CN115188658A - 图形化氮化铝缓冲层的生长方法及半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图形化氮化铝缓冲层的生长方法及半导体器件。该方法包括：将衬底放入MOCVD设备的反应室内；对反应室内的环境条件进行第一次调整，并向反应室内通入氢气、氮气或氢气和氮气的混合气作为载气，以及向反应室内通入铝源、镓源和氨气，在衬底上生长AlGaN层；持续向反应室内通入载气，停止向反应室内通入铝源和镓源，并对反应室内的环境条件进行第二次调整，对AlGaN层进行刻蚀和重结晶，生成岛状的氮化铝缓冲。本发明通过刻蚀破坏AlGaN层中的Ga‑N键，使得Ga原子从AlGaN层中脱附，并重结晶成图形化的AlN缓冲层材料，使得后续生长氮化物材料变为横向外延，可以减少外延材料的位错和缺陷密度。

Description

图形化氮化铝缓冲层的生长方法及半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图形化氮化铝缓冲层的生长方法及半导体器件。
背景技术
III族氮化物材料具有高禁带宽度、高电子饱和速度、良好的抗辐射能力和高温性能等特点，因而特别适合应用于光电子器件、电力电子器件、微波功率器件等。目前常用的基于III族氮化物材料的器件主要包括发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)、激光器(Laser Diode，LD)、异质结场效应管(Heterojunction Field-Effect Transistor，HFET)、金属半导体场效应晶体管(metal semiconductor field effect transistor，MESFET)、金属氧化物场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)等，应用场景十分广泛。
氮化物和蓝宝石大的晶格失配和热膨胀系数的差别，使得在衬底上生长的氮化物材料位错和缺陷密度较大，严重地影响了器件的性能。图形化衬底技术可以使氮化物材料的纵向外延变为横向外延，有效地减少外延材料的位错和缺陷，在氮化物器件制备中得到了广泛的应用。但是由于氮化物所使用的衬底多种多样，包括但不限于碳化硅、蓝宝石、硅、金刚石、氮化铝等，部分衬底，比如碳化硅等，具有稳定的化学和物理性质，很难进行刻蚀和图形化制作，因而限制了图形化衬底技术的使用，难以通过图形化衬底技术减少外延材料的位错和缺陷密度。
发明内容
本发明实施例提供了一种图形化氮化铝缓冲层的生长方法及半导体器件，以解决由于衬底具有稳定的化学和物理性质，很难进行刻蚀和图形化制作，难以通过图形化衬底技术减少外延材料的位错和缺陷密度的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种图形化氮化铝缓冲层的生长方法，包括：
将衬底放入MOCVD设备的反应室内；
对反应室内的环境条件进行第一次调整，并向反应室内通入氢气、氮气或氢气和氮气的混合气作为载气，以及向反应室内通入铝源、镓源和氨气，在衬底上生长AlGaN层；
持续向反应室内通入载气，停止向反应室内通入铝源和镓源，并对反应室内的环境条件进行第二次调整，对AlGaN层进行刻蚀和重结晶，生成岛状的氮化铝缓冲层。
在一种可能的实现方式中，在对反应室内的环境条件进行第一次调整之前，图形化氮化铝缓冲层的生长方法还包括：
对反应室内的环境温度进行第三次调整，并向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质；
衬底包括蓝宝石、SiC、Si、金刚石、GaN或AlN。
在一种可能的实现方式中，对反应室内的环境温度进行第三次调整，包括：
将反应室内的温度升温至第一预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第一预设压力范围内。
在一种可能的实现方式中，第一预设温度范围为900℃至1500℃，第一预设压力范围为50mbar至1000mbar。
在一种可能的实现方式中，在对反应室内的环境温度进行第三次调整，并向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质之后，图形化氮化铝缓冲层的生长方法还包括：
对反应室内的环境温度进行第四次调整，并持续向反应室内通入载气，以及向反应室内通入氨气或铝源，以改善衬底的表面。
在一种可能的实现方式中，对反应室内的环境温度进行第四次调整，包括：
将反应室内的温度调整至第二预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第二预设压力范围内。
在一种可能的实现方式中，第二预设温度范围为900℃至1500℃，第二预设压力范围为50mbar至1000mbar。
在一种可能的实现方式中，对反应室内的环境条件进行第一次调整，包括：
将反应室内的温度调整至第三预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第三预设压力范围内；
对反应室内的环境条件进行第二次调整，包括：
将反应室内的温度调整至第四预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第四预设压力范围内。
在一种可能的实现方式中，第三预设温度范围为400℃至1500℃，第三预设压力范围为50mbar至1000mbar；
第四预设温度范围为400℃至1500℃，第四预设压力范围为50mbar至1000mbar。
第二方面，本发明实施例提供了一种半导体器件，包括采用如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法制备得到的产品。
本发明实施例提供一种图形化氮化铝缓冲层的生长方法及半导体器件，通过首先在衬底上生长AlGaN层，然后持续向反应室内通入载气和氨气，停止向反应室内通入铝源和镓源，并对反应室内的环境条件进行第二次调整，对AlGaN层进行刻蚀和重结晶，生成岛状的氮化铝缓冲层，通过刻蚀破坏AlGaN层中的Ga-N键，使得Ga原子从AlGaN层中脱附，并重结晶成图形化的AlN缓冲层材料，使得后续生长氮化物材料变为横向外延，可以减少外延材料的位错和缺陷密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的图形化氮化铝缓冲层的生长方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的图形化氮化铝缓冲层的生长方法执行过程中的温度变化示意图；
图3是本发明实施例提供的图形化氮化铝缓冲层的生长方法制备的产品的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
参见图1，其示出了本发明实施例提供的图形化氮化铝缓冲层的生长方法的实现流程图。该方法详述如下：
在S101中，将衬底放入MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备的反应室内。
在S102中，对反应室内的环境条件进行第一次调整，并向反应室内通入氢气、氮气或氢气和氮气的混合气作为载气，以及向反应室内通入铝源、镓源和氨气，在衬底上生长AlGaN层。
在衬底上生长AlGaN层是需要一定的环境条件的，比如，温度，压力等等。因此，在衬底上生长AlGaN层之前，首先对MOCVD设备的反应室内的环境条件进行第一次调整，以使反应室满足在衬底上生长AlGaN层所需的环境条件。
其中，该次调整可以根据后续生长AlGaN层时，所需的环境条件进行调整。
载气可以是氢气，也可以是氮气，还可以是氢气和氮气的混合气。载气可以起到输送铝源、镓源和氨气的作用，也可以起到调节反应室内压力的作用。
铝源可以是三甲基铝，也可以是其它可生长AlGaN层的铝源，在此不做具体限制。
镓源可以是三甲基镓，也可以是其它可生长AlGaN层的镓源，在此不做具体限制。
通过向反应室内通入铝源、镓源和氨气，可以在衬底上生长AlGaN层。
在上述S102中，通入载气的流量可以为大于0sccm，通入氨气的流量可以为大于0sccm，通入铝源的流量可以为大于0sccm，通入镓源的流量可以为大于0sccm，通入铝源、镓源和氨气的时间可以大于0s，具体大小可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
在S103中，持续向反应室内通入载气，停止向反应室内通入铝源和镓源，并对反应室内的环境条件进行第二次调整，对AlGaN层进行刻蚀和重结晶，生成岛状的氮化铝缓冲层。
对AlGaN层进行刻蚀和重结晶是需要一定的环境条件的，比如，温度，压力等等。因此，在对AlGaN层进行刻蚀和重结晶之前，首先对MOCVD设备的反应室内的环境条件进行第二次调整，以使反应室满足对AlGaN层进行刻蚀和重结晶所需的环境条件。
在高温下通入氢气可以刻蚀破坏Ga-N键，使得Ga原子从AlGaN层缓冲层中脱附，并重结晶形成图形化的AlN缓冲层。当然，若是通入氮气作为载气，在高温(大于900℃)下，GaN会分解，使得Ga原子从AlGaN层缓冲层中脱附，并重结晶形成图形化的AlN缓冲层。在氢气环境下，AlGaN层的刻蚀速度大于在氮气环境下，AlGaN层的刻蚀速度。
在上述S103中，通入的氨气的流量可以为≥0sccm，通入载气的流量可以为＞0sccm，刻蚀和重结晶的时间＞0s，具体大小可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
本实施例通过首先在衬底上生长AlGaN层，然后持续向反应室内通入载气和氨气，停止向反应室内通入铝源和镓源，并对反应室内的环境条件进行第二次调整，对AlGaN层进行刻蚀和重结晶，生成岛状的氮化铝缓冲层，通过刻蚀破坏AlGaN层中的Ga-N键，使得Ga原子从AlGaN层中脱附，并重结晶成图形化的AlN缓冲层材料，使得后续生长氮化物材料变为横向外延，可以减少外延材料的位错和缺陷密度。本实施例所采用的方法不会受到衬底材料的影响，在不同的衬底上均可实现岛状图形的氮化铝缓冲层，解决了部分衬底无法进行图形化，在其上生长的氮化物材料缺陷密度大的问题。
在一些可能的实现方式中，在上述S103之后，上述图形化氮化铝缓冲层的生长方法还可以包括：
在上述衬底和氮化铝缓冲层上继续生长氮化物材料，比如、氮化镓等等。
在一些实施例中，在上述S101之后，在上述S102之前，上述图形化氮化铝缓冲层的生长方法还可以包括：
对反应室内的环境温度进行第三次调整，并向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质；
衬底包括蓝宝石、SiC、Si、金刚石、GaN或AlN。
由于衬底表面可能会有一些杂质，因此在对衬底进行刻蚀处理之前，通常对衬底表面进行预处理，以去除衬底表面的杂质。衬底表面可能有有机物杂质，比如，油污等，还可以能有其它颗粒，等等。
由于对衬底表面进行预处理，需要一定的环境条件，因此，首先对反应室内的环境条件进行第三次调整，比如，可以调整温度、压力等，以使反应室满足对衬底的表面进行预处理所需的环境条件，然后，向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质。载气可以与衬底表面的某些杂质发生反应，从而去除该杂质。衬底表面的有些杂质可能在一定温度下就挥发了，从而达到去除该杂质的目的。
上述向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质的步骤中，向反应室内通入载气的流量可以大于0sccm，其具体大小可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，上述对反应室内的环境温度进行第三次调整，包括：
将反应室内的温度升温至第一预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第一预设压力范围内。
其中，将反应室内的温度升温至第一预设温度范围内的过程中，其升温速率可以大于0℃/秒，其具体大小可根据设备条件或其它需求进行具体设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，第一预设温度范围为900℃至1500℃，第一预设压力范围为50mbar至1000mbar。
上述对反应室内的环境条件进行第三次调整，最终，将反应室内的温度调整至第一预设温度范围内的哪个温度，将压力调整到第一预设压力范围内的哪个压力可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，在上述对反应室内的环境温度进行第三次调整，并向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质之后，且在上述S102之前，上述图形化氮化铝缓冲层的生长方法还可以包括：
对反应室内的环境温度进行第四次调整，并持续向反应室内通入载气，以及向反应室内通入氨气或铝源，以改善衬底的表面。
上述铝源可以是三甲基铝，也可以其它可改善衬底的表面的铝源，在此不做具体限制。
改善衬底的表面是需要一定的环境条件的，比如，温度，压力等等。因此，在改善衬底的表面之前，首先对MOCVD设备的反应室内的环境条件进行第四次调整，以使反应室满足改善衬底的表面所需的环境条件。
衬底上面可能有一些悬挂件，通入氨气，氨气分解会产生H键，H键可以与衬底表面的悬挂件结合，使得衬底表面活性更强。通入铝源，可以在衬底表面很快铺满一层，由于铝的延展性比较好，因此，在衬底表面铺满铝源之后的衬底会比原来的衬底更适合后续生长。
本实施例通过对衬底表面进行改善，可以为后续缓冲层的生长提供更好的生长条件。
在上述持续向反应室内通入载气，以及向反应室内通入氨气或铝源，以改善衬底的表面的过程中，通入载气的流量可以为＞0sccm，通入氨气或铝源的流量可以为＞0sccm，通入氨气或铝源的时间可以为＞0s，具体大小可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，上述对反应室内的环境温度进行第四次调整，包括：
将反应室内的温度调整至第二预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第二预设压力范围内。
其中，将反应室内的温度调整至第二预设温度范围内的过程中，其调整速率可以大于或等于0℃/秒，其具体大小可根据设备条件或其它需求进行具体设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，第二预设温度范围为900℃至1500℃，第二预设压力范围为50mbar至1000mbar。
上述对反应室内的环境条件进行第四次调整，最终，将反应室内的温度调整至第二预设温度范围内的哪个温度，将压力调整到第二预设压力范围内的哪个压力可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，上述对反应室内的环境条件进行第一次调整，包括：
将反应室内的温度调整至第三预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第三预设压力范围内；
上述对反应室内的环境条件进行第二次调整，包括：
将反应室内的温度调整至第四预设温度范围内，并将反应室内的压力调整至第四预设压力范围内。
其中，将反应室内的温度调整至第三预设温度范围内的过程中，其调整速率可以大于或等于0℃/秒，其具体大小可根据设备条件或其它需求进行具体设置，在此不做具体限制。
将反应室内的温度调整至第四预设温度范围内的过程中，其调整速率可以大于或等于0℃/秒，其具体大小可根据设备条件或其它需求进行具体设置，在此不做具体限制。
在一些实施例中，第三预设温度范围为400℃至1500℃，第三预设压力范围为50mbar至1000mbar；
第四预设温度范围为400℃至1500℃，第四预设压力范围为50mbar至1000mbar。
上述对反应室内的环境条件进行第一次调整，最终，将反应室内的温度调整至第三预设温度范围内的哪个温度，将压力调整到第三预设压力范围内的哪个压力可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
上述对反应室内的环境条件进行第二次调整，最终，将反应室内的温度调整至第四预设温度范围内的哪个温度，将压力调整到第四预设压力范围内的哪个压力可根据实际需求进行设置，在此不做具体限制。
需要说明的是，本申请所说的第一次调整、第二次调整、第三次调整和第四次调整并不表示调整的先后顺序，仅用于区分每一次对反应室内的环境条件进行的调整。
在本申请中，将衬底放入MOCVD设备的反应室后，可以向反应室内持续通入载气，在不同的步骤中，通入的载气可以是相同的，也可以是不同的，可以根据实际需求和实际应用条件进行调整。
在一些实施例中，图形化氮化铝缓冲层的生长方法可以包括以下步骤：
步骤一：将衬底放入MOCVD设备的反应室内，并对反应室内的环境条件进行第三次调整，以使反应室满足衬底预处理所需的环境条件。
步骤二：向反应室内通入载气，以对衬底的表面进行预处理，去除衬底表面的杂质。
步骤三：对反应室内的环境温度进行第四次调整，并持续向反应室内通入载气，以及向反应室内通入氨气或铝源，以改善衬底的表面。
步骤四：对反应室内的环境条件进行第一次调整，并向反应室内通入氢气、氮气或氢气和氮气的混合气作为载气，以及向反应室内通入铝源、镓源和氨气，在衬底上生长AlGaN层。
步骤五：持续向反应室内通入载气，停止向反应室内通入铝源和镓源，并对反应室内的环境条件进行第二次调整，对AlGaN层进行刻蚀和重结晶，生成岛状的氮化铝缓冲层。
其中，各个步骤执行过程中的温度变化情况可参照图2。图2中，横坐标表示时间Time，纵坐标表示温度Temperature。1表示步骤一的温度变化，2表示步骤二的温度变化，3表示步骤三的温度变化，4表示步骤四的温度变化，5表示步骤五的温度变化。
需要说明的是，图2只是图形化氮化铝缓冲层的生长方法执行过程中的一种可能的温度变化示意图，在实际应用中，图形化氮化铝缓冲层的生长方法执行过程中的温度变化也可能为其它变化形式，在此不做具体限制。
在一个具体的应用场景中，衬底可以为蓝宝石衬底，步骤一中，在对反应室内的环境条件进行第三次调整时，反应室内的温度的升温速率可以为1.5℃/s；步骤二中，反应室的温度可以为1150℃，压力可以为200mbar，载气可以为氢气，通入氢气的流量可以为20slm；步骤三中，对反应室内的环境条件进行第四次调整后，反应室内的温度可以为1100℃，通入载气的流量可以为20slm，通入铝源改善衬底表面，通入的铝源可以为三甲基铝，通入铝源的流量可以为20sccm，通入铝源的时间可以为30s；步骤四中，对反应室内的环境条件进行第一次调整后，反应室的温度可以为600℃，压力可以为650mbar，通入载气的流量可以为35slm，通入氨气的流量可以为50slm，通入的铝源可以为三甲基铝，通入铝源的流量可以为50sccm，通入铝源的时间可以为3分钟，通入的镓源可以为三甲基镓，通入镓源的流量可以为20sccm，通入镓源的时间可以为3分钟；步骤五中，对反应室内的环境条件进行第二次调整后的反应室的温度可以为1250℃，压力可以为650mbar，载气流量可以为100slm，通入氨气的流量可以为5slm，通入氨气的时间可以为30分钟。在步骤五中，在高温高压及氢气环境下，AlGaN中的Ga-N键被破坏，Ga原子在表面发生解吸附脱离外延层，Al-N键由于键能较高不会被破坏，并在高温下发生重结晶，形成岛状图形结构的氮化铝缓冲层。
本实施例提供了一种在不同衬底上均可实现岛状图形结构氮化铝缓冲层的生长方法，利用该生长技术可以实现岛状图形结构的氮化铝缓冲层，使得后续氮化物的生长模式变为横向外延，达到减少缺陷密度的目的。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
采用上述图形化氮化铝缓冲层的生长方法制备的产品如图3所示，包括衬底31以及位于衬底上的岛状图形结构的氮化铝缓冲层32。
对应于上述图形化氮化铝缓冲层的生长方法，本发明实施例还提供了一种半导体器件，包括采用如上任一种图形化氮化铝缓冲层的生长方法制备得到的产品，并具备如上任一种图形化氮化铝缓冲层的生长方法所具备的有益效果。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，包括：
将衬底放入MOCVD设备的反应室内；
对所述反应室内的环境条件进行第一次调整，并向所述反应室内通入氢气、氮气或氢气和氮气的混合气作为载气，以及向所述反应室内通入铝源、镓源和氨气，在所述衬底上生长AlGaN层；
持续向所述反应室内通入所述载气，停止向所述反应室内通入所述铝源和所述镓源，并对所述反应室内的环境条件进行第二次调整，对所述AlGaN层进行刻蚀和重结晶，生成岛状的氮化铝缓冲层。
2.根据权利要求1所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，在所述对所述反应室内的环境条件进行第一次调整之前，所述图形化氮化铝缓冲层的生长方法还包括：
对所述反应室内的环境温度进行第三次调整，并向所述反应室内通入所述载气，以对所述衬底的表面进行预处理，去除所述衬底表面的杂质；
所述衬底包括蓝宝石、SiC、Si、金刚石、GaN或AlN。
3.根据权利要求2所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，所述对所述反应室内的环境温度进行第三次调整，包括：
将所述反应室内的温度升温至第一预设温度范围内，并将所述反应室内的压力调整至第一预设压力范围内。
4.根据权利要求3所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，所述第一预设温度范围为900℃至1500℃，所述第一预设压力范围为50mbar至1000mbar。
5.根据权利要求2所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，在所述对所述反应室内的环境温度进行第三次调整，并向所述反应室内通入所述载气，以对所述衬底的表面进行预处理，去除所述衬底表面的杂质之后，所述图形化氮化铝缓冲层的生长方法还包括：
对所述反应室内的环境温度进行第四次调整，并持续向所述反应室内通入所述载气，以及向所述反应室内通入氨气或铝源，以改善所述衬底的表面。
6.根据权利要求5所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，所述对所述反应室内的环境温度进行第四次调整，包括：
将所述反应室内的温度调整至第二预设温度范围内，并将所述反应室内的压力调整至第二预设压力范围内。
7.根据权利要求6所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，所述第二预设温度范围为900℃至1500℃，所述第二预设压力范围为50mbar至1000mbar。
8.根据权利要求1至7任一项所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，所述对所述反应室内的环境条件进行第一次调整，包括：
将所述反应室内的温度调整至第三预设温度范围内，并将所述反应室内的压力调整至第三预设压力范围内；
所述对所述反应室内的环境条件进行第二次调整，包括：
将所述反应室内的温度调整至第四预设温度范围内，并将所述反应室内的压力调整至第四预设压力范围内。
9.根据权利要求8所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法，其特征在于，所述第三预设温度范围为400℃至1500℃，所述第三预设压力范围为50mbar至1000mbar；
所述第四预设温度范围为400℃至1500℃，所述第四预设压力范围为50mbar至1000mbar。
10.一种半导体器件，其特征在于，包括采用如权利要求1至9任一项所述的图形化氮化铝缓冲层的生长方法制备得到的产品。
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