一种复合半导体衬底结构及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种复合半导体衬底结构及其制备方法与应用，所述复合半导体衬底结构包括：支撑衬底、单晶硅层以及碳化硅层；所述单晶硅层设置于所述支撑衬底和碳化硅层之间；所述支撑衬底和单晶硅层之间设置有键合界面层；所述键合界面层的厚度为0nm～5μm，且不为0nm。本发明专利技术提供的复合半导体衬底结构提高了由氧化镓或氮化镓材料制成的半导体器件的性能和可靠性；所述制备方法克服了现有技术中晶格失配较高或者成本过高的缺陷。配较高或者成本过高的缺陷。配较高或者成本过高的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种复合半导体衬底结构及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于半导体材料及器件
，具体涉及一种复合半导体衬底结构及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]在半导体领域，通常将至少两种材料进行复合，得到复合半导体衬底结构，以满足特定的应用需求，比如：将高导热支撑基板和器件功能层基板进行复合制备的复合衬底能够提高器件的散热性能。
[0003]相比于传统的Si和SiC基功率器件以及GaN横向结构功率器件，GaN基垂直结构器件能有效的实现低导通电阻和高击穿电压。且具有如下明显优势：(a)只需增加外延层厚度即可有效提高器件击穿电压而不必增大器件尺寸，器件成本降低；(b)峰值电场从表面移到半导体内部，电场分布更均匀，因而器件可靠性更高；(c)电流分布更均匀因而容许更大电流和更高的电流密度传输；(d)更好的散热性能。
[0004]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中的应用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。
[0005]由于氧化镓材料和氮化镓材料不容易获得体生长的单晶材料，目前其材料的制备均以外延材料为主，外延衬底主要为单晶蓝宝石、单晶硅、单晶碳化硅等，外延技术主要为金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。蓝宝石优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟：不足方面也很多，如很大的晶格失配(16％)目前采用过渡层生长技术来克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片来克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。除了蓝宝石衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用于氨化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要像蓝宝石衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。所以在高功率器件的应用方面SiC衬底比蓝宝石衬底更具有优势。但是高质量的SiC单晶材料的制备也是难点，目前国际上能提供商用的高品质的SiC衬底的厂家只有美CREE公司，价格是相同尺寸蓝宝石衬底的几倍甚至十几倍。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种复合半导体衬底结构及其制备方法与应用。本专利技术提供的制备方法解决了现有技术中存在的高热导率衬底制造成本高的问题。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种复合半导体衬底结构，所述复合半导体衬底结构包括：支撑衬底、单晶硅层以及碳化硅层；
[0009]所述单晶硅层设置于所述支撑衬底和碳化硅层之间；所述支撑衬底和单晶硅层之间设置有键合界面层；
[0010]所述键合界面层的厚度为0nm～5μm，且不为0nm，例如可以是10nm、100nm、500nm、1μm、2μm、3μm、4μm或5μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
[0011]本专利技术提供的复合半导体衬底结构既可以使氧化镓薄膜或氮化镓薄膜外延获得高质量的复合衬底，又可以有效降低衬底材料的成本。
[0012]本专利技术所述键合界面层用于增强键合强度，缓解高热导率衬底的表面加工难度，其厚度会影响散热效果和热失配应力，厚度过高会导致器件热量难以散出以及器件制作良率低。
[0013]作为本专利技术的优选技术方案，所述单晶硅层的厚度为70nm～1μm，例如可以是70nm、100nm、300nm、500nm、800nm或1μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
[0014]优选地，所述支撑衬底包括多晶氮化铝支撑衬底或多晶碳化硅支撑衬底。
[0015]优选地，所述支撑衬底的厚度为200μm～1mm，例如可以是200μm、400μm、600μm、800μm或1mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
[0016]优选地，所述支撑衬底的直径为2～12英寸，例如可以是2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、10英寸或12英寸，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
[0017]优选地，所述支撑衬底的直径不小于所述单晶硅层的直径。
[0018]优选地，所述键合界面层包括Si层、SiC层、AlN层、Al2O3层、SiN
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层、金刚石层或含W的高熔点化合物层中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括Si层和SiC层的组合，AlN层和Al2O3层的组合，Si层、SiC层和SiN
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层的组合，或金刚石层和含W的高熔点化合物层的组合。
[0019]优选地，所述复合半导体衬底还包括外延生长在碳化硅层上的含镓化合物薄膜。
[0020]优选地，所述含镓化合物薄膜包括氧化镓薄膜或氮化镓薄膜。
[0021]优选地，所述含镓化合物薄膜的厚度为200nm～10μm，例如可以是200nm、400nm、600nm、800nm或1μm、2μm、4μm、6μm、8μm或10μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。
[0022]本专利技术所述含镓化合物薄膜的厚度需要控制在200nm～10μm之间，其厚度过高会导致成本增加，过薄则无法保证较高的晶体质量。
[0023]优选地，所述碳化硅层的晶型为4H、6H或3C中的任意一种，优选为3C。
[0024]第二方面，本专利技术提供了一种如第一方面提供的复合半导体衬底结构的制备方
法，所述制备方法包括如下步骤：
[0025](1)选用初始单晶硅晶圆与支撑衬底；
[0026](2)通过注氢剥离方法在所述初始单晶硅晶圆中注入离子形成缺陷层以及单晶硅层；
[0027](3)在所述支撑衬底的键合面生长键合界面层，而后与步骤(2)所得单晶硅层相互键合，得到第一复合组件；
[0028](4)对步骤(3)所得第一复合组件进行退火处理，表面处理后外延生长碳化硅层，得到所述复合半导体衬底结构。
[0029]优选地，步骤(1)所述单晶硅晶圆的直径为2～12英寸，例如可以是2英寸、4英寸、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合半导体衬底结构，其特征在于，所述复合半导体衬底结构包括：支撑衬底、单晶硅层以及碳化硅层；所述单晶硅层设置于所述支撑衬底和碳化硅层之间；所述支撑衬底和单晶硅层之间设置有键合界面层；所述键合界面层的厚度为0nm～5μm，且不为0nm。2.根据权利要求1所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述单晶硅层的厚度为70nm～1μm；优选地，所述支撑衬底包括多晶氮化铝支撑衬底或多晶碳化硅支撑衬底；优选地，所述支撑衬底的厚度为200μm～1mm；优选地，所述支撑衬底的直径为2～12英寸；优选地，所述支撑衬底的直径不小于所述单晶硅层的直径；优选地，所述键合界面层包括Si层、SiC层、AlN层、Al2O3层、SiN
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层、金刚石层或含W的高熔点化合物层中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的复合半导体衬底结构，其特征在于，所述复合半导体衬底还包括外延生长在碳化硅层上的含镓化合物薄膜；优选地，所述含镓化合物薄膜包括氧化镓薄膜或氮化镓薄膜；优选地，所述含镓化合物薄膜的厚度为200nm～10μm；优选地，所述碳化硅层的晶型为4H、6H或3C中的任意一种，优选为3C。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述复合半导体衬底结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)选用初始单晶硅晶圆与支撑衬底；(2)通过注氢剥离方法在所述初始单晶硅晶圆中注入离子形成缺陷层以及单晶硅层；(3)在所述支撑衬底的键合面生长键合界面层，而后与步骤(2)所得单晶硅层相互键合，得到第一复合组件；(4)对步骤(3)所得第一复合组件进行退火处理，表面处理后外延生长碳化硅层，得到所述复合半导体衬底结构。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述单晶硅晶圆的直径为2～12英寸；优选地，步骤(2)所述注氢剥离方法中氢离子注入的能量为20keV～400keV；优选地，步骤(2)所述注氢剥离方法中氢离子注入的剂量为1
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【专利技术属性】
技术研发人员：母凤文，郭超，
申请(专利权)人：青禾晶元天津半导体材料有限公司，
类型：发明
国别省市：