专利名称：复合衬底及其制造方法、异质外延制备单晶厚膜的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术，更具体地说，涉及一种复合衬底及其制造方法、异质外延制备单晶厚膜的方法。
背景技术：
第三代半导体材料由于能量禁带一般大于3.0电子伏，又被称为宽禁带半导体。相比于传统的硅基和砷化镓基半导体材料，宽禁带半导体，例如碳化硅(SiC)、氮化镓 (GaN)、氮化铝(AlN)及氮化铟(MN)等，由于其特有的禁带范围、优良的光、电学性质和优异的材料性能，能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求，在汽车及航空工业、医疗、军事和普通照明方面具有十分广泛的应用前景。其中，氮化镓、氮化铝和氮化铟等统称为III族氮化物。氮化镓是一种优异的宽禁带半导体材料，是制作可以发射蓝绿光和紫外光的发光二极管和激光器、太阳目眩探测器、高能量凝聚态开关和整流器以及高能量密度微波晶体管的理想材料，对以氮化镓为代表的第三代半导体材料及器件的研究和开发，已成为半导体领域的一个热点。由于没有高质量低错位的氮化物作为晶种，通常采用单片的方法生产氮化镓单晶，即在异质衬底(如蓝宝石衬底或碳化硅衬底)上生长氮化镓单晶。目前，主要采用 HVPE(Hydride vapor phase印itaxy，氢化物气相外延法)的方法外延生长氮化镓单晶厚膜，生长温度通常达到1000°C或以上。然而，由于蓝宝石的热膨胀系数大于氮化镓的热膨胀系数，当从生长温度冷却到室温时，蓝宝石的晶格改变大于氮化镓的晶格改变，这样，就会在蓝宝石衬底上产生拉应力，氮化镓单晶厚膜上产生压应力，在降到室温后，氮化镓单晶厚膜和蓝宝石衬底的整体结构会发生翘曲。目前，一般工业规格的蓝宝石衬底的厚度在430微米，如果生长的氮化镓单晶厚膜的厚度达到一定值(如超过200微米)时，蓝宝石衬底上所受的拉应力达到200MPa 以上，而生长的氮化镓单晶的厚膜通常要达到400微米以上，当蓝宝石上产生的拉应力超过其断裂应力，会造成蓝宝石衬底的破裂。而当蓝宝石衬底破裂时，由于以下两个因素也会导致氮化镓单晶的开裂其一，蓝宝石和氮化镓界面上是连续的，蓝宝石在破裂的瞬间造成其上的氮化镓单晶厚膜的开裂； 其二，由于翘曲变形，使氮化镓单晶厚膜开裂。基于此，获得的氮化镓单晶厚膜的尺寸往往小于原蓝宝石衬底的尺寸，使HVPE方法生长的氮化镓单晶厚膜的尺寸受到了限制，不利于该方法的产业化。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种复合衬底，防止在其上外延生长单晶厚膜后，冷却过程中复合衬底的破裂。为解决上述问题，本发明提供一种复合衬底，用于外延生长III族氮化物半导体
3单晶厚膜，包括异质衬底以及异质衬底上的缓冲层，其中，所述异质衬底的厚度为0. 5至 13毫米。可选地，所述异质衬底的厚度为3至8毫米。此外，本发明还提供了上述复合衬底的制造方法，包括提供异质衬底，所述异质衬底的厚度为0.5至13毫米； 在所述异质衬底上形成缓冲层。可选地，形成所述缓冲层的方法为MOCVD、HVPE, PECVD或溅射。可选地，所述异质衬底为蓝宝石、碳化硅、单晶硅或氧化锌。此外，本发明又提供了一种复合衬底，用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，包括第一基底、第一基底上的异质衬底以及异质衬底上的缓冲层，其中，所述第一基底与所述异质衬底具有相同的热膨胀系数，或者所述第一基底与所述异质衬底的热膨胀系数差异小于60%，所述第一基底的厚度为0. 5至13毫米。可选地，所述第一基底的厚度为3至8毫 米。可选地，所述异质衬底为蓝宝石、碳化硅、单晶硅或氧化锌。可选地，所述第一基底为多晶氮化镓、多晶氮化铝、氮化铝陶瓷、蓝宝石、单晶硅、 碳化硅、氧化锌或玻璃。此外，本发明还提供了上述复合衬底的制造方法，包括提供异质衬底，以及在所述异质衬底的第一表面上形成缓冲层；提供第一基底，并从所述异质衬底的第二表面将第一基底同异质衬底复合，其中， 所述第一基底与所述异质衬底具有相同的热膨胀系数，或者所述第一基底与所述异质衬底的热膨胀系数差异小于60%，所述第一基底的厚度为0. 5至13毫米。 可选地，形成所述缓冲层的方法为MOCVD、HVPE, PECVD或溅射。可选地，将第一基底同异质衬底复合的方法为耐高温的粘结或晶片接合的方法。此外，本发明又提供了利用上述复合衬底异质外延制备单晶厚膜的方法，包括在上述复合衬底的缓冲层上外延形成III族氮化物半导体的单晶厚膜。可选地，在形成单晶厚膜后，还包括步骤将所述复合衬底从单晶厚膜上去除，将去除后的复合衬底用于再次制备单晶厚膜的衬底。与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点本发明实施例的复合衬底及其制造方法、异质外延制备单晶厚膜的方法，由于复合衬底具有大厚度，在其上生长单晶厚膜后，从生长温度降至室温时，复合衬底上所受的应力小于其断裂应力，而单晶厚膜具有相当的或更厚的厚度时，也不会造成复合衬底的破裂， 进而也就不会造成单晶厚膜的破裂，从而保证了形成的单晶厚膜的尺寸，得到大尺寸的单
晶厚膜。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1为本发明实施例一的复合衬底的结构示意图2为本发明实施例二的复合衬底的结构示意图；图3-4为根据本发明实施例的异质外延制备单晶厚膜的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。正如背景技术部分所述，现有技术中通常是采用蓝宝石或碳化硅等的异质材料来生长氮化镓单晶厚膜，而由于蓝宝石的热膨胀系数大于氮化镓的热膨胀系数，当从生长温度冷却到室温时，蓝宝石的晶格改变大于氮化镓的晶格改变，这样，就会在蓝宝石衬底上产生拉应力，氮化镓单晶厚膜上产生压应力，在降到室温后，氮化镓单晶厚膜和蓝宝石衬底的整体结构会发生翘曲，而当蓝宝石上产生的拉应力超过其断裂应力，会造成蓝宝石衬底的破裂。蓝宝石的断裂会进一步造成氮化镓单晶厚膜的开裂，使最终获得的氮化镓单晶的尺寸小于原蓝宝石衬底的尺寸，使氮化镓单晶厚膜的尺寸受到了限制。基于此，本发明提供了复合衬底，用来外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，该复合衬底采用大的厚度，在从生长温度降低到室温时，由于复合衬底具有大厚度，衬底上所受的应力小于其断裂应力，在生长的单晶厚膜具有相当的或更厚的厚度时，也不会造成复合衬底的破裂，也就不会造成单晶厚膜的破裂，从而保证了形成的单晶厚膜的尺寸，得到大尺寸的单晶厚膜。为了更好地理解本发明，以下将对不同的实施例进行详细的描述。实施例一在本实施例中，参考图1所示，该复合衬底200包括异质衬底100以及异质衬底 100上的缓冲层110，所述异质衬底100的厚度为0. 5-13毫米。更优地，所述异质衬底100的厚度为3-8毫米。在本发明中，异质衬底指蓝宝石、碳化硅、单晶硅、氧化锌等非氮化物的衬底，缓冲层为氮化物薄膜，例如氮化铝、氮化镓或氮化镓合金等，所述缓冲层的厚度可以为50微米以下，更优地，可以为10微米以下。在本发明中，复合衬底用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，例如氮化镓、 氮化铝、氮化铟等。在本实施中的复合衬底200，通过具有大厚度的异质衬底100来形成复合衬底，由于异质衬底100具有大厚度，复合衬底200上所受的应力小于其断裂应力，在生长的单晶厚膜300具有相当的或更厚的厚度时，也不会造成复合衬底的破裂，也就不会造成单晶厚膜的破裂，从而保证了形成的单晶厚膜的尺寸，得到大尺寸的单晶厚膜。参考图1所示，对于该实施例的复合衬底，可以通过以下步骤来形成
首先，提供异质衬底100，所述异质衬底100的厚度为0. 5至13毫米，更优地，所述异质衬底的厚度为3至8毫米。而后，在所述异质衬底100上形成缓冲层110。
可以通过MOCVD、HVPE, PECVD、溅射或其他合适的方法来形成该缓冲层，缓冲层化
学组成为氮化物，例如氮化铝、氮化镓或氮化镓合金等。从而，形成了大厚度的复合衬底200，该复合衬底200可以用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，例如氮化镓、氮化铝、氮化铟等。参考图3所示，可以通过HVPE等合适的方法在该复合衬底200的缓冲层110上来异质外延制备单晶厚膜300，在一个实施例中，可以利用HVPE的方法来制备单晶厚膜，制备单晶厚膜的方法可以全部引用申请号为 201110119706. 6中单晶厚膜的制备方法，由于该复合衬底200中的异质衬底100具有大厚度，使复合衬底200上所受的应力小于其断裂应力，在冷却中，不会造成复合衬底200的破裂，保证了单晶厚膜300的尺寸。更进一步地，在生长结束后，将所述复合衬底200从单晶厚膜300上去除，例如可以用线锯将复合衬底200从单晶厚膜300上剥离下来，剥离后的单晶厚膜300经过进一步研磨抛光等工艺后，该单晶厚膜就可以作为形成器件的单晶衬底。对于剥离后的复合衬底 200，可以经过研磨抛光等工艺后，进一步用作再次制备单晶厚膜的异质衬底，可以循环利用该复合衬底，节约制造成本。实施例二在本实施例中，参考图2所示，该复合衬底200包括第一基底120、第一基底120 上的异质衬底100以及异质衬底100上的缓冲层110，其中，所述第一基底120与所述异质衬底100具有相同的热膨胀系数，或者所述第一基底120与所述异质衬底100的热膨胀系数差异小于60%，所述第一基底120的厚度为0. 5至13毫米。更优选地，所述第一基底120的厚度为3至8毫米。在本实施例中，所述第一基底120与所述异质衬底100可以具有相同的热膨胀系数，也就是说，所述第一基底与异质衬底为相同的衬底材料，例如异质衬底和第一基底都为蓝宝石、碳化硅、单晶硅或氧化锌等。在第一基底与异质衬底为相同衬底材料时，可以采用工业上通用的衬底(例如，厚度为430微米的开盒即用蓝宝石衬底)来制备该具有更大厚度的复合衬底，而且可以循环使用，制备更简单且成本低，同时具有相同的热膨胀系数，其应力释放方向更为一致，更好地防止生长厚膜后降温时的断裂。在本实施例中，所述第一基底120与所述异质衬底100还可以具有相近的热膨胀系数，即，所述第一基底120与所述异质衬底100的热膨胀系数差异小于60 %，例如，所述异质衬底可以为蓝宝石、碳化硅、单晶硅或氧化锌等，所述第一基底可以为多晶氮化镓、多晶氮化铝、氮化铝陶瓷、蓝宝石、单晶硅、碳化硅、氧化锌或玻璃。在本实施例中，所述异质衬底100可以为工业上通用的异质衬底的厚度，通常为 430微米，也可以是其他规格的厚度，所述第一基底120与所述异质衬底100具有相同或相近的热膨胀系数，这样，异质衬底100同第一基底120 —同提高了复合衬底200的有效厚度，在该复合衬底200用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜时，在从生长温度降低到室温过程中，由于该复合衬底中的异质衬底具有大厚度，使复合衬底上所受的应力小于其断裂应力，不会造成复合衬底的破裂，保证了单晶厚膜的尺寸。
参考图2所示，对于本实施例的复合衬底，可以通过以下步骤来形成首先，提供异质衬底100，所述异质衬底100具有第一表面100-1和与第一表面 100-1相对的第二表面100-2。而后，在所述异质衬底的第二表面100-2上形成缓冲层110。可以通过MOCVD、HVPE, PECVD、溅射或其他合适的方法来形成该缓冲层，缓冲层化学组成为氮化物，例如氮化铝、氮化镓或氮化镓合金等。而后，提供第一基底120，并从所述异质衬底100的第一表面100-1将第一基底 120同异质衬底100复合，其中，所述第一基底120与所述异质衬底100具有相同的热膨胀系数，或者所述第一基底120与所述异质衬底100的热膨胀系数差异小于60 %，所述第一基底120的厚度为0. 5至13毫米，更优地，所述第一基底120的厚度为3至8毫米。可以通过耐高温的粘结或晶片接合的方法将第一基底同异质衬底复合在一起。在本实施例中，在所述异质衬底的第二表面100-2上形成缓冲层110的步骤还可以在第一基底120和异质衬底100复合之后来进行(图未示出)。至此，形成了本实施例的大厚度的复合衬底200，同实施例一，该复合衬底可以用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，例如氮化镓、氮化铝、氮化铟等。参考图4所示， 可以通过HVPE等合适的方法在该复合衬底200的缓冲层110上来异质外延制备单晶厚膜 300，在一个实施例中，可以利用HVPE的方法来制备单晶厚膜，制备单晶厚膜的方法可以全部引用申请号为201110119706.6中单晶厚膜的制备方法。本实施例的复合衬底通过将与所述异质衬底具有相同或相近的热膨胀系数的第一基底同异质衬底复合，提高了复合衬底的有效厚度，在生长温度降低到室温过程中，由于该复合衬底中的第一基底具有大厚度，使复合衬底上所受的应力小于其断裂应力，不会造成复合衬底的破裂，保证了单晶厚膜的尺寸。更进一步地，同实施例一，在生长结束后，将所述复合衬底200从单晶厚膜300上去除，例如可以用线锯将复合衬底200从单晶厚膜300上剥离下来，剥离后的单晶厚膜300 经过进一步研磨抛光等工艺后，该单晶厚膜就可以作为形成器件的单晶衬底。对于剥离后的复合衬底200，可以经过研磨抛光等工艺后，进一步用作再次制备单晶厚膜的异质衬底， 可以循环利用该复合衬底，节约制造成本。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披 露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种复合衬底，用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，其特征在于，包括异质衬底以及异质衬底上的缓冲层，其中，所述异质衬底的厚度为0. 5至13毫米。
2.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述异质衬底的厚度为3至8毫米。
3.根据权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述异质衬底为蓝宝石、碳化硅、单晶硅或氧化锌。
4.一种复合衬底，用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，其特征在于，包括第一基底、第一基底上的异质衬底以及异质衬底上的缓冲层，其中，所述第一基底与所述异质衬底具有相同的热膨胀系数，或者所述第一基底与所述异质衬底的热膨胀系数差异小于 60%，所述第一基底的厚度为0. 5至13毫米。
5.根据权利要求4所述的复合衬底，其特征在于，所述第一基底的厚度为3至8毫米。
6.根据权利要求4所述的复合衬底，其特征在于，所述异质衬底为蓝宝石、碳化硅、单晶硅或氧化锌。
7.根据权利要求4所述的复合衬底，其特征在于，所述第一基底为多晶氮化镓、多晶氮化铝、氮化铝陶瓷、蓝宝石、单晶硅、碳化硅、氧化锌或玻璃。
8.一种复合衬底的制造方法，其特征在于，包括提供异质衬底，所述异质衬底的厚度为0. 5至13毫米；在所述异质衬底上形成缓冲层。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，形成所述缓冲层的方法为M0CVD、 HVPE、PECVD 或溅射。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述异质衬底的厚度为3至8毫米。
11.一种复合衬底的制造方法，其特征在于，包括提供异质衬底，所述异质衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；提供第一基底，并从所述异质衬底的第一表面将第一基底同异质衬底复合，其中，所述第一基底与所述异质衬底具有相同的热膨胀系数，或者所述第一基底与所述异质衬底的热膨胀系数差异小于60%，所述第一基底的厚度为0. 5至13毫米。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，在第一基底同异质衬底复合之前或之后，还包括步骤在所述异质衬底的第二表面上形成缓冲层。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，形成所述缓冲层的方法为M0CVD、 HVPE、PECVD 或溅射。
14.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，将第一基底同异质衬底复合的方法为耐高温的粘结或晶片接合的方法。
15.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述第一基底的厚度为3至8毫米。
16.一种异质外延制备单晶厚膜的方法，其特征在于，在如权利要求1-7中任一项所述的复合衬底的缓冲层上外延形成III族氮化物半导体的单晶厚膜。
17.根据权利要求16所述的方法，在形成单晶厚膜后，还包括步骤将所述复合衬底从单晶厚膜上去除，将去除后的复合衬底用于再次制备单晶厚膜的衬底。
全文摘要
本发明实施例公开了一种复合衬底，用于外延生长III族氮化物半导体单晶厚膜，其特征在于，包括异质衬底以及异质衬底上的缓冲层，其中，所述异质衬底的厚度为0.5至13毫米。由于复合衬底具有大厚度，在其上生长单晶厚膜后，从生长温度降至室温时，复合衬底上所受的应力小于其断裂应力，而单晶厚膜具有相当的或更厚的厚度时，也不会造成复合衬底的破裂，进而也就不会造成单晶厚膜的破裂，从而保证了形成的单晶厚膜的尺寸，得到大尺寸的单晶厚膜。
文档编号H01L21/02GK102304760SQ20111023162
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者刘良宏, 庄德津 申请人:青岛铝镓光电半导体有限公司