硅基氮化镓外延结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种应用于功率器件的硅基氮化镓外延结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓功率器件由于氮化镓材料其本身的先进特性，相对于目前市场上主导的硅半导体功率器件，在同样的工作电压和功率条件下，能够在能量转换过程中进一步降低大约30% -50%的能量损耗，同时它的体积更小(1/10)，工作电压更高(> 600V)，转换功率更大(> kW)，以及工作频率更快(> 50MHz)。所有的这些优势在通过商业化降低生产成本，都可以转换成巨大的经济效益，为世界节能降耗做出重大贡献。
[0003]整个氮化镓功率器件技术的核心在于如何生产出高质量的氮化镓材料。因为氮化镓材料本身熔点高，所以很难采用熔融的结晶技术(比如硅)。目前最先进的结晶技术也只能生产出2寸片，成本极其昂贵，无法实现大规模生产，所以不具备产业化经济效益需求。现在业界发展比较成熟的制备技术且同时具备产业化可行性的是金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延技术。同时因为氮化镓材料晶格的特性，自然界还缺乏一个能够跟氮化镓晶格匹配相似并且制造成本相对较低的衬底材料。现在业界普遍使用的衬底是碳化硅，蓝宝石，以及单晶硅。碳化硅和蓝宝石这两个材料成本都非常高(6寸蓝宝石价格大概500-600美元，3寸碳化硅价格大概2000美元)。
[0004]对氮化镓功率器件来说，考虑到衬底材料以及后续电子器件加工制备的成本，蓝宝石和碳化硅在经济效益层面不是一个可行的材料(尺寸，硅加工工艺相容性等等)，业界普遍承认并且努力攻克的唯一可行技术就是以硅为衬底进行金属有机物化学气相沉积外延生长。硅衬底具备成本低，晶圆尺寸大，后续加工工艺成熟及相容的优点。但是(111)硅材料跟氮化镓晶格的不匹配程度达到17%，热膨胀的不匹配程度达到54%，这使得在硅衬底上长氮化镓外延的过程中容易形成较大的应力以及较高的位错密度。应力大会导致外延表面出现裂纹以及整个外延片弯曲度高而无法应用于后续的电子器件加工。高位错密度可以导致氮化镓外延材料质量降低以及随之而来的低击穿电压。
[0005]在整个外延生长的过程中，应力的形成和演变大致包括以下几个阶段:1)初期的加热升温过程中硅衬底表面和背面的温度差形成张应力；2)随着外延生长因为晶格不匹配导致的压应力逐渐取代温差引起的张应力；3)在外延生长末期压应力大达到最大值；4)在降温过程中因为热膨胀不匹配导致的张应力逐渐抵消压应力。在各个阶段的外延应力变化会直接影响到外延裂纹的形成。
[0006]图1是现有技术中硅基氮化镓外延结构的结构示意图。如图1所示，该硅基氮化镓外延结构包括硅(111)衬底101 ;在硅(111)衬底101上生长的氮化铝缓冲层102 ;在氮化铝缓冲层102上生长的多层铝镓氮渐变缓冲层103，在多层铝镓氮渐变缓冲层103中铝成分从高到低逐渐变化；在所述多层铝镓氮渐变缓冲层103上生长的氮化镓缓冲层104 ;在所述氮化镓缓冲层104上生长的氮化铝隔离层105和在所述氮化铝隔离层105上生长的铝镓氮器件层106。通常采用这种方式来缓解外延生长过程中的应力。
[0007]考虑到功率器件对硅基氮化镓外延结构的高击穿电压要求(> 600V)，氮化镓外延结构的厚度比普通的LED外延普遍较厚(> 4um)，采用这种方式对缓解外延生长过程中应力的缓解作用有限，尤其是在缓解外延生长末期的最大压应力作用有限。因此，对消除应用于功率器件的硅基氮化镓外延裂纹和弯曲度效果不明显。
【发明内容】
[0008]为解决上述技术问题，本发明的目的在于提出一种硅基氮化镓外延结构及其制造方法，解决外延生长过程中的应力问题，尤其是在外延生长末期的最大压应力。
[0009]为达此目的，本发明采用以下的技术方案:
[0010]一种硅基氮化镓外延结构，所述硅基氮化镓外延结构包括:硅衬底，所述硅衬底包括经受过氮化处理的表面；氮化铝缓冲层，生长在所述硅衬底的所述表面上；第一渐变缓冲层，生长在所述氮化铝缓冲层上，所述第一渐变缓冲层为多层AlxGa1 XN(0.1 ^ X ^ 0.9)结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层AlxGa1 XN结构的X值逐渐减小；第二渐变缓冲层，生长在所述第一渐变缓冲层上，所述第二渐变缓冲层为多层AlxGa1 XN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1 XN结构的X值逐渐增大；第三渐变缓冲层，生长在所述第二渐变缓冲层上，所述第三渐变缓冲层为多层AlxGa1 XN结构，在所述第三渐变缓冲层中从靠近所述第二渐变缓冲层到远离所述第二渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1 XN结构的X值逐渐减小。
[0011]其中，所述硅衬底的表面为(111)面。
[0012]其中，所述第一渐变缓冲层包括六层AlxGa1 XN结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层AlxGa1 XN结构的X值分别为 0.9、0.75、0.6、0.45、0.3、0.15。
[0013]其中，所述第二渐变缓冲层包括六层AlxGalxN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1 XN结构的X值分别为 0.15、0.30、0.45、0.6、0.75、0.9。
[0014]其中，所述第三渐变缓冲层的结构与所述第一渐变缓冲层结构相同。
[0015]其中，所述第一渐变缓冲层、第二渐变缓冲层和第三渐变缓冲层的厚度分别为I μ m_l.5 μ mD
[0016]所述的硅基氮化镓外延结构还包括:氮化镓缓冲层，生长在所述硅基氮化镓外延结构上；氮化铝隔离层，生在所述氮化镓缓冲层上；铝镓氮器件层，生长在所述氮化铝隔离层上。
[0017]其中，所述氮化镓缓冲层的生长厚度为I μπι至2 μπι。
[0018]其中，所述氮化铝隔离层的生长厚度为Inm至1nm0
[0019]其中，所述铝镓氮器件层的生长厚度为20nm至40nm。
[0020]本发明还提供一种硅基氮化镓外延结构的制造方法，该方法包括以下步骤:提供硅衬底，对所述硅衬底的表面进行氮化处理；采用金属有机物化学气相沉积法在所述硅衬底的表面上生长氮化铝缓冲层；采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化铝缓冲层上生长第一渐变缓冲层，所述第一渐变缓冲层为多层AlxGa1 XN(0.1 ^ X ^ 0.9)结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层的到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层AlxGal-xN结构的X值逐渐减小；采用金属有机物化学气相沉积法在所述第一渐变缓冲层上生长第二渐变缓冲层，所述第二渐变缓冲层为多层AlxGa1 XN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1 XN结构的X值逐渐增大；采用金属有机物化学气相沉积法在所述第二渐变缓冲层上生长第三渐变缓冲层，所述第三渐变缓冲层为多层AlxGa1 XN结构，在所述第三渐变缓冲层中从靠近所述第二渐变缓冲层到远离所述第二渐变缓冲层的方向上，每层Alx