CN112670161B

CN112670161B - 一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法

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Publication number: CN112670161B
Application number: CN202011537789.6A
Authority: CN
Inventors: 张东国; 李忠辉
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2040-12-23
Also published as: CN112670161A

Abstract

本发明公开了一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法，属于半导体外延材料技术领域。该方法利用高温化学气相淀积设备对碳化硅衬底表面进行高温刻蚀，使衬底表面呈现可控原子级台阶形貌，再利用金属有机物化学气相淀积技术在碳化硅原子台阶上进行原子级氮化铝成核，通过间歇供源的方式使以上氮化铝核点快速横向合并及层状沉积，从而实现高质量纳米级氮化铝成核层生长，并以该氮化铝为基板制备氮化镓高电子迁移率晶体管。本发明可以将氮化铝成核层厚度大幅减薄，可有效减小氮化铝成核层引入的界面热阻，有助于改善氮化镓功率器件散热特性，对于提升氮化镓微波功率器件的功率性能有着极为重要的意义。

Description

一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法，属于半导体外延材料技术领域。

背景技术

氮化镓材料具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，能满足下一代功率器件更高功率密度、更高工作频率、更小体积和更恶劣环境等应用要求，是制造氮化镓微波功率器件和电路的重要基础和关键支撑。由于碳化硅衬底具有更高的热导率和更小的晶格失配，目前大功率氮化镓功率管通常采用碳化硅基氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料。但氮化镓与碳化硅的浸润性较差，难以在碳化硅衬底上直接生长氮化镓薄膜，同时，碳化硅衬底表面存在较高浓度的硅、氧等杂质元素，直接生长氮化镓将会作为n型掺杂，导致氮化镓底层存在30~100nm左右的导电层，影响HEMT（高电子迁移率晶体管）材料隔离击穿。因此，基于碳化硅衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管仍然选用氮化铝作为成核层。

由于氮化铝与碳化硅之间存在一定的晶格失配，并且铝-氮键能大，造成氮化铝呈岛状生长，并在岛间合并的过程中引入了大量的缺陷，导致氮化铝晶格较差，使得氮化铝成核层的热导率远低于理论值，甚至低于其它功能层。另外，为了保证氮化镓的晶体质量和氮化铝的杂质屏蔽效果，氮化铝成核层厚度一般不低于50nm，进一步增加了氮化铝的热阻，形成明显的边界热阻，严重限制了沟道热量向衬底方面的传导。氮化镓微波功率器件在提升功率的同时器件结温显著上升，导致器件输出功率密度以及效率等性能迅速恶化，散热问题已经成为限制碳化硅基氮化镓微波功率器件技术进一步发展和应用的最大瓶颈。因此，开发一种行之有效的低热阻氮化铝成核层生长技术进一步降低氮化镓高迁移率晶体管的界面热阻，对于提升微波功率器件的功率性能有着极为重要的意义。

发明内容

针对氮化镓高电子迁移率晶体管的材料界面热阻较高的问题，本发明提出了一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法。采用碳化硅衬底刻蚀及氮化铝多步生长工艺，改善氮化铝的结晶质量并实现氮化铝快速成膜，进而制备出纳米级（甚至是原子层级）的氮化铝成核层，从而降低氮化镓高电子迁移率晶体管的材料热阻。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法，包括以下步骤：

步骤一：选取碳化硅单晶衬底，置于高温化学气相沉积设备反应室内的基座上；

步骤二：设置反应室的压力为100~200mbar，通入H₂，反应室升温至1000~1100℃，在H₂气氛下烘烤衬底5~15分钟，去除表面沾污；

步骤三：维持H₂流量和反应室的压力不变，反应室升温至1300~1600℃，在H₂气氛下刻蚀衬底5~15分钟，使衬底表面呈现原子台阶形貌；

步骤四：维持H₂流量不变，设置反应室的压力为50~150 mbar，反应室温度设置在1100~1150℃，通入NH₃和铝源，生长氮化铝原子沉积层；

步骤五：保持反应室的压力和各气体流量不变，提高反应室生长温度50~100℃，铝源维持常通，用脉冲方式间歇通入NH₃，其中通NH₃时间占空比不超过30%，生长厚度为3~5nm的氮化铝横向合并层；

步骤六：维持反应室的压力和各气体流量不变，在NH₃气氛下降低温度50~100℃，通入铝源，生长氮化铝纵向平铺层，使氮化铝总厚度达到5~20nm；

步骤七：保持H₂流量不变，在NH₃氛围中将温度降至1000~1100℃、压力升至150~350mbar，待气流稳定后，通入镓源，依次生长厚度为500~1500nm的氮化镓高阻层和200~700nm的氮化镓沟道层。

步骤八：生长厚度为0.5~2 nm的氮化铝插入层、厚度为5~30nm的氮化铝镓势垒层和厚度为1~5 nm的氮化镓帽层；

步骤九：外延生长完成之后，关闭生长源，在NH₃气氛中降温，最后取出氮化镓外延材料。

步骤四中所述氮化铝原子沉积层厚度不超过1nm，即在碳化硅原子台阶上沉积1~3层原子厚的氮化铝成核层。

本发明的有益效果如下：

1、本发明在保证氮化镓高电子迁移率晶体管晶体质量和电学特性的基础上，结合碳化硅衬底表面高温刻蚀，使衬底表面呈现可控原子级台阶形貌，再利用金属有机物化学气相淀积技术在碳化硅原子台阶上进行原子级氮化铝成核，通过间歇供源的方式使以上氮化铝核点快速横向合并，从而实现高质量纳米级氮化铝成核层生长，并基于该氮化铝基板制备热阻较低的氮化镓高电子迁移率晶体管。

2、在保证氮化镓高电子迁移率晶体管质量和性能的前提下，采用本发明可以将氮化铝成核层厚度大幅减薄，有效减小氮化铝成核层带来的界面热阻，有助于改善氮化镓功率器件散热特性，对于提升氮化镓微波功率器件的功率性能有着极为重要的意义。

3、碳化硅衬底高温刻蚀技术稳定可控，可有效避免不同表面形貌的碳化硅衬底带来的氮化镓高电子迁移率晶体管材料性能的差异。

4、本发明的生长方法与常规氮化镓外延工艺兼容，具有一定的实用价值。

附图说明

图1为低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料外延结构示意图，其中：1、高温刻蚀的碳化硅衬底；2a、氮化铝原子沉积层；2b、氮化铝横向合并层；2c、氮化铝纵向平铺层；3、氮化镓高阻层；4、氮化镓沟道层；5、氮化铝插入层；6、氮化铝镓势垒层；7、氮化镓帽层。

图2的（1）为碳化硅衬底表面形貌图，图2的（2）为高温刻蚀后的碳化硅衬底表面台阶形貌图，图2的（3）为氮化铝原子沉积层表面形貌图，图2的（4）氮化铝横向合并层表面形貌图，图2的（5）氮化铝纵向平铺层表面形貌图。

图3为氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料透射电镜测试结果图：（A）采用本发明外延方案，（B）常规氮化铝厚度10nm，（C）常规氮化铝厚度40nm。

图4为氮化铝成核层为10nm的氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料杂质纵向分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

本发明通过衬底高温刻蚀及氮化铝成核生长模式调控，实现了纳米级（甚至原子层级）高质量氮化铝成核层制备，显著降低了氮化镓高电子迁移率晶体管的界面热阻。如图1所示，该氮化镓高电子迁移率晶体管按照外延生长顺序，依次包括：高温刻蚀的碳化硅衬底1、氮化铝原子沉积层2a、氮化铝横向合并层2b、氮化铝纵向平铺层2c、氮化镓高阻层3、氮化镓沟道层4、氮化铝插入层5、氮化铝镓势垒层6和氮化镓帽层7。氮化铝外延层包含氮化铝原子沉积层、氮化铝横向合并层和氮化铝纵向平铺层，总厚度在5~20nm。

针对高位错密度氮化铝成核层提升晶格质量的需求，通过高温刻蚀碳化硅衬底，呈现可控台阶形貌，进而在原子台阶上实现高质量原子成核；采用间歇供源的方式实现高温、低五三比下的氮化铝横向快速成膜，并继续淀积氮化铝纵向平铺层以保证对衬底杂质扩散的屏蔽效果，从而在保证晶体质量的前提下，大幅降低高质量氮化铝成核层的厚度，实现低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管材料的制备。

本发明具体实施方式如下：

步骤二：设置反应室的压力为100~200 mbar，通入H₂，反应室升温至1000~1100℃，在H₂气氛下烘烤衬底5~15分钟，去除表面沾污；

步骤四：维持H₂流量不变，设置反应室的压力为50~150 mbar，反应室温度设置在1100~1150℃，通入NH₃和铝源，生长厚度不超过1nm的氮化铝原子沉积层；

步骤五：保持反应室压力和各气体流量不变，提高反应室生长温度50~100℃，维持铝源常通，以脉冲方式间歇通入氨气，其中通NH₃时间占空比不超过30%，生长厚度为3~5nm的氮化铝横向合并层。

步骤六：维持反应室压力和各气体流量不变，在NH₃气氛下降低温度50~100℃，通入铝源，生长氮化铝纵向平铺层，使氮化铝总厚度达到5~20nm；

步骤八：生长厚度为0.5~2 nm的氮化铝插入层、厚度为5~30nm的氮化铝镓势垒层(其中0≤x＜0.8)和厚度为1~5 nm的氮化镓帽层；

步骤九：外延生长完成之后，关闭生长源，在NH₃气氛中降温，最后取出氮化镓外延片。

在本发明中，步骤三中的碳化硅衬底采用高温预处理工艺，可以在金属有机化学气相淀积设备内进行原位高温刻蚀，也可以在高温化学气相沉积设备进行高温处理。其中，原位刻蚀具有更高的效率和更低的成本，但对淀积设备要求较高。碳化硅衬底高温刻蚀后临晶面会出现台阶行列，刻蚀温度提升到1300℃后，随着刻蚀时间和刻蚀温度的增加，衬底表面台阶逐渐拉伸合并，台阶高度略有增加。若碳化硅衬底台阶高度超过氮化铝的c轴晶格常数（0.3112nm），氮化铝将会沿着衬底台阶进行原子成核，此时氮化铝的晶格结构更加完整，表面呈现平整形貌。因此为保证碳化硅衬底的台阶刻蚀效果，碳化硅衬底的刻蚀温度一般不低于1300℃，刻蚀时间不少于5分钟。另外刻蚀温度过高会导致碳化硅衬底表面可能形成石墨烯等碳界面层，影响氮化铝成核，因此刻蚀温度不得高于1600℃。基于碳化硅衬底特性，随着刻蚀时间的增加，台阶刻蚀具有饱和效应，而高温刻蚀时间过长会对化学气相沉积设备的寿命和使用成本带来负担，因此刻蚀时间一般限定在15分钟以内。

在本发明中，氮化铝外延层包含步骤四中的氮化铝原子沉积层、步骤五中的氮化铝横向合并层和步骤六中的氮化铝纵向平铺层，由于氮化镓高电子迁移率晶体管的材料热阻与氮化铝成核层厚度息息相关，为降低氮化镓高电子迁移率晶体管的材料热阻，氮化铝成核层的厚度限制在20nm以内。另外，为了保证该超薄氮化铝成核层的晶格质量，采用多层氮化铝调制的方式提升氮化铝晶格和氮化镓的晶体质量。为了保证各氮化铝功能层的效果，氮化铝外延层的总厚度不低于5nm。

在本发明中，步骤四中的氮化铝原子沉积层厚度不超过1nm，即在碳化硅原子台阶上沉积1~3层原子厚的氮化铝成核层。由于氮化铝与碳化硅之间存在一定的晶格失配，氮化铝初期主要以岛状成核的方式沉积在碳化硅衬底上。高温刻蚀后的碳化硅衬底台阶高度一般不超过1nm，为了避免衬底台阶高度落差引入新生缺陷，影响氮化铝晶格质量，氮化铝初期成核岛的高度需要控制在1nm以内。

在本发明中，步骤五中的氮化铝横向合并层通过提升铝原子横向迁移效果实现氮化铝快速成膜。由于氮化铝横向合并困难，一般在生长过程中逐步合并，因此氮化铝横向合并层一般属于氮化铝沉积层的主要厚度贡献层。因此，氮化铝横向合并层的快速成膜，对于氮化铝沉积层的减薄具有更佳的效果。铝原子在较高的生长温度和较低的五三比下具有更强的横向迁移能力，在此工艺条件下氮化铝更易横向成膜。因此，在氮化铝原子沉积后，提升反应室温度，可以促进氮化铝成核岛的横向合并。采用间歇通如NH₃的方式，可以降低五三比，为了尽快实现氮化铝横向成膜，从而达到大幅减薄的目的，氨气开通时间占空比不高于30。

在本发明中，步骤六中的氮化铝纵向平铺层隔绝碳化硅衬底的硅扩散，从而保证氮化镓高电子迁移率晶体管的高阻性能。氮化铝横向合并过程是一个大量缺陷生成和转向的过程，此时部分新生缺陷会延伸至表面，可能会成为衬底杂质扩散通道，导致硅扩散至氮化镓层底部形成漏电层，影响氮化镓高电子迁移率晶体管的电学性能，因此继续需要生长高质量的氮化铝纵向平铺层加以隔绝衬底杂质扩散。

除碳化硅单晶衬底外，本方法同样适用于硅、蓝宝石（含图形化衬底）、氮化镓及其它衬底制造的各类氮化镓器件。除MOCVD方法外，同样适用于MBE（分子束外延）生长氮化物材料。除厚GaN缓冲层HEMT以外，还是用与超薄GaN缓冲层HEMT材料结构制备。

实施例：

提供的在CVD（化学气相沉积）系统和MOCVD（金属有机化合物气相沉积）系统中一种降低氮化镓高电子迁移率晶体管界面热阻的外延方法包括以下步骤：

步骤一：选取4英寸碳化硅单晶衬底，置于CVD设备内的基座上。

步骤二：设置反应室压力100mbar，H₂流量100 slm，系统升温至1080℃并持温5分钟，对衬底表面进行高温清理。

步骤三：保持反应室压力和H₂流量不变，继续升温至1500℃，在H₂气氛下刻蚀衬底10分钟，使衬底表面呈现原子台阶形貌。

步骤四：刻蚀完成之后，在H₂气氛中降温，最后取出刻蚀过的碳化硅衬底。

步骤五：选取刻蚀过的碳化硅衬底，置于MOCVD设备内的基座上，设置反应室压力150mbar，H₂流量100 slm，系统升温至1080℃并持温5分钟，再次对衬底表面进行高温清理。

步骤六：维持H₂流量不变，设置反应室的压力为100mbar，反应室温度设置在1130℃，通入3slm流量NH₃和100 sccm流量的三甲基铝，通入时间达到15秒后关闭三甲基铝，生长厚度不超过1nm的氮化铝原子沉积层。

步骤七：维持反应室压力和各气体流量不变，提高反应室生长温度至1200℃，温度稳定后，打开三甲基氯并以脉冲方式间歇通入氨气，其中氨气打开时间2秒。关闭时间8秒，氨气开关重复6次后关闭三甲基铝，并同步打开氨气，保持氨气常通，生长氮化铝横向合并层。

步骤八：维持反应室压力和各气体流量不变，在NH₃气氛下降低温度至1130℃，通入铝源，生长氮化铝纵向平铺层达到5nm后关闭三甲基铝；

步骤九：保持H₂流量不变，在NH₃氛围中将温度降至1080℃、压力升至200 mbar，待气流稳定后，通入镓源，依次生长厚度为800nm的氮化镓高阻层和600nm的氮化镓沟道层。

步骤十：维持反应室压力、H₂流量不变，将NH₃流量降至10slm，反应室温度降至1030℃，依次生长厚度为1nm的氮化铝插入层、厚度为20nm的氮化铝镓Al_0.2Ga_0.8N势垒层和厚度为3nm的氮化镓帽层；

步骤十一：外延生长完成之后，关闭生长源，在NH₃气氛中降温，最后取出氮化镓外延片。

本发明提供的实施例中氮化镓高电子迁移率晶体管采用碳化硅衬底高温刻蚀结合氮化铝多步生长，采用原子力显微镜对以上各层表面形貌进行分析。可以看出，碳化硅衬底表面形貌如图2的（1），经1500℃高温刻蚀后，表面呈现清晰地台阶形貌如图2的（2），台阶高度在0.6nm左右。后续氮化铝在衬底台阶上进行原子沉积如图2的（3），在高温低五三比下横向合并如图2的（4），台阶高度落差有所降低，但此时氮化铝表面仍存在高密度的位错冒头现象，进一步生长氮化铝后如图2的（5），位错密度大幅降低，但是氮化铝表面起伏增加，此时氮化铝完整合并。说明基于碳化硅衬底高温刻蚀后的台阶形貌，采用多步生长的方式可以促进氮化铝快速成膜，并进一步降低氮化铝表面的位错密度。

本发明提供的实施例中的氮化镓高电子迁移率晶体管截面质量如图3的（A）所示，氮化铝厚度在10nm左右。采用常规单层氮化铝生长氮化镓高电子迁移率晶体管，将氮化铝生长厚度由40nm如图3的（C）减薄至10nm如图3的（B），氮化铝与氮化镓之间的界面逐渐模糊，并且氮化镓中由下至上的贯穿位错明显增多。而采用本发明方案的氮化镓高电子迁移率晶体管如图3的（A）氮化铝结晶较为致密，具有清晰的氮化铝和氮化镓界面，并且氮化镓中的位错密度明显低于常规方案生长的具有10nm氮化铝的氮化镓高电子迁移率晶体管，甚至是低于常规方案生长的具有40nm氮化铝的氮化镓高电子迁移率晶体管。图4给出了两种方案的基于10nm氮化铝成核层的氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料背景浓度测试结果。对比可以看出，常规减薄后氮化铝完全失去了对衬底硅扩散的屏蔽作用，导致氮化镓背景浓度显著增高3个量级以上如图4的（B），影响到氮化镓高迁移率晶体管的耐压特性。而采用本方案的氮化镓高电子迁移率晶体管如图4的（A）仍可以维持极低的背景浓度，仍可以满足期间应用要求。

为了分析该方案对降低氮化镓高电子迁移率晶体管材料热阻的效果，开展外延薄膜及界面热物性对比分析。与常规方案生长的具有40nm氮化铝的氮化镓高电子迁移率晶体管相比，采用该方案后氮化镓高电子迁移率晶体管材料热阻由25.82m²K/GW降至19.09m²K/GW。

由此可见，采用该技术生长的氮化镓高电子迁移率晶体管，将氮化铝厚度减薄至10nm左右，晶体管的材料热阻明显降低，并且此时仍可维持较高的晶体质量和衬底硅扩散屏蔽效果，满足器件使用的性能要求。这说明本发明提供的氮化镓高电子迁移率晶体管的外延方法能有效降低材料热阻。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤七：保持H₂流量不变，在NH₃氛围中将温度降至1000~1100℃、压力升至150~350mbar，待气流稳定后，通入镓源，依次生长厚度为500~1500nm的氮化镓高阻层和200~700nm的氮化镓沟道层；

2.根据权利要求1所述的一种低热阻氮化镓高电子迁移率晶体管外延材料制备方法，其特征是步骤四中所述氮化铝原子沉积层厚度不超过1nm，即在碳化硅原子台阶上沉积1~3层原子厚的氮化铝成核层。