一種制作氮化物外延層、自支撐襯底與器件的晶圓結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種制作氮化物外延層、自支撐襯底與器件的晶圓結(jié)構(gòu)，包括：初始襯底、設(shè)在初始襯底表面的氧化物犧牲層和設(shè)在氧化物犧牲層表面的氮化物外延層。本新型提供的晶圓結(jié)構(gòu)新穎，采用的犧牲層材料為即具有類(lèi)纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的氧化物，所選用的氧化物易于在化學(xué)溶液中分解，實(shí)現(xiàn)濕法刻蝕，為制作氮化物外延層、自支撐襯底或器件晶圓過(guò)程中所需的襯底剝離、襯底轉(zhuǎn)移和晶圓鍵合等工藝技術(shù)提供了有利條件，同時(shí)也保證了氮化物外延材料具有較高的晶體質(zhì)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種制作氮化物外延層、自支撐襯底與器件的晶圓結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種制作氮化物外延層、自支撐襯底與器件的晶圓結(jié)構(gòu)，屬于化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，以具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的氮化物(AlxInyGai_x_yN，O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)為代表的第三代化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品正進(jìn)入高速發(fā)展的階段:器件種類(lèi)不斷豐富，性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)價(jià)值不斷攀升。相比傳統(tǒng)的硅、砷化物等半導(dǎo)體材料，在高溫、高功率、高頻率、抗輻射和高能量轉(zhuǎn)換效率的應(yīng)用場(chǎng)合，有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。這些應(yīng)用場(chǎng)合包括半導(dǎo)體照明、信息顯示、電力生產(chǎn)與輸送、新能源汽車(chē)、航空航天、雷達(dá)、通訊等。使用氮化物制造的半導(dǎo)體器件可大致分為兩大類(lèi):光電晶件和電子器件。具體地，光電器件包括:發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光電探測(cè)器(PD)和太陽(yáng)能電池等；電子器件包括:肖特基二極管(SD)、高速電子迀移晶體管(HEMT)、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、異質(zhì)節(jié)雙極晶體管(HBT)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等。
[0003]制造氮化物器件晶圓，即晶圓級(jí)的光電或電子器件，首先要選擇合適的初始襯底，如藍(lán)寶石、硅、碳化硅等異質(zhì)襯底，或者如氮化鎵、氮化鋁同質(zhì)襯底。然后使用氮化物外延生長(zhǎng)方法在襯底上進(jìn)行氮化物材料的外延層生長(zhǎng)與器件晶圓生長(zhǎng)，此后進(jìn)行器件晶圓加工，得到分離的半導(dǎo)體器件單元。常見(jiàn)的外延生長(zhǎng)方法包括:有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)、射頻磁控濺射(RF-MS)等。
[0004]目前，選擇同質(zhì)襯底進(jìn)行外延生長(zhǎng)得到的氮化物薄膜材料晶體質(zhì)量較高，相應(yīng)的器件性能與可靠性也較高。但是，同質(zhì)襯底的成本要高出異質(zhì)襯底很多。
[0005]這主要是由于加工同質(zhì)襯底的成本高、良率和產(chǎn)能較低造成的。以GaN自支撐襯底為例，目前主要采用HVPE方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)厚膜(300-500 μm)來(lái)實(shí)現(xiàn)。HVPE生長(zhǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)能不高，同時(shí)還需要采用激光剝離或自剝離等方法實(shí)現(xiàn)GaN厚膜和藍(lán)寶石襯底的分離，而剝離工藝一直是掣肘良率的瓶頸問(wèn)題。
[0006]因此，可以看到，如果在制造GaN自支撐襯底的工藝中，采用某種材料的犧牲層置于藍(lán)寶石和GaN厚薄之間，便可提高剝離良率，降低GaN襯底的成本。當(dāng)然，該犧牲層材料的加入不應(yīng)破壞GaN外延厚膜的晶體質(zhì)量，同時(shí)易于在化學(xué)溶劑中溶解，通過(guò)濕法刻蝕方便實(shí)現(xiàn)化學(xué)剝離。
[0007]不僅如此，當(dāng)采用同質(zhì)襯底制作氮化物外延層、氮化物器件晶圓時(shí)，如果能同樣地在同質(zhì)襯底和外延材料之間插入一層犧牲層，既保證外延材料的晶體質(zhì)量，又能方便地實(shí)現(xiàn)化學(xué)剝離，那么就能實(shí)現(xiàn)同質(zhì)襯底的循環(huán)使用，這樣將大大降低氮化物外延層、氮化物器件晶圓的成本。
[0008]另一方面，實(shí)現(xiàn)氮化物外延層與初始襯底的分離也是氮化物晶圓器件晶圓的需要。因?yàn)椋r底剝離、襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)是氮化物器件晶圓的制造、加工過(guò)程中的常用手段，同時(shí)也與器件晶圓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能表現(xiàn)密不可分。
[0009]以氮化物光電器件LED為例，目前業(yè)界多采用在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行氮化物外延生長(zhǎng)，通常制作的器件結(jié)構(gòu)為正裝芯片結(jié)構(gòu)。這種芯片結(jié)構(gòu)的p、n電極都從器件的上方引出，由于η型氮化物在底層，所以需要使用干法刻蝕制作臺(tái)階露出η型層。這種結(jié)構(gòu)不僅增加了光照和刻蝕工藝的次數(shù)，增加了成本，而且由于工作電流是水平傳輸?shù)模瑢?duì)于電流密度較大的情形，會(huì)出現(xiàn)“電流擁擠效應(yīng)”的問(wèn)題，給器件的性能表現(xiàn)和可靠性帶來(lái)負(fù)面影響。
[0010]因此，垂直結(jié)構(gòu)的LED器件是一個(gè)很好的選擇。然而，藍(lán)寶石卻無(wú)法通過(guò)摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。所以，實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)LED要求藍(lán)寶石襯底能夠被剝離、去掉。目前，大多采用激光剝離的方法實(shí)現(xiàn)氮化物L(fēng)ED器件與襯底的分離，與制作GaN襯底的情況相同，采用激光剝離方法存在可操作性差、良率低、設(shè)備昂貴的問(wèn)題。倘若能在氮化物L(fēng)ED器件與襯底之間插入一層過(guò)渡的中間層，即犧牲層，便可簡(jiǎn)化剝離過(guò)程，降低成本。
[0011]上述犧牲層的設(shè)計(jì)對(duì)于電子器件的制作也是很有意義的。比如HEMT器件，目前采用SiC或Si襯底作為初始襯底的情況較多，一般而言，在SiC襯底上進(jìn)行氮化物外延層或器件生長(zhǎng)的晶體質(zhì)量高，器件性能更好；而在Si襯底上的成本低，但晶體質(zhì)量和性能相對(duì)較差。當(dāng)然，如果選用GaN同質(zhì)襯底，HEMT器件的性能可能會(huì)更加優(yōu)異。因此，如果在初始襯底和外延層之間插入犧牲層，則可以通過(guò)襯底剝離、襯底鍵合與襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)使成本較高的SiC、GaN襯底可以循環(huán)使用，降低成本，而同時(shí)保證較高的器件性能。類(lèi)似地，在制作MEMS器件時(shí)，也會(huì)經(jīng)常使用到襯底剝離、鍵合和轉(zhuǎn)移工藝技術(shù)，此處不再詳細(xì)舉例。
[0012]歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮镋P1930486A1的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種采用金屬氮化物為犧牲層來(lái)制作半導(dǎo)體襯底的方法。該方法在使用HVPE、MOCVD, MBE等生長(zhǎng)技術(shù)制作GaN等襯底時(shí)，通過(guò)插入一層或多層Fe2N、CrN, MoN, TaN, NbN, TiN, CuN等金屬氮化物作為剝離層或犧牲層，來(lái)實(shí)現(xiàn)襯底的化學(xué)剝離。
[0013]據(jù)文獻(xiàn)Applied Physics Letters 91, 071120 (2007)報(bào)道，D.J.Rogers 等人米用ZnO薄膜材料作為犧牲層插入在藍(lán)寶石襯底和GaN外延層之間，成功地生長(zhǎng)了具有較高晶體質(zhì)量的GaN外延層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了外延層與藍(lán)寶石襯底間的化學(xué)剝離。由于ZnO和GaN均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，并具有較小的晶格常數(shù)(1.8% )和熱膨脹系數(shù)的差異，因此在ZnO薄膜上外延生長(zhǎng)GaN具有較高的晶體質(zhì)量。此外，ZnO易于在酸、堿溶解中腐蝕、分解，因而可以實(shí)現(xiàn)有效的化學(xué)剝離。
[0014]美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?009/007548IAl的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種采用ZnO或MgxZn1^xO(0<x ^ I)作為緩沖層和剝離層來(lái)進(jìn)行氮化物襯底制備的方法。在使用MOCVD或HVPE生長(zhǎng)完氮化物襯底后，通過(guò)酸溶液對(duì)ZnO或MgxZrvxO (0〈x ( I)的濕法刻蝕實(shí)現(xiàn)氮化物襯底與初始襯底的分離。
[0015]法國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮镕R2978601A1的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種在GaN襯底上生長(zhǎng)ZnO或CrN或3102或Ga2O3薄膜作為犧牲層制作氮化物外延層、氮化物襯底和氮化物L(fēng)ED器件的方法。其中，犧牲層通過(guò)MOCVD或PLD方法制備；而對(duì)于剝離工藝完成后較薄的氮化物L(fēng)ED器件晶圓，則通過(guò)Ge或Si或Cu等導(dǎo)電襯底實(shí)現(xiàn)承接。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0016]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種制作氮化物外延層、自支撐襯底與器件的晶圓結(jié)構(gòu)。
[0017]本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:一種制作氮化物外延層、自支撐襯底與器件的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括:初始襯底、設(shè)在初始襯底表面的氧化物犧牲層和設(shè)在氧化物犧牲層表面的氮化物外延層。
[0018]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還可以做如下改進(jìn)。
[0019]進(jìn)一步，所述氧化物犧牲層的材質(zhì)為單晶材料LiGa02、LiA102、NaA12> NaGaO2>AgGaO2, Li2S13' Li2GeO3' Na2S13' Na2GeO3> Li3PO4' Li3AsO4, Li3VO4' ScAlMgO4中的至少一種，或兩種以上單晶材料的固溶體中的至少一種。
[0020]進(jìn)一步，所述氧化物犧牲層由LiAlO2單晶薄膜和LiGaO2單晶薄膜組成，所述LiAlO2單晶薄膜設(shè)在初始襯底的表面，所述LiGaO 2單晶薄膜設(shè)在LiAlO 2單晶薄膜的表面；
[0021]所述氮化物外延層由AlN緩沖層和GaN厚膜層組成，所述AlN緩沖層設(shè)在LiGaO2單晶薄膜的表面，所述GaN厚膜層設(shè)在AlN緩沖層的表面。
[0022]進(jìn)一步，所述氮化物外延層從下至上依次由n-AlQ.3GaQ.7N緩沖層、η-GaN電子注入層、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)、p_GaN空穴注入層，所述I1-Ala3Gaa7N緩沖層設(shè)在氧化物犧牲層的表面；
[0023]所述氧化物犧牲層為1^6&02單晶薄膜；
[0024]所述晶圓結(jié)構(gòu)還包括:p型歐姆接觸層和金屬銅襯底，所述P型歐姆接觸層設(shè)在P-GaN空穴注入層的表面，所述金屬銅襯底設(shè)在P型歐姆接觸層的表面。
[0025]進(jìn)一步，所述氮化物外延層從下至上依次由AlN成核層、GaN緩沖層、AlN中間層和Alci 3Gatl 7N層組成，所述AlN成核層設(shè)在氧化物犧牲層的表面；
[0026]所述氧化物犧牲層為NaGaO2單晶薄膜。
[0027]進(jìn)一步，上述晶圓結(jié)構(gòu)，所述初始襯底為6H_SiC、S1、藍(lán)寶石、A1N、InN、GaN或4H-SiCo
[0028]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0029]本新型提供的晶圓結(jié)構(gòu)新穎，采用的犧牲層材料為即具有類(lèi)纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的氧化物，所選用的氧化物易于在化學(xué)溶液中分解，實(shí)現(xiàn)濕法刻蝕，為制作氮化物外延層、自支撐襯底或器件晶圓過(guò)程中所需的襯底剝離、襯底轉(zhuǎn)移和晶圓鍵合等工藝技術(shù)提供了有利條件，同時(shí)也保證了氮化物外延材料具有較高的晶體質(zhì)量。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為實(shí)施例1提供的晶圓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為實(shí)施例2提供的晶圓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3為實(shí)施例3提供的晶圓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4為實(shí)施例4提供的晶圓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下:
[0035]100、初始襯底；
[0036]200、氧化物犧牲層，201、LiAlO2單晶薄膜，202、LiGaO 2單晶薄膜；
[0037]300、氮化物外延層，301、AlN緩沖層，302、GaN厚膜層，303、n_AlQ.3Ga0.7N緩沖層，304、η-GaN電子注入層，305、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)，306、p-GaN空穴注入層，307、AlN成核層，308、GaN 緩沖層，309、AlN 中間層，310、Al。.3Ga0.7N 層；
[0038]400、p型歐姆接觸層；
[0039]500、金屬銅襯底；

【具體實(shí)施方式】
[0040]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本實(shí)用新型，并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。
[0041]實(shí)施例1
[0042]如圖1所示，一種制作氮化物外延層、自支撐襯底與器件的晶圓結(jié)構(gòu)，包括:初始襯底100、設(shè)在初始襯底100表面的氧化物犧牲層200和設(shè)在氧化物犧牲層200表面的氮化物外延層300。
[0043]實(shí)施例2
[0044]如圖2所示，一種制作氮化物自支撐襯底的晶圓結(jié)構(gòu)，包括:初始襯底100、設(shè)在初始襯底100表面的氧化物犧牲層200和設(shè)在氧化物犧牲層200表面的氮化物外延層300，
[0045]其中，所述初始襯底100為6H_SiC ；
[0046]所述氧化物犧牲層200由1^么102單晶薄膜201和LiGaO 2單晶薄膜202組成，所述1^八102單晶薄膜201設(shè)在6H-SiC的表面，所述LiGaO 2單晶薄膜202設(shè)在LiAlO 2單晶薄膜201的表面；
[0047]所述氮化物外延層300由AlN緩沖層301和GaN厚膜層302組成，所述AlN緩沖層301設(shè)在LiGaO^晶薄膜202的表面，所述GaN厚膜層302設(shè)在AlN緩沖層301的表面。
[0048]實(shí)施例3
[0049]如圖3所示，一種制作氮化物L(fēng)ED外延片器件的晶圓結(jié)構(gòu)，包括:初始襯底100、設(shè)在初始襯底100表面的氧化物犧牲層200、設(shè)在氧化物犧牲層200表面的氮化物外延層300，設(shè)在氮化物外延層300表面的P型歐姆接觸層400和設(shè)在P型歐姆接觸層400表面的金屬銅襯底500，
[0050]其中，所述初始襯底100為GaN ；
[0051]所述氧化物犧牲層200為1^6&02單晶薄膜；
[0052]所述氮化物外延層300從下至上依次由n-AlQ.3GaQ.7N緩沖層303、n_GaN電子注入層304、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)305、p-GaN空穴注入層306，所述n-AlQ.3GaQ.7N緩沖層303設(shè)在LiGaO2單晶薄膜的表面。
[0053]實(shí)施例4
[0054]如圖4所示，一種制作氮化物HEMT外延片器件的晶圓結(jié)構(gòu)，包括:初始襯底100、設(shè)在初始襯底100表面的氧化物犧牲層200和設(shè)在氧化物犧牲層200表面的氮化物外延層300，
[0055]其中，所述初始襯底100為4H_SiC，
[0056]所述氧化物犧牲層200為NaGaO2單晶薄膜，
[0057]所述氮化物外延層300從下至上依次由AlN成核層307、GaN緩沖層308、A1N中間層309和Ala3Gaa7N層310組成，所述AlN成核層307設(shè)在NaGaO2單晶薄膜的表面。
[0058]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種制作氮化物外延層、自支撐襯底與器件的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括:初始襯底、設(shè)在初始襯底表面的氧化物犧牲層和設(shè)在氧化物犧牲層表面的氮化物外延層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氧化物犧牲層由LiAlO2單晶薄膜和LiGaO2單晶薄膜組成，所述LiAlO 2單晶薄膜設(shè)在初始襯底的表面，所述LiGaO 2單晶薄膜設(shè)在LiAlO2單晶薄膜的表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化物外延層由AlN緩沖層和GaN厚膜層組成，所述AlN緩沖層設(shè)在LiGaO2單晶薄膜的表面，所述GaN厚膜層設(shè)在AlN緩沖層的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化物外延層從下至上依次由n-Al0.3Ga0.7N緩沖層、n_GaN電子注入層、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)、p_GaN空穴注入層，所述I1-Ala3Gaa7N緩沖層設(shè)在氧化物犧牲層的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氧化物犧牲層為L(zhǎng)iGaO2單晶薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括:p型歐姆接觸層和金屬銅襯底，所述P型歐姆接觸層設(shè)在P-GaN空穴注入層的表面，所述金屬銅襯底設(shè)在P型歐姆接觸層的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化物外延層從下至上依次由AlN成核層、GaN緩沖層、AlN中間層和Alci 3Gatl 7N層組成，所述AlN成核層設(shè)在氧化物犧牲層的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氧化物犧牲層為NaGaO2單晶薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述的晶圓結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述初始襯底為6H-SiC、S1、藍(lán)寶石、A1N、InN, GaN 或 4H_SiC。
【文檔編號(hào)】H01L33/12GK204216065SQ201420690058
【公開(kāi)日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】馬亮, 胡兵, 裴曉將, 李金權(quán), 劉素娟 申請(qǐng)人:北京中科天順信息技術(shù)有限公司