[发明专利]硅衬底上生长氮化物外延层的方法及其半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法及其半导体器件。

背景技术

氮化镓被认为是继硅之后最重要的半导体材料。氮化镓是一种宽禁带半导体材料，它的光谱覆盖了整个可见光区域，可以制成蓝光和白光发光二极管，用于显示、电视背光和普通照明；可以制成绿光/蓝光发光二极管，和AlGaInP基的红光发光二极管一起，用于全色显示；还可以制成紫外光激光器，用于数据存储。除了优异的光学性能，氮化镓的电学性能也十分出色：高电子迁移率(～2000cm2/Vs)、高电子速度(2.5E7cm/s)、高临界电场(3.5MV/cm)等等。因此，氮化镓也可以用于微波器件、高速的功率开关器件等。

理论上来说，由于氮化镓的临界电场是硅材料的十倍以上，如果击穿电压相同的话，基于氮化镓的功率开关器件具有极低的开态电阻。但是，除了性能以外，器件能不能被市场接受，生产制造的成本也是一个十分重要的因素。相对于基于氮化镓的发光器件而言，氮化镓基的功率开关器件对生产成本更为敏感。从绿光到紫外(550nm-200nm)发光器件而言，氮化镓几乎是唯一的选择。但是，氮化镓基功率开关器件需要和硅基的MOSFET/CoolMOS/IGBT等型号的器件竞争，因此氮化镓器件需要在性能方面每个指标都达到或者超过硅基器件的水平，系统成本也需要降低到和硅基器件相比拟的程度。从这个角度讲，在大尺寸硅基板上生长氮化镓材料是唯一的选择。

除了基于大尺寸硅基衬底的LED生产较基于蓝宝石衬底的技术有无可比拟的成本优势外，基于硅基衬底的LED技术与集成电路技术非常近似，容易整合，因此对光电一体嵌入式芯片发展迅速有重要意义，可以为化合物半导体发展提供广阔的空间。在利用现有集成电路制程技术同时，切割等后段制程技术与资源都非常成熟与完备。此外，在生产HB和UHB LED产品所需的覆晶安装(flip chip mounting)时，硅晶材质比蓝宝石更易移除，不但生产周期可显著缩短，还能获得更佳的良率。由于硅基衬底的导热性好于蓝宝石衬底，部分封装技术甚至不需剥离衬底。成熟的硅基衬底GaN技术同时也是实现批量生产高性能功率器件的必备技术。

在硅上生长氮化镓材料是相当困难的，在硅和氮化镓材料之间存在着巨大的热失配，氮化镓的热膨胀系数为5.6*10^-6K^-1，而硅的热膨胀系数为2.6*10^-6K^-1，两者的失配高达56％，在硅衬底上生长氮化镓，从高温降到室温，将产生很大的拉应力，从而导致裂纹的产生，而这种裂纹直接影响到器件的可靠性和良品率；另外，由于氮化镓的晶体常数为0.3189nm，而硅的晶格常数为0.54301nm，两者之间的晶格失配达到16.9％，因此，硅衬底上生长的氮化镓材料将会出现大量的位错，而这些位错将会导致器件性能与寿命的下降。

现有技术中已有许多技术用来消除外延生长的氮化镓薄膜表面的裂纹。如在硅衬底上制备规则方块图形，以及在氮化镓外延层中插入氮化铝插入层，可释放张应力，减少裂纹，但效果并不理想，主要是因为衬底上的图像影响到外延层的晶体质量均匀性，同时调整氮化铝层工艺难度很大。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法及其半导体器件。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法及半导体器件，其有效地改善了由于热失配和晶格失配造成对材料或器件的影响。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种硅衬底上生长氮化物外延层的方法，所述方法包括：

S1、提供单晶硅衬底；

S2、在所述单晶硅衬底上沉积一层阻挡层；

S3、在所述阻挡层上沉积至少一层包括Al层和AlN层的Al/AlN超晶格层；

S4、采用金属有机化学气相沉积方法或氢化物气相外延方法在所述Al/AlN超晶格层中AlN层上沉积AlN、GaN或AlGaN外延层，其中，在沉积AlN、GaN或AlGaN外延层过程中Al/AlN超晶格层中的Al层为融化状态，释放与相邻阻挡层或AlN层间的应力；

S5、在完成外延层沉积后对所述衬底进行冷却，冷却过程中Al/AlN超晶格层中的Al层重新固化，对其相邻阻挡层或AlN层施加压应力。