[發明專利]一種制備高質量硅基氮化鋁模板的方法

有效

• 申請號: 202010583920.6
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111809154B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 吳亮;付丹揚;王琦琨;朱如忠;龔建超;劉歡
• 申請（專利權）人: 奧趨光電技術（杭州）有限公司
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06;C23C14/16;C23C14/02;C23C14/58
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 王健

本發明公開了一種制備高質量硅基氮化鋁模板的方法，要解決的是硅基緩沖層的表面質量與結晶質量較差影響外延氮化鋁層質量的問題。本發明制備高質量硅基氮化鋁模板具體步驟為：1)準備硅單晶襯底；2)基于所述硅單晶襯底生長初始緩沖層；3)通過離子轟擊降低所述初始緩沖層的表面粗糙度；4)對離子轟擊后的緩沖層進行熱處理；5)基于熱處理后的緩沖層生長氮化鋁薄膜。本發明基于上述流程進行了大量試驗，檢測結果表明氮化鋁層的結晶質量、粗糙度等性能得到了大幅提升，模板質量均勻性高，可用于大批量高品質硅基氮化鋁模板的制備與下游器件應用。

技術領域

本發明涉及氮化鋁薄膜技術領域，具體涉及一種制備高質量硅基氮化鋁模板的方法。

背景技術

傳統硅基等半導體材料已經無法滿足當前電子器件的發展要求。氮化鋁(AlN)作為第三代/第四代半導體材料的典型代表，具有超寬禁帶、高熱導率、高擊穿場強、高電子遷移率、耐腐蝕、耐輻射等優越物理化學性能。此外，它還具有III-V族氮化物中最大的壓電響應，有可能達到較高的機電耦合系數。AlN薄膜在垂直于c軸的方向具有很高的聲波傳輸速度(約6000-8000m/s),而且AlN的傳輸損耗相對較低，這些特點使得該薄膜材料適用于超高頻和微波器件。

對于微波頻段的SAW器件，基片一般采用“AlN/Diamond”結構，這樣的結構要求金剛石為高彈性模量的納米金剛石，成本較高；對于超高頻段的SAW/BAW器件，基片可以采用“A1N/Si”結構，成本低且更有利于和集成電路工藝兼容。這些特性使得這種材料非常適合應用于表面聲波(SAW)器件、體聲波(BAW)器件、MEMS濾波器、絕緣層和光學傳感器等。

現有的關于AlN薄膜的制備技術包括磁控濺射法(Sputter)、金屬有機化合物氣相外延法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、氫化物氣相外延法(HVPE)、原子層沉積法(ALD)、脈沖激光沉積法(PLD)等薄膜技術。在各種AlN薄膜制備技術中，磁控反應濺射法適用于大面積快速生長，有利于實現產業化生產。但是為了使AlN薄膜真正實現大規模廣泛應用，還必須提高氮化鋁模板質量。

目前Si襯底制備高質量AlN模板面臨諸多挑戰：(1)Si與AlN的晶格失配和熱失配很大，這將使高溫生長的AlN薄膜中有大量殘余應力，導致高密度缺陷和裂紋；(2)AlN在Si襯底上的初期形核層結晶質量和表面質量很差，對于后續的濺射過程產生極其不利的影響。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提出了薄膜生長過程中在Si襯底上設置緩沖層的方法，并通過離子轟擊和熱處理兩種技術對緩沖層進行優化，以提高結晶質量，降低表面粗糙度，同時能夠釋放應力，從而減小晶格失配及熱失配帶來的不利影響。

為實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

一種制備高質量硅基氮化鋁模板的方法，包括如下步驟：

1)準備硅單晶襯底；

2)基于所述硅單晶襯底生長初始緩沖層；

3)通過離子轟擊降低所述初始緩沖層的表面粗糙度；

4)對離子轟擊后的緩沖層進行熱處理；

5)基于熱處理后的緩沖層生長氮化鋁薄膜。

作為可選實施方案，步驟2)中所述初始緩沖層包括但不限于金屬薄膜、化合物半導體薄膜或III族氮化物半導體薄膜材料。

作為可選實施方案，步驟2)中所述初始緩沖層的制備技術包括但不限于磁控濺射法(Sputter)、金屬有機化合物氣相外延法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、氫化物氣相外延法(HVPE)、原子層沉積法(ALD)、脈沖激光沉積法(PLD)中的一種或幾種的疊加。

作為優選實施方案，步驟3)中所述離子轟擊的條件如下：氬氣流量為10-500sccm，功率為5-50W，偏壓為10-800V，轟擊時長為0.1-5min。