WO2020181917A1 - 在侧向外延薄膜上自对准形成图形及外延材料的制备方法 - Google Patents
在侧向外延薄膜上自对准形成图形及外延材料的制备方法 Download PDFInfo
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Definitions
- Shin-ichi Nagahama et al. fabricated a GaN pattern film on sapphire for complete integration of the primary side epitaxy, and then used the same method to prepare a GaN pattern film of the same size for secondary side epitaxy. .
- the dislocation density in the epitaxial layer is greatly reduced after the secondary side epitaxial.
- a method for self-aligning a pattern formed on a lateral epitaxial film including:
- the side epitaxial film 6 is processed using the self-aligned patterned photoresist mask prepared in step S3.
- the present disclosure proposes a method for preparing epitaxial materials after self-aligning patterns formed on lateral epitaxial films, which can be used to prepare low dislocation density nano- or micro-pillars, bars and other epitaxial materials, which is beneficial to improve the device Efficiency and photoelectric performance.
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Abstract
本公开提供了一种在侧向外延薄膜上自对准形成图形的方法,包括:制备图形化衬底;在所述图形化衬底上通过侧向外延合并生长的方式,制备表面合并的侧向外延薄膜;在所述图形化衬底背面进行曝光处理,所述侧向外延薄膜上自对准形成图形。
Description
本公开涉及半导体制备技术领域,尤其涉及一种在侧向外延薄膜上自对准形成图形及外延材料的制备方法。
衬底材料与外延材料之间存在晶格失配和热失配,会导致外延层位错密度较高。目前,降低位错密度可以采用V/III比调制外延、高温退火、缓冲层、图形化衬底等技术。在图形化衬底上进行材料的侧向外延,利用图形倾斜面的镜像力作用,部分位错会随着外延材料的横向生长而向空气隙弯曲并终止在空气隙的界面,导致侧向外延合并区域位错湮灭,从而有效地降低侧向外延合并区域外延材料中的位错密度,实现高质量外延材料的制备。专利申请号为CN201310738594.1的中国专利文献公开的III族氮化物半导体结构及其制造方法和专利申请号为CN201610799873.2的中国专利文献公开的一种基于金属有机化学气相沉积(MOCVD)侧向外延制备低位错密度AlGaN薄膜的方法及AlGaN薄膜,均提到了这种基于图形化衬底进行侧向外延而得到低位错密度外延材料的方法。
为进一步降低外延材料的位错密度,Shin-ichi Nagahama等人在蓝宝石上制作GaN图形薄膜进行一次侧向外延完全合并后,以相同的方法再次制备同样尺寸的GaN图形薄膜进行二次侧向外延。相比于一次侧向外延,经过二次侧向外延后外延层中的位错密度得到了很大的降低。然而,两次相同图形的侧向外延很难实现图形的精确对准;同时,基于侧向外延的原理,这种两次相同图形的侧向外延仅可进一步降低合并区域的位错密度,垂直生长区域的位错仍旧很高。
为实现整个外延材料中位错密度的降低,通过排布互补的图形化衬底进行侧向外延,以第一次侧向外延的垂直生长区域作为第二次侧向外延的合并区域,进行第二次侧向外延,使该区域位错密度降低,而实现整个外延材料中位错密度的进一步降低。然而这种图形互补的侧向外延的难度在于互补图形的对准,如何精确实现微米甚至纳米级图形间的对准,是目前的技术难题。
公开内容
根据本公开的一个方面,提供了一种在侧向外延薄膜上自对准形成图形的方法,包括:
制备图形化衬底;
在所述图形化衬底上通过侧向外延合并生长的方式,制备表面合并的侧向外延薄膜;
在所述图形化衬底背面进行曝光处理,所述侧向外延薄膜上自对准形成图形。
根据本公开的另一个方面,提供了一种制备外延材料的方法,包括:
利用上述方法在侧向外延薄膜上自对准形成图形;
以侧向外延薄膜上的自对准图形对侧向外延薄膜进行加工;以及
清除自对准图形,完成外延材料的制备。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举优选实施例,并配合所附附图,作详细说明如下。
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解,以下附图仅示出了本公开的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定。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相关的附图。
图1为本公开实施例在侧向外延薄膜上自对准形成图形的方法的流程示意图。
图2为本公开实施例衬底和外延薄膜的结构示意图。
图3为本公开实施例图形化复合衬底的结构示意图。
图4为本公开实施例制备完第一次侧向外延薄膜的结构示意图。
图5为本公开实施例旋涂光刻胶后的结构示意图。
图6为本公开实施例制备的一种互补图形外延材料的结构示意图。
图7为本公开实施例外延材料的方法流程示意图。
图8为本公开实施对侧向外延薄膜进行加工后的结构示意图。
图9为本公开实施例外延材料的结构示意图。
图10为本公开实施例完成二次侧向外延的外延材料的结构示意图。
【符号说明】
1-衬底;2-外延薄膜;3-图形化外延薄膜;4-矩形沟槽;5-矩形台面;6-第一层侧向外延薄膜;7-空气隙;8-光刻胶;9-图形化光刻胶;10-第一层侧向外延图形化薄膜;11-第二层侧向外延薄膜。
本公开提供了一种侧向外延薄膜上自对准形成图形的方法,其利用在图形化衬底上侧向外延生长中产生的空气隙对光的反射和折射作用,使从衬底背面垂直入射的光通过空气隙而发散,通过非空气隙而汇聚,从而在空气隙上方形成非曝光区,在非空气隙上方形成曝光区,完成图形的自对准,进一步的,基于该方法,可通过图形转移工艺制备低位错密度的纳米或微米柱、条等,应用于发光二极管(LED)、激光器、太阳能电池、异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等高性能半导体器件;或可进一步进行二次侧向外延,从而降低整个外延材料中位错密度,有利于提高基于此外延材料制备的器件的效率和光电性能。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上,本公开的各种实施例可以许多不同形式实现,而不应被解释为限于此数所阐述的实施例。在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参照图1所示,本公开一实施例提供了一种在侧向外延薄膜上自对准形成图形的方法,通过侧向外延薄膜中的空气隙对光的反射和折射作用从衬底背面进行曝光处理,精确实现微米或纳米级图形化衬底的自对准。该实施例的方法,包括:
S1:制备图形化衬底;
S2:在图形化衬底上通过侧向外延合并生长的方式,制备表面合并的侧向外延薄膜;
S3:通过在步骤S1所制备的图形化衬底背面进行曝光处理,使得在步骤S2所制备的侧向外延薄膜上自对准形成图形。
在步骤S1中,图形化衬底可采用单一材料的衬底,材料包括:蓝宝石、AlN、Ga
2O
3、SiC、金刚石、石英玻璃等可以透过曝光光刻胶对应的 紫外线的材料;或所述图形化衬底可采用两种材料制备,即所述图形化衬底为复合衬底,即在单一材料的衬底上形成另一材料的图形化外延薄膜,制备出所述图形化衬底。该另一材料包括:AlN、Ga
2O
3等可以透过曝光光刻胶对应的紫外线的材料,例如非掺杂、n型导电或p型导电材料。
以下以复合衬底为例进行说明,所述步骤S1,包括:
步骤S1.1:在衬底上制备掩膜层。
步骤S1.1包括:
首先,在衬底1上利用MOCVD工艺制备外延薄膜2,形成复合平面衬底。所述衬底1为平面衬底,所述衬底1的材料为蓝宝石,如图2所示。
接着,在外延薄膜2上沉积一层二氧化硅,作为后续刻蚀外延薄膜2的掩膜层。在一种实施方式中,二氧化硅掩膜层的厚度为200~400纳米。
以上只是示例性说明,本实施例不限于此。在衬底1上制备外延薄膜2的方法还包括:分子束外延(MBE)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、常压及减压外延(ATM&RP Epi)等。
S1.2:在掩膜层上制备图形化的胶掩膜。
本实施例采用纳米压印工艺制备图形化的胶掩膜。具体包括:
在二氧化硅掩膜层上旋涂纳米压印光刻胶。光刻胶的厚度可通过选择光刻胶、调节涂胶机转速或涂胶次数来控制。在一个实施方式中,光刻胶的厚度为200~800纳米。利用纳米压印机进行纳米压印,压印过程中紫外照射以完成光刻胶的固化,实现图形从压印模板到压印胶的快速复制,作为后续刻蚀二氧化硅层掩膜层的胶掩膜层。此处压印模板的沟槽宽度为400纳米、周期为1微米,即对应步骤S1.3形成的矩形沟槽4的宽度为400纳米、周期为1微米。
S1.3:利用步骤S1.2所制备的胶掩膜图形化衬底:
将图形化的胶掩膜的图形转移到二氧化硅掩膜层上,形成图形化的二氧化硅掩膜层。
接着使用去膜剂、丙酮等有机溶剂去除残留的胶掩膜。
再将图形化的二氧化硅掩膜层的图形转移到外延薄膜2上,制备出图 形化外延薄膜3,使图形化外延薄膜3上形成多条相互平行的矩形沟槽4和多个相互平行且独立的矩形台面5。
图形化外延薄膜3上的矩形沟槽4的宽度为400纳米、周期为1微米,矩形台面5的高度400纳米。本实施例可采用干法刻蚀将图形化的胶掩膜的图形转移到二氧化硅掩膜层、将图形化的二氧化硅掩膜层的图形转移到外延薄膜2。
S1.4:清除掩膜层,完成图形化衬底的制备。
采用湿法刻蚀工艺去除残留的二氧化硅掩膜层,完成图形化衬底的制备。图形化衬底包括:衬底1、以及形成在衬底1上的图形化外延薄膜3,如图3所示。
本公开可采用单一材料的衬底制备图形化衬底,或者采用上述步骤,在单一材料的衬底上先生长外延薄膜然后再图形化外延薄膜,制备出图形化衬底。
所述步骤S2,包括:在步骤S1所制备的图形化衬底上通过侧向外延合并生长的方法,制得表面合并的第一层侧向外延薄膜6。
在步骤S2中,由于侧向外延的作用,在图形化外延薄膜3上的矩形沟槽4上方形成空气隙7,如图4所示。在衬底1与图形化外延薄膜3的界面处,高密度的位错产生并不断向上延伸,通过第一层侧向外延薄膜6的侧向外延,有部分位错会随着侧向生长而向矩形沟槽4上的空气隙7弯曲并终止在空气隙7的界面,即使侧向外延合并区域的位错密度得以降低,但在矩形台面5上方即垂直生长区域的位错密度仍旧很高。
所述步骤S3,包括:
S3.1:在步骤S2所制备的侧向外延薄膜上旋涂光刻胶。
所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶,在本公开实施例中,在第一层侧向外延薄膜6上旋涂一层正性光刻胶,如图5所示。
S3.2:采用衬底背面曝光的自对准工艺制备自对准图形化光刻胶掩膜。
在衬底1的背面进行曝光处理。由于第一层侧向外延薄膜6中的空气隙7对光的反射和折射作用,使从衬底1背面垂直入射的光通过空气隙7而发散,通过非空气隙而汇聚,从而在空气隙7上方形成非曝光区,在非空气隙上方形成曝光区。当旋涂正性光刻胶时,曝光区部分发生分解反应变为可溶型物质,经过显影后留下非曝光区部分,即自对准形成与图形化衬底图形互补的自对准图形化光刻胶掩膜9,如图6所示。
如步骤S3.1中旋涂的为负性光刻胶,则步骤S3.2后,自对准图形化光刻胶掩膜9的图形与图形化衬底的图形相同。
在本公开实施例中,经过步骤S1至S3制备而成的外延材料如图6所示。在一种实施方式中,所述图形化外延薄膜3的厚度是1微米,图形为矩形,宽度为400纳米、周期为1微米,矩形台面5的高度400纳米。所述第一层侧向外延薄膜6的材料为AlN,厚度是3.5微米。
本公开另一实施例提供了一种制备外延材料的方法,可用于低位错密度的纳/微米柱、条等结构的制备,如图7所示,包括:
采用上一实施例的步骤S1-S3,在侧向外延薄膜上自对准形成图形;
S4:以侧向外延薄膜上的自对准图形对侧向外延薄膜进行加工;
S5:清除自对准图形,完成外延材料的制备。
S4具体包括:
利用步骤S3所制备的自对准图形化光刻胶掩膜对侧向外延薄膜6进行加工。
将自对准图形化光刻胶掩膜9上的图形转移到第一层侧向外延薄膜6上,制备出第一层图形化侧向外延薄膜10,使第一层图形化侧向外延薄膜10上形成多条相互平行的矩形沟槽4和多个相互平行且独立的矩形台面5。如图8所示。
S5:清除自对准图形化光刻胶掩膜9,完成外延材料的制备。
湿法刻蚀去除残留的自对准图形化光刻胶掩膜9。如图9所示。
在本公开实施例中,若步骤S1中所利用的图形化的胶掩膜的图形为矩形,则制备出的图形化外延薄膜3的图形也为矩形,进而制备成的第一层图形化侧向外延薄膜10为低位错密度的纳米或微米条结构,若步骤S1中所利用的图形化的胶掩膜的图形为圆形,制备成的第一层图形化侧向外延薄膜10为低位错密度的纳米或微米柱结构,可应用于LED、激光器、太阳能电池、HBT、HEMT等高性能半导体器件的制作。
综上所述,本公开提出的一种在侧向外延薄膜上自对准形成图形后制备外延材料的方法,可用于制备低位错密度的纳米或微米柱、条等外延材料,有利于提高器件的效率和光电性能。
进一步的,在本实施例中,除了进行一次侧向外延,还可在步骤S5之后重复步骤S2至S3进行多次侧向外延,实现整个外延材料中位错密度的降低,如图10所示,在一种实施方式中,进行二次侧向外延生成第二层侧向外延薄膜11,第二层侧向外延薄膜11的材料为AlN,厚度是3.5微米,外延方法为MOCVD。具体包括:
在第一层图形化侧向外延薄膜上二次侧向外延生长薄膜材料。
如图1所示,第一层图形化侧向外延薄膜10上进行侧向外延制得第二层侧向外延薄膜11,并由于侧向外延的作用原理在矩形沟槽4上方形成空气隙7,完成了二次侧向外延,在第一层图形化侧向外延薄膜10与第二层侧向外延薄膜11的界面处,高密度的位错产生并不断向上延伸,通过第二层侧向外延薄膜11的侧向外延,有部分位错会随着侧向生长而向矩形沟槽4上的空气隙7弯曲并终止在空气隙7的界面,使第二层侧向外延薄膜11的合并区域(即第一层侧向外延薄膜6的垂直生长区域)的位错密度得以降低,而使整个外延材料的位错得以进一步降低。如图10所示。
以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例,已经阐述了上述空净一体机的众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下,本领域技术人员应理解,这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。
除非存在技术障碍或矛盾,本公开的上述各种实施例可以自由组合以形成另外的实施例,这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
虽然结合附图对本公开进行了说明,但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明,而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的,并不能理解为对本公开的限制。
虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明,本领域普通技术人员将理解,在不背离本公开公开构思的原则和精神的情况下,可对这些实施例做出改变,本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
Claims (14)
- 一种在侧向外延薄膜上自对准形成图形的方法,其特征在于,包括:制备图形化衬底;在所述图形化衬底上通过侧向外延合并生长的方式,制备表面合并的侧向外延薄膜;在所述图形化衬底背面进行曝光处理,所述侧向外延薄膜上自对准形成图形。
- 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述制备图形化衬底包括:在所述衬底上制备掩膜层;在所述掩膜层上制备图形化的胶掩膜;利用所述胶掩膜图形化衬底;以及清除掩膜层,完成图形化衬底的制备。
- 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在所述图形化衬底背面进行曝光处理,所述侧向外延薄膜上自对准形成图形,包括:在所述侧向外延薄膜上旋涂光刻胶;以及采用衬底背面曝光的自对准工艺制备自对准图形化光刻胶掩膜。
- 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述图形化衬底包括:单一材料衬底或复合材料衬底。
- 根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述单一材料包括:蓝宝石、AlN、Ga 2O 3、SiC、金刚石、石英玻璃中任意一种;所述复合材料衬底包括:单一材料衬底、以及在单一材料衬底上形成的另一材料的图形化外延薄膜,所述图形化外延薄膜的材料包括:AlN、Ga 2O 3。
- 根据权利要求5所述的方法,其特征在于,通过金属有机化学气 相沉积、分子束外延、超高真空化学气相沉积、常压及减压外延的任一种工艺,在单一材料衬底上形成另一材料的图形化外延薄膜。
- 根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述掩膜层的制备材料包括二氧化硅。
- 根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述图形化的胶掩膜的图形包括:圆形、长条形或多边形。
- 根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述在所述衬底上制备掩膜层,包括:在所述衬底上利用MOCVD工艺制备外延薄膜,形成复合衬底;在所述外延薄膜上沉积一层二氧化硅,作为所述掩膜层。
- 根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述在所述掩膜层上制备图形化的胶掩膜,包括:采用纳米压印工艺将光刻胶压印在所述掩膜层上。
- 根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述利用所述胶掩膜图形化衬底,包括:将所述图形化的胶掩膜的图形转移到所述掩膜层上,形成图形化的掩膜层;去除残留的胶掩膜;将图形化的掩膜层的图形转移到所述衬底的外延薄膜上,制备出图形化外延薄膜。
- 一种制备外延材料的方法,其特征在于,包括:利用权利要求1至11任一项的方法在侧向外延薄膜上自对准形成图形;以侧向外延薄膜上的自对准图形对侧向外延薄膜进行加工;以及清除自对准图形,完成外延材料的制备。
- 根据权利要求12所述的方法,其特征在于,以侧向外延薄膜上的自对准图形对侧向外延薄膜进行加工,包括:将自对准图形化光刻胶掩膜上的图形转移到第一层侧向外延薄膜上,制备出第一层图形化侧向外延薄膜。
- 根据权利要求12所述的方法,其特征在于,重复以下步骤,以制备多层侧向外延薄膜的外延材料:利用权利要求1至11任一项的方法在侧向外延薄膜上自对准形成图形;以侧向外延薄膜上的自对准图形对侧向外延薄膜进行加工;以及清除自对准图形。
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