CN111312585A - 一种低位错密度氮化物的外延层生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，主要运用在第三代化合物半导体及功率器件，具体是一种低位错密度氮化物的外延层生长方法。所述方法在缓冲层AlN和缓冲层AlxGa1‑xN的生长过程中通入卤化物，HCl、HBr、CCl4或CBr4。本发明的制备方法避免了在气相中形成AlN颗粒，从而来提高了Al原子的薄膜表面迁移率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，主要运用在第三代化合物半导体及功率器件，具体是一种低位错密度氮化物的外延层生长方法。
背景技术
氮化镓(GaN)作为继第一代半导体硅(Si)和第二代半导体砷化镓(GaAs)之后的第三代半导体材料代表，具有宽禁带、耐高温、高电子浓度、高电子迁移率、高导热性等独特的材料特性。因此，GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在微波通讯和电力电子转换领域拥有卓越的性能，符合技术革新和市场对产品更新换代的需求。现有GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的外延生长方法是在衬底(硅或者蓝宝石)上直接依次生长氮化铝AlN缓冲层、AlxGa1-xN缓冲层及GaN层(掺C的GaN层和本征GaN层)。由于硅衬底和AlN层之间的材料特性(晶格系数不匹配以及热膨胀系数差异大)，AlN缓冲层生长过程中会出现大量的韧性位错和螺位错以及高位错密度的AlGaN层，从而导致后续的GaN薄膜材料具有很高的位错密度(晶体质量差)并产生较多漏电通道，使GaN器件具有较大的漏电流密度而在远低于临界电场的条件下被击穿。
目前硅基GaN高电子迁移率晶体管的外延生长原材料氮元素采用的是NH3，在MOCVD(金属有机化合物沉积设备)生长过程中，Al原子很容易和NH3提前进行预反应，在气相氛围中形成AlN颗粒，(CH3)3Al(g)+NH3(g)→AlN(s)+3CH4(g)，从而降低Al原子在所要沉积薄膜表面的迁移率，同时也增加了薄膜中由气相中形成AlN颗粒掉到薄膜表面所引起的缺陷，使薄膜的表面形成高位错密度的孔洞，这些孔洞会在薄膜中形成纵向的韧位错，从而进一步恶化整体薄膜的晶体质量，影响器件的使用。
为了在衬底(硅或者蓝宝石)上制备GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)，目前采用的外延层依次包含：AlN缓冲层、AlxGa1-xN缓冲层及GaN层(掺C的GaN层和本征GaN层)。在整个外延层中，含Al的外延层占据绝大部分。为了进一步提高GaN基晶体管的工作电压，目前有效的方法主要是增加AlGaN层的厚度或者是采用含铝组分的超晶格结构，比如AlGaN/AlN，AlN/GaN，AlGaN/GaN等结构，从而无法避免Al和NH3在气相中的预反应这一现象，降低Al原子在薄膜表面的迁移率。目前针对这一问题，采用的方法是改变生长过程中的温度、压力、V/III比等，但是都没有很好的解决Al原子在表面低迁移率的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种低位错密度氮化物的外延层生长方法，在外延层生长过程中引入卤化物使Al和卤化物形成卤化铝，避免在气相中形成AlN颗粒，使Al原子能够有效的在薄膜表面上形成形状规整AlN晶胞和AlGaN晶胞，进而形成位错密度少的晶体结构。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种低位错密度氮化物的外延层生长方法，所述方法在含Al的缓冲层AlN和缓冲层AlxGa1-xN的生长过程中通入卤化物。
上述技术方案中，进一步地，所述方法包括以下步骤：
(1)衬底高温烘烤，去除衬底表面的氧化层和杂质，烘烤温度900-1100度；
(2)在烘烤后的衬底上生长第一层缓冲层AlN，生长10～30nm的AlN层，通入卤化物继续生长AlN层，生长厚度在200～300nm；
(3)在步骤(2)缓冲层基础上继续生长第二层缓冲层AlxGa1-xN层，X＝0～1，生长过程中通入卤化物，生长厚度在1um～4um；
(4)在第二层缓冲层AlxGa1-xN上继续生长GaN层(掺C的GaN层和本征GaN层)，厚度在1um～2um。
上述技术方案中，进一步地，所述卤化物为HCl、HBr、CCl4或CBr4。
上述技术方案中，进一步地，所述卤化物的通入量为10sccm～100sccm。
上述技术方案中，进一步地，所述衬底为硅或蓝宝石。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤(2)中的生长温度为1000～1100℃，压力为50～200mbar；步骤(3)中的生长温度为900～1100℃，压力为50～400mbar；步骤(4)中的生长温度为900～1100℃，压力为50～600mbar。
本发明的有益效果：本发明的制备方法避免了在气相中形成AlN颗粒，从而提高了Al原子的薄膜表面迁移率。
附图说明
图1本发明外延层结构示意图；
图2本发明实施例1的XRD图，a为XRD(002)，b为XRD(102)；
图3本发明实施例2的XRD图，a为XRD(002)，b为XRD(102)；
图4本发明对比例1的XRD图，a为XRD(002)，b为XRD(102)；
图5本发明对比例2的XRD图，a为XRD(002)，b为XRD(102)。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
制备厚度为5.2μm的外延层，制备过程如下：
(1)衬底进行高温烘烤，去除表面的氧化层和杂质，温度为900～1100度；
(2)在烘烤后的衬底上生长第一层缓冲层AlN，生长30nm的AlN层，通入HCl30sccm，继续生长AlN层，生长厚度在300nm；温度为1000～1100度，压力为50～200mbar；
(3)在步骤(2)缓冲层基础上继续生长第二层缓冲层AlxGa1-xN层，X＝0～1，生长过程中通入HCl 30sccm，生长厚度在3.8um；温度为900～1100度，压力为50～400mbar；
(4)生长GaN层(掺C的GaN层和本征GaN层)，厚度在1.1um，温度为900～1100度，压力为50～600mbar。
反应原理为：(CH3)3Al(g)+3HCl(g)→AlCl3(g)+3CH4(g)，(CH3)3Ga(g)+3HCl(g)→GaCl3(g)+3CH4(g)，AlCl3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3HCl(g),GaCl3(g)+NH3(g)→GaN(s)+3HCl(g)。
实施例2
按实施例1的制备方法制备厚度为5.2μm的外延层，通入HCl 80sccm。
对比例1
按实施例1的制备方法制备厚度为5.2μm的外延层，不通入HCl。
对比例2
按实施例1的制备方法制备厚度为5.2μm的外延层，通入HCl 110sccm。
分别检测对比例1、实施例1、实施例2、对比例2的XRD值和漏电流密度，结果见下表：
| 对比例1 | 实施例1 | 实施例2 | 对比例2 | |
| 外延层厚度 | 5.2μm | 5.2μm | 5.2μm | 5.2μm |
| HCl流量 | 0sccm | 30sccm | 80sccm | 110sccm |
| XRD 002/102 | 482.4/1004.7srcsec | 428/942srcsec | 229.9/410srcsec | 570/1237srcsec |
| 漏电流密度 | 4.2E-6A/mm<sup>2</sup> | 4.8E-7A/mm<sup>2</sup> | 1.1E-8A/mm<sup>2</sup> | 2.6E-6A/mm<sup>2</sup> |
对比例1为正常的生长方式，没有通入HCl，晶体质量和漏电流密度比较大；实施例1、实施例2、对比例2分别是测试不同HCl流量对薄膜特性的对比实验，发现在通入少量(30sccm)的HCl，晶体质量和漏电流密度都有比较明显的改善；进一步加大通入流量(80sccm)，外延层材料的晶体质量和漏电流密度达到最佳值，HCl的流量加大更好的增强Al原子的表面迁移率，使其能够均匀的在薄膜表面沉积，同时形成AlN颗粒也是最少的；进一步加大HCl的流量(110sccm)，发现薄膜材料的晶体质量和漏电流密度反而变差，可能的原因是：由于HCl的加大导致薄膜的刻蚀反应加剧，从而使薄膜表面反而变得粗糙，导致Al原子的迁移率降低，从而使薄膜位错密度加大。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种低位错密度氮化物的外延层生长方法，其特征在于，所述方法在含Al的缓冲层AlN和缓冲层AlxGa1-xN的生长过程中通入卤化物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)衬底高温烘烤，烘烤温度900-1100度；
(2)在衬底上生长第一层缓冲层AlN，生长10～30nm的AlN层，再通入卤化物继续生长AlN层，生长厚度在200～300nm；
(3)在步骤(2)缓冲层基础上继续生长第二层缓冲层AlxGa1-xN层，X＝0～1，生长过程中通入卤化物,生长厚度在1um～4um；
(4)在第二层缓冲层AlxGa1-xN上继续生长GaN层，厚度在1um～2um。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述卤化物为HCl、HBr、CCl4或CBr4。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述卤化物的通入量为10sccm～100sccm。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述衬底为硅或蓝宝石。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的生长温度为1000～1100℃，压力为50～200mbar；步骤(3)中的生长温度为900～1100℃，压力为50～400mbar；步骤(4)中的生长温度为900～1100℃，压力为50～600mbar。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 116023 Building 7, Industrial Design Industrial Park, 57 Xinda Street, Qixianling, Dalian High-tech Industrial Park, Liaoning Province Applicant after: Runxin Microelectronics (Dalian) Co.,Ltd. Address before: 116000 building 7, industrial design Industrial Park, 57 Xinda street, Qixianling, high tech park, Dalian, Liaoning Applicant before: DALIAN XINGUAN TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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