缓解mocvd工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法
【专利摘要】本发明提供了一种缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法包括：于硅(111)衬底表面沉积金属铝层；通入的摩尔比介于2000～5000之间的氨气与三甲基铝，于1000℃～1500下在金属铝层上沉积氮化铝成核层；通入摩尔比介于1000～2000之间的氨气与三甲基铝，于1000℃～1500℃在氮化铝成核层上沉积氮化铝过渡层；通入摩尔比介于1000～2000之间的氨气与三甲基铝，于550℃～850℃之间在氮化铝过渡层上沉积氮化铝缓冲层；以及，在氮化铝缓冲层上沉积氮化镓薄膜。本发明通过调节氮化铝层的V／III比和生长温度形成多层氮化铝，能够制备出低位错密度低应力的氮化镓薄膜。
【专利说明】缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料生长【技术领域】，尤其涉及一种缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓作为第三代半导体，具有大禁带宽度(Eg = 3.39eV，300k)、高电子迁移率(实验值2X IO7Cm / S)、高热导率、耐高压、高温、抗腐蚀、抗辐射等优点，适合制作高频、高效、高压、大功率器件。氮化镓外延缺少同质衬底，目前较常用的衬底材料是蓝宝石、碳化硅和硅。蓝宝石衬底热导性差，并且基片尺寸难扩大；碳化硅衬底价格昂贵，难以降低器件成本。娃作为第一代半导体材料工艺成熟，可制备大尺寸外延衬底，导热性好，并且便于和娃基光电集成。
[0003]氮化镓材料与硅(111)衬底晶格失配高达16.9%，大失配外延在氮化镓薄膜中产生高密度位错。此外，氮化镓的热膨胀系数为5.硅为3.59 X IO-qIT1,热失配达56%，在生长完毕的降温过程中，外延层将承受巨大的张应力，当氮化镓薄膜超过临界厚度将产生微裂纹。
[0004]在硅衬底上生长氮化镓薄膜主要致力于降低外延层中的应力消除裂纹以及降低薄膜中的位错密度，采取的方法有:氮化铝成核层和梯度铝组分的铝镓氮过渡层；氮化铝/氮化镓超晶格缓冲层；低温氮化铝插入层；硅衬底表面刻槽；采用SOl衬底；衬底表面离子注入等。以上方 法都各有优缺点，但大多工艺复杂，缓冲层生长消耗时间较多。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种工艺简单、易于实现的缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]本发明缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法包括:步骤A，于硅
(111)衬底表面沉积金属铝层；步骤B，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，在金属铝层上沉积氮化铝成核层，其中，氨气与三甲基铝的摩尔比介于2000~5000之间，氮化铝成核层的沉积温度介于1000°C~1500 ;步骤C，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，在氮化铝成核层上沉积氮化铝过渡层，其中，氨气与三甲基铝的摩尔比介于1000~2000之间，氮化铝过渡层的沉积温度介于1000°C~1500°C之间；步骤D，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，在氮化铝过渡层上沉积氮化铝缓冲层，其中，氨气与三甲基铝的摩尔比介于1000~2000之间，氮化铝缓冲层的沉积温度介于550°C~850°C之间；以及，步骤E，在氮化铝缓冲层上沉积氮化镓薄膜。
[0009](三)有益效果
[0010]从上述技术方案可以看出，本发明缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法具有以下有益效果:
[0011](I)通过调节氮化铝的生长条件，逐步降低各层氮化铝V / III比以及低温氮化铝来降低氮化镓外延层中的位错密度和张应力；
[0012](2)通过变化氮化铝的生长条件，V / III比和生长温度达到多层氮化铝的目的，相对于单层氮化铝缓冲层，增加界面可以起到过滤位错的效果，由硅衬底到氮化镓外延层间逐层降低氮化铝的V / III比可有效的阻挡下层穿透位错进入氮化镓外延层；
[0013](3)在高温氮化铝层和氮化镓外延层之间插入一低温氮化铝层有效的补偿降温过程中带来的张应力，实现无裂纹氮化镓薄膜，通过优化低温氮化铝的生长温度和厚度降低界面失配位错。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为根据本发明实施例缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法的流程图；
[0015]图2为利用图1所示方法制备的氮化镓薄膜的剖面示意图；
[0016]图3为图2所示氮化镓薄膜的(002)XRD摇摆曲线测试图；
[0017]图4是图2所示氮化镓薄膜表面的显微镜照片。
[0018]【本发明主要元件符号说明】
[0019]1-硅衬底；2`-金属铝层；
[0020]3-氮化铝成核层；4-氮化铝过渡层；
[0021 ] 5-低温氮化铝缓冲层；6-氮化镓层。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0023]本发明通过调节氮化铝层的V / III比和生长温度形成多层氮化铝，能够制备出低位错密度低应力的氮化镓薄膜。
[0024]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法。图1为根据本发明实施例缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法的流程图。图2为利用图1所示方法制备的氮化镓薄膜的剖面示意图。请参照图1和图2，本实施例缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法包括:
[0025]步骤A，在硅(111)衬底I表面沉积金属铝层2 ；
[0026]在沉积金属铝层之前，需要对硅(111)衬底进行高温烘烤。该高温烘烤在氢气环境下进行，高温烘烤的温度应当高于1000°c。本实施例中，该高温烘烤温度为1080°C。
[0027]在采用MOCVD方法沉积该金属铝层的过程中，仅向MOCVD反应室中通过三甲基铝源，而不通入氨气，而沉积温度同样为1080°C。该金属铝层的厚度不用太厚，其厚度介于5nm~20nm之间即可。
[0028]步骤B，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，两者的摩尔比(V / III比)为3000，于1080°C的沉积温度下，在所述金属铝层2上沉积氮化铝成核层3 ；
[0029]本发明中，氮化铝成核层的沉积温度可以介于1000°C~1500之间，优选地介于1050°C~1150°C之间。此外，MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝的摩尔比(V / III比)可以介于2000~5000之间。而氮化铝成核层的厚度介于40nm~IOOnm之间。
[0030]步骤C，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，两者的摩尔比(V / III比)为1500，于1080°C的沉积温度下，从而在所述氮化铝成核层3上沉积氮化铝过渡层；
[0031]在具体实现本步骤前，保持步骤B的温度1080°C不变，暂时关闭三甲基铝源，调低通入反应室的氨气流量后重新通入三甲基铝生长氮化铝过渡层。
[0032]本发明中，氮化铝过渡层的沉积温度可以介于1000°C~1500°C之间，优选地介于1050°C~1150°C之间。此外，MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝的摩尔比(V / III比)可以介于1000~2000之间。该氮化铝过渡层的厚度介于40~IOOnm之间。
[0033]步骤D，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，两者的摩尔比(V / III比)为1500，于650°C的沉积温度下，从而在所述氮化铝过渡层上继续沉积氮化铝缓冲层；
[0034]在具体实现本步骤前，暂时关闭三甲基铝源，设定降温速度为30~70°C /分钟，在达到预设温度后，重新通入三甲基铝来生长氮化铝缓冲层。
[0035]本发明中，氮化铝过渡层的沉积温度可以介于550°C~850°C之间，氨气与三甲基铝的摩尔比可以介于1000~2000`之间，该氮化铝过渡层的厚度介于5nm~30nm之间。
[0036]在本发明优选的实施例中，需要对该氮化铝缓冲层进行退火。由于后期沉积氮化镓薄膜的温度高于1000°C，在对MOCVD进行升温过程中，就等同了对该氮化铝缓冲层进行了退火。
[0037]步骤E，在所述氮化铝缓冲层上沉积氮化镓薄膜。
[0038]在具体实现本步骤时，关闭三甲基铝源，设定升温速度为30~70V /分钟，升温至设定温度时保持此温度3min~IOmin对上述氮化铝缓冲层退火，退火完成后向反应室中通入三甲基镓，生长表面层的氮化镓薄膜。
[0039]图3为图2所示氮化镓薄膜的(002)XRD摇摆曲线测试图。由图3可知，通过本实例方法制备的氮化镓薄膜晶体质量较好。图4是图2所示氮化镓薄膜表面的显微镜照片。由图4可知，通过本实施例方法制备的氮化镓薄膜没有因温度变化而产生的裂纹。
[0040]至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法有了清楚的认识。
[0041]此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
[0042]综上所述，本发明提供一种缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法。该方法通过调节氮化铝的生长条件，通过逐步降低各层氮化铝V / III比以及一层低温氮化铝来降低氮化镓外延层中的位错密度和张应力，具有工艺简单，易于实现的优点，极具推广应用价值。
[0043]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。
【权利要求】
1.一种缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法，其特征在于，包括: 步骤A，于硅(111)衬底表面沉积金属铝层； 步骤B，向MOCVD反应室中通入氨气与三甲基铝，在所述金属铝层上沉积氮化铝成核层，其中，所述氨气与三甲基铝的摩尔比介于2000~5000之间，所述氮化铝成核层的沉积温度介于1000°C~1500 ； 步骤C，向MOCVD反应室中通入氨气与三甲基铝，在所述氮化铝成核层上沉积氮化铝过渡层，其中，所述氨气与三甲基铝的摩尔比介于1000~2000之间，所述氮化铝过渡层的沉积温度介于1000°C~1500°C之间； 步骤D，向MOCVD反应室中通入氨气与三甲基铝，在所述氮化铝过渡层上沉积氮化铝缓冲层，其中，所述氨气与三甲基铝的摩尔比介于1000~2000之间，所述氮化铝缓冲层的沉积温度介于550°C~850°C之间； 以及，步骤E，在所述氮化铝缓冲层上沉积氮化镓薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化铝成核层和所述氮化铝过渡层的厚度均介于40nm~IOOnm之间；所述氮化招缓冲层的厚度介于5nm~30nm之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B沉积氮化铝成核层的过程中，所述氨气与三甲基铝的摩尔比为3000，所述沉积温度为1050°C~1150°C之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B中氮化铝成核层的沉积温度为1080 O。
5.根据权 利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中沉积氮化铝过渡层的过程中，所述氨气与三甲基铝的摩尔比为1500，所述沉积温度为1080°C。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D沉积氮化铝缓冲层的过程中，所述氨气与三甲基铝的摩尔比为1500，所述沉积温度为650°C。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C之前还包括: 保持氮化铝成核层沉积温度不变，暂时关闭三甲基铝源，调低通入反应室的氨气流量，并稳定3min~5min后，重新通入三甲基铝至沉积氮化铝过渡层所需的氨气与三甲基铝的摩尔比。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D之前还包括: 暂时关闭三甲基铝源，按照预设速率降温至氮化铝缓冲层的沉积温度后，重新通入三甲基铝来生长氮化铝缓冲层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤E之前还包括: 在MOCVD反应室中，在1000°C以上，氨气气氛下对所述氮化铝缓冲层退火3min~IOmin0
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括: 在MOCVD反应室中，对硅(111)衬底进行高温烘烤，该高温烘烤在氢气环境下进行，高温烘烤的温度应当高于1000°C。
【文档编号】C23C16/02GK103849853SQ201410058985
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】冯玉霞, 杨少延, 魏鸿源, 焦春美, 孔苏苏 申请人:中国科学院半导体研究所