六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构及其制备方法

1.本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构及其制备方法。


背景技术：

2.第三代宽禁带氮化物半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，因此采用宽禁带氮化物半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，而且在高电压、高频率状态下更为可靠，此外还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。
3.随着氮化镓基器件的性能不断提升，高质量的氮化镓外延材料显得尤为重要。在传统的主流工艺中，由于大尺寸的氮化物衬底成本高昂，氮化物薄膜都是在蓝宝石、硅、碳化硅等异质材料衬底上进行外延的。但是衬底与氮化物之间存在严重的晶格失配，并且位错密度很高，异质外延的氮化镓薄膜质量不好，并且在硅衬底上氮化镓一般较难成核，因此在硅衬底上直接外延氮化镓材料较为困难。
4.当前促进硅衬底上氮化镓薄膜外延的方法通常有以下几种：在硅衬底上磁控溅射氮化铝再进行氮化镓薄膜外延，由于磁控溅射氮化铝温度较低，在高温生长过程中容易被破坏，导致其作用得不到很好的体现；采用光刻技术制作图形化衬底来促进氮化镓成核，得到氮化镓外延层薄膜，但是光刻成本高，不适用于产业化规模生产应用，而且制备得到的氮化镓薄膜质量不佳，仅停留在实验阶段。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供了一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的制备方法，包括：
7.步骤1：在衬底上制备氮化铝成核层；
8.步骤2：在铜箔表面生长至少一层六方氮化硼层；
9.步骤3：将所述六方氮化硼层从所述铜箔转移至所述氮化铝成核层上；
10.步骤4：在所述六方氮化硼层上外延生长氮化镓外延层，得到六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构。
11.在本发明的一个实施例中，所述步骤1包括：
12.步骤1.1：对所述衬底和al靶分别进行预处理；
13.步骤1.2：在氩气和氮气的混合气氛下，利用磁控溅射工艺在预处理后的衬底上淀积氮化铝成核层，其中，溅射功率为45-60w，淀积时长为15-30min，所述氮化铝成核层的厚度为15-50nm。
14.在本发明的一个实施例中，所述步骤1.1包括：
15.步骤1.1.1：将所述衬底加热至500-600℃，在氩气和氮气的混合气氛下，反溅射轰
击所述衬底，去除所述衬底表面的氧化层，并使所述衬底表面氮化；
16.步骤1.1.2：在氩气气氛下，对所述al靶进行预溅射，去除所述al靶表面的氧化层和杂质。
17.在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：
18.利用cvd工艺在所述铜箔表面生长六方氮化硼层，所述六方氮化硼层的层数为1-10，六方氮化硼的单晶尺寸为50-400nm。
19.在本发明的一个实施例中，所述步骤3包括：
20.步骤3.1：在所述六方氮化硼层的表面旋涂固化形成pmma薄膜，得到cu箔/六方氮化硼/pmma材料；
21.步骤3.2：将cu箔/六方氮化硼/pmma材料置于过硫酸铵溶液中浸泡以去除铜箔，得到六方氮化硼/pmma材料；
22.步骤3.3：将过硫酸铵溶液中的六方氮化硼/pmma材料转移至去离子水中浸泡之后，用具有氮化铝成核层的衬底捞起六方氮化硼/pmma材料，得到覆盖六方氮化硼/pmma的衬底；
23.步骤3.4：将步骤3.3制备得到的衬底浸泡在温度为70-100℃的丙酮溶液中，以去除pmma薄膜；
24.步骤3.5：将覆盖六方氮化硼的衬底从丙酮溶液转移至乙醇溶液中静置后捞出自然晾干，完成所述六方氮化硼层的转移。
25.在本发明的一个实施例中，在步骤3.1中，旋涂工艺为：以转速800-1200转/min，旋涂15-40s，然后以转速2500-3400转/min，旋涂60-120s；固化工艺为：以烘干温度50-80℃，烘干20-45min。
26.在本发明的一个实施例中，所述步骤4包括：
27.步骤4.1：在氨气气氛下，将反应室温度升高至900℃，反应室压力为300mbar；
28.步骤4.2：依次通入氢气、氨气和镓源，将反应室温度升高至1100℃，反应室压力维持在300mbar；
29.步骤4.3：在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用mocvd工艺在六方氮化硼层上外延生长氮化镓外延层；
30.步骤4.4：将反应室温度降至室温后，得到六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构。
31.本发明提供了一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构，包括：自下而上依次层叠设置的衬底、氮化铝成核层、六方氮化硼层和氮化镓外延层，其中，所述六方氮化硼层的层数为1-10，六方氮化硼的单晶尺寸为50-400nm。
32.在本发明的一个实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
33.在本发明的一个实施例中，所述氮化铝成核层的厚度为15-50nm。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
35.1.本发明的六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的制备方法，首先在衬底上低温磁控溅射了一层氮化铝成核层，再通过转移的方式将六方氮化硼层转移至氮化铝成核层上，然后再进行氮化镓外延生长，外延得到的氮化镓层具有良好的晶格取向，氮化铝成核层起到了晶格修正的作用；
36.2.本发明的六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的制备方法，采用六方氮化硼层和磁控溅射的氮化铝成核层作为复合插入层，利用复合插入层进行有效阻挡位错，六方氮化硼增加了氮化镓成核的几率，同时保护了其下方的氮化铝成核层，释放了衬底与氮化镓外延层之间的应力，降低了位错密度，实现了利用六方氮化硼辅助的硅上高质量mocvd氮化镓生长，提高了氮化镓外延层的质量。
37.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
38.图1是本发明实施例提供的一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的制备方法的流程图；
39.图2是本发明实施例提供的一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的剖面结构示意图；
40.图3是本发明实施例提供的一种六方氮化硼层转移到氮化铝成核层后的衬底结构示意图。
具体实施方式
41.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构及其制备方法进行详细说明。
42.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
43.实施例一
44.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的制备方法的流程图，如图所示，本实施例的六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的制备方法，包括：
45.步骤1：在衬底上制备氮化铝成核层；
46.在本实施例中，使用型号为pro line pvd 75的磁控溅射设备在衬底上磁控溅射形成氮化铝成核层，该设备靶基距固定为22cm。采用纯度为99.999％的金属al靶，为了防止空气杂质污染，反应溅射前将溅射腔室真空度抽至1e-6
torr，保证腔室内杂质气体含量足够低。
47.可选地，衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
48.具体地，步骤1包括：
49.步骤1.1：对衬底和al靶分别进行预处理；具体地，包括：
50.步骤1.1.1：将衬底加热至500-600℃，在氩气和氮气的混合气氛下，反溅射轰击衬底，去除衬底表面的氧化层，并使衬底表面氮化；
51.在本实施例中，对衬底加热达到目标温度后，通入高纯氩气和高纯氮气的混合气体，采用功率为45-60w的射频源反溅射轰击衬底10-20min，去除衬底表面氧化层，并使衬底表面氮化。
52.步骤1.1.2：在氩气气氛下，对al靶进行预溅射，去除al靶表面的氧化层和杂质。
53.在本实施例中，对衬底预处理完成后，再通入纯氩气，对al靶进行预溅射，采用直流45-60w溅射4-10min，去除al靶表面的氧化层和杂质。
54.步骤1.2：在氩气和氮气的混合气氛下，利用磁控溅射工艺在预处理后的衬底上淀积氮化铝成核层，其中，溅射功率为45-60w，淀积时长为15-30min，氮化铝成核层的厚度为15-50nm。
55.在本实施例中，按照1:1的比例通入氩气和氮气的混合气体。
56.步骤2：在铜箔表面生长至少一层六方氮化硼层；
57.具体地，步骤2包括：
58.利用cvd工艺在铜箔表面生长六方氮化硼层，六方氮化硼层的层数为1-10，六方氮化硼的单晶尺寸为50-400nm。
59.步骤3：将六方氮化硼层从铜箔转移至氮化铝成核层上；
60.具体地，步骤3包括：
61.步骤3.1：在六方氮化硼层的表面旋涂固化形成pmma薄膜，得到cu箔/六方氮化硼/pmma材料；
62.在本实施例中，旋涂工艺为：以转速800-1200转/min，旋涂15-40s，然后以转速2500-3400转/min，旋涂60-120s；固化工艺为：以烘干温度50-80℃，烘干20-45min。
63.步骤3.2：将cu箔/六方氮化硼/pmma材料置于过硫酸铵溶液中浸泡以去除铜箔，得到六方氮化硼/pmma材料；
64.具体地，将cu箔/六方氮化硼/pmma材料置于64-68g/l的过硫酸铵溶液中浸泡12-24h，去除铜箔，得到六方氮化硼/pmma材料。
65.步骤3.3：将过硫酸铵溶液中的六方氮化硼/pmma材料转移至去离子水中浸泡之后，用具有氮化铝成核层的衬底捞起六方氮化硼/pmma材料，得到覆盖六方氮化硼/pmma的衬底；
66.具体地，用干净的玻璃片将过硫酸铵溶液中的六方氮化硼/pmma材料转移至去离子水中，浸泡60-180min后，用具有氮化铝成核层的衬底捞起六方氮化硼/pmma材料，得到覆盖六方氮化硼/pmma的衬底。
67.步骤3.4：步骤3.3制备得到的衬底浸泡在温度为70-100℃的丙酮溶液中，以去除pmma薄膜；
68.具体地，将步骤3.3制备得到的衬底放在玻璃容器中，加入适量丙酮并升温至70-100℃以溶解pmma薄膜，30-45min后置换丙酮，持续3-5次，以便充分去除pmma残留物。
69.步骤3.5：将覆盖六方氮化硼的衬底从丙酮溶液转移至乙醇溶液中静置后捞出自然晾干，完成六方氮化硼层的转移。
70.具体地，将覆盖六方氮化硼的衬底从丙酮溶液转移至乙醇溶液中静置30-45min，随后捞出，自然晾干，完成六方氮化硼层的转移。
71.步骤4：在六方氮化硼层上外延生长氮化镓外延层，得到六方氮化硼辅助氮化镓外
延的衬底结构。
72.具体地，步骤4包括：
73.步骤4.1：在氨气气氛下，将反应室温度升高至900℃，反应室压力为300mbar；
74.步骤4.2：依次通入氢气、氨气和镓源，将反应室温度升高至1100℃，反应室压力维持在300mbar；
75.步骤4.3：在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用mocvd工艺在六方氮化硼层上外延生长氮化镓外延层；
76.在本实施例中，镓源tmga的流量为300sccm，氨气流量为10500sccm。外延生长的氮化镓外延层的厚度为1-3μm。
77.步骤4.4：将反应室温度降至室温后，得到六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构。
78.本实施例的六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的制备方法，首先在衬底上低温磁控溅射了一层氮化铝成核层，再通过转移的方式将六方氮化硼层转移至氮化铝成核层上，然后再进行氮化镓外延生长，外延得到的氮化镓层具有良好的晶格取向，氮化铝成核层起到了晶格修正的作用。
79.实施例二
80.本实施例以不同衬底和不同的六方氮化硼层数为例对实施例一中的制备方法进行具体说明。
81.1.制备基于多层(》5层)六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构，包括以下步骤：
82.步骤a.在硅衬底上制备25nm的氮化铝成核层；
83.(a1)使用型号为pro line pvd 75的磁控溅射设备在硅衬底上磁控溅射形成氮化铝成核层，该设备靶基距固定为22cm。采用纯度为99.999％的金属al靶，为了防止空气杂质污染，反应溅射前将溅射腔室真空度抽至1e-6
torr，保证腔室内杂质气体含量足够低。
84.(a2)设置衬底温度为550℃，对硅衬底加热达到目标温度后，通入高纯氩气和高纯氮气的混合气体，采用功率为50w的射频源反溅射轰击硅衬底15min，去除硅衬底表面氧化层，并使硅衬底表面氮化。
85.(a3)通入纯氩气，对al靶进行预溅射，采用直流50w溅射5min，去除al靶表面的氧化层和杂质。
86.(a4)按1:1的比例通入氩气和氮气的混合气体，设置溅射功率为50w，预溅射5min，使得靶电压和电流达到稳定状态，以保证薄膜的沉积速率相对恒定，然后打开挡板开始沉积aln薄膜，淀积20min，在硅衬底上形成厚度约为25nm的氮化铝成核层。
87.步骤b.在铜箔表面生长六方氮化硼层，并将该六方氮化硼层转移至氮化铝成核层上。
88.(b1)在铜箔表面利用cvd工艺生长多层(＞5层)六方氮化硼。
89.(b2)在六方氮化硼层的表面旋涂一层pmma薄膜，其中，初始转速为1000转/min，持续20s，然后以转速3000转/min，持续60s，然后将旋涂pmma后的cu箔放在烘胶台上70℃烘干20min，以使得pmma薄膜固化，得到cu箔/六方氮化硼/pmma材料。
90.(b3)将cu箔/六方氮化硼/pmma材料朝上置于64g/l的过硫酸铵溶液中浸泡12小时，去除铜箔，得到六方氮化硼/pmma材料。
91.(b4)用干净的玻璃片将过硫酸铵溶液中的六方氮化硼/pmma材料转移至去离子水中，浸泡60-180min后，用具有氮化铝成核层的硅衬底捞六方氮化硼/pmma材料，得到覆盖六方氮化硼/pmma的衬底。
92.(b5)将(b4)中制备得到的衬底放在玻璃容器中，加入适量丙酮并升温至70-100℃以溶解pmma薄膜，45min后置换丙酮，持续3次，最后一次将样品放在丙酮中浸泡12h，以便充分去除pmma残留物。
93.(b4)将覆盖多层(＞5层)六方氮化硼的硅衬底从丙酮溶液转移至乙醇溶液中静置30min，随后将其衬底捞出，自然晾干，完成多层(＞5层)六方氮化硼层的转移。
94.步骤c.在六方氮化硼层上外延生长氮化镓外延层。
95.(c1)在氨气气氛下，将反应室温度升高至900℃，反应室压力300mbar，随后依次通入氢气、氨气和镓源，将反应室温度升高至1100℃，压力维持在300mbar。
96.(c2)在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用mocvd工艺在六方氮化硼层上外延生长1～3μm的氮化镓外延层，其中，镓源tmga的流量为300sccm；氨气流量为10500sccm。
97.(c3)将反应室温度降至室温后取出样品，得到基于多层(》5层)六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构。
98.2.制备基于少层(1-5层)六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构，包括以下步骤：
99.步骤a.在蓝宝石衬底上制备25nm的氮化铝成核层；
100.(a1)使用型号为pro line pvd 75的磁控溅射设备在蓝宝石衬底上磁控溅射形成氮化铝成核层，该设备靶基距固定为22cm。采用纯度为99.999％的金属al靶，为了防止空气杂质污染，反应溅射前将溅射腔室真空度抽至1e-6
torr，保证腔室内杂质气体含量足够低。
101.(a2)设置衬底温度为550℃，对蓝宝石衬底加热达到目标温度后，通入高纯氩气和高纯氮气的混合气体，采用功率为50w的射频源反溅射轰击蓝宝石衬底15min，去除蓝宝石衬底表面氧化层，并使蓝宝石衬底表面氮化。
102.(a3)通入纯氩气，对al靶进行预溅射，采用直流50w溅射5min，去除al靶表面的氧化层和杂质。
103.(a4)按1:1的比例通入氩气和氮气的混合气体，设置溅射功率为50w，预溅射5min，使得靶电压和电流达到稳定状态，以保证薄膜的沉积速率相对恒定，然后打开挡板开始沉积aln薄膜，淀积20min，在蓝宝石衬底上形成厚度约为25nm的氮化铝成核层。
104.步骤b.在铜箔表面生长六方氮化硼层，并将该六方氮化硼层转移至氮化铝成核层上。
105.(b1)在铜箔表面利用cvd工艺生长少层六方氮化硼。
106.(b2)在六方氮化硼层的表面旋涂一层pmma薄膜，其中，初始转速为1000转/min，持续20s，然后以转速3000转/min，持续60s，然后将旋涂pmma后的cu箔放在烘胶台上70℃烘干20min，以使得pmma薄膜固化，得到cu箔/六方氮化硼/pmma材料。
107.(b3)将cu箔/六方氮化硼/pmma材料朝上置于64g/l的过硫酸铵溶液中浸泡12小时，去除铜箔，得到六方氮化硼/pmma材料。
108.(b4)用干净的玻璃片将过硫酸铵溶液中的六方氮化硼/pmma材料转移至去离子水中，浸泡60-180min后，用具有氮化铝成核层的蓝宝石衬底捞六方氮化硼/pmma材料，得到覆盖六方氮化硼/pmma的衬底。
109.(b5)将(b4)中制备得到的衬底放在玻璃容器中，加入适量丙酮并升温至70-100℃以溶解pmma薄膜，30min后置换丙酮，持续3次，最后一次将样品放在丙酮中浸泡12h，以便充分去除pmma残留物。
110.(b4)将覆盖少层六方氮化硼的蓝宝石衬底从丙酮溶液转移至乙醇溶液中静置30min，随后将其衬底捞出，自然晾干，完成少层六方氮化硼层的转移。
111.步骤c.在六方氮化硼层上外延生长氮化镓外延层。
112.(c1)在氨气气氛下，将反应室温度升高至900℃，反应室压力300mbar，随后依次通入氢气、氨气和镓源，将反应室温度升高至1100℃，压力维持在300mbar。
113.(c2)在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用mocvd工艺在六方氮化硼层上外延生长1～3μm的氮化镓外延层，其中，镓源tmga的流量为300sccm；氨气流量为10500sccm。
114.(c3)将反应室温度降至室温后取出样品，得到基于少层六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构。
115.本实施例的六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的制备方法，采用六方氮化硼层和磁控溅射的氮化铝成核层作为复合插入层，利用复合插入层可以有效阻挡位错，六方氮化硼增加了氮化镓成核的几率，同时保护了其下方的氮化铝成核层，释放了衬底与氮化镓外延层之间的应力，降低了位错密度，提高了氮化镓外延层的质量。
116.实施例三
117.本实施例提供了一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构，请结合参见图2和图3，图2是本发明实施例提供的一种六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构的剖面结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种六方氮化硼层转移到氮化铝成核层后的衬底结构示意图。如图所示，本实施例的六方氮化硼辅助氮化镓外延的衬底结构包括：自下而上依次层叠设置的衬底、氮化铝成核层、六方氮化硼层和氮化镓外延层。
118.在本实施例中，六方氮化硼层的层数为1-10，六方氮化硼的单晶尺寸为50-400nm。
119.可选地，在本实施例中，衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
120.可选地，氮化铝成核层的厚度为15-50nm。
121.六方氮化硼是最简单的硼氮高分子，与石墨中的六角碳网相似，六方氮化硼中氮和硼也组成六角网状层面，互相重叠，构成晶体，具有很强的吸电子能力，氮-硼键可以促进氮化镓成核，而且六方氮化硼可以与磁控溅射的氮化铝成核层之间形成微弱的范德华力，可以释放磁控溅射氮化铝成核层与氮化镓外延层因为晶格失配而产生的应力，同时六方氮化硼的存在还会对氮化物生长起到位错阻挡的，起到提升氮化镓外延层质量的作用。
122.应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
123.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在
不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。