[发明专利]一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体领域，涉及一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法。

背景技术

相比于体硅材料，III族氮化物材料因其直接带隙、极大内建电场等特性，在光电、功率、射频、MEMS等领域有其独特优势。其中III指元素周期表中第III族中的至少一种元素。

III族氮化物材料的外延以GaN外延为基础。GaN外延主要以异质外延为主，异质衬底主要有蓝宝石、SiC、Si等。目前广泛使用的蓝光LED大部分都是以蓝宝石上GaN外延片制作而成。硅衬底相比蓝宝石衬底有尺寸大、散热好、价格便宜、可与传统硅电路集成等优势，是目前研究的重点。

但是，硅上GaN外延主要面临两个问题：一晶格失配，二热膨胀系数失配。晶格失配的问题可以通过AlN、AlGaN等缓冲层技术有效解决。所以，巨大的热失配是目前硅基GaN外延的主要问题。由于GaN外延温度超过1050摄氏度，因此，在外延结束的降温阶段，Si和GaN巨大的热失配会使得外延衬底剧烈翘曲(GaN的热膨胀系数比Si大56％，因此降温意味着剧烈收缩)。

目前，解决热失配问题的主要途径是预应变缓冲层技术，即通过巧妙设计缓冲层使晶格失配与热失配相互平衡，最终使得晶圆平整。但是，晶圆的翘曲程度随晶圆的尺寸增大剧烈增加，目前的预应变技术仅在6英寸以下晶圆有较好的效果。而且，预应变缓冲层结构复杂，不易掌握，也增加了外延过程的不稳定性。

因此，如何提供一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，以降低晶圆翘曲程度、提高外延层质量，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，用于解决现有技术中硅上GaN外延热失配严重，导致晶圆翘曲程度随晶圆尺寸增大而剧烈增加的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法，包括如下步骤：

提供一硅衬底；

将所述硅衬底放入反应腔体内，并使得所述硅衬底与水平面呈预设角度；所述预设角度大于0°；

在所述硅衬底正反两面同时外延生长III族氮化物薄膜。

可选地，所述硅衬底为双面抛光硅片。

可选地，所述硅衬底采用(111)晶向硅。

可选地，外延生长过程中，所述硅衬底与水平面的夹角范围是75°-105°。

可选地，外延生长过程中，所述硅衬底与水平面的夹角为90°。

可选地，所述III族氮化物薄膜为单层或多层薄膜。

可选地，所述III族氮化物薄膜的厚度范围是5nm-100μm。

可选地，所述III族氮化物薄膜包括GaN层、AlN层、InN层、InGaN层及AlGaN层中的一种或多种。

可选地，所述硅衬底为6寸、8寸或12寸晶圆。

可选地，所述反应腔体为MOCVD反应腔体。

可选地，通过在所述反应腔体内通入包括Ⅲ族元素的有机化合物和N的氢化物的晶体生长源材料，以热分解反应方式在所述硅衬底上进行气相外延，生长得到所述III族氮化物薄膜。

如上所述，本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法针对现有大尺寸硅衬底上GaN外延面临的巨大热膨胀系数失配的问题，提出一种内在应力平衡的双面外延的方法，可以实现任意大尺寸硅衬底上III族氮化物的高质量外延生长，无论在III族氮化物的外延过程还是降温过程，硅衬底能够始终保持平整，从而彻底解决了热失配及晶格失配引起的晶圆翘曲问题。而且，一次生长就可以获得两个面的材料，可以大幅提高生产效率。

附图说明

图1显示为本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法的工艺流程图。

图2显示为本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法提供的硅衬底的结构示意图。

图3-图5显示为本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法将所述硅衬底放入反应腔体内，并使得所述硅衬底与水平面呈预设角度的示意图。

图6显示为本发明的大尺寸硅衬底III族氮化物外延生长方法在所述硅衬底正反两面同时外延生长III族氮化物薄膜的示意图。

元件标号说明

S1～S3 步骤

1硅衬底

2反应腔体

301，302III族氮化物薄膜

具体实施方式