一种半导体结构及其形成方法技术

本发明专利技术提出一种半导体结构，包括：第一半导体材料衬底；形成在所述第一半导体材料衬底顶层之上的第一多孔结构层；形成在所述第一多孔结构层之上的第二多孔结构层，其中，所述第二多孔结构层中的孔隙率和孔径均小于所述第一多孔结构层中的孔隙率和孔径；形成在所述第二多孔结构层之上的第二半导体材料层。本发明专利技术通过多孔结构层能够释放Si材料与外延材料的热失配应力，防止比较大厚度下外延膜龟裂等问题的发生，提高外延膜晶体质量。因此通过本发明专利技术能够在Si衬底上外延大厚度的与Si材料存在较大热失配应力的外延材料层(如GaN等)，而且多孔Si材料在后续工艺中可以被去除掉，因此也不会对后续器件工艺造成影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造及设计
，特别涉及。
技术介绍
近年来，发光二极管(light emitting diode,LED)以其寿命长、发光效率高、体积 小、坚固耐用、颜色丰富，被广泛应用于显示屏、背光源、特种照明等领域。LED的核心是LED 外延片，其主要结构包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半 导体层。作为LED外延片核心的有源区发光层介于N型半导体层与P型半导体层之间，使 P型半导体层和N型半导体层的界面构成的PN结。由于衬底和膜层不同的热膨胀系数，以 及淀积方法的制约，因此致使了在膜层生长后，会由于热失配而在膜层内会产生内应力，例 如对于LED领域的Al2O3 (蓝宝石)衬底来说，在Al2O3衬底生长的GaN外延片就会产生拉 应力，再例如如果在SiC衬底生长的GaN外延片会产生压应力。然而蓝宝石衬底非常昂贵， 而且晶圆不易做大，因此导致目前的LED非常昂贵。由于Si材料便宜，工艺成熟，且有大直 径晶圆，因此，目前出现了很多基于Si材料的应用，如光电、微波等应用需要用到不同的材 料，如GaN等。但是，Si和这些III-V族化合物半导体材料存在很大的热应力失配，热应力失配 将在较大外延厚度时会引起薄膜出现龟裂(Crack)，外延出来的薄膜质量不佳，因此限制了 薄膜的厚度。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是提出了一种半导体结构及 其形成方法。为达到上述目的，本专利技术一方面提出一种半导体结构，包括第一半导体材料衬 底；形成在所述第一半导体材料衬底顶层之上的第一多孔结构层；形成在所述第一多孔结 构层之上的第二多孔结构层，其中，所述第二多孔结构层中的孔隙率和孔径均小于所述第 一多孔结构层中的孔隙率和孔径；和形成在所述第二多孔结构层之上的第二半导体材料层。在本专利技术的一个实施例中，所述第一半导体材料衬底包括Si、低Ge组分SiGe或其组合。在本专利技术的一个实施例中，所述第一多孔结构层和第二多孔结构层为多孔硅结构 层或者多孔锗硅结构层。在本专利技术的一个实施例中，还包括形成在所述第一多孔结构层和所述第一半导 体材料衬底之间的第三多孔结构层，其中，所述第三多孔结构层为多孔硅结构层或者多孔 锗硅结构层，且所述第三多孔结构层中的孔隙率和孔径均小于所述第一多孔结构层中的孔 隙率和孔径。在本专利技术的一个实施例中，在所述第三多孔结构层和所述第一多孔结构层之间进 行切割剥离。在本专利技术的一个实施例中，所述第一多孔结构层中包括多个第一区域和间隔在所 述两个第一区域之间的第二区域，其中，所述第一区域的孔隙率及孔径均大于所述第二区 域的孔隙率及孔径。在本专利技术的一个实施例中，所述第一多孔结构层中的孔隙率是渐变的，且从所述 第一多孔结构层中与所述第一半导体材料衬底的界面处向所述第一多孔结构层与所述第 二多孔结构层的界面处逐渐提高。在本专利技术的一个实施例中，所述第二半导体材料层包括III-V族化合物半导体材 料。本专利技术另一方面还提出了一种半导体结构的形成方法，包括以下步骤提供第一 半导体材料衬底；在所述第一半导体材料衬底顶层之上形成第一多孔结构层和第二多孔结 构层，其中，所述第二多孔结构层中的孔隙率和孔径均小于所述第一多孔结构层中的孔隙 率和孔径；和在所述第二多孔结构层之上形成第二半导体材料层。在本专利技术的一个实施例中，所述衬底包括Si、低Ge组分SiGe或其组合。在本专利技术的一个实施例中，所述在第一半导体材料衬底顶层之上形成第一多孔结 构层和第二多孔结构层进一步包括对所述第一半导体材料衬底进行阳极氧化，同时向所 述第一半导体材料衬底施加脉冲形式的阳极电流以在所述第一半导体材料衬底的顶部形 成第一多孔结构层和第二多孔结构层，其中，所述第一多孔结构层和第二多孔结构层为多 孔硅结构层或者多孔锗硅结构层。在本专利技术的一个实施例中，在进行阳极氧化之前还包括对所述第一半导体材料 衬底进行注入以形成注入层，所述注入层在阳极氧化后形成所述第一多孔结构层。在本专利技术的一个实施例中，所述在第一半导体材料衬底顶层之上形成第一多孔结 构层和第二多孔结构层进一步包括对所述第一半导体材料衬底进行阳极氧化以形成第一 多孔结构层；对所述第一多孔结构层进行退火以在所述第一多孔结构层的顶部形成第二多 孔结构层。在本专利技术的一个实施例中，还包括通过阳极氧化在所述第一半导体材料衬底顶 层和所述第一多孔结构层之间形成第三多孔结构层，其中，所述第三多孔结构层为多孔硅 结构层或者多孔锗硅结构层，且所述第三多孔结构层中的孔隙率和孔径均小于所述第一多 孔结构层中的孔隙率和孔径。在本专利技术的一个实施例中，在所述第三多孔结构层和所述第一多孔结构层之间进 行切割剥离。在本专利技术的一个实施例中，所述形成第三多孔结构层、所述第一多孔结构层和所 述第二多孔结构层进一步包括对所述第一半导体材料衬底进行阳极氧化，同时向所述第 一半导体材料衬底施加多级脉冲形式的阳极电流以在所述第一半导体材料衬底的顶部形 成所述第三多孔结构层、所述第一多孔结构层和所述第二多孔结构层。在本专利技术的一个实施例中，所述第一多孔结构层中包括多个第一区域和间隔在所 述两个第一区域之间的第二区域，其中，所述第一区域的孔隙率及孔径均大于所述第二区 域的孔隙率及孔径。该第一多孔结构层通过以下步骤形成在所述第一半导体材料衬底之上形成掩膜层；刻蚀所述掩膜层以形成多个开口 ；通过所述开口对所述第一半导体材料衬 底进行注入以在所述开口处形成第一注入区域，所述第一注入区域在经过阳极氧化之后形 成所述第一区域。在本专利技术的一个实施例中，所述第一多孔结构层中的孔隙率是渐变的，且从所述 第一多孔结构层中与所述第一半导体材料衬底的界面处向所述第一多孔结构层与所述第 二多孔结构层的界面处逐渐提高。具体形成方法为对所述第一半导体材料衬底进行注入， 并对所述第一半导体材料衬底进行阳极氧化，同时向所述第一半导体材料衬底施加阳极电 流，所述阳极电流具有快速提升的上升沿和逐步降低的下降沿。在本专利技术的一个实施例中，所述第二半导体材料层包括III-V族化合物半导体材 料。在本专利技术中，在后续的外延工艺冷却之后，通过上述多孔结构层的机械形变或断 裂可以释放热失配应力，从而可以使产生的III-V族薄膜避免Crack现象，因此通过本专利技术 可以生长比较厚的III-V族材料。另外，在本专利技术中还可在多孔结构层之上再形成一层更 低孔隙率和孔径的多孔结构层，从而可以消除第一半导体材料和第二半导体材料之间的位 错。更为优选地，还可在第一半导体材料衬底与上述多孔结构层之间再形成一层更低孔隙 率和孔径的多孔结构层，从而方便对多孔结构层的去除。本专利技术通过多孔结构层能够释放 Si材料与外延材料的热失配应力，防止比较大厚度下外延膜龟裂等问题的发生，提高外延 膜晶体质量。因此通过本专利技术能够在Si衬底上外延大厚度的与Si材料存在较大热失配应 力的外延材料层(如GaN等)，而且多孔Si材料在后续工艺中可以被去除掉，因此也不会对 后续器件工艺造成影响。本专利技术采用在孔隙率大的多孔硅上外延与Si材料热失配较大半导体材料层，可 以通过脆弱的多孔硅层在冷却过程中发生部分形变释放掉热失配应力，保证外延薄膜材料 层的完好，可以外延比较厚的外延材料层。其次，通过图形化的多孔硅(本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种半导体结构，其特征在于，包括：第一半导体材料衬底；形成在所述第一半导体材料衬底顶层之上的第一多孔结构层；形成在所述第一多孔结构层之上的第二多孔结构层，其中，所述第二多孔结构层中的孔隙率和孔径均小于所述第一多孔结构层中的孔隙率和孔径；和形成在所述第二多孔结构层之上的第二半导体材料层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王楚雯，赵东晶，
申请(专利权)人：王楚雯，赵东晶，
类型：发明
国别省市：11