半导体单晶材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种半导体单晶材料的制备方法，其包括以下步骤：采用异质衬底进行材料制备；在200℃

【技术实现步骤摘要】
半导体单晶材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及单晶的制备方法，具体涉及一种半导体单晶材料的制备方法。

技术介绍

[0002]半导体器件是现代电子工业的基础。其中，低缺陷密度、高质量的半导体单晶材料是实现高性能半导体器件的前提。对于硅等元素半导体，可采用长晶炉和拉单晶的方式获得近乎无位错的高质量单晶体材料，但是，对于大部分宽禁带化合物半导体而言，其需要在非常高的温度和压力下才能实现液态到固态的直接转换，而目前的装备材料无法承受如此高的温度与压力，因此，当前的化合物半导体材料大多采用基于衬底沉积的方式进行制备，而且，目前大部分化合物半导体材料缺乏可商用的大尺寸同质衬底，只能在异质衬底上进行沉积。而由于与异质衬底普遍存在较大的晶格失配与热失配，沉积的材料大多具有非常高的位错密度与很强的残余应力。因此，如何降低位错密度与应变强度是宽禁带半导体单晶材料制备的关键。
[0003]现有技术中，采用高温热处理的方法可以使得晶格重新排列，极大地降低材料的位错密度，但由于材料与衬底之间存在着巨大的热失配，高温热处理后的材料仍普遍存在非常强的残余压应力。材料中过大的压应力会使得后续的外延生长模式由平整的二维生长转变为大起伏的三维生长，严重影响上层材料的结晶质量。

技术实现思路

[0004]为了解决目前半导体单晶材料制备难度大的问题，专利技术人进行了大量的研究和试验，发现，虽然采用常规的磁控溅射设备制备半导体材料时，由于溅射温度低，制得的半导体材料多为多晶材料，但是，通过低温溅射制得的多晶半导体材料可以通过高温热处理的方式使其中的晶格发生重新排列，形成单晶；而且，专利技术人在试验过程中还发现，将高温热处理拆分成多次进行，且逐次提升处理温度，可以通过前期的温度较低的热处理提高半导体材料的致密性，避免低温溅射制得的结构松散的半导体材料因直接进行较高温度的热处理而出现热分解的问题。因此，根据本专利技术的一个方面，提供了一种半导体单晶材料的制备方法，该方法尤其适用于宽禁带化合物半导体单晶材料的制备。
[0005]该半导体单晶材料的制备方法包括以下步骤：
[0006]S10：采用异质衬底进行材料制备；
[0007]S20：在200℃
‑
700℃的温度下，在异质衬底上溅射化合物半导体材料，以得到第一晶圆；
[0008]S30：对第一晶圆进行次数不少于两次的热处理，以得到热处理成品晶圆，其中，每次热处理的温度比前一次热处理的温度高，第一次热处理的温度高于溅射温度，最后一次热处理温度范围为1300℃
‑
1800℃；
[0009]S40：在热处理成品晶圆上沉积化合物半导体材料，以制得半导体单晶材料。
[0010]本专利技术通过对低温溅射制得的化合物半导体材料进行多次热处理，且多次热处理
的温度逐渐升高，可以避免低温溅射得到的结构松散、致密性低的化合物半导体材料直接进行高温热处理时发生分解的问题，使得化合物半导体材料经过前期低温热处理(温度低于1000℃)材质得到了致密化，从而后续进行高温热处理(温度高于1000℃)时既能够通过晶格的重排形成单晶，又不会因为结构松散而出现热分解的问题，进而能够保证热处理成品晶圆上的化合物半导体材料为单晶状态，以便后续沉积的化合物半导体材料保持单晶状态。
[0011]在一些实施方式中，在步骤S20中，在异质衬底上溅射的化合物半导体材料的厚度范围控制在20nm
‑
1μm。通过将溅射在异质衬底上的化合物半导体材料的厚度控制在一个合理范围，避免因化合物半导体材料的厚度较厚而无法通过后续的热处理过程转变为单晶结构。
[0012]在一些实施方式中，在步骤S30中，热处理时采用的气氛为氮气或氩气。由此，可以避免溅射在异质衬底上的化合物半导体材料在热处理的过程中发生化学反应。
[0013]在一些实施方式中，在步骤S30中，每次热处理的时间为0.5h
‑
3h。由此，可以保证足够的热处理时间，以使溅射在异质衬底上的化合物半导体材料能够致密化或实现晶格重排。
[0014]在一些实施方式中，在步骤S30中，热处理的次数为四次，且每一次热处理的温度范围分别为400℃
‑
800℃、800℃
‑
1000℃、1000℃
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1300℃和1300℃
‑
1800℃。由此，可以通过逐步升高的热处理温度，逐渐提高溅射在异质衬底上的化合物半导体材料的致密性，以避免低温溅射获得的结构松散的化合物半导体材料直接进行高温热处理时发生分解的问题；而且，专利技术人根据热处理转化成单晶的温度，将热处理按照不同的温度划分成四次进行，既避免溅射在异质衬底上的化合物半导体材料因单次高温处理出现热分解问题，又可以避免因热处理次数较多而导致处理效率低的问题。
[0015]在一些实施方式中，在步骤S40中，在热处理成品晶圆上沉积化合物半导体材料的厚度范围控制在500nm
‑
3μm。
[0016]在一些实施方式中，在步骤S10和步骤S40中的化合物半导体材料为氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、氧化镓(GaO)、铝钪氮(AlScN)或硼铝氮(BalN)等宽禁带化合物半导体材料。
[0017]在一些实施方式中，在步骤S10中，进行材料制备的异质衬底的倾角大于1
°
。由于高温热处理后半导体材料，尤其是氮化铝等材料的残余压应力过强，专利技术人想到了采用大倾角衬底进行材料制备，通过在大倾角异质衬底进行外延生长形成更多原子面的方式引入张应力，以通过引入的张应力对残余压应力进行补偿，实现应力调控，从而降低高温热处理后半导体材料的残余压应力，最终获得低缺陷密度、低应变的高质量半导体单晶材料。
[0018]在一些实施方式中，异质衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。由此，可以使得异质衬底简单易得。
[0019]在一些实施方式中，当异质衬底为蓝宝石衬底时，倾角为真实切割面与(0001)结构面的夹角；当异质衬底为硅衬底时，倾角为真实切割面与(111)结构面的夹角；当异质衬底为碳化硅衬底时，倾角为真实切割面与(0001)结构面的夹角。由此，可以保证当在异质衬底上进行外延生长时能够形成更多的原子面，以引入较多的张应力，进而实现对高温热处理时引入的压应力的中和。
附图说明
[0020]图1为本专利技术一实施方式的半导体单晶材料的制备方法的流程示意图；
[0021]图2为本专利技术一实施方式的异质衬底的倾角结构示意图；
[0022]图3为最终制备得到的AlN材料的应力与衬底倾角的关系图。
具体实施方式
[0023]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0024]还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.半导体单晶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S10：采用异质衬底进行材料制备；S20：在200℃
‑
700℃的温度下，在所述异质衬底上溅射化合物半导体材料，以得到第一晶圆；S30：对所述第一晶圆进行次数不少于两次的热处理，以得到热处理成品晶圆，其中，每次热处理的温度比前一次热处理的温度高，第一次热处理的温度高于溅射温度，最后一次热处理温度范围为1300℃
‑
1800℃；S40：在所述热处理成品晶圆上沉积化合物半导体材料，以制得半导体单晶材料。2.根据权利要求1所述的半导体单晶材料的制备方法，其特征在于，在步骤S20中，在所述异质衬底上溅射的化合物半导体材料的厚度范围控制在20nm
‑
1μm。3.根据权利要求1所述的半导体单晶材料的制备方法，其特征在于，在步骤S30中，热处理时采用的气氛为氮气或氩气。4.根据权利要求3所述的半导体单晶材料的制备方法，其特征在于，在步骤S30中，每次热处理的时间为0.5h
‑
3h。5.根据权利要求4所述的半导体单晶材料的制备方法，其特征在于，在步骤S30中，热处理的次数为四次，且每一次热处理的温度范围分别为400℃
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴华龙，何晨光，张康，赵维，贺龙飞，廖乾光，刘云洲，陈志涛，
申请(专利权)人：广东省科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：