CN115565876A - 基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件，涉及半导体领域。在该制作方法中，通过先后以低温和高温分别生长第一AlN层和第二AlN层可以获得低位错密度的复合AlN成核层。而高晶体质量的复合AlN成核层与硅衬底具有较好的界面浸润性，能够减缓GaN基缓冲层应力弛豫，增加外延薄膜中存储应力，减小异质外延中GaN基缓冲层的位错密度从而改善器件电性。而交替通入铝源和氮源的方式形成的第一AlN层能够减少铝源和氮源的预反应，从而提高第一AlN层的质量。本申请提供的基于硅衬底的氮化物外延结构由上述制作方法制得，半导体器件包括上述结构。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件。
背景技术
作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。但GaN基高压材料和相关器件存在生产成本高的问题。因此，在硅衬底上制备GaN基外延材料和器件，是平衡性能和成本的较佳解决方案。但由于GaN和硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，在硅衬底上生长GaN基材料单晶是非常困难的。特别是GaN基材料和硅衬底之间的热失配会在高温生长GaN基外延材料结束后，在降温过程中引入大的张应力，容易导致外延片强烈翘曲甚至龟裂。
发明内容
本申请的目的在于提供基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件，降低氮化物外延结构在硅衬底上因应力而破坏的风险，从而降低基于硅衬底的氮化物外延结构的生产难度和成本。
本申请是这样实现的：
第一方面，本申请提供一种基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，包括：
在硅衬底上生长第一AlN层，在硅衬底上生长第一AlN层的过程包括至少一个生长周期，在任意一个生长周期内，先向生长界面提供铝源，停止提供铝源后，再向生长界面提供氮源；
在第一AlN层上生长第二AlN层，第二AlN层的生长温度高于第一AlN层的生长温度；
在第二AlN层上生长GaN基缓冲层；
在缓冲层上生长GaN沟道层；
在GaN沟道层上生长势垒层；
在势垒层上生长帽层，帽层为GaN帽层或P型GaN帽层。
第二方面，本申请提供一种基于硅衬底的氮化物外延结构，由上述第一方面中任一项的制作方法制得。
第三方面，本申请提供一种基于硅衬底的氮化物外延结构，包括依次层叠设置的硅衬底、第一AlN层、第二AlN层、GaN基缓冲层、GaN沟道层、势垒层以及帽层，第一AlN层包括至少一层AlN子层，AlN子层中靠近硅衬底一侧的铝浓度大于远离硅衬底一侧的铝浓度，帽层为GaN帽层或P型GaN帽层。
第四方面，本申请提供一种半导体器件，包括前述第三方面、第四方面中任一项的基于硅衬底的氮化物外延结构。
本申请具有以下有益效果：
本申请实施例的制作方法中，通过先在硅衬底生长第一AlN层作为低温AlN界面层，可以有效避免硅衬底与AlN生长中N原子寄生反应从而具有较大的生长窗口。相较于硅衬底表面直接生长第二AlN层，作为低温AlN界面层的第一AlN层可以减小界面N原子和硅衬底间扩散，提高外延层晶体质量。相较于高温快速生长的第二AlN层，第一AlN层生长速率较慢，在低温慢速生长条件下能更好地释放应力，减少晶格失配和热失配，提高AlN的晶体质量。通过先后生长第一AlN层和第二AlN层可以获得低位错密度的复合AlN成核层。而高晶体质量的复合AlN成核层与硅衬底具有较好的界面浸润性，能够减缓GaN基缓冲层应力弛豫，增加外延薄膜中存储应力，减小异质外延中GaN基缓冲层的位错密度从而改善器件电性。利用高晶体质量的复合AlN成核层，能够获得高晶体质量、低翘曲的GaN基缓冲层，从而获得结构稳定性较佳的基于硅衬底的氮化物外延结构。并且，在硅衬底上生长第一AlN层的过程包括至少一个生长周期，在任意一个生长周期内，先向生长界面提供铝源，停止提供铝源后，再向生长界面提供氮源。这样使得Al原子的表面迁移时间增加，降低了铝源和氮源的预反应，从而避免因预反应加剧而恶化AlN自身的质量。
本申请实施例提供的半导体器件包含上述制作方法制得的基于硅衬底的氮化物外延结构，其具备较佳的性能以及结构稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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为本申请一种实施例中基于硅衬底的氮化物外延结构的示意图；
图2为本申请一种实施例中基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法的流程图；
图3为本申请一种实施例中生长第一AlN层时铝源和氮源的通入情况示意图。
主要元件符号说明：010-氮化物外延结构；100-硅衬底；200-复合AlN成核层；210-第一AlN层；220-第二AlN层；300-GaN基缓冲层；310-AlGaN缓冲层；320-GaN缓冲层；400-GaN沟道层；500-势垒层；600-帽层。
具体实施方式
随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得高于1500cm2/Vs的电子迁移率，以及高达3×107cm/s的峰值电子速度和2×107cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管HEMT在微波大功率器件方面具有较好的应用前景。为了替代现有的硅基电力电子器件，GaN基高压材料和器件需要在保持高性能的前提下极大地降低生产成本，因此在硅衬底上制备GaN基外延材料和器件，是平衡性能和成本的较佳解决方案。大尺寸硅衬底上生长平整的GaN基外延材料由于GaN和硅衬底之间存在巨大的晶格失配(-17％)和热失配(116％)，在硅衬底上生长GaN基材料单晶是非常困难的。特别是GaN基材料和硅衬底之间的热失配会在高温生长GaN基外延材料结束后，在降温过程中引入大的张应力(>1GPa)，这个由于热失配引起的张应力会导致外延片强烈翘曲甚至龟裂。因此，如何避免硅衬底上生长GaN基材料时外延材料的龟裂，降低大尺寸硅衬底上GaN基外延材料的翘曲，是现有工艺中需要解决的问题。
另外，大尺寸硅衬底上GaN基异质结结构的生长和优化GaN基异质结结构中，AlGaN势垒层受到了GaN沟道层施加的张应力，应力的释放会在异质结中引入各种缺陷，从而造成GaN基高压开关器件电学性能的下降和可靠性的问题。而硅衬底上GaN基异质结结构的生长则更为困难，因为硅衬底上GaN基材料具有更高的缺陷密度(包括位错和背景杂质)，而且GaN基材料受到更大的应力，此应力会与异质结结构中的应力累加，更多的缺陷和更大的应力会促使硅衬底上GaN基异质结结构中应力的加速释放(即应力弛豫加剧)，造成器件的可靠性问题。
为了缓解现有工艺所面临的上述至少一个问题，本申请实施例提供一种基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，通过在硅衬底表面生长包含第一AlN层和第二AlN层的复合AlN成核层，以改善硅原子与镓原子的金属互溶，获得高晶体质量的氮化镓外延结构。此外本申请实施例还提供一种包含上述制作方法制得的基于硅衬底的氮化物外延结构的半导体器件。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
图1为本申请一种实施例中基于硅衬底的氮化物外延结构010的示意图。如图1所示，本申请实施例提供的基于硅衬底的氮化物外延结构010，包括依次层叠设置的硅衬底100、第一AlN层210、第二AlN层220、GaN基缓冲层300、GaN沟道层400、势垒层500以及帽层600。本实施例中，GaN基缓冲层300包括层叠设置的AlGaN缓冲层310和GaN缓冲层320，AlGaN缓冲层310与第二AlN层220接触，GaN缓冲层320与GaN沟道层400接触。帽层600为GaN帽层或P型GaN帽层。
在本申请实施例中，第一AlN层210的生长温度低于第二AlN层220。具体的，第一AlN层210是在不高于900℃的温度下生长得到的，第二AlN层220是在不低于1000℃的温度下生长得到的，第一AlN层210和第二AlN层220构成了复合AlN成核层200，用于生长GaN基外延结构。
在本申请实施例中，第一AlN层210包括至少一层AlN子层，AlN子层中靠近硅衬底100一侧的铝浓度大于远离硅衬底100一侧的铝浓度。第一AlN层210是由一个AlN子层或多个层叠的AlN子层构成，这种结构是通过一个或多个生长周期的生长得到的，每个生长周期生长得到一个AlN子层。每一个AlN子层中靠近硅衬底100一侧的铝浓度大于远离硅衬底100一侧的铝浓度，这是由于在每个AlN子层的生长周期内，都是先向生长界面提供铝源，停止提供铝源后，再向生长界面提供氮源，如此来形成AlN子层。这种先后通铝源和氮源的生长方法的优势在于，增加了Al原子的表面迁移时间，降低了铝源和氮源之间的预反应，从而提高了AlN子层的生长质量，也就提高了第一AlN层210的质量。而这种生长方式得到的AlN子层就具有靠近硅衬底100一侧的铝浓度大于远离硅衬底100一侧的铝浓度的特征。
进一步的，第二AlN层220也可以包含一个或多个AlN子层，每个AlN子层也通过先向生长界面提供铝源，停止提供铝源后，再向生长界面提供氮源，如此来形成第二AlN层220。
在本实施例中，硅衬底100的厚度为600～1200μm，选用尺寸为2～10inch的低阻硅衬底或高阻硅衬底。
进一步的，第一AlN层210的厚度为2～10nm，第二AlN层220的厚度为100～300nm。AlGaN缓冲层310的厚度为2～3.5μm，GaN缓冲层320的厚度为1～2.5μm。GaN沟道层400的厚度为100～500nm。
在一种可选的实施例中，势垒层500为一层AlGaN势垒层；在可选的另一中实施例中，势垒层500包括一层AlGaN势垒层以及设置在AlGaN势垒层与GaN基缓冲层300之间的一层AlN插层。AlGaN势垒层的厚度可选为10～30nm，AlN插层的厚度可选为1～1.5nm。
帽层600外延在AlGaN势垒层500上，当帽层600为GaN帽层时，厚度可选为1～3nm；当帽层600为P型GaN帽层时，厚度可选为50～150nm。
图2为本申请一种实施例中基于硅衬底的氮化物外延结构010的制作方法的流程图。该制作方法即用于制作上述的基于硅衬底的氮化物外延结构010，该制作方法包括：
步骤S100，在硅衬底上生长第一AlN层，在硅衬底上生长第一AlN层的过程包括至少一个生长周期，在任意一个生长周期内，先向生长界面提供铝源，停止提供铝源后，再向生长界面提供氮源。
在本实施例中，在生长第一AlN层210之前，可以对硅衬底100进行退火处理，从而减少其内部应力，避免后续在硅衬底100上生长外延结构时硅衬底100发生形变而降低外延结构的品质。退火处理的保温温度可选为1100℃，持续15分钟。
在硅衬底100上生长第一AlN层210时，可以交替地向反应室通入铝源和氮源，以逐层地形成第一AlN层210。具体的，在硅衬底100上生长第一AlN层210的过程包括多个生长周期，在任意一个生长周期内，先向生长界面提供铝源，停止提供铝源后，再向生长界面提供氮源，如此一来，在多个生长周期中来看，铝源和氮源便是交替提供的。在这种生长方式下，每一个生长周期均能够生长形成一层AlN子层。并且，通过这种方式生长的每一个AlN子层中，靠近硅衬底100一侧的铝浓度大于远离硅衬底100一侧的铝浓度。在每一个AlN子层的生长周期中，都是先通铝再通氮，使得Al原子的表面迁移时间增加，降低了铝源和氮源的预反应，从而避免因预反应加剧而恶化AlN自身的质量，从而提高AlN子层乃至整个第一AlN层210的质量。具体的，第一AlN层210的生长温度不高于900℃，生长速率可选为0.5～5nm/min，反应室压力为50～100torr，转速为80～120rpm。
图3为本申请一种实施例中生长第一AlN层210时铝源和氮源的通入情况示意图。铝源可选为三甲基铝(TMAl)，氮源可选为NH3。如图3所示，首先预通三甲基铝，先在硅衬底100上铺一层Al原子；然后通入NH3，进行氮化反应得到AlN子层，此过程一个生长周期；后续采用相同的方式继续生长AlN子层，最终得到第一AlN层210。第一AlN层210的生长温度可选为700～900℃，比如700℃、750℃、800℃、850℃、900℃，或者任意两个点值之间的值。因为生长温度低于900℃，所以生长速率较慢。而硅衬底100和AlN之间存在一定程度的晶格失配和热失配，在低温慢速的生长条件下能更好地释放应力，减少失配，提高AlN层的晶体质量。
可选的，在任意一个生长周期内，提供铝源的持续时长与提供氮源的持续时长相等。一个生长周期的时长以及生长周期的数量可以根据所需的第一AlN层210的厚度来决定。在本实施例中，第一AlN层210的生长厚度为2～10nm。
在可选的实施例中，不同生长周期(周期数＞2)其生长温度可以递增，换言之，在硅衬底100上生长第一AlN层210的过程包括多个生长周期的情况下，在相邻的两个生长周期中，在先的生长周期的生长温度低于在后的生长周期的生长温度。
步骤S200，在第一AlN层上生长第二AlN层，第二AlN层的生长温度高于第一AlN层的生长温度。
在本实施例中，可采用与生长第一AlN层210类似的逐层生长方式来生长第二AlN层220。具体的，第二AlN层220的生长温度不低于1000℃，生长速率为5～20nm/min，转速为80～120rpm。周期性预通铝源然后再通氮源进行氮化反应的方法，能够提高生长得到的AlN层的Al原子迁移率，降低表面粗糙度。多周期逐层生长AlN层可以避免硅衬底100和AlN界面粗化，提高复合AlN成核层200生长窗口，从而为制作GaN基外延结构创造良好条件。
生长温度较低会使Al原子在材料表面迁移变弱、AlN成核岛密度较低，影响后续GaN生长中岛间合并；而温度较高又会加剧TMAl和NH3的预反应，恶化AlN自身的质量。因此本实施例采用先低温再高温生长AlN层(即先低温生长第一AlN层210，再高温生长第二AlN层220)，而间歇供氨生长的AlN增加了Al原子的表面迁移时间，降低了TMAl和NH3的预反应，增强了AlN成核岛的合并和二维生长模式，可得到晶体质量较好和应力较小的复合AlN成核层200。第一AlN层210和第二AlN层220组成的复合AlN成核层200可以减小穿透位错密度，从而改善后续生长的缓冲层的晶体质量和增加缓冲层应力存储，从而提高外延层晶体质量。
可选的，第二AlN层220的生长厚度为100～300nm。
步骤S300，在第二AlN层上生长GaN基缓冲层。
在本实施例中，首先在第二AlN层220上生长AlGaN缓冲层310；然后在AlGaN缓冲层310上生长GaN缓冲层320，以得到GaN基缓冲层300。可选的，AlGaN缓冲层310的生长厚度为2～3.5μm，GaN缓冲层320的生长厚度为1～2.5μm。
步骤S400，在缓冲层上生长GaN沟道层。
可选的，GaN沟道层400的生长厚度为100～500nm
步骤S500，在GaN沟道层上生长势垒层。
在一种实施例中，步骤S500具体包括：在GaN沟道层上生长AlGaN势垒层。在另一种可选的实施例中，步骤S500具体包括：在GaN沟道层400上生长AlN插层，在AlN插层上生长AlGaN势垒层。可选的，AlGaN势垒层的生长厚度为10～30nm，AlN插层的生长厚度为1～1.5nm。
步骤S600，在势垒层上生长帽层，帽层为GaN帽层或P型GaN帽层。
通过上述步骤，可制得本申请实施例的基于硅衬底的氮化物外延结构010。本申请实施例中，在第一AlN层210上方生长第二AlN层220进而获得高晶体质量的复合AlN成核层200，周期性预通TMAl和氮化方法一方面减少了不同的反应物在到达硅衬底100之前发生预反应的机会，抑制了预反应产物淀积引起的材料缺陷；另一方面，令铝源中金属原子在与N原子反应成键之前获得足够时间在材料表面横向迁移，有利于原子结合到晶体中有规则地排列，增强二维表面覆盖，提高结晶质量。第一AlN层210可以有效避免硅衬底100与AlN生长中N原子寄生反应从而具有较大的生长窗口，同时可以获得平整的高晶体质量的AlN层。通过结合第一AlN层210和第二AlN层220可以获得低位错密度的复合AlN成核层200，高晶体质量的复合AlN成核层200与硅衬底100具有较好的界面浸润性，通过减缓缓冲层应力弛豫，增加外延薄膜中存储应力，减小异质外延中缓冲层的位错密度从而改善器件电性。
本申请实施例还提供一种半导体器件，包括上述制作方法制得的基于硅衬底的氮化物外延结构010。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，包括：
在硅衬底上生长第一AlN层，在所述硅衬底上生长所述第一AlN层的过程包括至少一个生长周期，在任意一个所述生长周期内，先向生长界面提供铝源，停止提供所述铝源后，再向所述生长界面提供氮源；
在所述第一AlN层上生长第二AlN层，所述第二AlN层的生长温度高于所述第一AlN层的生长温度；
在所述第二AlN层上生长GaN基缓冲层；
在所述缓冲层上生长GaN沟道层；
在所述GaN沟道层上生长势垒层；
在所述势垒层上生长帽层，所述帽层为GaN帽层或P型GaN帽层。
2.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，所述第一AlN层的生长温度不高于900℃，所述第二AlN层的生长温度不低于1000℃。
3.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，所述铝源为三甲基铝，所述氮源为NH3。
4.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，在任意一个所述生长周期内，提供所述铝源的持续时长与提供所述氮源的持续时长相等。
5.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，在所述硅衬底上生长所述第一AlN层的过程包括多个所述生长周期，在相邻的两个所述生长周期中，在先的所述生长周期的生长温度低于在后的所述生长周期的生长温度。
6.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，所述第一AlN层的生长温度为700～900℃。
7.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，所述第二AlN层的生长温度为1000～1100℃。
8.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，在所述第二AlN层上生长GaN基缓冲层的步骤，包括：
在所述第二AlN层上生长AlGaN缓冲层；
在所述AlGaN缓冲层上生长GaN缓冲层。
9.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，在所述GaN沟道层上生长势垒层的步骤，包括：
在所述GaN沟道层上生长AlGaN势垒层；
或者，
在所述GaN沟道层上生长AlN插层，在所述AlN插层上生长AlGaN势垒层。
10.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，在硅衬底上生长第一AlN层的步骤之前，所述制作方法还包括：
对所述硅衬底进行退火处理。
11.一种基于硅衬底的氮化物外延结构，其特征在于，由权利要求1-10中任一项所述的制作方法制得。
12.一种基于硅衬底的氮化物外延结构，其特征在于，包括依次层叠设置的硅衬底、第一AlN层、第二AlN层、GaN基缓冲层、GaN沟道层、势垒层以及帽层，所述第一AlN层包括至少一层AlN子层，所述AlN子层中靠近所述硅衬底一侧的铝浓度大于远离所述硅衬底一侧的铝浓度，所述帽层为GaN帽层或P型GaN帽层。
13.根据权利要求12所述的基于硅衬底的氮化物外延结构，其特征在于，所述第一AlN层的厚度为2～10nm。
14.根据权利要求12所述的基于硅衬底的氮化物外延结构，其特征在于，所述第二AlN层的厚度为100～300nm。
15.根据权利要求12所述的基于硅衬底的氮化物外延结构，其特征在于，所述GaN基缓冲层包括层叠设置的AlGaN缓冲层和GaN缓冲层，所述AlGaN缓冲层与所述第二AlN层接触。
16.根据权利要求12所述的基于硅衬底的氮化物外延结构，其特征在于，所述势垒层为AlGaN势垒层；
或者，
所述势垒层包括生长于所述GaN沟道层上的AlN插层，和生长于所述AlN插层的AlGaN势垒层。
17.一种半导体器件，其特征在于，包括权利要求11或权利要求12-16中任一项所述的基于硅衬底的氮化物外延结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211386221.8A CN115565876A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211386221.8A CN115565876A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115565876A true CN115565876A (zh) | 2023-01-03 |
Family
ID=84768285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211386221.8A Pending CN115565876A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115565876A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117253918A (zh) * | 2023-11-20 | 2023-12-19 | 江西兆驰半导体有限公司 | Hemt外延片及其制备方法 |
-
2022
- 2022-11-07 CN CN202211386221.8A patent/CN115565876A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117253918A (zh) * | 2023-11-20 | 2023-12-19 | 江西兆驰半导体有限公司 | Hemt外延片及其制备方法 |
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