CN112687526A

CN112687526A - 氮化物半导体材料的制备方法及其退火处理方法

Info

Publication number: CN112687526A
Application number: CN202011574313.XA
Authority: CN
Inventors: 吴华龙; 何晨光; 张康; 贺龙飞; 赵维; 廖乾光; 刘云洲; 陈志涛
Original assignee: Institute of Semiconductors of Guangdong Academy of Sciences
Current assignee: Institute of Semiconductors of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: CN112687526B

Abstract

本发明公开一种氮化物半导体材料的制备方法及其退火处理方法，其中，退火处理方法包括以下步骤：步骤S1，在第一晶片的氮化物材料层表面上沉积采用能够通过化学腐蚀方式去除的耐高温材料保护层，其中，第一晶片通过在异质衬底上沉积氮化物材料层制得；步骤S2，对沉积有保护层的第一晶片进行高温退火处理；步骤S3，通过化学腐蚀方式去除经过高温退火处理的第一晶片上的保护层。本发明的方案通过设置保护层，使得在进行高温退火处理以降低氮化物材料层位错密度时，氮化物材料层不会出现表面分解，且能避免气氛中的碳、氧等杂质并入；且通过化学腐蚀的方式去除保护层，不会损伤氮化物材料层和异质衬底。

Description

氮化物半导体材料的制备方法及其退火处理方法

技术领域

本发明涉及半导体材料的制备工艺，具体涉及一种氮化物半导体材料的制备方法及其退火处理方法。

背景技术

由于氮化铝、氮化硼、铝镓氮和硼铝氮等氮化物的共价键键能大，熔点在2750℃以上，因而无法通过直拉单晶制造法(简称直拉法，也称提拉法、切克劳斯基法)制备出低位错密度的高熔点氮化物衬底。因此，当前的高熔点氮化物单晶材料普遍是采用金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)、或者物理气相传输法(Physical VaporTransport，PVT)在蓝宝石、碳化硅等异质衬底上生长制得。但是，生长于异质衬底的高熔点氮化物材料受限于巨大的晶格失配与热失配，普遍具有着高达10⁸-10⁹cm^-2的位错密度，严重影响其进一步的应用。

为进一步提高高熔点氮化物材料的结晶质量，人们发展出了高温退火处理技术，即将制备得到的高熔点氮化物晶圆放置于高温退火炉中，将温度升至1600℃左右，使得高熔点氮化物晶格发生重新排列、位错产生滑移，从而降低材料中的位错密度。然而，高熔点氮化物材料表面在高温下会发生分解，导致退火后高熔点氮化物材料表面急剧劣化，严重影响其性能。而且，在高温退火过程中，还存在碳、氧等杂质并入高熔点氮化物材料的问题。

发明内容

为了解决在使用高温退火处理技术提升在异质衬底上生长出的高熔点氮化物材料的结晶质量时，引发的高熔点氮化物材料表面高温分解和杂质并入等新问题，发明人经过大量研究和实验，想到了对高熔点氮化物材料的高温退火处理技术进行改进，通过在高熔点氮化物材料中引入保护层，来避免高熔点氮化物在高温退火时出现表面形貌劣化和杂质并入的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于氮化物半导体材料的退火处理方法，其包括以下步骤：

步骤S1：在第一晶片的第一表面上沉积保护层，其中，第一晶片通过在异质衬底上沉积氮化物材料层制得，第一表面是指第一晶片的氮化物材料层表面，保护层的材料为能够通过化学腐蚀方式去除的耐高温材料，氮化物材料层为AlN(氮化铝)材料层、BN(氮化硼)材料层、A1GaN(铝镓氮)材料层或BAlN(硼铝氮)材料层；

步骤S2：对沉积有保护层的第一晶片进行高温退火处理；

步骤S3：通过化学腐蚀方式去除经过高温退火处理的第一晶片上的保护层。

本发明通过在进行高温退火处理前的氮化物材料层的表面生长能够通过化学腐蚀的方式轻易地从氮化物的表面去除的保护层，当进行高温退火处理时，由于保护层采用耐高温材料制成，在保护层的保护下，不仅不会影响氮化物材料层的氮化物晶格发生重新排列和位错产生滑移，实现降低氮化物材料层的位错密度的目的，还可以避免氮化物材料层在高温退火处理时发生表面分解，以及气氛中的碳、氧等杂质并入的问题，提高氮化物材料的结晶质量；而且，当完成高温退火处理后，通过化学腐蚀的方式去除保护层时不会损伤氮化物材料层和异质衬底，保证制得的氮化物半导体材料的质量。

在一些实施方式中，在步骤S1中，还在第一晶片的第二表面上沉积保护层，其中，第二表面是指第一晶片的异质衬底表面。当在异质衬底表面也沉积保护层时，还可以避免在高温退火时，碳、氧等杂质从异质衬底的背面(即衬底的与其生长有氮化物材料层的表面相背离的表面)并入，导致当制得的半导体材料用于制备背面出光或入射的光电器件时，存在因衬底背面吸光导致的发光效率或光电转换效率降低的问题。

在一些实施方式中，保护层是由Si₃N₄(氮化硅)、SiO₂(氧化硅)或TiN(氮化钛)沉积生长形成，或保护层是由Si₃N₄、SiO₂和TiN中的二者或三者交替沉积生长形成的双层或多层结构；其中，第一晶片的第一表面沉积的保护层与第二表面上沉积的保护层完全相同，或第一晶片的第一表面沉积的保护层与第二表面上沉积的保护层至少部分不同。采用Si₃N₄、SiO₂和TiN材料中的至少一种制作保护层，可以通过化学腐蚀方式去除Si₃N₄、SiO₂和TiN材料，而不会对氮化物材料层和异质衬底造成损伤。当保护层为单层结构时，可以仅通过一种溶液腐蚀即可去除该保护层，操作过程较为简便；当保护层为多层结构时，可以进一步保证保护层在高温退火处理过程中的稳定性，以给予氮化物层更为可靠的保护。

在一些实施方式中，保护层是通过CVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition，化学气相沉积)法或ALD(Atomic layer deposition，原子层沉积)法沉积得到，保护层在低于800℃的环境下进行沉积得到。采用CVD法可以在低于Si₃N₄、SiO₂和TiN的熔点或分解温度的沉积温度下沉积得到耐熔的Si₃N₄层、SiO₂层和TiN层，避免因沉积Si₃N₄层、SiO₂层和TiN层时因沉积温度过高，而导致氮化物材料层在沉积保护层时因温度过高而发生表面分解，以及气氛中的碳、氧等杂质并入的问题；当采用ALD法进行保护层的沉积时，由于ALD法进行沉积时是逐层进行沉积的，沉积得到的保护层的厚度较为均匀，便于控制保护层的沉积时间和去除时间；而且，采用CVD法或ALD法将Si₃N₄、SiO₂和TiN材料中的至少一种在第一晶片的第一表面和第二表面沉积得到保护层时，可以将沉积温度控制在800℃以下，避免沉积保护层时因温度过高而导致氮化物材料层发生表面分解，以及气氛中的碳、氧等杂质并入的问题。

在一些实施方式中，保护层的厚度为30nm-1μm。由此，在保证保护层能够保护氮化物材料层在高温退火时不会因温度过高而发生表面分解，以及气氛中的碳、氧等杂质并入的问题的同时；避免因保护层厚度过厚而出现沉积时间、退火时间和腐蚀时间较长的问题，以及避免因保护层厚度过厚导致退火效果差的问题。

在一些实施方式中，在步骤S3中，通过化学腐蚀方式去除经过高温退火处理的第一晶片上的保护层实现为：将经过高温退火处理的沉积有保护层的第一晶片放置在HF(氢氟酸)、BOE(Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀液)或煮沸的王水溶液中，以去除第一晶片上的保护层。例如，通过HF或BOE去除保护层中的Si₃N₄层和SiO₂层，通过煮沸的王水溶液去除保护层中的TiN层，由于HF和BOE不会与氮化物反应，也不会腐蚀氮化物，通过HF和BOE作为化学腐蚀的溶液对含有Si₃N₄或SiO₂的保护层进行选择性腐蚀，在保证保护层能够通过腐蚀去除的同时，不会对氮化物材料层造成损伤；化学腐蚀的时间可以通过实验确定，例如，可以试沉积已知厚度的保护层，通过腐蚀一定厚度的保护层，确定保护层的腐蚀速度，进而计算出已知厚度的保护层的腐蚀时间；其中，保护层是否腐蚀完全可以通过光学显微镜进行观察判断，以进一步保证化学腐蚀不会对氮化物材料层和异质衬底造成损伤。

在一些实施方式中，氮化物材料层的厚度为100nm-10μm。由此，去除经过高温退火处理的第一晶片的保护层后，在氮化物材料层具有一定的厚度，能够承受在其表面外延生长的材料的应力而不会损坏；而且，氮化物材料层不会应为厚度过厚导致退火开裂的问题。

在一些实施方式中，步骤S2中的高温退火处理是通过将沉积有保护层的第一晶片在具有保护气体、且温度在1500℃-2000℃之间的环境下放置0.5h-10h实现，其中，保护气体包括氮气、氢气和氨气中的至少一种。通过在温度1500℃-2000℃之间的环境下放置0.5h-10h进行高温退火，可以在保证氮化物材料层能够充分退火的情况下，不会破坏保护层；而且，由于高温退火处理在保护气体的环境下进行，可以避免在高温退火处理时，保护层因与环境气氛发生反应而分解，导致保护层的保护作用失效的问题，以及避免碳和氧并入保护层和氮化物材料层中的问题。

根据本发明的另一方面提供了一种氮化物半导体材料的制备方法，其包括如下处理步骤：

步骤S11：通过MOCVD、HVPE、PVT、PLD(Pulsed Laser Deposition，脉冲激光沉积)、MBE(Molecular beam epitaxy，分子束外延)或者磁控溅射(Magnetron Sputtering)方法在异质衬底上沉积氮化物材料层，制得第一晶片；

步骤S12：采用前述的用于氮化物半导体材料的退火处理方法对所述第一晶片进行退火处理。

由于获得的第一晶片需要进行高温退火处理，降低第一晶片中氮化物材料层的位错密度，提高氮化物的结晶质量，因此，在高温退火处理前，用于沉积氮化物材料层的方法可以有多种，其中，包括了沉积速度较快，但是沉积的晶体质量不易保证的PLD和磁控溅射方法，采用这些方法虽然不能够保证沉积得到的第一晶片的晶体质量，但是，得到的第一晶片的晶体质量可以通过高温退火处理得到改善，从而可以通过本发明的制备方法快速制得晶体质量高的氮化物半导体。

在一些实施方式中，在步骤S12之后还包括：

步骤S13：通过MOCVD、HVPE、PVT或MBE方法在去除了保护层的第一晶片的氮化物材料层的表面上沉积厚度范围为300nm-10μm的同质氮化物外延层。虽然经过高温退火处理能够改善氮化物材料层的结晶质量，但是，由于氮化物材料层沉积在异质衬底上时位错密度较高，导致其表面质量也较差，即使通过高温退火处理也无法得到表面光滑的氮化物材料层，因此，本发明通过在经过高温退火改善了结晶质量的氮化物材料层的表面继续沉积同质的氮化物外延层，由于外延层与氮化物材料层是同质的，使得沉积得到的外延层不存在位错密度较大的问题，而且，通过MOCVD、HVPE、PVT或MBE方法，以较慢的速度在氮化物材料层上沉积得到厚度范围为300nm-10μm的同质氮化物外延层，同质氮化物外延层不会因厚度过厚，导致所受应力过大而开裂，从而保证制得的同质氮化物外延层的表面更加光滑。

根据本发明的另一方面提供了另一种氮化物半导体材料的制备方法，其包括如下处理步骤：

步骤S111：在衬底的相对的两个表面上分别生长氮化物材料层和第一保护层，并在氮化物材料层的表面上生长第二保护层，得到第二晶片，其中，选用的衬底为与氮化物材料层不同质的异质衬底；

其中，第一保护层和第二保护层的材料均为能够通过化学腐蚀方式去除的耐高温材料；

步骤S112：将第二晶片进行高温退火处理；

步骤S113：通过化学腐蚀的方法去除经过高温退火处理的第二晶片中的第一保护层和第二保护层。

由此，可以在不发生表面分解，以及气氛中的碳、氧等杂质并入等问题的同时，降低氮化物材料层的位错密度，提高氮化物材料的结晶质量。

在一些实施方式中，在步骤S113之后还包括：

步骤S114：在去除了保护层的第一晶片的氮化物材料层的表面上通过MOCVD、HVPE、PVT或MBE方法沉积厚度范围为300nm-10μm的氮化物外延层。

通过MOCVD、HVPE、PVT或MBE方法，以较慢的速度在氮化物材料层上沉积得到厚度范围为300nm-10μm的同质氮化物外延层，同质氮化物外延层不会因厚度过厚，导致所受应力过大而开裂，从而保证制得的同质氮化物外延层的表面更加光滑。

附图说明

图1为本发明一实施方式的用于氮化物半导体材料的退火处理方法的流程示意图；

图2为图1所示用于氮化物半导体材料的退火处理方法的第一种实施例的处理方法示意图；

图3为图1所示用于氮化物半导体材料的退火处理方法的第二种实施例的处理方法示意图；

图4为图1所示用于氮化物半导体材料的退火处理方法的第三种实施例的处理方法示意图；

图5为本发明一实施方式的氮化物半导体材料的制备方法的流程示意图；

图6为图5所示氮化物半导体材料的制备方法的第一种实施例的制备方法示意图；

图7为图5所示氮化物半导体材料的制备方法的第二种实施例的制备方法示意图；

图8为本发明另一实施方式的氮化物半导体材料的制备方法的流程示意图；

图9为图8所示氮化物半导体材料的制备方法的第一种实施例的制备方法示意图；

图10为图8所示氮化物半导体材料的制备方法的第二种实施例的制备方法示意图；

图11为图8所示氮化物半导体材料的制备方法的第三种实施例的制备方法示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1示意性地显示了本发明一种实施方式的用于氮化物半导体材料的退火处理方法流程，该方法通过在氮化物进行高温热退火处理前，在氮化物表面生长能够通过化学腐蚀的方式轻易地从氮化物的表面去除的耐高温的保护层，通过保护层防止氮化物在高温热退火条件下的表面分解，以及气氛中的碳、氧等杂质并入氮化物的问题。图2至4示意性地显示了根据图1所示的退火处理方法流程对氮化物半导体材料进行高温退火处理的三种具体实现例。

以下结合图2对图1所示的退火处理方法的第一种具体实施例进行说明。参考图1和图2所示，在本实施例中，用于氮化物半导体材料的退火处理方法包括以下步骤：

步骤S1：在第一晶片的第一表面上沉积保护层，其中，第一晶片通过在异质衬底上沉积氮化物材料层制得，第一表面为第一晶片的氮化物材料层表面，保护层的材料为能够通过化学腐蚀方式去除的耐高温材料，氮化物材料层为AlN材料层、BN材料层、AlGaN材料层或BAlN材料层；

步骤S2：对沉积有保护层的第一晶片进行高温退火处理；

在优选实施例中，通过选取氮化物材料层厚度范围在100nm-10μm之间的第一晶片，以避免氮化物材料层因厚度过厚而在高温退火时开裂，并能够保证氮化物材料层在不损坏的情况下能够继续生长外延层。

作为优选实施例，步骤S2中的高温退火处理时，将沉积有保护层的第一晶片在具有氮气、氢气和氨气中的至少一种气氛的保护气体、且温度在1500℃-2000℃之间的环境下放置0.5h-10h。

在图3和图4中，展示了图1所示的退火处理方法的另外两种具体实现例，示例性地，如图3所示为图1所示的退火处理方法的第二种具体实施例，如图4所示为图1所示的退火处理方法的第三种具体实施例，这两种实现例均可以通过对图2所示的第一种具体实施例进行调整得到。具体地，如图3和4所示，本发明实施例在步骤S1中，还在第一晶片的第二表面上沉积保护层，其中，第二表面是指第一晶片的异质衬底表面，第一晶片的第二表面也即异质衬底的与其设有氮化物材料层的表面相背离的表面，这包含两种情况：第一种情况即为与图3所示的第二种具体实施例相对应的，在该种具体实施例中，先在第一晶片的第一表面上沉积保护层，再在第一晶片的第二表面上沉积保护层；第二种情况即为与图4所示的第三种具体实施例相对应的，在该种具体实施例中，先在第一晶片的第二表面上沉积保护层，再在第一晶片的第一表面上沉积保护层。

在具体实施方式中，保护层是采用CVD法或ALD法将Si₃N₄、SiO₂或TiN在氮化物材料层表面，或氮化物材料层表面和异质衬底表面沉积得到的单一材质构成的单层结构，或是采用CVD法或ALD法将Si₃N₄、SiO₂和TiN中的二者或三者在氮化物材料层表面，或氮化物材料层表面和异质衬底表面交替沉积得到的双层或多层结构。无论是仅在第一晶片的第一表面沉积保护层，还是在第一晶片的第一表面和第二表面均沉积保护层，都需要将沉积温度控制在800℃以下，以避免保护层沉积温度过高导致氮化物材料层和异质衬底在沉积保护层时出现表面分解，以及气氛中的碳、氧等杂质并入氮化物的问题；同时，还需要将保护层的厚度控制在30nm-1μm，以用最经济的方式保证氮化物材料层和异质衬底的高温退火的效果。

当在第一晶片的第一表面和第二表面均沉积有保护层时，第一晶片的第一表面沉积的保护层与第二表面上沉积的保护层可以完全相同，也可以至少部分不同，其中，保护层的不同可以表现在：材质不同、厚度不同，或虽然材质和厚度相同，但是为层数在两层以上的结构，且保护层中具体材质层的厚度或排布顺序不同。在具体实施过程中，考虑到保护层由Si₃N₄层、SiO₂层和TiN层中的至少一种构成，对保护层进行化学腐蚀时可以根据保护层包含的具体材质层选择HF、BOE和煮沸的王水溶液中的至少一种作为腐蚀液，例如，可以通过HF或BOE对Si₃N₄层和SiO₂层进行腐蚀，通过煮沸的王水溶液对TiN层进行腐蚀。

示例性的，保护层中的Si₃N₄、SiO₂和TiN均以层状结构存在，例如，当保护层仅包含一种成分时，以Si₃N₄为例，当保护层仅包含Si₃N₄时，保护层即为Si₃N₄层；当保护层包含两种成分时，以Si₃N₄和SiO₂为例，当保护层仅包含Si₃N₄和SiO₂时，保护层可以为包括Si₃N₄层和SiO₂层的双层结构，保护层也可以为多层结构，在多层结构的保护层中，Si₃N₄层和SiO₂层两者中至少有一个具有两层以上，成分相同的两层通过其他成分的层隔开；当保护层三种成分均含有时，其设置方式与含有两种成分的设置方式相似，即在保护层中，Si₃N₄层、SiO₂层和TiN层均至少设有一层，且成分相同的两层通过其他成分的层隔开。考虑到Si₃N₄层和SiO₂层的腐蚀溶液与TiN层的腐蚀溶液不同，当保护层为多层结构时，作为优选的实施方式，多层结构中一般不包含TiN层，以避免在去除保护层时需要采用不同的腐蚀溶液进行多次腐蚀，导致耗时较长，生产效率低、操作步骤繁琐等问题。

以下结合具体的实施例对氮化物半导体材料的制备方法进行示例性说明。

实施例1

本实施例的处理方法步骤参考图3所示：

第一步，采用MOCVD方法在第一晶片的氮化物材料层表面沉积一层厚度为30nm的氮化硅保护层；

第二步，将氮化物材料层表面沉积有保护层的第一晶片放置于PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积)系统中，在第一晶片的蓝宝石衬底表面沉积一层厚度为50nm的氮化硅保护层；

第三步，将两面均沉积有保护层的第一晶片放置于高温退火炉中，通入氮气作为保护气体，将高温退火炉温度升高至1700℃，并保持1小时，对两面均沉积有保护层的第一晶片进行高温退火处理；

第四步，将经过高温退火处理的两面均沉积有保护层的第一晶片浸泡于氢氟酸溶液中，保持5分钟，去除第一晶片表面的保护层。

实施例2

本实施例的处理方法步骤参考图2所示：

第一步，在PECVD系统中，在第一晶片的氮化物材料层表面沉积厚度分别为300nm和300nm的氮化硅/氧化硅双层保护层；

第二步，将氮化物材料层表面沉积有保护层的第一晶片放置于高温退火炉中，通入氮气作为保护气体，将高温退火炉温度升高至1600℃，并保持4小时，对氮化物材料层表面沉积有保护层的第一晶片进行高温退火处理；

第三步，将高温退火处理后的氮化物材料层表面沉积有保护层的第一晶片浸泡于氢氟酸溶液中，保持10分钟，去除氮化物材料层表面沉积有保护层的第一晶片表面的保护层；

实施例3

第一步，在PECVD系统中，分别在第一晶片的氮化物材料层表面和第一晶片的碳化硅衬底表面沉积一层厚度为30nm的氮化钛保护层；

第二步，将两面均沉积有保护层的第一晶片放置于高温退火炉中，通入氨气作为保护气体，将高温退火炉温度升高至1800℃，并保持8小时，对将两面均沉积有保护层的第一晶片进行高温退火处理；

第三步，将高温退火处理后的将两面均沉积有保护层的第一晶片浸泡于煮沸的王水中，保持3分钟，去除第一晶片表面的保护层。

图5示意性地显示了本发明第一种实施方式的氮化物半导体材料的制备方法流程，该方法在制备氮化物半导体材料过程中采用前述的用于氮化物半导体材料的退火处理方法，以保证制得的氮化物半导体材料中氮化物的晶体质量。图6和图7示意性地显示了根据图5所示的退火处理方法流程对氮化物半导体材料进行高温退火处理的两种具体实现例。

参考图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤S11：通过MOCVD、HVPE、PVT、PLD、MBE或者磁控溅射方法在异质衬底上沉积氮化物材料层，制得第一晶片；

步骤S12：采用前述的用于氮化物半导体材料的退火处理方法对第一晶片进行退火处理。

继续参考图5所示，在优选实施例中，在步骤S12之后还包括：

步骤S13：通过MOCVD、HVPE、PVT或MBE方法在去除了保护层的第一晶片的氮化物材料层的表面上沉积厚度范围为300nm-10μm的同质氮化物外延层。

以下结合具体的实施例对第一种实施方式的氮化物半导体材料的制备方法进行示例性说明。

实施例四

本实施例处理方法步骤参考图6所示：

本实施例在实施例一的基础上进行，在本实施例中，在进行实施例一的第一步之前，采用MOCVD方法在1250℃下于蓝宝石衬底上沉积一层厚度为300nm的AlN材料。

实施例五

本实施例在实施例四的基础上进行，当完成实施例四后，进行以下步骤：

第五步，将去掉保护层的第一晶片放置于MOCVD系统中，在1250℃温度下，在AlN材料层的表面继续沉积500nm厚的AlN外延层，最终得到表面光滑的高质量AlN半导体材料。

实施例六

本实施例在实施例二的基础上进行，在本实施例中，在进行实施例二的第一步之前，采用MOCVD方法在1250℃下于蓝宝石衬底上沉积一层厚度为300nm的AlN材料。

实施例七

本实施例在实施例六的基础上进行，当完成实施例六后，进行以下步骤：

第四步，将去掉保护层的第一晶片放置于MOCVD系统中，在1250℃温度下，在AlN材料层的表面继续沉积1μm厚的AlN外延层，最终得到表面光滑的高质量AlN半导体材料。

实施例八

本实施例在实施例三的基础上进行，在本实施例中，在进行实施例三的第一步之前，采用磁控溅射方法在650℃下于碳化硅衬底上沉积一层厚度为300nm的AlN材料。

实施例九

本实施例在实施例八的基础上进行，当完成实施例八后，进行以下步骤：

第四步，将去掉保护层的第一晶片放置于HVPE系统中，在1450℃温度下，在AlN材料层的表面继续沉积10μm厚的AlN外延层，最终得到表面光滑的高质量AlN半导体材料。

实施例十

本实施例处理方法步骤参考图7所示，

本实施例与实施例四的区别之处在于第一步和第二步不同，在本实施例中，在第一步时，先采用MOCVD方法在1250℃下于蓝宝石衬底上沉积一层厚度为300nm的AlN材料层，得到第一晶片，再将沉积有第一晶片放置于PECVD系统中，在蓝宝石衬底表面沉积一层厚度为50nm的氮化硅保护层；

在第二步时，采用MOCVD方法在蓝宝石衬底表面沉积有保护层的第一晶片的氮化物材料层表面沉积一层厚度为30nm的氮化硅保护层。

图8示意性地显示了本发明第二种实施方式的氮化物半导体材料的制备方法流程，图9至11示意性地显示了根据图8所示的退火处理方法流程对氮化物半导体材料进行高温退火处理的三种具体实现例。

参考图8所示，该方法包括以下步骤：

步骤S111：在衬底的相对的两个表面上分别生长氮化物材料层和第一保护层，并在氮化物材料层的表面上生长第二保护层，得到第二晶片，衬底为与氮化物材料层不同质的异质衬底，其中，第一保护层和第二保护层的材料均为能够通过化学腐蚀方式去除的耐高温材料；

步骤S112：将第二晶片进行高温退火处理；

继续参考图8所示，在优选实施例中，在步骤S113之后还包括：

在具体实施例中，参考图9所示，在步骤S111中，先在异质衬底的其中一个表面上沉积第一保护层，再在异质衬底的与其沉积有第一保护层相背离的表面沉积氮化物材料层，接着，在氮化物材料层的表面上沉积第二保护层，以得到第二晶片。其中，在异质衬底的表面上沉积氮化物材料层和第一保护层、在氮化物材料层的表面沉积第二保护层、高温退火处理以及对第一保护层和第二保护层进行化学腐蚀的具体实施方式可以参考前述实施方式进行，在此不再赘述。

以下结合具体的实施例对第二种实施方式的氮化物半导体材料的制备方法进行示例性说明。

实施例十一

本实施例的处理方法步骤参考图9所示：

第一步，蓝宝石衬底放置于PECVD系统中，在蓝宝石衬底的表面沉积一层厚度为50nm的第一保护层，第一保护层为氮化硅层；

第二步，采用MOCVD方法，在1250℃条件下，在蓝宝石衬底的沉积有第一保护层的相对的表面上沉积一层厚度为300nm的AlN材料层；

第三步，采用MOCVD方法在AlN材料层表面沉积一层厚度为30nm的第二保护层，第二保护层为氮化硅层，得到第二晶片；

第四步，将两面均沉积有保护层的第二晶片放置于高温退火炉中，通入氮气作为保护气体，将高温退火炉温度升高至1700℃，并保持1小时，对两面均沉积有保护层的第二晶片进行高温退火处理；

第五步，将经过高温退火处理的两面均沉积有保护层的第二晶片浸泡于氢氟酸溶液中，保持5分钟，去除第二晶片表面的保护层。

实施例十二

本实施例在实施例十一的基础上进行，当完成实施例十一后，进行以下步骤：

第六步，将第五步中的第二晶片去除保护层后放置于MOCVD系统中，在1250℃温度下，在AlN材料层的表面继续沉积500nm厚的AlN外延层，最终得到表面光滑的高质量AlN半导体材料。

实施例十三

本实施例处理方法步骤参考图10所示，

本实施例与实施例十二的区别之处在于第一步和第二步不同。在本实施例中，在第一步时，采用MOCVD方法，在1250℃条件下，在蓝宝石衬底的表面上沉积一层厚度为300nm的AlN材料层，得到第一晶片；

在第二步时，将第一晶片放置于PECVD系统中，在第一晶片的第二表面沉积一层厚度为50nm的第一保护层，第一保护层为氮化硅层。

实施例十四

本实施例处理方法步骤参考图11所示，

本实施例与实施例十三的区别之处在于第二步和第三步不同。在本实施例中，在第二步时，采用MOCVD方法在第一晶片的第一表面沉积一层厚度为30nm的第二保护层，第二保护层为氮化硅层；

在第三步时，将第一表面沉积有第二保护层的第一晶片放置于PECVD系统中，在第一晶片的第二表面沉积一层厚度为50nm的第一保护层，第一保护层为氮化硅层，得到第二晶片。

在具体应用中，前述所有实施例中的衬底均可以采用现有技术中用于生长氮化物的衬底材料，例如，采用蓝宝石、碳化硅或硅衬底。沉积在衬底上的保护层的结构可以与沉积在氮化物层上的保护层的结构相似，在此不再赘述。

前述所有实施例在氮化物为氮化硼、铝镓氮或硼铝氮时也适用，仅在将氮化物材料层沉积在异质衬底上得到第一晶片时所选取的温度范围上稍有不同，在将氮化物材料层沉积在异质衬底上时，需要将温度控制在1000℃-1200℃之间。

本发明所述的CVD至少包括MOCVD和PECVD。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.用于氮化物半导体材料的退火处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在第一晶片的第一表面上沉积保护层，其中，所述第一晶片通过在异质衬底上沉积氮化物材料层制得，所述第一表面是指所述第一晶片的氮化物材料层表面，所述保护层的材料为能够通过化学腐蚀方式去除的耐高温材料，所述氮化物材料层为AlN材料层、BN材料层、AlGaN材料层或者BAlN材料层；

步骤S2：对沉积有保护层的第一晶片进行高温退火处理；

2.根据权利要求1所述的退火处理方法，其特征在于，在步骤S1中，还在第一晶片的第二表面上沉积保护层，其中，所述第二表面是指所述第一晶片的异质衬底表面。

3.根据权利要求1或2所述的退火处理方法，其特征在于，所述保护层是由Si₃N₄、SiO₂或TiN沉积生长形成，或所述保护层是由Si₃N₄、SiO₂和TiN中的二者或三者交替沉积生长形成的双层或多层结构；

其中，所述第一晶片的第一表面沉积的保护层与第二表面上沉积的保护层完全相同，或所述第一晶片的第一表面沉积的保护层与第二表面上沉积的保护层至少部分不同。

4.根据权利要求3所述的退火处理方法，其特征在于，所述保护层是通过CVD法或ALD法沉积得到，所述保护层在低于800℃的环境下进行沉积得到。

5.根据权利要求3所述的退火处理方法，其特征在于，所述保护层的厚度为30nm-1μm。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的退火处理方法，其特征在于，在步骤S3中，所述通过化学腐蚀方式去除经过高温退火处理的第一晶片上的保护层实现为：

将经过高温退火处理的沉积有保护层的第一晶片放置在HF、BOE或煮沸的王水溶液中，以去除第一晶片上的保护层。

7.根据权利要求6所述的退火处理方法，其特征在于，所述氮化物材料层的厚度为100nm-10μm。

8.根据权利要求7所述的退火处理方法，其特征在于，步骤S2中的所述高温退火处理是通过将沉积有保护层的第一晶片在具有保护气体、且温度在1500℃-2000℃之间的环境下放置0.5h-10h实现，其中，所述保护气体包括氮气、氢气和氨气中的至少一种。

9.氮化物半导体材料的制备方法，其特征在于，其包括如下处理步骤：

步骤S12：采用权利要求1至8任一项所述的用于氮化物半导体材料的退火处理方法对所述第一晶片进行退火处理。

10.根据权利要求9所述的氮化物半导体材料的制备方法，其特征在于，在步骤S12之后还包括：

11.氮化物半导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S111：在衬底的相对的两个表面上分别生长氮化物材料层和第一保护层，并在所述氮化物材料层的表面上生长第二保护层，得到第二晶片，所述衬底为与所述氮化物材料层不同质的异质衬底；

其中，所述第一保护层和第二保护层的材料均为能够通过化学腐蚀方式去除的耐高温材料；

步骤S112：将所述第二晶片进行高温退火处理；

12.根据权利要求11所述的氮化物半导体材料的制备方法，其特征在于，在步骤S113之后还包括：

步骤S114：在去除了保护层的第二晶片的氮化物材料层的表面上通过MOCVD、HVPE、PVT或MBE方法沉积厚度范围为300nm-10μm的氮化物外延层。