一种AlN外延薄膜生长方法
【专利摘要】本发明公开了一种AlN外延薄膜生长方法，所述方法包括以下步骤：S1、衬底烘烤；S2、低温沉积AlN，形成成核层；S3、升温退火；S4、以高氨气和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)生长AlN；S5、以低V/III比生长AlN；S6、依次、多次重复执行步骤S4、S5。本发明提供的方法是通过采用高低V/III比，交替生长的多层结构来实现低位错密度、无裂纹和表面平整的AlN外延薄膜的制备。
【专利说明】一种AIN外延薄膜生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子【技术领域】，更具体涉及一种AlN外延薄膜生长方法。
【背景技术】
[0002]高质量AlN单晶是制备高Al组分AlGaN(高Al-AlGaN)基高性能深紫外发光和探测器件的基础和关键。由于目前商业化的AlN自支撑单晶衬底的衬底价格昂贵、难以获得而且尺寸较小，国际上普遍的选择是在紫外光透过性高的(0001)面蓝宝石衬底上进行金属有机物化学气相沉积(MOCVD)异质外延AlN模板。以目前主流的深紫外发光二极管(DUV-LED)材料结构为例，其主要包括蓝宝石衬底、AlN模板、η型高Al-AlGaN导电层、高Al-AlGaN基量子阱结构有源层、以及高Al-AlGaN ρ型层。量子阱中的位错密度决定于高Al-AlGaN的质量，而高Al-AlGaN中的位错密度又决定于AlN模板的晶体质量。因此高质量的AlN模板是降低AlGaN基DUV-LED结构中位错密度和提高器件性能的关键和基础。AlN模板必须满足以下几点要求:(I)无裂纹；(2)表面达到原子级别的平整，为后续高质量高Al-AlGaN的制备提供可能；(3)能有效控制贯穿位错密度，使低缺陷密度高Al-AlGaN基量子结构的获得成为可能。
[0003]现有技术中，在(0001)面蓝宝石衬底上采用MOCVD生长AlN模板的工艺过程一般分为以下几个阶段:(I)烘烤阶段:氢气(Η2)氛围下，在1050-1150°C高温烘烤衬底5-10分钟；⑵衬底预处理阶段:降温(例如降温至950°C )，Al化衬底；(3)成核阶段:调整温度(如900-1000°C )并以三甲基铝和氨气为源生长AlN形成成核层(厚度为5_50纳米)；(4)升温阶段:将温度升至高温(1200-140(TC ) (5)外延生长阶段:通入三甲基铝和氨气，以每小时约0.5微米的生长速度生长AlN外延层。
[0004]在AlN的异质外延中，一方面由于较大的晶格失配，外延层中积累的应变能一般会通过在衬底和外延层界面处产生位错进行弛豫，因此导致了外延层中大量的失配和贯穿位错；另一方面由于热失配的存在，在升温或冷却过程中，由于衬底和外延层晶格形变的不匹配，会导致外延层的开裂。此外，相比于GaN的外延生长，由于AlN键能更高(AlN为
2.88eV, GaN为2.2eV)导致Al原子表面粘附系数高(原子扩散势垒很高)，使得AlN倾向于三维岛状生长，表面平整控制困难；另一方面，AlN的高键能，很难完全剪裁AlN的生长行为，使得在高质量GaN外延生长中行之有效的“两步法”中减少位错的“多面控制模式”(如图1所示)难以在AlN的制备中有效实现，无法利用多个生长面对位错的镜像力作用来实现贯穿位错的弯折效应(bending)，进而实现位错湮灭、反应，不再向上延伸的物理过程。基于上述的限制，必须开发新的、能有效减少贯穿位错TD(包括螺型和刃型位错)的A1NM0CVD外延生长方法，同时保证AlN层的表面平整，没有裂纹的存在。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明要解决的技术问题是如何在保证AlN外延薄膜平整、没有裂纹的情况下，减少贯穿位错。
[0007]( 二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种AlN外延薄膜生长方法，所述方法包括以下步骤:
[0009]S1、衬底烘烤；
[0010]S2、低温沉积A1N，形成成核层；
[0011]S3、升温退火；
[0012]S4、以尽量高(具体的值取决于MOCVD的硬件)的氨气和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)生长AlN;
[0013]S5、以尽量低的V/III比(具体的值取决于MOCVD的硬件)生长AlN ；
[0014]S6、依次、多次重复执行步骤S4、S5。
[0015]优选地，所述步骤S4中生长AlN为三维岛状生长，所述步骤S5中生长AlN为二维层状生长。
[0016]优选地，所述步骤SI中烘烤温度为1080°C — 1150°C。
[0017]优选地，所述步骤S2中，低温沉积AlN的温度为800-1000°C，并且采用尽量高的氨气和金属有机源的摩尔流量比。
[0018]优选地，所述步骤S2中，成核层的厚度为5-50纳米。
[0019]优选地，所述步骤S4中，极高的氨气和金属有机源的摩尔流量比为大于或等于4000。
[0020]优选地，所述步骤S5中，极低的氨气和金属有机源的摩尔流量比为小于或等于100。
[0021]优选地，所述步骤S6的执行次数为10次-100次。
[0022]优选地，所述步骤S3中，升温的时间为100秒一250秒，升温至1100°C _1250°C，并且稳定20-50秒的时间。
[0023]优选地，所述生长方法为金属有机物化学气象沉积MOCVD生长方法。
[0024](三)有益效果
[0025]本发明提供了一种AlN外延薄膜生长方法，本发明的方法是通过采用高低氨气和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)，交替生长的多层结构来实现低位错密度、无裂纹和表面平整的AlN外延薄膜的制备；利用本发明的方法得到的AlN外延薄膜，扫描其(002)面摇摆曲线半高宽可低于10arscec, (102)面半宽可低于400arscec,具有很低的螺型和刃型位错密度。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为GaN外延生长的“两步法”中减少位错的多面控制模式示意图；
[0028]图2为本发明的一种AlN外延薄膜生长方法的流程图；
[0029]图3为本发明的一种AlN外延薄膜生长方法生长的AlN外延薄膜的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0031]本发明提供了一种AlN外延薄膜生长方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤:
[0032]S1、衬底烘烤；
[0033]S2、低温沉积A1N，形成成核层；
[0034]S3、升温退火；
[0035]S4、以高的氨气和金属有机源的摩尔流量比生长AlN ；
[0036]S5、以低的氨气和金属有机源的摩尔流量比生长AlN ；
[0037]S6、依次、多次重复执行步骤S4、S5。
[0038]本发明的方法是通过采用高低氨气和金属有机源的摩尔流量比(V/III比)，交替生长的多层结构来实现低位错密度、无裂纹和表面平整的AlN外延薄膜的制备。
[0039]所述步骤S4中生长AlN为三维岛状生长，氨气和金属有机源的摩尔流量比为大于或等于4000，生长压力低于lOOmbar，优选为50_100mbar，生长温度为1000-1250°C;所述步骤S5中生长AlN为二维层状生长，氨气和金属有机源的摩尔流量比为小于或等于100 ;所述氨气和金属有机源的摩尔流量比值的确定需要据MOCVD配置特点来进行选择。
[0040]所述步骤SI中烘烤温度为1080°C— 1150°C。
[0041]所述步骤S2中，低温沉积AlN的温度为800-1000°C，压力50 — lOOmbar，并且采用高氨气和金属有机源的摩尔流量比(大于4000);所述成核层的厚度为5-50纳米。所述步骤S6的执行次数为10次-100次。所述步骤S3中，升温的时间为100秒一 250秒，升温至1100°C -1250°C，并且稳定20-50秒的时间。所述生长方法为金属有机物化学气象沉积MOCVD生长方法。
[0042]本发明的方法是在常规AlN的异质外延生长过程基础上，通过工艺流程的创新，实现低位错密度AlN外延薄膜的制备，其核心思想是通过采用高低V/III比(氨气和金属有机源的摩尔流量比)交替生长的多层结构来代替了由单一条件长时间的高温制备流程，实现低位错密度、无裂纹和表面平整的AlN外延层材料，如图3所示。通过控制V/III比，可以十分有效的调控Al原子在AlN表面上的扩散长度，高的V/III比容易导致短的扩散长度，而低的V/III比则导致长的扩散长度。而生长模式(三维岛状生长或者二维层状生长)则取决于AlN台阶宽度和Al原子的扩散长度的大小关系。因此，通过交替控制V/III比可以实现三维岛状生长和二维层状生长的周期转换。三维岛状生长意味着能产生除(0001)面以外其它取向的晶面，有利于创造“多面控制模式”，进而实现位错的湮灭和反应，此外也十分有利于AlN中累积的张应力的释放，有效避免裂纹产生；而交替采用三维岛状生长和二维层状生长模式则有利于最终的AlN平整表面的获得。
[0043]本发明的方法另外的自由度是周期数和每周期中的三维岛状生长和二维层状生长的厚度可以调节，十分有利于“多面控制模式”的累积效应，能在保证无裂纹和表面平整的前提下，高效的降低位错密度。每周期中的三维岛状生长和二维层状生长的厚度通过调节时间来控制生长厚度。此外，为进一步提高降低位错的效率，本方法去除了蓝宝石衬底预处理阶段的Al化过程，而采用极高V/III比参数生长成成核层的技巧，以期望从AlN制备的初始阶段从源头上就减少螺型位错的产生，进一步保证低的穿透位错密度。
[0044]本发明所提供的方法的技术要点有以下几点，一是高低V/III比交替调制生长方法，其中温度的选择需要仔细优化，其依赖于高低V/III比生长上述步骤S4、S5生长层的厚度；通过采用高和低的V/III比来有效修正Al原子的表面扩散长度，进而用高V/III比实现三维岛状生长，极力产生除c面以外其它取向的晶面，进而利用不同晶面导致的对位错的镜像力作用来实现对位错的弯折效应(Kink或Bending),创造位错相遇、进而发生合并，形成位错环以及湮灭行为，实现位错的减少；高低V/III比交替方法的好处还在于既充分利用了三维过程对位错的压制效应，又避免了过度化三维生长过程所导致的表面粗糙化，这种叠层结构有利于保证平整表面前提下的贯穿位错减少物理过程的实现，此外还十分有利于张应力的释放，有效规避裂纹的产生；二是S6执行次数可调:如果设备硬件允许的话，周期数能从几十到几百进行调整，利于位错减少效应的累积，增加了该方法的弹性；三是，采用高V/III比生长成成核层，并且与AlN成核层厚度匹配，可显著降低AlN中X射线衍射扫描(002)面摇摆曲线半高宽(对应于螺型位错密度)；在去除国际上常用的Al化蓝宝石衬底的工艺步骤基础上，采用该技巧有利于实现极低的螺位错密度。
[0045]实施例1
[0046]I)用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备(3X2”Aixtron CCS FP-M0CVD)，衬底采用常规的C off M 0.2度miscut angle的(0001)面的蓝宝石衬底，通入H2，反应室压力为120mba，在1100°C下烘烤400秒，清洗衬底；
[0047]2)降温到950°C，H2作为载气，反应室压力为lOOmba，以V/III比7500，通入三甲基铝和氨气生长AlN成核层；A1N成核层生长厚度为10nm。
[0048]3)调整反应室压力为80mba，停止通三甲基铝，继续通入氨气，用200秒时间把温度升至1150。。；
[0049]4)保持反应室压力80mba，温度1150°C的条件，调整通入的氨气和三甲基铝流量，以V/III比7500，生长AlN,厚度为15nm ；
[0050]5)在保持4)其它条件不变的基础上，降低氨气流量，并保证反应室(reactor)气体总流量不变，以V/III比20，生长AlN,厚度为30nm ；
[0051]6)重复过程4)以及5)70周期。
[0052]实施例1得到的AlN外延薄膜，扫描其(002)面摇摆曲线半高宽低于lOOarscec，(102)面半宽低于500arscec，具有很低的螺型和刃型位错密度。
[0053]实施例2
[0054]I)用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备(3X2”Aixtron CCS FP-M0CVD)，衬底采用C off M 0.2度miscut angle的(0001)面的蓝宝石衬底,通入H2,反应室压力为120mba，在1100°C下烘烤600秒，清洗衬底；
[0055]2)降温到950°C，H2作为载气，反应室压力为lOOmba，以摩尔V/III比7500通入三甲基铝和氨气生长AlN成核层，生长厚度为1nm;
[0056]3)调整反应室压力为80mba，停止通三甲基铝，继续通入氨气，用200秒时间把温度升至1100°C ；
[0057]4)保持反应室压力80mba，保持温度1100°C的条件，调整通入的氨气和三甲基铝流量，以V/III比7500，生长AlN,厚度为25nm ；
[0058]5)在保持4)其它条件不变的基础上，降低氨气流量，同时调整温度到1200°C，并保证反应室(reactor)气体总流量不变，以V/III比20，生长A1N，厚度为40nm ；
[0059]6)重复过程4)以及5)50周期。
[0060]实施例2得到的AlN外延薄膜，扫描其(002)面摇摆曲线半高宽低于10arscec, (102)面半宽低于500arscec,具有很低的螺型和刃型位错密度。
[0061]本发明的方法，能实现较低生长温度下(低于1250°C )对贯穿位错的方向实施有效控制，并充分利用多周期叠层生长所产生的累积效应来最大程度上实现高质量AlN外延薄膜的制备。
[0062]以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种AlN外延薄膜生长方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 51、衬底烘烤； 52、低温沉积A1N，形成成核层； 53、升温退火； 54、以高氨气和金属有机源的摩尔流量比生长AlN； 55、以低氨气和金属有机源的摩尔流量比生长AlN； 56、依次、多次重复执行步骤S4、S5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中生长AlN为三维岛状生长，所述步骤S5中生长AlN为二维层状生长。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤SI中烘烤温度为1080°C—1150。。。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，低温沉积AlN的温度为800-1000°C，并且采用高的氨气和金属有机源的摩尔流量比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，成核层的厚度为5-50纳米。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，高氨气和金属有机源的摩尔流量比为大于或等于4000。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，低氨气和金属有机源的摩尔流量比为小于或等于100。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6的执行次数为10次-100次。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，升温的时间为100秒一250秒，升温至1100°C -1250°C，并且稳定20秒-50秒的时间。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长方法为金属有机物化学气象沉积MOCVD生长方法。
【文档编号】H01L21/205GK104392909SQ201410542286
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】许福军, 沈波, 秦志新, 王嘉铭, 张立胜, 何晨光, 杨志坚 申请人:北京大学