本申請(qǐng)涉及半導(dǎo)體制造，特別涉及氮化物半導(dǎo)體外延片及其制備工藝。

背景技術(shù)：

1、iii-v族氮化物半導(dǎo)體材料以及它們相關(guān)的合金和異質(zhì)結(jié)以其優(yōu)越的性能，在光電子和微電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用中占據(jù)著重要的地位。由于iii族氮化物一般在藍(lán)寶石或sic等異質(zhì)襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延，不同材料之間的晶格常熟和熱失配會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)或缺陷，并隨著外延層的生長(zhǎng)而向上延伸，這些位錯(cuò)在器件工作時(shí)表現(xiàn)為非輻射復(fù)合中心而影響器件效率，同時(shí)作為漏電通道引起漏電流增大而使器件迅速老化，影響器件的工作效率及壽命，制約了其在半導(dǎo)體電子領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2、外延生長(zhǎng)過(guò)程中可以通過(guò)在襯底上生長(zhǎng)氮化物粗化層，然后再生長(zhǎng)氮化物外延層，通過(guò)粗化層的三維島狀生長(zhǎng)模式使晶核充分生長(zhǎng)，從而降低外延層的缺陷密度；另外，側(cè)向外延生長(zhǎng)技術(shù)可以導(dǎo)致側(cè)向外延生長(zhǎng)過(guò)程中位錯(cuò)轉(zhuǎn)向，從而有效地降低外延層中的位錯(cuò)密度實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量外延材料的制備；由于能避免傳統(tǒng)掩膜的缺點(diǎn)，sin原位沉積掩膜廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的側(cè)向外延生長(zhǎng)工藝；目前現(xiàn)有技術(shù)粗化層工藝和sin掩膜工藝已遇到瓶頸，如何在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升氮化物外延層的晶體質(zhì)量，對(duì)于推動(dòng)半導(dǎo)體材料在高端半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用意義重大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N氮化物半導(dǎo)體外延片及其制備工藝，目的在于提高氮化物外延層的晶體質(zhì)量。

2、本申請(qǐng)采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、氮化物半導(dǎo)體外延片，包括：

4、基底；

5、成核層，所述成核層設(shè)置在所述基底上并具有多個(gè)成核中心；

6、氮化物粗化層，所述氮化物粗化層設(shè)置在所述成核中心的表面上并覆蓋所述基底的至少部分表面，所述氮化物粗化層包括周期性循環(huán)形成的氮化物粗化子層和覆蓋子層，所述覆蓋子層對(duì)所述氮化物粗化子層起粗化作用；

7、氮化物結(jié)構(gòu)層，所述氮化物結(jié)構(gòu)層覆蓋所述氮化物粗化層。

8、在一些具體實(shí)施方式中，在所述成核中心的表面，所述氮化物粗化子層三維生長(zhǎng)形成凸起結(jié)構(gòu)；且所述覆蓋子層間隔位于所述氮化物粗化子層之間；

9、所述覆蓋子層呈網(wǎng)孔狀，所述氮化物粗化子層填充前一周期形成的所述覆蓋子層的網(wǎng)孔間隙。

10、在一些具體實(shí)施方式中，所述氮化物粗化子層和所述覆蓋子層的循環(huán)周期為2～10，所述氮化物粗化子層的單層厚度為5～200nm，所述覆蓋子層的單層厚度為2～20nm。

11、在一些具體實(shí)施方式中，所述氮化物粗化子層和/或所述氮化物結(jié)構(gòu)層的材質(zhì)為gan、aln、inn及其三元、四元合金化合物中的一種；和/或，

12、所述覆蓋子層的材質(zhì)為sin、mgn、bn、tin、crn中的一種。

13、在一些具體實(shí)施方式中，在所述氮化物粗化層的厚度方向上，至少兩層所述覆蓋子層厚度不同；優(yōu)選地，從下至上，至少部分覆蓋子層厚度增加。

14、在一些具體實(shí)施方式中，所述覆蓋子層的鍵能大于所述氮化物粗化子層的鍵能；優(yōu)選地，所述覆蓋子層為具有不成膜特性的sin層，所述氮化物粗化子層位于間隔的所述覆蓋子層(22)之間，屏蔽si原子擴(kuò)散。

15、氮化物半導(dǎo)體外延片制備工藝，包括如下步驟：

16、提供基底；

17、在所述基底上通過(guò)退火工藝形成成核層，所述成核層具有多個(gè)成核中心；

18、在所述基底的至少部分表面和所述成核中心的表面上周期性循環(huán)形成氮化物粗化子層和覆蓋子層，所述覆蓋子層用于粗化所述氮化物粗化子層，所述氮化物粗化子層和覆蓋子層組成氮化物粗化層；其中，在第一生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)所述氮化物粗化子層，在第二生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)所述覆蓋子層；

19、所述基底上形成覆蓋所述氮化物粗化層的氮化物結(jié)構(gòu)層。

20、在一些具體實(shí)施方式中，所述成核層采用以下方法制備得到：在所述基底上形成氮化物緩沖層，對(duì)所述氮化物緩沖層進(jìn)行退火工藝處理后形成所述成核層；優(yōu)選地，所述氮化物緩沖層為非晶氮化物層，成核層為高度取向化的多晶微粒氮化物層。

21、在一些具體實(shí)施方式中，所述氮化物緩沖層生長(zhǎng)條件為溫度500～1000℃、壓力50～750torr；和/或，

22、所述氮化物緩沖層退火工藝處理?xiàng)l件為溫度1000～1100℃、壓力50～750torr、熱退火處理30～300s。

23、在一些具體實(shí)施方式中，所述第一生長(zhǎng)條件為溫度900～1100℃、壓力50～750torr；和/或，

24、所述第二生長(zhǎng)條件為溫度1000～1200℃、壓力50～750torr；

25、其中，所述第一生長(zhǎng)條件和所述第二生長(zhǎng)條件的循環(huán)周期為2～10。

26、在一些具體實(shí)施方式中，所述覆蓋子層為sin層，所述si流量為150～250scm，si：n流量比1：100～1：1000，通過(guò)提高si流量控制提高所述覆蓋子層的生長(zhǎng)厚度。

27、在一些具體實(shí)施方式中，所述覆蓋子層的鍵能大于所述氮化物粗化子層的鍵能，所述氮化物粗化子層的縱向生長(zhǎng)長(zhǎng)速大于橫向生長(zhǎng)長(zhǎng)速，在厚度方向上至少兩層氮化物粗化子層的控制工藝為溫度依次降低、壓力依次增加、氮化物的v/iii比依次降低中的至少一種，優(yōu)選地，所述溫度降低幅度為10～100℃/次，壓力增加幅度為50～350torr/次，氮化物的v/iii比降低幅度為100～1500/次。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)的有益效果至少包括：

29、本申請(qǐng)利用覆蓋子層在微納米級(jí)厚度不連續(xù)成膜的特性形成的納米孔層狀結(jié)構(gòu)，覆蓋子層對(duì)同周期的氮化物粗化子層起到進(jìn)一步粗化作用，延遲了氮化物外延層生長(zhǎng)形成平整表面的過(guò)程，極大地提高了位錯(cuò)缺陷轉(zhuǎn)彎自我湮滅的幾率，提高了后續(xù)形成的氮化物外延層的晶體質(zhì)量。

技術(shù)特征：

1.氮化物半導(dǎo)體外延片，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體外延片，其特征在于，在所述成核中心(11)的表面，所述氮化物粗化子層(21)三維生長(zhǎng)形成凸起結(jié)構(gòu)；且所述覆蓋子層(22)間隔位于所述氮化物粗化子層(21)之間；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體外延片，其特征在于，所述氮化物粗化子層(21)和所述覆蓋子層(22)的循環(huán)周期為2～10，所述氮化物粗化子層(21)的單層厚度為5～200nm，所述覆蓋子層(22)的單層厚度為2～20nm；

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化物半導(dǎo)體外延片，其特征在于，在所述氮化物粗化層(20)的厚度方向上，至少兩層所述覆蓋子層(22)厚度不同；優(yōu)選地，從下至上，至少部分覆蓋子層(22)厚度增加。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體外延片，其特征在于，所述覆蓋子層(22)的鍵能大于所述氮化物粗化子層(21)的鍵能；

6.氮化物半導(dǎo)體外延片制備工藝，其特征在于，包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體外延片制備工藝，其特征在于：所述成核層采用以下方法制備得到：在所述基底(100)上形成氮化物緩沖層(10)，對(duì)所述氮化物緩沖層(10)進(jìn)行退火工藝處理后形成所述成核層；

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體外延片制備工藝，其特征在于：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體外延片制備工藝，其特征在于：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體外延片制備工藝，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)公開(kāi)了氮化物半導(dǎo)體外延片及其制備工藝，氮化物半導(dǎo)體外延片包括：基底、成核層、氮化物粗化層、氮化物結(jié)構(gòu)層；成核層設(shè)置在基底上并具有多個(gè)成核中心，氮化物粗化層設(shè)置在成核中心的表面上并覆蓋基底的至少部分表面，氮化物粗化層包括周期性循環(huán)形成的氮化物粗化子層和覆蓋子層，覆蓋子層對(duì)氮化物粗化子層起粗化作用；氮化物結(jié)構(gòu)層覆蓋氮化物粗化層。本申請(qǐng)覆蓋子層對(duì)氮化物粗化子層起到進(jìn)一步粗化作用，延遲了氮化物外延層生長(zhǎng)形成平整表面的過(guò)程，提高了后續(xù)形成的氮化物外延層的晶體質(zhì)量。

技術(shù)研發(fā)人員：閆其昂,王國(guó)斌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇第三代半導(dǎo)體研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15