[发明专利]层状半导体基板及其制造方法

说明书

本发明涉及基于硅的层状半导体基板，还涉及制造该基板的方法，所述层状半导体基板可以被用作III族氮化物层的沉积的基板。

由于GaN和Si(111)之间的材料不匹配，在硅(Si)基板(GaN-Si层结构，GaN在上)上外延沉积的氮化镓(GaN)层存在一些基本问题。例如，GaN的热膨胀系数(TEC)大于硅的热膨胀系数。对于周期表中3族的其他元素的氮化物存在同样的问题。在将III族氮化物层的沉积温度冷却至室温的过程中，热膨胀系数的这个不同导致晶片的大范围凹面弓形(bow)。弓形的量随着III族氮化物层的厚度增加而增加。如果晶片的弓形太高，则不可能进一步处理。因此，必须保持低弓形。

已经提出了一些解决方法。最先进的方法是在产生压应力的GaN层堆叠体内沉积中间层，例如在低温下沉积氮化铝(AlN)中间层。例如，US2003／0136333A1公开了在硅基板上的GaN层堆叠体内沉积一些AlN中间层。AlN具有比GaN更小的晶格常数。因此，在生长期间，在AlN上生长的GaN层处于压力下。这个压力补偿了冷却期间发生的拉应力。这使得可以在硅基板上生长厚且无裂纹的GaN层。

AlN层必须在导致低生长率的低温下沉积。因此，AlN层的沉积是非常耗时的。另外，在大约1100℃的相对高温下发生的GaN层的沉积必须被中断。在GaN和AlN沉积步骤之间温度的降低和升高需要额外的时间。进一步的缺点是GaN层中由AlN中间层产生了附加的应力，其导致了GaN层中缺陷密度的增大。

可选地，可以在晶片的背面沉积一个或多个层，所述一个或多个层产生对抗来自晶片正面上的GaN层的弓形贡献的弓形。US4830984教导了在硅基板晶片的背面上沉积金属(例如钨)硅化物层并将其退火，以形成具有凸的前表面的翘曲结构。然后，在硅基板晶片的正面上沉积砷化镓(GaAs)层。当将结构冷却至室温时，两层，正面上的GaAs层和背面上的金属硅化物层在硅基板晶片的相对面上施加张拉力，导致了GaAs层的近似平面表面。受压背面层的沉积需要加入一些工艺步骤(沉积背面层(可能反转晶片)，蚀刻边缘和正面以除去沉积物，额外的抛光正面)，这些加入的工艺步骤增加了制造的复杂性和成本。另外，非Si背面是所有进一步工艺步骤的污染源。

因此，本发明所解决的技术问题是提供具有小弓形的高质量的III族氮化物层，这些III族氮化物层的制备所花的时间比已知的结构少。

该问题通过层状半导体基板来解决，该层状半导体基板包括：

-单晶的第一层1，其含有至少80％的硅，并且具有第一厚度和第一晶格常数a₁，所述第一晶格常数a₁由第一掺杂剂元素和第一掺杂剂浓度确定，和

-单晶的第二层2，其含有至少80％的硅，并且具有第二厚度和第二晶格常数a₂，所述第二晶格常数a₂由第二掺杂剂元素和第二掺杂剂浓度确定，所述第二层2与所述第一层直接接触，和

-单晶的第三层4，其包含III族氮化物，使得所述第二层位于所述第一层和所述第三层之间，

其中所述第二晶格常数a₂大于所述第一晶格常数a₁，其中所述第一层1和所述第二层2的晶格是晶格匹配的，并且其中所述层状半导体基板的弓形在-50μm至50μm的范围内。

相比于现有技术，本发明使用完全的硅基的层堆叠体，来产生应力，以补偿由将被沉积在所述基板上的III族氮化物层施加的应力。

根据本发明，相对于所述第一层，所述基板的所述第二层的组成通过向所述层中之一层加入至少一种元素来改变，在所述第二层和所述第一层之间产生晶格不匹配。以所述第二层的晶格常数大于所述第一层的晶格常数的方式来选择掺杂剂元素及其浓度。在本说明书中，术语“晶格常数”应理解为在晶格放松时材料的晶格常数。如果所述材料形成受压的异质外延层，如在所述第一层1上沉积所述第二层的情况下，所述材料的实际面内晶格常数偏离放松状态下所述材料的晶格常数。通过调节所述掺杂剂元素、所述掺杂剂元素的浓度(以下称为“掺杂剂浓度”)和所述第一层和第二层的厚度，产生一定的应力量，导致了晶片的凹面弓形。基板中产生的应力量足够抵消由沉积在所述基板的所述第二层上或上方的III族氮化物层而导致的应力。

本发明还可以与其他技术结合来减小弓形，例如上述现有技术或使用基板上的优先弓形。