硅衬底上外延氮化镓薄膜及制备HEMT器件的方法技术

本发明专利技术提供一种硅衬底上外延氮化镓薄膜及制备HEMT器件的方法，包括以下步骤：S1，在硅衬底表面外延生长用作插入层的SiC层；S2，对硅衬底进行氮化镓外延工艺；该工艺进一步包括以下步骤：S21，对SiC层的表面进行处理，以形成一层铝单原子层；S22，在该铝单原子层表面外延生长形成氮极性的氮化镓外延层。本发明专利技术提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法，其能够在硅衬底上获得N极性的氮化镓外延层，该氮化镓外延层可以应用于制备例如GaN基常关型HEMT器件等的高性能器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子
，具体地，涉及一种硅衬底上外延氮化镓薄膜及制备HEMT器件的方法。
技术介绍
目前，业界一直在致力于用供应更为丰富的硅代替传统的蓝宝石或碳化硅(SiC)作为GaN元件的衬底，以降低成本，同时可以在自动化IC生产线上制造。另外，硅具有良好的导电和导热性能，是GaN大功率器件的良好载体，使GaN大功率器件能够充分发挥其优越的性能。采用MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposit1n，金属有机化合物化学气相沉淀)工艺在衬底上外延生长GaN薄膜层，获得的GaN薄膜层多为Ga极性，而非N极性。这使得GaN基HEMT器件为常开型器件，常开型器件有漏电流大和断电安全性差等弊端。若要得到GaN基常关型(又称增强型)HEMT器件，就需要在衬底上外延生长N极性的GaN薄膜层。现有的一种获得N极性的GaN薄膜层的方法为:以预通氨气进行氮化处理的方式在蓝宝石衬底上形成双层N (氮)单原子层，借助这个双层N原子层实现极性翻转。完成该极性翻转后，采用TMGa (三甲基镓)气体在衬底上外延生长GaN薄膜层，最终获得N极性的GaN薄膜层。上述方法虽然可以在蓝宝石衬底上获得N极性的GaN薄膜层及HEMT器件。但是，由于蓝宝石衬底的导热性较差，容易造成HEMT器件烧毁，因此，上述方法不适合应用在制备高功率的HEMT器件。即便采用导热性能较好的硅衬底代替蓝宝石衬底进行上述方法，但是，由于在进行氮化处理时，预通氨气容易在娃表面形成SiN层，而SiN是一种介质材料，这使得GaN在SiN层表面很难定向外延形成薄膜层，从而也无法获得N极性的GaN薄膜层。还有一种获得N极性的GaN薄膜层的方法是在硅衬底上通过重掺杂Mg来实现GaN外延层的极性翻转，从而实现在Si衬底上外延生长N极性的GaN薄膜层。该方法是基于过量的Mg掺杂会出现Mg在GaN材料中以团簇形式存在的现象，而这种Mg团簇可以改变GaN的原子排列顺序，形成极性翻转。但是，这种方法实际上是在晶体内部引入高密度的缺陷，这些高密度的缺陷通常导致晶体材料的物理、化学性质变差，例如导电性低，从而该方法无法制作高性能的器件。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种硅衬底上外延氮化镓薄膜及制备HEMT器件的方法，其能够在硅衬底上获得N极性的氮化镓外延层，该氮化镓外延层可以应用于制备例如GaN基常关型HEMT器件等的高性能器件。为实现本专利技术的目的而提供一种硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法，包括以下步骤:SI，在娃衬底表面外延生长用作插入层的SiC层；S2，对所述硅衬底进行氮化镓外延工艺；所述工艺包括以下步骤:S21，对所述SiC层的表面进行处理，以形成一层铝单原子层；S22，在所述铝单原子层表面外延生长氮极性的氮化镓外延层。优选的，所述步骤SI进一步包括以下步骤:S11，采用化学气相沉积工艺，并以丙烷为原料对所述硅衬底进行碳化处理；S12，通入含有碳元素和硅元素的气体在经过碳化处理的所述硅衬底表面上外延生长SiC层。优选的，在所述步骤SI I中，腔室温度为1100?1300°C，并在该腔室温度下将所述娃衬底在掺有丙烧、甲烧或者乙烧的氢气气氛中烘烤5?30min。优选的，在所述步骤S12中，腔室温度为1050?1100°C。优选的，所述含有碳元素和硅元素的气体包括硅烷或者二硅烷。优选的，在步骤S2中，所述工艺采用MOCVD方法，其中，所述步骤S21以铝金属有机源气体作为源材料在所述SiC层的表面外延生长所述铝单原子层；所述步骤S22以镓金属有机源气体和氮源气体作为源材料在所述铝单原子层表面外延生长所述氮极性的氮化镓外延层。优选的，在所述步骤S21中，腔室温度为1100?1200°C ;铝金属有机源气体的气流量为40sccm。优选的，在所述步骤S22中，腔室温度为1080°C ;腔室压力为50?10torr ;氮源气体和金属有机源气体的摩尔比例为2000。优选的，在完成步骤S22之后，所述工艺还包括以下步骤S23，停止通入所述镓金属有机源气体，并在所述氮源气体的气体气氛下将腔室温度降低至室温。优选的，所述SiC层的厚度为0.1?3um ;所述氮极性的氮化镓外延层的厚度为0.15 ?I μ m0作为另一个技术方案，本专利技术提供一种制备HEMT器件的方法，对具有氮化镓外延层的硅衬底进行外延工艺，以在所述氮化镓外延层上外延生长制备HEMT器件所需的至少一层外延层；所述氮化镓外延层采用本专利技术提供的上述硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法获得。优选的，所述外延工艺包括以下步骤:S100，在所述氮化镓外延层上外延生长AlGaN层；S200，在所述AlGaN层上外延生长GaN层。优选的，所述外延工艺采用MOCVD方法，其中，在所述步骤SlOO中，在腔室温度为1100°C，腔室压力为50?10torr的条件下，通入铝金属有机源气体、镓金属有机源气体和氮源气体外延生长形成所述AlGaN层；在所述步骤S200中，停止通入所述铝金属有机源气体，并在腔室温度为1080°C，腔室压力为50?200torr的条件下，继续通入所述镓金属有机源气体和氮源气体外延生长形成所述GaN层。优选的，所述AlGaN层的厚度为25?lOOnm。优选的，所述GaN层的厚度为20?25nm。本专利技术具有以下有益效果:本专利技术提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法，其首先在硅衬底表面外延生长用作插入层的SiC层，该插入层可以提高氮化镓外延层的晶体质量，降低其缺陷密度；然后，对硅衬底进行氮化镓外延工艺，该工艺首先对SiC层的表面进行处理，以形成Al单原子层；然后在该铝单原子层表面外延生长形成氮化镓外延层。借助Al单原子层，可以实现氮化镓外延层的极性翻转，从而获得氮极性的氮化镓外延层。而且，该氮化镓外延层的物理、化学性质较好，可以应用于制备例如GaN基常关型HEMT器件等的高性能器件以及具有高灵敏度的氢气探测装置。本专利技术提供的制备HEMT器件的方法，其通过采用本专利技术提供的上述硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法制备氮极性的氮化镓外延层，可以成功地在该氮极性的氮化镓外延层上外延生长HEMT器件所需的至少一层外延层，最终获得具有高性能的GaN基常关型HEMT器件。【附图说明】图1为本专利技术实施例提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法的流程框图；图2为采用本专利技术实施例提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法获得的具有N极性的氮化镓外延层的硅衬底的结构示意图；图3为采用本专利技术实施例提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法获得的N极性的氮化镓外延层的表面形貌的光学显微镜图；图4A为采用本专利技术实施例提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法获得的N极性的氮化镓外延层在进行湿法化学腐蚀之前的扫描电镜图；图4B为采用本专利技术实施例提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法获得的N极性的氮化镓外延层在进行湿法化学腐蚀之后的扫描电镜图；以及图5为采用本专利技术实施例提供的制备HEMT器件的方法获得的HEMT器件的结构示意图。【具体实施方式】为使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图来对本专利技术提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜及制备HEMT器件的方法进行详细描述。图1为本专利技术实施例提供的硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅衬底上外延氮化镓薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，在硅衬底表面外延生长用作插入层的SiC层；S2，对所述硅衬底进行氮化镓外延工艺；所述工艺包括以下步骤：S21，对所述SiC层的表面进行处理，以形成一层铝单原子层；S22，在所述铝单原子层表面外延生长氮极性的氮化镓外延层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：方浩，
申请(专利权)人：北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11