CN100550302C - 一种ⅲ族氮化物半导体材料及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种III族氮化物半导体材料及其生长方法，属于半导体工艺领域。所述方法包括：在半导体衬底上形成一层耐高温掩膜；利用横向外延法在所述耐高温掩膜上生长与所述衬底同质的外延层；将所述半导体置于高温氧化炉中氧化，去除耐高温掩膜，形成与所述衬底同质的悬空图案层；以所述悬空图案层为基底，生长III族氮化物外延，形成III族氮化物半导体材料。所述III族氮化物半导体材料包括：衬底；通过外延技术形成于所述衬底上的悬空图案层；通过III族氮化物的外延技术生长于所述悬空图案层上的III族氮化物外延。本发明降低了生长成本，通过悬空图案层减小了后期生长膜和衬底之间的应力，可以生长无裂纹厚膜。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，特别涉及一种III族氮化物半导体材料及其生长方法。
背景技术
通常将氮化铝(A1N)，氮化镓(GaN)，氮化铟(InN)和它们的三元或四元合金等称为III族氮化物，目前，III族氮化物的外延生长还没有可用的成熟稳定的商业化同质外延衬底。基于III族氮化物的产品，如蓝、绿光发光二极管(LED，Light Emitting Diode)，高电子迁移率晶体管(HEMT，High Electron Mobility Transistor)等都是通过异质外延实现的。目前，III族氮化物通用的异质衬底有蓝宝石(Sapphire)，碳化硅(SiC)，硅(Si)，砷化镓(GaAs)等，III族氮化物与它们的晶格和热失配不可避免的导致高密度的晶体缺陷，如产生位错和龟裂等，进一步地导致氮化物LED和HEMT功率低，寿命短。为了解决高密度的晶体缺陷，现有的三族氮化物半导体材料通常采用掩膜横向外延法和刻蚀横向外延法生长。
参见图1，掩膜横向外延法的工艺过程如下：
1)通过异质外延在异质衬底101(如蓝宝石、碳化硅、硅等)上生长氮化物薄膜102；
2)用介电材料103(如二氧化硅(SiO2)，氮化硅(SiN)等)将氮化物薄膜102完全覆盖，再利用光刻等半导体工艺手段有选择地去掉某些介电材料，露出氮化物薄膜。
这样形成的图形衬底用于第二次外延生长。
3)在合适的生长条件下，二次生长不直接在介电材料103上进行，只在氮化物薄膜102的窗口处进行，外延同时也会从窗口处横向生长，从而覆盖介电材料而再次形成完整的氮化物横向外延膜104。
由于有介电材料终止垂直方向的外延关系，外延横向生长(ELOG，Epitaxial Lateral OverGrowth)可有效地降低穿透位错密度，理论上可以从1010降到106cm-2。
然而，掩膜横向外延法对含铝的氮化物，由于含铝的氮化物会直接生长在任何介电材料上，使ELOG的选择外延失效。尤其是高铝组份氮化物，如Al1-xGaxN(0＜x＜1)中x大于0.4时，ELOG效果非常差。
刻蚀横向外延法的过程和掩膜横向外延法的过程很相似，最大不同之处是：刻蚀横向外延法通过化学或物理刻蚀的方法直接在衬底(如蓝宝石，碳化硅，硅等)或预生长膜上形成槽形图案，然后进行横向外延生长以形成愈合外延层。
刻蚀横向外延法虽然避免了掩膜的缺点，但是在诸如蓝宝石，碳化硅等耐化学和物理腐蚀的材料上刻蚀是非常困难的，导致制造成本提高，且效果不理想。例如：图案槽的深度非常有限，并且槽的侧壁倾角很难做到垂直，都会导致后期外延生长的失败。
发明内容
为了提高半导体材料的质量，为进一步生长器件提供高质量衬底，本发明提供了一种III族氮化物半导体材料及其生长方法。所述技术方案如下：
一种III族氮化物半导体材料的生长方法，所述方法包括：
步骤A：在半导体衬底上形成一层耐高温掩膜；
步骤B：利用横向外延法在所述耐高温掩膜上生长与所述衬底同质的外延层；
步骤C：将所述半导体置于高温氧化炉中氧化，去除耐高温掩膜，形成与所述衬底同质的悬空图案层；
步骤D：以所述悬空图案层为基底，生长III族氮化物外延，形成III族氮化物半导体材料。
所述半导体的衬底为碳化硅，相应地，所述耐高温掩膜的材料为石墨。
所述步骤A具体包括：
步骤A1：将碳化硅衬底清洗后，在衬底上沉积高纯石墨：
步骤A2：通过光刻和干法刻蚀技术在衬底表面形成所需图案掩膜。
所述步骤A具体包括：
步骤A1′：将碳化硅衬底清洗后，涂上一层光刻胶，形成厚度大于1微米的光刻胶层；
步骤A2′：通过光刻形成所需图案，然后放入PVT炉内，在真空、氮气或惰性气体环境中，逐渐将样品升温到大于400℃，进行预加热和光刻胶的碳化，需时不小于5分钟，升温速率保持在不大于1500℃/小时。
所述步骤B具体包括：
将完成掩膜的碳化硅衬底升温到大于等于1500℃，进行PVT碳化硅的横向外延层生长，需时不小于1分钟。
所述图案为：多边形或圆形。
所述步骤D采用的外延技术为MOCVD、MBE、PVT、HVPE、熔体或溶体外延技术。
所述III族氮化物为：氮化镓、氮化铝、铝镓氮、铟镓氮或铝铟镓氮。
所述衬底材料为：硅、砷化镓或氧化锌。
本发明同时提供了一种III族氮化物半导体材料，所述材料包括：
衬底；
通过外延技术形成于所述衬底上的悬空图案层，所述悬空图案层的材料与所述衬底的材料相同；
通过III族氮化物的外延技术生长于所述悬空图案层上的III族氮化物外延。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1)采用PVT生长技术降低了生长成本；
2)采用悬空图案层易于实现剥离，为制作垂直器件提供简便方案；
3)由于悬空图案层的存在，会极大的减小后期生长膜和衬底之间的应力，从而可以生长无裂纹厚膜。
附图说明
图1是现有技术提供的掩膜横向外延法的工艺过程示意图；
图2是本发明实施例1提供的III族氮化物半导体材料的生长方法；
图3是本发明实施例1提供的耐高温掩膜的图案示意图；
图4是本发明实施例1提供的III族氮化物半导体材料的生长工艺示意图；
图5是本发明实施例2提供的III族氮化物半导体材料的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例通过利用物理气相输运(PVT，Physical Vapor Transport)或化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)等外延技术在衬底上生长悬空图案层，然后利用III族氮化物横向外延技术，如金属有机物化学气相外延(MOCVD，Metal-Organic ChemicalDeposition)，卤化物气相外延(HVPE，Hydride Vapor Phase Epitaxy)等生长外延膜。
实施例1
本实施例提供了一种III族氮化物半导体材料的生长方法，包括：
首先，在半导体衬底上形成一层耐高温掩膜；然后，利用横向外延法在所述耐高温掩膜上生长与上衬底同质的外延层；再将上述半导体置于高温氧化炉中氧化，去除耐高温掩膜，形成与上述衬底同质或晶格匹配系数小于3％的异质悬空图案层；接着，以该悬空图案层为基底，生长III族氮化物外延，形成III族氮化物半导体材料。
其中，III族氮化物包括氮化镓、氮化铝、铝镓氮、铟镓氮和铝铟镓氮等，衬底通常为碳化硅、硅或砷化镓等，碳化硅包括：4H、6H，或其他可获得的多种类型以及晶面(如(0001)，(1120)，(1100)等)的碳化硅。
参见图2，本实施例以碳化硅为衬底，III族氮化物半导体材料的生长方法具体如下：
步骤201：在碳化硅的衬底上形成一层耐高温掩膜。
本实施例提供两种形成掩膜的实现方案，但不仅限于这两种方案。具体实现如下：
a.将碳化硅衬底清洗后，通过溅射，电子束沉积等方法在衬底上电积耐高温膜，如高纯石墨等，然后通过光刻和干法刻蚀在衬底表面形成所需图案掩膜；具体图案可以是多边形(长条形或六边形)或圆形等，参见图3所示。
b.在清洗干净后的衬底上涂上一层光刻胶，形成厚度大于1微米的光刻胶层，优选形成厚度为2～5微米的光刻胶层。通过光刻形成所需图案。然后放入PVT炉内，在真空或一定压力下(可以是氮气或惰性气气氛)，逐渐将样品升温到大于400℃，优选升温到500℃～800℃，进行预加热和光刻胶的碳化，需时不小于5分钟，优选20～60分钟。升温速率保持在不大于1500℃/小时，优选200℃～800℃/小时，用以在此过程中确保光刻胶的完全碳化、碳膜和衬底的良好结合，且不破坏光刻图案。
步骤202：利用横向外延法在耐高温掩膜生长碳化硅外延层，具体过程如下：
将完成掩膜的碳化硅衬底升温到大于等于1500℃，优选1700℃～2000℃，进行PVT生长，需时不小于1分钟，优选5～60分钟。此生长过程将形成碳化硅的横向外延层。
步骤203：完成以上步骤后，将样品置于高温氧化炉中氧化，去除耐高温掩膜，形成碳化硅悬空图案层。
步骤204：以碳化硅悬空图案层为基底，生长III族氮化物外延，具体过程如下：
将样品用稀释的氢氟酸溶液清洗，去除表面氧化层。然后进行III族氮化物的外延生长，例如利用气相的MOCVD、分子束外延(MBE，Molecular Beam Epitaxy)、PVT、HVPE或液相(熔体或溶体)等外延技术。在生长一定厚度后，将形成所需厚度的完整的外延膜。可供进一步的器件结构生长，如LED、HEMT等。
上述III族氮化物半导体材料的生长示意图参见图4，其中，包括：衬底401、耐高温掩膜(碳膜图案层)402、悬空图案层(PVT生长岛)403和III族氮化物外延404。
另外，本发明也可以应用于硅、砷化镓或氧化锌等半导体衬底材料，其生长过程同上。首先通过可行的生长方法形成悬空图案层，然后在此悬空图案层上生长III族氮化物材料，这样生长的外延，同样具有缓冲膜效果，可以生长高质量无裂纹氮化物厚膜。
实施例2
本实施例提供了一种III族氮化物半导体材料，该材料是应用实施例1提供的方法生长而成的，参见图5，III族氮化物半导体材料包括：
衬底501；
通过外延技术形成于衬底501上的悬空图案层502，悬空图案层502的材料与衬底501的材料相同；
通过III族氮化物的外延技术生长于悬空图案层502上的III族氮化物外延503。
其中，衬底501为；碳化硅、硅，砷化镓或氧化锌。
上述技术方案的优点如下：
由于PVT生长特点，对SiC的质量和表面抛光度要求降低，由此可以降低生长成本；同时由于PVT本身就是一种低成本生长手段，所以可以进一步降低生长成本。
PVT SiC的横向生长速度非常快，远大于氮化物气相外延时的横向生长速度，容易形成大面积的悬空区；
上述III族氮化物半导体材料采用悬空图案层技术，易于实现剥离，为制作垂直器件提供简便方案；
由于SiC做衬底有更好的晶格匹配，可以进一步提高材料质量；
在生长III族氮化物厚膜时，不需要掩膜。
由于悬空图案层的存在，会极大的减小后期生长膜和衬底之间的应力，从而可以生长无裂纹厚膜，有效地抑制生长膜裂纹的产生，即可以生长更厚的无裂纹外延膜，以达到提高晶体质量的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤A：在半导体衬底上形成一层耐高温掩膜；
步骤B：利用横向外延法在所述耐高温掩膜上生长与所述衬底同质的外延层；
步骤C：将所述半导体置于高温氧化炉中氧化，去除耐高温掩膜，形成与所述衬底同质的悬空图案层；
步骤D：以所述悬空图案层为基底，生长III族氮化物外延，形成III族氮化物半导体材料。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述半导体的衬底为碳化硅，相应地，所述耐高温掩膜的材料为石墨。
3.如权利要求2所述的III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
步骤A1：将碳化硅衬底清洗后，在衬底上沉积高纯石墨；
步骤A2：通过光刻和干法刻蚀技术在衬底表面形成所需图案掩膜。
4.如权利要求1所述的III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述半导体衬底为碳化硅，所述步骤A具体包括：
步骤A1′：将碳化硅衬底清洗后，涂上一层光刻胶，形成厚度大于1微米的光刻胶层；
步骤A2′：通过光刻形成所需图案，然后放入PVT炉内，在真空、氮气或惰性气体环境中，逐渐将样品升温到大于400℃，进行预加热和光刻胶的碳化，需时不小于5分钟，升温速率保持在不大于1500℃/小时。
5.如权利要求3或4所述的III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
将完成掩膜的碳化硅衬底升温到大于等于1500℃，进行PVT碳化硅的横向外延层生长，需时不小于1分钟。
6.如权利要求3或4所述的III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述图案为：多边形或圆形。
7.如权利要求1所述的III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述步骤D采用的外延技术为MOCVD、MBE、PVT、HVPE、熔体或溶体外延技术。
8.如权利要求1、2、3、4或7所述的III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述III族氮化物为：氮化镓、氮化铝、铝镓氮、铟镓氮或铝铟镓氮。
9.如权利要求1所述的III族氮化物半导体材料的生长方法，其特征在于，所述衬底材料为：硅、砷化镓或氧化锌。
10.一种包含III族氮化物半导体材料的半导体结构，其特征在于，所述结构包括：
衬底；
通过外延技术形成于所述衬底上的悬空图案层，所述悬空图案层的材料与所述衬底的材料相同；
通过III族氮化物的外延技术生长于所述悬空图案层上的III族氮化物外延。
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