一种硅基图形衬底上生长外延层的方法技术

一种硅基图形衬底上生长外延层的方法，其特征在于，包括如下步骤：　提供硅衬底；　在硅衬底表面生长第一外延层；　在第一外延层远离硅衬底的表面生长第一介质层；　将第一介质层的一部分腐蚀除去，至露出第一外延层后停止；　以保留的第一介质层为掩模，采用选择性腐蚀的方法刻蚀第一外延层，至露出硅衬底后停止；　腐蚀露出的硅衬底，在硅衬底上形成凹陷结构；　在硅衬底的凹陷结构的底部和侧面制备第二介质层；　腐蚀第一介质层，至露出第一外延层；　以露出的图形化的第一外延层为籽晶，采用外延方法生长连续的第二外延层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料的生长方法，尤其涉及一种硅基图形衬底上生长外 延层的方法。
技术介绍
在半导体材料的异质外延生长领域，硅衬底作为一种价格低廉，生产工艺 成熟，最易获得的衬底材料，越来越受到人们的重视。在采用硅衬底进行异质 外延的技术中，如何解决异质外延中的应力释放以及衬底硅原子的扩散问题等 诸多问题一直困扰着人们。下面以GaN对硅衬底异质外延中遇到的问题加以分析。GaN材料作为新型的宽禁带半导体材料，近年来一直是国际上化合物半导 体研究方面的热点。由于GaN属于直接带隙材料，可与InN， A1N形成组分连 续可变的三元或四元固溶体合金体(AlGaN、 InGaN、 AlInGaN)，对应的波长 覆盖了红光到近紫外光的范围；而且具有化学稳定性和热稳定性好等优越的特 性，因此在光电子领域具有极大的应用前景。其次，GaN材料与Si、 GaAs等 其他材料相比，在高电场强度下，具有更大的电子迁移速度，这样也就使之在 微电子器件方面也具有了很高的研究价值。通过各国科学家多年的努力，GaN基材料及其器件已经得到了长足的发 展。从1971年Pankove报道第一个GaN发光二极管到Nakamura又研制出了 GaN基的蓝光激光器仅仅只是二十几年的时间。近年来，有关于GaN基的材 料和器件的研究和发展更是大大的加速了 。这些喜人的成绩给广大研究者很大 的鼓励，但是，对于GaN材料，存在着一个很大的问题GaN没有同质衬底， 现在所有成熟的器件都是以蓝宝石异质衬底为基础的。然而，对于外延衬底来 说，有很多种，除了蓝宝石衬底外，还有诸如SiC衬底和Si衬底等等。Si衬底上生长GaN材料，与通常采用蓝宝石衬底或者SiC衬底生长GaN材料有很大不同，虽然如上所述有很多优点，但是其难度要比蓝宝石上外延GaN要大得多，具体的说主要有以下的问题存在。首先，Si衬底上外延GaN具有很大的晶格失配为17%。其次，Si衬底和 GaN之间较大的热膨胀系数差异导致较大的热失配。Si的热膨胀系数为3.59 X10'6K'1，而GaN的热膨胀系数为5.59X10《K'1， 二者相差很大，为56%，在 高温生长以后降温的过程中由于Si衬底和外延层的热膨胀系数不同就会产生 很大的张应力，这也是导致GaN外延层微裂的主要原因。由于晶格失配应力 和热失配应力均为张应力，因此在生长过程和降温过程都有可能产生裂纹。另一个问题就是极性问题，由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性 半导体，而GaN、 A1N或其它化合物半导体原子间是极性键，属极性半导体。 对于极性/非极性异质结界面有许多物理性质不同于传统异质结器件，界面原 子、电子结构、晶格失配、界面电荷和偶极距、带阶、输运特性等都会有很大 的不同，这也是研究Si衬底上GaN材料和器件所必须认识到问题。最后，Si衬底上Si原子的扩散也是一个重要问题，在高温生长过程中Si 原子的扩散加剧，在外延层中就会含有一定量的Si原子，这些Si原子可以与 生长气氛中的氨气形成SiN非晶薄膜，降低外延层的晶体质量，另外Ga原子 也可以扩散到Si衬底表面，并与衬底发生回熔刻蚀现象，这样也可以使得外 延层的晶体质量降低。因此，如何降低应力、防止微裂，如何隔离衬底与外延层之间的扩散是主 要Si衬底上生长GaN外延层所要解决的最主要的问题。现有报道的主要有如下的几种解决手段1. 梯度组分AlGaN缓冲层方法梯度组分AlGaN缓冲层的原理就是在GaN和A1N缓冲层之间插入梯度组 AlGaN，使得A1N缓冲层与GaN外延层之间存在渐进的过渡，逐渐改变Al和 Ga的组分。这样的方法可以明显的降低外延层中的位错，也可以明显的降低 裂纹的密度。2. 渐变组分AlGaN缓冲层方法与上一种方法类似的是，H.Marchand等人采用AIN—GaN梯度缓冲层的 方法，得到了比较好的效果。与以上一种方法不同的是，所用的缓冲层不是 A1N缓冲层，而是从缓冲层开始就逐渐增加Ga的含量。通过TEM可以观察到， 在接近衬底处，位错很多，但是经过组分的渐变，位错明显减少；另外，这样 可以利用AlN与GaN晶格常数的差别形成压应力。在实验中，他们发现最终 GaN层中呈现的是压应力而不是张应力。3. 超晶格缓冲层方法超晶格缓冲层的方法就是直接在Si衬底上生长超晶格缓冲层，然后外延 GaN，这样超晶格层既可以缓解衬底与外延层之间的应力，又可以降低外延层 位错密度，还可以阻止来自衬底的Si扩散。但是这样方法有存在的问题是， 直接在Si衬底上生长超晶格层比较困难，这样超晶格缓冲层的作用也就弱化 了。4. 超晶格插入层方法与上述的方法类似，Eric Feltin等人在GaN外延层与A1N缓冲层之间采用 10个周期的AlN/GaN超晶格做插入层，A1N层和GaN层厚度分别为3nm和 4nm，生长出了较厚且没有裂纹的GaN晶体(0.9—2.5Mm)。采用超晶格结构 可以产生额外的压应力，此外超晶格能够很好的过滤位错，特别是穿透位错， 从而可以明显提高外延层的晶体质量。随着超晶格插入层层数的增加，张应变减少。TEM显示位错密度随厚度 变化从101Q cm'2到2.5 X 109cm'2, PL谱I2峰半宽度为6meV( 10K) ， X光Rocking 半宽度为500arcsec。与上述方法相比较，这样做有明显的有点，首先AIN缓冲层的生长要比直 接生长超晶格缓冲层要容易，其次采用超晶格插入层也很好的保证了超晶格层 的晶格质量，更有利于隔离穿透位错。但是，总体说来，超晶格插入层的生长 要求比较高。5. 选择区域外延(SAG)方法SAG方法的基本原理就是利用GaN晶核在介质掩蔽膜和衬底上的生长选 择性，把GaN外延层限制生长在没有隐蔽膜的区域，形成分立的外延层，由此释放外延层的张应力。Y.Honda等人最早采用了选择区域外延方法。他们首 先采用Si02薄膜在衬底上形成正方形的"围堰"，然后生长A1N缓冲层，GaN 外延层，利用该方法可实现XRD双晶测量(0004) Rocking curve半宽度为388 arcsec。但是，这种方法有一个缺点，就是"围堰"的尺寸有一个临界值， 一般"围 堰"边长超过0.5mm就会使得GaN外延层上形成裂纹。6. 低温A1N插入层方法A. Krost等人采用了在高温GaN外延层插入低温AlN插入层方法，这种 方法可以有效的控制GaN外延层的应力，并且降低位错密度，张应力和位错 密度都随着插入层数量的增加而减少。A1N插入层的方法和超晶格插入层方法 也有类似之处，就是采用插入的方法使得外延层的中应力得到缓解，但是这样 生长方法比超晶格插入层方法更容易，所以可操作性也更强。A.Krost等人采 用这种方法成功的生长出了 7微米无裂纹的GaN外延层，这也是现在最好的 结果。7. 图形衬底方法在Si衬底上刻蚀一定深度的图形，在图形之间的Si衬底上生长GaN，通 过横向外延使之聚合，形成外延层下面中空结构，释放张应力。这种方法在蓝 宝石衬底上就有过应用，但是与蓝宝石衬底不同的是，在Si衬底上生长GaN， 横向生长非常缓慢，所以要达到横向的聚合也是很困难的。所以技术要求也很 高。8. SOI衬底技术如果衬底的厚度小于传统的临界厚度，那么本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基图形衬底上生长外延层的方法，其特征在于，包括如下步骤：　提供硅衬底；　在硅衬底表面生长第一外延层；　在第一外延层远离硅衬底的表面生长第一介质层；　将第一介质层的一部分腐蚀除去，至露出第一外延层后停止；　以保留的第一介质层为掩模，采用选择性腐蚀的方法刻蚀第一外延层，至露出硅衬底后停止；　腐蚀露出的硅衬底，在硅衬底上形成凹陷结构；　在硅衬底的凹陷结构的底部和侧面制备第二介质层；　腐蚀第一介质层，至露出第一外延层；　以露出的图形化的第一外延层为籽晶，采用外延方法生长连续的第二外延层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建军，徐科，王建峰，
申请(专利权)人：苏州纳维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32