本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种用于氮化物外延生长的叠层基板及其形成方法。
背景技术：
作为第三代半导体，氮化镓具有优异和独特的电学和光学特性，如宽直接带隙、高热导率、大击穿电场强度、耐高温高压、抗腐蚀、抗辐射等，适合应用于条件恶劣的环境中。氮化镓基材料可用于紫外/蓝色/绿色发光二极管(LED)、激光器、光探测器和高频、高效、高压、大功率高电子迁移率晶体管(HEMT)等领域。
由于缺乏同质氮化镓和氯化铝单晶衬底，氮化镓通常异质外延生长在蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌等衬底上。由于氮化镓和上述衬底之间存在晶格常数和热膨胀系数的不匹配，导致在硅衬底上外延形成的氮化镓外延层易产生裂纹和大量位错或缺陷，晶体质量较差，造成载流子泄漏和非辐射复合中心的增多，降低了器件的内量子效率，影响了器件水平的提高。
缓冲中间层技术是氮化物异质外延的关键技术，它直接影响外延层的晶体质量和特性参数。目前，氮化镓生长采用的缓冲中间层有低温氮化镓层、低温氮化铝层、高温氮化铝层、3C-碳化硅层、氧化锌层等。如蓝宝石衬底的氮化镓外延，目前通常采用的方法是低温生长氮化物成核层技术。缓冲中间层使氮化镓在其上进行二维生长，应力减少，并抑制外延缺陷向上延伸。因此，材料的晶体质量得以提高。
但是，目前采用高温生长工艺形成的氮化镓层的缺陷较多，因此，还需要提供新的缓冲中间层，以便提高高温生长形成的氮化物的晶体质量。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于氮化物外延生长的叠层基板及其形成方法，以提供一种适于高温生长高质量氮化物层的缓冲中间层。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于氮化物外延生长的叠层基板，包括：至少一组堆叠结构，所述堆叠结构包括氮化铪层和氮化铝层，所述氮化铪层和氮化铝层相互堆叠；所述叠层基板具有六方晶体结构。
可选的，所述氮化铪层的厚度为1nm～500nm；所述氮化铝层的厚度为1nm～500nm。
可选的，所述堆叠结构的数量为1～500组。
可选的，所述堆叠结构位于半导体衬底表面。
可选的，所述外延生长的工艺包括金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延。
未解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种用于氮化物外延生长的叠层基板的形成方法，包括：采用真空沉积工艺形成至少一组堆叠结构，所述堆叠结构包括氮化铪层和氮化铝层，所述氮化铪层和氮化铝层相互堆叠，使得形成的叠层基板具有六方晶体结构。
可选的，所述真空沉积工艺包括离子束沉积工艺、磁控溅射工艺或原子层外延工艺。
可选的，所述氮化铪层的厚度为1nm～500nm；所述氮化铝层的厚度为1nm～500nm。
可选的，形成1～500组所述堆叠结构。
可选的，在半导体衬底上形成所述堆叠结构。
本发明的叠层基板包括堆叠的氮化铪层和氮化铝层，由于所述氮化铪层和氮化铝层之间的失配应变协调作用，使得所述叠层基板具有六方晶体结构，与氮化镓等其他金属氮化物半导体材料的晶格结构一致，从而在所述叠层基板表面外延生长氮化物层，能够有效缓解半导体衬底与外延层之间的应力，避免了裂纹的产生和晶体质量的恶化，从而提高所述氮化物层的质量。并且，所述氮化铪层和氮化铝层的高温稳定性好，在采用高温生长工艺在所述叠层基板表面形成氮化物层时，能够有效阻挡氮化物外延层与所述半导体衬底发生界面化学反应或界面成分互扩散的现象，具有很好的杂质阻挡作用。
本发明的叠层基板的形成方法，依次形成相互堆叠的氮化铪层和氮化铝层作为叠层基板。所述叠层基板适于作为高温生长氮化物外延层的基底，能够有效缓解半导体衬底与氮化物外延层之间的应力，避免了氮化物外延层内裂纹的产生和晶体质量的恶化，从而提高所述氮化物层的质量。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的用于氮化物外延生长的叠层基板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的用于氮化物外延生长的叠层基板及其形成方法的具体实施方式做详细说明。
请参考图1，为本发明一具体实施方式的用于氮化物外延生长的叠层基板的结构示意图。
所述叠层基板200包括：至少一组堆叠结构，所述堆叠结构包括氮化铪层201和氮化铝层202，所述氮化铪层201和氮化铝层202相互堆叠；并且，所述叠层基板200具有六方晶体结构。
在本发明的具体实施方式中，所述氮化铪层201的厚度为1nm～500nm；所述氮化铝层202的厚度为1nm～500nm。所述氮化铪层201和氮化铝层202的厚度可以相同，也可以分别具有不同的厚度。
所述堆叠结构内具有一氮化铪层201和位于所述氮化铪层201表面的氮化铝层202。在本发明的具体实施方式中，所述堆叠结构的数量为1～500组，即所述叠层基板具有1～500层氮化铪201层、对应的具有相同层数的氮化铝202层。如图1中所示，所述叠层基板200具有三组堆叠结构，即所述叠层基板200包括三层氮化铪层201、三层氮化铝层202，且所述氮化铪层201和氮化铝层202间隔堆叠。
在该具体实施方式中，所述叠层基板200位于半导体衬底100表面，作为所述半导体衬底100以及待形成的氮化物层之间的缓冲中间层。所述半导体衬底100包括硅衬底、锗衬底或锗硅衬底等。与所述半导体衬底100表面直接接触的可以是氮化铪层201，也可以是氮化铝层202。
所述叠层基板200中，由于所述氮化铪层201和氮化铝层202之间的失配应变协调作用，使得所述叠层基板200具有六方晶体结构，与氮化镓等其他金属氮化物半导体材料的晶格结构一致，从而在所述叠层基板200表面外延生长氮化物层，能够有效缓解半导体衬底100与外延层之间的应力，避免了裂纹的产生和晶体质量的恶化，从而提高所述氮化物层的质量。并且，所述氮化铪层201和氮化铝层202的高温稳定性好，在采用高温生长工艺在所述叠层基板200表面形成氮化物层时，能够有效阻挡氮化物外延层与所述半导体衬底100发生界面化学反应或界面成分互扩散的现象，具有很好的杂质阻挡作用。
因此，所述叠层基板200适合作为高温外延生长氮化物外延层的基底。所述外延生长的工艺包括金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延等。在所述叠层基板200上形成的氮化物层，例如氮化镓层，表面平整，位错数量较少，晶体质量高，可以用于光电和电子结构材料的外延生长。
本发明的具体实施方式还提供一种上述叠层基板的形成方法，包括：采用真空沉积工艺形成至少一组堆叠结构，所述堆叠结构包括氮化铪层和氮化铝层，所述氮化铪层和氮化铝层相互堆叠，使得形成的叠层基板具有六方晶体结构。
在本发明的一个具体实施方式中，在半导体衬底上形成所述堆叠结构。所述真空沉积工艺包括离子束沉积工艺、磁控溅射工艺或原子层外延工艺。形成所述氮化铪层的厚度为1nm～500nm；所述氮化铝层的厚度为1nm～500nm，可以依次在所述半导体衬底表面形成氮化铪层和氮化铝层，最终形成1～500组所述堆叠结构。
在本发明的一个实施例中，采用8英寸的硅衬底作为半导体衬底，晶向为<111>，首先依次将硅衬底进行有机溶剂清洗、氢氟酸腐蚀、去离子水冲洗及氮气烘干，使所述硅衬底表面彻底清洁。然后将清洁好的所述硅衬底放入原子层外延工艺的沉积腔内，真空度为1×10-4Pa，进行原子层外延沉积，硅衬底温度250℃～700℃，依次在硅衬底表面沉积一层氮化铝层、在层叠一层氮化铪层，依次循环沉积，形成叠层基板。在沉积氮化铝层时，氢气和氮气为载气，流量为10slm～80slm；N源为NH3，流量为20slm～80slm，例如50slm；铝源为三甲基铝等具有铝元素的气体，流量为20slm～80slm；生长压力为100mbar～800mbar。在沉积氮化铪层时，将上述铝源替换为铪源，例如四氯化铪等含铪元素的气体，流量为20slm～80slm。
在一个实施例中，形成的氮化铝的厚度为2nm，氮化铪的厚度为5nm，共形成20个堆叠结构，即20层氮化铝、20层氮化铪，总厚度为140nm。
上述方法形成的叠层基板，由于所述氮化铪层和氮化铝层之间的失配应变协调作用，使得所述叠层基板具有六方晶体结构，适于作为高温外延生长氮化物层的基底。可以将所述叠层基板置于金属有机物化学气相沉积炉中，采用金属有机物化学气相沉积工艺在所述叠层基板表面外延生长氮化镓外延层，其中，温度为100℃～1110℃，N源为氨气，流量为50slm；氢气和氮气为载气，流量10slm～80slm；生长压力为100mbar～800mbar，三甲基镓作为镓源。在其他具体实施方式中，所述氮化物层的外延生长工艺还可以为金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延等高温外延生长工艺。
由于所述叠层基板的晶格结构与氮化镓等其他金属氮化物半导体材料的晶格结构一致，从而在所述叠层基板表面外延生长氮化物层，能够有效缓解半导体衬底与外延层之间的应力，避免了裂纹的产生和晶体质量的恶化，从而提高所述氮化物层的质量。并且，所述氮化铪层和氮化铝层的高温稳定性好，在采用高温生长工艺在所述叠层基板表面形成氮化物层时，能够有效阻挡氮化物外延层与所述半导体衬底发生界面化学反应或界面成分互扩散的现象，具有很好的杂质阻挡作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。