[發明專利]一種抑制硅基氮化鎵射頻器件的射頻損耗的方法

在審

• 申請號: 201910429057.6
• 申請日: 2019-05-22
• 公開（公告）號: CN110211867A
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 楊學林;沈波;魏來;張潔;馮玉霞;沈劍飛;劉丹爍;蔡子東;馬騁
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L21/335
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種抑制硅基氮化鎵射頻器件的射頻損耗的方法，在外延層生長之前預通氨氣，對硅襯底進行氮化預處理，在硅襯底上形成一層無定形的氮化硅薄膜，從而形成一個鋁原子擴散的壁壘，這個壁壘阻擋了鋁原子擴散，從而降低了外延生長后硅襯底的導電能力，使其維持在高阻狀態，減小了射頻器件工作時候的射頻損耗。本發明對硅襯底的通氨氣氮化預處理所用時間為秒級，幾乎不占用工廠的機時，有利于工業生產控制成本。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，特別涉及一種抑制硅基氮化鎵射頻器件在應用中面臨的由于鋁原子擴散導致的射頻損耗問題的方法。

背景技術

以III族氮化物為代表的第三代半導體具有高禁帶寬度、高擊穿電場、高飽和電子漂移速度以及強極化等優異的性質，特別是基于硅(Si)襯底和碳化硅(SiC)襯底上的鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質結構的高遷移率晶體管(HEMT)具有開關速度快、導通電阻低、器件體積小、耐高溫、節能等優異特性，有望在下一代微波射頻功率器件領域得到廣泛使用。

但是，目前氮化鎵基微波射頻電子器件一般是采用碳化硅(SiC)襯底上外延氮化鎵(GaN)，而采用擁有成本優勢且發展得更加完善的硅基氮化鎵用作微波射頻器件比較少。這主要是因為，一方面硅基氮化鎵微波射頻器件有比較嚴重的散熱問題；另一方面更為重要的是，相較于碳化硅基氮化鎵射頻器件，硅基氮化鎵射頻器件面臨非常嚴重的射頻損耗問題，離真正的實用化還存在差距。因此，如何解決硅基氮化鎵射頻器件的射頻損耗問題顯得尤為關鍵。

因為硅與氮化鎵兩者之間存在極大的晶格失配和熱失配，因而需要較多的應力緩沖層，在此之前首先需要先生長一層氮化鋁成核層，而這層氮化鋁帶來的氮化鋁/硅界面對于射頻損耗非常關鍵。氮化鋁外延時，鋁原子擴散進入硅襯底，增加了原本為高阻的硅襯底的導電性，形成了一層p型空穴導電層，從而導致微波射頻器件在工作室有較大的射頻損耗。因此，如何通過有效的外延生長方法，抑制鋁原子在氮化鋁外延過程中向高阻硅襯底進行擴散進而抑制射頻損耗，對于提高硅上氮化鎵射頻器件性能、降低微波射頻器件成本有重要意義。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種用于抑制鋁原子向硅襯底擴散帶來射頻損耗的方法：預通氨氣形成氮化硅的方法，即在外延層生長氮化鋁之前預通氨氣，對硅襯底進行氮化預處理，得到氮化硅薄層。這樣在硅和氮化鋁界面形成一層無定形的氮化硅薄膜，從而形成一個鋁原子擴散的壁壘，這個壁壘阻擋了鋁原子擴散，從而降低了外延生長后硅襯底的導電能力，減小了射頻器件工作時候的射頻損耗。

本發明在硅襯底上形成一層無定形的氮化硅薄膜，從而抑制硅基氮化鎵射頻器件的射頻損耗，其主要原理是：通過形成的這層致密的無定形的氮化硅薄膜，隔絕外延生長時硅襯底與鋁源相接觸，也阻擋后續生長過程中鋁原子擴散，從而使得硅襯底在外延生長之后也維持在高阻狀態。最重要的是，對于硅襯底的通氨氣氮化預處理，所用時間為秒級，幾乎不占用工廠的機時，對于工業生產控制成本也沒有影響。

具體的，本發明在硅襯底上形成一層無定形的氮化硅薄膜的方法是：對硅襯底通氨氣，使得硅襯底上形成厚度為1～20nm的無定形的氮化硅薄膜。

上述方法中，通常是以一定流量對硅襯底通氨氣5～60秒，此處的氨氣流量一般是以氮化鋁生長時候的氨氣流量為準。

本發明方法簡單且快捷有效，發明申請人已經通過實驗數據證明了氮化處理硅襯底對于鋁原子擴散的阻擋作用。這種方法對于抑制氮化鋁在硅襯底上外延過程中鋁原子向硅襯底擴散帶來的射頻損耗，將發揮重要作用。

本發明提供的技術方案是：

一種硅基氮化鎵射頻器件射頻損耗的抑制方法，所述抑制方法首先在高阻硅襯底外延生長之前預通氨氣，在這個硅襯底上形成一層無定形的氮化硅薄膜之后，再進行正常的外延，具體包括：

1)在高阻硅襯底生長之前預通氨氣，預通時間一般在5秒到60秒；