半导体复合衬底、半导体器件及制备方法与流程

1.本技术涉及微电子制造技术领域，尤其涉及一种半导体复合衬底、半导体器件及制备方法。


背景技术：

2.氧化镓，氮化镓具有宽带隙、高击穿场强等优点，其baliga因子比硅高出了几个数量级，在下一代电力电子产品应用中的潜力引起了研究者们广泛的关注。然而，氧化镓，氮化镓的热导率并不高，降低了由这些材料制造的器件的工作性能和可靠性。例如，氧化镓由于属于单斜晶系导致其晶体结构具有高度的各向异性，氧化镓体材料的热导率至少比其他宽带隙半导体低一个数量级，而氧化镓薄膜材料的热导率更要低于氧化镓体材料的热导率。在高频和高功率环境中器件栅极附近局部焦耳热导致沟道温度过高，严重限制了由氧化镓材料制成的器件的性能和可靠性。
3.目前为解决上述问题，通常在高热导率的衬底如sic、金刚石、aln等材料上外延生长氧化镓薄膜制备电力电子器件以实现有效散热。但是，高质量的sic、金刚石、aln等高热导率衬底材料成本较高,导致器件成本难以降低，从而限制了由氧化镓，氮化镓等材料制备的电子器件的应用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例提供一种半导体复合衬底、半导体器件及制备方法，至少部分解决现有技术中存在的高热导率衬底制造成本高的问题。
5.第一方面，本技术实施例提供一种半导体复合衬底，所述半导体复合衬底包括：基底层；键合界面层，位于所述基底层上表面，用于辅助所述基底层表面平坦化；以及sic转移层，位于所述键合界面层的上表面，所述sic转移层由sic晶圆的剥离转移得到。
6.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述sic转移层的材料包括3c
‑
sic、4h
‑
sic或6h
‑
sic，所述sic转移层的厚度范围为0.2μm
‑
5μm，所述sic转移层的直径范围为6inch
‑
12inch。
7.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述基底层的材料为si，所述基底层的厚度范围为300μm
‑
1mm，所述基底层的直径大于或等于所述sic转移层的直径，所述基底层的直径范围为6inch
‑
12inch。
8.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述基底层的材料为多晶aln，所述基底层的厚度范围为300μm
‑
1mm，所述基底层的直径大于或等于所述sic转移层的直径，所述基底层的直径范围为6inch
‑
12inch。
9.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述键合界面层的材料包括si、sic、aln、al2o3、sin
x
、金刚石和含w的高熔点化合物中的一种或多种，所述键合界面层的厚度范
围为10nm
‑
5μm。
10.第二方面，本技术实施例还提供一种半导体器件，所述半导体器件包括如第一方面任一实施例所述的半导体复合衬底，以及依次位于所述半导体复合衬底上的外延缓冲层和外延层，所述半导体复合衬底包括：基底层；键合界面层，位于所述基底层上表面，用于辅助所述基底层的表面平坦化；以及sic转移层，位于所述键合界面层的上表面，所述sic转移层由sic晶圆的剥离转移得到。
11.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述外延缓冲层的材料为aln、algan、gan和sic中的一种或多种的组合，所述外延缓冲层的厚度范围为10nm
‑
3μm，所述外延缓冲层的生长方法包括但不限于金属有机物化学气相沉积法、分子束外延法或液相外延法。
12.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述外延层的材料为gan、ga2o3和si的一种或多种的组合，所述外延层的厚度范围为200nm
‑
10μm，所述外延层的生长方法包括但不限于金属有机物化学气相沉积法、分子束外延法或液相外延法。
13.第三方面，本技术实施例还提供一种如第一方面任一实施例所述的半导体复合衬底的制备方法，所述方法包括：获取基底层和sic晶圆；在所述基底层上生长键合界面层，并对所述键合界面层进行表面平坦化；向所述sic晶圆中注入离子形成离子化sic晶圆，所述离子的注入深度小于所述sic晶圆的厚度；对生长有键合界面层的基底层和所述离子化sic晶圆进行键合形成键合体，所述键合界面层位于所述基底层和所述离子化sic晶圆之间；对所述键合体进行高温退火，退火后所述离子化sic晶圆在离子注入最大浓度所对应的深度处沿与离子化sic晶圆表面平行的方向分裂为两部分，对所述离子化sic晶圆远离所述键合界面层的部分进行剥离，所述离子化sic晶圆靠近所述键合界面层的部分为sic转移层。
14.根据本技术实施例的一种具体实现方式，向所述sic晶圆中注入的离子为h离子和he离子中的一种或多种的组合。
15.根据本技术实施例的一种具体实现方式，所述离子的注入剂量范围为，所述离子的注入深度范围为0.3μm
‑
5μm。
16.第四方面，本技术实施例还提供一种如第二方面任一实施例所述的半导体器件的制备方法，所述方法包括：获取基底层和sic晶圆；在所述基底层上生长键合界面层，并对所述键合界面层进行表面平坦化；向所述sic晶圆中注入离子形成离子化sic晶圆，所述离子的注入深度小于所述sic晶圆的厚度；对生长有键合界面层的基底层和所述离子化sic晶圆进行键合形成键合体，所述键合界面层位于所述基底层和所述离子化sic晶圆之间；对所述键合体进行高温退火，退火后所述离子化sic晶圆在离子注入最大浓度所
对应的深度处沿与离子化sic晶圆表面平行的方向分裂为两部分，对所述离子化sic晶圆远离所述键合界面层的部分进行剥离，所述离子化sic晶圆靠近所述键合界面层的部分为sic转移层，得到半导体复合衬底；在所述半导体复合衬底上表面生长外延缓冲层；在所述外延缓冲层上生长外延层。
17.有益效果本技术实施例中的复合半导体衬底，采用基底层与sic晶圆键合，再通过剥离转移技术对sic晶圆剥离下来一定厚度的较薄的一层sic转移层，从而使制造复合衬底的成本降低，并且剩余的较厚的sic晶圆原材料还可以用于下一个复合衬底的制备或者其他工序，可以重复利用，节省材料；且复合半导体衬底的制备工艺流程简单，生产效率高。
18.此外，当基底层采用si时，si的低成本能够在保持sic高热导率、高击穿场强等优点的基础上有效降低衬底材料的成本；当基底层采用多晶aln时，aln优异的导热性、热稳定性、高电阻等特性使得使用该衬底结构制造的晶体管具有优越的高功率性能并且能够进行更好的热管理。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1为根据本发明一实施例的半导体复合衬底制备方法的流程图；图2至图7为根据本发明一实施例的半导体复合衬底制备方法各步骤对应的结构示意图，其中，图7为本发明的半导体复合衬底的结构示意图；图8为根据本发明一实施例的半导体器件的结构示意图；图9为根据本发明一实施例的半导体器件制备方法的流程图。
21.图中：1、基底层；2、键合界面层；3、sic晶圆；4、离子化sic晶圆；41、离子；42、sic剥离层；43、sic转移层；5、外延缓冲层；6、外延层。
具体实施方式
22.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
23.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，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技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术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，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面
可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
25.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术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。
26.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
27.第一方面，本技术实施例提供了一种半导体复合衬底，其结构参照图7，具体包括：基底层1、键合界面层2和sic转移层43，键合界面层2位于基底层1和sic转移层43之间，键合界面层2是通过在基底层1的上表面通过薄膜生长工艺形成的，并通过表面平坦化工艺降低表面粗糙度，以辅助基底层1的表面光滑化。sic转移层43由sic晶圆3的剥离转移得到。
28.在一个实施例中，所述sic转移层43的材料包括但不限于3c
‑
sic、4h
‑
sic或6h
‑
sic，所述sic转移层43的厚度范围为0.2μm
‑
5μm，所述sic转移层43的直径范围为6inch
‑
12inch。
29.进一步的，所述基底层1的材料包括但不限于si或多晶aln；所述基底层1的厚度范围为100μm
‑
1mm，所述基底层1的直径大于或等于所述sic转移层43的直径，所述基底层1的直径范围为6inch
‑
12inch。优选的，基底层1的材料为si(100)。
30.进一步的，所述键合界面层2的材料包括但不限于si、sic、aln、sin
x
、al2o3、金刚石、或含w的高熔点化合物，可以为其中的一种或多种，以上材料可为单晶结构，也可为多晶或非晶结构，所述键合界面层2的厚度范围为1nm
‑
5μm。
31.第二方面，本技术还提供了上述半导体复合衬底的制备方法，包括以下步骤：s101、获取基底层1和sic晶圆3，对所述基底层1和所述sic晶圆3进行表面清洗及化学机械抛光，使得基底层1和sic晶圆3表面的表面均方根粗糙度rms<5nm；s102、在基底层1上生长键合界面层2，并对键合界面层2的表面进行表面平坦化。在一个实施例中，在基底层1进行平坦化的表面（即上表面）上通过等离子增强型化学气相沉积（pecvd）、低压化学气相沉积（lpcvd）、原子层沉积（ald）等薄膜生长工艺生长键合界面层2，并且使用表面清洗及化学机械抛光等方法对键合界面层2进行表面平坦化，使得键合界面层2的表面均方根粗糙度rms<5nm。需注意，生长键合界面层2所用到的薄膜生长工艺方法并不仅限于上述提出的等离子增强型化学气相沉积（pecvd）、低压化学气相沉积（lpcvd）、原子层沉积（ald）等方法，对键合界面层2所使用的表面平坦化手段也同样不仅限于以上提出的表面清洗及化学机械抛光等手段。
32.s103、向所述sic晶圆3中的一定深度处注入离子41，形成离子化sic晶圆4，所述离子41的注入深度小于所述sic晶圆3的厚度；s104、对生长有键合界面层2的基底层1和离子化sic晶圆4进行键合形成键合体，键合界面层2位于基底层1和离子化sic晶圆4之间，具体的键合工艺在本实施例中并不做特殊限定，可根据目前现有的键合技术进行实施；
s105、对所述键合体进行高温退火，退火后所述离子化sic晶圆4在离子41最大浓度所对应的深度处（即投影距离r
p
处）沿与所述离子化sic晶圆4表面平行的方向分裂成两部分，对所述离子化sic晶圆4远离所述键合界面层2的部分（图4和图5中的sic剥离层42）进行剥离，所述离子化sic晶圆4靠近所述键合界面层2的部分为sic转移层43。
33.在步骤s101中，请参阅图1中的步骤s101及图2，获取基底层1和sic晶圆3。
34.作为示例，所述基底层1的材料可以根据实际需要选择，优选地，基底层1的材料包括但不限于si或多晶aln；所述基底层1的厚度范围为100μm
‑
1mm。当基底层1采用si时，si的低成本能够在保持sic高热导率、高击穿场强等优点的基础上有效降低衬底材料的成本；当基底层1采用多晶aln时，aln优异的导热性、热稳定性、高电阻等特性使得使用该衬底结构制造的晶体管具有优越的高功率性能并且能够进行更好的热管理。
35.在步骤s102中，请参阅图1中的步骤s102及图3，在基底层1上生长一层键合界面层2。
36.在步骤s103中，请参阅图1中的步骤s103及图4，向所述sic晶圆3中的一定深度处注入离子41。
37.作为示例，向所述sic晶圆3中注入的离子4为h离子和he离子中的一种或多种的组合。
38.进一步的，所述离子41的注入剂量范围为，所述离子41的注入深度范围为0.3μm
‑
5μm。
39.在步骤s104中，请参阅图1中的步骤s104及图5，对所述基底层1和离子化sic晶圆4进行键合形成键合体。
40.作为示例，键合界面层2的材料包括但不限于si、sic、aln、sin
x
、al2o3、金刚石、或含w的高熔点化合物，可以为其中的一种或多种；以上材料可为单晶结构，也可为多晶或非晶结构。
41.在步骤s105中，请参阅图1中的步骤s105及图6和图7，对sic剥离层42进行剥离，剩下的部分形成了与所述键合界面层2贴合的sic转移层43，sic转移层43的厚度范围为0.2μm
‑
5μm。可见，本实施例中的sic转移层43的厚度相对于基底层1的厚度较薄，可以有效节省sic的材料；并且对于剥离出来的具有一定厚度的sic剥离层42还可以进行重复利用，例如，可以进行下一次半导体复合衬底的制作，同样可以有效节省sic的材料。
42.作为示例，sic转移层43的材料包括但不限于3c
‑
sic、4h
‑
sic或6h
‑
sic。
43.作为示例，退火的温度范围为800℃
‑
1300℃，退火可在空气下进行，也可在氮气或氩气等惰性气体氛围下进行，退火时腔体压力为常压，退火的时间范围为30min
‑
24h。
44.第三方面，本技术还提供一种半导体器件，所述半导体器件包括如前述第一方面任一实施例所述的半导体复合衬底，以及依次位于所述半导体复合衬底上的外延缓冲层5和外延层6，参照图8，所述半导体复合衬底包括：基底层1，键合界面层2和sic转移层43，键合界面层2位于所述基底层1和sic转移层43之间，所述sic转移层43由sic晶圆3的剥离转移得到。
45.在一个具体实施例中，所述外延缓冲层5的材料包括aln、algan、gan和sic中的一种或多种的组合，所述外延缓冲层5的厚度范围为10nm
‑
3μm，所述外延缓冲层5的生长方法包括但不限于金属有机物化学气相沉积法、分子束外延法或液相外延法。
46.更进一步的，所述外延层6的材料包括gan、ga2o3和si的一种或多种的组合，所述外延层6的厚度范围为200nm
‑
10μm，所述外延层6的生长方法包括但不限于金属有机物化学气相沉积法、分子束外延法或液相外延法。
47.对于上述半导体器件的制备方法，参照图9所示，具体包括以下步骤：s201、获取基底层1和sic晶圆3，对所述基底层1和所述sic晶圆3进行表面清洗及化学机械抛光，对基底层1和sic晶圆3所使用的表面平坦化手段不仅限于以上提出的表面清洗及化学机械抛光等手段，使得基底层1和sic晶圆3表面的表面均方根粗糙度rms<5nm。
48.s202、在基底层1上生长键合界面层2，并对键合界面层2的表面进行表面平坦化。在基底层1进行平坦化的表面（即上表面）上通过等离子增强型化学气相沉积（pecvd）、低压化学气相沉积（lpcvd）、原子层沉积（ald）等薄膜生长工艺生长键合界面层2，并且使用表面清洗及化学机械抛光等方法对键合界面层2进行表面平坦化。使得键合界面层2的表面均方根粗糙度rms<5nm。需注意，生长键合界面层2所用到的薄膜生长工艺方法并不仅限于上述提出的等离子增强型化学气相沉积（pecvd）、低压化学气相沉积（lpcvd）、原子层沉积（ald）等方法，对键合界面层2所使用的表面平坦化手段也同样不仅限于以上提出的表面清洗及化学机械抛光等手段。
49.s203、向所述sic晶圆3中的一定深度处注入离子41，形成离子化sic晶圆4，所述离子41的注入深度小于所述sic晶圆3的厚度。
50.s204、对所述基底层1和离子化sic晶圆4进行键合形成键合体，具体的键合工艺在本实施例中并不做特殊限定，可根据目前现有的键合技术进行实施。
51.s205、对所述键合体进行高温退火，退火后所述离子化sic晶圆4在离子41最大浓度所对应的深度处（即投影距离r
p
处）沿与所述离子化sic晶圆4表面平行的方向分裂成两部分，对所述离子化sic晶圆4远离所述键合界面层2的部分（图4和图5中的sic剥离层42）进行剥离，所述离子化sic晶圆4靠近所述键合界面层2的部分为sic转移层43，得到半导体复合衬底。
52.s206、在半导体复合衬底上表面生长外延缓冲层5，使用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺或其他薄膜生长工艺生长外延缓冲层5，其材料包括但不限于aln，algan，gan，sin材料的一种或多种的组合材料，厚度范围为10nm
‑
3μm。若外延缓冲层5的材料包括algan，其中al元素的摩尔组分范围为0.05
‑
0.3。
53.s207、在外延缓冲层5上生长外延层6，可使用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺或其他工艺，外延层6的材料包括但不限于gan，ga2o3，si等材料，厚度范围为200nm
‑
10μm，该层为无掺杂层。
54.本发明提供的实施例，针对现有的高热导率衬底制造成本高的问题，发明了一种基于键合剥离转移技术制备的复合半导体衬底，本发明中采用基底层与sic晶圆键合，再通过剥离转移技术对sic晶圆剥离下来一定厚度的较薄的一层sic转移层，从而使制造衬底的成本降低，并且剩下的sic晶圆原材料还可以用于下一个复合衬底的制备或者其他工序，可以重复利用，节省材料；且复合半导体衬底的制备工艺流程简单，生产效率高。
55.此外，当基底层采用si时，si的低成本能够在保持sic高热导率、高击穿场强等优点的基础上有效降低衬底材料的成本；当基底层采用多晶aln时，aln优异的导热性、热稳定性、高电阻等特性使得使用该衬底结构制造的晶体管具有优越的高功率性能并且能够进行
更好的热管理。
56.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。