專利名稱：一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造及設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
近年來，發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)以其壽命長、發(fā)光效率高、體積 小、堅固耐用、顏色豐富，被廣泛應(yīng)用于顯示屏、背光源、特種照明等領(lǐng)域。LED的核心是LED 外延片，其主要結(jié)構(gòu)包括襯底、緩沖層、N型半導(dǎo)體層、有源區(qū)發(fā)光層、電子阻擋層、P型半 導(dǎo)體層。作為LED外延片核心的有源區(qū)發(fā)光層介于N型半導(dǎo)體層與P型半導(dǎo)體層之間，使 P型半導(dǎo)體層和N型半導(dǎo)體層的界面構(gòu)成的PN結(jié)。由于襯底和膜層不同的熱膨脹系數(shù)，以 及淀積方法的制約，因此致使了在膜層生長后，會由于熱失配而在膜層內(nèi)會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，例 如對于LED領(lǐng)域的Al2O3 (藍寶石)襯底來說，在Al2O3襯底生長的GaN外延片就會產(chǎn)生拉 應(yīng)力，再例如如果在SiC襯底生長的GaN外延片會產(chǎn)生壓應(yīng)力。然而藍寶石襯底非常昂貴， 而且晶圓不易做大，因此導(dǎo)致目前的LED非常昂貴。由于Si材料便宜，工藝成熟，且有大直 徑晶圓，因此，目前出現(xiàn)了很多基于Si材料的應(yīng)用，如光電、微波等應(yīng)用需要用到不同的材 料，如GaN等。但是，Si和這些III-V族化合物半導(dǎo)體材料存在很大的熱應(yīng)力失配，熱應(yīng)力失配 將在較大外延厚度時會引起薄膜出現(xiàn)龜裂(Crack)，外延出來的薄膜質(zhì)量不佳，因此限制了 薄膜的厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是提出了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及 其形成方法。為達到上述目的，本發(fā)明一方面提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一半導(dǎo)體材料襯 底；形成在所述第一半導(dǎo)體材料襯底頂層之上的第一多孔結(jié)構(gòu)層；形成在所述第一多孔結(jié) 構(gòu)層之上的第二多孔結(jié)構(gòu)層，其中，所述第二多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑均小于所述第 一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑；和形成在所述第二多孔結(jié)構(gòu)層之上的第二半導(dǎo)體材料層。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一半導(dǎo)體材料襯底包括Si、低Ge組分SiGe或其組合。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層為多孔硅結(jié)構(gòu) 層或者多孔鍺硅結(jié)構(gòu)層。在本發(fā)明的一個實施例中，還包括形成在所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和所述第一半導(dǎo) 體材料襯底之間的第三多孔結(jié)構(gòu)層，其中，所述第三多孔結(jié)構(gòu)層為多孔硅結(jié)構(gòu)層或者多孔 鍺硅結(jié)構(gòu)層，且所述第三多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑均小于所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔 隙率和孔徑。
在本發(fā)明的一個實施例中，在所述第三多孔結(jié)構(gòu)層和所述第一多孔結(jié)構(gòu)層之間進 行切割剝離。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中包括多個第一區(qū)域和間隔在所 述兩個第一區(qū)域之間的第二區(qū)域，其中，所述第一區(qū)域的孔隙率及孔徑均大于所述第二區(qū) 域的孔隙率及孔徑。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率是漸變的，且從所述 第一多孔結(jié)構(gòu)層中與所述第一半導(dǎo)體材料襯底的界面處向所述第一多孔結(jié)構(gòu)層與所述第 二多孔結(jié)構(gòu)層的界面處逐漸提高。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第二半導(dǎo)體材料層包括III-V族化合物半導(dǎo)體材 料。本發(fā)明另一方面還提出了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括以下步驟提供第一 半導(dǎo)體材料襯底；在所述第一半導(dǎo)體材料襯底頂層之上形成第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié) 構(gòu)層，其中，所述第二多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑均小于所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙 率和孔徑；和在所述第二多孔結(jié)構(gòu)層之上形成第二半導(dǎo)體材料層。在本發(fā)明的一個實施例中，所述襯底包括Si、低Ge組分SiGe或其組合。在本發(fā)明的一個實施例中，所述在第一半導(dǎo)體材料襯底頂層之上形成第一多孔結(jié) 構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層進一步包括對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行陽極氧化，同時向所 述第一半導(dǎo)體材料襯底施加脈沖形式的陽極電流以在所述第一半導(dǎo)體材料襯底的頂部形 成第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層，其中，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層為多 孔硅結(jié)構(gòu)層或者多孔鍺硅結(jié)構(gòu)層。在本發(fā)明的一個實施例中，在進行陽極氧化之前還包括對所述第一半導(dǎo)體材料 襯底進行注入以形成注入層，所述注入層在陽極氧化后形成所述第一多孔結(jié)構(gòu)層。在本發(fā)明的一個實施例中，所述在第一半導(dǎo)體材料襯底頂層之上形成第一多孔結(jié) 構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層進一步包括對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行陽極氧化以形成第一 多孔結(jié)構(gòu)層；對所述第一多孔結(jié)構(gòu)層進行退火以在所述第一多孔結(jié)構(gòu)層的頂部形成第二多 孔結(jié)構(gòu)層。在本發(fā)明的一個實施例中，還包括通過陽極氧化在所述第一半導(dǎo)體材料襯底頂 層和所述第一多孔結(jié)構(gòu)層之間形成第三多孔結(jié)構(gòu)層，其中，所述第三多孔結(jié)構(gòu)層為多孔硅 結(jié)構(gòu)層或者多孔鍺硅結(jié)構(gòu)層，且所述第三多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑均小于所述第一多 孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑。在本發(fā)明的一個實施例中，在所述第三多孔結(jié)構(gòu)層和所述第一多孔結(jié)構(gòu)層之間進 行切割剝離。在本發(fā)明的一個實施例中，所述形成第三多孔結(jié)構(gòu)層、所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和所 述第二多孔結(jié)構(gòu)層進一步包括對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行陽極氧化，同時向所述第 一半導(dǎo)體材料襯底施加多級脈沖形式的陽極電流以在所述第一半導(dǎo)體材料襯底的頂部形 成所述第三多孔結(jié)構(gòu)層、所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和所述第二多孔結(jié)構(gòu)層。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中包括多個第一區(qū)域和間隔在所 述兩個第一區(qū)域之間的第二區(qū)域，其中，所述第一區(qū)域的孔隙率及孔徑均大于所述第二區(qū) 域的孔隙率及孔徑。該第一多孔結(jié)構(gòu)層通過以下步驟形成在所述第一半導(dǎo)體材料襯底之上形成掩膜層；刻蝕所述掩膜層以形成多個開口 ；通過所述開口對所述第一半導(dǎo)體材料襯 底進行注入以在所述開口處形成第一注入?yún)^(qū)域，所述第一注入?yún)^(qū)域在經(jīng)過陽極氧化之后形 成所述第一區(qū)域。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率是漸變的，且從所述 第一多孔結(jié)構(gòu)層中與所述第一半導(dǎo)體材料襯底的界面處向所述第一多孔結(jié)構(gòu)層與所述第 二多孔結(jié)構(gòu)層的界面處逐漸提高。具體形成方法為對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行注入， 并對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行陽極氧化，同時向所述第一半導(dǎo)體材料襯底施加陽極電 流，所述陽極電流具有快速提升的上升沿和逐步降低的下降沿。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第二半導(dǎo)體材料層包括III-V族化合物半導(dǎo)體材 料。在本發(fā)明中，在后續(xù)的外延工藝冷卻之后，通過上述多孔結(jié)構(gòu)層的機械形變或斷 裂可以釋放熱失配應(yīng)力，從而可以使產(chǎn)生的III-V族薄膜避免Crack現(xiàn)象，因此通過本發(fā)明 可以生長比較厚的III-V族材料。另外，在本發(fā)明中還可在多孔結(jié)構(gòu)層之上再形成一層更 低孔隙率和孔徑的多孔結(jié)構(gòu)層，從而可以消除第一半導(dǎo)體材料和第二半導(dǎo)體材料之間的位 錯。更為優(yōu)選地，還可在第一半導(dǎo)體材料襯底與上述多孔結(jié)構(gòu)層之間再形成一層更低孔隙 率和孔徑的多孔結(jié)構(gòu)層，從而方便對多孔結(jié)構(gòu)層的去除。本發(fā)明通過多孔結(jié)構(gòu)層能夠釋放 Si材料與外延材料的熱失配應(yīng)力，防止比較大厚度下外延膜龜裂等問題的發(fā)生，提高外延 膜晶體質(zhì)量。因此通過本發(fā)明能夠在Si襯底上外延大厚度的與Si材料存在較大熱失配應(yīng) 力的外延材料層(如GaN等)，而且多孔Si材料在后續(xù)工藝中可以被去除掉，因此也不會對 后續(xù)器件工藝造成影響。本發(fā)明采用在孔隙率大的多孔硅上外延與Si材料熱失配較大半導(dǎo)體材料層，可 以通過脆弱的多孔硅層在冷卻過程中發(fā)生部分形變釋放掉熱失配應(yīng)力，保證外延薄膜材料 層的完好，可以外延比較厚的外延材料層。其次，通過圖形化的多孔硅(即多個第一區(qū)域和 第二區(qū)域的多孔硅結(jié)構(gòu))可以控制熱失配應(yīng)力的釋放，提供良好的機械支撐，進一步提高 外延薄膜的質(zhì)量。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明實施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法流程圖；圖3為本發(fā)明實施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法流程圖；圖5為本發(fā)明實施例三的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡 化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且 目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重 復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此 外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到 其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形 成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。本發(fā)明主要通過較大孔隙率和孔徑的多孔結(jié)構(gòu)層來釋放后續(xù)工藝引入的熱失配 應(yīng)力，并在形成后續(xù)器件時將該多孔結(jié)構(gòu)層去除，從而避免了不同半導(dǎo)體材料的熱失配產(chǎn) 生的對器件的影響。如圖1所示，為本發(fā)明實施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括第一半 導(dǎo)體材料襯底1100、形成在第一半導(dǎo)體材料襯底1100之上的第一多孔結(jié)構(gòu)層1200和第二 多孔結(jié)構(gòu)層1300，以及形成在第二多孔結(jié)構(gòu)層1300之上的第二半導(dǎo)體材料層1400。在本 發(fā)明的實施例中，第二多孔結(jié)構(gòu)層1300中的孔隙率和孔徑均小于第一多孔結(jié)構(gòu)層1200中 的孔隙率和孔徑，第一多孔結(jié)構(gòu)層1200的孔隙率大于30%。其中，第一半導(dǎo)體材料襯底 1100與第二半導(dǎo)體材料層1400的材料不同，例如，第一半導(dǎo)體材料襯底1100可包括Si、 低Ge組分SiGe或其組合等，而第二半導(dǎo)體材料層1400可包括III-V族化合物半導(dǎo)體材料 等。這樣，在本發(fā)明實施例中，由于第一多孔結(jié)構(gòu)層1200的孔隙率和孔徑都較大，因此可以 通過上述第一多孔結(jié)構(gòu)層1200將后續(xù)的熱失配應(yīng)力釋放。另外，在本發(fā)明的實施例中，通 過孔隙率和孔徑都較小的第二多孔結(jié)構(gòu)層1300可以有助于改善生長在其上的第二半導(dǎo)體 材料層1400的質(zhì)量。其中，在本發(fā)明的一個實施例中，第一多孔結(jié)構(gòu)層1200為多孔鍺硅結(jié) 構(gòu)層，且第一多孔結(jié)構(gòu)層1200中的Ge組分是漸變的。第二多孔結(jié)構(gòu)層1300的厚度較薄， 從而可以使得上方第二半導(dǎo)體材料層1400的應(yīng)力傳導(dǎo)至第一多孔結(jié)構(gòu)層1200。在本發(fā)明 的一個實施例中，第一多孔結(jié)構(gòu)層1200中的孔隙率大于20%。在本發(fā)明的一個實施例中， 第一多孔結(jié)構(gòu)層1200中的孔隙率大于20%。其中，在本發(fā)明的一個實施例中，第二多孔結(jié) 構(gòu)層1300的孔隙率和孔徑可以非常小，在退火之后該第二多孔結(jié)構(gòu)層1300的孔隙率和孔 徑可變?yōu)榱?，即變?yōu)闊o孔的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施例中，第一半導(dǎo)體材料襯底1100為硅襯底或低鍺組分的鍺 硅襯底，第一多孔結(jié)構(gòu)層1200和第二多孔結(jié)構(gòu)層1300均為多孔硅結(jié)構(gòu)層或者多孔鍺硅結(jié) 構(gòu)層，在本發(fā)明中優(yōu)選為多孔硅結(jié)構(gòu)層。其中，第一多孔結(jié)構(gòu)層1200的厚度大于第二多孔 結(jié)構(gòu)層1300的厚度，例如第一多孔結(jié)構(gòu)層1200的厚度約為幾十nm到幾十ym之間，而第 二多孔結(jié)構(gòu)層1300的厚度約為幾nm到幾十nm之間，從而方便后續(xù)工藝中將釋放熱失配應(yīng) 力的第一多孔結(jié)構(gòu)層1200去除。如圖2所示，為本發(fā)明實施例一的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法流程圖，包括以下步驟步驟S201，提供第一半導(dǎo)體材料襯底1100，第一半導(dǎo)體材料襯底1100可包括Si、 低Ge組分SiGe或其組合等。
步驟S202，在第一半導(dǎo)體材料襯底1100之上形成第一多孔結(jié)構(gòu)層1200和第二多 孔結(jié)構(gòu)層1300。在本發(fā)明的實施例中，可通過多種方式在第一半導(dǎo)體材料襯底1100之上形 成第一多孔結(jié)構(gòu)層1200和第二多孔結(jié)構(gòu)層1300，例如方式一，對第一半導(dǎo)體材料襯底1100進行陽極氧化，同時向第一半導(dǎo)體材料襯底1100施 加脈沖形式的陽極電流以在第一半導(dǎo)體材料襯底1100的頂部形成第一多孔結(jié)構(gòu)層1200和 第二多孔結(jié)構(gòu)層1300。方式二，在進行陽極氧化之前，先對第一半導(dǎo)體材料襯底1100進行注入以形成注入層，其 中，在本發(fā)明的實施例中，可采用多種摻雜雜質(zhì)，例如P、B等。接著，對第一注入層和第二注 入層進行陽極氧化以使注入層形成第一多孔結(jié)構(gòu)層1200，并在第一多孔結(jié)構(gòu)層1200之上 形成第二多孔結(jié)構(gòu)層1300。其中，該方式需與方式一相結(jié)合。方式三，對第一半導(dǎo)體材料襯底1100進行陽極氧化以形成第一多孔結(jié)構(gòu)層1200，對第一 多孔結(jié)構(gòu)層1200進行退火以在第一多孔結(jié)構(gòu)層1200的頂部形成第二多孔結(jié)構(gòu)層1300。方式四，在本發(fā)明的一個實施例中，第一多孔結(jié)構(gòu)層1200中的孔隙率是漸變的，且從第一 多孔結(jié)構(gòu)層1200中與第一半導(dǎo)體材料襯底1100的界面處向第一多孔結(jié)構(gòu)層1200與第二 多孔結(jié)構(gòu)層1300的界面處逐漸提高，這樣不僅可以釋放熱失配應(yīng)力，還可作為切割剝離 層。第一多孔結(jié)構(gòu)層1200通過以下步驟形成對第一半導(dǎo)體材料襯底1100進行注入，并 對第一半導(dǎo)體材料襯底1100進行陽極氧化，同時向第一半導(dǎo)體材料襯底1100施加陽極電 流，其中，該陽極電流具有快速提升的上升沿和逐步降低的下降沿，即該陽極電流在突然升 高維持一定時間之后緩慢逐步地降低。步驟S203，在第二多孔結(jié)構(gòu)層1300之上形成第二半導(dǎo)體材料層1400。其中，第二 半導(dǎo)體材料層1400可包括III-V族化合物半導(dǎo)體材料等。如圖3所示，為本發(fā)明實施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)3000包括第 一半導(dǎo)體材料襯底3100、形成在第一半導(dǎo)體材料襯底3100之上的第三多孔結(jié)構(gòu)層3200、形 成在第三多孔結(jié)構(gòu)層3200之上的第一多孔結(jié)構(gòu)層3300和第二多孔結(jié)構(gòu)層3400，以及形成 在第二多孔結(jié)構(gòu)層3400之上的第二半導(dǎo)體材料層3500。在本發(fā)明的實施例中，第二多孔結(jié)構(gòu)層3400和第三多孔結(jié)構(gòu)層3200中的孔隙率 和孔徑均小于第一多孔結(jié)構(gòu)層3300中的孔隙率和孔徑。其中，第一半導(dǎo)體材料襯底3100 與第二半導(dǎo)體材料層3500的材料不同，例如，第一半導(dǎo)體材料襯底3100可包括Si、低Ge組 分SiGe或其組合等，而第二半導(dǎo)體材料層3500可包括III-V族化合物半導(dǎo)體材料。這樣， 在本發(fā)明實施例中，由于第一多孔結(jié)構(gòu)層3300的孔隙率和孔徑都較大，因此可以通過上述 第一多孔結(jié)構(gòu)層3300將后續(xù)的熱失配應(yīng)力釋放。另外，在本發(fā)明的實施例中，通過孔隙率 和孔徑都較小的第二多孔結(jié)構(gòu)層3400可以改善第一半導(dǎo)體材料襯底3100與第二半導(dǎo)體材 料層3500之間的位錯。其次，在本發(fā)明的實施例中，第三多孔結(jié)構(gòu)層3200的厚度大于第一 多孔結(jié)構(gòu)層3300的厚度，例如第一多孔結(jié)構(gòu)層3300的厚度約為幾十nm到幾百nm之間，而 第二多孔結(jié)構(gòu)層3400的厚度約為幾nm到幾十nm之間，第三多孔結(jié)構(gòu)層3200的厚度約為幾十nm到幾十μ m之間，由于孔隙率不同，這樣可在第三多孔結(jié)構(gòu)層3200和第一多孔結(jié)構(gòu) 層3300之間容易進行切割剝離，從而方便后續(xù)工藝中去除多孔結(jié)構(gòu)層。在本發(fā)明的一個實施例中，第一半導(dǎo)體材料襯底3100為硅襯底或低鍺組分的鍺 硅層，第三多孔結(jié)構(gòu)層3200、第一多孔結(jié)構(gòu)層3300和第二多孔結(jié)構(gòu)層3400均為多孔硅結(jié)構(gòu) 層或者多孔鍺硅結(jié)構(gòu)層。如圖4所示，為本發(fā)明實施例二的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法流程圖，包括以下步驟步驟S401，提供第一半導(dǎo)體材料襯底3100，第一半導(dǎo)體材料襯底3100可包括Si、 低Ge組分SiGe或其組合等。步驟S402，在第一半導(dǎo)體材料襯底3100之上形成第三多孔結(jié)構(gòu)層3200、第一多孔 結(jié)構(gòu)層3300和第二多孔結(jié)構(gòu)層3400。其中，第三多孔結(jié)構(gòu)層3200和第二多孔結(jié)構(gòu)層3400 的孔隙率和孔徑均小于第一多孔結(jié)構(gòu)層3300中的孔隙率和孔徑。第三多孔結(jié)構(gòu)層3200的 厚度大于第一多孔結(jié)構(gòu)層3300的厚度，例如第一多孔結(jié)構(gòu)層3300的厚度約為幾十nm到幾 百nm之間，而第二多孔結(jié)構(gòu)層3400的厚度約為幾nm到幾十nm之間，第三多孔結(jié)構(gòu)層3200 的厚度約為幾十nm到幾十μπι之間。在本發(fā)明的實施例中，可通過多種方式在第一半導(dǎo) 體材料襯底3100之上形成第三多孔結(jié)構(gòu)層3200、第一多孔結(jié)構(gòu)層3300和第二多孔結(jié)構(gòu)層 3400，例如方式一，對第一半導(dǎo)體材料襯底3100進行陽極氧化，同時向第一半導(dǎo)體材料襯底3100施 加多級脈沖形式的陽極電流以在第一半導(dǎo)體材料襯底3100的頂部形成第三多孔結(jié)構(gòu)層 3200、第一多孔結(jié)構(gòu)層3300和第二多孔結(jié)構(gòu)層3400。其中，在該實施例中多級脈沖形式的 陽極電流是指分兩級或多級逐漸提高電流的幅度，從而達到第一多孔結(jié)構(gòu)層3300的孔隙 率和孔徑均大于第三多孔結(jié)構(gòu)層3200和第二多孔結(jié)構(gòu)層3400的孔隙率和孔徑的目的。方式二，為了方便第一多孔結(jié)構(gòu)層3300的形成，在進行陽極氧化之前，還需要對第一半導(dǎo) 體材料襯底3100進行注入，注入深度的注入層的厚度可控制為第一多孔結(jié)構(gòu)層3300的厚 度。這樣在進行陽極氧化之后注入層就可被腐蝕為第一多孔結(jié)構(gòu)層3300。步驟S403，在第二多孔結(jié)構(gòu)層3400之上形成第二半導(dǎo)體材料層3500。其中，第二 半導(dǎo)體材料層3500可包括III-V族化合物半導(dǎo)體材料等。如圖5所示，為本發(fā)明實施例三的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體 材料襯底1100、形成在第一半導(dǎo)體材料襯底5100之上的第一多孔結(jié)構(gòu)層5200和第二多孔 結(jié)構(gòu)層5300，以及形成在第二多孔結(jié)構(gòu)層5300之上的第二半導(dǎo)體材料層Μ00。在該實施 例中，第一多孔結(jié)構(gòu)層中包括多個第一區(qū)域6100和間隔在兩個第一區(qū)域6100之間的第二 區(qū)域6200，其中，第一區(qū)域6100的孔隙率及孔徑均大于第二區(qū)域6200的孔隙率及孔徑?？?通過以下方法形成這樣的第一多孔結(jié)構(gòu)層。如先在第一半導(dǎo)體材料襯底之上形成掩膜層， 之后刻蝕該掩膜層以形成多個開口，通過這些開口對第一半導(dǎo)體材料襯底進行注入以在開 口處形成第一注入?yún)^(qū)域，接著進行陽極氧化，由于注入引起的損傷，因此第一注入?yún)^(qū)域在經(jīng) 過陽極氧化之后就可以形成第一區(qū)域。這樣，就可以將第一區(qū)域中的孔隙率及孔徑做的更 大，更有利于釋放應(yīng)力，同時由于第一區(qū)域之間設(shè)有孔隙率及孔徑較小的第二區(qū)域作為支 撐，從而不會因為釋放應(yīng)力而導(dǎo)致塌陷。
在本發(fā)明中，在后續(xù)的外延工藝冷卻之后，通過上述多孔結(jié)構(gòu)層的機械形變可以 釋放熱失配應(yīng)力，從而可以使產(chǎn)生的III-V族薄膜避免Crack現(xiàn)象，因此通過本發(fā)明可以生 長比較厚的III-V族材料。另外，在本發(fā)明中還可在多孔結(jié)構(gòu)層之上再形成一層更低孔隙 率和孔徑的多孔結(jié)構(gòu)層，從而可以消除第一半導(dǎo)體材料和第二半導(dǎo)體材料之間的位錯。更 為優(yōu)選地，還可在第一半導(dǎo)體材料襯底與上述多孔結(jié)構(gòu)層之間再形成一層更低孔隙率和孔 徑的多孔結(jié)構(gòu)層，從而方便對多孔結(jié)構(gòu)層的去除。本發(fā)明通過多孔結(jié)構(gòu)層能夠釋放Si材料 與外延材料的熱失配應(yīng)力，防止比較大厚度下外延膜龜裂等問題的發(fā)生，提高外延膜晶體 質(zhì)量。因此通過本發(fā)明能夠在Si襯底上外延大厚度的與Si材料存在較大熱失配應(yīng)力的外 延材料層(如GaN等)，而且多孔Si材料在后續(xù)工藝中可以被去除掉，因此也不會對后續(xù)器 件工藝造成影響。本發(fā)明采用在孔隙率大的多孔硅上外延與Si材料熱失配較大半導(dǎo)體材料層，可 以通過脆弱的多孔硅層在冷卻過程中發(fā)生部分形變釋放掉熱失配應(yīng)力，保證外延薄膜材料 層的完好，可以外延比較厚的外延材料層。其次，通過圖形化的多孔硅(即多個第一區(qū)域和 第二區(qū)域的多孔硅結(jié)構(gòu))可以控制熱失配應(yīng)力的釋放，提供良好的機械支撐，進一步提高 外延薄膜的質(zhì)量。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換 和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一半導(dǎo)體材料襯底；形成在所述第一半導(dǎo)體材料襯底頂層之上的第一多孔結(jié)構(gòu)層；形成在所述第一多孔結(jié)構(gòu)層之上的第二多孔結(jié)構(gòu)層，其中，所述第二多孔結(jié)構(gòu)層中的 孔隙率和孔徑均小于所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑；和形成在所述第二多孔結(jié)構(gòu)層之上的第二半導(dǎo)體材料層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體材料襯底包括Si、低 Ge組分SiGe或其組合。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié) 構(gòu)層為多孔硅結(jié)構(gòu)層或者多孔鍺硅結(jié)構(gòu)層。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括形成在所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和所述第一半導(dǎo)體材料襯底之間的第三多孔結(jié)構(gòu)層，其 中，所述第三多孔結(jié)構(gòu)層為多孔硅結(jié)構(gòu)層或者多孔鍺硅結(jié)構(gòu)層，且所述第三多孔結(jié)構(gòu)層中 的孔隙率和孔徑均小于所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述第三多孔結(jié)構(gòu)層和所述第一 多孔結(jié)構(gòu)層之間進行切割剝離。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中包括多個第 一區(qū)域和間隔在所述兩個第一區(qū)域之間的第二區(qū)域，其中，所述第一區(qū)域的孔隙率及孔徑 均大于所述第二區(qū)域的孔隙率及孔徑。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率是 漸變的，且從所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中與所述第一半導(dǎo)體材料襯底的界面處向所述第一多孔 結(jié)構(gòu)層與所述第二多孔結(jié)構(gòu)層的界面處逐漸提高。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二半導(dǎo)體材料層包括III-V族 化合物半導(dǎo)體材料。
9.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括以下步驟提供第一半導(dǎo)體材料襯底；在所述第一半導(dǎo)體材料襯底頂層之上形成第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層，其中， 所述第二多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑均小于所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑；和在所述第二多孔結(jié)構(gòu)層之上形成第二半導(dǎo)體材料層。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述襯底包括Si、低Ge 組分SiGe或其組合。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述在第一半導(dǎo)體材 料襯底頂層之上形成第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層進一步包括對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行陽極氧化，同時向所述第一半導(dǎo)體材料襯底施加脈沖 形式的陽極電流以在所述第一半導(dǎo)體材料襯底的頂部形成第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié) 構(gòu)層，其中，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層為多孔硅結(jié)構(gòu)層或者多孔鍺硅結(jié)構(gòu)層。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在進行陽極氧化之前 還包括對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行注入以形成注入層，所述注入層在陽極氧化后形成所述第一多孔結(jié)構(gòu)層。
13.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述在第一半導(dǎo)體材 料襯底頂層之上形成第一多孔結(jié)構(gòu)層和第二多孔結(jié)構(gòu)層進一步包括對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行陽極氧化以形成第一多孔結(jié)構(gòu)層；對所述第一多孔結(jié)構(gòu)層進行退火以在所述第一多孔結(jié)構(gòu)層的頂部形成第二多孔結(jié)構(gòu)層。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，還包括通過陽極氧化在所述第一半導(dǎo)體材料襯底頂層和所述第一多孔結(jié)構(gòu)層之間形成第三 多孔結(jié)構(gòu)層，其中，所述第三多孔結(jié)構(gòu)層為多孔硅結(jié)構(gòu)層或者多孔鍺硅結(jié)構(gòu)層，且所述第三 多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑均小于所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑。
15.如權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在所述第三多孔結(jié)構(gòu) 層和所述第一多孔結(jié)構(gòu)層之間進行切割剝離。
16.如權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述形成第三多孔結(jié) 構(gòu)層、所述第一多孔結(jié)構(gòu)層和所述第二多孔結(jié)構(gòu)層進一步包括對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行陽極氧化，同時向所述第一半導(dǎo)體材料襯底施加多級 脈沖形式的陽極電流以在所述第一半導(dǎo)體材料襯底的頂部形成所述第三多孔結(jié)構(gòu)層、所述 第一多孔結(jié)構(gòu)層和所述第二多孔結(jié)構(gòu)層。
17.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中 包括多個第一區(qū)域和間隔在所述兩個第一區(qū)域之間的第二區(qū)域，其中，所述第一區(qū)域的孔 隙率及孔徑均大于所述第二區(qū)域的孔隙率及孔徑。
18.如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層 通過以下步驟形成在所述第一半導(dǎo)體材料襯底之上形成掩膜層；刻蝕所述掩膜層以形成多個開口；通過所述開口對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行注入以在所述開口處形成第一注入?yún)^(qū) 域，所述第一注入?yún)^(qū)域在經(jīng)過陽極氧化之后形成所述第一區(qū)域。
19.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中 的孔隙率是漸變的，且從所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中與所述第一半導(dǎo)體材料襯底的界面處向所 述第一多孔結(jié)構(gòu)層與所述第二多孔結(jié)構(gòu)層的界面處逐漸提高。
20.如權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一多孔結(jié)構(gòu)層 通過以下步驟形成對所述第一半導(dǎo)體材料襯底進行注入，并對所述第一半導(dǎo)體材料襯底 進行陽極氧化，同時向所述第一半導(dǎo)體材料襯底施加陽極電流，所述陽極電流具有快速提 升的上升沿和逐步降低的下降沿。
21.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第二半導(dǎo)體材料層 包括III-V族化合物半導(dǎo)體材料。
全文摘要
本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一半導(dǎo)體材料襯底；形成在所述第一半導(dǎo)體材料襯底頂層之上的第一多孔結(jié)構(gòu)層；形成在所述第一多孔結(jié)構(gòu)層之上的第二多孔結(jié)構(gòu)層，其中，所述第二多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑均小于所述第一多孔結(jié)構(gòu)層中的孔隙率和孔徑；形成在所述第二多孔結(jié)構(gòu)層之上的第二半導(dǎo)體材料層。本發(fā)明通過多孔結(jié)構(gòu)層能夠釋放Si材料與外延材料的熱失配應(yīng)力，防止比較大厚度下外延膜龜裂等問題的發(fā)生，提高外延膜晶體質(zhì)量。因此通過本發(fā)明能夠在Si襯底上外延大厚度的與Si材料存在較大熱失配應(yīng)力的外延材料層(如GaN等)，而且多孔Si材料在后續(xù)工藝中可以被去除掉，因此也不會對后續(xù)器件工藝造成影響。
文檔編號H01L21/02GK102104060SQ20101054635
公開日2011年6月22日 申請日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者王楚雯, 趙東晶 申請人:王楚雯, 趙東晶