一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底。所述離子注入改善型襯底，利用離子注入技術(shù)對(duì)常規(guī)的氮化鎵異質(zhì)外延襯底進(jìn)行選擇性地注入離子，致使注入離子后的襯底材料在熱膨脹系數(shù)、楊氏模量、晶格常數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生一定的變化，使得異質(zhì)襯底材料的物理性能參數(shù)與氮化鎵材料的性能參數(shù)相匹配，以適應(yīng)氮化鎵電子器件在異質(zhì)襯底上外延生長(zhǎng)，降低異質(zhì)襯底上氮化鎵基電子器件的外延生長(zhǎng)應(yīng)力，從而改善并提高氮化鎵材料的生長(zhǎng)質(zhì)量及器件的整體性能。離子注入改善型襯底，對(duì)降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力有明顯的改善作用，對(duì)提升電子器件整體性能有重要作用，所以在電子器件應(yīng)用方面具有潛在的實(shí)用化和商業(yè)化的價(jià)值。
【專利說(shuō)明】
一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及采用離子注入技術(shù)改善異質(zhì)襯底上氮化鎵基電子器件的外延生長(zhǎng)應(yīng)力并提高器件性能。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，以GaN、InGaN、AlGaN為主的II1-V氮化物為代表的半導(dǎo)體器件研究備受科研工作者的關(guān)注，其在某些半導(dǎo)體器件領(lǐng)域取得重大突破及產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。研究表明，氮化鎵的物理化學(xué)性能使其成為發(fā)光二極管，激光器，電子功率器件等光電子器件的優(yōu)選材料。
[0003]然而，氮化鎵單晶襯底晶片的制備技術(shù)要求高，目前離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，與氮化鎵外延生長(zhǎng)相匹配的材料仍處在探索和研究過(guò)程中。氮化鎵基電子器件一般是以硅、藍(lán)寶石、碳化硅等異質(zhì)襯底上外延生長(zhǎng)而制備，但是氮化鎵與這種襯底存在著不同程度的晶格失配和熱膨脹失配。例如，氮化鎵材料，與藍(lán)寶石的晶格失配和熱膨脹失配分別為
13.9%和8.5%，與Si的晶格失配和熱脹失配分別為-16.96%和3.9%。如此大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，使氮化鎵電子器件在外延過(guò)程或者降溫后產(chǎn)生巨大的外延生長(zhǎng)應(yīng)力場(chǎng)，從而影響器件性能，尤其是硅襯底上的氮化鎵基電子器件的生長(zhǎng)，由于大尺寸、大應(yīng)力場(chǎng)使器件出現(xiàn)彎曲或者龜裂，嚴(yán)重影響電子器件的實(shí)用化和商用化進(jìn)程。所以，解決異質(zhì)外延中廣生的應(yīng)力場(chǎng)成為提尚氣化嫁基電子器件性能的關(guān)鍵因素。目如異質(zhì)襯底生長(zhǎng)技術(shù)，在一定程度上可以減弱應(yīng)力場(chǎng)對(duì)器件制備的影響，但尚無(wú)辦法進(jìn)一步更有效或完全地進(jìn)行釋放和消除應(yīng)力。因此，結(jié)合現(xiàn)在的氮化鎵器件生長(zhǎng)技術(shù)和襯底材料，改善半導(dǎo)體材料襯底的性能，使其性能參數(shù)與氮化鎵材料相匹配是一條有效且可行的辦法之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有異質(zhì)生長(zhǎng)技術(shù)和異質(zhì)襯底材料生長(zhǎng)的不足，本發(fā)明提供一種離子注入改善型襯底，利用離子注入技術(shù)把致襯底材料改性的離子注入到異質(zhì)襯底材料，改變?cè)摦愘|(zhì)襯底材料的原有的物理性能參數(shù)，使其與氮化鎵及其摻雜系列材料的物理性能參數(shù)相匹配，降低由于異質(zhì)襯底材料物理性能參數(shù)與氮化鎵材料的物理性能參數(shù)不匹配引起的氮化鎵基電子器件的異質(zhì)襯底外延生長(zhǎng)應(yīng)力，從而改善和提高氮化鎵基電子器件外延生長(zhǎng)質(zhì)量和器件性能。
[0005]本發(fā)明根據(jù)外延襯底材料與氮化鎵的物理性能參數(shù)的差異性，選擇性地、針對(duì)性地對(duì)襯底材料進(jìn)行離子注入，使襯底材料的物理性能參數(shù)與氮化鎵系列相匹配，從而克服了在外延生長(zhǎng)和升降溫過(guò)程中，應(yīng)力場(chǎng)對(duì)外延材料和器件性能的影響，提高了氮化鎵基電子器件的性能參數(shù)。
[0006]具體技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底，所述離子注入改善型襯底，其材料主要為藍(lán)寶石、硅、碳化硅、砷化鎵等單晶材料，所述襯底材料經(jīng)離子注入后，其性能參數(shù)與氮化鎵及其系列半導(dǎo)體材料參數(shù)相匹配或者相互補(bǔ)償。根據(jù)所述的襯底材料的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量、晶格常數(shù)等物理性能參數(shù)與氮化鎵相應(yīng)的物理性能參數(shù)之間的差異性，根據(jù)離子類型性能的差異性，針對(duì)性地選擇合適的離子類型注入，以便改善襯底材料的本征性能，最終與氮化鎵材料的性能參數(shù)相匹配。所注入的致襯底材料改性的離子，其元素主要為弱堿金屬元素、過(guò)渡元素(IIIB、IVB、V B、VIB、VIIB、VD1、I B、II B)、鹵族元素、II A-VEA族元素等。
[0008]所述的離子注入改善型襯底，根據(jù)襯底材料(藍(lán)寶石、硅、碳化硅、砷化鎵)與氮化鎵、氮化鋁等性能的參數(shù)的差異性來(lái)決定注入離子的類型；離子類型選擇后，根據(jù)實(shí)際情況決定離子注入的濃度和離子注入到襯底材料的深度。離子注入面，根據(jù)實(shí)際情況可以選擇襯底材料的正面或者背面。
[0009]所述的離子注入改善型襯底，所注入的致襯底材料改性的離子，其種類可以是單一種離子，也可以是兩種、或者三種及三種以上的混合離子。所注入的致襯底材料改性的離子，其在襯底材料內(nèi)的改善型離子層，可以是單層，或者多層，或者周期循環(huán)層。
[0010]所注入的致襯底材料改性的離子，在改善型襯底內(nèi)的離子層的位置(如在中間、或靠近正面、或靠近背面)、離子的濃度、離子層的厚度參數(shù)，可根據(jù)待外延生長(zhǎng)的電子器件及其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0011]所述的離子注入改善型襯底與原本征襯底相比，在其熱膨脹系數(shù)、楊氏模量、晶格參數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)方面的物理性能參數(shù)中，可以僅在某個(gè)物理性能參數(shù)改變，或者兩個(gè)或者多個(gè)物理性能參數(shù)同時(shí)改變，以便與氮化鎵材料的物理性能參數(shù)相匹配，從而更大程度改善并提高氮化鎵基電子器件的外延性能。
[0012]所述的離子注入改善型襯底，也可根據(jù)在襯底上生長(zhǎng)電子器件所用各類材料物理性能參數(shù)的等效性能參數(shù)來(lái)進(jìn)行改善原襯底材料的性能參數(shù)，不僅單一的氮化鎵材料，以達(dá)到整體的器件性能最優(yōu)。也可以根據(jù)生長(zhǎng)電子器件總體的應(yīng)力狀態(tài)，把襯底材料改善成反方向的應(yīng)力狀態(tài)，補(bǔ)償器件原有的應(yīng)力狀態(tài)。例如，在硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵電子器件是張應(yīng)力，可以選擇離子類型、調(diào)節(jié)濃度等參數(shù)以注入硅襯底內(nèi)部，使注入后的硅襯底處于正面壓應(yīng)力，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч?br>[0013]本發(fā)明所述離子注入改善型襯底技術(shù)，也適合于氮化鋁、氮化銦等第三代半導(dǎo)體系氮化物外延材料及器件的生長(zhǎng)，均可有效地改善并提高其材料與器件的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明所闡述的離子注入改善型襯底；
[0015]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一所述與氮化鎵材料熱脹性能參數(shù)相匹配的離子注入改善的娃襯底，；
[0016]圖3是本發(fā)明實(shí)施例二所述與氮化鎵材料外延應(yīng)力相互補(bǔ)償?shù)碾x子注入改善的藍(lán)寶石襯底。
[0017]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0018]1:異質(zhì)[娃、藍(lán)寶石和碳化娃等材料]襯底，11:[異質(zhì)]襯底正面，12:[異質(zhì)]襯底背面；2:[異質(zhì)襯底內(nèi)的]離子注入層，3:[異質(zhì)襯底材料上外延生長(zhǎng)的]氮化鎵電子器件層
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述僅用于解釋本發(fā)明的具體實(shí)施例，而并不限定本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。
[0020]實(shí)施例一:
[0021]如圖2所示，I表示所選擇的本征硅材料襯底，根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)證明，硅襯底材料上外延生長(zhǎng)的氮化鎵電子器件3的綜合的等效熱膨脹系數(shù)P 比本征硅襯底P S1的熱膨脹系數(shù)大，電子器件生長(zhǎng)完畢后，在降溫過(guò)程中，電子器件由于熱膨脹系數(shù)和晶格失配等性能參數(shù)的差異性受到了極大的張應(yīng)力F，電子器件上表面形成凹形，如圖2上圖所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，選擇熱膨脹系數(shù)較大的離子化合物(鎵和砷離子)注入到本征硅襯底內(nèi)部，優(yōu)化注入層的位置和厚度及離子濃度等參數(shù)，形成離子注入改善層2，增大硅襯底的等效熱膨脹系數(shù)Psly使其與電子器件層的熱膨脹系數(shù)PdevlJf等或者相對(duì)匹配，降低了熱膨脹系數(shù)失配引起的彎曲，如圖2下圖所示，從而在一定程度降低電子器件的熱膨脹失配的張應(yīng)力，降低了襯底的曲率，提高了器件的性能。
[0022]實(shí)施例二:
[0023]如圖3所示，I表面所選擇的本征藍(lán)寶石襯底，根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)證明，藍(lán)寶石襯底材料上外延生長(zhǎng)的氮化鎵電子器件3的綜合等效的熱膨脹系數(shù)P 比本征藍(lán)寶石襯底材料的熱膨脹系數(shù)Paim3小，電子器件生長(zhǎng)完畢后，在降溫過(guò)程中，電子器件由于熱膨脹系數(shù)和晶格失配等性能參數(shù)的差異性受到了極大的壓應(yīng)力F，電子器件上表面凸起，如圖3上圖所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利用應(yīng)力補(bǔ)償?shù)脑?，選擇一種熱膨脹系數(shù)比藍(lán)寶石小與氮化鎵相當(dāng)?shù)碾x子或者離子化合物(鋁和氮離子)注入到藍(lán)寶石襯底靠近背面的內(nèi)部，優(yōu)化注入層的位置和厚度及離子濃度等參數(shù)，形成離子注入改善層2，其離子注入改善層2的等效的熱膨脹系數(shù)PA12(]3/j、于本征藍(lán)寶石襯底材料的熱膨脹系數(shù)P A12(]3。電子器件生長(zhǎng)完畢后，在降溫的過(guò)程中，由于藍(lán)寶石襯底正面受到電子器件層對(duì)其的張應(yīng)力，同時(shí)離子注入改善層也對(duì)剩余的藍(lán)寶石本征層產(chǎn)生張應(yīng)力，從而形成藍(lán)寶石襯底受到的應(yīng)變平衡，F(xiàn)l = F2如圖3下圖所示，降低了電子器件因熱失配帶來(lái)了曲率，一定程度上釋放了電子器件的張應(yīng)力，提高了電子器件的綜合性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底，其特征在于，利用離子注入技術(shù)把致襯底材料改性的離子注入到異質(zhì)襯底材料，改變?cè)摦愘|(zhì)襯底材料的原有的物理性能參數(shù)，使其與氮化鎵及其摻雜系列材料的物理性能參數(shù)相匹配，降低由于異質(zhì)襯底材料的物理性能參數(shù)與氮化鎵材料的物理性能參數(shù)不匹配引起的氮化鎵基電子器件的異質(zhì)襯底外延生長(zhǎng)應(yīng)力，從而改善和提高氮化鎵基電子器件外延生長(zhǎng)質(zhì)量和器件性能。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底，其特征在于，所述離子注入改善型襯底，其材料主要為藍(lán)寶石、硅、碳化硅、砷化鎵等單晶材料，所述襯底材料經(jīng)致其改性的離子注入后，其性能參數(shù)與氮化鎵及其系列半導(dǎo)體材料參數(shù)相匹配或者相互補(bǔ)償。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底。其特征在于，所述注入的致襯底材料改性的離子，其元素主要為弱堿金屬元素、過(guò)渡元素(III B, IV B, V B, VI B, VE B, VID, I B、II B)、鹵族元素、II A-VII A 族元素。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底，其特征在于，所述注入的致襯底材料改性的離子，其種類可以是單一種離子，也可以是兩種、或者三種及三種以上的混合離子。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底，其特征在于，所述注入的致襯底材料改性的離子，其在襯底材料內(nèi)的改善型離子層，可以是單層，或者多層、或者周期循環(huán)層。6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一權(quán)利要求所述的一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底，其特征在于，所述注入的致襯底材料改性的離子，在改善型襯底內(nèi)的離子層的位置，離子的濃度，離子層的厚度參數(shù)，是可以根據(jù)待外延生長(zhǎng)的電子器件及其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)節(jié)的。7.根據(jù)權(quán)利2至6中任一權(quán)利要求所述的一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底，其特征在于，所述離子注入改善型襯底與原本征襯底相比，在其熱膨脹系數(shù)、楊氏模量、晶格參數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)方面的物理性能參數(shù)中，可以是僅在某個(gè)物理性能參數(shù)改變，或者兩個(gè)或者多個(gè)物理性能參數(shù)同時(shí)改變，以便與氮化鎵材料的物理性能參數(shù)相匹配，從而更大程度改善并提高氮化鎵基電子器件的外延性能。8.根據(jù)權(quán)利2至6中任一權(quán)利要求所述的一種降低氮化鎵基電子器件外延應(yīng)力的離子注入改善型襯底，其特征在于，所述離子注入改善型襯底技術(shù)，也適合于氮化鋁、氮化銦等第三代半導(dǎo)體系氮化物外延材料及器件的生長(zhǎng)，均可有效地改善并提高其材料與器件的性會(huì)K。
【文檔編號(hào)】H01L21/02GK105895672SQ201510038542
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年1月26日
【發(fā)明人】羅睿宏, 梁智文, 張國(guó)義
【申請(qǐng)人】東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司