半导体结构以及制备方法技术

本发明专利技术公开了半导体结构以及制备方法。该方法包括：(1)在基底的上表面依次形成氮化物过渡层和氮化物半导体层，以便获得第一复合体；(2)对所述第一复合体进行离子注入处理，所述注入的离子中含氢离子；(3)将所述第一复合体与衬底进行键合处理，以便获得第二复合体，其中，所述衬底的上表面具有绝缘层，并且所述键合处理中所述绝缘层与所述氮化物半导体层接触；以及(4)对所述第二复合体进行剥离处理，以便分别获得第三复合体和所述半导体结构，其中，所述氮化物半导体层是由含Ga的氮化物半导体材料形成的。该方法操作步骤简单，对仪器设备要求较低，并且可以避免利用氮化镓晶片进行制备时，由于晶片尺寸过小而对半导体结构的尺寸造成限制。

Semiconductor structure and preparation method

The invention discloses a semiconductor structure and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: (1) sequentially forming a nitride transition layer and a nitride semiconductor layer on the surface of the substrate, in order to obtain the first complex; (2) the first complex treated by ion implantation, the hydrogen ion implantation; (3) the first complex with substrate bonding processing, in order to obtain second complex, which, on the surface of the substrate has an insulating layer and the bonding process in the insulating layer and the nitride semiconductor layer in contact; and (4) of the second complexes were stripped, in order to get third complexes and the semiconductor structure, among them, the nitride semiconductor layer is formed of a nitride semiconductor material with Ga. The method has the advantages of simple operation, low requirement for the equipment and can avoid the limitation of the size of the semiconductor structure due to the small size of the wafer when the gallium nitride wafer is prepared.

【技术实现步骤摘要】
半导体结构以及制备方法
本专利技术涉及半导体技术以及半导体制造领域，具体而言，本专利技术涉及半导体结构以及制备方法。
技术介绍
以氮化镓(GaN)为代表的氮化物半导体系列材料具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、高电子迁移率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。随着半导体技术的发展，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸不断缩小，其工作速度也不断提高。然而，基于“摩尔定律”(Moore’slaw)的硅集成电路已快速发展数十年，对于基于Si材料本身而言，目前的MOSFET器件已经接近于物理与技术的双重极限。因而，为了进一步提升MOSFET器件和电路的性能，本领域技术人员提出了各种提升器件和电路性能的方法。例如，将氮化镓半导体材料，与具有SiO2绝缘层的Si片直接键合形成绝缘体上半导体(GaN-on-insulator)结构，利用该结构，可以实现光电集成的电路结构，也可以实现性能优异的高频微波器件。然而，目前的绝缘体上半导体结构及其制备方法仍有待改进。
技术实现思路
本专利技术是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识而做出的：现有的绝缘体上半导体制备技术是智能剥离(Smart-cut)技术，即先向氮化镓半导体晶片中注入氢离子，然后将氮化镓半导体晶片与具有SiO2等绝缘氧化物表层的Si片直接键合，再利用高温退火实现剥离，形成半导体结构。然而，目前的氮化镓半导体晶片的晶片直径不大。例如，现有的可售GaN抛光片直径大约在2英寸，因此利用上述智能剥离技术难以获得更大直径(例如8-12英寸)的半导体结构，而目前主流Si片直径为8-12英寸，因此制备的半导体结构难以直接替代Si基半导体结构用于MOS电路及光电集成。并且，上述智能剥离技术不易获得氮化物层很薄(小于100nm)的半导体结构，而先进的器件结构往往要求绝缘体上半导体薄膜中的氮化镓薄膜厚度要低于100nm以下。本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备半导体结构的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：(1)在基底的上表面依次形成氮化物过渡层和氮化物半导体层，以便获得第一复合体；(2)对所述第一复合体进行离子注入处理，所述注入的离子中含氢离子；(3)将所述第一复合体与衬底进行键合处理，以便获得第二复合体，其中，所述衬底的上表面具有绝缘层，并且所述键合处理中所述绝缘层与所述氮化物半导体层接触；以及(4)对所述第二复合体进行剥离处理，以便分别获得第三复合体和所述半导体结构，其中，所述氮化物半导体层是由含Ga的氮化物半导体材料形成的。该方法操作步骤简单，对仪器设备要求较低，并且可以避免利用氮化镓晶片进行制备时，由于晶片尺寸过小而对半导体结构的尺寸造成限制。根据本专利技术的实施例，所述衬底与所述基底分别独立地是由硅形成的。根据本专利技术的实施例，所述氮化物过渡层和所述氮化物半导体层形成在硅基底上表面的(111)晶面上。由此，可以进一步提高氮化物过渡层和氮化物半导体层的质量。根据本专利技术的实施例，所述氮化物过渡层是由AlN、AlGaN、InGaN以及GaN的至少之一形成的。由此，可以利用上述材料形成的过渡层进一步提高形成的氮化物半导体层的质量。根据本专利技术的实施例，所述氮化物半导体层是由AlGaN、GaN以及InGaN的至少之一形成的。根据本专利技术的实施例，所述氮化物半导体层以及所述过渡层分别独立地通过外延生长形成。由此，可以进一步提高形成的氮化物半导体层以及过渡层的质量。根据本专利技术的实施例，在步骤(1)中，形成所述氮化物过渡层之前，预先在所述氮化物过渡层的上表面形成离子吸附层，形成所述离子吸附层的材料的晶格常数与形成所述氮化物过渡层以及形成所述氮化物半导体层的材料的晶格常数均不同。由此，可以利用离子吸附层提高对注入的氢离子的吸附以及聚集能力，从而有利于降低剥离处理所需要的氢离子的注入剂量。根据本专利技术的实施例，所述离子吸附层是由氮化物半导体材料形成的，所述氮化物半导体材料包括InGaN、GaN、AlN以及AlGaN的至少之一。由此，可以进一步提高离子吸附层对注入的氢离子的吸附以及聚集能力。根据本专利技术的实施例，所述离子吸附层的厚度为2-50nm。根据本专利技术的实施例，在步骤(4)中，所述剥离处理是在所述离子吸附层中进行的。根据本专利技术的实施例，在步骤(1)中进一步包括：在所述氮化物半导体层上表面形成第一钝化层。由此，可以进一步改善氮化物半导体层与绝缘层(氧化物)之间的界面状态。根据本专利技术的实施例，进一步包括：在所述半导体结构上表面形成第二钝化层。由此，可以进一步提高半导体结构的性能。根据本专利技术的实施例，所述离子注入处理的注入剂量为：1×1017/cm2～3×1017/cm2。利用根据本专利技术实施例的方法，仅注入氢离子时，大约需要3×1017/cm2的剂量，而在He/H、Ar/H等共注入时，可以将注入剂量降低到1×1017/cm2左右。本专利技术所提出的方法可以在上述注入剂量下实现剥离处理，较现有的智能剥离技术(约3×1017/cm2)有较大的降低，从而有利于降低生产成本。根据本专利技术的实施例，所述离子注入处理的注入剂量为：1×1016/cm2～2×1017/cm2。离子吸附层具有聚集以及吸附氢离子的作用，从而可以进一步降低离子注入处理的注入剂量。根据本专利技术的实施例，所述离子注入处理时，所述第一复合体的温度为200-800摄氏度。由此，有利于进一步降低注入剂量。根据本专利技术的实施例，在所述半导体结构中，所述氮化物半导体层的厚度小于100nm。由此，有利于进一步提高半导体结构的性能。根据本专利技术的实施例，在步骤(1)之后，步骤(2)之前，预先对所述第一复合体的上表面进行抛光处理和/或退火处理。由此，有利于获得平坦的上表面，从而可以改善后续键合处理的键合质量。根据本专利技术的实施例，所述剥离处理包括温度为200-1000摄氏度的退火。根据本专利技术的实施例，该方法进一步包括：在步骤(4)之后，对获得的所述半导体结构表面进行抛光处理和/或退火处理。由此，可以进一步提高获得的半导体结构的表面平整度。根据本专利技术的实施例，该方法进一步包括：将所述第三复合体回收利用，返回至步骤(2)中进行离子注入处理。由此，可以对第三复合体进行反复利用，一方面可以节省生产成本，另一方面可以提高生产效率，缩短生产时间。根据本专利技术的实施例，在将所述第三复合体返回至步骤(2)之前，预先对所述第三复合体进行下列处理：对所述第三复合体的上表面进行抛光处理和/或退火处理；和在所述第三复合体的上表面形成所述氮化物半导体层。由此，可以进一步提高对第三复合体进行重复利用的效果。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种半导体结构。根据本专利技术的实施例，所述半导体结构是由前面所述的方法形成的。由此，该半导体结构具有前面描述的方法获得的半导体结构所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。根据本专利技术的实施例，所述半导体结构中所述氮化物半导体层的直径不小于4英寸。由于该半导体结构是利用前面所述的方法形成的，因此，该半导体结构中，氮化物半导体层的尺寸可以不受氮化物晶片尺寸的限制。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的制备半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备半导体结构的方法，其特征在于，所述方法包括：(1)在基底的上表面依次形成氮化物过渡层和氮化物半导体层，以便获得第一复合体；(2)对所述第一复合体进行离子注入处理，所述注入的离子中含氢离子；(3)将所述第一复合体与衬底进行键合处理，以便获得第二复合体，其中，所述衬底的上表面具有绝缘层，并且所述键合处理中所述绝缘层与所述氮化物半导体层接触；以及(4)对所述第二复合体进行剥离处理，以便分别获得第三复合体和所述半导体结构，其中，所述氮化物半导体层是由含Ga的氮化物半导体材料形成的。

【技术特征摘要】
1.一种制备半导体结构的方法，其特征在于，所述方法包括：(1)在基底的上表面依次形成氮化物过渡层和氮化物半导体层，以便获得第一复合体；(2)对所述第一复合体进行离子注入处理，所述注入的离子中含氢离子；(3)将所述第一复合体与衬底进行键合处理，以便获得第二复合体，其中，所述衬底的上表面具有绝缘层，并且所述键合处理中所述绝缘层与所述氮化物半导体层接触；以及(4)对所述第二复合体进行剥离处理，以便分别获得第三复合体和所述半导体结构，其中，所述氮化物半导体层是由含Ga的氮化物半导体材料形成的。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底与所述基底分别独立地是由硅形成的；任选地，所述氮化物过渡层和所述氮化物半导体层形成在硅基底上表面的(111)晶面上；任选地，所述氮化物过渡层是由AlN、AlGaN、InGaN以及GaN的至少之一形成的；任选地，所述氮化物半导体层是由AlGaN、GaN以及InGaN的至少之一形成的。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化物半导体层以及所述过渡层分别独立地通过外延生长形成。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，形成所述氮化物过渡层之前，预先在所述氮化物过渡层的上表面形成离子吸附层，形成所述离子吸附层的材料的晶格常数与形成所述氮化物过渡层以及形成所述氮化物半导体层的材料的晶格常数均不同。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述离子吸附层是由氮化物半导体材料形成的，所述氮化物半导体材料包括InGaN、GaN、AlN以及AlGaN的至少之一；任选地，所述离子吸附层的厚度为2-50nm。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述剥离处理是在所述离子吸附层中进行的。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敬，孙川川，梁仁荣，许军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11