一种半导体结构及其制作方法

1.本技术涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种半导体结构及其制作方法。


背景技术：

2.gan材料作为第三代宽禁带半导体的核心材料，已经在发光二极管(led)和电力电子器件(hemt)等应用中展现出优异的性能及广泛的应用前景。而由于gan材料的同质衬底成本高、难以制作大尺寸，导致目前gan材料器件均采用异质衬底，如蓝宝石、硅、碳化硅等。
3.但是综合目前gan材料性能及生产成本上来看，蓝宝石衬底相比硅衬底具有更为优秀的材料质量，相比碳化硅衬底成本低廉，因此蓝宝石衬底是目前gan材料具有性价比的首选衬底。但是由于蓝宝石衬底和gan的晶格失配很大，目前主要采用先充分三维再二维生长的二步法生长一定厚度的gan提高外延层质量。但是由于蓝宝石和gan的热失配很大，在大尺寸(大于等于4英寸)蓝宝石衬底上进行gan外延时因为缺少有效的改善外延层翘曲的手段，导致外延制程后的晶圆翘曲明显，会提高后续的芯片工艺制程难度，并影响芯片工艺良率。
4.综上，现有技术中在蓝宝石衬底上生长gan外延时存在外延层翘曲明显的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种半导体结构及其制作方法，以解决现有技术中在蓝宝石衬底上生长gan外延时存在外延层翘曲明显的问题。
6.为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
7.一方面，本技术实施例提供了一种半导体结构，所述半导体结构包括：
8.蓝宝石衬底；
9.位于所述蓝宝石衬底一侧的aln缓冲层；
10.位于所述aln缓冲层的远离所述蓝宝石衬底一侧的籽晶层；其中，所述籽晶层中包括多个间隔设置的基岛；
11.位于所述籽晶层的远离所述蓝宝石衬底一侧的合并层；
12.位于所述合并层的远离所述蓝宝石衬底一侧且不连续的sin插入层；
13.位于所述合并层与所述插入层的远离所述蓝宝石衬底的一侧的合拢层；其中，制作所述籽晶层、所述合并层以及所述合拢层的材料均为gan，且所述aln缓冲层、所述籽晶层、所述合并层、所述插入层以及所述合拢层的厚度之和小于1um。
14.可选地，所述aln缓冲层的反射率大于所述籽晶层的反射率，所述籽晶层、所述合并层以及所述合拢层的反射率依次增大。
15.可选地，所述aln缓冲层的反射率为0.1～0.13，所述籽晶层的反射率小于0.05，所述合并层的反射率为0.16～0.2，所述合拢层的反射率为0.19～0.23。
16.可选地，所述aln缓冲层的厚度为20～50nm，所述籽晶层的平均厚度小于80nm，所述合并层的厚度小于或等于150nm，所述插入层的厚度为0.5～3nm，所述合拢层的厚度小于
或等于800nm。
17.可选地，所述合并层上未覆盖所述插入层的面积与所述合并层的表面面积之比为10％～40％。
18.另一方面，本技术实施例还提供了一种半导体结构制作方法，用于制作上述的半导体结构，所述方法包括：
19.提供一蓝宝石衬底；
20.基于所述蓝宝石衬底的一侧溅射aln缓冲层；
21.基于所述aln缓冲层的远离所述蓝宝石衬底的一侧生长籽晶层；其中，所述籽晶层中包括多个间隔设置的基岛；
22.基于所述籽晶层的远离所述蓝宝石衬底的一侧生长合并层；
23.基于所述合并层的远离所述蓝宝石衬底的一侧原位生长不连续的sin插入层；
24.基于所述合并层与所述插入层的远离所述蓝宝石衬底的一侧生长合拢层；其中，制作所述籽晶层、所述合并层以及所述合拢层的材料均为gan，且所述aln缓冲层、所述籽晶层、所述合并层、所述合拢层以及所述合并层的厚度之和小于1um。
25.可选地，基于所述蓝宝石衬底的一侧溅射aln缓冲层的步骤包括：
26.基于所述蓝宝石衬底的一侧溅射反射率为0.085～0.115的aln缓冲层；
27.在基于所述蓝宝石衬底的一侧溅射aln缓冲层的步骤之后，所述方法还包括：
28.将所述蓝宝石衬底与所述aln缓冲层进行退火，且退火后所述aln缓冲层的反射率提升10％～20％。
29.可选地，基于所述aln缓冲层的远离所述蓝宝石衬底的一侧生长籽晶层的步骤包括：
30.在温度为900-1000℃、压力为450mbar-750mbar以及
ⅴ
/ⅲ族元素比为800-2000的条件下生长籽晶层。
31.可选地，基于所述籽晶层的远离所述蓝宝石衬底的一侧生长合并层的步骤包括：
32.在温度为1000-1100℃、压力为100mbar-200mbar以及
ⅴ
/ⅲ族元素比为1500-4000的条件下生长合并层。
33.可选地，基于所述合并层的远离所述蓝宝石衬底的一侧生长插入层的步骤包括：
34.以sih4和氨气作为反应原材料，在温度为1000-1100℃，压力为100mbar-200mbar的环境下生长30s-70s，以形成插入层。
35.相对于现有技术，本技术具有以下效果：
36.本技术提供了一种半导体结构及其制作方法，该半导体结构包括蓝宝石衬底，位于蓝宝石衬底一侧的aln缓冲层，位于aln缓冲层的远离蓝宝石衬底一侧的籽晶层，其中，籽晶层中包括多个间隔设置的基岛，位于籽晶层的远离蓝宝石衬底一侧的合并层，位于合并层的远离蓝宝石衬底一侧且不连续的sin插入层，位于合并层与插入层的远离蓝宝石衬底的一侧的合拢层；其中，制作所述籽晶层、所述合并层以及所述合拢层的材料均为gan，且aln缓冲层、籽晶层、合并层、插入层以及合拢层的厚度之和小于1um。一方面，由于本技术提供的半导体结构中，除蓝宝石衬底外的其它层级结构的厚度小于1um，实现了在蓝宝石衬底上形成超薄的外延膜，因此可以有效缓解外延层翘曲的情况。另一方面，本技术的半导体结构中，通过设置包括基岛的籽晶层、合并层、插入层以及合拢层的结构，可以实现位错的快
速转弯，利于位错的湮灭，因此整个半导体结构的外延晶体质量较高。
37.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
38.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，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
39.图1为本技术实施例提供的半导体结构制作方法的示例性流程图。
40.图2为本技术实施例提供的图1中s104对应的剖面示意图。
41.图3为本技术实施例提供的图1中s106对应的剖面示意图。
42.图4为本技术实施例提供的图1中s108对应的剖面示意图。
43.图5为本技术实施例提供的反射率的曲线示意图。
44.图6为本技术实施例提供的图1中s110对应的剖面示意图。
45.图7为本技术实施例提供的图1中s112对应的剖面示意图。
具体实施方式
46.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
47.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。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。
48.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
50.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
51.正如背景技术中所述，现有技术中在生长gan材料时，一般采用异质衬底，其中，蓝
宝石衬底为较为常用的异质衬底，然而，蓝宝石和gan材料的热失配很大，在大尺寸蓝宝石衬底上进行gan外延时会导致外延制程后的晶圆翘曲明显的问题。
52.有鉴于此，本技术提供了一种半导体结构制作方法，通过制作超薄外延层的方式，解决外延制程后的晶圆翘曲明显的问题。
53.下面对本技术提供的半导体结构制作方法进行示例性说明：
54.作为一种可选的实现方式，请参阅图1，该方法包括：
55.s102，提供一蓝宝石衬底；
56.s104，基于蓝宝石衬底溅射aln缓冲层；
57.s106，基于aln缓冲层的远离蓝宝石衬底的一侧生长籽晶层；其中，籽晶层中包括多个间隔设置的基岛；
58.s108，基于籽晶层的远离蓝宝石衬底的一侧生长合并层；
59.s110，基于合并层的远离蓝宝石衬底的一侧原位生长不连续的sin插入层；
60.s112，基于合并层与插入层的远离蓝宝石衬底的一侧生长合拢层；其中，制作所述籽晶层、所述合并层以及所述合拢层的材料均为gan，且aln缓冲层、籽晶层、合并层、合拢层以及合并层的厚度之和小于1um。
61.其中，本技术在生长外延层(外延层包括aln缓冲层、籽晶层、合并层、合拢层以及合并层)时，采用整个外延层厚度不超过1um的超薄gan外延膜，且外延膜不易出现翘曲的情况，因此达到了改善外延层翘曲的目的。同时，通过上述生长的外延层结构，可以实现位错的快速转弯效果，有利于位错的湮灭，进而提升外延层生长质量。
62.在一种实现方式中，为了生长厚度不超过1um的超薄gan外延膜，本技术提供的平片蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的初始反射率为0.074～0.078。
63.其中，本技术提供的反射率，均指材料表面对633nm光线的反射率。例如，蓝宝石衬底的初始反射率即表示蓝宝石衬底的表面对633nm光线的反射率；aln缓冲层的反射率即表示aln缓冲层的表面对633nm光线的反射率。并且，反射率用于表征材料的表面形貌，对于不同材料而言，反射率并不相同；对于同一材料而言，反射率越高，则表明材料表面更为平整。
64.通过获取每个材料表面的反射率，实现了对外延层的生长过程监控，进而能够保证外延层按照指定的参数进行生长，保证了外延层的生长质量。
65.在基于蓝宝石衬底的表面生长aln缓冲层时，可以采用pvd设备在平片蓝宝石衬底上溅射的方式生长，生长aln缓冲层后的结构如图2所示。需要说明的是，为了生长出高质量的gan外延层，需要在籽晶层上生长出基岛，使得位错不会只沿着竖直方向，利于实现籽晶层中穿透位错的弯曲，从而为后续位错的湮灭提供基础。
66.在此基础上，为了生长包括多个间隔设置的基岛的籽晶层，制作aln缓冲层的材料可以选择aln。籽晶层充分利用了aln缓冲层在一定厚度条件下经过一定时间退火后形成的表面粗糙度情况，其上生长gan，由于gan晶格要大于aln，因此gan会受到压应力，失配应力会驱动gan形成岛状形貌，同时压应力的存在也会驱动gan籽晶层穿透位错的弯曲，从而为后续位错的湮灭提供基础。
67.同时，在生长aln缓冲层时，其厚度需要严格控制，若采用过厚的aln缓冲层，则aln缓冲层沉积的表面平整度很高(一般反射率超过0.13)，再在其上生长gan籽晶层，则很难出现尺寸较小的籽晶层，而是会形成连续大片的籽晶膜，即籽晶层的基岛形貌很难出现，籽晶
膜层没有或者只有很弱的横向生长，导致后续穿透位错的弯曲难以实现，无法实现高质量的外延生长。而若采用较薄的aln缓冲层，则因为aln缓冲层上的gan籽晶层会形成高度非常高的三维基岛，合拢时间长难以在1um的总厚度内实现有效的合拢，同时三维基岛上插入层的引入更会提高后续合拢难度出现更多的合拢缺陷，因此若aln缓冲层的厚度较薄，则会出现无法生长出厚度小于1um的外延层薄膜，同时存在合拢缺陷大，降低外延层生长质量的问题。经申请人研究发现，当aln缓冲层的厚度为20～50nm时，外延层生长的效果更好，因此，本技术提供的aln缓冲层的厚度为20～50nm。并且，通过溅射生长的aln缓冲层的反射率为0.085～0.115。
68.需要说明的是，申请号为cn202111261789.2的现有专利也提及在蓝宝石衬底上溅射aln层，但其厚为8-17nm，且限定了退火后会形成露出蓝宝石衬底的孔洞。而本技术中，aln缓冲层并不能采用如此薄的厚度，因为这种太薄的露出蓝宝石的aln基岛会导致极强的三维而大大影响了合拢时间。
69.在生长aln缓冲层后，即可生长后续的外延层结构，作为一种实现方式，可以将生长aln缓冲层后的衬底放到mocvd设备反应室腔体中，利用mocvd工艺进行后续外延层的生长，即利用mocvd工艺生长籽晶层、合并层、插入层以及合拢层。
70.其中，在将生长aln缓冲层后的衬底放入反应室后，可以在反应室中先升温退火一定时间，例如退火时间为60s-480s，使得退火后所述aln缓冲层的反射率提升10％～20％，aln缓冲层的表面原子重组，在重组的aln缓冲层表面原子上利用籽晶层的生长条件可以实现离散基岛的籽晶层形貌，从而有利于异质外延界面的位错转弯，可以大大降低后续外延层的位错。在一种实现方式中，退火后的aln缓冲层的反射率为0.1～0.13，在该反射率范围下，aln缓冲层的表面粗糙度更利于籽晶层中基岛的形成。
71.在一种实现方式中，在退火工艺完成后，可以将反应室环境升到gan籽晶层所需的温度、压力、五三比条件下通tmg有机源生长gan籽晶层，其中，五三比条件指五族源的摩尔数与三族源的摩尔数的比值，一般地，五族源采用氨气，三族源采用三甲基镓tmga。可选地，可以在温度为900-1000℃、压力为450mbar-750mbar以及
ⅴ
/ⅲ族元素比为800-2000的条件下生长籽晶层。生长的籽晶层如图3所示。
72.通过aln缓冲层与上述生长环境的设置，可以在aln缓冲上相对快速的生长出不连续的基岛。其中，籽晶层平均厚度小于80nm，籽晶层反射率小于0.05。结合图3，籽晶层中的基岛可以部分不连续，或全部不连续，且本技术所述的基岛，指其中每个凸起的结构。可以理解地，由于不连续的基岛的存在，使得籽晶层的表面并不平整，因此其反射率远小于aln缓冲层的反射率。
73.籽晶层中基岛有利于位错的弯曲，进而利于位错的湮灭，但生长后的外延层的表面需要相对平整，因此本技术通过后续的外延层结构，同时设置籽晶层、合并层以及合拢层的反射率依次增大的方式，实现基岛的逐渐合拢，进而生长出平整度较高的外延层。
74.其中，籽晶层、合并层以及合拢层为外延层的主体结构，其材料均为gan，在生长gan合并层时，基于生长超薄gan外延层的目标需求，因此必须要最快的时间内进行gan外延合并到一定的平整度。研究发现，采用连续变的低压高五三比高温条件可以最快的实现最短时间内的表面平整度，使合并层的反射率达到0.16～0.2。示例地，可以在温度为1000-1100℃、压力为100mbar-200mbar以及
ⅴ
/ⅲ族元素比为1500-4000的条件下生长合并层。生
长的合并层如图4所示。需要说明的是，请参阅图5，由于合并层的反射率是振荡的，因此本技术所述的合并层的反射率范围表示的振荡反射曲线的中值范围。还需要说明的是，由于gan合并层的厚度影响了整个外延层薄膜的厚度，因此本技术提供的gan合并层的厚度不超过150nm。
75.其中，合并层在前述的反射率范围和厚度范围对应的条件下，位错可以最有效的弯曲，有利于位错的湮灭。同时，对应的sin插入层可以对位错有更好的阻挡效果，使得在沿生长方向上的位错减少，更多的位错实现有效弯曲，进而能够在目标厚度下实现外延的高质量生长。
76.需要说明的是，若合并层太厚，后续合拢层难以在总厚度1um内实现高质量平整，如果合并层的反射率太高也会因为太快二维，即合并层表面平整度高，则籽晶层转弯的位错无法有效湮灭，并且会因为基岛的合并产生较多的失配位错。而且表面反射率的高度也会影响后续sin插入层的形貌，太过粗糙的合并层会导致sin插入层分布不均匀，从而导致位错的阻挡效果变差，而且不利于后续合拢层离散岛合拢长平，同时离散岛取向过于不一致也会在合拢时产生更多的失配位错，不利于生长高质量外延。
77.接着，请参阅图6，采用mocvd工艺在gan合并层上原位生长插入层，其中，制作插入层的材料为sin，插入层主要用于在一定粗糙度的gan表面上形成一种不完全连续的薄膜，薄膜厚度为0.5-3nm，研究发现sin插入层经过退火后表面更加稳定，由于sin层生长时表面原子迁移时间不足，因此采用了退火一定时间后(退火时间30-80s)，使得表面不连续率可以稳定实现，其中，不连续率指的是未覆盖gan的面积与总面积的比值，也即合并层上未覆盖插入层的面积与合并层的表面面积之比。
78.研究发现，sin插入层的不连续率在范围为10％-40％中能与上述表面平整度契合，对后续gan合拢层的生长最优。太小的不连续率说明表面露出的gan(即露出的合并层)太少，在后续合拢初期gan基岛距离远，需要极长的时间才能合拢成平面薄膜，极大影响了超薄gan薄膜的实现。而太大的不连续率说明表面露出的gan太多，大量的位错会直接向上延伸，而gan合拢层基岛之间的合拢也会额外产生位错，所以此种情况下可能薄膜位错还会继续增加导致质量更差。
79.在一种实现方式中，以sih4和氨气作为反应原材料，在温度为1000-1100℃，压力为100mbar-200mbar的环境下生长30s-70s，进而形成插入层。
80.之后，请参阅图7，在退火后的sin插入层上生长gan快速合拢层，合拢层用于在外延层的表面形成较为平整的平面，由于sin插入层的存在，为了实现良好的位错阻挡作用，因此gan合拢层的初期生长将会有一定间距，而合拢层需要在较短的时间内实现横向的快速合拢并实现表面平整的外延生长，因此设置的外延生长条件为所需的反应室温度范围为1000-1100℃，所需的反应室压力范围为100mbar-200mbar，所需的
ⅴ
/ⅲ族元素比为1500-4000。并且，由于gan合并层的厚度决定了整个薄膜的厚度，因此本技术中为了满足超薄gan外延层的要求，gan合并层的厚度不超过800nm。
81.综上，通过上述工艺，可以在蓝宝石衬底上生长超薄gan外延层，避免出现外延层翘曲的情况，同时，利用生长过程中各个层级结构的反射率，实现了对外延层生长过程的监控，进而保证了外延层的高质量生长。此外，利用特殊厚度的溅射aln缓冲层进行的快速合拢和sin插入层前的具有一定表面粗糙度的gan进行快速合拢的设计，实现了位错的快速转
弯效果，进而有利于位错的湮灭，提升外延层生长质量。
82.基于上述实现方式，本技术实施例还提供了一种半导体结构，该半导体结构蓝宝石衬底，位于蓝宝石衬底一侧的aln缓冲层；位于aln缓冲层的远离蓝宝石衬底一侧的籽晶层；其中，籽晶层中包括多个间隔设置的基岛；位于籽晶层的远离蓝宝石衬底一侧的合并层；位于合并层的远离蓝宝石衬底一侧且不连续的sin插入层；位于合并层与插入层的远离蓝宝石衬底的一侧的合拢层；其中，制作籽晶层、所述合并层以及所述合拢层的材料均为gan，且aln缓冲层、籽晶层、合并层、插入层以及合拢层的厚度之和小于1um。
83.其中，aln缓冲层的反射率大于籽晶层的反射率，籽晶层、合并层以及合拢层的反射率依次增大。在一种实现方式中，aln缓冲层的反射率为0.1～0.13，籽晶层的反射率小于0.05，合并层的反射率为0.16～0.2，合拢层的反射率为0.19～0.23。
84.可选地，制作aln缓冲层的材料为aln，制作插入层的材料为sin，制作籽晶层、合并层以及合拢层的材料均为gan。
85.并且，aln缓冲层的厚度为20～50nm，籽晶层的平均厚度小于80nm，合并层的厚度小于或等于150nm，插入层的厚度为0.5～3nm，合拢层的厚度小于或等于800nm。
86.此外，合并层上未覆盖插入层的面积与合并层的表面面积之比为10％～40％。
87.综上所述，本技术提供了一种半导体结构及其制作方法，该半导体结构包括蓝宝石衬底，位于蓝宝石衬底一侧的aln缓冲层，位于aln缓冲层的远离蓝宝石衬底一侧的籽晶层，其中，籽晶层中包括多个间隔设置的基岛，位于籽晶层的远离蓝宝石衬底一侧的合并层，位于合并层的远离蓝宝石衬底一侧且不连续的sin插入层，位于合并层与插入层的远离蓝宝石衬底的一侧的合拢层；其中，制作所述籽晶层、所述合并层以及所述合拢层的材料均为gan，且aln缓冲层、籽晶层、合并层、插入层以及合拢层的厚度之和小于1um。一方面，由于本技术提供的半导体结构中，除蓝宝石衬底外的其它层级结构的厚度小于1um，实现了在蓝宝石衬底上形成超薄的外延膜，因此可以有效缓解外延层翘曲的情况。另一方面，本技术的半导体结构中，通过设置包括基岛的籽晶层、合并层、插入层以及合拢层的结构，可以实现位错的快速转弯，利于位错的湮灭，因此整个半导体结构的外延晶体质量较高。
88.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
89.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。