氮化镓衬底、氮化镓单晶层及其制造方法与流程

1.本发明涉及氮化镓单晶材料生长技术，尤其是涉及一种减少hvpe外延膜缺陷、提高外延膜质量的氮化镓衬底、氮化镓单晶层及其制造方法。


背景技术：

2.氮化镓、碳化硅和金刚石等宽禁带半导体材料称为第三代半导体，它们具有击穿电压更大、介电常数更小、饱和电子漂移速率更高、导热性能更好、能隙更宽（eg≥2.3ev）等优异性能。其中gan因化学性质更稳定、耐高温、耐腐蚀性的特点，非常适合制作高频、大功率和高密度集成的电子器件。
3.由于氮化镓材料的特殊性质，采用传统的单晶生长方法很难生长出单晶。最近，利用hvpe的高生长速率和较高结晶质量的特性，可以实现氮化镓材料的厚膜生长，其厚膜可达到几毫米以上。氮化镓材料的外延生长目前主要采用异质衬底进行生长，例如蓝宝石、碳化硅等,其普遍存在由于晶格失配和热失配导致的位错密度大等缺陷问题。而氮化镓衬底属于同质外延，不会存在晶格失配和热失配的问题，利用hvpe技术在氮化镓衬底上生长氮化镓外延膜，可以提高外延膜质量。如中国发明专利公开号cn114420532a公开了 提高外延生长氮化镓晶体质量的方法及其应用，包括：在温度为1100～1200℃、压力为500～800torr，且交替输入纯氢气和纯氮气的条件下，对小于等于20nm厚度的氮化铝缓冲层进行长时间退火和刻蚀处理；之后，在氮化铝缓冲层上沉积氮化镓材料。该方法可以稳定的降低氮化镓薄膜的位错密度接近1个数量级，能够达到7.3x107cm-2
，但该数据还具有改进的空间；又如中国发明专利公开号cn114005728a公开了一种低应力高质量氮化物材料外延方法，步骤包括s1.采用mocvd设备，选择单晶衬底，清除衬底污染物；s2.通入金属有机源，生长成核层；s3.关闭金属有机源，通入三甲基镓，生长第一层gan缓冲层；s4.原位刻蚀第一层gan缓冲层直到gan呈现岛状；s5.对第一层gan缓冲层进行退火，使gan岛快速合并；s6.通入三甲基镓，生长第二层gan缓冲层；s7.继续生长有源层，外延生长完成后，降至室温取出外延片。该方法利用原位刻蚀gan，再退火岛间合并实现gan应力释放与晶体质量提升，但并没有给出具体的位错密度数据。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是现有的生长氮化镓外延膜过程中位错密度得不到根本性改善，为此提供一种氮化镓衬底、氮化镓单晶层及其制造方法。
5.本发明的技术方案是：氮化镓衬底的制造方法，包括以下步骤：提供一异质衬底；利用mocvd技术在衬底上形成晶种；利用mocvd技术在晶种上形成氮化镓薄膜层；利用mocvd技术在氮化镓薄膜层上再生长一层低温氮化镓；低温氮化镓上形成图形化的掩膜层，以掩膜层为掩模，在掩模上进行刻蚀，使其表
面形成由若干孔槽构成的孔阵列，所述孔槽的密度大于或等于107/cm2，直径1μm
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20μm；对由氮化镓薄膜层、低温氮化镓和掩膜层形成的复合衬底进行高温处理，使得低温氮化镓层形成不平整的形貌。
6.上述方案中所述异质衬底的材质为蓝宝石、碳化硅或硅。
7.上述方案中所述晶种的形成过程包括：在衬底100上生长一层低温氮化镓101，工艺温度为500℃-550℃，厚度为200埃-300埃，对低温氮化镓101进行高温处理，氮化镓层101会分解形成岛状氮化镓，持续高温处理，氮化镓层会继续分解，留下少部分岛状氮化镓101b称为晶种，所述高温处理的工艺温度在1000℃-1200℃，腔室压力400 torr
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600 torr。
8.上述方案中所述氮化镓薄膜层的形成过程包括：利用晶种进行3d-2d生长，形成氮化镓薄膜102，3d层厚度为2000埃-4000埃，工艺温度在800℃-1100℃，腔室压力200 torr
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600 torr；2d层厚度0.5μm
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1μm，工艺温度在800℃-1100℃，腔室压力100 torr
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400 torr。
9.上述方案中所述在氮化镓薄膜层上再生长一层低温氮化镓的过程包括：在氮化镓薄膜102上面生长低温氮化镓103，所述低温氮化镓厚度为200
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800
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，工艺温度 1000℃-1200℃，腔室压力400 torr
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600 torr。
10.上述方案中所述复合衬底进行高温处理的工艺温度在800℃-1200℃，腔室压力650 torr
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900 torr，时间5 min
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30min，通入载气h2：n2=1：1。
11.氮化镓衬底，采用如上的氮化镓衬底的制造方法制造而成。
12.氮化镓单晶层的制造方法，将如上所述的氮化镓衬底用hvpe的方法进行氮化镓层厚膜生长，在生长结束时自动剥离得到氮化镓单晶层，所述hvpe生长速率为100μm /h，生长时间10h。
13.上述方案中所述氮化镓层厚膜的厚度为500μm
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10mm。
14.氮化镓单晶层，采用如上的氮化镓单晶层的制造方法制造而成。
15.本发明的有益效果是利用hvpe法生长时的高温先将低温氮化镓层破坏，再进行后续生长；因其表层为不平整的氮化镓，氮化镓在生长过程中会碰撞、合并，从而减少位错缺陷，提高了氮化镓外延膜质量。氮化镓薄膜位错密度处于比较低的水平，具有很好的实用价值。
附图说明
16.图1是本发明的氮化镓衬底制造方法的流程图；图2是图1中衬底示意图；图3是晶种形成过程中低温氮化镓101示意图；图4是晶种形成过程中氮化镓高温处理后氮化镓层分解形成岛状氮化镓示意图；图5是图1中晶种形成后示意图；图6是图1中晶种3d-2d生长示意图；图7是图1中氮化镓薄膜102上面生长低温氮化镓103生长示意图；图8是图1中掩模层形成后示意图；图9是图1中长前高温处理示意图；图10是利用hvpe进行氮化镓层厚膜生长示意图；
图11是本发明实施例1和实施例2中获得的样品（002）晶面的摇摆曲线；图12是本发明实施例1和实施例2中获得的样品（102）晶面的摇摆曲线；图中，100、衬底，101、低温氮化镓，101a、岛状氮化镓，101b、晶种， 102、氮化镓薄膜，103、低温氮化镓，103a、不平整的面貌， 104、孔阵列，105、氮化镓层厚膜，105a、位错湮灭区。
具体实施方式
17.下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
18.实施例1，氮化镓衬底的制造方法，包括以下步骤：如图2所示，提供一衬底100，所述衬底100的材料可以是蓝宝石(al2o3)，碳化硅(sic)等，可以选用与外延层晶格失配度小，与外延层膨胀系数相近，与外延层化学稳定性匹配的材料作为异质外延的衬底。
19.所述晶种的形成过程包括：如图3所示，利用mocvd技术在衬底100上生长一层低温氮化镓101，工艺温度为500℃-550℃，具体可以是500℃、540℃或550℃，厚度为200
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300
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，具体可以是200
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或300
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；如图4、图5所示，对低温氮化镓101进行高温处理，氮化镓层101会分解形成岛状氮化镓101a，持续高温处理，氮化镓层会继续分解，留下少部分岛状氮化镓101b称为晶种，工艺温度在1000℃-1200℃，具体可以是1000℃或1200℃，腔室压力400 torr
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600 torr ，具体可以是400 torr或600 torr；如图6所示，利用晶种进行3d、2d生长，形成氮化镓薄膜102，3d层厚度为2000
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4000
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，具体可以是2000
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或4000
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，工艺温度在800℃-1100℃，具体可以是800℃或1100℃，腔室压力200 torr
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600 torr 具体可以是200 torr或600 torr，2d层厚度0.5μm
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1μm ，具体可以是0.5μm或1μm，工艺温度在800℃-1100℃，具体可以是800℃或1100℃，腔室压力100 torr
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400 torr ，具体可以是100 torr或400 torr；以上可以称之为第一缓冲层；如图7所示，氮化镓薄膜102上面生长低温氮化镓103，所述低温氮化镓厚度为200
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800
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，具体可以是200
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或800
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，工艺温度1000℃-1200℃，具体可以是 1000℃或1200℃，腔室压力400 torr
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600 torr ，具体可以是400 torr或600 torr；低温氮化镓可以称之为第二缓冲层；如图8所示，低温镓薄膜上形成图形化的掩膜层，以掩膜层为掩模，在掩模上进行刻蚀，使其表面形成由若干孔槽构成的孔阵列104；如图9所示，生长氮化镓厚膜之前，用氢化物气相外延（hvpe）法先对复合衬底进行高温处理，这里的复合衬底就是由氮化镓薄膜层、低温氮化镓和掩膜层形成，使得低温氮化镓形成不平整的面貌103a，进行高温处理的工艺温度在800℃-1200℃，具体可以是800℃或1200℃，腔室压力650 torr
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900 torr ，具体可以是650 torr或900 torr，时间5 min
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30min ，具体可以是5 min或30min，通入载气h2：n2=1：1。
20.如图10所示，利用氢化物气相外延（hvpe）进行氮化镓层厚膜105生长，所述的氮化镓厚膜500μm或10mm，生长过程中产生的部分位错碰撞合并105a，减少了位错缺陷，提高了
氮化镓外延膜质量。最终获得的样品标记为样品a。
21.孔槽的密度和直径对产品是有影响的，举个例子，孔槽密度越大、直径越大越容易剥离，但是在容易剥离的同时，会影响wafer质量，因此设计合理参数，所述孔槽的密度大于或等于107/cm2，比如107/cm2、117/cm2等等，所述孔槽的直径是1μm
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20μm，比如1μm、5μm、10μm或20μm。
22.将实施例1中获得的样品a进行x射线衍射测试，得到样品002晶面和102晶面的摇摆曲线如图11和图12所示，前者的半峰宽一定程度代表了螺型位错的多少，后者则代表了刃型位错。利用xrd测试得氮化镓厚膜002面半高宽为34.0弧秒，102面半高宽为38.3弧秒，由半高宽可以估算得到样品得位错密度为 9.6
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106cm-2
，证明采用本发明生长得氮化镓薄膜位错密度处于比较低的水平。