CN115249740A - 一种半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体器件的结构及制作方法，包括在硅衬底上的AlN层，和AlN层上的第一超晶格层，以及在第一超晶格层上方的第二超晶格层，在第二超晶格层上外延成AlzGa1‑zN，每层超晶格由不同Al组分含量的双层或多层AlaGa1‑aN循环组成，通过调整由硅衬底到AlzGa1‑zN层的Al组分含量依次降低，可以避免AlzGa1‑zN与硅衬底之间由于晶格常数不匹配造成的裂纹翘曲等问题，提高半导体器件的稳定性，解决了使用蓝宝石做衬底的高成本问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种在硅衬底上生长氮化镓器件的技术领域。
背景技术
随着对清洁能源的重视，功率半导体的重要性正在提高。诸如电动车的变频器、空调、冰箱等所使用的功率半导体都是用硅制造的。但是，与硅相比，氮化物半导体具有高阈值电场、低导通电阻、高温高频的工作特性，因此备受关注。近来，主流的大功率器件包括MOSFET和IGBT，但是氮化镓基高电子迁移率晶体管(HEMT)的研究也在高速发展中。除HEMT之外，在衬底上形成氮化镓(GaN)层的器件还可以应用于发光二极管(LED)和射频(RF)器件中。
在成熟工艺中，通常选择在蓝宝石衬底上形成氮化镓层。然而，蓝宝石衬底价格昂贵，不利于批量生产成本的降低。探索在更便宜且应用更广的硅衬底上形成氮化镓层是目前的趋势。但是，因为氮化镓层和硅衬底之间的晶格常数失配问题，如果采取与蓝宝石衬底相同的工艺方法形成的氮化镓层可能会出现诸如裂纹和翘曲的晶圆缺陷，造成半导体器件的不良，无法达到降低成本的目的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种半导体器件，包括：
硅衬底，位于所述硅衬底上的AlN层；
位于所述AlN层上的第一超晶格层，所述第一超晶格层包含AlaGa1-aN层和AlbGa1-bN层；
在所述第一超晶格层上方的第二超晶格层，所述第二超晶格层包含AlcGa1-cN层和AldGa1-dN层；
其中，0≤a≤1,0≤b≤1，0≤c≤1,0≤d≤1；所述第二超晶格层的铝组分小于所述第一层超晶格的铝组分；
在所述第二超晶格层上方生长AlzGa1-zN层。
可选的,所述AlaGa1-aN层的厚度0＜d1≤50nm，所述AlbGa1-bN层的厚度0＜d2≤50nm，所述AlcGa1-cN层的厚度0＜d3≤50nm，所述AlcGa1-cN层的厚度为0＜d4≤50nm。
可选的,所述第一超晶格层的等效铝组分为(a*d1+b*d2)/(d1+d2)；所述第二超晶格层的等效铝组分为(c*d3+d*d4)/(d3+d4)；
其中(a*d1+b*d2)/(d1+d2)＞(c*d3+d*d4)/(d3+d4)。
可选的，所述第一超晶格层的C掺杂浓度小于第二超晶格层的C掺杂浓度。可选的，所述第一超晶格层和/或第二超晶格层还包含至少一层AlxGa1-xN层，其中0≤x≤1，AlxGa1-xN层的厚度0＜dx≤50nm。
可选的，所述第一超晶格层和第二超晶格层之间设置有AlyGa1-yN层，其中0≤y≤1，AlyGa1-yN层的厚度0＜dy≤5um。
可选的，y的取值范围为：(a*d1+b*d2)/(d1+d2)＞y＞(c*d3+d*d4)/(d3+d4)
可选的，所述AlyGa1-yN层的C掺杂浓度大于第一超晶格层的C掺杂浓度，并且小于第二超晶格层的C掺杂浓度。
可选的，所述第一超晶格层和第二超晶格层之间还设置有第三超晶格层，所述第一超晶格层包含AleGa1-eN层和AlfGa1-fN层,其中，0≤e≤1,0≤f≤1,。
可选的，所述AleGa1-eN层的厚度0＜d5≤50nm，所述AlfGa1-fN层的厚度0＜d6≤50nm。
可选的，所述第三超晶格层的等效铝组分为(e*d5+f*d6)/(d5+d6)；其中：(a*d1+b*d2)/(d1+d2)＞(e*d5+f*d6)/(d5+d6)＞(c*d3+d*d4)/(d3+d4)。可选的，所述第三超晶格层的C掺杂浓度大于第一超晶格层的C掺杂浓度，并且小于第二超晶格层的C掺杂浓度。
可选的，所述第一超晶格层和/或第二超晶格层和/或第三超晶格层还包含至少一层AlxGa1-xN层，其中0≤x≤1，AlxGa1-xN层的厚度0＜dx≤50nm。
可选的，所述AlzGa1-zN层为GaN、AlGaN和AlN中的一种或几种。
进一步的本发明还提供了一种半导体器件制造方法，包括
通入TMAl和NH3气体在硅衬底上外延形成AlN层；
通入第一流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在AlN层上外延形成第一超晶格层；
通入第二流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在第一超晶格层上方外延形成第二超晶格层；
其中，第二流量比例组合中的Al组分小于第一流量比例组合中的Al组分。
可选的，还包括外延形成第一超晶格层后，还通入第三流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在第一超晶格层上外延形成第三超晶格层；
通入第二流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在第三超晶格层上外延形成第二超晶格层；
其中，第三流量比例组合中的Al组分小于第一流量比例组合中的Al组分，且大于第二流量比例组合中的Al组分。
可选的，还包括外延形成第一超晶格层后，通入第四流量比例的TMAl、TMGa和NH3气体在第一超晶格层上外延形成AlyGa1-yN层；
通入第二流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在所述AlyGa1-yN层上外延形成第二超晶格层；
其中，第四流量比例组合中的Al组分小于第一流量比例组合中的Al组分，且大于第二流量比例组合中的Al组分。
本发明的优点在于：本发明提供了一种半导体器件的结构及制作方法，在硅衬底与AlzGa1-zN之间生长双层超晶格，每层超晶格由不同Al组分含量的双层AlaGa1-aN循环组成，通过调整由硅衬底到AlzGa1-zN层的Al组分含量依次降低，可以避免AlzGa1-zN与硅衬底之间由于晶格常数不匹配造成的裂纹翘曲等问题，提高半导体器件的稳定性，解决了使用蓝宝石做衬底的高成本问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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为本发明的第一实施例结构示意图；
图2为本发明的第二实施例结构示意图；
图3为本发明的第三实施例结构示意图；
图4为本发明的第四实施例结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的半导体器件，包括使用硅作为衬底，通过使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备，选择三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)气体在硅衬底上外延形成氮化铝(AlN)层作为初始的过渡层，将硅衬底和最终要形成的氮化镓铝(AlzGa1-zN)层之间的晶格差距缩小。然后以TMAl和三甲基镓(TMGa)作为三族元素的反应源气体，以NH3作为五族元素的反应源气体在AlN层上形成第一超晶格层，通过调整TMAl和TMGa两种源气体的流量比例，或者调整TMAl、TMGa和NH3三种源气体中NH3的流量比例，来调整第一超晶格层中两种组分的Al组分含量，即第一超晶格层中，包含由两个TMAl、TMGa和NH3三种源气体的流量比例组成的第一流量比例组合。在第一超晶格层形成后，再继续调整气体比例，形成第二流量比例组合进一步改变第二超晶格中Al组分含量，按照第二超晶格层的Al组分含量小于第一超晶格层的Al组分含量外延形成超晶格的组合结构，这样由普通层过渡到超晶格层，又通过另一层不同晶格排列的超晶格层充当第一层超晶格和另一普通层之间的过渡，可以过滤硅衬底和GaN之间的位错，大大降低晶格之间的不匹配。最后在第二超晶格层上继续外延生长GaN，AlGaN，AlN,来形成HEMT结构。
超晶格中每个子层的厚度不超过50nm，超晶格的总厚度在30nm～5000nm之间。可以即达到过滤晶格位错，又可以提高器件性能的目的。
实施例一
如图1所示，半导体器件100包含硅衬底110，AlN层120，第一超晶格层130，第二超晶格层140和GaN层150。
将硅衬底110放入MOCVD中，通入150μmol/min的TMAl和1.5E+5μmol/minNH3气体作为反应气体，以H2作为载气，生长温度为1100℃，反应时间为40分钟，形成厚度为200nm的AlN层120；
然后以300μmol/min TMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为0.5分钟，生成AlN层131，厚度为5nm左右，再以50μmol/minTMAl、500μmol/minTMGa和3E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为0.5分钟，生成AlGaN层132，厚度为10nm左右，通过重复AlN层131和AlGaN层132的条件交替反应形成第一超晶格层130；
再然后以300μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为0.5分钟，生成AlN层141，厚度为5nm左右，再以1.5E+5μmol/minTMGa和7.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为0.5分钟，生成GaN层142，厚度为20nm左右，通过重复AlN层141和GaN层142的条件交替反应形成第二超晶格层140；
最后在第二超晶格层140上通过外延生长不同类型的GaN层150来形成HEMT结构，例如可以说semi-GaN、GaN channel、AlGaN barrier和pGaN等。
其中，第一超晶格层130的碳(C)掺杂浓度小于第二超晶格层140的C掺杂浓度。
实施例二
如图2所示，半导体器件200包含硅衬底210，AlN层220，第一超晶格层230，第二超晶格层240和GaN层250。
将硅衬底210放入MOCVD中，通入150μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体作为反应气体，以H2作为载气，生长温度为1100℃，反应时间为40分钟，形成厚度为200nm的AlN层220；
然后以300μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为0.5分钟，生成AlN层231，厚度为5nm左右，再以75μmol/minTMAl、250μmol/minTMGa和3E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为20秒，生成AlGaN层232，厚度为5nm左右，再以25μmol/minTMAl、750μmol/minTMGa和3E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为10秒，生成AlGaN2层233，厚度为5nm左右，通过重复AlN层231、AlGaN层232和AlGaN2层233的条件交替反应形成第一超晶格层230；
再然后以300μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为0.5分钟，生成AlN层241，厚度为5nm左右，再以25μmol/minTMAl、750μmol/minTMGa和7.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为10秒，生成AlGaN2层242，厚度为5nm左右，再以2000μmol/minTMGa和7.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为20秒，生成GaN层243，厚度为15nm左右，通过重复AlN层241、AlGaN2层242和GaN层243的条件交替反应形成第二超晶格层240；
最后在第二超晶格层240上通过外延生长不同类型的GaN层250来形成HEMT结构。例如可以说semi-GaN、GaN channel、AlGaN barrier和pGaN等。
其中，第一超晶格层230的C掺杂浓度小于第二超晶格层240的C掺杂浓度。
实施例三
如图3所示，半导体器件300包含硅衬底310，AlN层320，第一超晶格层330，间隔层360，第二超晶格层340和GaN层350。
将硅衬底310放入MOCVD中，通入150μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体作为反应气体，以H2作为载气，生长温度为1100℃，反应时间为40分钟，形成厚度为200nmAlN层320；
然后以300μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为0.5分钟，生成AlN层231，厚度为5nm左右，再以50μmol/minTMAl、500μmol/minTMGa和3E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为0.5分钟，生成AlGaN层232，厚度为10nm左右，通过重复AlN层131和AlGaN层132的条件交替反应形成第一超晶格层130；
再然后，以50μmol/minTMAl、500μmol/minTMGa和3E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1070℃，反应时间为50分钟，生成AlGaN2层360，厚度为1um左右；
再然后以300μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为30秒，生成AlN层341，厚度为5nm左右，再以2000μmol/minTMGa和7.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为30秒，生成GaN层342，厚度为20nm左右，通过重复AlN层341和GaN层342的条件交替反应形成第二超晶格层340；
最后在第二超晶格层340上通过外延生长不同类型的GaN层350来形成HEMT结构。例如可以说semi-GaN、GaN channel、AlGaN barrier和pGaN等。
其中，第一超晶格层330的C掺杂浓度间隔层360的C掺杂浓度，间隔层360的C掺杂浓度小于第二超晶格层340的C掺杂浓度。
实施例四
如图4所示，半导体器件400包含硅衬底410，AlN层420，第一超晶格层430，第三超晶格层460，第二超晶格层440和GaN层450。
将硅衬底410放入MOCVD中，通入150μmol/min TMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体作为反应气体，以H2作为载气，生长温度为1100℃，反应时间为40分钟，形成厚度为200nm的AlN层420；
然后以300μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为30秒，生成AlN层431，厚度为5nm左右，再以50μmol/minTMAl、500μmol/minTMGa和3E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为1080℃，反应时间为30秒，生成AlGaN层432，厚度为5nm左右，通过重复AlN层431和AlGaN层432的条件交替反应形成第一超晶格层430；
再然后以300μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/minNH3气体，以H2作为载气，生长温度为1070℃，反应时间为30秒，生成AlN层461，厚度为5nm左右，再以100μmol/minTMAl、1000μmol/minTMGa和5E+5μmol/min NH3气体，以H2作为载气，生长温度为100℃，反应时间为30秒，生成AlGaN2层462，厚度为10nm左右，通过重复AlN层461和AlGaN2层462的条件交替反应形成第三超晶格层460；
再然后以300μmol/minTMAl和1.5E+5μmol/minNH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为30秒，生成AlN层441，厚度为5nm左右，再以2000μmol/minTMGa和7.5E+5μmol/minNH3气体，以H2作为载气，生长温度为1060℃，反应时间为30秒，生成GaN层442，厚度为20nm左右，通过重复AlN层441和GaN层442的条件交替反应形成第二超晶格层440；
最后在第二超晶格层440上通过外延生长不同类型的GaN层450来形成HEMT结构。例如可以说semi-GaN、GaN channel、AlGaN barrier和pGaN等。
其中，第一超晶格层430的C掺杂浓度小于第三超晶格层460的C掺杂浓度，第三超晶格层460的C掺杂浓度小于第二超晶格层440的C掺杂浓度。
本发明提供了一种半导体器件的结构及制作方法，在硅衬底与AlzGa1-zN之间生长双层超晶格，每层超晶格由不同Al组分含量的双层AlaGa1-aN循环组成，通过调整由硅衬底到AlzGa1-zN层的Al组分含量依次降低，可以避免AlzGa1-zN与硅衬底之间由于晶格常数不匹配造成的裂纹翘曲等问题，提高半导体器件的稳定性，解决了使用蓝宝石做衬底的高成本问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (17)
1.一种半导体器件，其特征在于，包括：
硅衬底，位于所述硅衬底上的AlN层；
位于所述AlN层上的第一超晶格层，所述第一超晶格层包含AlaGa1-aN层和AlbGa1-bN层；
在所述第一超晶格层上方的第二超晶格层，所述第二超晶格层包含AlcGa1-cN层和AldGa1-dN层；
其中，0≤a≤1,0≤b≤1，0≤c≤1,0≤d≤1；所述第二超晶格层的铝组分小于所述第一层超晶格的铝组分；
在所述第二超晶格层上方生长AlzGa1-zN层。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于,所述AlaGa1-aN层的厚度0＜d1≤50nm，所述AlbGa1-bN层的厚度0＜d2≤50nm，所述AlcGa1-cN层的厚度0＜d3≤50nm，所述AldGa1-dN层的厚度为0＜d4≤50nm。
3.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于,所述第一超晶格层的等效铝组分为(a*d1+b*d2)/(d1+d2)；所述第二超晶格层的等效铝组分为(c*d3+d*d4)/(d3+d4)；
其中(a*d1+b*d2)/(d1+d2)＞(c*d3+d*d4)/(d3+d4)。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一超晶格层的C掺杂浓度小于第二超晶格层的C掺杂浓度。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一超晶格层和/或第二超晶格层还包含至少一层AlxGa1-xN层，其中0≤x≤1，AlxGa1-xN层的厚度0＜dx≤50nm。
6.如权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，所述第一超晶格层和第二超晶格层之间设置有AlyGa1-yN层，其中0≤y≤1，AlyGa1-yN层的厚度0＜dy≤5um。
7.如权利要求6所述的半导体器件，其特征在于，y的取值范围为：
(a*d1+b*d2)/(d1+d2)＞y＞(c*d3+d*d4)/(d3+d4)。
8.如权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，所述AlyGa1-yN层的C掺杂浓度大于第一超晶格层的C掺杂浓度，并且小于第二超晶格层的C掺杂浓度。
9.如权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，所述第一超晶格层和第二超晶格层之间还设置有第三超晶格层，所述第三超晶格层包含AleGa1-eN层和AlfGa1-fN层,其中，0≤e≤1,0≤f≤1。
10.如权利要求9所述的半导体器件，其特征在于，所述AleGa1-eN层的厚度0＜d5≤50nm，所述AlfGa1-fN层的厚度0＜d6≤50nm。
11.如权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述第三超晶格层的等效铝组分为(e*d5+f*d6)/(d5+d6)；其中：
(a*d1+b*d2)/(d1+d2)＞(e*d5+f*d6)/(d5+d6)＞(c*d3+d*d4)/(d3+d4)。
12.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于，所述第三超晶格层的C掺杂浓度大于第一超晶格的C掺杂浓度，并且小于第二超晶格的C掺杂浓度。
13.如权利要求9所述的半导体器件，其特征在于，所述第一超晶格层和/或第二超晶格层和/或第三超晶格层还包含至少一层AlxGa1-xN层，其中0≤x≤1，AlxGa1-xN层的厚度0＜dx≤50nm。
14.如权利要求1-13任一所述的半导体器件，其特征在于，所述AlzGa1-zN层为GaN、AlGaN和AlN中的一种或几种。
15.一种半导体器件制造方法，其特征在于，包括
通入TMAl和NH3气体在硅衬底上外延形成AlN层；
通入第一流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在AlN层上外延形成第一超晶格层；
通入第二流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在第一超晶格层上方外延形成第二超晶格层；
其中，第二流量比例组合中的Al组分小于第一流量比例组合中的Al组分。
16.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，还包括
外延形成第一超晶格层后，还通入第三流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在第一超晶格层上外延形成第三超晶格层；
通入第二流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在第三超晶格层上外延形成第二超晶格层；
其中，第三流量比例组合中的Al组分小于第一流量比例组合中的Al组分，且大于第二流量比例组合中的Al组分。
17.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，还包括
外延形成第一超晶格层后，通入第四流量比例的TMAl、TMGa和NH3气体在第一超晶格层上外延形成AlyGa1-yN层；
通入第二流量比例组合的TMAl、TMGa和NH3气体在所述AlyGa1-yN层上外延形成第二超晶格层；
其中，第四流量比例组合中的Al组分小于第一流量比例组合中的Al组分，且大于第二流量比例组合中的Al组分。
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