CN112652539B - 用于氧化镓材料的微波退火改性方法 - Google Patents

用于氧化镓材料的微波退火改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于氧化镓材料的微波退火改性方法。所述用于氧化镓材料的微波退火改性方法包括如下步骤：提供一衬底，所述衬底表面具有由氧化镓层；在预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理，所述预设温度低于扩散温度，所述扩散温度为所述氧化镓层中的氧化镓材料与所述衬底之间发生热扩散的最低温度。本发明避免了现有传统的退火方式在退火过程中因退火温度过高而易发生氧化镓层与衬底之间热扩散的问题，且微波退火成本低廉，从而降低了氧化镓材料的退火处理成本，利于大规模量化生产。

Description

用于氧化镓材料的微波退火改性方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于氧化镓材料的微波退火改性方法。
背景技术
氧化镓作为第三代宽带隙半导体材料，具有禁带宽度更大、击穿场强更高的优势。氧化镓材料的超宽禁带特点使其在大功率、高频器件的制造领域具有广泛的应用前景。
退火是半导体制程工程中用于对材料层进行改性的重要步骤。传统的退火工艺有管式炉退火、激光退火和快速热退火(RTP)等。其中，管式炉退火方式和快速热退火方式在退火工艺实施过程中，所需的温度较高，容易诱发热扩散效应，导致氧化镓薄膜材料与衬底之间发生扩散，这种扩散会严重影响最终器件的性能。而当前业界主要使用的激光退火方式则存在设备成本高、不利于大规模量产的缺点。
因此，如何避免氧化镓材料在退火过程中易发生热扩散的问题，提高最终形成的器件的性能，并且降低氧化镓材料的退火成本，是当前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种用于氧化镓材料的微波退火改性方法，用于解决现有技术在对氧化镓材料进行退火处理的过程中易发生热扩散的问题，以提高最终形成的半导体器件的性能，并降低氧化镓材料的退火成本。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于氧化镓材料的微波退火改性方法，包括如下步骤：
提供一衬底，所述衬底表面具有由氧化镓层；
在预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理，所述预设温度低于扩散温度，所述扩散温度为所述氧化镓层中的氧化镓材料与所述衬底之间发生热扩散的最低温度。
可选的，在预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理的具体步骤包括：
设置多个预设温度，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理。
可选的，多个所述预设温度按照从低温到高温的顺序排列；
任意相邻两个所述预设温度之间的差值均相等；或者，
所述预设温度的温度越高，相邻所述预设温度之间的差值越小。
可选的，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理的具体步骤包括：
按照多个所述预设温度的高低顺序，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理。
可选的，在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理的具体步骤包括：
放置所述衬底至微波退火炉腔体内，并对所述微波退火炉腔体进行抽真空处理；
以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理；
于所述微波退火炉腔体内冷却经所述微波退火处理的所述氧化镓层；
自所述微波退火炉腔体取出具有所述氧化镓层的衬底。
可选的，以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理之前，还包括如下步骤：
采用惰性气体对所述微波退火炉腔体进行吹扫，排除所述微波退火炉腔体内的杂质气体。
可选的，以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理的具体步骤包括：
设定微波退火参数并向所述微波退火炉腔体通入退火气氛，进行退火处理，所述微波退火参数中的最高退火温度为所述预设温度。
可选的，所述退火气氛为氩气气氛或者氮气气氛。
可选的，于所述微波退火炉腔体内冷却经所述微波退火处理的所述氧化镓层的具体步骤包括：
采用惰性气体对所述微波退火炉腔体进行吹扫，降低所述微波退火炉腔体的温度。
可选的，所述预设温度为200℃-600℃。
本发明提供的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，采用微波退火处理的方法对衬底表面的氧化镓层进行退火处理，且控制微波退火处理过程中的退火温度(即预设温度)低于扩散温度，所述扩散温度为所述氧化镓层中的氧化镓材料与所述衬底之间发生热扩散的最低温度，从而避免了现有传统的退火方式在退火过程中因退火温度过高而易发生氧化镓层与衬底之间热扩散的问题，且微波退火成本低廉，从而降低了氧化镓材料的退火处理成本，利于大规模量化生产。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中用于氧化镓材料的微波退火改性方法的流程图；
附图2是本发明具体实施方式中具有氧化镓层的衬底的结构示意图。
附图3是利用原子力显微镜(AFM)拍摄的未退火和不同温度微波退火后的氧化镓薄膜的表面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的用于氧化镓材料的微波退火改性方法的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种用于氧化镓材料的微波退火改性方法，附图1是本发明具体实施方式中用于氧化镓材料的微波退火改性方法的流程图，附图2是本发明具体实施方式中具有氧化镓层的衬底的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，包括如下步骤：
步骤S11，提供一衬底20，所述衬底20表面具有由氧化镓层21，如图2所示。
在本具体实施方式中，所述衬底20的材料可以为Si、SiC或者GaN。所述氧化镓层21可以采用化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或者原子层沉积工艺形成于所述衬底20表面。
步骤S12，在预设温度下对所述氧化镓层21进行微波退火处理，所述预设温度低于扩散温度，所述扩散温度为所述氧化镓层21中的氧化镓材料与所述衬底20之间发生热扩散的最低温度。
具体来说，微波退火的本质是直接以微波对叠层结构(即由所述衬底20与所述氧化镓层21构成的叠层结构)进行加热。微波场的存在降低了氧化镓材料晶粒间界的结晶活化能，使得无定形氧化镓层21薄膜在较低温条件下(即低于所述扩散温度的所述预设温度条件下)退火就能形成晶核并快速结晶，同时较低温条件有效控制了元素的相互扩散效应，最终制备得到界面扩散少的氧化镓薄膜。相比于传统退火技术，采用微波退火技术不仅可以有效降低热预算，避免热扩散效应，达到低温退火的效果，而且其退火效率也更高。
可选的，在预设温度下对所述氧化镓层21进行微波退火处理的具体步骤包括：
设置多个预设温度，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层21进行微波退火处理。
具体来说，为了进一步提高微波退火处理的效果，可以预先设置多个互不相同的所述预设温度，以所述预设温度作为微波退火过程中的最高温度，依次在每一所述预设温度条件下对所述氧化镓层21进行微波退火处理。所述最高温度是指，在微波退火处理的过程中，微波退火炉腔体所升到的最高温度。
可选的，多个所述预设温度按照从低温到高温的顺序排列；
任意相邻两个所述预设温度之间的差值均相等；或者，
所述预设温度的温度越高，相邻所述预设温度之间的差值越小。
具体来说，多个所述预设温度的具体数值，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，例如根据所需要的退火后所述氧化镓层21的物理性质要求进行设置。为了简化预设温度的设定步骤，可以设置多个按照从低到高呈等差数列排布的所述预设温度。相邻所述预设温度之间的差值可以为50℃、100℃或者其他数值。
为了进一步提高微波退火的效率，多个所述预设温度按照从低温到高温的顺序排列，且所述预设温度的温度越高，相邻所述预设温度之间的差值越小。
可选的，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层21进行微波退火处理的具体步骤包括：
按照多个所述预设温度的高低顺序，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理。
举例来说，按照多个所述预设温度从低温到高温的顺序，依次在每一个所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理。本具体实施方式中的多个是指两个及两个以上。
可选的，在每一所述预设温度下对所述氧化镓层21进行微波退火处理的具体步骤包括：
放置所述衬底至微波退火炉腔体内，并对所述微波退火炉腔体进行抽真空处理；
以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理；
于所述微波退火炉腔体内冷却经所述微波退火处理的所述氧化镓层；
自所述微波退火炉腔体取出具有所述氧化镓层的衬底。
可选的，以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理之前，还包括如下步骤：
采用惰性气体对所述微波退火炉腔体进行吹扫，排除所述微波退火炉腔体内的杂质气体。
可选的，以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理的具体步骤包括：
设定微波退火参数并向所述微波退火炉腔体通入退火气氛，进行退火处理，所述微波退火参数中的最高退火温度为所述预设温度。
具体来说，在微波退火处理的过程中，微波退火炉腔体内的温度是逐渐升高的，本具体实施方式以所述预设温度作为微波退火处理的最高温度是指，在单次微波退火处理的过程中，所述微波退火炉腔体内部所能升到的最高温度。在所述微波退火炉腔体升到所述预设温度之后，保持所述预设温度一预设时间，实现对所述氧化镓层的微波退火处理。所述预设时间为预先设置的退火时长。
可选的，所述退火气氛为氩气气氛或者氮气气氛。
可选的，于所述微波退火炉腔体内冷却经所述微波退火处理的所述氧化镓层的具体步骤包括：
采用惰性气体对所述微波退火炉腔体进行吹扫，降低所述微波退火炉腔体的温度。
可选的，所述预设温度为200℃-600℃。
举例来说，在预设温度下对所述氧化镓层21进行微波退火处理的具体步骤包括：步骤a，放置样品：将具有所述氧化镓层21的所述衬底20放入微波退火炉腔体的中间位置，关闭腔门，然后对所述微波退火炉腔体进行抽真空处理；步骤b，腔体吹扫：先利用足量的氩气对所述微波退火炉腔体进行吹扫和清理，以排除所述微波退火炉腔体内部和腔体内壁上残留的氧气，并保持氩气吹扫状态一段时间，本步骤中足量的氩气是指能够将微波退火炉腔体内部和腔体内壁上残留的氧气彻底排尽的氩气的量；步骤c，设定退火参数：设定退火功率、退火过程中最高温度、退火温度台阶等工艺参数，并通入退火气氛，以一所述预设温度作为退火过程中的最高温度；步骤d，开始退火：设定退火时长，开始退火；步骤e：取出样品，微波退火结束后，保持足量的氩气对所述微波退火炉腔体继续进行吹扫，待腔内温度自然冷却，然后从腔体内拿出经微波退火处理的具有氧化镓层的所述衬底。重复步骤a-步骤e，从而在多个不同的所述预设温度下对所述氧化镓层进行多次退火处理，从而提高退火效率，改善退火质量。
在其他具体实施方式中，本领域技术人员还可根据实际需要，通过更换氧化镓材料样品，并重复步骤a-步骤e，达到对氧化镓材料样品批量退火处理的效果。所述氧化镓材料样品是指具有衬底以及位于衬底表面的氧化镓层的半导体样品。
本具体实施方式提供的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，采用微波退火处理的方法对衬底表面的氧化镓层进行退火处理，且控制微波退火处理过程中的退火温度(即预设温度)低于扩散温度，所述扩散温度为所述氧化镓层中的氧化镓材料与所述衬底之间发生热扩散的最低温度，从而避免了现有传统的退火方式在退火过程中因退火温度过高而易发生氧化镓层与衬底之间热扩散的问题，且微波退火成本低廉，从而降低了氧化镓材料的退火处理成本，利于大规模量化生产。
附图3是利用原子力显微镜(AFM)拍摄的未退火和不同温度微波退火后的氧化镓薄膜的表面形貌图。对氧化镓样品退火前后进行形貌表征，对未退火的氧化镓薄膜以及分别经过250、350和450℃的微波退火后的氧化镓薄膜，利用原子力显微镜对经不同处理的薄膜的表面微结构形貌进行了测试，如图3所示。可以看出，ALD生长的氧化镓薄膜为非晶的无序结构，如图3中a所示，表面粗糙度小。随着退火温度由250℃增加到450℃，氧化镓薄膜表面粗糙度逐渐增加，表面形貌由针尖状无序的非晶结构逐渐变为凝结的小球颗粒状结晶结构，且微结晶颗粒的尺寸逐步增加，说明微波退火过程确实有效地改变了氧化镓薄膜的结晶和微结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一衬底，所述衬底表面具有由氧化镓层；
设置多个预设温度，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理，所述预设温度低于扩散温度，所述扩散温度为所述氧化镓层中的氧化镓材料与所述衬底之间发生热扩散的最低温度。
2.根据权利要求1所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，多个所述预设温度按照从低温到高温的顺序排列；
任意相邻两个所述预设温度之间的差值均相等；或者，
所述预设温度的温度越高，相邻所述预设温度之间的差值越小。
3.根据权利要求1所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理的具体步骤包括：
按照多个所述预设温度的高低顺序，依次在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理。
4.根据权利要求1所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，在每一所述预设温度下对所述氧化镓层进行微波退火处理的具体步骤包括：
放置所述衬底至微波退火炉腔体内，并对所述微波退火炉腔体进行抽真空处理；
以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理；
于所述微波退火炉腔体内冷却经所述微波退火处理的所述氧化镓层；
自所述微波退火炉腔体取出具有所述氧化镓层的衬底。
5.根据权利要求4所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理之前，还包括如下步骤：
采用惰性气体对所述微波退火炉腔体进行吹扫，排除所述微波退火炉腔体内的杂质气体。
6.根据权利要求4所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，以所述预设温度作为最高温度对所述氧化镓层进行微波退火处理的具体步骤包括：
设定微波退火参数并向所述微波退火炉腔体通入退火气氛，进行退火处理，所述微波退火参数中的最高退火温度为所述预设温度。
7.根据权利要求4所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，所述退火气氛为氩气气氛或者氮气气氛。
8.根据权利要求4所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，于所述微波退火炉腔体内冷却经所述微波退火处理的所述氧化镓层的具体步骤包括：
采用惰性气体对所述微波退火炉腔体进行吹扫，降低所述微波退火炉腔体的温度。
9.根据权利要求1所述的用于氧化镓材料的微波退火改性方法，其特征在于，所述预设温度为200℃-600℃。
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