一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓外延层的制备方法

未命名 07-20 阅读:138 评论:0


1.本发明涉及半导体技术领域,尤其涉及到一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓外延层的制备方法。


背景技术:

2.随着硅、锗和砷化镓、磷化铟半导体材料的发展和应用,高效、可靠的应用场景依赖于半导体材料更为优良的性能,为实现在高温、高频、大功率、强辐射、全波长等极端条件下的应用,第三代半导体材料即宽禁带(widebandgapsemiconductor,简称wbgs)的研究与应用是半导体行业的热门话题。
3.氮化镓(gan)作为宽禁带半导体材料,具有可调节禁带宽度大、击穿场强高、较低介电常数、高电子饱和、高漂移速度、抗辐射能力强和化学稳定性优良等特点,以gan为核心制备的高电子迁移率场效应晶体管、光电探测器等在微电子、电力电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业、机电产业和能源产业等领域应用广泛,亦是这些支柱产业进入21世纪后赖以继续发展的关键基础材料。
4.碳化硅和氮化镓衬底,因与氮化镓的晶格失配率和热失配率小,可生长高品质的外延层,但商用碳化硅、氮化镓衬底的价格昂贵。目前,商用一般使用蓝宝石或者硅衬底外延生长氮化镓,特别是硅衬底,因其可量产、大尺寸,因而在硅衬底上外延氮化镓器件可大幅增加器件数量,有效降低gan基器件的外延成本。但硅衬底与外延层之间存在较大的晶格常数的差异和热失配,导致氮化镓外延材料的位错密度高、应力大,难以生长高结晶质量、高厚度的无裂纹硅基氮化镓外延层,基于此,目前最为主流的方法是采用algan缓冲层引入压应力,避免硅基氮化镓材料在降温过程受热应力裂片。然而,硅基氮化镓材料体系中的穿透位错,在压应力驱使下会发生攀移倾斜进而形成垂直生长的失配位错,减弱了algan缓冲层引入的压应力,进而导致在降温过程压应力补偿不足,氮化镓外延层仍易开裂。


技术实现要素:

5.为此,本发明提供了一种能够有效过滤从衬底传导的穿透位错,减小外延生长的氮化镓层的开裂可能性,提高其质量的氮化镓的外延生长方法,进而提供了一种能够实现高质量氮化镓外延层制备的氮化镓外延层的制备方法。
6.根据第一方面,本发明提供了一种氮化镓的外延生长方法,包括如下步骤:
7.在衬底上生长多孔氧化铝掩膜层;多孔氧化铝掩膜层内的纳米孔贯穿多孔氧化铝掩膜层;
8.在多孔氧化铝掩膜层内的纳米孔内生长氮化铝填充层;
9.去除氧化铝掩膜层;
10.在氮化铝填充层内以及氮化铝填充层上生长氮化镓缓冲层;
11.在氮化镓缓冲层生长氮化镓外延层。
12.在一种可能的实现方式中,在衬底上生长多孔氧化铝掩膜层的步骤,具体包括:
13.在衬底上生长铝薄膜;
14.对铝薄膜进行阳极氧化处理,得到具有盲孔阵列的第一氧化铝掩膜层;
15.对第一氧化铝掩膜层进行阳极氧化处理,以使盲孔朝向衬底延伸,得到多孔氧化铝掩膜层。
16.在一种可能的实现方式中,对第一氧化铝掩膜层进行阳极氧化处理,以使盲孔朝向衬底延伸,得到多孔氧化铝掩膜层的步骤之前,还包括:
17.对第一氧化铝掩膜层进行表面化学腐蚀处理。
18.在一种可能的实现方式中,在氮化铝填充层内以及氮化铝填充层上生长氮化镓缓冲层的步骤,包括:
19.依次在第一预设生长条件和第二预设生长条件下,在化学气相沉积设备内生长氮化铝填充层内和氮化铝填充层上的氮化镓缓冲层;第一预设生长条件中的第一生长温度低于第二预设生长条件中的第二生长温度,第一预设生长条件中的第一生长压强大于第二预设生长条件中的第二生长压强。
20.在一种可能的实现方式中,在氮化镓缓冲层生长氮化镓外延层的步骤,具体包括:
21.在第二预设生长条件下,在化学气相沉积设备内生长氮化镓缓冲层上的氮化镓外延层。
22.在一种可能的实现方式中,第一生长温度在600℃~800℃之间,第二生长温度在900℃~1300℃之间,第一生长压强在300torr~500torr之间,第二生长压强在150torr~250torr之间。
23.根据第二方面,本发明还提供了一种氮化镓外延层的制备方法,包括如下步骤:
24.采用上述第一方面任意一种实施方式中的氮化镓的外延生长方法完成氮化镓外延层的生长;
25.自氮化铝填充层处分离衬底和氮化镓外延层,并去除氮化镓外延层上的氮化铝填充层和氮化镓缓冲层。
26.本发明提供的技术方案,具有如下优点:
27.1、本发明提供的氮化镓的外延生长方法,通过在衬底上生长其中贯穿至衬底的纳米孔的多孔氧化铝掩膜层,继而在多孔氧化铝掩膜层的纳米孔内生长氮化铝填充层,得到同样具有孔洞结构的氮化铝填充层(氮化铝填充内的孔洞结构与氧化铝掩膜层内的纳米孔互补),并将该氮化铝填充层作为氮化镓生长的成核点,在氮化铝掩膜层内以及氮化铝掩膜层上生长氮化镓缓冲层,其中的多孔结构增大了氮化镓和氮化铝之间的接触面积、丰富了氮化镓的生长方向,使氮化镓的生长不再是传统的平面上的自下而上的生长,其中位错的攀移和湮灭在各个方向上发生,将大量位错终止在氮化铝填充层与氮化镓缓冲层的界面处,有效减少了衬底向外延层贯穿的穿透位错,进而能够提高生长于氮化镓缓冲层上的氮化镓外延层的质量。
28.2、本发明提供的氮化镓的外延生长方法,通过先在温度相对较低而压力相对较高的第一预设生长条件下,再转换成温度相对较高而压力相对较低的第二预设生长条件下生长氮化镓缓冲层,实现了三维氮化镓生长快速转二维的生长方式,从而进一步在氮化镓缓冲层中引入了纳米孔洞(区别基于氮化铝填充层内的孔洞结构产生的纳米孔),有助于后续剥离工艺的开展,能够减少后续剥离工艺对氮化镓外延层的损伤,实现高质量氮化镓外延
层的外延生长。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例提供的一种氮化镓的外延生长方法的流程图;
31.图2a-图2d分别为经过步骤s100、s200、s400和s500制备得到的器件的结构示意图;
32.图3为图1中步骤s100的具体步骤流程图;
33.图4为第一氧化铝掩膜层的结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.实施例1
37.图1示出了本实施例提供的一种氮化镓的外延生长方法的方法流程图。如图1所示,该方法包括如下步骤:
38.s100:在衬底上生长多孔氧化铝掩膜层。
39.本实施例中,如图2a所示,多孔氧化铝掩膜层内的纳米孔贯穿多孔氧化铝掩膜层。
40.本实施例中,衬底可以为soi衬底,也可以为对顶部进行热处理、碳化或者外延生长等方式形成的顶层结构为碳化硅的一种复合衬底,如sic-on-si衬底、sic-on-soi衬底或sic衬底等。且该步骤中的衬底可以为直接获取的成品衬底,也可以为在执行该步骤前生长得到。
41.具体实施时,可以设置氧化铝掩膜层的厚度在50nm~1000nm之间。
42.s200:在多孔氧化铝掩膜层内的纳米孔内生长氮化铝填充层。
43.经过该步骤制备得到的半导体结构如图2b所示。
44.本实施例中,氮化铝填充层可以采用磁控溅射工艺生长;具体实施时,可以设置生长过程中的温度在80℃~600℃之间,压力在1mtorr~3mtorr之间。
45.s300:去除氧化铝掩膜层。
46.本实施例中,可以采用碱性的naoh溶液或koh溶液等湿法刻蚀,去除氧化铝掩膜层,得到同样具有贯穿延伸至衬底的多孔结构(该多孔结构与氧化铝掩膜层内的多孔结构
互补)的氮化铝填充层。
47.s400:在氮化铝填充层内以及氮化铝填充层上生长氮化镓缓冲层。
48.经过该步骤制备得到的半导体结构如图2c所示。
49.本实施例中,可以采用金属有机源化学气相沉积(mocvd)工艺生长氮化镓缓冲层。
50.本实施例中,氮化镓缓冲层位于氮化铝填充层上的部分(区别于位于氮化铝填充层内的部分)的厚度可以根据具体应用场景中的需要进行设置,以其表面的平整度能够满足具体应用场景中氮化镓外延层的生长需求为准。具体实施时,可以设置氮化镓缓冲层的厚度在1μm~2μm之间。
51.s500:在氮化镓缓冲层生长氮化镓外延层。
52.经过该步骤制备得到的半导体结构如图2d所示。
53.具体地,氮化镓外延层可以为非故意掺杂的氮化镓层,也可以为n掺杂氮化镓层;其掺杂情况可以根据具体应用场景中的需要进行设置,在此不做限制。
54.具体地,氮化镓外延层可以采用金属有机源化学气相沉积(mocvd)工艺进行外延生长。
55.综上,本实施例中的氮化镓的外延生长方法,通过在衬底上生长其中贯穿至衬底的纳米孔的多孔氧化铝掩膜层,继而在多孔氧化铝掩膜层的纳米孔内生长氮化铝填充层,得到同样具有孔洞结构的氮化铝填充层(氮化铝填充内的孔洞结构与氧化铝掩膜层内的纳米孔互补),并将该氮化铝填充层作为氮化镓生长的成核点,在氮化铝掩膜层内以及氮化铝掩膜层上生长氮化镓缓冲层,其中的多孔结构增大了氮化镓和氮化铝之间的接触面积、丰富了氮化镓的生长方向,使氮化镓的生长不再是传统的平面上的自下而上的生长,其中位错的攀移和湮灭在各个方向上发生,将大量位错终止在氮化铝填充层与氮化镓缓冲层的界面处,有效减少了衬底向外延层贯穿的穿透位错,进而能够提高生长于氮化镓缓冲层上的氮化镓外延层的质量。
56.在本实施例的一种具体实施方式中,如图3所示,上述步骤s100具体可以包括如下步骤:
57.s101:在衬底上生长铝薄膜。
58.本实施方式中,可以采用磁控溅射工艺生长铝薄膜,且具体实施时,可以设置生长过程中的温度在50℃~200℃之间,压力在0.1pa~5pa之间,还可以设置铝薄膜的厚度在50nm~1000nm之间。
59.本实施方式中,在开始生长之前,还可以先对衬底进行清洗,以去除衬底表面的氧化层。
60.s102:对铝薄膜进行阳极氧化处理,得到具有盲孔阵列的第一氧化铝掩膜层。
61.经过该步骤制备得到的铝薄膜的结构如图4所示。
62.本实施方式中,可以在电解槽内完成滤波模的阳极氧化,并设置电解槽内的电解液为0.3mol/l的草酸溶液。
63.本实施方式中,为了提高最终生长得到的氧化铝掩膜层的表面平整性,在执行完该步骤之后,可以再执行一步骤s104:
64.s104:对第一氧化铝掩膜层进行表面化学腐蚀处理。
65.具体实施时,可以使用0.1mol/l铬酸(h2cro4)和0.4mol/l磷酸(h3po4)的混合溶
液置于55℃的水浴锅中,对第一氧化铝掩膜层进行表面化学腐蚀处理。
66.s103:对第一氧化铝掩膜层进行阳极氧化处理,以使盲孔朝向衬底延伸,得到多孔氧化铝掩膜层。
67.经过该步骤制备得到的铝薄膜的结构如图2a所示。
68.本实施方式中,对第一氧化铝掩膜层进行阳极氧化处理的工艺可以与对铝薄膜进行阳极氧化处理的工艺相同,并通过调控时间来获得孔径一致、贯穿到衬底的孔洞。
69.在本实施例的一种具体实施方式中,如图2所示,上述步骤s400具体可以包括如下步骤:
70.s401:依次在第一预设生长条件和第二预设生长条件下,在化学气相沉积设备内生长氮化铝填充层内和氮化铝填充层上的氮化镓缓冲层。
71.本实施方式中,第一预设生长条件中的第一生长温度低于第二预设生长条件中的第二生长温度,第一预设生长条件中的第一生长压强大于第二预设生长条件中的第二生长压强。
72.具体地,第一生长温度在600℃~800℃之间,第二生长温度在900℃~1300℃之间,第一生长压强在300torr~500torr之间,第二生长压强在150torr~250torr之间。
73.具体地,第一预设生长条件下生长的氮化镓缓冲层部分的厚度以及第二预设生长条件下生长的氮化镓缓冲层部分的厚度可以根据具体应用场景的需要进行设置,而只要在整个氮化镓缓冲层的生长过程中完成第一预设生长条件到第二预设生长条件的转换,实现三维氮化镓生长快速转二维的生长方式,且氮化镓缓冲层表面具有较高的平整性即可;此时,可以实现在氮化镓缓冲层中引入纳米孔洞(区别基于氮化铝填充层内的孔洞结构产生的纳米孔),有助于后续剥离工艺的开展,能够减少后续剥离工艺对氮化镓外延层的损伤,实现高质量氮化镓外延层的外延生长。
74.本实施方式中,相应地,上述步骤s500具体包括:
75.s501:在第二预设生长条件下,在化学气相沉积设备内生长氮化镓缓冲层上的氮化镓外延层。
76.实施例2
77.本实施例提供了一种氮化镓外延层的制备方法,该方法包括如下步骤:
78.s10:采用上述实施例1任意一种实施方式中的氮化镓的外延生长方法完成氮化镓外延层的生长。
79.s20:自氮化铝填充层处分离衬底和氮化镓外延层,并去除氮化镓外延层上的氮化铝填充层和氮化镓缓冲层。
80.本实施例中的方法,能够制备得到高质量氮化镓外延层。
81.显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征:
1.一种氮化镓的外延生长方法,其特征在于,包括如下步骤:在衬底上生长多孔氧化铝掩膜层;所述多孔氧化铝掩膜层内的纳米孔贯穿所述多孔氧化铝掩膜层;在所述多孔氧化铝掩膜层内的纳米孔内生长氮化铝填充层;去除所述氧化铝掩膜层;在所述氮化铝填充层内以及所述氮化铝填充层上生长氮化镓缓冲层;在所述氮化镓缓冲层生长氮化镓外延层。2.根据权利要求1所述的氮化镓的外延生长方法,其特征在于,所述在衬底上生长多孔氧化铝掩膜层的步骤,具体包括:在所述衬底上生长铝薄膜;对所述铝薄膜进行阳极氧化处理,得到具有盲孔阵列的第一氧化铝掩膜层;对所述第一氧化铝掩膜层进行阳极氧化处理,以使所述盲孔朝向所述衬底延伸,得到所述多孔氧化铝掩膜层。3.根据权利要求2所述的氮化镓的外延生长方法,其特征在于,所述对所述第一氧化铝掩膜层进行阳极氧化处理,以使所述盲孔朝向所述衬底延伸,得到所述多孔氧化铝掩膜层的步骤之前,还包括:对所述第一氧化铝掩膜层进行表面化学腐蚀处理。4.根据权利要求1-3任一项所述的氮化镓的外延生长方法,其特征在于,所述在所述氮化铝填充层内以及所述氮化铝填充层上生长氮化镓缓冲层的步骤,包括:依次在第一预设生长条件和第二预设生长条件下,在化学气相沉积设备内生长所述氮化铝填充层内和所述氮化铝填充层上的氮化镓缓冲层;所述第一预设生长条件中的第一生长温度低于所述第二预设生长条件中的第二生长温度,所述第一预设生长条件中的第一生长压强大于所述第二预设生长条件中的第二生长压强。5.根据权利要求4所述的氮化镓的外延生长方法,其特征在于,所述在所述氮化镓缓冲层生长氮化镓外延层的步骤,具体包括:在所述第二预设生长条件下,在化学气相沉积设备内生长所述氮化镓缓冲层上的氮化镓外延层。6.根据权利要求5所述的氮化镓的外延生长方法,其特征在于,所述第一生长温度在600℃~800℃之间,所述第二生长温度在900℃~1300℃之间,所述第一生长压强在300torr~500torr之间,所述第二生长压强在150torr~250torr之间。7.一种氮化镓外延层的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:采用上述权利要求1-6任一项所述的氮化镓的外延生长方法完成氮化镓外延层的生长;自所述氮化铝填充层处分离所述衬底和所述氮化镓外延层,并去除所述氮化镓外延层上的所述氮化铝填充层和所述氮化镓缓冲层。

技术总结
本发明公开了一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓外延层的制备方法,其中氮化镓的外延生长方法包括如下步骤:在衬底上生长多孔氧化铝掩膜层;多孔氧化铝掩膜层内的纳米孔贯穿多孔氧化铝掩膜层;在多孔氧化铝掩膜层内的纳米孔内生长氮化铝填充层;去除氧化铝掩膜层;在氮化铝填充层内以及氮化铝填充层上生长氮化镓缓冲层;在氮化镓缓冲层生长氮化镓外延层。本发明中的方法,将大量位错终止在氮化铝填充层与氮化镓缓冲层的界面处,提高生长于氮化镓缓冲层上的氮化镓外延层的质量。缓冲层上的氮化镓外延层的质量。缓冲层上的氮化镓外延层的质量。


技术研发人员:常娟雄 王一 杨林安 黄永 卢灏 陈兴 吴勇 王东 韩超 陈财 龚子刚 万坤 董栩婷 邵语嫣 陆俊 薛荣宇 何祺伟 解靖飞 王亦飞 张畅
受保护的技术使用者:西安电子科技大学芜湖研究院
技术研发日:2023.04.14
技术公布日:2023/7/18
版权声明

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