一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法与流程

本发明是一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，属于半导体技术领域。

背景技术：

ⅲ族氮化物（包括氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化铟、氮化铟镓、氮化铟铝镓等），其禁带宽度可在0.7ev-6.2ev间调节，覆盖整个中红外、可见光和紫外波段。在光电子应用方面，如白光二极管（led）、蓝光激光器（ld），紫外探测器等方面获得了重要的应用和发展。氮化铝（aln）作为宽带隙的直接带隙半导体，具有宽带隙（6.2ev），是一种重要的蓝光和紫外发光材料，在紫外探测器、紫外发光二极管和紫外激光器等光电器件中有重要的应用，特别是在背入射日光盲探测器、倒扣封装的紫外led中是必不可少的。同时，因为又具有高热导率、高硬度、高熔点以及高的化学稳定性、大的击穿场强和低的介质损耗，尤其是aln具有与si、gaas等常用半导体材料的热膨胀系数相近和兼容性强的特点，氮化铝薄膜可用于高温、高功率的微电子器件。

深紫外algan基光电器件在污水净化、杀菌、医学、生化、白光照明、军事等诸多领域有着广泛的应用。目前，由于缺乏与高al组分algan基材料晶格相匹配的衬底，所以难以生长出高质量高al组分aigan器件结构外延层。理论上，最适合于高al组分algan基材料生长的是aln单晶衬底，它不仅与高al组分algan外延层具有良好的晶格匹配度，并且对深紫外光透过性好。aln作为一种新型的宽带隙半导体，比gan、sic衬底具有更强的热稳定性，其衬底表面吸附的杂质离子类型也不相同。因此，采用aln衬底进行外延生长高质量aln外延层时，采用的方法也不同于gan、sic等衬底。高质量的aln外延生长难度较大，主要有两方面的原因：(1)al-n键能很强。al原子在生长表面的扩散受到限制,侧向生长速率很低，很难形成二维层状生长；(2)movpe生长中的al源tma和nh3之间有强烈的预反应，预反应不但会消耗大量反应剂，而且形成的固态聚合物可能会沉积在样品表面而不能够充分分解，导致外延层中杂质的掺入，甚至会造成外延层的多晶生长。因此能否制备出具有低位错密度、无裂纹、原子级光滑表面的aln材料，是提高器件特性的关键。

同时，受晶格匹配度和表面重构的影响，aln衬底上同质外延aln材料其生长机理有别于异质外延技术，aln异质外延技术中由于与衬底的晶格失配较大，一般采用两步法生长，即先生长一层低温的成核层（岛状生长模式），然后成核层高温退火重结晶后继续高温生长（层-层生长模式），通常以上三种生长模式在aln异质外延技术中都可以观察到。而同质外延中除了这三种生长模式外，还有两种新的生长模式（台阶流生长模式和台阶聚并生长模式）更为常见。台阶流生长模式是生长沿着台阶层铺满整个台面，最终各个台面完成一层生长后的表面台阶状况没有发生变化，整个过程就像各个台阶平行向前流动一样。当台阶不是单层生长，而是一群台阶聚并形成更高台阶的情况时，就是台阶聚并生长模式，此台阶聚并会增大表面粗糙度，影响材料性能，因此生长中应当避免。台阶流生长模式由于能产生结构完整和平滑的表面，为最优的生长模式。生长模式的选择对位错、杂质等微观缺陷的形成以及表面形貌都有着非常重大影响。如果想要获得原子级平滑的表面，就需要避免层-层模式和台阶聚并模式，而采用台阶流生长模式。

技术实现要素：

本发明提出的是一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，其目的在于针对现有技术存在的缺陷，通过采用aln衬底，实现同质外延生长，简化外延生长工艺，从根本上消除晶格失配应力对外延薄膜的影响，从而获得高质量的aln外延薄膜。

本发明的技术解决方案：一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，包括如下步骤：

1）选择衬底1，转移入mocvd系统中；

2）对衬底进行高温烘烤；

3）升温进行慢速氮化铝优化层2生长；

4）降温进行快速氮化铝外延薄膜3生长。

所述步骤1）中衬底为(0001)面单晶氮化铝衬底或者氮化铝-蓝宝石复合衬底。

所述步骤2）中，烘烤氛围为纯h2气氛，烘烤温度在1000℃-1200℃，烘烤时间3-10分钟，压强100torr-200torr。

所述步骤3）中，升温过程中反应室通入nh3进行保护，反应室温度为1250℃-1400℃，载气为h2，压强为50torr-100torr，v族源摩尔量/ⅲ族源摩尔量为2000-3000，氮化铝优化层生长速率200nm-300nm/h，厚度20nm-100nm。

所述步骤4）中，反应室温度为1150℃-1250℃，载气为h2，压强为30torr-50torr，v族源摩尔量/ⅲ族源摩尔量为500-1500，氮化铝外延薄膜生长速率800nm-1500nm/h，厚度800nm-3000nm。

所述步骤3）或步骤4）中，反应同时通入三甲基铝。

本发明的有益效果：

1）利用aln衬底进行同质外延减少衬底与外延层之间的晶格失配和热失配，采用衬底烘烤、生长温度、生长速度、ⅴ/ⅲ比控制等方法调控生长模式，减少衬底与外延层界面处缺陷的形成。所获得的aln外延薄膜晶体质量高，表面平整度高，位错密度低。

2）本发明方法省时省力、简单易行，生长周期短，材料性能好，是实现aln外延薄膜高质量、低成本生长的有效方法。

附图说明

图1是一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法的结构示意图。

图2是一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长温度-时间示意图。

图3是高质量氮化铝外延薄膜x射线衍射（002）、（102）晶面摇摆曲线。

图4是高质量氮化铝外延薄膜原子力显微镜表面形貌图。

图中的1是aln衬底、2是aln优化层、3是aln薄膜。

具体实施方式

一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，通过采用aln衬底，实现同质外延生长，简化外延生长工艺，从根本上消除晶格失配应力对外延薄膜的影响，从而获得高质量aln外延薄膜。在初期生长阶段采用高生长温度、高ⅴ/ⅲ比、低生长速率的方法，控制晶核的典型距离和平均台面宽度之比，以及沉积通量和台面宽度之比，提升吸附原子在表面上的扩散能力增加，形成平行排列的生长台阶流，减少生长台阶的扭曲、交替，促进晶格缺陷的合并，阻止衬底位错衍生至外延薄膜中，同时减少衬底表面划痕损伤等的进一步放大，获得高质量的外延生长界面。再获得理想生长表面之后，降低ⅴ/ⅲ比，降低生长温度，以增加反应物利用率，提升生长速率，继续进行厚层aln外延薄膜生长，有助于降低工艺成本。

如图2所示，该方法包括如下步骤：

1）选择一衬底1，该衬底为(0001)面单晶氮化铝衬底或者氮化铝-蓝宝石复合衬底材料。

2）将衬底放入金属有机物化学气相沉积（mocvd）系统内，通入h2，反应室压力为100torr-200torr，在1100℃-1200℃下加热3-10分钟，以清洁衬底表面，去除表面氧化层和脏污。该步骤中高温h2具有较强刻蚀能力，在高温h2氛围中，衬底表面的氧化层和脏污杂质受热分解，从而形成洁净的生长表面。

3）反应室通入氨气进行保护，提升反应室温度至1250℃-1400℃，h2作为载气，反应室压力为50torr-100torr，同时通入三甲基铝，以v/ⅲ为2000-3000外延生长氮化铝优化层2，生长速率200nm-300nm/h，厚度20nm-100nm。该步骤中，反应室通入氨气可以降低aln衬底材料在更高温度下的分解速率，起到衬底表面保护作用。生长温度升高，吸附原子在aln表面上的扩散能力增加,吸附原子更活跃，更能在给定的时间内可能达到台阶边缘，吸附原子将在其他原子沉积前到达台阶边缘。因此升高温度会使系统从层-层生长模式转变到台阶流生长模式。相似的论点可以应用到生长速度的影响上，降低生长速度，吸附原子就有更充分的时间在其他原子沉积之前达到台阶边缘。ⅴ/ⅲ比的变化不仅会影响横向生长速度和纵向生长速度，ⅴ/ⅲ比还是影响表面再构的因素，表面再构现象引起表面台阶的粗糙度和整齐度发生改变，影响有效台面的宽度，从而改变生长模式。该步骤为本发明的核心创新点，采用高生长温度、高ⅴ/ⅲ比、低生长速率的方法，实现了aln外延生长呈现台阶流生长模式，抑制界面缺陷的形成，形成平整的台阶流表面，为后续高质量外延膜的生长奠定基础。

4）将温度降至1150℃-1250℃，h2作为载气，降低反应室压力至30torr-50torr，继续通入氨气，同时通入三甲基铝，以v/ⅲ为500-1500外延生长高质量氮化铝外延薄膜3，生长速率800nm-1500nm/h，厚度800nm-3000nm。该步骤在上一步获得平整台阶流的基础上，进一步增加外延层厚度，提升晶体质量。该步骤通过适当的降低生长压力、生长温度和v/ⅲ比的方法，提升反应物利用率，节约生长时间，降低工艺成本。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

实施例1

如图1所示，一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，包括如下步骤：

1）选择一衬底1，该衬底为(0001)面单晶氮化铝衬底材料；

2）将衬底放入mocvd系统内，通入h2，反应室压力为200torr，在1100℃下加热10分钟，以清洁衬底表面，去除表面氧化层和沾污；

3）反应室通入氨气进行保护，提升反应室温度至1250℃，h2作为载气，反应室压力为50torr，同时通入三甲基铝，以v/ⅲ为3000外延生长氮化铝优化层2，生长速率300nm/h，厚度100nm；

4）将温度降至1150℃，h2作为载气，降低反应室压力至30torr，继续通入氨气，同时通入三甲基铝，以v/iii为1500外延生长高质量氮化铝外延薄膜3，生长速率1500nm/h，厚度1500nm。

实施例2

一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）选择一衬底1，该衬底为(0001)面单晶氮化铝衬底材料；

2）将衬底放入mocvd系统内，通入h2，反应室压力为100torr，在1200℃下加热3分钟，以清洁衬底表面，去除表面氧化层和沾污；

3）反应室通入氨气进行保护，提升反应室温度至1350℃，h2作为载气，反应室压力为100torrr，同时通入三甲基铝，以v/ⅲ为2000外延生长氮化铝优化层2，生长速率200nm/h，厚度20nm；

4）将温度降至1250℃，h2作为载气，降低反应室压力至50torr，继续通入氨气，同时通入三甲基铝，以v/ⅲ为500外延生长高质量氮化铝外延薄膜3，生长速率800nmm/h，厚度800nm。

实施例3

一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）选择一衬底1，该衬底为(0001)面氮化铝-蓝宝石复合衬底；

2）将衬底放入mocvd系统内，通入h2，反应室压力为100torr，在1200℃下加热5分钟，以清洁衬底表面，去除表面氧化层和沾污；

3）反应室通入氨气进行保护，提升反应室温度至1250℃，h2作为载气，反应室压力为100torrr，同时通入三甲基铝，以v/ⅲ为2000外延生长氮化铝优化层2，生长速率250nm/h，厚度50nm；

4）将温度降至1200℃，h2作为载气，降低反应室压力至50torr，继续通入氨气，同时通入三甲基铝，以v/ⅲ为500外延生长高质量氮化铝外延薄膜3，生长速率1200nmm/h，厚度3000nm。

对由以上步骤获得的样品进行测试分析，证明由此方法生长的氮化铝外延薄膜结晶质量高且表面平整度高。

采用高分辨x射线衍射测试方法表明（如图3所示）本方法获得的氮化铝外延薄膜为（002）、（102）晶面摇摆曲线半峰宽分别为140、76弧秒，位错密度≤8×10⁷cm^-2，薄膜结晶质量高，位错密度低。

采用原子力显微镜测试方法表征了该样品的表面形貌（如图4所示），扫描尺寸为10μm×10μm。结果表明，本方法所获的氮化镓外延薄膜表面具有很高的表面平整度，表面粗糙度rq仅为0.68nm。

本发明通过采用aln衬底，实现aln薄膜同质外延生长，简化外延生长工艺，从根本上消除晶格失配应力对外延薄膜的影响，从而获得高质量aln外延薄膜。在初期生长阶段采用高温的方法增大横向生长速率，促进位错融合，低速生长速率有利于阻止衬底位错衍生至外延薄膜中，获得高质量的外延生长界面；而后降低反应室压力，降低生长温度，提升生长速率，继续进行aln外延薄膜生长，以增加反应物利用率，降低工艺成本。本发明方法所获得的aln外延薄膜晶体质量高，表面平整度高，位错密度≤8×10⁷cm^-2。本发明方法简单易行,材料性能好，是实现aln外延薄膜高质量、低成本生长的有效方法。