CN104409336A - 一种利用低熔点金属消除外延层生长热失配的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用低熔点金属消除外延层生长热失配的方法：通过在衬底表面沉积一层低熔点金属，利用其在高温下的熔融性质来消除衬底层和外延层由于热膨胀系数不同而形成的热应力；为了成功进行异质外延，还需要在金属表面覆盖掩膜层，并且通过刻蚀露出生长窗口；调节生长参数，实现窗口区到掩膜区的横向外延。该方法能够利用金属熔化后的流动性质来消除外延层和衬底层界面间热应力，达到改善外延层质量，保证其不会龟裂。

Description

一种利用低熔点金属消除外延层生长热失配的方法
技术领域
本发明属于半导体材料生长技术领域，具体涉及一种利用低熔点金属消除外延层生长热失配的方法。
背景技术
薄膜生长技术是制备半导体器件的基础，常见的生长方式有分子束外延(MBE)、磁控溅射(SD)、脉冲激光沉积(PLD)以及化学气相沉积(CVD)等。其中金属有机物化学气相沉积(MOCVD)是化学反应制备薄膜的一种，其具有生长速度快、污染小的特点，能够用于工业化生产。薄膜外延所选择的衬底的晶格结构以及热学特性对薄膜的生长过程和质量具有重大影响，通常最理想的衬底是使用同质衬底，然而从实用性、经济性和器件的复杂性考虑，异质外延是必需的。然而晶格失配和热失配限制了异质衬底的选择范围，如果能够有效缓解和降低失配的产生，那么不仅仅可以扩大异质外延的范围，而且能够提高晶体的生长质量。
传统上解决热失配的方法有：生长一层缓冲层，阻止热应变向上扩展到外延层，但是缓冲层的选择范围和对热失配的降低程度有限；选区外延通过降低接触面积而减少应变能的积累，但是不能形成大面积器件结构；横向外延形成空隙使应变能释放，但是对生长过程的控制程度要求很高，控制较为复杂；衬底开槽或者做结构上的处理，可以使应变能在衬底中积累从而减少外延层的应变能，但是降低程度是有限的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够有效降低热失配而且适用范围广的方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种一种消除外延层生长热失配的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1、在衬底表面沉积一层低熔点金属层；
步骤2、对所述低熔点金属层进行去氧化处理，并衬底一掩膜层；
步骤3、根据预定的周期和占空比对所述掩膜层进行光刻和显影，并刻蚀形成生长窗口；
步骤4、在所述生长窗口区外延生长半导体材料。
(三)有益效果
从上述方案中，可以看出本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，能够消除生长温度到金属熔点范围内的热应力，保证薄膜的质量不会受到热应力的影响。
2、利用本发明，可以通过横向外延形成大面积薄膜。
3、利用本发明，在保证晶格匹配的条件下，能够大大扩展异质外延衬底的选择范围。
附图说明
图1是本发明实施例中利用低熔点金属消除外延层生长热失配的方法流程图。
图2是本发明中异质外延衬底结构示意图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了本发明一实施例中提出的利用低熔点金属消除外延层生长热失配的方法流程图。如图1所示，其包括：
步骤1、在衬底表面沉积一层低熔点金属层；
步骤2、对所述低熔点金属层进行去氧化处理，并衬底一掩膜层；
步骤3、根据预定的周期和占空比对所述掩膜层进行光刻和显影，并刻蚀形成生长窗口；
步骤4、在所述生长窗口区外延生长半导体材料。
可选地，所述沉积低熔点金属层是在真空环境下进行的。
可选地，本发明中所述低熔点金属可以是铝；所述掩膜层选用表面能较小的材料，如二氧化硅或氮化硅等。
可选地，所述预定的生长窗口的周期和占空比可根据有利于窗口区外延材料的长出以及其后的横向外延成膜而预先设定。其中，占空比指的是生长窗口和生长窗口间空间的面积比，通常占空比越大越有利于横向外延合并，但是占空比越大通常越有较多的位错密度，所以需要在二者之间进行协调。
可选地，步骤3中，当形成生长窗口后，可以去除生长窗口中的金属，也可以保留金属。如果去除了金属，则可以调节相应的生长参数进行气相条件下的直接外延生长，等到材料生长出生长窗口区外再改变参数实现横向外延；如果保留有金属，则可以利用气相—液相—固相(VLS)模式来外延材料，当长出生长窗口区后再进行横向外延。
本发明中高温横向外延完成后，在降温过程中，由于金属处于熔融态，衬底和外延层做自由热伸缩，不会产生热应力，从而不会在外延层中积累应变能而导致外延层质量的退化。
可选地，步骤1之前，所述方法还包括：
在衬底上生长一层缓冲层，以实现衬底和外延层的劲歌匹配。
本发明另一实施例中，选择石英玻璃作为衬底外延GaN结构，所述方法包括：
步骤1、由于玻璃和GaN晶格结构不匹配，故先利用磁控溅射沉积一层AlN缓冲层。在AlN缓冲层表面沉积一层低熔点的金属，熔点越接近室温其对热失配的消除范围越大。可以通过电子束蒸镀的方法在高真空条件下沉积，要求金属表面平整而且氧化微弱或无氧化。
步骤2、在对金属表面进行去氧化处理后，沉积一定厚度的掩膜层，掩膜材料选择无定型且表面能较低的氧化硅或者氮化硅，沉积在较高真空度下进行以防止表面玷污。
步骤3、对掩膜进行光刻，周期和占空比的选择应该有利于窗口区外延材料的长出以及其后的横向外延成膜。
步骤4、掩膜经过光刻和显影处理后，通过ICP刻蚀去除窗口区掩膜层，通过酸腐蚀的方法去除窗口区的金属，使得窗口区的衬底层露出以便于外延材料生长。最终结构如图2所示。
步骤5、利用金属化合物气相外延(MOCVD)方法生长半导体材料。开始需要调节参数利于材料纵向生长，当材料长出窗口区后再调节参数以增大横向生长速度而使其合并成膜。
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，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)

1.一种消除外延层生长热失配的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1、在衬底表面沉积一层低熔点金属层；
步骤2、对所述低熔点金属层进行去氧化处理，并衬底一掩膜层；
步骤3、根据预定的周期和占空比对所述掩膜层进行光刻和显影，并刻蚀形成生长窗口；
步骤4、在所述生长窗口区外延生长半导体材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述沉积低熔点金属层是在真空环境下进行的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述低熔点金属为铝。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩膜层选用二氧化硅或氮化硅材料。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤3中，还去除所述生长窗口中的金属层。
6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤4中，调节生长参数，并在气相条件下在生长窗口中直接外延生长半导体材料，并在材料生长出所述生长窗口后，改变生长参数，进行横向外延生长。
7.如权利要求1所述的方法，其中，步骤3中，保留所述生长窗口中的金属层。
8.如权利要求7所述的方法，其中，步骤4中，利用气相-液相-固相模式在生长窗口中外延生长半导体材料，并且在材料长出所述生长窗口后，腐蚀掉金属层后再进行横向外延生长。
9.如权利要求1所述的方法，其中，步骤1之前还包括：
在衬底上生长一层缓冲层。
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