在硅衬底上形成器件质量的氮化镓层的方法和装置制造方法及图纸

原子层沉积(ALD)用于在80-400℃反应温度下的异质外延膜生长。衬底和膜材料优选选择为利用畴匹配外延(DME)。在通过ALD沉积后使用激光退火系统来对沉积层热退火。在优选的实施方案中，硅衬底被覆盖以AlN成核层并激光退火。其后通过ALD工艺在AlN层上面施加GaN器件层并然后激光退火。在又一个实例实施方案中，在GaN器件层与AlN成核层之间施加过渡层。过渡层包含一种或多种各包含AlxGa1-xN化合物的不同过渡材料层，其中过渡层的组成从AlN向GaN连续地变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】1.相关美国专利申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2013年9月23日提交的临时美国专利申请序列号61/881369(案卷号3521.388)的优先权，该临时专利申请全文出于所有目的以引用方式并入本文。本申请涉及2013年7月2日提交的标题为“DEPOSITIONANDPROCESSINGMETHODSFORGROWINGGALLIUMNITRIDEANDALUMINUMNITRIDEONSILICON(在硅上生长氮化镓和氮化铝的沉积和加工方法)”的美国临时申请序列号61/842,207，该临时申请以其全文并入本文。2.专利技术背景2.1专利
本文的示例性、说明性技术涉及用于向硅衬底上生长器件质量的氮化镓(GaN)薄膜层的系统和方法。本文的技术在固态功率器件如开关、整流器和其它功率器件以及电-光器件如激光器和发光二极管(LED)(无论是制造为独立器件还是整合到固态集成电路器件中)的领域中具有应用。2.2相关技术常规的固态功率电子器件以硅(Si)器件占主导，这部分地因为硅器件制造是非常成熟且廉价的技术，具有广泛可用的设计和制造资源。常规的固态器件包含基本上单晶硅衬底层和使用高温外延沉积工艺如化学或气体沉积向衬底上形成的一个或多个硅器件层。电子和电-光器件中使用的一个或多个器件层的一个重要要求是器件层也形成为基本上单晶层以实现所需的电学和光学性质。虽然一些多晶器件层是可用的，但基本上单晶器件层对于改进性能来说是期望的。若干因素将在很大程度上影响器件层的晶体结构。第一个是衬底层的晶格结构或晶格间距与器件层的晶格结构或晶格间距相比如何。第二个是衬底层的热膨胀系数(CTE)与器件层的CTE相比如何。第三个是用来向衬底层上沉积器件层的沉积工艺的沉积或反应温度。2.3晶格失配当例如异种材料之间的晶格结构或晶格间距在很大程度上失配时，器件层的晶格间距将试图匹配在界面附近衬底的晶格间距，但此行动通常将打乱器件层的自然晶格间距的形成至所形成的器件层是基本上非晶或多晶的或者器件层晶格中的位错破坏单晶生长从而导致有缺陷的单晶结构或多晶结构的程度。在实践中，单晶结构中的缺陷潜在地导致器件层的破裂，尤其是当器件层因快速热循环而承受应力时。此问题的常规解决方案是在硅衬底上生长硅器件，这将促进单晶生长并避免界面处潜在的晶格破坏。然而，硅器件在许多应用中不能提供所期望的电学性质，尤其是在功率器件如功率开关和整流器中及此外在得益于较高带隙材料如氮化镓(GaN)的光学器件中。特别地，硅在功率应用中有着明显的局限性，特别是对于过度的焦耳加热，这将消耗工作功率并在很大程度上是为什么电子系统需要冷却(其进一步消耗工作功率)的原因。在其中由于焦耳加热和用来缓解焦耳加热的系统冷却而显著缩短电池供电工作时间的电池供电系统中，这尤其成为问题。在功率器件中的另一硅基器件局限性在于其相对低的阻断电压，这将许多硅器件的用途限制至低电压应用(例如，<200伏特)。进一步的硅基器件局限性在于其相对低的带宽，其限制高速器件如DC-DC功率转换器的开关式电源的切换速度并且限制其在可见波长发射器中使用的光学性质。尽管有这些限制性，硅基固态电子器件仍广泛地用于大多数计算机、汽车、通讯、消费类电子产品、机器人、电机驱动装置、电力输送和发电系统的功率控制和分配系统中。虽然这在很大程度上归因于硅基固态功率系统易于得到且廉价的事实，但本领域中需要开发更有效、更高功率且更快切换的功率器件，其在许多情况下超过常规硅功率器件的实际限制。器件设计者很久以前就已认识到宽带隙(WBG)半导体材料(即具有比硅更宽的带隙的材料)具有对于固态功率器件和电-光器件更有利的性质。特别地，表1比较了硅与更宽带隙半导体(包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)及金刚石)的带隙和电性质。如所示，所有WBG半导体均在临界电场值(V/cm)方面提供一个数量级的增大，这将直接增大功率器件的阻断电压。类似地，所有WBG半导体均在最高运行温度(℃)方面提供至少4倍的提高，这将减少焦耳加热并潜在地消除许多应用中对冷却的需要。特别地，本领域中需要开发WBG器件层来解决硅器件不易满足的某些功率和光学器件需要，且尤其是形成GaN器件层。使用WBG半导体器件的一个解决方案是改变衬底材料为更紧密地匹配器件层的晶格结构的那些。在可商购获得的一个实例解决方案中，向碳化硅(SiC)衬底上生长GaN器件以特别地与向硅衬底上生长的GaN相比减小晶格间距失配。这由图1a说明，图1a绘制了蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)的晶格间距失配(单位)与生长顺序。如图1a中所示，GaN的晶格间距与AlN(120a)最紧密匹配，然后是SiC、Si(130a)和最后是Al2O3。在可商购获得的另一实例解决方案中，向蓝宝石衬底上生长GaN器件以减小因沉积工艺(下文讨论)过程中快速且通常非均匀的加热和冷却而在衬底和器件层中诱导的热应力。特别地，与硅衬底相比，蓝宝石衬底更紧密地匹配GaN器件层的热膨胀系数，且因此，蓝宝石上生长的GaN的组合较不易受热应力影响，热应力会导致晶圆弯曲、破裂和器件层中通常退化的性能。如图1b中所示，GaN的热膨胀系数(CTE)与蓝宝石的CTE的匹配比与Si更紧密。特别地，GaN的CTE与SiC和AlN匹配最紧密，然后是蓝宝石，且再然后是硅。然而，在这两种解决方案中，对非硅衬底层的需要要求专门的加工设备来生长和加工非硅衬底，这将显著增大终端用户设备成本，并且实际上几乎消除GaN器件到硅基集成电路中的集成，除非作为附加的独立部件。虽然这些常规解决方案满足其中硅器件不适当的场合对GaN器件的小需求，但它们主要因其不能使用常规硅基工艺制造而成本高且构造受限。因此，仍需要向硅衬底上形成器件质量(即，基本上单晶生长)GaN器件层。已知高温沉积工艺越来越有利于单晶膜的形成。例如，Strike等人在GaN,AlNandInN:aReview(J.Vac.Sci.TechnologyB10(4),Jul/Aug.1992)中讨论了当使用900至1000℃之间的反应温度通过金属-有机化学气相沉积(MOCVD)工艺施加GaN膜时，蓝宝石衬底上如何发生III-V氮化物的器件层的异质外延生长。然而，St本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于向硅衬底涂布表面上形成GaN器件层的方法，所述方法包括：‑支承所述硅(Si)衬底于原子层沉积(ALD)室内；‑使用第一ALD方法向所述硅衬底涂布表面上施加氮化铝(AlN)成核层；‑使用第二ALD方法在所述AlN过渡层上施加过渡层；‑使用第三ALD方法在所述过渡层上施加GaN器件层；‑其中对于所述第一、所述第二和所述第三ADL方法中的每一者的ALD反应温度介于80℃和800℃之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.23 US 61/881,3691.一种用于向硅衬底涂布表面上形成GaN器件层的方法，所述
方法包括：
-支承所述硅(Si)衬底于原子层沉积(ALD)室内；
-使用第一ALD方法向所述硅衬底涂布表面上施加氮化铝
(AlN)成核层；
-使用第二ALD方法在所述AlN过渡层上施加过渡层；
-使用第三ALD方法在所述过渡层上施加GaN器件层；
-其中对于所述第一、所述第二和所述第三ADL方法中的每一
者的ALD反应温度介于80℃和800℃之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对于所述第一、所述第二
和所述第三ADL方法中的每一者的所述ALD反应温度介于80℃和
400℃之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其中对于所述第一、所述第二
和所述第三ADL方法中的每一者的所述ALD反应温度为相同的温
度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述过渡层的步骤包
括施加多个不同的材料层，其中所述多个不同的材料层中的每一者
包含AlxGa1-xN化合物并且其中所述多种不同的AlxGa1-xN化合物中
的每一者通过不同的ALD方法施加。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一、所述第二和所
述第三ALD方法中的每一者及用来施加所述过渡层的所述不同的
ALD方法中的每一者在相同的ALD反应温度下进行。
6.根据权利要求1所述的方法：
-其中在所述过渡层上施加所述GaN器件层的步骤产生材料界
面；
-其中在所述材料界面处存在热膨胀系数(CTE)失配和晶格间

\t距失配；
-其中在所述材料界面处所述热膨胀系数(CTE)失配和所述晶
格间距失配中的至少之一小于如果所述GaN器件层直接施加到所述
硅衬底涂布表面上的情况。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括加热所述AlN
成核层、所述过渡层和所述GaN器件层中的任何一者的每一部分至
高于900℃的退火温度少于20毫秒。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在加热所述AlN成核层、
所述过渡层和所述GaN器件层中的任何一者的一部分至高于900℃
的退火温度后，所述部分冷却至低于900℃的温度并且所述加热和冷
却周期的持续时间介于300μs和2000μs之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述施加过渡层的步骤包
括施加多个各包含不同的AlxGa1-xN化合物的不同材料层，其中所述
多种不同的AlxGa1-xN化合物中的每一者通过不同的ALD方法施加，
其中所述加热步骤包括：
-进行单个第一加热步骤来对所述AlN成核层的整个厚度热退
火；
-进行多个第二加热步骤，其各自对所述过渡层的所述多个不同
的材料层中的每一者的整个厚度热退火；
-进行第三加热步骤来对所述GaN器件层的整个厚度热退火。
10.根据权利要求8任一项所述的方法：
-其中所述施加过渡层的步骤包括施加多个各包含不同的
AlxGa1-xN化合物的不同材料层，其中所述多种不同的AlxGa1-xN化合
物中的每一者通过不同的ALD方法施加；
-其中所述第一ALD方法、所述多个不同的ALD方法和所述第
三ALD方法中的每一者包括进行多个顺序的自限制原子层沉积周
期，每个自限制原子层沉积周期向先前施加的单层上的涂布表面上
沉积单个材料单层；
-其中加热步骤在每一个自限制原子层沉积周期完成之后进行。
11.根据权利要求8所述的方法：
-其中所述施加过渡层的步骤包括施加多个不同的材料层，所述
多个不同的材料层中的每一者包含施加的AlxGa1-xN化合物，其中所
述多种不同的AlxGa1-xN化合物中的每一者通过不同的ALD方法施
加；
-其中所述第一ALD方法、所述多个不同的ALD方法和所述第
三ALD方法中的每一者包括进行多个顺序的单个自限制原子层沉积
周期，每一自限制原子层沉积周期在整个涂布表面上沉积单个材料
单层；
-其中所述加热步骤在每次完成选定的整数个所述顺序自限制
原子层沉积周期后进行。
12.根据权利要求7所述的方法，其中加热所述AlN成核层、
所述过渡层和所述GaN器件层中的任何一者的各步骤包括在整个涂
布表面上扫描聚焦激光束。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括生成具有光

【专利技术属性】
技术研发人员：G·森达拉姆，A·M·霍雷卢克，D·斯特恩斯，
申请(专利权)人：雅达公司，
类型：发明
国别省市：美国;US