AlN薄膜的制备方法及半导体元件技术

本申请公开了一种AlN薄膜的制备方法及半导体元件。AlN薄膜的制备方法包括对衬底热处理、t0温度预通三甲基铝(TMAl)处理、t1恒温生长AlN buffer1缓冲层、t2恒温生长AlN buffer2缓冲层、t3恒温生长AlN buffer3缓冲层以及t4恒温生长AlN层，其中，t1>t0、t2<t1、t3>t1、t4>t3。本申请能够解决由于AlN晶格常数和衬底晶格常数差异较大导致的晶格失配，以及热膨胀系数差异导致的热失配问题，有助于提高AlN层的表面平整度、降低裂纹的产生。降低裂纹的产生。降低裂纹的产生。

【技术实现步骤摘要】
AlN薄膜的制备方法及半导体元件


[0001]本申请涉及半导体
，尤其涉及一种AlN薄膜的制备方法及半导体元件。

技术介绍

[0002]氮化铝(AlN)是一种重要的第三代半导体材料，其应用和发展颇受关注。在III
‑
V族化合物半导体材料中，AlN具有最宽的禁带宽度(6.2eV)，其发光波长达到深紫外波段，可广泛应用于紫外发光二极管、紫外激光器和紫外探测器等元件中。同时，AlN具有热稳定性好、热导率高、抗辐射和酸碱能力强、击穿电场高、介质击穿强度高、电子饱和速率高等诸多优良性能，使得其在机械、光学、高功率微波射频器件、高效功率电子器件、表面声波器件制造和高频带宽通信等领域有着广阔的应用前景。
[0003]金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)具有生长过程中厚度和成分精确可控，生长的单晶薄膜质量高的优点，而且适用于大尺寸生长和能够满足大规模生产需求，是研究和生产AlN薄膜的主要设备。目前制备AlN薄膜的衬底主要有蓝宝石、SiC和Si。与蓝宝石和SiC衬底相比，Si衬底因其导热导电性能好、价格低廉、易于和微电子集成、容易大尺寸生长、以及工业化成熟等优势广受关注。但在Si衬底上制备高质量AlN单晶薄膜仍面临诸多困难：Si衬底与AlN的晶格失配和热失配很大，导致高位错密度和产生裂纹；Si衬底中Si原子的扩散和外延层中Ga原子的扩散导致晶体质量变差和界面粗糙；Al原子在生长表面的迁移率非常低，AlN一般倾向于三维岛状生长，导致AlN薄膜表面粗糙和晶体质量较差。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供一种AlN薄膜的制备方法及半导体元件，能够解决在衬底表面生长AlN层质量较差的问题。
[0005]第一方面，本申请提供了一种AlN薄膜的制备方法，包括：
[0006]对所述衬底进行热处理；
[0007]对所述热处理后的所述衬底进行预通TMAl处理；
[0008]所述预通TMAl处理结束后，在所述衬底表面生长AlN buffer1缓冲层；
[0009]在所述AlN buffer1缓冲层表面生长AlN buffer2缓冲层；
[0010]在所述AlN buffer2缓冲层表面生长AlN buffer3缓冲层；
[0011]在所述AlN buffer3缓冲层表面生长AlN层；
[0012]其中，所述预通TMAl处理的温度为t0；
[0013]生长所述AlN buffer1缓冲层包括第一恒温生长阶段，所述第一恒温生长阶段的生长温度为t1，t1>t0；
[0014]生长所述AlN buffer2缓冲层包括第二恒温生长阶段，所述第二恒温生长阶段的生长温度为t2，t2<t1；
[0015]生长所述AlN buffer3缓冲层包括第三恒温生长阶段，所述第三恒温生长阶段的生长温度为t3，t3>t1；
[0016]生长所述AlN层包括第四恒温生长阶段，所述第四恒温生长阶段的生长温度为t4，t4>t3。
[0017]当温度较低时，生长的AlN晶体表面较为粗糙，本申请通过设置AlN buffer1缓冲层连接衬底，AlN buffer3缓冲层连接AlN层，AlN buffer2缓冲层为连接于AlN buffer1缓冲层和AlN buffer3缓冲层之间的过渡层，采用这种多缓冲层技术能够有助于调节衬底和AlN之间的晶格失配和热失配，提高AlN的表面和晶体质量。
[0018]在一些示例性的实施例中，
△
T1＝t1
‑
t0，
△
t1的范围为大于等于20℃且小于等于50℃。
[0019]在
△
T1的范围内，有助于提高AlN buffer1缓冲层和衬底连接处的界面稳定。优选的，
△
T1的范围为20
‑
30℃。
[0020]在一些示例性的实施例中，
△
T2＝t1
‑
t2，
△
T2的范围为大于等于20℃且小于等于50℃。
[0021]在
△
T2的范围内，使生长的AlN buffer2缓冲层获得合适的粗糙度，进而使AlN buffer2缓冲层能够有效调节AlN buffer1缓冲层和AlN buffer3缓冲层之间的应力，进而缓冲衬底和AlN层之间的应力。优选的，
△
T2的范围为20
‑
30℃。
[0022]在一些示例性的实施例中，
△
T3＝t3
‑
t1，
△
T3的范围为大于等于20℃且小于等于50℃。
[0023]在
△
T3的范围内，使生成的AlN buffer3缓冲层的晶体质量较好，且AlN buffer3缓冲层表面质量也较好。优选的，
△
T3的范围为20
‑
30℃。
[0024]在一些示例性的实施例中，
△
T4＝t4
‑
t3，
△
T4的范围为大于等于20℃且小于等于50℃。
[0025]在
△
T4的范围内，进一步升温，使生成的AlN层的晶体质量、界面平整度更好。优选的，
△
T4的范围为30
‑
40℃。
[0026]在一些示例性的实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底、SiC衬底和Si衬底；较佳地，所述衬底为硅衬底。硅衬底具有良好的导热导电性能、价格低廉、易于和微电子集成、容易大尺寸生长以及工业化成熟等优势。
[0027]在衬底表面依次生长AlN buffer1缓冲层、AlN buffer2缓冲层、AlN buffer3缓冲层和AlN层的过程中，可将衬底置于生长反应室的载料盘内，并控制载料盘旋转，进而带动衬底旋转，提高各层结构的生长效率。例如，载料盘为石墨盘等。
[0028]在一些示例性的实施例中，对所述衬底进行热处理包括依次对所述衬底进行第一阶段热处理和第二阶段热处理，所述第一阶段热处理控制所述生长反应室内温度范围为1150℃～1250℃，所述第二阶段热处理控制所述生长反应室内的温度范围为1050℃～1150℃。
[0029]其中，第一阶段热处理能够较快的去除衬底表面的氧化层，第二阶段热处理能够较为缓慢地去除衬底表面剩余的氧化层，防止损伤衬底，能够提高衬底与AlN buffer1缓冲层连接处的界面稳定性。
[0030]在一些示例性的实施例中，所述第一阶段热处理工艺还包括：在第一载气氛围热处理硅衬底，所述第一载气氛包括氢气，氢气的流量为200L/min～250L/min。在1150℃～1250℃的温度范围下，能够在第一阶段热处理中有效提高除去衬底表面氧化层的效率。同
时，控制处理时间为1min～2min，防止氢气与衬底过渡反应，对衬底造成侵蚀。
[0031]第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AlN薄膜的制备方法，其特征在于，包括：对衬底进行热处理；对所述热处理后的所述衬底进行预通TMAl处理；所述预通TMAl处理结束后，在所述衬底表面生长AlN buffer1缓冲层；在所述AlN buffer1缓冲层表面生长AlN buffer2缓冲层；在所述AlN buffer2缓冲层表面生长AlN buffer3缓冲层；在所述AlN buffer3缓冲层表面生长AlN层；其中，所述预通TMAl处理的温度为t0；生长所述AlN buffer1缓冲层包括第一恒温生长阶段，所述第一恒温生长阶段的生长温度为t1，t1>t0；生长所述AlN buffer2缓冲层包括第二恒温生长阶段，所述第二恒温生长阶段的生长温度为t2，t2<t1；生长所述AlN buffer3缓冲层包括第三恒温生长阶段，所述第三恒温生长阶段的生长温度为t3，t3>t1；生长所述AlN层包括第四恒温生长阶段，所述第四恒温生长阶段的生长温度为t4，t4>t3。2.根据权利要求1所述的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，
△
T1＝t1
‑
t0，
△
T1的范围为大于等于20℃且小于等于50℃；
△
T2＝t1
‑
t2，
△
T2的范围为大于等于20℃且小于等于50℃；
△
T3＝t3
‑
t1，
△
T3的范围为大于等于20℃且小于等于50℃；
△
T4＝t4
‑
t3，
△
T4的范围为大于等于20℃且小于等于50℃。3.根据权利要求1所述的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，生长所述AlN buffer1缓冲层包括：所述预通TMAl处理结束后进行第一调温生长阶段，经所述第一调温生长阶段后进行所述第一恒温生长阶段；所述第一调温生长阶段的时间为s1，s1满足0.5min≤s1≤1min；生长所述AlN buffer2缓冲层包括：生长所述AlN buffer1缓冲层结束后进行第二调温生长阶段，经所述第二调温生长阶段后进行所述第二恒温生长阶段；所述第二调温生长阶段的时间为s2，s2满足0.5min≤s2≤1min；生长所述AlN buffer3缓冲层包括：生长所述AlN buffer2缓冲层结束后进行第三调温生长阶段，经所述第三调温生长阶段后进行所述第三恒温生长阶段；所述第三调温生长阶段的时间为s3，s3满足0.5min≤s3≤1min；生长所述AlN层包括：生长所述AlN buffer3缓冲层结束后进行第四调温生长阶段，经所述第四调温生长阶段后进行所述第四恒温生长阶段；所述第四调温生长阶段的时间为s4，s4满足0.5min≤s4≤1min。4.根据权利要求1所述的AlN薄膜的制备方法，其特征在于，对所述衬底进行热处理包括依次对所述衬底进行第一阶段热处理和第二阶段热处理；所述第一阶段热处理工艺包括：在第一载气氛围热处理硅衬底，所述第一载气氛围包括氢气，氢气的流量为200L/min～250L/min，处理时间为1min～2min，处理温度范围为1150℃～1250℃；
所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢国军，沈波，张立胜，杨学林，杨鑫，
申请(专利权)人：北京中博芯半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：