氮化镓衬底及其制作方法以及半导体器件的制作方法与流程

本发明涉及半导体生长衬底材料领域，具体涉及一种氮化镓衬底的结构和制备方法。

背景技术：

1、gan单晶生长衬底虽然在价格和尺寸上存在劣势，但同质生长衬底外延的gan层要比异质衬底(si、sic)外延生长的gan层的缺陷密度少得多，比如在si生长衬底上异质外延gan，位错密度一般在1e9cm－2附近，而在gan自支撑衬底上外延gan位错密度通常降低到1e6cm－2左右。所以，不论是激光芯片抑或者是功率、射频器件，gan单晶生长衬底都将会是高性能、高稳定的高端产品的最优甚至唯一选择。

2、一方面，商用的gan自支撑衬底多为hvpe外延方式生长后，通过研磨抛工艺获得，受到技术和成本限制，gan生长衬底的厚度不大，一般在500μm左右；另一方面，射频器件，功率器件的芯片制程往往是在4－8英寸的“大”尺寸下进行。然而，大尺寸薄生长衬底的氮化镓衬底外延生长过程中，由于温差的原因，生长衬底会形成非常大的负翘曲，这会影响到外延膜层的厚度和组分配比，进而影响器件性能的一致性，这在器件的产业化过程中往往是无法接受的。

3、故，急需一种可解决上述问题的氮化镓衬底的制作方法以及结构。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种氮化镓衬底的制作方法，提供一种同质化的氮化镓衬底，降低了生长衬底上下表面温差导致的负翘曲。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种氮化镓衬底的制作方法，包括：在氮化镓模板上从下至上依次交替生长n个第一低温氮化镓层和n个第二高温氮化镓层以形成第一外延层，所述氮化镓模板包括生长衬底，所述第一低温氮化镓层为在低温范围内生长的硅掺杂的氮化镓膜，所述第二高温氮化镓层为在高温范围内生长的非掺杂的氮化镓膜，n为1或者大于等于2的整数；剥离所述氮化镓模板的生长衬底；电化学刻蚀第一外延层，电流流过硅掺杂的第一低温氮化镓层时硅杂质聚集的地方会形成腐蚀孔，使得每一所述第一低温氮化镓层被刻蚀出孔洞结构，第一外延层被刻蚀为多孔氮化镓厚膜；在所述多孔氮化镓厚膜中最上层的第二高温氮化镓层上依次生长第三低温氮化镓层和第四高温氮化镓层以形成无孔氮化镓厚膜，所述第三低温氮化镓层为低温范围内生长的氮化镓膜，所述第四高温氮化镓层为高温范围生长的掺杂的氮化镓膜。

3、较佳地，n大于等于10且小于等于20。该方案10—20个周期的多孔无孔周期性结构使得制成的多孔氮化镓厚膜具有较厚的厚度且结构稳定。

4、较佳地，生长第一外延层时，在生长第一低温氮化镓层和第二高温氮化镓层的每个周期中，不通硅烷的时间与通硅烷的时间比为1：3，所述第一低温氮化镓层中硅掺杂的掺杂浓度为1e19－3e19cm－3。

5、较佳地，所述第一低温氮化镓层生长的低温范围为850－950℃，所述第二高温氮化镓层生长的高温范围为1000－1100℃。

6、较佳地，所述第二高温氮化镓层和所述第一低温氮化镓层的厚度比小于等于1：15。

7、较佳地，所述第一低温氮化镓层的总厚度为250－350um，所述第二高温氮化镓层的总厚度为10－20um。

8、较佳地，所述氮化镓模板还包括生长于所述生长衬底上的缓冲层，所述第一外延层生长于所述缓冲层远离所述生长衬底的一侧上，所述缓冲层为氮化镓层，所述缓冲层的厚度为3－5um。

9、较佳地，所述氮化镓模板还包括生长于所述生长衬底上的缓冲层，所述第一外延层生长于所述缓冲层远离所述生长衬底的一侧上，所述缓冲层为氮化镓层，将所述生长衬底从所述缓冲层上剥离具体包括：使用紫外激光扫描经过加热的所述氮化镓模板远离所述第一外延层的一侧，以将所述生长衬底剥离。

10、具体地，所述紫外激光扫描的氮化镓模板的加热温度为800摄氏度—900摄氏度。

11、较佳地，所述第四高温氮化镓层为硅掺杂的氮化镓层，且硅掺杂的浓度为1e18-5e18cm-3。

12、较佳地，所述第四高温氮化镓层为碳掺杂的氮化镓层，且碳掺杂的浓度为5e18-10e18cm-3。

13、较佳地，所述第三低温氮化镓层和第四高温氮化镓层的厚度比小于等于1：30。

14、具体地，所述第三低温氮化镓层的厚度为5－10um，所述第四高温氮化镓层的厚度为250－350um。

15、较佳地，在生长所述第二外延层之后还包括：研磨抛所述多孔氮化镓厚膜远离所述无孔氮化镓厚膜的一侧和/或研磨抛所述无孔氮化镓厚膜远离所述多孔氮化镓厚膜的一侧，以使所述氮化镓衬底减薄至预设厚度。

16、本发明还提供了一种半导体器件的制作方法，使用如上所述的氮化镓衬底的制作方法制作氮化镓衬底；在所述氮化镓衬底远离所述多孔氮化镓厚膜的一侧上生长半导体外延结构；研磨抛所述氮化镓衬底远离所述半导体外延结构的一侧，以去除多孔氮化镓厚膜，从而制成半导体器件。

17、较佳地，研磨抛所述氮化镓衬底远离所述半导体外延结构的一侧时，还完全去除了所述第三低温氮化镓层，以使所述第四高温氮化镓层单独作为所述半导体器件的支撑衬底。

18、本发明还提供了一种氮化镓衬底，由上所述的氮化镓衬底的制作方法制作而成。

19、本发明还提供了一种氮化镓衬底，包括多孔氮化镓厚膜和无孔氮化镓厚膜，所述多孔氮化镓厚膜从下至上由n个第一低温多孔氮化镓层和第二高温氮化镓层依次交替堆叠而成，所述第一低温多孔氮化镓层为硅掺杂的氮化镓层且在硅聚集的区域形成孔洞结构，所述无孔氮化镓厚膜生长于所述多孔氮化镓厚膜最上层的第二高温氮化镓层上，且从下至上包括第三低温氮化镓层和第四高温氮化镓层，n为1或者大于等于2的整数。

20、较佳地，所述第二高温氮化镓层和所述第一低温氮化镓层的厚度比小于等于1：15，所述第三低温氮化镓层和第四高温氮化镓层的厚度比小于等于1：30。

21、具体地，所述低温多孔氮化镓层的总厚度为250－350um，所述第二高温氮化镓层的总厚度为10－20um，所述第三低温氮化镓层的厚度为5－10um，所述第四高温氮化镓层的厚度为250－350um。

22、较佳地，n大于等于10且小于等于20。

23、较佳地，所述第一低温氮化镓层中硅掺杂的掺杂浓度为1e19－3e19cm－3。

24、较佳地，所述第四高温氮化镓层为硅掺杂的氮化镓层，且硅掺杂的浓度为1e18-5e18cm-3。

25、较佳地，所述第四高温氮化镓层为碳掺杂的氮化镓层，且碳掺杂的浓度为5e18-10e18cm-3。

26、与现有技术相比，本发明可用于大尺寸氮化镓同质外延的生长衬底结构及其制作方法，本发明通过两次外延和一次电化学腐蚀的方式制备背面一侧具有第一低温多孔氮化镓层的氮化镓衬底结构，这一特殊复合结构氮化镓衬底在外延生长时，由于背部存在孔洞，热膨胀系数会下降，那么可以缓解氮化镓衬底背部温度高于正面温度导致的背面膨胀更快的问题，进而降低了氮化镓衬底上下表面温差导致的负翘曲，而氮化镓衬底的平整，会提高大尺寸氮化镓衬底外延生长时表面温度的空间均匀性，进而提高受温度影响的膜层厚度，以及膜层掺杂组分(如al、in)的均匀性。再一方面，本发明还在多孔氮化镓厚膜和需要进行自支撑的第四高温氮化镓层之间形成低温成长的第三低温氮化镓层，温度低则氧含量会高，本身偏n型，可以使得多孔氮化镓厚膜和第四高温氮化镓层之间进行更好的晶格适配，降低位错密度。又一方面，当n大于等于2时，本发明的多孔氮化镓厚膜为多孔/无多孔的周期性结构，可使得多孔氮化镓厚膜实现较厚的厚度，同时又不至于垮掉以使得氮化镓晶格变成混乱的多晶结构。