形成氮化硅（SiN）膜和具有SiN膜的半导体器件的方法技术

本发明专利技术披露了一种用于氮化物半导体材料的低压化学气相沉积(LPCVD)技术的顺序。所述顺序包括如下步骤：将炉内温度设定为750℃至900℃；将炉内气氛置换为氨气(NH3)；在初始压力下，通过供给二氯硅烷(SiH2Cl2)从而沉积SiN膜；随后在高于初始压力的沉积压力下沉积SiN膜。本发明专利技术的顺序的特征为：初始压力高于沉积压力的至少60％。

Method for Forming Silicon Nitride (SiN) Films and Semiconductor Devices with SiN Films

The invention discloses a sequence of low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) techniques for nitride semiconductor materials. The sequence includes the following steps: setting the temperature in the furnace to 750 to 900 degrees Celsius; replacing the atmosphere in the furnace with ammonia (NH3); depositing SiN film by supplying dichlorosilane (SiH2Cl2) under initial pressure; and then depositing SiN film under deposition pressure higher than initial pressure. The sequence of the present invention is characterized by that the initial pressure is at least 60% higher than the deposition pressure.

【技术实现步骤摘要】
形成氮化硅(SiN)膜和具有SiN膜的半导体器件的方法相关申请的交叉引用本申请基于并要求2017年12月6日提交的日本专利申请No.2017-234266的优先权，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。本申请还涉及以下共同转让的美国专利申请U.S.Ser.No.16/146,906，其全部内容以引用方式并入本文。
本专利技术涉及形成氮化硅(SiN)膜的方法以及形成具有该SiN膜的半导体器件的方法。
技术介绍
日本专利申请公开No.JP2007-227449A披露了主要由氮化物半导体材料制成的高电子迁移率晶体管(HEMT)的场效应晶体管类型，以及形成HEMT的方法。该专利申请中披露的方法具有这样的顺序：(a)将衬底置于金属有机化学气相沉积(MOCVD)装置中；(b)在20分钟内将装置内的温度升至1000℃；(c)将衬底保持于该温度下以清洁衬底表面；(d)在3分钟内将温度升至1100℃；(e)生长氮化铝(AlN)缓冲层；(f)在5分钟内将温度降至1070℃；(g)依次生长氮化镓(GaN)沟道层和氮化铝镓(AlGaN)阻挡层；(h)将温度降至700℃；和(i)通过化学气相沉积(CVD)技术沉积氮化硅(SiN)绝缘膜。主要由GaN和分组于(groupedin)GaN中的材料制成的电子器件在本领域内变得流行。这种器件不可避免地具有绝缘膜以通过化学和机械方式保护半导体层的表面，其中绝缘膜通常由在较低温度下形成的氮化硅(SiN)制成，从而防止氮(N)由半导体层的表面解离。等离子体辅助化学气相沉积(p-CVD)(利用通过电子回旋共振(ECR-CVD)产生的等离子体的另一种CVD技术)等是沉积SiN膜的典型技术，尤其是在化合物半导体工艺领域中。由此，半导体层的表面不可避免地暴露于等离子体中，这会造成表面中的损伤。用于硅(Si)器件的半导体工艺可使用另一种沉积SiN膜的技术，如低压CVD(LPCVD)，这是因为Si无需考虑从其表面解离出来的元素。LPCVD可在低压下并在较高温度(优选高于700℃)下沉积SiN膜。由于高沉积温度，由此沉积的SiN膜变得致密且紧凑并具有良好的质量。LPCVD技术本身在Si器件的半导体工艺领域中变得流行；因此，LPCVD技术中的条件对于Si器件而言通常是足够的。例如，在LPCVD装置中以高速供给源气体，以降低装载于装置中的晶片内以及晶片之间所沉积的膜的厚度的不均匀性。为了加速原料的供给速度，需要将装置的炉内压力降低。源气体，即，氨(NH3)和二氯硅烷(SiH3Cl2)的供给量比例决定了沉积膜是否具有设计的折射率。在源气体分布于炉内之后，在将压力升至沉积压力之后，LPCVD技术沉积膜。然而，在通过LPCVD技术进行的SiN膜的沉积中，已知NH3的供给决定了氮(N)的含量；而原料之间的反应决定了硅(Si)的含量。因此，当氮化物半导体材料的LPCVD工艺采用已在Si工艺中证实的条件(即，在沉积开始时就将压力设定为较低)时，NH3的供给不足，即，Si的供给过量；可能会在沉积膜中出现凝聚(condensed)的Si，这降低了半导体层中沉积膜的附着性并且/或者多余的Si充当掺杂剂而在半导体层中进行侵蚀。在Si工艺中，首先难以产生凝聚的Si，甚至当LPCVD工艺产生了凝聚的Si时，用于沉积膜的半导体层为Si。另一方面，当用于氮化物半导体器件的工艺采用了LPCVD技术时，凝聚的Si易于出现在半导体层上，并成为氮化物半导体层中的异物。
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及一种通过低压化学气相沉积(LPCVD)技术在氮化物半导体层上沉积氮化硅(SiN)膜的方法。该方法包括如下步骤：(1)将LPCVD炉内的温度设定为高于750℃但低于900℃；(2)将LPCVD炉内的气氛置换为氨气(NH3)气氛；(3)在仅氨气(NH3)流动的情况下，将LPCVD炉内的压力设定为第一压力；(4)通过在第一压力下供给二氯硅烷(SiH2Cl2)从而沉积SiN膜；以及(5)通过将压力改为高于第一压力的第二压力，从而随后沉积SiN膜。该方法的特征在于第一压力为第二压力的60％以上。附图说明下面的附图仅以示例方式示出，而不进行限制，其中：图1为通过根据本专利技术第一实施方案的方法沉积的氮化硅(SiN)膜的截面视图；图2示出了图1中所示SiN膜的形成方法的流程图；图3示出了根据本专利技术第一实施方案的低压化学气相沉积(LPCVD)装置的炉内温度和压力的顺序；图4示出了在图3中示出的阶段A中，LPCVD装置的炉内压力和气氛的细节；图5示出了当将硅器件工艺中所通常使用的条件应用于氮化物半导体材料工艺时，LPCVD装置的炉内的压力和气氛的顺序；图6A示意性地示出Si团簇或凝聚的硅出现于氮化物半导体层和沉积的SiN膜之间的界面时的状态，而图6B示意性地示出了Si衬底和沉积的SiN膜之间的界面基本上不存在Si团簇的状态。图7A至图7F示出了通过初始压力P3与沉积压力P4的各比值沉积的SiN膜的表面照片，其中照片通过原子力显微镜(AFM)拍摄；图8示出了以均方根(RMS)为单位的SiN膜的表面粗糙度随初始压力P3与沉积压力P4的比值而改变的行为；图9A至图9C为在根据本专利技术第二实施方案的方法的各步骤中，HEMT的截面视图；图10A和图10B为在图9C所示步骤之后，所述方法的各步骤中HEMT的截面视图；图11A和图11B为在图10B所示步骤之后，所述方法的各步骤中HEMT的截面视图；以及图12示出了对于SiN膜，随初始压力P3与沉积压力P4的比值变化的失效的直方图，其中通过在40V的反向偏压下源极和栅极间的泄漏电流来评价失效。具体实施方式接下来，将描述根据本专利技术的氮化硅(SiN)膜形成方法和半导体器件形成方法的一些实施方案。然而，本专利技术不局限于这些实施方案，并且具有所附权利要求限定的范围且包括权利要求及其等同物中的所有变化和修改。在附图的描述中，彼此相同或相似的数字和符号将表示彼此相同或相似的元件，不再重复说明。(第一实施方案)图1为通过根据本专利技术第一实施方案的方法形成的氮化硅(SiN)膜的截面视图。通过所谓的低压化学气相沉积技术(下文中称为LPCVD)，在半导体堆叠体5上形成与半导体堆叠体5的表面接触的SiN膜3。半导体堆叠体5包括位于衬底7上的氮化物半导体层，例如外延生长于衬底7上的氮化镓(GaN)，其中衬底7可由(例如)碳化硅(SiC)制成。图2通过方法的流程图示出了根据第一实施方案的SiN膜3的形成顺序。该顺序首先在步骤S1通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在衬底7上生长半导体堆叠体5，从而形成外延晶片9。随后，在步骤S2中，通过LPCVD技术在半导体堆叠体5上形成SiN膜3。步骤S2的细节示于图3和图4中，其中图3示出了温度(其将称作炉温)和原料供给的顺序，而图4示出了在图3所示的阶段A中的压力(其将称作炉压)以及原料供给的顺序。如图3所示，所述顺序首先在步骤S21中将炉温设定为第一温度T1，其中第一温度T1低于实际沉积温度，例如低于650℃。在炉温稳定于650℃时，在步骤S22中，将包括半导体堆叠体5的外延晶片9装载于处于大气气氛的炉内。随后，在步骤S23中，该方法将炉内气氛由空气置换为氮气(N2)，重复进行排气以及氮(N)的引入。当完成将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过低压化学气相沉积(LPCVD)技术在氮化物半导体层上沉积氮化硅(SiN)膜的方法，该方法包括如下步骤：将LPCVD炉内的温度设定为高于750℃但低于900℃；将所述LPCVD炉内的气氛置换为氨气(NH3)气氛；在仅氨气(NH3)流动的情况下，将所述LPCVD炉内的压力设定为第一压力；通过在所述第一压力下供给二氯硅烷(SiH2Cl2)从而沉积所述SiN膜；以及通过将压力改为高于所述第一压力的第二压力，从而随后沉积所述SiN膜，其中所述第一压力为所述第二压力的60％以上。

【技术特征摘要】
2017.12.06 JP 2017-2342661.一种通过低压化学气相沉积(LPCVD)技术在氮化物半导体层上沉积氮化硅(SiN)膜的方法，该方法包括如下步骤：将LPCVD炉内的温度设定为高于750℃但低于900℃；将所述LPCVD炉内的气氛置换为氨气(NH3)气氛；在仅氨气(NH3)流动的情况下，将所述LPCVD炉内的压力设定为第一压力；通过在所述第一压力下供给二氯硅烷(SiH2Cl2)从而沉积所述SiN膜；以及通过将压力改为高于所述第一压力的第二压力，从而随后沉积所述SiN膜，其中所述第一压力为所述第二压力的60％以上。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一压力等于或低于所述第二压力。3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一压力下沉积所述SiN膜的步骤沉积至少2nm的所述SiN膜。4.根据权利要求1所述的方法，其中温度设定步骤在所述LPCVD炉内的氮气(N2)气氛下进行。5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述气氛置换为氨气气氛的步骤包括如下步骤：将所述LPCVD炉抽空至压力小于1Pa，以及在所述LPCVD炉内供给氨气(NH3)。6.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述SiN膜的步骤包括如下步骤：在维持所述LPCVD炉内的压力为所述第一压力的同时，增加二氯硅烷(SiH2Cl2)的供给，同时减少氨气(NH3)的供给。7.根据权利要求1所述的方法，其中随后沉积所述SiN膜的步骤将氨气(NH3)和二氯硅烷(SiH2Cl2)的供给保持为基本上等于沉积所述SiN膜的步骤结束时的NH3和SiH2Cl2的供给。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述SiN膜中硅(Si)与氮(N)的组成比等于或大于3/4。9.一种形成氮化物半导体器件的方法，包括如下步骤：在衬底上形成半导体堆叠体，所述半导体堆叠体...

【专利技术属性】
技术研发人员：住吉和英，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP