半導體器件外延生長的隱形結構襯底制造技術

本發明專利技術公開了一種半導體器件外延生長的隱形結構襯底，解決目前存在的外延生長中應力場問題。本發明專利技術在Si、藍寶石、SiC的III-V或者II-VI半導體器件襯底，對常規襯底進行定位定點地處理，對外延襯底或者外延結構層的物理化學性能進行處理和改善，使襯底的發生物理或者化學性能的改變，為襯底內部包含密度、晶格常數、晶相、熱膨脹系數和楊氏模量中一種或一種以上任意組合的材料性能改變介質層所述的隱形結構襯底。通過本發明專利技術，隱形結構襯底為質異外延器件生長的應力場問題提供可行性的解決方案，為制備高質量和高性能半導體器件奠定基礎。

【技術實現步驟摘要】
半導體器件外延生長的隱形結構襯底
本專利技術屬于半導體制造
，具體涉及一種用于半導體器件外延生長的新型襯底結構。
技術介紹
近年來，以Si、藍寶石、SiC為襯底的半導體器件研究備受科研工作者的關注，在部分領域取得重大突破及產業化的應用。例如以GaN、InGaN、AlGaN為主的III-V氮化物最為典型的例子，其連續可變的直接帶隙，優異的物理化學性能，高飽和電子遷移率等特性， 使其成為發光二極管，激光器，功率器件等光電子器件的優選材料。然而，GaN的單晶制備條件要求高，產業化比較困難，與GaN外延生長相匹配的材料還沒有找到。目前，GaN —般是以Si、藍寶石、SiC為襯底的異質外延器件制備，但是GaN 與這三種襯底存在著不同程度的晶格和熱膨脹失配。例如，與Si的晶格和熱脹失配分別為-16. 96%和3. 9%，與藍寶石的分別為13. 9%和8. 5%等。如此大的晶格和熱膨脹系數失配使GaN在外延器 件過程中產生巨大的應力場，從而影響器件性能，例如LED的有源區的缺陷密度大，形成非輻射復合中心，降低內量子效率等。其次，應力場使器件出現彎曲或者斷裂等不良的現象。因此，解決異質外延中生產的應力場成為提高GaN器件性能的關鍵問題。 目前，很多生長技術用于異質或者同質外延生長過程產生應力場的釋放。例如側向外延生長，緩沖插入層，超晶格交替生長層，應力補償層，摻雜生長和變條件生長等技術。這些生長技術在一定程度上減弱了應力場對器件等制備的影響。然而，這些技術的共同特征都是在生長過程中通過改變生長工藝參數(溫度、時間、流量、壓強等)進行調節應力場。這些傳統應力調節的方法在某些領域的器件制備滿足了產業應用的要求，但由于通過調節傳統的應力調節只能部分釋放應力，不能更有效或者完全地進行應力釋放，在某些領域因無法完全消除應力場而滿足不了應用或者高性能的制備要求。一些用于異質外延的應力釋放的技術仍然處于探索過程。
技術實現思路
本專利技術的目地在于針對現有技術存在的不足，提供一種本專利技術目的是基于現有的應力釋放調節技術基礎上，突破傳統工藝調節的思維，以全新的思路來解決目前存在的外延生長中應力場問題。為達到上述目的，本專利技術采用以下方案一種半導體器件外延生長的隱形結構襯底，在外延生長過程中，不同材料的晶格失配和熱膨脹系數等會生產應力，其對外延生長產生不良的結果，為有效地釋放應力，在Si、藍寶石、SiC的III-V或者II-VI半導體器件襯底，借助激光、氣氛退火或者化學濕法對外延襯底或者外延結構層的表面或者內部的物理化學性能進行定位定點處理和改善，使襯底的表面或者內部(距離襯底上表面500nm到距離襯底下表面500nm之間)發生物理或者化學性能的改變，包括熱膨脹系數、化學鍵、晶格常數、晶相、楊氏模量形成性能改善的準介質層或者介質層，為襯底內部包含密度、晶格常數、晶相、熱膨脹系數和楊氏模量中一種或一種以上任意組合的材料性能改變介質層，所述隱形結構襯底包括單層材料、多層復合材料襯底、 周期性材料襯底、漸變襯底(熱膨脹系數或者楊氏模量的漸變的Si、藍寶石、SiC)，其具有位錯阻斷、偏轉、應力場釋放與互補等效果；利用激光、氣氛退火或者化學濕法對襯底進行物理或者化學腐蝕，使其形成中空的準介質層，實現阻斷或者緩沖應力場；或利用激光、氣氛退火或者化學濕法對襯底進行物理或者化學等方面的性能進行處理和改善，使其在材質等方面的性能發生改變，形成介質層，從而達到與應力釋放所要求匹配的性能。在其中一些實施例中，所述介質層為空氣隙，隱形結構襯底中的空氣隙準介質層性能根據外延層與襯底之間的實際性能進行設計和技術處理，空氣隙的厚度、大小，材質的形狀(三角形、梯形、矩形、正方形、多邊形等)、熱性能(熱膨脹系數)和力學性能(楊氏模量)。在其中一些實施例中，所述襯底中的材質性能改變包括介質層在襯底中的位置、 層數和性能，介質層在襯底中的位置位于表面或者內部(距離襯底上表面500nm到距離襯底下表面500nm之間)、層數(1-20層可變)、厚度、熱性能(熱膨脹系數)和力學性能(楊氏模量)。在其中一些實施例中，所述隱形結構襯底表面層存在空氣隙準介質層，而且襯底內部也存在空氣隙準介質層，所述隱形結構襯底的空氣隙準介質層的位置處于襯底表面或者襯底內部，其準介質層的層數是單層或者多層(1-20層)，排列可以是按規則或者準介質層的性能漸變(厚度、微觀形狀、熱膨脹系數、楊氏模量等)的規則排列。在其中一些實施例中，所述隱形結構襯底的空氣隙準介質層中的空氣隙的形狀 (三角形、梯形、矩形、正方形、多邊形等)、大小、密度、厚度特征是可變的；隱形結構襯底表面層存在空氣隙，襯底內部存在周期性地空氣隙準介質層，其周期性主要表現準介質層與本征襯底的規則相間排列。在其中一些實施例中，所述襯底通過技術處理，改變襯底某一位置，其位置位于襯底表面或者內部(距離襯底上表面500nm到距離襯底下表面500nm之間)，改變襯底該位置的密度、晶格系數，熱膨脹系數、化學鍵的物理化學性能，從而形成另一種介質層，其各介質層的物理和化學等結構性能的具體參數是根據計算或者實際需要進行設計和技術處理(激光、氣氛退火或者化學濕法)，最終形成另一類隱形結構襯底。在其中一些實施例中，直接在常規襯底上進行技術處理和改善，形成符合要求的隱形結構襯底，然后再進行器件制備應用在其中一些實施例中，先在常規襯底上生長一層外延層，然后進行對外延復合襯底進行加技術處理和改善，從而形成隱形襯底結構，然后進行器件制備應用。通過本專利技術，實現一種新型的隱形結構襯底，突破了傳統通過調節常規工藝來釋放應力場的思維。本專利技術的應用對象材料主要有Si、藍寶石、SiC等III-V或者II-VI半導體化合物。隱形結構襯底為質異外延器件生長的應力場問題提供可行性的解決方案，為制備高質量和高性能半導體器件奠定基礎。附圖說明圖I所示實施例的隱形結構襯底制備技術路線。圖2所不實施例的隱形結構襯底方案一。圖3所示實施例的隱形結構襯底方案二。圖4所示實施例的隱形結構襯底方案三。圖5所示實施例的隱形結構襯底方案四。圖6所示實施例的隱形結構襯底方案五。圖7所示實施例的隱形結構襯底方案六。具體實施方式為能進一步了解本專利技術的特征、技術手段以及所達到的具體目地、功能，解析本專利技術的優點與精神，藉由以下通過實施例對本專利技術做進一步的闡述。本專利技術實施例的效果圖參見附圖I、附圖2，本專利技術的隱形結構襯底，襯底內部包含密度、晶格常數、晶相、熱膨脹系數和楊氏模量中一種或一種以上任意組合的材料性能改變介質層。隱形結構襯底中的介質層可以為空氣隙；隱形結構襯底中的材質性能改變的介質層在襯底中的位置、層數和性能是可變的。隱形結構襯底的空氣隙準介質層的位置可以處于襯底表面或者襯底內部。其類介質層的層數可以是單層或者多層，排列可以是按規則或者不規則的排列。隱形結構襯底的空氣隙準介質層中的空氣隙的形狀、大小、密度、厚度等特征是可變的。隱形結構襯底中的材質性能改變的介質層的位置可以處于襯底表面或者襯底內部。其介質層的層數可以是單層或者多層，排列可以是按規則或者不規則的排列。 本專利技術提出借助某些技術對外延襯底或者外延結構層等物理化學等性能進行處理和改善，例如熱膨脹系數、化學鍵、晶格常數、晶相、楊氏模量等，從而形成性能發生本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種半導體器件外延生長的隱形結構襯底，在外延生長過程中，不同材料的晶格失配和熱膨脹系數等會生產應力，其對外延生長產生不良的結果，為有效地釋放應力，其特征在于，在Si、藍寶石、SiC的III?V或者II?VI半導體器件襯底，借助激光、氣氛退火或者化學濕法對外延襯底或者外延結構層的表面或者內部的物理化學性能進行定位定點處理和改善，使襯底的表面或者內部發生物理或者化學性能的改變，包括熱膨脹系數、化學鍵、晶格常數、晶相、楊氏模量形成性能改善的準介質層或者介質層，襯底內部包含密度、晶格常數、晶相、熱膨脹系數和楊氏模量中一種或一種以上組合的材料性能改變介質層，所述隱形結構襯底包括單層材料、多層復合材料襯底、周期性材料襯底、Si、藍寶石、SiC的III?V或者II?VI楊氏模量漸變的襯底，其具有位錯阻斷、偏轉、應力場釋放與互補效果；利用激光、氣氛退火或者化學濕法對襯底進行物理或者化學腐蝕，使其形成中空的準介質層，實現阻斷或者緩沖應力場；或利用激光、氣氛退火或者化學濕法對襯底進行物理或者化學等方面的性能進行處理和改善，使其在材質等方面的性能發生改變，形成介質層，從而達到與應力釋放所要求匹配的性能。

【技術特征摘要】
1.一種半導體器件外延生長的隱形結構襯底，在外延生長過程中，不同材料的晶格失配和熱膨脹系數等會生產應力，其對外延生長產生不良的結果，為有效地釋放應力，其特征在于，在Si、藍寶石、SiC的III-V或者II-VI半導體器件襯底，借助激光、氣氛退火或者化學濕法對外延襯底或者外延結構層的表面或者內部的物理化學性能進行定位定點處理和改善，使襯底的表面或者內部發生物理或者化學性能的改變，包括熱膨脹系數、化學鍵、晶格常數、晶相、楊氏模量形成性能改善的準介質層或者介質層，襯底內部包含密度、晶格常數、晶相、熱膨脹系數和楊氏模量中一種或一種以上組合的材料性能改變介質層，所述隱形結構襯底包括單層材料、多層復合材料襯底、周期性材料襯底、Si、藍寶石、SiC的III-V或者II-VI楊氏模量漸變的襯底，其具有位錯阻斷、偏轉、應力場釋放與互補效果； 利用激光、氣氛退火或者化學濕法對襯底進行物理或者化學腐蝕，使其形成中空的準介質層，實現阻斷或者緩沖應力場； 或利用激光、氣氛退火或者化學濕法對襯底進行物理或者化學等方面的性能進行處理和改善，使其在材質等方面的性能發生改變，形成介質層，從而達到與應力釋放所要求匹配的性能。2.根據權利要求I所述的半導體器件外延生長的隱形結構襯底，其特征在于，所述介質層為空氣隙，隱形結構襯底中的空氣隙準介質層性能根據外延層與襯底之間的實際性能進行設計和技術處理，包括空氣隙的厚度、大小、材質的形狀、熱性能或力學性能； 所述空氣隙的形狀是三角形、梯形、矩形、正方形、多邊形，所述空氣隙的熱性能是熱膨脹系數，所述空氣隙的力學性能是楊氏模量。3.根據權利要求I所述的半導體器件外延生長的隱形結構襯底，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅睿宏，梁智文，張國義，
申請(專利權)人：東莞市中鎵半導體科技有限公司，
類型：發明
國別省市：