CN112820633B - 氮化镓层及其同质外延生长方法 - Google Patents

氮化镓层及其同质外延生长方法 Download PDF

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Abstract

本申请具体涉及一种氮化镓层及其同质外延生长方法，包括：提供氮化镓衬底，氮化镓衬底的晶面为C晶面，或氮化镓衬底的晶面为与C晶面呈偏角α的晶面；对氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得氮化镓衬底的边缘暴露出(1‑101)面；于氮化镓衬底的表面进行同质外延，以得到同质外延生长的氮化镓层。上述实施例中的氮化镓层的同质外延生长方法可以避免翼晶的形成，进而避免由于氮化镓衬底边缘外延生长的氮化镓层与氮化镓衬底表面外延生长的氮化镓层之间存在较大的应力及弹性变形而形成的微裂片、破片及凹坑，降低了外延生长的氮化镓层中的位错密度，提高了外延生长的氮化镓层的质量。

Description

氮化镓层及其同质外延生长方法
技术领域
本申请属于半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓层及其同质外延生长方法。
背景技术
在已有的氮化镓(GaN)衬底上继续生长氮化镓层即为氮化镓的同质外延生长。然后，由于氮化镓衬底边缘处的晶面与氮化镓衬底的表面并非在同一个晶面，而各个晶面均可以作为晶种外延生长氮化镓，又不同晶面上外延生长氮化镓的生长晶向及生长速率均不相同，这样在外延生长过程中就很容易导致氮化镓衬底的边缘生长出与氮化镓衬底表面生长的氮化镓主体材料晶向不同的氮化镓材料；氮化镓的边缘外延生长的上述氮化镓材料成为翼晶(wings)，翼晶的存在会导致氮化镓衬底边缘外延生长的氮化镓层与氮化镓衬底表面外延生长的氮化镓层之间存在较大的应力及弹性变形，从而容易导致边缘微裂纹、破片、凹坑(pits)的形成，如图1所示，还可以导致外延生长的氮化镓层中的位错密度大幅增加，从而降低同质外延生长的氮化镓层的良品率及质量。
发明内容
基于此，有必要针对上述背景技术中的问题，提供一种能够解决上述问题的氮化镓层及其同质外延生长方法。
本申请的一方面提供一种氮化镓层的同质外延生长方法，包括：
提供氮化镓衬底，所述氮化镓衬底的晶面为C晶面，或所述氮化镓衬底的晶面为与C晶面呈偏角(offcut)α的晶面，所述偏角α的取值范围为：0°≤α≤62°或64°≤α≤90°；
对所述氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得所述氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面；
于所述氮化镓衬底的表面进行同质外延，以得到同质外延生长的氮化镓层。
上述实施例中的氮化镓层的同质外延生长方法中，通过先对氮化镓衬底的边缘进行处理，使得氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面，可以使得在氮化镓衬底的边缘及表面进行同质外延生长氮化镓层时形成晶面相同的氮化镓成核层，进而可以在氮化镓衬底的边缘及表面以相同或相近的横向和纵向生长速度生长氮化镓层，避免翼晶的形成，进而避免由于氮化镓衬底边缘外延生长的氮化镓层与氮化镓衬底表面外延生长的氮化镓层之间存在较大的应力及弹性变形而形成的微裂片、破片及凹坑，降低了外延生长的氮化镓层中的位错密度，提高了外延生长的氮化镓层的质量。
在其中一个实施例中，对所述氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得所述氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面包括：
对所述氮化镓衬底的边缘进行切割；
对切割后的所述氮化镓衬底的边缘进行倒角，直至所述氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
在其中一个实施例中，对所述氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得所述氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面包括：
对所述氮化镓衬底的边缘进行切割；
对切割后的所述氮化镓衬底的边缘进行倒角；
对倒角后的所述氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀，直至所述氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
在其中一个实施例中，对所述氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得所述氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面包括：
对所述氮化镓衬底的边缘行选择性刻蚀，直至所述氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
在其中一个实施例中，使用氢氧化钾溶液对所述氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀。
在其中一个实施例中，所述氢氧化钾溶液的温度为160℃～230℃。
在其中一个实施例中，所述氢氧化钾溶液的浓度为70g/ml至230℃下的氢氧化钾的饱和浓度之间。
在其中一个实施例中，所述氢氧化钾溶液对所述氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀的刻蚀速率为0.005μm/min～2μm/min。
在其中一个实施例中，将所述氮化镓衬底置于外延炉内，采用HVPE、MOCVD或氨热法进行同质外延。
在其中一个实施例中，对所述氮化镓衬底的边缘进行处理后，且于所述氮化镓衬底的表面进行同质外延之前，还包括：
对边缘进行处理后的所述氮化镓衬底进行清洗。
本申请的还提供一种氮化镓层，所述氮化镓层采用上述任一方案中所述的同质外延生长方法而形成。
本申请中的氮化镓层在氮化镓衬底的边缘及表面以相同或相近的横向和纵向生长速度生长而成，不存在翼晶的形成，位于氮化镓衬底边缘处的氮化镓层与位于氮化镓衬底表面的氮化镓层之间不存在较大的应力及弹性变形，不会造成微裂片、破片及凹坑，氮化镓层中的位错密度交底，氮化镓层具有较高的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为现有技术中在氮化镓衬底外延生长氮化镓时，出现微裂纹及破片的示意图。
图2为本申请一实施例中提供的氮化镓层的同质外延生长方法的流程图。
图3至图5为本申请不同实施例中提供的氮化镓层的同质外延生长方法中的对所述氮化镓衬底的边缘进行处理的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
本发明中，“偏角”一词为英文单词“offcut”的中文翻译。
在一个实施例中，请参考图2，本申请提供一种氮化镓层的同质外延生长方法，包括如下步骤：
S10：提供氮化镓衬底，氮化镓衬底的晶面为C晶面，或氮化镓衬底的晶面为与C晶面呈偏角α的晶面，偏角α的取值范围为：0°≤α≤62°或64°≤α≤90°；
S20：对氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面；
S30：于氮化镓衬底的表面进行同质外延，以得到同质外延生长的氮化镓层。
上述实施例中的氮化镓层的同质外延生长方法中，通过先对氮化镓衬底的边缘进行处理，使得氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面，可以使得在氮化镓衬底的边缘及表面进行同质外延生长氮化镓层时形成晶面相同的氮化镓成核层，进而可以在氮化镓衬底的边缘及表面以相同或相近的横向和纵向生长速度生长氮化镓层，避免翼晶的形成，进而避免由于氮化镓衬底边缘外延生长的氮化镓层与氮化镓衬底表面外延生长的氮化镓层之间存在较大的应力及弹性变形而形成的微裂片、破片及凹坑，降低了外延生长的氮化镓层中的位错密度，提高了外延生长的氮化镓层的质量。
在步骤S10中，请参阅图2中的S10步骤，提供氮化镓衬底，所述氮化镓衬底的晶面为C晶面，或所述氮化镓衬底的晶面为与C晶面呈偏角α的晶面，所述偏角α的取值范围为：0°≤α≤62°或64°≤α≤90°。
在一个示例中，氮化镓衬底的晶面可以为C晶面，即(0001)面，具体的，氮化镓衬底需要进行外延生长氮化镓层的表面可以为C晶面。
在另一个示例中，氮化镓衬底的晶面可以为与C晶面呈偏角(offcut)α的晶面，偏角α的取值范围可以根据实际需要进行设定，在一个示例中，偏角α的取值范围可以为0°≤α≤62°，具体可以为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°或62°等等；在另一个示例中，偏角α的取值范围可以为64°≤α≤90°，具体可以为64°、70°、75°、80°、85°、或90°等等。由于后续步骤对氮化镓衬底的边缘进行处理后暴露出(1-101)面与C晶面的偏角在63°左右，氮化镓衬底的晶面与C晶面的偏角α如果取值63°，会由于加工问题导致氮化镓衬底的边缘过薄，所以氮化镓衬底的晶面与C晶面的偏角α的取值不能选择63°。
在步骤S20中，请参阅图2中的S20步骤及图3至图5，对氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
在一个示例中,请参阅图3，步骤S20可以包括如下步骤：
S201：对氮化镓衬底的边缘进行切割；
S202：对切割后的氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀，直至氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
具体的，步骤S201中，可以使用但不仅限于磨轮或激光器等切割工具对氮化镓衬底的边缘进行切割。
具体的，步骤S202中，可以使用氢氧化钾(KOH)溶液对氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀；在该示例中，选择性刻蚀后氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
在另一个示例中,如图4所示，步骤S20可以包括如下步骤：
S201：对氮化镓衬底的边缘进行切割；
S202：对切割后的氮化镓衬底的边缘进行倒角，直至氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
具体的，步骤S201中，可以使用但不仅限于磨轮或激光器等切割工具对氮化镓衬底的边缘进行切割。
具体的，步骤S202中，可以使用但不仅限于磨轮对切割后的氮化镓衬底的边缘进行倒角；在该示例中，倒角后氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
在又一个示例中，请参阅图5，步骤S20可以包括如下步骤：
S201：对氮化镓衬底的边缘进行切割；
S202：对切割后的氮化镓衬底的边缘进行倒角；
S203：对倒角后的氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀，直至氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。
具体的，步骤S201中，可以使用但不仅限于磨轮或激光器等切割工具对氮化镓衬底的边缘进行切割。
具体的，步骤S202中，可以使用但不仅限于磨轮对切割后的氮化镓衬底的边缘进行倒角；在该示例中，倒角后氮化镓衬底的边缘并未暴露出(1-101)面，但接近暴露出(1-101)面。
具体的，步骤S203中，可以使用氢氧化钾(KOH)溶液对氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀。
在又一个实施例中，步骤S20可以为对氮化镓衬底的边缘行选择性刻蚀，直至氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面。具体的，可以使用氢氧化钾(KOH)溶液对氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀。
更为具体的，氢氧化钾溶液可以为高温高浓度的氢氧化钾溶液，氢氧化钾溶液的温度为160℃～230℃，譬如，氢氧化钾溶液的温度可以为诶160℃、180℃、200℃或230℃等等。氢氧化钾溶液的浓度为70g/ml(克每毫升)至230℃下的氢氧化钾的饱和浓度之间，本示例中，氢氧化钾溶液的浓度不仅包括70g/ml至230℃下的氢氧化钾的饱和浓度之间的若干个数值范围，也包括70g/ml，还包括30℃下的氢氧化钾的饱和浓度。优选地，氢氧化钾溶液的浓度可以为100g/ml～360g/ml，譬如，可以为100g/ml、150g/ml、200g/ml、250g/ml、300g/ml或360g/ml等等；更为优选地，氢氧化钾溶液的浓度可以为110g/ml～300g/ml，譬如，可以为110g/ml、150g/ml、200g/ml、250g/ml或300g/ml等等。
在一个示例中，氢氧化钾溶液对氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀的刻蚀速率可以根据实际需要进行设定，本示例中，氢氧化钾溶液对氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀的刻蚀速率可以为0.005μm/min～2μm/min；具体的，刻蚀速率可以为0.005μm/min、0.01μm/min、0.05μm/min、0.1μm/min、0.5μm/min、1μm/min、1.5μm/min或2μm/min等等。
在一个可选的示例中，步骤S20之后还可以包括对边缘进行处理后的氮化镓衬底进行清洗的步骤。具体的，可以采用现有半导体领域常用的清洗工艺对边缘处理后的氮化镓衬底进行清洗，譬如，可以使用但不仅限于去离子水对边缘处理后的氮化镓衬底进行清洗。
需要说明的是，对边缘进行处理后的氮化镓衬底进行清洗后还需对氮化镓衬底进行干燥处理，具体的，可以采用但不仅限于加热工艺对氮化镓衬底进行干燥处理。
在步骤S30中，请参阅图2中的S30步骤，于氮化镓衬底的表面进行同质外延，以得到同质外延生长的氮化镓层。
在一个示例中，可以将氮化镓衬底置于外延炉内，采用HVPE(Hydride VaporPhase Epitaxy,氢化物气相外延法)、MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDePosition，金属有机化合物化学气相沉积)或氨热法进行同质外延。外延生长的温度及时间为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。
在外延生长氮化镓层的过程中，首先形成成核层，然后再以各个成核层进行横向和纵向的同时生长，进行横向上的合并聚拢，形成连续的块体，而在纵向上进行厚度的增长。形成的成核层一般以六面体的形式存在，形成面为(1-101)面。上述实施例中的氮化镓层的同质外延生长方法中，通过先对氮化镓衬底的边缘进行处理，使得氮化镓衬底的边缘暴露出(1-101)面，可以使得在氮化镓衬底的边缘及表面进行同质外延生长氮化镓层时形成晶面相同的氮化镓成核层，进而可以在氮化镓衬底的边缘及表面以相同或相近的横向和纵向生长速度生长氮化镓层，避免翼晶的形成，进而避免由于氮化镓衬底边缘外延生长的氮化镓层与氮化镓衬底表面外延生长的氮化镓层之间存在较大的应力及弹性变形而形成的微裂片、破片及凹坑(如图1所示)，降低了外延生长的氮化镓层中的位错密度，提高了外延生长的氮化镓层的质量。
在又一个实施例中，本申请还提供一种氮化镓层，氮化镓层为采用如上述氮化镓层的同质外延生长方法而形成。
本申请中的氮化镓层在氮化镓衬底的边缘及表面以相同或相近的横向和纵向生长速度生长而成，不存在翼晶的形成，位于氮化镓衬底边缘处的氮化镓层与位于氮化镓衬底表面的氮化镓层之间不存在较大的应力及弹性变形，不会造成微裂片、破片及凹坑，氮化镓层中的位错密度交底，氮化镓层具有较高的质量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，包括：
提供氮化镓衬底，所述氮化镓衬底的晶面为与C晶面呈偏角α的晶面，所述偏角α的取值范围为：0°≤α≤62°；
对所述氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得所述氮化镓衬底的边缘暴露出（1-101）面；
于所述氮化镓衬底的表面进行同质外延，以得到同质外延生长的氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，对所述氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得所述氮化镓衬底的边缘暴露出（1-101）面包括：
对所述氮化镓衬底的边缘进行切割；
对切割后的所述氮化镓衬底的边缘进行倒角，直至所述氮化镓衬底的边缘暴露出（1-101）面。
3.根据权利要求1所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，对所述氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得所述氮化镓衬底的边缘暴露出（1-101）面包括：
对所述氮化镓衬底的边缘进行切割；
对切割后的所述氮化镓衬底的边缘进行倒角；
对倒角后的所述氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀，直至所述氮化镓衬底的边缘暴露出（1-101）面。
4.根据权利要求1所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，对所述氮化镓衬底的边缘进行处理，以使得所述氮化镓衬底的边缘暴露出（1-101）面包括：
对所述氮化镓衬底的边缘行选择性刻蚀，直至所述氮化镓衬底的边缘暴露出（1-101）面。
5.根据权利要求3或4所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，使用氢氧化钾溶液对所述氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀。
6.根据权利要求5所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，所述氢氧化钾溶液的温度为160℃~230℃。
7.根据权利要求5所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，所述氢氧化钾溶液的浓度为70g/ml至230℃下的氢氧化钾的饱和浓度之间。
8.根据权利要求5所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，所述氢氧化钾溶液对所述氮化镓衬底的边缘进行选择性刻蚀的刻蚀速率为0.005μm/min~2μm/min。
9.根据权利要求1所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，将所述氮化镓衬底置于外延炉内，采用HVPE、MOCVD或氨热法进行同质外延。
10.根据权利要求1所述的氮化镓层的同质外延生长方法，其特征在于，对所述氮化镓衬底的边缘进行处理后，且于所述氮化镓衬底的表面进行同质外延之前，还包括：
对边缘进行处理后的所述氮化镓衬底进行清洗。
11.一种氮化镓层，其特征在于，所述氮化镓层采用如权利要求1至10中任一项所述的同质外延生长方法而形成。
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