專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大面積自支撐寬禁帶半導(dǎo)體材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體材料、器件制作技術(shù)，具體的說(shuō)是一種大面積、自支撐的寬禁帶半導(dǎo)體材料制作方法，可用于進(jìn)行炭化硅SiC、氮化鎵GaN等薄膜材料的制作。
背景技術(shù)：
近年來(lái)以SiC、GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料由于具有大禁帶寬度、高臨界場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和速率、異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣濃度高等優(yōu)良特性，使其受到了人們廣泛的關(guān)注。在理論上，利用這些材料制作的高電子遷移率晶體管HEMT、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT、發(fā)光二極管LED、激光二極管LD等器件將具有現(xiàn)有器件無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了廣泛而深入的研究并相繼取得了令人矚目的成果。
然而，目前第三代寬禁帶半導(dǎo)體材和相關(guān)器件面臨的一個(gè)重大障礙就是沒(méi)有天然的單晶材料，難以人工制備獲得高質(zhì)量、大尺寸的單晶材料。與此同時(shí)，隨著以第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的大功率器件以及微波功率器件的集成度、功率密度越來(lái)越高，其散熱問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)襯底的尺寸、散熱能力、絕緣性能的要求越來(lái)越苛刻。
以GaN材料為例。80年代末Nakamura等人提出了利用二步法在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)GaN材料的方案，參見(jiàn)Nakamura S.GaN Growth UsingGaN Buffer Lager.Jpn.J Appl Phys.30(10)，L 1705～L 1707，1991。該方案是在藍(lán)寶石襯底上首先生長(zhǎng)一層GaN緩沖層，以降低由藍(lán)寶石與GaN晶格失配所引起的高缺陷密度，然后在緩沖層上再生長(zhǎng)GaN材料。該方案雖然能夠獲得比采用單步工藝質(zhì)量更好的GaN材料，但是由于GaN材料(0001)生長(zhǎng)面與藍(lán)寶石襯底(0001)晶面的晶格失配高達(dá)約13.8％，所以即使采用了此方案生長(zhǎng)的GaN材料的缺陷密仍高達(dá)108-1010/cm2以上。
1993年Detchprohm和Amano等人進(jìn)一步提出了在ZnO襯底上生長(zhǎng)GaN材料的方案，參見(jiàn)Detchprohm T，Amano H，Hiramatsu K，et al.J Cryst Growth.128，384，1993。該方案是在藍(lán)寶石襯底上首先外延一層ZnO材料用作GaN材料外延生長(zhǎng)的襯底；然后利用ZnO材料的晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與GaN材料相近的特性在ZnO材料的表面外延一層GaN材料。雖然ZnO材料與GaN材料具有相近的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)，但是由于ZnO材料與藍(lán)寶石材料之間較大的晶格失配導(dǎo)致通過(guò)外延生長(zhǎng)的ZnO材料自身就具有較高的缺陷密度，因此在ZnO襯底上生長(zhǎng)出的GaN材料的缺陷密度仍然很高。
1999年Hersee等人提出了使用納米異質(zhì)外延的方案，參見(jiàn)Zubia D，Hersee S D.J Appl Phys Lett.49，140，1996。該方案首先在Si襯底上制作Si納米柱狀陣列，然后在其上直接外延GaN材料。Si納米柱由于納米尺寸效應(yīng)能夠在一定程度上釋放GaN與襯底間晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，但是因?yàn)镾i襯底的范性較差導(dǎo)致GaN材料的厚底仍然不能較大。
以SiC材料為例，由于SiC材料在常壓下難以形成熔體，溫度達(dá)到2400度時(shí)會(huì)直接升華，因而很難使用傳統(tǒng)的熔融法進(jìn)行制備。1983年Nishino等人提出了在Si襯底上生長(zhǎng)3C-SiC的方案，參見(jiàn)Nishino S，Powell J A，Will H A.Appl Phys Lett.42，460，1983。采用該方案在Si上通過(guò)CVD技術(shù)在高溫下生長(zhǎng)出了質(zhì)量較好的立方相3C結(jié)構(gòu)的SiC薄膜。但是，由于SiC與Si襯底的晶格失配高達(dá)20％、熱失配亦達(dá)到8％，導(dǎo)致SiC薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力較大，很難生長(zhǎng)大厚度的SiC材料。由此可見(jiàn)，要解決高質(zhì)量寬禁帶半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)問(wèn)題就只有尋找新的技術(shù)途徑。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制作高質(zhì)量、大尺寸、自支撐寬禁帶半導(dǎo)體材料的方法。以解決目前第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)由于沒(méi)有合適襯底造成的晶格失配與熱失配導(dǎo)致的高應(yīng)力問(wèn)題，以用于各種寬禁帶半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是在硅片上制作絕緣層上的硅結(jié)構(gòu)，即SOI結(jié)構(gòu)，再在該SOI上制作島狀陣列緩沖層，最終在島狀緩沖層之上外延生長(zhǎng)所需的大面積、自支撐寬禁帶半導(dǎo)體材料。
其具體制作過(guò)程如下(1)根據(jù)自支撐外延層的應(yīng)用選擇硅片的晶向和尺寸；(2)利用常規(guī)的注氧隔離SIMOX、硅片鍵合BESOI、智能剝離UNIBOND在所選的硅片上制作掩埋氧化層BOX、表層硅SOL，形成SOI結(jié)構(gòu)；(3)在SOI結(jié)構(gòu)的表層硅SOL上利用光刻、外延工藝制作島狀緩沖層，形成雙緩沖柔性襯底；(4)在所述雙緩沖柔性襯底上利用常規(guī)的外延工藝生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料；(5)利用常規(guī)的剝離工藝將所述半導(dǎo)體材料下面的雙緩沖柔性襯底或SOI結(jié)構(gòu)層剝離掉，形成大面積、自支撐的寬禁帶半導(dǎo)體材料。
上述半導(dǎo)體材料的制作方法中，其中所述的利用光刻工藝制作島狀緩沖層的過(guò)程如下第一步，根據(jù)設(shè)計(jì)的單個(gè)島尺寸和間距制作掩模板；第二步，將制作的掩模板置于涂有光刻膠的SOL上進(jìn)行光刻、顯影；第三步，先使用腐蝕液對(duì)SOL進(jìn)行刻蝕，以保證每個(gè)島的高度，再使用有機(jī)溶劑去除光刻膠并清洗表面，在SOL上形成島狀緩沖層。
上述半導(dǎo)體材料的制作方法中，其中所述的利用外延工藝制作島狀緩沖層的過(guò)程是選擇與所要生長(zhǎng)的寬禁帶半導(dǎo)體材料相近的材料作為制作SOL上島狀緩沖層的外延材料，通過(guò)控制外延時(shí)的溫度、壓力使得外延處于島狀生長(zhǎng)模式，調(diào)整生長(zhǎng)時(shí)間控制單個(gè)島的尺寸與間距，在SOL上形成島狀緩沖層。
本發(fā)明由于采用了基于SOI結(jié)構(gòu)與島狀緩沖層組成的雙緩沖柔性襯底結(jié)構(gòu)，能夠釋放外延材料與硅片材料之間因晶格失配、熱失配產(chǎn)生的高應(yīng)力，克服了基于硅襯底外延技術(shù)存在的高缺陷密度、大量裂紋、外延材料厚度過(guò)小無(wú)法剝離等技術(shù)難題，可制作高質(zhì)量的自支撐寬禁帶半導(dǎo)體材料。同時(shí)由于本發(fā)明制作的寬禁帶半導(dǎo)體材料尺寸主要取決于所用硅片的尺寸，因此可實(shí)現(xiàn)大尺寸外延材料的制作。目前，硅片的尺寸已達(dá)8～12英寸，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有寬禁帶半導(dǎo)體材料常用襯底的2～4英寸。
基于本發(fā)明制作的寬禁帶半導(dǎo)體材料能夠構(gòu)造各種高性能的半導(dǎo)體器件，這些器件對(duì)于大功率的微波功率器件而言，其散熱能力優(yōu)于傳統(tǒng)的藍(lán)寶石及硅襯底的器件，且器件的柵長(zhǎng)大于常用的SiC襯底的器件。對(duì)于光電器件而言，由于能夠在一片外延材料上集成更多的器件，因而極大地提高了器件的產(chǎn)量，降低了單個(gè)器件的成本。


圖1是本發(fā)明的制作過(guò)程2是本發(fā)明基于雙緩沖層柔性襯底的六方相6H結(jié)構(gòu)SiC材料制作過(guò)程圖，該雙緩沖層柔性襯底是由(100)晶面SOI與Si島狀緩沖層構(gòu)成。
圖3是本發(fā)明基于雙緩沖層柔性襯底的立方相3C結(jié)構(gòu)GaN材料制作過(guò)程圖，該雙緩沖層柔性襯底是由(111)晶面SOI與AlN島狀緩沖層構(gòu)成。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的過(guò)程與實(shí)施例。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明的制作過(guò)程如下第一步，根據(jù)自支撐外延層的應(yīng)用選擇一定尺寸的硅片。
該硅片晶面的選擇根據(jù)外延材料的晶向選擇不同晶面的硅片，例如，形態(tài)為六方相的6H結(jié)構(gòu)SiC可選擇(100)晶面的硅片；而立方相為3C結(jié)構(gòu)的SiC可選擇(111)晶面的硅片。
該硅片尺寸的選擇根據(jù)外延材料的外延技術(shù)和用途選擇硅片的尺寸。例如，對(duì)于GaN使用的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD外延技術(shù)，硅片的尺寸取決于MOCVD反應(yīng)室尺寸的大小。此外，對(duì)于試驗(yàn)用外延材料，為了降低單次試驗(yàn)的成本可使用小尺寸的硅片；對(duì)于生產(chǎn)用外延材料，為了降低單個(gè)器件的成本可選擇大尺寸的硅片。總之，硅片尺寸的選擇必須同時(shí)考慮反應(yīng)室尺寸和材料用途兩方面的因素。
第二步，在上述硅片上制作BOX、SOL形成SOI結(jié)構(gòu)。
該SOI結(jié)構(gòu)的工藝根據(jù)實(shí)際條件可選用注氧隔離SIMOX、硅片鍵合BESOI、智能剝離UNIBOND等常規(guī)SOI工藝。
該SOI各層的厚度SOL厚度小于200納米，BOX的厚度在10～200納米之間。
第三步，在上述SOI結(jié)構(gòu)上制作島狀緩沖層，形成雙緩沖柔性襯底結(jié)構(gòu)。
該島狀緩沖層的制作工藝根據(jù)外延材料與設(shè)備情況可選用光刻、外延、納米自組織生長(zhǎng)等不同的工藝，例如，對(duì)于GaN材料可選用MOCVD外延工藝，對(duì)于SiC材料可選用光刻工藝，對(duì)于ZnO材料可選用納米自組織工藝。
所述的利用光刻工藝制作島狀緩沖層的過(guò)程如下1、根據(jù)設(shè)計(jì)的單個(gè)島尺寸和間距制作掩模板；
2、使用甩膠機(jī)將光刻膠均勻的黏附在硅片上；3、將涂抹好光刻膠的硅片放入恒溫干燥箱中進(jìn)行烘烤；4、將制作好的掩模板與硅片壓緊，在紫外高壓水銀燈下曝光；5、首先將曝光后的硅片放入顯影液中進(jìn)行顯影。然后將硅片放入清洗液中進(jìn)行漂洗，得到所需的圖形；6、首先，將顯影后的硅片放入烤箱中。然后，用紅外燈從背面烘烤；7、使用HF酸和HNO3酸溶液對(duì)硅片進(jìn)行腐蝕，以保證每個(gè)島的高度，在SOL上形成島狀緩沖層。
所述的利用外延工藝制作島狀緩沖層的過(guò)程如下首先選擇與所要生長(zhǎng)的寬禁帶半導(dǎo)體材料相近的材料作為制作SOL上島狀緩沖層的外延材料，再通過(guò)控制外延時(shí)的溫度、壓力使得外延處于島狀生長(zhǎng)模式，然后調(diào)整生長(zhǎng)時(shí)間控制單個(gè)島的尺寸與間距，使其在SOL上形成島狀緩沖層。
第四步，在雙緩沖柔性襯底結(jié)構(gòu)上外延生長(zhǎng)寬禁帶半導(dǎo)體材料。
該外延生長(zhǎng)技術(shù)根據(jù)材料類(lèi)型選用不同的外延技術(shù)。例如SiC材料可使用化學(xué)氣相淀積CVD方法；GaN材料可使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法。此步驟使用的工藝流程與傳統(tǒng)的外延工藝相同。
第五步，對(duì)雙緩沖柔性襯底進(jìn)行剝離。
首先，使用比例為1∶10的HF酸和HNO3酸溶液剝離掉SOI結(jié)構(gòu)最下面的體硅層；接著，使用HF酸剝離BOX；最后，使用比例為1∶10的HF酸和HNO3酸溶液剝離掉SOL和島狀緩沖層。
通過(guò)以上的工藝步驟得到了高質(zhì)量的大面積、自支撐寬禁帶半導(dǎo)體材料。
實(shí)施例1本發(fā)明制作6英寸自支撐80微米六方相6H結(jié)構(gòu)的SiC材料。
襯底選用商業(yè)上可買(mǎi)到的6寸(100)晶面Si片。
SOI制作工藝采用注氧隔離SIMOX。
島狀緩沖層制作采用光刻。
參照?qǐng)D2，本實(shí)施例1的制作過(guò)程如下1.在6英寸(100)晶面的Si片上制作SOI結(jié)構(gòu)，即使用SIMOX工藝制作厚度為100納米的SOL層，厚度為100納米的BOX層。
2.在SOI上通過(guò)光刻制作Si島狀緩沖層，形成雙緩沖柔性襯底。
首先設(shè)計(jì)單個(gè)島的尺寸為150納米、間距為200納米，根據(jù)這些數(shù)據(jù)制作曝光用掩模板；接著，使用甩膠機(jī)將聚乙烯醇肉桂酸酯KPR光刻膠均勻的黏附在6英寸(100)晶面的Si片上；接著，將涂抹好光刻膠的6英寸(100)晶面的Si片放入80度的恒溫干燥箱中進(jìn)行烘烤12分鐘后取出；接著，將制作好的掩模板與6英寸(100)晶面的Si片壓緊，在紫外高壓水銀燈下曝光；接著，將曝光后的硅片放入丁酮溶液中進(jìn)行顯影，去掉未感光的光刻膠保留感光部分。然后將6英寸(100)晶面的Si片放入丙酮和去離子水中進(jìn)行漂洗后取出；接著，將漂洗后的6英寸(100)晶面的Si片放入烤箱中，在150度下烘烤20分鐘，再用紅外燈從背面烘烤15分鐘；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25℃度時(shí)對(duì)硅片進(jìn)行腐蝕，刻蝕深度為70～80納米，形成島狀緩沖層與SOI組成的雙緩沖柔性襯底。
3.在雙緩沖柔性襯底上使用硅烷、甲烷分別作為硅源和碳源，利用CVD方法，控制溫度為1400℃度，在雙緩沖柔性襯底上外延生長(zhǎng)厚度為80微米的SiC材料。
4.對(duì)外延生長(zhǎng)的SiC材料下面的雙緩沖柔性襯底，按如下過(guò)程進(jìn)行剝離首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25℃度時(shí)對(duì)SOI的體硅層進(jìn)行剝離，該腐蝕速率為每秒5.5微米，時(shí)間為45秒鐘，該體硅層位于BOX之下；然后，使用濃度為12％的HF酸溶液在25℃度時(shí)對(duì)BOX進(jìn)行腐蝕，該腐蝕速率為每秒32埃，時(shí)間為40秒；最后，使用比例為1∶10，濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液在25℃度時(shí)，對(duì)SOL與Si島狀緩沖層進(jìn)行剝離，時(shí)間為5秒鐘，最后形成6英寸自支撐80微米六方相6H結(jié)構(gòu)的SiC材料。
實(shí)施例2本發(fā)明制作4英寸自支撐100微米立方相3C結(jié)構(gòu)的GaN材料。
襯底選用商業(yè)上可買(mǎi)到的4寸(111)晶面的Si片。
SOI制作工藝采用注氧隔離SIMOX。
島狀緩沖層制作采用外延。
參照?qǐng)D3，本實(shí)施例2的制作過(guò)程如下1.在硅片上利用SIMOX工藝注氧，制作厚度為30納米的SOL層，厚度為120納米的BOX層，形成SOI結(jié)構(gòu)；2.在SOL上使用三甲基鋁、高純氨氣作為鋁源于氮源，利用MOCVD方法在溫度為450℃度，壓力為40托的條件下，通過(guò)外延方法制作AlN島狀緩沖層，以形成雙緩沖柔性襯底；3.在雙緩沖柔性襯底上使用三乙基鎵、高純氨氣作為鎵源與氮源，采用MOCVD方法在溫度為950℃度，壓力為40托的條件下，在雙緩沖柔性襯底上外延生長(zhǎng)厚度為100微米的GaN材料。
4.按如下過(guò)程對(duì)所生長(zhǎng)的GaN材料的SOI結(jié)構(gòu)進(jìn)行剝離首先，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液，在25℃度時(shí)對(duì)SOI的體硅層進(jìn)行剝離，其腐蝕速率為每秒5.5微米，時(shí)間為45秒鐘，該體硅層位于BOX層之下；然后，使用濃度為12％的HF酸溶液，在25℃度時(shí)對(duì)BOX進(jìn)行腐蝕，腐蝕速率為每秒32埃，時(shí)間為40秒，以剝離掉BOX；最后，使用比例為1∶10濃度為49％的HF酸和濃度為70％的HNO3酸溶液，在25℃度時(shí)對(duì)SOL進(jìn)行剝離，時(shí)間為3秒鐘，最終形成4英寸自支撐100微米立方相3C結(jié)構(gòu)的GaN材料。
此外，除光刻與外延技術(shù)外還可以使用納米自組織技術(shù)制作本發(fā)明的的島狀緩沖層。
對(duì)于本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，能夠在不背離本發(fā)明的原理和范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大面積自支撐寬禁帶半導(dǎo)體材料的制作方法，按如下過(guò)程進(jìn)行第一步，根據(jù)自支撐外延層的應(yīng)用選擇硅片的晶向和尺寸；第二步，利用常規(guī)的注氧隔離SIMOX、硅片鍵合BESOI、智能剝離UNIBOND在所選的硅片上制作掩埋氧化層BOX、表層硅SOL，形成SOI結(jié)構(gòu)；第三步，在SOI結(jié)構(gòu)的表層硅SOL上利用光刻、外延工藝制作島狀緩沖層，形成雙緩沖柔性襯底；第四步，在所述雙緩沖柔性襯底上利用常規(guī)的外延工藝生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料；第五步，利用常規(guī)的剝離工藝將所述半導(dǎo)體材料下面的雙緩沖柔性襯底或SOI結(jié)構(gòu)層剝離掉，形成大面積、自支撐的寬禁帶半導(dǎo)體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料的制作方法，其特征在于利用光刻工藝制作島狀緩沖層的過(guò)程如下第一步，根據(jù)設(shè)計(jì)的單個(gè)島尺寸和間距制作掩模板；第二步，將制作的掩模板置于涂有光刻膠的SOL上進(jìn)行光刻、顯影；第三步，先使用腐蝕液對(duì)SOL進(jìn)行刻蝕，以保證每個(gè)島的高度，再使用有機(jī)溶劑去除光刻膠并清洗表面，在SOL上形成島狀緩沖層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料的制作方法，其特征在于利用外延工藝制作島狀緩沖層的過(guò)程是選擇與所要生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料相近的材料作為制作SOL上島狀緩沖層的外延材料，通過(guò)控制外延時(shí)的溫度、壓力使得外延處于島狀生長(zhǎng)模式，調(diào)整生長(zhǎng)時(shí)間控制單個(gè)島的尺寸與間距，在SOL上形成島狀緩沖層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙緩沖柔性襯底的大面積、自支撐寬禁帶半導(dǎo)體材料制作方法。主要解決現(xiàn)有技術(shù)制作的寬禁帶半導(dǎo)體材料存在高缺陷密度、大量裂紋、外延材料厚度過(guò)小，無(wú)法剝離等技術(shù)問(wèn)題。其技術(shù)方案是首先在硅片上制作SOI結(jié)構(gòu)；接著在SOI結(jié)構(gòu)的SOL上利用光刻、外延工藝制作島狀緩沖層，形成雙緩沖柔性襯底；接著在該雙緩沖柔性襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料；最后將所生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料下面的雙緩沖柔性襯底或SOI結(jié)構(gòu)層剝離掉，最終形成所需的大面積、自支撐寬禁帶半導(dǎo)體材料。本發(fā)明具有能夠釋放外延材料與硅片材料之間因晶格失配、熱失配產(chǎn)生高應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，可用于進(jìn)行碳化硅SiC、氮化鎵GaN等材料的制作。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1959933SQ20061010511
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月4日
發(fā)明者郝躍, 張進(jìn)城, 陳軍峰 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)