[发明专利]一种化合物半导体衬底的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种化合物半导体衬底的制备方法。

背景技术

随着新材料技术的发展，化合物半导体材料由于具有电子饱和漂移速率高、热导率大、能带宽、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等优异的物理化学以及电学特性，在超高频、大功率、高效率等方面表现出优越的性能，基于砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等半导体材料的核心芯片以其高性能、多功能、集成化高的优势在各类信息系统中发挥着关键作用。化合物半导体电子器件已经成为发展信息大容量传输和高速处理、获取的重要器件。

硅基体上实现高性能的化合物半导体薄膜，一直是研究人员和工业界追求的目标。一方面，硅衬底具有晶圆尺寸大、成本低廉、易剥离等优点，可以大大降低化合物器件的成本，另一方面，可以充分利用硅基材料与化合物材料的结合实现多功能器件和电路的融合和集成一体化。因此，大尺寸硅基化合物半导体薄膜的生长是未来化合物半导体跨越式发展的关键。

但是，在硅基衬底上制备化合物半导体薄膜面临着诸多挑战和问题。首先，由于硅衬底与化合物半导体存在较大的失配问题，主要为晶格常数失配、热膨胀系数失配。晶格常数失配在异质外延过程中将引入大量的位错与缺陷；热膨胀系数差异将导致热失配，在高温生长后的降温过程中产生热应力，从而使外延层的缺陷密度增加甚至产生裂纹；其次是极性问题，硅原子间形成纯共价键属非极性半导体，而化合物半导体材料（如GaN）原子间是极性键属极性半导体。因此，所形成的极性/非极性异质结界面的电子结构、晶格失配、界面电荷和偶极矩、带阶、输运特性等都会有很大的不同，对器件性能有显著影响；另外，还有硅衬底上Si原子的扩散问题：在高温生长过程中Si原子的扩散加剧，导致外延层中会含有一定量的Si原子，这些Si原子易于与生长气氛中的氨气发生反应，而在衬底表面形成非晶态SixNy薄膜，降低外延层的晶体质量。目前，虽然通过大量的研究进一步降低了异质外延生长中的位错和缺陷密度等，但是仍未能获得器件所要求的硅基化合物半导体晶圆。

中国专利（CN101436531）公开了一种用于制备化合物半导体衬底的方法。所述方法包含:在衬底上涂覆多个球体;在涂覆有球体的衬底上生长化合物半导体外延层,同时使得在球体下方形成孔隙;以及冷却上面生长化合物半导体外延层的衬底,使得衬底和化合物半导体外延层沿着孔隙自动分离。球体处理可减少位错产生。另外,因为通过自动分离来分离衬底和化合物半导体外延层,所以不需要激光剥离过程。

该方法是通过在底上涂覆多个球体然后再制备形成外延层，进而可减少位错产生并方便进行后续的剥离，但是该方法的制备难度较大，需要在衬底上制备相应形状的间隔物，因此成本也较高。

发明内容

本发明公开了一种化合物半导体衬底制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一施主衬底，在所述施主衬底上制备一气体收集缓冲层后，继续在所述气体收集缓冲层上方制备一外延层；

进行离子注入工艺；在所述外延层上方制备一氧化层；

提供一支撑衬底，并与上述处理后的施主衬底键合；

将完成以上步骤制备形成的结构上下翻转后并进行退火工艺，在气体收集缓冲层附近起泡剥离，移除所述气体收集缓冲层及施主衬底，形成所述化合物半导体衬底。

上述的制备方法，其特征在于，所述施主衬底材料为GaAs；

所述施主衬底直径2～6英寸，厚度为0.1～1mm。

上述的制备方法，其特征在于，通过外延生长工艺制备形成所述气体收集缓冲层；

其中，所述气体收集缓冲层材质为InGaAs，且所述气体收集缓冲层的厚度小于20nm。

上述的制备方法，其特征在于，所述外延层材质为单晶GaAs层，且该外延层厚度为1～1000nm。

上述的制备方法，其特征在于，采用氢离子和/或氦离子进行离子注入工艺，注入能量为10keV～1000keV，注入剂量为1E15cm^-2～5E17cm^-2。

上述的制备方法，其特征在于，采用等离子化学气相沉积工艺制备形成所述氧化层，所述氧化层为二氧化硅层；

所述二氧化硅层厚度为0.5～500μm。

上述的制备方法，其特征在于，所述支撑衬底为单晶硅或多晶硅衬底，其下表面形成有一层二氧化硅层。

上述的制备方法，其特征在于，采用热氧化工艺于所述单晶硅或多晶硅衬底的表面制备形成所述二氧化硅层。