CN111613535A - 一种半导体结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半导体结构及其制备方法，在衬底层之上的缓冲层进行过渡金属和杂质共掺杂使半导体器件实现泄露电流的降低、提升夹断特性、避免器件电流崩塌，此外通过控制缓冲层中过渡金属和杂质的浓度范围来保证器件在动态特性时漏电流的平衡。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种半导体结构及其制备方法。
发明背景
高电子迁移率晶体管(HEMT，High Electron Mobility Transistor)是一种异质结场效应晶体管，以AlGaN/GaN HEMT结构为例，AlGaN的禁带宽度比GaN的大，它们形成异质结时，在AlGaN和GaN界面处形成二维电子气(2DEG)，因此HEMT又被称为2DEG场效应晶体管。
对于GaN类的HEMT来说，将铁等过渡金属或其它杂质向位于2DEG下部的区域掺杂可以改善夹断特性或提高截止电压，但是由杂质构成的电荷陷阱捕获的电子妨碍2DEG的形成，特别容易产生电流崩塌。虽然降低杂质掺杂浓度有利于抑制电流崩塌，但是调控不准缓冲层的厚度依然不能够消除电流崩塌。
发明内容
有鉴于此，急需提出一种半导体结构及其制备方法，可以在抑制泄漏电流、提升器件夹断特性的同时避免电流崩塌，使得应用该半导体结构的器件在动态特性时漏电流保持平衡。
本发明一实施例提供了一种半导体结构，其特征在于，包括：
衬底；
设于所述衬底上的缓冲层，所述缓冲层从衬底向上依次包括第一缓冲层、第二缓冲层；
其中所述第一缓冲层、第二缓冲层共掺杂过渡金属和杂质；
其中所述第一缓冲层中过渡金属的浓度为1×1016cm-3～1×1020cm-3，杂质的掺杂浓度大于3×1015cm-3且小于过渡金属的掺杂浓度；
其中所述的第二缓冲层中过渡金属的浓度逐渐下降，距离第二缓冲层的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍，所述第二缓冲层的上表面为第二缓冲层远离衬底的一面；
其中所述第二缓冲层中杂质的掺杂浓度不大于过渡金属的掺杂浓度；
其中所述的第一缓冲层的厚度为不大于5μm，所述的第二缓冲层的厚度不小于0.2μm。
进一步的，所述的半导体结构包括成核层，设于衬底与缓冲层之间，所述的成核层至少为AlN，GaN，AlGaN中的一种。
本发明一实施例提供一种制备半导体结构的方法，包括：
准备一衬底；
在衬底上制备缓冲层，其中所述的缓冲层从衬底向上依次包括第一缓冲层、第二缓冲层；
其中所述第一缓冲层、第二缓冲层共掺杂过渡金属和杂质；
其中所述第一缓冲层中过渡金属的浓度为1×1016cm-3～1×1020cm-3，杂质的掺杂浓度大于3×1015cm-3且小于过渡金属的掺杂浓度；
其中所述的第二缓冲层中过渡金属的浓度逐渐下降，距离第二缓冲层的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍，所述第二缓冲层的上表面为第二缓冲层远离衬底的一面；
其中所述第二缓冲层中杂质的掺杂浓度不大于过渡金属的掺杂浓度；
其中所述的第一缓冲层的厚度为不大于5μm，所述的第二缓冲层的厚度不小于0.2μm。
在本发明一实施例中，所述制备半导体结构的方法还包括在衬底与缓冲层之间设置成核层，所述成核层至少为AlN，GaN，AlGaN中的一种。
进一步的，所述的制备方法可以是通过原子层沉积(ALD,Atomic layerdeposition)、或化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)、或分子束外延生长(MBE，Molecular Beam Epitaxy)、或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition)、或低压化学蒸发沉积(LPCVD，Low PressureChemical Vapor Deposition)，或金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD，Metal-OrganicChemical Vapor Deposition)、或其组合方式制得。
本发明在第一缓冲层中掺杂过渡金属可以使第一缓冲层形成深受主能级成为电子陷阱，俘获自由电子，有效避免自由电子向衬底方向的扩散；在距离第二缓冲层的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍，所述距离第二缓冲层上表面大于等于100nm处的过渡金属浓度不能太低，否则会HEMT器件的击穿电压较小；也不能太高，避免过渡金属的拖尾效应，防止电流崩塌；此外在缓冲层中共掺杂杂质，使得杂质作为受主杂质，补偿背景电子，减小半导体结构中背景浓度；使得应用该半导体结构的器件实现泄露电流的降低、夹断特性的提升。
附图简要说明
图1为本发明涉及的半导体结构示意图。
图2为本发明另一实施例涉及的半导体结构。
图3为本发明半导体结构应用于HEMT器件的示意图。
图4a-4b为本发明半导体结构中过渡金属浓度和杂质浓度相对于深度变化的掺杂方式。
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和/或结构之间具有任何关联性。
本发明提供了一种半导体结构的制备方法，包括：
提供一衬底1；
在衬底上设置缓冲层3，其中所述的缓冲层3从衬底向上依次包括第一缓冲层31和第二缓冲层32；其中所述第一缓冲层31的厚度不大于5μm，所述第二缓冲层32的厚度不小于0.2μm；
所述衬底1可以是半导体材料、陶瓷材料、高分子材料，例如蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅(SOI)、氮化镓、氮化铝。
进一步的，所述制备半导体结构的方法还包括：在衬底1与缓冲层3之间设置成核层2，如图2所示，所述成核层2可以是AlN，GaN，AlGaN。
所述衬底1、成核层2的材料均可根据实际应用的需要而调整，对此本发明不做任何限定。
本实施例中，所述第一缓冲层31、第二缓冲层32共掺杂过渡金属和杂质；其中所述第一缓冲层31中过渡金属的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1020cm-3；杂质的掺杂浓度大于3×1015cm-3，并且小于过渡金属的掺杂浓度；
本实施例中，所述第二缓冲层32中过渡金属的浓度朝着远离衬底的方向逐渐下降，距离第二缓冲层32的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍，所述第二缓冲层32的上表面为第二缓冲层32远离衬底1的一面；
其中所述的过渡金属为Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd中的至少一种，优选为Fe，所述的杂质为C。
需要说明的是，在制备半导体结构的过程中，即使不对缓冲层以及其它外延层进行故意掺杂，所形成的半导体结构中依然存在着C、O、Fe等污染物，这些由制备环境所造成的污染物的浓度即被称为背景浓度；本实施例中，所述C、O、Fe的背景浓度都小于1×1016cm-3。
进一步的，所述第二缓冲层32中杂质的掺杂浓度不大于过渡金属的掺杂浓度。
该发明还提供了一种半导体结构，如图1所示，包括：
衬底1，所述衬底1包括半导体材料、陶瓷材料、高分子材料，优选的是蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅(SOI)、氮化镓、氮化铝；
设于所述衬底1上的缓冲层3，所述的缓冲层3从所述衬底1向上依次包括第一缓冲层31、第二缓冲层32；其中所述第一缓冲层31的厚度不大于5μm，所述第二缓冲层32的厚度不小于0.2μm；
进一步的，所述第一缓冲层31、第二缓冲层32共掺杂过渡金属和杂质；其中所述第一缓冲层31中过渡金属的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1020cm-3；杂质的掺杂浓度大于3×1015cm-3，并且小于过渡金属的掺杂浓度；
进一步的，所述第二缓冲层32中过渡金属的浓度朝着远离衬底的方向逐渐下降，距离第二缓冲层32的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍，所述第二缓冲层32的上表面为第二缓冲层32远离衬底1的一面；
其中所述的过渡金属为Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd中的至少一种，优选为Fe，所述的杂质为C。
进一步的，所述第二缓冲层32中杂质的掺杂浓度不大于过渡金属的掺杂浓度。
进一步的，如图2所示，所述半导体结构还包括成核层2，设于衬底1与缓冲层3之间，所述成核层2至少为AlN，GaN，AlGaN中的一种。
本发明所提出的半导体结构可应用于多种器件结构当中，例如高电子迁移率晶体管、铝镓铟氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、氮化铝/氮化镓异质结构成的高迁移率三极管、氮化镓MOSFET、LED、光电探测器、氢气产生器或太阳能电池。例如应用于LED器件时，可在该半导体结构上制备发光结构；而应用于HEMT器件时，可在该半导体结构上外延生长异质结结构，如图3。
图3给出了在该半导体结构应用于HEMT器件结构的示意图，其中该HEMT器件包括：衬底1、成核层2、缓冲层3、沟道层4、势垒层5、钝化层6、栅极7、源极8、漏极9，其中缓冲层3包括第一缓冲层31和第二缓冲层32。
本实施例中，所述的衬底1可以为Si衬底，在其他实施例中，所述的衬底1也可以是蓝宝石衬底或者SiC衬底；
本实施例中，所述的成核层2可以是AlN；缓冲层3可以是AlGaN；沟道层4可以是GaN；势垒层5为AlGaN。
本实施例中，所述钝化层630可以包括氮化硅、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氧氮铝等。
本实施例中，所述的源极8、漏极9与势垒层5形成欧姆接触，所述的栅极7与钝化层6形成肖特基接触。
本实施例中，所述第一缓冲层31的厚度是300nm，第二缓冲层32的厚度是600nm，所述沟道层4的厚度为300nm；所述第一缓冲层31、第二缓冲层32中共掺杂过渡金属Fe和C。
具体的，如图4a，横坐标表示半导体层的厚度，以第二缓冲层32的上表面为0nm，所述第二缓冲层32的上表面为第二缓冲层32远离衬底1的那一面；纵坐标为掺杂原子的浓度；本实施例中横坐标负轴方向为沟道层4方向，0nm-600nm为第二缓冲层32，600nm-900nm为第一缓冲层31，大于900nm为成核层2方向。如图4a所示，在第一缓冲层31(600nm-900nm)中Fe的掺杂浓度为1×1018cm-3，C的掺杂浓度小于Fe的掺杂浓度，为1×1017cm-3；在第二缓冲层32(200nm-600nm)中Fe的掺杂浓度逐渐下降，在距离沟道层4与第二缓冲层32交界处的200nm处(即横坐标200nm位置)，Fe的掺杂浓度降为1×1016cm-3；在第二缓冲层中C的掺杂浓度逐渐下降，并且小于Fe的掺杂浓度，在距离沟道层4与第二缓冲层32交界处的200nm处(即横坐标200nm位置)，C的掺杂浓度降为9×1015cm-3。
图4a中，第二缓冲层32中Fe的掺杂浓度和C的掺杂浓度是线性下降的；在其它实施例中，第二缓冲层32中Fe的掺杂浓度和C的掺杂浓度可以是非线性下降的；只要保证距离第二缓冲层32的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍即可。
可以理解的是，制备环境的温度、缓冲层的厚度、所掺杂过渡金属的键能、所掺杂缓冲层中的扩散激活能、金属的掺杂方式、以及缓冲层与衬底层之间的位错密度都会影响过渡金属的下降斜率以及缓冲层中过渡金属的最低浓度。
图4a实施例中，第二缓冲层32中C的掺杂浓度是逐渐下降的，在其他实施例中，第二缓冲层32中C的掺杂浓度可以是恒定的，只要保证C的掺杂浓度小于Fe的掺杂浓度即可。如图4b所示，第一缓冲层中C的掺杂浓度为1×1017cm-3,第二缓冲层中C的掺杂浓度为8×1015cm-3，都保持恒定。
本发明中在第一缓冲层中掺杂过渡金属可以使第一缓冲层形成深受主能级成为电子陷阱，俘获自由电子，有效避免自由电子向衬底方向的扩散；在距离第二缓冲层的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍，所述距离第二缓冲层上表面大于等于100nm处的过渡金属浓度不能太低，否则会HEMT器件的击穿电压较小；也不能太高，避免过渡金属的拖尾效应，防止电流崩塌；此外在缓冲层中共掺杂杂质，使得杂质作为受主杂质，补偿背景电子，减小半导体结构中背景浓度；使得应用该半导体结构的器件实现泄露电流的降低、夹断特性的提升。
进一步的，所述半导体结构的制备可以是通过原子层沉积(ALD,Atomic layerdeposition)、或化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)、或分子束外延生长(MBE，Molecular Beam Epitaxy)、或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition)、或低压化学蒸发沉积(LPCVD，Low PressureChemical Vapor Deposition)，)，或物理气相沉积(PVD，Physical Vapor Deposition)，或金属有机源分子束外延(MOMBE，metal-organic molecular beam epitaxy)，或金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)、或其组合方式制得。
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，各实施方式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。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种半导体结构的制备方法，包括：
准备一衬底；
在衬底上制备缓冲层，其中所述的缓冲层从衬底向上依次包括第一缓冲层、第二缓冲层；
其中所述第一缓冲层、第二缓冲层共掺杂过渡金属和杂质；
其中所述第一缓冲层中过渡金属的浓度为1×1016cm-3～1×1020cm-3，杂质的掺杂浓度大于3×1015cm-3且小于过渡金属的掺杂浓度；
其中所述的第二缓冲层中过渡金属的浓度逐渐下降，距离第二缓冲层的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍，所述第二缓冲层的上表面为第二缓冲层远离衬底的一面；
其中所述第二缓冲层中杂质的掺杂浓度不大于过渡金属的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述半导体结构的制备方法，其特征在于：所述的第一缓冲层的厚度为不大于5μm。
3.根据权利要求1所述半导体结构的制备方法，其特征在于：所述的第二缓冲层的厚度不小于0.2μm。
4.根据权利要求1所述半导体结构的制备方法，其特征在于：所述的过渡金属为Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ag、Cd中的至少一种。
5.根据权利要求1所述半导体结构的制备方法，其特征在于：所述杂质为C。
6.根据权利要求1所述半导体结构的制备方法，其特征在于：所述的衬底包括半导体材料、陶瓷材料、高分子材料。
7.根据权利要求1所述半导体结构的制备方法，其特征在于：所述的半导体结构包括成核层，设于所述衬底与缓冲层之间。
8.根据权利要求7所述半导体结构的制备方法，其特征在于：所述的成核层至少为AlN，GaN，AlGaN中的一种。
9.一种半导体器件，其特征在于，包括：
衬底；
设于所述衬底上的缓冲层，所述缓冲层从衬底向上依次包括第一缓冲层、第二缓冲层；
其中所述第一缓冲层、第二缓冲层共掺杂过渡金属和杂质；
其中所述第一缓冲层中过渡金属的浓度为1×1016cm-3～1×1020cm-3，杂质的掺杂浓度大于3×1015cm-3且小于过渡金属的掺杂浓度；
其中所述第二缓冲层中过渡金属的浓度逐渐下降，距离第二缓冲层的上表面大于等于100nm处，过渡金属的浓度下降至背景浓度的0.5～2倍，所述第二缓冲层的上表面为第二缓冲层远离衬底的一面；
其中所述第二缓冲层中杂质的掺杂浓度不大于过渡金属的掺杂浓度。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其特征在于：所述的半导体结构包括成核层，设于所述衬底与缓冲层之间。
11.根据权利要求10所述的半导体器件，其特征在于：所述的成核层至少为AlN，GaN，AlGaN中的一种。
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