[發明專利]一種硅襯底上外延含Ga氮化物薄膜的疊層掩模方法和外延生長方法

在審

• 申請號: 201910706402.6
• 申請日: 2019-08-01
• 公開（公告）號: CN112309841A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 張曉蓉;鄭燁琳;馮筱;陳明蘭
• 申請（專利權）人: 北京颶芯科技有限公司
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理有限公司 11200
• 代理人: 邱曉鋒

本發明涉及一種硅襯底上外延含Ga氮化物薄膜的疊層掩模方法和外延生長方法。該疊層掩模方法將三維疊層掩模的底層窗口的寬度變窄，使得所述底層窗口露出的用于成核的硅襯底的橫向尺寸接近于含Ga氮化物最初形成的原子島的尺寸。優選地，所述底層窗口的寬度為10～50nm。本發明減少了Si襯底上外延含Ga氮化物薄膜需要AlN預制層的工藝步驟，從而節省了時間，提高了生產效率，提高了產品良率，降低了生產成本。本發明的高質量材料生長技術在含Ga氮化物產業具有重要的應用價值。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，具體涉及一種硅襯底上外延含Ga氮化物薄膜的疊層掩模方法和外延生長方法。

背景技術

目前的含Ga氮化物(如GaN、AlGaN、InGaN等)材料的生長技術中，在Si晶圓上外延含Ga氮化物是常用的方法之一，因為Si襯底具有質量高，導熱性相對較好，成本低廉，尺寸大等諸多優點。但是該技術也有一些缺點：1、由于晶格失配度較大，外延生長的含Ga氮化物晶體中缺陷較多。2、由于晶格失配應力和熱失配應力都很大，并且Si襯底易碎，使得在Si上外延的含Ga氮化物薄膜生長到一定厚度就容易扭曲出現裂紋或者碎裂。3、由于含Ga氮化物中的Ga原子容易和Si原子結合形成合金，形成所謂的回融效應，導致含Ga氮化物成核質量差，成核不均勻，影響后續生長的晶體質量。

為了克服上述缺點和問題，人們采用了多種有效的技術來改進。針對回融效應，一種普遍采用的有效方法是生長AlN層來隔離Ga原子和Si原子。以GaN為例，針對于晶格失陪較大的問題，常用的方式是生長AlGaN組分的漸變層，從而釋放晶格失配應力。另外，一些研究證明，采用圖形化襯底，也可以很好的釋放應力。最有效的圖形襯底是三維疊層掩模襯底，比如中國專利CN102492986B中公開的三維疊層掩模襯底結構。

但是即便使用三維疊層掩模襯底，仍然不可回避的遇到Ga原子與Si原子的回融問題。因此，常見做法是先在Si的平面襯底上沉積好一層約5～150nm厚的AlN層，然后再做疊層掩模工藝，做好疊層掩模之后，再放入MOCVD中進行外延生長GaN。這樣一來，應力得到了有效的釋放，同時疊層掩模襯底在鉆出溝道的過程中又湮滅了大量的原生位錯缺陷，使得外延得到的GaN薄膜晶體質量有了巨大的提升。

現有技術的缺點如下：

(1)針對上面所述的在Si襯底上生長高質量含Ga氮化物的最優技術，即先預生長一層AlN，再做疊層掩模工藝，然后使用MOCVD技術外延的方法，雖然效果不錯，但是工藝步驟較多，需要兩次生長過程，相對比較復雜。

(2)由于有兩次生長過程，整體效率不高，耗時較長，所以綜合成本較高。

發明內容

本發明的一個重要目的就是減少含Ga氮化物材料生長的工藝步驟，縮短制備時間，從而降低綜合成本。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種硅襯底上外延含Ga氮化物薄膜的疊層掩模方法，包括以下步驟：

將三維疊層掩模的底層窗口的寬度變窄，使得所述底層窗口露出的用于成核的硅襯底的橫向尺寸接近于含Ga氮化物最初形成的原子島的尺寸。

進一步地，所述底層窗口的寬度為10～50nm。

一種三維疊層掩模襯底結構，其包括硅襯底，所述硅襯底上設有三維疊層掩模，所述三維疊層掩模的底層窗口的寬度，使得所述底層窗口露出的用于成核的硅襯底的橫向尺寸接近于含Ga氮化物最初形成的原子島的尺寸。

進一步地，所述底層窗口的寬度為10～50nm。

進一步地，所述三維疊層掩模包括底層掩模層、頂層掩模層；所述底層掩模層設有周期性分布的窗口，即所述底層窗口；所述頂層掩模層的窗口與所述底層掩模層的窗口的圖形相同，窗口的位置相互錯開；所述頂層掩模層通過介質層與所述底層掩模層連接。