CN101106161A - 用于氮化镓外延生长的衬底材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于氮化镓外延生长的衬底材料及其制备方法，其特征在于(1)所述的材料为绝缘体上的硅材料(SOI)或具有单晶硅－绝缘埋层－单晶硅的三层复合结构的衬底材料；(2)顶层的硅被刻蚀成一个个独立的硅岛；硅岛之间的最小距离要大于外延氮化镓厚度的两倍；且独立硅岛的中心区域下的衬底硅和绝缘埋层被全部刻蚀掉，而其它部分的衬底硅和绝缘埋层给予保留，从而独立硅岛的中心区域悬空，悬空面积S₂大于独立硅岛面积S₁的70％，而小于90％。本发明所得到的中心悬空的顶层硅岛为氮化镓外延生长提供了超薄衬底，能有效减少异质外延的应力，提高外延生长氮化镓的晶体质量。

Description

用于氮化镓外延生长的衬底材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于氮化镓外延生长的超薄衬底材料及其制备方法，属于GaN外延生长领域。

背景技术

氮化镓是一种具有宽带隙(3.4到6.2电子伏特)的半导体材料。利用GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质可以开发许多新的光电应用产品。其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前半导体器件制造行业最为感兴趣和关注的三个GaN器件市场。目前器件量级的GaN基材料通常都是生长在蓝宝石或SiC衬底上，但是蓝宝石是绝缘的，硬度高且导电导热性差，使其器件使用功率受限，而SiC的高成本使得器件生产成本大幅上升。相对蓝宝石和SiC而言，Si材料具有低成本，大面积，高质量，导电导热性能好等优点，且硅工艺技术成熟，Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成，因此Si衬底上生长GaN薄膜的研究受到广泛的关注。然而以Si为衬底的GaN基材料生长还存在重大难题：如GaN外延层与Si衬底之间巨大的晶格失配使得GaN外延层中产生大量的位错和内应力；最为严重的问题是GaN与Si的热膨胀系数存在很大的差异(达57％)，这导致从生长温度降至室温时在GaN外延膜中产生巨大的张应力，从而引起GaN外延片的龟裂。因此，以Si材料为衬底进行GaN的制备是一项非常具有挑战性的工作。

在Si基GaN材料迅速发展之际，人们很自然会把目光投向绝缘体上的硅(Silicon On Insulator)——它被誉为21世纪的微电子材料，以其优异的电学性能得到人们的重视。近些年来，SOI材料作为一种相对柔性的衬底材料也越来越引起研究人员的兴趣。一般理论认为由晶格常数失配在外延层中引入的内应力与衬底厚度成正比，这样在其特殊的顶层硅-绝缘埋层-衬底硅结构中，以超薄顶层硅作为生长衬底对外延原子层的束缚就远小于体硅衬底，因此更多的应力将通过顶层硅和外延层的界面上通过滑移释放，从而在一定程度上抑制由于晶格失配等原因导致的缺陷，提高外延晶体的质量。一些研究机构已经在这方面进行了初步尝试，结果表明SOI基的GaN材料晶体质量优于体硅基的GaN材料。但是，由于SOI结构中多了一层SiO₂，它的热膨胀系数不足硅的1/6，会在多层膜结构中引入较大的热失配使得GaN层的热应力较大，影响其晶体质量。所以，如何更为有效的降低GaN层的热应力是一个很重要的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于GaN外延生长的衬底材料及制作方法，所涉及的衬底材料是在SOI材料，或者在具有类似SOI的多层复合结构的衬底基础上，例如单晶硅-绝缘埋层-单晶硅的三层复合结构的材料上，采用微电子工艺加工得到的超薄衬底材料，通过将顶层硅划分成独立硅岛并且使硅岛中心部分悬空，达到释放外延层热应力的目的。

本发明所涉及的超薄衬底材料，是以单晶硅圆片为基础的一种衬底，相对于蓝宝石和碳化硅，这种单晶硅衬底价格更低廉。本发明所述的超薄衬底，顶层硅被刻蚀成一个个独立的硅岛，硅岛之间的最小距离大于外延GaN厚度的两倍，这使得GaN的外延在一个个面积较小的硅岛上进行，大大降低外延层的应力。独立硅岛的中心区域下的衬底硅和绝缘埋层也被全部刻蚀掉，使得每个独立硅岛都成为一个中心悬空而边缘由未被刻蚀的绝缘埋层和衬底硅支撑的薄膜，这样硅岛与绝缘埋层的接触面积大为减小，在独立硅岛的中心悬空区域内能有效降低多层膜结构的热失配，从而降低独立硅岛上外延GaN的热应力。初步的模拟结果表明，本发明所涉及的这种衬底材料能使外延GaN层的热应力减小50％。由此可见，本发明提供的一种用于GaN外延生长的衬底材料，包括绝缘体上的硅材料，或具有单晶硅一绝缘埋层-单晶硅的三层复合结构衬底材料(如图1所示)，其特征在于：顶层硅被刻蚀成一个个独立的硅岛；独立硅岛的中心区域下的衬底硅和绝缘埋层被全部刻蚀掉，使得独立硅岛的中心区域悬空，而独立硅岛的边缘区域则由绝缘埋层和衬底硅支撑。所述的绝缘埋层为二氧化硅，氮化硅或氮化铝；所述的独立硅岛为长方形，菱形，六边形或圆形，且硅岛的厚度在10nm～10μm之间；绝缘埋层的厚度在50nm～5μm之间。考虑到横向生长会使外延GaN层连成一体，不利于应力的释放，所以硅岛间的最小距离要大于GaN外延厚度的两倍，以使硅岛上的外延层能彼此独立地生长，例如，如果设计GaN外延层厚度为2μm，那么在制备衬底时，硅岛之间的距离就应该大于4μm。独立硅岛中心悬空面积S₂大于独立硅岛面积S₁的70％，而小于90％。S₂大于独立硅岛面积S₁的70％是为了尽可能的减小独立硅岛与绝缘埋层的接触面积，从而有效地减少绝缘埋层及衬底硅在多层膜结构中引入的热失配，进而降低外延GaN层中的热应力；而悬空面积S₂小于独立硅岛面积S₁的90％这一条件是考虑到虽然悬空面积越大越有利于减小外延层热应力，但是悬空面积太大将会使独立硅岛塌陷。

本发明所提供的用于氮化镓外延生长的衬底材料的制备方法，其特征在于刻蚀独立硅岛的中心区域下的部分绝缘埋层和衬底硅包含以下几个步骤：

(1)正面硅岛及硅岛间露出的绝缘埋层全部以光刻胶进行保护。

(2)结合双面对准工艺，利用光刻技术使光刻胶在衬底硅的背面形成刻蚀图形，覆盖光刻胶的部分以光刻胶作为刻蚀保护；未覆盖光刻胶的部分将被刻蚀。

(3)使用反应离子刻蚀或各向异性湿法腐蚀或二者结合的方法，从背面对衬底硅进行腐蚀，以绝缘埋层作为腐蚀自停止层。

(4)用各向同性湿法腐蚀的方法从背面将露出的绝缘埋层腐蚀掉。

本发明所得的中心悬空的顶层硅岛的GaN外延生长提供了超薄衬底，能有效减少异质外延的应力，提高外延生长GaN晶体的质量。

附图说明

图1为本发明涉及的绝缘体上的硅材料(SOI)或具有单晶硅-绝缘埋层-单晶硅的三层复合结构的衬底材料。

图1中，1为顶层单晶硅，2为绝缘埋层，3为衬底单晶硅。

图2为本发明提供的用于氮化镓外延生长的衬底材料。(A)为剖面图，(B)为俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例的描述，进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，

实施例1：

采用4英寸SOI圆片，顶层硅的厚度为10μm，绝缘的SiO₂埋层厚度为1μm。

1、采用光刻和反应离子刻蚀的方法把顶层硅刻蚀成300μm×300μm的正方形硅岛。

2、正面硅岛以及硅岛间露出的绝缘埋层全部以光刻胶进行保护。

3、结合双面对准工艺，利用光刻技术使光刻胶在衬底硅的背面形成需刻蚀的图形，覆盖光刻胶的部分以光刻胶作为保护，不被刻蚀；未覆盖光刻胶的部分是需要刻蚀掉的区域，需要刻蚀的区域面积占独立硅岛面积的90％。

4、使用反应离子刻蚀的方法，从背面对衬底硅进行腐蚀，以绝缘埋层作为腐蚀自停止层。

5、用各向同性湿法腐蚀液从背面将露出的绝缘埋层腐蚀掉，使顶层硅岛中心悬空。

6、去除两面的光刻胶，并以去离子水清洗后可得到能用于外延生长GaN的超薄衬底材料。

本实施例所制得的衬底材料如图2所示。图2(A)中1为顶层单晶硅上形成的独立硅岛，2为保留的绝缘埋层，3为保留的衬底硅；(B)中点状图案区域为独立硅岛的边缘区域，这一区域由未被刻蚀的绝缘埋层和衬底硅所支撑，黑色区域为顶层单晶硅经刻蚀后形成于独立硅岛之间的绝缘埋层，S₁为顶层独立硅岛的面积(即S₂与周围点状图案区域的面积之和)，S₂为顶层独立硅岛中心区域的悬空面积。

实施例2：

采用各向异性湿法腐蚀从背面对SOI衬底硅进行腐蚀，将硅岛中心所对应80％区域的衬底硅腐蚀掉，其余均同实施例1。

实施例3：

硅岛刻为六边形，绝缘埋层为氮化硅或氮化铝，其余均同实施例1。

Claims (7)

1.一种用于氮化镓外延生长的衬底材料，其特征在于：在绝缘体上的硅材料或具有单晶硅-绝缘埋层-单晶硅的三层复合结构的材料上，顶层硅被刻蚀成一个个独立的硅岛，且独立硅岛的中心区域下的衬底硅和绝缘埋层被全部刻蚀掉，使独立硅岛的中心区域悬空；而独立硅岛的边缘区域则由绝缘埋层和衬底硅支撑。

2.按权利要求1所述的用于氮化镓外延生长的衬底材料，其特征在于独立硅岛的厚度在10nm～10μm之间；绝缘埋层的厚度在50nm～5μm之间。

3.按权利要求1和2所述的用于氮化镓外延生长的衬底材料，其特征在于所述的硅岛之间的最小距离应大于外延氮化镓厚度的两倍。

4.按权利要求1所述的用于氮化镓外延生长的衬底材料，其特征在于所述独立硅岛为长方形、菱形、六边形或圆形。

5.按权利要求1所述的用于氮化镓外延生长的衬底材料，其特征在于所述绝缘埋层为二氧化硅、氮化硅或氮化铝。

6.按权利要求1所述的用于氮化镓外延生长的衬底材料，其特征在于独立硅岛中心悬空区域的面积S₂大于独立硅岛面积S₁的70％，而小于独立硅岛面积的90％。

7.制备如权利要求1、2、4、5或6中任一项所述的用于氮化镓外延生长的衬底材料的方法，其特征在于刻蚀独立硅岛的中心区域下的部分绝缘埋层和衬底硅包含以下几个步骤：

(1)正面硅岛及硅岛间露出的绝缘埋层全部以光刻胶进行保护。

(2)结合双面对准工艺，利用光刻技术使光刻胶在衬底硅的背面形成刻蚀图形，覆盖光刻胶的部分以光刻胶作为刻蚀保护；未覆盖光刻胶的部分将被刻蚀。

(3)使用反应离子刻蚀或各向异性湿法腐蚀或二者结合的方法，从背面对衬底硅进行腐蚀，以绝缘埋层作为腐蚀自停止层。

(4)用各向同性湿法腐蚀的方法从背面将露出的绝缘埋层腐蚀掉。

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