一种GaN-on-Si晶圆的制备方法 |
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| 申请号 | CN201510965134.1 | 申请日 | 2015-12-21 | 公开(公告)号 | CN106893999A | 公开(公告)日 | 2017-06-27 |
| 申请人 | 中晟光电设备(上海)股份有限公司; | 发明人 | 张森; 陈爱华; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种利用MOCVD设备制备GaN-on-Si 晶圆 的方法，所述制备方法利用反应腔分步骤制备GaN-on-Si晶圆。具体步骤为：在第一反应腔内通过 外延 反应在 硅 基衬底上形成AlN 薄膜 ，再在AlN薄膜上沉积高 铝 组分AlGaN 缓冲层 ；紧接着在第二反应腔内进一步沉积低铝组分AlGaN缓冲层，然后在该缓冲层上沉积GaN层，制备得到GaN-on-Si晶圆，两个反应腔的主要区别在于第一反应腔的高度小于第二反应腔。本发明能有效地消除镓回熔产生的晶体 缺陷 导致电性良品率低等问题，同时提高晶圆的晶体 质量 ，有效提升产能和降低外延生产的成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用金属有机化学气相沉积装置制备GaN-on-Si晶圆的方法，其特征在于，所述金属有机化学气相沉积装置包括两个不同的反应腔，所述方法具体包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种GaN-on-Si晶圆的制备方法技术领域背景技术[0003] 众多新材料中，基于氮化镓(GaN)的复合材料最引人关注。GaN基功率器件具有击穿电压高、电流密度大、开关速度快以及工作温度高等优点，性能远优于Si基器件；采用GaN基功率开关器件的电子系统效率可改善3.5～7％，体积可减小35％，兼具高性能和高可靠性。GaN外延材料可以选择多种衬底，其中Si衬底上外延生长GaN具有明显的成本优势，一方面Si衬底的价格很低，另一方面Si衬底的尺寸较大(8英寸)，能够形成大规模生产的优势。 [0005] MOCVD设备作为一种典型的CVD设备，能够提供在晶片(例如蓝宝石外延片)表面生长用于发光的晶体结构GaN(氮化镓)时所需的温度、压力和化学气体组分等条件。MOCVD设备中设有真空的反应腔，反应腔中设有托盘，通过进气装置(例如喷淋头)将反应气体引入反应腔内，并输送到放置在托盘上的晶片的表面进行处理，从而生长出特定的晶体结构例如GaN结构。 [0006] 但是，现有的MOCVD设备主要是针对蓝绿光的光电二极管(LED)，其 特点是在一个反应腔内完成全部生长步骤，直至得到所需的材料结构为止。因此利用目前的MOCVD设备制备GaN-on-Si晶圆的方法均或多或少存在一些问题，如氮化铝的生长速率较低、铝利用效率较低、GaN-on-Si晶圆质量较差等。 发明内容[0008] 为达此目的，本发明采用以下技术方案： [0009] 第一方面，本发明提供了一种利用金属有机化学气相沉积装置制备GaN-on-Si晶圆的方法，所述金属有机化学气相沉积装置包括两个不同的反应腔，具体包括以下步骤： [0011] 将沉积有AlN薄膜和第一缓冲层的硅基衬底转移至第二反应腔内； [0012] 在第二反应腔内通过外延反应进一步沉积组成为AlYGa1-YN的第二缓冲层，其中0.1≤Y≤A，A为0.4～0.6，然后在该第二缓冲层上沉积GaN层，制备得到GaN-on-Si晶圆。 [0013] 其中，在沉积的组成为AlxGa1-xN的第一缓冲层中A＜X≤0.9，X可为0.5、0.6、0.7、0.8或0.9等，A为0.4～0.6，例如0.4、0.5或0.6。 [0014] 在沉积的组成为AlYGa1-YN的第二缓冲层中0.1≤Y≤A，Y可为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5或0.6等，A为0.4～0.6，例如0.4、0.5或0.6。 [0015] 作为本发明的优选方案，第一反应腔和第二反应腔均是金属有机化学气相 沉积反应腔，第一反应腔的高度小于第二反应腔；其中，所述的“高度”是指反应腔中喷淋头下表面至托盘上表面之间的距离。 [0016] 作为本发明的优选方案，第一反应腔高度为15～25mm，例如15mm、17mm、20mm、23mm或25mm等；第二反应腔高度为50～100mm，例如50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm等。 [0017] 本发明根据制备得到的GaN-on-Si晶圆中AlGaN缓冲层中铝组分含量的多少，将AlGaN缓冲层分为高铝组分AlGaN缓冲层和低铝组分AlGaN缓冲层，其中高铝组分AlGaN缓冲层为组成为AlxGa1-xN的第一缓冲层，A＜X≤0.9；低铝组分AlGaN缓冲层为组成为AlYGa1-YN的第二缓冲层，0.1≤Y≤A，其中A为0.4～0.6。 [0018] 第一反应腔的高度小于第二反应腔是由于在材料制备过程中，高铝组分AlGaN缓冲层中的铝有机源极易与氨气发生预反应生成铝团聚物，降低铝的利用率，限制了AlN生长速率和AlGaN中的铝掺杂效率，但是通过降低反应腔的高度，即缩短铝有机源极易与氨气混合距离，可以有效的抑制预反应，实现高的AlN生长速率和AlGaN中高的铝掺杂。在材料制备过程中，低铝组分AlGaN缓冲层中铝有机源与氨气的预反应随着铝含量减少而减弱，而材料反应中生成的易沉积于反应腔内壁的副产物对GaN-on-Si晶圆影响更为显著，因而需要选择合适的反应腔高度优化流场分布，抑制副产物的沉积，因而第二反应腔的高度要大于第一反应腔。 [0019] 作为本发明的优选方案，第一反应腔和第二反应腔均是单片反应腔。 [0020] 作为本发明的优选方案，第一反应腔和第二反应腔均支持托盘转速为500转以上/分钟的高速旋转。 [0021] 作为本发明的优选方案，将硅基衬底转移至第二反应腔的过程是在密闭真空环境下完成的。 [0022] 作为本发明的优选方案，在第一反应腔内沉积有AlN薄膜和第一缓冲层的的硅基衬底温度降至400～500℃后，将该硅基衬底转移至第二反应腔内，其中降温温度可为400℃、430℃、450℃、470℃或500℃等。 [0023] 作为本发明的优选方案，在第一反应腔内沉积AlN薄膜和沉积第一缓冲层的温度为1150～1250℃，例如1150℃、1170℃、1200℃、1230℃或1250℃等；压力为45～55mbar，例如45mbar、47mbar、50mbar、53mbar或55mbar等。 [0024] 优选地，在第二反应腔内中沉积第二缓冲层和GaN层的温度为1050～1150℃，例如1050℃、1070℃、1100℃、1130℃或1150℃等；压力为100～200mbar，例如100mbar、130mbar、 150mbar、170mbar或200mbar等。 [0025] 作为本发明的优选方案，在第二反应腔沉积第二缓冲层和GaN层的同时，在第一反应腔内在另一批次硅基衬底上沉积AlN薄膜和第一缓冲层。 [0026] 作为本发明的优选方案，所述方法包括以下步骤： [0027] 在第一反应腔内通过外延反应在硅基衬底上沉积AlN薄膜，再在AlN薄膜上沉积组成为AlxGa1-xN的第一缓冲层，其中A＜X≤0.9，A为0.4～0.6，沉积温度为1150～1250℃，压力为45～55mbar； [0028] 在第一反应腔内沉积有AlN薄膜和第一缓冲层的硅基衬底温度降至400～500℃后，将该硅基衬底在密闭真空环境下转移至第二反应腔内； [0029] 在第二反应腔内通过外延反应进一步沉积组成为AlYGa1-YN的第二缓冲层，其中0.1≤Y≤A，A为0.4～0.6，在该缓冲层上沉积GaN层，沉积温度为1050～1150℃，压力为100～200mbar，制备得到GaN-on-Si晶圆。 [0030] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0031] 本发明所述的金属有机化学气相沉积装置采用两个反应腔外延生长GaN-on-Si晶圆，能有效地消除镓回熔产生的晶体缺陷导致电性良品率低等问题，提高氮化铝的生长速率和铝利用效率；进一步地，还提高了工艺重复一致性和可靠性；此外，还能提高外延生长材料的均匀性和设备效率，有效提升产能和降低外延生产的成本。附图说明： [0032] 图1是本发明所述制备GaN-on-Si晶圆的方法的工艺流程图； [0033] 图2是本发明实施例1中两种MOCVD沉积AlN薄膜的生长速率随TMAl流量的变化图； [0034] 图3是本发明实施例2中两种MOCVD制备的AlGaN薄膜中实测铝组分与理论铝组分的对比关系图，其中图3a为实施例2中采用本发明所述方法制备的AlGaN薄膜中实测铝组分与理论铝组的对比关系图，图3b为采用传统方法制备的AlGaN薄膜中实测铝组分与理论铝组的对比关系图。 具体实施方式[0035] 以下结合若干个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。 [0037] 针对传统的生产GaN-on-Si晶圆的方法的不足，本申请具体实施例部分提供了一种利用金属有机化学气相沉积装置制备GaN-on-Si晶圆的方法，该金属有机化学气相沉积装置包括多个不同的反应腔，例如两个，其具体流程如图1所示： [0038] 首先，在第一反应腔内通过外延反应在硅基衬底上沉积AlN薄膜，再在AlN薄膜上沉积组成为AlxGa1-xN的第一缓冲层，其中A＜X≤0.9，A为0.4～0.6，该过程沉积温度为1150～1250℃，压力为45～55mbar。 [0039] 然后，在第一反应腔内沉积有AlN薄膜和第一缓冲层的硅基衬底温度降至400～500℃后，将硅基衬底在密闭真空环境下转移至第二反应腔内。 [0040] 最后，在第二反应腔内通过外延反应进一步沉积组成为AlYGa1-YN的第二缓冲层，其中0.1≤Y≤A，A为0.4～0.6，在该第二缓冲层上沉积GaN层，制备得到GaN-on-Si晶圆，该过程沉积温度为1050～1150℃，压力为100～200mbar，制备得到GaN-on-Si晶圆。 [0041] 进一步地，第一反应腔和第二反应腔均为MOCVD反应腔，且第一反应腔的高度小于第二反应腔，其中，“高度”是指反应腔中喷淋头下表面至托盘上表面之间的距离。在一个可选的实施方案中，第一反应腔和第二反应腔均为单片反应腔。在另一个可选的实施方案中，第一反应腔和第二反应腔均支持高速旋转，即反应腔中托盘的转速为500rpm以上，即托盘转速大于等于500转/分钟。进一步地，采用本实施例提供的方法，可以形成GaN-on-Si晶圆的流水制备。即在第二反应腔内在某一批次(一片或多片)硅基衬底上沉积第二缓冲层和GaN层的同时，在第一反应腔内在另一批次(一片或多片)硅基衬底上 沉积AlN薄膜和第一缓冲层，因而能有效提高GaN-on-Si晶圆生产能力。 [0042] 实施例1： [0043] 本实施例提供了一种利用分布式MOCVD设备(即该MOCVD设备包括多个反应腔)制备GaN-on-Si晶圆中AlN方法，该方法包括如下步骤： [0044] 将装有Si衬底置于分布式MOCVD设备的第一反应腔，该反应腔的高度为15～25mm，例如20mm，将温度升至1200℃，压力设定为50mbar，在Si衬底上沉积AlN薄膜，通过调节铝有机源(TMAl)的流量，实时原位测量AlN薄膜的生长速率。 [0045] 为了便于说明本发明实施例的优点，采取同样的工艺又在传统一步式MOCVD(在一个反应腔内完成全部外延步骤)中重复该实验，由于传统一步式MOCVD考虑到更多的外延步骤，反应腔的高度受到的限制因素更多，且对一个反应腔来说，反应腔高度一旦确定后通常不再能够调整。现有的MOCVD设备中，特别是支持高速旋转(500rpm以上，即500转以上/分钟)的MOCVD设备中，反应腔的高度一般设为50～100mm。 [0046] 其中Si衬底层的尺寸为8英寸(200mm)，厚度为1000μm。 [0047] 两种方法沉积AlN薄膜的生长速率随TMAl流量的变化如图2所示，图2中Gap代表反应腔高度。 [0048] 从图2中可以看出，现有技术中，当反应腔的高度为50mm时，AlN的生长速率随TMAl的流量缓慢增加，当TMAl流量大于800sccm(sccm为气体流量单位，代表标准每立方厘米)，生长速率饱和，AlN的最大生长速率仅为0.2μm/h。而本实施例中，当反应腔的高度为20mm时，AlN生长速率随TMAl的流量线性增大，直到TMAl的流量大于2000sccm为止，AlN最大生长速率 可达1.26μm/h，显著超出现有技术。 [0049] 本实施例说明采用分布式MOCVD制备GaN-on-Si晶圆中，在第一反应腔即高度较小的反应腔沉积AlN的过程中，较现有技术中AlN的生长速率提高了，铝的利用率提高了。 [0050] 实施例2： [0051] 本实施例提供了一种利用分布式MOCVD制备GaN-on-Si晶圆中AlGaN方法，所述方法如下： [0052] 将装有Si衬底置于分布式MOCVD设备的第一反应腔，该反应腔的高度为20mm，将温度升至1200℃，压力设定为50mbar，在Si衬底上沉积200nmAlN，然后继续沉积400nm的AlGaN薄膜(第一缓冲层)，通过调节铝有机源和镓有机源的比例，制备了不同铝组分的3个样品，然后取出测量样品中的铝组分。为了便于说明本实施例的优点，又在传统一步式MOCVD(高度为50mm)中采取同样的方法制备了另外三块AlGaN样品，待生长结束后取出测量样品中的铝组分。 [0053] 两种MOCVD制备的AlGaN薄膜中实测铝组分与理论铝组分的对比关系如图3所示。从图3a可以看出，采用分布式MOCVD的第一个反应腔在制备AlGaN特别是高铝组分的AlGaN时，实测铝组分约为理论铝组分的80％。如图3b所示，而传统的一步式反应腔制备AlGaN，实测铝组分约为理论铝组分的50％。 [0054] 本实施例说明采用分布式MOCVD制备GaN-on-Si晶圆中，在第一反应腔即高度较小的反应腔沉积高铝组分AlGaN的过程中，较现有技术中AlGaN的铝实际含量显著提高，铝的利用率提高了。 [0055] 实施例3： [0056] 本实施例提供了一种利用MOCVD制备GaN-on-Si晶圆的方法，所述方法如下： [0057] 将装有Si衬底置于MOCVD设备的第一反应腔，将温度升至1150～1250℃，压力设定为45～55mbar，例如将温度升至1200℃，压力设定为50mbar，在Si衬底上依次沉积AlN薄膜和第一缓冲层AlxGa1-xN(其中，A＝0.5，0.5＜X≤0.9)，沉积完成后，待第一反应器温度降至450℃后，将其转移至第二反应腔，通常该转移过程是在密闭真空环境下完成的。在第二反应腔中将温度上升至1050～1150℃，压力为100～200mbar，例如温度设定为1100℃，设定压力为150mbar，然后依次沉积第二缓冲层AlYGa1-YN(其中A＝0.5，0.1≤Y≤0.5)和GaN层，制备得到GaN-on-Si晶圆。 [0058] 制备得到的GaN-on-Si晶圆具有Si衬底层、AlGaN缓冲层和GaN层，其中Si衬底层的尺寸为8英寸，厚度为1000μm，Si衬底上有一层厚度为200nm的AlN薄膜，AlGaN缓冲层有两层，第一层形成于AlN薄膜上，铝组分含量为60wt％，厚度为1000nm，第二层形成于第一层AlGaN层上，铝组分含量为40wt％，厚度为1000nm，GaN形成于第二AlGaN层上，厚度为1.5μm。 [0059] 为了展示分反应腔分步骤制备GaN-on-Si晶圆方法的特点，又用传统的方法，即采用一个反应腔制备了同样结构的GaN-on-Si晶圆。 [0060] 两种方法制备的GaN-on-Si晶圆具体过程，采用反应腔分步骤方法制备GaN-on-Si晶圆的时间约为5小时，而传统方法约为8小时，通过对比发现本发明实施例的方法可以显著缩短晶圆的制备时间。 [0061] 对比两种方法制备GaN-on-Si晶圆的晶体质量，发现本发明实施例的方法 制备的GaN晶体质量也优于传统的方法。衡量GaN晶体质量的参数为GaN(002)晶面和(102)面的X射线摇摆曲线的宽度，数值越小表明晶体质量越好。根据测试结果，本发明实施例的方法制备的GaN-on-Si晶圆中GaN(002)晶面和(102)面的X射线摇摆曲线的宽度分别为1000弧秒和2000弧秒，而采用传统方法制备的GaN-on-Si晶圆中GaN(002)晶面和(102)面的X射线摇摆曲线的宽度分别为2000弧秒和3600弧秒。 [0062] 综合实施例1-3和对比例中的结果可以看出，本发明所述的金属有机化学气相沉积装置采用两个具有高度差的反应腔分步骤制备GaN-on-Si晶圆的方法：能有效地消除镓回熔产生的晶体缺陷导致电性良品率低等问题；提高氮化铝的生长速率、AlGaN中的铝组分和铝利用效率；缩短GaN-on-Si晶圆的制备时间；提高了GaN-on-Si晶圆的晶体质量。同时，该方法还可以提高了工艺重复一致性和可靠性，设备效率，有效提升产能和降低外延生产的成本，更符合大规模生产需要。 [0063] 实施例4： [0064] 实施3中制备得到的GaN-on-Si晶圆若作为功率器件应用，还需要在GaN-on-Si晶圆上继续沉积20nm的AlGaN，其中铝组分的含量为20～30wt％。 [0065] 实施例5： [0066] 实施例3中制备得到的GaN-on-Si晶圆若作为LED应用，还需要继续在GaN-on-Si晶圆上继续沉积n型GaN、InGaN/GaN超晶格和p型GaN。 |
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