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CN111199873A - 一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺及制备的氮化镓和应用 - Google Patents

一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺及制备的氮化镓和应用 Download PDF

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刘江
杨明超
李安鸽
刘成
刘卫华
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Abstract

本发明公开了一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺及制备的氮化镓和应用，将氮化镓样品放置到超临界设备内支架上，保证样品垂直；向超临界设备的腔室内放入双氧水，然后将设备密封；控制压强向超临界设备内充入氧气；将超临界设备温度从25℃升到375～390℃；保持以上超临界状态处理，降压处理并保持；氮化镓样品的表面生长出一层致密的β氧化镓薄膜。本发明创新型的提出了在低温高压的超临界水和氧气的混合环境下，对宽禁带半导体进行快速氧化的工艺，相比于传统的干氧和湿氧氧化方法，该方法优点是快速，低温且所得氧化产物质量好。为宽禁带半导体的进一步应用打下基础。

Description

一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺及制备的氮 化镓和应用
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺及制备的氮化镓和应用，可以在短时间内获得致密性良好的厚层氧化物薄膜。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体材料，凭借其高的临界击穿场强、高的电子饱和漂移速度，正迅速成为高频大功率器件的首选材料。，高质量的栅极氧化层形成，对于器件制备性能起到了决定性作用。目前氮化镓基MOS器件常用栅极绝缘层主要有SiO2,Al2O3等，但是较差的界面质量，严重降低了器件的性能，如何氧化氮化镓生长高质量本征氧化层——β型氧化镓成为人们研究的热点。目前，主流的氮化镓的氧化工艺是干氧和湿氧方法，其特点是高温(大于800℃)条件下长时间(大于1小时)的热氧化，其中存在的问题是氧化产物组分复杂；且高温过程会向氮化镓/氧化镓界面引入热应力，会导致漏电流过大，同时高温下氮化镓的热分解产生了非常大的界面态密度，严重降低了器件的性能。于是人们开始探索是否有其他一些高效可行的工艺来用于氮化镓的氧化。
超临界状态是指某种物质的温度和压力都处于其临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上时的状态，处于此状态下的物质没有气液界面的区别，称为超临界流体(Supercritical Fluids，简称为SCF)。超临界流体具有气体和液体的双重性质，同时又表现出自身独特的性能。其最大的特点是有极高的流动性、传递性和溶解性，，压强通常为几十到几百个大气压。高的反应压力可以避免化合物半导体的分解，与传统的常压或者低压半导体加工工艺完全不同，超临界流体浓度高，扩散性好，是一种创新性的半导体加工工艺。
其中，超临界水(Tc＝374℃，Pc＝22.05MPa)最显著的特点是具备极强的氧化性，可以与氧气(O2)，氨气(NH3)等气体以任意比例互溶本文介绍了一种应用于宽禁带半导体氮化镓的超临界水氧化工艺。
超临界水氧化GaN，采用高压条件可以避免其分解，同时通过增加氧气与水的比例，达到增强超临界流体氧化性的目的从而在低温下快速制备出高质量的氧化物。高的氧化物质量可以降低界面态密度，是制备MOS器件的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺及制备的氮化镓和应用，制备高质量β型氧化镓工艺，具有反应温度低，薄膜质量好，生长速度快的特点。
本发明采用以下技术方案：
一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺，包括以下步骤：
S1、将氮化镓样品放置到超临界设备内支架上，保证样品垂直；
S2、向超临界设备的腔室内放入双氧水，然后将设备密封；
S3、控制压强向超临界设备内充入氧气；
S4、将超临界设备温度从25℃升到375～390℃；
S5、保持以上超临界状态处理，降压处理并保持；
S6、氮化镓样品的表面生长出一层致密的β氧化镓薄膜。
具体的，步骤S2中，双氧水占超临界设备体积的1/6～1/8。
具体的，步骤S3中，压强为10～12MPa。
具体的，步骤S4中，升温速率为7～8℃/min，压强升至25～29MPa，然后保压15～18min。
具体的，步骤S5中，将压强降到0.1～0.3MPa，保持15～20min。
具体的，步骤S6中，待超临界设备的温度降至30～60℃后取出。
本发明的另一个技术方案是，一种氮化镓，根据所述工艺制备而成。
具体的，氮化镓的表面设置有一层厚度500～1000nm的β氧化镓薄膜。
本发明的另一个技术方案是，一种氮化镓基MOS器件，包括所述的氮化镓。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺，在高压下完成对宽禁带半导体的氧化，有效的避免半导体的分解，同时具备氧化过程快速、高效且氧化产物质量高的优点。
进一步的，设定体积比可以使得双氧水充分参与整个超临界反应过程并产生氧气，且无浪费。
进一步的，向反应釜内冲入起始压强10～12MPa，然后使得设备在此压强基础上进行相应的升压过程，同时一定压强的氧气可以增强整个过程的氧化性，保证反应快速有效进行。
进一步的，通过升温处理让双氧水充分分解反应，同时保证整个体系能够达到超临界状态。
进一步的，通过降压避免过度氧化反应的产生，避免将已经产生的氧化层消耗掉。
一种氮化镓，氮化镓氧化产生β氧化镓，氮化镓/β氧化镓界面态密度低，界面质量高。
一种氮化镓基MOS器件，由于氮化镓/β氧化镓界面态密度低，所以制备的氮化镓基MOS器件性能好，为进一步制备氮化镓基高电子迁移率晶体管(HEMT)打下基础。
综上所述，本发明能够快速、高效的在低温环境下完成宽禁带半导体的氧化，且氧化产物质量高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为超临界设备内部示意图；
图2为氧化后氮化镓表面扫描电子显微镜(SEM)图片；
图3为氧化后氮化镓表面原子力显微镜(AFM)图片；
图4为氧化后氮化镓表面X射线衍射(XRD)图片。
具体实施方式
本发明提供了一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺，包括以下步骤：
S1、将氮化镓样品放置到超临界设备内支架上，保证样品垂直；
请参阅图1，氮化镓衬底设置在充满超临界水和氧气的超临界设备内。
S2、向超临界设备的腔室内放入占整个反应釜体积1/6～1/8的双氧水，然后将设备密封；
S3、控制压强10～12MPa，通过气体增压设备向反应釜内充入氧气；
S4、以7～8℃/min的升温速率，将超临界设备内部温度从25℃升到375～390℃，压强升至25～29MPa，然后保压15～18min；
S5、保持以上超临界状态处理，通过背压阀将压强降到0.1～0.3MPa，保持15～20min；
S6、将设备温度降至常温后，经超临界处理的氮化镓表面生长出一层致密β氧化镓薄膜，厚度为500～1000nm，打开设备，将氮化镓取出，用于制作氮化镓基MOS器件。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
实施例1
将氮化镓样品放置到超临界设备内支架上，保证样品垂直，实验中反应釜的体积是240ml，加入30ml双氧水，冲入10MPa氧气，升温到375℃，压强升高到25MPa，保持这一温度和压强15min，然后通过背压阀降压到0.1MPa，取出氮化镓样片。
实施例2
实验中反应釜的体积是240ml，最终加入35ml双氧水，冲入11MPa氧气，升温到383℃，压强升高到27MPa，保持这一温度和压强17min，然后通过背压阀降压到0.2MPa，取出氮化镓样片。
实施例3
实验中反应釜的体积是240ml，最终加入38ml双氧水，11.5MPa氧气，升温到387℃，压强升高到28MPa，保持这一温度和压强18.5min，然后通过背压阀降压到0.3MPa,取出氮化镓样片。
实施例4
实验中反应釜的体积是240ml，最终加入40ml双氧水，12MPa氧气，升温到3905℃，压强升高到29MPa，保持这一温度和压强20min，然后通过背压阀降压到0.3MPa，取出氮化镓样片。
上述的四个实例中，均可以完成对氮化镓样片的氧化，氮化镓表面生长了一层致密的β氧化镓，且氧化镓薄膜的质量厚度基本一样。体现了该方法氧化低温，快速，质量好的优点。
请参阅图2，是对超临界处理后的氮化镓表面的SEM电镜图像，从图中可以看出氮化镓的表面生长了菱形和矩形状的β氧化镓颗粒，比传统800℃以上的干氧氧化的氮化镓表面薄膜更致密，颗粒更大，表明得到的氧化层质量好于传统的干氧氧化方法。
请参阅图3，是对超临界处理后的氮化镓表面的原子力显微镜AFM图像，从图中可以看到氮化镓表面片状的β氧化镓颗粒，并且它的表面粗糙度较为良好，说明超临界处理得到的β氧化镓薄膜质量较好，可以用作氮化镓基MOS器件的制备。
请参阅图4，是对超临界处理后的氮化镓表面的X射线衍射XRD图像，其主要作用是来分别表面形成的物质颗粒具体是一种什么物质，通过比对β氧化镓的标准PDF卡片，判断表面确实生长了一层β氧化镓薄膜，并且衍射峰越强，说明表面这一种物质存在的浓度或者比例越大，从图中我们可以看到超临界处理得到的氮化镓表面β氧化镓的衍射峰强度大，说明此种方法对于氮化镓氧化是高效的。
综上所述，本发明创新型的提出了在低温高压的超临界水和氧气的混合环境下，对宽禁带半导体进行快速氧化的工艺，相比于传统的干氧和湿氧氧化方法，该方法优点是快速，低温且所得氧化产物质量好。为宽禁带半导体的进一步应用打下基础。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超临界的高质量宽禁带半导体氧化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将氮化镓样品放置到超临界设备内支架上，保证样品垂直；
S2、向超临界设备的腔室内放入双氧水，然后将设备密封；
S3、控制压强向超临界设备内充入氧气；
S4、将超临界设备温度从25℃升到375～390℃；
S5、保持以上超临界状态处理，降压处理并保持；
S6、氮化镓样品的表面生长出一层致密的β氧化镓薄膜。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤S2中，双氧水占超临界设备体积的1/6～1/8。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤S3中，压强为10～12MPa。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤S4中，升温速率为7～8℃/min，压强升至25～29MPa，然后保压15～18min。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤S5中，将压强降到0.1～0.3MPa，保持15～20min。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤S6中，待超临界设备的温度降至30～60℃后取出。
7.一种氮化镓，其特征在于，根据权利要求1所述工艺制备而成。
8.根据权利要求7所述的氮化镓，其特征在于，氮化镓的表面设置有一层厚度500～1000nm的β氧化镓薄膜。
9.一种氮化镓基MOS器件，其特征在于，包括权利要求7或8所述的氮化镓。
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