一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，包括以下步驟：步驟1：在硅襯底上，采用超高真空化學(xué)氣相沉積方法外延鍺層；步驟2：經(jīng)外延了鍺層的硅襯底放入MOCVD反應(yīng)室中，分別生長低溫成核砷化鎵層和高溫砷化鎵層；步驟3：生長半絕緣砷化鎵層；步驟4：生長砷化鎵蓋層；步驟5：拋光、清洗、封裝，完成襯底的制備。本發(fā)明提出的上述方法中采用超高真空化學(xué)氣相沉積從硅襯底過渡到鍺層，通過底層鍺的弛豫來消除4％的應(yīng)變，由于砷化鎵與鍺的晶格失配只有800ppm，利用超高真空化學(xué)氣相外延從硅襯底到鍺層，避免了失配位錯的產(chǎn)生，采用高低溫砷化鎵層的配合來解決反向疇的問題。
【專利說明】一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體襯底領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體襯底按照電阻率大小一般可以分為P型低阻、η型低阻、高阻、半絕緣型。其中，半絕緣襯底(sem1-1nsulating materials)為電阻率大于107Ω.cm的半導(dǎo)體襯底，可以有效的實現(xiàn)電荷隔尚、減少寄生電容效應(yīng)，實現(xiàn)器件的聞速、聞頻性能，廣泛應(yīng)用于微電子(HEMT、HBT、MISFET、MOSFET等)和光電子領(lǐng)域(高速光探測器)。例如，單片微波集成電路(MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit)是在半絕緣半導(dǎo)體襯底上(S1-GaAs半絕緣砷化鎵、S1-1nP半絕緣磷化銦)，采用一系列的半導(dǎo)體工藝方法制造出無源和有源元器件，并連接起來構(gòu)成應(yīng)用于微波頻段的功能電路；其關(guān)鍵部分是是半絕緣砷化鎵(或半絕緣磷化銦)基高性能HEMT的制作。近年來，基于半絕緣氮化鎵(或半絕緣碳化硅)的大功率GaN/AlGaN HEMT成為國內(nèi)外研究的熱點。
[0003]II1-V族化合物半導(dǎo)體GaAs、InP、SiC、GaN等，可以通過引入本征缺陷(例如GaAs中的EL2)或者進行過渡金屬元素摻雜(摻鐵InP)來實現(xiàn)半絕緣的性能；但是，單純的硅和鍺襯底很難實現(xiàn)半絕緣的特性，其電阻率最大可以達到103Ω.cm的量級。不過，通過注氧隔離技術(shù)制備的SOI也可以達實現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)電荷隔離。
[0004]目前，砷化鎵或者磷化銦襯底的尺寸一般是2、4、6英寸，硅襯底可以達到12英寸，并且II1-V族化合物襯底價格遠遠大于硅襯底。同時廣泛應(yīng)用于II1-V族化合物半導(dǎo)體材料與器件結(jié)構(gòu)外延的MOCVD設(shè)備所能生產(chǎn)的外延片的尺寸已經(jīng)達到了 8英寸(例如AIXTRON MOCVD設(shè)備,http://www.aixtron.com),并且在逐步增大,性能也逐漸改進。因此將硅襯底和MOCVD技術(shù)結(jié)合來獲得高質(zhì)量、大尺寸的硅基半絕緣砷化鎵襯底是進行II1-V族化合物半導(dǎo)體器件、電路、系統(tǒng)的硅基集成的必要條件，也是實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、降低能耗與成本的重要方向。
[0005]在Si襯底上外延高質(zhì)量的II1-V族半導(dǎo)體材料是制備Si基II1-V族化合物半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，而制作出硅基半絕緣性能的砷化鎵層可以實現(xiàn)基于半絕緣襯底的II1-V族半導(dǎo)體器件的硅基集成。GaAs是研究較為成熟的II1-V族材料，本方法采用GaAs作為II1-V的代表來研究外延問題。Si和GaAs的晶格適配較大(4.1% )，熱失配較大(Si和GaAs的熱膨脹系數(shù)分別為2.59X10^,5.75X I(T6Kwl)，因此在異質(zhì)外延時會產(chǎn)生大量的位錯。同時，由于極性材料在非極性襯底上外延以及襯底臺階的存在，外延層中會產(chǎn)生大量的反相疇(Ant1-phase domain, APD),反相疇邊界(Ant1-phase boundary, APB)是載流子的散射和復(fù)合中心，同時在禁帶引入缺陷能級。這些位錯和反相疇邊界會一直延伸到外延層的表面，嚴重影響了外延層的質(zhì)量。Si基II1-V族材料的生長必須解決這兩個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種硅基半絕緣砷化鎵襯底材料，為實現(xiàn)基于半絕緣砷化鎵襯底的器件的硅基集成提供襯底平臺。
[0007]本發(fā)明提供了一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:在硅襯底上，采用超高真空化學(xué)氣相沉積方法外延鍺層；
[0009]步驟2:經(jīng)外延了鍺層的硅襯底放入MOCVD反應(yīng)室中，分別生長低溫成核砷化鎵層和高溫砷化鎵層；
[0010]步驟3:生長半絕緣砷化鎵層；
[0011]步驟4:生長砷化鎵蓋層；
[0012]步驟5:拋光、清洗、封裝，完成襯底的制備。
[0013]本發(fā)明提出的上述方法中采用超高真空化學(xué)氣相沉積從硅襯底過渡到鍺層，通過底層鍺的弛豫來消除4%的應(yīng)變，由于砷化鎵與鍺的晶格失配只有800ppm，利用超高真空化學(xué)氣相外延從硅襯底到鍺層，避免了失配位錯的產(chǎn)生，采用高低溫砷化鎵層的配合來解決反向疇的問題。同時為了達到隔斷電荷的目的，采用摻鐵的方法實現(xiàn)砷化鎵的半絕緣特性，來解決高速微電子器件的寄生電容效應(yīng)。最后通過拋光來獲得高平整度的砷化鎵表面。
[0014]本發(fā)明提出的上述方案的特點是:1、外延鍺層實現(xiàn)硅襯底到砷化鎵的過渡；
[0015]2、砷化鎵摻鐵來獲得半絕緣層；
[0016]3、通過拋光實現(xiàn)了高平整度的砷化鎵表面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明提出的硅基半絕緣砷化鎵襯底的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明提出的硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法流程圖；
[0019]圖3是本發(fā)明中非故意摻雜(NID)和摻鐵(Fe)砷化鎵的I_V曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0021]圖1示出了本發(fā)明提出的一種硅基半絕緣砷化鎵襯底。如圖1所示，包括，硅襯底
1、鍺層2、低溫成核砷化鎵層3、高溫砷化鎵層4、半絕緣砷化鎵層5、生砷化鎵蓋層6。
[0022]圖2示出了本發(fā)明提出的硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法流程圖。如圖2所示，該方法包括以下步驟:
[0023]步驟1:在硅襯底I上，采用超高真空化學(xué)氣相沉積方法外延鍺層2 ；
[0024]步驟2:將其立即放入MOCVD反應(yīng)室中，分別生長低溫成核砷化鎵層3和高溫砷化鎵層4;
[0025]步驟3:生長半絕緣砷化鎵層5 ；
[0026]步驟4:生長砷化鎵蓋層6 ；
[0027]步驟5:拋光、清洗、封裝，完成襯底的制備。
[0028]其中，硅襯底I為偏[011]方向3°至6°的(100)襯底，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)硅片清洗后放入反應(yīng)室；鍺層2需要達到小于lX106cm-2的缺陷密度以及小于Inm的表面粗糙度。
[0029]其中，生長高溫砷化鎵層4、半絕緣砷化鎵層5、生砷化鎵蓋層6的溫度相同，都是620?660°C之間，優(yōu)選為640°C。[0030]其中，生長半絕緣砷化鎵層5的生長速率是0.2nm/s?0.4nm/s, V/III為20?40，最優(yōu)值35。
[0031]其中，生長半絕緣砷化鎵層5時摻雜劑為二茂鐵，其流量與所用的III族源TMGa的流量的比大約為1:1000?1: 10000，最優(yōu)值在1:8000，數(shù)量級在1父10-8?lXl(T9mol/min，最優(yōu)值在5X10_8mol/min，其厚度可以根據(jù)實際的需要進行調(diào)整。
[0032]其中，砷化鎵蓋層6厚度為50?IOOnm,最優(yōu)值為80nm,取決于拋光層的控制精度。
[0033]其中，拋光時去除的砷化鎵的厚度小于lOOnm，最后達到的粗糙度小于0.5nm。
[0034]II1-V族化合物半導(dǎo)體摻鐵可以實現(xiàn)其外延層的半絕緣性能。圖1為外延結(jié)構(gòu)，半絕緣砷化鎵層5通過摻鐵在禁帶中間引入深能級，可以俘獲載流子。
[0035]圖3示出了非故意摻雜和摻鐵(Fe)砷化鎵的I_V曲線圖(分別在目標(biāo)層上下做電極，測試伏安特性)。如圖3所示，非故意摻雜的載流子在I X IO16CnT3，通過計算電阻率得到3Ω -cm的數(shù)值；而摻鐵可以極大的實現(xiàn)電阻率的提升，相同電壓下降低7個數(shù)量級的電流，實現(xiàn)數(shù)量級在IO8 ω.Cm。
[0036]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，包括以下步驟: 步驟1:在硅襯底上，采用超高真空化學(xué)氣相沉積方法外延鍺層； 步驟2:經(jīng)外延了鍺層的硅襯底放入MOCVD反應(yīng)室中，分別生長低溫成核砷化鎵層和高溫砷化鎵層； 步驟3:生長半絕緣砷化鎵層； 步驟4:生長砷化鎵蓋層； 步驟5:拋光、清洗、封裝，完成襯底的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，其中硅襯底為偏[011]方向3°至6°的(100)襯底，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)硅片清洗后放入反應(yīng)室。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，其中，鍺層的缺陷密度小于IX IO6CnT2,表面粗糙度小于lnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，生長高溫砷化鎵層、半絕緣砷化鎵層、生砷化鎵蓋層的生長溫度相同，均在620~660°C之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，其中，半絕緣砷化鎵層的生長速率是0.2nm/s~0.4nm/s, V/III為20~40。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，其中，生長半絕緣砷化鎵層時摻雜劑為二茂鐵，其流量所用的III族源TMGa的流量的比為1: 1000~I: 10000，數(shù)量級在 1Χ10-8 ~lXl(T9mol/min 之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，其中砷化鎵蓋層厚度為50~IOOnm0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基半絕緣砷化鎵襯底的制備方法，其中，拋光時所去除的神化嫁的厚度小于IOOnm,最后達到的粗糖度小于0.5nm。
【文檔編號】H01L21/02GK103811305SQ201410077528
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】周旭亮, 于紅艷, 李士顏, 潘教青, 王圩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所