一种氮化物异质结器件及其制备方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种氮化物异质结器件及其制备方法。


背景技术：

2.利用氮化物异质结形成的二维电子气具有高浓度高电子迁移率的特性，因此得到了广泛的应用。目前氮化物半导体材料主要生长在碳化硅、蓝宝石等衬底上。
3.硅材料作为重要的半导体材料，其广泛应用于半导体器件和集成电路。但是由于氮化物异质结与硅材料的晶格失配较严重，限制了氮化物异质结与硅衬底的融合。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种氮化物异质结器件及其制备方法，能够在硅衬底上外延生长出高质量的氮化物异质结。
5.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
6.本技术实施例的一方面，提供一种氮化物异质结器件制备方法，方法包括：提供硅衬底，硅衬底的表面为(100)晶面；湿法腐蚀硅衬底表面形成凹槽，凹槽的表面为(111)晶面；在凹槽内的(111)晶面上外延生长平坦层，平坦层至少覆盖凹槽且平坦层的顶面与硅衬底的底面平行；在平坦层上外延生长氮化物异质结。
7.可选的，湿法腐蚀硅衬底表面形成凹槽，凹槽的表面为(111)晶面包括：在硅衬底表面形成掩膜层；通过光刻对掩膜层进行图形化以露出硅衬底表面；对露出的硅衬底表面进行湿法腐蚀以形成至少一个凹槽，凹槽表面为(111)晶面。
8.可选的，在凹槽内的(111)晶面上外延生长平坦层包括：在凹槽内的(111)晶面上外延生长形成岛状成核点；依托岛状成核点生长形成平坦层。
9.可选的，凹槽为v形槽，凹槽的开口宽度为凹槽深度的1.43倍。
10.可选的，凹槽内的(111)晶面与水平面的夹角为54.7度。
11.可选的，凹槽为多个，多个凹槽成阵列分布于硅衬底表面，相邻两个凹槽组成w形结构。
12.可选的，氮化物异质结包括依次生长于平坦层上的缓冲层、沟道层和势垒层。
13.可选的，缓冲层的材质为gan和al
x
ga
1-x
n中的一种；或，缓冲层的厚度为20nm至8μm。
14.可选的，沟道层的材质为gan和al
x
ga
1-x
n中的一种；或，沟道层的厚度为10nm至200nm。
15.可选的，势垒层的材质aln、inn、al
x
ga
1-x
n、in
x
al
1-x
n和in
x
alygan中的一种；或，势垒层的厚度为1nm至50nm。
16.可选的，平坦层的材质为aln；或，平坦层的厚度为10nm至100nm。
17.本技术实施例的另一方面，提供一种氮化物异质结器件，包括硅衬底，设置于硅衬
底表面的凹槽，凹槽的表面为(111)晶面，覆盖于凹槽的平坦层，平坦层的顶面与硅衬底的底面平行，设置于平坦层上的氮化物异质结。
18.本技术的有益效果包括：
19.本技术提供了一种氮化物异质结器件及其制备方法，方法包括：提供硅衬底，硅衬底的表面为(100)晶面；湿法腐蚀硅衬底表面形成凹槽，凹槽的表面为(111)晶面；在凹槽内的(111)晶面上外延生长覆盖凹槽的平坦层，由于凹槽表面为(111)晶面，因此，覆盖于凹槽的平坦层能够与硅衬底表面进行良好的晶格适配，从而获得高质量的平坦层。平坦层覆盖凹槽且与硅衬底的底面平行，便于获得一个顶面较为平坦的衬底结构。以该衬底结构为基础，继续在平坦层顶面外延生长氮化物异质结，由于氮化物异质结能够与平坦层形成较好的晶格匹配，因此，就可以获得高质量的氮化物异质结，同时，由于平坦层顶面较为平整，能够进一步的提高氮化物异质结的质量。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，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技术的某些实施例，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。
21.图1为本技术实施例提供的一种氮化物异质结器件制备方法的流程示意图；
22.图2为本技术实施例提供的一种氮化物异质结器件的制备状态示意图之一；
23.图3为本技术实施例提供的一种氮化物异质结器件的制备状态示意图之二；
24.图4为本技术实施例提供的一种氮化物异质结器件的制备状态示意图之三；
25.图5为本技术实施例提供的一种氮化物异质结器件的制备状态示意图之四；
26.图6为本技术实施例提供的一种氮化物异质结器件的制备状态示意图之五；
27.图7为本技术实施例提供的一种氮化物异质结器件的制备状态示意图之六；
28.图8为本技术实施例提供的一种氮化物异质结器件的结构示意图。
29.图标：210-硅衬底；220-掩膜层；230-平坦层；240-缓冲层；250-沟道层；260-势垒层。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
32.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存
在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
33.除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。
34.硅材料在半导体器件和集成电路的应用中，通常用于提供一种硅衬底210，从而作为承载半导体和集成电路元器件的基材，但硅衬底210所形成的表面通常均为(100)晶面，而氮化物异质结与(100)晶面的晶格匹配度较差，因此，当直接在(100)晶面的硅衬底210上外延生长氮化物异质结时，会使得外延生长于(100)晶面的硅衬底210上的氮化物异质结质量较差，无法满足高质量器件的要求，也因此限制了氮化物异质结与硅衬底210的融合。
35.本技术实施例的一方面，提供一种氮化物异质结器件制备方法，通过改变硅衬底210外延表面的晶向，从而提高硅衬底210外延表面与氮化物异质结的晶格匹配度，以下将做进一步说明，如图1所示，方法包括：
36.s010：提供硅衬底210，硅衬底210的表面为(100)晶面。
37.如图2所示，提供一种(100)晶面的硅衬底210，从而作为外延氮化物异质结的基材。应当理解的是，为了避免污染物对硅衬底210的污染，还可以对该硅衬底210进行清洗，清洗工艺可以采用湿法清洗和干法清洗，其中，湿法清洗可以包括溶液浸泡、机械刷洗、超声波清洗等，干法清洗可以包括等离子清洗、气相清洗、束流清洗等，本技术对其不做限制。
38.s020：湿法腐蚀硅衬底210表面形成凹槽，凹槽的表面为(111)晶面。
39.对s010提供的(100)晶面的硅衬底210进行湿法腐蚀，湿法腐蚀时所采用的腐蚀液可以是碱性腐蚀液，通过碱性腐蚀液对(100)晶面的硅衬底210进行晶向处理，从而能够在硅衬底210表面腐蚀出凹坑，并且腐蚀能够停止于硅衬底210的(111)晶面，进而在硅衬底210表面形成凹槽，且凹槽的表面为(111)晶面，得到如图6所示的硅衬底210。
40.s030：在凹槽内的(111)晶面上外延生长平坦层230，平坦层230至少覆盖凹槽且平坦层230的顶面与硅衬底210的底面平行。
41.如图7所示，在具有凹槽的硅衬底210表面(即图7中硅衬底210的上表面)外延生长整层的平坦层230，由于凹槽表面为(111)晶面，因此，外延生长的平坦层230能够与硅衬底210表面进行良好的晶格适配，从而使得平坦层230具有较高的质量。应当理解的是，平坦层230的厚度至少大于或等于凹槽的深度，从而使得平坦层230能够覆盖凹槽，使得平坦层230的顶面处于同一平面内，且与硅衬底210的底面平行，进而获得一个顶面较为平坦的衬底结构，从而能够对后续外延生长的氮化物异质结提供一个高质量的衬底结构。在一些实施方式中，平坦层230可以是三五族化合物，三五族化合物相比于(100)晶面硅衬底210，与(111)
晶面硅衬底210具有更好的晶格匹配度，能够对后续外延生长的氮化物异质结提供一个高质量的衬底结构。
42.s040：在平坦层230上外延生长氮化物异质结。
43.通过s030获得一个顶面较为平坦的衬底结构，以该衬底结构为基础，继续在平坦层230顶面外延生长氮化物异质结，由于氮化物异质结能够与平坦层230形成较好的晶格匹配，因此，能够提高氮化物异质结的质量，同时，由于平坦层230顶面较为平整，能够对氮化物异质结提供较为平整的外延平面，从而进一步的提高氮化物异质结的质量。
44.可选的，通过s020利用湿法腐蚀在硅衬底210表面形成凹槽时，如图3所示，可以先在(100)晶面的硅衬底210表面形成整层掩膜层220；如图4所示，然后通过光刻工艺，使掩膜层220图形化，从而在掩膜层220上形成所需要的图案，应当理解的是，具有图案的掩膜层220包括覆盖硅衬底210表面的区域a和露出硅衬底210表面的区域b；如图5所示，接着通过湿法腐蚀对硅衬底210表面进行晶向处理，由于(100)晶面的硅衬底210表面的区域a被掩膜层220覆盖，因此，腐蚀液能够对露出在区域b的(100)晶面的硅衬底210的进行腐蚀，由于(111)晶面的原子密度较高，故腐蚀停止于(111)晶面，从而在硅衬底210表面形成至少一个凹槽，且凹槽的表面为(111)晶面，然后去除掩膜层220。
45.应当理解的是，掩膜层220可以是光刻胶层，也可以是介质层。
46.以光刻胶层为例：如图3所示，可以先在(100)晶面的硅衬底210表面涂覆整层光刻胶层，如图4所示，通过曝光、显影等工艺，对光刻胶层进行图形化，形成阵列排布的长条形光刻胶，在相邻两个长条形光刻胶之间露出位于光刻胶层下方的硅衬底210表面，此时，硅衬底210表面为(100)晶面。接着，如图5所示，对上述结构进行湿法腐蚀，从而使得腐蚀液作用于相邻两个长条形光刻胶之间露出的硅衬底210，并腐蚀出凹槽，凹槽的表面为(111)晶面，然后去除光刻胶层，得到如图6所示的硅衬底210。
47.以介质层为例：如图3所示，可以先在(100)晶面的硅衬底210表面外延生长整层介质层，接着在整层介质层上涂覆整层光刻胶层(图中未示出)，通过曝光、显影等工艺，对光刻胶层进行图形化，形成阵列排布的长条形光刻胶，在相邻两个长条形光刻胶之间露出位于光刻胶层下方的介质层表面。然后通过干法刻蚀或湿法刻蚀的方式去除未被光刻胶层覆盖的介质层(露出的介质层)从而对应露出位于介质层下方的硅衬底210，同时介质层也留下被光刻胶层覆盖的部分，即实现将光刻胶层上的图案转移至介质层上，去除光刻胶层，得到如图4所示的结构。如图5所示，对具有图案的介质层进行刻蚀，从而对露出的硅衬底210表面进行湿法腐蚀，利用具有图案的介质层的阻挡，从而在硅衬底210表面形成多个凹槽，且凹槽的表面为(111)晶面，然后去除光刻胶层，得到如图6所示的硅衬底210。
48.需要说明的是，通过光刻工艺在掩膜层220上形成图案后，可以使得剩余的掩膜层220由多个子掩膜结构组成，多个子掩膜结构形成阵列排布的结构形式，每个子掩膜结构的尺寸相同，且相邻两个子掩膜结构之间的间距也相同，如此，能够使得后续形成于硅衬底210表面的凹槽结构、尺寸相同，且也能够阵列排布，从而为后续外延生长平坦层230时，提供较为均匀的生长环境，便于实现顶面平整的平坦层230，从而提高外延平坦层230的质量。例如图4所示，每子掩膜结构均为长条形结构，且多个长条形结构的子掩膜结构阵列排布，每个长条形结构的子掩膜结构的尺寸相同，且相邻两个长条形结构的子掩膜结构之间的间距也相同。
49.还需要说明的是，相邻两个子掩膜结构之间的间距决定了后续形成凹槽的(111)晶面的面积，例如，当间距增大时，对应的，凹槽容积变大，(111)晶面的面积也变大，反之亦然。
50.可选的，通过s030在凹槽内的(111)晶面上外延生长平坦层230时，可以在凹槽内的(111)晶面上先快速沉积形成多个不连续的岛状成核点，然后依托多个岛状成核点通过三维生长形成连续的面，并最终形成覆盖凹槽的平坦层230，以此获得一个顶面较为平整的平坦层230。
51.可选的，如图6所示，通过湿法腐蚀在硅衬底210表面形成的凹槽为v形槽，v形槽的侧壁为(111)晶面，如此，形成的v形槽脚较浅，便于平坦层230外延生长成为平面型。
52.可选的，如图6所示，凹槽为多个，多个凹槽可以成阵列分布于硅衬底210的表面，每个凹槽均为v形槽，从而使得相邻两个凹槽组成w形结构，如此，能够使得硅衬底210的表面均为(111)晶面，从而能够便于在硅衬底210表面外延生长出高质量的平坦层230。
53.可选的，如图6所示，v形槽的开口宽度为c，v形槽的深度为h，其中，v形槽的开口宽度c为v形槽的深度h的1.43倍，v形槽侧壁的(111)晶面与水平面的夹角为54.7度，如此，形成的v形槽较浅，便于平坦层230外延生长成为平面型。
54.可选的，如图6和图7所示，凹槽的深度h可以小于100nm，如此，能够便于后续外延生长的平坦层230将其完全覆盖，从而获得一个顶面较为平整的衬底结构。
55.可选的，如图8所示，氮化物异质结包括依次生长于平坦层230上的缓冲层240、沟道层250和势垒层260，以便形成氮化物高电子迁移率晶体管的基本结构。应当理解的是，缓冲层240、沟道层250和势垒层260可以均为三五族化合物，其中，缓冲层240和沟道层250可以是二元、三元化合物，势垒层260可以是三元、四元化合物。在一些实施方式中，缓冲层240和沟道层250可以是同种材质，例如均为gan，从而简化外延步骤。
56.可选的，缓冲层240的材质为gan和al
x
ga
1-x
n中的一种。
57.可选的，缓冲层240的厚度可以为20nm至8μm，具体设置时，可以根据实际需求合理选择。
58.可选的，沟道层250的材质为gan和al
x
ga
1-x
n中的一种。
59.可选的，沟道层250的厚度为10nm至200nm，具体设置时，可以根据实际需求合理选择。
60.可选的，势垒层260的材质aln、inn、al
x
ga
1-x
n、in
x
al
1-x
n和in
x
alygan中的一种。
61.可选的，势垒层260的厚度为1nm至50nm，具体设置时，可以根据实际需求合理选择。
62.可选的，平坦层230的材质为aln。
63.可选的，平坦层230的厚度为10nm至100nm，具体设置时，可以根据实际需求合理选择，但应当理解的是，为便于获得较为平整的衬底结构，因此，在外延平坦层230时，应当使得平坦层230的厚度大于凹槽的深度，使得平坦层230能够完全覆盖凹槽。
64.本技术实施例的另一方面，提供一种氮化物异质结器件，包括硅衬底210，设置于硅衬底210表面的凹槽，凹槽的表面为(111)晶面，覆盖于凹槽的平坦层230，由于凹槽表面为(111)晶面，因此，覆盖于凹槽的平坦层230能够与硅衬底210表面进行良好的晶格适配，从而获得高质量的平坦层230。应当理解的是，平坦层230能够覆盖凹槽，便于平坦层230的
顶面处于同一平面内，且与硅衬底210的底面平行，从而获得一个顶面较为平坦的衬底结构。以该衬底结构为基础，继续在平坦层230顶面外延生长氮化物异质结，由于氮化物异质结能够与平坦层230形成较好的晶格匹配，因此，就可以获得高质量的氮化物异质结，同时，由于平坦层230顶面较为平整，能够进一步的提高氮化物异质结的质量。
65.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。