[发明专利]缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料生长技术领域，尤其涉及一种缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法。

背景技术

氮化镓作为第三代半导体，具有大禁带宽度(E_g＝3.39eV，300k)、高电子迁移率(实验值2×10⁷cm／s)、高热导率、耐高压、高温、抗腐蚀、抗辐射等优点，适合制作高频、高效、高压、大功率器件。氮化镓外延缺少同质衬底，目前较常用的衬底材料是蓝宝石、碳化硅和硅。蓝宝石衬底热导性差，并且基片尺寸难扩大；碳化硅衬底价格昂贵，难以降低器件成本。硅作为第一代半导体材料工艺成熟，可制备大尺寸外延衬底，导热性好，并且便于和硅基光电集成。

氮化镓材料与硅(111)衬底晶格失配高达16.9％，大失配外延在氮化镓薄膜中产生高密度位错。此外，氮化镓的热膨胀系数为5.59×10^-6K^-1，硅为3.59×10^-OK^-1，热失配达56％，在生长完毕的降温过程中，外延层将承受巨大的张应力，当氮化镓薄膜超过临界厚度将产生微裂纹。

在硅衬底上生长氮化镓薄膜主要致力于降低外延层中的应力消除裂纹以及降低薄膜中的位错密度，采取的方法有：氮化铝成核层和梯度铝组分的铝镓氮过渡层；氮化铝／氮化镓超晶格缓冲层；低温氮化铝插入层；硅衬底表面刻槽；采用S01衬底；衬底表面离子注入等。以上方法都各有优缺点，但大多工艺复杂，缓冲层生长消耗时间较多。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种工艺简单、易于实现的缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法。

(二)技术方案

本发明缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法包括：步骤A，于硅(111)衬底表面沉积金属铝层；步骤B，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，在金属铝层上沉积氮化铝成核层，其中，氨气与三甲基铝的摩尔比介于2000～5000之间，氮化铝成核层的沉积温度介于1000℃～1500；步骤C，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，在氮化铝成核层上沉积氮化铝过渡层，其中，氨气与三甲基铝的摩尔比介于1000～2000之间，氮化铝过渡层的沉积温度介于1000℃～1500℃之间；步骤D，向MOCVD反应室中通入的氨气与三甲基铝，在氮化铝过渡层上沉积氮化铝缓冲层，其中，氨气与三甲基铝的摩尔比介于1000～2000之间，氮化铝缓冲层的沉积温度介于550℃～850℃之间；以及，步骤E，在氮化铝缓冲层上沉积氮化镓薄膜。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法具有以下有益效果：

(1)通过调节氮化铝的生长条件，逐步降低各层氮化铝V／III比以及低温氮化铝来降低氮化镓外延层中的位错密度和张应力；

(2)通过变化氮化铝的生长条件，V／III比和生长温度达到多层氮化铝的目的，相对于单层氮化铝缓冲层，增加界面可以起到过滤位错的效果，由硅衬底到氮化镓外延层间逐层降低氮化铝的V／III比可有效的阻挡下层穿透位错进入氮化镓外延层；

(3)在高温氮化铝层和氮化镓外延层之间插入一低温氮化铝层有效的补偿降温过程中带来的张应力，实现无裂纹氮化镓薄膜，通过优化低温氮化铝的生长温度和厚度降低界面失配位错。

附图说明

图1为根据本发明实施例缓解MOCVD工艺中硅衬底与氮化镓薄膜间应力的方法的流程图；

图2为利用图1所示方法制备的氮化镓薄膜的剖面示意图；

图3为图2所示氮化镓薄膜的(002)XRD摇摆曲线测试图；

图4是图2所示氮化镓薄膜表面的显微镜照片。

【本发明主要元件符号说明】

1-硅衬底；            2-金属铝层；

3-氮化铝成核层；       4-氮化铝过渡层；

5-低温氮化铝缓冲层；   6-氮化镓层。

具体实施方式