專利名稱：一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
近年來，LED以其壽命長、發(fā)光效率高、體積小、堅固耐用、顏色豐富等特點，被廣泛應(yīng)用于顯示屏、背光源、照明等領(lǐng)域。LED器件的的核心是LED外延片，如何在合適的襯底上獲得高質(zhì)量、低缺陷密度的氮化物半導(dǎo)體外延材料薄膜對于提高LED的發(fā)光效率、壽命等是最為關(guān)鍵的因素。然而，由于氮化物半導(dǎo)體外延材料薄膜自身的特性，它與常用的SiC，Al2O3襯底，尤其是價格低廉的Si襯底等都有著比較大的晶格失配和熱失配，因此如果在這些襯底上直接外延氮化物半導(dǎo)體外延材料薄膜就會產(chǎn)生大量的穿通位錯，從而導(dǎo)致外延出的氮化物半導(dǎo)體薄膜有著很大的位錯密度，嚴重的熱失配還會造成外延薄膜龜裂，嚴重影響制備出的LED器件的性能。為了能夠降低外延氮化物半導(dǎo)體薄膜的位錯密度，產(chǎn)生了一種利用氮化物半導(dǎo)體材料的橫向生長特性來降低外延薄膜位錯密度的方法，雖然采用此方法在橫向外延出來的材料區(qū)域位錯密度比較低，但在非橫向外延區(qū)外延出來的材料仍舊存在著大量的穿通位錯，且沒有解決熱失配引起外延薄膜龜裂等問題，依然會嚴重影響制備出的器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，該方法具有可釋放熱失配應(yīng)力、薄膜質(zhì)量高、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。本發(fā)明的另一個目的在于提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有位錯密度小、成本較低的優(yōu)點。`本發(fā)明提出的一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括以下步驟:提供襯底；在所述襯底之上形成第一氮化物半導(dǎo)體層；刻蝕所述第一氮化物半導(dǎo)體層以形成多個開口 ；從所述開口對所述第一氮化物半導(dǎo)體層進行刻蝕以形成多個孔或槽，所述多個孔或槽延伸至所述襯底頂部表面或內(nèi)部；通過對所述多個孔或槽對所述襯底進行腐蝕處理，以形成多個支撐結(jié)構(gòu)；以及淀積氮化物半導(dǎo)體材料，通過在所述多個孔或槽中所述第一氮化物半導(dǎo)體層的暴露部分進行橫向生長，填充所述多個孔或槽，其后繼續(xù)外延生長，在第一氮化物半導(dǎo)體層之上形成第二氮化物半導(dǎo)體層。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，第一氮化物半導(dǎo)體層為AlN層，而第二氮化物半導(dǎo)體層為GaN層。本發(fā)明提出的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法具有襯底可采用低成本材料(比如硅片)、可有效降低外延生長過程中由于熱失配形成的應(yīng)力、薄膜質(zhì)量好、工藝簡單易于實現(xiàn)等優(yōu)點。在該實施例中，通過微小尺寸的支撐結(jié)構(gòu)可以有效地釋放由于熱失配所引起的應(yīng)力，從而利于制備大尺寸的氮化物半導(dǎo)體材料，例如可以獲得厚度很厚(數(shù)十微米以上)、直徑大(基片尺寸可達8-12英寸甚至18英寸)的第二氮化物半導(dǎo)體層(例如GaN層)。更為重要的是，在本發(fā)明的實施例中，支撐結(jié)構(gòu)是在形成第一氮化物半導(dǎo)體層之后形成的，因此能夠保證支撐結(jié)構(gòu)與第一氮化物半導(dǎo)體層之間良好的界面，同時保證第一氮化物半導(dǎo)體層的生長質(zhì)量，在高質(zhì)量的第一氮化物半導(dǎo)體層的基礎(chǔ)上，可以外延出高質(zhì)量的第二氮化物半導(dǎo)體層。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，所述襯底具有圖形化表面。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，還包括:在所述襯底之上形成緩沖層。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，所述緩沖層為單層的低溫緩沖層結(jié)構(gòu)、多層的超晶格結(jié)構(gòu)或多層的交錯緩沖層結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，還包括:在所述第一氮化物半導(dǎo)體層之上形成掩膜層并刻蝕所述掩膜層以形成多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，所述襯底為S1、SiGe、SiC、A1203、AIN、ZnO> Ga2O3> LiGaO2 或 LiAlO20在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，對所述襯底進行腐蝕處理包括電化學(xué)腐蝕處理、濕法腐蝕處理或干法刻蝕處理中的一種或多種。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，對所述襯底進行所述電化學(xué)腐蝕處理，是通過對所述襯底在不同區(qū) 域注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)電化學(xué)腐蝕過程中的選擇性腐蝕，刻蝕掉所述襯底頂部多余部分，僅留下所述支撐結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，所述襯底還包括多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)，所述多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)通過對所述導(dǎo)電襯底注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，所述氮化物半導(dǎo)體為GaN、InGaN, AIN, AlGaN, InN、AlGaInN 中的一種或多種組合。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，當(dāng)所述襯底為Si時，還包括:在所述襯底頂部表面形成多個支撐結(jié)構(gòu)后，通入含氧或含氮的氣體以使所述支撐結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)并形成隔離層。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，這種隔離層為氧化硅或氮化硅，一方面可以使得單晶的Si變?yōu)榉蔷У难趸杌虻?，而非晶的氧化硅或氮化硅則更利于釋放熱失配應(yīng)力，另一方面可以用于在LED制作后期將第一氮化物半導(dǎo)體層剝離，且襯底也可回收重復(fù)利用。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的一個實施例中，還進一步包括:將所述襯底通過刻深槽的方法劃分為多個區(qū)域以防止大面積范圍的應(yīng)力積累。本發(fā)明提出的一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括:襯底，所述襯底頂部包括多個支撐結(jié)構(gòu)；形成在所述襯底之上的第一氮化物半導(dǎo)體層，其中，所述第一氮化物半導(dǎo)體層具有多個開口 ；多個孔或槽，所述多個孔或槽通過所述第一氮化物半導(dǎo)體層上的所述多個開口延伸至所述襯底表面或內(nèi)部；以及形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層之上的第二氮化物半導(dǎo)體層，其中，所述第二氮化物半導(dǎo)體層填充所述多個孔或槽的頂部，且與所述多個孔或槽中所述第一氮化物半導(dǎo)體層的暴露部分相連。本發(fā)明提出的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有位錯密度小、可釋放熱失配引起的應(yīng)力、薄膜質(zhì)量高、成本較低等優(yōu)點。
在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，所述襯底具有圖形化表面。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，還包括:形成在所述襯底之上的緩沖層。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，所述緩沖層為單層的低溫緩沖層結(jié)構(gòu)、多層的超晶格結(jié)構(gòu)或多層的交錯緩沖層結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，還包括:形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層之上的掩膜層，所述掩膜層被多個孔或槽劃為多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，所述襯底為 S1、SiGe、SiC、A1203、AIN、ZnO、Ga2O3, LiGaO2 或 LiAlO2。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，所述支撐結(jié)構(gòu)由電化學(xué)腐蝕處理、濕法腐蝕處理或干法刻蝕處理中的一種或多種處理得到。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，對所述襯底進行所述電化學(xué)腐蝕處理，是通過對所述襯底在不同區(qū)域注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)電化學(xué)腐蝕過程中的選擇性腐蝕，刻蝕掉所述襯底頂部多余部分，僅留下所述支撐結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，所述襯底還包括多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)，所述多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)通過對所述襯底注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，所述氮化物半導(dǎo)體為GaN、InGaN, A1N、AlGaN、InN、AlGaInN中的一種或多種組合。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，當(dāng)所述襯底為Si時，還包括:所述支撐結(jié)構(gòu)與含氧或含氮的氣體發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)并形成的隔離層。在本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個實施例中，所述襯底還具有多個深槽，所述襯底被劃分為多個區(qū)域，以防止大面積范圍的應(yīng)力積累。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:圖1-12為本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法中間狀態(tài)示意圖；圖13為本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖14a為本發(fā)明實施例的另一個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；以及圖14b為本發(fā)明實施例的另一個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的俯視圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機 械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，圖1-12為半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的一個實施例的中間狀態(tài)示意圖。如圖1-12所示，一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法包括以下步驟:步驟S101，如圖1所示,提供襯底100。具體地，襯底100可為具有圖形化表面，例如具有圖形化結(jié)構(gòu)的Si或具有圖形化結(jié)構(gòu)的藍寶石襯底(PSS)，這種圖形化結(jié)構(gòu)有利于降低外延層中的位錯密度，也有利于LED的出光。襯底 100 可為 S1、SiGe、SiC、Al2O3' AIN、ZnO, Ga2O3> LiGaO2 或 LiAlO2 中的一種。優(yōu)選地，襯底100為Si，Si襯底廉價易得，易于摻雜，同時易于發(fā)生反應(yīng)生成異質(zhì)的隔離層。步驟S102，如圖2-圖4所示，對襯底100的頂部表面的不同區(qū)域進行不同類型和/或不同濃度的摻雜處理，以在襯底100頂部表層形成間隔分布的多個支撐結(jié)構(gòu)1001和多個被腐蝕區(qū)域1002，其中每個被腐蝕區(qū)域1002底部對應(yīng)一個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)1003，原襯底底部區(qū)1000保持不變。具體地，以襯底100為Si為例。首先，如圖2所示，對襯底100的頂部表面進行P型輕摻雜處理，以形成多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)1003。其次，如圖3所示，在刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)1003的頂部的更淺且更寬的位置進行P型重摻雜處理，以形成多個被腐蝕區(qū)域1002，其中，多個被腐蝕區(qū)域1002并未相連。再次，如圖4所示，對襯底100頂部表面的多個被腐蝕區(qū)域1002之間的位置進行η型摻雜處理，以形成多個支撐結(jié)構(gòu)1001。需要說明的是，該實施例僅作為示例的方便而非發(fā)明的限定，在具體工藝中亦可采用其他不同類型和/或不同濃度的摻雜方法，只需要使不同區(qū)域在電化學(xué)腐蝕處理時，其被腐蝕速率V滿足“V1(l(l2 > V1003彡V1001"條件即可。

需要說明的是，步驟S102為可選步驟，經(jīng)步驟S102處理后的襯底100，在后續(xù)工藝中能夠較好地實現(xiàn)選擇性腐蝕處理。如果省略步驟S102，則在后續(xù)的腐蝕處理步驟中可通過精確控制腐蝕處理工藝來形成支撐區(qū)?？蛇x地，被腐蝕區(qū)域1002的面積大于支撐結(jié)構(gòu)1001的面積。優(yōu)選地，被腐蝕區(qū)域1002的面積大于支撐結(jié)構(gòu)1001的面積的兩倍以上。步驟S103，如圖5所示，依次在襯底100上形成緩沖層110、第一氮化物半導(dǎo)體層200以及掩膜層300。其中，可通過光刻和刻蝕工藝處理將掩膜層300形成多個開口，多個開口將掩膜層300劃分為多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)，多個開口的位置與多個被腐蝕區(qū)域1002位置相對應(yīng)，多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)的位置與多個支撐結(jié)構(gòu)1001位置相對應(yīng)。具體地，緩沖層110可為單層的低溫緩沖層結(jié)構(gòu)，也可為多層的超晶格結(jié)構(gòu)或交錯緩沖層結(jié)構(gòu)。例如，緩沖層110可為單層的低溫AlN緩沖層結(jié)構(gòu)，也可為多層的AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)，或多層的AlN/GaN交錯緩沖層結(jié)構(gòu)。第一氮化物半導(dǎo)體層200可為GaN、InGaN,AIN、AlGaN, InN、AlGaInN中的一種或多種組合，如AlN/AlGaN或AlN/GaN等多種氮化物形成的多層組合。掩膜層300可為非晶態(tài)的Si02、SixN1-X^ HfO2, ZrO2, Al2O3、光刻膠等。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，第一氮化物半導(dǎo)體層為AlN層或AlN/GaN雙層組合。需要說明的是，提供緩沖層110為可選方案，在本發(fā)明的另一個實施例中，上述步驟為按自下向上的方向依次提供襯底100、第一氮化物半導(dǎo)體層200以及掩膜層300。
步驟104，如圖6所示，從多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)之間的多個開口對第一氮化物半導(dǎo)體層200以及緩沖層110進行刻蝕以形成多個孔或槽，多個孔或槽延伸至襯底100頂部表面的多個被腐蝕區(qū)域1002中?？蛇x地，多個孔或槽的深度大于開口的寬度。步驟S105，如圖7-圖8所示，通過多個孔或槽對襯底100進行腐蝕處理，其中多個被腐蝕區(qū)域1002被去除，留下多個支撐結(jié)構(gòu)1001。換言之，對襯底100進行腐蝕處理，以在襯底100頂部表面形成多個支撐結(jié)構(gòu)1001。其中，腐蝕處理為電化學(xué)腐蝕處理時，根據(jù)各區(qū)域材料不同類型摻雜來實現(xiàn)選擇性去除或保留，例如，對于Si襯底，可用電化學(xué)腐蝕獲得支撐結(jié)構(gòu)，腐蝕液為氫氟酸，對第一氮化物半導(dǎo)體層中沒有腐蝕作用。具體地，如圖7所示，可采用陽極氧化的方法，選擇性地將P型重摻雜的被腐蝕區(qū)域1002腐蝕去除、保留η型摻雜的支撐結(jié)構(gòu)1001，同時ρ型輕摻雜的刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)1003可以用于防止電化學(xué)腐蝕得過于縱深。隨后，如圖8所示，被腐蝕區(qū)域1002被去除，保留支撐結(jié)構(gòu)1001。其中，腐蝕處理為濕法腐蝕處理或干法刻蝕處理時，可以根據(jù)控制腐蝕時間來實現(xiàn)選擇性去除或保留。具體的，如圖8所示，在襯底100中，位于多個孔或槽的附近的被腐蝕區(qū)域1002被濕法腐蝕或干法刻蝕去除，而支撐結(jié)構(gòu)1001部分未被腐蝕并保留下來。采用濕法腐蝕處理形成多孔結(jié)構(gòu)時，還可以先用離子注入、金屬鈍化等方式處理襯底表層，使表層局部區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)損傷或變性，有助于采用金屬輔助化學(xué)腐蝕法等方式形成多孔結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，經(jīng)腐蝕處理后襯底100頂部形成的各個支撐結(jié)構(gòu)1001的面積小于與其相接觸的各個單晶半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)200的面積。該技術(shù)特征使得后續(xù)生長的單晶半導(dǎo)體薄膜更容易從支撐結(jié)構(gòu)1001處與襯底底部區(qū)1000剝離。為更好地釋放外延薄膜的應(yīng)力，支撐結(jié)構(gòu)的橫向尺寸一般在微米量級一下，優(yōu)選地，支撐結(jié)構(gòu)的長度和/或?qū)挾仍贗OOnm以下。步驟S106，如圖9所示，其中箭頭表示通入反應(yīng)氣體。當(dāng)所述襯底100為Si時，在步驟S105之后，在高溫條件下或者在較高溫度的等離子體輔助處理環(huán)境中，通入含氧或含氮的氣體，例如ο2、η2ο、νη3、ν2、臭氧及等離子體氧或氮中的一種或多種，以使暴露在氣體表面的支撐結(jié)構(gòu)的表面Si或SiGe材料發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)為氧化硅或氮化硅，優(yōu)選通NH3與Si或SiGe材料的支撐結(jié)構(gòu)反應(yīng)生成非晶的氮化硅，而上面的單晶氮化物半導(dǎo)體GaN、AlN等則不受影響，從而襯底100頂部的支撐結(jié)構(gòu)的表面變?yōu)楫愘|(zhì)的隔離層。需要說明的是步驟S106為可選步驟，當(dāng)襯底100不為Si或SiGe時可以省略該步驟。該步驟生成的隔離層和襯底的材料不同，且為非晶態(tài)，一方面使得單晶的Si或SiGe變?yōu)榉蔷У难趸杌虻?，而非晶的氧化硅和氮化硅則更利于釋放熱失配應(yīng)力，另一方面這一層可以作為襯底剝離時的剝離層，方便地實現(xiàn)外延薄膜的轉(zhuǎn)移和襯底的重復(fù)利用。步驟S107，如圖10-12所示，淀積氮化物半導(dǎo)體材料，通過在多個孔或槽中第一氮化物半導(dǎo)體層200的暴露部分進行橫向生長，一段時間后，氮化物半導(dǎo)體就會填充多個孔或槽，其后繼續(xù)外延生長，最終在掩膜層300之上形成新淀積的第二氮化物半導(dǎo)體層400。在該實施例中，氮化物半導(dǎo)體在填充了多個孔或槽之后，會先縱向生長，然后持續(xù)地橫向生長，從而在多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)之上形成第二氮化物半導(dǎo)體層400，由于第二氮化物半導(dǎo)體層400通過橫向生長形成，因此其具有非常低的位錯密度。在本發(fā)明的實施例中，由于掩膜阻擋結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致氮化物半導(dǎo)體材料只能通過在多個孔或槽中第一氮化物半導(dǎo)體層200的暴露部分進行橫向生長，從而提高第二氮化物半導(dǎo)體層400的生長質(zhì)量。第二氮化物半導(dǎo)體層400可為GaN、InGaN, AIN、AlGaN, InN、AlGaInN中的一種或多種組合，如AlGaN/InGaN, AlGaN/GaN、AlGaN/GaN/InGaN、InGaN/GaN等多種氮化物形成的多層組合。優(yōu)選地，第二氮化物半導(dǎo)體層400為GaN。需要指出的是，當(dāng)掩膜層300為光刻膠時，在步驟S105之后、步驟S106之前，需將掩膜層300去除。在步驟S107中，既可以利用氮化物半導(dǎo)體材料的橫向生長特性，先填充多個孔或槽，而后在填充孔或槽上選擇性外延生長，再橫向外延，最終在第一氮化物半導(dǎo)體層200之上形成新淀積的第二氮化物半導(dǎo)體層400，也可以不先填充孔或槽，在原有的第一氮化物半導(dǎo)體層200上橫向和縱向外延結(jié)合直接形成第二氮化物半導(dǎo)體層400。在本發(fā)明的實施例中，可通過控制生長條件在無需掩膜阻擋結(jié)構(gòu)的條件下實現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體材料的橫向生長，例如參照圖10-12，其中上方朝下的粗箭頭表示沉積源材料，下方半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的細箭頭表示氮化物半導(dǎo)體(例如GaN)的生長方向。GaN的生長模式主要是受生長溫度和生長腔氣壓的影響。溫度越高，氣壓越低，橫向生長模式就越是占優(yōu)勢，反之則垂直生長占優(yōu)。優(yōu) 選后的生長條件如下:生長溫度1100°C，生長腔氣壓lOOTorr，通入三甲基鎵作為鎵源，NH3作為氮源，生長GaN。如果需要對GaN進行摻雜，可以通入一定量的SiH4作為η型GaN摻雜源，一定量的Cp2Mg作為ρ型GaN的摻雜源。如圖10所示，由于GaN在孔或槽中的橫向生長速度大于在孔或槽中的垂直生長速度，且孔或槽的深度大于開口的寬度，因此可以通過橫向生長在孔或槽的上部先閉合孔或槽。如圖11所示，淀積一段時間后，在GaN閉合孔或槽且封閉開口之后，進一步外延生長以在多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)之上形成新淀積的氮化物半導(dǎo)體突起。如圖12所示，隨后該突起在多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)之上繼續(xù)橫向生長形成整體的第二氮化物半導(dǎo)體層400。本發(fā)明實施例中，通過橫向生長有利于降低GaN的位錯密度，從而提高薄膜的生長厚度和生長質(zhì)量。優(yōu)選地，在本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的另一實施例中，除上述步驟之外，進一步包括:通過光刻和刻蝕結(jié)合，在襯底100中刻蝕形成深槽以防止大面積范圍全局應(yīng)力的積累。深槽刻蝕步驟可在上述步驟任何一步前完成，優(yōu)選方案為與步驟S104同步完成。深槽寬度較寬，第二氮化物半導(dǎo)體層在深槽處斷開，以降低第二氮化物半導(dǎo)體薄膜的應(yīng)力積累。根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法具有如下優(yōu)點:1.通過橫向生長的方式在掩膜層之上生長氮化物半導(dǎo)體層(例如GaN)，利用氮化物半導(dǎo)體材料的橫向生長特性來降低外延薄膜位錯密度，提高薄膜質(zhì)量。更為重要地，第二氮化物半導(dǎo)體層是在高質(zhì)量的第一氮化物半導(dǎo)體層的基礎(chǔ)上橫向生長得到的，同為氮化物半導(dǎo)體材料，可以進一步提高了第二氮化物半導(dǎo)體層的生長質(zhì)量。2.多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底表面的微小支撐結(jié)構(gòu)有利于釋放薄膜生長過程中產(chǎn)生的熱失配應(yīng)力，避免了在外延厚度較大時引起的薄膜出現(xiàn)龜裂，提高了薄膜的生長厚度和生長質(zhì)量，這意味著利用低成本但熱失配較大的襯底成為可能(例如Si)，還更有利于實現(xiàn)LED垂直結(jié)構(gòu)。更為重要地，多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底表面的微小支撐結(jié)構(gòu)是在形成了第一氮化物半導(dǎo)體層之后形成的，因此不會由于多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底表面的微小支撐結(jié)構(gòu)的表面問題而影響第一氮化物半導(dǎo)體層的生長質(zhì)量，可獲得高質(zhì)量的第一氮化物半導(dǎo)體層，在此基礎(chǔ)上，可以形成高質(zhì)量的第二氮化物半導(dǎo)體層。3.去除被腐蝕區(qū)、保留支撐結(jié)構(gòu)的方式，使得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在后期工藝中易于襯底剝離。特別是襯底為Si或SiGe時，單晶Si或SiGe材料的支撐結(jié)構(gòu)的表面與氣體反應(yīng)生成多晶的異質(zhì)的隔離層，不僅釋放了熱失配和晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，并且將更有助于后期工藝中的氮化物半導(dǎo)體層的剝離和襯底的重復(fù)利用。4.襯底上劃深槽分區(qū)的方式一方面可防止大面積的應(yīng)力積累，另一方面有助于器件的切割劃塊。5.工藝簡單易實現(xiàn)，生產(chǎn)成本較低。圖13為本發(fā)明提出的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的實施例的示意圖。圖13所示，本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由上文所述方法制得，包括:襯底100、緩沖層110、第一氮化物半導(dǎo)體層200、掩膜層300、第二氮化物半導(dǎo)體層400以及多個孔或槽，其中，襯底100頂部具有多個支撐結(jié)構(gòu)1001。具體地，襯底100可為具有圖形化表面，例如具有圖形化結(jié)構(gòu)的Si或具有圖形化結(jié)構(gòu)的藍寶石襯底(PSS)，這種圖形化結(jié)構(gòu)有利于降低外延層中的位錯密度，也有利于LED的出光。襯底 100 可為 S1、SiGe、SiC、Al203、AlN、Zn0、Ga203、LiGa02 或 LiAlO2 中的一種。多個支撐結(jié)構(gòu)1001可以由襯底100頂部表面經(jīng)選擇性腐蝕處理后保留得到，例如，支撐結(jié)構(gòu)1001由電化學(xué)腐蝕處理、濕法腐蝕處理、干法刻蝕處理中的一種或多種方法得到。優(yōu)選地，襯底100還具有多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)1003，用于防止對襯底進行電化學(xué)腐蝕時縱向上被腐蝕得太深，多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)通過對所述襯底注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)。優(yōu)選地，當(dāng)襯底為Si時，襯底100頂部還包括與襯底材料異質(zhì)的隔離層。隔離層是電化學(xué)腐蝕處理步驟后，高溫條件下或者較高溫度的等離子體輔助處理環(huán)境中，對多個孔或槽之通入含氧或含氮的氣體， 例如02、H20、NH3>N2、臭氧及等離子體氧或氮中的一種或多種，由Si襯底頂部的暴露的部分發(fā)生反應(yīng)生成氧化硅或氮化硅得到。襯底100與緩沖層110之間的接觸面為平面或圖形化結(jié)構(gòu)，緩沖層110可為單層的低溫緩沖層結(jié)構(gòu)，也可為多層的超晶格結(jié)構(gòu)或交錯緩沖層結(jié)構(gòu)。例如，緩沖層110可為單層的低溫AlN緩沖層結(jié)構(gòu)，也可為多層的AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)，或多層的AlN/GaN交錯緩沖層結(jié)構(gòu)。氮化物半導(dǎo)體可為GaN、InGaN、AIN、AlGaN、InN、AlGaInN中的一種或多種組合。SP，第一氮化物半導(dǎo)體層200可為GaN、InGaN、AIN、AlGaN、InN、AlGaInN中的一種或多種組合，如AlN/AlGaN或AlN/GaN等多種氮化物形成的多層組合；第二氮化物半導(dǎo)體層400可為GaN、InGaN、AIN、AlGaN、InN、AlGaInN 中的一種或多種組合，如 AlGaN/InGaN、AlGaN/GaN、AlGaN/GaN/InGaN、InGaN/GaN等多種氮化物形成的多層組合。掩膜層300具有多個開口，多個開口將掩膜層300劃分為多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)；多個孔或槽從多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)之間的延伸至襯底100的頂部表面；掩膜層300可為Si02、SixNw HfO2、非晶態(tài)Al2O3中的一種。第二氮化物半導(dǎo)體層400填充所述多個孔或槽的頂部，且與多個孔或槽中第一氮化物半導(dǎo)體層200的暴露部分相連。需要說明的是，緩沖層110和掩膜層300為可選結(jié)構(gòu)，在本發(fā)明的另一個實施例中，上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)垂直方向上由下至上依次包括襯底100、第一氮化物半導(dǎo)體層200、掩膜層300、第二氮化物半導(dǎo)體層400，以及多個孔或槽。在本發(fā)明的又一個實施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)垂直方向上由下至上依次包括襯底100、緩沖層110、第一氮化物半導(dǎo)體層200、第二氮化物半導(dǎo)體層400，以及多個孔或槽。在本發(fā)明的再一個實施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)垂直方向上由下至上依次包括襯底100、第一氮化物半導(dǎo)體層200、第二氮化物半導(dǎo)體層400，以及多個孔或槽。優(yōu)選地，在本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一些實施例中，襯底還可以具有多個深槽，深槽將襯底劃分為多個區(qū)域。如圖14a與圖14b所示，分別為本發(fā)明的一個具有深槽隔離的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖。從圖14a中可以看出，襯底100被若干個深槽隔離多個區(qū)域。從圖14b中可以看出，俯視半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)時除了最頂層的氮化物半導(dǎo)體層400之外，還可以看到從深槽處暴露出的襯底底部區(qū)1000。當(dāng)襯底為Si并在襯底頂部有異質(zhì)隔離層時，則深槽底部暴露出異質(zhì)隔離層。具有深槽隔離的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以防止大面積范圍全局應(yīng)力的積累，防止薄膜生長厚度較大時出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，也有利于后續(xù)器件的分割。本發(fā)明實施例的 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點:1、氮化物半導(dǎo)體層是通過外延生長得到的，其位錯密度小，薄膜質(zhì)量高，且在本發(fā)明的實施例中，支撐結(jié)構(gòu)是在形成第一氮化物半導(dǎo)體層之后形成的，因此能夠保證支撐結(jié)構(gòu)與第一氮化物半導(dǎo)體層之間良好的界面，同時保證第一氮化物半導(dǎo)體層的生長質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，可以形成高質(zhì)量的第二氮化物半導(dǎo)體層。2、多個孔或槽以及襯底頂部表面的支撐結(jié)構(gòu)有利于釋放薄膜生長過程中產(chǎn)生的熱失配應(yīng)力，避免了在外延厚度較大時引起的薄膜出現(xiàn)龜裂，提高了薄膜的生長厚度和生長質(zhì)量，這意味著利用低成本但熱失配較大的材料作為襯底成為可能(例如Si)，還更有利于實現(xiàn)LED垂直結(jié)構(gòu)。更為重要地，多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底頂部表面的支撐結(jié)構(gòu)是在形成了第一氮化物半導(dǎo)體層之后形成的，因此不會由于多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底頂部表面的支撐結(jié)構(gòu)的表面問題而影響第一氮化物半導(dǎo)體層的生長質(zhì)量，可獲得高質(zhì)量的第一氮化物半導(dǎo)體層，在此基礎(chǔ)上，可以形成高質(zhì)量的第二氮化物半導(dǎo)體層。3、襯底頂部表面具有支撐結(jié)構(gòu)或具有支撐結(jié)構(gòu)變質(zhì)形成的異質(zhì)隔離層。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在后期工藝中易于襯底剝離。特別是襯底為Si或SiGe時，支撐結(jié)構(gòu)的表面反應(yīng)生成多晶的異質(zhì)的隔離層，不僅釋放了熱失配和晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，并且將更有助于后期工藝中的氮化物半導(dǎo)體層的剝離和襯底的重復(fù)利用。4、襯底上的深槽一方面可防止大面積的應(yīng)力積累，另一方面有助于器件的切割劃塊。5、可采用廉價易得的襯底材料(例如Si)，工藝簡單易實現(xiàn)，生產(chǎn)成本較低。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限`定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括以下步驟: 提供襯底； 在所述襯底之上形成第一氮化物半導(dǎo)體層； 刻蝕所述第一氮化物半導(dǎo)體層以形成多個開口； 從所述開口對所述第一氮化物半導(dǎo)體層進行刻蝕以形成多個孔或槽，所述多個孔或槽延伸至所述襯底頂部表面或內(nèi)部； 通過對所述多個孔或槽對所述襯底進行腐蝕處理，以形成多個支撐結(jié)構(gòu)；以及 淀積氮化物半導(dǎo)體材料，通過在所述多個孔或槽中所述第一氮化物半導(dǎo)體層的暴露部分進行橫向生長，填充所述多個孔或槽，其后繼續(xù)外延生長，在第一氮化物半導(dǎo)體層之上形成第二氮化物半導(dǎo)體層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述襯底具有圖形化表面。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，還包括:在所述襯底之上形成緩沖層。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述緩沖層為單層的低溫緩沖層結(jié)構(gòu)、多層的超晶格結(jié)構(gòu)或多層的交錯緩沖層結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，還包括:在所述第一氮化物半導(dǎo)體層之上形成掩膜層并刻蝕所述掩膜層以形成多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述襯底為S1、SiGe、SiC、Al2O3' AIN、ZnO, Ga2O3> LiGaO2 或 LiAlO20
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，對所述襯底進行腐蝕處理包括電化學(xué)腐蝕處理、濕法腐蝕處理或干法刻蝕處理中的一種或多種。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，對所述襯底進行所述電化學(xué)腐蝕處理，是通過對所述襯底在不同區(qū)域注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)電化學(xué)腐蝕過程中的選擇性腐蝕，刻蝕掉所述襯底頂部多余部分，僅留下所述支撐結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述襯底還包括多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)，所述多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)通過對所述導(dǎo)電襯底注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述氮化物半導(dǎo)體為GaN、InGaN, AIN, AlGaN, InN、AlGaInN 中的一種或多種組合。
11.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，當(dāng)所述襯底為Si時，還包括:在所述襯底頂部表面形成多個支撐結(jié)構(gòu)后，通入含氧或含氮的氣體以使所述多個支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)并形成隔離層。
12.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，還進一步包括:將所述襯底通過刻深槽的方法劃分為多個區(qū)域以防止大面積范圍的應(yīng)力積累。
13.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 襯底,所述襯底頂部包括多個支撐結(jié)構(gòu)； 形成在所述襯底之上的第一氮化物半導(dǎo)體層，其中，所述第一氮化物半導(dǎo)體層具有多個開口 ； 多個孔或槽，所述多個孔或槽通過所述第一氮化物半導(dǎo)體層上的所述多個開口延伸至所述襯底表面或內(nèi)部；以及 形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層之上的第二氮化物半導(dǎo)體層，其中，所述第二氮化物半導(dǎo)體層填充所述多個孔或槽的頂部，且與所述多個孔或槽中所述第一氮化物半導(dǎo)體層的暴露部分相連。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底具有圖形化表面。
15.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括:形成在所述襯底之上的緩沖層。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述緩沖層為單層的低溫緩沖層結(jié)構(gòu)、多層的超晶格結(jié)構(gòu)或多層的交錯緩沖層結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括:形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層之上的掩膜層，所述掩膜層被多個孔或槽劃為多個掩膜阻擋結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底為S1、SiGe、SiC、A1203、AIN、ZnO、Ga2O3、LiGaO2 或 LiAlO2。
19.如權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)由電化學(xué)腐蝕處理、濕法腐蝕處理或干法刻蝕處理中的一種或多種處理得到。
20.如權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，對所述導(dǎo)電襯底進行所述電化學(xué)腐蝕處理，是通過對所述導(dǎo)電襯底在不同區(qū)域注入不同類型或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)后續(xù)過程中的選擇性 腐蝕，刻蝕掉所述襯底頂部多余部分，僅留下所述支撐結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底為導(dǎo)電襯底時，所述導(dǎo)電襯底還包括多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)，所述多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)通過對所述導(dǎo)電襯底注入不同類型或不同濃度的摻雜元素來實現(xiàn)。
22.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化物半導(dǎo)體為GaN、InGaN,AlN、AlGaN、InN、AlGaInN中的一種或多種組合。
23.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)所述襯底為Si時，還包括:所述支撐結(jié)構(gòu)與含氧或含氮的氣體發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)并形成的隔離層。
24.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底還具有多個深槽，所述襯底被劃分為多個區(qū)域，以防止大面積范圍的應(yīng)力積累。
全文摘要
本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法以及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該方法包括步驟提供襯底；在襯底之上形成第一氮化物半導(dǎo)體層；刻蝕第一氮化物半導(dǎo)體層以形成多個開口；從開口對第一氮化物半導(dǎo)體層進行刻蝕以形成多個孔或槽，多個孔或槽延伸至襯底頂部表面或內(nèi)部；通過對多個孔或槽對襯底進行腐蝕處理，以形成多個支撐結(jié)構(gòu)；以及淀積氮化物半導(dǎo)體材料，通過在多個孔或槽中第一氮化物半導(dǎo)體層的暴露部分進行橫向生長，填充多個孔或槽，其后繼續(xù)外延生長，在第一氮化物半導(dǎo)體層之上形成第二氮化物半導(dǎo)體層。該方法能夠降低半導(dǎo)體的位錯密度，提高薄膜生長質(zhì)量，有利于降低成本和后期襯底剝離。
文檔編號H01L33/00GK103247725SQ201210027900
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月8日
發(fā)明者郭磊, 李園 申請人:郭磊, 李園