一种外延结构的制备方法、外延结构、器件及设备与流程

1.本发明涉及半导体器件制备技术领域，特别涉及一种外延结构的制备方法、外延结构、器件及设备。


背景技术：

2.目前，高压、高温、高频和大功率氮化镓(gan)电子器件是国际半导体领域的一个研究热点，也是当今微电子领域的战略制高点之一。以氮化镓为代表的第三代半导体材料相比于以硅为代表的第一代半导体材料和以砷化镓为代表的第二代半导体材料，其具有高电子迁移率、耐高压、耐高温等优点，特别适合制备高压功率器件。在高压功率器件中往往要求氮化镓缓冲层要具有高阻特性以减小器件工作过程中的电流泄漏。
3.随着硅基氮化镓功率器件的快速发展，高电压、高功率应用对硅基氮化镓的耐压值的要求越来越高，逐渐从650v耐压提高到1200v耐压，这对氮化镓缓冲层电阻率提出了越来越高的要求。一般来说，氮化镓天然表现为n型载流子导电，为了降低其载流子浓度，在氮化镓缓冲层中掺杂mg/fe/c实现p型载流子补偿，从而降低氮化镓缓冲层中的载流子浓度，提高氮化镓缓冲层的电阻率。目前提高缓冲层耐压值的方法主要为在氮化镓缓冲层生长过程中，通常通过有机金属源自带的碳源实现碳掺杂，从而提高缓冲层电阻率，然而这种方法并不能有效提高氮化镓缓冲层的碳掺杂能力。因此限制了缓冲层电阻率的提高，也就限制了硅基氮化镓耐压值的提高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是现有制备硅基氮化镓外延结构的方法不能进一步提高氮化镓缓冲层电阻率的问题。
5.为解决上述技术问题，第一方面，本技术实施例公开了一种硅基氮化镓外延结构的制备方法，包括：
6.获取支撑衬底；
7.在所述支撑衬底上制备基础层；
8.在所述基础层上制备碳掺杂的氮化镓缓冲层；
9.其中，在制备所述氮化镓缓冲层时引入碳源对所述氮化镓缓冲层进行碳掺杂；所述碳源包括第一碳源，所述第一碳源为三甲基铝。
10.进一步的，所述碳源还包括第二碳源；所述在所述基础层上制备碳掺杂的氮化镓缓冲层，包括：
11.向反应装置中通入第一反应物、所述第一碳源和所述第二碳源；
12.在第一预设温度和第一预设压力下，所述第一反应物在所述基础层上反应生成碳掺杂的氮化镓缓冲层。
13.进一步的，所述第二碳源为四溴化碳或三甲基镓。
14.进一步的，通入所述第一碳源的浓度为10μmol/min-60μmol/min。
15.进一步的，所述基础层包括氮化铝层和应力调控层；所述在所述支撑衬底上制备基础层，包括：
16.在所述支撑衬底上制备所述氮化铝层；
17.在所述氮化铝层上制备所述应力调控层。
18.进一步的，所述应力调控层为至少两层不同铝组分的氮化铝镓层；所述在所述高温氮化铝层上制备所述应力调控层，包括：
19.向反应装置中通入预设浓度的第二反应物；
20.在第二预设温度和第二预设压力下，所述第二反应物在所述高温氮化铝层上反应生成至少两层不同铝组分的氮化铝镓层。
21.进一步的，所述在所述基础层上制备碳掺杂的氮化镓缓冲层之后，还包括：
22.在所述氮化镓缓冲层上制备氮化镓沟道层；
23.在所述氮化镓沟道层上制备氮化铝镓势垒层。
24.第二方面，本技术实施例公开了一种硅基氮化镓外延结构，所述硅基氮化镓外延结构为通过如上所述的硅基氮化镓外延结构的制备方法制备得到。
25.第三方面，本技术实施例公开了一种功率器件，所述功率器件包括如上所述的硅基氮化镓外延结构。
26.第四方面，本技术实施例公开了一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的功率器件。
27.采用上述技术方案，本技术实施例所述的外延结构的制备方法、外延结构、器件及设备具有如下有益效果：
28.该制备方法提供了一种工艺掺杂方案，能够进一步提高氮化镓缓冲层的电阻率。在氮化镓缓冲层生长过程中通入三甲基铝作为碳源，能够显著提高氮化镓缓冲层的碳掺杂能力，进而显著提高氮化镓缓冲层的电阻率，从而显著提高硅基氮化镓缓冲层的击穿电压。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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的附图。
30.图1为本技术实施例提供的一种硅基氮化镓外延结构的制备方法的流程示意图；
31.图2为本技术实施例提供的一种硅基氮化镓外延结构的结构示意图。
32.以下对附图作补充说明：
33.101-支撑衬底；102-氮化铝层；103-应力调控层；104-氮化镓缓冲层。
具体实施方式
34.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，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
36.氮化镓材料和硅、砷化镓等半导体材料相比，具有更强的临界击穿电场、更大的电子饱和漂移速度、更高的禁带宽度及热导率等特性，在高压高频电子器件领域具有很大优势。氮化镓缓冲层的漏电是制约氮化镓电子器件发展的重要因素。目前一般通过受主杂质掺杂的方式，补偿背景电子而获得高阻氮化镓缓冲层，抑制漏电现象，提高耐压值。对于采用碳掺杂的方式来提高氮化镓缓冲层耐压值的方法来说，通常在氮化镓缓冲层生长过程中，通常通过有机金属源自带的碳源实现碳掺杂，从而提高缓冲层电阻率。更有效的掺杂方法为通过额外添加四溴化碳作为碳源来提高碳掺杂能力。在其他条件固定时，这种方法在的掺碳能力不会随四溴化碳的通入量增加而无限提高，会在特定的四溴化碳通入量下达到饱和，碳掺杂浓度不在随四溴化碳通入量增加而增加，因此限制了缓冲层电阻率的提高，也就限制了硅基氮化镓耐压值的提高。
37.有鉴于此，本技术实施例提供了一种硅基氮化镓外延结构的制备方法，该制备方法提供了一种新的工艺掺杂方案，能够进一步提高氮化镓缓冲层的电阻率，从而是硅基氮化镓功率器件实现更高的耐压值。图1为本技术实施例提供的一种硅基氮化镓外延结构的制备方法的流程示意图，如图1所示，该制备方法包括：
38.s101：获取支撑衬底101。
39.本技术实施例中，支撑衬底101用于支撑硅基氮化镓外延结构。可选的，支撑衬底101可以为硅衬底、碳化硅衬底、蓝宝石衬底等。在获得支撑衬底101后，将支撑衬底101放入金属有机化学气象沉积(metal-organic chemical vapor deposition，mocvd)设备中，以进行氮化镓外延结构的制备。
40.在一些实施例中，在进行氮化镓外延结构的制备之前，还可以对支撑衬底101进行清洗，以去除支撑衬底101表面的除杂质。具体的，将支撑衬底101放入mocvd设备中，然后对支撑衬底101进行加热，将支撑衬底101的温度升高到1000℃-1100℃，对支撑衬底101进行高温清洗。在清洗过程中，向mocvd设备中通入氢气，并控制mocvd设备中的压力50mbar-200mbar，利用氢气的还原性，去除支撑衬底101表面的有机物和氧化物等。
41.s103：在支撑衬底101上制备基础层。
42.本技术实施例中，基础层为氮化镓缓冲层104与支撑衬底101之间的过渡层。可选的，基础层包括氮化铝(aln)层和应力调控层103。在支撑衬底101上制备基础层可以包括：在支撑衬底101上制备氮化铝层102，然后在氮化铝层102上制备上制备应力调控层103。在一些实施例中，氮化铝层102还可以包括低温氮化铝成核层和高温氮化铝层102。低温氮化
铝成核层生长在支撑衬底101的表面，高温氮化铝层102生长在低温氮化铝成核层的表面。低温氮化铝成核层为后续氮化镓生长提供晶核。高温氮化铝层102能够保证后续生长的氮化镓的表面质量和晶体质量。可选的，在支撑衬底101上制备氮化铝层102可以包括：在预设温度和预设压力下，向反应装置中通入反应物，反应物在支撑衬底101上反应形成低温氮化铝成核层。根据高温氮化铝的形成条件调节预设温度和预设压力，向反应装置中继续通入反应物，反应物在低温氮化铝成核层上反应形成高温氮化铝层102。
43.作为一种可选的实施方式，上述在支撑衬底101上形成低温氮化铝成核层和高温氮化铝层102的具体方法为：将支撑衬底101的温度控制在800℃-900℃，并将mocvd设备中的压力保持在50mbar。向mocvd设备中通入氨气、氢气和三甲基铝，氨气、氢气和三甲基铝在低温下发生反应，在支撑衬底101上生长预设厚度的低温氮化铝成核层。然后，再将支撑衬底101的温度升高到1050℃-1200℃，并将mocvd设备中的压力保持在50mbar，向mocvd设备中通入氨气、氢气、和三甲基铝，氨气、氢气和三甲基铝在高温下发生反应，在低温氮化铝成核层上继续生长形成预设厚度的高温氮化铝层102。
44.本技术实施例中，应力调控层103用于调控氮化镓外延结构与支撑衬底101之间由于晶格失配和热失配而产生的大的失配应力。可选的，应力调控层103为al组分梯度渐变的氮化铝镓(algan)缓冲层，其中铝组分的梯度渐变的范围为0-100％。可选的，应力调控层103为至少两层不同铝组分的氮化铝镓层。在氮化铝层102上制备应力调控层103可以包括：向反应装置中通入预设浓度的第二反应物。在第二预设温度和第二预设压力下，第二反应物在氮化铝层102上反应生成至少两层不同铝组分的氮化铝镓层。
45.作为一种可选的实施方式，应力调控层103包括三层铝组分逐渐降低的氮化铝镓缓冲层，其中铝组分自下而上分别是80％、50％、20％。上述在氮化铝层102上形成应力调控层103的具体方法为：将支撑衬底101的温度设置在1050℃-1150℃，并控制mocvd设备中的压力为50mbar。向mocvd设备中通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝发生反应，在氮化铝层102上生长不同铝组分的氮化铝镓缓冲层。在上述反应过程中，通过控制三甲基铝/三甲基镓的流量比，来实现铝组分含量的控制，依次在氮化铝层102上生长出铝组分为80％的氮化铝镓缓冲层、铝组分为50％的氮化铝镓缓冲层、铝组分为20％的氮化铝镓缓冲层。应当理解的是，该实施方式中氮化铝镓缓冲层的不同铝组分仅为示例性说明，本领域技术人员还可以根据实际需求对铝组分进行调节。同样的，制备氮化铝镓缓冲层的层数也可以根据实际需求进行调节增加或减少。
46.s105：在基础层上制备碳掺杂的氮化镓缓冲层104。
47.本技术实施例中，应力调控层103制备完成后，在应力调控层103上制备高阻氮化镓缓冲层104。在制备氮化镓缓冲层104时引入三甲基铝作为第一碳源对氮化镓缓冲层104进行碳掺杂。
48.本技术实施例中，在选择碳源对氮化镓缓冲层104进行碳掺杂时，需要考虑所选碳源不会引入其他杂质缺陷导致生长的氮化镓材料质量下降，且能提高氮化镓缓冲层104的碳掺杂能力，以获得高阻氮化镓缓冲层104。有鉴于此，可选用金属有机化合物(metalorganic source，mo)作为碳源对氮化镓缓冲层104进行碳掺杂。一般来说，mo源中金属-碳键的强度决定了按自由基发生均相裂解反应时分子的稳定性，即键强越弱，碳原子越容易脱离mo分子团。通常，甲基(439kj/mol)》乙基＝正丙基(410kj/mol)》异丙基(397.5kj/
mol)。而对于al、ga、mg等不会引入其他杂质缺陷导致氮化镓材料质量下降的原子来说，由于al-c键的键能最高，al-c键不易断裂，即c原子不容易脱离mo分子团与其他物质发生反应。此外，在制作有机源时，al源中的c污染也较大。基于以上两方面的特点，在氮化镓缓冲层104生长史中，通过掺杂三甲基铝而提升碳掺杂氮化镓缓冲层104中的碳掺杂浓度。
49.需要说明的是，制备碳掺杂的氮化镓缓冲层通常所采用的掺杂方案分为本征掺杂和非本征掺杂。对于本征掺杂的方案来说，通常通过有机金属源三甲基镓作为碳源实现碳掺杂，从而提高氮化镓缓冲层电阻率。即把反应生成氮化镓的反应物之一的三甲基镓作为碳源对氮化镓缓冲层进行掺杂，从而避免引入杂质离子影响氮化镓缓冲层的薄膜质量。对于非本征掺杂的方案来说，一般采用分子结构稳定，且对氮化镓缓冲层的薄膜质量影响较小的四溴化碳作为碳源对氮化镓缓冲层进行碳掺杂。基于现有的技术认知，尚未有效果较好的其他物质来替代四溴化碳作为碳源对氮化镓进行非本征掺杂。三甲基铝通常只是作为制备氮化铝层的反应物，并不会在制备氮化镓缓冲层时通入三甲基铝。而本技术实施例中在制备氮化镓缓冲层时通入少量的三甲基铝，将三甲基铝作为碳源对氮化镓缓冲层进行碳掺杂，能够使氮化镓缓冲层的碳掺杂率大大提高，进而提高氮化镓缓冲层的电阻率。
50.在一些实施例中，在制备氮化镓缓冲层时，除了采用三甲基铝作为碳源，还可以同时采用三甲基镓或四溴化碳作为第二碳源对氮化镓缓冲层进行碳掺杂，能够使氮化镓缓冲层的碳掺杂率进一步的提高。具体的，在基础层上制备碳掺杂的氮化镓缓冲层104可以包括：向反应装置中通入第一反应物、第一碳源和第二碳源。在第一预设温度和第一预设压力下，第一反应物在基础层上反应生成碳掺杂的氮化镓缓冲层104。其中，第一碳源为四溴化碳，第二碳源为三甲基铝。通入三甲基铝的浓度为10μmol/min-60μmol/min。
51.作为一种可选的实施方式，上述在基础层上制备碳掺杂的氮化镓缓冲层104的具体方法为：将支撑衬底101的温度控制在1000℃-1100℃，并将mocvd设备中的压力保持在50mabr，向mocvd设备中的通入氨气、氢气和三甲基镓和四溴化碳，三甲基镓和氨气在高温下反应生成氮化镓，在应力调控层103上生长故意掺杂c的高阻氮化镓缓冲层104。在此步骤中，向mocvd设备中通入少量三甲基铝，可以进一步提高c的掺杂浓度。可选的，通入三甲基铝的浓度为10μmol/min-60μmol/min。通过该方法制备得到的碳掺杂氮化镓缓冲层104中掺杂的碳来源有三部分，其一为三甲基镓和氨气在高温下反应生成氮化镓，甲基中含有碳元素，一部分碳会随着尾气排出，另一部分碳会进入到氮化镓晶格内部，形成碳掺杂。其二为第一碳源四溴化碳，其三为三甲基铝。
52.本技术实施例中，在基础层上制备碳掺杂的氮化镓缓冲层104之后还包括制备沟道层和势垒层的步骤。具体的，在氮化镓缓冲层104上制备氮化镓沟道层。在氮化镓沟道层上制备氮化铝镓势垒层。
53.作为一种可选的实施方式，上述制备沟道层和势垒层的具体方法为：将支撑衬底101温度升高到1050℃-1150℃，将mocvd设备中的压力提高到200mbar，向mocvd设备中通入氨气、氢气、三甲基镓，氨气、氢气、三甲基镓反应，在氮化镓缓冲层104上继续生长氮化镓沟道层。然后在氮化镓沟道层上制备势垒层。具体的，将支撑衬底101的温度维持在1050℃-1150℃，将mocvd设备中的压力降低到100mber，向mocvd设备中通入通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，氨气、氢气、三甲基镓反应，在氮化镓沟道层上生长氮化铝镓势垒层。
54.本技术实施例所述的硅基氮化镓外延结构的制备方法，提出在氮化镓缓冲层104
生长过程中通入少量三甲基铝源，通入三甲基铝源的浓度在10μmol/min-60μmol/min，能够显著提高氮化镓缓冲层104的碳掺杂能力，进而使氮化镓缓冲层104的电阻率显著提高，从而显著提高硅基氮化镓缓冲层104的击穿电压。
55.本技术实施例还了一种硅基氮化镓外延结构，硅基氮化镓外延结构为通过如上所述的硅基氮化镓外延结构的制备方法制备得到。
56.本技术实施例中，图2为本技术实施例提供的一种硅基氮化镓外延结构的结构示意图，如图2所示，该硅基氮化镓外延结构包括自下而上依次设置的硅衬底、氮化铝层102、应力调控层103、碳掺杂的氮化镓缓冲层104等。其中应力调控层103包括三层铝组逐层降低的氮化铝镓缓冲层。在一些实施例中，硅基氮化镓外延结构还包括氮化镓沟道层和氮化铝镓势垒层，氮化镓沟道层设置在氮化镓缓冲层104上，氮化铝镓势垒层设置在在氮化镓沟道层上。
57.本技术实施例中，在制备碳掺杂的氮化镓缓冲层104时，采用第一碳源和第二碳源对氮化镓缓冲层104进行碳掺杂，第一碳源选用四溴化碳，第二碳源选用三甲基铝。对通过上述方法制备得到的硅基氮化镓外延结构进行测试分析，并对比仅采用四溴化碳作为碳源制备得到的碳掺杂的氮化镓缓冲层104。仅采用四溴化碳作为碳源制备得到的碳掺杂的氮化镓缓冲层104的碳掺杂率为5e
18-1e
19
atoms/cm3，而通过本技术实施例所述的制备方法制备得到的氮化镓缓冲层104的碳掺杂率为1e
19-5e
19
atoms/cm3。由此可见，通过在氮化镓缓冲层104制备过程中通入少量三甲基铝可以提高c的掺杂浓度，进而使氮化镓缓冲层104的电阻率显著提高，从而提高硅基氮化镓缓冲层104的击穿电压。
58.本技术实施例提供了一种功率器件，功率器件包括如上所述的硅基氮化镓外延结构。
59.本技术实施例中，该功率器件可以是高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，hemt)，可以用于高压大功率开关器件和高频微波器件等领域。
60.本技术实施例公开了一种电子设备，电子设备包括如上所述的功率器件。
61.以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，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。