一种外延片制备方法、外延片及高电子迁移率晶体管与流程

1.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、外延片及高电子迁移率晶体管。


背景技术：

2.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、抗辐射的高电子迁移率晶体管(hemt)结构的首选材料。而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被广泛用于高温高频大功率器件、低损耗率开关器件等应用领域。
3.目前，该领域生长gan薄膜的常用衬底为蓝宝石(al2o3)、碳化硅(sic)和硅(si)，其中蓝宝石和sic衬底外延生长gan薄膜已经非常成熟，但其价格偏贵，特别是sic价格昂贵，大大增加了生产成本高，而且蓝宝石本身散热效果不好，很难实现大尺寸外延生长。因此，通常采用si衬底外延生长gan薄膜，其导热性好，可实现大尺寸外延，特别是6寸、8寸和12寸外延片，可降低生产成本，具有极大的市场竞争力。但si衬底与gan外延薄膜存在较大的晶格失配和热失配，较大的晶格失配在外延生长过程中产生的薄膜应力会导致外延薄膜晶体质量下降，另外，在降温过程中较大的热失配产生的热应力会使外延薄膜表面产生裂纹，同样使外延层晶体质量下降。因此，为了制备出性能更加优越的高电子迁移率晶体管仍需大量的深入研究。
4.现有技术中，由于si衬底与gan之间比较大的晶格失配和热失配，在外延表面很容易形成裂纹，产生龟裂，从而限制了该技术的发展。为了减少裂纹，提高外延层质量，常用采取方式有设置低温a1n插入层/高温a1n插入层，还有采用渐变层a1gan、aln/a1gan超晶格等方法逐渐释放晶格失配造成的应力解决外延层表面裂纹和晶体质量的难题。然而，这些常规方法都是从晶格失配角度去考虑，降低因晶格失配产生的应力而导致外延薄膜表面裂纹的产生和晶体质量的下降，而没有解决热失配产生的应力，si衬底与gan薄膜之间依然存在很大的热失配，进而导致外延片的晶体质量差。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种外延片制备方法、外延片及高电子迁移率晶体管，旨在解决现有技术中的外延片在降低晶格适配时未考虑热失配而导致晶体质量差的问题。
6.本发明实施例是这样实现的：
7.一种外延片制备方法，所述方法包括：
8.提供一衬底；
9.以氮气作为载气通入正己烷对所述衬底进行碳化，以在所述衬底上生长第一薄膜层，继续通入正己烷和硅烷以在所述第一薄膜层上生长第二薄膜层；
10.依次在所述第二薄膜层上生长成核层、高阻缓冲层、沟道层、插入层、势垒层以及盖帽层；
11.其中，所述第一薄膜层与第二薄膜层均为sic层。
12.另外，根据本发明提出的外延片的制备方法，还可以具有如下的附加技术特征：
13.进一步，上述外延片制备方法，其中，所述第一薄膜层与第二薄膜层的生长温度均为1100℃-1300℃。
14.进一步，上述外延片制备方法，其中，所述第一薄膜层与第二薄膜层的生长压力均为30～70mbar。
15.进一步，上述外延片制备方法，其中，所述第一薄膜层的生长厚度小于所述第二薄膜层的生长厚度。
16.进一步，上述外延片制备方法，其中，所述第一薄膜层的生长厚度为10～20nm，所述第二薄膜层的生长厚度为100～300nm。
17.进一步，上述外延片制备方法，其中，所述以氢气作为载气通入正己烷对所述衬底进行碳化，以在所述衬底上生长第一薄膜层，继续通入正己烷和硅烷以在所述第一薄膜层上生长第二薄膜层的步骤之前还包括：
18.将所述衬底在温度为1000～1200℃，h2气氛下高温处理5～10min，后通入n2吹扫1～5min。
19.进一步，上述外延片制备方法，其中，所述依次在所述第二薄膜层上生长成核层、高阻缓冲层、沟道层、插入层、势垒层以及盖帽层的步骤包括：
20.控制温度调节为1100℃-1300℃、生长压力为30～70mbar，使用氮气作为载气，通入氨气和三甲基铝以在所述第二薄膜层上生长成核层；
21.控制温度为1000℃-1200℃，压力为40～70mbar，通入预设载气、前驱体以及稼源以在所述成核层上生长高阻缓冲层；
22.控制温度为1000℃-1150℃，压力为100～300mbar，通入预设载气、前驱体以及稼源以在所述高阻缓冲层上生长沟道层；
23.控制温度为1050℃-1150℃，压力为40～70mbar，通入预设载气、前驱体以及稼源以在所述沟道层上依次生长插入层、势垒层以及盖帽层。
24.本发明的另一个目的在于提供一种外延片，所述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：
25.衬底；
26.依次层叠在所述衬底上的第一薄膜层、第二薄膜层、成核层、高阻缓冲层、沟道层、插入层、势垒层以及盖帽层。
27.进一步的，上述外延片，其中，所述衬底为si衬底，所述第一薄膜层与第二薄膜层均为sic层，所述成核层与插入层均为aln层，所述高阻缓冲层与势垒层均为algan层，所述沟道层与盖帽层均为gan层。
28.本发明的另一个目的在于提供一种高电子迁移率晶体管，其中，包括上述的外延片。
29.与现有技术相比：由于si衬底与gan外延层的存在较大的热失配，在降温过程中外延层会受到极大的热应力，容易使外延层表面产生裂纹，而在si衬底表面生长sic薄膜，能
够缓解在降温过程中带来的热应力，减少外延层表面缺陷，并且第一薄膜层是只通入正己烷，此时形成的sic薄膜表面相对比较粗糙，有利于释放si衬底与第二薄膜以及外延层之间的应力，第二sic薄膜是通入正己烷和硅烷反应生成的sic薄膜，此时形成的sic薄膜表面相对比较平整，晶体质量相对较好，能够减少外延层在降温过程中带来的热应力；其次，gan外延层与sic的晶格失配为3.5％，远小于gan外延层与si的晶格失配17％，在si衬底上插入sic薄膜同时能够降低gan外延生长过程中的晶格失配度，在降低外延片的晶格适配的同时减少热失配，从而最终提高外延层的晶体质量。
附图说明
30.图1为本发明一实施例当中的外延片制备方法的流程图；
31.图2为传统方法制备的外延片的边缘裂纹情况；
32.图3为本发明一实施例中提出的外延片制备方法制备出的外延片的边缘裂纹情况。
33.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
34.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。
35.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。
36.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。
37.本发明针对目前外延片的晶体质量差的问题，提出了一种外延片制备方法、外延片及高电子迁移率晶体管，其中：
38.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：
39.步骤s10，提供一衬底。
40.在本实施例当中，衬底采用p型掺杂的si衬底，另外，在本发明一些可选的实施例当中，为了提升在衬底上的外延生长效果，在衬底上进行外延生长之前，将衬底在温度为1000～1200℃，h2气氛下高温处理5～10min，后通入n2吹扫1～5min；具体的，将衬底mocvd系统中，腔体温度升至1000～1200℃，在h2气氛下高温处理5～10min，以除去si基衬底表面的氧化物杂质，然后通入n2吹扫1～5min，去除腔体内h2，腔体压力保持在50～100mbar。
41.步骤s11，以氮气作为载气通入正己烷对所述衬底进行碳化，以在所述衬底上生长第一薄膜层，继续通入正己烷和硅烷以在所述第一薄膜层上生长第二薄膜层。
42.具体的，si衬底在高温处理后，在温度为1100～1200℃、腔体压力为30～70mbar
下，使用n2作为载气，通入正己烷对si衬底进行碳化，生成sic层以形成第一薄膜层，其中，生长厚度为10～20nm；第一薄膜层生长结束后，在温度为1100～1200℃、腔体压力为30～70mbar下，使用n2作为载气，使用n2作为载气，通入正己烷和硅烷生长第二薄膜层，其中，生长厚度为100～300nm。进一步的，第一薄膜层的生长厚度小于第二薄膜层的生长厚度。
43.可以理解的，第一薄膜层只通入正己烷，在高温条件下对si衬底进行碳化，与si衬底表面si原子形成sic薄膜，此时形成的sic薄膜表面相对比较粗糙，有利于释放si衬底与第二薄膜层以及外延层之间的应力，且第一薄膜层厚度较薄，对晶体质量影响很小，第二薄膜层是通入正己烷和硅烷反应生成sic薄膜，此时形成的sic薄膜表面相对比较平整，晶体质量相对较好，且第二薄膜层的厚度相对偏厚，能够减少外延层在降温过程中带来的热应力，从而减少外延层表面缺陷。并且外延层与sic的热失配为25％，sic的热膨胀系数为3.8*10-6
/k，介于gan的热膨胀系数为5.59*10-6
/k和si的热膨胀系数为2.59*10-6
/k之间；其次，gan外延层与sic的晶格失配为3.5％，远小于gan外延层与si的晶格失配17％，在si衬底上插入sic薄膜能够降低gan外延生长过程中的晶格失配度，最终提高gan外延层的晶体质量。
44.步骤s12，依次在所述第二薄膜层上生长成核层、高阻缓冲层、沟道层、插入层、势垒层以及盖帽层。
45.具体的，控制温度调节为1100℃-1300℃、生长压力为30～70mbar，使用氮气作为载气，通入氨气和三甲基铝以在所述第二薄膜层上生长成核层，后依次在成核层上外延生长高阻缓冲层、沟道层、插入层、势垒层以及盖帽层，具体的，控制温度为1000℃-1200℃，压力为40～70mbar，通入预设载气、前驱体以及稼源以在所述成核层上生长高阻缓冲层；控制温度为1000℃-1150℃，压力为100～300mbar，通入预设载气、前驱体以及稼源以在所述高阻缓冲层上生长沟道层；控制温度为1050℃-1150℃，压力为40～70mbar，通入预设载气、前驱体以及稼源以在所述沟道层上依次生长插入层、势垒层以及盖帽层。
46.示例性的，高阻缓冲层为碳掺杂的algan层，厚度为2.0～4.0μm，c掺杂浓度为10
19
cm-3-10
20
cm-3
之间，al组分范围为0.2～0.8；沟道层为gan层，厚度为300～600nm；插入层为aln层，厚度为1nm，；势垒层为algan层，厚度为20～25nm，al组分为0.20～0.25；盖帽层为gan层，厚度为3～10nm；三甲基铝(tmal)、三甲基镓或三乙基镓(tmga或tega)、nh3分别作为ⅲ族源和
ⅴ
族源的前驱体，四溴化碳(cbr4)作为碳(c)源的前驱体，正己烷(c6h
14
)和硅烷(sih4)作为生长sic薄膜的前驱体，n2和h2作为载气。
47.需要说明的是，由于sic易吸附h2，sic薄膜生长前后阶段需均采用n2作为载气，不宜使用h2作为载气，避免影响sic薄膜以及后续aln层、外延层薄膜的晶体质量，高温aln成核层生长结束后，后续的外延层结构可采用h2、n2或h2/n2混合气体作为载气。
48.另一方面，本发明还提出一种外延片，该外延片由上述的外延片制备方法制备得到，所述外延片包括：
49.衬底；
50.依次层叠在所述衬底上的第一薄膜层、第二薄膜层、成核层、高阻缓冲层、沟道层、插入层、势垒层以及盖帽层。
51.示例性的，衬底为si衬底，第一薄膜层与第二薄膜层均为sic层，成核层与插入层均为aln层，高阻缓冲层与势垒层均为algan层，沟道层与盖帽层均为gan层。
52.另一方面，本发明还提出一种高电子迁移率晶体管，包括上述的外延片。
53.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。
54.实施例1
55.提供一衬底；
56.以氮气作为载气通入正己烷，在生长压力为50mbar，生长温度为1100℃的条件下对衬底进行碳化，以在衬底生长厚度为10nm的第一薄膜层，继续通入正己烷和硅烷在生长压力为30mbar，生长温度为1200℃的条件下，以在第一薄膜层上生长厚度为300nm的第二薄膜层；
57.依次在第二薄膜层生长aln成核层、algan高阻缓冲层、gan沟道层、aln插入层、algan势垒层以及gan盖帽层。
58.实施例2
59.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
60.第一薄膜层的生长厚度为15nm。
61.实施例3
62.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
63.第一薄膜层的生长厚度为20nm。
64.实施例4
65.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
66.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长厚度为100nm。
67.实施例5
68.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
69.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长厚度为200nm。
70.实施例6
71.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
72.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长厚度为400nm。
73.实施例7
74.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
75.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长压力为20mbar。
76.实施例8
77.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
78.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长压力为40mbar。
79.实施例9
80.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
81.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长压力为50mbar。
82.实施例10
83.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
84.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长温度为1100℃。
85.实施例11
86.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
87.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长温度为1150℃。
88.实施例12
89.本实施例也提出一种外延片制备方法，本实施例与实施例1中提出的外延片制备方法的不同之处在于：
90.第一薄膜层的生长厚度为15nm，第二薄膜层的生长温度为1250℃。
91.为了与本发明上述实施例进行对比，本发明还提出以下对照例。
92.对照例1
93.本发明对照例也提出一种外延片制备方法，本对照例与本实施例1中的不同之处在于：
94.对照例1中为传统的外延片制备方法，其在衬底上直接生长aln成核层，在衬底与aln成核层之间不插入第一薄膜层和第二薄膜层。
95.请参阅下表1，所示为本发明上述实施例1～12及对比例1对应的参数。
96.表1
[0097][0098]
上表1中，第一薄膜层与第二薄膜层均为sic层。在实际应用当中，分别采用本发明上述实施例1～12、及对照例1所对应的制备方法及参数制备得到对应的外延片进行分别对进行x射线衍射测试(xrd)以测试预设面的半宽(xrd-002、xrd-102)以及击穿电压等测试实验，测试数据如下表2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1～12、及对照例1在对应制备外延片时除上述参数不同以外、其它都应当相同，即其他层的制备工艺及参数都应当保持一致。
[0099]
表2：
[0100][0101]
结合上述表1和表2的数据可以明显看出，本发明通过在si衬底表面生长sic薄膜，缓解在降温过程中带来的热应力，减少外延层表面缺陷，并且第一薄膜层是只通入正己烷，此时形成的sic薄膜表面相对比较粗糙，有利于释放si衬底与第二薄膜以及外延层之间的应力，第二sic薄膜是通入正己烷和硅烷反应生成的sic薄膜，此时形成的sic薄膜表面相对比较平整，晶体质量相对较好，能够减少外延层在降温过程中带来的热应力，同时在si衬底上插入sic薄膜同时能够降低gan外延生长过程中的晶格失配度，最终提高外延层的晶体质量。
[0102]
另外，结合实施例1至3、实施例4至6可以明显看出，第一薄膜层与第二薄膜层合理的生长厚度对外延片的晶体质量提升均有促进作用，并且第一薄膜层厚度为15，第二薄膜层厚度为300时表现最佳，那是因为第一薄膜层主要用于释放si衬底与第二薄膜层以及外延层之间的应力，因此第一薄膜层的厚度较薄，对晶体质量影响小，而晶体质量好的第二薄膜层厚度设置相对偏厚，能够减少外延层在降温过程中带来的热应力，从而减少外延层表面缺陷。
[0103]
结合实施例7至12可以明显看出，第一薄膜层与第二薄膜层合理的生长条件对外延片的晶体质量提升均有促进作用，并且在生长压力为30mbar，生长温度为1200℃时表现
最佳。
[0104]
请参阅图2至图3，所示为传统外延片与本技术制备出的外延片的表面边缘情况，从图中可以明显看出本技术制备出的外延片相对传统方式制备出的外延片表面平整度更高，从而使得外延片的晶体质量得到明显提升。
[0105]
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。