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CN113921375A - 一种SiC基GaN外延结构的制作方法 - Google Patents

一种SiC基GaN外延结构的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SiC基GaN外延结构的制作方法，本方法通过在PVD装置内生长AlN层，避免MOCVD原位生长AlN来有效提升MOCVD的生产效率和稳定性。由于AlN层和GaN基外延结构的形成分别在PVD和MOCVD反应室完成，SiC衬底上的AlN层在MOCVD反应室外完成生长，不存在MOCVD设备原位生长AlN层的情况，MOCVD设备中的石墨件表面只覆盖有GaN，不存在AlN，可以避免石墨件出现起皮掉颗粒的现象，从而影响后续膜层生长质量。因此本发明无需对MOCVD反应室内的石墨件进行频繁更换或清理，可以节省石墨件清洗或更换的时间，有效提升SiC基GaN外延结构的生产效率和稳定性，降低生产成本。

Description

一种SiC基GaN外延结构的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种SiC基GaN外延结构的制作方法。
背景技术
GaN材料作为第三代半导体的典型代表，具有高性能、高可靠性、低成本等优点。GaN材料的其中一种重要应用为高电子迁移率晶体管(High Electron MobilityTransistor，HEMT)，HEMT具有超高速、低功耗与低噪声等优点，被广泛地应用于高频信号处理、卫星通信、微波与毫米波器件等领域。
在以HEMT为例的GaN基外延材料的制作工艺中，GaN基外延材料制作在蓝宝石、SiC等衬底上，由于衬底与GaN存在晶格不匹配问题，如SiC与GaN间晶格失配率为3.5％，需要引入一定厚度(纳米级)的成核层(AlGaN或AIN)来减小该失配引起的界面张力。该成核层对减小界面失配、缺陷或陷阱效应引起的电流崩塌，降低静态电流泄漏及射频传导和改善射频性能有重要作用。
通常采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的GaN基外延材料，在生长GaN基外延材料之前需要采用MOCVD原位生长的AlN层作为成核层，MOCVD生长高质量AlN的温度需大于1100℃且生长速率缓慢，AlN层生长耗时占总时间的约1/3。在MOCVD设备中生长AlN时，在MOCVD反应室腔体石墨件上会覆盖有十分致密的AlN，每炉生长结束需炉外高温烘烤或者原位用Cl2刻蚀清理石墨件去除AlN，否则下一炉生长时由于石墨件的表面中既覆盖有AlN又覆盖有GaN，二者之间由于大的应力，在石墨件上非常容易起皮产生颗粒，从而严重影响连续生长第二炉外延结构的质量。将反应室石墨件进行炉外高温烘烤时需要进行更换备件，并在MOCVD反应室内更换新备件，更换备件耗时长且对石墨件一致性要求高。若在MOCVD反应室内石墨件采用原位Cl2清理，则将会占掉设备1/3～1/2产能，使生产效率降低，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种提升SiC基GaN外延结构生长效率的制作方法。为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种SiC基GaN外延结构的制作方法，包括以下步骤：
1)将SiC衬底放置于PVD装置内生长AlN层；
2)将其中一批次的形成有AlN层的SiC衬底从所述PVD装置转移至MOCVD反应室内；
3)在所述MOCVD反应室内通过MOCVD工艺生长GaN基外延结构，生长结束后将所述SiC衬底转移至下一工序；
4)无需清洁所述MOCVD反应室内的石墨件，多次重复步骤2-3将其它每一批次的形成有AlN层的SiC衬底依次转移至所述MOCVD反应室内完成连续多炉次生长GaN基外延结构。
在可选的实施例中，所述步骤1的AlN层在MOCVD反应室外采用PVD溅射工艺完成，PVD溅射工艺的气氛为N2/Ar/微量O2，温度为150-500℃，压力为3-10mTorr，所述AlN层的生长速度为
Figure BDA0003229808880000021
在可选的实施例中，所述AlN层的厚度为10nm-50nm，C含量小于1E16Atoms/cm3。
在可选的实施例中，所述步骤3还包括在MOCVD反应室内对AlN层进行回火处理，回火处理的气氛为N2/H2混合气体，温度为1050-1200℃，时间为10min-20min。
在可选的实施例中，所述步骤4中所述连续多炉次中的炉次数大于2小于20。
在可选的实施例中，步骤4中所述无需清洁所述MOCVD反应室内的石墨件包括：每炉反应结束后无需对MOCVD反应室石墨件进行更换或原位Cl2清洁。
在可选的实施例中，所述GaN基外延结构包括GaN层和/或HEMT结构势垒层。
在可选的实施例中，所述GaN层包括依次设于所述AlN层上的第一GaN层、第二GaN层和第三GaN层。
在可选的实施例中，所述第一GaN层中Al含量为0-5％，所述第一GaN层的C含量为5E16-1E17Atoms/cm3，所述第二GaN层的C含量小于5E16 Atoms/cm3，所述第三GaN层的C含量小于1E16 Atoms/cm3。
在可选的实施例中，所述第一GaN层的生长温度为800-1000℃，压力为500-700mbar，生长速率为0.5-1um/h；所述第二GaN层的生长温度为1050℃-1100℃，压力为200-300mbar，生长速率为1.2-2um/h；所述第三GaN层的生长温度为1000℃-1080℃，压力为200-300mbar，生长速率为1.2-2um/h。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的SiC基GaN外延结构的制作方法在PVD装置内完成AlN层的制作，再将溅镀有AlN层的SiC衬底转移至MOCVD反应室内完成GaN基外延结构的制作，由于SiC衬底上的AlN层已经在MOCVD反应室外完成生长，石墨件上只覆盖有GaN，不存在应力，在石墨件上不会出现起皮掉颗粒现象，同一石墨件可连续使用10-20炉次，极大提升了MOCVD生产效率。
(2)本发明避免了原位生长AlN耗时、反应室清理耗时等问题，可使MOCVD设备单台产能提升30％～50％，降低生产成本。
(3)本发明获得的GaN基外延结构与传统方式MOCVD原位生长AlN后得到的GaN基外延结构具有相同性能，不会对器件性能造成很大的影响。
附图说明
图1为本申请的实施例的SiC基GaN外延结构的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
本发明可以适用于MOCVD生长SiC基GaN材料的工艺中，以下实施例以HEMT器件的制作工艺为例进行详细解释。
请参考图1，本申请的实施例提出了一种SiC基GaN外延结构的制作方法，包括以下步骤：
(1)将SiC衬底放置于PVD装置内，在SiC衬底上采用PVD溅射工艺生长厚度为10nm-50nm的AlN层。具体地，将洁净的SiC衬底在无尘环境下放入PVD装置中进行AlN溅镀，在N2/Ar/微量O2氛围下进行溅镀，溅镀时间为20s-100s，温度为150-500℃，压力为3-10mTorr，所述AlN层的生长速度为
Figure BDA0003229808880000041
得到的所述AlN层的C含量小于1E16Atoms/cm3。AlN层作为成核层可以解决SiC与GaN之间的晶格不匹配问题，减小界面失配、缺陷或陷阱效应引起的电流崩塌。在本实施例中，可以将SiC衬底一个一个放入PVD装置内，也可以多个SiC衬底一起放入PVD装置内，优选地，可将多片SiC衬底同时放在同一托盘上一次性多片批量进行PVD溅镀AlN层，进一步提升生产效率。
(2)将其中一个批次的形成有AlN层的SiC衬底从PVD装置内转移至MOCVD反应室内，并对AlN层进行回火处理，使溅镀完成的AlN层再结晶。回火处理在气氛为N2/H2混合气体下进行，回火处理的温度为1050-1200℃，时间为10min-20min。经过回火处理之后可以得到高质量的AlN层，使得PVD溅镀得到的AlN层与在MOCVD反应室内生长的AlN层的性能相当，可以有效改善SiC基GaN外延结构的射频性能。一个批次的形成有AlN层的SiC衬底可以是一个一个放入MOCVD反应室内，也可以是多个形成有AlN层的SiC衬底一起放入MOCVD反应室内。
(3)在所述AlN层上采用MOCVD工艺生长GaN层。其中所述GaN层包括依次设于所述AlN层上的第一GaN层、第二GaN层和第三GaN层。具体地，所述第一GaN层中Al含量为0-5％，所述第一GaN层的C含量为5E16-1E17 Atoms/cm3，所述第二GaN层的C含量小于5E16 Atoms/cm3，所述第三GaN层的C含量小于1E16 Atoms/cm3。在HEMT器件中GaN层与势垒层之间形成二维电子气。所述GaN层的具体生长条件如下：
首先，在MOCVD设备中生长厚度为100nm-300nm的第一GaN层，所述第一GaN层的生长温度为800-1000℃，压力为500-700mbar，生长速率为0.5-1um/h。
其次，在MOCVD设备中升温生长厚度为500nm-1000nm的第二GaN层，所述第二GaN层的生长温度为1050℃-1100℃，压力为200-300mbar，生长速率为1.2-2um/h。
最后，在MOCVD设备中继续生长厚度为100nm-200nm的第三GaN层，所述第三GaN层的生长温度为1000℃-1080℃，压力为200-300mbar，生长速率为1.2-2um/h。
(4)在所述GaN层上采用MOCVD工艺生长HEMT结构势垒层。生长HEMT结构势垒层后，即完成GaN基外延结构的生长，再将SiC衬底转移到下一个工序，MOCVD反应室无需清洗或更换石墨件，也就是每炉反应结束后无需对MOCVD反应室石墨件进行更换或原位Cl2清洁。将另一批次的形成有AlN层的SiC衬底放入MOCVD反应室内进行回火处理，并在AlN层上通过MOCVD工艺生长GaN基外延结构，再将SiC衬底转移到下一个工序，依次类推，其它每一批次的形成有AlN层的SiC衬底依次连续放入所述MOCVD反应室内完成连续多炉次生长GaN基外延结构。具体地，所述连续多炉次中的炉次数大于2小于20。
以上过程中所述AlN层与GaN基外延结构的生长分别在PVD和MOCVD两种设备中进行，MOCVD反应室内的石墨件表面不会存在AlN与GaN两种覆盖层，就可以避免由于AlN与GaN两种覆盖层之间存在的应力，导致出现起皮现象产生颗粒，从而影响下一炉次MOCVD工艺生长膜层的质量。因此也无需频繁更换石墨件或者对石墨件进行频繁清理，同一石墨件可连续使用10-20炉次，极大提升了MOCVD的生产效率。
在已经形成有AlN层的SiC衬底上采用MOCVD工艺进行GaN基外延结构的生长，最终制作得到的HEMT器件的外延结构的性能与传统MOCVD原位生长AlN层和GaN基外延结构的性能一样。并且将AlN层和GaN基外延结构分开在两种PVD装置和MOCVD反应室中制作，两种设备的运行可以实现连续，减少在MOCVD原位生长高质量AlN所需的时间，有效提升生产效率。由于在不同批次的SiC基GaN外延结构制作工序之间无需清理或更换石墨件，因此单台MOCVD设备的生产效率可以提升30％-50％。
本发明无需在MOCVD的反应腔室内生长AlN层，只需生长GaN基外延结构，因此无需对MOCVD的反应室内的石墨件进行更换或清洗，大大降低生产时间和成本，有效提高生产效率，本发明的SiC基GaN外延结构的制作方法可以推广至MOCVD生长SiC基GaN材料的制程中。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种SiC基GaN外延结构的制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将SiC衬底放置于PVD装置内生长AlN层；
2)将其中一批次的形成有AlN层的SiC衬底从所述PVD装置转移至MOCVD反应室内；
3)在所述MOCVD反应室内通过MOCVD工艺生长GaN基外延结构，生长结束后将所述SiC衬底转移至下一工序；
4)无需清洁所述MOCVD反应室内的石墨件，将其它每一批次的形成有AlN层的SiC衬底依次转移至所述MOCVD反应室内完成连续多炉次生长GaN基外延结构。
2.根据权利要求1所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：所述步骤1的AlN层采用PVD溅射工艺完成，PVD溅射工艺的气氛为N2/Ar/微量O2，温度为150-500℃，压力为3-10mTorr，所述AlN层的生长速度为
Figure FDA0003229808870000011
3.根据权利要求1所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：所述AlN层的厚度为10nm-50nm，C含量小于1E16Atoms/cm3。
4.根据权利要求1所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：所述步骤3还包括在MOCVD反应室内对AlN层进行回火处理，回火处理的气氛为N2/H2混合气体，温度为1050-1200℃，时间为10min-20min。
5.根据权利要求1所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：所述步骤4中所述连续多炉次中的炉次数大于2小于20。
6.根据权利要求1所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：步骤4中所述无需清洁所述MOCVD反应室内的石墨件包括：每炉反应结束后无需对MOCVD反应室石墨件进行更换或原位Cl2清洁。
7.根据权利要求1所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：所述GaN基外延结构包括GaN层和/或HEMT结构势垒层。
8.根据权利要求7所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：所述GaN层包括依次设于所述AlN层上的第一GaN层、第二GaN层和第三GaN层。
9.根据权利要求8所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：所述第一GaN层中Al含量为0-5％，所述第一GaN层的C含量为5E16-1E17Atoms/cm3，所述第二GaN层的C含量小于5E16 Atoms/cm3，所述第三GaN层的C含量小于1E16Atoms/cm3。
10.根据权利要求8所述的SiC基GaN外延结构的制作方法，其特征在于：所述第一GaN层的生长温度为800-1000℃，压力为500-700mbar，生长速率为0.5-1um/h；所述第二GaN层的生长温度为1050℃-1100℃，压力为200-300mbar，生长速率为1.2-2um/h；所述第三GaN层的生长温度为1000℃-1080℃，压力为200-300mbar，生长速率为1.2-2um/h。
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