CN1234154C - 硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，包括如下步骤：在硅衬底上生长缓冲层和一层三族氮化物；在已生长的三族氮化物表面沉积或蒸发一层二氧化硅膜，该二氧化硅膜是最后可协变衬底的支撑，并且在中空结构形成过程起重要作用；在二氧化硅膜上沉积一层氮化硅，此氮化硅既是腐蚀二氧化硅膜的隐蔽膜；采用干法刻蚀的方法在样品表面刻蚀出条形或方形等任意形状的窗口，以便下一步通过窗口腐蚀二氧化硅膜；采用湿法腐蚀的方法腐蚀窗口区露出的二氧化硅，这样，二氧化硅壁和位于其上的氮化硅共同构成可协变衬底结构。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，主要指硅(Si)(111)衬底上生长无微裂厚层三族氮化物的方法。
背景技术
由于三族氮化物在发光二极管、兰光及紫外半导体激光器、高温电子器件等方面的广泛应用，寻找适合其生长的衬底成为迫切的需要。蓝宝石和碳化硅衬底是目前使用最多的衬底，但前者的绝缘性质和后者昂贵的价格导致了器件制作成本的增加。Si衬底具有成本低、易解理、易得到大面积高质量商业化衬底以及硅基器件易于集成等优点，但由于三族氮化物与Si衬底之间较大热膨胀系数的差异导致生长的外延层呈张应力，当厚度超过一定值时，生长后降温过程中产生微裂，对制作器件以及研究材料的电学特性等带来很大困难。
发明内容
本发明目的在于，提供一种Si基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，该方法可以解决Si衬底上生长厚层三族氮化物的微裂问题，同时还可以降低外延层的位错密度，提高晶体质量。该方法制作简单、适合大批量生产。
本发明一种硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，特征在于，包括如下步骤：
1)在硅衬底上生长缓冲层和一层三族氮化物，提供横向外延基底，要求三族氮化物厚度控制至表面没有微裂；
2)在已生长的三族氮化物表面沉积或蒸发一层二氧化硅膜，在三族氮化物厚度为零时沉积在硅衬底表面，该二氧化硅膜是最后可协变衬底的支撑，并且在中空结构形成过程起重要作用；
3)在二氧化硅膜上沉积一层氮化硅，此氮化硅既是腐蚀二氧化硅膜的隐蔽膜，又是最后构成可协变衬底的重要组成部分；
4)采用干法刻蚀的方法在样品表面刻蚀出条形或方形等任意形状的窗口，深度刚好去掉窗口区氮化硅，露出二氧化硅膜，以便下一步通过窗口腐蚀二氧化硅膜；
5)采用湿法腐蚀的方法腐蚀窗口区露出的二氧化硅，露出基底后，继续腐蚀氮化硅下面的二氧化硅，直至形成的二氧化硅壁，支撑表面氮化硅薄膜，二氧化硅壁位于氮化硅下面中间，其两翼为中空，这样，二氧化硅壁和位于其上的氮化硅共同构成可协变衬底结构；
6)在露出窗口的三族氮化物表面或硅衬底表面采用金属有机汽相沉积或分子束外延等方法选择性生长三族氮化物，当生长高出氮化硅隐蔽膜表面时改变生长工艺条件采用横向外延的方法继续生长，直到在氮化硅表面聚合长平，最后形成由二氧化硅支撑的厚的三族氮化物膜，该膜只有在占总面积很小的窗口部分和硅衬底接触，其余部分除了由柔软的二氧化硅支撑外都是位于氮化硅薄膜下面的中空结构之上，这样可以释放应力，解决厚层三族氮化物的微裂问题，同时由于采用横向外延方法实现三族氮化物在氮化硅薄膜表面聚合生长，也大大降低了三族氮化物的位错密度。
其中直接在硅衬底上生长的三族氮化物其厚度范围在0.5μm，包括缓冲层30nm。
其中在已生长的三族氮化物表面沉积或蒸发一层二氧化硅膜，其厚度范围为500nm，在三族氮化物厚度为零时，二氧化硅膜沉积在硅衬底表面。
其中在二氧化硅膜上沉积一层氮化硅，其厚度范围在10nm。
其中在样品表面刻蚀出条形或方形等任意形状的窗口，露出二氧化硅膜表面，窗口面积180μm2，窗口之间距离10-18μm，各个方向可以不等距。
其中当采用该方法生长三族氮化物在氮化硅表面聚合长平后，可以在其上继续生长发光管、激光器、探测器等任意器件结构。
其中该方法实用于硅(111)其它取向衬底。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容，以下结合实施的实例对本发明作一个详细的描述，其中：
图1是硅(111)衬底上生长缓冲层及三族氮化物剖面示意图。
图2是显示在图1上沉积或蒸发一层SiO2膜剖面示意图。
图3是显示在图2上沉积一层Si3N4膜剖面示意图。
图4是显示采用干法刻蚀的方法在图3上刻蚀出窗口的示意图。
图5是显示采用湿法腐蚀的方法腐蚀窗口区及隐蔽区的SiO2示意图。
图6是显示窗口区选择性生长三族氮化物剖面示意图。
具体实施方式
本发明是提供一种Si基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，包括如下步骤：
如图1所示，首先在Si(111)衬底10上采用MOCVD或MBE等方法生长缓冲层12，厚度30nm，，—和一层0.5μm厚三族氮化物11，缓冲层12生长温度1100℃，三族氮化物11生长温度1080℃，形成表面没有微裂基底；
然后如图2所示采用低压汽相外延沉积或电子束蒸发等方法在已生长的三族氮化物表面11沉积或蒸发一层SiO2膜20，厚度500nm。SiO2膜20是最后可协变衬底的支撑，并且在中空结构形成过程起重要作用；
如图3所示采用低压汽相外延沉积等方法在SiO2膜20上沉积一层Si3N4膜30，厚度100nm，沉积温度大于600℃，形成抗蚀性较好的纯Si3N4膜30。氮化硅30既是腐蚀二氧化硅膜的隐蔽膜，又是最后构成可协变衬底的重要组成部分；
如图4所示采用反应离子刻蚀等干法刻蚀的方法在样品表面刻蚀出方形窗口40，目的为下一步通过窗口40腐蚀二氧化硅膜20。首先要用光刻胶(正胶)作掩蔽膜，经过前烘、曝光、显影等工艺露出Si3N430窗口，然后进行干法刻蚀，要求刻蚀深度刚好去掉窗口区Si3N430，露出SiO2膜20，最后去掉光刻胶隐蔽膜，形成窗口40长60μm，宽3μm。长边平行于Si(111)衬底10的[11-2]方向，以利于横向外延生长，且该方向窗口之间距离18μm；宽边方向窗口之间距离10μm。
如图5所示采用湿法腐蚀的方法腐蚀窗口区露出的SiO220，腐蚀SiO220露出三族氮化物表面11后，继续腐蚀Si3N430下面的SiO220，直至形成6μm厚的SiO2壁50，支撑表面Si3N4薄膜30。氧化硅壁50位于氮化硅30下面中间，其两翼为中空。这样，二氧化硅壁50和位于其上的氮化硅30共同构成可协变衬底结构；
最后，在露出窗口的三族氮化物表面11采用MOCVD或MBE等方法选择性生长三族氮化物60，当生长高出Si3N4隐蔽膜30表面时改变生长工艺条件采用横向外延的方法继续生长，直到三族氮化物60在Si3N430表面聚合长平，如图6所示。最后形成由二氧化硅壁50支撑的厚的三族氮化物膜60，该膜只有在占总面积很小的窗口40部分和硅衬底10接触，其余部分除了由柔软的二氧化硅50支撑外都是位于氮化硅薄膜30下面的中空结构之上，这样可以释放应力，解决厚层三族氮化物的微裂问题。同时由于采用横向外延方法实现三族氮化物60在氮化硅薄膜30表面聚合生长，也大大降低了三族氮化物60的位错密度。
总之，采用该方法实现Si10衬底上可协变衬底的制作，形成较软的SiO2壁支撑的Si3N430薄膜结构，其两翼下为中空结构。因此，在生长厚层三族氮化物11时，无论生长过程还是降温过程，可释放由于晶格失配和热失配导致的应力。同时，由于其中采用横向外延的方法在Si3N430表面聚合生长，还可大大降低位错密度，提高晶体质量。
Claims (7)
1、一种硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，特征在于，包括如下步骤：
1)在硅衬底上生长缓冲层和一层三族氮化物，提供横向外延基底，要求三族氮化物厚度控制至表面没有微裂；
2)在已生长的三族氮化物表面沉积或蒸发一层二氧化硅膜，在三族氮化物厚度为零时沉积在硅衬底表面，该二氧化硅膜是最后可协变衬底的支撑，并且在中空结构形成过程起重要作用；
3)在二氧化硅膜上沉积一层氮化硅，此氮化硅既是腐蚀二氧化硅膜的隐蔽膜，又是最后构成可协变衬底的重要组成部分；
4)采用干法刻蚀的方法在样品表面刻蚀出条形或方形等任意形状的窗口，深度刚好去掉窗口区氮化硅，露出二氧化硅膜，以便下一步通过窗口腐蚀二氧化硅膜；
5)采用湿法腐蚀的方法腐蚀窗口区露出的二氧化硅，露出基底后，继续腐蚀氮化硅下面的二氧化硅，直至形成的二氧化硅壁，支撑表面氮化硅薄膜，二氧化硅壁位于氮化硅下面中间，其两翼为中空，这样，二氧化硅壁和位于其上的氮化硅共同构成可协变衬底结构；
6)在露出窗口的三族氮化物表面或硅衬底表面采用金属有机汽相沉积或分子束外延等方法选择性生长三族氮化物，当生长高出氮化硅隐蔽膜表面时改变生长工艺条件采用横向外延的方法继续生长，直到在氮化硅表面聚合长平，最后形成由二氧化硅支撑的厚的三族氮化物膜，该膜只有在占总面积很小的窗口部分和硅衬底接触，其余部分除了由柔软的二氧化硅支撑外都是位于氮化硅薄膜下面的中空结构之上，这样可以释放应力，解决厚层三族氮化物的微裂问题，同时由于采用横向外延方法实现三族氮化物在氮化硅薄膜表面聚合生长，也大大降低了三族氮化物的位错密度。
2、根据权利要求1所述的硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，特征在于，其中直接在硅衬底上生长的三族氮化物其厚度范围在0.5μm，包括缓冲层30nm。
3、根据权利要求1所述的硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，其特征在于，其中在已生长的三族氮化物表面沉积或蒸发一层二氧化硅膜，其厚度范围为500nm，在三族氮化物厚度为零时，二氧化硅膜沉积在硅衬底表面。
4、根据权利要求1所述的硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，其特征在于，其中在二氧化硅膜上沉积一层氮化硅，其厚度范围在10nm。
5、根据权利要求1所述的硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，其特征在于，其中在样品表面刻蚀出条形或方形等任意形状的窗口，露出二氧化硅膜表面，窗口面积180μm2，窗口之间距离10-18μm，各个方向可以不等距。
6、根据权利要求1至5所述的硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，其特征在于，其中当采用该方法生长三族氮化物在氮化硅表面聚合长平后，可以在其上继续生长发光管、激光器、探测器等任意器件结构。
7、根据权利要求1至5所述的硅基可协变衬底上生长三族氮化物的方法，其特征在于，其中该方法实用于硅(111)其它取向衬底。
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