CN102851733B - 氮化镓基材料及器件的制备系统和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓基材料及器件的制备系统和制备方法，该系统为集成系统，包括：一个或多个MOCVD反应室；一个或多个ALD反应室；以及与所述MOCVD反应室和ALD反应室相连的互锁传送机构。MOCVD可以是标准结构，用于氮化物的生长。ALD反应室可以同时生长氮化物和氧化物介质层，其最高生长温度达500℃以上，可以生长出高质量的氧化物或氮化物薄膜。另外，还可以选配预清洗腔，用于清洗衬底或者氮化物的表面。通过该集成系统，同时完成清洗，以及外延层和介质层的生长，避免了空气中的沾污。本发明可以极大的提高晶体和介质层的质量，改善器件性能，而且可以制备新型的器件结构。

Description

氮化镓基材料及器件的制备系统和制备方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种氮化镓基材料及器件的制备系统和制备方法。

背景技术

氮化镓被认为是继硅之后最重要的半导体材料。氮化镓是一种宽禁带半导体材料，它的光谱覆盖了整个可见光区域，可以制成蓝光和白光发光二极管，用于显示、电视背光和普通照明；可以制成绿光/蓝光发光二极管，和AlGaInP基的红光发光二极管一起，用于全色显示；还可以制成紫外光激光器，用于数据存储。除了优异的光学性能，氮化镓的电学性能也十分出色：高电子迁移率(~2000cm²/Vs)、高电子速度(2.5E7cm/s)、高临界电场(3.5MV/cm)等等。因此，氮化镓也可以用于微波器件、高速的功率开关器件等。

理论上来说，由于氮化镓的临界电场是硅材料的十倍以上，基于氮化镓的功率开关器件具有极低的开态电阻，如果击穿电压相同的话。但是，除了性能以外，器件能不能被市场接受，生产制造的成本也是一个十分重要的因素。相对于基于氮化镓的发光器件而言，氮化镓基的功率开关器件对生产成本更为敏感。从绿光到紫外(550nm-200nm)发光器件而言，氮化镓几乎是唯一的选择。但是，氮化镓基功率开关器件需要和硅基的MOSFET/CoolMOS/IGBT等型号的器件竞争，因此氮化镓器件需要在性能方面每个指标都达到或者超过硅基器件的水平，系统成本也需要降低到和硅基器件相比拟的程度。从这个角度讲，在大尺寸硅基板上生长氮化镓材料是唯一的选择。

在硅上生长氮化镓材料是相当困难的，硅和氮化镓之间存在巨大的晶格失配和热失配，如果不采用应力工程的话，硅上的氮化镓材料会出现龟裂和硅基板的严重翘曲。另外，镓原子还可以和硅产生反应，在氨气或者氮气氛围内，反应会更加剧烈。为了实现硅上氮化镓的生长，对腔内需要进行严格的清洗或者进行配件的更换，避免硅表面在富镓的氛围内造成损伤。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种氮化镓基材料及器件的制备系统和制备方法，以此来提高氮化物外延炉的产量和质量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的氮化镓基材料及器件的制备系统和制备方法。

该氮化镓基材料及器件的制备系统为一种集成系统，同时配有ALD反应室和MOCVD反应室。在ALD反应室内，通过热分解或者等离子增强分解，在无镓的氛围内制备氧化铝或者氮化铝薄膜。同时该系统还需要具备预清洗反应室，在沉积氧化铝或者氮化铝薄膜前去除硅衬底表面的本征氧化物。

通过真空互联系统，把预清洗过的硅片传入ALD反应室，避免硅片暴露在空气中。该预清洗反应室可以大大改善氧化铝或者氮化铝薄膜的质量。在ALD反应室内沉积氧化铝或者氮化铝薄膜后，把硅片从真空互联系统转入MOCVD反应室，这样同样也是为了避免空气的沾污，提高薄膜的表面质量。在MOCVD反应室中，可在不含镓元素的薄膜上反复生长氮化物外延膜。由于硅片被致密的含铝薄膜覆盖，避免了镓元素对硅片的侵蚀，所以该MOCVD反应室不需要清洗可以反复使用。

在外延片生长完毕后，外延片可从MOCVD反应室转移到准备室，或者再次转移到ALD反应室中，继续生长介质膜，作为功率器件中的钝化层或者栅极下的介质层。由于MOCVD生长的氮化物层（包括III族氮化物和氮化硅）和ALD生长的介质层之间没有暴露在外界的过程，所以可以大大降低界面态的密度，降低电流崩塌的可能性，提高器件的可靠性以及其他性能。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种氮化镓基材料及器件的制备系统，所述系统为集成系统，包括：

一个或多个MOCVD反应室；

一个或多个ALD反应室；

以及与所述MOCVD反应室和ALD反应室相连的互锁传送机构。

作为本发明的进一步改进，所述系统还包括一个或多个预清洗反应室，用于清洁晶片、或者外延层、或者工艺后的有源区。

作为本发明的进一步改进，所述MOCVD反应室包括加热设备、真空系统、气体运输系统。

作为本发明的进一步改进，所述ALD反应室中包括O₃和/或H₂O，ALD反应室中还包括MO源以及氮源。

作为本发明的进一步改进，所述氮源包括N₂和/或NH₃。

作为本发明的进一步改进，所述MOCVD反应室和ALD反应室配有等离子源。

作为本发明的进一步改进，所述互锁传送机构包括互锁反应室、移动机构、传送托盘和驱动机构，所述互锁反应室用于连接相邻的两个反应室，并排除晶片从上一个反应室中带出的残留气体，所述传送托盘由所述移动机构携带移动，用于承载晶片，所述驱动机构驱动所述移动机构。

相应地，一种氮化镓基材料及器件的制备方法，所述方法包括：

提供一个或多个MOCVD反应室以及一个或多个ALD反应室；

利用互锁传送机构，使待生长的氮化镓基材料按顺序依次进入不同的反应室生长相应的外延层，或者使待工艺的器件依次进入不同的反应室进行相应的工艺，其中，每个反应室工作在相应的条件下，输入有相应的气体或液体或等离子。

作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：

使用等离子、气态的HF、HCl、H₂清洗晶片、或者外延层、或者工艺后的有源区。

作为本发明的进一步改进，所述ALD反应室的最高生长温度大于或等于500℃。

本发明具有以下有益效果：

1、ALD反应室，除了可以生长氧化物外，还可生长氮化物；

2、ALD反应室，与传统的ALD系统完全不同，本发明的ALD反应室的最高生长温度需要达到500℃、甚至800℃以上，甚至接近1000℃，在此高温条件下，可以生长高质量的氮化铝和氧化铝薄膜；

3、ALD反应室在硅基板上生长多晶甚至单晶氧化物时，由于ALD反应室中，没有镓原子的背景污染，所以硅面的质量可以很好的控制，生长的氧化物可以是氧化铝Al₂O₃，HfO₂，AlHfO₂，ScO₂等；

4、在MOCVD和ALD集成系统中的预清洗反应室，可以用来清洁晶片、外延层或刻蚀之后的有源区，达到提高外延膜和介质膜质量的目的，降低器件中的电流崩塌效应；

5、在MOCVD反应室内生长完氮化物后，转入ALD反应室内生长氧化物或者氮化硅(SiN)，由于所有的流程都是在一个系统内进行，极大地避免了交叉污染和转移过程中带来的表面氧化问题；

6、在MOCVD反应室内，SiN的生长速度会受到一定限制，在ALD反应室中，可以生长厚膜SiN；

7、可以在MOCVD反应室内生长很薄或者就是氮化镓盖帽层后，把基板转移到ALD反应室内，生长超过100nm的SiN钝化层，这样可以避免因为表面态带来的电流崩塌效应；

8、可以用于栅极的进一步工艺处理，在介质层上生长氮化镓，或者在氮化镓上生长介质层，由于没有表面沾污，栅极沟道会得到很好的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例中氮化镓基材料及器件的制备系统结构示意图；

图2为本发明第二实施例中氮化镓基材料及器件的制备系统结构示意图；

图3为本发明第三实施例中氮化镓基材料及器件的制备系统结构示意图；

图4A~4F为本发明采用图1中MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第一种氮化镓基高电子迁移率晶体管（HEMT）的示意图；

图5A~5B为本发明采用图1中MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第二种氮化镓基高电子迁移率晶体管（HEMT）的示意图；

图6为本发明采用图1中的MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第三种氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图；

图7为本发明采用图1中的MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第四种氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图；

图8为本发明采用图1中的MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第五种氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图；

图9A-9B为本发明采用图1中MOCVD和ALD集成系统来进行氮化镓基HEMT栅极的后续工艺的示意图；

图10为本发明采用图1中MOCVD和ALD集成系统来进行氮化镓基HEMT栅极的另一种后续工艺的示意图。

具体实施方式

本发明的一种氮化镓基材料及器件的制备系统，该系统为集成系统，包括：

一个或多个MOCVD反应室；

一个或多个ALD反应室；

以及与MOCVD反应室和ALD反应室相连的互锁传送机构

相应地，本发明的一种氮化镓基材料及器件的制备方法，包括：

提供一个或多个MOCVD反应室以及一个或多个ALD反应室；

利用互锁传送机构，使待生长的氮化镓基材料按顺序依次进入不同的反应室生长相应的外延层，或者使待工艺的器件依次进入不同的反应室进行相应的工艺，其中，每个反应室工作在相应的条件下，输入有相应的气体或液体或等离子。

本发明可以极大的提高晶体和介质层的质量，改善器件性能，而且可以通过本发明的集成系统制备新型的器件结构。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。

图1所示为本发明第一实施例中氮化镓基材料及器件的制备系统的结构示意图。在本实施方式中，氮化镓基材料及器件制备系统包括一个MOCVD反应室110和一个ALD反应室120，反应室110和ALD反应室120通过互锁传送机构130（Loadlock transfer）连接在一起。

其中，本发明中的MOCVD反应室110包括加热设备、真空系统、气体运输系统，进一步地，MOCVD反应室110还可以配有等离子源；

ALD反应室120中包括O₃和/或H₂O，ALD反应室120中还包括MO源以及氮源，氮源包括N₂和/或NH₃以及其他含氮气体，进一步地，ALD反应室120还可以配有等离子源，ALD反应室需要很高的生长温度，本发明中ALD反应室的最高生长温度大于或等于500℃且小于1000℃；

互锁传送机构130包括互锁反应室、移动机构、传送托盘和驱动机构。互锁反应室用于连接相邻的两个反应室，并排除晶片从上一个反应室中带出的残留气体；传送托盘由所述移动机构携带移动，用于承载晶片；驱动机构驱动移动机构。

图2所示为本发明第二实施例中氮化镓基材料及器件的制备系统结构示意图。考虑到生长时间的匹配关系，一个ALD反应室可以配备多个MOCVD反应室。在本实施方式中，MOCVD反应室的数量设置为3个。3个MOCVD反应室210、211、212以及ALD反应室220通过互锁传送机构230连接在一起。

图3所示为本发明第三实施例中氮化镓基材料及器件的制备系统结构示意图。本实施方式中，MOCVD反应室的数量设置为2个。2个MOCVD反应室310、311以及ALD反应室320通过互锁传送机构330连接在一起。为了清洁晶片、外延层或刻蚀步骤之后的有源区，本实施方式在系统中增加一个与互锁传送机构330相连的预清洗反应室340，预清洗反应室340使用等离子、气态的HF、HCl、H₂进行清洗，达到提高外延膜和介质膜质量的目的，同时降低器件中的电流崩塌效应。当然在其他实施方式中预清洗反应室也可以设置为一个以上。

以上仅为本发明氮化镓基材料及器件的制备系统三个优选实施方式，在其他实施方式中ALD反应室、MOCVD反应室以及预清洗反应室均可以设置为一个或多个。

本发明一种氮化镓基材料及器件的制备方法，包括：

提供一个或多个MOCVD反应室以及一个或多个ALD反应室；

利用互锁传送机构，使待生长的氮化镓基材料按顺序依次进入不同的反应室生长相应的外延层，或者使待工艺的器件依次进入不同的反应室进行相应的工艺，其中，每个反应室工作在相应的条件下，输入有相应的气体或液体或等离子。

图4A~4F为本发明采用图1中MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第一种氮化镓基高电子迁移率晶体管（HEMT）的示意图。

参图4A，首先对硅片Si（111）1进行清洗，去除表面的污染，然后放入互锁传送机构130（Loadlock transfer）；

参图4B，通过互锁传送机构130把硅片Si（111）1送入ALD反应室120中生长ALD Al₂O₃。此ALD Al₂O₃的厚度可以是一个原子层到几个纳米，甚至几十、几百个纳米。此ALD反应室的生长温度比通常设备要高很多。通常来说，ALD生长氧化物的生长温度是200℃到450℃，来保证生长的氧化物为无定形态，否则栅极中的漏电流会大大增加。而我们这个发明里，我们是用ALD在硅基板上生长多晶甚至单晶氧化物，所以要求的生长温度高于500℃，600℃，700℃甚至800℃。由于ALD反应室中，没有背景污染，所以硅面的质量可以很好的控制。在其他实施方式中生长的氧化物可以是Al₂O₃、HfO₂、AlHfO₂、ScO₂等。除了氧化物，也可以在ALD腔内生长AlN作为成核层和保护层。

参图4C，ALD Al₂O₃/Si（111）通过互锁传送机构130转移到MOCVD反应室110中，生长氮化物成核层3；或者MOCVD反应室110是一个多片系统，生长完氧化铝的ALDAl₂O₃/Si（111）基板可以暂时转移到存储仓中。当存储仓中的基板数量足够完成一炉MOCVD的生长，这时把Al₂O₃/Si（111）基板再转移到MOCVD反应室110中，继续生长氮化物。在ALDAl₂O₃/Si(111)基板上生长GaN/AlN，首先需要生长成核层，成核层可以是低温氮化镓，低温氮化铝或者高温氮化铝；

参图4D，在氮化物成核层3上，可以持续生长氮化镓缓冲层4，然后采用插入层技术避免外延层龟裂；

参图4E，在生长完氮化镓缓冲层4后，需要在缓冲层上生长氮化镓沟道层5，然后在氮化物沟道层5上生长AlInGaN/GaN高迁移率晶体管结构6；

参图4F，最后在ALD反应室120中生长SiN层7，来稳定AlInGaN/GaN异质结结构。在MOCVD反应室110内生长完氮化物后，转入ALD反应室120内生长氧化物或者氮化硅(SiN)，由于所有的流程都是在一个系统内进行，极大地避免了交叉污染和转移过程中带来的表面氧化问题。

图5A~5B为本发明采用图1中MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第二种氮化镓基高电子迁移率晶体管（HEMT）的示意图；

在MOCVD反应室110内，SiN的生长速度会受到一定限制，因此，与图4A~4F所示的第一种氮化镓基HEMT不同之处在于，最后一步的氮化硅可以先在MOCVD反应室内生长很薄(<50nm)的一层SiN钝化层7，参图5A，然后再把基板转移到ALD反应室内，生长超过100nm的SiN钝化层8，参图5B，这样可以避免因为表面态带来的电流崩塌效应。本实施方式中的氮化硅层可以在等离子体辅助下进行，也可以在高温下生长(>500C)。

图6为本发明采用图1中的MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第三种氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图；参图6，与图4A~4F所示的第一种氮化镓基HEMT不同之处在于，去掉了ALD的Al₂O₃，对硅片Si（111）利用湿式蚀刻清洗系统清洗或利用预清洗反应室做原位清洗，把清洗后的Si(111)直接放入了MOCVD中生长成核层2，该成核层为AlN层。

图7为本发明采用图1中的MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第四种氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图；参图7，与图6所示的第三种氮化镓基HEMT不同之处在于，成核层由ALD生长的Al₂O₃层2和MOCVD生长的AlN层3组成。

图8为本发明采用图1中的MOCVD和ALD集成系统在硅上生长的第五种氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图；参图8，与图5A~5B所示的第二种氮化镓基HEMT不同之处在于，表面钝化层和介质层分别由MOCVD生长的AlN层7和ALD生长的Al₂O₃层8组成。

图9A-9B为本发明采用图1中MOCVD和ALD集成系统来进行氮化镓基HEMT栅极的后续工艺的示意图。

在介质层上长氮化镓，或者在氮化镓上长介质层。但是，由于没有表面沾污，栅极沟道会得到很好的控制。在整个外延结构当中，氮化硅(SiN)是最后一层，用来保护铝镓氮/镓氮异质结。此原位或者PECVD/LPCVD氮化硅的作用十分关键，即用来稳定铝镓氮/镓氮异质结，避免应力释放。同时，铝镓氮层的悬挂键密度降低，也避免了空气暴露带来的表面沾污，从而大大降低表面态。氮化硅钝化层对沟道的保护作用十分显著，但是在栅极区域，我们需要保证栅极不能过于远离沟道，否则栅极会失去对沟道的控制作用。因此，对栅极区域的氮化硅层需要局部减薄或者完全去除。但是，为了降低栅极的漏电流，栅极区域需要把肖特基接触改为MIS或者MOS结构。

在本实施例中，我们通过采用MOCVD和ALD集成系统来进行栅极的处理。如图9A所示，首先把刻蚀好的样品置入MOCVD反应室110中，通过MOCVD进行清洗和表面氮化镓处理，来复原最初的氮化镓表面结构9；如图9B所示，在得到一个干净的表面后，将样品送入另外的ALD反应室120中，再生长Al₂O₃介质层10或者其它介质层。

图10为本发明采用图1中MOCVD和ALD集成系统来进行氮化镓基HEMT栅极的另一种后续工艺的示意图，本实施方式中把刻蚀好的样品置入ALD反应室120中，先做对氮化镓表面结构9进行氧化处理，然后再沉积Al₂O₃介质层10。

由以上实施方式可以看出，本发明氮化镓基材料及器件的制备系统和制备方法具有以下有益效果：

1、ALD反应室，除了可以生长氧化物外，还可生长氮化物；

2、ALD反应室，与传统的ALD系统完全不同，本发明的ALD反应室的最高生长温度需要达到500℃、甚至800℃以上，甚至接近1000℃，在此高温条件下，可以生长高质量的氮化铝和氧化铝薄膜；

3、ALD反应室在硅基板上生长多晶甚至单晶氧化物时，由于ALD反应室中，没有镓原子的背景污染，所以硅面的质量可以很好的控制，生长的氧化物可以是氧化铝Al₂O₃，HfO₂，AlHfO₂，ScO₂等；

4、在MOCVD和ALD集成系统中的预清洗反应室，可以用来清洁晶片、外延层或刻蚀之后的有源区，达到提高外延膜和介质膜质量的目的，降低器件中的电流崩塌效应；

5、在MOCVD反应室内生长完氮化物后，转入ALD反应室内生长氧化物或者氮化硅(SiN)，由于所有的流程都是在一个系统内进行，极大地避免了交叉污染和转移过程中带来的表面氧化问题；

6、在MOCVD反应室内，SiN的生长速度会受到一定限制，在ALD反应室中，可以生长厚膜SiN；

7、可以在MOCVD反应室内生长很薄或者就是氮化镓盖帽层后，把基板转移到ALD反应室内，生长超过100nm的SiN钝化层，这样可以避免因为表面态带来的电流崩塌效应；

8、可以用于栅极的进一步工艺处理，在介质层上长氮化镓，或者在氮化镓上长介质层，由于没有表面沾污，栅极沟道会得到很好的控制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种氮化镓基器件的制备方法，该方法通过一种氮化镓基器件的制备系统实现，包括提供一个或多个MOCVD反应室以及一个或多个ALD反应室，利用互锁传送机构，使待工艺的器件依次进入不同的反应室进行相应的工艺，其中，每个反应室工作在相应的条件下，输入有相应的气体或液体或等离子，其特征在于，所述方法包括：

对硅片清洗后，通过所述互锁传送机构把所述硅片送入所述ALD反应室中生长ALD Al₂O₃；

通过所述互锁传送机构送入所述MOCVD反应室内生长低温氮化镓或者低温氮化铝或者高温氮化铝成核层、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层以及AlInGaN/GaN高迁移率晶体管结构；

先在所述MOCVD反应室内生长部分SiN钝化层，然后再转入所述ALD反应室内生长另一部分的SiN钝化层；

其中，所述ALD反应室的最高生长温度为大于或等于500℃。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基器件制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

使用等离子、气态的HF、HCl、H₂清洗晶片、或者外延层、或者工艺后的有源区。