一种硅基氮化镓外延片及其制备方法与流程

本申请属于半导体制造，具体涉及一种硅基氮化镓外延片及其制备方法。

背景技术：

1、作为第三代半导体材料的代表之一，氮化镓(gan)具有宽禁带、耐高温、高导热性等独特的材料特性，在电子电力器件领域有卓越的性能。尤其是algan/gan异质结界面二维电子气(2deg)的诞生使氮化镓在功率器件领域的前景进一步提升。

2、目前，氮化镓外延常用衬底主要有蓝宝石(sapphire or al2o3)和单晶硅(si)。由于硅衬底具有高热传导率、高导电性、易研磨加工、大晶圆尺寸、低成本的特点，使得硅基氮化镓成为氮化镓基高电子迁移率晶体管(hemt)的主流生长方法之一。而gan与si基板的晶格常数不匹配以及热膨胀系数不匹配则会造成氮化镓外延层质量不佳及翘曲问题。以6寸硅基氮化镓外延为例，受垂直温度梯度、热膨胀系数不匹配和晶格常数不匹配等因素影响，外延生长过程中晶圆会经历由平变凹，再变凸，最后降温再变平的过程，一般生长氮化铝时晶圆处于最凹状态，翘曲可达90～130μm；生长algan/gan异质结时往往晶圆处于最凸状态，翘曲可达150～600μm，使晶圆中心与边缘温度差值10～20℃，导致生长出来的algan/gan质量和均匀性较差。

技术实现思路

1、本申请提供一种硅基氮化镓外延片及其制备方法，旨在解决现有的氮化镓外延工艺因衬底受热不均匀等问题导致的成品翘曲高、均匀性不理想的问题。

2、一方面，本申请实施例提供一种硅基氮化镓外延片的制备方法，包括如下步骤：

3、提供一基座，置于外延反应腔，所述基座包括凹槽，所述凹槽的底壁沿第一方向凸起；

4、提供衬底，将所述衬底置于所述基座的凹槽中；

5、通入载气、铝源和氮源，在所述衬底表面制备成核层；

6、在所述成核层表面完成外延生长。

7、在一些实施例中，所述底壁为凸形球面，所述凸形球面的弦高为30～1000μm。

8、在一些实施例中，所述凹槽具有侧壁，所述侧壁与所述底壁连接，并形成夹角α，满足：5°≤α≤30°。

9、在一些实施例中，所述基座的材质为石墨。

10、在一些实施例中，所述凹槽的表面具有碳化硅涂层。

11、在一些实施例中，所述氮源的流量为1500～12000sccm。

12、在上述实施例基础上，所述通入载气、铝源和氮源，在所述硅基衬底表面制备成核层的步骤，满足如下特征中的至少一种：

13、a)所述载气的流量为70～161.5slm，所述铝源的流量为200～400sccm，所述制备成核层的时间为20.4～72min；

14、b)所述载气的流量为70～161.5slm，所述铝源的流量为204～480sccm，所述制备成核层的时间为20～60min。

15、在一些实施例中，所述外延反应腔包括至少两组气体输送管；所述气体输送管包括第一输送管和第二输送管，所述第一输送管设置于所述外延反应腔的顶部，所述第二输送管设置于所述外延反应腔的底部。

16、在上述实施例基础上，所述通入载气、铝源和氮源，在所述衬底表面制备成核层的步骤，满足如下特征中的至少一种：

17、c)所述载气的总流量为100～170slm，所述铝源的总流量为200～400sccm；所述第一输送管中的氨气具有第一流量q1，载气具有具有第二流量q2；所述第二输送管中的氨气第三流量q3，载气具有第四流量q4；

18、满足：q1:q3＝2.1～26:1，且q2:q4＝1:1.1～2；

19、d)所述载气的总流量为100～170slm，所述铝源的总流量为200～400sccm，所述第一输送管中的氨气具有第五流量q5，载气具有具有第六流量q6；所述第二输送管中的氨气第七流量q7，载气具有第八流量q8；

20、满足：q5:q7＝2～20:1，且q6:q8＝1:1.1～2。

21、在一些实施例中，所述载气包括氢气。

22、在一些实施例中，所述铝源包括三甲基铝。

23、在一些实施例中，所述氮源包括氨气。

24、在一些实施例中，所述衬底为单晶硅。

25、在一些实施例中，在所述成核层表面完成外延制备的步骤，进一步包括：

26、在所述在成核层上制备缓冲层；

27、在所述缓冲层上制备沟道层；

28、在所述沟道层上制备势垒层；

29、在所述势垒层上制备表面层。

30、在一些实施例中，在所述沟道层上制备势垒层的步骤前，还包括：

31、在所述沟道层上制备插入层。

32、另一方面，本申请实施例提供一种硅基氮化镓外延片，采用上述任一实施例中的外延片的制备方法制备得到。

33、在一些实施例中，所述硅基氮化镓外延片包括：

34、衬底层；

35、成核层，所述成核层位于所述衬底层的一侧；

36、缓冲层，所述缓冲层位于所述成核层远离所述衬底层的一侧；

37、沟道层，所述沟道层位于所述缓冲层远离所述成核层的一侧；

38、势垒层，所述势垒层位于所述沟道层远离所述缓冲层的一侧；

39、表面层，所述表面层位于所述势垒层远离所述沟道层的一侧。

40、在一些实施例中，所述成核层的厚度为150～300nm。

41、在一些实施例中，所述缓冲层包括氮化铝镓、氮化镓、超晶格结构中的至少一种；

42、所述超晶格结构包括aln/gan、aln/algan、algan/gan、alxga1-xn/alyga1-yn中的至少一种，其中，0≤y<x≤1。

43、在一些实施例中，所述沟道层为无掺杂氮化镓，所述沟道层的厚度为80～400nm。

44、在一些实施例中，所述势垒层为氮化铝镓，所述势垒层的厚度为12～30nm。

45、在一些实施例中，所述表面层包括ngan、sin或pgan中的一种。

46、在一些实施例中，所述沟道层和所述势垒层之间还设置有插入层。

47、在一些实施例中，所述插入层为氮化铝，所述插入层的厚度为1～5nm。

48、本申请提供的硅基氮化镓外延片的制备方法，包括如下步骤：提供一基座，置于外延反应腔，基座包括凹槽，凹槽的底壁沿第一方向凸起；提供衬底，将衬底置于基座的凹槽中；通入载气、铝源和氮源，在衬底表面制备成核层；在成核层表面完成外延生长。通过采用中心微凸结构的凹槽作为硅基氮化镓外延生长的基座，能够在外延生长的过程中对被加工器件进行温度补偿，有效改善硅基氮化镓外延片各层材料的晶体质量、厚度均匀性和组分均匀性，同时减少基座凹槽内外圈温差，进而提高大尺寸硅基氮化镓外延片的良率和利用率。

技术特征：

1.一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，所述底壁(11)为凸形球面，所述凸形球面的弦高为30～1000μm。

3.根据权利要求1所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，所述凹槽(10)具有侧壁(12)，所述侧壁(12)与所述底壁(11)连接，并具有夹角α，满足：5°≤α≤30°。

4.根据权利要求1所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，所述基座的材质为石墨；和/或，

5.根据权利要求1所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，所述氮源的流量为1500～12000sccm。

6.根据权利要求5所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，所述通入载气、铝源和氮源，在所述硅基衬底表面制备成核层(200)的步骤，满足如下特征中的至少一种：

7.根据权利要求5所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，所述外延反应腔包括至少两组气体输送管；所述气体输送管包括第一输送管和第二输送管，所述第一输送管设置于所述外延反应腔的顶部，所述第二输送管设置于所述外延反应腔的底部。

8.根据权利要求7所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，所述通入载气、铝源和氮源，在所述衬底表面制备成核层(200)的步骤，满足如下特征中的至少一种：

9.根据权利要求1所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，所述载气包括氢气；和/或，

10.根据权利要求1所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，在所述成核层(200)表面完成外延制备的步骤，进一步包括：

11.根据权利要求10所述的一种硅基氮化镓外延片的制备方法，其特征在于，在所述沟道层(400)上制备势垒层(600)的步骤前，还包括：

12.一种硅基氮化镓外延片，其特征在于，采用权利要求1～11中任一项所述的外延片的制备方法制备得到。

13.根据权利要求12所述的一种硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述硅基氮化镓外延片包括：

14.根据权利要求13所述的一种硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述成核层(200)的厚度为150～300nm。

15.根据权利要求13所述的一种硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述缓冲层(300)包括氮化铝镓、氮化镓、超晶格结构中的至少一种；

16.根据权利要求13所述的一种硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述沟道层(400)为无掺杂氮化镓，所述沟道层(400)的厚度为80～400nm；和/或，

17.根据权利要求13所述的一种硅基氮化镓外延片，其特征在于，所述沟道层(400)和所述势垒层(600)之间还设置有插入层(500)；

技术总结本申请提供一种硅基氮化镓外延片及其制备方法，制备方法包括如下步骤：提供一基座，置于外延反应腔，基座包括凹槽，凹槽的底壁沿第一方向凸起；提供衬底，将衬底置于基座的凹槽中；通入载气、铝源和氮源，在衬底表面制备成核层；在成核层表面完成外延生长。通过采用中心微凸结构的凹槽作为硅基氮化镓外延生长的基座，能够在外延生长的过程中对被加工器件进行温度补偿，有效改善硅基氮化镓外延片各层材料的晶体质量、厚度均匀性和组分均匀性，同时减少基座凹槽内外圈温差，进而提高大尺寸硅基氮化镓外延片的良率和利用率。技术研发人员：王彦君,黄飞,杜飞,罗永恒,王洪朝,谢路肖,吴秀秀,陈海波受保护的技术使用者：中环领先半导体科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25