高电子移动率晶体管外延方法

技术领域

本发明与半导体技术有关；特别涉及一种高电子迁移率晶体管。

背景技术

已知高电子移动率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)是具有二维电子气(two dimensional electron gas,2-DEG)的一种晶体管，其二维电子气邻近于能隙不同的两种材料之间的异质接合面，由于高电子移动率晶体管并非使用掺杂区域作为晶体管的载子通道，而是使用具有高电子移动性二维电子气作为晶体管的载子通道，因此高电子迁移率晶体管具有高崩溃电压、高电子迁移率、低导通电阻与低输入电容等特性，而能广泛应用于高功率半导体装置中。

然而现有的高电子移动率晶体管结构，由于各层的组成材料并不相同，各层的组成材料的热膨胀系数也不同，在不同温度的变化下，来自材料间相异的应力可能会使表面生成裂纹或是产生翘曲、断裂等问题，进而影响到高电子移动率晶体管的耐压表现。因此，如何减少高电子迁移率晶体管结构产生裂纹、翘曲及断裂等缺陷，是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高电子移动率晶体管外延方法，能减少高电子迁移率晶体管结构产生裂纹、翘曲及断裂等缺陷。

缘以实现上述目的，本发明提供的一种高电子移动率晶体管外延方法包括以下步骤：提供一基板；于所述基板上形成一成核层；于所述成核层上形成一缓冲层；于所述缓冲层上形成一第一氮化物层，所述第一氮化物层与所述缓冲层接触；于所述第一氮化物层上形成一第二氮化物层，且于所述第二氮化物层中进行碳掺杂，所述第二氮化物层与所述第一氮化物层接触；于所述第二氮化物层上方形成一通道层；于所述通道层上形成一阻障层，一二维电子气体沿所述通道层与所述阻障层间的界面形成于所述通道层中；其中，所述第二氮化物层的生长温度小于所述第一氮化物层的生长温度；所述第一氮化物层的膜厚小于所述第二氮化物层的膜厚。

本发明的效果在于，通过所述第一氮化物层及所述第二氮化物层的结构设计，能有效减少所述高电子迁移率晶体管结构产生裂纹、翘曲及断裂等缺陷。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的高电子移动率晶体管外延结构的示意图。

图2为本发明一优选实施例的高电子移动率晶体管外延方法的流程图。

图3为本发明一优选实施例的高电子移动率晶体管外延方法的流程图。

图4为一比较例的高电子移动率晶体管外延结构的示意图。

附图标记说明：

1,2：高电子移动率晶体管外延结构

10：基板

20：成核层

30：缓冲层

40：第一氮化物层

50：第二氮化物层

52：第三氮化物层

521：低掺杂氮化物层

522：高掺杂氮化物层

60：通道层

70：阻障层

80：钝化层

S02,S04,S06,S08,S10,S11,S12,S14,S16：步骤

具体实施方式

为能更清楚地说明本发明，兹举优选实施例并配合附图详细说明如后。请参图1所示，为本发明一优选实施例的高电子移动率晶体管外延结构1，包含一基板10、一成核层20、一缓冲层30、一第一氮化物层40、一第二氮化物层50、一通道层60及一阻障层70。

其中所述基板10可以是例如硅(Si)基板、砷化镓(GaAs)基板、氮化镓(GaN)基板、碳化硅(SiC)基板或蓝宝石(Al

于本实施例中，所述高电子移动率晶体管外延结构1包含一钝化层80及一第三氮化物层52，所述钝化层80可以是例如氮化硅(SiN)或氮化镓(GaN)钝化层，所述第三氮化物层52为氮化镓(GaN)层；其中所述第二氮化物层50、所述第三氮化物层52及所述第一氮化物层40Ⅴ/Ⅲ比的比例为1∶4∶5；如图1所示，所述成核层20位于所述基板10上方；所述缓冲层30位于所述成核层20上方；所述第一氮化物层40位于所述缓冲层30上方且与所述缓冲层30接触；所述第二氮化物层50位于所述第一氮化物层40上方且与所述第一氮化物层40接触；所述通道层60位于所述第二氮化物层50上方；一二维电子气体沿所述通道层60与所述阻障层70间的界面形成于所述通道层60中；所述第三氮化物层52位于所述第二氮化物层50上方且与所述第二氮化物层50接触；所述第三氮化物层52位于所述第二氮化物层50与所述通道层60之间，所述通道层60位于所述第三氮化物层52上方；所述钝化层80位于所述阻障层70上方。于其他实施例中，也可以不设置所述第三氮化物层52。

于本实施例中，所述第一氮化物层40的膜厚小于所述第二氮化物层50的膜厚；所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40的膜厚的比值满足大于等于1且小于等于6的范围，优选地，所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40的膜厚的比值为3；所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40中的膜厚总和小于等于1μm，优选地，所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40中的膜厚总和大于等于0.5μm且小于等于1μm。

于本实施例中，所述第二氮化物层50具有碳掺杂，所述第一氮化物层40中的碳浓度小于所述第二氮化物层50中的碳浓度，其中所述第二氮化物层50中的碳浓度与所述第一氮化物层40中的碳浓度的比值大于等于10。

于本实施例中，所述第三氮化物层52的膜厚为2.5～3.5μm，所述第三氮化物层52包含多个第三氮化物膜，所述第三氮化物层52为所述多个第三氮化物膜相互层叠形成的超晶格层，且两相邻的第三氮化物膜的碳浓度较大者与碳浓度较小者的比值满足大于等于10的范围，于本实施例中，是以所述第三氮化物层52包含一低掺杂氮化物层521及一高掺杂氮化物层522为例说明，于其他实施例中，也可以是所述第三氮化物层52包含一个以上的低掺杂氮化物层及一个以上的高掺杂氮化物层，且低掺杂氮化物层与高掺杂氮化物层以彼此交错层叠的方式设置。

于本实施例中，所述高电子移动率晶体管外延结构1的翘曲度(BOW)绝对值小于30μm，其中所述高电子移动率晶体管外延结构1为8英寸晶圆，所述翘曲度的数值为晶圆的弯曲程度，正负为晶圆的弯曲方向，正值为晶圆向上弯曲程度，负值为晶圆向下弯曲程度；所述钝化层80表面每平方公分直径大于0.5μm的缺陷数量小于10颗，前述缺陷举例来说可以是例如六角缺陷、堆叠缺陷、坑洞缺陷等外延工艺中常见的缺陷，且前述缺陷不包含例如微尘或是刮痕等外力形成的缺陷；所述高电子移动率晶体管外延结构1自所述钝化层80外周缘处向内延伸的最长裂纹长度小于等于3mm，举例来说，前述裂纹可以是自晶圆的外周缘处往晶圆内延伸的裂纹；所述高电子移动率晶体管外延结构1的崩溃电压大于等于0.09V/nm；以X光绕射分析，所述高电子移动率晶体管外延结构(102)面的半峰全宽(FWHM)为小于700arcsec，所述高电子移动率晶体管外延结构(002)面的半峰全宽(FWHM)为小于600arcsec。

请参图3所示，为本发明一优选实施例的高电子移动率晶体管外延方法流程图，所述高电子移动率晶体管外延方法用以形成上述的高电子移动率晶体管外延结构1。所述高电子移动率晶体管外延方法包含以下步骤：

步骤S02，提供一基板10；如上所述，所述基板10可以是硅(Si)基板、砷化镓(GaAs)基板、氮化镓(GaN)基板、碳化硅(SiC)基板或蓝宝石(Al

步骤S04，于所述基板10上形成一成核层；所述成核层20可以是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)于所述基板10上形成，所述成核层20可以为例如氮化铝(AlN)或氮化铝镓(AlGaN)层。

步骤S06，于所述成核层20上形成一缓冲层30；所述缓冲层可以是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)于所述成核层20上形成，所述缓冲层30由氮化铝镓(AlGaN)构成，所述缓冲层30的表面铝(Al)浓度为25±10％。

步骤S08，于所述缓冲层30上形成一第一氮化物层40，所述第一氮化物层40与所述缓冲层30接触；所述第一氮化物层40可以是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)于所述缓冲层30上形成，且所述第一氮化物层40为氮化镓(GaN)层。

步骤S10，于所述第一氮化物层40上形成一第二氮化物层50，且于所述第二氮化物层50中进行碳掺杂，所述第二氮化物层50与所述第一氮化物层40接触；所述第二氮化物层50可以是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)于所述第一氮化物层上形成，且所述第二氮化物层50为氮化镓(GaN)层。

其中，所述第二氮化物层50的生长温度小于所述第一氮化物层40的生长温度，于本实施例中，所述第一氮化物层40与所述第二氮化物层50的生长温度的温差大于等于摄氏100度，所述第二氮化物层50的Ⅴ/Ⅲ比小于所述第一氮化物层40的Ⅴ/Ⅲ比；所述第二氮化物层50中的碳浓度与所述第一氮化物层40中的碳浓度的比值大于等于10；所述第一氮化物层40的膜厚小于所述第二氮化物层50的膜厚；所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40中的膜厚的比值满足大于等于1且小于等于6的范围，优选地，所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40中的膜厚的比值为3；所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40中的膜厚总和小于等于1μm，优选地，所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40中的膜厚总和大于等于0.5μm且小于等于1μm，也就是说，所述第一氮化物层40与所述第二氮化物层50是通过不同的温度、Ⅴ/Ⅲ气体流量比、厚度、碳掺杂浓度等生长条件所形成。

步骤S12，于所述第二氮化物层50上方形成一通道层60；所述通道层60可以是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)于所述第二氮化物层50上形成，且所述通道层60可以是例如氮化铝镓(AlGaN)或氮化镓(GaN)通道层，于本实施例中所述通道层60的厚度介于100～500nm之间。

步骤S14，于所述通道层60上形成一阻障层70，一二维电子气体沿所述通道层60与所述阻障层70间的界面形成于所述通道层60中；所述阻障层70可以是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)于所述第二氮化物层50上形成，且所述阻障层70可以是例如氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝铟(AlInN)、或氮化铝铟镓(AlInGaN)阻障层。

于本实施例中，所述高电子移动率晶体管外延方法，于所述步骤S10与所述步骤S12之间，进一步包含一步骤S11，于所述第二氮化物层50上形成一第三氮化物层52；所述第三氮化物层52可以是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)于所述第二氮化物层50上形成，所述第三氮化物层52与所述第二氮化物层50接触且所述第三氮化物层52位于所述通道层60与所述第二氮化物层50之间，所述第三氮化物层52为氮化镓(GaN)层。于其他实施例中，如图2所示，也可以不执行所述步骤S11。

于本实施例中，所述第二氮化物层50的生长温度小于所述第三氮化物层52的生长温度，优选地，所述第二氮化物层50的生长温度小于所述第一氮化物层40及所述第三氮化物层52的生长温度，且所述第二氮化物层50的生长温度与所述第一氮化物层40及所述第三氮化物层52的生长温度的温差大于摄氏100度；所述第二氮化物层50、所述第三氮化物层52及所述第一氮化物层40Ⅴ/Ⅲ比的比例为1∶4∶5；所述第三氮化物层52的膜厚为2.5～3.5μm；所述第三氮化物层52包含多个第三氮化物膜，所述第三氮化物层52为所述多个第三氮化物膜相互层叠设置形成的超晶格层，且两相邻的第三氮化物膜的碳浓度较大者与碳浓度较小者的比值满足大于等于10的范围。

于本实施例中，所述高电子移动率晶体管外延方法，于所述步骤S14后，进一步包含一步骤S16，于所述阻障层70上形成一钝化层80，所述钝化层80可以是通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)于所述阻障层70上形成，且所述阻障层可以是例如氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝铟(AlInN)、或氮化铝铟镓(AlInGaN)阻障层。

于本实施例中，所述高电子移动率晶体管外延方法，包含检测使用所述高电子移动率晶体管外延方法形成的所述高电子移动率晶体管外延结构1，所述高电子移动率晶体管外延结构1的翘曲度(BOW)绝对值小于30μm，其中所检测的所述高电子移动率晶体管外延结构1为8英寸晶圆，所述翘曲度的数值为晶圆的弯曲程度，正负为晶圆的弯曲方向，正值为晶圆向上弯曲程度，负值为晶圆向下弯曲程度；所述钝化层80表面每平方公分直径大于0.5μm的缺陷数量小于10颗，前述缺陷举例来说可以是例如六角缺陷、堆叠缺陷、坑洞缺陷等外延工艺中常见的缺陷，且前述缺陷不包含例如微尘或是刮痕等外力形成的缺陷；所述高电子移动率晶体管外延结构1自所述钝化层80外周缘处向内延伸的最长裂纹长度小于等于3mm，举例来说，前述裂纹可以是自8英寸晶圆的外周缘处往晶圆内延伸的裂纹；所述高电子移动率晶体管外延结构1的崩溃电压大于等于0.09V/nm；以X光绕射分析，所述高电子移动率晶体管外延结构(102)面的半峰全宽(FWHM)为小于700arcsec，所述高电子移动率晶体管外延结构(002)面的半峰全宽(FWHM)为小于600arcsec。

以下兹举一比较例及一实施例进行说明。

〔比较例1〕

如图4所示，比较例1的高电子移动率晶体管外延结构2与上述实施例的高电子移动率晶体管外延结构1具有大致相同的结构，同样包含基板10、成核层20、缓冲层30、通道层60、阻障层70及钝化层80，不同之处在于，比较例1的高电子移动率晶体管外延结构2未设置第一氮化物层40、第二氮化物层50及第三氮化物层52。

〔实施例1〕

请配合图1，为使用所述高电子移动率晶体管外延方法形成的所述高电子移动率晶体管结构1。

其中所述第一氮化物层40的成长条件如下：

成长温度为摄氏1050度、氮(N)/氢(H)的气体流量比为1∶1；所述第一氮化物层的外延厚度为250nm且所述第一氮化物层未掺杂碳，所述第一氮化物层的碳浓度背景值为小于5E17cm

所述第二氮化物层50的成长条件如下：

成长温度为摄氏940度、氮(N)/氢(H)的气体流量比为6∶4；所述第二氮化物层的外延厚度为750nm且所述第二氮化物层中掺杂碳，所述第二氮化物层的碳浓度介于5E18～5E19cm

所述第三氮化物层52的成长条件如下：

成长温度为摄氏1055度、氮(N)/氢(H)的气体流量比为1∶2；所述第三氮化物层52的膜厚为2.5～3.5μm，所述第三氮化物层52包含一低掺杂氮化物层521及一高掺杂氮化物层522，所述第三氮化物层52为低掺杂氮化物层521及高掺杂氮化物层522交叠形成的超晶格层，所述低掺杂氮化物层521的外延厚度为10～100nm且所述低掺杂氮化物层521未掺杂碳，所述低掺杂氮化物层521的碳浓度为小于1E18cm

再说明的是，所述第二氮化物层50、所述第三氮化物层52及所述第一氮化物层40Ⅴ/Ⅲ比的比例为1∶4∶5。

请配合下表1，为比较例1与实施例1的高电子移动率晶体管外延结构的检测结果，可见未设置所述第一氮化物层40及所述第二氮化物层50的比较例1在最长裂纹长度、翘曲度(BOW)、(102)面的半峰全宽(FWHM)及缺陷密度的表现皆劣于实施例1的高电子移动率晶体管外延结构的检测结果表现，也就是说，本实施例1通过所述第一氮化物层40及所述第二氮化物层50的设置，能有效减少所述高电子迁移率晶体管结构1产生裂纹、翘曲及缺陷，并能提升所述高电子迁移率晶体管结构的外延品质。

除此之外，由于比较例1的高电子迁移率晶体管结构2并未设置所述第一氮化物层40、所述第二氮化物层50及所述第三氮化物层52，由表1可见，比较例1的高电子迁移率晶体管结构2在崩溃电压的表现明显劣于实施例1的高电子迁移率晶体管结构1在崩溃电压的表现，也就是说，本实施例1通过所述第一氮化物层40、所述第二氮化物层50及所述第三氮化物层52的设置，能有效提升所述高电子迁移率晶体管结构1的耐压表现。

表1：

以下另举数比较例进行说明。

再说明的是，于本实施例1中，所述通道层60的厚度为100～500nm，所述第三氮化物层52的膜厚为2.5～3.5μm，所述第一氮化物层40的膜厚占所述第一氮化物层40与所述第二氮化物层50的膜厚总和的25％，所述第二氮化物层50的膜厚占所述第一氮化物层40与所述第二氮化物层50的膜厚总和的75％，也就是所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40中的膜厚的比值为3。

〔比较例2～5〕

比较例2～5具有与实施例1大致相同的高电子移动率晶体管结构，所述通道层60的厚度为100～500nm，所述第三氮化物层52的膜厚为2.5～3.5μm，不同之处在于，比较例2的第一氮化物层的膜厚占第一氮化物层与第二氮化物层的膜厚总和的0％，比较例2的第二氮化物层的膜厚占第一氮化物层与第二氮化物层的膜厚总和的100％；比较例3的第一氮化物层的膜厚占第一氮化物层与第二氮化物层的膜厚总和的50％，比较例3的第二氮化物层的膜厚占第一氮化物层与第二氮化物层的膜厚总和的50％；比较例4的第一氮化物层的膜厚占第一氮化物层与第二氮化物层的膜厚总和的75％，比较例4的第二氮化物层的膜厚占第一氮化物层与第二氮化物层的膜厚总和的25％；比较例5的第一氮化物层的膜厚占第一氮化物层与第二氮化物层的膜厚总和的100％，比较例5的第二氮化物层的膜厚占第一氮化物层与第二氮化物层的膜厚总和的0％。

请配合下表2，为实施例1与比较例2～5的高电子移动率晶体管外延结构的检测结果，由下表可见，实施例1的高电子移动率晶体管外延结构相较于比较例2～5的高电子移动率晶体管外延结构具有较佳的耐压表现及较低的缺陷密度，由此可知，当所述第二氮化物层50的膜厚与所述第一氮化物层40的膜厚的比值为3时，高电子移动率晶体管外延结构1具有较佳的耐压表现及较低的缺陷密度。

表2：

综上所述，本发明的效果在于，通过所述第一氮化物层40及所述第二氮化物层50的结构设计，能有效减少所述高电子迁移率晶体管结构1产生裂纹、翘曲及断裂等缺陷，除此之外，通过所述第一氮化物层40、所述第二氮化物层50及所述第三氮化物层52的设置，能有效提升所述高电子移动率晶体管外延结构1的耐压表现。

以上所述仅为本发明优选可行实施例而已，举凡应用本发明说明书及权利要求所为的等效变化，理应包含在本发明的权利要求范围内。