CN112301325A - 一种3d叠层掩模衬底结构及其制备方法和外延生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D叠层掩模衬底结构及其制备方法和外延生长方法，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模层、顶层掩模层；其中，底层掩模层设有周期性分布的特殊图形窗口，分别可以是条形、正三角形、和正六边形(在平面内的对称性是与六方晶系III族氮化物材料如GaN材料的晶体对称性一致或其子集的图形)；顶层掩模层与底层图形周期相同，但相互错开。与现有技术相比，本发明提供了一种更优化的图形设计，同时提高了无位错外延膜的有效宽度，更具有使用价值，能够制备铺满整个衬底表面的连续平整的高质量外延层III族氮化物薄膜，能够更充分的兼容后续器件工艺。

Description

一种3D叠层掩模衬底结构及其制备方法和外延生长方法

技术领域

本发明属于半导体材料技术、光电子技术领域，具体涉及一种3D叠层掩模衬底结构及其制备方法和外延生长方法。

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、硅、碳化硅等衬底上外延生长。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。

由于GaN自支撑衬底价格较高，为了节约成本，商用的GaN基器件多采用蓝宝石、硅、碳化硅衬底进行异质外延。由于晶格的不匹配，外延层中的位错密度极高，高密度的缺陷会增加漏电流，增加发热量，降低耐压值和最高承受电流密度，降低频率响应能力，降低效率，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。针对这一目标，目前已经发展出了很多改进的技术方案，都在一定的程度上提高了外延材料的晶体质量。但是仍然需要更好的技术来推进外延材料晶体质量的提高。

中国专利CN102492986B公布了一种选区异质结外延衬底结构的制备及其外延层生长方法来提高外延GaN层的晶体质量。其主要内容如下：本衬底结构包括一衬底，衬底上依次设有底层掩模层、顶层掩模层；其中，底层掩模层设有周期性分布的条形窗口，顶层掩模层上设有周期性分布的“十”字形窗口，“十”字形窗口之间为“工”字形顶层掩模区；顶层的“工”字形顶层掩模区两端通过分立的介质层与底层掩模层的条形掩模区连接；顶层“十”字形窗口与底层条形窗口相互错开。配合其异质外延的生长方法，在很大程度上提高了外延层的晶体质量，相对于欧洲专利EP0942459A1公布的侧向外延过生长技术(LEO)和美国专利US6177688B1公布的“悬空外延技术”(PE)，有更简洁的工艺流程，节省工艺步骤，并且外延晶体质量有所提高。但是侧向外延的晶面方向是有选择的，则该工字图形的两个方向生长速率是不相同的，由于GaN是六方晶系，垂直于C面的侧向生长最快的等效面之间并不垂直，而是相互成六十度夹角。这使得外延材料工字形图案的诱导下，生长出来的GaN岛边缘的有些晶面不是快速生长面，从而使得岛在相互融合的过程中容易产生缝隙，无法连续无空隙铺满整个衬底平面，不利于制备大面积平整的外延层。现有的器件工艺都是在大平面外延层上制备的，不合拢的外延层与现有工艺不兼容，不利于快速批量生产。

由于衬底结构设计问题直接影响到长成的外延层的连续性和平整性，导致上述专利中工字形结构诱导的外延层不容易形成连续平整的薄膜，与后续器件工艺兼容性较差，因此需要改进结构的设计。

综上所述，现有技术的缺点如下：

(1)二次选区生长方案(欧洲专利EP 0942459A1和美国专利US 6177688B1)太复杂，工艺步骤多，耗时长，因此成本高。

(2)工字形3D叠层掩模衬底难以制备大面积连续平整外延薄膜。非连续的图形化材料与现有工艺兼容性差，不利于现有工艺的直接运用。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种3D叠层掩模衬底结构及其制备方法和外延生长方法，通过合理的图形设计来解决3D叠层掩模衬底外延生长大面积连续平整薄膜的问题，从而更好的兼容后续工艺。

本发明采用的技术方案如下：

一种3D叠层掩模衬底结构，其包括一衬底，所述衬底上依次设有底层掩模层、顶层掩模层；所述底层掩模层设有周期性分布的窗口，所述窗口的图形在平面内的对称性与六方晶系III族氮化物材料的晶体对称性一致或是其子集；所述顶层掩模层与所述底层掩模层的窗口的图形相同，窗口的位置相互错开；所述顶层掩模层通过介质层与所述底层掩模层连接。

进一步地，所述窗口的图形是下列中的一种：条形、正三角形、正六边形。

进一步地，所述顶层掩模层和所述底层掩模层是SiN_x，所述介质层是SiO₂。

一种制备所述3D叠层掩模衬底结构的方法，包括以下步骤：

1)在衬底上沉积底层掩模层；

2)采用光刻方法，在底层掩模层上旋涂光刻胶，曝光显影设计底层窗口图形；

3)反应离子刻蚀出底层掩模层的窗口；

4)清洗移除底层掩模层上的光刻胶；

5)在底层掩模层上先沉积填充层再沉积顶层掩模层；

6)采用光刻方法，在顶层掩模层上旋涂光刻胶，曝光显影设计顶层窗口图形；

7)反应离子刻蚀出顶层掩模层的窗口；

8)清洗移除顶层掩模层上的光刻胶；

9)腐蚀所述填充层，直到露出底层掩模层的窗口停止腐蚀。

进一步地，采用CVD方法沉积底层掩模层和顶层掩模层。

进一步地，所述顶层掩模层和所述底层掩模层是SiNx。

进一步地，所述填充层是SiO₂。

进一步地，采用BOE溶液腐蚀所述填充层。

一种基于所述3D叠层掩模衬底结构的外延生长方法，包括以下步骤：

1)在低温成核阶段，在底层掩模层的窗口露出的衬底表面形成III族氮化物材料的成核点，然后以成核点为中心形成岛状结构原子团；

2)升高温度，在III族氮化物材料生长参数条件下进行生长，随着时间增加，生长出的III族氮化物材料钻出沟道，露出顶层掩模层的窗口并形成突出的形状；

3)在钻出沟道并在顶层掩模层的窗口外形成一定高度后，切换生长参数，采用侧向外延技术进行生长，直到III族氮化物材料合拢成平整大平面。

进一步地，所述III族氮化物材料是GaN、AlN、InN等，或者是他们形成的三元或者四元合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)本发明基于3D叠层掩模的思想，运用具有特殊对称性的图形，使得能够制备铺满整个衬底表面的连续平整的高质量外延层GaN等III族氮化物薄膜，能够更充分的兼容后续器件工艺。

2)本发明提供了一种更优化的图形设计，关键点在于本发明的3D叠层掩模衬底结构的对称性与GaN等III族氮化物材料的晶格对称性一致或是其子集(即与III族氮化物材料的生长晶面对称性相同的点群或其子集)。同时提高了无位错外延膜的有效面积，更具有使用价值。

3)相对二次选区法，本发明的工艺复杂度低，生长用时少，成本较低。

附图说明

图1是具有与氮化镓晶体结构相同对称性的图形，其中(a)图、(b)图、(c)图依次为条形、三角形、六边形。

图2是条形、三角形、六边形图形衬底设计平面示意图，其中(a)图、(b)图、(c)图依次表示条形、三角形、六边形窗口，虚线代表下层窗口，实线代表上层窗口。

图3是条形衬底三维结构示意图，其中：1-顶层掩模层，2-衬底，3-顶层窗口，4-底层窗口，5-底层掩模层，6-介质层(连接顶层掩模层和底层掩模层)。

图4是不同图形衬底生长氮化镓的扫描电镜图，其中(a)图、(b)图、(c)图依次表示三角形、六边形、条形图形衬底的生长氮化镓扫描电镜图。图中显示为生长中间状态，继续生长将形成合拢的薄膜。

图5是制备3D叠层掩模衬底结构的工艺步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明通过合理的图形设计来解决3D叠层掩模衬底外延生长大面积连续平整薄膜的问题，从而更好的兼容后续工艺。

本发明的主要内容，就是设计与六方晶系III族氮化物材料(如GaN材料)具有在生长平面内相同对称性的图形，并通过实验确定其最佳尺寸参数特征和具体制备方法。

本发明的3D叠层掩模衬底结构包括一衬底，衬底上依次设有底层掩模层、顶层掩模层；其中，底层掩模层设有周期性分布的特殊图形窗口，分别可以是条形、正三角形、和正六边形，如图1所示，这些图形是在平面内的对称性是与GaN等III族氮化物材料的晶体对称性一致或其子集的图形。顶层掩模层与底层掩模层的图形相同或相似，但相互错开，如图2所示，其中虚线代表下层窗口，实线代表上层窗口。

图3是采用条形窗口的衬底结构的三维示意图。位于衬底2上的顶层掩模层1与底层掩模层5均设有周期性分布的条形窗口，即顶层窗口3和底层窗口4，但相互错开。顶层掩模层1与底层掩模层5之间通过介质层6连接。顶层掩模层1、底层掩模层5的材料可以是SiN_x，等，介质层6的材料可以是SiO₂等。

GaN在本发明的3D叠层掩模衬底结构上的生长过程如下：

1)在一开始，需要经过低温成核阶段，经过该阶段，在底层掩模窗口露出的衬底表面会形成GaN成核点。以这些点为中心，GaN开始形成岛状结构原子团。

2)随后升高温度，在正常的GaN生长参数条件下，进行GaN生长，随着时间增加，生长出的GaN会钻出沟道，露出顶层掩模窗口，形成突出的形状。

3)在钻出沟道并在顶层窗口外形成一定高度后，切换生长参数，采用侧向外延技术，使得横向生长速率远远大于垂直方向生长速率。一直如此生长，直到GaN合拢成平整大平面。

图4是不同图形衬底生长氮化镓的扫描电镜图，图中显示为生长中间状态，继续生长将形成合拢的薄膜。

图5为制备上述3D叠层掩模衬底结构的工艺步骤流程图。如该图所示，制备过程包括以下步骤：

1)采用湿化学溶液清洗衬底(蓝宝石、Si等)并干燥。

2)采用CVD方法沉积底层掩模层。

3)采用光刻方法，在底层掩模层上旋涂光刻胶，曝光显影设计图形的底层窗口图形。

4)反应离子刻蚀出底层窗口。

5)清洗移除底层掩模层上的光刻胶。

6)在底层掩模层上采用CVD方法先沉积SiO₂填充层(即SiO₂介质层)再沉积顶层掩模层。

7)采用光刻方法，在顶层掩模层上旋涂光刻胶，曝光显影设计图形的顶层窗口图形。

8)反应离子刻蚀出顶层窗口。

9)清洗移除顶层掩模层上的光刻胶。

10)BOE溶液腐蚀SiO₂介质层，直到露出底层窗口停止腐蚀，清洗干净备用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的原理和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种3D叠层掩模衬底结构，其特征在于，包括一衬底，所述衬底上依次设有底层掩模层、顶层掩模层；所述底层掩模层设有周期性分布的窗口，所述窗口的图形在平面内的对称性与六方晶系III族氮化物材料的晶体对称性一致或是其子集；所述顶层掩模层与所述底层掩模层的窗口的图形相同，窗口的位置相互错开；所述顶层掩模层通过介质层与所述底层掩模层连接。

2.根据权利要求1所述的3D叠层掩模衬底结构，其特征在于，所述窗口的图形是下列中的一种：条形、正三角形、正六边形。

3.根据权利要求1所述的3D叠层掩模衬底结构，其特征在于，所述顶层掩模层和所述底层掩模层是SiN_x，所述介质层是SiO₂。

4.一种权利要求1所述3D叠层掩模衬底结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在衬底上沉积底层掩模层；

2)采用光刻方法，在底层掩模层上旋涂光刻胶，曝光显影设计底层窗口图形；

3)反应离子刻蚀出底层掩模层的窗口；

4)清洗移除底层掩模层上的光刻胶；

5)在底层掩模层上先沉积填充层再沉积顶层掩模层；

6)采用光刻方法，在顶层掩模层上旋涂光刻胶，曝光显影设计顶层窗口图形；

7)反应离子刻蚀出顶层掩模层的窗口；

8)清洗移除顶层掩模层上的光刻胶；

9)腐蚀所述填充层，直到露出底层掩模层的窗口停止腐蚀。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用CVD方法沉积底层掩模层和顶层掩模层。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述顶层掩模层和所述底层掩模层是SiN_x。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述填充层是SiO₂。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用BOE溶液腐蚀所述填充层。

9.一种基于权利要求1所述3D叠层掩模衬底结构的外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在低温成核阶段，在底层掩模层的窗口露出的衬底表面形成III族氮化物材料的成核点，然后以成核点为中心形成岛状结构原子团；

2)升高温度，在III族氮化物材料生长参数条件下进行生长，随着时间增加，生长出的III族氮化物材料钻出沟道，露出顶层掩模层的窗口并形成突出的形状；

3)在钻出沟道并在顶层掩模层的窗口外形成一定高度后，切换生长参数，采用侧向外延技术进行生长，直到III族氮化物材料合拢成平整大平面。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述III族氮化物材料是下列中的一种：GaN、AlN、InN以及他们形成的三元或者四元合金。

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