CN106711020B - 衬底的氮化方法及氮化镓缓冲层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的衬底的氮化方法及氮化镓缓冲层的制备方法，其用于在外延生长氮化镓缓冲层之前，且在所述衬底完成图形刻蚀之后，使用感应耦合等离子体加工设备对衬底表面进行氮化处理，包括以下步骤：向反应腔室内通入氮化气体，并开启上电极电源和下电极电源，以在所述衬底表面形成氮化层。本发明提供的衬底的氮化方法，其可以扩大氮化窗口，以在衬底表面形成充分、均匀的氮化层，从而可以减少缓冲层缺陷。

Description

衬底的氮化方法及氮化镓缓冲层的制备方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种衬底的氮化方法及氮化镓缓冲层的制备方法。
背景技术
蓝宝石(A12O3)因其具有制备工艺成熟、耐热、表面易于处理，且在高温下具有良好的稳定性等优点，成为GaN外延技术常用的衬底材料。但是，由于Al2O3与GaN存在较大晶格常数失配度，导致GaN外延薄膜存在高位错密度，从而在A12O3衬底上外延生长的GaN薄膜中会存在应力，该应力会引发更多的位错与缺陷，严重影响GaN薄膜的晶体质量。
为此，通常制备GaN薄膜的方法是利用ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)刻蚀技术刻蚀蓝宝石衬底，并在去除掩膜之后，利用MOCVD(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积)设备在蓝宝石衬底上外延生长一层氮化镓缓冲层，以缓解因晶格失配引起的应力。该氮化镓缓冲层的厚度和质量对提高GaN外延层的晶体质量起着非常重要的作用。
现有的一种氮化镓缓冲层的制备方法是使用MOCVD设备进行外延工艺，具体包括以下步骤：
氮化步骤，首先在1100℃条件下向反应腔室内通入H2气体，以对A12O3衬底进行高温解吸附处理，然后通入NH3气体，对A12O3衬底表面进行吹扫。NH3与A12O3衬底发生以下反应：
Al2O3+NH3→AlN+H2O
由此，在衬底表面覆盖形成一层多晶AlN层。上述氮化步骤的工艺参数如下：腔室压力为400～600mbar；温度为500～800℃；NH3气体的流量为200sccm；工艺时间为3～5min。
外延缓冲层步骤，首先在530℃左右的温度条件下在衬底上生长厚度约20nm的GaN缓冲层，随后将温度提升至1060℃，并恒温5min进行重结晶；之后，在1030℃的温度条件下生长GaN层。
虽然采用上述制备方法可以得到较为平整的GaN缓冲层，但是，由于Al2O3衬底具有良好的稳定性，在低温条件下进行氮化，较难打破Al-O键，从而导致衬底表面氮化不均匀，增加缓冲层缺陷。而高温条件下进行氮化会导致后续缓冲层生长方向不良，无法有效释放应力和减少缺陷。此外，由于在使用MOCVD设备进行外延工艺的过程中，需要向反应腔室内通入大流量的载气，导致腔室压力较高，这会增加分子的碰撞次数，减小分子的自由程，从而造成氮化不均匀，外延层光学、电学性质也随之恶化。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种衬底的氮化方法及氮化镓缓冲层的制备方法，其可以扩大氮化窗口，以在衬底表面形成充分、均匀的氮化层，从而可以减少缓冲层缺陷。
为实现本发明的目的而提供一种衬底的氮化方法，用于在外延生长氮化镓缓冲层之前，对衬底表面进行氮化处理，所述氮化方法在所述衬底完成图形刻蚀之后，使用感应耦合等离子体加工设备对衬底表面进行氮化处理，包括以下步骤：
向反应腔室内通入氮化气体，并开启上电极电源和下电极电源，以在所述衬底表面形成氮化层。
优选的，所述氮化气体包括氮气。
优选的，所述氮气的流量的取值范围在100～200sccm。
优选的，所述氮化方法在可保持所述氮化镓缓冲层外延生长的晶向选择不变的预设温度的条件下进行氮化处理。
优选的，所述预设温度的取值范围在0～20℃。
优选的，所述反应腔室的压力的取值范围在3～5mT。
优选的，由所述上电极电源输出的上电极功率的取值范围在1000～2500W。
优选的，由所述下电极电源输出的下电极功率的取值范围在40～80W。
优选的，所述氮化方法的工艺时间的取值范围在2～3min。
优选的，采用所述感应耦合等离子体加工设备先后对所述衬底进行图形刻蚀以及氮化处理。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种氮化镓缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
氮化步骤，对衬底表面进行氮化处理，以形成氮化层；
外延缓冲层步骤，在经过氮化处理的所述衬底表面外延生长氮化镓层；所述氮化步骤采用了本发明提供的上述衬底的氮化方法进行氮化处理。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的衬底的氮化方法，其通过在衬底完成图形刻蚀之后，使用感应耦合等离子体加工设备(即，ICP设备)对衬底表面进行氮化处理，可以增加等离子体对Al2O3衬底表面的轰击，从而可以更有效地打破Al-O键，进而可以扩大氮化窗口，以在衬底表面形成充分、均匀的氮化层，从而可以减少缓冲层缺陷。
本发明提供的氮化镓缓冲层的制备方法，其通过采用本发明提供的上述衬底的氮化方法，可以增加等离子体对Al2O3衬底表面的轰击，从而可以更有效地打破Al-O键，进而可以扩大氮化窗口，以在衬底表面形成充分、均匀的氮化层，从而可以减少缓冲层缺陷。
附图说明
图1为本发明提供的衬底的氮化方法的流程框图；
图2为本发明提供的氮化镓缓冲层的制备方法的流程框图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的衬底的氮化方法及氮化镓缓冲层的制备方法进行详细描述。
图1为本发明提供的衬底的氮化方法的流程框图。请参阅图1，本发明提供的衬底的氮化方法，用于在外延生长氮化镓缓冲层之前，且在衬底完成图形刻蚀之后，使用感应耦合等离子体加工设备(Inductively Coupled Plasma，以下简称ICP设备)对衬底表面进行氮化处理，包括以下步骤：
S1，向反应腔室内通入氮化气体，并开启上电极电源和下电极电源，以衬底表面形成氮化层。
其中，上电极电源用于向反应腔室施加上电极功率，以使反应腔室内的氮化气体激发形成等离子体。下电极电源用于向衬底施加下电极功率，以吸引等离子体朝向衬底表面运动。
与现有技术中使用MOCVD设备对衬底表面进行氮化处理相比，使用ICP设备可以增加等离子体对Al2O3衬底表面的轰击，从而可以更有效地打破Al-O键，进而可以扩大氮化窗口，以在衬底表面形成充分、均匀的氮化层，从而可以减少缓冲层缺陷。
优选的，该氮化方法所采用的氮化气体包括氮气，其不会对腔室环境产生影响，同时还可以起到清除刻蚀后残留在反应腔室内的气体的作用，这与使用MOCVD设备相比，无需再另外向反应腔室内通入大流量的载气，从而可以避免因腔室压力较高造成的氮化不均匀的情况，进而可以提高后续制备的氮化镓外延层的光学、电学性质。优选的，氮气的流量的取值范围在100～200sccm，以在保证获得充分、均匀的氮化层的前提下，有效清除刻蚀后残留在反应腔室内的气体。
另外，由于ICP设备可以在保持氮化镓缓冲层外延生长的晶向选择不变的预设温度的条件下进行氮化处理，而无需采用较高的温度就可以打破Al-O键，从而可以避免因温度过高造成的氮化镓缓冲层不能释放应力和减少缺陷，进而可以保证器件的电学性质。该预设温度的取值范围在0～20℃。
优选的，采用ICP设备先后对衬底进行图形刻蚀以及氮化处理。也就是说，图形刻蚀和氮化处理在同一ICP设备中先后进行。具体过程为：
首先，在衬底表面进行图形刻蚀。具体地，向反应腔室通入刻蚀气体，并开启上电极电源和下电极电源。上电极电源向反应腔室施加激励功率，以使反应腔室内的刻蚀气体激发形成等离子体，同时下电极电源向衬底施加偏压功率，以使等离子体刻蚀衬底。在衬底表面形成所需的图形之后，关闭上电极电源和下电极电源，并停止通入刻蚀气体。
然后，对衬底表面进行氮化处理。具体地，向反应腔室通入氮化气体，并开启上电极电源和下电极电源。上电极电源向反应腔室施加激励功率，以使反应腔室内的氮化气体激发形成等离子体，同时下电极电源向衬底施加偏压功率，以在衬底表面形成氮化层。
由上可知，在完成衬底的图形刻蚀之后，仅需将刻蚀气体切换成氮化气体即可对衬底表面进行氮化处理，从而可以简化工艺流程，提高工艺效率。
另外，优选的，使用ICP设备进行氮化处理的工艺参数如下：反应腔室的压力的取值范围在3～5mT。由上电极电源输出的上电极功率的取值范围在1000～2500W。由下电极电源输出的下电极功率的取值范围在40～80W。工艺时间的取值范围在2～3min。
使用ICP设备进行氮化处理的具体实施方式如下：
向反应腔室内通入氮气，并开启上电极电源和下电极电源。在上电极电源和下电极电源的作用下，反应腔室中的氮气被离化生成N离子和N原子，被加速，且具有高能的N离子对Al2O3衬底表面进行轰击，有效地打开Al-O键。同时，部分N原子与Al2O3衬底主要发生如下反应，即：
Al2O3+N2→AlN+O
N原子与Al2O3反应置换出Al2O3中的O原子，并在Al2O3衬底表面形成稳定的AlN层。
作为另一个技术方案，图2为本发明提供的氮化镓缓冲层的制备方法的流程框图。请参阅图2，氮化镓缓冲层的制备方法包括以下步骤：
S100，氮化步骤，对衬底表面进行氮化处理，以形成氮化层。
S200，外延缓冲层步骤，在经过氮化处理的衬底表面外延生长氮化镓层。
其中，上述氮化步骤采用了本发明提供的上述衬底的氮化方法进行氮化处理。
本发明提供的氮化镓缓冲层的制备方法，其通过采用本发明提供的上述衬底的氮化方法，可以增加等离子体对Al2O3衬底表面的轰击，从而可以更有效地打破Al-O键，进而可以扩大氮化窗口，以在衬底表面形成充分、均匀的氮化层，从而可以减少缓冲层缺陷。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种衬底的氮化方法，用于在外延生长氮化镓缓冲层之前，对衬底表面进行氮化处理，其特征在于，所述氮化方法在所述衬底完成图形刻蚀之后，使用感应耦合等离子体加工设备对衬底表面进行氮化处理，包括以下步骤：
向反应腔室内通入氮化气体，并开启上电极电源和下电极电源，以在所述衬底表面形成氮化层；其中，
所述衬底为蓝宝石衬底；并且，
所述氮化气体包括氮气；
所述氮化方法在可保持所述氮化镓缓冲层外延生长的晶向选择不变的预设温度的条件下进行氮化处理。
2.根据权利要求1所述的衬底的氮化方法，其特征在于，所述氮气的流量的取值范围在100～200sccm。
3.根据权利要求1所述的衬底的氮化方法，其特征在于，所述预设温度的取值范围在0～20℃。
4.根据权利要求1所述的衬底的氮化方法，其特征在于，所述反应腔室的压力的取值范围在3～5mT。
5.根据权利要求1所述的衬底的氮化方法，其特征在于，由所述上电极电源输出的上电极功率的取值范围在1000～2500W。
6.根据权利要求1所述的衬底的氮化方法，其特征在于，由所述下电极电源输出的下电极功率的取值范围在40～80W。
7.根据权利要求1所述的衬底的氮化方法，其特征在于，所述氮化方法的工艺时间的取值范围在2～3min。
8.根据权利要求1所述的衬底的氮化方法，其特征在于，采用所述感应耦合等离子体加工设备先后对所述衬底进行图形刻蚀以及氮化处理。
9.一种氮化镓缓冲层的制备方法，包括以下步骤：
氮化步骤，对衬底表面进行氮化处理，以形成氮化层；
外延缓冲层步骤，在经过氮化处理的所述衬底表面外延生长氮化镓层；其特征在于，所述氮化步骤采用权利要求1-8任意一项所述的衬底的氮化方法进行氮化处理。
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