外延衬底的制造方法技术

本发明专利技术披露了一种形成包括氮化物半导体层的外延衬底的方法。该方法包括以下步骤：(a)在衬底上生长成核层，以及(b)在成核层上生长氮化物半导体层。步骤(a)中分别在衬底的源气体流的上游侧和下游侧设置第一生长温度和第二生长温度，其中上游侧的第一温度比下游侧的第二温度低至少5℃且至多10℃，第二温度高于1100℃。本发明专利技术的方法降低了泄漏电流在衬底内的分散。

【技术实现步骤摘要】
外延衬底的制造方法
本专利技术涉及一种外延衬底的制造方法。
技术介绍
外延衬底可以通过在衬底上生长半导体层来制造。例如，金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术可以在衬底上生长成核层，然后在成核层上生长氮化物半导体层。通过形成源极、漏极和栅极，可以由外延衬底形成场效应晶体管(FET)型半导体器件。当成核层形成表面凹坑(pit)时，生长于成核层上的氮化物半导体层的表面上会留下凹坑，这些凹坑反映了成核层上的表面凹坑。氮化物半导体层上的表面凹坑增加了泄漏电流。因此，凹坑密度较小的成核层表面可以降低氮化物半导体层的表面上的表面凹坑密度，从而改善半导体器件的性能。日本专利申请公开No.JP-2011-023677已经报道了一种通过将生长温度升高到高于1100℃从而减少成核层上的表面凹坑的技术。然而，随着成核层的生长温度变高，泄漏电流在衬底内的分散增加。
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及一种形成包括氮化物半导体层的外延衬底的方法。该方法包括以下步骤：(a)使用III族元素和氮(N)的源气体，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在衬底上生长成核层，所述成核层包含氮化物半导体材料，该氮化物半导体材料含有作为所述III族元素的铝(Al)、以及氮(N)；以及(b)利用MOCVD技术在所述成核层上生长氮化物半导体层。本专利技术的方法的特征在于，在所述成核层的生长步骤中，在所述衬底的相对于所述源气体流的上游侧设置第一生长温度，在所述衬底的相对于所述源气体流的下游侧设置第二生长温度，所述第一生长温度低于所述第二生长温度，并且所述第二生长温度高于1100℃。附图说明现在将仅参照附图通过举例的方式来描述本专利技术，在附图中：图1示出了半导体器件的横截面，该半导体器件包括半导体堆叠体100、源极、漏极和栅极，从而形成了一种场效应晶体管(FET)；图2A是金属有机化学气相沉积(MOCVD)装置的基座的平面图，其中图2A省略了从其中喷出下述原料气体的喷淋头，图2B示出了沿着图2A中所示的线IIb-IIb截取得到的基座和衬底的截面；图3A和3B示出了各个工序中的外延衬底的横截面；图4示出了表面凹坑密度与成核层的生长温度的关系；图5示出了成核层的生长温度分别为1095℃、1100℃和1105℃时，衬底内泄漏电流的行为；图6示出了成核层生长期间基座的温度分布；图7示出了当衬底的生长温度对应于图6中所示的生长温度时，衬底内的泄漏电流的分布；图8示出了根据本专利技术第二实施方案的另一个半导体器件的横截面；图9A和图9B示出了形成图8所示的半导体器件的外延衬底时的各个步骤中的横截面；图10A和图10B示出了根据本专利技术实施方案的第一成核层和第二成核层的生长期间的温度变化。具体实施方式接下来，将参考附图来描述根据本专利技术的实施方案。在附图的描述中，彼此相同或相似的数字或符号将表示彼此相同或相似的元件，而不进行重复解释。图1示出了包括半导体堆叠体100、源极13、漏极15和栅极17的半导体器件110的横截面；由此形成场效应晶体管(FET)型电子器件。半导体堆叠体100包括位于半导体衬底10上的成核层11和氮化物半导体堆叠体19，该氮化物半导体堆叠体19包括依次堆叠于成核层11上的由氮化镓(GaN)12制成的通道层12、阻挡层14和覆盖层16。成核层11与衬底10接触，而GaN通道层12与成核层11接触。类似地，阻挡层14与GaN通道层接触，覆盖层16与阻挡层14接触。源极13、漏极15和栅极17设置在覆盖层16上。衬底10可以由(例如)碳化硅(SiC)制成。成核层11可以由氮化铝(AlN)制成，其厚度为约13nm。通道层12可以由未掺杂的GaN制成，其厚度为大约0.6μm，其中GaN通道层12的下部12a可以作为缓冲层，而其上部12b提供用于输送二维电子气(2DEG)中的载流子的通道层，该二维电子气(2DEG)是由上部12b与阻挡层14间的异质界面所造成的，这是因为本实施方案中的阻挡层14可以由铝组成为0.22的氮化镓铝(AlGaN)制成，其中AlGaN阻挡层14的带隙能量大于GaN通道层的带隙能量。覆盖层可以由n型GaN制成，其厚度为5nm。源极13和漏极15可以通过在高于500℃的温度下使钽(Ta)、铝(Al)和另一层钽(Ta)(Ta/Al/Ta)的堆叠金属合金化而形成。栅极17具有镍(Ni)、钯(Pd)和金(Au)(Ni/Pd/Au)的堆叠金属，其中Ni与覆盖层16形成肖特基接触，Pd用作Ni和Au之间的内扩散的屏障，Au降低栅极电阻。图2A是在金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术的装置内所采用的基座20的平面图。如图2A所示，基座20具有圆形的平面形状并且在操作期间围绕其中心旋转。图2A省略了喷射源材料的喷淋头。基座20具有凹槽(pocket)22，其中直径为四(4)英寸的衬底10被设置在凹槽22中，使得各自的定向平面10a朝外。将凹槽22之间的区域称为平台(stage)20a。图2B示出了基座20和设置在基座20上方的喷淋头24的横截面，其中图2B是沿着图2A中所示的线IIb-IIb截取得到的。基座20在其下方设置有加热器21，以将衬底10的温度升高至生长温度。通过将源气体由设置在喷淋头24中的出口25供给到设置在凹槽22内的衬底10的表面上，使得通过外延的方式在衬底10上依次生长得到成核层11、GaN通道层12、阻挡层14和覆盖层16。如图2B所示，从出口25喷出的源气体不仅形成向下的气流，而且还形成朝向基座20外周的向外气流。具体而言，源气体的由箭头B1表示的气体流朝下，从出口25朝向基座20；但是如箭头B2所示的源气体的一部分向外朝向喷淋头24的外周，并从MOCVD装置的反应室中被排出。此外，在反应室内形成由箭头B3和B4表示的其他气体流。此外，对于凹槽22内的衬底10和平台22而言，原料从沉积于其上的材料中升华，这产生由箭头B5表示的其他源气体流，并且由箭头B6表示的一部分升华的源材料向外朝向基座20的外周，并由此处被排出。如箭头B7所示，朝向基座20外周的升华的源材料中的又一部分再次行进至基座20，有助于衬底10上的层的生长。图2B中的位置P1对应于相对于衬底10的源气体流的上游侧，而另一个位置P2对应于源气体流的下游侧。图4示出了在覆盖层16的表面中观察到的表面凹坑密度(cm-2)相对于成核层11的生长温度的图示，该表面凹坑密度是通过光学显微镜计数的，图5示出了在未形成栅极17的情况下，源极13和漏极15之间的泄漏电流。如图4和图5所示，表面凹坑密度与泄漏电流的减小不一致；也就是说，随着成核层11的生长温度升高，表面凹坑密度减小，但泄漏电流增加。生长温度高于1090℃时，表面凹坑密度小于50cm-2。另一方面，在位置P1处(对应于相对于衬底10的源气体流的上游侧)，成核层11在1105℃下生长时的泄漏电流比在1095℃的温度下生长时的泄漏电流大差不多10倍。图5示出了成核层11的生长温度分别为1095℃、1100℃和1105℃时，衬底10内的泄漏电流的行为。图5中的横轴对应于在衬底10内的位置，其中点P1在源气体流的上游侧，而点P2对应于源气体流的下游侧，如图2B所示。换言之，与位于基座20外周的点P2相比，点P1位于基座20的中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成包括氮化物半导体层的外延衬底的方法，所述方法包括以下步骤：使用III族元素和氮(N)的源气体，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在衬底上生长成核层，所述成核层包含氮化物半导体材料，该氮化物半导体材料含有作为所述III族元素的铝(Al)、以及氮(N)；利用MOCVD技术在所述成核层上生长氮化物半导体层；其中，在所述成核层的生长步骤中，在所述衬底的相对于所述源气体流的上游侧设置第一生长温度，并且在所述衬底的相对于所述源气体流的下游侧设置第二生长温度，并且其中，所述第一生长温度低于所述第二生长温度，并且所述第二生长温度高于1100℃。

【技术特征摘要】
2016.11.30 JP 2016-2331381.一种形成包括氮化物半导体层的外延衬底的方法，所述方法包括以下步骤：使用III族元素和氮(N)的源气体，利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在衬底上生长成核层，所述成核层包含氮化物半导体材料，该氮化物半导体材料含有作为所述III族元素的铝(Al)、以及氮(N)；利用MOCVD技术在所述成核层上生长氮化物半导体层；其中，在所述成核层的生长步骤中，在所述衬底的相对于所述源气体流的上游侧设置第一生长温度，并且在所述衬底的相对于所述源气体流的下游侧设置第二生长温度，并且其中，所述第一生长温度低于所述第二生长温度，并且所述第二生长温度高于1100℃。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述成核层的生长步骤中所设定的所述第一生长温度比所述第二生长温度低至少5℃且至多10℃。3.根据权利要求1所述的方法，其中，生长所述氮化物半导体层的步骤在所述成核层上生长GaN层，其中，在生长所述氮化物半导体层的步骤中，在所述衬底的相对于所述源气体流的上游侧设置第一生长温度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：渡边整，松田一，
申请(专利权)人：住友电工光电子器件创新株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP