CN113981532A - 用于碳化硅外延生长的基底以及基底的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种用于碳化硅外延生长的基底以及基底的制造方法，属于半导体技术领域。所述基底包括第一子层和位于所述第一子层上的第二子层，所述第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，所述第二子层为GaN层，且所述第二子层的厚度大于所述第一子层中的GaN层的厚度。该基底的晶格常数及热膨胀系数与SiC外延层相当，可以保证在其上外延生长的SiC外延层的生长质量。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种用于碳化硅外延生长的基底以及基底的制造方法。
背景技术
碳化硅(SiC)由于具有高热导率，高击穿电压，高饱和载流子浓度，而受到越来越多的关注，被广泛用于各种功率转换器件中。
相关技术中，通常是采用硅片作为基底，在硅片上外延生长SiC层。但是，硅片和SiC材料的晶格常数及热膨胀系数存在差异，易使得SiC膜内出现拉应力，衬底出现压应力。随着膜厚增加应力积聚也会快速增加，而由于SiC外延生长时的生长温度较高，高温生长会进一步加剧应力积聚，严重时还会出现裂片等问题。因此，在硅片上很难生长几十甚至上百微米的较厚的SiC。
发明内容
本公开实施例提供了一种用于碳化硅外延生长的基底以及基底的制造方法，可以为SiC外延层提供一晶格常数及热膨胀系数相当的基底，保证在其上外延生长的SiC外延层的生长质量。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种用于碳化硅外延生长的基底，所述基底包括第一子层和位于所述第一子层上的第二子层，所述第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，所述第二子层为GaN层，且所述第二子层的厚度大于所述第一子层中的GaN层的厚度。
可选地，所述第一子层包括n个周期交替生长的GaN层和AlN层，20≤n≤50。
可选地，所述第一子层中GaN层和AlN层的厚度比为1：1～1：5。
可选地，所述第一子层的厚度为50～500nm。
可选地，所述第二子层的厚度为20～40nm。
可选地，所述基底还包括位于所述第二子层表面的保护层，所述保护层为掺Si的GaN层。
可选地，所述保护层的厚度为5～10nm。
另一方面，提供了一种用于碳化硅外延生长的基底的制造方法，所述制造方法包括：
在硅片上依次生长成核层、N型氮化镓层、第一子层和第二子层，所述第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，所述第二子层为GaN层，且所述第二子层的厚度大于所述第一子层中的GaN层的厚度；
采用电化学方法腐蚀掉N型氮化镓层，去除生长有所述成核层的所述硅片，得到所述第一子层和所述第二子层；
将所述第一子层和位于所述第一子层上的所述第二子层作为所述基底。
可选地，生长所述N型氮化镓层，包括：
在氮气氛围下，向反应室内通入Ga源、NH3和SiH4，生长厚度为200～500nm，Si的掺杂浓度为5E18～5E19cm-3的所述N型氮化镓层。
可选地，在采用电化学方法腐蚀掉N型氮化镓层之前，所述制造方法还包括：
关闭Ga源及NH3，通入SiH4，在所述第二子层的表面形成保护层，所述保护层为掺Si的GaN层。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过提供一种用于碳化硅外延生长的基底，该基底包括第一子层和位于第一子层上的第二子层。其中，第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，GaN与SiC晶格常数接近，可以保证在其上生长的SiC外延层的晶体质量。而AlN的热导能力较好，可以起到良好的散热效果，有利于协调GaN与SiC之间的热膨胀系数的差异。因此，多个周期交替生长的GaN层和AlN层，可以同时兼顾晶格常数和热膨胀系数的差异，为SiC外延层提供一晶格常数及热膨胀系数相当的基底。同时，超晶格生长结束后生长第二子层作为过渡层，第二子层为厚度较厚的GaN层，GaN晶系类型和晶格常数与SiC较为接近，可以起到较好的过渡作用，保证基底中与SiC外延层接触的第二子层与SiC外延层的晶格更匹配，防止基底与SiC外延层之间因为晶格常数差异过大而产生异常，保证了在其上生长的SiC外延层的生长质量。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种用于碳化硅外延生长的基底的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种用于碳化硅外延生长的基底的制造方法流程图；
图3是本公开实施例提供的另一种用于碳化硅外延生长的基底的制造方法流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种用于碳化硅外延生长的基底的结构示意图，如图1所示，该基底100包括第一子层10和位于第一子层10上的第二子层20。第一子层10包括多个周期交替生长的GaN层11和AlN层12。第二子层20为GaN层，且第二子层20的厚度大于第一子层10中的GaN层11的厚度。
本公开实施例通过提供一种用于碳化硅外延生长的基底，该基底包括第一子层和位于第一子层上的第二子层。其中，第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，GaN与SiC晶格常数接近，可以保证在其上生长的SiC外延层的晶体质量。而AlN的热导能力较好，可以起到良好的散热效果，有利于协调GaN与SiC之间的热膨胀系数的差异。因此，多个周期交替生长的GaN层和AlN层，可以同时兼顾晶格常数和热膨胀系数的差异，为SiC外延层提供一晶格常数及热膨胀系数相当的基底。同时，超晶格生长结束后生长第二子层作为过渡层，第二子层为厚度较厚的GaN层，GaN晶系类型和晶格常数与SiC较为接近，可以起到较好的过渡作用，保证基底中与SiC外延层接触的第二子层与SiC外延层的晶格更匹配，防止基底与SiC外延层之间因为晶格常数差异过大而产生异常，保证了在其上生长的SiC外延层的生长质量。
由于第二子层为SiC外延层的主要接触层，因此，将第二子层20的厚度设置为大于第一子层10中的GaN层11的厚度，可以更好的起到过渡效果，使得基底与SiC外延层的晶格更匹配。
示例性地，GaN、AlN和SiC的晶格常数分别为：
导热系数分别为：1.3、3.0、4.7W/(cm*℃)；热膨胀系数分别为：5.6E-6、4.5E-6、4.7E-6K-1。
由此可以看出，GaN与SiC的晶格常数更接近。AlN与SiC的导热系数和热膨胀系数更接近。
需要说明的是，在本公开实施例中，第一子层10中GaN层11和第二子层20中GaN层均为不掺杂的GaN层。
可选地，第一子层10包括n个周期交替生长的GaN层11和AlN层12，20≤n≤50。
若第一子层10中的周期数目过多，会导致第一子层10的厚度较厚，AlN和GaN的晶格与热膨胀差异会不断累积，导致缺陷和应力增加；若第一子层10中的周期数目过少，一方面在高温时容易断裂，另一方面基底晶体质量差，也难以继续生长高质量厚层SiC。
可选地，第一子层10中GaN层11和AlN层12的厚度比为1：1～1：5。
由于热膨胀系数的差异会导致SiC外延层在生长时出现凸和凹的变化，而GaN与AlN热膨胀系数不同，将各层厚度设置在上述范围内可以中和热膨胀差异导致的翘曲变化，有利于实现较好的平面生长。
其中，AlN层12的厚度大于GaN层11的厚度，若AlN层12的厚度较薄，则难以有效平衡温差导致的翘曲变化，生长过程中膜内容易积累应力，因此，将AlN层12的厚度设置的较厚。
可选地，第一子层10的厚度为50～500nm。
若第一子层10的厚度过薄，高温生长时容易断裂；若第一子层10的厚度过厚，AlN和GaN晶格及应力的差异会不断累积，影响到后续SiC外延层的生长质量。
示例性地，第一子层10的厚度为80nm。
可选地，第二子层20的厚度为20～40nm。
若第二子层20的厚度过薄，难以起到晶格常数过渡的目的；若第二子层20的厚度过厚，热膨胀系数的差异也会进一步引入膜内应力，从而影响后续SiC外延层的生长质量。
示例性地，第二子层210的厚度为30nm。
可选地，基底10还包括位于第二子层20表面的保护层30，保护层30为掺Si的GaN层。
由于保护层30中掺有Si，可以在第二子层20的表面形成Si悬挂键，有利于后续与SiC外延层进行键合。同时，保护层30中掺有Si，还可以起到防氧化的作用，防止第二子层20表面被氧化，最终保证在其上生长的SiC外延层的晶体质量。
可选地，保护层30的厚度为5～10nm。
若保护层30的厚度过薄，容易被吸附的C/H/O/Si等杂质元素影响，在高温外延时，热分解也易伤到保护层；若保护层30的厚度过厚，由于热膨胀系数的差异，在后续高温外延SiC时，易引入膜内应力，导致SiC厚膜异常。
本公开实施例还提供了一种用于碳化硅外延生长的基底的制造方法，用于制造如图1所述的基底。
图2是本公开实施例提供的一种用于碳化硅外延生长的基底的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、在硅片上依次生长成核层、N型氮化镓层、第一子层和第二子层。
其中，第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，第二子层为GaN层，且第二子层的厚度大于第一子层中的GaN层的厚度。
可选地，成核层为未掺杂的GaN层或者AlGaN层，厚度为15～30nm。成核层可以作为后续外延生长的晶核。
在本公开实施例中，成核层为未掺杂的AlGaN层。
可选地，N型氮化镓层为掺Si的GaN层，N型氮化镓层的厚度为200～500nm。通过生长一层N型氮化镓层，可以便于后续进行衬底剥离。
在本公开实施例中，N型氮化镓层中Si的掺杂浓度为5E18-5E19cm-3。
若N型氮化镓层中Si的掺杂浓度过低，会导致电化学刻蚀困难，N型氮化镓层难以有效去除；若N型氮化镓层中Si的掺杂浓度过高，晶体质量会偏差，影响后续外延。
步骤202、采用电化学方法腐蚀掉N型氮化镓层，去除生长有成核层的硅片，得到第一子层和第二子层。
步骤203、将第一子层和位于第一子层上的第二子层作为基底。
本公开实施例提供的基底包括第一子层和位于第一子层上的第二子层。其中，第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，GaN与SiC晶格常数接近，可以保证在其上生长的SiC外延层的晶体质量。而AlN的热导能力较好，可以起到良好的散热效果，有利于协调GaN与SiC之间的热膨胀系数的差异。因此，多个周期交替生长的GaN层和AlN层，可以同时兼顾晶格常数和热膨胀系数的差异，为SiC外延层提供一晶格常数及热膨胀系数相当的基底。同时，超晶格生长结束后生长第二子层作为过渡层，第二子层为厚度较厚的GaN层，GaN晶系类型和晶格常数与SiC较为接近，可以起到较好的过渡作用，保证基底中与SiC外延层接触的第二子层与SiC外延层的晶格更匹配，防止基底与SiC外延层之间因为晶格常数差异过大而产生异常，保证了在其上生长的SiC外延层的生长质量。
本公开实施例还提供了另一种用于碳化硅外延生长的基底的制造方法，用于制造如图1所述的基底。
图3是本公开实施例提供的另一种用于碳化硅外延生长的基底的制造方法流程图，如图3所示，该制造方法包括：
步骤301、在硅片上生长成核层。
其中，成核层为未掺杂的AlGaN层，厚度为15～30nm。
示例性地，步骤301可以包括：
控制反应室温度为600～900℃，压力为100～500torr，在硅片上生长成核层。
步骤302、在成核层上生长N型氮化镓层。
可选地，N型氮化镓层为掺Si的GaN层，N型氮化镓层的厚度为200～500nm。通过生长一层N型氮化镓层，可以便于后续进行衬底剥离。
在本公开实施例中，N型氮化镓层中Si的掺杂浓度为5E18-5E19cm-3。
若N型氮化镓层中Si的掺杂浓度过低，会导致电化学刻蚀困难，N型氮化镓层难以有效去除；若N型氮化镓层中Si的掺杂浓度过高，晶体质量会偏差，影响后续外延。
示例性地，步骤302可以包括：
控制反应室温度为950～1150℃，压力为100～500torr。在氮气氛围下，向反应室内通入Ga源、NH3和SiH4，生长厚度为200-500nm，Si的掺杂浓度为5E18-5E19cm-3的N型氮化镓层。
步骤303、在N型氮化镓层上生长第一子层。
其中，第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层。
可选地，第一子层包括n个周期交替生长的GaN层和AlN层，20≤n≤50。
若第一子层中的周期数目过多，会导致第一子层的厚度较厚，AlN和GaN的晶格与热膨胀差异会不断累积，导致缺陷和应力增加；若第一子层中的周期数目过少，一方面在高温时容易断裂，另一方面基底晶体质量差，也难以继续生长高质量厚层SiC。
可选地，第一子层中GaN层和AlN层的厚度比为1：1～1：5。
由于热膨胀系数的差异会导致SiC外延层在生长时出现凸和凹的变化，而GaN与AlN热膨胀系数不同，将各层厚度设置在上述范围内可以中和热膨胀差异导致的翘曲变化，有利于实现较好的平面生长。
其中，AlN层的厚度大于GaN层的厚度，若AlN层的厚度较薄，则难以有效平衡温差导致的翘曲变化，生长过程中膜内容易积累应力，因此，将AlN层的厚度设置的较厚。
可选地，第一子层的厚度为50～500nm。
若第一子层的厚度过薄，高温生长时容易断裂；若第一子层的厚度过厚，AlN和GaN晶格及应力的差异会不断累积，影响到后续SiC外延层的生长质量。
示例性地，步骤303可以包括：
控制反应室温度为1150～1350℃，压力为100～300torr，在N型氮化镓层上生长第一子层。
在本公开实施例中，第一子层中的GaN层和AlN层的生长温度和生长压力均相同，以便于实际控制。
若第一子层的生长温度或生长压力过高，会出现热分解，热膨胀的差异也会放大；若第一子层的生长温度或生长压力过低，又会导致晶体质量偏差。
在本公开实施例的其它实现方式中，第一子层中的GaN层和AlN层的生长温度和生长压力也可以不同。
例如，第一子层中的GaN层的生长温度为1050～1200℃，第一子层中的AlN层生长温度为1200～1350℃。
此时，AlN层的生长温度高于GaN层的生长温度，生长出的AlN层和GaN层的晶体质量更好。
步骤304、在第一子层上生长第二子层。
其中，第二子层为GaN层，且第二子层的厚度大于第一子层中的GaN层的厚度。
可选地，第二子层的厚度为20～40nm。
若第二子层的厚度过薄，难以起到晶格常数过渡的目的；若第二子层的厚度过厚，热膨胀系数的差异也会进一步引入膜内应力，从而影响后续SiC外延层的生长质量。
示例性地，步骤304可以包括：
控制反应室温度为1000～1150℃，压力为100～500torr，在第一子层上生长第二子层。
若第二子层的生长温度或生长压力过高，会出现热分解，热膨胀的差异也会放大；若第二子层的生长温度或生长压力过低，又会导致晶体质量偏差。
步骤305、在第二子层上形成保护层。
其中，保护层为掺Si的GaN层。
可选地，保护层的厚度为5～10nm。
若保护层的厚度过薄，容易被吸附的C/H/O/Si等杂质元素影响，在高温外延时，热分解也易伤到保护层；若保护层的厚度过厚，由于热膨胀系数的差异，在后续高温外延SiC时，易引入膜内应力，导致SiC厚膜异常。
示例性地，步骤305可以包括：
控制反应室内的温度和压力保持不变，关闭Ga源及NH3，通入SiH4，在第二子层的表面形成保护层。
步骤306、采用电化学方法腐蚀掉N型氮化镓层，去除生长有成核层的硅片，得到第一子层、第二子层和保护层。
示例性地，步骤306中采用电化学方法腐蚀掉N型氮化镓层的具体步骤如下：
在N型氮化镓层两端形成正负极，然后向N型氮化镓层两端通入电流，在0.3mol/L的草酸溶液中进行电化学腐蚀，直至生长有成核层的硅片剥离。
需要说明的是，在室温环境下，通入的电流的电流密度与N型氮化镓层的厚度和尺寸是相关的。在本公开实施例中，通入的电流的电流密度可以为1A/cm2～100A/cm2。
步骤307、将依次层叠的第一子层、第二子层和保护层作为基底。
需要说明的是，在本公开实施例中，控制温度、压力均是指控制生长外延片的反应室中的温度、压力，具体为金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organic ChemicalVapor Deposition，简称：MOCVD)设备的反应室。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为氮源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，即Si源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，即Mg源。
本公开实施例提供的基底包括依次层叠的第一子层、第二子层和保护层。其中，第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，GaN与SiC晶格常数接近，可以保证在其上生长的SiC外延层的晶体质量。而AlN的热导能力较好，可以起到良好的散热效果，有利于协调GaN与SiC之间的热膨胀系数的差异。因此，多个周期交替生长的GaN层和AlN层，可以同时兼顾晶格常数和热膨胀系数的差异，为SiC外延层提供一晶格常数及热膨胀系数相当的基底。同时，超晶格生长结束后生长第二子层作为过渡层，第二子层为厚度较厚的GaN层，GaN晶系类型和晶格常数与SiC较为接近，可以起到较好的过渡作用，保证基底中与SiC外延层接触的第二子层与SiC外延层的晶格更匹配，防止基底与SiC外延层之间因为晶格常数差异过大而产生异常，保证了在其上生长的SiC外延层的生长质量。而保护层中掺有Si，可以在第二子层的表面形成Si悬挂键，有利于后续与SiC外延层进行键合。同时，保护层中掺有Si，还可以起到防氧化的作用，防止第二子层表面被氧化，最终保证在其上生长的SiC外延层的晶体质量。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于碳化硅外延生长的基底，其特征在于，所述基底包括第一子层和位于所述第一子层上的第二子层，所述第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，所述第二子层为GaN层，且所述第二子层的厚度大于所述第一子层中的GaN层的厚度。
2.根据权利要求1所述的基底，其特征在于，所述第一子层包括n个周期交替生长的GaN层和AlN层，20≤n≤50。
3.根据权利要求1所述的基底，其特征在于，所述第一子层中GaN层和AlN层的厚度比为1：1～1：5。
4.根据权利要求3所述的基底，其特征在于，所述第一子层的厚度为50～500nm。
5.根据权利要求1所述的基底，其特征在于，所述第二子层的厚度为20～40nm。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基底，其特征在于，所述基底还包括位于所述第二子层表面的保护层，所述保护层为掺Si的GaN层。
7.根据权利要求6所述的基底，其特征在于，所述保护层的厚度为5～10nm。
8.一种用于碳化硅外延生长的基底的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在硅片上依次生长成核层、N型氮化镓层、第一子层和第二子层，所述第一子层包括多个周期交替生长的GaN层和AlN层，所述第二子层为GaN层，且所述第二子层的厚度大于所述第一子层中的GaN层的厚度；
采用电化学方法腐蚀掉N型氮化镓层，去除生长有所述成核层的所述硅片，得到所述第一子层和所述第二子层；
将所述第一子层和位于所述第一子层上的所述第二子层作为所述基底。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，生长所述N型氮化镓层，包括：
在氮气氛围下，向反应室内通入Ga源、NH3和SiH4，生长厚度为200～500nm，Si的掺杂浓度为5E18～5E19cm-3的所述N型氮化镓层。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在采用电化学方法腐蚀掉N型氮化镓层之前，所述制造方法还包括：
关闭Ga源及NH3，通入SiH4，在所述第二子层的表面形成保护层，所述保护层为掺Si的GaN层。
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