硅基GaN-HEMT外延结构的制作方法与流程

硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法
技术领域
1.本发明属于半导体器件设计及制造领域，特别是涉及一种硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法。


背景技术：

2.随着第三代半导体电力电子器件的发展，氮化镓(gan)作为第三代半导体材料的代表引起了各国研究者的重视。与si器件相比较，gan功率器件的优点主要包括3个方面:
①
禁带宽度大(3.39ev)，能够适应于高温场和高电场，降低冷却成本，减小设备体积；
②
高击穿电场(4e6 v/cm)，可以承受更高的功率，在同大小的击穿电压下，gan器件耗尽区长度更小，功耗更低；
③
高电子迁移率(1000～2000cm2/v
·
s)和高电子饱和漂移速率(2.5e7cm/s)，低功耗，在高场下仍然有大的功率输出密度。
3.而gan材料一个很大的优势即是其存在极化(自发极化和压电极化)效应，能够在algan/gan异质结界面形成大量极化正电荷，使得algan/gan异质结量子讲中存在面密度非常高的二维电子气(two dimensional electron gas,2deg)，其面密度通常在10e13cm
‑
2量级，且其迀移率非常高，能达到2000cm2/v
·
s。因此基于gan材料的algan/gan高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,hemt)具有明显优势，在相控阵雷达、电子对抗、5g通讯、汽车电子等领域具有广泛的应用前景，已成为目前国际学术界和产业界关注的焦点。
4.algan/gan hemt的研究和应用取得了很多突破性的进展，但仍然面临着不少难题，例如外延材料的缺陷和杂质问题、欧姆接触问题、表面钝化问题、器件的稳定性和可靠性问题等。其中大部分器件的性能问题都源于外延材料的生长状况较差，其中algan/gan异质材料的晶体质量，algan势垒层中al组分的含量、势垒层厚度等性质会直接影响hemt结构材料二维电子气的迁移率，对器件性能的影响很大。更重要的是，由于在生长过程中表面的al原子较难移动，所以在生长大尺寸hemt外延片时，外延片的厚度均匀性和algan势垒层中al组分均匀性较差，导致器件稳定性和可靠性存在问题。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法，用于解决现有技术中gan
‑
hemt外延结构的厚度均匀性和algan势垒层中al组分均匀性较差的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法，所述制作方法包括：提供一硅衬底；采用金属有机物化学气相沉积工艺于所述硅衬底上形成gan
‑
hemt外延结构，包括：于所述硅衬底上外延生长成核层；于所述成核层上外延生长缓冲层；于所述缓冲层上外延生长碳掺杂的gan高阻层；于所述碳掺杂的gan高阻层上外延生长非掺杂的gan沟道层；于所述非掺杂的gan沟道层上外延生长aln空间层；于所述aln空间层上外延生长algan势垒层；于所述algan势垒层上外延生长gan盖帽层；所述gan
‑
hemt
外延结构的外延生长所采用的气源包括有机金属源和氮源，所述有机金属源和所述氮源均以h2和n2作为载气，其中，所述氮源的载气h2与n2的体积比为1.75～2.5之间，所述有机金属源的载气h2与n2的体积比为0.4～1之间。
7.可选地，所述gan
‑
hemt外延结构的外延生长厚度均匀性小于或等于1％。
8.进一步地，所述氮源的载气h2与n2的体积比为2.2～2.3之间，以使所述gan
‑
hemt外延结构的外延生长厚度均匀性小于或等于0.5％。
9.可选地，所述非掺杂的gan沟道层的外延生长以三甲基镓作为镓源，nh3作为氮源，h2和n2作为载气，其中，所述氮源的载气h2与n2的体积比为1.75～2.5之间，以使所述非掺杂的gan沟道层的生长速率均匀性小于或等于1％。
10.可选地，所述algan势垒层的外延生长以三甲基镓和三甲基铝分别作为镓源和铝源，nh3作为氮源，h2和n2作为载气，其中，所述三甲基镓和三甲基铝的载气h2与n2的体积比为0.4～1之间，以使所述algan势垒层的al组分均匀性小于或等于1％。
11.可选地，所述algan势垒层的外延生长以三甲基镓和三甲基铝分别作为镓源和铝源，nh3作为氮源，h2和n2作为载气，其中，所述三甲基镓和三甲基铝的载气h2与n2的体积比为0.4～1之间，以使所述gan
‑
hemt外延结构的2deg迁移率大于等于1800cm2/v
·
s，面密度大于或等于8.5e12cm
‑2。
12.进一步地，所述三甲基镓和三甲基铝的载气h2与n2的体积比为0.7～0.8，以使所述gan
‑
hemt外延结构的2deg迁移率大于1900cm2/v
·
s。
13.可选地，所述金属有机物化学气相沉积工艺所采用的喷淋头包括中区出气口和环绕于所述中区出气口的边缘出气口，所述中区出气口与所述边缘出气口为独立控制。
14.可选地，提供一硅衬底之后还包括在h2气氛下对所述硅衬底进行热处理的步骤，以去除所述硅衬底表面的氧化物。
15.可选地，所述成核层包括aln成核层，所述缓冲层包括多个algan缓冲层，其中，多个所述algan缓冲层中的al组分逐渐减少。
16.如上所述，本发明的硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法，具有以下有益效果：
17.本发明通过调节mocvd外延生长gan
‑
hemt外延结构时的h2/n2载气的比，提高了硅基algan/gan hemt外延生长过程中的不同区域生长速率均匀性、厚度均匀性、algan势垒层的al组分均匀性以及2deg面密度和二维电子气的迁移率。
18.当gan生长过程中nh3的载气h2/n2比在1.75～2.5之间时，整片外延层的厚度均匀性可在1％以下，其中载气h2/n2比为2.25时，厚度均匀性最佳0.44％。
19.当algan势垒层生长过程中有机金属源的载气h2/n2比在0.5～1之间时，algan势垒层al组分均匀性可在1％以下，其中载气h2/n2比为2.25时，al组分均匀性最优0.99％。
20.当algan势垒层生长过程中有机金属源的载气h2/n2比在0.5～1之间时，外延晶片的中心位置、中圈位置和边缘位置处2deg面密度均大于8.5e12cm
‑2，2deg迁移率大于1800cm2/v
·
s，其中载气h2/n2为0.75时，外延晶片中心位置、中圈位置和边缘位置的2deg面密度分别为9.45e12cm
‑2、1.01e13cm
‑2和8.69e12cm
‑2，，接近理论值(1e13cm
‑2)，2deg迁移率分别为1830cm2/v
·
s、1850cm2/v
·
s和1920cm2/v
·
s。
21.本发明基于上述载气调试方法，本发明还对mocvd晶片反应腔的喷淋头进行了分区控制的改造，将喷淋头出气口分为中心区域和边缘两个区域，且各区域单独控制，实现晶
片生长均匀性由内到外一致。
附图说明
22.图1～图8显示为本发明的硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
23.图9显示为本发明实施例的硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法的晶片分区示意图。
24.图10和图11分别显示为本发明实施例的algan和gan生长过程中不同载气h2/n2比在6英寸晶片上a区和b区的生长速率的关系图。
25.图12显示为本发明实施例不同h2/n2比和gan
‑
hemt外延结构的厚度均匀性的关系图。
26.图13显示为本发明实施例不同h2/n2比和gan
‑
hemt外延结构的厚度分布图。
27.图14显示为本发明实施例有机金属源mo载气中不同h2/n2比和algan势垒层铝组分均匀性的关系图。
28.图15和图16分别显示为有机金属源mo中不同载气h2/n2比和晶片中心位置、中圈位置和边缘位置处的2deg面密度和迁移率的关系图。
29.元件标号说明
30.101
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硅衬底
31.102
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成核层
32.103
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缓冲层
33.104
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碳掺杂的gan高阻层
34.105
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非掺杂的gan沟道层
35.106
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aln空间层
36.107
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algan势垒层
37.108
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gan盖帽层
具体实施方式
38.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
39.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
40.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
41.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
42.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
43.本发明在mocvd系统中采用h2和n2作为载气，h2氛围下有利于源金属原子在衬底表面移动。n2分子质量较大，可以增强v/iii族反应源的扩散能力，且成本低廉、安全可靠。n2流量可以影响反应源扩散情况，也可以一定范围内影响气体流场，所以v/iii族反应源中的h2/n2载气比外延生长有着调控作用。本发明通过调节algan/gan hemt结构外延生长过程中的h2/n2载气比，改善了大尺寸晶片不同区域生长速率的均匀性、厚度均匀性、algan势垒层107al组分均匀性以及不同位置2deg面密度和迁移率。
44.如图1～图8所示，本实施例提供一种硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法，所述制作方法包括：
45.如图1所示，首先进行步骤1)，提供一硅衬底101，在h2气氛下对所述硅衬底101进行热处理，处理时间为3～10min，以去除所述硅衬底101表面的氧化物。在本实施例中，所述硅衬底101选用为6英寸晶向为(111)的硅衬底101。
46.如图2～图8所示，然后进行步骤2)，采用金属有机物化学气相沉积工艺于所述硅衬底101上形成gan
‑
hemt外延结构。
47.具体地，形成所述gan
‑
hemt外延结构包括以下步骤：
48.如图2所示，进行步骤2
‑
1)，在1165℃下，于所述硅衬底101上外延生长成核层102；在本实施例中，所述成核层102包括aln成核层102。
49.如图3所示，进行步骤2
‑
2)，在1085℃下，于所述成核层102上外延生长缓冲层103；在本实施例中，所述缓冲层103包括多个algan缓冲层103，其中，多个所述algan缓冲层103中的al组分逐渐减少。
50.如图4所示，进行步骤2
‑
3)，于所述缓冲层103上外延生长碳掺杂的gan高阻层104。
51.如图5所示，进行步骤2
‑
4)，于所述碳掺杂的gan高阻层104上外延生长非掺杂的gan沟道层105；
52.如图6所示，进行步骤2
‑
5)，于所述非掺杂的gan沟道层上外延生长aln空间层106；
53.如图7所示，进行步骤2
‑
6)，于所述aln空间层106上外延生长algan势垒层107，在本实施例中，所述algan势垒层107中al的摩尔组分为25％；
54.如图8所示，进行步骤2
‑
7)，于所述algan势垒层107上外延生长gan盖帽层108；所述gan盖帽层108用于防止所述algan势垒层107被氧化。
55.在上述步骤2
‑
1)～步骤2
‑
7)中，所述gan
‑
hemt外延结构的外延生长所采用的气源包括有机金属源和氮源，所述有机金属源和所述氮源均以h2和n2作为载气，其中，所述氮源的载气h2与n2的体积比为1.75～2.5之间，所述有机金属源的载气h2与n2的体积比为0.4～1之间，通过上述的载气配比，所述gan
‑
hemt外延结构的外延生长厚度均匀性小于或等于1％。进一步地，当所述氮源的载气h2与n2的体积比为2.2～2.3之间，以使所述gan
‑
hemt外延
结构的外延生长厚度均匀性小于或等于0.5％。
56.在本实施例中，所述gan
‑
hemt外延结构的厚度为4.0μm～4.5μm，在一个具体实施过程中，所述gan
‑
hemt外延结构的厚度为4.2μm。
57.在本实施例中，所述非掺杂的gan沟道层的外延生长以三甲基镓作为镓源，nh3作为氮源，h2和n2作为载气，其中，所述氮源的载气h2与n2的体积比为1.75～2.5之间，以使所述非掺杂的gan沟道层的生长速率均匀性小于或等于1％。
58.在本实施例中，所述algan势垒层107的外延生长以三甲基镓和三甲基铝分别作为镓源和铝源，nh3作为氮源，h2和n2作为载气，其中，所述三甲基镓和三甲基铝的载气h2与n2的体积比为0.4～1之间，以使所述algan势垒层107的al组分均匀性小于或等于1％。
59.在本实施例中，所述algan势垒层107的外延生长以三甲基镓和三甲基铝分别作为镓源和铝源，nh3作为氮源，h2和n2作为载气，其中，所述三甲基镓和三甲基铝的载气h2与n2的体积比为0.4～1之间，以使所述gan
‑
hemt外延结构的2deg迁移率大于等于1800cm2/v
·
s，面密度大于或等于8.5e12cm
‑2。进一步地，所述三甲基镓和三甲基铝的载气h2与n2的体积比为0.7～0.8，可以使所述gan
‑
hemt外延结构的2deg迁移率大于1900cm2/v
·
s。
60.在本实施例中，所述金属有机物化学气相沉积工艺所采用的喷淋头包括中区出气口和环绕于所述中区出气口的边缘出气口，所述中区出气口与所述边缘出气口为独立控制。
61.如图9～图11所示，本实施例通过调节载气h2/n2比，可以调节不同区域生长速率的均匀性。图9显示为晶片分区示意图，图10和图11分别是algan和gan生长过程中不同载气h2/n2比在6英寸晶片上a区(半径r＝30mm处)和b区(r＝60mm处)生长速率的关系图。保持iii族有机金属源mo的总流量不变，保持v族反应源nh3和载气h2、n2总流量不变，调整v族反应源中的载气h2/n2比例，发现当h2/n2比逐渐增大时，晶片a区区域的生长速率逐渐减小，晶片b区区域的生长速率逐渐增大。这是因为氨气从喷淋头边缘出气口进气，从外向里扩散，当载气h2/n2比逐渐增大时，n2减少，载气整体的扩散能力减弱，所以向晶片中心扩散的nh3减少，导致晶片中间的反应速率降低，边缘反应速率增高。从结果可以看出，当algan生长过程中nh3的载气h2/n2比在1.5～2.25之间时，a、b两区域的反应速率均匀性可在1％以下，其中载气h2/n2的比为1.75时，生长速率均匀性最佳0.43％。当gan生长过程的载气h2/n2的比在1.75～2.5之间时，反应速率均匀性可在1％以下，其中载气h2/n2的比为2.25时，均匀性最佳0.09％。
62.如图12及图13所示，本实施例通过调节载气h2/n2比，可以调节外延层厚度均匀性。外延片厚度均匀性是器件的重要指标之一，良好的厚度均匀性可以保证好的晶体质量，提高器件的良率和可靠性。图12是不同h2/n2比和gan
‑
hemt外延结构的厚度均匀性的关系图，保持iii族有机金属源mo流量不变，保持v族反应源nh3、h2、n2总流量不变，调整nh3中载气h2/n2比例，发现nh3的h2/n2比在1.75～2.5之间时，整个外延层的厚度均匀性可在1％以下，其中h2/n2＝2.25时，厚度均匀性最佳0.44％，其厚度分布图如图13所示。可以发现厚度均匀性的最佳h2/n2比与gan生长速率均匀性的最佳h2/n2比相同，这是因为较好的生长速率均匀性可以生长出平整的gan层，而较厚的gan层直接影响整个外延层的厚度均匀性。
63.如图14所示，本实施例通过调节载气h2/n2比，可以调节algan势垒层107铝组分均匀性。作为器件，algan/gan hemt结构最核心的部分就是algan势垒层107，algan势垒层107
的生长质量会直接决定器件的实用性。其中，algan势垒层107的铝组分会影响algan/gan之间的极化电场，进而影响二维电子气面密度。所以，大尺寸晶片上良好的铝组分均匀性是hemt器件的重要保障。图14是有机金属源mo载气中不同h2/n2比和algan势垒层107铝组分均匀性的关系图，保持v族反应源nh3流量不变，保持iii族有机金属源mo总流量不变，发现机金属源中载气h2/n2比在0.5～1之间时，algan势垒层107al组分均匀性可在1％以下，其中载气h2/n2＝0.75时，algan势垒层107al组分均匀性最优0.95％(al含量25％)。有机金属源中h2/n2载气可以调控整个晶片上tmal分布量，从而达到al组分均匀分布。
64.如图15及图16所示，本实施例通过调节载气h2/n2比，可以调节2deg面密度和迁移率。图15及图16分别是有机金属源mo中不同载气h2/n2比和晶片中心位置center、中圈位置middle和边缘位置edge处的2deg面密度和迁移率的关系图。保持v族反应源nh3流量不变，保持iii族有机金属源mo总流量不变，发现有机金属源mo中载气h2/n2比在0.5～1之间时，中心位置、中圈位置和边缘位置处的2deg面密度在8.5e12cm
‑2以上，2deg迁移率可在1800cm2/v
·
s以上，其中载气h2/n2比为0.75时，晶片中心位置、中圈位置和边缘位置的2deg面密度分别为9.45e12cm
‑2、1.01e13cm
‑2和8.69e12cm
‑2，接近理论值(1e13cm
‑2)，2deg迁移率分别为1830cm2/v
·
s、1850cm2/v
·
s和1920cm2/v
·
s。
65.进一步地，mocvd单晶片反应腔可生长出均匀性更好、表面缺陷更少的高质量6英寸和8英寸外延晶片，但非偏心设计的单晶片反应腔由于晶片中心位置旋转过程中线速度为0，所以中心外延层会生长的较厚，影响外延生长的均匀性。基于上述h2/n2载气调控均匀性的方法，本发明还对单晶片反应腔的喷淋头进行了分区控制的改造，将喷淋头出气口分为中心/边缘两个区域单独控制，如此就可以保证中心较好的生长质量以及整片更好的均匀性。这种设计的其中一个优点是：传统一体控制的喷头通常用改变v族材料反应源量和iii族材料反应源量的比去调均匀性，小幅度改动载气相比于更改v/iii比而言，对系统流场影响较小，生长更可控更稳定。所以本发明设计分区控制的喷头再结合调控载气的方法，可以更稳定更高效的实现大尺寸晶片生长均匀。
66.如上所述，本发明的硅基gan
‑
hemt外延结构的制作方法，具有以下有益效果：
67.本发明通过调节mocvd外延生长gan
‑
hemt外延结构时的h2/n2载气的比，提高了硅基algan/gan hemt外延生长过程中的不同区域生长速率均匀性、厚度均匀性、algan势垒层107的al组分均匀性以及2deg面密度和二维电子气的迁移率。
68.当gan生长过程中nh3的载气h2/n2比在1.75～2.5之间时，整片外延层的厚度均匀性可在1％以下，其中载气h2/n2比为2.25时，厚度均匀性最佳0.44％。
69.当algan势垒层107生长过程中有机金属源的载气h2/n2比在0.5～1之间时，algan势垒层107al组分均匀性可在1％以下，其中载气h2/n2比为0.75时，al组分均匀性最优0.99％。
70.当algan势垒层107生长过程中有机金属源的载气h2/n2比在0.5～1之间时，外延晶片的中心位置、中圈位置和边缘位置处2deg面密度均大于8.5e12cm
‑2，2deg迁移率大于1800cm2/v
·
s，其中载气h2/n2为0.75时，外延晶片中心位置、中圈位置和边缘位置的2deg面密度分别为9.45e12cm
‑2、1.01e13cm
‑2和8.69e12cm
‑2，接近理论值(1e13cm
‑2)，2deg迁移率分别为1830cm2/v
·
s、1850cm2/v
·
s和1920cm2/v
·
s。
71.本发明基于上述载气调试方法，本发明还对mocvd晶片反应腔的喷淋头进行了分
区控制的改造，将喷淋头出气口分为中心区域和边缘两个区域，且各区域单独控制，实现晶片生长均匀性由内到外一致。
72.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
73.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。