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TWI860640B - 磊晶結構之製作方法 - Google Patents

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TWI860640B
TWI860640B TW112108343A TW112108343A TWI860640B TW I860640 B TWI860640 B TW I860640B TW 112108343 A TW112108343 A TW 112108343A TW 112108343 A TW112108343 A TW 112108343A TW I860640 B TWI860640 B TW I860640B
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林伯融
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環球晶圓股份有限公司
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Abstract

一種磊晶結構之製作方法包括，提供一碳化矽基板，設置於一成長腔室；於該碳化矽基板表面形成一成核層，其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第一氣體，於成長該成核層之製程中，包含執行一生長步驟，該生長步驟包含執行一第一動作後接續執行一第二動作，該第一動作包含通入該第一氣體至該成長腔室，該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室，重複執行該生長步驟複數次以形成該成核層；於該成核層表面形成一氮化物磊晶層。

Description

磊晶結構之製作方法
本發明係與磊晶結構有關；特別是指一種具有良好磊晶品質之磊晶結構。
已知高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)是具有二維電子氣(two dimensional electron gas,2-DEG)的一種電晶體，其二維電子氣鄰近於能隙不同的兩種材料之間的異質接合面，由於高電子移動率電晶體並非使用摻雜區域作為電晶體的載子通道，而是使用具有高電子移動性二維電子氣作為電晶體的載子通道，因此高電子遷移率電晶體具有高崩潰電壓、高電子遷移率、低導通電阻與低輸入電容等特性，而能廣泛應用於高功率半導體裝置中。
一般而言，會於高電子移動率電晶體之磊晶層和基板之間設置一成核層作為兩異質結構間之過渡層，以調和磊晶層和基板晶格不匹配的問題，並促使磊晶層能於基板上方順利進行二維成長，而成核層之磊晶品質將會直接影響磊晶層的品質表現，因此，如何提供一種具有良好磊晶品質之成核層是亟待解決之問題。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種磊晶結構及磊晶結構之製作方法，能提供一種具有良好磊晶品質之成核層。
緣以達成上述目的，本發明提供的一種磊晶結構之製作方法包括，提供一碳化矽基板，設置於一成長腔室；於該碳化矽基板表面形成一成核層，其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第一氣體，於成長該成核層之製程中，包含執行一生長步驟，該生長步驟包含執行一第一動作後接續執行一第二動作，該第一動作包含通入該第一氣體至該成長腔室，該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室，重複執行該生長步驟複數次以形成該成核層；於該成核層表面形成一氮化物磊晶層。
其中執行該生長步驟一次能成長厚度小於等於2nm之成核層。
其中該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室並維持一第二時間區間，該第二時間區間大於等於30秒且小於等於180秒。
其中該成核層之磊晶生長速率為大於等於1.6且小於等於3.5nm/min。
其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第二氣體，該第二氣體為含氮氣體，於成長該成核層之過程中，不中斷的通入該第二氣體至該成長腔室。
其中該第一氣體為含鋁氣體。
其中執行該生長步驟時，控制該成長腔室維持一高溫溫度。
該高溫溫度大於等於攝氏1150度且小於等於1250度。
其中該成核層包含含鋁氮化物。
本發明另提供一種磊晶結構，包含一碳化矽基板、一成核層以及一氮化物磊晶層，該成核層位於該碳化矽基板上方且與該碳化矽基板直接接觸，該成核層厚度大於等於70nm時，該氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)小於150 arcsec；以及該氮化物磊晶層位於該成核層上方且與該成核層直接接觸。
其中該成核層厚度小於100nm且大於等於70nm時，該成核層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)小於150 arcsec。
其中在原子力顯微鏡掃描5um*5um的範圍下，該成核層表面方均根粗糙度(Root Mean Square roughness，RMS)小於0.2nm。
其中該成核層之差排缺陷密度小於108/cm2。
其中該氮化物磊晶層厚度小於2且大於等於1.5um時，該氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)小於50 arcsec。
其中該氮化物磊晶層厚度小於1.5且大於等於1um時，該氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)大於等於50且小於100 arcsec。
其中該氮化物磊晶層厚度小於1且大於等於0.7um時，該氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)大於等於100且小於150 arcsec。
其中該成核層包含含鋁氮化物。
本發明另提供一種磊晶結構，包含一碳化矽基板、一成核層以及一氮化物磊晶層，該成核層位於該碳化矽基板上方且與該碳化矽基板直接接觸，該成核層厚度小於70nm時，該成核層於(002)晶面之半 峰全寬(FWHM)小於等於200且大於等於150 arcsec；以及該氮化物磊晶層位於該成核層上方且與該成核層直接接觸。
本發明另提供一種磊晶結構，包含一碳化矽基板、一成核層以及一氮化物磊晶層，該成核層位於該碳化矽基板上方且與該碳化矽基板直接接觸，該成核層厚度大於等於70nm；以及該氮化物磊晶層位於該成核層上方且與該成核層直接接觸，其中該氮化物磊晶層厚度小於0.7um且大於等於0.4um時，該氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)大於等於150且小於200 arcsec。
本發明另提供一種磊晶結構，包含一碳化矽基板、一成核層以及一氮化物磊晶層，該成核層位於該碳化矽基板上方且與該碳化矽基板直接接觸，該成核層厚度大於等於70nm；以及該氮化物磊晶層位於該成核層上方且與該成核層直接接觸，其中該氮化物磊晶層厚度小於0.4um時，該氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)大於等於200且小於等於300 arcsec。
本發明之效果在於，透過該磊晶結構之製作方法所成長形成之該成核層能使上方之該氮化物磊晶層具有良好的品質表現，且該成核層厚度大於等於70nm時，該氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)小於150 arcsec。
〔本發明〕
1:磊晶結構
10:碳化矽基板
20:成核層
30:氮化物磊晶層
40:阻障層
A:生長步驟
A1:第一動作
A2:第二動作
T:時間區間
S02,S04,S06:步驟
圖1為本發明一較佳實施例之之磊晶結構之製作方法流程圖。
圖2為上述較佳實施例之成長成核層過程之氣體控制的示意圖。
圖3為上述較佳實施例之磊晶結構的示意圖。
圖4為實施例1-3與比較例1-3之氮化物磊晶層厚度與半峰全寬之圖表。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖1所示，為本發明一較佳實施例之磊晶結構1之製作方法流程圖，該磊晶結構1之製作方法包含以下步驟：
步驟S02，提供一碳化矽基板10，設置於一成長腔室；該碳化矽基板10舉例來說可以是4度偏角之碳化矽基板10，較佳為0度偏角之碳化矽基板10；再說明的是，於本實施例中，是使用金屬有機化學氣相沈積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)進行磊晶製程，該成長腔室為金屬有機化學氣相沉積設備中之成長腔室。
步驟S04，於該碳化矽基板10表面形成一成核層20，其中成長該成核層20所需之製程氣體包含一第一氣體，於成長該成核層20之製程中，包含執行一生長步驟A，如圖2所示該生長步驟A包含執行一第一動作A1後接續執行一第二動作A2，該第一動作A1包含通入該第一氣體至該成長腔室，該第二動作A2包含停止通入該第一氣體至該成長腔室，重複執行該生長步驟A複數次以形成該成核層20。
其中，該成核層20包含含鋁氮化物，於本實施例中，該成核層20包含氮化鋁(AlN)，於其他實施例中，該成核層20也可以進一步包含氮化鋁鎵(AlGaN)，舉例來說，該成核層20也可以是氮化鋁與氮化鋁鎵交疊形成之超晶格層。
其中，該第一氣體為含鋁氣體，於本實施例中，該第一氣體以三甲基鋁(Trimethylaluminum，TMA)為例說明，於其他實施例中， 該第一氣體也可以是三乙基鋁(Triethylaluminium，TEAL)；進一步說明的是，成長該成核層20所需之製程氣體包含一第二氣體，該第二氣體為含氮氣體，於成長該成核層20之過程中，不中斷的通入該第二氣體至該成長腔室，於本實施例中，該第二氣體以氨氣(NH3)為例說明；也就是說，於執行形成該成核層20之過程中，持續通入氨氣(NH3)至該成長腔室中以避免該成核層20裂解，並反覆控制通入三甲基鋁以及停止通入三甲基鋁至該成長腔室中之動作直到形成預期厚度之該成核層20。
其中執行該生長步驟A一次能成長厚度小於等於2nm之成核層20，執行該生長步驟A一次即執行該第一動作A1及該第二動作A2各一次，該成核層20之磊晶生長速率為大於等於1.6且小於等於3.5nm/min。
再說明的是，執行該生長步驟A時，控制該成長腔室維持一高溫溫度，該高溫溫度大於等於攝氏1150度且小於等於1250度，以及控制該成長腔室之壓力保持大於等於30托(torr)且小於等於150托(torr)；該第二動作A2包含停止通入該第一氣體至該成長腔室並維持一時間區間T，該時間區間T大於等於30秒且小於等於180秒；也就是說，執行該第一動作A1通入三甲基鋁至該成長腔室中時，能於該高溫溫度及上述腔室壓力下進行該成核層20之磊晶，而執行該第二動作A2停止通入三甲基鋁至該成長腔室中時，能於與上述相同之該高溫溫度及壓力下進行退火；相較習用磊晶方法，使用一次完成成核層磊晶後再移出成長腔室進行一次性退火的方式，本發明透過執行該生長步驟A複數次，以及在同一生長腔室中一併完成磊晶及退火之方式，能在較短的退火時間及較低的退火溫度下實現與習用高溫、長時間之磊晶方法相同之磊晶品質，進而達到縮減退火時間及降低退火溫度之技術效果。
步驟S06，於該成核層20表面形成一氮化物磊晶層30；於本實施例中，該氮化物磊晶層30包含氮化鎵(GaN)。
請配合圖3，為使用該磊晶結構1之製作方法製成之磊晶結構1，包含該碳化矽基板10、該成核層20及該氮化物磊晶層30，其中該磊晶結構1可以應用於該高電子移動率電晶體，並於該氮化物磊晶層30上方進一步成長其他結構，例如一阻障層40。
如圖3所示，該成核層20位於該碳化矽基板10上方且與該碳化矽基板10直接接觸，該氮化物磊晶層30位於該成核層20上方且與該成核層20直接接觸，該成核層20厚度大於等於70nm時，由X光繞射儀(XRD)測量該氮化物磊晶層30的結果，該氮化物磊晶層30於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)小於150 arcsec；由此可見，使用該磊晶結構之製作方法製成之磊晶結構1之該氮化物磊晶層30具有良好的磊晶品質。
其中，該成核層20厚度小於100nm且大於等於70nm時，該成核層20於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)小於150 arcsec；該成核層20厚度小於70nm時，該成核層20於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)小於等於200且大於等於150 arcsec。
其中，當該成核層20厚度大於等於70nm配合該氮化物磊晶層30厚度小於2且大於等於1.5um時，該氮化物磊晶層30於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)小於50 arcsec；當該成核層20厚度大於等於70nm配合該氮化物磊晶層30厚度小於1.5且大於等於1um時，該氮化物磊晶層30於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)大於等於50且小於100 arcsec；其中當該成核層20厚度大於等於70nm配合該氮化物磊晶層30厚度小於1且大於等於0.7um時，該氮化物磊晶層30於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)大於等於100且小於150 arcsec；其中當該成核層20厚度大於 等於70nm配合該氮化物磊晶層30厚度小於0.7且大於等於0.4um時，該氮化物磊晶層30於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)大於等於150且小於200 arcsec；其中當該成核層20厚度大於等於70nm配合該氮化物磊晶層30厚度小於0.4um時，該氮化物磊晶層30於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)大於等於200且小於等於300 arcsec。
其中在原子力顯微鏡掃描5um*5um的範圍下，該成核層20表面方均根粗糙度(Root Mean Square roughness，RMS)小於0.2nm；該成核層20之差排缺陷密度小於108/cm2。
以下以比較例1-3及實施例1-3進行進一步說明，其中實施例1-3為使用上述該磊晶結構之製作方法製作之磊晶結構1由X光繞射儀(XRD)測量氮化物磊晶層30的結果，該磊晶結構1如同上述依序包含該碳化矽基板10、該成核層20、該氮化物磊晶層30及該阻障層40，進一步說明的是，執行該生長步驟A一次能成長厚度1nm之成核層20，且執行該生長步驟A時，控制該成長腔室維持1170度之高溫溫度及75托(torr)之腔室壓力，實施例1-3之磊晶結構1皆具有厚度之90nm且於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)等於100 arcsec之成核層20，實施例1-3之磊晶結構1不同之處在於該氮化物磊晶層30之厚度，於實施例1中，該氮化物磊晶層30之厚度為1um；於實施例2中，該氮化物磊晶層30之厚度為0.7um；於實施例3中，該氮化物磊晶層之厚度為0.4um。
而比較例1-3為使用習用磊晶方法製成之磊晶結構由X光繞射儀(XRD)測量氮化物磊晶層的結果，使用習用磊晶方法製程之磊晶結構同樣依序包含碳化矽基板、成核層、氮化物磊晶層及阻障層，習用磊晶方法與本發明之該磊晶結構之製作方法差異在於，習用磊晶方法於形成成核層時，是直接完成成核層磊晶後再移出成長腔室進行退火，再 接續於成核層上方形成氮化物磊晶層，其中比較例1-3之磊晶結構皆具有厚度之90nm且於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)等於300 arcsec之成核層，比較例1-3之磊晶結構不同之處在於氮化物磊晶層之厚度，於比較例1中，氮化物磊晶層之厚度為2um；於比較例2中，氮化物磊晶層之厚度為1.5um；於比較例3中，氮化物磊晶層之厚度為1um。
如圖4所示，不論是比較例或是實施例，當氮化物磊晶層30厚度越厚時，氮化物磊晶層30於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)皆有較佳的磊晶品質，而透過比較例3及實施例1之比對，可以得知，比較例3及實施例1雖具有相同之氮化物磊晶層厚度，但實施例1的氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)為118 arcsec，比較例3的氮化物磊晶層於(002)晶面之半峰全寬(FWHM)為154 arcsec，也就是說，相較於比較例3，實施例1之氮化物磊晶層具有較佳之磊晶品質，除此之外，可推論使用習用磊晶方法製成之磊晶結構，需成長較厚的氮化物磊晶層以達到較佳的磊晶品質，而使用本發明之磊晶方法製成之磊晶結構，可以成長較薄之氮化物磊晶層即可達到相同的磊晶品質。
綜上所述，透過該磊晶結構之製作方法所成長形成之該成核層20能使上方之該氮化物磊晶層30具有良好的品質表現。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
S02,S04,S06:步驟

Claims (7)

  1. 一種磊晶結構之製作方法，包含：提供一碳化矽基板，設置於一成長腔室；於該碳化矽基板表面形成一成核層，其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第一氣體，於成長該成核層之製程中，包含執行一生長步驟，該生長步驟包含執行一第一動作後接續執行一第二動作，該第一動作包含通入該第一氣體至該成長腔室，該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室，重複執行該生長步驟複數次以形成該成核層；於該成核層表面形成一氮化物磊晶層；其中執行該生長步驟一次能成長厚度小於等於2nm之成核層。
  2. 一種磊晶結構之製作方法，包含：提供一碳化矽基板，設置於一成長腔室；於該碳化矽基板表面形成一成核層，其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第一氣體，於成長該成核層之製程中，包含執行一生長步驟，該生長步驟包含執行一第一動作後接續執行一第二動作，該第一動作包含通入該第一氣體至該成長腔室，該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室，重複執行該生長步驟複數次以形成該成核層；於該成核層表面形成一氮化物磊晶層；其中該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室並維持一時間區間，該時間區間大於等於30秒且小於等於180秒。
  3. 一種磊晶結構之製作方法，包含：提供一碳化矽基板，設置於一成長腔室；於該碳化矽基板表面形成一成核層，其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第一氣體，於成長該成核層之製程中，包含執行一生長步驟， 該生長步驟包含執行一第一動作後接續執行一第二動作，該第一動作包含通入該第一氣體至該成長腔室，該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室，重複執行該生長步驟複數次以形成該成核層；於該成核層表面形成一氮化物磊晶層；其中該成核層之磊晶生長速率為大於等於1.6且小於等於3.5nm/min。
  4. 一種磊晶結構之製作方法，包含：提供一碳化矽基板，設置於一成長腔室；於該碳化矽基板表面形成一成核層，其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第一氣體，於成長該成核層之製程中，包含執行一生長步驟，該生長步驟包含執行一第一動作後接續執行一第二動作，該第一動作包含通入該第一氣體至該成長腔室，該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室，重複執行該生長步驟複數次以形成該成核層；於該成核層表面形成一氮化物磊晶層；其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第二氣體，該第二氣體為含氮氣體，於成長該成核層之過程中，不中斷的通入該第二氣體至該成長腔室。
  5. 一種磊晶結構之製作方法，包含：提供一碳化矽基板，設置於一成長腔室；於該碳化矽基板表面形成一成核層，其中成長該成核層所需之製程氣體包含一第一氣體，於成長該成核層之製程中，包含執行一生長步驟，該生長步驟包含執行一第一動作後接續執行一第二動作，該第一動作包含通入該第一氣體至該成長腔室，該第二動作包含停止通入該第一氣體至該成長腔室，重複執行該生長步驟複數次以形成該成核層； 於該成核層表面形成一氮化物磊晶層；其中執行該生長步驟時，控制該成長腔室維持一高溫溫度；其中該高溫溫度大於等於攝氏1150度且小於等於1250度。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之磊晶結構之製作方法，其中該第一氣體為含鋁氣體。
  7. 如請求項1至5中任一項所述之磊晶結構之製作方法，其中該成核層包含含鋁氮化物。
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