CN205680660U - 制备hemt外延片的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种制备HEMT外延片的设备，提供具有若干个反应腔室的设备，将成核层固定于一个反应腔室内生长，将缓冲层固定于另一个腔体内生长，将沟道层和势垒层固定于其他反应腔室内生长，可以有效地防止反应腔室内残留物挥发回熔对其他薄膜层质量的影响，从而提高HEMT外延层的晶体质量，进一步减小HEMT器件所存在的电流崩塌效应和漏电流效应。

Description

制备HEMT外延片的设备

技术领域

本实用新型涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种制备HEMT外延片的设备。

背景技术

由于HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)器件具备击穿特性高、开关速度快、导通电阻小等优点，因此，其在电源管理、风力发电、太阳能电池、电动汽车等电力电子领域有着广泛的应用前景。

传统的HEMT通常为GaN基HEMT，用于制备HEMT的HEMT外延片通常包括蓝宝石衬底以及依次形成在蓝宝石衬底上的成核层(通常为AlN)、缓冲层(通常为掺杂的GaN)、沟道层(通常为GaN)和势垒层(通常为AlGaN)，其中，为了让缓冲层具有更好的绝缘性，通常需要对缓冲层进行掺杂以使其变为绝缘材料。

随着实践、应用的进一步深入，传统的GaN基HEMT器件陆续暴露出电流崩塌效应、漏电流效应、自加热效应等一系列质量问题和由于蓝宝石衬底难以大尺寸化所带来的成本问题，上述问题严重制约着GaN基HEMT器件的进一步发展和应用。其中，电流崩塌效应与势垒层的表面态、缓冲层的绝缘性及沟道层的晶体质量直接相关；漏电流效应与缓冲层的绝缘性、晶体质量和晶格缺陷都密切相关，绝缘性较差的缓冲层容易产生寄生电导和通过缓冲层的泄漏电流；自加热效应与GaN基HEMT器件所采用的衬底的导热性能密切相关，蓝宝石衬底的导热效果不佳，直接影响着GaN基HEMT器件的性能和使用寿命。

为了解决上述问题，本领域的科研工作人员提出了各种钝化方法：氮化硅钝化方法在一定程度上缓解了缓冲层的表面态所引起的电流崩塌效应；缓冲层的绝缘性也通过不同浓度的碳或铁掺杂得以显著提高，这在一定程度上缓解了由缓冲层的绝缘性所引起的电流崩塌效应和漏电流效应；缓冲层的晶体质量和晶格缺陷随着成核层的引入和图形化蓝宝石衬底的不断发展逐步得以改善，沟道层的晶体质量也随着缓冲层晶体质量的逐步改善得到了同步的改善；导热性差和难以大尺寸化的蓝宝石衬底也正被导热性好的、价格低廉的、易于大尺寸化的硅所取代。

虽然采用硅衬底能够具有导热性好、价格低廉及适合大尺寸生产等优点，但硅衬底依然存在一系列问题。目前GaN基HEMT外延片在生产过程中，均是在同一个反应腔室内依次生长成核层(通常为AlN)、缓冲层(掺杂的GaN)、沟道层(GaN)和势垒层(AlGaN)，然而，生长过GaN材料的反应腔室会残留有少量的Ga或GaN，由于现有的GaN基HEMT外延片采用硅衬底代替蓝宝石衬底，因此，残留的Ga或GaN在后续批次形成成核层的过程中会挥发回熔至硅衬底的表面，并与硅衬底发生反应，这不仅影响成核层和缓冲层的生长，还会造成沟道层及势垒层晶体质量的下降，从而影响GaN基HEMT器件的良率；此外，由于缓冲层需要进行掺杂才能形成绝缘层，在掺杂完成后，反应腔室中会残留少量的掺杂元素例如碳或铁，残留的掺杂元素对生长沟道层和势垒层极为不利，会严重降低GaN基HEMT器件的性能。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于提供一种制备HEMT外延片的设备，以解决回熔的Ga元素与硅衬底发生反应以及掺杂杂质污染后续薄膜层而导致的HMET外延层晶体质量下降的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种制备HEMT外延片的设备，用于制备HEMT外延片，包括m个反应腔室，其中m为自然数，且m≥3。

进一步的，在所述的制备HEMT外延片的设备中，还包括n个传递腔，连接在m个反应腔室之间，用于传递支撑衬底，其中n为自然数，且n<m。

进一步的，在所述的制备HEMT外延片的设备中，还包括i个机械手臂，每一个所述传递腔内至少设有一个机械手臂，其中i为自然数。

进一步的，在所述的制备HEMT外延片的设备中，所述制备HEMT外延片的设备为MOCVD。

进一步的，在所述的制备HEMT外延片的设备中，包括3个反应腔室，分别为第一反应腔室、第二反应腔室和第三反应腔室，所述第一反应腔室用于形成成核层，所述第二反应腔室用于形成缓冲层，所述第三反应腔室用于形成沟道层和势垒层。

进一步的，在所述的制备HEMT外延片的设备中，包括4个反应腔室，分别为第一反应腔室、第二反应腔室、第三反应腔室和第四反应腔室，所述第一反应腔室用于形成成核层，所述第二反应腔室用于形成缓冲层，所述第三反应腔室用于形成沟道层，所述第四反应腔室用于形成势垒层。

与现有技术相比，本实用新型提供具有至少三个反应腔室的设备，将成核层固定于一个反应腔室内生长，将缓冲层固定于另一个腔体内生长，将沟道层和势垒层固定于其他反应腔室内生长，可以有效地防止反应腔室内残留物挥发回熔对其他薄膜层质量的影响，从而提高HEMT外延层的晶体质量，进一步减小HEMT器件所存在的电流崩塌效应和漏电流效应。此外，还能够避免缓冲层掺杂时掺杂元素回熔至沟道层和势垒层中，降低沟道层和势垒层的导电性能，提高沟道层和势垒层的性能。

附图说明

图1为本实用新型一种HEMT外延片制作方法的流程图；

图2为本实用新型实施例一中制备HEMT外延片的设备的结构示意图；

图3至图9为本实用新型实施例一中HEMT外延片的制作过程中的结构示意图；

图10为本实用新型HEMT外延片制作完成后的剖面示意图；

图11为本实用新型实施例二中制备HEMT外延片的设备的结构示意图；

图12至图15为本实用新型实施例二中HEMT外延片的制作过程中的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的制备HEMT外延片的设备进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型，而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本实用新型由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关***或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本实用新型。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如图1所示，本实用新型提供一种HEMT外延片的制作方法，包括步骤：

S100：提供设备，所述设备包括m个反应腔室，其中m为自然数，且m≥3；

S200：提供支撑衬底，将所述支撑衬底置于第一反应腔室中，并在第一反应腔室中形成成核层；

S300：将形成有所述成核层的支撑衬底传输至第二反应腔室中，并在第二反应腔室中形成缓冲层，并对所述缓冲层进行掺杂；

S400：将形成有所述成核层及缓冲层的支撑衬底传输至剩余反应腔室中，并在剩余反应腔室中形成剩余薄膜层。

本实用新型采用包含三个以上反应腔室的设备，能够将成核层固定于一个反应腔室内生长，将缓冲层固定于另一个腔体内生长，将沟道层和势垒层固定于其他反应腔室内生长，可以有效地防止反应腔室内残留物挥发回熔对其他薄膜层质量的影响，从而提高HEMT外延层的晶体质量，进一步减小HEMT器件所存在的电流崩塌效应和漏电流效应。此外，还能够避免缓冲层掺杂时掺杂元素回熔至沟道层和势垒层中，降低沟道层和势垒层的导电性能，提高沟道层和势垒层的性能。

下面结合图2至图15以及两个具体实施例详细描述本实用新型提供的制备HEMT外延片的设备。

实施例一

如图2所示，提出了一种制备HEMT外延片的设备，包括m个反应腔室和n个传递腔，其中m、n均为自然数，且m≥3、n<m。

在本实施例中，m＝3、n＝1，三个反应腔室分别为第一反应腔室21、第二反应腔室22和第三反应腔室23，1个传递腔10位于第一反应腔室21、第二反应腔室22和第三反应腔室23之间。其中，三个反应腔室在进行反应时均相互独立，互不影响。具体如图2所示，第一反应腔室21、第二反应腔室22和第三反应腔室23例如呈品字形分布，传递腔10呈T型，T型的传递腔10位于品字形的中间，且T型的各端各连接一个反应腔室。

此外，制备HEMT外延片的设备还包括i个机械手臂，其中i为自然数，在本实施例中，i＝n，即在传递腔10内设有一个机械手臂(图未示出)。机械手臂用于进行支撑衬底的传递，传递腔10用于进行传递过程中的过渡(即将支撑衬底从一反应腔室传递至另一反应腔室的过程中暂放支撑衬底)，能够根据要求将支撑衬底传入三个反应腔室中的任意一个。在本实用新型其他实施例中，一个传递腔内也可以设置多个机械手臂，多个机械手臂可以同时传递多个支撑衬底，提高工作效率。

本实施例中，所述制备HEMT外延片的设备为MOCVD(Metal-Organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备。在本实用新型其它实施例中，也可以将本实用新型的思路应用至其它制备HEMT外延片的设备中。

下面结合图3至图9详细介绍本实施例的设备的工作方法。

如图3所示，首先，将支撑衬底30传递至所述第一反应腔室21中，所述支撑衬底30例如为硅衬底。

如图4所示，接着，利用第一反应腔室21在支撑衬底30上形成成核层31，所述成核层31的材料为AlN、Al或Al2O3中的至少一种，优选的，所述成核层31的材料为AlN。

如图5和图6所示，在形成完成核层31后，机械手臂(图中未示出)将支撑衬底30取出，并经过所述传递腔10传输至所述第二反应腔室22中。

请继续参考图6，利用第二反应腔室22在成核层31上形成缓冲层32，所述缓冲层32形成在所述成核层31的表面，所述缓冲层32的材料包括ⅢA族和ⅤA族中的元素，例如包括GaN或AlGaN中的一种或多种。在本实施例中，缓冲层32为GaN。为了提高缓冲层32的绝缘性，通常会在形成完缓冲层32之后，对缓冲层32进行掺杂，例如掺杂铁元素或碳元素中的至少一种。

如背景技术提及，在现有技术中，所有的硅片依次在同一个反应腔室中形成薄膜层，即，当第一片硅片在反应腔室中形成成核层和缓冲层等薄膜层后，在形成缓冲层时会有Ga残留，再下一片硅片进入反应腔室中时，反应腔室中残留的Ga会在下一片硅片形成成核层之前，回融至硅片的表面并与之反应，导致后续形成的HEMT外延片质量不佳；此外，在进行掺杂时，掺杂元素通常也会残留在反应腔室中，若直接在同一个反应腔室中进行后续薄膜的生长，例如沟道层和势垒层，残留的掺杂元素会污染沟道层和势垒层，造成形成的HEMT外延片存在电流崩塌效应和漏电流效应等问题。因此，本实用新型提出的方案是将缓冲层32固定在一个反应腔室中形成，可以避免了上述问题，提高HEMT外延片的质量。

如图7至图9所示，在形成完缓冲层32后，机械手臂将支撑衬底30从第二反应腔室22中取出，并经过所述传递腔10传输至所述第三反应腔室23中；并在第三反应腔室23中依次形成HEMT外延片的剩余薄膜，所述剩余薄膜例如包括沟道层33和势垒层34。其中，所述沟道层33的材料为GaN，所述势垒层34的材料为AlGaN，从而形成如图10所示的HEMT外延片。在其他实施例中，HEMT外延片还可以包括其他公知的薄膜层，其他薄膜层均可以在第三反应腔室23中形成。

本实施例通过三个腔室的MOCVD设备，将成核层31固定于第一反应腔室21内生长，将缓冲层32固定于第二反应腔室22内生长，将沟道层33和势垒层34固定于第三反应腔室23内生长，从而可以有效地防止反应腔室内残留物如Ga或Ga的化合物和掺杂元素如碳或铁回熔带来的影响，以及各腔室的交互影响，进而提高GaN基HEMT外延层的晶体质量，进一步缓解GaN基HEMT器件所存在的电流崩塌效应和漏电流效应。

实施例二

请参考图11，在本实施例中，制备HEMT外延片的设备包括四个反应腔室，分别为第一反应腔室21、第二反应腔室22、第三反应腔室23和第四反应腔室24，四个反应腔室共用一个传递腔10。具体的，四个反应腔室可以排布成四边形，传递腔10位于四边形的中间。

在制备所述HEMT外延片过程中，形成成核层31、缓冲层32均与实施例一相同，在此不再赘述。不同的是，在本实施例中，形成完缓冲层32之后，机械手臂将支撑衬底30取出，并经过所述传递腔10传输至所述第三反应腔室23中，在第三反应腔室23中形成沟道层33，如图12所示。形成完沟道层33后，再由机械手臂将支撑衬底30取出，并经过所述传递腔10传输至所述第四反应腔室24中，在第四反应腔室24中形成沟道层34，如图13至图15所示，从而形成如图10所示的HEMT外延片。

在本实用新型实施例二提供的制备HEMT外延片的设备中，提供具有四个反应腔室的设备，将成核层固定于一个反应腔室内生长，将缓冲层固定于另一个腔体内生长，将沟道层和势垒层分别固定于第三反应腔室和第四反应腔室内生长，可以有效地防止反应腔室内残留物挥发回熔对其他薄膜层质量的影响，从而提高HEMT外延层的晶体质量，进一步减小HEMT器件所存在的电流崩塌效应和漏电流效应。此外，还能够避免缓冲层掺杂时掺杂元素回熔至沟道层和势垒层中，降低沟道层和势垒层的导电性能，提高沟道层和势垒层的性能。

上文分别以具有三个和四个反应腔室为例介绍了本实用新型的制备HEMT外延片的设备，但应理解，所述反应腔室的数量不局限于三个或四个，也可以是五个以上。此外，该设备还可以包括多个传递腔，每个传递腔中均设有一个机械手臂，每个传递腔分别负责至少一个反应腔室，从而能够提高设备利用率，也能够避免反应腔室更多造成一个传递腔无法合理安排支撑衬底的传输的问题。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种制备HEMT外延片的设备，用于制备HEMT外延片，其特征在于，包括m个反应腔室，其中m为自然数，且m≥3，其中，包括第一反应腔室、第二反应腔室和第三反应腔室，所述第一反应腔室用于形成成核层，所述第二反应腔室用于形成缓冲层，所述第三反应腔室用于形成剩余薄膜层。

2.如权利要求1所述的制备HEMT外延片的设备，其特征在于，还包括n个传递腔，连接在m个反应腔室之间，用于传递支撑衬底，其中n为自然数，且n<m。

3.如权利要求2所述的制备HEMT外延片的设备，其特征在于，还包括i个机械手臂，每一个所述传递腔内至少设有一个机械手臂，其中i为自然数。

4.如权利要求1所述的制备HEMT外延片的设备，其特征在于，所述制备HEMT外延片的设备为MOCVD。

5.如权利要求1所述的制备HEMT外延片的设备，其特征在于，包括4个反应腔室，分别为第一反应腔室、第二反应腔室、第三反应腔室和第四反应腔室，所述第一反应腔室用于形成成核层，所述第二反应腔室用于形成缓冲层，所述第三反应腔室用于形成沟道层，所述第四反应腔室用于形成势垒层。