一种SiC基GaN外延结构的制作方法与流程

一种sic基gan外延结构的制作方法
技术领域
1.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：

2.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 mobility transistor，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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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：
6.一种sic基gan外延结构的制作方法，包括以下步骤：
7.1)将sic衬底放置于pvd装置内生长aln层；
8.2)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；
9.3)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；
10.4)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。
11.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
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.本发明的有益效果为：
21.(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。
22.(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。
23.(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
24.图1为本技术的实施例的sic基gan外延结构的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
25.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。
26.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。
27.请参考图1，本技术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：
28.(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。
29.(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。
30.(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：
31.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。
32.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。
33.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。
34.(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。
35.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。
36.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％。
37.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。
38.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。