CN100451181C - 利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对现有的单晶薄膜生产中相邻窗口区域的外延晶体取向不一致引起倾斜晶界和界面起伏及工艺复杂，易引起二次污染的问题，公开了一种掩膜制备工艺简单，同时可提高外延薄膜晶体质量的利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法，它以氮化物的两步法生长技术为基础，对衬底预处理后，通入氨气和(稀释的)硅烷形成原位SiNx掩膜覆盖衬底的部分表面，然后在未被覆盖的衬底上生长缓冲层和氮化物单晶薄膜。本发明具有工艺简单，无二次污染，能有效提高氮化物单晶薄膜的晶体质量的优点。

Description

利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种半导体制造技术，尤其是一种利用掩膜生产半导体单晶薄膜的方法，具体地说是一种利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法。
背景技术
众所周知，氮化物半导体单晶薄膜由于具有独特的物理、化学特性，在光电子和微电子领域的研究和应用日益广泛与深入。由于缺少晶格匹配的衬底材料，严重阻碍了氮化物外延材料的进一步发展和应用，目前只能采用晶格不匹配的衬底和缓冲层进行异质外延生长，导致外延层中位错密度很高(108～1010cm-2)，晶体质量较差，影响了器件水平的提高。一般来说，利用掩膜技术进行侧向生长能够提高氮化物单晶薄膜的晶体质量，首先把衬底上预先沉积的介质层(或外延层)或者直接在衬底表面刻蚀出各种掩膜图形的窗口区和掩膜区，然后在图形的窗口区开始成核和向上生长，最终外延层在掩模区上方沿侧向相互连接合并，然后形成准二维生长。但是这种掩膜方法存在的不足之处在于：首先相邻窗口区域的外延晶体取向不一致，从而引起倾斜晶界和界面起伏；其次是为了获得较好的晶体质量需要生长较厚的外延层，再次是增加了工艺环节(如掩膜的蒸发、光刻、刻蚀、清洗等)，过程较为复杂，容易引起杂质二次污染，加大了材料外延和器件制作的难度。
发明内容
本发明的目的是针对现有的单晶薄膜生产中相邻窗口区域的外延晶体取向不一致引起倾斜晶界和界面起伏及工艺复杂，易引起二次污染的问题，发明一种掩膜制备工艺简单，同时可提高外延薄膜晶体质量的利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法。
本发明的技术方案是：
一种利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法，其特征是它包括以下步骤：
第一步，对衬底进行预处理，将衬底放入MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD的反应室中，在氢气气氛下以1000℃～1200℃烘烤衬底以去除表面的沾污；
第二步，将上述预处理过的衬底降温至400℃～800℃，在200～760torr的压力下通入氨气和硅烷，在衬底表面随机形成岛状SiNx掩膜；调节氨气和硅烷的流量比及反应时间可以改变SiNx岛状掩膜的尺寸和密度；
第三步，通入镓源，在未被SiNx掩膜覆盖的衬底表面生长出厚度为0.01～0.1微米的缓冲层，控制缓冲层的高度低于SiNx掩膜的高度，关闭镓源；
第四步，在700℃～1100℃和100～300torr，再通入氨气和有机源得到一定厚度的氮化物单晶薄膜。
所述的衬底为蓝宝石、氧化锌、氮化铝、氧化镁、镓酸锂或铝酸锂。
所述的缓冲层或为在400℃～1180℃温度条件下生长的氮化镓、氮化铝或铝镓氮，或为在不同温度条件生长的多层材料的组合体。
所述的氮化物单晶薄膜为非有意掺杂的铟铝镓氮系列的二元合金(如氮化镓、氮化铝、氮化铟等)、三元合金(如铟镓氮、铝镓氮、铝铟氮等)或四元合金(如铟铝镓氮等)。
所述的氮化镓单晶薄膜为有意掺杂的n型或p型铟铝镓氮系列的二元合金(如氮化镓、氮化铝、氮化铟等)、三元合金(如铟镓氮、铝镓氮、铝铟氮等)或四元合金(如铟铝镓氮等)。
本发明的衬底经原位预处理后(如烘烤、氮化等)，通入氨气和(稀释的)硅烷生长低温SiNx掩膜，该层SiNx呈岛状随机分布于衬底表面。随后在未被SiNx岛覆盖的衬底表面沉积缓冲层，然后在缓冲层上外延生长氮化物薄膜，达到一定厚度时相邻的氮化物外延层逐渐在岛状掩膜区域的上方合并、形成平面，此后位错在由垂直生长变为水平生长，降低穿透外延层到达表面的几率，改善了晶体质量。
本发明具有以下优点：
1、利用外延生长设备在一个工艺过程中即可顺次完成掩膜制备和薄膜外延生长工艺，无需离位掩膜制备，简化了工艺流程，缩短了工艺时间，提高了外延效率。
2、本发明的掩膜制备和薄膜外延生长能一次性、连续完成，简化了掩膜的制备过程，无杂质造成的二次污染。
3、通过利用X射线衍射(XRD)技术测定氮化镓单晶薄膜的(002)面和(102)面摇摆曲线半峰宽(FWHM)分别对应螺位错密度和刃位错密度大小，实测证明利用本方法(有掩膜)和常规二步法(无掩膜)分别生长非有意掺杂的氮化镓单晶薄膜(厚约2.15微米)的晶体质量如图1所示。无掩膜样品的(002)面和(102)面摇摆曲线的FWHM分别为260arcsec.和430arcsec.，有掩膜样品的(002)面和(102)面摇摆曲线的FWHM分别为240arcsec.和290arcsec。
附图说明
图1所示为本发明的有掩膜和现有技术中的无掩膜生长非有意掺杂氮化镓单晶薄膜(约2.15微米)的(002)面和(102)面摇摆曲线FWHM的对比图。
图2为本发明的采用有掩膜方法生长氮化物单晶薄膜的原理示意图。
图中：1为衬底，2为岛状掩膜，3为缓冲层，4为氮化物单晶薄膜。
具体实施方式
下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图2所示。
一种利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法，它包括以下步骤：
第一步，对衬底进行预处理，将衬底放入MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD的反应室中，在氢气气氛下以1000℃～1200℃烘烤衬底以去除表面的沾污；
第二步，将上述预处理过的衬底降温至400℃～800℃，在200～760torr的压力下通入氨气和硅烷，在衬底表面随机形成岛状SiNx掩膜；调节氨气和硅烷的流量比及反应时间可以改变SiNx岛状掩膜的尺寸和密度；
第三步，通入镓源，在未被SiNx掩膜覆盖的衬底表面生长出厚度为0.01～0.1微米的缓冲层，控制缓冲层的高度低于SiNx掩膜的高度，关闭镓源；
第四步，在700℃～1100℃和100～300torr下，再通入氨气和有机源得到一定厚度的氮化物单晶薄膜。
本发明的单晶薄膜的结构如图2所示。
下面结合具体的应用例对本发明作进一步的说明，对于熟悉本领域的人员来说，下面具体例中的参数可参考权利要求书所公开的内容进行替换，以达到制备氮化物单晶薄膜的目的。
具体例1：
1)选择蓝宝石衬底，利用MOCVD技术生长；
2)在100Torr和1100℃，氢气气氛烘烤衬底10分钟去除表面的沾污；
3)降温至550℃，500Torr，通入5升/分的氨气对表面进行氮化处理2分钟；
4)通入3升/分的氨气和4毫升/分硅烷(200ppm，氢气稀释)形成SiNx掩膜，时间120秒；
5)关闭硅烷，通入3升/分的氨气和20毫升/分的三甲基镓生长0.03微米的氮化镓缓冲层；
6)关闭三甲基镓，升温至1040℃进行重结晶；
7)温度稳定后，在200Torr通入5升/分的氨气和30毫升/分的三甲基镓生长2微米非故意掺杂的氮化镓单晶薄膜；
8)降温即可得到图2所示结构的氮化物单晶薄膜。
上述的MOCVD生长方法还可用MBE、HVPE或UHVCVD来代替。
具体例2：
1)选择蓝宝石衬底，利用MOCVD技术生长；
2)在100Torr和1100℃，氢气气氛烘烤衬底10分钟去除表面的沾污；
3)降温至550℃，500Torr，通入5升/分的氨气对表面进行氮化处理2分钟；
4)通入3升/分的氨气和4毫升/分硅烷(200ppm，氢气稀释)形成SiNx掩膜，时间120秒；
5)关闭硅烷，通入3升/分的氨气和20毫升/分的三甲基镓生长0.03微米的低温氮化镓缓冲层；
6)升温至900~1040℃，在200Torr通入2升/分的氨气和20毫升/分的三甲基镓生长0.6微米的高温氮化镓缓冲层；
7)关闭三甲基镓，升温至1040℃进行重结晶；
8)温度稳定后，通入5升/分的氨气和30毫升/分的三甲基镓生长2微米非故意掺杂的氮化镓单晶薄膜；
9)降温即可得到图2所示结构的氮化物单晶薄膜。
上述的MOCVD生长方法也可用MBE、HVPE或UHVCVD来代替。
具体例3：
1)选择蓝宝石衬底，利用MOCVD技术生长；
2)在100Torr和1100℃，氢气气氛烘烤衬底10分钟去除表面的沾污；
3)降温至550℃，500Torr，通入5升/分的氨气对表面进行氮化处理2分钟；
4)通入3升/分的氨气和4毫升/分硅烷(200ppm，氢气稀释)形成SiNx掩膜，时间120秒；
5)关闭硅烷，通入3升/分的氨气和20毫升/分的三甲基铝生长0.03微米的氮化铝缓冲层；
6)关闭三甲基铝，升温至1040℃进行重结晶；
7)温度稳定后，在200Torr通入5升/分的氨气和30毫升/分的三甲基镓生长2微米非故意掺杂的氮化镓单晶薄膜；
8)降温即可得到图2所示结构的氮化物单晶薄膜。
上述的MOCVD生长方法同样可用MBE、HVPE或UHVCVD来代替。
本发明未涉及部分均与现有技术相同。

Claims (5)

1、一种利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法，其特征是它包括以下步骤：
第一步，对衬底进行预处理，将衬底放入MOCVD、MBE、HVPE或UHVCVD的反应室中，在氢气气氛下以1000℃～1200℃烘烤衬底以去除表面的沾污；
第二步，将上述预处理过的衬底降温至400℃～800℃，在200～760torr的压力下通入氨气和硅烷，在衬底表面随机形成岛状SiNx掩膜；
第三步，通入镓源，在未被SiNx掩膜覆盖的衬底表面生长出厚度为0.01～0.1微米的缓冲层，控制缓冲层的高度低于SiNx掩膜的高度，关闭镓源；
第四步，在700℃～1100℃和100～300torr，再通入氨气和有机源生长得到一定厚度的氮化物单晶薄膜。
2、根据权利要求1所述的利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法，其特征是所述的衬底为蓝宝石、氧化锌、氮化铝、氧化镁、镓酸锂或铝酸锂。
3、根据权利要求1所述的利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法，其特征是所述的缓冲层为在400℃～1180℃温度条件下生长的氮化镓、氮化铝或铝镓氮。
4、根据权利要求1所述的利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法，其特征是所述的氮化物单晶薄膜为非有意掺杂的铟铝镓氮系列的二元合金、三元合金或四元合金。
5、根据权利要求1所述的利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法，其特征是所述的氮化物单晶薄膜为有意掺杂的n型或p型铟铝镓氮系列的二元合金、三元合金或四元合金。
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