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，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，把不同種類的異質(zhì)材料集成到一個襯底上越來越引起關(guān)注，功率半導(dǎo)體器件，光電器件，高速邏輯器件等不同的應(yīng)用往往需要不同的半導(dǎo)體材料，如功率半導(dǎo)體器件從擊穿電壓角度考慮需要大禁帶寬度的SiC，GaN材料，光電器件則需要直接禁帶半導(dǎo)體的GaAs，GaN等材料，高速邏輯器件則需要用到SiGe等半導(dǎo)體材料，為了能在一個芯片上實現(xiàn)更復(fù)雜的功能就需要在同一個襯底上得到高質(zhì)量的異質(zhì)半導(dǎo)體材料，而這些材料在很多性質(zhì)方面與襯底材料有著很大的差別，如晶格結(jié)構(gòu)與晶格常數(shù)的差別會造成很高的位錯密度，嚴(yán)重影響制備出的器件的性能；熱膨脹系數(shù)的差別會導(dǎo)致襯底上外延的異質(zhì)材料膜在生長過程或冷卻過程中龜裂，甚至導(dǎo)致整個晶圓碎裂。因此就迫切需要開發(fā)一種能在不同襯底上異質(zhì)外延其他半導(dǎo)體材料的技術(shù)。例如在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)普遍使用的Si襯底上異質(zhì)外延高質(zhì)量的II1-V族和SiC材料，就可以實現(xiàn)高速邏輯電鍍路和光電器件以及功率器件的全集成，大大拓寬其應(yīng)用范圍，降低其成本。

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，該方法具有形成的薄膜質(zhì)量高、工藝簡單易于實現(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單晶半導(dǎo)體層；刻蝕所述第一單晶半導(dǎo)體層以形成多個開口 ；從所述多個開口對所述第一單晶半導(dǎo)體層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；通過所述多個孔或槽對所述襯底進行腐蝕處理以使所述襯底的頂部形成多孔結(jié)構(gòu)；以及淀積單晶半導(dǎo)體材料，以在所述第一單晶半導(dǎo)體層之上形成第二單晶半導(dǎo)體層。根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法具有襯底可采用低成本材料(比如硅片)、可釋放熱失配形成的應(yīng)力，薄膜質(zhì)量高、工藝簡單易于實現(xiàn)等優(yōu)點。在該實施例中，通過多孔結(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單晶半導(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)的第二單晶半導(dǎo)體層。更為重要的是，在本發(fā)明的實施例中，多孔結(jié)構(gòu)是在形成第一單晶半導(dǎo)體層之后形成的，避免了直接在多孔結(jié)構(gòu)上外延異質(zhì)材料的諸多不利因素，因此能夠保證多孔結(jié)構(gòu)與第一單晶半導(dǎo)體層之間良好的界面，同時保證第一單晶半導(dǎo)體層的生長質(zhì)量，在高質(zhì)量的第一單晶半導(dǎo)體層的基礎(chǔ)上，可以外延出高質(zhì)量的第二單晶半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述襯底具有圖形化表面。在本發(fā)明的一個實施例中，所述襯底為S1、SiGe, SiC, GaAs, Ge、GaN, GaP, InP,Ga2O3、Al2O3' AIN、ZnO、LiGaO2' LiAlO2 中的一種。在本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)所述襯底為導(dǎo)電襯底時，所述腐蝕處理為電化學(xué)腐蝕處理；當(dāng)所述襯底為不導(dǎo)電襯底時,所述腐蝕處理為濕法腐蝕處理。在本發(fā)明的一個實施例中，還包括:對所述襯底注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素，以在所述襯底頂部形成多個刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施例中，所述單晶半導(dǎo)體為IV族半導(dǎo)體Ge、SiGe、SiC或II1-V族半導(dǎo)體 GaN, InGaN, AIN、GaAs, GaP、AlGaInP 或 I1-VI 族半導(dǎo)體 ZnO、Ga203、ZnS, ZnSe,PbSe、CdS、CdTe中的一種或多種組合。在本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)所述襯底為Si時，還包括:在所述襯底頂部表面形成所述多孔結(jié)構(gòu)后，通入含氧或含氮的氣體以使所述多孔結(jié)構(gòu)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牡?，而非晶的氮化硅則更利于釋放熱失配應(yīng)力，另一方面可以用于在器件制作(比如LED器件)后期將硅片襯底與第一單晶半導(dǎo)體層剝離并對硅片重復(fù)利用。在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一單晶半導(dǎo)體層為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施例中，還包括: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，所述襯底頂部表面為多孔結(jié)構(gòu)；形成在所述襯底之上的第一單晶半導(dǎo)體層，其中，所述第一單晶半導(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 單晶半導(dǎo)體層上的所述多個開口延伸至所述襯底頂部表面或內(nèi)部；以及形成在所述第一單晶半導(dǎo)體層之上的第二單晶半導(dǎo)體層，其中，所述第二單晶半導(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單晶半導(dǎo)體層的暴露部分相連。根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(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)明的一個實施例中，所述襯底具有圖形化表面。在本發(fā)明的一個實施例中，所述襯底為S1、SiGe, SiC, GaAs, Ge、GaN, GaP, InP,Ga2O3、Al2O3' AIN、ZnO、LiGaO2' LiAlO2 中的一種。在本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)所述襯底為導(dǎo)電襯底時，所述襯底頂部表面的多孔結(jié)構(gòu)由電化學(xué)腐蝕處理得到；當(dāng)所述襯底為不導(dǎo)電襯底時，所述襯底頂部表面的多孔結(jié)構(gòu)由濕法腐蝕處理得到。在本發(fā)明的一個實施例中，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)明的一個實施例中，所述單晶半導(dǎo)體為IV族半導(dǎo)體Ge、SiGe、SiC或II1-V族半導(dǎo)體GaN、InGaN,AIN、GaAs, GaP、AlGaInP 或 I1-VI 族半導(dǎo)體 ZnO、Ga203、ZnS, ZnSe, PbSe、CdS, CdTe 中的一種或多種組合。在本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)所述襯底為Si時，還包括:所述多孔結(jié)構(gòu)與含氧或含氮的氣體以使所述多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)并形成隔離層。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一單晶半導(dǎo)體層為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施例中，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1-10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11為本發(fā)明實施例的一個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖12a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12b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“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”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，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，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，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，圖1-10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1-10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。在本發(fā)明的一個實施例中，襯底100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。在本發(fā)明的一個實施例中，襯底100 可為 S1、SiGe、SiC、GaAs、Ge、GaN、GaP、InP、Ga203、Al203、AlN、Zn0、LiGa02、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。
可選地，對襯底100進行不同類型和/或不同濃度的摻雜處理，以使襯底100具有多個腐蝕阻擋結(jié)構(gòu)1001。更加優(yōu)選的，襯底100進行不同類型和/或不同濃度的摻雜處理，以使襯底100頂部形成大面積的被腐蝕區(qū)1002。設(shè)法形成多個腐蝕阻擋結(jié)構(gòu)1001和被腐蝕區(qū)1002，從而使得在后續(xù)的腐蝕步驟中，可以以橫向腐蝕為主。具體地，如圖2所示，以P型Si襯底為例，可以先采用離子注入等方法對襯底100進行局部η型摻雜，以使襯底100頂部表面下方一定深度位置形成多個η型的腐蝕阻擋結(jié)構(gòu)1001 ;隨后在襯底頂部表面較淺位置進行P型重?fù)诫s，形成大面積的被腐蝕區(qū)1002 ;襯底的底部區(qū)1000保持不變。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)域在腐蝕處理時，其被腐蝕速率V滿足
> V.彡V.”條件即可。步驟S102，如圖3所示，在襯底100上形成第一單晶半導(dǎo)體層200。在本發(fā)明的一個實施例中，第一單晶半導(dǎo)體層200可為IV族半導(dǎo)體Ge、SiGe、SiC或 II1-V 族半導(dǎo)體 GaN、InGaN、AlN、GaAs、GaP、AlGaInP 或 I1-VI 族半導(dǎo)體 Zn0、Ga203、ZnS、ZnSe、PbSe、CdS、CdTe中的一種或多種組合，比如AlN/GaN、GaAs/AlGaAs等多層組合。在本發(fā)明的一個實施例中，第一單晶半導(dǎo)體層200可為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的實施例中，多層復(fù)合結(jié)構(gòu)可為超晶格結(jié)構(gòu)，或者呈現(xiàn)組分梯度分布(逐漸增大)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，比如Ge含量梯度分布的SiGe，或者GaN和AlN交替分布結(jié)構(gòu)。步驟S103，如圖4所示，通過光刻和刻蝕工藝處理第一單晶半導(dǎo)體層200以形成多個開口，多個開口的位置應(yīng)當(dāng)與多個腐蝕阻擋結(jié)構(gòu)1001在垂直方向上一一對應(yīng)，然后這樣原本整體的第一單晶半導(dǎo)體層200變多個第一單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(標(biāo)號仍記200)。步驟S104，如圖5所示，從多個第一單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200之間的多個開口對襯底100進行刻蝕以形成多個孔或槽。可選地，各個孔或槽的深度大于該孔或槽的寬度。

步驟S105，如圖6所示,通過多個孔或槽對襯底100進行腐蝕處理，以使襯底100的頂部表面形成多孔結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)襯底100為導(dǎo)電襯底時，腐蝕處理可為電化學(xué)腐蝕處理；或者，當(dāng)襯底100為非導(dǎo)電襯底時，腐蝕處理可為濕法腐蝕處理。例如，對于Si襯底，可用電化學(xué)腐蝕獲得多孔結(jié)構(gòu)，腐蝕液為氫氟酸，通過控制Si襯底和第一單晶半導(dǎo)體層的電阻率，利用電阻率越低腐蝕越嚴(yán)重，使Si表面成為多孔結(jié)構(gòu)而對第一單晶半導(dǎo)體層幾乎沒有腐蝕作用。為防止電化學(xué)腐蝕過深，可通過對襯底100的頂部表層不同區(qū)域進行不同類型和/或不同濃度的摻雜處理的方式，在被腐蝕區(qū)域底部形成一個腐蝕阻擋層，腐蝕阻擋層具有與腐蝕區(qū)域不同的導(dǎo)電類型和/或具有高的電阻率，可誘導(dǎo)電化學(xué)腐蝕橫向擴展以在整個襯底表面形成多孔結(jié)構(gòu)。對于非導(dǎo)電襯底用濕法腐蝕處理形成多孔結(jié)構(gòu)時，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)。步驟S106，如圖7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，在腐蝕處理形成多孔結(jié)構(gòu)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o2、h2o、nh3、n2、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多孔Si或SiGe發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)為氧化硅或氮化硅，優(yōu)選通NH3與底下的多孔Si或SiGe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頂部的多孔結(jié)構(gòu)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牡?，而非晶的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8-10所示，淀積單晶半導(dǎo)體材料，通過在多個孔或槽中第一單晶半導(dǎo)體層200的暴露部分進行橫向生長，一段時間后，單晶半導(dǎo)體就會填充多個孔或槽，其后繼續(xù)外延生長，最終在第一單晶半導(dǎo)體層200之上形成新淀積的第二單晶半導(dǎo)體層300。圖中上方朝下的粗箭頭表示沉積單晶半導(dǎo)體材料，下方半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的細箭頭表示單晶半導(dǎo)體材料在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的生長方向。本步驟淀積的第二單晶半導(dǎo)體層300同樣可為IV族半導(dǎo)體 Ge、SiGe、SiC 或 II1-V 族半導(dǎo)體 GaN、InGaN、AlN、GaAs、GaP、AlGaInP 或 I1-VI 族半導(dǎo)體ZnO、Ga203、ZnS, ZnSe, PbSe、CdS, CdTe中的一種或多種組合?？蛇x地，第二單晶半導(dǎo)體層300可為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。對于金剛石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體Ge、SiGe、SiC或閃鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體GaAs、GaP等材料來說，如圖10所示，可以直接沉積單晶半導(dǎo)體材料，通過較厚的外延層覆蓋多個開口，形成相應(yīng)的連為整體的第二單晶半導(dǎo)體層300。對于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體GaN、InGaN、AlN等材料來說，如圖8_10所示，可以利用其橫向生長速度大于垂直方向生長速度的特性來生長形成相應(yīng)的第二單晶半導(dǎo)體層300。具體地，沉積纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體GaN、InGaN、AlN等材料時，由于材料的橫向生長特性，沉積在多個孔或槽中的部分首先進行生長，一段時間后，單晶半導(dǎo)體填充多個孔或槽。在該實施例中，單晶半導(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，從而在第一單晶半導(dǎo)體層200之上形成第二單晶半導(dǎo)體層300，由于第二單晶半導(dǎo)體層300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，由于利用了單晶半導(dǎo)體材料的橫向生長優(yōu)先特性，通過在多個孔或槽中第一單晶半導(dǎo)體層200的暴露部分進行橫向生長，從而提高第二單晶半導(dǎo)體層300的生長質(zhì)量。在本發(fā)明的一個實施例中，單晶半導(dǎo)體為GaN，可通過控制生長條件實現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體材料的橫向生長。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。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，順3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。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，如圖8所示，可以GaN材料先通過橫向生長在多個孔或槽的頂部先橫向閉合多個孔和槽。淀積一段時間后，如圖9所示，在GaN材料閉合多個孔或槽之后，開始在多個孔或槽的頂部外延生長形成多個突起。如圖10所示，多個突起在多個第一單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200之上進一步橫向外延生長，最終形成整體的半導(dǎo)體薄膜，即形成第二單晶半導(dǎo)體層 300。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，除步驟SlOl至S107之外，還進一步包括: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)選方案為在步驟SlOl后與步驟S103、S104同步完成。深槽寬度較寬，第二單晶半導(dǎo)體層在深槽處斷開，以降低第二單晶半導(dǎo)體薄膜的應(yīng)力積累。根據(jù)上述實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法具有如下優(yōu)點:1、對于具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，可以通過橫向生長的方式在第一單晶半導(dǎo)體層之上生長第二單晶半導(dǎo)體層(例如GaN、ZnO)，利用材料的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，第二單晶半導(dǎo)體層是在第一單晶半導(dǎo)體層的基礎(chǔ)上橫向生長得到的，同為單晶半導(dǎo)體材料，可以進一步提高了第二單晶半導(dǎo)體層的生長質(zhì)量。2、多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底表面的多孔結(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)以及襯底表面的多孔結(jié)構(gòu)是在形成了第一單晶半導(dǎo)體層之后形成的，因此不會由于多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底表面的多孔結(jié)構(gòu)的表面問題而影響第一單晶半導(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)量的第二單晶半導(dǎo)體層。3、將襯底表面腐蝕成多孔結(jié)構(gòu)，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，多孔結(jié)構(gòu)表面反應(yīng)生成異質(zhì)材料的隔離層，將進一步釋放應(yīng)力，且更有助于后期工藝中的襯底剝離。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、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。圖11為本發(fā)明提出的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的實施例的示意圖。如圖11所示，本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)垂直方向上由下至上依次包括襯底100、第一單晶半導(dǎo)體層200、第二單晶半導(dǎo)體層300，以及多個孔或槽。其中，襯底100的頂部表面為多孔結(jié)構(gòu)，該多孔結(jié)構(gòu)是通過腐蝕處理得到，用以降低半導(dǎo)體材料生長過程中熱應(yīng)力；第一單晶半導(dǎo)體層200具有多個開口，多個開口將第一單晶半導(dǎo)體層200劃分為多個第一單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(標(biāo)號仍記200);多個孔或槽從第一單晶半導(dǎo)體層200延伸至襯底100的頂部表面；第二單晶半導(dǎo)體層300填充所述多個孔或槽的頂部，且與多個孔或槽中第一單晶半導(dǎo)體層200的暴露部分相連。在本發(fā)明的一個實施例中，襯底100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。在本發(fā)明的一個實施例中，襯底100 可為 S1、SiGe、SiC、GaAs、Ge、GaN、GaP、InP、Ga2O3、Al2O3' AIN、ZnO、LiGaO2' LiAlO2 中的一種。在本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)襯底100為導(dǎo)電襯底時，襯底100頂部表面的多孔結(jié)構(gòu)由電化學(xué)腐蝕處理得到；當(dāng)襯底100為不導(dǎo)電襯底時，襯底100頂部表面的多孔結(jié)構(gòu)由濕法腐蝕處理得到。在本發(fā)明的一個實 施例中，第一單晶半導(dǎo)體層200可以為IV族半導(dǎo)體Ge、SiGe、SiC 或 II1-V 族半導(dǎo)體 GaN、InGaN、AIN、GaAs、GaP、AlGaInP 或 I1-VI 族半導(dǎo)體 Zn0、Ga203、ZnS、ZnSe、PbSe、SnO2、CdS、CdTe中的一種或多種組合。可選的，第一單晶半導(dǎo)體層200可為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施例中，第二單晶半導(dǎo)體層300可以為IV族半導(dǎo)體Ge、SiGe、SiC 或 II1-V 族半導(dǎo)體 GaN、InGaN、AIN、GaAs、GaP、AlGaInP 或 I1-VI 族半導(dǎo)體 Zn0、Ga203、ZnS、ZnSe、PbSe、SnO2、CdS、CdTe中的一種或多種組合?？蛇x的，第二單晶半導(dǎo)體層300可為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。第二單晶半導(dǎo)體層300填充所述多個孔或槽的頂部，且與多個孔或槽中第一單晶半導(dǎo)體層200的暴露部分相連。優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個實施例中，襯底為Si，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括襯底100頂部的異質(zhì)材料的隔離層。該隔離層是在電化學(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、H2O, NH3> N2、臭氧及等離子體氧或氮中的一種或多種，由Si襯底頂部表面的多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)生成氧化硅或氮化硅得到。該隔離層有利于后續(xù)工序中襯底的剝離。優(yōu)選地，在本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一個實施例中，所述襯底100可以具有多個深槽，襯底被多個深槽劃分為多個區(qū)域。如圖12a與圖12b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12a中可以看出，襯底100被若干個深槽隔離多個區(qū)域。從圖12b中可以看出，俯視半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)時除了最頂層的第二單晶半導(dǎo)體層300之外，還可以看到從深槽處暴露出的襯底100。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。根據(jù)本發(fā)明上述實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點:1、對于具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，可以通過橫向生長的方式在第一單晶半導(dǎo)體層之上生長第二單晶半導(dǎo)體層(例如GaN、ZnO)，利用材料的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，第二單晶半導(dǎo)體層是在第一單晶半導(dǎo)體層的基礎(chǔ)上橫向生長得到的，同為單 晶半導(dǎo)體材料，可以進一步提高了第二單晶半導(dǎo)體層的生長質(zhì)量。2、多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底表面的多孔結(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)以及襯底表面的多孔結(jié)構(gòu)是在形成了第一單晶半導(dǎo)體層之后形成的，因此不會由于多個孔或槽的結(jié)構(gòu)以及襯底表面的多孔結(jié)構(gòu)的表面問題而影響第一單晶半導(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)量的第二單晶半導(dǎo)體層。3、將襯底表面腐蝕成多孔結(jié)構(gòu)，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，多孔結(jié)構(gòu)表面反應(yīng)生成異質(zhì)材料的隔離層，將進一步釋放應(yīng)力，且更有助于后期工藝中的襯底剝離。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、襯底可為廉價易得的材料(例如Si)，工藝簡單易實現(xiàn)，生產(chǎn)成本小。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單晶半導(dǎo)體層； 刻蝕所述第一單晶半導(dǎo)體層以形成多個開口； 從所述多個開口對所述第一單晶半導(dǎo)體層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； 通過所述多個孔或槽對所述襯底進行腐蝕處理以使所述襯底的頂部形成多孔結(jié)構(gòu)；以及 淀積單晶半導(dǎo)體材料，以在所述第一單晶半導(dǎo)體層之上形成第二單晶半導(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，所述襯底為S1、SiGe,SiC, GaAs, Ge、GaN, GaP、InP、Ga203、Al2O3' AIN、ZnO、LiGaO2' LiAlO2 中的一種。
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，當(dāng)所述襯底為導(dǎo)電襯底時，所述腐蝕處理為電化學(xué)腐 蝕處理；當(dāng)所述襯底為不導(dǎo)電襯底時,所述腐蝕處理為濕法腐蝕處理。
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:對所述襯底注入不同類型和/或不同濃度的摻雜元素，以在所述襯底頂部形成多個刻蝕阻擋結(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，所述單晶半導(dǎo)體為IV族半導(dǎo)體 Ge、SiGe, SiC 或 II1-V 族半導(dǎo)體 GaN, InGaN, AIN、GaAs, GaP、AlGaInP 或 I1-VI 族半導(dǎo)體 ZnO、Ga203、ZnS, ZnSe, PbSe、CdS, CdTe 中的一種或多種組合。
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，當(dāng)所述襯底為Si時，還包括:在所述襯底頂部表面形成所述多孔結(jié)構(gòu)后，通入含氮或含氧氣體以使所述多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)并形成隔離層。
8.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，所述第一單晶半導(dǎo)體層為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
9.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: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。
10.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 襯底，所述襯底頂部表面為多孔結(jié)構(gòu)； 形成在所述襯底之上的第一單晶半導(dǎo)體層，其中，所述第一單晶半導(dǎo)體層具有多個開Π ； 多個孔或槽，所述多個孔或槽從所述多個開口延伸至所述襯底頂部表面或內(nèi)部；以及形成在所述第一單晶半導(dǎo)體層之上的第二單晶半導(dǎo)體層，其中，所述第二單晶半導(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單晶半導(dǎo)體層的暴露部分相連。
11.如權(quán)利要求10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。
12.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底為S1、SiGe,SiC, GaAs,Ge、GaN, GaP、InP、Ga203、Al2O3' AIN、ZnO、LiGaO2' LiAlO2 中的一種。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，當(dāng)所述襯底為導(dǎo)電襯底時，所述襯底頂部表面的多孔結(jié)構(gòu)由電化學(xué)腐蝕處理得到；當(dāng)所述襯底為不導(dǎo)電襯底時，所述襯底頂部表面的多孔結(jié)構(gòu)由濕法腐蝕處理得到。
14.如權(quán)利要求10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)。
15.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述單晶半導(dǎo)體為IV族半導(dǎo)體Ge、SiGe, SiC 或 II1-V 族半導(dǎo)體 GaN、InGaN, AIN、GaAs, GaP、AlGaInP 或 I1-VI 族半導(dǎo)體ZnO、Ga203、ZnS, ZnSe, PbSe、CdS, CdTe 中的一種或多種組合。
16.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:所述多孔結(jié)構(gòu)與含氮或含氧的氣體發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)并形成的隔離層。
17.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一單晶半導(dǎo)體層為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求10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)及其形成方法，該形成方法包括步驟提供襯底；在襯底之上形成第一單晶半導(dǎo)體層；刻蝕第一單晶半導(dǎo)體層以形成多個開口；從多個開口對第一單晶半導(dǎo)體層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；通過多個孔或槽對襯底進行腐蝕處理以使襯底的頂部形成多孔結(jié)構(gòu)；以及淀積單晶半導(dǎo)體材料，以在第一單晶半導(dǎo)體層之上形成第二單晶半導(dǎo)體層。該方法能夠降低單晶半導(dǎo)體的位錯密度，避免熱失配導(dǎo)致龜裂，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H01L29/06GK103247516SQ201210027809
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