CN100587919C - 用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开了一种用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，包括：在用于氮化物外延生长的衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；在所述二氧化硅或氮化硅膜上蒸镀一层金属薄层；退火热处理，在表面形成均匀分布的纳米尺度的金属颗粒；利用形成的纳米尺度的金属颗粒作为掩膜，刻蚀所述二氧化硅或氮化硅膜，形成纳米图形结构；以所述具有纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜为掩膜刻蚀衬底，将纳米图形结构转移到衬底上；腐蚀去掉所述二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到纳米级图形衬底。利用本发明，能降低氮化物外延层中的位错密度，提高外延材料的晶体质量，改善器件的性能，并有利于实现规模化和大面积制作。

Description

用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法
技术领域
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纳米级图形衬底的制作方法。
背景技术
以III-V族氮化镓(GaN)为代表的宽禁带氮化物化合物半导体，在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、太阳光盲紫外光电探测器，以及高频、高温大功率电子器件等诸多方面有着重要而广泛的应用。氮化物主要异质外延生长在蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌、砷化镓衬底上，或同质外延生长在自支撑氮化镓衬底上。
除自支撑氮化镓衬底外，其他衬底和氮化物间存在很大晶格常数失配和热膨胀系数差异。因此，利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)等外延技术生长的氮化物外延层中，存在很大的应力和很多晶体缺陷如位错等，材料的晶体质量因此受到很大影响，进而劣化了器件性能。而采用图形化衬底技术可以缓解衬底和氮化物外延层异质外延生长中由于晶格失配引起的应力，使之得到有效的弛豫，避免裂纹的产生。同时，也能大大降低外延生长的氮化物材料中的位错密度，使晶体质量得到很大提高。
但是，目前制备的图形化衬底大多是采用传统的光刻法制备的。由于受设备精度等条件限制，传统光刻技术制成的图形尺度多在微米量级2-10μm之间。与通常的微米级图形衬底相比，纳米级图形化衬底技术可以更有效弛豫异质结界面生长过程的应力，进一步降低氮化物外延层中的位错密度，提高材料的晶体质量和相应的器件性能。
半导体纳米级的图形的实现则通常采用电子束光刻技术或X射线光刻技术，但这些光刻技术都涉及昂贵的设备、复杂的工艺过程以及较高的成本，并且不能大面积、规模化制作。因此，发展低成本，易于实现规模化和大面积制作的纳米级图形化衬底技术，可以更有效地应用于氮化物外延生长，是目前急需解决的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，以降低氮化物外延层中的位错密度，避免裂纹的产生，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而改善器件的性能，降低制作成本，有利于实现规模化和大面积制作。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，该方法包括以下步骤：
A、在用于氮化物外延生长的衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；
B、在所述二氧化硅或氮化硅膜上蒸镀一层金属薄层；
C、退火热处理，在表面形成均匀分布的纳米尺度的金属颗粒；
D、利用形成的纳米尺度的金属颗粒作为掩膜，刻蚀所述二氧化硅或氮化硅膜，形成纳米图形结构；
E、以所述具有纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜为掩膜刻蚀衬底，将纳米图形结构转移到衬底上；
F、腐蚀去掉所述二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到纳米级图形衬底。
上述方案中，所述用于氮化物外延生长的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌或自支撑氮化镓。
上述方案中，步骤A中所述二氧化硅或氮化硅膜的厚度为50nm至5μm。
上述方案中，步骤B中所述金属薄层为镍Ni、钛Ti、铝Al或金Au，所述金属薄层的厚度为2nm至50nm。
上述方案中，步骤C中所述退火条件为：流动的N2气氛，温度500至1100度，时间30秒至30分钟。
上述方案中，步骤D中所述刻蚀是采用反应离子RIE或感应耦合等离子ICP设备进行干法刻蚀，形成的所述纳米图形结构的尺度在10nm至1000nm之间。
上述方案中，步骤E中所述刻蚀衬底时采用反应离子RIE或感应耦合等离子ICP设备进行干法刻蚀。
上述方案中，步骤F中所述腐蚀是采用稀氢氟酸HF或热磷酸进行湿法腐蚀。
上述方案中，所述的氮化物外延生长时采用的生长方法为金属有机物化学气相淀积MOCVD、氢化物气相外延HVPE或分子束外延MBE中的任意一种，或任意两种或三种的组合，所述氮化物外延层为GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、InAlN或AlGaInN中的任意一种，或由任意多种组合而成的层结构材料。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，通过利用纳米尺度的金属颗粒为掩膜，利用RIE或ICP干法刻蚀设备，制备出纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜，然后再以纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜为掩膜，利用RIE或ICP干法刻蚀设备将纳米图形结构转移到衬底上。
该纳米级图形衬底可用于氮化物的异质外延生长。采用纳米级图形化衬底技术可以缓解衬底和氮化物间异质外延生长过程中由于晶格失配引起的应力，降低氮化物外延层中的位错密度，避免裂纹的产生，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而改善器件的性能。
2、本发明提供的这种用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，不涉及昂贵的光刻设备，能够降低制作成本低，有利于实现规模化和大面积制作。
附图说明
图1为本发明提供的制作用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的方法流程图；
图2为本发明提供的用于氮化物外延的衬底上淀积二氧化硅或氮化硅膜并蒸镀金属薄层后的剖面示意图；其中1是衬底，2是二氧化硅或氮化硅，3是金属层；
图3为本发明提供的高温退火形成的纳米级金属颗粒后的剖面示意图；
图4为本发明提供的利用纳米级金属颗粒为掩膜，ICP或RIE干法刻蚀二氧化硅或氮化硅膜后的剖面示意图；
图5为本发明提供的利用纳米级图形化的二氧化硅或氮化硅膜为掩膜，ICP或RIE干法刻蚀衬底后的剖面示意图；
图6为本发明提供的稀氢氟酸(HF)或热磷酸(H3PO4)湿法腐蚀去掉二氧化硅或氮化硅膜，并将衬底清洗干净，制备成纳米级图形衬底的剖面示意图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的制作用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤101：在用于氮化物外延生长的衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；
在本步骤中，所述用于氮化物外延生长的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌或自支撑氮化镓等，所述二氧化硅或氮化硅膜的厚度为50nm至5μm。
步骤102：在所述二氧化硅或氮化硅膜上蒸镀一层金属薄层；
在本步骤中，所述金属薄层为镍Ni、钛Ti、铝Al或金Au，所述金属薄层的厚度为2nm至50nm。
步骤103：退火热处理，在表面形成均匀分布的纳米尺度的金属颗粒；
在本步骤中，所述退火条件为：流动的N2气氛，温度500至1100度，时间30秒至30分钟。
步骤104：利用形成的纳米尺度的金属颗粒作为掩膜，刻蚀所述二氧化硅或氮化硅膜，形成纳米图形结构；
在本步骤中，所述刻蚀是采用反应离子RIE或感应耦合等离子ICP设备进行干法刻蚀，形成的所述纳米图形结构的尺度在10nm至1000nm之间。
步骤105：以所述具有纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜为掩膜刻蚀衬底，将纳米图形结构转移到衬底上；
在本步骤中，所述刻蚀衬底时采用反应离子RIE或感应耦合等离子ICP设备进行干法刻蚀。
步骤106：腐蚀去掉所述二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到纳米级图形衬底；
在本步骤中，所述腐蚀是采用稀氢氟酸HF或热磷酸进行湿法腐蚀。
基于图1所述的制作用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的方法流程图，以下结合具体的实施例对本发明制作用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的方法进一步详细说明。
实施例1
本实施例为一种用于氮化物外延生长的纳米级图形蓝宝石衬底的制作方法。蓝宝石衬底是目前外延生长氮化物最常用的衬底材料之一。
首先在2英寸蓝宝石衬底上采用等离子体增强化学气相淀(PECVD)技术淀积0.5微米的二氧化硅薄膜，然后利用电子束蒸发方法蒸镀一层15nm的镍金属薄层，结构剖面如图2所示；
接着在流动的N2下，温度850度下退火5分钟，使之表面形成纳米尺度的镍金属颗粒，结构剖面如图3所示；
再利用纳米尺度的镍金属颗粒作为掩膜，采用RIE或ICP等离子刻蚀设备干法刻蚀二氧化硅膜，使之形成纳米图形结构，图形的尺度在50-150nm左右，结构剖面如图4所示；
然后以纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜为掩膜，利用RIE或ICP设备干法刻蚀将纳米图形结构转移到衬底，结构剖面如图5所示。
最后利用稀氢氟酸(HF)将二氧化硅膜湿法腐蚀去掉，即可制成具有纳米尺度图形的蓝宝石衬底，结构剖面如图6所示。该纳米级图形蓝宝石衬底可用于低位错密度、高晶体质量氮化物的外延生长。
实施例2
本实施例为一种用于氮化物外延生长的纳米级图形化Si(111)衬底的制作方法。Si(111)衬底是目前外延生长氮化物常用的衬底材料之一。
首先在Si(111)衬底采用PECVD技术淀积0.5微米的氮化硅薄膜和电子束方法蒸镀一层15nm的钛(Ti)金属薄层，结构剖面如图2所示；
接着在流动的N2下950度下退火20分钟，形成纳米尺度的钛(Ti)金属颗粒，结构剖面如图3所示；
再利用自纳米尺度的金属钛(Ti)颗粒作为掩膜，采用RIE或ICP设备干法刻蚀氮化硅膜，使之形成纳米图形结构，图形尺度在100～300nm左右，结构剖面如图4所示；
然后以纳米图形结构的氮化硅膜为掩膜，采用RIE或ICP设备干法刻蚀将纳米图形结构转移到Si(111)衬底，结构剖面如图5所示。
最后利用160℃热磷酸(H3PO4)将氮化硅膜湿法腐蚀去掉，清洗干净便可制备成具有纳米尺度图形的Si(111)衬底，结构剖面示意图如图6。该纳米尺度图形的Si(111)衬底可用于生长高晶体质量、无龟裂产生的氮化物的外延材料。
上述实施例利用纳米尺度的镍金属或钛金属颗粒为掩膜，利用RIE或ICP干法刻蚀设备制备出纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜，然后再以纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜为掩膜，利用RIE或ICP干法刻蚀设备将纳米图形结构转移到蓝宝石或Si(111)衬底上。该纳米级图形蓝宝石或Si(111)衬底可用于氮化物的异质外延生长。采用纳米级图形化衬底技术可以缓解衬底和氮化物间异质外延生长过程中由于晶格失配引起的应力，降低氮化物外延层的缺陷密度，提高晶体质量，进而改善器件的性能。该技术不涉及昂贵的光刻设备，成本低，易于规模化和大面积制作。
另外，所述的氮化物外延生长时采用的生长方法为金属有机物化学气相淀积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)中的任意一种，或任意两种或三种的组合，所述氮化物外延层为GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN、InAlN或AlGaInN中的任意一种，或由任意多种组合而成的层结构材料。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、在用于氮化物外延生长的衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；
B、在所述二氧化硅或氮化硅膜上蒸镀一层金属薄层；
C、退火热处理，在表面形成均匀分布的纳米尺度的金属颗粒；
D、利用形成的纳米尺度的金属颗粒作为掩膜，刻蚀所述二氧化硅或氮化硅膜，形成纳米图形结构；
E、以所述具有纳米图形结构的二氧化硅或氮化硅膜为掩膜刻蚀衬底，将纳米图形结构转移到衬底上；
F、腐蚀去掉所述二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到纳米级图形衬底。
2、根据权利要求1所述的用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，所述用于氮化物外延生长的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌或自支撑氮化镓。
3、根据权利要求1所述的用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，步骤A中所述二氧化硅或氮化硅膜的厚度为0.5μm。
4、根据权利要求1所述的用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，步骤B中所述金属薄层为镍Ni或钛Ti，所述金属薄层的厚度为15nm。
5、根据权利要求1所述的用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，步骤C中所述退火条件为：流动的N2气氛，温度850度或950度，时间5分钟或20分钟。
6、根据权利要求1所述的用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，步骤D中所述刻蚀是采用反应离子RIE或感应耦合等离子ICP设备进行干法刻蚀，形成的所述纳米图形结构的尺度在50nm至300nm之间。
7、根据权利要求1所述的用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，步骤E中所述刻蚀衬底时采用反应离子RIE或感应耦合等离子ICP设备进行干法刻蚀。
8、根据权利要求1所述的用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，步骤F中所述腐蚀是采用稀氢氟酸HF或热磷酸进行湿法腐蚀。
9、根据权利要求1所述的用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，其特征在于，所述的氮化物外延生长时采用的生长方法为金属有机物化学气相淀积MOCVD、氢化物气相外延HVPE或分子束外延MBE中的任意一种，或任意两种或三种的组合，所述的氮化物外延层为GaN、AlN、InN、AIGaN、InGaN、InAlN或AlGaInN中的任意一种，或由任意多种组合而成的层结构材料。
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