GaN-Si异质外延结构及制备方法技术

本发明专利技术的GaN‑Si异质外延结构及制备方法，在Si基底中形成凹槽，并在凹槽底部形成局部SOI衬底，从而通过局部SOI衬底可吸收GaN层外延过程中产生的应力，降低Al

【技术实现步骤摘要】
GaN-Si异质外延结构及制备方法
本专利技术属于半导体
，涉及一种GaN-Si异质外延结构及制备方法。
技术介绍
作为第三代半导体材料的代表，氮化镓(GaN)具有如高临界击穿电场、高电子迁移率、高二维电子气浓度和良好的高温工作能力等许多优良的特性。因此，基于GaN的第三代半导体器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结场效应晶体管(HFET)等已经得到了应用，尤其在射频、微波等需要大功率和高频率的领域具有明显优势。GaN外延薄膜生长，通常采用SiC、蓝宝石、GaN作为衬底，但这些衬底价格较为昂贵，且难以形成大尺寸的晶圆，如8寸至12寸。因此，基于性价比的考虑，以及大规模集成电路的发展，Si衬底无疑成为GaN外延薄膜生长的首选衬底。目前，已可实现Si衬底上的GaN薄膜的外延，但由于GaN材料与Si材料之间的晶格不匹配以及热失陪较大，通过需要在Si衬底上先外延2μm-5μm厚度的AlGaN过渡层，用以进行应力调节，释放应力，以及把外延过程中产生的缺陷、位错限制在AlGaN过渡层中，但同时在大尺寸的Si衬底上(如12寸Si晶圆等)外延GaN薄膜时，GaN薄膜的均匀性也是一大挑战。因此，提供一种GaN-Si异质外延结构及制备方法，以在大尺寸的Si衬底上异质外延均匀的、高质量的GaN薄膜，实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种GaN-Si异质外延结构及制备方法，用于解决现有技术难以在大尺寸的Si衬底上异质外延均匀的、高质量的GaN薄膜的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种GaN-Si异质外延结构的制备方法，包括以下步骤：提供Si基底；于所述Si基底中形成凹槽；通过氧离子注入，于所述凹槽底部形成局部SOI衬底；于所述凹槽中形成覆盖所述凹槽底部及侧壁的绝缘介质层；去除位于所述凹槽底部的所述绝缘介质层，形成覆盖所述凹槽侧壁的绝缘侧墙；于所述凹槽中形成依次堆叠设置的AlN层、AlxGa1-xN过渡层及GaN层，其中，在所述AlxGa1-xN过渡层中，x的取值范围包括0＜x＜1。可选地，通过氧离子注入，于所述凹槽底部形成局部SOI衬底的步骤包括：形成覆盖所述凹槽底部的SiO2层；进行氧离子注入，其中，氧离子注入的条件包括注入能量为50keV～100keV，注入剂量为1017～1018ions/cm2；进行退火，其中，退火条件包括退火温度为1300℃～1400℃，退火时间为1h～2h。可选地，通过氧离子注入形成所述局部SOI衬底的步骤还包括在形成所述绝缘介质层之后及形成所述绝缘侧墙之前。可选地，于所述凹槽中形成依次堆叠设置的AlN层、AlxGa1-xN过渡层及GaN层的步骤包括：在900℃～980℃的条件下，先于所述凹槽中形成AlN成核层，之后升高温度至1000℃～1085℃，以将所述AlN成核层转化为所述AlN层；在1000℃～1060℃的条件下，形成所述AlxGa1-xN过渡层；在1000℃～1040℃的条件下，于所述AlxGa1-xN过渡层上形成所述GaN层。可选地，在腔内压强为100mbar的条件下，形成依次堆叠设置的所述AlN层、AlxGa1-xN过渡层及底部GaN层，且在腔内压强为400mbar的条件下，形成顶部GaN层。可选地，在形成所述绝缘介质层之前，还包括进行表面氧化处理及清洗处理的步骤；其中，所述表面氧化处理的方法包括H2O2表面氧化、臭氧表面氧化及氧气等离子氧化中的一种或组合，所述清洗处理的清洗液包括BOE清洗液。可选地，所述Si基底包括Si(111)衬底或SOI衬底，且当所述Si基底采用所述SOI衬底时，所述凹槽贯穿所述SOI衬底中的埋氧层。本专利技术提供一种GaN-Si异质外延结构，所述异质外延结构包括：Si基底；凹槽，所述凹槽位于所述Si基底中；局部SOI衬底，所述局部SOI衬底位于所述凹槽底部；绝缘侧墙，所述绝缘侧墙位于所述凹槽中，且覆盖所述凹槽侧壁；位于所述凹槽中且依次堆叠设置的AlN层、AlxGa1-xN过渡层及GaN层，其中，在所述AlxGa1-xN过渡层中，x的取值范围包括0＜x＜1。可选地，所述GaN层包括底部GaN层及顶部GaN层。可选地，所述Si基底包括Si(111)衬底或SOI衬底，且当所述Si基底为所述SOI衬底时，所述凹槽贯穿所述SOI衬底中的埋氧层。如上所述，本专利技术的GaN-Si异质外延结构及制备方法，在Si基底中形成凹槽，并通过氧离子注入，在凹槽底部形成局部SOI衬底，从而通过局部SOI衬底可吸收GaN层外延过程中产生的应力，在局部SOI衬底上的凹槽中生长GaN层，可降低所需的AlxGa1-xN过渡层的厚度，从而可减少生长工艺时间，降低工艺成本，且较薄的AlxGa1-xN过渡层，还可提高导热性能，同时局部SOI衬底中所形成的局部SOI埋氧层，可提高GaN器件的击穿电压，且可减少RF应用时的损耗及串扰；通过覆盖凹槽侧壁的绝缘侧墙，可有效隔离外延生长的GaN层，从而在后续有关器件及电路的制备过程中，无需额外通过离子注入或刻蚀的方法，即可形成GaN器件的隔离层，降低工艺难度；在Si基底的凹槽中，进行区域选择性外延生长GaN层，相对于整片晶圆的异质外延，可降低工艺难度；从而本专利技术可在大尺寸的Si基底上异质外延均匀的、高质量的GaN层。附图说明图1显示为实施例中制备GaN-Si异质外延结构的工艺流程图。图2显示为实施例中SOI衬底的结构示意图。图3显示为实施例中在SOI衬底中形成凹槽后的结构示意图。图4显示为实施例中进行氧离子注入形成局部SOI衬底的结构示意图，图5显示为实施例中形成绝缘介质层的结构示意图。图6显示为实施例中形成绝缘侧墙的结构示意图。图7显示为实施例中在凹槽中形成依次堆叠设置的AlN层、AlxGa1-xN过渡层及GaN层的结构示意图。元件标号说明100-SOI衬底；101-背衬底硅；102-埋氧层；103-顶层硅；110-凹槽；200-局部SOI衬底；201-局部SOI背衬底硅；202-局部SOI埋氧层；203-局部SOI顶层硅；300-绝缘介质层；310-绝缘侧墙；400-外延叠层；401-AlN层；402-AlxGa1-xN过渡层；403-GaN层。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，因此图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN-Si异质外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n提供Si基底；/n于所述Si基底中形成凹槽；/n通过氧离子注入，于所述凹槽底部形成局部SOI衬底；/n于所述凹槽中形成覆盖所述凹槽底部及侧壁的绝缘介质层；/n去除位于所述凹槽底部的所述绝缘介质层，形成覆盖所述凹槽侧壁的绝缘侧墙；/n于所述凹槽中形成依次堆叠设置的AlN层、Al

【技术特征摘要】
1.一种GaN-Si异质外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供Si基底；
于所述Si基底中形成凹槽；
通过氧离子注入，于所述凹槽底部形成局部SOI衬底；
于所述凹槽中形成覆盖所述凹槽底部及侧壁的绝缘介质层；
去除位于所述凹槽底部的所述绝缘介质层，形成覆盖所述凹槽侧壁的绝缘侧墙；
于所述凹槽中形成依次堆叠设置的AlN层、AlxGa1-xN过渡层及GaN层，其中，在所述AlxGa1-xN过渡层中，x的取值范围包括0＜x＜1。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过氧离子注入，于所述凹槽底部形成局部SOI衬底的步骤包括：
形成覆盖所述凹槽底部的SiO2层；
进行氧离子注入，其中，氧离子注入的条件包括注入能量为50keV～100keV，注入剂量为1017～1018ions/cm2；
进行退火，其中，退火条件包括退火温度为1300℃～1400℃，退火时间为1h～2h。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：通过氧离子注入形成所述局部SOI衬底的步骤还包括在形成所述绝缘介质层之后及形成所述绝缘侧墙之前。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，于所述凹槽中形成依次堆叠设置的AlN层、AlxGa1-xN过渡层及GaN层的步骤包括：
在900℃～980℃的条件下，先于所述凹槽中形成AlN成核层，之后升高温度至1000℃～1085℃，以将所述AlN成核层转化为所述AlN层；
在1000℃～1060℃的条件下，形成所述AlxGa1-xN过渡层；
在1000℃～1040℃的条件下，于所述AlxGa...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫炯炯，王志宇，陈华，刘家瑞，郁发新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33