一种硅衬底上外延含Ga氮化物薄膜的叠层掩模方法和外延生长方法与流程

一种硅衬底上外延含ga氮化物薄膜的叠层掩模方法和外延生长方法
技术领域
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本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种硅衬底上外延含ga氮化物薄膜的叠层掩模方法和外延生长方法。


背景技术：

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目前的含ga氮化物(如gan、algan、ingan等)材料的生长技术中，在si晶圆上外延含ga氮化物是常用的方法之一，因为si衬底具有质量高，导热性相对较好，成本低廉，尺寸大等诸多优点。但是该技术也有一些缺点：1、由于晶格失配度较大，外延生长的含ga氮化物晶体中缺陷较多。2、由于晶格失配应力和热失配应力都很大，并且si衬底易碎，使得在si上外延的含ga氮化物薄膜生长到一定厚度就容易扭曲出现裂纹或者碎裂。3、由于含ga氮化物中的ga原子容易和si原子结合形成合金，形成所谓的回融效应，导致含ga氮化物成核质量差，成核不均匀，影响后续生长的晶体质量。
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为了克服上述缺点和问题，人们采用了多种有效的技术来改进。针对回融效应，一种普遍采用的有效方法是生长aln层来隔离ga原子和si原子。以gan为例，针对于晶格失陪较大的问题，常用的方式是生长algan组分的渐变层，从而释放晶格失配应力。另外，一些研究证明，采用图形化衬底，也可以很好的释放应力。最有效的图形衬底是三维叠层掩模衬底，比如中国专利cn102492986b中公开的三维叠层掩模衬底结构。
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但是即便使用三维叠层掩模衬底，仍然不可回避的遇到ga原子与si原子的回融问题。因此，常见做法是先在si的平面衬底上沉积好一层约5～150nm厚的aln层，然后再做叠层掩模工艺，做好叠层掩模之后，再放入mocvd中进行外延生长gan。这样一来，应力得到了有效的释放，同时叠层掩模衬底在钻出沟道的过程中又湮灭了大量的原生位错缺陷，使得外延得到的gan薄膜晶体质量有了巨大的提升。
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现有技术的缺点如下：
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(1)针对上面所述的在si衬底上生长高质量含ga氮化物的最优技术，即先预生长一层aln，再做叠层掩模工艺，然后使用mocvd技术外延的方法，虽然效果不错，但是工艺步骤较多，需要两次生长过程，相对比较复杂。
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(2)由于有两次生长过程，整体效率不高，耗时较长，所以综合成本较高。


技术实现要素：

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本发明的一个重要目的就是减少含ga氮化物材料生长的工艺步骤，缩短制备时间，从而降低综合成本。
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为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
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一种硅衬底上外延含ga氮化物薄膜的叠层掩模方法，包括以下步骤：
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将三维叠层掩模的底层窗口的宽度变窄，使得所述底层窗口露出的用于成核的硅衬底的横向尺寸接近于含ga氮化物最初形成的原子岛的尺寸。
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进一步地，所述底层窗口的宽度为10～50nm。
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一种三维叠层掩模衬底结构，其包括硅衬底，所述硅衬底上设有三维叠层掩模，所述三维叠层掩模的底层窗口的宽度，使得所述底层窗口露出的用于成核的硅衬底的横向尺寸接近于含ga氮化物最初形成的原子岛的尺寸。
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进一步地，所述底层窗口的宽度为10～50nm。
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进一步地，所述三维叠层掩模包括底层掩模层、顶层掩模层；所述底层掩模层设有周期性分布的窗口，即所述底层窗口；所述顶层掩模层的窗口与所述底层掩模层的窗口的图形相同，窗口的位置相互错开；所述顶层掩模层通过介质层与所述底层掩模层连接。
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进一步地，所述窗口的图形在平面内的对称性与六方晶系iii族氮化物材料的晶体对称性一致或是其子集。
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进一步地，所述窗口的图形是下列中的一种：条形、正三角形、正六边形。
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进一步地，采用硅集成电路工艺的深紫外曝光技术或者极紫外曝光技术获得10～50nm的窗口尺寸，或者通过电子束曝光的方式获得10～50nm的窗口尺寸。
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一种基于所述三维叠层掩模衬底结构的外延生长方法，包括以下步骤：
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1)在低温成核阶段，不生长aln预制层，直接在三维叠层掩模的底层窗口露出的硅衬底表面形成含ga氮化物材料的成核点，然后以成核点为中心形成原子岛，在所述底层窗口宽度尺寸的限制下，所述原子岛在沟道里有规则的分布；
[0021]
2)升高温度，在含ga氮化物材料生长参数条件下进行生长，随着时间增加，生长出的含ga氮化物材料钻出沟道，露出顶层窗口并形成突出的形状；
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3)在钻出沟道并在顶层掩模层的窗口外形成一定高度后，切换生长参数，采用侧向外延技术进行生长。
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进一步地，所述侧向外延技术为基于mocvd的侧向外延技术。
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与现有技术相比，本发明的有益效果是：
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本发明减少了si衬底上外延含ga氮化物薄膜需要aln预制层的工艺步骤，从而节省了时间，提高了生产效率，提高了良率，降低了生产成本。本发明是gan-on-si方案中最关键的高质量材料生长技术，在含ga氮化物产业具有重要的应用价值。
附图说明
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图1是利用三维叠层掩模在硅衬底上生长gan技术示意图。其中：1-顶层掩模层，2-衬底，3-顶层窗口，4-底层窗口，5-底层掩模层，6-连接顶层掩模层和底层掩模层的介质层。
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图2是窗口变窄后的效果示意图。
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图3是具有与氮化镓晶体结构相同对称性的图形，其中(a)图、(b)图、(c)图依次为条形、三角形、六边形。
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图4是条形、三角形、六边形图形衬底设计平面示意图，其中(a)图、(b)图、(c)图依次表示条形、三角形、六边形窗口，虚线代表下层窗口，实线代表上层窗口。
具体实施方式
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为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。下面主要以gan为例进行说明，本发明对于algan、ingan
等其它含ga氮化物也是适用的。
[0031]
本发明是在使用三维叠层掩模技术的基础上进行的改进技术。图1是一种三维叠层掩模衬底结构。如该图所示，位于硅衬底2上的顶层掩模层1与底层掩模层5均设有周期性分布的条形窗口，即顶层窗口3和底层窗口4，但相互错开。顶层掩模层1与底层掩模层5之间通过介质层6连接。顶层掩模层1、底层掩模层5的材料可以是sin
x
等，介质层6的材料可以是sio2等。
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本发明的主要的方案是减小三维叠层掩模制备过程中的底层窗口(如图1中的底层窗口4)的宽度到10～50nm范围。这样能够使得整个方案中不需要预先使用aln薄层去隔离gan来防止回融，整体上会减少工艺步骤，缩短制备时间，同时对晶体质量会有进一步的提高。
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本发明的上述方案的作用原理需从位错缺陷的起源说起。对于外延生长单晶薄膜的过程，最初是先在衬底的表面形成一些所谓的成核点，这些成核点聚集较小的原子团，然后小的原子团生长成为大的原子岛，再继续生长，多个岛之间的边界就会相遇。由于异质外延中有较大的晶格失配，原子岛与岛之间有微小的晶格取向差异。在岛合并的过程中，为了弥补这种晶向差异，就会形成一些缺陷。在gan中，最常形成的缺陷是位错。位错形成的数量与岛的数量相关，越多的岛合并，就会在合并区产生位错。而ga原子和si原子回融形成合金的话，将会使得这种岛与岛之间的晶向差异更大，因为回融总是不均匀的，从而增多了gan层的位错密度，这些位错在后续的叠层掩模沟道里很难完全消除，将会留在最终外延生长的薄膜里，使得整体晶体质量下降。而本发明的技术方案是减小叠层掩模底层窗口的宽度，也就是减少ga原子与si衬底直接接触的面积。一般来说，原子岛的尺寸在几十到几百纳米大小，如果窗口尺寸减小到10nm～50nm范围，那么岛的数量将减少，原生位错也将减少。并且由于窗口宽度足够窄，ga原子与si原子的回融效果也会比较均匀，将不再成为增加原生位错数量的因素。
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本发明的关键点就是三维叠层掩模衬底的底层窗口超窄设计方案。图2是窗口变窄后的效果示意图。采用现有技术中的窗口尺寸，如3-5微米宽，gan形成的原子岛在沟道里随机分布。采用本发明的方案，由于窗口变窄，露出来用于成核的si衬底横向尺寸接近于gan最初形成的原子岛的尺寸，因此原子岛将在沟道里有规则的分布，在岛与岛之间合并的时候产生更少的位错，从而减少原生位错的数量，配合三维叠层掩模技术和mocvd生长技术，达到最终减少位错的目的。
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采用硅集成电路工艺的深紫外曝光技术或者极紫外(euv)曝光技术可以获得10～50nm的窗口尺寸。也可以通过电子束曝光的方式获得10～50nm的窗口尺寸。
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除了图1中的条形窗口外，本发明也可以采用其它窗口形状。比如图3所示的正三角形、和正六边形。这些图形是在平面内的对称性是与gan等iii族氮化物材料的六方晶格的晶体对称性一致或其子集的图形，运用这些具有特殊对称性的图形，使得能够制备铺满整个衬底表面的连续平整的高质量外延层gan等iii族氮化物薄膜，能够更充分的兼容后续器件工艺。顶层掩模层与底层掩模层的图形相同，但相互错开，如图4所示，其中虚线代表下层窗口，实线代表上层窗口。
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gan在本发明的三维叠层掩模衬底结构上的生长过程如下：
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1)在低温成核阶段，不生长aln预制层，直接在三维叠层掩模的底层窗口露出的硅
衬底表面形成gan材料的成核点，然后以成核点为中心形成原子岛，在所述底层窗口宽度尺寸的限制下，所述原子岛在沟道里有规则的分布；
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2)升高温度，在gan材料生长参数条件下进行生长，随着时间增加，生长出的gan材料钻出沟道，露出顶层窗口并形成突出的形状；
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3)在钻出沟道并在顶层掩模层的窗口外形成一定高度后，切换生长参数，采用侧向外延技术(优选为mocvd技术)进行生长。
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本发明所带来的有益效果是，减少了si衬底上外延gan薄膜需要aln预制层的工艺步骤，从而节省了时间，提高了生产效率，提高了良率，降低了生产成本。gan-on-si技术方案是大功率射频芯片领域的主要技术之一，相比于gan-on-sic方案，具有超低成本的巨大优势。sic衬底虽然对外延生长gan有较多益处，但是其成本非常高，是si衬底的400倍以上，而且国内并没有很好的掌握高质量sic衬底的制备技术。相比而言，si单晶是人类生长最成熟的晶体材料之一，由于工艺的成熟度高，且得益于硅基集成电路的大量需求，现在已经成为最便宜的大尺寸单晶衬底之一了。因此，如果能通过一定的工艺加工，在si衬底上生长高质量的gan材料，将使得gan相关的半导体产业发展得到极大的促进，并且将迅速的在价格敏感的民用领域得到应用。如今正值5g通信技术的基础设施建设初期，对高质量的射频材料需求猛增，gan在基站中的应用刚需已经是业界共识。国际上有macom等公司倡导gan-on-si的射频技术，并且随着技术的成熟度上升，在市场中的应用份额还会逐步增加。本发明作为gan-on-si方案中最关键的高质量材料生长技术，将极大的推动国内gan产业的发展。
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以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的原理和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。