[发明专利]一种复合硅衬底及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种复合硅衬底及其制备方法，所述复合硅衬底包括第一硅层、图形化硅层和第二硅层；所述第二硅层形成用于异质外延生长的表面，所述图形化硅层夹设于所述第一硅层和第二硅层之间并形成复数个微纳米空腔以衰减由所述第二硅层传递向所述第一硅层的应力。本发明的复合硅衬底可以增加异质外延生长中的存储压应力和减小衬底的翘曲，生长更厚的异质外延薄膜。本发明还公开了基于上述复合硅衬底的氮化镓外延结构，有效减小缓冲层垂直漏电，改善器件的电学特性，为硅基氮化镓高压器件制作提供可能，适合实际生产应用。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种复合硅衬底及其制备方法和应用。

背景技术

目前，由于缺少高质量，大尺寸的商用氮化镓衬底，氮化镓基器件薄膜材料一般是通过异质外延的方法生长在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上。硅衬底作为一种重要的氮化镓异质外延衬底具有晶体质量高，晶圆尺寸大，热导率高(约是蓝宝石的3倍)，价格低，衬底电导率可以通过掺杂控制等优点，因而越来越受到产业界的关注。在硅衬底上异质外延生长GaN薄膜时，主要存在两个技术难点：一个是氮化镓外延膜和硅衬底之间存在较大的晶格失配(16.9％)使得外延膜中存在大量的穿透位错导致外延薄膜的晶体质量较差；另一个更重要的是硅衬底和氮化镓薄膜间存在巨大的热失配(54％)使得硅基氮化镓外延翘曲难以控制且外延膜边缘很容易产生裂纹。因此，提高Si衬底上生长GaN薄膜的质量就要通过对外延薄膜中各层的应力设计和控制获得低翘曲外延片同时优化外延生长工艺降低外延膜中位错密度。通常解决硅衬底与氮化镓间巨大热失配的方法是在高温外延生长中，利用AlN和GaN之间的晶格失配(2.4％)在氮化镓高温外延生长中引入足够的压应力补偿生长完降温热失配产生的张应力，从而获得低应力低翘曲的外延片。

在硅衬底外延生长氮化镓薄膜时，由于受到衬底强度的限制，为了避免高温外延生长中硅衬底发生不可逆的塑性形变，外延生长存储的压应力一般最多可以补偿6um厚的氮化镓基薄膜热失配产生的张应力。增加硅基氮化镓外延薄膜的厚度不仅可以提高外延薄膜的晶体质量而且可以减小高压下缓冲层的漏电，为硅基氮化镓器件在950V和1200V器件应用提供了可能。解决硅衬底上生长更厚氮化镓压时的应力存储问题的方法主要有两种，一种方法是：通过增加衬底的厚度提高衬底机械强度增加高温生长中存储的压应力从而获得更厚的氮化镓外延膜；另一种方法是：采用与氮化镓具有相近热膨胀系数的热匹配复合硅衬底减小外延氮化镓降温时所需的补偿张应力从而获得更厚的氮化镓薄膜。上面两种方法都存在一定的缺陷，采用较厚衬底会导致外延片与芯片制作设备不兼容且增加外延厚度有限，而采用热匹配复合硅衬底由于其复合衬底制作方法复杂，衬底价格较高和衬底供应稳定性存在问题，因此会增加最终器件成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种复合硅衬底及其制备方法和应用。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种复合硅衬底，所述复合硅衬底包括第一硅层、图形化硅层和第二硅层；所述第二硅层形成用于异质外延生长的表面，所述图形化硅层夹设于所述第一硅层和第二硅层之间并形成复数个微纳米空腔以衰减由所述第二硅层传递向所述第一硅层的应力。

可选的，所述图形化硅层是由若干间隔排布的亚微米柱形成的阵列，所述亚微米柱的间隔形成所述空腔。

可选的，所述亚微米柱的直径为0.1um-1um，高度为0.5um-50um，间隔为0.2um-5um。

可选的，所述图形化硅层是多孔硅层，所述多孔硅层的厚度为0.5um-50um，孔隙率在20％-80％之间，孔径为100nm-10um。

可选的，所述第二硅层的厚度为1um-10um。

一种上述复合硅衬底的制备方法，该方法包括以下步骤：处理一硅衬底表面形成图形化硅层，所述硅衬底余下部分形成所述第一硅层，于所述图形化硅层上形成所述第二硅层。