氮化镓同质外延方法与流程

1.本发明属于半导制造领域，特别是涉及一种氮化镓同质外延方法。


背景技术：

2.第三代半导体材料由于能量禁带一般大于3.0电子伏，又被称为宽禁带半导体。相比于传统的硅基和砷化镓基半导体材料，宽禁带半导体(例如碳化硅、氮化镓、氮化铝及氮化铟等)由于具有特有的禁带范围、优良的光、电学性质和优异的材料性能，能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求，在汽车及航空工业、医疗、通讯、军事、普通照明及特殊条件下工作的半导体器件等方面具有十分广泛的应用前景。
3.氮化镓作为典型的第三代半导体材料，具有直接带隙宽、热导率高等优异性能而受到广泛关注。氮化镓相较于第一代和第二代半导体材料除了具有更宽的禁带(在室温下其禁带宽度为3.4ev)，可以发射波长较短的蓝光，其还具有高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定、耐高温及耐腐蚀等特点。因此，氮化镓非常适合用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。目前，氮化镓半导体材料的研究和应用已成为全球半导体研究的前沿和热点。
4.然而，目前氮化镓的单晶生长困难、价格昂贵，氮化镓的生长大多仍采用异质外延，所选用的异质衬底有硅衬底、碳化硅衬底和蓝宝石衬底；在异质衬底上生长氮化镓会带来晶格适配和热适配导致器件中存在残余应力影响其性能。大规模化的同质外延的生长目前仍存在较大的问题，一个较为难以克服的问题是氮化镓衬底与蓝宝石、si衬底相比，氮化镓衬底在高温下发生分解，导致氮化镓外延的生长表面晶体质量变差，难以获得高质量的氮化镓外延结构。
5.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氮化镓同质外延方法，用于解决现有技术中氮化镓衬底在高温下会发生分解导致氮化镓外延质量较差的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氮化镓同质外延方法，所述外延方法包括步骤：提供一氮化镓衬底，在所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层，其中，生长氮化镓外延层包括多个生长阶段，每个当前生长阶段的生长温度高于前一生长阶段的生长温度，每个当前生长阶段的生长速率大于前一生长阶段的生长速率，以抑制生长所述氮化镓外延层过程中，所述氮化镓衬底在高温下的分解。
8.可选地，每个当前生长阶段的生长温度比前一生长阶段的生长温度高30℃～60℃，每个当前生长阶段的生长速率比前一生长阶段的生长速率大0.2μm/h～0.6μm/h。
9.可选地，生长所述氮化镓外延层包括的生长阶段为3个～10个，所述氮化镓外延层的厚度为50纳米～200微米之间。
10.可选地，所述外延方法包括步骤：
11.1)提供一氮化镓衬底，将所述氮化镓衬底加热至第一温度，在第一生长速率下于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第一部分厚度；
12.2)将所述氮化镓衬底加热至第二温度，在第二生长速率下于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第二部分厚度；
13.3)将所述氮化镓衬底加热至第三温度，在第三生长速率下于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第三部分厚度；
14.4)将所述氮化镓衬底加热至第四温度，在第四生长速率下于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第四部分厚度；
15.5)将所述氮化镓衬底加热至第五温度，在第四生长速率下于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第五部分厚度；
16.其中，所述第一温度、第二温度、第三温度、第四温度、第五温度为依次升高；所述第一生长速率、第二生长速率、第三生长速率、第四生长速率、第五生长速率为依次增大。
17.可选地，步骤1)中，将所述氮化镓衬底加热至830℃～870℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第一部分厚度，生长速率为0.1μm/h～0.3μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为20s～150s。
18.可选地，步骤2)中，将所述氮化镓衬底加热至880℃～920℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第二部分厚度，生长速率为0.4μm/h～0.6μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为20s～150s。
19.可选地，步骤3)中，将所述氮化镓衬底加热至940℃～960℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第三部分厚度，生长速率为0.8μm/h～1.2μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为20s～150s。
20.可选地，步骤4)中，将所述氮化镓衬底加热至980℃～1020℃，以氨气nh3作为n源，三甲基镓tmg作为ga源于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第四部分厚度，生长速率为1.3μm/h～1.7μm/h，所述生长过程包括先通入三甲基镓tmg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三甲基镓tmg的生长时间为20s～150s。
21.可选地，步骤5)中，将所述氮化镓衬底加热至1030℃～1070℃，以氨气nh3作为n源，三甲基镓tmg作为ga源于所述氮化镓衬底上生长氮化镓外延层的第五部分厚度，生长速率为1.8μm/h～2.2μm/h，所述生长过程包括先通入三甲基镓tmg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三甲基镓tmg的生长时间为20s～150s。
22.可选地，所述氮化镓外延层的生长方法包括金属有机化学气相沉积法、氢化物气相外延及分子束外延中的一种。
23.如上所述，本发明的氮化镓同质外延方法，具有以下有益效果：
24.本发明实现了一种在氮化镓衬底上同质外延氮化镓外延层的方法，通过逐步提高
生长升温，逐渐提高生长速率的方法，生长初期通过较低的生长温度，可以有效抑制氮化镓衬底表面的氮化镓材料的分解，从而获得良好的生长表面，提高氮化镓外延层的生长质量，后期通过提高生长温度和生长速率，可以有效提高氮化镓外延层的生长效率，在生长相同厚度的氮化镓外延层的条件下，降低氮化镓衬底在高温过程下的时间，进而也降低氮化镓衬底分解的概率。通过上述方法，可以在保证生长效率的同时，避免氮化镓衬底表面的分解，获得晶体质量良好的氮化镓外延层。
附图说明
25.所包括的附图用来提供对本技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本技术的实施方式，并与文字描述一起来阐释本技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例。
26.图1～图6显示为本发明实施例的氮化镓同质外延方法各步骤所呈现的结构示意图。
27.图7显示为本发明实施例的氮化镓同质外延方法的步骤流程示意图。
28.元件标号说明
29.101
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氮化镓衬底
30.102
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第一部分厚度
31.103
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第二部分厚度
32.104
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第三部分厚度
33.105
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第四部分厚度
34.106
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第五部分厚度
35.s11～s15
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步骤1)～步骤5)
具体实施方式
36.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
37.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
38.针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
39.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
40.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也
可以存在一个或多个介于其间的层。
41.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
42.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
43.如图1～图7所示，本实施例提供一种氮化镓同质外延方法，所述外延方法包括步骤：提供一氮化镓衬底101，在所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层，其中，生长氮化镓外延层包括多个生长阶段，每个当前生长阶段的生长温度高于前一生长阶段的生长温度，每个当前生长阶段的生长速率大于前一生长阶段的生长速率，以抑制生长所述氮化镓外延层过程中，所述氮化镓衬底101在高温下的分解。
44.在一个实施例中，每个当前生长阶段的生长温度比前一生长阶段的生长温度高30℃～60℃，每个当前生长阶段的生长速率比前一生长阶段的生长速率大0.2μm/h～0.6μm/h。例如，每个当前生长阶段的生长温度比前一生长阶段的生长温度高50℃，每个当前生长阶段的生长速率比前一生长阶段的生长速率大0.5μm/h。当然，相邻两个生长阶段的生长温度的差值可以是相同的，也可以是不同，相邻两个生长阶段的生长速率的差值可以是相同的，也可以是不同的，也就是说，以上的差值可以是一固定值，也可以是变化的值，可以依据实际的工艺需求进行调整。
45.在一个实施例中，生长所述氮化镓外延层包括的生长阶段为3个～10个，所述氮化镓外延层的厚度为50纳米～200微米之间。例如，生长所述氮化镓外延层包括的生长阶段可以为5个，所述氮化镓外延层的厚度可以为3微米等。
46.在一个实施例中，所述氮化镓外延层的生长方法包括金属有机化学气相沉积法、氢化物气相外延及分子束外延中的一种。
47.如图1～图6及图7的步骤流程图所示，在一个具体实施过程中，所述外延方法选用为金属有机化学气相沉积法，包括步骤：
48.如图1～图2及图7所示，进行步骤1)s11，提供一氮化镓衬底101，将所述氮化镓衬底101加热至第一温度，在第一生长速率下于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第一部分厚度102；
49.如图3及图7所示，进行步骤2)s12，将所述氮化镓衬底101加热至第二温度，在第二生长速率下于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第二部分厚度103；
50.如图4及图7所示，进行步骤3)s13，将所述氮化镓衬底101加热至第三温度，在第三生长速率下于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第三部分厚度104；
51.如图5及图7所示，进行步骤4)s14，将所述氮化镓衬底101加热至第四温度，在第四生长速率下于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第四部分厚度105；
52.如图6及图7所示，进行步骤5)s15将所述氮化镓衬底101加热至第五温度，在第四生长速率下于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第五部分厚度106；
53.其中，所述第一温度、第二温度、第三温度、第四温度、第五温度为依次升高；所述
第一生长速率、第二生长速率、第三生长速率、第四生长速率、第五生长速率为依次增大。
54.在一个实施例中，步骤1)s11中，将所述氮化镓衬底101加热至830℃～870℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第一部分厚度102，生长速率为0.1μm/h～0.3μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为20s～150s，期间保持通入其余反应气体。在一个具体示例中，将所述氮化镓衬底101加热至850℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第一部分厚度102，生长速率为0.2μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为60s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为30s，期间保持通入其余反应气体。当然，也可以重复进行通入三乙基镓teg的生长和停止通入三乙基镓teg的生长，以实现实际所需的厚度。
55.在一个实施例中，步骤2)s12中，将所述氮化镓衬底101加热至880℃～920℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第二部分厚度103，生长速率为0.4μm/h～0.6μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为20s～150s，期间保持通入其余反应气体。在一个具体示例中，将所述氮化镓衬底101加热至900℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第二部分厚度103，生长速率为0.5μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为60s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为30s，期间保持通入其余反应气体。当然，也可以重复进行通入三乙基镓teg的生长和停止通入三乙基镓teg的生长，以实现实际所需的厚度。
56.在一个实施例中，步骤3)s13中，将所述氮化镓衬底101加热至940℃～960℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第三部分厚度104，生长速率为0.8μm/h～1.2μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为20s～150s，期间保持通入其余反应气体。在一个具体示例中，将所述氮化镓衬底101加热至950℃，以氨气nh3作为n源，三乙基镓teg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第三部分厚度104，生长速率为1μm/h，所述生长过程包括先通入三乙基镓teg的生长时间为60s，然后停止通入三乙基镓teg的生长时间为30s，期间保持通入其余反应气体。当然，也可以重复进行通入三乙基镓teg的生长和停止通入三乙基镓teg的生长，以实现实际所需的厚度。
57.在一个实施例中，步骤4)s14中，将所述氮化镓衬底101加热至980℃～1020℃，以氨气nh3作为n源，三甲基镓tmg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第四部分厚度105，生长速率为1.3μm/h～1.7μm/h，所述生长过程包括先通入三甲基镓tmg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三甲基镓tmg的生长时间为20s～150s，期间保持通入其余反应气体。在一个具体示例中，将所述氮化镓衬底101加热至1000℃，以氨气nh3作为n源，三甲基镓tmg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第四部分厚度105，生长速率为1.5μm/h，所述生长过程包括先通入三甲基镓tmg的生长时间为60s，然后停止通入三甲基镓tmg的生长时间为30s，期间保持通入其余反应气体。当然，也可以重复进行通入三乙基镓tmg的生长和停止通入三乙基镓tmg的生长，以实现实际所需的厚度。
58.在一个实施例中，步骤5)s15中，将所述氮化镓衬底101加热至1030℃～1070℃，以氨气nh3作为n源，三甲基镓tmg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第五
部分厚度106，生长速率为1.8μm/h～2.2μm/h，所述生长过程包括先通入三甲基镓tmg的生长时间为40s～300s，然后停止通入三甲基镓tmg的生长时间为20s～150s，期间保持通入其余反应气体。在一个具体示例中，将所述氮化镓衬底101加热至1050℃，以氨气nh3作为n源，三甲基镓tmg作为ga源于所述氮化镓衬底101上生长氮化镓外延层的第五部分厚度106，生长速率为2μm/h，所述生长过程包括先通入三甲基镓tmg的生长时间为60s，然后停止通入三甲基镓tmg的生长时间为30s，期间保持通入其余反应气体。当然，也可以重复进行通入三乙基镓tmg的生长和停止通入三乙基镓tmg的生长，以实现实际所需的厚度。
59.本技术在生长初期的步骤1)～步骤3)采用三乙基镓teg作为镓源，teg可以降低生长过程氮化镓外延层的含碳量，以使氮化镓外延层低压低速生长，生长出高质量的氮化镓外延层；生长后期的步骤4)～步骤5)采用三甲基镓tmg作为镓源，tmg可以提高氮化镓外延层的生长速率，从而提高生产效率。
60.如上所述，本发明的氮化镓同质外延方法，具有以下有益效果：
61.本发明实现了一种在氮化镓衬底101上同质外延氮化镓外延层的方法，通过逐步提高生长升温，逐渐提高生长速率的方法，生长初期通过较低的生长温度，可以有效抑制氮化镓衬底101表面的氮化镓材料的分解，从而获得良好的生长表面，提高氮化镓外延层的生长质量，后期通过提高生长温度和生长速率，可以有效提高氮化镓外延层的生长效率，在生长相同厚度的氮化镓外延层的条件下，降低氮化镓衬底101在高温过程下的时间，进而也降低氮化镓衬底101分解的概率。通过上述方法，可以在保证生长效率的同时，避免氮化镓衬底101表面的分解，获得晶体质量良好的氮化镓外延层。
62.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
63.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。