[发明专利]氮化物半导体衬底及其制造方法

说明书

[问题]当在硅单晶衬底上外延生长氮化物半导体层时，归因于晶格失配及热膨胀系数的差异而发生畸变，且发生大的翘曲及裂纹，这妨碍了装置生产。另一个问题是无法获得具有良好结晶度的氮化物半导体。[解决方案]归因于在将氮化物半导体外延生长到硅单晶衬底上期间产生的晶格失配的畸变及归因于在外延生长氮化物半导体之后的冷却过程期间发生的所述热膨胀系数的差异的热畸变不仅通过所述氮化物半导体中的缓冲层来减轻，而且还通过在所述硅单晶衬底中平行于其表面形成的错配位错层来减轻。这达成具有极好结晶度的氮化物半导体衬底，而不会发生裂纹或大的翘曲。

技术领域

本发明涉及一种用于制造氮化物半导体衬底的硅衬底，所述氮化物半导体衬底由例如Si上GaN晶片表示，其中氮化物半导体外延生长在硅单晶衬底(在下文表示为硅衬底)上，且涉及一种半导体衬底，其中在这个衬底上外延生长氮化物半导体。

背景技术

氮化物单晶以半导体衬底的形式被广泛使用，其中氮化物半导体外延生长在廉价的硅衬底或蓝宝石衬底上，这是因为氮化物单晶极难从液相生长。然而，当氮化物半导体层在硅衬底或蓝宝石衬底上生长得较厚时，归因于晶格常数及热膨胀系数的差异而产生应力，从而导致位错及翘曲。特别是当使用硅衬底时，存在氮化物半导体层中的位错密度变高的问题，这恶化了装置的电性能。另外，存在衬底的翘曲变大的问题，这将抑制半导体设备中的晶片处理，且在氮化物半导体外延层中出现裂纹。

作为解决衬底的翘曲问题的措施，在专利文献1中介绍一种增加硅衬底的厚度的方法。使用具有高达约1mm的厚度的厚衬底，这可减少翘曲且可在装置制造中的制造线中进行处置。还介绍一种通过在硅衬底中掺杂高浓度的杂质以通过杂质固化使衬底硬化来抑制翘曲增加的方法。

此外，专利文献2公开一种通过将热膨胀系数小于硅的热膨胀系数的材料的薄膜施加到硅衬底的背面上来抑制翘曲的产生及裂纹的产生的方法。然而，存在当在高温下对硅衬底施加较大的热应力时会产生滑移位错的问题。因此，在低温下，通过减小氮化物半导体衬底的翘曲来抑制裂纹产生的范围将受到限制。

当氮化物半导体待外延生长在硅衬底上时，广泛使用的方法是：在氮化物半导体层中形成缓冲层，所述缓冲层可通过引入错配位错同时有效地抑制位错朝向表面的传播来减轻衬底与外延层之间的晶格失配；及外延生长氮化镓。缓冲层具有在外延生长后冷却到室温时减轻归因于氮化物半导体与硅晶体之间的热膨胀系数的差异的热应力的另一作用。缓冲层的这两个作用目前并不相互兼容。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开第2014-192246号

专利文献2：日本专利公开第2010-272781号

非专利文献

非专利文献1：安倍孝雄(Takao Abe)，“硅”(晶体生长及晶片处理)，百夫坎(Baifukan)，(1994)，第17页，图2.5及第45页，图3.22

非专利文献2：杉田吉美(Yoshimitsu Sugita)，日本晶体学会学报，12，(1970)，第100页

发明内容

本发明待解决的问题

如上文描述，当氮化物半导体待外延生长在硅衬底上时，已提出几种方法来改进归因于晶格常数失配或热膨胀系数的差异而在外延层与硅衬底之间的界面中产生的大应力及由此产生的翘曲。然而，当将硅衬底用作用于外延生长氮化物半导体的衬底时，翘曲的产生比使用蓝宝石衬底的情况更成问题。此外，氮化物半导体层表面中的位错密度比使用蓝宝石衬底的情况高约一个数量级。因此，硅衬底尚未得到广泛使用。