高平整度HVPE氮化镓单晶衬底及其制备方法技术

本发明专利技术公开了高平整度HVPE氮化镓单晶衬底及其制备方法，所述高平整度HVPE氮化镓单晶衬底为2"时，TTV＜3um，Bow＜

【技术实现步骤摘要】
高平整度HVPE氮化镓单晶衬底及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体衬底材料加工领域，尤其是涉及HVPE氮化镓单晶衬底及其制备方法。

技术介绍

[0002]氮化镓（GaN)材料作为第三代半导体材料的重要代表，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率等优异的物理化学特性，在微电子应用方面也得到了广泛的关注，其在功率器件和激光器件方面优于碳化硅（SiC）材料。
[0003]获得自支撑GaN衬底的氢化物气相外延（HVPE）法，是在蓝宝石或GaAs衬底上生长而成，生长速度较快。在生长过程中，由于生长腔室内的温度梯度及晶体各部分的生长速率不一致，从而导致GaN晶体内部应力聚集；此外随着GaN晶体厚度的增加，相应温度梯度也越来越大，这导致晶体内应力也越来越大。应力的分布不均匀会造成不同程度的扭曲变形，从而导致GaN单晶从蓝宝石衬底上“自剥离”开来。
[0004]在氮化镓晶体生长完以后，利用金刚石线切割和后期的双面研磨技术可以制定初级的衬底片，或通过激光切割和减薄技术来完成初级的衬底片。以上无论是哪种加工技术，都会导致应力的再次聚集，将会导致平整度变差，平整度指标包括TTV、BOW和WARP，尤其是Warp、Bow将再次恶化，尽管后期还有双面抛光或单面抛光过程，但对Warp、Bow的改善影响很小。上述的TTV是总厚度偏差，BOW是弯曲度，WARP是翘曲度。
[0005]GaN材料外延及后期制作对衬底表面有严格的要求，不良的表面会直对外延的良率影响巨大。
[0006]中国专利技术专利公开号CN115020215A公开了氮化镓衬底的处理方法，其中提到了对双面研磨后的氮化镓衬底进行应力减弱处理，所述对双面研磨后的氮化镓衬底进行应力减弱处理包括：将双面研磨后的氮化镓衬底进行退火处理，所述退火处理的退火温度大于1000℃，所述退火处理的退火时间大于30min，该方法主要是利用双面研磨来抵消了由于应力和氮化镓衬底本身特性造成的翘曲，使得氮化镓衬底的表面更趋于平整。
[0007]中国专利技术专利公告号CN109003879B公开了栅介质层的形成方法，其中虽然公开了两次退火处理，但是其目的是通过两次在包含氧气的气氛下执行退火处理以对半导体衬底和第一氧化层之间的界面进行了很好的修复，即使得半导体衬底和第一氧化层之间的界面具有很好的连续性与平整性，提高了迁移率。
[0008]中国专利技术专利公开号CN113284941A公开了一种高质量碳化硅衬底及其制备方法，其针对的对象是碳化硅衬底，在退火处理中，通过碳化硅晶体的上下表面覆盖第一盖板和第二盖板，第一盖板和第二盖板散热，降低了碳化硅晶体籽晶面和生长面的温度，从而降低了碳化硅晶体籽晶面和生长面的应力。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题是现有的氮化镓单晶衬底的生长方法，决定了其单晶体
具有很大内应力，从而决定了加工后的衬底，其平整度较差，这给氮化镓外延及深加工带来巨大的不利，为此提供一种高平整度HVPE氮化镓单晶衬底及其制备方法。
[0010]本专利技术的技术方案是：高平整度HVPE氮化镓单晶衬底，所述高平整度HVPE氮化镓单晶衬底为2"时，TTV＜3um，Bow＜
±
3um，Warp＜8um，所述高平整度HVPE氮化镓单晶衬底为4"时，TTV＜5um，Bow＜
±
5um，Warp＜10um。
[0011]高平整度HVPE氮化镓单晶衬底的制备方法，包括以下步骤：（1）、第一次退火：对HVPE后的氮化镓单晶衬底在原生长炉里进行原位退火，在800℃
‑
1000℃下，保持2h
‑
4h，以2℃/min的速度降至300℃，再降至常温；（2）、第二次退火：在退火炉内的退火架上水平放置经过第一次退火的氮化镓单晶衬底，在700℃
‑
950℃下保持2h
‑
3h，以3℃/min的速度降至300℃，再降至常温。
[0012]上述方案中所述退火架的材质是纯度99.9999%的高纯石墨。
[0013]上述方案中所述退火架包括矩形框架和适配在矩形框架内的多层放置板，每层放置板的装片口设有4mm高的台阶。
[0014]上述方案中还包括步骤（3）、双面粗抛光。
[0015]上述方案中还包括步骤（4）、单面半精抛。
[0016]上述方案中还包括步骤（5）、精抛光。
[0017]本专利技术的有益效果是经过两次退火处理后，可以有效改善氮化镓衬底片表面的平整度，得到的氮化镓单晶衬底的TTV、Bow和Warp得到了明显改善。
附图说明
[0018]图1 是本专利技术的退火架示意图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图 ，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0020]一种获得高平整度的HVPE氮化镓晶片的加工工艺和方法，该方法包括：在氮化镓晶锭生长结束后，对其进行第一次退火。
[0021]所述第一次退火，是指对HVPE后的晶锭在原生长炉里进行原位退火。生长结束后并非快速自然冷却，降至常温，而是在800
‑
℃1000℃下，保持2h
‑
4h，然后在缓慢以2℃/min的速度降至300℃，最后关闭生长炉加热电源，使其自然降至常温状态；所述第二次退火，是指在专用退火架上水平放置待退火的衬底片，如图1所示，退火架所用材料为纯度99.9999的高纯石墨，所述晶片的恒温温度在700℃
‑
950℃，保持2h—3h，然后以3℃/min的速度降至300℃，最后关闭退火炉电源，使其自然降至常温状态。
[0022]所述第一次退火要求：在生长炉里恒温800℃—1000℃；恒温时间2h—4h；降温速度：每分钟下降2℃；
降温结束温度：降至300℃。
[0023]所述第二次退火要求：采用专用退火架（尺寸见图纸），专用退火架为石墨材质，除对间距及尺寸有一定要求外，每层的装片口有4mm的台阶；石墨材质纯度：99.9999以上。
[0024]恒温温度在700℃
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950℃；恒温时间2h—3h；降温速度：每分钟下降3℃；降温结束温度：300℃。
[0025]对两次退火后衬底片进行后续正常加工，包括在双面粗抛光、单面半精抛和精抛光等，最后进行平整度测试，获得数据如下：2"衬底: TTV＜3um，Bow＜
±
3um，Warp＜8um；4"衬底: TTV＜5um，Bow＜
±
5um，Warp＜10um。
[0026]取5个2"衬底和5个4"衬底在不同的温度和时间条件下进行10次进行二次退火的试验，得到的数据如表1：表110组实验抽取部分数据，用美国Tropel 200测平仪测得平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高平整度HVPE氮化镓单晶衬底，其特征是：所述高平整度HVPE氮化镓单晶衬底为2"时，TTV＜3um，Bow＜
±
3um，Warp＜8um，所述高平整度HVPE氮化镓单晶衬底为4"时，TTV＜5um，Bow＜
±
5um，Warp＜10um。2.如权利要求1所述的高平整度HVPE氮化镓单晶衬底的制备方法，其特征是：包括以下步骤：（1）、第一次退火：对HVPE后的氮化镓单晶衬底在原生长炉里进行原位退火，在800℃
‑
1000℃下，保持2h
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4h，以2℃/min的速度降至300℃，再降至常温；（2）、第二次退火：在退火炉内的退火架上水平放置经过第一次退火的氮化镓单晶衬底，在700℃
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：杨三贵，李起鸣，
申请(专利权)人：镓特半导体科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：