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【发明授权】氮化铝自支撑衬底及其制备方法_广东省半导体产业技术研究院_201811648628.7 

申请/专利权人:广东省半导体产业技术研究院

申请日:2018-12-30

公开(公告)日:2020-07-28

公开(公告)号:CN109728138B

主分类号:H01L33/00(20100101)

分类号:H01L33/00(20100101);H01L33/32(20100101);H01S5/02(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.07.28#授权;2019.05.31#实质审查的生效;2019.05.07#公开

摘要:本发明提供了一种氮化铝自支撑衬底及其制备方法,涉及半导体技术领域。在制作快速生长高温氮化铝层时,在氮化铝材料没有将三维岛状结构之间的间隙填充满的情况下,氮化铝材料快速合拢,没有被氮化铝材料填充满的三维岛状结构之间的间隙就可以形成大量的空洞,这些空洞可以减少快速生长高温氮化铝层和低温氮化铝层之间的接触面积,使快速生长高温氮化铝层和氮化铝厚膜在晶格失配和热失配应变的作用下可以同其他层自分离,得到自支撑衬底。高密度、小尺寸的空洞有利于释放应变防止表面开裂,提供了位错中止的自由面降低贯穿位错密度,得到位错密度很低的自支撑衬底。该方法分离工序简单,成品率高,可实现高质量氮化铝自支撑衬底的大规模产业化。

主权项:1.一种氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,包括:提供一异质衬底;基于所述异质衬底生长氮化铝缓冲层,所述氮化铝缓冲层包括多个缓冲岛结构;基于所述氮化铝缓冲层生长高温氮化铝层;基于所述高温氮化铝层生长低温氮化铝层,所述低温氮化铝层包括多个三维岛状结构,相邻的三维岛状结构之间具有间隙;基于所述低温氮化铝层沉积氮化铝材料,所述氮化铝材料在没有将所述间隙填充满之前,在所述低温氮化铝层的表面合拢形成快速生长高温氮化铝层,所述三维岛状结构之间的间隙在所述快速生长高温氮化铝层和所述低温氮化铝层界面处形成空洞,其中,所述快速生长高温氮化铝层的生长速度大于0.5μmh,所述快速生长高温氮化铝层的厚度大于或等于1μm;基于所述快速生长高温氮化铝层生长氮化铝厚膜;将所述氮化铝厚膜和所述快速生长高温氮化铝层与其他层分离,所述氮化铝厚膜和所述快速生长高温氮化铝层形成氮化铝自支撑衬底。

全文数据:氮化铝自支撑衬底及其制备方法技术领域本发明涉及半导体技术领域,具体而言,涉及一种氮化铝自支撑衬底及其制备方法。背景技术近年来,第三代半导体材料铝铟镓氮AlInGaN因其耐高温、抗辐射、耐化学腐蚀、高发光效率等优良特性而受到广泛关注,已在蓝光和白光发光二极管和激光器等领域实现了商业化应用。然而基于高铝组分铝镓氮AlGaN材料的光电器件和电子器件进展仍然缓慢,其根本原因在于缺少高质量的氮化铝AlN基板。由于AlN单晶的直接合成需要高温高压的极端条件,目前仍停留在实验室研究水平,生产出来的AlN单晶尺寸小、质量差、价格高等,严重限制了其产业化应用。目前,商业化的AlN基板主要是生长在蓝宝石、硅、碳化硅、金属衬底等异质衬底上,由于AlN和异质衬底之间较大的热失配和晶格失配,同时Al原子的迁移能力较弱,这导致AlN外延层中存在较大的应变和高密度的位错,而且最主流的蓝宝石衬底在大功率器件中散热性较差的问题明显,这都会严重影响器件综合性能。发明内容有鉴于此,本发明提供了一种氮化铝自支撑衬底及其制备方法,可以得到位错密度低的氮化铝自支撑衬底。本发明提供的技术方案如下:一种氮化铝自支撑衬底的制备方法,包括:提供一异质衬底;基于所述异质衬底生长氮化铝缓冲层,所述氮化铝缓冲层包括多个缓冲岛结构;基于所述氮化铝缓冲层生长高温氮化铝层;基于所述高温氮化铝层生长低温氮化铝层,所述低温氮化铝层包括多个三维岛状结构,相邻的三维岛状结构之间具有间隙;基于所述低温氮化铝层沉积氮化铝材料,所述氮化铝材料在没有将所述间隙填充满之前,在所述低温氮化铝层的表面合拢形成快速生长高温氮化铝层,所述三维岛状结构之间的间隙在所述快速生长高温氮化铝层和所述低温氮化铝层界面处形成空洞;基于所述快速生长高温氮化铝层生长氮化铝厚膜;将所述氮化铝厚膜和所述快速生长高温氮化铝层与其他层分离,所述氮化铝厚膜和所述快速生长高温氮化铝层形成氮化铝自支撑衬底。进一步地,所述氮化铝缓冲层的厚度为5-50nm。进一步地,所述缓冲岛的横截面尺寸为5-20nm。进一步地,所述高温氮化铝层的生长温度为1100-1400摄氏度,所述高温氮化铝层的厚度为100-500nm。进一步地,所述低温氮化铝层的生长温度为800-1100摄氏度,所述低温氮化铝层的厚度为50-500nm。进一步地,所述快速生长高温氮化铝层的生长速度大于0.5μmh,所述快速生长高温氮化铝层的厚度大于或等于1μm。进一步地,所述氮化铝厚膜的厚度大于或等于50μm。进一步地,所述异质衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。进一步地,所述氮化铝缓冲层通过金属有机物化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积或分子束外延方法中的任意一种制作;所述高温氮化铝层、低温氮化铝层、快速生长高温氮化铝层通过金属有机物化学气相沉积方法制作。本发明还提供了一种氮化铝自支撑衬底,该氮化铝自支撑衬底通过上述制备方法制作得到。综上所述,本申请实施例中通过在制作氮化铝自支撑衬底时,先在异质衬底上依次制作氮化铝缓冲层、高温氮化铝层、低温氮化铝层、快速生长高温氮化铝层以及氮化铝厚膜,在制作过程中,低温氮化铝层通过形成三维岛状结构,且三维岛状结构之间具有间隙,在制作快速生长高温氮化铝层时,在氮化铝材料没有将三维岛状结构之间的间隙填充满的情况下,氮化铝材料就会快速合拢形成将三维岛状结构封闭的快速生长高温氮化铝层,没有被氮化铝材料填充满的三维岛状结构之间的间隙就可以在低温氮化铝层和快速生长高温氮化铝层的界面处形成大量的空洞,这些空洞就可以减少快速生长高温氮化铝层和低温氮化铝层之间的接触面积,使得快速生长高温氮化铝层和氮化铝厚膜在晶格失配应变和热失配应变的作用下可以同其他层实现自分离,从而得到由快速生长高温氮化铝层和氮化铝厚膜组成的自支撑衬底。快速生长高温氮化铝层与低温氮化铝层之间的高密度、小尺寸的空洞有利于释放应变防止表面开裂,同时提供了位错中止的自由面来降低贯穿位错密度,可以得到位错密度很低的自支撑衬底。该制备方法分离工序简单,成品率高,可以实现高质量氮化铝自支撑衬底的大规模产业化。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合所附附图,作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。图1为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法的流程示意图。图2为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法中步骤S101对应的结构示意图。图3为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法中步骤S102对应的结构示意图。图4为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法中步骤S103对应的结构示意图。图5为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法中步骤S104对应的结构示意图。图6为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法中步骤S105对应的结构示意图。图7为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法中步骤S106对应的结构示意图。图8为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法中步骤S107对应的结构示意图。图9为本发明实施例提供的一种氮化铝自支撑衬底的制备方法中得到的氮化铝自支撑衬底的结构示意图。图标:101-异质衬底;102-氮化铝缓冲层;103-高温氮化铝层;104-低温氮化铝层;105-快速生长高温氮化铝层;106-氮化铝厚膜;10-氮化铝自支撑衬底。具体实施方式下面将结合本发明实施例中附图,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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时,在本发明的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。发明人在研究过程中发现,为解决AlN基板存在的问题,发展了一种型AlN制备方法:首先,通过金属有机物化学气相沉积Metal-organicChemicalVaporDeposition,MOCVD技术在蓝宝石、碳化硅等衬底上生长几微米AlN;接着,通过氢化物气相外延HydrideVaporPhaseEpitaxy,HVPE技术高速生长厚膜AlN;然后,通过化学刻蚀、自分离、离子束剥离或激光剥离等手段将蓝宝石、硅、碳化硅等衬底剥离,得到未处理的AlN自支撑衬底;最后,经过后道化学机械抛光等工序得到可以产业化应用的AlN自支撑衬底。然而,目前的AlN自支撑衬底位错密度仍然很高、衬底剥离工序过于复杂,同时衬底剥离存在严重的面内不均匀性,成品率低,这些问题亟待解决。为解决上述问题,本申请实施例提供了一种氮化铝自支撑衬底10的制备方法,如图1所示,包括以下步骤。步骤S101,如图2所示,提供一异质衬底101。异质衬底101可以采用蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底等材料,本申请实施例并不限制异质衬底101的具体材料。步骤S102,如图3所示,基于所述异质衬底101生长氮化铝缓冲层102,所述氮化铝缓冲层102包括多个缓冲岛结构。可以采用金属有机物化学气相沉积方法、磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积或分子束外延等方法在异质衬底101上生长氮化铝缓冲层102,氮化铝缓冲层102的生长厚度可以为5-50nm。氮化铝缓冲层102可以包括多个缓冲岛结构,每个缓冲岛结构的横截面的直径可以为5-20nm,缓冲岛结构的密度可以根据实际需要生长,优选的,缓冲岛结构形成密度较高的排布形式,同时氮化铝缓冲层102要求单一Al极性。步骤S103,如图4所示,基于所述氮化铝缓冲层102生长高温氮化铝层103。在完成氮化铝缓冲层102的制作后,可以继续采用金属有机物化学气相沉积方法制作高温氮化铝层103,高温氮化铝层103的生长温度可以控制在1100-1400摄氏度之间。可选的,高温氮化铝层103的生长厚度可以为100-500nm。步骤S104,如图5所示,基于所述高温氮化铝层103生长低温氮化铝层104,所述低温氮化铝层104包括多个三维岛状结构,相邻的三维岛状结构之间具有间隙。在完成高温氮化铝层103的制作后,可以继续采用金属有机物化学气相沉积方法制作低温氮化铝层104,组成低温氮化铝层104的三维岛状结构的形状可以根据实际制作要求确定,例如,三维岛状结构可以为圆锥状、圆台状、棱锥状等等,相邻的三维岛状结构之间形成间隙。三维岛状结构之间的间隙的尺寸为。在本申请实施例中,低温氮化铝层104的生长温度可以为800-1100摄氏度,所述低温氮化铝层104的厚度可以为50-500nm。步骤S105,如图6所示,基于所述低温氮化铝层104沉积氮化铝材料,所述氮化铝材料在没有将所述间隙填充满之前,在所述低温氮化铝层104的表面合拢形成快速生长高温氮化铝层105,所述三维岛状结构之间的间隙在所述快速生长高温氮化铝层105和所述低温氮化铝层104界面处形成空洞。在制作完成低温氮化铝层104后,可以继续制作快速生长高温氮化铝层105,该快速生长高温氮化铝层105是在高速生长条件下制作的。在高速生长条件下,该快速生长高温氮化铝层105的生长速度可以大于0.5μmh,在这样的较快的生长速度下,氮化铝材料就会在三维岛状结构的表面快速合拢形成封闭的表面,由于氮化铝材料的生长速度很快,三维岛状结构之间的间隙还没有被氮化铝材料填充满,氮化铝材料就会在三维岛状结构表面上完全合拢,从而使得三维岛状结构之间的间隙形成空洞。由于三维岛状结构之间的间隙是纳米级别的,形成的空洞的尺寸也是纳米尺度的,同时,低温氮化铝层104中的三维岛状结构的密度很大,形成的空洞的密度也就很大。这些高密度、小尺寸的空洞位于快速生长高温氮化铝层105和低温氮化铝层104之间,就可以释放应变防止表面开裂,同时提供了位错中止的自由面来降低贯穿位错密度。在本申请实施例中,所述快速生长高温氮化铝层105的厚度可以大于或等于1μm。步骤S106,如图7所示,基于所述快速生长高温氮化铝层105生长氮化铝厚膜106。在完成快速生长高温氮化铝层105后,还可以再继续生长氮化铝厚膜106,所述氮化铝厚膜106可以通过氢化物气相外延方法制作。氮化铝厚膜106的厚度可以大于50μm,氮化铝厚膜106在积累应变的作用下会通过自分离来释放应变,由于快速生长高温氮化铝层105和低温氮化铝层104之间存在纳米空洞,使得快速生长高温氮化铝层105与低温氮化铝层104之间的接触面积小,所以很容易在此界面分离,而且纳米空洞密度高分布均匀,可以解决自分离过程中导致的开裂和面内不均匀的问题。步骤S107,如图8和图9所示,将所述氮化铝厚膜106和所述快速生长高温氮化铝层105与其他层分离,所述氮化铝厚膜106和所述快速生长高温氮化铝层105形成氮化铝自支撑衬底10。在完成氮化铝厚膜106的制作后,快速生长高温氮化铝层105以及氮化铝厚膜106就可以在空洞的作用下同其它层实现自分离,在分离过程中,由于空洞的存在,空洞可以将快速生长高温氮化铝层105中存在的内部应力进行释放,使快速生长高温氮化铝层105不会发生开裂,且表面更均匀。分离后得到的氮化铝厚膜106和所述快速生长高温氮化铝层105还可以通过化学、机械抛光等流程,得到可以产业化应用的氮化铝自支撑衬底10。本发明还提供了一种氮化铝自支撑衬底,该氮化铝自支撑衬底通过上述制备方法制作得到。综上所述,本申请实施例中通过在制作氮化铝自支撑衬底时,先在异质衬底上依次制作氮化铝缓冲层、高温氮化铝层、低温氮化铝层、快速生长高温氮化铝层以及氮化铝厚膜,在制作过程中,低温氮化铝层通过形成三维岛状结构,且三维岛状结构之间具有间隙,在制作快速生长高温氮化铝层时,在氮化铝材料没有将三维岛状结构之间的间隙填充满的情况下,氮化铝材料就会快速合拢形成将三维岛状结构封闭的快速生长高温氮化铝层,没有被氮化铝材料填充满的三维岛状结构之间的间隙就可以在低温氮化铝层和快速生长高温氮化铝层的界面处形成大量的空洞,这些空洞就可以减少快速生长高温氮化铝层和低温氮化铝层之间的接触面积,使得快速生长高温氮化铝层和氮化铝厚膜可以同其他层实现自分离,从而得到由快速生长高温氮化铝层和氮化铝厚膜组成的自支撑衬底。快速生长高温氮化铝层与低温氮化铝层之间的高密度、小尺寸的空洞有利于释放应变防止表面开裂,同时提供了位错中止的自由面来降低贯穿位错密度,可以得到位错密度很低的自支撑衬底。该制备方法分离工序简单,成品率高,可以实现高质量氮化铝自支撑衬底的大规模产业化。以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

权利要求:1.一种氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,包括:提供一异质衬底;基于所述异质衬底生长氮化铝缓冲层,所述氮化铝缓冲层包括多个缓冲岛结构;基于所述氮化铝缓冲层生长高温氮化铝层;基于所述高温氮化铝层生长低温氮化铝层,所述低温氮化铝层包括多个三维岛状结构,相邻的三维岛状结构之间具有间隙;基于所述低温氮化铝层沉积氮化铝材料,所述氮化铝材料在没有将所述间隙填充满之前,在所述低温氮化铝层的表面合拢形成快速生长高温氮化铝层,所述三维岛状结构之间的间隙在所述快速生长高温氮化铝层和所述低温氮化铝层界面处形成空洞;基于所述快速生长高温氮化铝层生长氮化铝厚膜;将所述氮化铝厚膜和所述快速生长高温氮化铝层与其他层分离,所述氮化铝厚膜和所述快速生长高温氮化铝层形成氮化铝自支撑衬底。2.根据权利要求1所述的氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,所述氮化铝缓冲层的厚度为5-50nm。3.根据权利要求1所述的氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,所述缓冲岛的横截面尺寸为5-20nm。4.根据权利要求1所述的氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,所述高温氮化铝层的生长温度为1100-1400摄氏度,所述高温氮化铝层的厚度为100-500nm。5.根据权利要求1所述的氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,所述低温氮化铝层的生长温度为800-1100摄氏度,所述低温氮化铝层的厚度为50-500nm。6.根据权利要求1所述的氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,所述快速生长高温氮化铝层的生长速度大于0.5μmh,所述快速生长高温氮化铝层的厚度大于或等于1μm。7.根据权利要求1所述的氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,所述氮化铝厚膜的厚度大于或等于50μm。8.根据权利要求1至7任意一项所述的氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,所述异质衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。9.根据权利要求1至7任意一项所述的氮化铝自支撑衬底的制备方法,其特征在于,所述氮化铝缓冲层通过金属有机物化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积、脉冲激光沉积或分子束外延方法中的任意一种制作;所述高温氮化铝层、低温氮化铝层、快速生长高温氮化铝层通过金属有机物化学气相沉积方法制作。10.一种氮化铝自支撑衬底,其特征在于,该氮化铝自支撑衬底通过权利要求1至9任意一项权利要求所述的制备方法制作得到。

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