一种III族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法与流程

本发明属于半导体领域，涉及一种iii族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法。

背景技术：

以摩尔定律为核心的半导体产业在过去半个世纪推动了计算(pc)和通讯(互联网)两个信息技术浪潮滚滚向前。然而，随着硅cmos器件尺寸日益接近原子等级的物理极限，摩尔定律发展因巨大的研发投入和制造的困难度而遇到了瓶颈。“超越摩尔”(mtm)产业是指不以缩小器件尺寸为技术创新的成熟半导体及其延伸技术，其中包含微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)、光电、射频、功率、模拟、微流体、微能源等。

相比于体硅材料，iii族氮化物(亦称iii-n化合物)材料因其直接带隙、极大内建电场等特性，在光电、功率、射频、mems等领域有其独特优势。其中，iii指元素周期表中第iii族中的至少一种元素。

体硅是实现摩尔定律的衬底材料平台。而新型的iii族氮化物和硅异质集成衬底也将是实现“超越摩尔定律”重要的新技术创新平台。

由于iii族氮化物晶体主要为六方晶格，一般仅能生长于六轴对称的si(111)晶面；而cmos硅工艺大多采用si(100)晶向的硅衬底。

因此，如何提供一种iii族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法，以将iii族氮化物与可用于cmos工艺的si(100)衬底集成，为多种超越摩尔定律产品提供cmos兼容的高质量iii族氮化物和硅异质集成衬底，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

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iii族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法，用于解决现有技术中超越摩尔产品缺乏与cmos兼容的高质量iii族氮化物和硅异质集成衬底的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种iii族氮化物和硅异质集成衬底，所述iii族氮化物和硅异质集成衬底包括：

硅衬底；

形成于所述硅衬底第一预设区域表面的iii族氮化物叠层结构；

形成于所述硅衬底第二预设区域表面的硅基叠层结构；所述硅基叠层结构自下而上依次包括第一绝缘层、硅层、第二绝缘层；所述硅基叠层结构与所述iii族氮化物叠层结构之间通过隔离结构隔离；

覆盖于所述硅基叠层结构及所述iii族氮化物叠层结构表面的盖帽层。

可选地，所述硅衬底采用(111)晶向硅，所述硅层采用(100)晶向硅。

可选地，所述第一绝缘层、第二绝缘层均包括二氧化硅材料。

可选地，所述盖帽层包括二氧化硅材料。

可选地，所述iii族氮化物叠层结构自下而上依次包括缓冲层、非故意掺杂gan层、n型gan层、ingan量子阱层及p型gan层。

可选地，所述iii族氮化物叠层结构自下而上依次包括缓冲层、第一非故意掺杂gan层、n型gan层、第二非故意掺杂gan层及p型gan层。

可选地，所述iii族氮化物叠层结构自下而上依次包括缓冲层、非故意掺杂gan层、n型gan层及algan盖帽层。

可选地，所述iii族氮化物叠层结构自下而上依次包括缓冲层、非故意掺杂gan层、algan层、n型gan层、ingan量子阱层、p型algan层及p型gan层。

本发明还提供一种iii族氮化物和硅异质集成衬底的制造方法，包括如下步骤：

s1：提供一自下而上依次包括硅衬底、第一绝缘层及硅层的soi衬底；

s2：在所述硅层表面形成第二绝缘层，并刻蚀得到外延窗口；所述外延窗口自上而下依次贯穿所述第二绝缘层、硅层、第一绝缘层，并暴露出所述硅衬底；

s3：在所述外延窗口侧壁形成作为隔离结构的侧墙；

s4：在所述外延窗口内外延生长iii族氮化物叠层结构；所述第一绝缘层、硅层、第二绝缘层构成硅基叠层结构；

s5：形成覆盖于所述硅基叠层结构及所述iii族氮化物叠层结构表面的盖帽层。

可选地，所述soi衬底采用混合晶向衬底，其中，所述硅衬底采用(111)晶向硅，所述硅层采用(100)晶向硅。

可选地，所述soi衬底采用键合技术得到。

可选地，于所述步骤s2中，形成所述外延窗口时，采用湿法腐蚀工艺刻蚀所述第一绝缘层。

可选地，所述iii族氮化物叠层结构自下而上依次包括缓冲层、非故意掺杂gan层、n型gan层、ingan量子阱层及p型gan层。

可选地，所述iii族氮化物叠层结构自下而上依次包括缓冲层、第一非故意掺杂gan层、n型gan层、第二非故意掺杂gan层及p型gan层。

可选地，所述iii族氮化物叠层结构自下而上依次包括缓冲层、非故意掺杂gan层、n型gan层及algan盖帽层。

可选地，所述iii族氮化物叠层结构自下而上依次包括缓冲层、非故意掺杂gan层、algan层、n型gan层、ingan量子阱层、p型algan层及p型gan层。

如上所述，本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法，具有以下有益效果：本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法将硅基叠层结构与所述iii族氮化物叠层结构集成于同一硅衬底上，其中，所述硅基叠层结构可以用于制作传统电路，结合所述iii族氮化物叠层结构可以实现多种超越摩尔的应用。本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法所得的新型异质集成衬底与cmos兼容，可以为实现“超越摩尔定律”产品提供重要的技术创新平台。

附图说明

图1显示为本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底的剖面结构示意图。

图2-图5显示为所述iii族氮化物叠层结构在不同应用中的剖面结构示意图。

图6显示为本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底的制造方法的工艺流程图。

图7显示为本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底的制造方法提供的soi衬底的剖面结构示意图。

图8显示为本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底的制造方法在所述硅层表面形成第二绝缘层，并刻蚀得到外延窗口的示意图。

图9显示为本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底的制造方法在所述外延窗口侧壁形成作为隔离结构的侧墙的示意图。

图10显示为本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底的制造方法在所述外延窗口内外延生长iii族氮化物叠层结构的示意图。

元件标号说明

1硅衬底

2iii族氮化物叠层结构

201，206，211，215缓冲层

202，207，209，212，216非故意掺杂gan层

203，208，213，218n型gan层

204，219ingan量子阱层

205，210，221p型gan层

214algan盖帽层

217algan层

220p型algan层

3硅基叠层结构

301第一绝缘层

302硅层

303第二绝缘层

4隔离结构

5盖帽层

6外延窗口

s1-s5步骤

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10。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。

实施例一

本发明提供一种iii族氮化物和硅异质集成衬底，请参阅图1，显示为所述iii族氮化物和硅异质集成衬底的剖面结构示意图，包括：

硅衬底1；

形成于所述硅衬底1第一预设区域表面的iii族氮化物叠层结构2；

形成于所述硅衬底1第二预设区域表面的硅基叠层结构3；所述硅基叠层结构3自下而上依次包括第一绝缘层301、硅层302、第二绝缘层303；所述硅基叠层结构3与所述iii族氮化物叠层结构2之间通过隔离结构4隔离；

覆盖于所述硅基叠层结构3及所述iii族氮化物叠层结构2表面的盖帽层5。

由于传统电路多是在si(100)上制造的，本实施例中，所述硅层302优选采用(100)晶向硅。而iii族氮化物是在si(111)上生长的，本实施例中，所述硅衬底1优选采用(111)晶向硅。

具体的，所述第一绝缘层301的作用是隔离所述硅衬底2与所述硅层302，通常采用二氧化硅材料。所述第二绝缘层303的作用是保护所述硅层302表面，包括但不限于二氧化硅材料。所述盖帽层5对所述硅基叠层结构与所述iii族氮化物叠层结构起保护作用，包括但不限于二氧化硅材料。

本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底中，硅基叠层结构3与所述iii族氮化物叠层结构2集成于同一硅衬底1上，其中，所述硅基叠层结构3可以用于制作传统电路，结合所述iii族氮化物叠层结构2可以实现多种超越摩尔的应用。

在一种应用实例中，所述iii族氮化物和硅异质集成衬底可用于实现集成的发光二极管和驱动。其中，发光二极管(lightemittingdiode，简称led)是一种半导体发光器件，利用半导体p-n结电致发光原理制成。氮化镓(gan)基化合物为直接带隙宽禁带半导体，其带隙从1.8-6.2ev连续可调，并且具有很高的击穿电压，因而被广泛应用于高亮度蓝绿光发光二极管、蓝紫光激光二极管(ld，laserdiode)。

作为示例，如图2所示，对于应用于集成的led和驱动的iii族氮化物和硅异质集成衬底，所述iii族氮化物叠层结构2自下而上依次包括缓冲层201、非故意掺杂gan层202、n型gan层203、ingan量子阱层204及p型gan层205。其中，所述缓冲层201采用gan材料，其作用是降低后续外延材料与所述硅衬底1之间的晶格失配。

在另一种应用实例中，所述iii族氮化物和硅异质集成衬底还可用于实现集成的紫外线传感器和asic。其中，asic(applicationspecificintegratedcircuit)在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。紫外线传感器(uv传感器)是一种可以利用光敏元件通过光伏模式和光导模式将紫外线信号转换为可测量的电信号的传感器。最早的紫外线传感器是基于单纯的硅，但是根据美国国家标准与技术研究院的指示，单纯的硅二极管也响应可见光，形成本来不需要的电信号，导致精度不高。而基于gan的紫外线传感器，其精度远远高于单晶硅的精度，成为最常用的紫外线传感器材料。

作为示例，如图3所示，对于应用于集成的uv传感器和asic的iii族氮化物和硅异质集成衬底，所述iii族氮化物叠层结构2自下而上依次包括缓冲层206、第一非故意掺杂gan层207、n型gan层208、第二非故意掺杂gan层209及p型gan层210。

在另一种应用实例中，所述iii族氮化物和硅异质集成衬底还可用于实现集成的alganhemt和cmosic。其中alganhemt是指采用algan材料的高电子迁移率场效应晶体管(hemt，highelectronmobilitytransistor)。gan材料与algan形成的二维电子气迁移率大于2000cm²/v·s，载流子面浓度可达到10¹³量级，因而algan/ganhemt更适合于高频大功率方面的应用。而cmos-ic(互补型mos集成电路，complementarymosintegratedcircuit)由pmos管和nmos管共同构成。

作为示例，如图4所示，对于应用于集成的alganhemt和cmosic的iii族氮化物和硅异质集成衬底，所述iii族氮化物叠层结构2自下而上依次包括缓冲层211、非故意掺杂gan层212、n型gan层213及algan盖帽层214。

在另一中应用实例中，所述iii族氮化物和硅异质集成衬底还可用于实现集成的激光器(laser)和驱动。

作为示例，如图5所示，对于应用于集成的激光器和驱动的iii族氮化物和硅异质集成衬底，所述iii族氮化物叠层结构2自下而上依次包括缓冲层215、非故意掺杂gan层216、algan层217、n型gan层218、ingan量子阱层219、p型algan层220及p型gan层221。

当然，在其它实施例中，所述iii族氮化物叠层结构2的具体组成可以根据应用的产品不同而有所改变，此处不应过分限制本发明的保护范围。

本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底将硅基叠层结构与所述iii族氮化物叠层结构集成于同一硅衬底上，其中，所述硅基叠层结构可以用于制作传统电路，结合所述iii族氮化物叠层结构可以实现多种超越摩尔的应用。本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底与cmos兼容，可以为实现“超越摩尔定律”提供重要的技术创新平台。

实施例二

本发明还提供一种iii族氮化物和硅异质集成衬底的制造方法，请参阅图6，显示为该方法的工艺流程图，包括如下步骤：

s1：提供一自下而上依次包括硅衬底、第一绝缘层及硅层的soi衬底；

s2：在所述硅层表面形成第二绝缘层，并刻蚀得到外延窗口；所述外延窗口自上而下依次贯穿所述第二绝缘层、硅层、第一绝缘层，并暴露出所述硅衬底；

s3：在所述外延窗口侧壁形成作为隔离结构的侧墙；

s4：在所述外延窗口内外延生长iii族氮化物叠层结构；所述第一绝缘层、硅层、第二绝缘层构成硅基叠层结构；

s5：形成覆盖于所述硅基叠层结构及所述iii族氮化物叠层结构表面的盖帽层。

首先请参阅图7，执行步骤s1：提供一自下而上依次包括硅衬底1、第一绝缘层301及硅层302的soi衬底。

由于传统电路通常是在si(100)上制造的，而iii族氮化物是在si(111)上生长的，因此，本发明中，所述soi衬底优选采用采用混合晶向衬底，其中，所述硅衬底1采用(111)晶向硅，所述硅层302采用(100)晶向硅。而作为绝缘埋层的所述第一绝缘层301，通常采用二氧化硅材料。

具体的，所述soi衬底可采用键合(bonding)技术得到，例如soitec公司的利用键合技术的智能剥离(smart-cut)技术或者新傲公司的simbond技术等。

键合技术是指通过在硅和二氧化硅或二氧化硅和二氧化硅之间使用键合技术，使两个圆片能够紧密键合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层，键合圆片在此圆片的一侧削薄到所要求的厚度后得以制成。

smart-cut技术是一种注入氢离子然后进行剥离的技术，即在键合的一片晶片上注入氢离子，然后和另一硅片在一定温度下键合，键合热处理温度在大约500℃时，氢离子注入处会形成连续的空腔，从而自动剥离形成soi结构。

而利用键合技术的智能剥离技术可以获得超薄的硅层，并可以得到混合晶向的soi衬底。

simbond是一种注氧键合技术，其在硅材料上注入离子，产生了一个分布均匀的离子注入层，此层用来充当化学腐蚀阻挡层，可对圆片在最终抛光前器件层的厚度及其均匀性有很好的控制。采用simbond技术制备的soi硅片具有优越的soi薄膜均匀性，同时也能得到厚的绝缘埋层。

然后请参阅图8，执行步骤s2：在所述硅层302表面形成第二绝缘层303，并刻蚀得到外延窗口6；所述外延窗口6自上而下依次贯穿所述第二绝缘层303、硅层302、第一绝缘层301，并暴露出所述硅衬底1。

具体的，所述第二绝缘层303可以保护所述硅层302的表面，同时作为刻蚀掩模。本实施例中，所述第二绝缘层303优选采用二氧化硅材料。

具体的，在形成所述外延窗口6时，刻蚀中间绝缘埋层(第一绝缘层301)使用湿法腐蚀工艺，可以避免干法刻蚀对所述硅衬底1表面形成的缺陷。而高质量的si(111)衬底面可以为后续外延iii族氮化物提供一个良好的生长基底。

接着请参阅图9，执行步骤s3：在所述外延窗口6侧壁形成作为隔离结构4的侧墙。

具体的，所述侧墙起隔离作用，包括但不限于二氧化硅、氮化硅等绝缘材料。

再请参阅图10，执行步骤s4：在所述外延窗口6内外延生长iii族氮化物叠层结构2；所述第一绝缘层301、硅层302、第二绝缘层303构成硅基叠层结构3。

具体的，所述硅基叠层结构3可以用于制作传统电路，结合所述iii族氮化物叠层结构2可以实现多种超越摩尔的应用。

作为示例，如图2所示，所述iii族氮化物叠层结构2自下而上依次包括缓冲层201、非故意掺杂gan层202、n型gan层203、ingan量子阱层204及p型gan层205。包括该iii族氮化物叠层结构2的iii族氮化物和硅异质集成衬底可以应用于集成的led和驱动的制作。

作为示例，如图3所示，所述iii族氮化物叠层结构2自下而上依次包括缓冲层206、第一非故意掺杂gan层207、n型gan层208、第二非故意掺杂gan层209及p型gan层210。包括该iii族氮化物叠层结构2的iii族氮化物和硅异质集成衬底可以应用于集成的uv传感器和asic的制作。

作为示例，如图4所示，所述iii族氮化物叠层结构2自下而上依次包括缓冲层211、非故意掺杂gan层212、n型gan层213及algan盖帽层214。包括该iii族氮化物叠层结构2的iii族氮化物和硅异质集成衬底可以应用于集成的alganhemt和cmosic的制作。

作为示例，如图5所示，所述iii族氮化物叠层结构2自下而上依次包括缓冲层215、非故意掺杂gan层216、algan层217、n型gan层218、ingan量子阱层219、p型algan层220及p型gan层221。包括该iii族氮化物叠层结构2的iii族氮化物和硅异质集成衬底可以应用于集成的激光器(laser)和驱动的制作。

当然，在其它实施例中，所述iii族氮化物叠层结构2的具体组成可以根据应用的产品不同而有所改变，此处不应过分限制本发明的保护范围。

最后请参阅图1，执行步骤s5：形成覆盖于所述硅基叠层结构3及所述iii族氮化物叠层结构2表面的盖帽层5。

具体的，所述盖帽层5对所述硅基叠层结构3及所述iii族氮化物叠层结构2起保护作用。本实施例中，所述盖帽层5优选采用二氧化硅材料。

本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底的制造方法工艺简单，可以制作得到多种cmos兼容的新型iii族氮化物和硅异质集成衬底，为实现“超越摩尔定律”提供了重要的技术创新平台。

综上所述，本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法将硅基叠层结构与所述iii族氮化物叠层结构集成于同一硅衬底上，其中，所述硅基叠层结构可以用于制作传统电路，结合所述iii族氮化物叠层结构可以实现多种超越摩尔的应用。本发明的iii族氮化物和硅异质集成衬底及其制造方法所得的新型异质集成衬底与cmos兼容，可以为实现“超越摩尔定律”产品提供重要的技术创新平台。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

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。