CN116705605B

CN116705605B - 一种硅基氮化镓hemt器件及其制备方法

Info

Publication number: CN116705605B
Application number: CN202310736872.3A
Authority: CN
Inventors: 伊艾伦; 欧欣; 周民
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2023-06-20
Filing date: 2023-06-20
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2043-06-20
Also published as: CN116705605A

Abstract

本公开涉及一种硅基氮化镓HEMT器件及其制备方法，该方法包括：对N型导电碳化硅衬底进行离子注入；对离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底；获取硅衬底；将硅衬底与绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底进行键合，对键合后的复合衬底进行剥离处理，得到复合硅基衬底；对复合硅基衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的复合硅基衬底；于绝缘处理后的复合硅基衬底的表面外延氮化镓薄膜；于氮化镓薄膜的表面制备HEMT器件层，得到硅基氮化镓HEMT器件。本公开的硅基氮化镓HEMT器件制备方法，不仅可以降低制备成本，还可以扩大硅基氮化镓HEMT器件的尺寸。

Description

一种硅基氮化镓HEMT器件及其制备方法

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅基氮化镓HEMT器件及其制备方法。

背景技术

氮化镓功率器件由于氮化镓本身的宽禁带特性，相对于目前市场上主导的硅基半导体功率器件，在同样的工作电压和功率条件下，具有更低的能量损耗，更小的体积以及更高的工作电压及具有更高的功率和工作频率。目前的产业界中比较成熟氮化镓薄膜的制备技术并且同时具备可行性的是金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延技术。目前业界普遍使用的衬底是碳化硅、蓝宝石以及单晶硅。

目前用于氮化镓射频器件的技术是在<0001>晶向的半绝缘碳化硅上异质外延高质量氮化镓器件层来达到。但是，半绝缘碳化硅不仅成本过高难以大规模应用，且半绝缘碳化硅生长及切磨抛较为困难，难以扩径至8乃至12英寸，这对氮化镓射频器件成本的降低造成了极大阻碍。

发明内容

本公开提供一种硅基氮化镓HEMT器件及其制备方法，本公开的技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种硅基氮化镓HEMT器件制备方法，包括：

获取N型导电碳化硅衬底；

对N型导电碳化硅衬底进行离子注入，得到离子注入后的N型导电碳化硅衬底；离子注入后的N型导电碳化硅衬底依次包括碳化硅薄膜、离子注入形成的缺陷层和剩余碳化硅衬底；

对离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底；绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底依次包括第一绝缘层、碳化硅薄膜、缺陷层和剩余碳化硅衬底；

获取硅衬底；硅衬底为高阻硅衬底或者本征硅衬底；

将硅衬底与绝缘处理后的N型导电碳硅衬底与绝缘处理化硅衬底进行键合，对键合后的复合衬底进行剥离处理，得到复合硅基衬底；复合硅基衬底依次包括硅衬底、第一绝缘层和碳化硅薄膜；

对复合硅基衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的复合硅基衬底；

于绝缘处理后的复合硅基衬底的表面外延氮化镓薄膜；

于氮化镓薄膜的表面制备HEMT器件层，得到硅基氮化镓HEMT器件。

在一些可能的实施例中，对N型导电碳化硅衬底进行离子注入，包括：

使用氢、氦中至少一种注入元素，对N型导电碳化硅衬底进行离子注入，注入剂量为1E16/cm2～1E18/cm2，注入能量为20keV～500keV。

在一些可能的实施例中，对离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行绝缘处理，包括：

使用硼、铝中至少一种注入元素，对离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行反型掺杂，注入剂量为1E16～1E19/cm2，注入能量为5keV～30keV。

在一些可能的实施例中，将硅衬底与绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底进行键合，对键合后的复合衬底进行剥离处理，得到复合硅基衬底之后，对复合硅基衬底的表面进行绝缘处理之前，还包括：

对复合硅基衬底进行退火处理以激活第一绝缘层，退火温度为1300～1370℃，退火时长为3～6h；其中，退火时长与退火温度为反比关系。

在一些可能的实施例中，对复合硅基衬底行退火处理以激活第一绝缘层之前，还包括：

对复合硅基衬底进行碳膜保护；碳膜的厚度为100～1000nm，碳膜厚度与退火温度、退火气压为反比关系。

在一些可能的实施例中，对复合硅基衬底进行退火处理以激活第一绝缘层之后，还包括：

利用干法刻蚀去除退火后的复合硅基衬底表面残留的碳膜。

在一些可能的实施例中，获取硅衬底之后，将硅衬底与绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底进行键合之前，还包括：

使用硼、铝中至少一种注入元素，对硅衬底的表面进行离子注入，注入剂量为1E16～1E19/cm2，注入能量为5keV～30keV。

在一些可能的实施例中，对键合后的复合衬底进行剥离处理，得到复合硅基衬底之后，对复合硅基衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的复合硅基衬底之前，还包括：

对复合硅基衬底的表面进行抛光处理，去除表面100～300nm厚度的碳化硅薄膜，得到抛光后的复合硅基衬底。

在一些可能的实施例中，对复合硅基衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的复合硅基衬底，包括：

对复合硅基衬底的表面进行H离子注入，于碳化硅薄膜的表面形成第二绝缘层，得到绝缘处理后的复合硅基衬底；绝缘处理后的复合硅基衬底依次包括硅衬底、第一绝缘层、碳化硅薄膜和第二绝缘层。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种硅基氮化镓HEMT器件，通过上述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法制备得到。

本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

本公开实施例的一种硅基氮化镓HEMT器件的制备方法，一方面，通过转移高质量N型导电碳化硅薄膜至低成本硅衬底的方法，可以降低制备氮化镓HEMT器件所需衬底的成本，且高质量的N型导电碳化硅衬底可以进行回收复用，从而可以提高材料的利用率；另一方面，由于N型导电碳化硅衬底具有较大的晶圆尺寸，从而通过对N型导电碳化硅薄膜进行第一次绝缘处理，再对生长氮化镓的表面进行第二次绝缘处理，可以实现氮化镓的生长扩径至8寸，这有助于提升硅基氮化镓HEMT器件的制备良率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理，并不构成对本公开的不当限定。

图1是根据一示例性实施例示出的一种硅基氮化镓HEMT器件的制备方法的流程图；

图2A～2H是根据一示例性实施例示出的一种硅基氮化镓HEMT器件的制备过程示意图。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本公开的技术方案，下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的第一对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的例子。

本公开实施例提供了一种硅基氮化镓HEMT器件制备方法，可以实现低成本制备氮化镓HEMT器件，还可以将尺寸扩展至8寸，进而可以提升器件良率。

请参阅图1和图2A～图2H，图1是本公开实施例提供的一种硅基氮化镓HEMT器件制备方法的流程示意图，图2A～图2H是本公开实施例提供的一种硅基氮化镓HEMT器件制备方法的过程示意图；

如图1所示，本公开实施例提供的一种硅基氮化镓HEMT器件制备方法可以包括以下步骤：

S101：获取N型导电碳化硅衬底。

具体的，如图2A所示，首先获取SiC碳化硅衬底201；该SiC衬底201采用N型导电的高质量单晶碳化硅衬底，N型导电的碳化硅衬底相较于半绝缘的碳化硅衬底具有较大的晶圆尺寸，从而有助于实现GaN的生长扩径至8寸。

S103：对N型导电碳化硅衬底进行离子注入，得到离子注入后的N型导电碳化硅衬底。

其中，离子注入后的N型导电碳化硅衬底依次包括碳化硅薄膜、离子注入形成的缺陷层和剩余碳化硅衬底。

可选的，使用氢、氦中至少一种注入元素，对N型导电碳化硅衬底进行离子注入，注入剂量为1E16/cm2～1E18/cm2，注入能量为20keV～500keV。

具体的，如图2B所示，对SiC衬底201进行H离子注入，得到H离子注入后的SiC衬底201a；离子注入后的SiC衬底201a从上至下依次包括SiC薄膜2011、缺陷层2012和剩余SiC衬底2013。

S105：对离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底。

其中，绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底依次包括第一绝缘层、碳化硅薄膜、缺陷层和剩余碳化硅衬底。

可选的，S105具体可以包括：使用硼、铝中至少一种注入元素，对离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行反型掺杂，注入剂量为1E16～1E19/cm2，注入能量为5keV～30keV。

具体的，如图2C所示，使用Al离子对SiC衬底201a的表面进行反型掺杂，在表面形成第一绝缘层2014，得到反型掺杂后的SiC衬底201b。这里，反型掺杂的目的为了对导电SiC薄膜2011的表面进行绝缘处理，实现键合表面的绝缘态，可以提高SiC薄膜2014的阻抗，避免上层HEMT器件层的功率向下泄露。

S107：获取硅衬底。

具体的，如图2D所示，获取Si衬底202；该Si衬底202可以采用高阻硅衬底或者本征硅衬底。

可选的，在步骤S107之后，步骤S109之前，本公开实施例的方法还可以包括以下步骤：

S108：使用硼、铝中至少一种注入元素，对硅衬底的表面进行离子注入，注入剂量为1E16～1E19/cm2，注入能量为5keV～30keV。

在步骤S108中，对硅衬底的表面进行离子注入的目的也是为了实现键合表面的绝缘态；具体的对硅衬底的表面进行离子注入时，可以使用与上述对SiC衬底进行反型掺杂时使用的相同注入元素以实现最佳的绝缘效果。

S109：将硅衬底与绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底进行键合，对键合后的复合衬底进行剥离处理，得到复合硅基衬底。

其中，复合硅基衬底依次包括硅衬底、第一绝缘层和碳化硅薄膜。

具体的，该步骤中，如图2E所示，先将Si衬底202与反型掺杂后的SiC衬底201b在真空环境下直接键合，得到复合衬底300；再对复合衬底300进行剥离处理，具体的去除缺陷层2012使得剩余SiC衬底从复合衬底300上脱落，得到复合硅基衬底400，该复合硅基衬底400从下至上依次包括Si衬底202、第一绝缘层2014和SiC薄膜2011。

这里，对于剥离后的剩余SiC衬底2013，还可以通过下述回收步骤对其进行回收处理以便后续用于其他器件的制备。具体的，回收步骤可以包括：对剥离后的剩余碳化硅衬底进行热氧化，在1300℃纯氧环境中湿法氧化2～5小时；然后利用HF去除氧化层，再利用精细抛光，对碳化硅衬底的表面去除不超过500nm厚度的碳化硅薄膜。

可选的，将步骤S109之后，步骤S111之前，本公开实施例的方法还可以包括：

S100：对复合硅基衬底进行退火处理以激活第一绝缘层，退火温度为1300～1370℃，退火时长为3～6h；其中，退火时长与退火温度为反比关系。

进一步地，对退火处理前，可以对复合硅基衬底进行碳膜保护；碳膜的厚度为100～1000nm，碳膜厚度与退火温度、退火气压为反比关系。相应的，在对复合硅基衬底进行退火处理后，利用干法刻蚀去除复合硅基衬底表面残留的碳膜。

可选的，在下一步骤S111之前，还可以对复合硅基衬底的表面进行抛光处理，得到抛光后的复合硅基衬底。这里，考虑到剥离时可能会对表面的SiC薄膜2011造成损伤，因此通过抛光去除表面一定厚度的SiC薄膜2011，厚度可以在100～300nm范围内。

S111：对复合硅基衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的复合硅基衬底。

具体的，如图2F所示，对复合硅基衬底400的表面进行H离子注入，于SiC薄膜2011的表面形成第二绝缘层203，得到绝缘处理后的复合硅基衬底400a；绝缘处理后的复合硅基衬底400a依次包括Si衬底202、第一绝缘层2014、SiC薄膜2011和第二绝缘层203。

这里，采用H离子注入的方式对复合硅基衬底的表面进行绝缘处理，而不做反型掺杂的元素注入，可以避免反型掺杂的元素对GaN外延过程造成元素沾污。

S113：于绝缘处理后的复合硅基衬底的表面外延氮化镓薄膜。

具体的，如图2G所示，于处理后的复合硅基衬底400a的表面外延生长GaN薄膜204。其中，GaN薄膜204的厚度为10～20μm。

S115：于氮化镓薄膜的表面制备HEMT器件层，得到硅基氮化镓HEMT器件。

具体的，如图2H所示，在制备HEMT器件层205时，先在GaN薄膜204的表面依次沉积GaN沟道层2051、Al_xGa_xN势垒层2052和介质层2053，然后于介质层2053上形成源电极、栅电极和漏电极，如此完成HEMT器件层205的制备，最终得到硅基氮化镓HEMT器件。

本公开实施例提供的一种硅基氮化镓HEMT器件的制备方法，一方面，通过转移高质量N型导电碳化硅薄膜至低成本硅衬底的方法，可以降低制备氮化镓HEMT器件所需衬底的成本，且高质量的N型导电碳化硅衬底可以进行回收复用，从而可以提高材料的利用率；另一方面，由于N型导电碳化硅衬底具有较大的晶圆尺寸，从而通过对N型导电碳化硅薄膜进行第一次绝缘处理，再对生长氮化镓的表面进行第二次绝缘处理，可以实现氮化镓的生长扩径至8寸，这有助于提升硅基氮化镓HEMT器件的制备良率。

此外，本公开实施例还提供了一种硅基氮化镓HEMT器件，通过上文实施例的硅基氮化镓HEMT器件制备方法制备得到。

需要说明的是，本公开实施例的硅基氮化镓HEMT器件与硅基氮化镓HEMT器件的制备方法基于同样的申请构思。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种硅基氮化镓HEMT器件制备方法，其特征在于，包括：

获取N型导电碳化硅衬底；

对所述N型导电碳化硅衬底进行离子注入，得到离子注入后的N型导电碳化硅衬底；所述离子注入后的N型导电碳化硅衬底依次包括碳化硅薄膜、离子注入形成的缺陷层和剩余碳化硅衬底；

对所述离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底；所述绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底依次包括第一绝缘层、所述碳化硅薄膜、所述缺陷层和所述剩余碳化硅衬底；

获取硅衬底；所述硅衬底为高阻硅衬底或者本征硅衬底；

将所述硅衬底与所述绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底进行键合，对键合后的复合衬底进行剥离处理，得到复合硅基衬底；所述复合硅基衬底依次包括所述硅衬底、所述第一绝缘层和所述碳化硅薄膜；

对所述复合硅基衬底表面的所述碳化硅薄膜进行绝缘处理，得到绝缘处理后的复合硅基衬底；

于所述绝缘处理后的复合硅基衬底的表面外延氮化镓薄膜；

于所述氮化镓薄膜的表面制备HEMT器件层，得到硅基氮化镓HEMT器件；

所述对所述离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行绝缘处理，包括：使用硼、铝中至少一种注入元素，对所述离子注入后的N型导电碳化硅衬底的表面进行反型掺杂，注入剂量为1E16～1E19/cm2，注入能量为5keV～30keV。

2.根据权利要求1所述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法，其特征在于，所述对所述N型导电碳化硅衬底进行离子注入，包括：

使用氢、氦中至少一种注入元素，对所述N型导电碳化硅衬底进行离子注入，注入剂量为1E16/cm2～1E18/cm2，注入能量为20keV～500keV。

3.根据权利要求1所述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法，其特征在于，所述将所述硅衬底与所述绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底进行键合，对键合后的复合衬底进行剥离处理，得到复合硅基衬底之后，所述对所述复合硅基衬底的表面进行绝缘处理之前，还包括：

对所述复合硅基衬底进行退火处理以激活所述第一绝缘层，退火温度为1300～1370℃，退火时长为3～6h；其中，退火时长与退火温度为反比关系。

4.根据权利要求3所述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法，其特征在于，所述对所述复合硅基衬底行退火处理以激活所述第一绝缘层之前，还包括：

对所述复合硅基衬底进行碳膜保护；所述碳膜的厚度为100～1000nm，所述碳膜厚度与所述退火温度、退火气压为反比关系。

5.根据权利要求4所述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法，其特征在于，所述对所述复合硅基衬底进行退火处理以激活所述第一绝缘层之后，还包括：

利用干法刻蚀去除退火后的复合硅基衬底表面残留的碳膜。

6.根据权利要求1所述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法，其特征在于，所述获取硅衬底之后，所述将所述硅衬底与所述绝缘处理后的N型导电碳化硅衬底进行键合之前，还包括：

使用硼、铝中至少一种注入元素，对所述硅衬底的表面进行离子注入，注入剂量为1E16～1E19/cm2，注入能量为5keV～30keV。

7.根据权利要求1中所述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法，其特征在于，所述对键合后的复合衬底进行剥离处理，得到复合硅基衬底之后，所述对所述复合硅基衬底的表面进行绝缘处理，得到绝缘处理后的复合硅基衬底之前，还包括：

对所述复合硅基衬底的表面进行抛光处理，去除表面100～300nm厚度的碳化硅薄膜，得到抛光后的复合硅基衬底。

8.根据权利要求7所述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法，其特征在于，所述对所述复合硅基衬底表面的所述碳化硅薄膜进行绝缘处理，得到绝缘处理后的复合硅基衬底，包括：

对所述复合硅基衬底的表面进行H离子注入，于所述碳化硅薄膜的表面形成第二绝缘层，得到所述绝缘处理后的复合硅基衬底；所述绝缘处理后的复合硅基衬底依次包括硅衬底、所述第一绝缘层、所述碳化硅薄膜和所述第二绝缘层。

9.一种硅基氮化镓HEMT器件，其特征在于，通过权利要求1～8中任一项所述的硅基氮化镓HEMT器件制备方法制备得到。