[發明專利]硅襯底上外延氮化鎵薄膜及制備HEMT器件的方法

有效

• 申請號: 201410733895.X
• 申請日: 2014-12-04
• 公開（公告）號: CN105719968B
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 方浩
• 申請（專利權）人: 北京北方華創微電子裝備有限公司
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 彭瑞欣;張天舒

本發明提供一種硅襯底上外延氮化鎵薄膜及制備HEMT器件的方法，包括以下步驟：S1，在硅襯底表面外延生長用作插入層的SiC層；S2，對硅襯底進行氮化鎵外延工藝；該工藝進一步包括以下步驟：S21，對SiC層的表面進行處理，以形成一層鋁單原子層；S22，在該鋁單原子層表面外延生長形成氮極性的氮化鎵外延層。本發明提供的硅襯底上外延氮化鎵薄膜的方法，其能夠在硅襯底上獲得N極性的氮化鎵外延層，該氮化鎵外延層可以應用于制備例如GaN基常關型HEMT器件等的高性能器件。

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，具體地，涉及一種硅襯底上外延氮化鎵薄膜及制備HEMT器件的方法。

背景技術

目前，業界一直在致力于用供應更為豐富的硅代替傳統的藍寶石或碳化硅(SiC)作為GaN元件的襯底，以降低成本，同時可以在自動化IC生產線上制造。另外，硅具有良好的導電和導熱性能，是GaN大功率器件的良好載體，使GaN大功率器件能夠充分發揮其優越的性能。采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化合物化學氣相沉淀)工藝在襯底上外延生長GaN薄膜層，獲得的GaN薄膜層多為Ga極性，而非N極性。這使得GaN基HEMT器件為常開型器件，常開型器件有漏電流大和斷電安全性差等弊端。若要得到GaN基常關型(又稱增強型)HEMT器件，就需要在襯底上外延生長N極性的GaN薄膜層。

現有的一種獲得N極性的GaN薄膜層的方法為：以預通氨氣進行氮化處理的方式在藍寶石襯底上形成雙層N(氮)單原子層，借助這個雙層N原子層實現極性翻轉。完成該極性翻轉后，采用TMGa(三甲基鎵)氣體在襯底上外延生長GaN薄膜層，最終獲得N極性的GaN薄膜層。上述方法雖然可以在藍寶石襯底上獲得N極性的GaN薄膜層及HEMT器件。但是，由于藍寶石襯底的導熱性較差，容易造成HEMT器件燒毀，因此，上述方法不適合應用在制備高功率的HEMT器件。即便采用導熱性能較好的硅襯底代替藍寶石襯底進行上述方法，但是，由于在進行氮化處理時，預通氨氣容易在硅表面形成SiN層，而SiN是一種介質材料，這使得GaN在SiN層表面很難定向外延形成薄膜層，從而也無法獲得N極性的GaN薄膜層。

還有一種獲得N極性的GaN薄膜層的方法是在硅襯底上通過重摻雜Mg來實現GaN外延層的極性翻轉，從而實現在Si襯底上外延生長N極性的GaN薄膜層。該方法是基于過量的Mg摻雜會出現Mg在GaN材料中以團簇形式存在的現象，而這種Mg團簇可以改變GaN的原子排列順序，形成極性翻轉。但是，這種方法實際上是在晶體內部引入高密度的缺陷，這些高密度的缺陷通常導致晶體材料的物理、化學性質變差，例如導電性低，從而該方法無法制作高性能的器件。

發明內容

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種硅襯底上外延氮化鎵薄膜及制備HEMT器件的方法，其能夠在硅襯底上獲得N極性的氮化鎵外延層，該氮化鎵外延層可以應用于制備例如GaN基常關型HEMT器件等的高性能器件。

為實現本發明的目的而提供一種硅襯底上外延氮化鎵薄膜的方法，包括以下步驟：

S1，在硅襯底表面外延生長用作插入層的SiC層；

S2，對所述硅襯底進行氮化鎵外延工藝；所述工藝包括以下步驟：S21，對所述SiC層的表面進行處理，以形成一層鋁單原子層；S22，在所述鋁單原子層表面外延生長氮極性的氮化鎵外延層。

優選的，所述步驟S1進一步包括以下步驟：

S11，采用化學氣相沉積工藝，并以丙烷為原料對所述硅襯底進行碳化處理；

S12，通入含有碳元素和硅元素的氣體在經過碳化處理的所述硅襯底表面上外延生長SiC層。

優選的，在所述步驟S11中，腔室溫度為1100～1300℃，并在該腔室溫度下將所述硅襯底在摻有丙烷、甲烷或者乙烷的氫氣氣氛中烘烤5～30min。