[发明专利]半导体外延结构及其生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种半导体外延结构及其生长方法。

背景技术

第三代宽禁带半导体材料氮化镓由于具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，所以比硅和砷化镓更适合于制作高温、高频、高压和大功率的器件。氮化镓器件在高频大功率微波器件方面有很好的应用前景，从20世纪90年代至今，氮化镓器件的研制一直是电子器件研究的热点之一。由于氮化镓本征衬底的缺乏，氮化镓器件都是在异质衬底上制成，比如说蓝宝石、碳化硅和硅。而这几种衬底当中，硅衬底具有最大的尺寸(200mm)和最低的价格，因此在硅衬底上生长氮化镓材料和器件引起了人们的广泛关注。

但是，由于硅材料和氮化物之间巨大的晶格失配和热失配，在硅衬底上生长氮化镓外延膜十分困难。首先需要生长氮化铝来阻止镓原子和硅衬底之间的反应，在氨气氛围内镓原子会起到刻蚀硅衬底的作用。另外，氮化镓在硅衬底上的浸润很差，非常困难得到均匀连续的氮化镓外延膜。所以，生长高质量的氮化铝成核层，是在硅衬底上生长氮化镓材料器件必不可少的先决条件。在氮化铝成核层的帮助下，可以在硅衬底上生长均匀连续表面光洁的氮化镓外延膜。但是，由于氮化镓的热膨胀系数大概是硅衬底的两倍，所以在高温条件下生长氮化镓材料后，在冷却过程中就会产生巨大的张应力。当氮化镓外延膜的厚度超过临界值后（比如说一个微米），整个外延膜就会产生龟裂。为了阻止龟裂的产生，就需要在高温生长的时候引入压应力。如果压应力的平均值和热张应力相当，硅衬底的翘曲就可以忽略不计。

在高温下引入补偿性压应力的方法，我们称之为应力工程。应力工程采用的方法主要是利用不同外延层之间的晶格失配，来引入不同的应力。如果下面外延层的晶格常数小于上面外延层的晶格常数，则会引入压应力；相反情况，下面外延层的晶格常数更大的话，上面外延层中的应力则是张应力。通常采用的方法如下：低温氮化铝插入层，参见A.Dadgar等人2002年发表在Appl.Phys.Lett.Volume 80,Issue 20的文章、或者Hiroshi Amano等人1998年公开在Japanese Journal of Applied Physics,Volume 37,Issue12B,pp.L1540-L1542的文章等等；铝氮/铝镓氮超晶格结构，参见Hong-Mei Wang等人2002年发表在Appl.Phys.Lett.v81,p604的文章等；或者是镓氮/铝镓氮超晶格结构，参见S.A.Nikishin等人在1999年发表在Appl.Phys.Lett.v75，p2073的文章；或者是氮化铝/氮化镓超晶格结构，参见Eric Feltin等人2001年公开在Appl.Phys.Lett.v79,p3230的文章等等。

低温氮化铝插入层在开始的时候是用于在氮化镓基板上生长铝镓氮外延层。由于铝镓氮的晶格常数要小于氮化镓，因此铝镓氮中的生长应力是张应力。当生长的铝镓氮外延膜的厚度超过临界值的时候，外延膜就会出现龟裂，无法制成任何器件。通过引入低温氮化铝插入层，可以有效的减少张应力避免外延膜龟裂的产生。后来，这个方法也用到在硅衬底上用来生长无龟裂的氮化镓外延膜。但是，低温氮化铝插入层存在一些问题。首先，高质量的三族氮化物外延膜都必须生长在高温下。氮化镓的生长温度要超过1000摄氏度，而氮化铝的生长温度更是要超过1100摄氏度。在低温的条件下生长氮化铝，其晶体质量不会很好。人们也发现，在引入氮化铝低温插入层后，氮化镓外延膜的质量大大降低。在低温氮化铝和氮化镓外延膜的界面处，会产生大量的刃位错，总体的位错密度大大提高。另外，高温、低温再高温这样一个温度变化会在腔内引起一些不必要的颗粒等等，降低产品的良率。通常情况下，在生长很厚的外延膜的时候，会多次引入氮化铝插入层，其生长频率约为每微米外延膜就会用到一次低温氮化铝插入层。因此，在反复的温度变化条件下，生长的腔体内会产生很多灰尘、颗粒，从而引起外延膜的缺陷。这些缺陷可能对器件的性能产生致命的影响。

发明内容