CN114512394A - 提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，属于半导体器件技术领域。使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理。得到带正电荷的氮原子团与氧原子团对AlN层表面进行等离子体处理。带正电荷的氮原子团会填充负极的AlN层中氮空位缺陷，减少缺陷。硅衬底表面的氧化物中分解出带负电荷的氧原子，与N2O等离子体中的氧原子原结合生成氧分子，减少杂质。氢气对AlN层表面进行等离子体处理，氢原子与氧原子也会结合生成H2O并被排出反应腔。有效减少AlN层中会存在的缺陷与杂质，有效提高AlN层的质量以提高最终得到的高电子迁移率晶体管的质量。

Description

提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法
技术领域
本公开涉及到了半导体器件技术领域，特别涉及到一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法。
背景技术
HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)是一种异质结场效应晶体管，其广泛应用于各种电器内。HEMT外延片是制备HEMT器件的基础，HEMT外延片包括衬底与依次层叠在衬底上的AlN层、AlGaN缓冲层、GaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层与GaN盖帽层。
HEMT外延片常使用硅衬底作为基底进行生长，但一方面硅衬底的表面容易存在类似氧化硅的氧化物，这些氧化物在高温外延生长过程中存在分解的情况，分解出的氧原子会进入在硅衬底上生长的外延材料中，作为杂质影响最终得到的高电子迁移率晶体管外延片的质量；另一方面，AlN层在硅衬底上进行生长时，作为AlN层生长源的Al有机源与氨气的预反应非常严重，AlN层生长的Ⅴ/Ⅲ比又较低，会导致AlN层中会出现较多的N空位缺陷态，导致得到的高电子迁移率晶体管中缺陷较多；较多的杂质与缺陷会影响最终得到的高电子迁移率晶体管的质量。
发明内容
本公开实施例提供了一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，可以有效降低高电子迁移率晶体管内部的杂质与缺陷以有效提高最终得到的高电子迁移率晶体管外延片的晶体质量。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种高电子迁移率晶体管外延片，所述提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法包括：
提供一硅衬底；
在所述硅衬底生长AlN层；
使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理，
所述使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理，包括：
使所述AlN层位于磁控溅射设备的负极，在所述磁控溅射设备的正极电离N2O气体，得到带正电荷的氮原子团与氧原子团对所述AlN层表面进行等离子体处理；
使用氢气对所述AlN层表面进行等离子体处理；
在所述AlN层的表面依次生长AlGaN缓冲层、GaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层与GaN盖帽层。
可选地，通入所述磁控溅射设备的溅射腔的N2O气体的流量为20～50sccm。
可选地，使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理10～30min。
可选地，所述提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法包括：
在温度为100～200℃的条件下，使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理。
可选地，在溅射功率为100～500W的条件下，使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理。
可选地，所述使用氢气对所述AlN层表面进行等离子体处理，包括：通入所述磁控溅射设备的溅射腔的氢气的流量为10～50sccm。
可选地，所述提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法还包括：
使用氢气对所述AlN层表面进行等离子体处理之后，在所述AlN层的表面生长AlGaN缓冲层之前，氮气环境下对所述AlN层进行退火处理。
可选地，在温度为500～600℃的条件下，氮气环境下对所述AlN层进行退火处理5～10min。
可选地，所述提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法还包括：
氮气环境下对所述AlN层进行退火处理5～10min后，氮气环境下将所述AlN层的温度降低至20～30℃。
可选地，所述氮气环境下对所述AlN层进行退火处理，包括：
在氮气环境下对所述AlN进行退火处理的过程中，持续向反应腔通入10～50sccm的氮气。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
在硅衬底上生长AlN层之后，使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理。且使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理，包括：使AlN层位于磁控溅射设备的负极，在磁控溅射设备的正极电离N2O气体，得到带正电荷的氮原子团与氧原子团对AlN层表面进行等离子体处理。带正电荷的氮原子团会填充负极的AlN层中由于较低的Ⅴ/Ⅲ比条件生长而存在的氮空位缺陷，减少AlN层中会存在的缺陷，提高AlN层的晶体质量。并且硅衬底表面的氧化物中分解出带负电荷的氧原子在电场作用下向位于正极的N2O等离子体移动，与N2O等离子体中的氧原子原结合生成氧分子，从而降低外延层中会存在的氧原子浓度，减少高电子迁移率晶体管内会存在的杂质，以提高外延层晶体质量及器件电性能。而使用氢气对AlN层表面进行等离子体处理，H原子的刻蚀型较强，可以打断AlN层中与Al有较强结合力的氧而形成的Al-O，从而将氧与AlN层进行分离，并且氢原子与氧原子也会结合生成H2O并被排出反应腔，进一步降低AlN层中会存在的杂质。将已分离的氧原子进行有效分离，避免氧重新进入外延材料变成杂质。可以有效减少AlN层中会存在的缺陷与杂质，有效提高AlN层的质量以提高最终得到的高电子迁移率晶体管的质量。
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提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法流程图；
图2是本公开实施例提供的一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图；
图3是本公开实施例提供的另一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法流程图；
图4是本公开实施例提供的另一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图。
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。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
图1是本公开实施例提供的一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法流程图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法包括：
S101：提供一硅衬底。
S102：在硅衬底生长AlN层。
S103：使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理。使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理，包括：使AlN层位于磁控溅射设备的负极，在磁控溅射设备的正极电离N2O气体，得到带正电荷的氮原子团与氧原子团对AlN层表面进行等离子体处理。
S104：使用氢气对AlN层表面进行等离子体处理。
S105：在AlN层的表面依次生长AlGaN缓冲层、GaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层与GaN盖帽层。
在硅衬底上生长AlN层之后，使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理。且使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理，包括：使AlN层位于磁控溅射设备的负极，在磁控溅射设备的正极电离N2O气体，得到带正电荷的氮原子团与氧原子团对AlN层表面进行等离子体处理。带正电荷的氮原子团会填充负极的AlN层中由于较低的Ⅴ/Ⅲ比条件生长而存在的氮空位缺陷，减少AlN层中会存在的缺陷，提高AlN层的晶体质量。并且硅衬底表面的氧化物中分解出带负电荷的氧原子在电场作用下向位于正极的N2O等离子体移动，与N2O等离子体中的氧原子原结合生成氧分子，从而降低外延层中会存在的氧原子浓度，减少高电子迁移率晶体管内会存在的杂质，以提高外延层晶体质量及器件电性能。而使用氢气对AlN层表面进行等离子体处理，H原子的刻蚀型较强，可以打断AlN层中与Al有较强结合力的氧而形成的Al-O，从而将氧与AlN层进行分离，并且氢原子与氧原子也会结合生成H2O并被排出反应腔，进一步降低AlN层中会存在的杂质。将已分离的氧原子进行有效分离，避免氧重新进入外延材料变成杂质。可以有效减少AlN层中会存在的缺陷与杂质，有效提高AlN层的质量以提高最终得到的高电子迁移率晶体管的质量。
需要说明的是，由于Al与NH3的预反应较为严重，Al原子的粘滞性较严重，为了保证AlN层生长初期Al原子的层铺可以较为均匀，以保证最终得到的AlN层的生长较为均匀。需要将AlN层生长时，设置较低的Ⅴ/Ⅲ比条件，以得到较为均匀的AlN层，AlN层中的氮空位缺陷也由此产生。溅射腔为磁控溅射设备的用于放置硅衬底的腔室，反应腔为设备用于放置硅衬底并对硅衬底进行退火或者在硅衬底上生长外延材料的腔室。
可选地，通入磁控溅射设备的溅射腔的N2O气体的流量为20～50sccm。
通入磁控溅射设备的溅射腔的N2O气体的流量在以上范围内，可以保证N2O气体可以稳定有效地电离出氧原子团与氮原子团，充足的氧原子团与氮原子团可以去除大部分AlN层中存在的缺陷与杂质，有效提高最终得到的AlN层的质量。并且N2O气体的流量也较为合理，不会出现N2O气体的逆反应严重的情况，可以保证对AlN层的表面的稳定处理。
示例性地，使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理10～30min。
使用N2O气体对AlN层的表面处理以上时长，可以保证得到的AlN层的质量较好，并且可以保证对AlN层中的缺陷以及杂质进行了良好的处理，能够有效提高得到的AlN层的晶体质量。
示例性地，步骤S103，包括：在溅射功率为100～500W的条件下，使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理。
溅射功率在以上范围内，可以保证对N2O气体的稳定电离，且N2O气体电离出的原子团的动能较为合适，处理AlN层表面的时候也不会对AlN层的表面造成较大损伤，可以有效降低AlN层中的缺陷与杂质的同时有效提高最终得到的AlN层的表面质量。
可选地，步骤S103，包括：在温度为100～200℃的条件下，使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理。
在以上温度条件下对AlN层进行处理，可以保证对AlN层表面进行有效且快速的处理，有效提高AlN层的晶体质量。
示例性地，步骤S103，包括：在压力为1～10Torr的条件下，使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理。溅射条件较为合理，对AlN层表面的处理过程也较为温和。
可选地，步骤S104包括：使用氢气对AlN层表面进行等离子体处理，包括：通入磁控溅射设备的溅射腔的氢气的流量为10～50sccm。
通入氢气的流量在以上范围内，可以保证电离出充足的氢原子，保证氢原子可以有效刻蚀Al-O以分离出氧杂质，有效提高AlN层的质量的同时也不会过分提高高电子迁移率晶体管的制备成本。
示例性地，氢气对AlN层的表面进行等离子体处理的溅射功率、温度、压力可与N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理的溅射功率、温度、压力分别相同。可以减小高电子迁移率晶体管的制备成本的同时有效提高AlN层的晶体质量。
图2是本公开实施例提供的一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图，参考图2可知，提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片包括硅衬底1以及依次层叠在硅衬底1上的AlN层2、AlGaN缓冲层3、GaN高阻层4、GaN沟道层5、AlGaN势垒层6及GaN盖帽层7。可以保证用于制备高电子迁移率晶体管的外延片的基础功能。
图3是本公开实施例提供的另一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法流程图，参考图3可知，提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法还包括：
S201：提供一硅衬底。
可选地，步骤S201，包括：在H2气氛、1000～1200℃的温度条件、50～150mbar的压力条件下处理硅衬底的表面5～10min。以除去Si基衬底表面的杂质。
示例性地，步骤S201还包括：在1000～1100℃的温度条件、40～70mbar的压力条件下，向反应腔通入50～200sccm的Al源，以在硅衬底的表面预铺一层Al原子。可以促进AlN层的均匀生长。
S202：在硅衬底生长AlN层。
可选地，AlN层的生长温度为1050℃～1150℃，AlN层的生长压力为40～70mbar。能够得到质量较好的AlN层。
S203：使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理。使用N2O气体对AlN层表面进行等离子体处理，包括：使AlN层位于磁控溅射设备的负极，在磁控溅射设备的正极电离N2O气体，得到带正电荷的氮原子团与氧原子团对AlN层表面进行等离子体处理。
S204：使用氢气对AlN层表面进行等离子体处理。
步骤S203与步骤S204可分别参考图1中所示的步骤S103与步骤S104，因此此处不再赘述。
S205：在AlN层的表面生长AlGaN缓冲层之前，氮气环境下对AlN层进行退火处理。
对等离子体处理完的AlN层的表面，在氮气环境下进行退火处理，AlN层可以进行退火重结晶，得到的AlN层的表面会更为平整，提高在AlN层表面生长得到的外延材料的质量以提高最终得到的高电子迁移率晶体管的质量。
可选地，在温度为500～600℃的条件下，氮气环境下对AlN层进行退火处理5～10min。能够保证AlN层进行了充分的处理，AlN层的表面质量得到了有效提高。
示例性地，提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法还包括：
氮气环境下对AlN层进行退火处理5～10min后，氮气环境下将AlN层的温度降低至20～30℃。可以释放AlN层的内部应力以提高得到的AlN层的质量。
可选地，氮气环境下对AlN层进行退火处理，包括：
在氮气环境下对AlN进行退火处理的过程中，持续向反应腔通入10～50sccm的氮气。
可以保证反应腔内气体环境的稳定，避免气体环境改变而对AlN层的退火过程造成影响。
S206：在AlN层上生长AlGaN缓冲层。
可选地，AlGaN缓冲层的生长条件包括：生长温度在1050℃～1250℃，压力在40～70mbar之间。可以得到质量较好的AlGaN缓冲层。
S207：在AlGaN缓冲层上生长GaN高阻层。
GaN高阻层的生长条件及参数可以参考图3中所示的步骤S102，因此此处不再赘述。
S208：在GaN高阻层上生长GaN沟道层。
可选地，GaN沟道层的生长条件包括：生长温度在1050℃～1150℃，压力在150～250mbar之间。可以得到质量较好的GaN沟道层。
示例性地，GaN沟道层的厚度在1.0～1.5微米之间。提高最终得到的HEMT外延片的质量。得到的GaN沟道层的质量较好。
S209：在GaN沟道层上生长AlN插入层。
可选地，AlN插入层的生长温度为1050℃～1150℃，AlN插入层的生长压力为40～70mbar。能够得到质量较好的AlN插入层。
S210：在AlN插入层上生长AlGaN势垒层。
可选地，AlGaN势垒层的生长温度为1050℃～1150℃，AlGaN势垒层的生长压力为40～70mbar。得到的AlGaN势垒层的质量较好。
在本公开所提供的一种实现方式中，AlGaN势垒层的生长温度可为1020℃。本公开对此不做限制。
S211：在AlGaN势垒层上生长GaN盖帽层。
可选地，GaN盖帽层的生长温度为1050℃～1150℃，AlGaN势垒层的生长压力为40～70mbar。得到的GaN盖帽层的质量较好。
需要说明的是，在本公开实施例中，采用VeecoK 465i or C4 or RB MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的生长方法。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N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，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，二茂铁(Cp2Fe)作为铁(Fe)源的前驱体。
图4是本公开实施例提供的另一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片的结构示意图，参考图4可知，高电子迁移率晶体管外延片可包括硅衬底1与依次层叠在硅衬底1上的AlN层2、AlGaN缓冲层3、GaN高阻层4、GaN沟道层5、AlN插入层8、AlGaN势垒层6与GaN盖帽层7。
可选地，AlN层2的厚度为150～300nm。可以保证AlN层2的质量较好，为HEMT外延片提供一个良好的生长基础。
示例性地，AlGaN缓冲层3的厚度为1～1.5微米。得到的AlGaN缓冲层3的质量较好。
可选地，GaN沟道层5的厚度可为100～400nm。
GaN沟道层5的厚度较为恰当，成本较为合理的同时可以有效提高高电子迁移率晶体管外延片的质量。
在本公开所提供的一种实现方式中，GaN沟道层5的厚度可为400nm。本公开对此不做限制。
图4中相对图2中HEMT外延片的结构，增加了AlN插入层8，一方面底层的晶格失配带来的负面影响较小。另一方面，AlN插入层8与GaN沟道层5接触的界面，以及AlN插入层8与AlGaN势垒层6之间的界面形成二维电子气，通过二维电子气增加载流子在界面处的积累，能够保证高电子迁移率晶体管外延片的使用效果。
可选地，AlN插入层8的厚度为0.5～2nm。
AlN插入层8的厚度在以上范围内能够有效行程二维电子气，且不会过多地增加成本。
在本公开所提供的一种实现方式中，AlN插入层8的厚度可为2nm。本公开对此不做限制。
可选地，AlGaN势垒层6的厚度可在15～40nm。能够保证高电子迁移率晶体管外延片的质量。
在本公开所提供的一种实现方式中，AlGaN势垒层6的厚度可为100nm。本公开对此不做限制。
示例性地，GaN盖帽层7可为P型GaN层。便于制备与获取。
可选地，GaN盖帽层7的厚度为3～10nm。得到的GaN盖帽层7整体的质量较好。
示例性地，GaN盖帽层7内的杂质为Mg。便于制备与获取。
需要说明的是，图2仅为本公开实施例提供的高电子迁移率晶体管外延片的一种实现方式，在本公开所提供的其他实现方式中，高电子迁移率晶体管外延片也可为包括有反射层的其他形式的高电子迁移率晶体管外延片，本公开对此不做限制。
以上，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，所述提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法包括：
提供一硅衬底；
在所述硅衬底生长AlN层；
使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理，
所述使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理，包括：
使所述AlN层位于磁控溅射设备的负极，在所述磁控溅射设备的正极电离N2O气体，得到带正电荷的氮原子团与氧原子团对所述AlN层表面进行等离子体处理；
使用氢气对所述AlN层表面进行等离子体处理；
在所述AlN层的表面依次生长AlGaN缓冲层、GaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层与GaN盖帽层。
2.根据权利要求1所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，通入所述磁控溅射设备的溅射腔的N2O气体的流量为20～50sccm。
3.根据权利要求2所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理10～30min。
4.根据权利要求1～3任一项所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，所述提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法包括：
在温度为100～200℃的条件下，使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理。
5.根据权利要求1～3任一项所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，
在溅射功率为100～500W的条件下，使用N2O气体对所述AlN层表面进行等离子体处理。
6.根据权利要求1～3任一项所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，所述使用氢气对所述AlN层表面进行等离子体处理，包括：通入所述磁控溅射设备的溅射腔的氢气的流量为10～50sccm。
7.根据权利要求1～3任一项所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，所述提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法还包括：
使用氢气对所述AlN层表面进行等离子体处理之后，在所述AlN层的表面生长AlGaN缓冲层之前，氮气环境下对所述AlN层进行退火处理。
8.根据权利要求7所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，在温度为500～600℃的条件下，氮气环境下对所述AlN层进行退火处理5～10min。
9.根据权利要求8所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，所述提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法还包括：
氮气环境下对所述AlN层进行退火处理5～10min后，氮气环境下将所述AlN层的温度降低至20～30℃。
10.根据权利要求7所述的提高晶体质量的高电子迁移率晶体管外延片制备方法，其特征在于，所述氮气环境下对所述AlN层进行退火处理，包括：
在氮气环境下对所述AlN进行退火处理的过程中，持续向反应腔通入10～50sccm的氮气。
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