基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件技术

本申请提供了一种基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件，涉及半导体领域。在该制作方法中，通过先后以低温和高温分别生长第一AlN层和第二AlN层可以获得低位错密度的复合AlN成核层。而高晶体质量的复合AlN成核层与硅衬底具有较好的界面浸润性，能够减缓GaN基缓冲层应力弛豫，增加外延薄膜中存储应力，减小异质外延中GaN基缓冲层的位错密度从而改善器件电性。而交替通入铝源和氮源的方式形成的第一AlN层能够减少铝源和氮源的预反应，从而提高第一AlN层的质量。本申请提供的基于硅衬底的氮化物外延结构由上述制作方法制得，半导体器件包括上述结构。半导体器件包括上述结构。半导体器件包括上述结构。

【技术实现步骤摘要】
基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件


[0001]本申请涉及半导体
，具体而言，涉及基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件。

技术介绍

[0002]作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。但GaN基高压材料和相关器件存在生产成本高的问题。因此，在硅衬底上制备GaN基外延材料和器件，是平衡性能和成本的较佳解决方案。但由于GaN和硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，在硅衬底上生长GaN基材料单晶是非常困难的。特别是GaN基材料和硅衬底之间的热失配会在高温生长GaN基外延材料结束后，在降温过程中引入大的张应力，容易导致外延片强烈翘曲甚至龟裂。

技术实现思路

[0003]本申请的目的在于提供基于硅衬底的氮化物外延结构及其制作方法和半导体器件，降低氮化物外延结构在硅衬底上因应力而破坏的风险，从而降低基于硅衬底的氮化物外延结构的生产难度和成本。
[0004]本申请是这样实现的：
[0005]第一方面，本申请提供一种基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，包括：
[0006]在硅衬底上生长第一AlN层，在硅衬底上生长第一AlN层的过程包括至少一个生长周期，在任意一个生长周期内，先向生长界面提供铝源，停止提供铝源后，再向生长界面提供氮源；
[0007]在第一AlN层上生长第二AlN层，第二AlN层的生长温度高于第一AlN层的生长温度；
[0008]在第二AlN层上生长GaN基缓冲层；
[0009]在缓冲层上生长GaN沟道层；
[0010]在GaN沟道层上生长势垒层；
[0011]在势垒层上生长帽层，帽层为GaN帽层或P型GaN帽层。
[0012]第二方面，本申请提供一种基于硅衬底的氮化物外延结构，由上述第一方面中任一项的制作方法制得。
[0013]第三方面，本申请提供一种基于硅衬底的氮化物外延结构，包括依次层叠设置的硅衬底、第一AlN层、第二AlN层、GaN基缓冲层、GaN沟道层、势垒层以及帽层，第一AlN层包括至少一层AlN子层，AlN子层中靠近硅衬底一侧的铝浓度大于远离硅衬底一侧的铝浓度，帽层为GaN帽层或P型GaN帽层。
[0014]第四方面，本申请提供一种半导体器件，包括前述第三方面、第四方面中任一项的基于硅衬底的氮化物外延结构。
[0015]本申请具有以下有益效果：
[0016]本申请实施例的制作方法中，通过先在硅衬底生长第一AlN层作为低温AlN界面层，可以有效避免硅衬底与AlN生长中N原子寄生反应从而具有较大的生长窗口。相较于硅衬底表面直接生长第二AlN层，作为低温AlN界面层的第一AlN层可以减小界面N原子和硅衬底间扩散，提高外延层晶体质量。相较于高温快速生长的第二AlN层，第一AlN层生长速率较慢，在低温慢速生长条件下能更好地释放应力，减少晶格失配和热失配，提高AlN的晶体质量。通过先后生长第一AlN层和第二AlN层可以获得低位错密度的复合AlN成核层。而高晶体质量的复合AlN成核层与硅衬底具有较好的界面浸润性，能够减缓GaN基缓冲层应力弛豫，增加外延薄膜中存储应力，减小异质外延中GaN基缓冲层的位错密度从而改善器件电性。利用高晶体质量的复合AlN成核层，能够获得高晶体质量、低翘曲的GaN基缓冲层，从而获得结构稳定性较佳的基于硅衬底的氮化物外延结构。并且，在硅衬底上生长第一AlN层的过程包括至少一个生长周期，在任意一个生长周期内，先向生长界面提供铝源，停止提供铝源后，再向生长界面提供氮源。这样使得Al原子的表面迁移时间增加，降低了铝源和氮源的预反应，从而避免因预反应加剧而恶化AlN自身的质量。
[0017]本申请实施例提供的半导体器件包含上述制作方法制得的基于硅衬底的氮化物外延结构，其具备较佳的性能以及结构稳定性。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
[0019]图1为本申请一种实施例中基于硅衬底的氮化物外延结构的示意图；
[0020]图2为本申请一种实施例中基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法的流程图；
[0021]图3为本申请一种实施例中生长第一AlN层时铝源和氮源的通入情况示意图。
[0022]主要元件符号说明：010
‑
氮化物外延结构；100
‑
硅衬底；200
‑
复合AlN成核层；210
‑
第一AlN层；220
‑
第二AlN层；300
‑
GaN基缓冲层；310
‑
AlGaN缓冲层；320
‑
GaN缓冲层；400
‑
GaN沟道层；500
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势垒层；600
‑
帽层。
具体实施方式
[0023]随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得高于1500cm2/Vs的电子迁移率，以及高达3
×
107cm/s的峰值电子速度和2
×
107cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管HEMT在微波大功率器件方面具有较好的应用前景。为了替代现有的硅基电力电子器件，GaN基高压材料和器件需要在保持高性
能的前提下极大地降低生产成本，因此在硅衬底上制备GaN基外延材料和器件，是平衡性能和成本的较佳解决方案。大尺寸硅衬底上生长平整的GaN基外延材料由于GaN和硅衬底之间存在巨大的晶格失配(
‑
17％)和热失配(116％)，在硅衬底上生长GaN基材料单晶是非常困难的。特别是GaN基材料和硅衬底之间的热失配会在高温生长GaN基外延材料结束后，在降温过程中引入大的张应力(>1GPa)，这个由于热失配引起的张应力会导致外延片强烈翘曲甚至龟裂。因此，如何避免硅衬底上生长GaN基材料时外延材料的龟裂，降低大尺寸硅衬底上GaN基外延材料的翘曲，是现有工艺中需要解决的问题。
[0024]另外，大尺寸硅衬底上GaN基异质结结构的生长和优化Ga本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，包括：在硅衬底上生长第一AlN层，在所述硅衬底上生长所述第一AlN层的过程包括至少一个生长周期，在任意一个所述生长周期内，先向生长界面提供铝源，停止提供所述铝源后，再向所述生长界面提供氮源；在所述第一AlN层上生长第二AlN层，所述第二AlN层的生长温度高于所述第一AlN层的生长温度；在所述第二AlN层上生长GaN基缓冲层；在所述缓冲层上生长GaN沟道层；在所述GaN沟道层上生长势垒层；在所述势垒层上生长帽层，所述帽层为GaN帽层或P型GaN帽层。2.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，所述第一AlN层的生长温度不高于900℃，所述第二AlN层的生长温度不低于1000℃。3.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，所述铝源为三甲基铝，所述氮源为NH3。4.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，在任意一个所述生长周期内，提供所述铝源的持续时长与提供所述氮源的持续时长相等。5.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，在所述硅衬底上生长所述第一AlN层的过程包括多个所述生长周期，在相邻的两个所述生长周期中，在先的所述生长周期的生长温度低于在后的所述生长周期的生长温度。6.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，所述第一AlN层的生长温度为700～900℃。7.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，所述第二AlN层的生长温度为1000～1100℃。8.根据权利要求1所述的基于硅衬底的氮化物外延结构的制作方法，其特征在于，在所述第二AlN层上生长GaN基缓冲层的步骤，包括：在所述第二AlN层上生长AlGaN缓冲层；在所述AlGaN缓冲层上生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘浪，房育涛，张洁，
申请(专利权)人：湖南三安半导体有限责任公司，
类型：发明
国别省市：