專利名稱：一種硅基復(fù)合襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種半導(dǎo)體襯底，具體而言，涉及一種用于制備氮化物半導(dǎo)體外 延材料的硅基復(fù)合襯底。
背景技術(shù)：
氮化物半導(dǎo)體，尤其是氮化鎵(GaN)是制備應(yīng)用于半導(dǎo)體照明和顯示器背光領(lǐng)域 的發(fā)光二極管器件的核心基礎(chǔ)材料。由于缺少同質(zhì)體單晶材料，GaN材料的器件應(yīng)用通常在 異質(zhì)基底上進(jìn)行，最常用的是藍(lán)寶石(Al2O3)基底，由于藍(lán)寶石基底不導(dǎo)電、硬度大、價格較 高，其上的GaN基LED器件制備難度和成本一直難以降低。碳化硅(SiC)基底相比藍(lán)寶石 與GaN有更好的晶格匹配關(guān)系，但其價格昂貴，且其上GaN基LED器件工藝僅被個別大公司 掌握，因此不適合廣泛商業(yè)化推廣。降低GaN基LED器件制備成本的途徑之一是采用大尺 寸基底，目前4英寸以上的藍(lán)寶石和SiC基底尚難于獲得且價格昂貴。硅(Si)基底既有大 尺寸又價格低廉，并已在微電子工業(yè)中成熟應(yīng)用，用Si做基底可大幅度降低GaN基LED器 件的制備成本，其經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀，市場推廣前景也最被看好。但Si基底上制備GaN基 LED外延片材料要面臨三方面挑戰(zhàn)(1)大晶格失配問題。Si與GaN之間由于晶格常數(shù)不同，在生長初期會在GaN外 延層中積聚非常大的晶格失配應(yīng)力，如晶格失配應(yīng)力不被轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放，當(dāng)GaN生長厚 度超過某一臨界厚度后就會以在界面處引發(fā)高密度位錯和缺陷的形式釋放，其中的穿通位 錯還會增殖和延伸到表面。晶格失配應(yīng)力造成的結(jié)晶質(zhì)量惡化將極大影響GaN材料的光電 性能；(2)熱失配問題。Si的熱膨脹系數(shù)為2.6 X 10_6K，GaN平行于a軸的熱膨脹系數(shù)為 5. 6X IO-6K, Si與GaN之間的熱膨脹系數(shù)相差很大，加上硅基底(厚幾百μ m)相比GaN外 延層(厚幾Pm)厚得多，從1050°C左右生長溫度降到室溫將會產(chǎn)生非常大的熱應(yīng)力，而且 這個熱應(yīng)力對于GaN材料而言是非常大的張應(yīng)力。如此大的熱張應(yīng)力如不能被轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào) 釋放將會造成GaN膜層龜裂或彎曲而無法進(jìn)行后續(xù)的LED器件結(jié)構(gòu)制備；(3)界面化學(xué)問題。如在Si基底上直接生長GaN材料，1050°C左右生長溫度會造 成Si向GaN中高濃度擴散；同時，生長初期的Ga滴還會腐蝕Si表面，Si與N反應(yīng)也易形 成非晶氮化硅(SiNx)材料。這些界面化學(xué)問題都極大影響了 GaN成核和連續(xù)成膜，不利于 GaN外延層高質(zhì)量生長。為了克服Si基GaN材料上述大失配外延問題，目前已發(fā)展多種方法如應(yīng)力協(xié)變 層(包括緩沖層、柔性層、插入層等)和圖形襯底?，F(xiàn)有的應(yīng)力協(xié)變層的失配應(yīng)力協(xié)調(diào)功能 比較單一。要么在轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放大晶格失配應(yīng)力方面具有較好效果，但在轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋 放大熱失配應(yīng)力方面作用有限，如用氮化鋁(AlN)、組分漸變的AlGaN、氮化鈧(ScN)、氮化 鋯(&N)、硼化鋯(ZrB2)等做晶格失配應(yīng)力協(xié)變層和界面阻擋層，用氧化鋁(Y-Al2O3)和氮 化鉿(HfN)做緩沖層和界面阻擋層等；要么具有較好的熱應(yīng)力轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放效果，能夠 制備得到具有一定厚度無裂紋GaN外延層材料，但在協(xié)調(diào)晶格失配應(yīng)力方面的作用有限，甚至?xí)档虶aN外延層的結(jié)晶質(zhì)量，如用氮化鈦(TiN)做緩沖層和界面阻擋層，用低溫氮化 鋁(AlN)層做插入層等。圖形襯底方法則需要在硅基底或GaN外延層上做掩模和光刻圖 形(納米或微米尺度的圖形)，因窗口處位錯密度難以降低需多次掩模和光刻圖形，工藝復(fù) 雜，不僅極大地抬高了材料制備成本，同時還難于獲得無裂紋與彎曲且結(jié)晶質(zhì)量均勻的大 尺寸GaN外延層材料，如直徑2英寸以上的GaN外延層材料。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對硅基底上制備氮化鎵LED外延片材料中的大晶格失 配、大熱失配和界面化學(xué)問題以及現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種用于氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、鋁 鎵氮、銦鎵氮、銦鋁鎵氮單晶薄膜材料及其LED器件結(jié)構(gòu)制備生長的硅基復(fù)合襯底。本實用新型提供一種用于制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的硅基復(fù)合襯底，包含一 硅(Si)單晶基底；一復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層，形成在硅(Si)單晶基底上，由氮化鋁(AlN)和氮化 鈦(TiN)單晶薄膜材料彼此多次交疊構(gòu)成；一氮化鎵(GaN)模板層，形成在復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層 上，由氮化鎵(GaN)單晶薄膜材料構(gòu)成。所述的復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中氮化鋁(AlN)層每層的厚度為15 90nm，層數(shù)2 10 層，對硅(Si)基氮化鎵(GaN)材料起晶格失配應(yīng)力轉(zhuǎn)移與協(xié)調(diào)釋放和界面阻擋層作用。所述的復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中氮化鈦(TiN)層每層的厚度不大于薄氮化鋁(AlN)層 每層厚度的1/3，且各氮化鈦(TiN)層分別插入到各氮化鋁(AlN)層之間，通過調(diào)控氮化鎵 (GaN)模板層從生長溫度降到室溫的降溫速率來實現(xiàn)硅(Si)基氮化鎵(GaN)材料的熱應(yīng)力 轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放，以避免氮化鎵(GaN)模板層產(chǎn)生裂紋和彎曲。所述的氮化鎵(GaN)模板層的厚度不小于1 μ m，從1100°C生長溫度降到室溫的降 溫速率為5 20°C /分鐘。所述的用于制備復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中的氮化鋁(AlN)和氮化鈦(TiN)單晶薄膜材料 以及氮化鎵(GaN)模板層中氮化鎵(GaN)單晶薄膜材料的材料生長工藝包括但不限于金屬 有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、離子束外延(IBE)、分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積(PLD)、 等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PE-CVD)及磁控濺射沉積(MSD)。所述的硅(Si)基復(fù)合襯底可以用于氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、鋁 鎵氮(AlGaN)、銦鎵氮(InGaN)、銦鋁鎵氮(InAlGaN)單晶薄膜材料及其LED器件結(jié)構(gòu)的制 備生長。本實用新型采用了由多層氮化鋁和氮化鈦單晶薄膜材料交疊構(gòu)成的復(fù)合應(yīng)力協(xié) 變層，其中氮化鋁與硅(Si)和氮化鎵(GaN)都有很好晶格匹配關(guān)系且具有很好的熱、化學(xué) 穩(wěn)定性，因而降低在GaN模板層中引入位錯和缺陷的幾率，氮化鈦的熱膨脹系數(shù)大于硅、氮 化鎵和氮化鋁的熱膨脹系數(shù)，可使熱張應(yīng)力先轉(zhuǎn)移到各層TiN單晶薄膜材料中協(xié)調(diào)釋放， 多層AlN與TiN交疊結(jié)構(gòu)會引入更多界面，這些增加的界面又起到阻止下面的穿通位錯向 上增殖延伸作用。因此，AlN和TiN相互交疊構(gòu)成的復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層具有相比現(xiàn)有應(yīng)力協(xié) 變層、緩沖層及低溫插入層更好的晶格失配應(yīng)力和熱應(yīng)力轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)效果。此外，AlN和TiN相互交疊構(gòu)成的復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層可采用與GaN模板層相同的材 料生長工藝在同一設(shè)備上依次制備，因此相比現(xiàn)有的圖形襯底技術(shù)，制備工藝更簡單也更 實用。[0016]此外，本實用新型僅通過調(diào)控復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中的AlN與TiN單晶薄膜材料的厚 度與交疊層數(shù)以及外延生長GaN模板層后的降溫速率就可獲得低位錯密度無裂紋和彎曲 的Si基復(fù)合襯底，因此能夠獲得更大尺寸的Si基復(fù)合襯底，用此種大尺寸襯底外延生長 GaN材料和制備LED器件結(jié)構(gòu)，勢必會大幅度降低現(xiàn)有的GaN基LED外延片材料的制備成 本。

圖1是用于氮化鎵(GaN)LED外延片材料制備的硅(Si)基復(fù)合襯底的結(jié)構(gòu)示意 圖。主要元件符號說明1 硅(Si)基復(fù)合襯底；11 硅(Si)基底；12:復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層；121 薄氮化鋁(AlN)單晶薄膜材料；122 超薄氮化鈦(TiN)單晶薄膜材料；13 氮化鎵(GaN)模板層。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)闡述本實用新型的優(yōu)選實施方式。本實用新型提供一種硅(Si)基復(fù)合襯底，其可以用于氮化鎵、氮化鋁、氮化銦、鋁 鎵氮、銦鎵氮、銦鋁鎵氮單晶薄膜材料及其LED器件結(jié)構(gòu)制備生長。圖1是用于氮化鎵(GaN) LED外延片材料制備的硅(Si)基復(fù)合襯底1的結(jié)構(gòu)示意 圖。該硅基復(fù)合襯底包含一硅(Si)單晶基底11，起支撐作用；一復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12 ；以 及一氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13。該復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12生長在Si單晶基底11上，由 15 90nm厚的薄氮化鋁(AlN)單晶薄膜材料121和5 30nm厚的超薄氮化鈦(TiN)單 晶薄膜材料122反復(fù)交疊構(gòu)成。其中，TiN層厚度不大于AlN層厚度的1/3。薄AlN層121 用來轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放Si基GaN材料在外延生長過程產(chǎn)生的晶格失配應(yīng)力，超薄TiN層122 用來轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放Si基GaN材料在大幅度降溫過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力。如圖1所示，復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12中與硅單晶基底11接觸的層優(yōu)選為AlN層121， 這是因為AlN層的晶格常數(shù)與硅更加接近，這樣可以提高復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12的緩解晶格失 配力的效果。然而，本實用新型并不限于圖1所示的情況，復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層與硅基底接觸的 層也可以為TiN層。另外，由于AlN層的晶格常數(shù)與氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13的晶 格常數(shù)更加接近，如圖1所示，復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12中與氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13接 觸的層優(yōu)選為AlN層121，但不限于此。該氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13生長在復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12上，厚度不小于 1 μ m，可通過調(diào)控復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12中的薄AlN層121的厚度和層數(shù)來降低GaN模板層13 中GaN單晶薄膜的位錯密度，還可通過調(diào)控復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12中超薄TiN層122的厚度和 層數(shù)以及大幅度降溫的降溫速率來消除GaN模板層13中的裂紋和彎曲。硅(Si)單晶基底11、復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12以及氮化鎵(GaN)單晶薄膜模板層13三者組合在一起構(gòu)成硅(Si)基復(fù)合襯底1，為后續(xù)氮化鎵(GaN) LED外延片材料制備提供低位 錯密度、無裂紋與彎曲的氮化鎵(GaN)同質(zhì)單晶襯底模板。下面介紹制備上述硅基GaN復(fù)合襯底的制備方法。應(yīng)該理解，以下描述的制備方 法僅為制備本實用新型的硅基GaN復(fù)合襯底的一個具體實例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在本 實用新型的教導(dǎo)下根據(jù)設(shè)計需要及其他因素作出改變。實施例1 采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)工藝制備用于氮化鎵(GaN)LED外延片材 料制備的硅(Si)基復(fù)合襯底的工藝流程如下。步驟1 取一具有Si (111)面的4英寸Si單晶基底11 ；步驟2 將清洗過的Si (111)單晶基底11放入MOCVD設(shè)備反應(yīng)室中；步驟3 用MOCVD工藝在Si (111)單晶基底11上先制備生長1層厚50nm的薄AlN 單晶薄膜材料121作為阻擋層和晶格失配應(yīng)力協(xié)變層；步驟4 再用MOCVD工藝在厚50nm薄AlN層121上制備生長1層厚IOnm超薄TiN 單晶薄膜材料122作為熱應(yīng)力協(xié)變層。步驟5 重復(fù)步驟3和步驟4，用MOCVD工藝制備得到由5層厚50nm薄AlN層121 和4層厚IOnm超薄TiN層122交疊構(gòu)成的復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層材料12。步驟6 用MOCVD工藝在復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層材料12上再生長1層2 μ m厚的GaN單 晶薄膜材料作為GaN模板層13。步驟7 調(diào)控GaN模板層13的降溫速率，先以10°C /分鐘的降溫速率從1050°C降 到750°C，再以20°C /分鐘的降溫速率從750°C降到250°C，最后自然降到室溫。步驟8 =WMOCVD設(shè)備反應(yīng)室取出包含Si單晶基底11、復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層12、低位 錯密度無裂紋與彎曲的GaN模板層13的Si基復(fù)合襯底1。在如上所述完成4英寸Si基復(fù)合襯底1之后，可以以該Si基復(fù)合襯底1做GaN 同質(zhì)單晶襯底模板，采用MOCVD工藝制備高效發(fā)光的氮化鎵(GaN)基藍(lán)光LED外延片材料。根據(jù)本實用新型的硅基復(fù)合襯底實現(xiàn)了如下所述的有益效果。(1)本實用新型中的復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層相比現(xiàn)有的中間層技術(shù)(包括晶格應(yīng)力協(xié)變 層和緩沖層)和插入層技術(shù)具有更好的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放效果。具體體現(xiàn)在如下三個方 1)選用與硅(Si)和氮化鎵(GaN)都有很好晶格匹配關(guān)系且具有很好的熱、化 學(xué)穩(wěn)定性的多層薄氮化鋁(AlN)單晶薄膜材料做晶格失配應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放層。 AlN與Si的晶格失配度為2.76%，GaN與AlN的晶格失配度為-2. 47%,由于薄AlN單 晶薄膜材料相比GaN單晶薄膜材料和Si單晶襯底的厚度都薄很多，基于可協(xié)變襯底 (Compliantsubsrates)的可協(xié)變中間層的應(yīng)力轉(zhuǎn)移思想，GaN與Si之間的晶格失配應(yīng)力在 GaN模板層的GaN單晶薄膜材料生長過程中會先轉(zhuǎn)移分配到各層薄AlN單晶薄膜材料中協(xié) 調(diào)釋放，因而降低在GaN模板層中引入位錯和缺陷的幾率，即使引入位錯也是先在Si與AlN 單晶薄膜材料的界面處引入，而不會對上面的GaN模板層產(chǎn)生更不好的影響。特別是，本實 用新型采用的多層AlN與TiN交疊結(jié)構(gòu)會引入更多界面，這些增加的界面又起到阻止下面 的穿通位錯向上增殖延伸作用，從而進(jìn)一步降低了位錯密度。在現(xiàn)有的一些研究工作和技 術(shù)中大都采用單層薄AlN材料或其他材料做晶格應(yīng)力轉(zhuǎn)移和協(xié)調(diào)釋放層，在抑制穿通位錯向上增殖延伸方面效果不明顯。2)選用熱膨脹系數(shù)大的多層超薄氮化鈦(TiN)單晶薄膜材料做為熱應(yīng)力的轉(zhuǎn) 移和協(xié)調(diào)釋放層。TiN的熱膨脹系數(shù)是9. 35 X 10_6K，相比GaN的5. 59 X 10_6K、AlN的 4. 15 X 10_6Κ及Si的2. 6Χ 10_6Κ都大很多，加上超薄TiN單晶薄膜材料相比薄AlN單晶薄 膜材料和GaN模板層的GaN單晶薄膜材料都薄很多，基于可協(xié)變襯底的可協(xié)變中間層的應(yīng) 力轉(zhuǎn)移思想，在GaN單晶薄膜模板層從高達(dá)1100°C的生長溫度降到室溫過程中因Si與GaN 之間熱膨脹系數(shù)差異會產(chǎn)生積聚非常大的熱張應(yīng)力，通過調(diào)控降溫速率可使熱張應(yīng)力先轉(zhuǎn) 移到各層超薄TiN單晶薄膜材料中協(xié)調(diào)釋放，進(jìn)而實現(xiàn)GaN模板層無裂紋和彎曲。即使產(chǎn) 生裂紋也會先在TiN材料中產(chǎn)生，而不會對上面的GaN模板層產(chǎn)生影響。此外，本實用新型 選用的TiN材料與AlN材料有較好的晶格匹配關(guān)系，立方TiN (111)面與六方AlN (0002)面 的晶格失配度為3. 45%，盡管與六方GaN(0002)面的晶格失配度為-6. 14%，由于TiN材料 很薄，超薄TiN層夾在各薄AlN層之間與AlN共格生長，因而相比現(xiàn)有低溫插入層技術(shù)，還 不會影響上面GaN模板層結(jié)晶生長質(zhì)量。3)薄AlN和超薄TiN相互交疊構(gòu)成的復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層既具有相比現(xiàn)有應(yīng)力協(xié)變 層、緩沖層及低溫插入層更好的晶格失配應(yīng)力和熱應(yīng)力轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)效果，還可采用與GaN模 板層相同的材料生長工藝在同一設(shè)備上依次制備，因此相比現(xiàn)有的圖形襯底技術(shù)，制備工 藝更簡單也更實用。(2)本實用新型僅通過調(diào)控復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中的薄AlN與超薄TiN單晶薄膜材料 的厚度與交疊層數(shù)以及外延生長GaN模板層后的降溫速率就可獲得低位錯密度無裂紋和 彎曲的Si基復(fù)合襯底，如增大Si襯底的尺寸，會獲得直徑不小于4英寸的GaN同質(zhì)單晶模 板，用此種大尺寸襯底外延生長GaN材料和制備LED器件結(jié)構(gòu)，勢必會大幅度降低現(xiàn)有的 GaN基LED外延片材料的制備成本。因此，具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益和非常好的市場推廣前
旦
ο以上實施方式只是對本實用新型的示例性說明而不限定其保護范圍。本領(lǐng)域人員 可以對其進(jìn)行局部改變，在沒有脫離本實用新型精神實質(zhì)前提下，都屬于對本實用新型等 同替換，因此都在本實用新型保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種用于制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的硅基復(fù)合襯底，其特征在于，包含一硅單晶基底；一復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層，形成在所述硅單晶基底上，所述復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層由氮化鋁和氮化鈦單晶薄膜材料彼此多次交疊構(gòu)成；一氮化鎵模板層，形成在所述復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層上，所述氮化鎵模板層由氮化鎵單晶薄膜材料構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的硅基復(fù)合襯底，其特征在 于，其中所述復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中氮化鈦層每層的厚度不大于氮化鋁層每層厚度的1/3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的硅基復(fù)合襯底，其特征在 于，其中所述復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中氮化鋁層每層的厚度為15 90nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的硅基復(fù)合襯底，其特征在 于，其中所述復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中氮化鋁層的層數(shù)為2 10層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的硅基復(fù)合襯底，其特征在 于，其中所述復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層中各氮化鈦層分別插入到各氮化鋁層之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的硅基復(fù)合襯底，其特征在 于，其中所述氮化鎵模板層的厚度不小于ι μ m。
專利摘要本實用新型提供一種用于制備氮化物半導(dǎo)體外延材料的硅基復(fù)合襯底，其特征在于，包含一硅單晶基底；一復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層，形成在硅單晶基底上，該復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層由氮化鋁和氮化鈦單晶薄膜材料彼此多次交疊構(gòu)成；一氮化鎵模板層，形成在復(fù)合應(yīng)力協(xié)變層上，該氮化鎵模板層由氮化鎵單晶薄膜材料構(gòu)成。該硅基復(fù)合襯底克服了硅基氮化鎵材料大晶格失配問題和大熱失配問題，能夠大幅度降低氮化鎵LED外延片材料制備成本，適合應(yīng)用與市場推廣。
文檔編號H01L33/12GK201741713SQ20102016879
公開日2011年2月9日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者劉祥林, 施建江, 楊少延 申請人:杭州海鯨光電科技有限公司;施建江