專利名稱：在硅襯底上生長(zhǎng)無裂紋Ⅲ族氮化物薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種硅(Si)襯底上生長(zhǎng)無裂紋III族氮化物薄膜的方法背景技術(shù)III族氮化物半導(dǎo)體由于在顯示、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高速大功率電子器件、紫外探測(cè)器等領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景，因此是非常有前途的材料。
然而，由于缺乏合適的襯底，人們很難得到高質(zhì)量的氮化鎵(GaN)薄膜。目前大多數(shù)的GaN薄膜都是在藍(lán)寶石(0001)上得到的，但是藍(lán)寶石仍然有許多缺點(diǎn)，諸如絕緣、難得到大尺寸、非常堅(jiān)硬等。由于硅具有廉價(jià)、大尺寸，電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性好以及有光電子器件集成的潛在前景，人們進(jìn)行了大量的努力未嘗試使用硅作為襯底生長(zhǎng)加GaN，從而克服上述的藍(lán)寶石的一些缺點(diǎn)。
但是，與藍(lán)寶石相比，硅(Si)與GaN之間存在著更大的晶格失配(20％)和熱失配(56％)，因此在Si上生長(zhǎng)GaN非常困難。在過去的十年里，各種緩沖層如3C-SiC，AlN，GaAs，AlAs，Si3N4，γ-Al2O3等都被用作GaN外延層與Si之間的中間層進(jìn)行過嘗試。由于AlN在Si襯底上有較好的浸潤(rùn)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與其它緩沖層相比，AlN緩沖層可以較好的解決Si基GaN生長(zhǎng)的困難。
通過采用AlN作為緩沖層，Si基生長(zhǎng)的GaN薄膜的晶體質(zhì)量與在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN薄膜的晶體質(zhì)量已經(jīng)可以接近了。目前，Si基III族氮化物的發(fā)光二極管，光探測(cè)器，場(chǎng)效應(yīng)管均已制作出。但是由于Si和GaN的熱膨脹系數(shù)不同而造成的熱失配高達(dá)56％，因此在生長(zhǎng)結(jié)束后的降溫過程中，GaN薄膜中存在很大的熱應(yīng)力，并且由于是張應(yīng)力因而造成GaN薄膜出現(xiàn)很多裂紋。這些裂紋嚴(yán)重影響了器件的性能和外延片的成品率。
日前世界上許多小組都在努力研究如何減少Si基GaN中的應(yīng)力，消除引基GaN中的裂紋。主要有以下幾種方法，這幾種方法均有各自不同的優(yōu)優(yōu)缺點(diǎn)。
(1)選擇區(qū)域外延法(SAG)，這種方法在Si襯底上利用光刻技術(shù)形成有圖形的介質(zhì)掩蔽膜，利用GaN在介質(zhì)掩膜與襯底上的生長(zhǎng)的選擇性，把GaN外延層生長(zhǎng)限制在沒有介質(zhì)掩膜的窗口區(qū)域中。由于此時(shí)每個(gè)分立的窗口中的GaN薄膜的面積非常小，雖有應(yīng)力存在但是并不產(chǎn)生裂紋。這種方法生長(zhǎng)的GaN晶體質(zhì)量和發(fā)光特性均有較大提高，但是提高了生產(chǎn)成本，并且在每個(gè)窗口區(qū)的邊緣的GaN薄膜的厚度容易不均勻，因而影響器件的性能。
(2)采用低溫AlN插入層。在GaN外延膜中插入一層約有幾十nm厚的低溫AlN層，通過這一層可以釋放一部分由于熱失配造成的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)無裂紋的GaN薄膜。但是這種方法的缺點(diǎn)是，有插入AlN的GaN外延膜的晶體質(zhì)量總是要比沒有插入AlN的外延膜的晶體質(zhì)量要略差一些，這是由于在低溫AlN與上層的GaN層之間又引入了新的缺陷的緣故，這些缺陷將會(huì)使得器件的性能下降。
(3)采用梯度漸變的AlGaN層。由于AlN的品格常數(shù)(0.3113nm)小于GaN的晶格常數(shù)(0.3189nm)，因此在AlGaN層上生長(zhǎng)的GaN中呈壓應(yīng)力，此壓應(yīng)力將抵消一部分在溫度下降的過程中產(chǎn)生的張應(yīng)力，從而減少GaN外延膜中的裂紋。但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用AlGaN剃度漸變層將導(dǎo)致大量的位錯(cuò)密度，這些位錯(cuò)將會(huì)進(jìn)一步影響上層GaN的晶體質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在Si襯底上生長(zhǎng)無裂紋III族氮化物薄膜的方法，這種方法簡(jiǎn)便易行，不會(huì)增加成本，能夠有效的減少GaN薄膜中的應(yīng)力，從而消除GaN薄膜的裂紋，并且還能大大提高GaN外延層的晶體質(zhì)量。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用了以下的方法來生長(zhǎng)緩沖層。
本發(fā)明一種在硅襯底上生長(zhǎng)無裂紋III族氮化物薄膜的方法，其特征在于，采用了以下的方法來生長(zhǎng)緩沖層，包括如下步驟(A)首先在硅襯底表面形成一層薄的液態(tài)鋁層，該液態(tài)鋁層的主要作用是阻止無定形的氮化硅層的形成；(B)然后生長(zhǎng)一層高溫氮化鋁緩沖層，該氮化鋁緩沖層中鋁的含量大于氮的含量。
其中所述的生長(zhǎng)的高溫氮化鋁緩沖層的溫度為1050-1120度之間。
其中所述的氮化鋁緩沖層中鋁的含量大于氮的含量，其化學(xué)配比為2-3∶1。
其中所述的氮化鋁緩沖層的厚度為20-50nm。
其中三族氮化物薄膜的種類是氮化鎵，鋁鎵氮，銦鎵氮，鋁銦鎵氮等薄膜材料或者是它們組合形成的結(jié)構(gòu)材料。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1是本發(fā)明在Si基生長(zhǎng)無裂紋的GaN外延膜的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1為Si襯底，2為超薄的液態(tài)Al層，3為富Al的AlN緩沖層，4為GaN外延層；圖2是用普通AlN緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延膜的表面(圖a)與用本發(fā)明方法的富Al的AlN緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延膜的表面(圖b)的對(duì)比，這兩個(gè)樣品的GaN外延膜的厚度均為1微米；圖3是用普通AlN緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延膜與用本發(fā)明方法的富Al的AlN緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延膜的GaN(0002)X射線搖擺曲線半寬的比較。
具體實(shí)施例方式
我們以用金屬有機(jī)物氣相沉積方法為例。
(1)首先在高溫1080℃通入大流量的TMA1，由于Al的熔點(diǎn)為660℃，因此在Si襯底1表面將形成一層很薄的液態(tài)Al層2；(2)通入NH3，并且保持溫度和TMA1的流量不變。通常生長(zhǎng)高溫AlN緩沖層3時(shí)的V/III比在3000～9000之間，而我們由于采用了大流量的TMA1，V/III比大大減少為450，因而這層AlN層中的鋁的含量大于氮的含量，其化學(xué)配比為2.4∶1，這層高溫AlN層厚度約為30nm。
一般來說生長(zhǎng)普通緩沖層時(shí)沒有Al化的過程，或者時(shí)間非常短，加之TMA1的流量小，因此不能很好的形成薄的液態(tài)Al層2；(3)生長(zhǎng)一定厚度的三族氮化物的外延膜4。薄膜的種類可以是氮化鎵，鋁鎵氮，銦鎵氮，鋁銦鎵氮等薄膜材料或者是它們組合形成的結(jié)構(gòu)材料。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比所具有的有意義的效果與其他的生長(zhǎng)無裂紋GaN外延膜的技術(shù)相比，采用富Al緩沖層的方法具有簡(jiǎn)單方便，不增加生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)采用富Al緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延膜的晶體質(zhì)量還有大幅度的提高。這是與其他的方法相比最難能可貴的一點(diǎn)，而其他的生長(zhǎng)方法往往是以犧牲一定的晶體質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)無裂紋的。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最好方式1.實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的主要設(shè)備半導(dǎo)體薄膜制備設(shè)備，主要指金屬有機(jī)物氣相外延系統(tǒng)，分子束外延系統(tǒng)離子濺射，真空淀積等；2.對(duì)于不同的半導(dǎo)體薄膜制備系統(tǒng)，各種生長(zhǎng)參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體情況來進(jìn)行調(diào)整。
實(shí)施例我們以用金屬有機(jī)物氣相沉積方法為例。
(1)以Si(111)晶片作為襯底；(2)首先在高溫1080℃通入人流量的TMA1，時(shí)間為3分鐘，由于Al的熔點(diǎn)為660℃，因此在Si襯底表面將形成一層很薄的液態(tài)Al層；(2)通入NH3，并且保持溫度和TMA1的流量不變，時(shí)間為3分鐘。此時(shí)V/III比為450，這層高溫AlN層厚度約為30nm；(3)在富Al緩沖層的基礎(chǔ)上繼續(xù)生長(zhǎng)1微米厚的GaN外延膜。
對(duì)比用這兩種緩沖層生長(zhǎng)的1微米厚的GaN外延層的表面可以看到(附圖2)，用普通的緩沖層生長(zhǎng)的GaN層表面在10微米的觀察范圍內(nèi)就發(fā)現(xiàn)有許多裂紋，微裂密度可以達(dá)到1×103cm-1(定義單位面積的微裂線長(zhǎng)度為微裂密度)，而采用富Al的緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延膜表面非常平整，在100微米的觀察范圍內(nèi)都很少能找到裂紋。用X射線雙品衍射對(duì)GaN外延膜的晶體質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，對(duì)GaN(0002)衍射峰進(jìn)行ω掃描，用富Al緩沖層生長(zhǎng)的GaN的GaN(0002)的搖擺曲線的半寬明顯小于在普通AlN緩沖層上生長(zhǎng)的GaN的半寬(附圖3)，因此用富Al緩沖層生長(zhǎng)的GaN的晶體質(zhì)量要比用普通緩沖層生長(zhǎng)的GaN的晶體質(zhì)量好得多。
實(shí)驗(yàn)機(jī)理說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)富Al的緩沖層的晶體質(zhì)量并不如普通的AlN緩沖層的晶體質(zhì)量好，但是富Al的緩沖層中Al的含量是普通的AlN緩沖層的兩倍，其中一部分形成AlN晶體，而另一部分并沒有形成晶體，而是以非晶的形態(tài)存在。在生長(zhǎng)GaN外延層的過程中，這部分沒有完全形成化合物的Al原子將擴(kuò)散至GaN外延層中，使得GaN外延層的下部實(shí)際成為了含一定Al濃度并且濃度梯度漸變的AlGaN層。由于GaN的品格常數(shù)小于AlN的品格常數(shù)，因此底部的AlGaN層對(duì)其上部的GaN外延層產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，而此壓應(yīng)力在溫度下將時(shí)將會(huì)抵消一部由于熱失配而產(chǎn)生的張應(yīng)力，從而減少外延膜中總的應(yīng)力，從而減少裂紋。同時(shí)富Al的緩沖層由于晶體質(zhì)量要比普通AlN緩沖層差，含有更多偏離化學(xué)配比的Al，因此緩沖層的柔性增加，這在一定程度上也可以釋放一部分應(yīng)力。
該方法簡(jiǎn)單易行，并不增加成本，但從對(duì)應(yīng)力釋放的機(jī)制來看，并不是簡(jiǎn)單的變化V/III比，而是一個(gè)突變，所采用的TMA1的濃度是普通緩沖層的13倍。從應(yīng)力釋放的機(jī)制來看，不僅僅依靠具有更大柔性的緩；中層來釋放應(yīng)力，而且利用富Al緩沖層中的Al原子擴(kuò)散至外延層中的特點(diǎn)，通過Al擴(kuò)散形成AlGaN層所產(chǎn)生的壓應(yīng)力來緩解一部分GaN外延層中的張應(yīng)力的方法未實(shí)現(xiàn)無裂紋的GaN的生長(zhǎng)，通過此方法，至少可以得到1微米厚的無裂紋GaN外延薄膜。
另外值得一提是，這種方法生長(zhǎng)的GaN的晶體質(zhì)量大大優(yōu)于普通緩沖層的生長(zhǎng)的GaN的晶體質(zhì)量。在GaN生長(zhǎng)初期，GaN將在AlN晶粒上成核形成三維的小島，在這些小島合并的時(shí)候由于島和島之間晶向的偏差，往往會(huì)產(chǎn)生各種位錯(cuò)，因此AlN的成核密度與GaN外延層中的位錯(cuò)密度有著非常密切的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于富Al緩沖層的成核密度要小于普通的緩沖層的戍核密度，這很有可能就是在富AlN的緩沖層上生長(zhǎng)的GaN的晶體質(zhì)量?jī)?yōu)于普通緩沖層的原因。
權(quán)利要求
1.一種在硅襯底上生長(zhǎng)無裂紋III族氮化物薄膜的方法，其特征在于，采用了以下的方法來生長(zhǎng)緩沖層，包括如下步驟(A)首先在硅襯底表面形成一層薄的液態(tài)鋁層，該液態(tài)鋁層的主要作用是阻止無定形的氮化硅層的形成；(B)然后生長(zhǎng)一層高溫氮化鋁緩沖層，該氮化鋁緩沖層中鋁的含量大于氮的含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上生長(zhǎng)無裂紋III族氮化物薄膜的方法，其特征在于，其中所述的生長(zhǎng)的高溫氮化鋁緩沖層的溫度為1050-1120度之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上生長(zhǎng)無裂紋III族氮化物薄膜的方法，其特征在于，其中所述的氮化鋁緩沖層中鋁的含量大于氮的含量，其化學(xué)配比為2-3∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅基上生長(zhǎng)無裂紋三族氮化物薄膜的方法，其特征在于，其中所述的氮化鋁緩沖層的厚度為20-50nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上生長(zhǎng)無裂紋III族氮化物薄膜的方法，其特征在于，其中三族氮化物薄膜的種類是氮化鎵，鋁鎵氮，銦鎵氮，鋁銦鎵氮等薄膜材料或者是它們組合形成的結(jié)構(gòu)材料。
全文摘要
一種在硅襯底上生長(zhǎng)無裂紋III族氮化物薄膜的方法，其特征在于，采用了以下的方法來生長(zhǎng)緩沖層，包括如下步驟(A)首先在硅襯底表面形成一層薄的液態(tài)鋁層，該液態(tài)鋁層的主要作用是阻止無定形的氮化硅層的形成；(B)然后生長(zhǎng)一層高溫氮化鋁緩沖層，該氮化鋁緩沖層中鋁的含量大于氮的含量。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1652299SQ200410004028
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2004年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月4日
發(fā)明者陸沅, 劉祥林, 陸大成, 王曉暉, 王占國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所