GaN半导体材料的异质外延方法技术

本发明专利技术公开了一种ＧａＮ半导体系列材料的异质外延方法。该方法是在ＳｉＣ衬底（１１１）面和蓝宝石衬底（０００１）面上，利用金属有机物化学气相淀积ＭＯＣＶＤ工艺，首先淀积过渡层和掩膜，并按照涉及图案刻蚀掩膜，进入并暴露出缓冲层ＡｌＮ作为生长种子区域；然后将该种子区ＧａＮ的生长温度置于１０５０～１１００℃的范围，压力置于４０ｔｏｒ左右，在种子区的缓冲层ＡｌＮ上成核形种子，并以金字塔式外延生长，即在种子区以纵向垂直生长为主，横向缓慢生长，当垂直生长到适当高度后，改变生长工艺参数，在线进入ＳｉＮ掩膜上部覆盖的冠状生长过程，即从长成的塔顶部开始，以横向悬挂生长为主，纵向缓慢生长。本发明专利技术具有工艺简单，薄膜质量高之优点，可用于对低缺陷密度半导体薄膜材料的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，涉及一种低缺陷密度半导体薄膜材料的制备方法，具体地说是有关GaN半导体系列材料的异质外延方法。
技术介绍
随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。SiC，GaN是第三代宽禁带半导体的代表器件，GaN系列材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、导热性能好等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。但是采用传统方法生长出来的GaN系列材料存在缺陷密度高，制备出的器件漏电流大、使用寿命短的缺点。对于GaN的横向过度生长LEO生长技术目前国外已有多项研究。1999年加利福尼亚大学材料系的H.Marchand、N.Zhang和L.Zhao等人利用氮化铝缓冲层在硅(111)衬底上金属有机物化学气相淀积—横向过度生长(MOCVD-LEO)GaN，其生长工艺如下在生长之前先将直径二英寸的硅(111)晶片在缓冲液HF中蚀刻1min。在氢保护下加热到900℃，TMAl和NH3等先驱气体导入MOCVD生长腔，氮化铝缓冲层在76tor的总压力下沉淀。氮化铝层的厚度约是60nm即样品A，或180nm即样品B。在两种情况下，氮化铝层在整个晶片上是不分裂的，而且由AFM测量的RMS粗糙度在15nm的数量级。然后通过等离子增强化学气相沉积PECVD在晶片上覆盖200nm厚的二氧化硅层，而且在<1100>方向上的5μm宽的条纹通过标准的紫外线曝光制版和湿气化学蚀刻制成图案。二氧化硅覆盖区域的宽度是35μm，而刻蚀的种子区窗口宽度是5μm。“种子”区域与从氮化铝缓冲层垂直生长的氮化镓相—致，然而“LEO”区域与在二氧化硅覆盖区横向过度生长的氮化镓一致。参见文献H.Marchand，N.Zhang，L.Zhao，et al.Structural and optical properties of GaN laterallyovergrown on Si(111)by metalorganic chemical vapor deposition using an AlN buffer layer.MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research，Vol.42(1999)。该研究证实了四种结果，一是生长在6H-SiC和三氧化二铝基体上的LEO材料的螺旋缺陷TDs密度减小了3-4个数量级；二是减少TDs密度会使GaN p-n结反向泄漏电流减少约3个数量级；三是在LEO铝镓氮基础之上制造紫外线p-i-n光电探测器表现出的反向泄漏电流也减小了6个数量级；四是LEO氮化镓的利用也导致了铟镓氮/氮化镓激光二极管使用寿命的显著延长。由于该技术主要用于生长条带结构，其使用与表面和界面的状态密切相关，无法得到完整一致的大面积薄膜。2001年Robert F.Davis等人又深入研究GaN的LEO生长技术，并提出悬挂PE生长技术，以进一步降低位错密度，参见Robert F.Davis，T.Gehrke，K.J.Linthicum，etc.Review of Pendeo-Epitaxial Growth and Characterization of Thin Films of GaN and AlGaNAlloys on 6H-SiC(0001)and Si(111)Substrates.MRS Internet Journal of NitrideSemiconductor Research，Vol.6，14(2001)。该PE生长技术主要包括两个步骤(a)模板制备将直径两英寸的SiC(111)晶片在生长之前在缓冲液HF中蚀刻1min。反应室中在合适的高温下，引入SiH4、H2混合物，其中SiH4占5％，在SiC(111)衬底上淀积0.5～2.0μm厚的6H-SiC(111)过渡膜。接下来，在过渡层上依次沉积厚约100nm的AlN缓冲层和0.5～1μm厚的GaN种子层，即在AlN缓冲层和GaN种子层之间的是很薄的一层无定型GaN，如图1中的阴影部分。最后在GaN种子层上淀积一层SiN薄膜，即掩膜，再沉积一层镍膜。最后使用标准的光刻技术，用反应溅射法按照模板图案去掉一部分镍膜，用ICP法蚀刻一部分SiN膜，而后依次刻蚀掉裸露部分的GaN种子层和AlN缓冲层，得到了生长种子条带与窗口槽连续间隔分布的模板，如图1中除去的黑色、阴影和白色部分。(b)生长过程窗口槽的刻蚀深入6H-SiC层内对PE生长的成功与否至关重要，因为要除去所有在窗口槽底部的III-氮化物材料，以减缓从底部向上的生长。种子窗口平行于<1120>方向且向上凸起的矩形斑纹，由此提供一系列平行的GaN侧墙，如图1中的GaN种子区。刻蚀槽和GaN种子层矩形条纹的宽度依实际要求而定，一般设定在几微米。进行PE生长前，样品要浸在酸溶液中除去GaN种子结构壁上的污染物。示意性GaN的PE生长过程如图1所示。PE生长形成分为三个主要阶段(1)来自GaN种子侧墙的侧面均向外延的开始；(2)垂直生长；(3)SiN掩膜上部覆盖种子结构过程。图1中的灰色部分为PE生长中的薄膜。一般，GaN的PE生长在1050～1100℃的温度范围和40tor左右的压力气氛里面完成。三个阶段的生长没有严格的界限，其中部分生长同时进行，直到相邻横向生长和种子区顶部生长相遇合并，则完成整个薄膜的生长。对该薄膜用选择区域透射电子显微镜TEM分析，用无掩膜，PE技术生长出来的GaN晶体膜里斑纹上的膜合并区，与对比实验中顶端有SiN掩膜上的合并膜相比，既没有倾斜，也没合并边界，GaN外延层中的位错密度可降至106-108cm-2之间。该方法虽说是综合了目前横向过度生长的技术精华，即所谓利用掩膜的PE生长工艺。其中在种子区顶部实现有掩膜的悬挂生长，而在刻蚀窗口区主要实现空间PE式生长。空间PE和种子侧墙的实现要求模板淀积和刻蚀都要达到数微米，同时PE生长首先要填充数微米深的刻蚀窗口并纵向长出台阶在之字形覆盖种子区，整个生长过程可生长出3个最终薄膜的厚度。但是这种重复式的生长方式存在有两个技术缺陷其一是种子侧墙与悬挂生长的两次类似生长被刻蚀过程截然分开，工艺周期长成本高；其二是刻蚀过程的污染难以消除，使最终产品的质量降低。近年来，国内也开始了对GaN材料和器件的研究。南京大学物理系汪峰，张荣和陈志忠等用氢化物气相外延HVPE方法在Si(111)衬底上横向外延生长出晶体质量较好的GaN薄膜材料。LEO GaN的结晶学模板是用金属有机物气相外延(MOVPE)在Si衬底上制得。在立式HVPE反应室内LEO GaN生长在这样的模板上，在导入反应室之前，模板在回流管中被加热至生长温度，在N2气氛下预热10min，接着通过反应气体GaCl和NH3进行生长。HCl通入Ga源的速率控制着反应速度在0.5～4μm/min的范围内。参见汪峰，张荣，陈志忠等。Si衬底上横向外延GaN材料的微结构和光学性质的研究[J]，高技术通讯，2002.0347～49。中国科学院上海冶金研究所信息功能材料国家重点实验室的魏茂林，齐鸣，孙一军和李爱珍等，对用LEO技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＧａＮ半导体材料的异质外延方法，在ＳｉＣ衬底（１１１）面和蓝宝石衬底（０００１）面上，利用金属有机物化学气相淀积ＭＯＣＶＤ工艺，首先，淀积过渡层和掩膜，并按照涉及图案刻蚀掩膜，进入并暴露出缓冲层ＡｌＮ作为生长种子区域；然后，将该种子区ＧａＮ的生长温度置于１０５０～１１００℃的范围，压力置于４０ｔｏｒ左右，按如下过程生长出完整平滑的低缺陷密度薄膜：（１）ＧａＮ在种子区的缓冲层ＡｌＮ上成核形种子，并以金字塔式外延生长，即在种子区以纵向垂直生长为主，横向缓慢生长；　 　（２）垂直生长到适当高度，通过改变生长工艺参数，在线进入ＳｉＮ掩膜上部覆盖的冠状生长过程，即从长成的塔顶部开始，以横向悬挂生长为主，纵向缓慢生长。

【技术特征摘要】
1.一种GaN半导体材料的异质外延方法，在SiC衬底(111)面和蓝宝石衬底(0001)面上，利用金属有机物化学气相淀积MOCVD工艺，首先，淀积过渡层和掩膜，并按照涉及图案刻蚀掩膜，进入并暴露出缓冲层A1N作为生长种子区域；然后，将该种子区GaN的生长温度置于1050～1100℃的范围，压力置于40tor左右，按如下过程生长出完整平滑的低缺陷密度薄膜(1)GaN在种子区的缓冲层AlN上成核形种子，并以金字塔式外延生长，即在种子区以纵向垂直生长为主，横向缓慢生长；(2)垂直生长到适当高度，通过改变生长工艺参数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝跃，李德昌，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]