一種利用低熔點(diǎn)金屬消除外延層生長熱失配的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用低熔點(diǎn)金屬消除外延層生長熱失配的方法：通過在襯底表面沉積一層低熔點(diǎn)金屬，利用其在高溫下的熔融性質(zhì)來消除襯底層和外延層由于熱膨脹系數(shù)不同而形成的熱應(yīng)力；為了成功進(jìn)行異質(zhì)外延，還需要在金屬表面覆蓋掩膜層，并且通過刻蝕露出生長窗口；調(diào)節(jié)生長參數(shù)，實(shí)現(xiàn)窗口區(qū)到掩膜區(qū)的橫向外延。該方法能夠利用金屬熔化后的流動性質(zhì)來消除外延層和襯底層界面間熱應(yīng)力，達(dá)到改善外延層質(zhì)量，保證其不會龜裂。
【專利說明】一種利用低熔點(diǎn)金屬消除外延層生長熱失配的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料生長【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用低熔點(diǎn)金屬消除外延層生長熱失配的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]薄膜生長技術(shù)是制備半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，常見的生長方式有分子束外延(MBE)、磁控濺射(SD)、脈沖激光沉積(PLD)以及化學(xué)氣相沉積(CVD)等。其中金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)是化學(xué)反應(yīng)制備薄膜的一種，其具有生長速度快、污染小的特點(diǎn)，能夠用于工業(yè)化生產(chǎn)。薄膜外延所選擇的襯底的晶格結(jié)構(gòu)以及熱學(xué)特性對薄膜的生長過程和質(zhì)量具有重大影響，通常最理想的襯底是使用同質(zhì)襯底，然而從實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和器件的復(fù)雜性考慮，異質(zhì)外延是必需的。然而晶格失配和熱失配限制了異質(zhì)襯底的選擇范圍，如果能夠有效緩解和降低失配的產(chǎn)生，那么不僅僅可以擴(kuò)大異質(zhì)外延的范圍，而且能夠提高晶體的生長質(zhì)量。
[0003]傳統(tǒng)上解決熱失配的方法有:生長一層緩沖層，阻止熱應(yīng)變向上擴(kuò)展到外延層，但是緩沖層的選擇范圍和對熱失配的降低程度有限；選區(qū)外延通過降低接觸面積而減少應(yīng)變能的積累，但是不能形成大面積器件結(jié)構(gòu)；橫向外延形成空隙使應(yīng)變能釋放，但是對生長過程的控制程度要求很高，控制較為復(fù)雜；襯底開槽或者做結(jié)構(gòu)上的處理，可以使應(yīng)變能在襯底中積累從而減少外延層的應(yīng)變能，但是降低程度是有限的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效降低熱失配而且適用范圍廣的方法。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種一種消除外延層生長熱失配的方法，其特征在于，該方法包括:
[0008]步驟1、在襯底表面沉積一層低熔點(diǎn)金屬層；
[0009]步驟2、對所述低熔點(diǎn)金屬層進(jìn)行去氧化處理，并襯底一掩膜層；
[0010]步驟3、根據(jù)預(yù)定的周期和占空比對所述掩膜層進(jìn)行光刻和顯影，并刻蝕形成生長窗口 ；
[0011]步驟4、在所述生長窗口區(qū)外延生長半導(dǎo)體材料。
[0012](三)有益效果
[0013]從上述方案中，可以看出本發(fā)明具有以下有益效果:
[0014]1、利用本發(fā)明，能夠消除生長溫度到金屬熔點(diǎn)范圍內(nèi)的熱應(yīng)力，保證薄膜的質(zhì)量不會受到熱應(yīng)力的影響。
[0015]2、利用本發(fā)明，可以通過橫向外延形成大面積薄膜。
[0016]3、利用本發(fā)明，在保證晶格匹配的條件下，能夠大大擴(kuò)展異質(zhì)外延襯底的選擇范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中利用低熔點(diǎn)金屬消除外延層生長熱失配的方法流程圖。
[0018]圖2是本發(fā)明中異質(zhì)外延襯底結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0020]圖1示出了本發(fā)明一實(shí)施例中提出的利用低熔點(diǎn)金屬消除外延層生長熱失配的方法流程圖。如圖1所示，其包括:
[0021]步驟1、在襯底表面沉積一層低熔點(diǎn)金屬層；
[0022]步驟2、對所述低熔點(diǎn)金屬層進(jìn)行去氧化處理，并襯底一掩膜層；
[0023]步驟3、根據(jù)預(yù)定的周期和占空比對所述掩膜層進(jìn)行光刻和顯影，并刻蝕形成生長窗口 ；
[0024]步驟4、在所述生長窗口區(qū)外延生長半導(dǎo)體材料。
[0025]可選地，所述沉積低熔點(diǎn)金屬層是在真空環(huán)境下進(jìn)行的。
[0026]可選地，本發(fā)明中所述低熔點(diǎn)金屬可以是鋁；所述掩膜層選用表面能較小的材料，
如二氧化硅或氮化硅等。
[0027]可選地，所述預(yù)定的生長窗口的周期和占空比可根據(jù)有利于窗口區(qū)外延材料的長出以及其后的橫向外延成膜而預(yù)先設(shè)定。其中，占空比指的是生長窗口和生長窗口間空間的面積比，通常占空比越大越有利于橫向外延合并，但是占空比越大通常越有較多的位錯密度，所以需要在二者之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。
[0028]可選地，步驟3中，當(dāng)形成生長窗口后，可以去除生長窗口中的金屬，也可以保留金屬。如果去除了金屬，則可以調(diào)節(jié)相應(yīng)的生長參數(shù)進(jìn)行氣相條件下的直接外延生長，等到材料生長出生長窗口區(qū)外再改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)橫向外延；如果保留有金屬，則可以利用氣相一液相一固相(VLS)模式來外延材料，當(dāng)長出生長窗口區(qū)后再進(jìn)行橫向外延。
[0029]本發(fā)明中高溫橫向外延完成后，在降溫過程中，由于金屬處于熔融態(tài)，襯底和外延層做自由熱伸縮，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而不會在外延層中積累應(yīng)變能而導(dǎo)致外延層質(zhì)量的退化。
[0030]可選地，步驟I之前，所述方法還包括:
[0031]在襯底上生長一層緩沖層，以實(shí)現(xiàn)襯底和外延層的勁歌匹配。
[0032]本發(fā)明另一實(shí)施例中，選擇石英玻璃作為襯底外延GaN結(jié)構(gòu)，所述方法包括:
[0033]步驟1、由于玻璃和GaN晶格結(jié)構(gòu)不匹配，故先利用磁控濺射沉積一層AlN緩沖層。在AlN緩沖層表面沉積一層低熔點(diǎn)的金屬，熔點(diǎn)越接近室溫其對熱失配的消除范圍越大?？梢酝ㄟ^電子束蒸鍍的方法在高真空條件下沉積，要求金屬表面平整而且氧化微弱或無氧化。
[0034]步驟2、在對金屬表面進(jìn)行去氧化處理后，沉積一定厚度的掩膜層，掩膜材料選擇無定型且表面能較低的氧化硅或者氮化硅，沉積在較高真空度下進(jìn)行以防止表面玷污。
[0035]步驟3、對掩膜進(jìn)行光刻，周期和占空比的選擇應(yīng)該有利于窗口區(qū)外延材料的長出以及其后的橫向外延成膜。
[0036]步驟4、掩膜經(jīng)過光刻和顯影處理后，通過ICP刻蝕去除窗口區(qū)掩膜層，通過酸腐蝕的方法去除窗口區(qū)的金屬，使得窗口區(qū)的襯底層露出以便于外延材料生長。最終結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0037]步驟5、利用金屬化合物氣相外延(MOCVD)方法生長半導(dǎo)體材料。開始需要調(diào)節(jié)參數(shù)利于材料縱向生長，當(dāng)材料長出窗口區(qū)后再調(diào)節(jié)參數(shù)以增大橫向生長速度而使其合并成膜。
[0038]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種消除外延層生長熱失配的方法，其特征在于，該方法包括: 步驟1、在襯底表面沉積一層低熔點(diǎn)金屬層； 步驟2、對所述低熔點(diǎn)金屬層進(jìn)行去氧化處理，并襯底一掩膜層； 步驟3、根據(jù)預(yù)定的周期和占空比對所述掩膜層進(jìn)行光刻和顯影，并刻蝕形成生長窗Π ； 步驟4、在所述生長窗口區(qū)外延生長半導(dǎo)體材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述沉積低熔點(diǎn)金屬層是在真空環(huán)境下進(jìn)行的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述低熔點(diǎn)金屬為鋁。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述掩膜層選用二氧化硅或氮化硅材料。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述步驟3中，還去除所述生長窗口中的金屬層。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟4中，調(diào)節(jié)生長參數(shù)，并在氣相條件下在生長窗口中直接外延生長半導(dǎo)體材料，并在材料生長出所述生長窗口后，改變生長參數(shù)，進(jìn)行橫向外延生長。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟3中，保留所述生長窗口中的金屬層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，步驟4中，利用氣相-液相-固相模式在生長窗口中外延生長半導(dǎo)體材料，并且在材料長出所述生長窗口后，腐蝕掉金屬層后再進(jìn)行橫向外延生長。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟I之前還包括: 在襯底上生長一層緩沖層。
【文檔編號】H01L21/20GK104409336SQ201410658716
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】安平博, 張碩, 趙麗霞, 段瑞飛, 路紅喜, 王軍喜, 李晉閩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所