專利名稱：用于氮化鎵外延生長的襯底材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于氮化鎵外延生長的超薄襯底材料及其制備方法，屬
于GaN外延生長領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氮化鎵是一種具有寬帶隙(3.4到6.2電子伏特)的半導(dǎo)體材料。利用 GaN半導(dǎo)體材料寬禁帶、激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)可以開發(fā)許多新的光電應(yīng)用產(chǎn) 品。其中高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體管是當(dāng)前半導(dǎo)體器件制造行業(yè) 最為感興趣和關(guān)注的三個GaN器件市場。目前器件量級的GaN基材料通常 都是生長在藍(lán)寶石或SiC襯底上，但是藍(lán)寶石是絕緣的，硬度高且導(dǎo)電導(dǎo)熱 性差，使其器件使用功率受限，而SiC的高成本使得器件生產(chǎn)成本大幅上升。 相對藍(lán)寶石和SiC而言，Si材料具有低成本，大面積，高質(zhì)量，導(dǎo)電導(dǎo)熱性 能好等優(yōu)點(diǎn)，且硅工藝技術(shù)成熟，Si襯底上生長GaN薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子 和微電子的集成，因此Si襯底上生長GaN薄膜的研究受到廣泛的關(guān)注。然 而以Si為襯底的GaN基材料生長還存在重大難題如GaN外延層與Si襯 底之間巨大的晶格失配使得GaN外延層中產(chǎn)生大量的位錯和內(nèi)應(yīng)力；最為 嚴(yán)重的問題是GaN與Si的熱膨脹系數(shù)存在很大的差異(達(dá)57%),這導(dǎo)致 從生長溫度降至室溫時在GaN外延膜中產(chǎn)生巨大的張應(yīng)力，從而引起GaN 外延片的龜裂。因此，以Si材料為襯底進(jìn)行GaN的制備是一項(xiàng)非常具有挑 戰(zhàn)性的工作。
在Si基GaN材料迅速發(fā)展之際，人們很自然會把目光投向絕緣體上的 硅(Silicon On Insulator)——它被譽(yù)為21世紀(jì)的微電子材料，以其優(yōu)異的電學(xué)
性能得到人們的重視。近些年來，SOI材料作為一種相對柔性的襯底材料也 越來越引起研究人員的興趣。 一般理論認(rèn)為由晶格常數(shù)失配在外延層中引入 的內(nèi)應(yīng)力與襯底厚度成正比，這樣在其特殊的頂層硅-絕緣埋層-襯底硅結(jié)構(gòu) 中，以超薄頂層硅作為生長襯底對外延原子層的束縛就遠(yuǎn)小于體硅襯底，因 此更多的應(yīng)力將通過頂層硅和外延層的界面上通過滑移釋放，從而在一定程 度上抑制由于晶格失配等原因?qū)е碌娜毕?，提高外延晶體的質(zhì)量。 一些研究
機(jī)構(gòu)已經(jīng)在這方面進(jìn)行了初步嘗試，結(jié)果表明SOI基的GaN材料晶體質(zhì)量 優(yōu)于體硅基的GaN材料。但是，由于SOI結(jié)構(gòu)中多了一層SK)2，它的熱膨 脹系數(shù)不足硅的1/6，會在多層膜結(jié)構(gòu)中引入較大的熱失配使得GaN層的熱 應(yīng)力較大，影響其晶體質(zhì)量。所以，如何更為有效的降低GaN層的熱應(yīng)力 是一個很重要的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于GaN外延生長的襯底材料及制作方法， 所涉及的襯底材料是在SOI材料，或者在具有類似SOI的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的襯 底基礎(chǔ)上，例如單晶硅一絕緣埋層一單晶硅的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料上，采用 微電子工藝加工得到的超薄襯底材料，通過將頂層硅劃分成獨(dú)立硅島并且使 硅島中心部分懸空，達(dá)到釋放外延層熱應(yīng)力的目的。
本發(fā)明所涉及的超薄襯底材料，是以單晶硅圓片為基礎(chǔ)的一種襯底，相 對于藍(lán)寶石和碳化硅，這種單晶硅襯底價格更低廉。本發(fā)明所述的超薄襯底， 頂層硅被刻蝕成一個個獨(dú)立的硅島，硅島之間的最小距離大于外延GaN厚 度的兩倍，這使得GaN的外延在一個個面積較小的硅島上進(jìn)行，大大降低 外延層的應(yīng)力。獨(dú)立硅島的中心區(qū)域下的襯底硅和絕緣埋層也被全部刻蝕 掉，使得每個獨(dú)立硅島都成為一個中心懸空而邊緣由未被刻蝕的絕緣埋層和 襯底硅支撐的薄膜，這樣硅島與絕緣埋層的接觸面積大為減小，在獨(dú)立硅島 的中心懸空區(qū)域內(nèi)能有效降低多層膜結(jié)構(gòu)的熱失配，從而降低獨(dú)立硅島上外 延GaN的熱應(yīng)力。初步的模擬結(jié)果表明，本發(fā)明所涉及的這種襯底材料能
使外延GaN層的熱應(yīng)力減小50%。由此可見，本發(fā)明提供的一種用于GaN 外延生長的襯底材料，包括絕緣體上的硅材料，或具有單晶硅一絕緣埋層一 單晶硅的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)襯底材料(如圖1所示)，其特征在于頂層硅被刻 蝕成一個個獨(dú)立的硅島；獨(dú)立硅島的中心區(qū)域下的襯底硅和絕緣埋層被全部 刻蝕掉，使得獨(dú)立硅島的中心區(qū)域懸空，而獨(dú)立硅島的邊緣區(qū)域則由絕緣埋 層和襯底硅支撐。所述的絕緣埋層為二氧化硅，氮化硅或氮化鋁；所述的獨(dú) 立硅島為長方形，菱形，六邊形或圓形，且硅島的厚度在10nm 10um之間； 絕緣埋層的厚度在50nm~5 w m之間?？紤]到橫向生長會使外延GaN層連成 一體，不利于應(yīng)力的釋放，所以硅島間的最小距離要大于GaN外延厚度的 兩倍，以使硅島上的外延層能彼此獨(dú)立地生長，例如，如果設(shè)計(jì)GaN外延 層厚度為2um，那么在制備襯底時，硅島之間的距離就應(yīng)該大于4^n。獨(dú) 立硅島中心懸空面積S2大于獨(dú)立硅島面積S,的70。/。，而小于90%。 S2大于 獨(dú)立硅島面積S,的70%是為了盡可能的減小獨(dú)立硅島與絕緣埋層的接觸面 積，從而有效地減少絕緣埋層及襯底硅在多層膜結(jié)構(gòu)中引入的熱失配，進(jìn)而 降低外延GaN層中的熱應(yīng)力；而懸空面積S2小于獨(dú)立硅島面積S,的90%這 一條件是考慮到雖然懸空面積越大越有利于減小外延層熱應(yīng)力，但是懸空面 積太大將會使獨(dú)立硅島塌陷。
本發(fā)明所提供的用于氮化鎵外延生長的襯底材料的制備方法，其特征在 于刻蝕獨(dú)立硅島的中心區(qū)域下的部分絕緣埋層和襯底硅包含以下幾個步驟
(1) 正面硅島及硅島間露出的絕緣埋層全部以光刻膠進(jìn)行保護(hù)。
(2) 結(jié)合雙面對準(zhǔn)工藝，利用光刻技術(shù)使光刻膠在襯底硅的背面形成 刻蝕圖形，覆蓋光刻膠的部分以光刻膠作為刻蝕保護(hù)；未覆蓋光刻膠的部分 將被刻蝕。
(3) 使用反應(yīng)離子刻蝕或各向異性濕法腐蝕或二者結(jié)合的方法，從背 面對襯底硅進(jìn)行腐蝕，以絕緣埋層作為腐蝕自停止層。
(4) 用各向同性濕法腐蝕的方法從背面將露出的絕緣埋層腐蝕掉。 本發(fā)明所得的中心懸空的頂層硅島的GaN外延生長提供了超薄襯底，
能有效減少異質(zhì)外延的應(yīng)力，提高外延生長GaN晶體的質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明涉及的絕緣體上的硅材料(SOI)或具有單晶硅一絕緣埋 層一單晶硅的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的襯底材料。
圖l中，l為頂層單晶硅，2為絕緣埋層，3為襯底單晶硅。 圖2為本發(fā)明提供的用于氮化鎵外延生長的襯底材料。(A)為剖面圖， (B)為俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例的描述，進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)
步，
實(shí)施例1:
采用4英寸SOI圓片，頂層硅的厚度為10um，絕緣的Si02埋層厚度 為1 " m。
1、 采用光刻和反應(yīng)離子刻蝕的方法把頂層硅刻蝕成300li mX 300 u m 的正方形硅島。
2、 正面硅島以及硅島間露出的絕緣埋層全部以光刻膠進(jìn)行保護(hù)。
3、 結(jié)合雙面對準(zhǔn)工藝，利用光刻技術(shù)使光刻膠在襯底硅的背面形成需 刻蝕的圖形，覆蓋光刻膠的部分以光刻膠作為保護(hù)，不被刻蝕；未覆蓋光刻 膠的部分是需要刻蝕掉的區(qū)域，需要刻蝕的區(qū)域面積占獨(dú)立硅島面積的 90%。
4、 使用反應(yīng)離子刻蝕的方法，從背面對襯底硅進(jìn)行腐蝕，以絕緣埋層 作為腐蝕自停止層。
5、 用各向同性濕法腐蝕液從背面將露出的絕緣埋層腐蝕掉，使頂層硅 島中心懸空。
6、 去除兩面的光刻膠，并以去離子水清洗后可得到能用于外延生長GaN
的超薄襯底材料。
本實(shí)施例所制得的襯底材料如圖2所示。圖2 (A)中1為頂層單晶硅 上形成的獨(dú)立硅島，2為保留的絕緣埋層，3為保留的襯底硅；(B)中點(diǎn)狀 圖案區(qū)域?yàn)楠?dú)立硅島的邊緣區(qū)域，這一區(qū)域由未被刻蝕的絕緣埋層和襯底硅 所支撐，黑色區(qū)域?yàn)轫攲訂尉Ч杞?jīng)刻蝕后形成于獨(dú)立硅島之間的絕緣埋層，
Si為頂層獨(dú)立硅島的面積(即S2與周圍點(diǎn)狀圖案區(qū)域的面積之和)，S2為頂
層獨(dú)立硅島中心區(qū)域的懸空面積。
實(shí)施例2:
采用各向異性濕法腐蝕從背面對SOI襯底硅進(jìn)行腐蝕，將硅島中心所對 應(yīng)80%區(qū)域的襯底硅腐蝕掉，其余均同實(shí)施例l。
實(shí)施例3:
硅島刻為六邊形，絕緣埋層為氮化硅或氮化鋁，其余均同實(shí)施例l。
權(quán)利要求
1、一種用于氮化鎵外延生長的襯底材料，其特征在于在絕緣體上的硅材料或具有單晶硅-絕緣埋層-單晶硅的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料上，頂層硅被刻蝕成一個個獨(dú)立的硅島，且獨(dú)立硅島的中心區(qū)域下的襯底硅和絕緣埋層被全部刻蝕掉，使獨(dú)立硅島的中心區(qū)域懸空；而獨(dú)立硅島的邊緣區(qū)域則由絕緣埋層和襯底硅支撐。
2、 按權(quán)利要求1所述的用于氮化鎵外延生長的襯底材料，其特征在于 獨(dú)立硅島的厚度在10nm 10 U m之間；絕緣埋層的厚度在50nm~5 u m之間。
3、 按權(quán)利要求1和2所述的用于氮化鎵外延生長的襯底材料，其特征 在于所述的硅島之間的最小距離應(yīng)大于外延氮化鎵厚度的兩倍。
4、 按權(quán)利要求1所述的用于氮化鎵外延生長的襯底材料，其特征在于 所述獨(dú)立硅島為長方形、菱形、六邊形或圓形。
5、 按權(quán)利要求1所述的用于氮化鎵外延生長的襯底材料，其特征在于 所述絕緣埋層為二氧化硅、氮化硅或氮化鋁。
6、 按權(quán)利要求1所述的用于氮化鎵外延生長的襯底材料，其特征在于 獨(dú)立硅島中心懸空區(qū)域的面積S2大于獨(dú)立硅島面積S,的70%，而小于獨(dú)立 硅島面積的90%。
7、 制備如權(quán)利要求l、 2、 4、 5或6中任一項(xiàng)所述的用于氮化鎵外延生 長的襯底材料的方法，其特征在于刻蝕獨(dú)立硅島的中心區(qū)域下的部分絕緣埋 層和襯底硅包含以下幾個步驟-(1) 正面硅島及硅島間露出的絕緣埋層全部以光刻膠進(jìn)行保護(hù)。(2) 結(jié)合雙面對準(zhǔn)工藝，利用光刻技術(shù)使光刻膠在襯底硅的背面形成 刻蝕圖形，覆蓋光刻膠的部分以光刻膠作為刻蝕保護(hù)；未覆蓋光刻膠的部分 將被刻蝕。 (3) 使用反應(yīng)離子刻蝕或各向異性濕法腐蝕或二者結(jié)合的方法，從背 面對襯底硅進(jìn)行腐蝕，以絕緣埋層作為腐蝕自停止層。(4) 用各向同性濕法腐蝕的方法從背面將露出的絕緣埋層腐蝕掉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于氮化鎵外延生長的襯底材料及其制備方法，其特征在于(1)所述的材料為絕緣體上的硅材料(SOI)或具有單晶硅-絕緣埋層-單晶硅的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的襯底材料；(2)頂層的硅被刻蝕成一個個獨(dú)立的硅島；硅島之間的最小距離要大于外延氮化鎵厚度的兩倍；且獨(dú)立硅島的中心區(qū)域下的襯底硅和絕緣埋層被全部刻蝕掉，而其它部分的襯底硅和絕緣埋層給予保留，從而獨(dú)立硅島的中心區(qū)域懸空，懸空面積S₂大于獨(dú)立硅島面積S₁的70％，而小于90％。本發(fā)明所得到的中心懸空的頂層硅島為氮化鎵外延生長提供了超薄襯底，能有效減少異質(zhì)外延的應(yīng)力，提高外延生長氮化鎵的晶體質(zhì)量。
文檔編號H01L33/00GK101106161SQ200710043618
公開日2008年1月16日 申請日期2007年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月10日
發(fā)明者孫佳胤, 欣 歐, 武愛民, 曦 王, 靜 陳 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所