CN117712148A - 一种基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件技术领域，提供一种基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片及其制作方法，上述基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片包括衬底、成核层、二维材料掩膜层及氮化镓层；成核层设于衬底上；二维材料掩膜层设于成核层背离衬底的一侧；氮化镓层设于二维材料掩膜层的表面及间隙处。该外延片能够利用二维材料的优异性能实现柔性器件的制作及提高器件的散热性能，在Si基GaN外延片中，AlN作为缓冲层避免Ga与Si的直接接触，较低生长温度的AlN抑制了Al向Si衬底扩散形成p型导电沟道，降低了射频损耗；并且还作为成核层在后续外延GaN提供成核位点，决定了外延GaN薄膜的晶体质量；二维材料掩膜可起到阻挡位错的作用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片及其制作方法。
背景技术
氮化镓(GaN)材料具有大的禁带宽度、高迁移率等优势，被广泛应用于高性能电子和光电器件中。目前用于GaN外延的衬底材料有蓝宝石、SiC和Si等。但是，GaN与这些衬底之间具有较大的晶格和热失配，大大降低了GaN异质外延的晶体质量，从而影响其器件的性能。其中，蓝宝石衬底本身不导电，不易解理且散热效果差；SiC衬底虽然具备良好的导热和导电性能，但是其成本过于昂贵，难以实现大尺寸GaN薄膜外延，阻碍了SiC基器件的应用前景。但是，Si衬底具有大尺寸、成本低、高热导率、易解理等优势，且外延生长在硅衬底上的GaN基器件能与传统Si基器件工艺兼容。
然而，在Si衬底上外延生长GaN薄膜存在以下问题：
第一，由于GaN外延层与Si衬底存在17％的晶格失配，导致GaN薄膜在生长过程中会产生较大的位错等缺陷；
第二，Si衬底和GaN外延层之间存在56％的热膨胀系数失配，导致在硅衬底外延GaN薄膜降温过程中产生大的张应力，这些应力会导致外延中产生翘曲以及龟裂，影响GaN外延片段均匀性和可靠性；
第三，GaN直接在Si衬底上高温生长会使得Ga和Si形成GaxSiy合金，导致衬底表面出现空洞；
第四，Si衬底易与NH3发生反应生成SixNy非晶体，导致GaN无法形成成核层，严重影响GaN薄膜的外延生长。
即使目前开发出AlN、梯度AlGaN、AlN/GaN超晶格作为成核层等技术。但是，Si衬底上外延GaN薄膜仍然表现出高缺陷密度(大于109cm-2)。因此，有必要对硅基氮化镓结构进行新的结构设计，本发明提供了一种新的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片及其制作方法。
发明内容
基于上述表述，本发明提供了一种基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片及其制作方法，以提供一种工艺成本低、位错密度低、表面光滑的高质量硅基氮化镓外延片。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，包括：衬底、成核层、二维材料掩膜层及氮化镓层；
所述成核层设于所述衬底上；
所述二维材料掩膜层设于所述成核层背离所述衬底的一侧；
所述氮化镓层设于所述二维材料掩膜层的表面及间隙处。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述衬底为硅衬底。
进一步的，所述成核层由所述硅衬底的(111)面外延得到。
进一步的，所述成核层为AlN层。
进一步的，所述二维材料掩膜层为石墨烯、六方氮化硼或二硫化钼。
进一步的，所述二维材料掩膜层包括多个二维材料单元；
多个所述二维材料单元间隔布设，任意相邻的两个所述二维材料单元之间具有间隙。
进一步的，所述二维材料单元为正六边形或光栅结构。
进一步的，所述基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片还包括过渡层；
所述过渡层设于所述成核层的上表面，所述二维材料掩膜层设于所述过渡层上，其中，所述过渡层为AlxGa1-xN层。
第二方面，本发明还提供一种用于制作如第一方面所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片的制作方法，包括：
在清洗后的衬底上生长成核层；
在所述成核层表面覆盖多层二维材料掩膜层；
在所述二维材料掩膜层表面旋涂光刻胶并曝光显影；
刻蚀所述二维材料掩膜层，并去除所述光刻胶；
在所述二维材料掩膜层上及间隙处采用两步法生产氮化镓层。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
在清洗后的衬底上生长成核层之前，还包括：
对所述衬底进行清洗，并浸入氢氟酸，以除去所述衬底上的SiO2；
在氢气氛围内退火处理，除去残留在所述衬底表面的氧化物或表面污染物。
与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明提供的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片通过设置衬底、成核层、二维材料掩膜层及氮化镓层；其中，所述二维材料掩膜层设于所述成核层背离所述衬底的一侧；所述氮化镓层设于所述二维材料掩膜层的表面及间隙处。该结构能够利用二维材料的优异性能实现柔性器件的制作及提高器件的散热性能，在Si基GaN外延片中，AlN作为缓冲层避免Ga与Si的直接接触，较低生长温度的AlN抑制了Al向Si衬底扩散形成p型导电沟道，降低了射频损耗；并且还作为成核层在后续外延GaN提供成核位点，决定了外延GaN薄膜的晶体质量；二维材料掩膜可起到阻挡位错的作用。
相较于现有技术，本发明提供的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片及其制作方法，具有如下优点：
(1)基于硅衬底首先通过预铺和两步法生长得到的AlN表面光滑，减缓GaN成核层和Si衬底之间的晶格失配和热失配产生的应力，改善GaN成核层表面的裂纹，提高Si衬底中GaN成核层的晶体质量，为后续进行GaN主外延提供优良的成核层；此外采用磁控溅射法生长的AlN成核层由于生长温度较低抑制了Al原子向Si衬底扩散形成p型导电沟道，从而降低射频损耗。
(2)利用二维材料表面悬挂键少的特点，使用多层二维材料作为掩膜，减少穿透位错，提高了GaN外延层的晶体质量：并且利用二维材料的优良特性，提高硅基GaN器件的性能。
(3)从柔性器件发展角度，二维材料还可以释放Si衬底与GaN外延层之间的应力，使其易于剥离降低了器件的商业成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的基于Si衬底使用二维材料作为六边形掩膜结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于Si衬底使用二维材料作为光栅掩膜结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片的结构示意图之二；
图5为本发明实施例提供的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片的制作流程示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、衬底；
2、成核层；
3、二维材料掩膜层；
4、氮化镓层；
5、过渡层。
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本申请的公开内容更加透彻全面。
基于Si衬底与GaN外延薄膜存在的相关问题，目前，普遍采用AlN插入层、GaN/AlN超晶格层、Al组分渐变AlGaN缓冲层、SiN非晶插入层及图形化处理Si衬底表面等释放GaN外延表面的张应力以及位错缺陷，从而提高GaN薄膜的晶体质量并减少裂纹。AlN与GaN的晶格失配和热膨胀系数失配只有2.4％和+26％，虽然Si衬底与AlN之间存在23.4％的晶格失配，但由于Si(111)与AlN能沿着某些结晶学方向的晶格匹配以及通过Si/AlN界面上大量位错来实现应变弛豫，从而生长出表面光滑、质量高的纤锌矿AlN，从而降低GaN与Si之间的界面能，使GaN能很快在AlN上从3D生长转变为2D生长模式。此外，AlN由于晶格失配能够提供压应力能够补偿GaN热膨胀系数失配所引起的张应力。同样地，采用GaN/AlN超晶格、Al组分渐变AlGaN都能够补偿Si与GaN热失配和晶格失配带来的应力问题。其存在的缺陷为：虽然采用AlN插层、GaN/AlN超晶格和Al组分渐变AlGaN缓冲层能够实现表面光滑、位错密度在108cm-2的高质量GaN薄膜。但依旧存在很多问题：缓冲层设计方案复杂，复杂性的增加可能会导致更多的不均匀性，增加Si沉底和GaN之间的热阻，影响器件散热。
基于此，本发明提供一种新的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片。下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
第一方面，如图1所示，本发明实施例提供了一种基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，包括：衬底1、成核层2、二维材料掩膜层3及氮化镓层4。
成核层2设于衬底1上。
二维材料掩膜层3设于成核层2背离衬底1的一侧。
氮化镓层4设于二维材料掩膜层3的表面及间隙处。
其中，衬底1为硅衬底1。
成核层2由硅衬底1的(111)面外延得到，成核层2优选为AlN层。
二维材料掩膜层3为石墨烯、h-BN(六方氮化硼)或MoS2(二硫化钼)，具体选择不作限定。
如图2所示，二维材料掩膜层3包括多个二维材料单元。
多个二维材料单元间隔布设，任意相邻的两个二维材料单元之间具有间隙。对于二维材料单元的具体数量不作限定，依据实际需要进行设置即可。
在可选的实施例中，如图2和图3所示，二维材料单元为正六边形或光栅结构。
在上述实施例基础上，可选的，如图4所示，基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片还包括过渡层5；该过渡层5设于成核层2的上表面，二维材料掩膜层设于3过渡层5上。优选的，该过渡层5为AlxGa1-xN层。
第二方面，本发明实施例还提供了基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片的制作方法，如图5所示，操作如下：
步骤S1：对衬底进行清洗，并浸入氢氟酸，以除去衬底上的SiO2；在氢气氛围内退火处理，除去残留在衬底表面的氧化物或表面污染物。
具体地，(111)硅衬底通过X射线衍射仪定向切割得到一定角度的偏切角。随后使用RCA清洗技术对(111)硅衬底进行清洗，并浸入稀释的氢氟酸(5％)中浸泡1分钟，除去Si衬底上的SiO2。随后在1020℃氢气氛围内退火5分钟除去残留在Si表面的氧化物或表面污染物。
步骤S2：在清洗后的衬底上生长成核层。
具体地，在打开氮源前，进行Al预处理(预沉积Al)，其厚度大约为随后首先以氮气作为反应气体生长AlN，在Al靶和N2-Ar的混合气体中，采用磁控溅射生长AlN，生长温度为850-950℃，厚度约为100～150nm；在第二步中以氨气作为反应气体生长AlN，使用10～40sccm流量的NH3，生长温度为800～900℃，生长厚度约为100～150nm，使用NH3增加反应速率得到光滑的AlN表面。
步骤S3：在成核层表面覆盖多层二维材料掩膜层。
具体地，以直接生长(包括磁控溅射、等离子体化学气相沉积(PECVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD))直接外延在AlN/Si衬底上，或通过湿转移(基于金属上低压化学气相沉积(LPCVD))得到的二维材料后转移到AlN/Si衬底上。
二维材料的种类包括且不限于：石墨烯、h-BN、MoS2等，其中通过直接生长的方式得到的二维材料部分需要通过高温退火处理(如石墨烯)，此外应确保得到的二维材料为多层且表面无缺陷以达到后续掩膜效果，如石墨烯层数要大于或等于10层、h-BN厚度要大于或等于3nm。
在可选的示例中，也可以在成核层上生长一层过渡层，其作用是缓解后续生长GaN薄膜在降温过程中的开裂，通过改变Al组分对其进行应力控制，即在AlN上生长一层AlxGa1-xN过渡层，再生长二维材料掩膜外延GaN。
具体做法为在上述步骤S2和步骤S3之间，通过磁控溅射、MOCVD等方法外延生长AlxGa1-xN过渡层，其厚度为200～1000nm，x的范围为0～0.8。
步骤S4：在二维材料掩膜层表面旋涂光刻胶并曝光显影。
步骤S5：刻蚀二维材料掩膜层，并去除光刻胶。
具体地，基于氧等离子体反应刻蚀等刻蚀工艺得到二维材料掩膜层及使用丙酮去除光刻胶，得到的三维图形如图2和图3所示，其中掩膜区为正六边形或光栅结构，宽度为0.1～20μm，相邻掩膜之间间隔为0.1～10μm，周期为0.2～30μm，对于不同的外延生长方法，可以适当调整正六边形的宽度，距离和周期。且由于硅基复合衬底下GaN成核层中Ga液滴、外延过程中温度和H2等影响，部分二维材料(如石墨烯)虽然在后续外延生长过程中会逐步分解，但是由于分解较慢，依然具有掩膜效果。
步骤S6：在二维材料掩膜层上及间隙处采用两步法生产氮化镓层。
具体地，以三甲基铝(TMGa)作为Ga源，氨气(NH3)作为N源，氢气(H2)作为载气进行MOCVD法制备GaN外延层，最终得到外延片。GaN外延层采用两步法进行生长，包括低温GaN和高温GaN生长。因为GaN具备良好的横向外延生长能力，通过调整外延参数，在窗口区生长的GaN可以横向外延生长至掩膜区域后合并成膜。第一步，低温GaN生长温度为940～980℃，Ⅴ/Ⅲ比为1900～2300，NH3流量为15～20slm，反应腔压力400～500torr；第二步，高温GaN生长温度为1030～1100℃，Ⅴ/Ⅲ比确保大于3000，NH3流量为50～60slm反应腔压力200～300torr，高温GaN的目的是提高GaN的横向生长能力，使其更好向掩膜中心聚集。在实际操作中，对于不同的生长条件，工艺参数会有所调整修改。
本发明实施例提供的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片能够利用二维材料的优异性能实现柔性器件的制作及提高器件的散热性能，在Si基GaN外延片中，AlN作为缓冲层避免Ga与Si的直接接触，较低生长温度的AlN抑制了Al向Si衬底扩散形成p型导电沟道，降低了射频损耗；并且还作为成核层在后续外延GaN提供成核位点，决定了外延GaN薄膜的晶体质量；二维材料掩膜可起到阻挡位错的作用。
相较于现有技术，本发明提供的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片及其制作方法，具有如下优点：
(1)基于硅衬底首先通过预铺和两步法生长得到的AlN表面光滑，减缓GaN成核层和Si衬底之间的晶格失配和热失配产生的应力，改善GaN成核层表面的裂纹，提高Si衬底中GaN成核层的晶体质量，为后续进行GaN主外延提供优良的成核层；此外采用磁控溅射法生长的AlN成核层由于生长温度较低抑制了Al原子向Si衬底扩散形成p型导电沟道，从而降低射频损耗。
(2)利用二维材料表面悬挂键少的特点，使用多层二维材料作为掩膜，减少穿透位错，提高了GaN外延层的晶体质量：并且利用二维材料的优良特性，提高硅基GaN器件的性能。
(3)从柔性器件发展角度，二维材料还可以释放Si衬底与GaN外延层之间的应力，使其易于剥离降低了器件的商业成本。
本说明书的描述中，参考术语“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上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。
Claims (10)
1.一种基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，其特征在于，包括：衬底、成核层、二维材料掩膜层及氮化镓层；
所述成核层设于所述衬底上；
所述二维材料掩膜层设于所述成核层背离所述衬底的一侧；
所述氮化镓层设于所述二维材料掩膜层的表面及间隙处。
2.根据权利要求1所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述衬底为硅衬底。
3.根据权利要求2所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述成核层由所述硅衬底的(111)面外延得到。
4.根据权利要求3所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述成核层为AlN层。
5.根据权利要求1所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述二维材料掩膜层为石墨烯、六方氮化硼或二硫化钼。
6.根据权利要求5所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述二维材料掩膜层包括多个二维材料单元；
多个所述二维材料单元间隔布设，任意相邻的两个所述二维材料单元之间具有间隙。
7.根据权利要求6所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述二维材料单元为正六边形或光栅结构。
8.根据权利要求1所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片还包括过渡层；
所述过渡层设于所述成核层的上表面，所述二维材料掩膜层设于所述过渡层上，其中，所述过渡层为AlxGa1-xN层。
9.一种用于制作如权利要求1至8任一项所述的基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片的制作方法，其特征在于，包括：
在清洗后的衬底上生长成核层；
在所述成核层表面覆盖多层二维材料掩膜层；
在所述二维材料掩膜层表面旋涂光刻胶并曝光显影；
刻蚀所述二维材料掩膜层，并去除所述光刻胶；
在所述二维材料掩膜层上及间隙处采用两步法生产氮化镓层。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，在清洗后的衬底上生长成核层之前，还包括：
对所述衬底进行清洗，并浸入氢氟酸，以除去所述衬底上的SiO2；
在氢气氛围内退火处理，除去残留在所述衬底表面的氧化物或表面污染物。
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|---|---|---|---|
| CN202311570743.8A CN117712148A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种基于二维材料掩膜的硅基氮化镓外延片及其制作方法 |
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2023
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