一种图案化衬底及其制作方法和利用其制作外延膜的方法与流程

本发明涉及半导体材料领域，特别是涉及一种图案化衬底及其制作方法和利用其制作外延膜方法。

背景技术：

GaN作为第三代半导体材料，因其宽的直接带隙(3.4eV)、高的热导率、高的电子饱和漂移速度等方面的特点，在光电子器件方面，GaN材料已经普遍的应用于生产蓝光、绿光、紫外光二级管(LED)器件；在微波功率器件方面，因AlGaN/GaN异质结构界面处存在较大的极化电场，可产生高浓度的二维电子气(2DGE)，并且电子迁移率也很高，利用此特性，GaN材料也被普遍应用于微波功率器件。因Si基半导体技术已经发展了半个多世纪，从材料获得到器件工艺都已经发展的非常成熟，并且Si材料比蓝宝石、SiC材料具有较大的成本优势；另外利用Si衬底外延的GaN基LED非常容易去除Si衬底而制成垂直芯片，利用Si衬底外延的GaN基功率器件具备较好的导电性、优越的散热性能，有利于大面积集成，以及与传统的Si基器件兼容和集成等优势，因此利用Si衬底开发GaN基LED和功率微波器件成为半导体材料研究的热点之一。但Si衬底和GaN材料存在20.4％的晶格失配和56％的热失配，导致GaN外延膜在生长后薄膜内存在很大的张应力，生长的GaN薄膜容易龟裂，严重影响后续器件的制作及性能；目前普遍采用AlN/AlGaN缓冲层的方法在Si衬底和GaN外延膜之间预置压应力层，抵消降温后产生的张应力，获得高质量的外延薄膜。但是随着Si衬底尺寸的增加，特别涉及到6-12英寸的Si衬底外延时，Si衬底的翘曲越难控制；对生长的条件要求也非常苛刻，特别是对生长的温度和气流的均匀性等要求更加苛刻。

鉴于此，实有必要提供一种适合外延生长的大尺寸图形Si衬底，以解决大尺寸Si衬底外延生长问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种图案化衬底及其制作方法和利用其制作外延膜方法，该图形化衬底大大减小了大尺寸Si衬底在外延翘曲控制过程中的难度，并且使得外延层的生长均匀性以及重复性得到大幅提高。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种案化衬底的制作方法，至少包括以下步骤：

1)提供一Si衬底，在其表面制作出多个凹坑；

2)在所述Si衬底表面上形成AlN薄膜，使所述AlN薄膜填充满所述凹坑；

3)对步骤2)得到AlN薄膜进行减薄处理，得到图案化衬底。

于本发明的一实施方式中，在步骤1)中，在所述Si衬底表面制作出多个凹坑的过程，至少包括以下步骤：

1-1)在所述Si衬底表面上形成一层光刻胶掩膜；

1-2)采用光刻技术将所述光刻胶掩膜图形化，以形成所期望的图形；

1-3)采用刻蚀工艺将光刻胶掩膜上的图形轮廓传递到所述Si衬底上，在所述Si衬底上表面形成所述凹坑。

于本发明的一实施方式中，在步骤1-3)中，采用ICP刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺进行刻蚀。

于本发明的一实施方式中，所述ICP刻蚀工艺所采用的刻蚀气体包括含氟基气体，所述湿法腐蚀工艺采用的腐蚀液包括BOE溶液及KOH溶液中的任意一种或多种。

于本发明的一实施方式中，图案化衬底的制作方法还包括以下特征中的一项或两项：

1)在步骤1)中，所述凹坑为圆洞形，其直径为300-800nm，深度为500-1000nm；

2)步骤2)中，在形成所述AlN薄膜时，所述Si衬底温度控制在500-1000℃，所述AlN薄膜的厚度为1-2μm。

于本发明的一实施方式中，在步骤3)中，对AlN薄膜进行减薄处理的过程，至少包括以下步骤：

3-1)在所述AlN薄膜表面上涂有一层光刻胶，将其全部曝光、固化、坚膜，以适于衬底表面平整；

3-2)利用氟基反应离子刻蚀设备对所述AlN薄膜表面进行减薄处理。

于本发明的一实施方式中，在步骤3)中，减薄至暴露出所述Si衬底表面，或在所述Si衬底表面保留50-100nm厚的AlN薄膜。

本发明还公开一种如上述所述的图案化衬底的制作方法获得的图案化衬底。

本发明还公开一种用上述所述的图案化衬底制作外延膜的方法，包括以下步骤：

a)对所述图案化衬底进行原位表面高温退火处理；

b)在所述图案化衬底表面上生长AlN缓冲层；

c)在所述AlN缓冲层表面上生长AlGaN应力控制层；

d)在所述AlGaN应力控制层表面上生长GaN外延层。

于本发明的一实施方式中，利用图案化衬底制作外延膜的方法还包括以下特征的一项或多项：

1)在步骤a)中，高温退火处理的条件为：温度为1100-1200℃，退火时间为5-10min，退火气体包括H₂和NH₃，H₂气体流量为120-150L/min，NH₃气体流量为6-8L/min；

2)在步骤b)中，生长所述AlN缓冲层条件为：温度为1000-1100℃，反应室反应压力为50-100torr，生长速率为3-6nm/min；

3)在步骤b)中，所述AlN缓冲层厚度为50-200nm；

4)在步骤c)中，生长所述AlGaN应力控制层的条件为：温度为1000-1100℃，反应室压力为50-100torr，生长速率为5-50nm/min，

5)在步骤c)中，所述AlGaN应力控制层的厚度为200-1000nm，

6)在步骤c)中，在生长所述AlGaN应力控制层的组分中，Al的摩尔量占组分总摩尔量的20-60％；

7)在步骤d)中，生长所述GaN外延层的条件为：温度为1000-1150℃，反应室压力为50-500torr，生长速率为1-6μm/h；

8)在步骤d)中，所述GaN外延层的厚度为1-6μm。

如上所述，本发明提供一种图案化衬底及其制作方法和利用其制作外延膜方法，具有以下有益效果：

本发明获得大尺寸Si基AlN复合的图形化衬底，并且利用图形化衬底的制作出高质量的GaN外延膜。本发明获得的图形化衬底大大减小了大尺寸Si衬底在外延翘曲控制过程中的难度，并且使得外延的生长均匀性以及重复性得到大幅提高。

附图说明

图1显示为本发明的图案化衬底的制造方法的步骤流程示意图。

图2～图3显示为本发明的图案化衬底的制造方法步骤S11所呈现的结构示意图。

图4显示为本发明的图案化衬底的制造方法步骤S12所呈现的结构示意图。

图5～图6显示为本发明的图案化衬底的制造方法经过步骤S13获得两种结构示意图。

图7显示为本发明的利用图案化衬底制作外延膜的方法的步骤流程示意图。

图8显示为本发明的外延膜的结构示意图。

元件标号说明

101 Si衬底

102 凹坑

103 AlN薄膜

104 AlN缓冲层

105 AlGaN应力控制层

106 GaN外延层

S11～S14 步骤1)～步骤4)

S21～S24 步骤1)～步骤4)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供了一种图形化衬底的制作方法，所述方法包括：

S11：提供一Si衬底101，在其表面制作出多个凹坑102；

S12：在Si衬底101表面上形成AlN薄膜103，使AlN薄膜填充满凹坑；

S13：对步骤2)得到AlN薄膜103进行减薄处理，得到图案化衬底；

S14：清洁图案化衬底。

在步骤S11中，请参阅图2至图3，提供一Si衬底101，在其表面制作出多个凹坑102。衬底的尺寸为6-12英尺，本发明对大尺寸衬底的有益效果会更为明显，作为示例，采用8英寸的生长衬底，实际上衬底尺寸越大，可同时制备更多的有效芯片，有利于节约生产成本。

在步骤S11中，在Si衬底101表面制作出多个凹坑102的过程，至少包括以下步骤：

S11-1：在Si衬底101表面上形成一层光刻胶掩膜；

S11-2：采用光刻技术将光刻胶掩膜图形化，以形成所期望的图形；

S11-3：采用刻蚀工艺将光刻胶掩膜上的图形轮廓传递到Si衬底上，在Si衬底上表面形成凹坑102。

在步骤S11-2中，光刻胶掩膜的图形的分布周期为1μm，图形为圆柱型或方柱型，直径为500-800nm，高度为500-1000nm。

在步骤S11-3中，采用ICP刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺进行刻蚀。利用干法刻蚀方法，可以选择ICP刻蚀，采用含氟基的气体作为刻蚀气体，作为示例，刻蚀气体为CHF₃、SF₆或CF₄；利用湿法腐蚀工艺，作为示例，采取BOE或KOH作为腐蚀液；通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺后，经过去光刻胶、清洗、甩干后，获得具有Si图形衬底。

凹坑102呈圆洞形、方洞形或倒圆锥形等形状。在本实施例中，凹坑102呈圆洞形，相邻的凹坑102的水平距离为1μm左右，直径为300-800nm，深度500-1000nm。凹坑有利于衬底应力的释放，衬底就不会受到外延层的拉扯应力，从而避免了大尺寸衬底芯片制作过程中，外延生长时衬底翘曲严重问题的发生，进而使衬底受热均匀，芯片的光电性能大幅提高。

在步骤S12中，在Si衬底101表面上形成AlN薄膜。

具体的，利用等离子体化学气相沉积(PCVD)设备，在获得的具有凹坑102的Si衬底101表面溅射一层AlN薄膜103，Si衬底101的温度控制在500-1000℃，通过控制溅射速率、基底温度、溅射厚度等参数控制保证Si衬底101表面的凹坑内填满AlN材料，溅射AlN薄膜103的厚度为1-2μm。最后呈现的结构如图4所示。

在步骤S13中，对AlN薄膜103进行减薄处理的过程，至少包括以下步骤：

S13-1)在所述AlN薄膜103表面上涂有一层光刻胶，将其全部曝光、固化、坚膜，以适于衬底表面平整；

S13-2)利用氟基反应离子刻蚀设备对AlN薄膜103表面进行减薄处理。

具体来讲，首先应对溅射AlN后Si衬底101表面修饰：在溅射了AlN的Si图形衬底上均匀涂上光刻胶，然后通过全部曝光、固化、坚膜工序后，使衬底表面平整。因为Si图形衬底溅射AlN材料后，其表面因周期性纳米凹坑的存在，导致表面起伏不平，为便于后续外延生长需对表面修饰，获得尽量平整表面。

然后对衬底表面层进行减薄处理，利用氟基反应离子刻蚀(RIE)设备对表面进行减薄，反应气体可以采用氟利昂等，通过控制刻蚀功率、刻蚀时间、反应气体浓度等工艺控制刻蚀速率；衬底表面减薄的结果可以分为两种情况，一是刻蚀后Si衬底101表面保留50-100nm AlN薄膜层，如图5所示，二是刻蚀后在Si衬底101表面露出Si基表面层，如图6所示。

在步骤S14中，清洁图案化衬底。

具体的，对减薄后的图案化衬底，利用plasma、清洗、甩干等工序后清洁衬底表面，然后通过OM、SEM和AOI设备检测，然后分档和收集图形化衬底。

如图7所示，本发明还提供了一种利用图案化衬底制作外延膜的方法，包括以下步骤：

S21：对图案化衬底进行原位表面高温退火处理；

S22：在图案化衬底表面上生长AlN缓冲层104；

S23：在AlN缓冲层104表面上生长AlGaN应力控制层105；

S24：在AlGaN应力控制层105表面上生长GaN外延层106，获得外延膜，外延膜的结构如图8所示。

在步骤S21中，利用MOCVD设备进行原位表面高温退火处理，提高AlN材料结晶质量，高温退火处理的条件为：温度为1100-1200℃，退火时间为5-10min，退火气体为H₂和NH₃，H₂气体流量为120-150L/min，NH₃气体流量为6-8L/min。在本实施例中，高温退火处理的条件为：温度为1150℃，退火时间为7min，H₂气体流量为130L/min，NH₃气体流量为7L/min。

在步骤S22中，生长AlN缓冲层104条件为：温度为1000-1100℃，反应室反应压力为50-100torr，生长速率为3-6nm/min。AlN缓冲层104厚度为50-200nm。在本实施例中，生长AlN缓冲层104条件为：温度为1050℃，反应室反应压力为75torr，生长速率为5nm/min。AlN缓冲层104厚度为150nm。

针对步骤S13获得两种不同的图案化衬底，生长AlN缓冲层104的厚度也不同，在步骤S13中露出Si基表面层的图案化衬底需要生长AlN缓冲层104的厚度高于另一种图案化衬底。最终将AlN层的厚度控制在100-200nm。作为示例，AlN层的厚度为140nm。

在步骤S23中，生长AlGaN应力控制层105的条件为：温度为1000-1100℃，反应室压力为50-100torr，生长速率为5-50nm/min。在本实施例中，生长AlGaN应力控制层105的条件为：温度为1050℃，反应室压力为75torr，生长速率为15nm/min。AlGaN应力控制层105的厚度为400-1000nm。作为示例，AlGaN应力控制层105的厚度为600nm。

在步骤S23中，在生长AlGaN应力控制层105的组分中，Al的摩尔量占组分总摩尔量的20-60％。在本实施例中，在生长AlGaN应力控制层105的组分中，Al的摩尔量占组分总摩尔量的30％。

在步骤S24中，生长所述GaN外延层106的条件为：温度为1050-1100℃，反应室压力为50-500torr，生长速率为1-6μm/h。在本实施例中，生长所述GaN外延层106的条件为：温度为1075℃，反应室压力为150torr，生长速率为3μm/h。

在步骤S24中，以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、氨气(NH₃)分别作为Ga、Al和N源。GaN外延层106的厚度为1-6μm。作为示例，GaN外延层106的厚度为3μm。

综上所述，本发明提供一种图案化衬底及其制作方法和用其制作外延膜方法，本发明获得大尺寸的Si基AlN复合图形化衬底，并且利用图形化衬底制作出GaN外延膜，大大减小了大尺寸Si衬底在外延翘曲控制过程中的难度，易于获得高质量的GaN外延薄膜材料，并且使得外延的生长均匀性以及重复性得到大幅提高。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。