半導(dǎo)體襯底及選擇性生長半導(dǎo)體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種半導(dǎo)體襯底及選擇性生長半導(dǎo)體的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] III族氮化物半導(dǎo)體材料，尤其是氮化嫁及其滲雜物半導(dǎo)體正在引起越來越大的 關(guān)注，其與SiC-起被稱為第=代寬禁帶半導(dǎo)體，其優(yōu)異的性能可W用于制造各種性能優(yōu) 越的半導(dǎo)體器件，并廣泛應(yīng)用于電力電子器件、發(fā)光二極管、激光二極管、微波器件、高頻器 件等領(lǐng)域。然而許多半導(dǎo)體材料的本征襯底難W獲得，只能生長在其他材料的單晶基底上。 WGaN為例，由于GaN本征襯底難W獲得，GaN通常生長在其他材料襯底上，如藍寶石、SiC、 娃等。其中，娃襯底已經(jīng)在CMOS工藝中使用多年，其單晶片制造技術(shù)相對成熟，可W獲得大 尺寸高質(zhì)量的單晶娃片，價格低廉，且與之配套的CMOS工藝也十分成熟。因此，在娃襯底上 制備GaN是降低GaN器件成本的最優(yōu)選擇。
[0003] 上述在一種單晶材料的表面生長另一種不同單晶材料的過程稱為異質(zhì)外延，通常 情況下，所有半導(dǎo)體材料的異質(zhì)外延都存在兩個問題，即不同半導(dǎo)體材料之間的晶格失配 和熱失配，上述晶格失配和熱失配對半導(dǎo)體外延層的質(zhì)量有十分重要的影響，嚴重時可能 導(dǎo)致外延層質(zhì)量過低而無法制作半導(dǎo)體器件。WGaN在Si表面外延為例，由于GaN與Si 之間存在較大的晶格失配和熱失配，在制備和降溫過程中產(chǎn)生很大的應(yīng)力。運些應(yīng)力會在 晶體中造成大量的缺陷，嚴重時會使外延膜開裂。同時，應(yīng)力引起的襯底翅曲使得后續(xù)光刻 等工藝無法進行。而高密度缺陷會影響器件的性能，比如目前在Si上制備的GaN基L邸器 件出光率遠小于在藍寶石上制備的GaN基L邸器件。為了避免運種情況，通常的方法是使 用圖形化襯底W及橫向外延，該方法在Si襯底上沉積一層介質(zhì)層，在介質(zhì)層上開出窗口， 然后通過選擇性生長在窗口中生長GaN,最后通過在介質(zhì)層上的橫向外延形成連續(xù)薄膜。運 種方法的缺點是在橫向外延形成連續(xù)薄膜時，薄膜合并處的缺陷密度非常高，運些區(qū)域的 GaN無法用于器件制備，另外，在連續(xù)薄膜形成后，薄膜繼續(xù)生長時沒有介質(zhì)層阻擋，位錯會 隨著薄膜生長繼續(xù)傳播，并不能進一步降低缺陷密度。
[0004] 其它異質(zhì)外延也存在同樣問題，比如在Si上生長III-族化合物半導(dǎo)體（GaAs等)， 在Si上生長IV族半導(dǎo)體（Ge等)。 陽0化]因此，針對上述問題及改進方法，有必要提出一種新型襯底結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體制造方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種半導(dǎo)體襯底和使用該襯底選擇 性生長低缺陷密度的半導(dǎo)體的方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種半導(dǎo)體襯底，所述襯底包括孔和 腔，腔位于孔的頂部，且與孔相通；孔的底面為晶體生長面，側(cè)壁為介質(zhì)層表面；所述腔的 內(nèi)表面均為介質(zhì)層表面；所述腔的頂面為平面，腔的頂面面積與孔的底面面積之比大于3 :1，腔開有開口；所述晶體生長面含有一個由單晶構(gòu)成的單晶面。
[000引進一步地，所述孔的深寬比大于1:1 ;所述孔的底面的外接圓的直徑小于lOOym， 優(yōu)選為小于1ym，進一步優(yōu)選為小于lOOnm。
[0009] 進一步地，所述孔的底面、腔的頂面W及孔與腔的連接面相互平行，所述孔的側(cè)壁 和腔的側(cè)壁與孔的底面垂直。
[0010] 進一步地，所述孔的底面還可W含有一個或多個介質(zhì)層表面。
[0011] 進一步地，所述單晶選自Si、SiGe、Ge、GaN、GaAs、InP、InN、AlGaAs、AlGaN、InPGaN 等。
[0012] 進一步地，所述介質(zhì)層表面由Si〇2或SiN中的一種或多種構(gòu)成。
[0013] 選擇性生長半導(dǎo)體的方法，該方法采用上述襯底，通過M0CVD、MBE或HVPE實現(xiàn)選 擇性生長。
[0014] 進一步地，所述選擇性生長過程中使用前驅(qū)體，所述前軀體為TMGa、TEGa、NH3、 AS&、PH3、SiH*、GeH*、SiHzClz、TMAl或TBAs。
[0015] 進一步地，所述選擇性生長采用刻蝕氣體，所述刻蝕氣體為CI2或肥I。
[0016] 進一步地，所述選擇性生長方法所生長的半導(dǎo)體材料為Si、SiGe、Ge、GaN、GaAs、 InP、InN、AlGaAs、AlGaN或InPGaN。
[0017] 本發(fā)明的有益效果在于，首先，用于誘導(dǎo)半導(dǎo)體材料生長的單晶表面尺寸非常小， 有文獻表明，小尺寸的外延生長面有助于降低缺陷密度，本發(fā)明中的小尺寸單晶表面可W 在材料生長初期就減少缺陷的產(chǎn)生，從而降低缺陷密度。其次，由于生長面在孔的底部，孔 的側(cè)壁均為介質(zhì)層，孔在一定程度上對位錯具有過濾作用，半導(dǎo)體材料中的位錯在傳播到 孔的側(cè)壁時終止，無法繼續(xù)傳播，從而降低缺陷密度。當(dāng)孔具有一定的深度W后，會將底部 生長產(chǎn)生的缺陷全部過濾，最終形成無缺陷的半導(dǎo)體晶體。同時，所述孔上方的空腔會促使 半導(dǎo)體材料橫向的生長，限制縱向生長，并且空腔的橫向尺寸遠遠大于孔的橫向尺寸，最終 形成大面積的半導(dǎo)體薄膜材料。最后，本發(fā)明中所用生長半導(dǎo)體材料的方法為選擇性生長， 使用運種生長方法時，半導(dǎo)體材料只能在晶體表面生長而無法在介質(zhì)層表面生長，結(jié)合上 述襯底的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在小尺寸單晶表面W及深孔中的生長。在運種方法時，介質(zhì)層的主要作 用在于限制半導(dǎo)體材料在某個方向上的生長，或者支撐襯底的結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0018] 圖1為一種微納加工襯底孔和腔的45度仰視示意圖。
[0019] 圖2為圓柱體的微納加工襯底的剖面圖。
[0020] 圖3為立方體的微納加工襯底的軸側(cè)圖。
[0021] 圖4為一種孔的底面的外接圓示意圖，圖中陰影部分表示孔的底面。 陽022] 圖5為一種底面中包含介質(zhì)層表面的底面的示意圖。
[0023] 圖6為一種具有不規(guī)則孔和腔的微納加工襯底的剖面圖。
[0024] 圖7為一種具有不垂直于腔底面的孔的微納加工襯底的剖面圖。
[0025] 圖8為一種具有梯形剖面的孔的微納加工襯底的剖面圖。 陽0%] 圖9為側(cè)壁為直線互相平行，側(cè)壁垂直于基底，孔底面平行于基底的深寬比示意 圖。
[0027] 圖10為側(cè)壁為直線互相平行，側(cè)壁不垂直于基底，孔底面平行于基底的深寬比示 意圖。
[0028] 圖11為側(cè)壁不為直線互相平行，側(cè)壁不垂直于基底，孔底面平行于基底的深寬比 示意圖。
[0029] 圖12為側(cè)壁不全為直線互相不平行，側(cè)壁不垂直于基底，孔底面平行于基底的深 寬比示意圖。
[0030] 圖13為側(cè)壁不全為直線互相不平行，側(cè)壁不垂直于基底，孔底面不平行于基底的 深寬比示意圖。
[0031] 圖中，1為孔，11為晶體生長面，12為介質(zhì)層表面；2為腔，21為腔上的開口；d為孔 底面外接圓的直徑；h為孔的深度；hi為孔的較大深度，h2為孔的較小深度。
【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明中所用術(shù)語"介質(zhì)層表面"特指在半導(dǎo)體選擇性生長時，半導(dǎo)體材料無法在 其上生長的表面，為本領(lǐng)域常用的技術(shù)術(shù)語。介質(zhì)層材料的性能比較特殊，半導(dǎo)體材料無 法在其表面形核或生長，或者形核速率和生長速率十分緩慢，與半導(dǎo)體材料在單晶表面的 形核速率和生長速率相比可W忽略。通常情況下，介質(zhì)層材料為非晶態(tài)的絕緣體材料，如 Si〇2,SiN,HfO等。
[0033] 在半導(dǎo)體材料生長過程中，半導(dǎo)體材料會通過形成位錯等缺陷來降低整個半導(dǎo)體 材料中的能量，上述位錯具有一定的方向，在產(chǎn)生后，會隨著半導(dǎo)體材料的生長沿著固定的 方向傳播，當(dāng)半導(dǎo)體材料在一個特殊結(jié)構(gòu)的襯底上選擇性