一种高晶体质量AlN外延层的生长方法
【专利摘要】本发明涉及外延层生长【技术领域】，尤其涉及一种基于大倾角蓝宝石衬底上生长高晶体质量ALN外延层的方法。该生长方法采用大倾角蓝宝石衬底，包括以下步骤：烘烤衬底；低温沉积AlN成核层；升温退火；AlN高温外延生长，利用台阶聚效应导致的宏台阶降低位错密度；AlN表面形貌控制，提高生长速度修正表面形貌，促进所述宏台阶的减弱和消失，以获得表面平整的AlN表面。本发明提供了一种生长低位错密度和表面平整的高晶体质量AlN外延层的方法。本发明方法简单易行，且对MOCVD系统不会造成任何污染。
【专利说明】—种高晶体质量八…外延层的生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及外延层生长【技术领域】，尤其涉及一种基于大倾角蓝宝石衬底上生长高晶体质量八⑶外延层的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，在医疗、杀菌、印刷，数据存储、探测以及保密通讯等方面应用巨大需求的推动下，以高八1组分八16^01组分大于0.4，简称高八为核心的深紫外(0-)发光器件和探测器件日渐引起人们的重视。而要研制高性能皿V发光器件和探测器，八故衬底以及高晶体质量八故模板是实现上述器件的关键基础之一，因此二者的制备方法显得极为重要。由于目前商业化的八故单晶衬底价格昂贵、难以获得，因而选择在紫外透光率很高的蓝宝石衬底上采用金属有机物化学气相沉积制备高晶体质量八故模板就成为国际上的主流路线。然而，上述制备过程中存在较大的晶格失配，导致八故中产生大量的贯穿位错，严重影响基光电器件的性能，因而发展低位错密度“财莫板制备方法极为重要。
[0003]在(0001)面蓝宝石衬底上采用10(^0生长八故模板的工艺过程一般分为以下五个阶段:
[0004](1)烘烤阶段:氢气环境下，在高温(如11001 )下烘烤衬底约10分钟；
[0005](2)衬底预处理阶段:降温(如9501 )，八1化衬底；
[0006](3)成核阶段:调整成核层生长温度(如9400，并以三甲基铝和氨气为源生长八成核层；
[0007](4)升温阶段:将温度升高(如1100-13001 )；
[0008](5)外延生长阶段:通入三甲基铝和氨气生长八故外延层，厚度为1-3微米。
[0009]由于衬底技术的限制和八IX本身的物理、化学特性，加上目前商用的10(^0生长温度不够高(一般不超过12001 )。无法完全剪裁八故的生长行为，使得在高晶体质量夕卜延生长行之有效的“两步法”中减少位错的“多面控制模式”(如图1所示)难以在八故的制备中有效实现。无法利用多个生长面对位错的镜像力作用来实现贯穿位错的弯折效应(13611(11118)，进而实现位错湮灭、反应，不再向上延伸的物理过程。此外，由于(0001)面蓝宝石上八故生长过程中所受的双轴应力，在纤锌矿结构氮化物的主要的位错滑移系统{0001}〈11-20〉、{1-100}〈11-20〉、{1-100}〈0001〉、{11-20}〈0001〉、{11-20}〈1-100〉的有效剪切应力因子为零。故而通过应力工程实现位错滑移，创造位错相遇进而湮灭、反应的途径也十分低效。基于上述的限制，必须开发能有效减少贯穿位错(包括螺型位错和刃型位错)的八故外延生长框架。
[0010]因此，针对以上不足，本发明提供了一种生长低位错密度和表面平整的高晶体质量八IX外延层的方法。
【发明内容】
[0011](一)要解决的技术问题
[0012]本发明要解决的技术问题是传统方法MOCVD制备的高晶体质量AlN外延层位错密度大、表面不平整的问题。
[0013](二)技术方案
[0014]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高晶体质量AlN外延层的生长方法，采用大倾角蓝宝石衬底，包括以下步骤:
[0015]S1:烘烤衬底；
[0016]S2:低温沉积AlN成核层；
[0017]S3:升温退火；
[0018]S4:A1N高温外延生长，利用台阶聚效应导致的宏台阶降低位错密度；
[0019]S5:A1N表面形貌控制，提高生长速度修正表面形貌，促进所述宏台阶的减弱和消失，以获得表面平整的AlN表面。
[0020]优选地，在所述步骤SI与所述步骤S2之间执行下述步骤:
[0021]S20，氮化衬底。
[0022]优选地，所述步骤S20的氮化过程温度为900-1000°C，反应室压力为50_100mbar，氮化时间为5-20S。
[0023]优选地，所述步骤S4外延生长温度为1000-1200°C，氨气和金属有机源的摩尔流量比小于400，生长压力为50-100mbar。
[0024]优选地，所述大倾角蓝宝石衬底的倾角为1° -4°。
[0025]优选地，在所述步骤SI之前执行步骤SO实现所述氮化时间与所述倾角相匹配；实现所述氮化时间与步骤S2中形成的AlN成核层厚度相匹配。
[0026]优选地，所述厚度为7_15nm。
[0027]优选地，所述步骤S4中的AlN的生长速度为0.5-0.7 μ m/h,所述步骤S5中的AlN的生长速度为不小于I μ m/h。
[0028]优选地，所述步骤S5中通过提高金属有机源流量的方法提高所述生长速度。
[0029]优选地，所述生长方法为金属有机物化学气相沉积法。
[0030](三)有益效果
[0031]本发明的上述技术方案具有如下优点:该高晶体质量AlN外延层的生长方法采用大倾角蓝宝石衬底,包括烘烤衬底；低温沉积AlN成核层；升温退火；A1N高温外延生长，利用台阶聚并导致的宏台阶效应降低刃型位错密度；A1N表面形貌控制，改变生长速度修正表面形貌，促进宏台阶效应的减弱和消失，以获得表面平整的AlN表面。大倾角蓝宝石做衬底产生非常小的原子台阶宽度，使得较低的生长温度就能实现AlN的二维生长模式；利用大倾角蓝宝石衬底上原子台阶的聚并效应导致宏台阶，进而导致的对位错的镜像力作用，来实现对位错的弯折效应实现位错的减少，利用X射线衍射ω扫描AlN外延层(002)面摇摆曲线半高宽可低于10arscec, (102)面半高宽可低于500arscec,进而具有很低的螺型和刃型位错密度；通过对AlN生长速度的调整，实现消除由于原子台阶聚并导致的宏台阶，实现极为平整的AlN表面。因此，本发明提供的高晶体质量AlN外延层的生长方法生长的AlN外延层位错密度低、表面平整。本发明方法简单易行，且对MOCVD系统不会造成任何污染。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是现有的10(^0生长“两步法”贯穿位错减少的多面控制模式示意图；
[0033]图2是大倾角蓝宝石衬底上八故的外延层制备中位错减少的“多面控制模式”示意图；
[0034]图3 (￡1)、图3⑶是(0001)面蓝宝石衬底示意图；
[0035]图4是本发明提供的高晶体质量八故外延层生长方法的步骤框图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0037]图4所示为本实施例提供的高晶体质量八故外延层生长方法的步骤框图。本发明提供了一种高晶体质量八故外延层的生长方法，采用大倾角蓝宝石衬底，包括以下步骤:
[0038]51:烘烤衬底；
[0039]82:低温沉积成核层；
[0040]83:升温退火；
[0041]54 高温外延生长，利用台阶聚效应导致的宏台阶降低位错密度；
[0042]35:八故表面形貌控制，提高生长速度修正表面形貌，促进所述宏台阶的减弱和消失，以获得表面平整的八故表面。
[0043]本发明提供的高晶体质量八IX外延层的生长方法生长的八IX外延层位错密度低、表面平整。本发明方法简单易行，且对10(^0系统不会造成任何污染。
[0044]在步骤51与步骤32之间执行步骤320:氮化衬底。为进一步提高降低位错的效率，引入氮化工艺过程，以期望压制螺型位错的产生和应力的调整，进一步拓宽生长工艺的窗口。
[0045]步骤320的氮化过程温度为900-10001，反应室压力为50-1001111^1'，氮化时间为5-208。
[0046]步骤34外延生长温度为1000-12001，氨气和金属有机源的摩尔流量比0/111摩尔比)小于400，生长压力为50-100础31~。
[0047]大倾角蓝宝石衬底的倾角为0打1(或八)1° -4°。其中，为了高质量的外延生长，实际使用的衬底在进行切割时，相对于(0001)正晶面都是有一定倾斜角度的。倾斜的方式有两种，如图3 (^)所示，一是以￡1-八XI8为轴旋转一定的倾角，二是以111-4x18为轴旋转一定的倾角。例如￠: 0打I 2。的(0001)面的蓝宝石衬底指的就是以￡1-八118为轴旋转2°进行切割抛光制备的衬底；而0 0打^ 2。的(0001)面指的则是以111-八118为轴旋转2°进行切割抛光制备的衬底。其中，图3(幻中所示，X为参考边。
[0048]在步骤51之前执行步骤30实现氮化时间与倾角相匹配；实现氮化时间与步骤32中形成的八故成核层厚度相匹配。进一步地，通过反复的实验可以得到，最优化的氮化时间与倾角以及成核层厚度之间的匹配数据，进而能够使生成的高晶体质量八故外延层位错密度更低、表面更为平整。同理与成核层厚度相匹配也是如此，其中，判断的判据为:位错密度降低与否。进一步地，步骤32中形成的成核层的厚度为7-1511111。
[0049]步骤S4中的AlN的生长速度为0.5-0.7 μ m/h,步骤S5中的AlN的生长速度为不小于I μ m/h。
[0050]步骤S5中通过提高金属有机源流量的方法提高所述生长速度。
[0051]进一步地，生长方法为金属有机物化学气相沉积法。
[0052]本发明是在常规的氮化物半导体异质外延生长工艺基础上，实现制备低位错密度AlN外延薄膜材料。其核心思想是通过采用大倾角(miscut angle) (0001)面蓝宝石衬底方法，产生除(0001)面以外其它取向的晶面，极力创造“多面控制模式”，实现位错的湮灭和反应。同时，通过选取具有不同倾角蓝宝石衬底，能有效剪裁衬底表面的原子台阶宽度，增加了 MOCVD材料生长模式参数控制的自由度。并有效降低了对AlN生长温度的苛刻要求，实现二维生长模式(layer by layer或step-f low模式)的稳定性和可靠性,保证表面的平整。
[0053]本发明的制备方法包括衬底烘烤、衬底氮化、低温沉积AlN成核层、升温、AlN高温外延生长等几个阶段。为了生长出高晶体质量AlN外延层，本发明的技术要点有三点。一是衬底氮化处理工艺的引入，该步骤通过对蓝宝石衬底表面的修饰改变其微结构，有利于实现极低的螺型位错密度。二是采用大倾角(选用C off M(或A)l° -4° )蓝宝石衬底，改变衬底倾角能有效剪裁衬底表面的原子台阶宽度，例如当倾角从2°变到4°，台阶宽度能从37.2nm减小到18.6nm,远小于目前广泛使用的常规蓝宝石衬底C off M 0.2°的台阶宽度372.2nm，大倾角导致的非常小的原子台阶宽度，使得较低的生长温度就能实现AlN的二维生长模式；更重要的是，可以利用大倾角衬底上原子台阶的聚并效应(bunching)产生的宏台阶(macro step)面,进而导致对位错的镜像力作用，来实现对位错的弯折效应(bending)，创造位错相遇、进而发生合并，形成位错环以及湮灭行为进而位错减少，特别是刃型位错密度的降低(如图2所示)。三是在以上完成AlN中位错减少的物理过程之后，通过对AlN生长速度的调整，实现消除由于原子台阶聚而导致的宏台阶，实现极为平整的AlN表面。基于以上要点，在本发明中，优选的技术方案是首先对衬底倾角和氮化时间的匹配进行优化，实现二者的匹配来实现低位错密度的AlN ;然后在此基础上，通过改变AlN的生长速度，实现对表面形貌的控制，消除宏台阶，实现单原子台阶形貌。在优化了的工艺基础上，AlN的高温生长对温度的要求可极大的降低，较低温度就可以制备具有较好晶体质量的AlN外延膜，远低于国际上文献报道的AlN外延生长需要的1400°C以上的高温，可极大的解除一般商用MOCVD生长温度较低的限制，具有很大的应用价值。
[0054]在本发明方法中，在衬底烘烤阶段，烘烤温度为1080 - 1150°C ;衬底氮化阶段温度为900-1000°C;在低温AlN成核阶段，温度为900 — 1000°C，反应室压力50 — 10mbar,厚度为7-15nm ;升温退火阶段，从成核层温度升至高温外延温度1000-1200°C，时间为100 —250s，并稳定20-50s ;A1N高温外延生长阶段，外延生长温度为1000-1200°C，V/III摩尔比小于400 (根据MOCVD配置调整，采用尽量小的V/III摩尔比)，生长压力50_100mbar ;其它条件采用常规的AlN生长条件即可；最后的表面形貌调整阶段，在保持高温外延生长的其它条件不变的情况下，通过提高金属有机源的流量，来增加AlN生长速度，来减少和消除宏台阶，实现原子级平整的AlN表面。该方法关键点是:(1)衬底氮化阶段，氮化的时间需要和AlN成核层厚度匹配，可显著降低AlN中X射线衍射ω扫描(002)面摇摆曲线半高宽，反之则造成该半高宽值的升高；(2) AlN高温外延生长阶段，速度控制到0.5-0.7微米/小时，过快的生长速度将导致宏台阶实现位错减少的效果降低；(3)最后的表面形貌调整阶段，通过提高金属有机源流量的方法提高八故的生长速度，实现原子级平整的八故表面。
[0055]实施例一
[0056]1)用金属有机物化学气相沉积设备3冊11 008 10(^0),衬底采用0打I 2。的(0001)面的蓝宝石衬底，通入!12，反应室压力为120^%在11001下烘烤6008，清洗衬底。
[0057]2)降温到9501，通入氨气氮化78，！！2作为载气，反应室压力为100池虹。并向反应室中通入三甲基铝。
[0058]3) 9501生长低温八生长厚度为10咖。
[0059]4)保持反应室压力为'，停止通三甲基铝，继续通入氨气，用200秒时间把温度升至11001，稳定208。
[0060]5)通入氨气和三甲基铝，保持反应室压力801111^1'，温度11001的条件，7/111摩尔比为375，高温外延生长八厚度为1 9 III。
[0061]6)在保持5)其它条件不变的基础上，提高三甲基铝流量到30皿01加111的流量，继续外延生长八厚度为50011111。
[0062]在实施例一得到的八故外延层中，利用X射线衍射0扫描(002)面摇摆曲线半高宽低于100^11*8060，(102)面半高宽低于500^11*8060，进而具有较低的螺型和刃型位错密度。
[0063]其中，半高宽指的是特定晶面的X射线摇摆扫描曲线峰值强度一半处对应的扫面角度的差值，该值越小，晶体质量越好。常用的两个晶面为(002)和(102)面，(002)面半高宽值对应螺型位错密度，且位错密度正比于该半宽值的平方；(102)面的半高宽值对应刃型位错密度，位错密度也正比于该半宽值的平方。
[0064]实施例二
[0065]1)用金属有机物化学气相沉积设备008衬底采用0打I 4。的(0001)面的蓝宝石衬底，通入!12，反应室压力为120^%在11001下烘烤6008，清洗衬底。
[0066]2)降温到9301，通入氨气氮化108，作为载气，反应室压力为洲池虹。并向反应室中通入三甲基铝。
[0067]3) 9301生长低温八生长厚度为10咖。
[0068]4)保持反应室压力为'，停止通三甲基铝，继续通入氨气，用100秒时间把温度升至10001，稳定208。
[0069]5)通入氨气和三甲基铝，保持反应室压力601111^1'，温度10001的条件，7/111摩尔比为200，高温外延生长八厚度为0.8 9 0。
[0070]6)在保持5)其它条件不变的基础上，提高三甲基铝流量，继续外延生长八速度为 1.0 9 111/11,厚度为 30011111。
[0071]在实施例二得到的八IX外延层中，利用X射线衍射￠0扫描(002)面摇摆曲线半高宽低于100^11*8060，(102)面半高宽低于500^11*8060，进而具有较低的螺型和刃型位错密度。
[0072]综上所述，本发明提供了一种生长低位错密度和表面平整的高晶体质量八故外延层的方法。本发明方法简单易行，且对服)(^0系统不会造成任何污染。
[0073]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种高晶体质量A1N外延层的生长方法，其特征在于，采用大倾角蓝宝石衬底，包括以下步骤: S1:烘烤衬底； 52:低温沉积A1N成核层； 53:升温退火； 54:A1N高温外延生长，利用台阶聚效应导致的宏台阶降低位错密度； 55:A1N表面形貌控制，提高生长速度修正表面形貌，促进所述宏台阶的减弱和消失，以获得表面平整的A1N表面。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，在所述步骤S1与所述步骤S2之间执行下述步骤: S20，氮化衬底。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述步骤S20的氮化过程温度为900-1000°C，反应室压力为50-100mbar，氮化时间为5_20s。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述步骤S4外延生长温度为1000-1200°C，氨气和金属有机源的摩尔流量比小于400，生长压力为50_100mbar。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述大倾角蓝宝石衬底的倾角为1。-4。。
6.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，在所述步骤S1之前执行步骤S0实现所述氮化时间与所述倾角相匹配；实现所述氮化时间与步骤S2中形成的A1N成核层厚度相匹配。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述厚度为7-15nm。
8.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述步骤S4中的A1N的生长速度为0.5-0.7ym/h，所述步骤S5中的A1N的生长速度为不小于1 μ m/h。
9.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述步骤S5中通过提高金属有机源流量的方法提高所述生长速度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的生长方法，其特征在于，所述生长方法为金属有机物化学气相沉积法。
【文档编号】H01L21/205GK104319234SQ201410542542
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】许福军, 沈波, 秦志新, 王嘉铭, 张立胜, 何晨光, 杨志坚 申请人:北京大学