[發(fā)明專利]硅襯底上生長氮化物外延層的方法及其半導(dǎo)體器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210541617.5
• 申請日: 2012-12-13
• 公開（公告）號: CN103872199A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬悅;黃占超;奚明
• 申請（專利權(quán)）人: 理想能源設(shè)備（上海）有限公司
• 主分類號: H01L33/12
• 分類號: H01L33/12;H01L33/32;H01L33/00
• 代理公司: 北京潤澤恒知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11319
• 代理人: 黃海霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種硅襯底上生長氮化物外延層的方法及其半導(dǎo)體器件。

背景技術(shù)

氮化鎵被認(rèn)為是繼硅之后最重要的半導(dǎo)體材料。氮化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，它的光譜覆蓋了整個(gè)可見光區(qū)域，可以制成藍(lán)光和白光發(fā)光二極管，用于顯示、電視背光和普通照明；可以制成綠光/藍(lán)光發(fā)光二極管，和AlGaInP基的紅光發(fā)光二極管一起，用于全色顯示；還可以制成紫外光激光器，用于數(shù)據(jù)存儲。除了優(yōu)異的光學(xué)性能，氮化鎵的電學(xué)性能也十分出色：高電子遷移率(～2000cm2/Vs)、高電子速度(2.5E7cm/s)、高臨界電場(3.5MV/cm)等等。因此，氮化鎵也可以用于微波器件、高速的功率開關(guān)器件等。

理論上來說，由于氮化鎵的臨界電場是硅材料的十倍以上，如果擊穿電壓相同的話，基于氮化鎵的功率開關(guān)器件具有極低的開態(tài)電阻。但是，除了性能以外，器件能不能被市場接受，生產(chǎn)制造的成本也是一個(gè)十分重要的因素。相對于基于氮化鎵的發(fā)光器件而言，氮化鎵基的功率開關(guān)器件對生產(chǎn)成本更為敏感。從綠光到紫外(550nm-200nm)發(fā)光器件而言，氮化鎵幾乎是唯一的選擇。但是，氮化鎵基功率開關(guān)器件需要和硅基的MOSFET/CoolMOS/IGBT等型號的器件競爭，因此氮化鎵器件需要在性能方面每個(gè)指標(biāo)都達(dá)到或者超過硅基器件的水平，系統(tǒng)成本也需要降低到和硅基器件相比擬的程度。從這個(gè)角度講，在大尺寸硅基板上生長氮化鎵材料是唯一的選擇。

除了基于大尺寸硅基襯底的LED生產(chǎn)較基于藍(lán)寶石襯底的技術(shù)有無可比擬的成本優(yōu)勢外，基于硅基襯底的LED技術(shù)與集成電路技術(shù)非常近似，容易整合，因此對光電一體嵌入式芯片發(fā)展迅速有重要意義，可以為化合物半導(dǎo)體發(fā)展提供廣闊的空間。在利用現(xiàn)有集成電路制程技術(shù)同時(shí)，切割等后段制程技術(shù)與資源都非常成熟與完備。此外，在生產(chǎn)HB和UHB?LED產(chǎn)品所需的覆晶安裝(flip?chip?mounting)時(shí)，硅晶材質(zhì)比藍(lán)寶石更易移除，不但生產(chǎn)周期可顯著縮短，還能獲得更佳的良率。由于硅基襯底的導(dǎo)熱性好于藍(lán)寶石襯底，部分封裝技術(shù)甚至不需剝離襯底。成熟的硅基襯底GaN技術(shù)同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)高性能功率器件的必備技術(shù)。

在硅上生長氮化鎵材料是相當(dāng)困難的，在硅和氮化鎵材料之間存在著巨大的熱失配，氮化鎵的熱膨脹系數(shù)為5.6*10^-6K^-1，而硅的熱膨脹系數(shù)為2.6*10^-6K^-1，兩者的失配高達(dá)56％，在硅襯底上生長氮化鎵，從高溫降到室溫，將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，而這種裂紋直接影響到器件的可靠性和良品率；另外，由于氮化鎵的晶體常數(shù)為0.3189nm，而硅的晶格常數(shù)為0.54301nm，兩者之間的晶格失配達(dá)到16.9％，因此，硅襯底上生長的氮化鎵材料將會出現(xiàn)大量的位錯(cuò)，而這些位錯(cuò)將會導(dǎo)致器件性能與壽命的下降。

現(xiàn)有技術(shù)中已有許多技術(shù)用來消除外延生長的氮化鎵薄膜表面的裂紋。如在硅襯底上制備規(guī)則方塊圖形，以及在氮化鎵外延層中插入氮化鋁插入層，可釋放張應(yīng)力，減少裂紋，但效果并不理想，主要是因?yàn)橐r底上的圖像影響到外延層的晶體質(zhì)量均勻性，同時(shí)調(diào)整氮化鋁層工藝難度很大。

因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種硅襯底上生長氮化物外延層的方法及其半導(dǎo)體器件。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種硅襯底上生長氮化物外延層的方法及半導(dǎo)體器件，其有效地改善了由于熱失配和晶格失配造成對材料或器件的影響。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

一種硅襯底上生長氮化物外延層的方法，所述方法包括：

S1、提供單晶硅襯底；

S2、在所述單晶硅襯底上沉積一層阻擋層；

S3、在所述阻擋層上沉積至少一層包括Al層和AlN層的Al/AlN超晶格層；

S4、采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法或氫化物氣相外延方法在所述Al/AlN超晶格層中AlN層上沉積AlN、GaN或AlGaN外延層，其中，在沉積AlN、GaN或AlGaN外延層過程中Al/AlN超晶格層中的Al層為融化狀態(tài)，釋放與相鄰阻擋層或AlN層間的應(yīng)力；

S5、在完成外延層沉積后對所述襯底進(jìn)行冷卻，冷卻過程中Al/AlN超晶格層中的Al層重新固化，對其相鄰阻擋層或AlN層施加壓應(yīng)力。