一種GaN 外延工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種GaN外延工藝方法，該方法包括以下步驟：1）在硅襯底上生長(zhǎng)Si(1-x-y)GexCy緩沖層；2）逐步降低Si(1-x-y)GexCy緩沖層中Ge的含量，直至為0，從而生長(zhǎng)出Si(1-x-y)GexCy和SiC緩沖層；3）在Si(1-x-y)GexCy和SiC緩沖層上生長(zhǎng)SiC緩沖層；4）在SiC緩沖層上進(jìn)行GaN外延生長(zhǎng)，形成GaN外延層。本發(fā)明利用晶格常數(shù)逐漸變化的緩沖層來生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN外延層，該方法能防止GaN缺陷，提高GaN外延的質(zhì)量。
【專利說明】-種GaN外延工藝方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路制造工藝，涉及一種外延工藝方法，尤其涉及一種 GaN外延工藝方法。

【背景技術(shù)】
[0002] GaN屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，它具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，如禁帶寬度大、擊穿 電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度大、熱導(dǎo)率高及抗輻照性能強(qiáng)、熱導(dǎo)率和介電常數(shù)大，化學(xué) 特性穩(wěn)定等，特別適合制作高壓、高溫、高頻、高功率、強(qiáng)輻照環(huán)境下使用的半導(dǎo)體器件。具 體而言，GaN的禁帶寬度比Si材料大，本征載流子濃度比Si低，由此決定了 GaN基器件的 極限工作溫度比Si基器件高。從熱穩(wěn)定性方面考慮，III- V族化合物的鍵能比Si材料大， 在高溫下有更高的穩(wěn)定性。但是，目前GaN單晶生長(zhǎng)較為困難，難以獲得高質(zhì)量、大尺寸、低 成本的GaN單晶。GaN難以在Si襯底上生長(zhǎng)主要有兩個(gè)方面，第一是晶格失配，二者的失配 度大概是17% ;二是熱膨脹系數(shù)的差異也很大，導(dǎo)致GaN和Si之間的應(yīng)力很大，GaN很容易 龜裂。
[0003] 晶格適配通常采用增加緩沖層來解決，常用的緩沖層有A1N，SiC，Al2O 3等。緩沖層 的特點(diǎn)是晶格常數(shù)和GaN相近，二者適配度較低。但緩沖層和Si的晶格常數(shù)差異較大，二 者適配度很大，這樣導(dǎo)致緩沖層在接近于Si襯底的位置有較多的晶格缺陷，且這樣晶格缺 陷擴(kuò)散到GaN外延層中（見圖1)，從而影響GaN外延的質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種GaN外延工藝方法，利用晶格常數(shù)逐漸變化 的緩沖層來生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN外延層，該方法能防止GaN缺陷，提高GaN外延的質(zhì)量。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種GaN外延工藝方法，該方法包括以下步驟：
[0006] 1)在硅襯底上生長(zhǎng)Si a_x_y)GexCy緩沖層；
[0007] 2)逐步降低Si(1_x_y)GexCy緩沖層中Ge的含量，直至為0,從而生長(zhǎng)出Si (1_x_y)GexCy 和SiC緩沖層；
[0008] 3)在Si(1_x_y)GexCy和SiC緩沖層上生長(zhǎng)SiC緩沖層；
[0009] 4)在SiC緩沖層上進(jìn)行GaN外延生長(zhǎng)，形成GaN外延層。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟1)娃襯底的表面晶向?yàn)椋?11 )，所述Si (1_x_y)GexCy緩沖層中滿 足：8. 2%彡x/y彡10. 7%，且其厚度為l-100nm。所述步驟1)采用氣相外延或超高真空化 學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)Si(1_ x_y)GexCy緩沖層，生長(zhǎng)溫度在500-1000攝氏度，反應(yīng)氣源為SiH4 或 DCS，GeH4, SiH3CH3 和 H2。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟2)中Si(1_x_y)GexCy和SiC緩沖層中的Ge的含量小于Si (1_x_y) GexCy緩沖層中的Ge含量，且其在縱向方向上Ge含量逐漸降低，在Si(1_x_y)GexCy和SiC緩 沖層頂部Ge含量為0,即為SiC，Si (1_x_y)GexCy和SiC緩沖層的厚度為10-100nm。所述步驟 2)中Si(1_x_y)GexCy和SiC緩沖層采用步驟1)中Si (1_x_y)GexCy緩沖層同樣的生長(zhǎng)工藝，即 采用氣相外延或超高真空化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度在500-1000攝氏度，反應(yīng)氣源 為 SiH4 或 DCS，GeH4, SiH3CHJP H2，通過逐漸降低 GeiV1^量來逐漸降低 Si(1_x_y)GexCy 和 SiC 緩沖層中Ge的濃度；步驟1)中Si(1_x_y)GexCy緩沖層和步驟2)中Si (1_x_y)GexCy和SiC緩沖 層或通過一步生長(zhǎng)工藝完成，或分開完成。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟3)中SiC緩沖層的厚度為5-10000nm，其生長(zhǎng)工藝采用氣相 外延或超高真空化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度在500-1000攝氏度，反應(yīng)氣源為SiH 4或 DCS，SiH3CH3和H2 ;步驟3)中SiC緩沖層生長(zhǎng)和步驟2)中Si(1_x_y)GexCy和SiC緩沖層生長(zhǎng) 或冋步完成，或分開完成。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟4)中GaN外延層的厚度為0. 01-100微米。所述步驟4)中 GaN外延層采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀、分子束外延或氣相外延方法來生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫 度為800-1300攝氏度，生長(zhǎng)氣體為三甲基鎵和順 3。
[0014] 和現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過改變Si(1_x_ y)GexCy緩沖層 中Ge含量而逐漸改變緩沖層的晶格常數(shù)，進(jìn)而在其上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN外延層。該方法 可以有效的緩解GaN和娃襯底之間的晶格失配，降低晶格缺陷，提1?外延質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是傳統(tǒng)GaN生長(zhǎng)工藝形成的GaN外延示意圖；
[0016] 圖2-圖5是本發(fā)明的工藝流程剖面示意圖；其中，圖2是本發(fā)明的步驟1)完成后 的剖面示意圖；圖3是本發(fā)明的步驟2)完成后的剖面示意圖；圖4是本發(fā)明的步驟3)完成 后的剖面示意圖；圖5是本發(fā)明的步驟4)完成后的剖面示意圖。
[0017] 圖中附圖標(biāo)記說明如下：
[0018] 10 是硅襯底，11 是 Si(1_x_y)GeXCy 緩沖層，12 是 Si(1_x_y)GeXCy 和 SiC 緩沖層，13 是 SiC緩沖層，14是GaN外延層。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0020] 如圖2-圖5所示，本發(fā)明一種GaN外延工藝方法，具體包括以下步驟：
[0021] 1)如圖2所示，在晶向?yàn)椋?11)的硅襯底10上生長(zhǎng)Si(1_x_ y)GexCy緩沖層11 ;硅 襯底10的表面晶向?yàn)椋?11)，Si(1_x_y)GexCy緩沖層11中滿足：8. 2%彡x/y彡10. 7%，且緩 沖層11的厚度為l-l〇〇nm。采用氣相外延或超高真空化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度在 500-1000攝氏度，反應(yīng)氣源為SiH 4或DCS (二氯二氫硅），GeH4, SiH3CH3和H2。
[0022] 2)如圖3所示，逐步降低Si(1_x_y)GexCy緩沖層11中Ge的含量，直至為0,從而生長(zhǎng) 出 Si(1_x_y)GexCy 和 SiC 緩沖層 12 ;緩沖層 12 中 Si(1_x_y)GexCy 的 Ge 含量小于 Si(1_x_y)GexCy 緩沖層11中的Ge含量，且其在縱向方向上Ge含量逐漸降低，在緩沖層12頂部Ge含量為 0,即為SiC。緩沖層12的厚度為10-100nm。緩沖層12采用緩沖層11同樣的生長(zhǎng)工藝（即 可采用氣相外延或超高真空化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度在500-1000攝氏度，反應(yīng)氣 源為SiH 4或DCS (二氯二氫硅），GeH4, SiH3CH3和H2)，通過逐漸降低GeH4流量來逐漸降低緩 沖層12中Ge的濃度。緩沖層11和緩沖層12可以通過一步生長(zhǎng)工藝完成，也可以分開完 成。
[0023] 3)如圖4所示，在Si(1_x_y)GexCy和SiC緩沖層12上生長(zhǎng)SiC緩沖層13 ;SiC緩沖 層13的厚度為5-10000nm，其生長(zhǎng)工藝可采用緩沖層11和12的工藝生長(zhǎng)，只是去除GeH4 氣體。即反應(yīng)氣源為SiH4或DCS (二氯二氫硅），SiH3CH3和H2。緩沖層13可以和緩沖層12 同步完成，也可以分開完成。
[0024] 4)如圖5所示，在SiC緩沖層13上進(jìn)行GaN外延生長(zhǎng)，形成GaN外延層14 ;GaN外 延層14可采用MOCVD (金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)、分子束外延、氣相外延等方法來生 長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度為800-1300攝氏度，生長(zhǎng)氣體為TMGa(三甲基鎵)和NH 3，生長(zhǎng)厚度為0. 01-100 微米。
[0025] 在Si(1_x_y)GexCy中，由于Ge的晶格常數(shù)比Si大，而C的晶格常數(shù)比Si?。ㄒ姳?1)，可以推出，當(dāng)Ge和C的比例合適時(shí)，Si (1_x_y)GeXCy的晶格常數(shù)可以和Si相等或近似，經(jīng) 推算，當(dāng)8. 2%彡x/y彡10. 7%時(shí)，Si(1_x_y)GexCy和Si的晶格常數(shù)最為接近，以此條件在硅 襯底10上生長(zhǎng)Si (1_x_y)GexCy緩沖層11，晶格失配最小。Si和Si(1_ x_y)GexCy之間不會(huì)有缺 陷產(chǎn)生。此后逐漸降低Ge的含量，直至為0。由于Ge濃度是逐漸降低的，Si (1_x_y)GeXCy的 晶格常數(shù)也逐漸降低，最大限度的降低了由于晶格失配而產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)Ge濃度為0時(shí)， 生長(zhǎng)出來的即為SiC緩沖層13,而SiC的晶格常數(shù)和GaN很接近，晶格結(jié)構(gòu)也相似，所以可 以在SiC緩沖層13上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN外延層14。
[0026] 本發(fā)明通過改變Si(1_x_y)Ge XCy中Ge含量而逐漸改變緩沖層的晶格常數(shù)，進(jìn)而在其 上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN的外延。
[0027] 表1 :各材料的晶格常數(shù)
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種GaN外延工藝方法，其特征為，該方法包括以下步驟： 1) 在硅襯底上生長(zhǎng)Si(1_x_y)GexCy緩沖層； 2) 逐步降低Si(1_x_y)GexCy緩沖層中Ge的含量，直至為0,從而生長(zhǎng)出Si (1_x_y)GexCy和 SiC緩沖層； 3) 在Si(1_x_y)GexCy和SiC緩沖層上生長(zhǎng)SiC緩沖層； 4) 在SiC緩沖層上進(jìn)行GaN外延生長(zhǎng)，形成GaN外延層。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種GaN外延工藝方法，其特征為，所述步驟1)硅襯底的表面 晶向?yàn)椋?11 )，所述Si(1_x_y)GexCy緩沖層中滿足：8. 2%彡x/y彡10. 7%，且其厚度為l-100nm。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種GaN外延工藝方法，其特征為，所述步驟1)采用氣相 外延或超高真空化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)Si (1_x_y)GexCy緩沖層，生長(zhǎng)溫度在500-1000攝氏 度，反應(yīng)氣源為SiH 4或DCS，GeH4, SiH3CH3和H2。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種GaN外延工藝方法，其特征為，所述步驟2)中Si(1_x_y)GexCy 和SiC緩沖層中的Ge的含量小于Si(1_x_y)GexCy緩沖層中的Ge含量，且其在縱向方向上Ge 含量逐漸降低，在Si(1_x_y)GexCy和SiC緩沖層頂部Ge含量為0,即為SiC，Si (1_x_y)GexCy和 SiC緩沖層的厚度為10-100nm。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的一種GaN外延工藝方法，其特征為，所述步驟2)中Si(1_x_ y) GexCy和SiC緩沖層采用步驟1)中Si(1_x_y)GexCy緩沖層同樣的生長(zhǎng)工藝，即采用氣相外延 或超高真空化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度在500-1000攝氏度，反應(yīng)氣源為SiH 4或DCS， GeH4, SiH3CH3和H2，通過逐漸降低GeH4流量來逐漸降低Si (1_x_y)GexCy和SiC緩沖層中Ge的 濃度；步驟1)中Si (1_x_y)GexCy緩沖層和步驟2)中Si(1_ x_y)GexCy和SiC緩沖層或通過一步 生長(zhǎng)工藝完成，或分開完成。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種GaN外延工藝方法，其特征為，所述步驟3)中SiC緩沖層 的厚度為5-10000nm，其生長(zhǎng)工藝采用氣相外延或超高真空化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫 度在500-1000攝氏度，反應(yīng)氣源為SiH 4或DCS，SiH3CH3和H2 ;步驟3)中SiC緩沖層生長(zhǎng)和 步驟2)中Si(1_x_y)GexCy和SiC緩沖層生長(zhǎng)或同步完成，或分開完成。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種GaN外延工藝方法，其特征為，所述步驟4)中GaN外延層 的厚度為〇. 01-100微米。
8. 如權(quán)利要求1或7所述的一種GaN外延工藝方法，其特征為，所述步驟4)中GaN外 延層采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀、分子束外延或氣相外延方法來生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度為 800-1300攝氏度，生長(zhǎng)氣體為三甲基鎵和NH 3。
【文檔編號(hào)】C30B29/38GK104294354SQ201310304608
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月19日
【發(fā)明者】劉繼全 申請(qǐng)人:上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司