CN114525589A - 利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，包括步骤：1)于衬底上形成预铺铝层；2)在第一温度下于预铺铝层上形成第一氮化铝层；3)在第二温度下于第一氮化铝层上形成第二氮化铝层，其中，第二温度大于第一温度；4)于第一氮化铝层或第二氮化铝层中注入氢离子或氦离子，以在第一氮化铝层或第二氮化铝层中形成用于应力释放的缺陷层；5)通过热处理使第二氮化铝层的应力通过缺陷层释放并同时修复缺陷层中的缺陷，以获得低应力氮化铝层；6)于低应力氮化铝层上形成第三氮化铝层。本发明可以获得低应力、低缺陷、无裂纹的氮化铝薄膜，同时可依据不同的需求实现不同厚度的氮化铝薄膜的生长。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法。
背景技术
随着第五代移动通信的高速发展，要求设备可以实现高功率、高效率、多频段、大带宽、小体积、轻重量、高可靠性等优势，并且拥有更低的成本。这对射频前端器件的损耗、功率、工作频率和集成度提出了更高的要求。
Ⅲ族氮化物半导体材料包括氮化铝、氮化镓、氮化铟等，在半导体照明、新型激光显示、高速移动通信等领域有着重要应用。其中氮化铝作为拥有宽禁带的直接带隙半导体，其热导率高、熔点高、电阻率高、击穿场强高、介电系数小、表面声波速度高，且沿c轴取向具有优异的压电性，可作为发光材料，并在高温高频高功率器件和压电器件等领域有广阔的应用前景。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，用于解决现有技术中单晶氮化铝由于应力过大容易出现裂纹等缺陷的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，所述方法包括步骤：1)提供一衬底，于所述衬底上形成预铺铝层；2)在第一温度下于所述预铺铝层上形成第一氮化铝层；3)在第二温度下于所述第一氮化铝层上形成第二氮化铝层，其中，所述第二温度大于所述第一温度；4)于所述第一氮化铝层或第二氮化铝层中注入氢离子或氦离子，以在所述第一氮化铝层或第二氮化铝层中形成用于应力释放的缺陷层；5)通过热处理使所述第二氮化铝层的应力通过所述缺陷层释放并同时修复所述缺陷层中的缺陷，以获得低应力氮化铝层；6)于所述低应力氮化铝层上形成第三氮化铝层。
可选地，步骤1)所述预铺铝层的生长温度为600-1200℃，气压为20-150mbar，三甲基铝的流量为150-250sccm，通入时间为1-50s，所述预铺铝层的生长厚度为0.5-5nm。
可选地，步骤2)所述第一氮化铝层的生长温度为800-1200℃，气压为30-150mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为100:1-1000:1，三甲基铝的流量为150-350sccm，通入时间为150-450s，所述第一氮化铝层的生长厚度为25-35nm。
可选地，步骤2)在第一温度下形成所述第一氮化铝层时，所述预铺铝层的部分或全部反应形成氮化铝层。
可选地，步骤3)所述第二氮化铝层的生长温度为1200-1400℃，气压为10-100mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为1000:1-10000:1，三甲基铝的流量为50-250sccm，通入时间为1000-2000s，所述第二氮化铝层的生长厚度为10-200nm。
可选地，步骤4)注入氢离子或氦离子的注入剂量为1×1015cm-2-1×1017cm-2，注入能量为10-100keV。
可选地，步骤5)热处理的退火温度为500-2000℃，退火时间为10s-10h。
可选地，步骤6)于所述低应力氮化铝层上形成第三氮化铝层的温度为1200-1400℃，气压为10-100mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为100:1-1000:1，三甲基铝的流量为200-800sccm，通入时间为1000s-3000s，所述第三氮化铝层的厚度为100-1000nm。
可选地，所述预铺铝层、第一氮化铝层、第二氮化铝层及第三氮化铝层的生长工艺为金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺或原子层沉积工艺或脉冲激光沉积工艺。
可选地，所述衬底为晶向为(111)的硅衬底或蓝宝石衬底或碳化硅衬底。
本发明还提供一种半导体器件的制备方法，所述制备方法包括如上任意一项方案所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法。
可选地，所述半导体器件包括发光二极管、激光二极管、高电子迁移率晶体管、射频器件、功率器件及压电器件中的一种。
如上所述，本发明的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，具有以下有益效果：
本发明利用外延工艺生长一定厚度的氮化铝层后，利用氢离子或氦离子进行注入，引入一定缺陷，接着利用热处理使应力通过缺陷层释放并同时修复损伤层中的缺陷，使损伤层恢复成为质量良好的氮化铝层，最后再利用外延工艺继续进行氮化铝生长，从而实现更厚的氮化铝薄膜的生长。本发明可以获得低应力、低缺陷、无裂纹的氮化铝薄膜，同时可依据不同的需求实现不同厚度的氮化铝薄膜的生长。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。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。
图1～图8显示为本发明实施例的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101 硅衬底
102 预铺铝层
103 第一氮化铝层
104 第二氮化铝层
105 缺陷层
106 低应力氮化铝层
107 第三氮化铝层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图8所示，本实施例提供一种利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，所述方法包括步骤：
如图1～图2所示，首先进行步骤1)，提供一衬底，于所述衬底上形成预铺铝层102。
在一个实施例中，所述衬底为硅衬底101或蓝宝石衬底或碳化硅衬底，优选地，所述硅衬底101为晶向为(111)的硅衬底，使得后续在其上生长的氮化铝层可以沿c轴取向，从而使氮化铝层可以获得较为优异的压电性能。
在一个实施例中，所述预铺铝层102的生长工艺为金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺或原子层沉积工艺或脉冲激光沉积工艺，在本实施例中为金属有机物化学气相沉积工艺。
在一个实施例中，步骤1)所述预铺铝层的生长温度为600-1200℃，气压为20-150mbar，三甲基铝的流量为150-250sccm，通入时间为1-50s，所述预铺铝层的生长厚度为0.5-5nm。在一个具体的实施过程中，所述预铺铝层102的生长温度为1100℃，气压为100mbar，三甲基铝的流量为200sccm，通入时间为5s，所述预铺铝层102的生长厚度约为2nm。
在一个实施例中，通过控制所述预铺铝层102的生长厚度，一方面可以避免后续生长氮化铝时，氮源与硅的反应而在硅衬底101表面生成如氮化硅层等的缺陷，另一方面，可以通过在后续生长氮化铝时，使得所述预铺铝层102全部反应生成氮化铝层，避免预铺铝层102的残留而影响氮化铝层的质量。
如图3所示，然后进行步骤2)，在第一温度下于所述预铺铝层102上形成第一氮化铝层103，同时，在第一温度下形成所述第一氮化铝层103时，所述预铺铝层102的部分或全部反应形成氮化铝层。优选地，在第一温度下形成所述第一氮化铝层103时，所述预铺铝层102全部反应形成氮化铝层。
在一个实施例中，所述第一氮化铝层103的生长工艺为金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺或原子层沉积工艺或脉冲激光沉积工艺，在本实施例中为金属有机物化学气相沉积工艺。
在一个实施例中，步骤2)所述第一氮化铝层的生长温度为800-1200℃，气压为30-150mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为100:1-1000:1，三甲基铝的流量为150-350sccm，通入时间为150-450s，所述第一氮化铝层的生长厚度为25-35nm。在一个具体的实施过程中，所述第一氮化铝层103的生长温度为1100℃，气压为100mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为700:1，三甲基铝的流量为200sccm，通入时间为200s，所述第一氮化铝层103的生长厚度约为30nm，从而获得高质量的第一氮化铝层103。
如图4所示，接着进行步骤3)，在第二温度下于所述第一氮化铝层103上形成第二氮化铝层104，其中，所述第二温度大于所述第一温度。
在一个实施例中，所述第二氮化铝层104的生长工艺为金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺或原子层沉积工艺或脉冲激光沉积工艺，在本实施例中为金属有机物化学气相沉积工艺。
在一个实施例中，步骤3)所述第二氮化铝层的生长温度为1200-1400℃，气压为10-100mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为1000:1-10000:1，三甲基铝的流量为50-250sccm，通入时间为1000-2000s，所述第二氮化铝层的生长厚度为10-200nm。在一个具体的实施过程中，所述第二氮化铝层104的生长温度为1300℃，气压为55mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为3000:1，三甲基铝的流量为100sccm，通入时间为1500s，所述第二氮化铝层104的生长厚度约为100nm，从而获得高质量的第二氮化铝层104。
如图5～图6所示，然后进行步骤4)，于所述第一氮化铝层103或第二氮化铝层104中注入氢离子或氦离子，以在所述第一氮化铝层103或第二氮化铝层104中形成用于应力释放的缺陷层105。
在一个实施例中，步骤4)注入氢离子或氦离子的注入剂量为1×1015cm-2-1×1017cm-2，注入能量为10-100keV。在一个具体的实施例中，注入离子为氢离子，注入剂量为1×1016cm-2，注入能量为50keV，氢离子在后续的退火过程中，较容易被修复。
如图7所示，接着进行步骤5)，通过热处理使所述第二氮化铝层104的应力通过所述缺陷层105释放并同时修复所述缺陷层105中的缺陷，以获得低应力氮化铝层106。
由于氮化铝与硅衬底101之间存在晶格失配和热失配，因此，氮化铝层中具有一定的应力，该应力随着氮化铝生长厚度的增加而增加，因此，该应力限制了氮化铝层的生长质量和生长厚度，本实施例可以通过热处理使所述第二氮化铝层104的应力通过所述缺陷层105释放并同时修复所述缺陷层105中的缺陷，以获得低应力氮化铝层106，在一个实施例中，步骤5)热处理的退火温度为500-2000℃，退火时间为10s-10h。在一个具体实施过程中，热处理的退火温度为800℃，退火时间为5h。
如图8所示，最后进行步骤6)，于所述低应力氮化铝层106上形成第三氮化铝层107。
在一个实施例中，所述第三氮化铝层107的生长工艺为金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺或原子层沉积工艺或脉冲激光沉积工艺，在本实施例中为金属有机物化学气相沉积工艺。
在一个实施例中，步骤6)于所述低应力氮化铝层上形成第三氮化铝层的温度为1200-1400℃，气压为10-100mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为100:1-1000:1，三甲基铝的流量为200-800sccm，通入时间为1000s-3000s，所述第三氮化铝层的厚度为100-1000nm。在一个具体的实施过程中，于所述低应力氮化铝层106上形成第三氮化铝层107的温度为1300℃，气压为50mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为300:1，三甲基铝的流量为300sccm，通入时间为2000s，所述第三氮化铝层107的厚度约为350nm。
本实施例还提供一种半导体器件的制备方法，所述制备方法包括如上任意一项方案所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法。
在一个实施例中，所述半导体器件包括发光二极管、激光二极管、高电子迁移率晶体管、射频器件、功率器件及压电器件中的一种。
如上所述，本发明的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，具有以下有益效果：
本发明利用外延工艺生长一定厚度的氮化铝层后，利用氢离子或氦离子进行注入，引入一定缺陷，接着利用热处理使应力通过缺陷层105释放并同时修复缺陷层105中的缺陷，使缺陷层105恢复成为质量良好的氮化铝层，最后再利用外延工艺继续进行氮化铝生长，从而实现更厚的氮化铝薄膜的生长。本发明可以获得低应力、低缺陷、无裂纹的氮化铝薄膜，同时可依据不同的需求实现不同厚度的氮化铝薄膜的生长。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
1)提供一衬底，于所述衬底上形成预铺铝层；
2)在第一温度下于所述预铺铝层上形成第一氮化铝层；
3)在第二温度下于所述第一氮化铝层上形成第二氮化铝层，其中，所述第二温度大于所述第一温度；
4)于所述第一氮化铝层或第二氮化铝层中注入氢离子或氦离子，以在所述第一氮化铝层或第二氮化铝层中形成用于应力释放的缺陷层；
5)通过热处理使所述第二氮化铝层的应力通过所述缺陷层释放并同时修复所述缺陷层中的缺陷，以获得低应力氮化铝层；
6)于所述低应力氮化铝层上形成第三氮化铝层。
2.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：步骤1)所述预铺铝层的生长温度为600-1200℃，气压为20-150mbar，三甲基铝的流量为150-250sccm，通入时间为1-50s，所述预铺铝层的生长厚度为0.5-5nm。
3.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：步骤2)所述第一氮化铝层的生长温度为800-1200℃，气压为30-150mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为100:1-1000:1，三甲基铝的流量为150-350sccm，通入时间为150-450s，所述第一氮化铝层的生长厚度为25-35nm。
4.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：步骤2)在第一温度下形成所述第一氮化铝层时，所述预铺铝层的部分或全部反应形成氮化铝层。
5.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：步骤3)所述第二氮化铝层的生长温度为1200-1400℃，气压为10-100mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为1000:1-10000:1，三甲基铝的流量为50-250sccm，通入时间为1000-2000s，所述第二氮化铝层的生长厚度为10-200nm。
6.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：步骤4)注入氢离子或氦离子的注入剂量为1×1015cm-2-1×1017cm-2，注入能量为10-100keV。
7.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：步骤5)热处理的退火温度为500-2000℃，退火时间为10s-10h。
8.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：步骤6)于所述低应力氮化铝层上形成第三氮化铝层的温度为1200-1400℃，气压为10-100mbar，Ⅴ族元素源与Ⅲ族元素源的摩尔比为50:1-500:1，三甲基铝的流量为200-800sccm，通入时间为1000s-3000s，所述第三氮化铝层的厚度为100-1000nm。
9.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：所述预铺铝层、第一氮化铝层、第二氮化铝层及第三氮化铝层的生长工艺为金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺或原子层沉积工艺或脉冲激光沉积工艺。
10.根据权利要求1所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法，其特征在于：所述衬底为晶向为(111)的硅衬底或蓝宝石衬底或碳化硅衬底。
11.一种半导体器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如权利要求1～10任意一项所述的利用离子注入释放单晶氮化铝应力的方法。
12.根据权利要求11所述的半导体器件的制备方法，其特征在于：所述半导体器件包括发光二极管、激光二极管、高电子迁移率晶体管、射频器件、功率器件及压电器件中的一种。
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