專利名稱：一種半導體器件用氮化鎵外延的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體材料及器件領(lǐng)域，特別是涉及ー種基于硅襯底的異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延制備寬帶隙半導體氮化鎵外延的方法。
背景技術(shù)：
當前出現(xiàn)的一系列的新興產(chǎn)業(yè)或產(chǎn)品一 “新能源”、“高鉄”、“電動汽車”、“智能電網(wǎng)”、“LED”、“4G”等等無一例外地依賴于半導體材料、器件和模塊的應用。而傳統(tǒng)硅器件及模塊如硅、神化鎵等，其性能已接近由材料特性所決定的理論極限，已不能滿足當前電カ電子/射頻電子/光電子日益增長的高頻、高功率、高能效等需求。寬帶隙半導體氮化鎵外延及器件的制備是電力電子/射頻電子/光電子行業(yè)發(fā)展的大勢所趨。而目前常見在圖形襯底上生長氮化鎵外延材料的方法，如在藍寶石基板上制作規(guī)則的圖形化處理-PSS (Patterned Sapphire Substrate),及ICP刻蝕等過程來制備。但是由于光刻機條件及生產(chǎn)成本的限制，藍寶石襯底的圖形的最小尺寸一般在微米級，如果要在藍寶石襯底上獲得納米級特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案，則需要用昂貴且耗時的電子束光刻方法，這將大大提高氮化鎵材料、器件及模塊的成本。硅襯底作為藍寶石襯底的替代產(chǎn)品，具有成本低、襯底面積大、エ藝兼容等一系列優(yōu)點，但由于硅襯底與氮化鎵外延之間存在較大的晶格失配和熱失配，氮化鎵外延制備過程中，失配位錯的形成、位錯密度過高也是亟待解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明g在提供一種在硅襯底上基于異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延制備氮化鎵外延的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中硅襯底上氮化鎵外延位錯密度高的問題，可有效抑制失配位錯的形成、降低位錯密度。本發(fā)明的一種半導體器件用氮化鎵外延的制備方法，包括以下步驟:
步驟1:制備通孔納米級掩模，采用納米微結(jié)構(gòu)制備技術(shù)及陽極氧化法形成大面積有序納米多孔氧化鋁，并將其制備成通孔納米級掩摸。步驟2:利用氣相沉積方法(PECVD)在(111)硅襯底表面沉積ー層ニ氧化硅薄膜。步驟3:通過表面覆蓋材料，將制備的納米級微結(jié)構(gòu)傳遞到ニ氧化硅表面作為刻蝕的掩摸。步驟4:利用干法刻蝕技術(shù)將掩模的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到ニ氧化硅薄膜中，然后將掩
膜清除。步驟5:利用化學氣相沉積進行硅外延納米線的生長。步驟6:將樣品放入氟化氫(HF)中刻蝕后取出以露出硅外延納米線的頭部。步驟7:將樣品放入化學氣相沉積爐中通入碳源氣體進行碳化，使得硅外延納米線形成碳化娃。步驟8:將樣品置于低壓金屬有機物氣相外延生長技術(shù)設(shè)備(MOCVD)中，進行異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延生長氮化鎵。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:通過納米側(cè)向外延有利于三維應カ釋放，采用納米晶柱陣列襯底可以在不形成失配位錯的條件下釋放其上生長的外延薄膜晶體中的失配應變，有效地抑制其中失配位錯的形成，獲得高質(zhì)量的外延薄膜晶體，從而不僅制備出具有低缺陷密度的高質(zhì)量的氮化鎵材料，而且降低了氮化鎵材料、器件及模塊的成本，實現(xiàn)氮化鎵外延的產(chǎn)業(yè)制備。


圖1是本發(fā)明中的異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延的制備氮化鎵外延流程圖。圖2是本發(fā)明中的納米掩膜的制備流程圖。圖3是本發(fā)明中的納米級掩模微結(jié)構(gòu)示意圖。其中:101是(111)硅襯底；102是ニ氧化硅薄膜；103是硅；104是碳化硅；105是氮化鎵；201是鋁片；202是氧化鋁；203是覆蓋材料；204是襯底。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進ー步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明較佳實施例，異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延制備氮化鎵外延流程步驟如圖1所示:
步驟1:制備通孔納米級掩模，采用納米微結(jié)構(gòu)制備技術(shù)及新型陽極氧化法形成大面積有序納米多孔氧化鋁，并將其制備成通孔納米級掩摸。步驟2:利用氣相沉積方法(PECVD)在(111)硅襯底101表面沉積ー層ニ氧化硅薄膜 102。步驟3:通過表面覆蓋材料203 (覆蓋材料可采用PMMA材料)，將制備的納米級微結(jié)構(gòu)傳遞到ニ氧化硅表面作為刻蝕的掩模。步驟4:利用干法刻蝕技術(shù)將掩模的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到ニ氧化硅薄膜102中，然后將
掩膜清除。步驟5:利用化學氣相沉積進行硅103外延納米線的生長。步驟6:將樣品放入氟化氫(HF)中刻蝕后取出以露出硅外延納米線的頭部。步驟7:將樣品放入化學氣相沉積爐中通入碳源氣體進行碳化，使得硅外延納米線形成碳化娃104。步驟8:將樣品置于低壓金屬有機物氣相外延生長技術(shù)設(shè)備(MOCVD)中，進行異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延生長氮化鎵105。并且納米側(cè)向生長時，采用三甲基鎵和高純氨分別作為Ga源和N源，襯底為(111)硅片，在高溫下外延生長氮化鎵105。硅襯底是各種制備氮化稼外延的襯底中最便宜的材料，其尺寸可達直徑12英寸；此外，由于與硅CMOS技術(shù)エ藝 兼容，硅襯底在制造氮化鎵器件上也具有優(yōu)勢。因此，硅襯底上的氮化鎵外延的制備，是氮化鎵材料、器件產(chǎn)業(yè)化上的重要一歩。而采用本發(fā)明所敘述的基于納米掩膜及異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向生長制備氮化鎵外延層的方法，可以解決減少位錯密度和消除裂縫等技術(shù)難題，實現(xiàn)氮化鎵外延的產(chǎn)業(yè)制備。因此，較佳實施例中采用了(111)硅襯底本發(fā)明中如無特別說明，所述硅襯底的晶面均為SEMI標準硅(111)。
本發(fā)明中納米掩膜的制備較為關(guān)鍵，其流程如圖2所示。使用鋁片201為原始材料，首先通過在酸性溶液中陽極氧化，迅速獲得氧化鋁202的納米級微結(jié)構(gòu)，其次通過表面覆蓋材料203 (覆蓋材料可采用PMMA材料)轉(zhuǎn)移到生長ニ氧化硅的襯底20包括但不限于(111)硅襯底101上作為刻蝕的掩模。獲得的納米級掩模為直徑80nm高度有序多孔結(jié)構(gòu)，其微結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。本發(fā)明利用納米掩膜和異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延生長的方法，可以在硅襯底上獲得大面積有序的多孔結(jié)構(gòu)，低成本聞效率地進行氣化嫁外延生長，進而大幅提聞氣化嫁外延層的品質(zhì)并有效的控制成本。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含 這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導體器件用氮化鎵外延的制備方法，其特征在干，采用異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延制備氮化鎵外延，并包括以下步驟: 步驟1:制備通孔納米級掩模，采用納米微結(jié)構(gòu)制備技術(shù)及陽極氧化法形成大面積有序納米多孔氧化鋁，并將其制備成通孔納米級掩模； 步驟2:利用氣相沉積方法(PECVD)在(111)硅襯底表面沉積ー層ニ氧化硅薄膜； 步驟3:通過表面覆蓋材料，將制備的納米級微結(jié)構(gòu)傳遞到ニ氧化硅表面作為刻蝕的掩模； 步驟4:利用干法刻蝕技術(shù)將掩模的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到ニ氧化硅薄膜中，然后將掩膜清除； 步驟5:利用化學氣相沉積進行硅外延納米線的生長； 步驟6:將樣品放入氟化氫(HF)中刻蝕后取出以露出硅外延納米線的頭部； 步驟7:將樣品放入化學氣相沉積爐中通入碳源氣體進行碳化，使得硅外延納米線形成碳化娃； 步驟8:將樣品置于低壓金屬有機物氣相外延生長技術(shù)設(shè)備(MOCVD)中，進行異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延生長氮化鎵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體器件用氮化鎵外延的制備方法，其特征在于:所述的步驟8中納米側(cè)向生長采用三甲基鎵和高純氨分別作為Ga源和N源，襯底為(111)硅片，在高溫下生長氮化鎵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體器件用氮化鎵外延的制備方法，其特征在于:所述的有序的納米級微結(jié)構(gòu)可達到直徑80nm高度有序多孔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體器件用氮化鎵外延的制備方法，其特征在于:所述的步驟I中包括的通孔納米級掩模的制備流程是:使用鋁片為原始材料，首先通過在酸性溶液中陽極氧化，迅速獲得氧化鋁的納米級微結(jié)構(gòu)，其次通過表面覆蓋材料轉(zhuǎn)移到生長ニ氧化硅的襯底上作為刻蝕的掩模。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的半導體器件用氮化鎵外延的制備方法，其特征在于:所述的覆蓋材料可選用PMMA材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體材料及器件領(lǐng)域，特別是涉及一種基于硅襯底的異質(zhì)結(jié)納米側(cè)向外延制備寬帶隙半導體氮化鎵外延的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中硅襯底上氮化鎵外延位錯密度高的問題。其主要步驟包括制備成通孔納米級掩模通過覆蓋材料轉(zhuǎn)移到生長二氧化硅的襯底上，進一步通過刻蝕形成有序的納米級微結(jié)構(gòu)；在二氧化硅的納米孔洞中進行硅外延納米線的生長，刻蝕后在二氧化硅表面露出硅納米線的頭部，經(jīng)碳化形成碳化硅，繼而側(cè)向生長，形成氮化鎵外延層。
文檔編號H01L33/32GK103094078SQ20131001127
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月13日
發(fā)明者況維維, 唐治, 陳中, 李濤 申請人:況維維, 唐治, 陳中, 李濤