一種緩沖型襯底結構及其上的側向外延生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種側向外延生長的方法，解決了傳統(tǒng)外延技術生長晶體材料缺陷較多，晶體質量不易提升，外延層與基底材料間應力過大的問題，又避免了傳統(tǒng)側向外延生長過程工藝控制過程復雜，良率低的問題。該方法先在平片襯底上外延生長第一外延層；之后使用圖形化襯底的處理工藝對外延后的襯底進行處理得到包含第一外延層的圖形化襯底結構；之后對處理過的襯底進行傳統(tǒng)的外延退火處理后即可進行后續(xù)的外延工藝生長。該方法工序簡單，成本較低，可以明顯減少位錯，改善外延生長質量并降低襯底材料和外延層晶格失配產生的應力，為后續(xù)的外延生長提供低位錯的基礎而有利于后期器件制備，可以提高器件性能，延長器件壽命。
【專利說明】一種緩沖型襯底結構及其上的側向外延生長方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體晶體材料制備領域，涉及一種同質或者異質外延材料制備方法，具體涉及一種緩沖型襯底結構及其上的側向外延生長方法。
【背景技術】
[0002]在當前的半導體晶體材料外延制備領域，一般采用同質或者異質外延技術。在材料制備過程中，襯底材料本身存在的缺陷、或者在生長過程中弓I入了雜質、或者由于異質襯底導致的晶格缺陷等，均會降低材料的晶體質量，進而降低了材料的物理化學性能，在制備成為器件之后器件的品質也會受到較大的影響。
[0003]為了提高材料的晶體質量，降低材料的生長缺陷，目前普遍采用的技術為:提高設備的真空度減少外在污染，控制材料生長的環(huán)境氣氛條件來得到高品質的晶體，采用緩沖層技術、側向外延技術、同質外延等。
[0004]但是，無論采用上述何種技術均仍會在材料制備過程中引入雜質缺陷(原材料/設備均非完全理想狀態(tài))或者人為摻雜引入缺陷(如為了形成η或者P型摻雜)，而且對于一般的異質外延技術，由于襯底材料和外延的材料存在大的晶格失配和熱失配，導致在外延層中存在大量的晶格缺陷。對此，有技術人員提出了側向外延生長技術(Epitaxy ofLateral Over-Growth,簡稱ELOG),位錯密度和材料間應力可以大大的降低，能夠從傳統(tǒng)的1E18 降低至IJ lE16/cm-2 量級。
[0005]側向外延生長技術(以下簡稱EL0G)如圖4所示，分為有掩膜層ELOG(也稱為選區(qū)外延)和無掩膜層ELOG兩種。圖4即為無掩膜層ELOG技術。
[0006]有掩膜層ELOG通常使用二氧化硅(Si02)或氮化硅(SiNx)等電介質作為掩膜材料，通過在掩膜層上開窗口，實現空間上控制外延層生長的方法。選區(qū)外延要確保外延生長只發(fā)生在窗口區(qū)域，而不是在掩膜層上，這可以通過降低電介質掩膜層上生長物質的飽和度來阻止反應源的沉淀和累積。選區(qū)外延又可以細分為一步側向外延、兩步側向外延、懸臂側向外延以及空氣橋側向外延等方法，這些方法的基本思想是濾除位錯，使得對應于窗口區(qū)域的GaN結構類似于掩膜層以下的GaN結構，而掩膜層以上的GaN結構幾乎沒有位錯。由于掩膜層的存在阻擋了其下方的穿透位錯向上方外延層的傳播，因而使掩膜層上的GaN材料幾乎是由無位錯的非極性垂直面生長而成。
[0007]無掩膜ELOG:該技術主要是指在外延生長過程中模板上沒有掩膜層的側向外延生長技術。以柱形圖形襯底為例，在外延過程中，主要發(fā)生橫向生長與縱向生長兩種生長模式，通過調節(jié)橫、縱向生長速率的比例，最終可以形成表面平整的薄膜。
[0008]盡管ELOG技術在改善材料結晶質量、減少位錯等缺陷方面取得了可喜的進步，但是仍然有許多問題存在其中。例如，在選區(qū)外延過程中，掩膜層材料的引入會在MOCVD反應室中引入污染，從而增加了外延層中自摻雜的可能性，這會增加位錯的形成，不利于晶體質量的提高；而且掩膜層與外延層接觸式的生長模式容易在外延層中引入應力，不利于位錯密度的降低。對于現有的無掩膜ELOG則外延控制過程復雜，現在幾乎沒有可以量產的工 藝，過程的復雜和不確定性增加導致產品品質穩(wěn)定性不可預料。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明提供一種緩沖型襯底結構及其上的側向外延生長方法，解決了傳統(tǒng)外延技術生長晶體材料缺陷較多，晶體質量不易提升，外延層與基底材料間應力過大的問題，又避免了傳統(tǒng)側向外延生長過程工藝控制過程復雜，良率低的問題。
[0010]本發(fā)明的基本解決方案如下:
[0011]一種用于側向外延生長的緩沖型襯底結構，包括平片襯底，其特殊之處在于:所述平片襯底上生長有第一外延層，該第一外延層與后續(xù)外延材料為相同的晶體結構；所述平片襯底及其上生長的第一外延層整體經過了圖形化處理形成有保留部分第一外延層的圖形化襯底結構。
[0012]圖形化處理后的第一外延層保留部分的寬度最好在0.05um-2um。
[0013]平片襯底材料可以選擇Al203、S1、GaN或GaAs或其他的任意可以作為襯底的材料。
[0014]相應的，本發(fā)明還提出了一種側向外延生長的方法，主要包括以下步驟:
[0015]I)生長前述緩沖型襯底結構
[0016]1.1)在平片襯底上生長第一外延層,該第一外延層的晶體結構與后續(xù)外延材料相同；
[0017]1.2)之后使用圖形化襯底的處理工藝對平片襯底及其上外延生長的第一外延層整體進行處理從而得到保留部分第一外延層的圖形化襯底結構，圖形化處理后的第一外延層保留部分的寬度在0.05um-2um。
[0018]1.3)之后進行外延退火處理，即得到所述的緩沖型襯底結構；
[0019]2)以所述的緩沖型襯底結構作為緩沖層，繼續(xù)進行后續(xù)同質或者異質外延生長，通過控制外延生長過程的速率在0.5um/hour-1 Oum/hour,即得到在此緩沖層上的側向外延結構。
[0020]上述步驟1.1)中第一外延層的生長可以采用分子束外延、化學氣相沉積、物理沉積或濺射蒸鍍工藝形成。
[0021]上述步驟1.3)中的外延退火處理的較佳條件為:處理溫度在750°C?1150°C，時間為5秒?3600秒，壓力在10暈巴?1050暈巴。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0023]本發(fā)明結合傳統(tǒng)外延和側向外延的優(yōu)勢并克服其各自的缺點，創(chuàng)造性的提出了先生長第一外延層而后再進行圖形化處理，利用圖形化處理保留的第一外延層作為基礎進行退火和后續(xù)外延生長，進而得到低位錯密度、高晶體質量的外延材料；這種生長方式自然實現了傳統(tǒng)無掩膜ELOG技術的優(yōu)點，降低了襯底材料和外延層間的應力進一步降低了位錯。由于預先生長了第一外延層而使后續(xù)的外延生長過程變得簡單和穩(wěn)定，只需要使用傳統(tǒng)的工藝條件即可以得到高質量的材料和器件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1示意了在平片襯底上生長第一外延層的結構。
[0025]圖2示意了對第一外延層和襯底整體進行圖形化處理后的結構。[0026]圖3示意了在保留部分的第一外延層上進行后續(xù)側向外延生長的結構。
[0027]圖4示意了傳統(tǒng)側向外延生長結構。
[0028]附圖標號說明:
[0029]1-第一外延層,2-第二外延層,3-襯底。
【具體實施方式】
[0030]以下結合具體實施例對本發(fā)明的原理進行詳述:
[0031]如圖1所示，先在平片襯底上生長第一外延層，該外延層晶體結構與后續(xù)外延材料為同種晶體結構材料，一般我們稱之為緩沖層；襯底材料可以為A1203，Si，GaN, GaAs和其他的任意可以作為襯底的材料?？梢圆捎贸Ｒ?guī)外延條件如分子束外延，化學氣相沉積，物理沉積或濺射蒸鍍等形成。
[0032]第一外延層為與后續(xù)外延材料為同種晶體結構材料，但是其元素組分和配比可以不同而又分為同質外延和異質外延。
[0033]之后如圖2所示，使用圖形化襯底的處理工藝對覆蓋有第一外延層的襯底進行處理，得到的圖形化襯底結構保留有部分第一外延層，圖形化處理后的第一外延層保留部分的寬度在0.05um-2um。
[0034]之后對圖形化襯底的處理后的第一外延層和襯底進行傳統(tǒng)的外延退火處理，處理溫度在750度-1150度，時間為5秒-3600秒，壓力在10毫巴-1050毫巴。再后如圖3所示，即可進行后續(xù)的外延工藝生長；后續(xù)外延可以為同質生長也可以為異質生長。
[0035]該方法工序簡單，成本較低，可以明顯減少位錯，改善外延生長質量并降低襯底材料和外延層晶格失配產生的應力，為后續(xù)的外延生長提供低位錯的基礎而有利于后期器件制備，可以提高器件性能，延長器件壽命。
[0036]具體實施例1:
[0037]如圖1所示，先在藍寶石(A1203)平片襯底上使用MOCVD技術生長第一外延層GaN材料。
[0038]之后如圖2所示，使用圖形化襯底的處理工藝對覆蓋有第一外延層GaN材料的襯底進行處理，得到的圖形化襯底結構保留有部分第一外延層，圖形化處理后的第一外延層保留部分的寬度在0.5um。
[0039]之后對圖形化襯底的處理后的第一外延層和襯底進行傳統(tǒng)的外延退火處理，處理溫度在1050度，時間為450秒，壓力在300毫巴。
[0040]再后如圖3所示，即可進行后續(xù)的外延工藝生長；
[0041]該方法工序簡單，成本較低，可以明顯減少位錯，改善外延生長質量并降低襯底材料和外延層晶格失配產生的應力，為后續(xù)的外延生長提供低位錯的基礎而有利于后期器件制備，可以提高器件性能，延長器件壽命。
[0042]使用經過此方法處理過的第一外延層進行后續(xù)外延工藝生長與一般PSS外延工藝相比，材料X射線測試晶面半寬可以由(002)350arcsec和(102) 300arcsec降低到
(002)250arcsec和(102) 246arcsec,材料位錯等級可以降低I個數量級；通過同樣的芯片工藝測試對比，使用此方法的LED芯片亮度可以提升10%。
[0043]需要強調的是，以上實施例中給出了實現最佳技術效果的優(yōu)選參數，但這些具體參數不應視為對本發(fā)明權利要求最大保護范圍的限制。說明書中闡述了本發(fā)明技術革新的原理，本領域技術人員應當能夠認識到在基本方案下對各具體參數做適度的調整仍然能夠基本實現本發(fā)明的目的。
【權利要求】
1.一種用于側向外延生長的緩沖型襯底結構，包括平片襯底，其特征在于:所述平片襯底上生長有第一外延層，該第一外延層與后續(xù)外延材料為相同的晶體結構；所述平片襯底及其上生長的第一外延層整體經過了圖形化處理形成有保留部分第一外延層的圖形化襯底結構。
2.根據權利要求1所述的緩沖型襯底結構，其特征在于:圖形化處理后的第一外延層保留部分的寬度在0.05um-2um。
3.根據權利要求1所述的緩沖型襯底結構，其特征在于:平片襯底材料為Al203、S1、GaN或 GaAs。
4.一種側向外延生長的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)生長權利要求1所述的緩沖型襯底結構 1.1)在平片襯底上生長第一外延層，該第一外延層的晶體結構與后續(xù)外延材料相同； 1.2)之后使用圖形化襯底的處理工藝對平片襯底及其上外延生長的第一外延層整體進行處理從而得到保留部分第一外延層的圖形化襯底結構，圖形化處理后的第一外延層保留部分的寬度在0.05um-2um。 1.3)之后進行外延退火處理，即得到所述的緩沖型襯底結構； 2)以所述的緩沖型襯底結構作為緩沖層，繼續(xù)進行后續(xù)同質或者異質外延生長，通過控制外延生長過程的速率在0.5um/hour-1Oum/hour,即得到在此緩沖層上的側向外延結構。
5.根據權利要求4所述的緩沖型襯底結構，其特征在于:步驟1.1)中第一外延層的生長是采用分子束外延、化學氣相沉積、物理沉積或濺射蒸鍍工藝形成的。
6.根據權利要求4所述的緩沖型襯底結構，其特征在于:步驟1.3)中的外延退火處理，處理溫度在750°C?1150°C，時間為5秒?3600秒，壓力在10毫巴?1050毫巴。
【文檔編號】H01L29/06GK103928499SQ201410164336
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權日:2014年4月22日
【發(fā)明者】李淼 申請人:西安神光皓瑞光電科技有限公司