本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，涉及一種GaN-on-Si的晶圓制備方法，尤其涉及一種利用MOCVD反應(yīng)腔制備GaN-on-Si晶圓的方法。

背景技術(shù)：

隨著能效標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，基于硅(Si)材料的功率器件的改進(jìn)空間越來越?。蝗藗儗⒛抗馔断蛐虏牧项I(lǐng)域，以期實(shí)現(xiàn)根本改進(jìn)，引發(fā)新一代功率器件技術(shù)的革命性突破。

眾多新材料中，基于氮化鎵(GaN)的復(fù)合材料最引人關(guān)注。GaN基功率器件具有擊穿電壓高、電流密度大、開關(guān)速度快以及工作溫度高等優(yōu)點(diǎn)，性能遠(yuǎn)優(yōu)于Si基器件；采用GaN基功率開關(guān)器件的電子系統(tǒng)效率可改善3.5～7％，體積可減小35％，兼具高性能和高可靠性。GaN外延材料可以選擇多種襯底，其中Si襯底上外延生長GaN具有明顯的成本優(yōu)勢，一方面Si襯底的價(jià)格很低，另一方面Si襯底的尺寸較大(8英寸)，能夠形成大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢。

目前制備硅基氮化鎵(GaN-on-Si)晶圓的主要方案是利用現(xiàn)有的MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)設(shè)備來制備。

MOCVD設(shè)備作為一種典型的CVD設(shè)備，能夠提供在晶片(例如藍(lán)寶石外延片)表面生長用于發(fā)光的晶體結(jié)構(gòu)GaN(氮化鎵)時(shí)所需的溫度、壓力和化學(xué)氣體組分等條件。MOCVD設(shè)備中設(shè)有真空的反應(yīng)腔，反應(yīng)腔中設(shè)有托盤，通過進(jìn)氣裝置(例如噴淋頭)將反應(yīng)氣體引入反應(yīng)腔內(nèi)，并輸送到放置在托盤上的晶片的表面進(jìn)行處理，從而生長出特定的晶體結(jié)構(gòu)例如GaN結(jié)構(gòu)。

但是，現(xiàn)有的MOCVD設(shè)備主要是針對藍(lán)綠光的光電二極管(LED)，其 特點(diǎn)是在一個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)完成全部生長步驟，直至得到所需的材料結(jié)構(gòu)為止。因此利用目前的MOCVD設(shè)備制備GaN-on-Si晶圓的方法均或多或少存在一些問題，如氮化鋁的生長速率較低、鋁利用效率較低、GaN-on-Si晶圓質(zhì)量較差等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種利用多個(gè)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置(MOCVD)反應(yīng)腔分步驟制得GaN-on-Si晶圓的方法。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明提供了一種利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置制備GaN-on-Si晶圓的方法，所述金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置包括兩個(gè)不同的反應(yīng)腔，具體包括以下步驟：

在第一反應(yīng)腔內(nèi)通過外延反應(yīng)在硅基襯底上沉積AlN(氮化鋁)薄膜，再在AlN薄膜上沉積組成為Al_xGa_1-xN的第一緩沖層，其中A＜X≤0.9，A為0.4～0.6；

將沉積有AlN薄膜和第一緩沖層的硅基襯底轉(zhuǎn)移至第二反應(yīng)腔內(nèi)；

在第二反應(yīng)腔內(nèi)通過外延反應(yīng)進(jìn)一步沉積組成為Al_YGa_1-YN的第二緩沖層，其中0.1≤Y≤A，A為0.4～0.6，然后在該第二緩沖層上沉積GaN層，制備得到GaN-on-Si晶圓。

其中，在沉積的組成為Al_xGa_1-xN的第一緩沖層中A＜X≤0.9，X可為0.5、0.6、0.7、0.8或0.9等，A為0.4～0.6，例如0.4、0.5或0.6。

在沉積的組成為Al_YGa_1-YN的第二緩沖層中0.1≤Y≤A，Y可為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5或0.6等，A為0.4～0.6，例如0.4、0.5或0.6。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，第一反應(yīng)腔和第二反應(yīng)腔均是金屬有機(jī)化學(xué)氣相 沉積反應(yīng)腔，第一反應(yīng)腔的高度小于第二反應(yīng)腔；其中，所述的“高度”是指反應(yīng)腔中噴淋頭下表面至托盤上表面之間的距離。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，第一反應(yīng)腔高度為15～25mm，例如15mm、17mm、20mm、23mm或25mm等；第二反應(yīng)腔高度為50～100mm，例如50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm等。

本發(fā)明根據(jù)制備得到的GaN-on-Si晶圓中AlGaN緩沖層中鋁組分含量的多少，將AlGaN緩沖層分為高鋁組分AlGaN緩沖層和低鋁組分AlGaN緩沖層，其中高鋁組分AlGaN緩沖層為組成為Al_xGa_1-xN的第一緩沖層，A＜X≤0.9；低鋁組分AlGaN緩沖層為組成為Al_YGa_1-YN的第二緩沖層，0.1≤Y≤A，其中A為0.4～0.6。

第一反應(yīng)腔的高度小于第二反應(yīng)腔是由于在材料制備過程中，高鋁組分AlGaN緩沖層中的鋁有機(jī)源極易與氨氣發(fā)生預(yù)反應(yīng)生成鋁團(tuán)聚物，降低鋁的利用率，限制了AlN生長速率和AlGaN中的鋁摻雜效率，但是通過降低反應(yīng)腔的高度，即縮短鋁有機(jī)源極易與氨氣混合距離，可以有效的抑制預(yù)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高的AlN生長速率和AlGaN中高的鋁摻雜。在材料制備過程中，低鋁組分AlGaN緩沖層中鋁有機(jī)源與氨氣的預(yù)反應(yīng)隨著鋁含量減少而減弱，而材料反應(yīng)中生成的易沉積于反應(yīng)腔內(nèi)壁的副產(chǎn)物對GaN-on-Si晶圓影響更為顯著，因而需要選擇合適的反應(yīng)腔高度優(yōu)化流場分布，抑制副產(chǎn)物的沉積，因而第二反應(yīng)腔的高度要大于第一反應(yīng)腔。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，第一反應(yīng)腔和第二反應(yīng)腔均是單片反應(yīng)腔。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，第一反應(yīng)腔和第二反應(yīng)腔均支持托盤轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)以上/分鐘的高速旋轉(zhuǎn)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，將硅基襯底轉(zhuǎn)移至第二反應(yīng)腔的過程是在密閉真空環(huán)境下完成的。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在第一反應(yīng)腔內(nèi)沉積有AlN薄膜和第一緩沖層的的硅基襯底溫度降至400～500℃后，將該硅基襯底轉(zhuǎn)移至第二反應(yīng)腔內(nèi)，其中降溫溫度可為400℃、430℃、450℃、470℃或500℃等。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在第一反應(yīng)腔內(nèi)沉積AlN薄膜和沉積第一緩沖層的溫度為1150～1250℃，例如1150℃、1170℃、1200℃、1230℃或1250℃等；壓力為45～55mbar，例如45mbar、47mbar、50mbar、53mbar或55mbar等。

優(yōu)選地，在第二反應(yīng)腔內(nèi)中沉積第二緩沖層和GaN層的溫度為1050～1150℃，例如1050℃、1070℃、1100℃、1130℃或1150℃等；壓力為100～200mbar，例如100mbar、130mbar、150mbar、170mbar或200mbar等。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，在第二反應(yīng)腔沉積第二緩沖層和GaN層的同時(shí)，在第一反應(yīng)腔內(nèi)在另一批次硅基襯底上沉積AlN薄膜和第一緩沖層。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述方法包括以下步驟：

在第一反應(yīng)腔內(nèi)通過外延反應(yīng)在硅基襯底上沉積AlN薄膜，再在AlN薄膜上沉積組成為Al_xGa_1-xN的第一緩沖層，其中A＜X≤0.9，A為0.4～0.6，沉積溫度為1150～1250℃，壓力為45～55mbar；

在第一反應(yīng)腔內(nèi)沉積有AlN薄膜和第一緩沖層的硅基襯底溫度降至400～500℃后，將該硅基襯底在密閉真空環(huán)境下轉(zhuǎn)移至第二反應(yīng)腔內(nèi)；

在第二反應(yīng)腔內(nèi)通過外延反應(yīng)進(jìn)一步沉積組成為Al_YGa_1-YN的第二緩沖層，其中0.1≤Y≤A，A為0.4～0.6，在該緩沖層上沉積GaN層，沉積溫度為1050～1150℃，壓力為100～200mbar，制備得到GaN-on-Si晶圓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置采用兩個(gè)反應(yīng)腔外延生長GaN-on-Si晶圓，能有效地消除鎵回熔產(chǎn)生的晶體缺陷導(dǎo)致電性良品率低等問題，提高氮化鋁的生長速率和鋁利用效率；進(jìn)一步地，還提高了工藝重復(fù)一致性和可靠性；此外，還能提高外延生長材料的均勻性和設(shè)備效率，有效提升產(chǎn)能和降低外延生產(chǎn)的成本。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明所述制備GaN-on-Si晶圓的方法的工藝流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中兩種MOCVD沉積AlN薄膜的生長速率隨TMAl流量的變化圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中兩種MOCVD制備的AlGaN薄膜中實(shí)測鋁組分與理論鋁組分的對比關(guān)系圖，其中圖3a為實(shí)施例2中采用本發(fā)明所述方法制備的AlGaN薄膜中實(shí)測鋁組分與理論鋁組的對比關(guān)系圖，圖3b為采用傳統(tǒng)方法制備的AlGaN薄膜中實(shí)測鋁組分與理論鋁組的對比關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合若干個(gè)具體實(shí)施例，示例性說明及幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但實(shí)施例具體細(xì)節(jié)僅是為了說明本發(fā)明，并不代表本發(fā)明構(gòu)思下全部技術(shù)方案，因此不應(yīng)理解為對本發(fā)明總的技術(shù)方案限定，一些在技術(shù)人員看來，不偏離發(fā)明構(gòu)思的非實(shí)質(zhì)性改動，例如以具有相同或相似技術(shù)效果的技術(shù)特征簡單改變或替換，均屬本發(fā)明保護(hù)范圍。

本申請發(fā)明人通過分析，在傳統(tǒng)的生產(chǎn)GaN-on-Si晶圓的方法中，由于在同一個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)完成所有的外延步驟，會產(chǎn)生鎵回熔的現(xiàn)象，產(chǎn)生的晶體缺陷 導(dǎo)致電性良品率低。

針對傳統(tǒng)的生產(chǎn)GaN-on-Si晶圓的方法的不足，本申請具體實(shí)施例部分提供了一種利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置制備GaN-on-Si晶圓的方法，該金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置包括多個(gè)不同的反應(yīng)腔，例如兩個(gè)，其具體流程如圖1所示：

首先，在第一反應(yīng)腔內(nèi)通過外延反應(yīng)在硅基襯底上沉積AlN薄膜，再在AlN薄膜上沉積組成為Al_xGa_1-xN的第一緩沖層，其中A＜X≤0.9，A為0.4～0.6，該過程沉積溫度為1150～1250℃，壓力為45～55mbar。

然后，在第一反應(yīng)腔內(nèi)沉積有AlN薄膜和第一緩沖層的硅基襯底溫度降至400～500℃后，將硅基襯底在密閉真空環(huán)境下轉(zhuǎn)移至第二反應(yīng)腔內(nèi)。

最后，在第二反應(yīng)腔內(nèi)通過外延反應(yīng)進(jìn)一步沉積組成為Al_YGa_1-YN的第二緩沖層，其中0.1≤Y≤A，A為0.4～0.6，在該第二緩沖層上沉積GaN層，制備得到GaN-on-Si晶圓，該過程沉積溫度為1050～1150℃，壓力為100～200mbar，制備得到GaN-on-Si晶圓。

進(jìn)一步地，第一反應(yīng)腔和第二反應(yīng)腔均為MOCVD反應(yīng)腔，且第一反應(yīng)腔的高度小于第二反應(yīng)腔，其中，“高度”是指反應(yīng)腔中噴淋頭下表面至托盤上表面之間的距離。在一個(gè)可選的實(shí)施方案中，第一反應(yīng)腔和第二反應(yīng)腔均為單片反應(yīng)腔。在另一個(gè)可選的實(shí)施方案中，第一反應(yīng)腔和第二反應(yīng)腔均支持高速旋轉(zhuǎn)，即反應(yīng)腔中托盤的轉(zhuǎn)速為500rpm以上，即托盤轉(zhuǎn)速大于等于500轉(zhuǎn)/分鐘。進(jìn)一步地，采用本實(shí)施例提供的方法，可以形成GaN-on-Si晶圓的流水制備。即在第二反應(yīng)腔內(nèi)在某一批次(一片或多片)硅基襯底上沉積第二緩沖層和GaN層的同時(shí)，在第一反應(yīng)腔內(nèi)在另一批次(一片或多片)硅基襯底上 沉積AlN薄膜和第一緩沖層，因而能有效提高GaN-on-Si晶圓生產(chǎn)能力。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例提供了一種利用分布式MOCVD設(shè)備(即該MOCVD設(shè)備包括多個(gè)反應(yīng)腔)制備GaN-on-Si晶圓中AlN方法，該方法包括如下步驟：

將裝有Si襯底置于分布式MOCVD設(shè)備的第一反應(yīng)腔，該反應(yīng)腔的高度為15～25mm，例如20mm，將溫度升至1200℃，壓力設(shè)定為50mbar，在Si襯底上沉積AlN薄膜，通過調(diào)節(jié)鋁有機(jī)源(TMAl)的流量，實(shí)時(shí)原位測量AlN薄膜的生長速率。

為了便于說明本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)，采取同樣的工藝又在傳統(tǒng)一步式MOCVD(在一個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)完成全部外延步驟)中重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，由于傳統(tǒng)一步式MOCVD考慮到更多的外延步驟，反應(yīng)腔的高度受到的限制因素更多，且對一個(gè)反應(yīng)腔來說，反應(yīng)腔高度一旦確定后通常不再能夠調(diào)整?，F(xiàn)有的MOCVD設(shè)備中，特別是支持高速旋轉(zhuǎn)(500rpm以上，即500轉(zhuǎn)以上/分鐘)的MOCVD設(shè)備中，反應(yīng)腔的高度一般設(shè)為50～100mm。

其中Si襯底層的尺寸為8英寸(200mm)，厚度為1000μm。

兩種方法沉積AlN薄膜的生長速率隨TMAl流量的變化如圖2所示，圖2中Gap代表反應(yīng)腔高度。

從圖2中可以看出，現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)反應(yīng)腔的高度為50mm時(shí)，AlN的生長速率隨TMAl的流量緩慢增加，當(dāng)TMAl流量大于800sccm(sccm為氣體流量單位，代表標(biāo)準(zhǔn)每立方厘米)，生長速率飽和，AlN的最大生長速率僅為0.2μm/h。而本實(shí)施例中，當(dāng)反應(yīng)腔的高度為20mm時(shí)，AlN生長速率隨TMAl的流量線性增大，直到TMAl的流量大于2000sccm為止，AlN最大生長速率 可達(dá)1.26μm/h，顯著超出現(xiàn)有技術(shù)。

本實(shí)施例說明采用分布式MOCVD制備GaN-on-Si晶圓中，在第一反應(yīng)腔即高度較小的反應(yīng)腔沉積AlN的過程中，較現(xiàn)有技術(shù)中AlN的生長速率提高了，鋁的利用率提高了。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例提供了一種利用分布式MOCVD制備GaN-on-Si晶圓中AlGaN方法，所述方法如下：

將裝有Si襯底置于分布式MOCVD設(shè)備的第一反應(yīng)腔，該反應(yīng)腔的高度為20mm，將溫度升至1200℃，壓力設(shè)定為50mbar，在Si襯底上沉積200nmAlN，然后繼續(xù)沉積400nm的AlGaN薄膜(第一緩沖層)，通過調(diào)節(jié)鋁有機(jī)源和鎵有機(jī)源的比例，制備了不同鋁組分的3個(gè)樣品，然后取出測量樣品中的鋁組分。為了便于說明本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)，又在傳統(tǒng)一步式MOCVD(高度為50mm)中采取同樣的方法制備了另外三塊AlGaN樣品，待生長結(jié)束后取出測量樣品中的鋁組分。

兩種MOCVD制備的AlGaN薄膜中實(shí)測鋁組分與理論鋁組分的對比關(guān)系如圖3所示。從圖3a可以看出，采用分布式MOCVD的第一個(gè)反應(yīng)腔在制備AlGaN特別是高鋁組分的AlGaN時(shí)，實(shí)測鋁組分約為理論鋁組分的80％。如圖3b所示，而傳統(tǒng)的一步式反應(yīng)腔制備AlGaN，實(shí)測鋁組分約為理論鋁組分的50％。

本實(shí)施例說明采用分布式MOCVD制備GaN-on-Si晶圓中，在第一反應(yīng)腔即高度較小的反應(yīng)腔沉積高鋁組分AlGaN的過程中，較現(xiàn)有技術(shù)中AlGaN的鋁實(shí)際含量顯著提高，鋁的利用率提高了。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例提供了一種利用MOCVD制備GaN-on-Si晶圓的方法，所述方法如下：

將裝有Si襯底置于MOCVD設(shè)備的第一反應(yīng)腔，將溫度升至1150～1250℃，壓力設(shè)定為45～55mbar，例如將溫度升至1200℃，壓力設(shè)定為50mbar，在Si襯底上依次沉積AlN薄膜和第一緩沖層Al_xGa_1-xN(其中，A＝0.5，0.5＜X≤0.9)，沉積完成后，待第一反應(yīng)器溫度降至450℃后，將其轉(zhuǎn)移至第二反應(yīng)腔，通常該轉(zhuǎn)移過程是在密閉真空環(huán)境下完成的。在第二反應(yīng)腔中將溫度上升至1050～1150℃，壓力為100～200mbar，例如溫度設(shè)定為1100℃，設(shè)定壓力為150mbar，然后依次沉積第二緩沖層Al_YGa_1-YN(其中A＝0.5，0.1≤Y≤0.5)和GaN層，制備得到GaN-on-Si晶圓。

制備得到的GaN-on-Si晶圓具有Si襯底層、AlGaN緩沖層和GaN層，其中Si襯底層的尺寸為8英寸，厚度為1000μm，Si襯底上有一層厚度為200nm的AlN薄膜，AlGaN緩沖層有兩層，第一層形成于AlN薄膜上，鋁組分含量為60wt％，厚度為1000nm，第二層形成于第一層AlGaN層上，鋁組分含量為40wt％，厚度為1000nm，GaN形成于第二AlGaN層上，厚度為1.5μm。

為了展示分反應(yīng)腔分步驟制備GaN-on-Si晶圓方法的特點(diǎn)，又用傳統(tǒng)的方法，即采用一個(gè)反應(yīng)腔制備了同樣結(jié)構(gòu)的GaN-on-Si晶圓。

兩種方法制備的GaN-on-Si晶圓具體過程，采用反應(yīng)腔分步驟方法制備GaN-on-Si晶圓的時(shí)間約為5小時(shí)，而傳統(tǒng)方法約為8小時(shí)，通過對比發(fā)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的方法可以顯著縮短晶圓的制備時(shí)間。

對比兩種方法制備GaN-on-Si晶圓的晶體質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的方法 制備的GaN晶體質(zhì)量也優(yōu)于傳統(tǒng)的方法。衡量GaN晶體質(zhì)量的參數(shù)為GaN(002)晶面和(102)面的X射線搖擺曲線的寬度，數(shù)值越小表明晶體質(zhì)量越好。根據(jù)測試結(jié)果，本發(fā)明實(shí)施例的方法制備的GaN-on-Si晶圓中GaN(002)晶面和(102)面的X射線搖擺曲線的寬度分別為1000弧秒和2000弧秒，而采用傳統(tǒng)方法制備的GaN-on-Si晶圓中GaN(002)晶面和(102)面的X射線搖擺曲線的寬度分別為2000弧秒和3600弧秒。

綜合實(shí)施例1-3和對比例中的結(jié)果可以看出，本發(fā)明所述的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積裝置采用兩個(gè)具有高度差的反應(yīng)腔分步驟制備GaN-on-Si晶圓的方法：能有效地消除鎵回熔產(chǎn)生的晶體缺陷導(dǎo)致電性良品率低等問題；提高氮化鋁的生長速率、AlGaN中的鋁組分和鋁利用效率；縮短GaN-on-Si晶圓的制備時(shí)間；提高了GaN-on-Si晶圓的晶體質(zhì)量。同時(shí)，該方法還可以提高了工藝重復(fù)一致性和可靠性，設(shè)備效率，有效提升產(chǎn)能和降低外延生產(chǎn)的成本，更符合大規(guī)模生產(chǎn)需要。

實(shí)施例4：

實(shí)施3中制備得到的GaN-on-Si晶圓若作為功率器件應(yīng)用，還需要在GaN-on-Si晶圓上繼續(xù)沉積20nm的AlGaN，其中鋁組分的含量為20～30wt％。

實(shí)施例5：

實(shí)施例3中制備得到的GaN-on-Si晶圓若作為LED應(yīng)用，還需要繼續(xù)在GaN-on-Si晶圓上繼續(xù)沉積n型GaN、InGaN/GaN超晶格和p型GaN。

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)方法才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進(jìn)，對本發(fā)明產(chǎn)品 各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。