CN114649194A - 提高晶体质量的掺硼硅衬底hemt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掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，属于半导体器件技术领域。在掺硼硅衬底的表面先生长第一AlN层，可以起到阻挡掺硼硅衬底的杂质的延伸。在生长完第一AlN层之后，向反应腔通入氯气对第一AlN层进行腐蚀，氯气可以腐蚀第一AlN层的表面以去除延伸至第一AlN层表面的部分缺陷，也可以使第一AlN层内部积累的应力可以被释放一部分。在通入氯气之后，对反应腔进行换气处理，生长第二AlN层，底层缺陷的减少以及晶体质量的提高，可以降低得到的HEMT外延片出现漏电的可能性，提高HEMT的可靠性。

Description

提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT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掺硼硅衬底HEMT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、AlGaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层与GaN盖帽层。
HTME器件制造过程中为了提高导电能力、降低衬底部分的压降和能耗，大多选用硼掺杂的p型掺硼硅衬底，硼原子半径比硅Si原子半径小，在高温作用下硼的扩散很活跃，会向外延层扩散，导致外延层晶体质量下降；外延生长时衬底中硼原子的浓度急剧下降，原子晶格变化剧烈，出现晶格失配，失配产生的应力容易在Si衬底与外延层界面释放，伴随外延层贯穿，使得器件的漏电流增大，得到的高电子迁移率晶体管的可靠性较差。
发明内容
本公开实施例提供了一种提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，可以提高HEMT的质量并降低HEMT漏电的可能性，提高得到的HEMT的可靠性。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掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法包括：
提供一掺硼硅衬底；
在所述掺硼硅衬底生长第一AlN层；
向反应腔通入氯气对所述第一AlN层进行腐蚀；
对所述反应腔进行换气处理；
在第一AlN层上生长第二AlN层；
在所述第二AlN层的表面依次生长AlGaN缓冲层、AlGaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层与GaN盖帽层。
可选地，向所述反应腔通入的氯气的流量为300～800cmm。
可选地，向反应腔通入氯气对所述第一AlN层进行腐蚀的时间为5～10min。
可选地，在温度为1100～1200℃的条件下，向反应腔通入氯气对所述第一AlN层进行腐蚀。
可选地，所述对所述反应腔进行换气处理，包括：
向所述反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理。
可选地，向所述反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理的时长为5～10min。
可选地，向所述反应腔通入氢气或者氮气的流量为2000～5000sccm。
可选地，在压力为50～100mbar、温度为1100～1200℃的条件下向所述反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理。
可选地，向所述反应腔通入氯气的过程中所述反应腔的温度与对所述反应腔进行换气处理的过程中所述反应腔的温度相等。
可选地，所述第一AlN层与所述第二AlN层的生长温度相等。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
在掺硼硅衬底的表面先生长第一AlN层，可以起到阻挡掺硼硅衬底的杂质的延伸，减少杂质进入后续氮化镓材料中以提高在第一AlN层上生长的外延材料的质量。在生长完第一AlN层之后，向反应腔通入氯气对第一AlN层进行腐蚀，氯气可以腐蚀第一AlN层的表面以去除延伸至第一AlN层表面的部分缺陷，也可以使第一AlN层内部积累的应力可以被释放一部分，降低会延伸至后续外延材料中的缺陷的数量以提高最终得到的HEMT外延片的晶体质量。在通入氯气之后，对反应腔进行换气处理以避免氯气对后续需要生长的外延材料造成影响，保证后续外延材料的稳定生长。换气处理之后，在被腐蚀的第一AlN层上进一步生长第二AlN层，第二AlN层在第一AlN层的被腐蚀的表面上进行生长时，可以填充第一AlN层表面的部分缺陷，并且实现与第一AlN层之间的良好匹配，以保证得到的第二AlN层的质量较好，底层缺陷的减少以及晶体质量的提高，可以降低得到的HEMT外延片出现漏电的可能性，提高HEMT的可靠性。
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掺硼硅衬底HEMT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掺硼硅衬底HEMT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掺硼硅衬底HEMT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掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法包括：
S101：提供一掺硼硅衬底。
S102：在掺硼硅衬底生长第一AlN层。
S103：向反应腔通入氯气对第一AlN层进行腐蚀。
S104：对反应腔进行换气处理。
S105：在第一AlN层上生长第二AlN层。
S106：在第二AlN层的表面依次生长AlGaN缓冲层、AlGaN高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层与GaN盖帽层。
在掺硼硅衬底的表面先生长第一AlN层，可以起到阻挡掺硼硅衬底的杂质的延伸，减少杂质进入后续氮化镓材料中以提高在第一AlN层上生长的外延材料的质量。在生长完第一AlN层之后，向反应腔通入氯气对第一AlN层进行腐蚀，氯气可以腐蚀第一AlN层的表面以去除延伸至第一AlN层表面的部分缺陷，也可以使第一AlN层内部积累的应力可以被释放一部分，降低会延伸至后续外延材料中的缺陷的数量以提高最终得到的HEMT外延片的晶体质量。在通入氯气之后，对反应腔进行换气处理以避免氯气对后续需要生长的外延材料造成影响，保证后续外延材料的稳定生长。换气处理之后，在被腐蚀的第一AlN层上进一步生长第二AlN层，第二AlN层在第一AlN层的被腐蚀的表面上进行生长时，可以填充第一AlN层表面的部分缺陷，并且实现与第一AlN层之间的良好匹配，以保证得到的第二AlN层的质量较好，底层缺陷的减少以及晶体质量的提高，可以降低得到的HEMT外延片出现漏电的可能性，提高HEMT的可靠性。
需要说明的是，氯气主要依靠强氧化性对第一AlN层的表面进行腐蚀，相对等离子体处理更为温和，可以依靠化学反应去除第一AlN层的表面较为凸出的缺陷并降低第一AlN层内的应力，而不会对第一AlN层的表面造成较大的缺陷，可以较为稳定地提高第一AlN层的晶体质量并降低第一AlN层的表面缺陷。
可选地，步骤S103中，向反应腔通入的氯气的流量为300～800cmm。
向反应腔内通入的氯气的流量在以上范围内，可以实现对第一AlN层的表面的充分处理，也可以保证有足够的氯气腐蚀第一AlN层的表面进行腐蚀以有效释放第一AlN层中所积累的应力。
可选地，步骤S103中，向反应腔通入氯气对第一AlN层进行腐蚀的时间为5～10min。
可以保证有第一AlN层中应力的充分释放，且氯气也不会过度腐蚀第一AlN层。
可选地，步骤S103中，在温度为1100～1200℃的条件下，向反应腔通入氯气对第一AlN层进行腐蚀。
可以保证氯气与第一AlN层之间的稳定反应，保证第一AlN层的应力的稳定释放，有效去除第一AlN层中可能存在的表面缺陷。
示例性地，在压力为50～100mbar的条件下，向反应腔通入氯气以对第一AlN层进行腐蚀。
可以保证氯气与第一AlN层之间的稳定反应，保证第一AlN层的应力的稳定释放，有效去除第一AlN层中可能存在的表面缺陷。
在本公开所提供的一种实现方式中，氯气腐蚀前后的第一AlN层的厚度变化范围为150～200nm。可以去除较多的缺陷。
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2中所示的高电子迁移率晶体管外延片可采用图1中欧式的高电子迁移率晶体管外延片制备方法得到，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掺硼硅衬底1以及依次层叠在掺硼硅衬底1上的第一AlN层2、第二AlN层3、AlGaN缓冲层4、AlGaN高阻层5、GaN沟道层6、AlGaN势垒层7及GaN盖帽层8。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掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法流程图，参考图3可知，提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法还包括：
S201：提供一掺硼硅衬底。
可选地，步骤S201，包括：在H2气氛、1000～1200℃的温度条件、50～150mbar的压力条件下处理掺硼硅衬底的表面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，以在掺硼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：在掺硼硅衬底生长第一AlN层。
可选地，第一AlN层的生长温度为1100℃～1200℃，第一AlN层的生长压力为40～70mbar。能够得到质量较好的第一AlN层。
示例性地，第一AlN层的生长厚度可为150～200nm。
可以保证第一AlN本身有效阻隔杂质，第一AlN层的厚度也可以满足氯气的长时间腐蚀。
S203：向反应腔通入氯气对第一AlN层进行腐蚀。
步骤S203可参考图1中所示的步骤S103，因此此处不再赘述。
S204：对反应腔进行换气处理。
可选地，步骤S204，包括：向反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理。
氢气与氮气的质量较小、移动速率快，也不会对外延材料造成损坏，采用氢气与氮气进行换气处理可以有效提高对反应腔的换气效率，提高高电子迁移率晶体管的制备效率。
需要说明的是，对反应腔进行换气处理，指采用一种或者多种气体氛围替换反应腔之前的气体氛围。
可选地，向反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理的时长为5～10min。
氢气与氮气进行换气处理的时长在以上范围内，可以保证对反应腔内的气体进行了充分置换，保证反应腔在生长其他外延材料之前的纯净度，保证厚度外延材料生长的质量。
可选地，向反应腔通入氢气或者氮气的流量为2000～5000sccm。
向反应腔通入的氢气或者氮气的流量在以上范围内，可以保证反应腔内的氛围的快速置换。
可选地，在压力为50～100mbar、温度为1100～1200℃的条件下向反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理。可以保证反应腔内氛围的置换速度。
可选地，向反应腔通入氯气的过程中反应腔的温度与对反应腔进行换气处理的过程中反应腔的温度相等。两个步骤之间不需要调节反应腔内的压力与温度，可以提高高电子迁移率晶体管整体的制备效率。
在本公开所提供的一种实现方式中，向反应腔内通入氯气的温度、生长第一AlN层的温度以及向反应腔内进行换气处理的温度均可相等。可以保证几个步骤稳定进行的同时节省对反应腔内生长参数的调节时间，提高高电子迁移率晶体管的制备效率。
S205：在第一AlN层上生长第二AlN层。
可选地，第二AlN层的生长温度为1100℃～1200℃，第二AlN层的生长压力为40～70mbar。能够得到质量较好的第二AlN层。
可选地，第一AlN层与第二AlN层的生长温度相等。可以提高高电子迁移率晶体管的制备效率。
示例性地，第二AlN层的生长厚度也可为150～200nm。
第二AlN层的生长厚度在以上范围内，可以保证第二AlN层本身的质量较好，也可以良好过渡至后续生长的其他外延材料。
S206：在第二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AlGaN高阻层。
在AlGaN缓冲层上生长AlGaN高阻层，可以有效减少AlGaN缓冲层与AlGaN高阻层之间会出现的晶格失配，以提高得到的AlGaN高阻层的晶体质量，AlGaN高阻层的质量得到保证则可以进一步提高在AlGaN高阻层上生长到的其他外延材料的质量。
示例性地，AlGaN高阻层的生长温度可1000℃-1200℃，AlGaN高阻层的生长压力为40～70mbar。
AlGaN高阻层的生长温度与生长压力分别在以上范围内，可以有效提高得到的AlGaN高阻层的生长质量。
可选地，AlGaN高阻层的生长厚度为1.0～2.0微米。可以保证AlGaN高阻层本身的生长质量的同时有效达到高阻的目的。
可选地，AlGaN高阻层中掺杂有碳，且碳元素的掺杂浓度为1019cm-3-1020cm-3。
AlGaN高阻层掺杂有碳可以提高AlGaN高阻层的高阻效果，碳元素的掺杂浓度在以上范围内也可以保证AlGaN高阻层本身的质量。
S208：在AlGaN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。四溴化碳(CBr4)作为碳(C)源的前驱体，Cl2作为腐蚀气体。
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掺硼硅衬底1与依次层叠在掺硼硅衬底1上的第一AlN层2、第二AlN层3、AlGaN缓冲层4、AlGaN高阻层5、GaN沟道层6、AlN插入层9、AlGaN势垒层7与GaN盖帽层8。
可选地，第一AlN层2与第二AlN层3的厚度均为150～200nm。可以保证第一AlN层2与第二AlN层3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4的厚度为1～1.5微米。得到的AlGaN缓冲层4的质量较好。
可选地，GaN沟道层6的厚度可为100～400nm。
GaN沟道层6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6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9，一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9与GaN沟道层6接触的界面，以及AlN插入层9与AlGaN势垒层7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9的厚度为0.5～2nm。
AlN插入层9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9的厚度可为2nm。本公开对此不做限制。
可选地，AlGaN势垒层7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7的厚度可为100nm。本公开对此不做限制。
示例性地，GaN盖帽层8可为P型GaN层。便于制备与获取。
可选地，GaN盖帽层8的厚度为3～10nm。得到的GaN盖帽层8整体的质量较好。
示例性地，GaN盖帽层8内的杂质为Mg。便于制备与获取。
需要说明的是，图4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掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，所述提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法包括：
提供一掺硼硅衬底；
在所述掺硼硅衬底生长第一AlN层；
向反应腔通入氯气对所述第一AlN层进行腐蚀；
对所述反应腔进行换气处理；
在第一AlN层上生长第二AlN层；
在所述第二AlN层的表面依次生长AlGaN缓冲层、AlGaN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掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，向所述反应腔通入的氯气的流量为300～800cmm。
3.根据权利要求2所述的提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，向反应腔通入氯气对所述第一AlN层进行腐蚀的时间为5～10min。
4.根据权利要求1～3任一项所述的提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，在温度为1100～1200℃的条件下，向反应腔通入氯气对所述第一AlN层进行腐蚀。
5.根据权利要求1～3任一项所述的提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，所述对所述反应腔进行换气处理，包括：
向所述反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理。
6.根据权利要求5所述的提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，向所述反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理的时长为5～10min。
7.根据权利要求5所述的提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，向所述反应腔通入氢气或者氮气的流量为2000～5000sccm。
8.根据权利要求7所述的提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，在压力为50～100mbar、温度为1100～1200℃的条件下向所述反应腔通入氢气或者氮气进行换气处理。
9.根据权利要求8所述的提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，向所述反应腔通入氯气的过程中所述反应腔的温度与对所述反应腔进行换气处理的过程中所述反应腔的温度相等。
10.根据权利要求1～3任一项所述的提高晶体质量的掺硼硅衬底HEMT外延片制备方法，其特征在于，所述第一AlN层与所述第二AlN层的生长温度相等。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114864762A (zh) * 2022-07-11 2022-08-05 江西兆驰半导体有限公司 一种低缺陷密度硅基氮化镓半导体外延片及其制作方法

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