高温微波等离子体沉积氮化铝薄膜、其制备方法与应用

本发明涉及气相沉积，尤其涉及一种高温微波等离子体沉积氮化铝薄膜、其制备方法与应用。

背景技术：

1、半导体行业的蓬勃发展，推动着人类信息社会的发展和进步，同时推动着半导体材料制备方法及器件制作技术不断进步与创新，半导体技术已经成为衡量国家科技实力的重要标志之一。作为半导体技术的重要基石，半导体材料的已发展过三个重要阶段，包括以硅(si)为代表的第一代半导体，以砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)为代表的第二代半导体，以及以碳化硅(sic)、氮化镓(gan)、氧化锌(zno)等为代表的第三代半导体，其中，第三代半导体也被称为宽禁带半导体。

2、目前，si基半导体工艺较为成熟，但si材料逐渐无法满足高频率大功率器件的材料性能需求，第二代半导体材料同样面对在高温高压等条件下的可靠性问题，而第三代半导体的出现正是为了克服第一代和第二代半导体遇到的问题，促进微电子技术及集成电路技术向高温、高频、抗辐射及大功率电子器件方向发展。

3、近年来，以氮化铝(aln)、氮化硼(bn)、金刚石等为代表的超宽禁带半导体(eg＞3.4ev)材料正凭借着更优异的高频高功率特性、强极端条件稳定性和低能量损耗等优势引起了学术界的广泛关注。

4、aln等超宽禁带半导体具有高绝缘、高热导率、高击穿场强、较强的抗辐射能力以及强化学稳定性和热稳定性等优良特性，在超高压电力电子器件、射频电子发射器、深紫外光电探测器、量子通信和极端环境应用等领域都展现出巨大的应用前景。

5、尤其是aln超宽禁带半导体具有高热导率、高击穿场强、强化学稳定性和热稳定性等优异特性。基于这些优异的特性，aln在超高压电子器件、深紫外光电探测器、量子通信等领域展现出巨大的应用前景。

6、然而，现有技术中，aln薄膜有多种制备技术，应用较多的有脉冲激光沉积(pld)、溅射、分子束外延(mbe)以及金属有机物化学气相沉积(mocvd)等。

7、不同的制备方法和制备条件会引起aln薄膜结构和性质的差异，主要方法有高温生长法、两步生长法及多步生长法等。但是高质量aln薄膜的制备通常需要高的生长温度，而常用的cvd设备对于实现较高生长温度比较困难，因为高温生长往往需要设计特殊的生长反应室以及加热器，且高温会造成反应室上下壁间存在较大温差，极易产生强烈的热对流，从而影响aln薄膜的均匀性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高温微波等离子体沉积氮化铝薄膜、其制备方法与应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种高温微波等离子体沉积的氮化铝薄膜的制备方法，包括：

4、1)于mpcvd生长设备中置入衬底，在包含氮气的第一气氛下，对生长腔室及衬底进行预处理；

5、2)在包含氢气的第二气氛以及第一温度下，利用微波进行启辉形成等离子体，所述等离子体至少衬底表面接触；

6、3)通过调整所述第二气氛的压强和/或微波功率，使所述等离子体的温度上升；

7、4)当所述等离子体上升至第二温度后，向所述mpcvd生长设备中通入氢气、氮源以及铝源，形成第三气氛，先形成成核层，然后在所述成核层的表面进行氮化铝薄膜的外延生长；

8、其中，所述第二温度在1200℃以上，所述铝源包括有机铝。

9、第二方面，本发明还提供一种由上述制备方法制得的氮化铝薄膜。

10、第三方面，本发明还提供上述氮化铝薄膜在制作半导体器件中的应用。

11、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

12、本发明所提供的制备方法采用低温启辉加高温生长的微波等离子体沉积方式，并通过控制气体压强以及微波功率可控地调整等离子体的表面温度以及衬底的表面温度，因而在化学气相沉积中实现了较高的外延生长温度，此外在启辉的同时还完成了对成核层的退火重结晶处理，进而能够获得具有较高生长质量的氮化铝薄膜；

13、同时/或者，本发明所提供的制备方法可以实现氮气作为氮源的氮化铝薄膜生长，相比于传统的氨气氮源，具有低毒性、低成本以及绿色环保的特点。

14、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种高温微波等离子体沉积氮化铝薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)具体包括：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述第二气氛的压力为3-10torr；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二温度为1200-1600℃，优选为1300-1450℃，进一步优选为1400-1450℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮源包括氮气；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，氢气与氮气的总流量为500-700sccm；

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述第三气氛的压强为130-140torr；

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底包括碳化硅、硅、蓝宝石衬底中的任意一种；

9.由权利要求1-8中任意一项所述的制备方法制得的氮化铝薄膜；

10.权利要求9所述的氮化铝薄膜在制作半导体器件中的应用；

技术总结本发明公开了一种高温微波等离子体沉积氮化铝薄膜、其制备方法与应用。所述制备方法包括：对衬底进行预处理；启辉形成等离子体，等离子体至少与衬底接触；调整压强和/或功率，使等离子体的温度上升；上升至第二温度后，通入氢气、氮源以及铝源，形成第三气氛，进行外延生长；第二温度在1200℃以上，铝源包括有机铝。本发明所提供的制备方法采用低温启辉加高温生长的方式，并控制压强以及功率可控地调整温度，因而实现了较高的外延生长温度，启辉的同时还完成了退火重结晶处理，进而能够获得具有较高生长质量的氮化铝薄膜；同时，可以实现氮气作为氮源的氮化铝薄膜生长，具有低毒性、低成本以及绿色环保的特点。技术研发人员：邓田田,张丽,张璇,张立国,曾中明,张宝顺受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/19