[發明專利]一種低位錯密度氮化物的外延層生長方法

在審

• 申請號: 202010147206.2
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111312585A
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 程萬希;梁輝南;姜仁波;李強;王榮華;高珺
• 申請（專利權）人: 大連芯冠科技有限公司
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;H01L21/335
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 周瑩;李馨

本發明屬于半導體技術領域，主要運用在第三代化合物半導體及功率器件，具體是一種低位錯密度氮化物的外延層生長方法。所述方法在緩沖層AlN和緩沖層AlxGa1?xN的生長過程中通入鹵化物，HCl、HBr、CCl₄或CBr₄。本發明的制備方法避免了在氣相中形成AlN顆粒，從而來提高了Al原子的薄膜表面遷移率。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，主要運用在第三代化合物半導體及功率器件，具體是一種低位錯密度氮化物的外延層生長方法。

背景技術

氮化鎵(GaN)作為繼第一代半導體硅(Si)和第二代半導體砷化鎵(GaAs)之后的第三代半導體材料代表，具有寬禁帶、耐高溫、高電子濃度、高電子遷移率、高導熱性等獨特的材料特性。因此，GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)在微波通訊和電力電子轉換領域擁有卓越的性能，符合技術革新和市場對產品更新換代的需求?，F有GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)的外延生長方法是在襯底(硅或者藍寶石)上直接依次生長氮化鋁AlN緩沖層、AlxGa₁-xN緩沖層及GaN層(摻C的GaN層和本征GaN層)。由于硅襯底和AlN層之間的材料特性(晶格系數不匹配以及熱膨脹系數差異大)，AlN緩沖層生長過程中會出現大量的韌性位錯和螺位錯以及高位錯密度的AlGaN層，從而導致后續的GaN薄膜材料具有很高的位錯密度(晶體質量差)并產生較多漏電通道，使GaN器件具有較大的漏電流密度而在遠低于臨界電場的條件下被擊穿。

目前硅基GaN高電子遷移率晶體管的外延生長原材料氮元素采用的是NH₃，在MOCVD(金屬有機化合物沉積設備)生長過程中，Al原子很容易和NH₃提前進行預反應，在氣相氛圍中形成AlN顆粒，(CH₃)₃Al(g)+NH₃(g)→AlN(s)+3CH₄(g)，從而降低Al原子在所要沉積薄膜表面的遷移率，同時也增加了薄膜中由氣相中形成AlN顆粒掉到薄膜表面所引起的缺陷，使薄膜的表面形成高位錯密度的孔洞，這些孔洞會在薄膜中形成縱向的韌位錯，從而進一步惡化整體薄膜的晶體質量，影響器件的使用。

為了在襯底(硅或者藍寶石)上制備GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)，目前采用的外延層依次包含：AlN緩沖層、AlxGa₁-xN緩沖層及GaN層(摻C的GaN層和本征GaN層)。在整個外延層中，含Al的外延層占據絕大部分。為了進一步提高GaN基晶體管的工作電壓，目前有效的方法主要是增加AlGaN層的厚度或者是采用含鋁組分的超晶格結構，比如AlGaN/AlN，AlN/GaN，AlGaN/GaN等結構，從而無法避免Al和NH₃在氣相中的預反應這一現象，降低Al原子在薄膜表面的遷移率。目前針對這一問題，采用的方法是改變生長過程中的溫度、壓力、V/III比等，但是都沒有很好的解決Al原子在表面低遷移率的問題。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種低位錯密度氮化物的外延層生長方法，在外延層生長過程中引入鹵化物使Al和鹵化物形成鹵化鋁，避免在氣相中形成AlN顆粒，使Al原子能夠有效的在薄膜表面上形成形狀規整AlN晶胞和AlGaN晶胞，進而形成位錯密度少的晶體結構。

為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種低位錯密度氮化物的外延層生長方法，所述方法在含Al的緩沖層AlN和緩沖層AlxGa₁-xN的生長過程中通入鹵化物。

上述技術方案中，進一步地，所述方法包括以下步驟：

(1)襯底高溫烘烤，去除襯底表面的氧化層和雜質，烘烤溫度900-1100度；

(2)在烘烤后的襯底上生長第一層緩沖層AlN，生長10～30nm的AlN層，通入鹵化物繼續生長AlN層，生長厚度在200～300nm；