中氢离子注入的能量更改为100keV。
实施例3
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本实施例将步骤(2)所述氢剥离方法中氢离子注入的能量更改为120eV。
实施例4
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本实施例将步骤(2)所述氢剥离方法中氢离子注入的能量更改为400keV。
实施例5
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本实施例将步骤(2)所述氢智能剥离方法中氢离子注入的剂量更改为7×1016cm-2。
实施例6
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本实施例将步骤(3)所述键合的温度更改为25℃。
实施例7
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本实施例将步骤(3)所述键合的温度更改为350℃。
实施例8
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本实施例将步骤(4)所述退火的温度更改为1050℃，时间更改为24h。
实施例9
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本实施例将步骤(4)所述退火的温度更改为1100℃，时间更改为5min。
实施例10
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1区别仅在于：本实施例将所述键合界面层的厚度更改为2.5μm。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1相同。
实施例11
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1区别仅在于：本实施例将所述支撑衬底2的厚度更改为500μm。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1相同。
实施例12
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1区别仅在于：本实施例将所述支撑衬底2的厚度更改为0.8mm。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1相同。
实施例13
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1区别仅在于：本实施例将所述单晶硅层12的厚度更改为100nm。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1相同。
实施例14
本实施例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1区别仅在于：本实施例将所述单晶硅层12的厚度更改为1μm。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1区别仅在于：本对比例将所述键合界面层的厚度更改为0nm。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1相同。
与实施例1相比，本对比例提供的复合半导体衬底结构的键合强度比实施例1低了50％；在成本方面，其成本高了60％。
对比例2
本对比例提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构与实施例1相同。
所述复合半导体衬底结构的制备方法与实施例1的区别仅在于：本对比例省略了步骤(2)所述的注氢剥离过程。
综上所述，本实用新型提供的复合半导体衬底结构提高了由氧化镓或氮化镓材料制成的半导体器件的性能和可靠性；所述制备方法克服了现有技术中晶格失配较高或者成本过高的缺陷。
申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种复合半导体衬底结构，其特征在于，所述复合半导体衬底结构包括：支撑衬底、单晶硅层以及碳化硅层；
所述单晶硅层设置于所述支撑衬底和碳化硅层之间；
所述支撑衬底和单晶硅层之间设置有键合界面层；
所述键合界面层的厚度为0nm～5μm，且不为0nm。
2.根据权利要求1所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述单晶硅层的厚度为70nm～1μm。
3.根据权利要求1所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述支撑衬底包括多晶氮化铝支撑衬底或多晶碳化硅支撑衬底。
4.根据权利要求3所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述支撑衬底的厚度为200μm～1mm。
5.根据权利要求3所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述支撑衬底的直径为2～12英寸；
所述支撑衬底的直径不小于所述单晶硅层的直径。
6.根据权利要求1所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述键合界面层包括Si层、SiC层、AlN层、Al2O3层、SiNx层、金刚石层或含W的高熔点化合物层中的任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述复合半导体衬底还包括外延生长在碳化硅层上的含镓化合物薄膜。
8.根据权利要求7所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述含镓化合物薄膜包括氧化镓薄膜或氮化镓薄膜。
9.根据权利要求7所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述含镓化合物薄膜的厚度为200nm～10μm。
10.根据权利要求1所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述碳化硅层的晶型为4H、6H或3C中的任意一种；
所述碳化硅层的晶型为3C。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202320687963.8U CN219716879U (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种复合半导体衬底结构 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN219716879U true CN219716879U (zh) | 2023-09-19 |
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| CN202320687963.8U Active CN219716879U (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种复合半导体衬底结构 |
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2023
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