[發明專利]硅基氮化鎵外延結構及其制造方法

有效

• 申請號: 201410727203.0
• 申請日: 2014-12-03
• 公開（公告）號: CN105720088B
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發明（設計）人: 梁輝南
• 申請（專利權）人: 大連芯冠科技有限公司
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/205;H01L29/207;H01L21/02;H01L33/12;H01L33/32
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 柴智敏

本發明提供一種硅基氮化鎵外延結構及其制造方法，該硅基氮化鎵外延結構包括：硅襯底，包括經受過氮化處理的表面；生長在硅襯底上的氮化鋁緩沖層；在氮化鋁緩沖層上的第一漸變緩沖層，為多層Al_xGa_1?xN(0.1≤X≤0.9)結構，在該多層中從靠近所述氮化鋁緩沖層到遠離氮化鋁緩沖層的方向上，每層Al_xGa_1?xN結構的X值逐漸減小；第二漸變緩沖層，為多層Al_xGa_1?xN結構，在第二漸變緩沖層中從靠近第一漸變緩沖層到遠離第一漸變緩沖層的方向上，每層Al_xGa_1?xN結構的X值逐漸增大；第三漸變緩沖層，為多層Al_xGa_1?xN結構，其中每層Al_xGa_1?xN結構的X值的變化趨勢與第一漸變緩沖層相同。本發明提供的硅基氮化鎵外延結構能夠有效減小外延過程中的應力，降低外延裂紋的產生。

技術領域

本發明涉及半導體材料領域，尤其涉及一種應用于功率器件的硅基氮化鎵外延結構及其制造方法。

背景技術

氮化鎵功率器件由于氮化鎵材料其本身的先進特性，相對于目前市場上主導的硅半導體功率器件，在同樣的工作電壓和功率條件下，能夠在能量轉換過程中進一步降低大約30％-50％的能量損耗，同時它的體積更小(1/10)，工作電壓更高(＞600V)，轉換功率更大(＞kW)，以及工作頻率更快(＞50MHz)。所有的這些優勢在通過商業化降低生產成本，都可以轉換成巨大的經濟效益，為世界節能降耗做出重大貢獻。

整個氮化鎵功率器件技術的核心在于如何生產出高質量的氮化鎵材料。因為氮化鎵材料本身熔點高，所以很難采用熔融的結晶技術(比如硅)。目前最先進的結晶技術也只能生產出2寸片，成本極其昂貴，無法實現大規模生產，所以不具備產業化經濟效益需求。現在業界發展比較成熟的制備技術且同時具備產業化可行性的是金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)外延技術。同時因為氮化鎵材料晶格的特性，自然界還缺乏一個能夠跟氮化鎵晶格匹配相似并且制造成本相對較低的襯底材料。現在業界普遍使用的襯底是碳化硅，藍寶石，以及單晶硅。碳化硅和藍寶石這兩個材料成本都非常高(6寸藍寶石價格大概500-600美元，3寸碳化硅價格大概2000美元)。

對氮化鎵功率器件來說，考慮到襯底材料以及后續電子器件加工制備的成本，藍寶石和碳化硅在經濟效益層面不是一個可行的材料(尺寸，硅加工工藝相容性等等)，業界普遍承認并且努力攻克的唯一可行技術就是以硅為襯底進行金屬有機物化學氣相沉積外延生長。硅襯底具備成本低，晶圓尺寸大，后續加工工藝成熟及相容的優點。但是(111)硅材料跟氮化鎵晶格的不匹配程度達到17％，熱膨脹的不匹配程度達到54％，這使得在硅襯底上長氮化鎵外延的過程中容易形成較大的應力以及較高的位錯密度。應力大會導致外延表面出現裂紋以及整個外延片彎曲度高而無法應用于后續的電子器件加工。高位錯密度可以導致氮化鎵外延材料質量降低以及隨之而來的低擊穿電壓。

在整個外延生長的過程中，應力的形成和演變大致包括以下幾個階段：1)初期的加熱升溫過程中硅襯底表面和背面的溫度差形成張應力；2)隨著外延生長因為晶格不匹配導致的壓應力逐漸取代溫差引起的張應力；3)在外延生長末期壓應力大達到最大值；4)在降溫過程中因為熱膨脹不匹配導致的張應力逐漸抵消壓應力。在各個階段的外延應力變化會直接影響到外延裂紋的形成。

圖1是現有技術中硅基氮化鎵外延結構的結構示意圖。如圖1所示，該硅基氮化鎵外延結構包括硅(111)襯底101；在硅(111)襯底101上生長的氮化鋁緩沖層102；在氮化鋁緩沖層102上生長的多層鋁鎵氮漸變緩沖層103，在多層鋁鎵氮漸變緩沖層103中鋁成分從高到低逐漸變化；在所述多層鋁鎵氮漸變緩沖層103上生長的氮化鎵緩沖層104；在所述氮化鎵緩沖層104上生長的氮化鋁隔離層105和在所述氮化鋁隔離層105上生長的鋁鎵氮器件層106。通常采用這種方式來緩解外延生長過程中的應力。