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。如中国发明专利授权公告号cn101459215b公开了采用自剥离用于生产氮化镓单晶衬底的方法，包括(a)在由具有比氮化镓更小热膨胀系数的材料制成的平坦基础衬底上生长氮化镓膜并冷却氮化镓膜以使基础衬底和氮化镓膜向上凸起弯曲，并在氮化镓膜中产生裂纹；(b)在位于向上凸起的基础衬底上的产生裂纹的氮化镓膜上生长氮化镓单晶层；以及(c)冷却具有长成的氮化镓单晶层的所得产品以使向上凸起的所得产品变平或使向上凸起的所得产品向下凸起弯曲并同时使基础衬底和氮化镓单晶层在插入其间的产生裂纹的氮化镓膜处相互自剥离。该专利的裂纹氮化镓薄膜是利用异质外延不同材料间晶格失配、热膨胀系数差异产生的，再在裂纹氮化镓上生长氮化镓单晶层，最后利用基础衬底和氮化镓单晶层之间的裂纹氮化镓实现自剥离，也就是说这里的裂纹只是为了后续物理剥离氮化镓单晶层提供方便。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是现有的hvpe法生长氮化镓外延膜过程中产生缺陷过多，为此提供一种氮化镓衬底及其制造方法。
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：提供一衬底；在所述衬底上生长低温氮化镓，做高温处理，形成晶种；利用晶种生长形成氮化镓薄膜，通过控制厚度来控制应力，得到带有裂纹的氮化镓薄膜；以带有裂纹的氮化镓薄膜为基础形成氮化镓衬底。
6.上述方案的改进是所述氮化镓衬底是复合衬底，所述复合衬底的形成过程如下：在带有裂纹的氮化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，形成带有裂纹的gan薄膜、图形掩膜的复合衬底。
7.上述方案中所述衬底是异质衬底。
8.上述方案中所述异质衬底的材质为蓝宝石、碳化硅或硅。
9.上述方案中所述低温氮化镓由mocvd生长而成，工艺温度为500℃-550℃，厚度为200埃-300埃。
10.上述方案中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。
11.上述方案中所述晶种生长形成氮化镓薄膜的过程包括利用mocvd技术进行的3d生长和2d生长。
12.上述方案中所述3d生长的氮化镓层厚度为4000埃-6000埃，工艺温度在1000℃-1100℃，腔室压力200 torr
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600 torr，所述2d生长的氮化镓层厚度为1μm
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2μm，工艺温度在1000℃-1100℃，腔室压力100 torr
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400 torr。
13.上述方案中所述3d生长和2d生长的氮化镓层均为裂纹氮化镓。
14.上述方案中所述孔槽的密度大于或等于107/cm2。
15.上述方案中所述孔槽的直径是1μm
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20μm。
16.氮化镓衬底，采用如上的氮化镓衬底的制造方法制造而成。
17.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。
18.上述方案中所述hvpe的工艺温度800℃-1200℃，腔室压力650 torr
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900 torr。
19.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。
20.本发明的有益效果是利用mocvd生长的氮化镓裂纹会使因晶格失配产生的应力得到释放，通过对氮化镓层厚度的控制，得到带有裂纹氮化镓薄膜-图形掩膜衬底，这样再用hvpe进行侧向外延生长（elog）的内应力就会显著减小，从而提高晶体质量。
附图说明
21.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是图1中低温氮化镓形成后示意图；图4是图1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生长示意图；图7是图1中晶种2d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中氮化镓层厚膜形成后示意图；图10a、10b是带有裂纹的氮化镓薄膜表面形貌扫描电镜图像；图11是带有裂纹的氮化镓薄膜照片；图12是氮化镓层厚膜照片；图中，100、衬底，101、低温氮化镓，101a、岛状氮化镓，101b、晶种，101c、大体积裂纹氮化镓，101d、3d-2d过渡层，102、氮化镓薄膜，103、孔阵列，104、氮化镓层厚膜，104a、位
错湮灭区。
具体实施方式
22.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。
23.实施例1，氮化镓衬底的制造方法，包括以下步骤：提供一衬底；在所述衬底上生长低温氮化镓，做高温处理，形成晶种；利用晶种生长形成氮化镓薄膜，通过控制厚度来控制应力，得到带有裂纹的氮化镓薄膜；以带有裂纹的氮化镓薄膜为基础形成氮化镓衬底。需要说明的是，这里的裂纹所起的作用和中国发明专利授权公告号cn101459215b中的氮化镓膜的裂纹是两个概念，该专利裂纹氮化镓的作用是在氮化镓外延膜生长结束后，通过物理手段使得gan单晶层与基础衬底在裂纹氮化镓处相互剥离，而本技术的裂纹不是为了解决gan单晶层与基础衬底剥离的问题，而是为了让应力得到释放。
24.实施例2，可以在上述实施例的基础上做进一步改进，如图1所示，氮化镓衬底的制造方法包括以下步骤：1.提供一衬底；2.利用mocvd技术在衬底上形成晶种；3.利用mocvd技术进行3d生长，通过控制厚度得到一层裂纹氮化镓；4.利用mocvd技术进行2d生长，通过控制厚度得到一层裂纹氮化镓；5.氮化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；6.利用氢化物气相外延（hvpe）进行氮化镓层厚膜生长，所述hvpe的工艺温度800℃-1200℃，比如800℃、900℃、1000℃、1100℃或1200℃，腔室压力650 torr
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900 torr，比如650 torr、700 torr、750 torr、800 torr、850 torr、900 torr。
25.这里的步骤5目的是为了实现步骤6的氮化镓层厚膜在生长结束后自剥离，得到氮化镓单晶层。
26.下面结合图2-11，详细说明本发明的氮化镓衬底制造方法。
27.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)、硅（si）等，所选材料与氮化镓晶格失配度小，与氮化镓热膨胀系数接近。
28.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℃，比如500℃、520℃或550℃，厚度为200埃-300埃，比如200埃、250埃或300埃。
29.如图4、图5所示，对低温氮化镓101进行高温处理，低温氮化镓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称为晶种101b，工艺温度在1000℃-1200℃，比如1000℃、1100℃或1200℃，腔室压力400 torr
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600 torr，比如400 torr、500 torr或600 torr。
30.如图6所示，利用晶种进行3d生长，形成大体积裂纹氮化镓101c，厚度为4000埃-6000埃，比如4000埃、5000埃或6000埃，工艺温度在1000℃-1100℃，比如1000℃、1050℃或1100℃，腔室压力200torr
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600torr，比如200torr、300torr、400torr或600torr，大体积氮化镓继续生长平铺形成3d-2d过渡层101d。
31.如图7所示，在大体积裂纹氮化镓101c上继续进行2d生长，形成带有裂纹的氮化镓薄膜102，工艺温度在1000℃-1100℃，比如1000℃、1050℃或1100℃，腔室压力100 torr
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400 torr，比如100torr、200torr、300torr或400torr，厚度为1μm
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2μm，比如1μm或2μm。裂纹氮化镓表面形貌如如图8所示，这种裂纹是非均匀的，分布很细、很密。氮化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，使其表面形成孔阵列103。
32.如图9所示，利用氢化物气相外延（hvpe）进行氮化镓层厚膜104生长，所述的氮化镓厚膜500um-10mm，比如500 um、1mm或10mm，生长过程中产生的部分位错会合并湮灭形成位错湮灭区104a，减少了位错缺陷和晶间内应力，提高了氮化镓外延膜质量。
33.如图10a所示，加速电压20kv，放大倍数1万倍，图像标尺为2μm，如图10b所示，加速电压20kv，放大倍数5000倍，图像标尺为5μm，裂纹氮化镓表面形貌。通过厚度控制，使得3d-2d层氮化镓形成裂纹，裂纹的存在可以释放异质外延产生的晶间内应力。
34.需要说明的是，本发明的大体积裂纹氮化镓101c和氮化镓薄膜102的厚度是精心设计的，在一种单晶衬底上使用另一种材料进行外延膜生长，称为异质外延生长，由于不同材料的热膨胀系数、晶格失配、化学稳定性匹配等差异，会产生很大的晶间内应力，这些内应力会使得wafer（晶圆）发生翘曲，变成凹的或者凸的。在蓝宝石衬底上面生长氮化镓时，若生长初期氮化镓很薄低于4000埃，此时晶间内应力比较小，不会产生裂片，此时的翘曲也比较小，肉眼看不出来，但是随着3d-2d生长进行，晶间内应力越来越大，此时会发生很严重的翘曲，肉眼就能看出来或者蓝宝石上的氮化镓产生裂纹，将内应力释放，如果生长过厚时，晶间内应力会积聚剧烈释放，wafer会发生炸裂，碎片会污染腔体，所以要控制生长厚度，让氮化镓薄膜既能产生裂纹又不至于裂开，如图11所示，该裂纹不会是均匀分布的，该分布很细、很密。是通过控制合适的参数来控制厚度，进而通过厚度来控制裂纹状态，这是需要付出创造性劳动的。
35.氮化镓中的裂纹使得晶包排列从长程有序变成短程有序或者无序状态，造成后续生长的氮化镓为无规则生长，从而生长过程中产生的部分位错会合并湮灭，减少了位错缺陷和晶间内应力，提高了氮化镓外延膜质量。
36.孔槽的密度和直径对产品是有影响的，举个列子，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。
37.本发明采用mocvd生长的氮化镓裂纹会使因晶格失配产生的应力得到释放，得到带有裂纹氮化镓薄膜-图形掩膜复合衬底，这样再用hvpe进行侧向外延生长（elog）的内应力就会显著减小，从而提高晶体质量，由此可以得到足够厚度（500μm-10mm）的高质量氮化镓外延膜，如图12所示。