[發(fā)明專利]一種用于HVPE生長(zhǎng)GaN單晶的復(fù)合籽晶模板及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410307391.1
• 申請(qǐng)日: 2014-06-30
• 公開（公告）號(hào): CN104078335B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王斌;于廣輝;趙智德;徐偉;隋妍萍;張燕輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): H01L21/205
• 分類號(hào): H01L21/205;C23C16/04
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 潘振甦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于氫化物氣相外延(HVPE)生長(zhǎng)GaN單晶的復(fù)合掩膜籽晶模板及制作方法，具體涉及復(fù)合掩膜的結(jié)構(gòu)、復(fù)合掩膜窗口區(qū)的刻蝕工藝，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料，是最重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料之一。它們特有的帶隙范圍、優(yōu)良的光、電學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的材料機(jī)械性質(zhì)使其在從藍(lán)綠到紫外波段的發(fā)光器件、紫外探測(cè)器、外空間和海底通訊、電子器件以及特殊條件下工作的半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

GaN器件的制備受制于外延襯底。通常，GaN基器件主要異質(zhì)外延在藍(lán)寶石、SiC等單晶襯底上，襯底與外延層之間大的晶格失配和熱失配，會(huì)在外延層內(nèi)產(chǎn)生很高的應(yīng)力和大量的位錯(cuò)，導(dǎo)致GaN基器件的性能下降。若使用同質(zhì)GaN襯底，則不會(huì)產(chǎn)生晶格失配和熱失配，從而降低位錯(cuò)密度可以顯著提高器件性能，延長(zhǎng)器件壽命。因此獲得高性能的GaN基器件的關(guān)鍵是獲得高質(zhì)量的GaN同質(zhì)外延襯底。

HVPE方法生長(zhǎng)GaN晶體具有較快的速率，是制備GaN/單晶模板復(fù)合襯底和GaN同質(zhì)襯底的主要方法。

在HVPE生長(zhǎng)GaN晶體的工藝中，通常使用圖形化的GaN/藍(lán)寶石作為HVPE生長(zhǎng)的籽晶模板。由于藍(lán)寶石和外延生長(zhǎng)的GaN晶體之間存在較大的熱失配，往往會(huì)導(dǎo)致GaN晶體中位錯(cuò)密度增加，故要生長(zhǎng)出高質(zhì)量低位錯(cuò)密度GaN晶體，就必須降低失配產(chǎn)生的應(yīng)力。Frank Lipski在不同尺寸的SiN_x模板上生長(zhǎng)出了2英寸GaN自支撐襯底，發(fā)現(xiàn)使用SiNx做掩膜材料有利于實(shí)現(xiàn)剝離。Hiroki Sone等人[Ch.Hennig,E.Richter,M.Weyers,G.Status Solidi A207,No.6,1287–1291(2010)/DOI10.1002/pssa.200983517]發(fā)現(xiàn)使用SiO₂做掩膜易導(dǎo)致GaN生長(zhǎng)初期應(yīng)力增加，他通過對(duì)SiO2表面蒸鍍鎢降低了GaN的缺陷。在模板上外延生長(zhǎng)GaN過程對(duì)其掩膜的制作提出了一定的要求：

首先，窗口區(qū)域不能殘留雜質(zhì)；

由于外延生長(zhǎng)對(duì)籽晶表面質(zhì)量要求較高，若窗口區(qū)有雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響外延生長(zhǎng)。在圖形化襯底的制作工藝中，掩膜材料的蒸鍍和刻蝕過程會(huì)在籽晶表面容易形成晶格損傷或污染，進(jìn)而影響后續(xù)的GaN外延生長(zhǎng)。因此在沉積和光刻過程中不能損傷籽晶層。

第二，掩膜表面不易沉積GaN，掩膜層與GaN外延層不易粘連；

在GaN晶體HVPE生長(zhǎng)過程中，要選擇GaN不易成核的材料做掩膜，否則外延生長(zhǎng)時(shí)GaN在掩膜層上成核生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生多晶、嵌晶結(jié)構(gòu)，影響GaN外延層的質(zhì)量。

掩膜層和外延層粘連，會(huì)造成外延層破裂或者GaN晶體自剝離困難。

因此，要獲得高質(zhì)量完整GaN晶體必選擇合適的掩膜材料。

第三，掩膜材料在高溫下要保持穩(wěn)定。

掩膜材料在HVPE的生長(zhǎng)氣氛中及高溫條件下分解速率較低，分解產(chǎn)物不能影響GaN外延層的生長(zhǎng)。

由此可見，圖形化掩膜制備工藝是HVPE生長(zhǎng)GaN的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，獲得良好工藝性能的圖形化襯底對(duì)制備GaN復(fù)合襯底或GaN自剝離GaN襯底尤為重要。因而引導(dǎo)出本發(fā)明的構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于HVPE生長(zhǎng)GaN晶體的復(fù)合掩膜圖形化籽晶模板及方法，具體包括復(fù)合掩膜的結(jié)構(gòu)和制作以及圖形化襯底上復(fù)合掩膜窗口區(qū)的刻蝕工藝兩個(gè)方面。

A.復(fù)合掩膜模板的結(jié)構(gòu)及制作

在HVPE生長(zhǎng)GaN的工藝中，常用的圖形化掩膜材料通常有SiO₂、SiN_x、TiN、Ti、W、Mo等材料。然而，單獨(dú)使用上述掩膜材料在HVPE生長(zhǎng)GaN晶體時(shí)都會(huì)存在一些問題，如：使用SiO₂掩膜表面易沉積GaN，使用SiN_x做掩膜不容易獲得潔凈的籽晶窗口，使用TiN形成規(guī)則圖形比較困難，使用Mo、W等金屬會(huì)影響窗口區(qū)域的外延生長(zhǎng)。針對(duì)上述問題，本發(fā)明使用復(fù)合掩膜結(jié)構(gòu)，其特征如下：