半导体衬底、半导体器件及半导体衬底制造方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体衬底、半导体器件及半导体衬底制造方法，所述半导体衬底包括第一半导体层以及位于所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层以及各自按其晶格对称性旋转后在垂直方向上均具有不同的解离面。本发明专利技术的半导体衬底具有特殊的晶格结构和力学结构，将半导体衬底设为复合型衬底结构，同样衬底厚度的条件下，可以减少半导体外延层施加的应力对半导体衬底产生的损害，从而减半导体衬底破碎的几率；同时可以减小工艺难度，增强半导体器件的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，所述半导体衬底包括第一半导体层以及位于所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层以及各自按其晶格对称性旋转后在垂直方向上均具有不同的解离面。本专利技术的半导体衬底具有特殊的晶格结构和力学结构，将半导体衬底设为复合型衬底结构，同样衬底厚度的条件下，可以减少半导体外延层施加的应力对半导体衬底产生的损害，从而减半导体衬底破碎的几率；同时可以减小工艺难度，增强半导体器件的可靠性。【专利说明】
本专利技术涉及微电子
，特别是涉及一种。
技术介绍
以氮化镓为代表的III族氮化物越来越受到人们的重视，因为III族氮化物可以广泛用作半导体照明的发光二极管(LED)和高功率电子器件。由于本征衬底的缺乏，氮化镓器件普遍制备在异质衬底上，比如蓝宝石、碳化硅和硅。硅衬底由于其广泛的应用性，它的尺寸和质量都是在上述几种衬底材料当中最好的。目前互补金属氧化物半导体(CMOS)的主流技术就是基于12寸的硅基板，而且硅的价格也是其他几种材料不能比拟的。所以，在大尺寸硅衬底上制备氮化镓材料，是降低氮化镓基器件成本的最佳办法。但是，由于氮化镓和硅之间存在巨大的晶格失配和热失配，在制备和冷却的过程中会引入大量的应力。这个应力会造成外延片的翘曲和外延膜的龟裂，另外对硅衬底本身也有很大的伤害。由于硅衬底中残余的应力，在工艺过程中硅上的氮化镓外延片会发生破碎，造成巨大的损失。为了避免这种情况，通常的办法是采用厚的硅基板，但是工艺线对衬底的厚度都存在一个上限。当硅衬底的厚度超过一定临界值之后，工艺设备无法处理，比如光刻机无法聚焦对准，工艺无法实现。因此，针对上述技术问题及改进方法，有必要提供一种。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一个复合衬底结构的概念。通常来说，由于对称性的原因，氮化镓外延片最好都是在Si (111)衬底上制备，使得制备的外延膜具有较好的晶体质量、电学性质和光学性质。氮化镓的晶格结构具有六角对称的特点，在应力释放的时候也遵循同样的关系。而Si (111)的解离面也有三角对称的特点，硅衬底在因受到应力而损伤的时候则是三角对称。由于对称的匹配关系，在Si(Ill)上制备的氮化镓晶体质量最好，但是相应的，在受到应力的时候也是最容易破碎的。为了避免这种情况，本专利技术提出了利用硅非对称复合衬底来制备氮化镓外延层。硅半导体内的应力是随着同一晶向的硅的厚度增加而不断累积的，而当同一晶向的硅的表面处与另一晶向的硅相接触时，应力会减少而不会累积。本专利技术通过引入两层或多层不同晶向的Si (111)，使相互接触的Si(Ill)半导体层的解离面不重合，从而降低应力通过硅衬底的损伤，防止硅衬底龟裂引起的氮化镓半导体层的破裂，达到提高氮化镓半导体层坚固性和可靠性的目的。上述复合衬底也可以通过将两种不同晶向的硅半导体层结合形成，如将Si(Ill)半导体层和Si (100)半导体层结合形成复合衬底结构。通过控制硅片键合时的角度，可以使得Si (111)半导体层和Si(IOO)半导体层的解离面不重合，所以氮化镓外延层产生的缺陷传递到其中一个硅半导体层上时将会大大减少，从而避免延续到另一种硅半导体层，减少了氮化镓外延层的应力导致的衬底破碎的几率，增强了衬底的坚固性和可靠性。上述复合型衬底的制造可以用晶片键合的方法完成，例如可以把两片较薄衬底按照不同的晶向错开一定角度进行键合生成复合衬底。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供的技术方案如下:一种半导体衬底，所述半导体衬底包括第一半导体层以及位于所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层、所述第一半导体层按其晶格对称性旋转后与所述第二半导体层、所述第一半导体层与所述第二半导体层按其晶格对称性旋转后、以及所述第一半导体层按其晶格对称性旋转后与所述第二半导体层按其晶格对称性旋转后在垂直方向上均具有不同的解离面。作为本专利技术的进一步改进，所述第一半导体层和第二半导体层的材料相同或不同。作为本专利技术的进一步改进，所述第一半导体层和第二半导体层具有相同的晶格结构，第一半导体层和第二半导体层在垂直方向上具有相同的晶向、在水平方向上的晶向不重合。作为本专利技术的进一步改进，所述第一半导体层和第二半导体层的晶体结构不同，第一半导体层和第二半导体层在水平方向的晶向不重合。作为本专利技术的进一步改进，所述第一半导体层的材料形态包括晶态、非晶态和无定形态的一种或多种的组合。作为本专利技术的进一步改进，所述无定形材料还包括非半导体材料，所述非半导体材料包括氮化铝、多晶碳化硅、陶瓷和石英。作为本专利技术的进一步改进，所述第一半导体层为无定形材料时，第一半导体层和第二半导体层的键合方向不受限制。作为本专利技术的进一步改进，所述第二半导体层为晶体层。作为本专利技术的进一步改进，所述第一半导体层和第二半导体层依次交替形成三层或三层以上的层叠结构。作为本专利技术的进一步改进，所述层叠结构包括位于第一半导体层和/或第二半导体层之间的介质层。作为本专利技术的进一步改进，所述介质层与相邻的第一半导体层和/或第二半导体层在垂直方向上具有相同的晶向、在水平方向上晶向不重合。作为本专利技术的进一步改进，所述介质层与相邻的第一半导体层和/或第二半导体层的晶体结构不同，且在水平方向上晶向不重合。相应地，一种半导体器件，所述半导体器件包括半导体衬底以及位于所述半导体衬底上的半导体外延层，所述半导体衬底包括第一半导体层以及位于所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层、所述第一半导体层按其晶格对称性旋转后与所述第二半导体层、所述第一半导体层与所述第二半导体层按其晶格对称性旋转后、以及所述第一半导体层按其晶格对称性旋转后与所述第二半导体层按其晶格对称性旋转后在垂直方向上均具有不同的解离面。作为本专利技术的进一步改进，所述半导体外延层包括硅、砷化镓、氮化镓、铝镓氮、铟镓氮、铝镓铟氮中的一种或多种的组合。作为本专利技术的进一步改进，所述半导体器件包括发光二极管、激光二极管、高电子迁移率晶体管、场效应晶体管、肖特基二极管、PIN 二极管和太阳能电池。相应地，一种半导体衬底的制造方法，所述方法包括:S1、提供第一半导体层；S2、在所述第一半导体层上制备第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层、所述第一半导体层按其晶格对称性旋转后与所述第二半导体层、所述第一半导体层与所述第二半导体层按其晶格对称性旋转后、以及所述第一半导体层按其晶格对称性旋转后与所述第二半导体层按其晶格对称性旋转后在垂直方向上均具有不同的解离面。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2后还包括:在所述第二半导体层上制备半导体外延层。作为本专利技术的进一步改进，所述第一半导体层和所述第二半导体层的制备方法包括直拉法、区熔法、物理气相沉积和化学气相沉积中的一种或多种的组合。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2中在所述第一半导体层上制备第二半导体层的方法包括晶片键合。作为本专利技术的进一步改进，所述半导体外延层的制备方法包括金属有机物化学气相沉积、分子束外延和氢化物气相外延中的一种或多种的组合。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2后还包括:在所述第二半导体层上依次交替制备第一半导体层、或第一半导体层和第二半导体层，形成三层或三层以上的层叠结构。作为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体衬底，其特征在于，所述半导体衬底包括第一半导体层以及位于所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层、所述第一半导体层按其晶格对称性旋转后与所述第二半导体层、所述第一半导体层与所述第二半导体层按其晶格对称性旋转后、以及所述第一半导体层按其晶格对称性旋转后与所述第二半导体层按其晶格对称性旋转后在垂直方向上均具有不同的解离面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程凯，
申请(专利权)人：苏州晶湛半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32