[发明专利]一种GaN 外延工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造工艺，涉及一种外延工艺方法,尤其涉及一种GaN外延工艺方法。 

背景技术

GaN属于宽禁带半导体材料，它具有优异的物理和化学性质，如禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高及抗辐照性能强、热导率和介电常数大，化学特性稳定等，特别适合制作高压、高温、高频、高功率、强辐照环境下使用的半导体器件。具体而言，GaN的禁带宽度比Si材料大，本征载流子浓度比Si低，由此决定了GaN基器件的极限工作温度比Si基器件高。从热稳定性方面考虑，Ⅲ-Ⅴ族化合物的键能比Si材料大，在高温下有更高的稳定性。但是，目前GaN单晶生长较为困难，难以获得高质量、大尺寸、低成本的GaN单晶。GaN难以在Si衬底上生长主要有两个方面，第一是晶格失配，二者的失配度大概是17%；二是热膨胀系数的差异也很大，导致GaN和Si之间的应力很大，GaN很容易龟裂。 

晶格适配通常采用增加缓冲层来解决，常用的缓冲层有AlN，SiC,Al₂O₃等。缓冲层的特点是晶格常数和GaN相近，二者适配度较低。但缓冲层和Si的晶格常数差异较大，二者适配度很大，这样导致缓冲层在接近于Si衬底的位置有较多的晶格缺陷，且这样晶格缺陷扩散到GaN外延层中（见图1），从而影响GaN外延的质量。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种GaN外延工艺方法，利用晶格常数逐渐变化的缓冲层来生长高质量的GaN外延层，该方法能防止GaN缺陷，提高GaN外延的质量。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种GaN外延工艺方法，该方法包括以下步骤： 

1）在硅衬底上生长Si_(1-x-y)GexCy缓冲层； 

2）逐步降低Si_(1-x-y)GexCy缓冲层中Ge的含量，直至为0，从而生长出Si_(1-x-y)GexCy和SiC缓冲层； 

3）在Si_(1-x-y)GexCy和SiC缓冲层上生长SiC缓冲层； 

4）在SiC缓冲层上进行GaN外延生长，形成GaN外延层。 

进一步地，所述步骤1）硅衬底的表面晶向为（111），所述Si_(1-x-y)GexCy缓冲层中满足：8.2%≤x/y≤10.7%，且其厚度为1-100nm。所述步骤1）采用气相外延或超高真空化学气相沉积方法生长Si_(1-x-y)GexCy缓冲层，生长温度在500-1000摄氏度，反应气源为SiH₄ 或DCS，GeH₄，SiH₃CH₃和H₂。 

进一步地，所述步骤2）中Si_(1-x-y)GexCy和SiC缓冲层中的Ge的含量小于Si_(1-x-y)GexCy缓冲层中的Ge含量，且其在纵向方向上Ge含量逐渐降低，在Si_(1-x-y)GexCy和SiC缓冲层顶部Ge含量为0，即为SiC，Si_(1-x-y)GexCy和SiC缓冲层的厚度为10-100nm。所述步骤2）中Si_(1-x-y)GexCy和SiC缓冲层采用步骤1）中Si_(1-x-y)GexCy缓冲层同样的生长工艺，即采用气相外延或超高真空化学气相沉积方法生长，生长温度在500-1000摄氏度，反应气源为SiH₄或DCS，GeH₄，SiH₃CH₃和H₂，通过逐渐降低GeH₄流量来逐渐降低Si_(1-x-y)GexCy和SiC缓冲层中Ge的浓度；步骤1）中Si_(1-x-y)GexCy缓冲层和步骤2）中Si_(1-x-y)GexCy和SiC缓冲层或通过一步生长工艺完成，或分开完成。