氮化鎵薄膜材料外延生長的方法與流程

本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種氮化鎵薄膜材料外延生長的方法。

背景技術：

氮化鎵基半導體薄膜材料是應用于紫外/藍光/綠光發光二極管(LED)、激光器、光電探測器的核心基礎材料。同時，其優良的高擊穿電壓、大功率、高頻、抗輻射和高溫特性在氮化鎵基高電子遷移率晶體管(HEMT)微波射頻和功率器件(電力電子)等領域有著廣泛的市場應用前景。

目前，氮化鎵薄膜材料通常異質外延生長在其它材料的襯底上如藍寶石、碳化硅、硅等。由于存在晶格和熱膨脹系數的差異以及界面化學問題的影響，通常得到的氮化鎵薄膜材料的晶體質量較差，需采用各種技術來提高材料晶體質量，如低溫緩沖層法、組分漸變層法、襯底圖形化方法、位錯過濾插入層法等。特別對于大晶格失配的襯底如硅，外延生長技術的提高對外延材料的晶體質量改善起到至關重要作用。高晶體質量的外延材料是氮化鎵得以應用于各種光電或電子器件的前提。因此，為了降低位錯密度，緩解應力，提高晶體質量，發展新的外延技術仍然是氮化鎵薄膜材料異質外延生長面臨的技術課題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種氮化鎵薄膜材料外延生長的方法，以提高形成的氮化鎵薄膜材料的質量和性能。

為了解決上述問題，本發明提供了一種氮化鎵薄膜材料外延生長的方法，包括：提供襯底；在所述襯底表面形成緩沖層；在所述緩沖層上形成氮化鎵子層；刻蝕部分所述氮化鎵子層；多次重復所述形成氮化鎵子層以及刻蝕部分所述氮化鎵子層的步驟，在所述緩沖層表面形成氮化鎵層。

可選的，采用干法刻蝕工藝刻蝕部分所述氮化鎵子層，所述干法刻蝕工藝采用的氣體包括刻蝕氣體和載氣，所述刻蝕氣體為Cl₂或F2。

可選的，所述干法刻蝕工藝采用的氣體中，Cl₂或F₂的流量為2slm～10slm，體積比為2％～10％。

可選的，所述氮化鎵子層的厚度為200nm～800nm。

可選的，所述氮化鎵層的厚度為1μm～8μm。

可選的，在形成氮化鎵子層后，中止生長一預設時間后，再對所述氮化鎵子層進行刻蝕。

可選的，所述預設時間為1s～60min。

可選的，所述緩沖層的材料包括三氧化二鋁、氧化鉿、氧化鈦、氮化鈦、氮化鋁、氮化鋁鎵或氮化鎵中的一種或多種。

可選的，所述襯底材料包括藍寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氧化鋁、鋁酸鋰或氮化鎵中的一種或多種。

本發明的氮化鎵薄膜材料外延生長的方法通過干法刻蝕工藝刻蝕掉部分晶體質量差、缺陷多的氮化鎵子層，造成外延生長的界面起伏，過濾位錯，緩解氮化鎵子層與襯底間存在的晶格不匹配及熱失配等問題，從而可獲得低位錯密度、高晶體質量的氮化鎵層。

附圖說明

圖1為本發明一具體實施方式的氮化鎵薄膜材料外延生長的方法的流程示意圖；

圖2至圖6為本發明一具體實施方式的氮化鎵薄膜材料外延生長過程的剖面結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明提供的氮化鎵薄膜材料外延生長的方法的具體實施方式做詳細說明。

請參考圖1，為本發明一具體實施方式的氮化鎵薄膜材料外延生長的方法的流程示意圖。

所述氮化鎵薄膜材料外延生長的方法包括:步驟S101：提供襯底；步驟S102：在所述襯底表面形成緩沖層；步驟S103：在所述緩沖層上形成氮化鎵子層；步驟S104：刻蝕部分所述氮化鎵子層；步驟S105：多次重復所述步驟S103和步驟S105，在所述緩沖層表面形成氮化鎵層。

請參考圖2至圖6為本發明一具體實施方式的氮化鎵薄膜材料外延生長過程的剖面結構示意圖。

請參考圖2，提供襯底200。

所述襯底200的材料可以為藍寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、鋁酸鋰、氮化鋁或氮化鎵等。并且在進行后續工藝之前，需要對襯底表面進行充分清洗。所述襯底的尺寸可以是2英寸、4英寸、6英寸、8英寸或12英寸。

請參考圖3，在所述襯底200表面形成緩沖層300。

所述緩沖層300的晶格常數通常介于襯底200和氮化鎵之間，所述緩沖層300用于緩解后續待形成的氮化鎵層與襯底200之間的應力，減少后續形成的氮化鎵層內的位錯等缺陷。

本發明的具體實施方式中，可以采用金屬有機物化學氣相沉積工藝、分子束外延工藝、氫化物氣相外延工藝或原子層外延工藝形成所述氮化物層采用原子層沉積工藝形成所述緩沖層300。所述緩沖層300可以是單層結構，也可以是由不同材料層組成的多層結構。所述緩沖層300材料包括：三氧化二鋁、氧化鉿、氧化鈦、氮化鈦、氮化鋁、氮化鋁鎵或氮化鎵中的一種或多種。所述緩沖層300為多層結構時，不同層的晶格常數逐漸發生變化，位于襯底200表面附近的晶格常數最接近襯底200的晶格常數，頂層的晶格常數最接近后續形成的氮化鎵層的晶格常數，從而可以降低所述緩沖層300內由于與襯底200的晶格常數導致的晶格缺陷，減少緩沖層300與襯底200界面上的界面態，減少界面上的界面漏電流。當所述緩沖層300為單層結構時，可以選擇晶格常數最接近III族金屬氮化物的材料作為緩沖層300的材料。在本發明的具體實施方式中，所述緩沖層300的厚度為1nm～100nm。

請參考圖4，在所述緩沖層300上形成氮化鎵子層401。

所述氮化鎵子層401可以采用金屬有機物化學氣相沉積工藝、分子束外延工藝、氫化物氣相外延工藝或原子層外延工藝中的一種或多種工藝形成。在所述緩沖層300表面形成氮化鎵子層401，由于所述緩沖層300與氮化鎵子層401的晶格常數差異較低，可以有效提高所述氮化鎵子層401的晶體質量，降低所述氮化鎵子層401內的位錯密度，從而提高形成的氮化鎵子層401的質量。

最終在所述緩沖層300上形成的氮化鎵層由多個氮化鎵子層構成，所述氮化鎵子層401的厚度過小，會導致沉積次數增多，影響氮化鎵層的外延效率，而如果氮化鎵子層的厚度過大，會導致氮化鎵子層的數量較少，后續采用刻蝕方法去除的位錯數量較低，導致最終形成的氮化鎵層內的位錯缺陷依然較多。因此，在本發明的具體實施方式中，所述氮化鎵子層401的厚度可以為200nm～800nm，使得最終形成的氮化鎵層的缺陷較少，具有較高的質量。

請參考圖5，刻蝕部分所述氮化鎵子層401。

采用干法刻蝕工藝刻蝕部分所述氮化鎵子層401，所述干法刻蝕工藝采用的氣體包括刻蝕氣體和載氣。在本發明的具體實施方式中，所述干法刻蝕工藝為氣相刻蝕工藝，所述刻蝕氣體為Cl₂或F₂等對所述氮化鎵子層401的材料具有腐蝕性的氣體。

所述氣相刻蝕工藝的刻蝕速率較為緩慢，不會對所述氮化鎵子層401造成較大的損傷。而由于所述氮化鎵子層401表面的位錯等缺陷較多處的刻蝕速率與晶格結構完整處相比，刻蝕速率更大，因此，在所述干法刻蝕過程中，主要對所述氮化鎵子層401表面的缺陷處進行刻蝕，刻蝕掉晶體質量差、缺陷較多的部分，造成所述氮化鎵子層401表面起伏，從而使得刻蝕后的氮化鎵子層401位錯密度低、晶體質量高。在本發明的一個具體實施方式中，所述干法刻蝕工藝采用的刻蝕氣體為Cl₂，流量為2slm～10slm，體積比為2％～10％，載氣為N₂。為了能夠去除較多的缺陷同時避免對所述氮化鎵子層401的厚度造成較大影響，所述刻蝕時間可以為0.5min～5min。

在本發明的另一具體實施方式中，在形成氮化鎵子層401后，中止生長一預設時間后，再對所述氮化鎵子層401進行刻蝕。中止生長一預設時間，可以使得已生長的氮化鎵子層401表面晶格結構穩定，同時使得沉積腔內的反應氣體被完全排除，有利于通入刻蝕氣體進行氣相刻蝕。所述預設時間可以為1s～60min。

請參考圖6，多次重復所述形成上述氮化鎵子層以及刻蝕部分所述氮化鎵子層的步驟，在所述緩沖層300表面形成氮化鎵層400。

多次重復上述沉積、刻蝕步驟，依次形成多層氮化鎵子層，至要求的厚度，作為緩沖層300表面的氮化鎵層400，作為如圖6中氮化鎵子層401、402和403。在本發明的其他具體實施方式中，可以根據器件的實際需求，形成其他數量的氮化鎵子層，使得最終形成的氮化鎵層400的厚度符合要求，在本發明的具體實施方式中，所述氮化鎵層的厚度為1μm～8μm。本發明的具體實施方式，通過干法刻蝕工藝刻蝕掉部分晶體質量差、缺陷多的氮化鎵子層，造成外延生長的界面起伏，過濾位錯，緩解氮化鎵子層與襯底間存在的晶格不匹配及熱失配等問題，從而可獲得低位錯密度、高晶體質量的氮化鎵層。

以下為本發明的一個外延形成氮化鎵薄膜材料具體實施例。

采用8英寸的硅為襯底，襯底晶向為<111>，首先對所述襯底進行化學有機溶劑清洗和氫氟酸腐蝕，然后用去離子水清洗并用氮氣烘干。然后將清潔好的襯底放入金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)爐中，在硅襯底上沉積一定厚度的氮化鋁鎵作為緩沖層，厚度為800nm；在氮化鋁鎵緩沖層表面外延生長氮化鎵子層，厚度為500nm，然后中止生長3min；通入刻蝕氣體，包括氯氣和氮氣，其中氯氣的流量為5slm，體積比為5％，對所述氮化鎵子層進行刻蝕，刻蝕時間為1min；重復沉積與刻蝕步驟，直至氮化鎵層的厚度為4μm。

上述氮化鋁鎵緩沖層的生長壓力為60mbar～200mbar，生長溫度為1000℃～1150℃；氨氣為N源，流量為5slm～70slm；三甲基鎵和三甲基鋁分別為鎵源和鋁源，三甲基鎵的流量為50μmol/min～200μmol/min，三甲基鋁的流量為50μmol/min～150μmol/min。

上述氮化鎵子層的生長壓力為60mbar～200mbar，生長溫度為1000℃～1150℃；氨氣為N源，流量為5slm～70slm；三甲基鎵為鎵源和鋁源，流量為50μmol/min～200μmol/min。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。