CN116084018A - 一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓层的制备方法，其中氮化镓的外延生长方法包括如下步骤：在衬底上生长牺牲层；牺牲层内具有形成蜂窝状结构的多个外延孔，外延孔贯穿牺牲层，且外延孔远离衬底的一端的直径小于靠近衬底的一端的直径；在外延孔内以及牺牲层上外延生长氮化镓层。本发明中的方法，能够过滤来自衬底的穿透位错，减小了生长于牺牲层上方的氮化镓层的开裂的可能性，实现高质量氮化镓层的外延生长。

Description

一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓层的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及到一种氮化镓的外延生长方法及氮化镓层的制备方法。
背景技术
随着硅、锗和砷化镓、磷化铟半导体材料的发展和应用，高效、可靠的应用场景依赖于半导体材料更为优良的性能，为实现在高温、高频、大功率、强辐射、全波长等极端条件下的应用，第三代半导体材料即宽禁带(Wide Band Gap Semiconductor，简称WBGS)的研究与应用是半导体行业的热门话题。
氮化镓(GaN)作为宽禁带半导体材料，具有可调节禁带宽度大、击穿场强高、较低介电常数、高电子饱和、高漂移速度、抗辐射能力强和化学稳定性优良等特点，以GaN为核心制备的高电子迁移率场效应晶体管、光电探测器等在微电子、电力电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业、机电产业和能源产业等领域应用广泛，亦是这些支柱产业进入21世纪后赖以继续发展的关键基础材料。
碳化硅和氮化镓衬底，因与氮化镓的晶格失配率和热失配率小，可生长高品质的外延层，但商用碳化硅、氮化镓衬底的价格昂贵。目前，商用一般使用蓝宝石或者硅衬底外延生长氮化镓，特别是硅衬底，因其可量产、大尺寸，因而在硅衬底上外延氮化镓器件可大幅增加器件数量，有效降低GaN基器件的外延成本。但硅衬底与外延层之间存在较大的晶格常数的差异和热失配，导致氮化镓外延材料的位错密度高、应力大，难以生长高结晶质量、高厚度的无裂纹硅基氮化镓外延层，基于此，目前最为主流的方法是采用AlGaN缓冲层引入压应力，避免硅基氮化镓材料在降温过程受热应力裂片。然而，硅基氮化镓材料体系中的穿透位错，在压应力驱使下会发生攀移倾斜进而形成垂直生长的失配位错，减弱了AlGaN缓冲层引入的压应力，进而导致在降温过程压应力补偿不足，氮化镓外延层仍易开裂。
发明内容
为此，本发明提供了一种能够有效过滤从衬底传导的穿透位错，减小外延生长的氮化镓层的开裂可能性，提高其质量的氮化镓的外延生长方法，进而提供了一种能够实现高质量氮化镓层制备的氮化镓层的制备方法。
根据第一方面，本发明提供了一种氮化镓的外延生长方法，包括如下步骤：
在衬底上生长牺牲层；牺牲层内具有形成蜂窝状结构的多个外延孔，外延孔贯穿牺牲层，且外延孔远离衬底的一端的直径小于靠近衬底的一端的直径；
在外延孔内以及牺牲层上外延生长氮化镓层。
在一种可能的实现方式中，外延孔包括第一孔段和第二孔段，第一孔段位于牺牲层靠近衬底的一端，且第二孔段的直径小于第一孔段的直径。
在一种可能的实现方式中，在衬底上生长牺牲层的步骤，具体包括：
在衬底上生长第一掩膜层；
刻蚀第一掩膜层以形成多个贯穿第一掩膜层的第一掩膜孔；多个第一掩膜孔形成蜂窝状结构；
使用介质材料填充第一掩膜孔；
在第一掩膜层上生长第二掩膜层；
刻蚀第二掩膜层以形成多个贯穿第二掩膜层的第二掩膜孔；多个第二掩膜孔形成蜂窝状结构，且多个第二掩膜孔与多个第一掩膜孔位置一一对应，第二掩膜孔的直径小于第一掩膜孔的直径；
去除第一掩膜孔内的介质材料，完成牺牲层的生长；第一掩膜孔即为第一孔段，第二掩膜孔即为第二孔段。
在一种可能的实现方式中，第二掩膜层的厚度小于第一掩膜层的厚度。
在一种可能的实现方式中，在外延孔内以及牺牲层上外延生长氮化镓层的步骤，具体包括：
依次在第一预设生长条件和第二预设生长条件下，在化学气相沉积设备内生长外延孔内的氮化镓填充层；
在第二预设生长条件下，在化学气相沉积设备内生长牺牲层上的氮化镓外延层；第一预设生长条件中的第一生长温度低于第二预设生长条件中的第二生长温度，第一预设生长条件中的第一生长压强大于第二预设生长条件中的第二生长压强。
在一种可能的实现方式中，第一生长温度在500℃～800℃之间，第二生长温度在900℃～1200℃之间，第一生长压强200torr～600torr之间，第二生长压强在40torr～150torr之间。
根据第二方面，本发明还提供了一种氮化镓层的制备方法，包括如下步骤：
采用上述第一方面任意一种实施方式中的氮化镓的外延生长方法完成氮化镓层的生长；
去除牺牲层后，将氮化镓层自衬底上剥离。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的氮化镓的外延生长方法，通过设置衬底上的牺牲层内具有形成蜂窝状结构的贯穿牺牲层的外延孔，并设置外延孔远离衬底的一端的直径小于靠近衬底的一端的直径，从而使得氮化镓层生长于外延孔中的部分形成上小下大的结构，进而使自衬底延伸出去的穿透位错能够随着氮化镓结构直径的减小而被上端(远离衬底的一端)牺牲层所阻挡，达到过滤穿透位错的效果，减小了氮化镓层生长于牺牲层上方的部分开裂的可能性，实现高质量氮化镓层的外延生长。
2、本发明提供的氮化镓的外延生长方法，通过先在温度相对较低而压力相对较高的第一预设生长条件下在外延孔内生长氮化镓填充层，再转换成温度相对较高而压力相对较低的第二预设生长条件继续在外延孔内生长氮化镓填充层，实现了三维氮化镓生长快速转二维的生长方式，从而在氮化镓填充层中引入了纳米孔洞，使得牺牲层内形成多孔结构，有助于后续剥离工艺的开展，能够减少后续剥离工艺对氮化镓层的损伤，实现高质量氮化镓层的外延生长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明实施例提供的一种氮化镓的外延生长方法的流程图；
图2为图1中步骤S100的具体步骤流程图；
图3A和图3B为第一掩膜层和第一掩膜孔的结构示意图；
图3C和图3D为第二掩膜层和第二掩膜孔的结构示意图；
图4为图1中步骤S200的具体步骤流程图；
附图标记说明：
1-衬底；21-第一掩膜层；22-第二掩膜层；3a-第一掩膜孔；3b-第二掩膜孔；4-介质材料。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
图1示出了本实施例提供的一种氮化镓的外延生长方法的方法流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
S100：在衬底上生长牺牲层。
本实施例中，牺牲层内具有形成蜂窝状结构的多个外延孔，外延孔贯穿牺牲层，且外延孔远离衬底的一端的直径小于靠近衬底的一端的直径。
具体地，外延孔的直径可以自靠近衬底的一端至远离衬底的的一端逐渐减小，也可以为台阶式减小，此时，外延孔包括至少两个孔段，且其中相对远离衬底的孔段的直径小于相对靠近衬底的孔段的直径。
具体地，衬底可以为硅衬底或者SOI衬底，也可以为对顶部进行热处理、碳化或者外延生长等方式形成的顶层结构为碳化硅的一种复合衬底，如SiC-on-Si衬底、SiC-on-SOI衬底或SiC衬底等。且该步骤中的衬底可以为直接获取的成品衬底，也可以为在执行该步骤前生长得到。
具体地，牺牲层可以为SiNx层、TiN层或者AlN层等。牺牲层的生长工艺可以为磁控溅射工艺、原子层沉积或者PECVD工艺等。
S200：在外延孔内以及牺牲层上外延生长氮化镓层。
具体地，氮化镓层可以为非故意掺杂的氮化镓层，也可以为N掺杂氮化镓层；其掺杂情况可以根据具体应用场景中的需要进行设置，在此不做限制。
具体地，氮化镓层可以采用金属有机源化学气相沉积(MOCVD)工艺进行外延生长。
本实施例中的氮化镓的外延生长方法，通过设置衬底上的牺牲层内具有形成蜂窝状结构的贯穿牺牲层的外延孔，并设置外延孔远离衬底的一端的直径小于靠近衬底的一端的直径，从而使得氮化镓层生长于外延孔中的部分形成上小下大的结构，进而使自衬底延伸出去的穿透位错能够随着氮化镓结构直径的减小而被上端(远离衬底的一端)牺牲层所阻挡，达到过滤穿透位错的效果，减小了氮化镓层生长于牺牲层上方的部分开裂的可能性，实现高质量氮化镓层的外延生长。
以外延孔的直径为台阶式减小，且其孔段为两个，也即外延孔包括第一孔段和第二孔段，第一孔段位于牺牲层靠近衬底的一端，且第二孔段的直径小于第一孔段的直径为例，在本实施例的一种具体实施方式中，如图2所示，上述步骤S100具体可以包括如下步骤：
S101：在衬底1上生长第一掩膜层21。
对应的，第一掩膜层21也可以为SiNx层、TiN层或者AlN层等。而以采用PECVD工艺生长第一掩膜层21(如SiNx层)为例，生长时PECVD设备内的温度可以在100℃～150℃之间，压强可以在2Pa～4Pa之间。
具体地，第一掩膜层21的厚度大于下述第二掩膜层22的厚度，第一掩膜层21的厚度可以在600nm～1000nm之间。
S102：刻蚀第一掩膜层21以形成多个贯穿第一掩膜层21的第一掩膜孔3a。
本实施方式中，如图3A和图3B所示，多个第一掩膜孔3a形成蜂窝状结构。
具体地，可以采用ICP刻蚀工艺或者RIE刻蚀工艺等对第一掩膜层21进行刻蚀，刻蚀得到的第一掩膜孔3a的直径可以在200nm～400nm之间。
S103：使用介质材料4填充第一掩膜孔3a。
具体地，介质材料4可以为Al2O3或者ZnO等，将其填充于第一掩膜孔3a内的工艺可以采用磁控溅射工艺或者PECVD工艺等；以采用PECVD工艺填充为例，填充时PECVD设备的温度可以在100℃～150℃之间，压强可以为1Pa。
S104：在第一掩膜层21上生长第二掩膜层22。
具体地，第二掩膜层22的材料和第一掩膜层21的材料相同，且生长工艺也可以相同。
具体地，第二掩膜层22的厚度可以在100nm～300nm之间。
S105：刻蚀第二掩膜层22以形成多个贯穿第二掩膜层22的第二掩膜孔3b。
本实施方式中，如图3C和图3D所示，多个第二掩膜孔3b形成蜂窝状结构，且多个第二掩膜孔3b与多个第一掩膜孔3a位置一一对应，第二掩膜孔3b的直径小于第一掩膜孔3a的直径。
具体地，同样可以采用ICP刻蚀工艺或者RIE刻蚀工艺对第二掩膜层22进行刻蚀，刻蚀得到的第二掩膜孔3b的直径可以在100nm～140nm之间。
S106：去除第一掩膜孔3a内的介质材料4，完成牺牲层的生长。
本实施方式中，第一掩膜孔3a即为第一孔段，第二掩膜孔3b即为第二孔段。
具体地，可以使用碱溶液清洗的方式去除第一掩膜孔3a内的介质材料4。
基于本实施例中的外延生长方法所生长得到的氮化镓层的后续应用(如作为氮化镓薄膜使用，或者应用于HEMT器件、LED的制备中)，一般都需要将氮化镓层从衬底上剥离，因而，是否能够减小后续剥离工艺对氮化镓层的损伤，也是该方法实现高质量氮化镓层的外延生长的重要部分；为此，在本实施例的一种具体实施方式中，如图4所示，上述步骤S200具体可以包括如下步骤：
S201：依次在第一预设生长条件和第二预设生长条件下，在化学气相沉积设备内生长外延孔内的氮化镓填充层。
本实施方式中，第一预设生长条件中的第一生长温度低于第二预设生长条件中的第二生长温度，第一预设生长条件中的第一生长压强大于第二预设生长条件中的第二生长压强。
具体地，第一预设生长条件中的第一生长温度可以在500℃-800℃之间，第一生长压强可以在200torr～600torr之间，第二预设生长条件中的第二生长温度在900℃～1200℃之间，第二生长压强在40torr～150torr之间。
具体地，第一预设生长条件下生长的氮化镓填充层部分的厚度以及第二预设生长条件下生长的氮化镓填充层部分的厚度可以根据具体应用场景的需要进行设置，而只要在整个氮化镓填充层的生长过程中完成第一预设生长条件到第二预设生长条件的转换，实现三维氮化镓生长快速转二维的生长方式即可，从而实现在氮化镓填充层中引入纳米孔洞，使得牺牲层内形成多孔结构，有助于后续剥离工艺的开展，减少后续剥离工艺对氮化镓层的损伤，进一步实现高质量氮化镓层的外延生长。
S202：在第二预设生长条件下，在化学气相沉积设备内生长牺牲层上的氮化镓外延层。
实施例2
本实施例提供了一种氮化镓层的制备方法，该方法包括如下步骤：
S10：采用上述实施例1任意一种实施方式中的氮化镓的外延生长方法完成氮化镓层的生长。
S20：去除牺牲层后，将氮化镓层自衬底上剥离。
本实施例中的方法，能够制备得到高质量氮化镓层。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种氮化镓的外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上生长牺牲层；所述牺牲层内具有形成蜂窝状结构的多个外延孔，所述外延孔贯穿所述牺牲层，且所述外延孔远离所述衬底的一端的直径小于靠近所述衬底的一端的直径；
在所述外延孔内以及所述牺牲层上外延生长氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，所述外延孔包括第一孔段和第二孔段，所述第一孔段位于所述牺牲层靠近所述衬底的一端，且所述第二孔段的直径小于所述第一孔段的直径。
3.根据权利要求2所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，所述在衬底上生长牺牲层的步骤，具体包括：
在所述衬底上生长第一掩膜层；
刻蚀所述第一掩膜层以形成多个贯穿所述第一掩膜层的第一掩膜孔；多个所述第一掩膜孔形成蜂窝状结构；
使用介质材料填充所述第一掩膜孔；
在所述第一掩膜层上生长第二掩膜层；
刻蚀所述第二掩膜层以形成多个贯穿所述第二掩膜层的第二掩膜孔；多个所述第二掩膜孔形成蜂窝状结构，且多个所述第二掩膜孔与多个所述第一掩膜孔位置一一对应，所述第二掩膜孔的直径小于所述第一掩膜孔的直径；
去除所述第一掩膜孔内的介质材料，完成所述牺牲层的生长；所述第一掩膜孔即为所述第一孔段，所述第二掩膜孔即为所述第二孔段。
4.根据权利要求3所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，所述第二掩膜层的厚度小于所述第一掩膜层的厚度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，在所述外延孔内以及所述牺牲层上外延生长氮化镓层的步骤，具体包括：
依次在第一预设生长条件和第二预设生长条件下，在化学气相沉积设备内生长所述外延孔内的氮化镓填充层；
在所述第二预设生长条件下，在化学气相沉积设备内生长所述牺牲层上的氮化镓外延层；所述第一预设生长条件中的第一生长温度低于所述第二预设生长条件中的第二生长温度，所述第一预设生长条件中的第一生长压强大于所述第二预设生长条件中的第二生长压强。
6.根据权利要求5所述的氮化镓的外延生长方法，其特征在于，所述第一生长温度在500℃～800℃之间，所述第二生长温度在900℃～1200℃之间，所述第一生长压强200torr～600torr之间，所述第二生长压强在40torr～150torr之间。
7.一种氮化镓层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用上述权利要求1-6任一项所述的氮化镓的外延生长方法完成氮化镓层的生长；
去除所述牺牲层后，将所述氮化镓层自所述衬底上剥离。
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