CN102492986B - 一种选区异质外延衬底结构及其制备和外延层生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选区异质外延衬底结构及其制备和外延层生长方法，属于光电子技术领域。本衬底结构包括一衬底，衬底上依次设有底层掩膜层、顶层掩膜层；其中，底层掩膜层设有周期性分布的条形窗口，顶层掩膜层上设有周期性分布的“十”字形窗口，“十”字形窗口之间为“工”字形顶层掩膜区；顶层的“工”字形顶层掩膜区两端通过分立的介质层与底层掩膜层的条形掩膜区连接；顶层“十”字形窗口与底层条形窗口相互错开。本发明同时提供了该衬底结构的制备方法以及基于该结构的外延层生长方法。与现有技术相比，本发明提供了一种一步法异质外延的衬底结构，简化了生长工序，同时提高了无位错外延膜的有效宽度，更具有使用价值。

Description

一种选区异质外延衬底结构及其制备和外延层生长方法

技术领域

本发明涉及一种新型异质外延生长衬底方法，可以直接应用于生长高质量III族氮化物半导体等材料。

背景技术

材料是科学技术发展的基石。通常，由于匹配衬底稀缺和难以获得，异质外延生长成为材料生长中广泛采用的基本方法。目前迅速发展的III族氮化物半导体材料就主要在蓝宝石等衬底上外延生长。所谓III族氮化物材料，包括GaN、AlN、InN以及由它们组成的三元和四元合金都是直接带隙材料，具有带隙范围宽(0.75eV～6.2eV)，击穿电场高，热导率高，电子饱和速率高，以及耐化学腐蚀等特点，这些优良的光、电学性质以及优良的材料化学性能使III族氮化物材料在蓝光、绿光、紫光、紫外光及白光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)、紫外光探测器和功率电子器件等光电子器件，以及射频晶体管等微电子器件中有广泛的应用前景。

商用的GaN基器件，多采用蓝宝石衬底进行异质外延。由于晶格的不匹配，外延层中的位错密度极高，随之带来的问题是器件性能、可靠性和寿命的降低，对大功率密度器件，如射频晶体管、蓝紫光激光器的影响尤为突出。

异质外延生长GaN材料依然面临巨大的挑战，发展衬底技术，减小材料位错密度，提高晶体质量始终是人们不懈努力的目标。

欧洲专利EP 0942459A1公布了一种获得高质量GaN外延层的方法，即侧向外延过生长技术(LEO)。步骤如下：先在蓝宝石衬底上按照两步法外延生长GaN籽晶层(4或5μm)，然后在GaN籽晶层上用CVD方法沉积厚度约100nm的无定形SiO₂或SiN_x掩膜。再用常规光刻的方法在掩膜条上开出条形窗口，暴露出GaN籽晶层。条形窗口以宽度为3～5μm为宜，掩膜条宽5～15μm。条形掩膜沿GaN籽晶层的<1-100>_GaN方向，此方向有利于GaN的侧向生长。然后将此图形化衬底进行清洗，去除窗口区表面氧化物，再利用MOCVD或HVPE方法高温1050℃进行第二次GaN选区外延生长。当窗口区生长出的GaN薄膜厚度超过掩膜层厚度时，外延层会在继续垂直生长的同时在掩膜层上进行侧向生长。随后相邻的生长侧面相互连接，最终又融合成新的表面。为了更进一步降低位错密度，该专利还提出了一种基于上述技术的二次处理的方法。主要思路就是利用在上述生长的GaN外延层上，利用相同的工艺方法，再次进行选区外延生长。这次条形掩膜正对第一次图形衬底的窗口，而窗口区则正对第一次图形衬底的条形掩膜。这样利用提供的界面以及促使位错再次转向的掩膜很明显的降低了贯穿位错的密度。同理，也可以将上述步骤重复多次，来最大限度的降低GaN外延层的位错密度。

美国专利US 6177688B1公布了一种称为“悬空外延技术”(PE)的方法来生长高质量的GaN外延层。主要过程如下：先在6H-SiC衬底上沉积一层AlN缓冲层，然后高温生长GaN籽晶层(0.5～2μm)，然后在GaN籽晶层上用CVD方法沉积厚度约100nm的SiN掩膜，再用常规光刻的方法在SiN掩膜条上开出条形窗口，然后选区刻蚀暴露在窗口部分的GaN籽晶层，一直深入到衬底。这样就形成了GaN/缓冲层/衬底的柱状结构和沟槽交替的形状。然后再进行GaN外延片层的生长，此时生长的GaN外延片层悬空于沟槽的上方，是在原GaN外延片层侧壁的横向外延生长。GaN外延层横向生长持续进行，垂直方向GaN的生长从不断扩大的侧向生长阵面新形成的GaN(0001)面开始进行。当垂直方向的GaN外延层厚度超过SiN的厚度时，外延层会在继续垂直生长的同时在SiN掩膜层上进行侧向生长。随后相邻的生长阵面相互连接，最终又融合成新的表面。

这两种方法得到的SiN掩膜上的GaN外延层的位错密度较传统的直接生长在蓝宝石衬底上来说，有非常显著的降低，大幅提高了器件使用寿命。但这两种方法均属两步法的LEO技术，每个窗口区仍然是高位错密度区。两步法的悬空外延技术，沟槽里GaN生长质量较LEO技术有所提高，但每个沟槽的中央区域都是相邻生长阵面相互连接而形成的缺陷区。而基于此的二次或多次选区外延生长，其工序多而且复杂，成本高，不利于规模化生产。

发明内容

本发明是对上述技术的革新和改进，提供了一种一步法选区异质外延生长衬底结构及制备方法，特别针对GaN异质外延生长提出了具体的实施方案，简化了生长步骤和工艺，同时提高了无位错GaN外延膜的有效宽度，更具有实用价值。

本发明的技术方案是：

一种选区异质外延衬底结构，其特征在于包括一衬底，所述衬底上依次设有底层掩膜层、顶层掩膜层；其中，所述底层掩膜层设有周期性分布的条形窗口，所述顶层掩膜层上设有周期性分布的“十”字形窗口，所述“十”字形窗口之间为“工”字形顶层掩膜区；所述顶层的“工”字形顶层掩膜区两端通过分立的介质层与所述底层掩膜层的条形掩膜区连接；所述顶层“十”字形窗口与所述底层条形窗口相互错开。

一种选区异质外延衬底结构的制备方法，其步骤为：

1)在所选衬底表面沉积一层底层掩膜层，然后对该掩膜层进行刻蚀得到周期性分布的条形窗口区和底层掩膜区，得到底层结构；

2)在底层结构上沉积介质层和顶层掩膜层；

3)对顶层掩膜层进行光刻露出“十”字形顶层窗口；其中，顶层窗口与底层窗口相互错开，“十”字形窗口之间为“工”字形顶层掩膜区；

4)腐蚀衬底结构，露出底层掩膜区和条形窗口；其中，顶层“工”字形顶层掩膜区包含两种区域：两端由介质层支撑的区域与中间无介质层的悬空区域。

进一步的，所述底层掩膜层为SiN_x、顶层掩膜层为SiN_x、介质层为SiO₂。

进一步的，首先对所选衬底进行清洗和干燥处理，然后采用LPCVD方法在所选衬底表面沉积底层SiN_x掩膜，然后用常规光刻方法结合AOE刻蚀，开出条形窗口，露出所选衬底。

进一步的，所述条形窗口宽度为1～2μm，周期为18μm；所述“十”字形窗口宽度为2～4μm，周期为18μm；所述衬底为蓝宝石衬底，所述底层SiN_x为100nm、顶层SiN_x为200nm、SiO₂高度为200nm。

进一步的，所述步骤2)中使用PECVD在底层结构上先后沉积SiO₂薄膜和顶层SiN_x薄膜；使用BOE腐蚀SiO₂薄膜。

一种选区异质外延衬底结构的外延层生长方法，其步骤为：

1)在衬底结构的底层条形窗口底部生长一缓冲层；

2)在所述条形窗口内、所述缓冲层上进行外延层垂直生长，当外延层生长阵面越过底层掩膜后同时进行侧向生长，且侧向生长速度大于垂直方向生长速度；

3)当外延层在沟道内的侧向延伸距离接近底层掩膜区宽度时，垂直方向生长速度大于侧向生长速度直至外延层生长阵面露出顶层窗口；

4)控制外延层侧向生长速度大于垂直方向生长速度，进行外延层生长，直至外延层阵面在相邻顶层窗口的顶层掩膜区上接触并融合，得到连续平整的外延层。

进一步的，所述缓冲层材料为不会在底层掩膜上成核的材料。

进一步的，当外延层生长阵面越过底层掩膜后同时进行侧向生长时；对于有介质层覆盖的底层掩膜区，侧向外延只沿一个方向进行生长，对于无介质层的悬空区域，侧向外延沿两相反方向同时进行生长。

本发明一种选区外延生长GaN的衬底方法的主要处理步骤包含：首先用配比为3∶1的硫酸和磷酸湿化学溶液清洗蓝宝石衬底，然后干燥。用CVD方法沉积厚度约100nm的SiN_x掩膜，再用常规光刻的方法在SiN_x掩膜条上开出条形窗口，然后将光刻胶去掉。继续用CVD方法先后沉积SiO₂薄膜和SiN_x薄膜，各约200nm，然后甩胶、烘烤、曝光。用反应离子刻蚀(RIE)技术在SiN_x掩膜条上开出“十”字形窗口，这些窗口和下面的第一层窗口在空间上是错开的，从而保证位错的完全阻挡。将光刻胶去掉，最后用氢氟酸缓冲液(BOE)腐蚀衬底，露出底层SiN_x掩膜和窗口。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明提供了一种可以实现一步法生长III族氮化物材料的衬底结构及制备和外延层生长方法，大大简化了生长步骤和工艺，同时提高了无位错外延膜的有效宽度，更具有使用价值。

附图说明

图1所示一步选区外延衬底结构图；

图2所示一步选区外延衬底结构生长高质量GaN外延层薄膜图；

图3所示一步选区外延衬底结构制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参考图1，衬底经清洗和干燥后，用LPCVD方法在表面沉积一层厚约100nm的底层SiN_x掩膜，然后用常规光刻方法经历甩胶、烘烤、曝光和显影等工序后，再使用AOE (AdvancedOxide Etch)刻蚀方法对该掩膜进行刻蚀直至露出蓝宝石衬底，底层窗口宽度约为1～2μm，周期约为18μm。接下来使用PECVD先后沉积厚度约为200nm的SiO₂薄膜和200nm的顶层SiN_x薄膜，进行二次光刻并使用反应离子刻蚀，露出“十”字形顶层窗口，顶层窗口宽度约为2～4μm，周期约为18μm。其中，顶层窗口与底层窗口相互错开。最后使用BOE腐蚀衬底结构，露出底层SiN_x掩膜和窗口。最后成型的衬底结构上，顶层“工”字形SiN_x掩膜包含两种区域：两端SiO₂支撑的区域与中间无SiO₂薄膜悬空区域。

发明的实施例1

参考图2，使用衬底结构生长GaN外延膜。其过程为：利用金属有机物气相沉积设备(MOCVD)，在氢气(H₂)气氛下，以三甲基镓(trimethylgallium：TMGa)和氨气(NH₃)为源，在图形衬底上生长20nm GaN缓冲层。由于GaN不会在SiN_x掩膜上成核，因此成核区域将选择在底层窗口中，即衬底表面。接着将生长温度升至1040℃，生长GaN外延层。生长过程采用V/III比调制的方法，经历“低-高-低-高”的脉冲式V/III比变换，生长约8μm的GaN外延层以保证形成连续平整的薄膜。

GaN在整个衬底结构上的生长过程如下：首先在底层窗口里形成20nm的缓冲层，然后进行垂直方向的生长，当其生长阵面越过SiN_x掩膜后，在垂直生长的同时进行侧向生长，且侧向生长速度要大于垂直方向。GaN在沟道里的延伸距离接近SiN_x掩膜的宽度时，生长行为再一次发生改变，垂直方向的生长占据主导地位，此过程直至GaN露出顶层窗口后结束。接着和前述GaN露出底层窗口后的行为类似，GaN以侧向生长速度占优的条件生长，相邻窗口中的GaN在SiN_x掩膜层上接触并融合，最后形成连续平整的GaN外延层。

这里，两端SiO₂支撑的区域与中间无SiO₂薄膜悬空区域作为图形衬底上顶层SiN_x掩膜的两种区域，GaN的生长行为不同。在两端SiO₂覆盖的区域，GaN从底层窗口长出来之后，由于附近只有一边有SiN_x掩膜，侧向外延将只沿一个方向；在无SiO₂薄膜的悬空区域，GaN从底层窗口长出来之后，由于两侧都有SiN_x掩膜，侧向外延将沿两相反的方向进行。由于在小尺寸区域上，一个通道会造成GaN颗粒的过度集中，积聚的应力对GaN从顶层窗口生长出来进而融合不利，而两个通道能有效开拓GaN从底层窗口生长出来后的伸展面积，在生长上较为容易实现融合的、连续平整的GaN薄膜。因此图形衬底呈现出两种区域。这两种区域生长出来的GaN外延层又可以通过表征来对比其生长质量。

GaN从底层窗口中生长出来，同时与生长方向相同的位错也在向上延伸，由于位错不能无端消失，只能终止于界面或表面，顶层的SiN_x掩膜便起到了这样一个作用；两端有SiO₂膜支撑的区域，由于通道中GaN只能向一侧延伸，因此从底层相邻窗口长出来的GaN会在顶层掩膜中央附近融合，这样形成的融合区又会形成高缺陷区。中间无SiO₂膜支撑的区域，由于从底层窗口长出来的GaN向两侧延伸，因此在相邻的底层SiN_x掩膜上发生融合，形成缺陷区。和上面类似，当GaN露出顶层窗口后，又会在顶层掩膜中央融合。于是，在GaN外延层表面就会有两种典型的缺陷区：两端有SiO₂支撑的SiN_x掩膜区域，缺陷区在顶层SiN_x掩膜中央区域；具有悬空SiO₂的SiN_x掩膜区域，缺陷区除了在顶层SiN_x掩膜中央区域外，还会分布在顶层窗口中央的中间区域。但相较LEO窗口区域全是缺陷区，PE技术每个窗口中央区域都是缺陷区再加上这两种技术都是二次外延，工序复杂，这种新型的外延生长GaN的图形衬底结构不仅可以大大减低位错并且实现了一步外延。

SiO₂薄膜的作用是作为蛤同性腐蚀的媒介，经过腐蚀之后，形成了部分悬空的SiN_x掩膜。

与传统的侧向外延技术相比，这种新型的衬底结构可以充分的阻挡位错向上延伸，而且GaN外延层可以直接可控的在蓝宝石衬底上成核，实现了一步选区外延生长，减少了成本。

上述实施例中，所涉及的掩膜、缓冲层、外延层其成分组成不局限于本例说明。掩膜层需要满足如下条件：必须可以很容易的沉积在衬底上并且对衬底无损伤；耐高温，因为外延膜的生长温度通常都超过1000℃；避免在其上形成生长外延膜所必须的成核层；顶层与底层掩膜可选用不同介质，比如可为SiN_x或金属钨。缓冲层和外延层不但可以是GaAs、InP、AlN、InN、GaN等二元系砷化物和氮化物，而且可以是InGaAs、AlGaAs、AlGaN或者InGaN等三元系砷化物和氮化物，甚至是InGaAsP和AlInGaN等四元系砷化物和氮化物。

本发明中，上述实施例提供了一种新型的衬底生长高质量GaN外延层的制备方案，本发明并不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改，例如：实施例中提供了用金属有机物气相沉积(MOCVD)方法的实现，但相应的结构也可通过分子束外延(Molecular Beam Epitaxy：MBE)、氢化物气相沉积法(Hydride Vapor Phase Epitaxy：HVPE)等外延方法。

本发明并不局限于仅生长GaN外延层，可以生长GaN基光电器件结构(如发光二极管和激光二极管等)和电子器件结构(如高电子迁移率晶体管等)。

另外，生长所用的衬底除了蓝宝石以外，还可以是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、铝酸锂(LiAlO₂)、砷化镓(GaAs)、铟磷(InP)、硅(Si)等。

此外，顶层窗口宽度是2μm～4μm，窗口间距在8μm～20μm的范围，可以是周期性的，也可以是非周期性等。底层窗口宽度是1μm～2μm，窗口间距在8μm～20μm的范围

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的一步法选区外延生长的衬底结构及制备和外延层生长方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (12)

1.一种选区异质外延衬底结构，其特征在于包括一衬底，所述衬底上依次设有底层掩膜层、顶层掩膜层；其中，所述底层掩膜层设有周期性分布的条形窗口，所述顶层掩膜层上设有周期性分布的“十”字形窗口，所述“十”字形窗口之间为“工”字形顶层掩膜区；所述顶层的“工”字形顶层掩膜区两端通过分立的介质层与所述底层掩膜层的条形掩膜区连接；所述顶层“十”字形窗口与所述底层条形窗口相互错开。

2.如权利要求1所述的选区异质外延衬底结构，其特征在于所述底层掩膜层为SiN_x、顶层掩膜层为SiN_x、介质层为SiO₂。

3.如权利要求2所述的选区异质外延衬底结构，其特征在于所述条形窗口宽度为1～2μm，周期为18μm；所述“十”字形窗口宽度为2～4μm，周期为18μm；所述衬底为蓝宝石衬底，所述底层SiN_x为100nm、顶层SiN_x为200nm、SiO₂高度为200nm。

4.一种选区异质外延衬底结构的制备方法，其步骤为：

1）在所选衬底表面沉积一层底层掩膜层，然后对该掩膜层进行刻蚀得到周期性分布的条形窗口区和底层掩膜区，得到底层结构；

2）在底层结构上沉积介质层和顶层掩膜层；

3）对顶层掩膜层进行光刻露出“十”字形顶层窗口；其中，顶层窗口与底层窗口相互错开，“十”字形窗口之间为“工”字形顶层掩膜区；

4）腐蚀衬底结构，露出底层掩膜区和条形窗口；其中，顶层“工”字形顶层掩膜区包含两种区域：两端由介质层支撑的区域与中间无介质层的悬空区域。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述底层掩膜层为SiN_x、顶层掩膜层为SiN_x、介质层为SiO₂。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于首先对所选衬底进行清洗和干燥处理，然后采用LPCVD方法在所选衬底表面沉积底层SiN_x掩膜，然后用常规光刻方法结合AOE刻蚀，开出条形窗口，露出所选衬底。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述条形窗口宽度为1～2μm，周期为18μm；所述“十”字形窗口宽度为2～4μm，周期为18μm；所述衬底为蓝宝石衬底，所述底层SiN_x为100nm、顶层SiN_x为200nm、SiO₂高度为200nm。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤2）中使用PECVD在底层结构上先后沉积SiO₂薄膜和顶层SiN_x薄膜；使用BOE腐蚀SiO₂薄膜。

9.一种基于权利要求1所述选区异质外延衬底结构的外延层生长方法，其步骤为：

1）在衬底结构的底层条形窗口底部生长一缓冲层；

2）在所述条形窗口内、所述缓冲层上进行外延层垂直生长，当外延层生长阵面越过底层掩膜后同时进行侧向生长，且侧向生长速度大于垂直方向生长速度；

3）当外延层在沟道内的侧向延伸距离接近底层掩膜区宽度时，垂直方向生长速度大于侧向生长速度直至外延层生长阵面露出顶层窗口；

4）控制外延层侧向生长速度大于垂直方向生长速度，进行外延层生长，直至外延层阵面在相邻顶层窗口的顶层掩膜区上接触并融合，得到连续平整的外延层。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述缓冲层材料为不会在底层掩膜上成核的材料。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于当外延层生长阵面越过底层掩膜后同时进行侧向生长时；对于有介质层覆盖的底层掩膜区，侧向外延只沿一个方向进行生长，对于无介质层的悬空区域，侧向外延沿两相反方向同时进行生长。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述底层掩膜层为SiN_x、顶层掩膜层为SiN_x、介质层为SiO₂。

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