一種在硅襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法技術(shù)

一種在硅襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，在Si襯底上生長AlN成核層、固定Al組分的Al

Method for preparing high electron mobility field effect transistor on silicon substrate

A method for preparing a high electron mobility field effect transistor on a silicon substrate, growing an AlN nucleation layer on a Si substrate, and fixing a Al component of Al

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種在硅襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法
本專利技術(shù)屬于半導(dǎo)體
，具體地說是一種在硅襯底上，尤其是在八英寸硅襯底上采用碳納米管制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法。
技術(shù)介紹
高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HEMT)，又稱調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MODFET，modulation-dopedfieldeffecttransistor)，是一種以襯底材料與另一種寬帶材料形成的異質(zhì)界面的二維電子氣導(dǎo)電的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。因其溝道中無雜質(zhì)，基本上不存在電離雜質(zhì)散射對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響，因此電子遷移率更高而得名。HEMT的工作原理是通過控制刪極電壓的變化使源極、漏極之間的溝道電流產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而達(dá)到放大信號(hào)的目的。其優(yōu)點(diǎn)是具有高的頻率和低的噪聲特性。HEMT現(xiàn)已用于衛(wèi)星電視、移動(dòng)通信、軍事通信和雷達(dá)系統(tǒng)的接收電路中。自1980年GaAs基HEMT研制成功以來，得到了很快的發(fā)展。GaAs基HEMT在射頻、微波及毫米波低頻段已得到廣泛的應(yīng)用。InP器件比GaAsHEMT有更高的工作頻率和更低的噪聲，用于毫米波高頻段和亞毫米波頻段。GaNHEMT器件的特點(diǎn)是耐高溫、大功率，有著巨大的應(yīng)用前景，特別是在10-40GHz占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。AlGaN/GaNHEMT由于作為溝道層的GaN帶隙寬度大(3.4eV)、擊穿電壓高(3.3MV/cm)、飽和電子速度大(2.8*107s-1)和二維電子氣面密度高(1013cm2)等特性，導(dǎo)致GaN基HEMT的研究向更高工作頻率、更大輸出功率、更高工作溫度和實(shí)用化方向發(fā)展。GaN基HEMT還可以用于高速開關(guān)集成電路和高壓DC-DC變換器方面。AlGaN/GaNHEMT生長在半絕緣的(0001)Si面SiC或(0001)藍(lán)寶石襯底上，在核化層后生長一層半絕緣的GaN(約2μm)溝道層，接著生長不摻雜的AlGaN隔離層，摻Si的AlGaN和不摻雜的AlGaN勢(shì)壘層。二維電子氣形成在溝道層/隔離層界面。Si襯底尺寸大、價(jià)廉可以降低外延生長成本。對(duì)比硬度大、導(dǎo)熱差的絕熱藍(lán)寶石襯底，簡化襯底減薄等加工工藝，降低器件制作工藝成本。在Si上MOVPE(metalorganicvaporphaseepitaxy，金屬有機(jī)物氣相外延)生長GaN的難點(diǎn)在于：GaN纖維鋅礦結(jié)構(gòu)的(0001)與金剛石結(jié)構(gòu)的Si(111)襯底的晶格失配為20.4％，會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)；GaN與Si之間的熱失配高達(dá)56％，外延生長結(jié)束后的降溫工程中，外延層將承受很大的張應(yīng)力。由于外延層厚度遠(yuǎn)小于襯底厚度，所以在外延層中會(huì)產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重影響GaN器件特性。Si襯底上直接生長GaN時(shí)，NH3容易與襯底Si發(fā)生反應(yīng)而在襯底表面形成非晶態(tài)的SiN，影響GaN的生長質(zhì)量。金屬Ga與襯底Si之間也有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)對(duì)襯底造成回溶，從而破壞界面的平整。在高溫生長時(shí)，襯底中的Si會(huì)擴(kuò)散至緩沖層表面，如果控制不當(dāng)，將會(huì)影響GaN的生長模式，從而破壞晶體質(zhì)量。此外由于Si是非極性半導(dǎo)體，在其上生長GaN、AlN或其他極性半導(dǎo)體時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一些化合物極性相關(guān)的問題。采用合適的緩沖層是解決Si襯底生長GaN時(shí)晶格失配、Si擴(kuò)散和極性問題的有效手段，同時(shí)在一定程度上也可以緩解薄膜中的應(yīng)力。為此人們嘗試過許多方法，如AlAs、AlN、以及AlGaN/AlN等復(fù)合緩沖層。其中AlN結(jié)果最好，其主要優(yōu)點(diǎn)是既可以和GaN在同一反應(yīng)室進(jìn)行生長，又可以避免高溫生長時(shí)SiN的形成。根據(jù)其應(yīng)力釋放機(jī)理提出許多解決方法：(1)緩沖層應(yīng)力補(bǔ)償法：通過緩沖層對(duì)上層GaN提供一個(gè)壓應(yīng)力來補(bǔ)償熱失配造成的張應(yīng)力。如采用5個(gè)梯度的AlxGa1-xN(x＝0.87、0.67、0.47、0.27和0.07)緩沖層，結(jié)果表明龜裂密度明顯減少，且光學(xué)特性也有較大提高。(2)插入層應(yīng)力剪裁法：通過插入層來調(diào)節(jié)薄膜內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，或阻擋由于熱失配從襯底傳入的張應(yīng)力的傳播。如超晶格插入層法：插入10個(gè)周期的AlN/GaN超晶格作插入層，生長GaN總厚度為2μm,隨著超晶格插入層層數(shù)的增加，張應(yīng)變減少。TEM顯示位錯(cuò)密度隨厚度變化而減小。然而采用目前主流的插入層方法不能夠完全消除應(yīng)力，且存在缺陷密度大，翹曲等問題。況且降低GaN位錯(cuò)密度有效的常規(guī)ELOG(epitaxiallateralovergrowth,ELOG)技術(shù)難于應(yīng)用到AlGaN上，因?yàn)锳l原子在生長表面的遷移能力較差，AlGaN會(huì)在掩膜上沉積。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是提供一種在硅襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，按照本方法，能夠獲得無龜裂、高晶體質(zhì)量的GaN外延層，在此基礎(chǔ)上制備AlGaN/GaNHEMT器件。為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采取以下技術(shù)方案：一種在硅襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，包括以下步驟：S1，在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下，在Si襯底上，溫度980℃～1200℃下，反應(yīng)室壓力60torr-100torr,通入TMAl作為III族源，NH3作為V族源，生長0.1～0.5微米厚的AlN成核層；S2，在AlN成核層上，保持溫度1050℃～1200℃下，反應(yīng)室壓力60torr-100torr,通入TMAl和TMGa作為III族源，NH3作為V族源，生長0.25～0.5微米厚的Al組分固定不變的AlyGa1-yN應(yīng)力釋放層,其中y的取值范圍為20％～30％；S3，在AlyGa1-yN應(yīng)力釋放層上，氫氣氣氛下，溫度為1040℃～1200℃下,通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源生長0.2～0.5微米厚的GaN外延層；S4，采用低壓化學(xué)氣相沉積法在GaN外延層上生長四組碳納米管，先鋪設(shè)排列方向平行于GaN外延層[1-100]方向的第一組碳納米管形成第一組碳納米管掩膜，然后采用選區(qū)外延方法生長0.2微米厚的AlyGa1-yN合并層，在該AlyGa1-yN合并層上鋪設(shè)排列方向和第一組碳納米管成45度夾角第二組碳納米管形成第二組碳納米管掩膜，然后生長0.4微米厚的AlyGa1-yN合并層，在該AlyGa1-yN合并層上鋪設(shè)排列方向和第一組碳納米管成90度夾角的第三組碳納米管形成第三組碳納米管掩膜，然后生長0.4微米厚的AlyGa1-yN合并層,在該AlyGa1-yN合并層上鋪設(shè)排列方向和第一組碳納米管成135度夾角的第四組碳納米管形成第四組碳納米管掩膜，接著再生長0.5微米厚的AlyGa1-yN合并層，從而形成在GaN外延層不同厚度處分別插入四組成固定角度交叉排列的碳納米管結(jié)構(gòu)；S5，在氫氣氣氛下，在1040℃～1200℃下,反應(yīng)室壓力75～100torr,通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源生長1-1.5微米厚的GaN合并層；S6，在氫氣氣氛下，在1050℃～1200℃下,通入TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源生長不摻雜的25nm厚的AlyGa1-yN勢(shì)壘層。所述步驟S4中，第一組碳納米管上生長的AlyGa1-yN合并層、第二組碳納米管上生長的AlyGa1-yN合并層、第三組碳納米管上生長的AlyGa1-yN合并層和第四組碳納米管上生長的AlyGa1-yN合并層中的Al組分階梯式減小，AlyGa1-yN合并層的厚度階梯式增加。所述第本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種在硅襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，包括以下步驟：S1，在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下，在Si襯底上，溫度980℃～1200℃下，反應(yīng)室壓力60torr?100torr,通入TMAl作為III族源，NH

【技術(shù)特征摘要】
1.一種在硅襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，包括以下步驟：S1，在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下，在Si襯底上，溫度980℃～1200℃下，反應(yīng)室壓力60torr-100torr,通入TMAl作為III族源，NH3作為V族源，生長0.1～0.5微米厚的AlN成核層；S2，在AlN成核層上，保持溫度1050℃～1200℃下，反應(yīng)室壓力60torr-100torr,通入TMAl和TMGa作為III族源，NH3作為V族源，生長0.25～0.5微米厚的AlyGa1-yN應(yīng)力釋放層,該AlyGa1-yN應(yīng)力釋放層中的Al組分為固定組分，其中y的取值范圍：20％～30％。；S3，在AlyGa1-yN應(yīng)力釋放層上，氫氣氣氛下，溫度為1040℃～1200℃下,通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源生長0.2～0.5微米厚的GaN外延層；S4，采用低壓化學(xué)氣相沉積法在GaN外延層上生長四組碳納米管，先鋪設(shè)排列方向平行于GaN外延層[1-100]方向的第一組碳納米管形成第一組碳納米管掩膜，然后采用選區(qū)外延方法生長0.2微米厚的AlyGa1-yN合并層，在該AlyGa1-yN合并層上鋪設(shè)排列方向和第一組碳納米管成45度夾角第二組碳納米管形成第二組碳納米管掩膜，然后生長0.4微米厚的AlyGa1-yN合并層，在該AlyGa1-yN合并層上鋪設(shè)排列方向和第一組碳納米管成90度夾角的第三組碳納米管形成第三組碳納米管掩膜，然后生長0.4微米厚的AlyGa1-yN合并層,在該AlyGa1-yN合并層上鋪設(shè)排列方向和第一組碳納米管成135度夾角的第四組碳納米管形成第四組碳納米管掩膜，接著再生長0.5微米厚的AlyGa1-yN合并層，從而形成在GaN外延層不同厚度處分別插入四組成固定角度交叉排列的碳納米管結(jié)構(gòu)；S5，在氫氣氣氛下，在1040℃～1200℃下,反應(yīng)室壓力75～100torr,通入TMGa作為III族源，NH3作為V族源生長1-1.5微米厚的GaN合并層；S6，在氫氣氣氛下，在1050℃～1200℃下,通入TMGa、TMAl作為III族源，NH3作為V族源生長不摻雜的25nm厚的AlyGa1-yN勢(shì)壘層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上制備高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，所述步驟S4中，第一組碳納米管上生長的AlyGa1-yN...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：賈傳宇，殷淑儀，張國義，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東,44