CN116646248B - 一种外延片制备方法及其外延片、高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种外延片制备方法及其外延片、高电子迁移率晶体管，所述方法包括提供一硅衬底；以氮气为载气，同时通入GeCl4和TMAl对所述硅衬底进行预处理形成Ge‑Al预铺层；依次在所述Ge‑Al预铺层上生长第一缓冲层、第二缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、***层、势垒层以及盖帽层。本发明解决了现有技术中在提高外延片击穿电压的时容易存在后续缓冲层表面形貌恶化、翘曲以及开裂的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种外延片制备方法及其外延片、高电子迁移率晶体管。
背景技术
作为第三代半导体材料，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度达、化学稳定好、抗辐射耐高温、易形成异质结等优势，成为制造高温、高频、大功率、抗辐射高电子迁移率晶体管（HEMT）结构的首选材料。GaN基异质结构具有很高的载流子浓度和电子迁移率，其导通电阻小，并且禁带宽度的优势使得其能够承受很高的工作电压。因此，GaN基HEMT适用于高温高频大功率器件、低损耗率开关器件等应用领域。
对GaN基HEMT功率器件而言，关态下漏电和开态下功率输出是衡量电子器件性能的重要指标。在微波功率器件应用领域中，当器件在高频下工作时，器件漏电会引起能量损失，恶化器件工作性能。关态下低漏电不仅可以降低器件关态损耗，而且能提高器件的工作电压。相比于传统Si材料，GaN材料具有更宽的禁带宽度，理论上具有更大的临界击穿场强。然而，MOCVD外延生长的非故意掺杂GaN薄膜通常是N型，体电子浓度量级处于1017cm-3，制备的GaN基HEMT材料结构因存在低阻导电层，而无法体现出第三代半导体材料的高耐压优势。HEMT器件漏电路径主要是先垂直通过HEMT中的缓冲层，然后水平通过硅体材料（AlN/Si界面），因此，限制器件击穿电压提升的主要瓶颈是外延缓冲层和硅材料及其与外延层界面。
通常为了提高HEMT器件关态击穿电压，可以从硅衬底和外延缓冲层两方面设计。关于界面处理方法主要为先通入SiH4预处理，然后预铺Al处理，由于Si具有抗表面活性剂效应，表面容易形成单原子层Si-Al，引入排斥性的电偶极矩，阻碍后续AlN缓冲层在表面的继续生长，导致表面形貌恶化，由于Si原子与线位错之间的相互作用，Si掺杂还会导致AlN材料中的位错在位错攀升过程中发生倾斜，从而引入张应力并导致AlN出现翘曲、开裂等问题。因此，现有技术中在提高外延片击穿电压的时容易存在后续缓冲层表面形貌恶化、翘曲以及开裂的问题。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种外延片制备方法及其外延片、高电子迁移率晶体管，旨在解决现有技术中在提高外延片击穿电压的时容易存在后续缓冲层表面形貌恶化、翘曲以及开裂的问题。
本发明实施例是这样实现的：
一方面，本发明实施例提出一种外延片制备方法，所述方法包括；
提供一硅衬底；
以氮气为载气，同时通入GeCl4和TMAl对所述硅衬底进行预处理形成Ge-Al预铺层；
依次在所述Ge-Al预铺层上生长第一缓冲层、第二缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、***层、势垒层以及盖帽层。
进一步的，上述外延片制备方法，其中，所述GeCl4的通入流量为200sccm~800sccm。
进一步的，上述外延片制备方法，其中，所述TMAl的通入流量为10sccm~20sccm。
进一步的，上述外延片制备方法，其中，预处理时间为1~3min。
进一步的，上述外延片制备方法，其中，预处理温度为850℃~1000℃。
进一步的，上述外延片制备方法，其中，预处理压力为50mbar~100mbar。
进一步的，上述外延片制备方法，其中，所述同时通入GeCl4和TMAl对所述硅衬底进行预处理形成Ge-Al预铺层的步骤之前还包括：
通过MOCVD***在设定条件下，对所述硅衬底进行预设时间的高温处理；
其中，所述设定条件中，腔体温度为1000℃~1200℃、气氛为H2，腔体压力为50mbar ~150 mbar。
另一方面，本发明提供一种外延片，由上述任一项所述的外延片制备方法制备得到，所述外延片包括：
硅衬底，依次层叠在所述硅衬底上的Ge-Al预铺层、第一缓冲层、第二缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、***层、势垒层以及盖帽层。
进一步的，所述第一缓冲层和***层均为AlN层，所述第二缓冲层和势垒层均为AlGaN层，所述高阻缓冲层、沟道层以及盖帽层均为GaN层。
再一方面，本发明提供一种高电子迁移率晶体管，包括上述的外延片。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
同时通入GeCl4和TMAl预处理，有利于降低界面的背景载流子浓度，降低缓冲层漏电，提高对器件的夹断特性和耐压特性，提高了外延片的击穿电压，且Ge杂质的加入对于AlN（或GaN）晶格结构的应力的影响要小于Si原子杂质。避免AlN（或GaN）在表面的继续生长，导致表面形貌恶化，以及Si原子与线位错之间的相互作用，导致AlN（或GaN）材料中的位错在位错攀升过程中发生倾斜，从而引入张应力并导致GaN出现翘曲、开裂等问题。而且采用氮气为载气，避免生长的晶体表面易形成Ge液滴，阻碍晶体的生长，从而导致晶体中形成凹坑，且获得高质量的AlN（或GaN）。
附图说明
图1为本发明一实施例当中的外延片的制备方法的流程图；
图2为本发明一实施例当中的外延片的结构示意图；
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例针对中在提高外延片击穿电压的时容易存在后续缓冲层表面形貌恶化、翘曲以及开裂的问题，提出了一种外延片制备方法及其外延片、高电子迁移率晶体管，其中：
请参阅图1，所示为本发明一实施例当中提出的外延片制备方法，包括步骤S10~S12。
步骤S10，提供一硅衬底。
具体的，在本发明实施例当中，硅衬底优选采用p型晶向的硅衬底。
步骤S11，以氮气为载气，同时通入GeCl4和TMAl对所述硅衬底进行预处理形成Ge-Al预铺层。
可以理解的，同时通入GeCl4和TMAl预处理，有利于降低界面的背景载流子浓度，降低缓冲层漏电，提高对器件的夹断特性和耐压特性，提高了外延片的击穿电压，且Ge杂质的加入对于AlN（或GaN）晶格结构的应力的影响要小于Si原子杂质。避免AlN（或GaN）在表面的继续生长，导致表面形貌恶化，以及Si原子与线位错之间的相互作用，导致AlN（或GaN）材料中的位错在位错攀升过程中发生倾斜，从而引入张应力并导致GaN出现翘曲、开裂等问题。而且采用氮气为载气，避免生长的晶体表面易形成Ge液滴，阻碍晶体的生长，从而导致晶体中形成凹坑，且获得高质量的AlN（或GaN）。
具体的，GeCl4的通入流量为200sccm~800sccm。TMAl的通入流量为10sccm~20sccm。预处理时间为1~3min。预处理温度为850℃~1000℃。预处理压力为50mbar~100mbar。
另外，在本发明一些可选的实施例当中，为了进一步的提升硅衬底的处理效果，所述同时通入GeCl4和TMAl对所述硅衬底进行预处理形成Ge-Al预铺层的步骤之前还包括：
通过MOCVD***在设定条件下，对所述硅衬底进行预设时间的高温处理；
其中，所述设定条件中，腔体温度为1000℃~1200℃、气氛为H2，腔体压力为50mbar ~150 mbar。
步骤S12，依次在所述Ge-Al预铺层上生长第一缓冲层、第二缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、***层、势垒层以及盖帽层。
示例性的，Ge-Al预铺层生长结束后，温度调节至1000℃-1200℃，生长厚度为150nm~300nm的AlN层的第一缓冲层，生长压力为40mbar~100mbar。
第一缓冲层生长结束后，生长AlGaN层的第二缓冲层，厚度为1.0~3.0 微米之间，生长温度为1000℃-1200℃，生长压力为30 mbar ~100mbar，Al组分范围为0.1~0.8。
AlGaN层的第二缓冲层生长结束后生长C掺杂的GaN层的高阻缓冲层，高阻缓冲层厚度为1.0~2.0微米，生长温度为950~1050℃，生长压力为50~100mbar，C掺杂浓度为1019cm-3~1020cm-3。
高阻缓冲层生长结束后生长GaN层的沟道层，厚度在300~600 nm之间，生长温度在1050℃-1150℃，压力在100~300 mbar。
GaN层的沟道层生长结束后生长AlN层的***层，厚度为1 nm，生长温度在1050℃-1150℃，压力在30~100 mbar。
AlN层的***层生长结束后生长AlGaN层的势垒层，厚度为20~25 nm，生长温度在1050℃-1150℃，压力在30~100 mbar，Al组分为0.20~0.25。
AlGaN层的势垒层生长结束后生长GaN层的盖帽层，厚度为3~5 nm，生长温度在1050℃-1150℃，压力在30~100 mbar。
需要说明的是，外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中降至室温外延生长结束。三甲基铝（TMAl）、三甲基镓或三乙基镓 （TMGa或TEGa）作为Ⅲ族源的前驱体；氨气作为Ⅴ族源的前驱体，GeCl4和CBr4作为掺杂剂，氮气和氢气作为载气。
请参阅图2，另一方面，本发明实施例提出一种外延片，由上述的外延片制备方法制备得到，其中：
该外延片包括：
硅衬底1，依次层叠在所述硅衬底1上的Ge-Al预铺层2、第一缓冲层3、第二缓冲层54、高阻缓冲层5、沟道层6、***层7、势垒层8以及盖帽层9。
在本发明实施例当中，第一缓冲层3和***层7均可以为AlN层，第二缓冲层4和势垒层8均可以为AlGaN层，高阻缓冲5层、沟道层6以及盖帽层9均可以为GaN层。
另一方面，本发明实施例提出的高电子迁移率晶体管，包括上述的外延片。
为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
实施例一
本发明实施例一提供一种外延片制备方法，包括：
提供一硅衬底；
以氮气为载气，同时通入GeCl4和TMAl对所述硅衬底进行预处理形成Ge-Al预铺层；
依次在所述Ge-Al预铺层上生长第一缓冲层、第二缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、***层、势垒层以及盖帽层。
其中，GeCl4的通入流量为200sccm，TMAl的通入流量为10 sccm。
实施例二
本发明实施例二也提出一种外延片制备方法，本实施例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
其中，GeCl4的通入流量为500 sccm，TMAl的通入流量为15sccm。
实施例三
本发明实施例三也提出一种外延片制备方法，本实施例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
其中，GeCl4的通入流量为800sccm，TMAl的通入流量为20sccm。
为了与本发明上述实施例进行对比，本发明实施例还提出以下对照例。
对照例一
本发明对照例一也提出一种外延片制备方法，本对照例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
未对硅衬底进行处理。
对照例二
本发明对照例二也提出一种外延片制备方法，本对照例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
先通入Si，Si的通入流量为500sccm，再通TMAl，TMAl的通入流量为15。
请参阅下表一，所示为本发明上述实施例一至实施例三及对照例一、二对应的参数。
表一
其中，在实际应用当中，分别采用本发明上述实施例一至实施例三、及对照例一、二所对应的制备方法及参数制备得到对应的外延片，并对各实施例制备得到的外延片以及对照例中制备的外延片分别进行性能测试，测试数据如下表二所示。
需要说明的是，为了保证验证结果的可靠性，本发明上述实施例一至实施例五、及对照例一、二对应制备外延片时除上述参数不同以外、其它都应当相同，例如外延片的每一层的制备工艺及参数都应当保持一致。
表二
结合上述表一和表二的数据可以明显看出，同时通入GeCl4和TMAl预处理，有利于降低界面的背景载流子浓度，降低缓冲层漏电，提高对器件的夹断特性和耐压特性，提高了外延片的击穿电压。
另外，结合实施例一、二、三可以明显看出，合适的通入流量对外延片的击穿电压有明显的提升。
结合实施例二、对照例二可以明显看出，同时通入GeCl4和TMAl预处理不但避免了在提高外延片击穿电压的时容易存在后续缓冲层表面形貌恶化、翘曲以及开裂的问题，并且进一步的提高了外延片击穿电压。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种外延片制备方法，其特征在于，所述方法包括；
提供一硅衬底；
以氮气为载气，同时通入GeCl4和TMAl对所述硅衬底进行预处理形成Ge-Al预铺层；
依次在所述Ge-Al预铺层上生长第一缓冲层、第二缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、***层、势垒层以及盖帽层；
其中，所述第一缓冲层和***层均为AlN层，所述第二缓冲层和势垒层均为AlGaN层，所述高阻缓冲层、沟道层以及盖帽层均为GaN层。
2.根据权利要求1所述的外延片制备方法，其特征在于，所述GeCl4的通入流量为200sccm~800sccm。
3.根据权利要求1所述的外延片制备方法，其特征在于，所述TMAl的通入流量为10sccm~20sccm。
4.根据权利要求1所述的外延片制备方法，其特征在于，预处理时间为1~3min。
5.根据权利要求1所述的外延片制备方法，其特征在于，预处理温度为850℃~1000℃。
6.根据权利要求1所述的外延片制备方法，其特征在于，预处理压力为50mbar~100mbar。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的外延片制备方法，其特征在于，所述同时通入GeCl4和TMAl对所述硅衬底进行预处理形成Ge-Al预铺层的步骤之前还包括：
通过MOCVD***在设定条件下，对所述硅衬底进行预设时间的高温处理；
其中，所述设定条件中，腔体温度为1000℃~1200℃，气氛为H2，腔体压力为50 mbar ~150 mbar。
8.一种外延片，其特征在于，由权利要求1至7中任一项所述的外延片制备方法制备得到，所述外延片包括：
硅衬底，依次层叠在所述硅衬底上的Ge-Al预铺层、第一缓冲层、第二缓冲层、高阻缓冲层、沟道层、***层、势垒层以及盖帽层。
9.一种高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括权利要求8中所述的外延片。
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