一種III族氮化物襯底的制備方法與流程

本發明屬于第三代半導體襯底材料制備技術領域，涉及一種III族氮化物襯底的制備方法，具體地涉及一種低缺陷密度高晶體質量的III族氮化物襯底的制備方法。

背景技術：

近年來，以氮化鋁、氮化鎵和氮化銦為代表的第三代半導體材料受到了產業界越來越多的關注，作為第三代半導體的代表性材料，氮化鋁等氮化物材料具有優異的電學性能和光學性能，同時具有較寬帶隙和直接帶隙的優點，可形成高濃度、高遷移率的二維電子氣，彌補了寬禁帶半導體電子有效質量大、遷移率低的缺陷，材料本身導熱性能優越，耐高溫高壓，材料做成器件后適合應用于條件惡劣的環境中，已經大量應用于各個領域。

但是AlN材料單晶的獲取非常困難，傳統方法通常都是在異質襯底（SiC，藍寶石，硅）上直接生長AlN層，再用激光剝離方法或熱膨脹自剝離方法脫離基體，再通過CMP工藝獲得AlN襯底片。傳統方法在剝離異質襯底時非常困難，在剝離過程中還會產生較大的熱應力，會導致材料晶體質量的降低，在后續研磨拋光工藝中出現裂紋或導致產品的變形翹曲。

中國專利文獻CN 102201503公開了一種III族氮化物襯底的生長方法，包括如下步驟：提供支撐襯底，所述支撐襯底的表面為第一III族氮化物半導體層；在支撐襯底的第一III族氮化物半導體層表面形成石墨烯層；在石墨烯層表面形成第二III族氮化物半導體層。此方法通過將制備得到的石墨烯從生長襯底上剝離，然后將石墨烯薄膜與PDMS 層構成的復合薄膜層壓印在襯底上。該方法的石墨烯是通過轉移得到的，存在以下缺陷：

1、通過化學氣相沉積的方法或者石墨氧化還原方法制備的石墨烯大都是不連續的，質量也比較差，很難再在其表面生長出優質晶體質量的種子層。

2、從襯底上剝離得到石墨烯非常的困難，很容易引起石墨烯的褶皺和引入雜質。

3、工藝繁瑣，先要剝離，還要轉移。

技術實現要素：

針對上述現有技術存在的技術問題，本發明目的是：提供了一種III族氮化物襯底的制備方法，選用碳化硅(SiC)襯底作為基體，通過SiC外延熱分解法在SiC襯底的碳面或硅面外延生長大面積、高質量的多層石墨烯層，可以在多層石墨烯的表面沉積生長高質量的III族氮化物成核層。得到的III族氮化物襯底片應力小、缺陷密度低、晶體質量高。

本發明的技術方案是：

一種III族氮化物襯底的制備方法，包括以下步驟：

（1）選用碳化硅（SiC）襯底作為基體，在10^-6～10^-8Torr真空度下，通過RF射頻將SiC襯底加熱至850～1650℃，在外延熱分解過程中通入惰性氣體或惰性氣體與H₂混合氣作為載氣，在SiC襯底的碳面或硅面外延生長多層石墨烯層；

（2）在多層石墨烯層表面沉積生長III族氮化物成核層；

（3）在III族氮化物成核層的表面生長厚層III族氮化物；

（4）通過機械剝離法剝離SiC基體，對剝離掉SiC基體的III族氮化物薄片的表面進行研磨拋光，獲得III族氮化物襯底。

優選的，所述步驟（1）中，在SiC襯底的表面進行外延生長石墨烯層前，首先要在SiC襯底的表面進行H₂刻蝕，獲得高質量的外延臺階，所述H₂刻蝕步驟如下：若在Si面外延生長，將溫度加熱至1400～1600℃時，通H₂，流量為90～130L/min，壓力為80～100mbar，時間為90～120min；若是在C面外延生長，將溫度加熱至1400～1600℃時，通H₂，流量為60～90L/min，壓力為900～1100mbar，時間為60～80min；

優選的，所述H₂刻蝕之后，將溫度從1400～1600℃降至850～900℃，氫氣流量變為1～3L/min，用時15～30min；

在850～900℃時，通SiH₄，流量為0.5～1mL/min，用時10～15min。

優選的，在通SiH₄之后通入惰性氣體或惰性氣體與H₂混合氣，流量為8～15 L/min，壓力為800～1000mbar，通過階梯加溫至石墨烯生長溫度區間1400～1650℃。

優選的，所述階梯加溫為將溫度加熱至850～900℃維持10～15min，1000～1050℃維持5～10min，1100～1150℃維持5～10min，1250～1300℃維持10～15min，然后加溫至石墨烯生長溫度區間1400～1650℃。

優選的，所述SiC襯底材料晶體結構為4H-SiC、6H-SiC或者3C-SiC晶體結構，所述SiC襯底導電類型為半絕緣型或N-type導電型。

優選的，所述石墨烯層的石墨烯層數為3-9。

優選的，所述步驟（2）中III族氮化物成核層的厚度為5～20nm。

與現有技術相比，本發明的優點是：

1、選用碳化硅(SiC)襯底作為基體，通過SiC外延熱分解法在SiC襯底的碳面或硅面外延生長大面積、高質量的多層石墨烯層，可以在多層石墨烯的表面沉積生長高質量的III族氮化物成核層。得到的III族氮化物襯底片應力小、缺陷密度低、晶體質量高。

附圖說明

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：

圖1為本發明III族氮化物襯底的制備方法的流程圖；

圖2為本發明生長完成后的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合具體實施方式并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。

本發明的方法可以制備III族氮化物的襯底片，如氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）、鋁鎵氮（AlGaN）、銦鎵氮（InGaN）等六方纖鋅礦氮化物的襯底片。下面僅以氮化鋁（AlN）為例進行詳細說明。

實施例：

如圖1、2所示，本發明的制備方法包括以下步驟：

（1）選用碳化硅(SiC)襯底1作為基體，通過SiC外延熱分解的方法在碳化硅(SiC)襯底1的碳面或硅面外延多層石墨烯，碳化硅(SiC)襯底1在外延熱分解過程中Si-C鍵被打開，Si原子開始升華，外延面表層Si原子升華后C-C鍵得到重構，最終形成3～9層石墨烯層2，在外延熱分解過程中通入Ar/H2混合氣作為載氣，通過RF射頻加熱至850～1650℃，工藝中真空度保持在10^-6～10^-8Torr。

碳化硅(SiC)襯底2的晶體結構為4H-SiC或6H-SiC或3C-SiC晶體結構，導電類型為半絕緣型或N-type導電型，優先的選用半絕緣型。

若是在SiC襯底的表面進行外延生長石墨烯層，首先要進行H₂刻蝕，以消除表面劃傷，從而獲得高質量的外延臺階，從而外延出大面積高質量連續的石墨烯層。這其中又分為Si面外延和C面外延生長，若是在Si面外延生長，其H₂刻蝕工藝參數調節如下：將溫度加熱至1400～1600℃時，通H₂，流量為90～130L/min，壓力為80～100mbar，時間為90～120min，若是在C面外延生長，其H₂刻蝕工藝參數調節如下：將溫度加熱至1400～1600℃時，通H₂，流量為60～90L/min，壓力為900～1100mbar，時間為60～80min。優選的選用Si面外延生長。

將溫度從1400～1600℃降至850～900℃，氫氣流量變為1～3L/min，用時15～30min；

在850～900℃時，通SiH₄，流量為0.5～1mL/min，用時10～15min；目的是將SiC襯底表層的氧化物去除，同樣是為了得到優質的外延表層。

最后通Ar或Ar/H₂混合氣體，優先的選用Ar/H₂混合氣體，其中氬氣含量20%，氫氣含量80%，流量為8～15 L/min，壓力為800～1000mbar，通過階梯加溫至石墨烯生長溫度區間1400～1650℃。當然Ar也可以使用其它惰性氣體代替。

階梯加溫可以為將溫度加熱至850～900℃維持10～15min，1000～1050℃維持5～10min，1100～1150℃維持5～10min，1250～1300℃維持10～15min，然后加溫至石墨烯生長溫度區間1400～1650℃。

其中，通Ar/H₂混合氣中H₂的作用是消除在生長中緩沖層的形成，緩沖層又叫0層石墨烯，是C-C鍵得不到充分重構的體現，是電子不活躍區，緩沖層的存在會影響后續石墨烯的遷移率。Ar的作用是作為Si升華時候的載氣，可以充當Si原子的運載作用。

通過改變時間、溫度以及氣體的流量等工藝值可以改變生長石墨烯的速率。

（2）通過用金屬有機物化學氣相外延（MOCVD）生長或者分子束外延（MBE）生長的方法在多層石墨烯層2上面沉積制備高晶體質量的AlN成核層3，AlN成核層3的厚度為5～20nm，AlN成核層可以通過反應源氨氣和三甲基鋁化學氣相合成沉積而成。

（3）通過氫化物氣相外延（HVPE）的方法在AlN成核層3的上面生長厚層AlN4。厚層AlN4可以通過反應源氨氣和三甲基鋁化學氣相合成沉積而成。最終得到的結構如圖2所示。

（4）用機械剝離的方法剝離掉碳化硅(SiC)襯底1及碳化硅(SiC)襯底1上的多層石墨烯2，在通過CMP化學機械拋光處理的方法對AlN襯底的兩面進行化學機械拋光，最終獲得低缺陷密度高晶體質量氮化鋁（AlN）襯底。

根據需要，可以調節沉積不同厚度的厚層AlN4來制備不同厚度的AlN襯底。

本發明方法所制造的氮化鋁（AlN）襯底應力小，缺陷密度低，晶體質量高，作為第三代半導體材料可廣泛適用于高質量氮化物器件的制備及應用。

應當理解的是，本發明的上述具體實施方式僅僅用于示例性說明或解釋本發明的原理，而不構成對本發明的限制。因此，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。此外，本發明所附權利要求旨在涵蓋落入所附權利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內的全部變化和修改例。