CN103872199A - 硅衬底上生长氮化物外延层的方法及其半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法及其半导体器件，该方法包括：提供单晶硅衬底；在单晶硅衬底上沉积一层阻挡层；在阻挡层上沉积至少一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层；在Al/AlN超晶格层中AlN层上沉积AlN、GaN或AlGaN外延层，其中，在沉积AlN、GaN或AlGaN外延层过程中Al/AlN超晶格层中的Al层为融化状态，释放与相邻阻挡层或AlN层间的应力；在完成外延层沉积后对所述衬底进行冷却，冷却过程中Al/AlN超晶格层中的Al层重新固化，对其相邻阻挡层或AlN层施加压应力。本发明通过在生长外延层时融化Al/AlN超晶格层中的Al层，有效地释放单晶硅衬底与外延层间的张力，解决了因热失配和晶格失配所引起的裂纹及错位现象，提高了外延层的晶体质量，增强了器件性能并延长了器件寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法及其半导体器件。
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，如果击穿电压相同的话，基于氮化镓的功率开关器件具有极低的开态电阻。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。
除了基于大尺寸硅基衬底的LED生产较基于蓝宝石衬底的技术有无可比拟的成本优势外，基于硅基衬底的LED技术与集成电路技术非常近似，容易整合，因此对光电一体嵌入式芯片发展迅速有重要意义，可以为化合物半导体发展提供广阔的空间。在利用现有集成电路制程技术同时，切割等后段制程技术与资源都非常成熟与完备。此外，在生产HB和UHB LED产品所需的覆晶安装(flip chip mounting)时，硅晶材质比蓝宝石更易移除，不但生产周期可显著缩短，还能获得更佳的良率。由于硅基衬底的导热性好于蓝宝石衬底，部分封装技术甚至不需剥离衬底。成熟的硅基衬底GaN技术同时也是实现批量生产高性能功率器件的必备技术。
在硅上生长氮化镓材料是相当困难的，在硅和氮化镓材料之间存在着巨大的热失配，氮化镓的热膨胀系数为5.6*10-6K-1，而硅的热膨胀系数为2.6*10-6K-1，两者的失配高达56％，在硅衬底上生长氮化镓，从高温降到室温，将产生很大的拉应力，从而导致裂纹的产生，而这种裂纹直接影响到器件的可靠性和良品率；另外，由于氮化镓的晶体常数为0.3189nm，而硅的晶格常数为0.54301nm，两者之间的晶格失配达到16.9％，因此，硅衬底上生长的氮化镓材料将会出现大量的位错，而这些位错将会导致器件性能与寿命的下降。
现有技术中已有许多技术用来消除外延生长的氮化镓薄膜表面的裂纹。如在硅衬底上制备规则方块图形，以及在氮化镓外延层中插入氮化铝插入层，可释放张应力，减少裂纹，但效果并不理想，主要是因为衬底上的图像影响到外延层的晶体质量均匀性，同时调整氮化铝层工艺难度很大。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法及其半导体器件。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法及半导体器件，其有效地改善了由于热失配和晶格失配造成对材料或器件的影响。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法，所述方法包括：
S1、提供单晶硅衬底；
S2、在所述单晶硅衬底上沉积一层阻挡层；
S3、在所述阻挡层上沉积至少一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层；
S4、采用金属有机化学气相沉积方法或氢化物气相外延方法在所述Al/AlN超晶格层中AlN层上沉积AlN、GaN或AlGaN外延层，其中，在沉积AlN、GaN或AlGaN外延层过程中Al/AlN超晶格层中的Al层为融化状态，释放与相邻阻挡层或AlN层间的应力；
S5、在完成外延层沉积后对所述衬底进行冷却，冷却过程中Al/AlN超晶格层中的Al层重新固化，对其相邻阻挡层或AlN层施加压应力。
铝的融化温度为660℃，远低于一般氮化物的外延层生长温度，因此在温度大于660℃时，无论是在升温还是降温过程中，硅衬底与外延层间不存在由于热膨胀系数不匹配而引起的张力。当温度降至660℃下，由于Al的热膨胀系数大于硅衬底与外延层，在Al层受冷收缩时，硅衬底与外延层受到压应力，因此外延层不会出现在受到拉引力时产生的龟裂现象。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4与S5间还包括：采用金属有机化学气相沉积方法或氢化物气相外延方法沉积无掺杂、n型掺杂、或p型掺杂的GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN中一层或多层。
尽管Al层在可以融化状态下可以起到硅衬底与外延层间应力释放作用，但是Al层不能直接沉积在硅衬底上。Al与硅在577℃下出现共融现象，因此Al与硅之间必须加入阻挡层。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中的阻挡层为Ti、TiN、Ta、TaN、AlN、Mo、W、Co、SiC、SiN中的一种或多种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述阻挡层采用金属有机化合物化学气相沉淀、或物理气相沉积、或分子束外延、或原子层沉积方法沉积形成。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的Al/AlN超晶格层的超晶格采用物理气相沉积、分子束外延、或原子层沉积方法形成。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的Al/AlN超晶格层中的Al层中有Ga掺杂。Ga的融点为30摄氏度；AlGa晶体的融点由Ga的组份比例决定。增加Ga掺杂的含量可以将所述Al层的融点降低。
作为本发明的进一步改进，所述物理气相沉积包括电子束蒸发或磁控溅射。
作为本发明的进一步改进，所述磁控溅射的腔体采用衬底加偏压的基座，所述腔体的靶材位于基座正上方。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：通过改变Al/AlN超晶格层生长的压力、衬底上的偏置电压、衬底的生长温度以及衬底到靶材的高度来调整Al/AlN超晶格层的应变。
作为本发明的进一步改进，所述基座电性连接有射频电压，射频电压的频率为60MHZ、13.56MHZ或2MHZ。
作为本发明的进一步改进，所述靶材和基座的距离大于100mm。
作为本发明的进一步改进，所述生长的压力范围从0.1mbar到50mbar，阻挡层的应力会从张应变变为压应变。
作为本发明的进一步改进，所述靶材采用直流或脉冲电流，脉冲电流包括正电压脉冲和负电压脉冲相结合的方式、或负压脉冲与0电压脉冲结合的方式。
作为本发明的进一步改进，所述靶材为单靶材或双靶材，当靶材为双靶材时，对两个靶材施加交流电压，一个靶材为正电压时另外一个靶材为负电压，通过控制正电压的幅度从而控制等离子体中到达衬底表面的等离子体的密度。
作为本发明的进一步改进，所述靶材为纯Al或纯Al与纯Ga或Al合金或AlN。通常靶材被冷却装置冷却。
作为本发明的进一步改进，所述靶材为圆形的滚动结构，衬底在靶材的正下方直线移动。
作为本发明的进一步改进，所述Al/AlN超晶格层的生长过程具体包括：
从Al层的沉积到AlN层的沉积过渡时，先暂时停止Al层的沉积然后通入氮气，等到气体稳定后再进行AlN层沉积，或者连续进行沉积，Al层沉积结束后，直接通入氮气进行AlN层的沉积；
从AlN层沉积到Al层沉积的过渡时，先暂时停止AlN层的沉积然后关闭氮气，等到气体稳定后再进行Al层沉积，或者连续进行沉积，AlN层沉积结束时直接关闭氮气继续Al层的沉积。
作为本发明的进一步改进，所述AlN层的沉积分步完成，不同步骤间温度、压力、气体氛围、电压中至少一个参数改变。
作为本发明的进一步改进，所述Al层沉积时加在衬底上的射频偏置功率小于50W，AlN层沉积时加在衬底上的射频偏置功率大于50W。
作为本发明的进一步改进，从所述Al层的沉积到所述AlN层的沉积过渡时通入的气体还包括氩气，氩气的体积含量为0～90％。
作为本发明的进一步改进，所述与AlN、GaN或AlGaN外延层接触的AlN层厚度大于30nm，防止高温生长AlN、GaN或AlGaN外延层的过程中Al向AlN、GaN或AlGaN外延层中的扩散。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1和S2间还包括：
对衬底进行光刻或蚀刻，使衬底图形化。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中在阻挡层上沉积Al/AlN超晶格层中Al层的温度低于650℃；步骤S4中在Al/AlN超晶格层中AlN层上沉积AlN、GaN或AlGaN外延层时的温度高于500℃。
相应地，一种硅衬底上生长氮化物外延层的半导体器件，所述半导体器件包括：
单晶硅衬底；
位于所述单晶硅衬底上的阻挡层；
位于所述阻挡层上的至少一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层；
位于所述Al/AlN超晶格层中AlN层上的AlN、GaN或AlGaN外延层。
作为本发明的进一步改进，所述AlN、GaN或AlGaN外延层上还包括无掺杂、n型掺杂、或p型掺杂的GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN中一层或多层。
作为本发明的进一步改进，所述阻挡层为Ti、TiN、Ta、TaN、AlN、Mo、W、Co、SiC、SiN中的一种或多种的组合。
作为本发明的进一步改进，所述每个Al/AlN超晶格层包括一层Al层和位于所述Al层上的一层或多层AlN层。
作为本发明的进一步改进，所述与AlN、GaN或AlGaN外延层接触Al/AlN超晶格层中的AlN层厚度大于30nm，防止高温生长AlN、GaN或AlGaN外延层的过程中Al向AlN、GaN或AlGaN外延层中的扩散。
本发明的有益效果是：本发明在单晶硅衬底上低温生长Al/AlN超晶格层，然后在Al/AlN超晶格层上生长AlN、GaN或AlGaN外延层，通过在生长AlN、GaN或AlGaN外延层时融化Al/AlN超晶格层中的Al层，有效地释放单晶硅衬底与AlN、GaN或AlGaN外延层间的张力，解决了因热失配和晶格失配所引起的裂纹及错位现象，提高了外延层的晶体质量，增强了器件性能与并延长了器件寿命。
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所示为本发明硅衬底上生长氮化物外延层的方法的具体流程图；
图2所示为本发明第一实施方式中硅衬底上生长氮化物外延层的示意图；
图3所示为本发明第二实施方式中硅衬底上生长氮化物外延层的示意图；
图4所示为本发明第三实施方式中在硅衬底上生长有AlN外延层的半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
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。
参图1所示，本发明硅衬底上生长氮化物外延层的方法，其包括：
S1、提供单晶硅衬底；
S2、在所述单晶硅衬底上沉积一层阻挡层；
S3、在所述阻挡层上沉积至少一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层；
S4、采用金属有机化学气相沉积方法或氢化物气相外延方法在所述Al/AlN超晶格层中AlN层上沉积AlN、GaN或AlGaN外延层，其中，在沉积AlN、GaN或AlGaN外延层过程中Al/AlN超晶格层中的Al层为融化状态，释放与相邻阻挡层或AlN层间的应力；
S5、在完成外延层沉积后对所述衬底进行冷却，冷却过程中Al/AlN超晶格层中的Al层重新固化，对其相邻阻挡层或AlN层施加压应力。
相应地，本发明在硅衬底上生长有氮化物外延层的半导体器件，该半导体器件包括：
单晶硅衬底；
位于单晶硅衬底上的阻挡层；
位于阻挡层上的至少一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层；
位于Al/AlN超晶格层中AlN层上的AlN、GaN或AlGaN外延层。
参图2所示为本发明第一实施方式中硅衬底上生长氮化物外延层的示意图。
首先对单晶硅衬底10进行清洗，去除表面的污染。
然后在单晶硅衬底10上采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD，Metal-organic Chemical Vapor Deposition)、或物理气相沉积(PVD，PhysicalVapor Deposition)、或分子束外延(MBE，Molecular Beam Epitaxy)、或原子层沉积(ALD，Atomic layer deposition)等其他低温生长方法沉积形成阻挡层20，阻挡层20可为Ti、TiN、Ta、TaN、AlN、Mo、W、Co、SiC、SiN中的一种或多种的组合。
尽管Al层在可以融化状态下可以起到硅衬底与外延层间应力释放作用，但是Al层不能直接沉积在硅衬底上。Al与硅在577℃下出现共融现象，因此Al与硅之间必须加入阻挡层。在单晶硅衬底10上直接沉积金属层，金属层很容易扩散到单晶硅衬底10中，会严重影响器件的性能，因此先在单晶硅衬底10上生长一层阻挡层20，防止金属层扩散到衬底中，提高了器件性能。
继而在阻挡层20上沉积Al/AlN超晶格层30，Al/AlN超晶格层30包括超晶格Al层31和超晶格AlN层32，Al/AlN超晶格层30的超晶格采用物理气相沉积(PVD，Physical Vapor Deposition)或其他低温生长方法形成。本实施方式中只沉积了一层Al/AlN超晶格层，其他实施方式中可以包括若干层Al层和AlN层交替沉积的Al/AlN超晶格层。
Al/AlN超晶格层物理气相沉积过程包括电子束蒸发、磁控溅射等。
一般情况下磁控溅射所得到的薄膜是一种多孔隙的晶柱结构，薄膜的孔隙率和晶柱大小可以通过控制衬底的温度和气体的压力进行调整，但是对一些高温的金属材料来说变化不大。如果衬底采用高的偏置电压，等离子体中的离子被加速，在撞击外延膜后，外延膜的结构发生改变，外延膜可以变的很致密，并且外延膜的内在应力可以被改变，可以从张应力变为压应力。但是此过程中要保证被加速的离子有足够的动量。一种方法是保持等离子的密度不变，提高偏置电压。还有就是保持衬底偏压不变，在靶材上采用脉冲的电流，这样可以提高离子的能量。
以磁控溅射方法为例，磁控溅射腔体的基本结构为：
磁控溅射的腔体可以采用衬底加偏压的基座，将RF电压连接到基座，频率采用60MHZ、13.56MHZ或2MHZ。腔体的靶材在基座正上方，并保持大的距离＞100mm，这样可以有足够的距离来加速离子，靶材采用直流直接驱动。
靶材电流也可以采用脉冲工作的方式，正电压脉冲和负电压脉冲相结合的方式，或者负压脉冲与0电压脉冲结合的方式。脉冲的时间和脉冲电压的大小可以根据实验结构进行调整。靶材也可以采用双靶材的配置结构，两个靶材施加AC电压，一个为正电压的时候另外一个靶材为负电压，控制正电压的幅度可以控制等离子体中到达衬底表面的等离子体的密度。
靶材也可以为一种圆形的滚动结构，衬底在靶材的正下方从一个方向向另外一个移动。
如上所述，在磁控溅射中，提高反应的压力从1mbar～15mbar，阻挡层薄膜的应力可以从张应变变为压应变。
此外通过改变硅单晶衬底的偏置电压，可以改变磁控溅射等离子体中离子撞击外延薄膜的动量来改变AlN层或者Al层的应力。
磁控溅射生长Al/AlN超晶格层过程中生长的压力为1～15mbar，沉积Al/AlN超晶格层的温度低于650℃，通常为20～650℃，生长过程为：
以纯Al或纯Al与纯Ga或Al合金或AlN为靶材，通入氩气在反应腔中沉积Al层，Al层沉积时偏置功率小于50W；
以纯Al或Al合金或AlN为靶材，通入氮气或者氮气及氩气的混合气体在同一个反应腔中沉积AlN层，氮气的体积含量为10％～100％。
Al/AlN超晶格层磁控溅射在同一个反应腔中进行，Al层的沉积采用氩气进行沉积，AlN层沉积可以采用氮气或者氮气及氩气的混合气体进行沉积。氮气和氩气的混合比例，根据AlN薄膜的性质进行调节。
从Al层的沉积到AlN层的沉积过渡时，先暂时停止Al层的沉积然后通入氮气，等到气体稳定后再进行AlN层沉积，或者连续进行沉积，Al层沉积结束后，直接通入氮气进行AlN层的沉积；
从AlN层沉积到Al层沉积的过渡时，先暂时停止AlN层的沉积然后关闭氮气，等到气体稳定后再进行Al层沉积，或者连续进行沉积，AlN层沉积结束时直接关闭氮气继续Al层的沉积。
Al/AlN超晶格层的沉积过程中，Al层的厚度不宜过厚，因为Al膜的热膨胀系数为13.7e-6，其远远大于Si(2.6)、AlN(4.15)和GaN(5.59)的热膨胀系数，过厚的铝膜可能会导致衬底发生很大的翘曲。
整个Al/AlN超晶格层的应变可以通过改变生长的压力1～15mbar，硅衬底上的偏置电压，衬底的生长温度，衬底到靶材的高度来进行调整。
本实施方式中，与GaN层或AlGaN层接触的AlN层厚度大于30nm，衬底具有较高的偏置功率，从而得到高致密的薄膜，防止后续高温GaN层的生长过程中，Al向GaN层中的扩散。
最后在Al/AlN超晶格层30中AlN层32上沉积AlN/GaN/AlGaN层40，沉积AlN/GaN/AlGaN层40时采用金属有机化学气相沉积(MOCVD，Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法或氢化物气相外延(HVPE，hydride vapor phase epitaxy)方法。在本步骤中，采用金属有机化学气相沉积方法或氢化物气相外延方法沉积AlN、GaN或AlGaN外延层的生长温度大于500℃，通常在500～1100℃左右，此时Al/AlN超晶格层30中的Al达到了熔点，Al层31为融化状态，能够有效地释放单晶硅衬底与AlN、GaN或AlGaN外延层间的张力，解决了因热失配和晶格失配所引起的裂纹及错位现象，提高了外延层的晶体质量，增大了器件性能与寿命。
在完成AlN、GaN或AlGaN外延层沉积后对衬底进行冷却，冷却过程中Al/AlN超晶格层中的Al层重新固化，对其相邻阻挡层或AlN层施加压应力。
进一步地，在AlN、GaN或AlGaN外延层上还可以沉积无掺杂、n型掺杂、或p型掺杂的GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN中一层或多层，该沉积采用金属有机化学气相沉积方法或氢化物气相外延方法沉积。
参图3所示为本发明第二实施方式中硅衬底上生长氮化物外延层的示意图。
首先对单晶硅衬底10进行清洗，去除表面的污染，再对单晶硅衬底10进行光刻或蚀刻，使衬底图形化，进行图形化后的单晶硅衬底能够释放单晶硅衬底与衬底上生长的外延层间的部分张力。其余步骤均与上述实施方式相同，此处不再赘述。
参图4所示为本发明第三实施方式中在硅衬底上生长有AlN外延层的半导体器件的结构示意图。该半导体器件为Si衬底上生长有AlN外延层的LED外延片或其他半导体器件或外延片。
本实施方式中首先采用物理气相沉积方法(PVD)在单晶硅衬底10上沉积一层AlN阻挡层20，沉积温度为20～650℃。
然后采用物理气相沉积方法(PVD)在AlN阻挡层20上沉积一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层30，Al/AlN超晶格层30包括Al层31、第一AlN层321和第二AlN层322，第一AlN层321和第二AlN层322的沉积分步完成，第一AlN层321和第二AlN层322两次沉积过程中温度、压力、气体氛围、电压中至少一个参数改变，如在本实施方式中沉积第一AlN层321的温度为20～650℃，沉积第二AlN层322的温度为200～1100℃，其他参数相同；
继而在Al/AlN超晶格层30上采用金属有机化合物化学气相沉淀方法(MOCVD)沉积AlN外延层40，沉积温度为500～1100℃，在沉积AlN外延层过程中Al/AlN超晶格层中的Al层为融化状态，释放与相邻阻挡层或AlN层间的应力；
然后在AlN外延层40上依次生长无掺杂或n型掺杂的GaN层50、MQW层60(量子阱发光层)、p型掺杂的AlGaN层70、p型掺杂的GaN层80，上述沉积方法也采用金属有机化合物化学气相沉淀方法(MOCVD)，沉积温度为500～1100℃；
最后在完成外延层沉积后对所述器件进行冷却，冷却过程中Al/AlN超晶格层中的Al层重新固化，对其相邻阻挡层或AlN层施加压应力。
由上述技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明在单晶硅衬底上低温生长Al/AlN超晶格层，然后在Al/AlN超晶格层上生长AlN、GaN或AlGaN外延层，通过在生长AlN、GaN或AlGaN外延层时融化Al/AlN超晶格层中的Al层，有效地释放单晶硅衬底与AlN、GaN或AlGaN外延层间的张力，解决了因热失配和晶格失配所引起的裂纹及错位现象，提高了外延层的晶体质量，增大了器件性能与寿命。
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 (28)
1.一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、提供单晶硅衬底；
S2、在所述单晶硅衬底上沉积一层阻挡层；
S3、在所述阻挡层上沉积至少一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层；
S4、采用金属有机化学气相沉积方法或氢化物气相外延方法在所述Al/AlN超晶格层中AlN层上沉积AlN、GaN或AlGaN外延层，其中，在沉积AlN、GaN或AlGaN外延层过程中Al/AlN超晶格层中的Al层为融化状态，释放与相邻阻挡层或AlN层间的应力；
S5、在完成外延层沉积后对所述衬底进行冷却，冷却过程中Al/AlN超晶格层中的Al层重新固化，对其相邻阻挡层或AlN层施加压应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4与S5间还包括：采用金属有机化学气相沉积方法或氢化物气相外延方法沉积无掺杂、n型掺杂、或p型掺杂的GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN中一层或多层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的阻挡层为Ti、TiN、Ta、TaN、AlN、Mo、W、Co、SiC、SiN中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述阻挡层采用金属有机化合物化学气相沉淀、或物理气相沉积、或分子束外延、或原子层沉积方法沉积形成。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的Al/AlN超晶格层采用物理气相沉积、分子束外延、或原子层沉积方法形成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的Al/AlN超晶格层中的Al层中有Ga掺杂。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述物理气相沉积包括电子束蒸发或磁控溅射。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射的腔体采用衬底加偏压的基座，所述腔体的靶材位于基座正上方。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过改变Al/AlN超晶格层生长的压力、衬底上的偏置电压、衬底的生长温度以及衬底到靶材的高度来调整Al/AlN超晶格层的应变。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基座电性连接有射频电压，射频电压的频率为60MHZ、13.56MHZ或2MHZ。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述靶材和基座的距离大于100mm。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述生长的压力范围从0.1mbar到50mbar，阻挡层的应力会从张应变变为压应变。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述靶材采用直流或脉冲电流，脉冲电流包括正电压脉冲和负电压脉冲相结合的方式、或负压脉冲与0电压脉冲结合的方式。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述靶材为单靶材或双靶材，当靶材为双靶材时，对两个靶材施加交流电压，一个靶材为正电压时另外一个靶材为负电压，通过控制正电压的幅度从而控制等离子体中到达衬底表面的等离子体的密度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述靶材为纯Al或Al合金或AlN。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述靶材为圆形的滚动结构，衬底在靶材的正下方直线移动。
17.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述Al/AlN超晶格层的生长过程具体包括：
从Al层的沉积到AlN层的沉积过渡时，先暂时停止Al层的沉积然后通入氮气，等到气体稳定后再进行AlN层沉积，或者连续进行沉积，Al层沉积结束后，直接通入氮气进行AlN层的沉积；
从AlN层沉积到Al层沉积的过渡时，先暂时停止AlN层的沉积然后关闭氮气，等到气体稳定后再进行Al层沉积，或者连续进行沉积，AlN层沉积结束时直接关闭氮气继续Al层的沉积。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述AlN层的沉积分步完成，不同步骤间温度、压力、气体氛围、电压中至少一个参数改变。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述Al层沉积时加在衬底上的射频偏置功率小于50W，AlN层沉积时加在衬底上的射频偏置功率大于50W。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述从Al层的沉积到AlN层的沉积过渡时通入的气体还包括氩气，氩气的体积含量为0～90％。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述与AlN、GaN或AlGaN外延层接触的AlN层厚度大于30nm，防止高温生长AlN、GaN或AlGaN外延层的过程中Al向AlN、GaN或AlGaN外延层中的扩散。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1和S2间还包括：对衬底进行光刻或蚀刻，使衬底图形化。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中在阻挡层上沉积Al/AlN超晶格层中Al层的温度低于650℃；步骤S4中在Al/AlN超晶格层中AlN层上沉积AlN、GaN或AlGaN外延层时的温度高于500℃。
24.一种如权利要求1所述在硅衬底上生长有氮化物外延层的半导体器件，其特征在于，所述器件包括：
单晶硅衬底；
位于所述单晶硅衬底上的阻挡层；
位于所述阻挡层上的至少一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层；
位于所述Al/AlN超晶格层中AlN层上的AlN、GaN或AlGaN外延层。
25.根据权利要求24所述的半导体器件，其特征在于，所述AlN、GaN或AlGaN外延层上还包括无掺杂、n型掺杂、或p型掺杂的GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN中一层或多层。
26.根据权利要求24所述的半导体器件，其特征在于，所述阻挡层为Ti、TiN、Ta、TaN、AlN、Mo、W、Co、SiC、SiN中的一种或多种的组合。
27.根据权利要求24所述的半导体器件，其特征在于，所述每个Al/AlN超晶格层包括一层Al层和位于所述Al层上的一层或多层AlN层。
28.根据权利要求24所述的半导体器件，其特征在于，所述与AlN、GaN或AlGaN外延层接触Al/AlN超晶格层中的AlN层厚度大于30nm，防止高温生长AlN、GaN或AlGaN外延层的过程中Al向AlN、GaN或AlGaN外延层中的扩散。
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Denomination of invention: Method of growing nitride epitaxial layer on silicon substrate and its semiconductor device Effective date of registration: 20230209 Granted publication date: 20161221 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Shanghai Songjiang Sub-branch Pledgor: Ideal semiconductor equipment (Shanghai) Co.,Ltd. Registration number: Y2023310000023 |