CN103123948A - 低弯曲度硅基iii族氮化物外延片及生长方法 - Google Patents

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倪金玉
李忠辉
陈堂胜
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Abstract

本发明是低弯曲度硅基III族氮化物外延片及生长方法，结构包含硅衬底、氮化铝成核层、铝镓氮过渡层和III族氮化物层，其中氮化铝成核层位于硅衬底和铝镓氮过渡层间，铝镓氮过渡层位于氮化铝成核层和III族氮化物层间；铝镓氮过渡层含第一铝镓氮层和第二铝镓氮层，第一铝镓氮层的Al组分高于第二铝镓氮层的Al组分，第一铝镓氮层的厚度小于第二铝镓氮层的厚度，且满足条件：两层铝镓氮层的厚度和铝组分乘积的比例大小在0.8~1.2；III族氮化物层的Al组分低于第二层铝镓氮层的Al组分。优点：本发明生长的III族氮化物外延片弯曲度低，满足圆片级器件工艺要求。

Description

低弯曲度硅基III族氮化物外延片及生长方法
技术领域
本发明涉及一种低弯曲度硅基III族氮化物外延片及生长方法。属于半导体技术领域，
背景技术
III族氮化物半导体材料包括氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氮化铟（InN）及它们之间形成的三、四元合金（也就是AlGaN、InAlN、InGaN和AlInGaN）。以氮化镓材料为主的III族氮化物半导体材料具有相对宽的直接带隙、高的击穿电场强度、高的饱和电子漂移速度，以及可以形成高浓度高电子迁移率的二维电子气结构等优势，已经广泛地用于制备紫外、蓝、绿光发光二极管（LED）、激光器和微波功率晶体管。目前，氮化镓LED被视为新一代的高效高亮节能固态发光光源，其市场份额不断扩大，逐步替代传统照明和显示灯。基于氮化镓的大功率微波放大器和微波单片集成电路产品已经投入市场，与砷化镓和硅微波功率器件相比，氮化镓基器件具有更高输出功率密度和效率，能够大幅降低***的尺寸、重量和散热要求，为移动通信基站和雷达***的设计和使用提供了更多选择。
目前，氮化镓薄膜主要是通过异质外延的方法在蓝宝石和碳化硅衬底上生长的，其中基于氮化镓的大功率微波器件基本都是在碳化硅衬底上外延生长的。然而，碳化硅衬底价格高昂，尽管基于碳化硅衬底的氮化镓晶体管性能优良，但是其应用范围还是严重地受到成本的制约。蓝宝石衬底具有较大成本优势，其价格仅有不到碳化硅衬底的十分之一，但它也有一些性能缺陷，如导电性和导热性差，尺寸不大等。硅作为衬底材料，不仅具有质量高、导热性能好、切割容易等优点，而且其成本优势比蓝宝石衬底还要大。
近年来，越来越多的人投入到硅基氮化镓材料的研究当中，硅基氮化镓技术不断地取得突破，直径150mm（6英寸）甚至更大尺寸的硅衬底上生长出高质量氮化镓薄膜，基于硅基氮化镓材料的LED和功率电子器件进入了样品试制阶段。众所周知，硅与III族氮化物外延材料存在着非常严重的晶格失配和热失配，如（0001）面氮化镓与（111）面硅之间的热失配为54%，晶格失配为17%，在硅衬底上生长的III族氮化物外延薄膜因为应力大，很容易产生裂纹。因此，硅基III族氮化物外延材料的生长不仅包含氮化铝成核层，而且还要包含能够分担外延生长应力的中间层。像其他衬底上III族氮化物外延生长的情况一样，采用氮化铝作为成核层，首先生长在衬底表面，是为了促进III族氮化物源材料在衬底上凝结生长，给后续异质外延层的生长提供成核中心，并改善其质量。
人们发现在硅衬底上生长氮化镓时，如果只采用氮化铝成核层，很难生长出1μm厚的无裂纹氮化镓层，为此人们开发了诸多中间层生长技术，有效地解决了这一问题。这些中间层主要有氮化硅***层、氮化铝***层、氮化铝/氮化镓超晶格***层和铝镓氮过渡层。一般来说，过渡层材料选择铝镓氮，是因为其晶格常数和热膨胀系数介于氮化镓和氮化铝之间，可以起到过渡的作用。铝镓氮过渡层可以是一层铝镓氮材料，也可以由多层铝镓氮材料构成。在多层材料结构中，靠进硅衬底的铝镓氮层的铝组分要高于远离硅衬底的铝镓氮层。铝镓氮过渡层可以有效缓解氮化铝缓冲层和氮化镓层之间的晶格失配和热失配，并且给铝镓氮层上生长的氮化镓层引入一个压应力，防止氮化镓层发生张应变弛豫，产生裂纹。有关铝镓氮过渡层抑制薄膜产生裂纹，改善薄膜质量的研究报道较多，但是目前还没有开发出有效降低硅基III族氮化物外延片形变量的铝镓氮过渡层结构。在硅衬底上生长的III族氮化物薄膜通常处于强烈的应变状态，导致整个外延片发生严重形变，影响器件的制作。因此，降低外延片的形变量（如弯曲度和翘曲度），制造器件级III族氮化物外延片具有重要现实意义。
发明内容
本发明提出的是一种低弯曲度硅基III族氮化物外延片及生长方法，其目的是针对硅基III族氮化物外延片严重形变的问题，通过在氮化铝成核层和III族氮化物外延层之间采用两个厚度和组分合理配比的铝镓氮作为过渡层，使它们能均匀地承受氮化铝层和III族氮化物外延层之间因晶格失配和热失配而形成的外延生长应力，从而减小III族氮化物外延层中的生长张应力，降低硅基III族氮化物外延片的弯曲度。
本发明的技术解决方案：低弯曲度硅基III族氮化物外延片，其结构是包含硅衬底、氮化铝成核层、铝镓氮过渡层和III族氮化物层，其中氮化铝成核层位于硅衬底和铝镓氮过渡层之间，氮化铝成核层的作用是给异质外延层的生长提供成核中心，促进III族氮化物源材料在硅衬底上凝结生长，改善其质量；铝镓氮过渡层位于氮化铝成核层和III族氮化物层之间；铝镓氮过渡层包含首先生长的第一层铝镓氮层和其后生长的第二层铝镓氮层，第一铝镓氮层的Al组分高于第二铝镓氮层的Al组分，第一铝镓氮层的厚度小于第二铝镓氮层的厚度，并且满足条件：两层铝镓氮层的厚度和铝组分乘积的比例值在0.8~1.2；III族氮化物层的Al组分低于第二层铝镓氮层的Al组分。
低弯曲度硅基III族氮化物外延片的生长方法，包括如下工艺步骤，
1）采用直径76.2mm的111面单晶硅为衬底，将它置于金属有机物化学气相淀积MOCVD设备的反应室中；
2）在氢气气氛下加热硅衬底到1050oC，进行10min的热退火；
3）然后通入流速为86μmol/min的铝源，在硅衬底表面生长一层1~2nm厚的金属铝层；
4）将衬底温度降低到1030oC，通入流速为10L/min的氨气，生长150nm厚的氮化铝成核层，生长时间为30min；
5）再向反应室中通入流速为11μmol/min-110μmol/min的铝源和8μmol/min-40μmol/min的镓源，生长Al组分为50%-80%的第一铝镓氮过渡层，生长厚度为100nm-1200nm；
6）降低铝源的流速到8μmol/min-65μmol/min，同时增大镓源的流速到12-200μmol/min，生长Al组分为5%-45%的第二铝镓氮过渡层，生长厚度为200nm-2000nm；
7）停止向反应室通入铝源，并把通入镓源的流速增大到300μmol/min，氨气的流速增大到12L/min，生长厚度为1μm的氮化镓层，衬底温度为1000oC，生长时间为40min。
本发明具有如下优点：与现有铝镓氮过渡层技术相比，
1）下层铝镓氮层的铝组分高而上层铝镓氮层的铝组分低，在外延材料生长方向上，各层材料的晶格常数单调变化，有序过渡，使得在外延生长过程中，因晶格失配和热失配而形成的外延生长应力得到逐步有效的释放。不仅可以抑制外延薄膜形成裂纹，同时可以提高薄膜的晶体质量；
2）两层铝镓氮层的厚度和铝组分的乘积大约相等，能够均匀地承担了下层氮化铝成核层与上层III族氮化物外延层之间形成的生长应力，使III族氮化物外延层中的生长张应力得到控制，从而有效地降低硅基III族氮化物外延片的弯曲度。
附图说明
图1是本发明的含铝镓氮过渡层的III族氮化物外延片层结构示意图。
图中的1是外延片、2是硅衬底、3是成核层、4是铝镓氮过渡层、5是III族氮化物层、6是第一层铝镓氮层、7是第二层铝镓氮层。
具体实施方式
参照图1，硅基III族氮化物外延片1的结构包含硅衬底2、氮化铝成核层、铝镓氮过渡层和III族氮化物层，其中成核层3位于硅衬底2和铝镓氮过渡层之间，氮化铝成核层3的作用是给异质外延层的生长提供成核中心，促进III族氮化物源材料在硅衬底上凝结生长，改善其质量。铝镓氮过渡层4位于氮化铝成核层3和III族氮化物层5之间。铝镓氮过渡层4包含首先生长的第一层铝镓氮层6和其后生长的第二层铝镓氮层7。铝镓氮层6的Al组分Al6高于铝镓氮层7的Al组分Al7，第一层铝镓氮层6的厚度t6小于第二层铝镓氮层7的厚度t7，并且满足条件：0.8≤(Al6×t6)/(Al7×t7)≤1.2， III族氮化物层5的Al组分Al5低于第二层铝镓氮层7的Al组分Al7。这种铝镓氮过渡层结构4可以有效降低III族氮化物层5中的张应力，硅基III族氮化物外延片1的弯曲度。
实施例1
硅基III族氮化物外延片1的生长方法，以金属有机物化学气相淀积（MOCVD）方法为例，
1）采用直径76.2mm的111面单晶硅为衬底，将它置于金属有机物化学气相淀积MOCVD设备的反应室中；
2）在氢气气氛下加热硅衬底到1050oC，进行10min的热退火；
3）然后通入流速为86μmol/min的铝源，在硅衬底表面生长一层1nm厚的金属铝层；
4）将衬底温度降低到1030oC，通入流速为10L/min的氨气，生长150nm厚的氮化铝成核层，生长时间为30min；
5）向反应室中通入流速为110μmol/min的铝源和40μmol/min的镓源，生长Al组分为80%的第一铝镓氮过渡层，生长厚度为100nm；
6）降低铝源的流速到15μmol/min，同时增大镓源的流速到200μmol/min，生长Al组分为5%的第二铝镓氮过渡层，生长厚度为2000nm；
7）停止向反应室通入铝源，并把通入镓源的流速增大到300μmol/min，氨气的流速增大到12L/min，生长厚度为1μm的氮化镓层，衬底温度为1000oC，生长时间为40min。
两层铝镓氮层的厚度和铝组分乘积的比例值0.8。
实施例2
硅基III族氮化物外延片1的生长方法，以金属有机物化学气相淀积（MOCVD）方法为例，
1）采用直径76.2mm的111面单晶硅为衬底，将它置于金属有机物化学气相淀积MOCVD设备的反应室中；
2）在氢气气氛下加热硅衬底到1050oC，进行10min的热退火；
3）然后通入流速为86μmol/min的铝源，在硅衬底表面生长一层2nm厚的金属铝层；
4）将衬底温度降低到1030oC，通入流速为10L/min的氨气，生长150nm厚的氮化铝成核层，生长时间为30min；
5）向反应室中通入流速为65μmol/min的铝源和40μmol/min的镓源，生长Al组分为60%的第一铝镓氮过渡层，生长厚度为150nm；
6）保持铝源的流速65μmol/min，同时增大镓源的流速到60μmol/min，生长Al组分为45%的第二铝镓氮过渡层，生长厚度为200nm；
7）停止向反应室通入铝源，并把通入镓源的流速增大到300μmol/min，氨气的流速增大到12L/min，生长厚度为1μm的氮化镓层，衬底温度为1000oC，生长时间为40min。
两层铝镓氮层的厚度和铝组分乘积的比例值1。
实施例3
硅基III族氮化物外延片1的生长方法，以金属有机物化学气相淀积（MOCVD）方法为例，
1）采用直径76.2mm的111面单晶硅为衬底，将它置于金属有机物化学气相淀积MOCVD设备的反应室中；
2）在氢气气氛下加热硅衬底到1050oC，进行10min的热退火；
3）然后通入流速为86μmol/min的铝源，在硅衬底表面生长一层1.5nm厚的金属铝层；
4）将衬底温度降低到1030oC，通入流速为10L/min的氨气，生长150nm厚的氮化铝成核层，生长时间为30min；
5）向反应室中通入流速为11μmol/min的铝源和8μmol/min的镓源，生长Al组分为50%的第一铝镓氮过渡层，生长厚度为1200nm；
6）降低铝源的流速到8μmol/min，同时增大镓源的流速到12μmol/min，生长Al组分为40%的第二铝镓氮过渡层，生长厚度为1250nm；
7）停止向反应室通入铝源，并把通入镓源的流速增大到300μmol/min，氨气的流速增大到12L/min，生长厚度为1μm的氮化镓层，衬底温度为1000oC，生长时间为40min。
两层铝镓氮层的厚度和铝组分乘积的比例值1.2。
为了体现本发明的效果，生长了一片作对比的参考氮化镓外延片，参考材料中，除了两个铝镓氮过渡层的厚度与本发明不同之外，其他层结构和生长条件均与本发明实施例中的对应相同。参考材料中先生长的高Al组分（50%）铝镓氮过渡层和后生长的低Al组分（24%）铝镓氮过渡层的厚度均为400nm，不满足两层铝镓氮层的厚度和铝组分乘积的比例大小在0.8~1.2之间的条件。
通过按照本发明实施例2生长的硅衬底氮化镓外延片形变量的测量结果，和与之对比的外延片形变量的测量结果相比，按照本发明生长的材料的弯曲度仅为20μm，远低于参考氮化镓外延片的弯曲度66μm。同时，按照本发明生长的氮化镓外延片的弯曲度达到了圆片级器件工艺的要求。
III族氮化物外延层的晶格常数大于第二层铝镓氮过渡层的晶格常数。
对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.低弯曲度硅基III族氮化物外延片，其特征是包含硅衬底、氮化铝成核层、铝镓氮过渡层和III族氮化物层，其中氮化铝成核层位于硅衬底和铝镓氮过渡层之间，氮化铝成核层的作用是给异质外延层的生长提供成核中心，促进III族氮化物源材料在硅衬底上凝结生长，改善其质量；铝镓氮过渡层位于氮化铝成核层和III族氮化物层之间；铝镓氮过渡层包含首先生长的第一层铝镓氮层和其后生长的第二层铝镓氮层，第一铝镓氮层的Al组分高于第二铝镓氮层的Al组分，第一铝镓氮层的厚度小于第二铝镓氮层的厚度，并且满足条件：两层铝镓氮层的厚度和铝组分乘积的比例值在0.8~1.2；III族氮化物层的Al组分低于第二层铝镓氮层的Al组分。
2.如权利要求1的低弯曲度硅基III族氮化物外延片的生长方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤，
1）采用直径76.2mm的111面单晶硅为衬底，将它置于金属有机物化学气相淀积MOCVD设备的反应室中；
2）在氢气气氛下加热硅衬底到1050oC，进行10min的热退火；
3）然后通入流速为86μmol/min的铝源，在硅衬底表面生长一层1~2nm厚的金属铝层；
4）将衬底温度降低到1030oC，通入流速为10L/min的氨气，生长150nm厚的氮化铝成核层，生长时间为30min；
5）再向反应室中通入流速为11μmol/min-110μmol/min的铝源和8μmol/min-40μmol/min的镓源，生长Al组分为50%-80%的第一铝镓氮过渡层，生长厚度为100nm-1200nm；
6）降低铝源的流速到8μmol/min-65μmol/min，同时增大镓源的流速到12-200μmol/min，生长Al组分为5%-45%的第二铝镓氮过渡层，生长厚度为200nm-2000nm；
7）停止向反应室通入铝源，并把通入镓源的流速增大到300μmol/min，氨气的流速增大到12L/min，生长厚度为1μm的氮化镓层，衬底温度为1000oC，生长时间为40min。
3.根据权利要求2所述的低弯曲度硅基III族氮化物外延片的生长方法，其特征是所述的镓源是三甲基镓TMGa，所述的铝源是三甲基铝TMAl。
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