本发明专利技术涉及半导体工艺技术领域，公开了一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法。该低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，是在具备图形化溅射AlN成核层的微盘阵列掩膜图形化蓝宝石衬底的底层窗口的溅射AlN成核层上选择性生长III族氮化物晶粒，待晶粒合并生长表面后转为常规外延生长。其有益效果是：该方法能够极大地降低一次外延生长III族氮化物缓冲层中的线位错密度，因而对提高各类III族氮化物器件性能起到至关重要的基础性作用。
1、由于自身独特的材料特性，gan体单晶生长极为困难，工业界缺乏质优价廉的gan衬底用于iii族氮化物的同质外延。因此，在蓝宝石、硅、碳化硅等衬底上进行c面（（0001）晶面）异质外延仍是各类iii族氮化物器件量产的主流，其中以蓝宝石衬底异质外延的晶体质量和综合成本最优，预计这种局面在未来相当长时期内也难得到改变。
2、众所周知，iii族氮化物异质外延普遍存在大晶格失配和热失配问题，必须依次生长成核层和缓冲层后才可继续生长器件结构层。即使运用上述应变工程措施，生长获得的外延层中仍然存在高密度的线位错（~1010-11/cm2量级），这些缺陷会对器件性能和可靠性造成非常不利的影响。因此，如何提高外延晶体质量一直是iii族氮化物器件研究领域的基础性问题之一。在成核层-缓冲层生长阶段对线位错的产生和运动演化加以有效控制，自然成为提高iii族氮化物外延层晶体质量的突破关键点。近三十年来，围绕改善缓冲层晶体质量，研究人员尝试从成核层优化、图形化衬底外延生长两大方向入手，提出了诸多具体方法和思路。其中最行之有效的方案是将图形化蓝宝石衬底和反应磁控溅射aln成核层相结合，大量生产实践表明该方案可将缓冲层中的线位错密度降至~107/cm2量级。 相比技术发展早期，现阶段iii族氮化物外延层的晶体质量虽已大幅改善，但仍与其它主流半导体材料差距甚远，这一技术现状严重制约了iii族氮化物材料优势的发挥，也极大地阻碍了各类高性能器件的发展。
>3、从技术发展现状和趋势的来看，由于尚未出现明显优于反应磁控溅射aln成核层的成熟新方法，进一步优化成核层工艺减少线位错面临发展瓶颈。而当前运用图形化衬底的一次外延生长，实质都是借助图形化衬底实现两种线位错减少方法，即减少成核层面积、偏转线位错，而另一种线位错减少方法，遮断线位错并未得到实现。因此，在一次外延生长中引入能够实现上述三种线位错减少方法的图形化蓝宝石衬底，并将其与成熟的溅射aln成核层技术相结合，是下一步显著提升iii族氮化物缓冲层晶体质量的可行技术路线。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种低线位错密度iii族氮化物缓冲层制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种低线位错密度iii族氮化物缓冲层制备方法，包括以下步骤：1) 在具备图形化溅射aln成核层的微盘阵列掩膜图形化蓝宝石衬底的底层窗口的溅射aln成核层上选择性生长iii族氮化物晶粒，选取适合生长参数使晶粒具有{11-2n}倾斜晶面以及(0001)平行晶面，保持生长参数直至相邻悬空微盘掩膜单元的晶粒在单元交界处，即衬底掩膜层外侧边缘，完成第一次合并；晶粒合并处的底部存有微小空隙，合并表面为处于顶层窗口内的（0001）晶面；
4、2)在顶层窗口内的第一次合并表面上选择性生长iii族氮化物晶粒，选取增强纵向生长的适合生长参数使晶粒具有倾斜{11-22}晶面，保持生长参数直至钻出顶层窗口的晶粒具有相交的倾斜{11-22}晶面；
5、3)侧向增大钻出顶层窗口的iii族氮化物晶粒，选取增强侧向生长的适合生长参数使晶粒具有{11-2n}倾斜晶面以及(0001)平行晶面，保持生长参数直至钻出顶层窗口的晶粒沿微盘掩膜层中心法线发生第二次合并，合并表面为平整连续的（0001）晶面；
6、4)选取常规的(0001)晶面生长参数在第二次合并生长表面上继续生长iii族氮化物缓冲层的剩余部分。
7、进一步，所述采用微盘阵列掩膜图形化蓝宝石衬底，在c面蓝宝石衬底表面设有微盘掩膜单元构成的阵列，每个微盘掩膜单元是一种三维掩膜微结构，自上而下，由微盘掩膜层、支撑掩膜层、以及围绕支撑掩膜层并被微盘掩膜层部分遮挡的衬底掩膜层三部分构成，微盘掩膜单元之间无缝衔接，衬底表面未被支撑掩膜层和衬底掩膜层覆盖区域为底层窗口，即初始生长窗口，微盘掩膜层之间的空隙为顶层窗口。
8、进一步地，所述微盘掩膜层、支撑掩膜层表面与衬底表面严格平行。
9、进一步地，所述微盘掩膜层厚度为300-500 nm。
10、进一步地，所述支撑掩膜层厚度为300-500 nm。
11、进一步地，所述衬底掩膜层厚度为50-100 nm。
12、进一步地，所述微盘掩膜层，自上而下，其材料构成为衬底掩膜层材料、si3n4。
13、进一步地，所述支撑掩膜层的材料构成为sio2。
14、进一步地，所述衬底掩膜层的材料构成可为单一材料如si3n4、sio2、tin等；也可为上述两种或三种材料层叠而成。
15、进一步地，所述微盘掩膜层在衬底表面的投影边缘为正六边形，其边平行于iii族氮化物<1-100>晶向。
16、进一步地，所述微盘掩膜层在衬底表面的投影边缘与支撑掩膜层边缘具有同一中心点，相互存在缩放变换关系。
17、进一步地，所述衬底掩膜层内侧边缘与支撑掩膜层边缘具有同一中心点，相互存在缩放变换关系；衬底掩膜层的外侧边缘为正六边形，其边平行于iii族氮化物<1-100>晶向。
18、进一步地，所述微盘掩膜层中心到边缘最短距离d1为2-5μm。
19、进一步地，所述支撑掩膜层边缘相对于微盘掩膜层投影边缘的缩进距离d2为1.5-2.5 μm。
20、进一步地，所述衬底掩膜层内侧边缘处在微盘掩膜层投影边缘之内；衬底掩膜层内侧边缘相对于支撑掩膜层边缘的外扩距离d3为0.75-1.5 μm。
21、进一步地，所述衬底掩膜层图形的外侧边缘处在微盘掩膜层投影边缘之外；衬底掩膜层外侧边缘与微盘掩膜层投影边缘之间最短距离d4为0.75-1.5 μm。
22、进一步地，所述微盘掩膜单元在衬底表面上阵列排布，以微盘掩膜层投影中心点为阵列格点，任意两个最近邻格点连线都与iii族氮化物<1-100>晶向垂直。
23、进一步，所述底层窗口的溅射aln成核层的方法，包括以下步骤：
24、1） 大掠角入射反应磁控溅射aln；衬底放置在行星运动托盘上；金属al靶材面与衬底托盘面夹角θ为70-80°；
25、2） 在沉积aln后的微盘阵列掩膜图形化蓝宝石衬底表面旋涂正性光刻胶；
26、3） 干法蚀刻正性光刻胶，将顶层窗口区域以及微盘掩膜层上的正性光刻胶去除；
27、4） 湿法蚀刻aln，将衬底掩膜层上未被正性光刻胶覆盖区域的aln去除；
28、5） 继续湿法侧向蚀刻aln，将衬底掩膜层上剩余的aln去除；
29、6） 去除正性光刻胶。
30、进一步地，所述金属al靶材前设置有准直管。
31、进一步地，所述沉积aln所需温度为500℃-700℃。
32、与现有技术相比，本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘阵列掩膜图形化蓝宝石衬底，在c面蓝宝石衬底表面设有微盘掩膜单元构成的阵列，每个微盘掩膜单元是一种三维掩膜微结构，自上而下，由微盘掩膜层、支撑掩膜层、以及围绕支撑掩膜层并被微盘掩膜层部分遮挡的衬底掩膜层三部分构成，微盘掩膜单元之间无缝衔接，衬底表面未被支撑掩膜层和衬底掩膜层覆盖区域为底层窗口，即初始生长窗口，微盘掩膜层之间的空隙为顶层窗口。
3.根据权利要求2所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘掩膜层、支撑掩膜层表面与衬底表面严格平行，微盘掩膜层厚度为300-500nm，支撑掩膜层厚度为300-500 nm，衬底掩膜层厚度为50-100 nm。
4.根据权利要求2所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘掩膜层，自上而下，其材料构成为衬底掩膜层材料、Si3N4，支撑掩膜层的材料构成为SiO2，衬底掩膜层的材料构成可为单一材料如Si3N4、SiO2、TiN等；也可为上述两种、三种材料层叠而成。
5.根据权利要求2所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘掩膜层在衬底表面的投影边缘为正六边形，其边平行于III族氮化物<1-100>晶向，微盘掩膜层在衬底表面的投影边缘与支撑掩膜层边缘具有同一中心点，相互存在缩放变换关系，微盘掩膜层中心到边缘最短距离D1为2-5μm，支撑掩膜层边缘相对于微盘掩膜层投影边缘的缩进距离D2为1.5 -2.5 μm。
6.根据权利要求2所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述衬底掩膜层内侧边缘与支撑掩膜层边缘具有同一中心点，相互存在缩放变换关系；衬底掩膜层的外侧边缘为正六边形，其边平行于III族氮化物<1-100>晶向。
7.根据权利要求2所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述衬底掩膜层内侧边缘处在微盘掩膜层投影边缘之内；衬底掩膜层内侧边缘相对于支撑掩膜层边缘的外扩距离D3为0.75-1.5 μm，衬底掩膜层图形的外侧边缘处在微盘掩膜层投影边缘之外；衬底掩膜层外侧边缘与微盘掩膜层投影边缘之间最短距离D4为0.75-1.5μm。
8.根据权利要求2所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘掩膜单元在衬底表面上阵列排布，以微盘掩膜层投影中心点为阵列格点，任意两个最近邻格点连线都与III族氮化物<1-100>晶向垂直。
9.根据权利要求1所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述底层窗口的溅射AlN成核层的方法，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种低线位错密度III族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述金属Al靶材前设置有准直管，沉积AlN所需温度为500℃-700℃。
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【技术特征摘要】
1.一种低线位错密度iii族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种低线位错密度iii族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘阵列掩膜图形化蓝宝石衬底，在c面蓝宝石衬底表面设有微盘掩膜单元构成的阵列，每个微盘掩膜单元是一种三维掩膜微结构，自上而下，由微盘掩膜层、支撑掩膜层、以及围绕支撑掩膜层并被微盘掩膜层部分遮挡的衬底掩膜层三部分构成，微盘掩膜单元之间无缝衔接，衬底表面未被支撑掩膜层和衬底掩膜层覆盖区域为底层窗口，即初始生长窗口，微盘掩膜层之间的空隙为顶层窗口。
3.根据权利要求2所述的一种低线位错密度iii族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘掩膜层、支撑掩膜层表面与衬底表面严格平行，微盘掩膜层厚度为300-500nm，支撑掩膜层厚度为300-500 nm，衬底掩膜层厚度为50-100 nm。
4.根据权利要求2所述的一种低线位错密度iii族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘掩膜层，自上而下，其材料构成为衬底掩膜层材料、si3n4，支撑掩膜层的材料构成为sio2，衬底掩膜层的材料构成可为单一材料如si3n4、sio2、tin等；也可为上述两种、三种材料层叠而成。
5.根据权利要求2所述的一种低线位错密度iii族氮化物缓冲层制备方法，其特征在于，所述微盘掩膜层在衬底表面的投影边缘为正六边形，其边平行于iii族氮化物<1-100>晶向，微盘掩膜层在衬底表面的投影边缘与支撑掩膜层边缘具有同一中心...
【专利技术属性】
技术研发人员：李睿，
申请(专利权)人：李睿，
类型：发明
国别省市：
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