CN115938911A - 氮化物半导体结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氮化物半导体结构，其包括硅基板、成核层、含铝缓冲层以及超晶格层。成核层设置于硅基板上。含铝缓冲层设置于成核层上，且具有彼此交叠的M个AlGaN层和M个GaN层。M为大于1且小于6的正整数。超晶格层设置于含铝缓冲层上。含铝缓冲层的铝含量沿着成核层往超晶格层的方向从A渐变至B。每一个AlGaN层的铝含量的渐变量为(A‑B)/M。A介于90％至100％，且B介于0％至10％。一种氮化物半导体结构的制造方法也被提出。

Description

氮化物半导体结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体结构及其制造方法，尤其是涉及一种氮化物半导体结构及其制造方法。

背景技术

氮化镓半导体因具有较宽的能隙而适于用在高功率或高频电子元件的制作。由于硅基板具有高导热性、高导电性、容易切割及低成本的优势，在硅基板上制作氮化镓半导体元件已成为相关厂商的开发重点。然而，氮化物半导体结构与硅基板的晶格常数与热膨胀系数都有差异。因此，在硅基板上所形成的氮化物半导体结构容易产生大量的错位缺陷(dislocation)，导致氮化物半导体结构容易破裂。此外，硅基板和氮化物半导体结构容易在制程降温的过程中产生翘曲而影响后续芯片的制程良率。

发明内容

本发明是针对一种氮化物半导体结构，其具有较小的缺陷密度，且制成的元件具有较佳的电性及可靠度。

本发明是针对一种氮化物半导体结构的制造方法，其制程良率较佳。

根据本发明的实施例，氮化物半导体结构包括硅基板、成核层、含铝缓冲层以及超晶格层。成核层设置于硅基板上。含铝缓冲层设置于成核层上，且具有彼此交叠的M个AlGaN层和M个GaN层。M为大于1且小于6的正整数。超晶格层设置于含铝缓冲层上。含铝缓冲层的铝含量沿着成核层往超晶格层的方向从A渐变至B。每一个AlGaN层的铝含量的渐变量为(A-B)/M。A介于90％至100％，且B介于0％至10％。

在根据本发明的实施例的氮化物半导体结构中，M个AlGaN层为第一AlGaN层和第二AlGaN层。M个GaN层为第一GaN层和第二GaN层。第一AlGaN层、第一GaN层、第二AlGaN层和第二GaN层依序设置于成核层上。第一AlGaN层的铝含量沿着成核层往第一GaN层的方向从90％渐变至50％。第二AlGaN层的铝含量沿着第一GaN层往第二GaN层的方向从50％渐变至10％。

在根据本发明的实施例的氮化物半导体结构中，超晶格层包括彼此交叠的N个AlGaN层和N个AlN层或N个GaN层和N个AlN层。每一个AlGaN层或每一个GaN层的厚度介于15纳米至25纳米之间。每一个AlN层的厚度介于10纳米至20纳米之间。N为介于25至40的正整数。

在根据本发明的实施例中，氮化物半导体结构还包括设置于超晶格层上的碳掺杂GaN层。

在根据本发明的实施例中，氮化物半导体结构还包括未刻意掺杂GaN层、AIN层、阻障层以及p型掺杂GaN层。未刻意掺杂GaN层设置于碳掺杂GaN层上。AIN层设置于未刻意掺杂GaN层上。阻障层设置于AIN层上。p型掺杂GaN层设置于阻障层上。

在根据本发明的实施例的氮化物半导体结构中，第一AlGaN层的厚度小于第二AlGaN层的厚度。

在根据本发明的实施例的氮化物半导体结构中，每一个GaN层的厚度大于等于50纳米。

在根据本发明的实施例的氮化物半导体结构中，每一个AlGaN层的厚度随着铝含量的增加而减小。

在根据本发明的实施例的氮化物半导体结构中，含铝缓冲层的反射率大于30％。

根据本发明的实施例，氮化物半导体结构的制造方法包括于硅基板上形成成核层、于成核层上形成含铝缓冲层以及于含铝缓冲层上形成超晶格层。含铝缓冲层的制程温度大于950℃。含铝缓冲层的铝含量沿着远离成核层的方向从90％渐变至10％。含铝缓冲层的形成步骤包括：交替形成M个AlGaN层和M个GaN层，M为大于1的正整数。

在根据本发明的实施例的氮化物半导体结构的制造方法中，M个AlGaN层各自的铝含量的渐变量为80％/M。

在根据本发明的实施例的氮化物半导体结构的制造方法中，超晶格层的形成步骤包括：交替形成N个AlGaN层和N个AlN层或N个GaN层和N个AlN层。N为介于25至40的正整数。

基于上述，在本发明的实施例的氮化物半导体结构中，设置于成核层上的含铝缓冲层具有多个彼此交叠的AlGaN层和GaN层。为了释放氮化物半导体结构在长晶过程中所产生的应变(strain)，这些AlGaN层的铝含量朝着远离成核层的方向逐渐减少。这些GaN层的设置能让这些AlGaN层间隔堆叠，除了可避免AlGaN层因厚度过大而产生过多应力累积的问题，还可用来释放这些AlGaN层成膜后所累积的应力，从而避免氮化物半导体结构在制程降温的过程中发生翘曲而影响后续制程的良率。另一方面，在本发明的实施例的氮化物半导体结构的制造方法中，通过将含铝缓冲层的制程温度设置为大于950℃，可进一步提升氮化物半导体结构的长晶质量。

附图说明

图1是依照本发明的第一实施例的氮化物半导体结构的剖视示意图；

图2是图1的超晶格层的放大示意图；

图3A至图3C是图1的氮化物半导体结构的制造流程的剖视示意图；

图4是依照本发明的第二实施例的氮化物半导体结构的剖视示意图；

图5是依照本发明的第三实施例的氮化物半导体结构的剖视示意图。

附图标记说明

100、100A、100B：氮化物半导体结构；

110：硅基板；

120：成核层；

141：第一子层；

142：第二子层；

130、130A、130B：含铝缓冲层；

131、1311、1312、131A、1311A、1312A、131B、1311B、1312B、1313B：AlGaN层；

132、1321、1322、1323：GaN层；

140：超晶格层；

150：元件层；

151：碳掺杂GaN层；

152：未刻意掺杂GaN层；

153：AlN层；

154：阻障层；

155：p型掺杂GaN层；

BL、BL-A、BL-B：缓冲结构层；

T1、T2、T3、T1”、T2”：厚度。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1是依照本发明的第一实施例的氮化物半导体结构的剖视示意图。图2是图1的超晶格层的放大示意图。图3A至图3C是图1的氮化物半导体结构的制造流程的剖视示意图。请参照图1，氮化物半导体结构100包括硅基板110、缓冲结构层BL和元件层150。缓冲结构层BL设置于硅基板110与元件层150之间。缓冲结构层BL包括依序设置于硅基板110上的成核层120、含铝缓冲层130以及超晶格层140。

含铝缓冲层130具有彼此交叠的M个AlGaN层131和M个GaN层132，其中M为大于1且小于6的正整数。这些GaN层132的设置能将含铝缓冲层130的AlGaN层切分成多个彼此分离的AlGaN层131，除了可避免单一AlGaN层因厚度过大而产生过多的应力累积，还可用来分段释放这些AlGaN层131成膜后所累积的应力，从而避免氮化物半导体结构100在制程降温的过程中发生翘曲而影响后续制程的良率。

在本实施例中，含铝缓冲层130可包含两个AlGaN层131和两个GaN层132，例如：依序设置于成核层120上的第一AlGaN层1311、第一GaN层1321、第二AlGaN层1312和第二GaN层1322。在本实施例中，第一AlGaN层1311和第二AlGaN层1312在成膜方向(例如方向Z)上分别具有厚度T1和厚度T2，且第一AlGaN层1311的厚度T1可选地等于第二AlGaN层1312的厚度T2，但不以此为限。

为了释放氮化物半导体结构100在长晶过程中所产生的应变(strain)，含铝缓冲层130的铝含量沿着成核层120往超晶格层140的方向(例如方向Z)从A渐变至B。其中，A介于90％至100％，而B介于0％至10％。特别说明的是，本实施例的每一个AlGaN层131的铝含量的渐变量大致上相等，也即，每一个AlGaN层131的铝含量的渐变量为(A-B)/M。此处的铝含量例如是铝原子的原子百分比。举例来说，在本实施例中，第一AlGaN层1311的铝含量沿着成核层120往第一GaN层1321的方向从90％渐变至50％，且第二AlGaN层1312的铝含量沿着第一GaN层1321往第二GaN层1322的方向从50％渐变至10％，但不以此为限。

请同时参照图2，超晶格层140包括彼此交叠的N个第一子层141和N个第二子层142，其中N为介于25至40的正整数。在本实施例中，超晶格层140的第一子层141例如是AlGaN层或GaN层，第二子层142例如是AlN层，但不以此为限。通过超晶格层140的设置可进一步将含铝缓冲层130无法消除的错位缺陷(dislocation)往偏离方向Z的方向偏折，以降低窜升至元件层150的缺陷密度。

在本实施例中，元件层150例如是可应用于高功率元件或高频元件的高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)。举例来说，元件层150可包括依序设置于超晶格层140上的碳掺杂GaN层151、未刻意掺杂GaN层152、AIN层153、阻障层154以及p型掺杂GaN层155。由于碳掺杂GaN层151为具有良好绝缘特性的膜层，可确保元件层150能电性绝缘于缓冲结构层BL。

设置于碳掺杂GaN层151上的未刻意掺杂GaN层152，其材料与含铝缓冲层130的GaN层132的材料可选地相同，但不以此为限。在本实施例中，阻障层154例如是铝含量25％的AlGaN层，且其厚度可介于15纳米至25纳米之间。碳掺杂GaN层151的厚度可介于1.5微米至2.5微米之间。未刻意掺杂GaN层152的厚度例如是200纳米。AIN层153的厚度例如是1纳米。p型掺杂GaN层155的厚度可介于70纳米至100纳米之间。

由于上述含铝缓冲层130和超晶格层140的设置，可有效抑制长晶过程中所产生的缺陷窜升至元件层150，因此，本实施例的元件层150可具有较佳的操作电性及可靠度。

以下将针对氮化物半导体结构100的制造方法进行示例性的说明。

请参照图3A，首先，于硅基板110上形成成核层120。成核层120的材料例如是氮化铝(AlN)，但不以此为限。在本实施例中，硅基板110的晶格方向例如是(1 1 1)。

在成核层120的形成步骤完成后，于成核层120上形成含铝缓冲层130，如图3B所示。含铝缓冲层130的形成步骤包括：交替形成M个AlGaN层131和M个GaN层132，其中M为大于1的正整数。例如：依序于成核层120上形成第一AlGaN层1311、第一GaN层1321、第二AlGaN层1312和第二GaN层1322。举例来说，AlGaN层131的厚度可介于500纳米至1500纳米之间，而GaN层132的厚度大于等于50纳米。在一较佳的实施例中，GaN层132的厚度可介于80纳米至120纳米之间。

另一方面，在本实施例中，每一个AlGaN层的铝含量的渐变量为80％/M。也就是说，含铝缓冲层130的铝含量的总渐变量是由彼此间隔堆叠的M个AlGaN层131来均分。举例来说，在本实施例中，第一AlGaN层1311的铝含量是从90％渐变至50％，而第二AlGaN层1312的铝含量是从50％渐变至10％。也即，这两个AlGaN层131各自的铝含量的渐变量都是40％。然而，本发明不限于此。在其他实施例中，不同的AlGaN层的铝含量的渐变量也可以彼此不同。

特别说明的是，含铝缓冲层130的制程温度是控制在大于950℃，以增加含铝缓冲层130的表面平整度，从而提升氮化物半导体结构100的长晶质量。由于利用高温制程(即，制程温度大于950℃)形成的含铝缓冲层130，其表面平整度较佳，因此含铝缓冲层130连接超晶格层140的表面的反射率大于30％。此处的反射率例如是待测膜层对于波长405纳米的激光的反射能力与硅基板对相同波长的激光的反射能力的百分比值。

请参照图2及图3C，接着，于含铝缓冲层130上形成超晶格层140。超晶格层140的形成步骤可包括：交替形成N个第一子层141和N个第二子层142，其中N为介于25至40的正整数。在本实施例中，第一子层141可以是AlGaN层或GaN层，而第二子层142可以是AlN层。举例来说，第一子层141的厚度可介于15纳米至25纳米之间，第二子层142的厚度可介于10纳米至20纳米之间。

在超晶格层140的形成步骤完成后，可在超晶格层140上依序形成元件层150的碳掺杂GaN层151、未刻意掺杂GaN层152、AIN层153、阻障层154以及p型掺杂GaN层155(如图1及图3C所示)。于此便完成本实施例的氮化物半导体结构100的制作。

在本实施例中，氮化物半导体结构100包括硅基板110、成核层120、含铝缓冲层130、超晶格层140和元件层150。成核层120设置于硅基板110上。含铝缓冲层130设置于成核层120上，且具有依序叠置的第一AlGaN层1311、第一GaN层1321、第二AlGaN层1312和第二GaN层1322。超晶格层140设置于含铝缓冲层130上，且其铝含量沿着成核层120往超晶格层140的方向从90％渐变至10％。其中，第一AlGaN层1311和第二AlGaN层1312各自的铝含量的渐变量都是40％。

基于上述的叠层设计，除了可避免AlGaN层因厚度过大而产生过多的应力累积，还可用来释放这些AlGaN层成膜后所累积的应力，从而避免氮化物半导体结构在制程降温的过程中发生翘曲而影响后续制程的良率。

以下将列举另一些实施例以详细说明本公开，其中相同的构件将标示相同的符号，并且省略相同技术内容的说明，省略部分请参考前述实施例，以下不再赘述。

图4是依照本发明的第二实施例的氮化物半导体结构的剖视示意图。请参照图4，本实施例的氮化物半导体结构100A与图1的氮化物半导体结构100的差异在于：缓冲结构层BL-A的含铝缓冲层130A的每一个AlGaN层131A的厚度都不同。举例来说，在本实施例中，含铝缓冲层130A的第一AlGaN层1311A在成膜方向(例如方向Z)上的厚度T1”可选地小于第二AlGaN层1312A在成膜方向上的厚度T2”，但不以此为限。

特别注意的是，由于第一AlGaN层1311A的铝含量高于第二AlGaN层1312A的铝含量，因此，通过上述厚度的大小关系，可避免铝含量较高的AlGaN层因厚度过厚而产生裂纹(crack)。

图5是依照本发明的第三实施例的氮化物半导体结构的剖视示意图。请参照图5，本实施例的氮化物半导体结构100B与图1的氮化物半导体结构100的差异在于：含铝缓冲层的AlGaN层和GaN层的个数不同。举例来说，在本实施例中，缓冲结构层BL-B的含铝缓冲层130B是由第一AlGaN层1311B、第一GaN层1321、第二AlGaN层1312B、第二GaN层1322、第三AlGaN层1313B、第三GaN层1323堆叠而成。也即，含铝缓冲层130B的AlGaN层131B和GaN层132B的个数M都是三个。在本实施例中，含铝缓冲层130B的第一AlGaN层1311B、第二AlGaN层1312B和第三AlGaN层1313B沿着成膜方向(例如方向Z)的厚度(例如厚度T1、厚度T2和厚度T3)可选地相同。然而，本发明不限于此。在其他实施例中，含铝缓冲层的每一个AlGaN层的厚度可随着铝含量的增加而减小。例如：第一AlGaN层1311B的厚度小于第二AlGaN层1312B的厚度，且第二AlGaN层1312B的厚度小于第三AlGaN层1313B的厚度。据此，除了能加强应力释放的效果外，还能进一步改善氮化物半导体结构100B在制程降温的过程中发生翘曲的问题，从而提升后续制程的良率。另一方面，通过上述厚度的大小关系，还可避免铝含量较高的AlGaN层因厚度过厚而产生裂纹(crack)。

纵上所述，在本发明的实施例的氮化物半导体结构中，设置于成核层上的含铝缓冲层具有多个彼此交叠的AlGaN层和GaN层。为了释放应变(strain)，这些AlGaN层的铝含量朝着远离成核层的方向逐渐减少。这些GaN层的设置能让这些AlGaN层间隔堆叠，除了可避免AlGaN层因厚度过大而产生过多应力累积的问题，还可用来释放这些AlGaN层成膜后所累积的应力，从而避免氮化物半导体结构在制程降温的过程中发生翘曲而影响后续制程的良率。另一方面，在本发明的实施例的氮化物半导体结构的制造方法中，通过将含铝缓冲层的制程温度设置为大于950℃，可进一步提升氮化物半导体结构的长晶质量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种氮化物半导体结构，其特征在于，包括：

硅基板；

成核层，设置于所述硅基板上；以及

含铝缓冲层，设置于所述成核层上，且具有彼此交叠的M个AlGaN层和M个GaN层，其中M为大于1且小于6的正整数；以及

超晶格层，设置于所述含铝缓冲层上，所述含铝缓冲层的铝含量沿着所述成核层往所述超晶格层的方向从A渐变至B，每一所述M个AlGaN层的铝含量的渐变量为(A-B)/M，其中A介于90％至100％，且B介于0％至10％。

2.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述M个AlGaN层为第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述M个GaN层为第一GaN层和第二GaN层，所述第一AlGaN层、所述第一GaN层、所述第二AlGaN层和所述第二GaN层依序设置于所述成核层上，其中所述第一AlGaN层的所述铝含量沿着所述成核层往所述第一GaN层的方向从90％渐变至50％，且所述第二AlGaN层的所述铝含量沿着所述第一GaN层往所述第二GaN层的方向从50％渐变至10％。

3.根据权利要求2所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述超晶格层包括彼此交叠的N个AlGaN层和N个AlN层或N个GaN层和N个AlN层，每一所述N个AlGaN层或每一所述N个GaN层的厚度介于15纳米至25纳米之间，每一所述N个AlN层的厚度介于10纳米至20纳米之间，其中N为介于25至40的正整数。

4.根据权利要求3所述的氮化物半导体结构，其特征在于，还包括：

碳掺杂GaN层，设置于所述超晶格层上。

5.根据权利要求4所述的氮化物半导体结构，其特征在于，还包括：

未刻意掺杂GaN层，设置于所述碳掺杂GaN层上；

AIN层，设置于所述未刻意掺杂GaN层上；

阻障层，设置于所述AIN层上；以及

p型掺杂GaN层，设置于所述阻障层上。

6.根据权利要求2所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述第一AlGaN层的厚度小于所述第二AlGaN层的厚度。

7.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，每一所述M个GaN层的厚度大于等于50纳米。

8.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，每一所述M个AlGaN层的厚度随着铝含量的增加而减小。

9.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述含铝缓冲层的反射率大于30％。

10.一种氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，包括：

于硅基板上形成成核层；

于所述成核层上形成含铝缓冲层，其中所述含铝缓冲层的制程温度大于950℃，所述含铝缓冲层的铝含量沿着远离所述成核层的方向从90％渐变至10％，所述含铝缓冲层的形成步骤包括：交替形成M个AlGaN层和M个GaN层，其中M为大于1的正整数；以及

于所述含铝缓冲层上形成超晶格层。

11.根据权利要求10所述的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，每一所述M个AlGaN层的铝含量的渐变量为80％/M。

12.根据权利要求10所述的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，所述超晶格层的形成步骤包括：

交替形成N个AlGaN层和N个AlN层或N个GaN层和N个AlN层，其中N为介于25至40的正整数。

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