氮化镓高温退火保护结构及其应用

技术领域

本发明特别涉及一种氮化镓高温退火保护结构及其应用，属于半导体技术领域。

背景技术

随着科技的发展，人们对Si材料特性的发掘已经基本达到了极致，Si基电力电子器件的特性已经接近了Si材料所能达到的理论极限。所以，以GaN为代表的第三代半导体成为下一代半导体功率器件材料的选择。GaN有着如下优点：大禁带宽度(3.39eV)，意味着其可以耐高温，耐高压；高的电子迁移率2000(2DEG)μ(cm

在基于GaN的半导体分立器件的制造中，离子注入是一项非常有吸引力的技术，例如电和光选择区域掺杂、干蚀刻、电隔离、量子阱混合和离子切割。作为常用的半导体器件加工工艺，离子注入起初推动着CMOS工艺方面的发展。这种方式能够引入周期表中几乎全部元素以及精确控制掺杂剂的浓度和深度，可以在一定程度上达到与外延GaN工艺所需的效果，因而离子注入对GaN材料的光学和电学特性有着较大的影响。研究离子注入对GaN材料在各个方面均有重要影响，对于快速发展的GaN产业也是必不可少的。然而，离子注入会造成对GaN材料的损伤，同时注入到GaN材料中的离子也存在着一定的激活问题。通常采用高温退火的方式来解决离子注入后引起的、无法避免的副作用。尤其是在如今的Mg离子注入实现P型GaN的过程中，由于Mg在GaN中的激活能较大，一般需要在高温高压环境下退火，在退火前需要在GaN上加上条件非常苛刻的保护层，以防止在高温退火下GaN材料或者器件发生分解。

目前全世界最常用的高温退火保护层是溅射或者外延一层AlN保护膜或SiO

尽管AlN保护膜可以耐高温，但是由于它与GaN同属于Ⅲ-V氮化物半导体，其与GaN材料在刻蚀中的选择比较小，导致干法刻蚀除去AlN保护膜的同时，也会将GaN刻蚀掉，造成GaN表面形貌较差，进而会影响材料的粗糙度或者引起器件漏电等问题，而湿法刻蚀只能去除外延质量较差的AlN保护膜，而对质量较好的AlN保护膜腐蚀不彻底。之所以进行刻蚀，是因为保护层的作用是保护GaN在高温激活的过程中不分解，退火后是必须要去除的，保护层去除较为干净、简便是选择这种保护层的原因之一。而SiO

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种氮化镓高温退火保护结构及其应用，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种氮化镓高温退火保护结构，包括依次叠层设置在氮化镓材料表面的氧化物层和氮化硅层。

本发明实施例提供了一种氮化镓高温退火激活的方法，包括：在氮化镓材料表面设置如所述的氮化镓高温退火保护结构，并于1200℃以上的温度条件下对所述氮化镓材料进行退火。

本发明实施例提供了一种实现氮化镓P型掺杂的方法，包括对氮化镓材料进行离子注入；

采用原子层沉积方式在氮化镓材料表面形成氧化物层；

采用低压力化学气相沉积方式在所述氧化物层表面形成低应力氮化硅层；

以所述氧化物层和氮化硅层作为保护层，对所述氮化镓材料进行高温退火，将其中的受主杂质激活，实现氮化镓材料的P型掺杂。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明实施例提供的一种氮化镓高温退火保护结构，ALD方式生长的氧化物层能够覆盖氮化镓材料表面的缺陷，LPCVD方式生长的低应力氮化硅层既作为致密的高温保护层又可避免退火过程中张应力的影响，通过特定的生长顺序，可以保护氮化镓材料在1200℃以上温度下进行退火而不会分解；

2)本发明实施例提供的一种保护氮化镓高温退火激活的方法，采用ALD沉积方式生长的氧化物膜对GaN样品在退火时的影响较小，不会与GaN样品发生反应，且在高温退火过程中可以起到钝化作用，防止GaN样品在高温退火条件下发生分解；

3)本发明实施例提供的一种保护氮化镓高温退火激活的方法，低应力的SiN层既与标准程序的LPCVD-SiN一样有着较高的熔点，同时可以防止在高温退火中因应力较大的问题对GaN产生不利的影响，起到良好的保护作用；

4)本发明实施例提供的一种实现氮化镓P型掺杂的方法，低应力的SiN层和ALD生长的氧化物层可以被完全去除，而且在去除过程中对GaN样品的影响较小，不像外延的AlN膜的去除过程对GaN影响较大；

5)本发明实施例提供的一种实现氮化镓P型掺杂的方法，形成的保护层可以在常压、氮气氛围中，保护GaN样品在1230℃以上的温度条件下退火，且在短时间内不发生分解。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中提供的一种实现氮化镓P型掺杂的方法的流程示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供的一种实现氮化镓P型掺杂的方法，能够实现在1200℃以上的温度、常压、氮气氛围的退火条件下保护住GaN不分解；同时，保护层与GaN材料在退火或者去除过程中不发生反应(比如上文提到的AlN膜的去除问题)，并且，所述保护层能够可重复生长并易于去除，从而为GaN的高温退火激活保驾护航。

本发明实施例提供了一种氮化镓高温退火保护结构，包括依次叠层设置在氮化镓材料表面的氧化物层和氮化硅层。

进一步的，所述氧化物层是采用原子层沉积(ALD)方式生长形成的。

进一步的，所述氧化物层的材质包括Al

进一步的，所述氧化物层的厚度为5-30nm。

进一步的，所述氮化硅层是采用低压力化学气相沉积(LPCVD)方式生长形成的。

进一步的，所述氮化硅层包括低应力的氮化硅。

进一步的，所述氮化硅层的厚度为200-300nm。

本发明实施例提供了一种氮化镓高温退火激活的方法，包括：在氮化镓材料表面设置如所述的氮化镓高温退火保护结构，并于1200℃以上的温度条件下对所述氮化镓材料进行退火。

进一步的，所述退火的温度为1230℃-1250℃。

进一步的，所述退火的时间为5min-30min。

本发明实施例提供了一种实现氮化镓P型掺杂的方法，包括对氮化镓材料进行离子注入；

采用原子层沉积方式在氮化镓材料表面形成氧化物层；

采用低压力化学气相沉积方式在所述氧化物层表面形成低应力氮化硅层；

以所述氧化物层和氮化硅层作为保护层，对所述氮化镓材料进行高温退火，将其中的受主杂质激活，实现氮化镓材料的P型掺杂。

进一步的，所述氧化物层的材质包括Al

进一步的，所述氧化物层的厚度为5-30nm。

进一步的，所述氮化硅层的厚度为200-300nm，所述氮化硅层包括低应力的氮化硅。

进一步的，所述的方法包括：采用原子层沉积方式形成所述的氧化物层。

在一些较为具体的实施方案中，所述的方法具体包括：将氮化镓材料置于反应室内，将反应室内的温度调节至300℃-320℃，并以气体脉冲的形式将三甲基铝和H

在一些较为具体的实施方案中，所述的方法具体包括：将氮化镓材料置于反应室内，将反应室内的温度调节至250℃-270℃，并以气体脉冲的形式将SiH

在一些较为具体的实施方案中，所述的方法具体包括：将氮化镓材料置于反应室内，将反应室内的温度调节至250℃-270℃，并以气体脉冲的形式将TDMHf(四二甲氨基铪)和H

进一步的，所述的方法具体包括：所述的高温退火是在常压、保护性气氛中进行，且采用的温度在1200℃以上，优选在1230℃以上，尤其优选为1230℃-1250℃，时间为5min-30min。

进一步的，所述的方法还包括：在所述的高温退火完成后，去除所述的保护层。

进一步的，所述的方法具体包括：采用反应离子刻蚀方式除去所述的氮化硅层。

进一步的，所述的方法具体包括：在加热条件下，以缓冲氧化物刻蚀液刻蚀除去所述氧化物层。

在一些较为具体的实施方案中，所述的方法具体包括：对氮化镓材料进行Mg离子注入。如下将结合附图以及具体的实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例采用的沉积、离子注入、退火等工艺均可以采用本领域技术人员已知的。

请参阅图1，一种实现氮化镓P型掺杂的方法，包括如下步骤：

1)在蓝宝石等衬底上外延厚度约为2μm的GaN样品，并进行无机清洗(例如丙酮超声5min或异丙醇超声5min或去离子水超声5min)；

2)对GaN样品进行Mg离子注入；

3)采用原子层沉积(ALD)方式在所述GaN样品表面沉积一层20nm的氧化物层，所述氧化物层可以是Al

当所述氧化物层为Al

当所述氧化物层为SiO

当所述氧化物层为HfO

4)采用低压力化学气相沉积(LPCVD)方式在氧化物层表面形成厚度为300nm的低应力的氮化硅层，生长参数如表1所示，并以叠层设置的氧化物层和低应力的氮化硅层作为保护层：

表1为低压力化学气相沉积低应力的氮化硅层的参数

反应原理为：

5)将步骤4)所获的样品置于大阳日酸MOCVD设备腔室内，于1230℃、N

6)退火激活后，采用RIE刻蚀方式刻蚀除去低应力SiN，刻蚀速率为70-80nm/min，刻蚀参数为：CH

7)将步骤6)处理后的样品于85℃的BOE溶液中水浴加热6h，从而除去ALD沉积的氧化物层，或者，先采用ICP干法刻蚀方式对ALD沉积的氧化物层进行刻蚀处理，之后，采用浓硫酸：双氧水＝7:3的强氧化性溶液对刻蚀后的样品进行清洗1min左右，以去除ALD沉积时的污渍，以防对后续的材料或者器件工艺有漏电等方面的影响；采用该方法不论是Al

本发明实施例在GaN样品表面依次设置氧化物层和低应力的氮化硅层作为保护结构，可以保护并实现GaN样品Mg、SI离子选区注入，并实现GaN样品的P型掺杂，且保护GaN样品在退火激活后不会分解，另外，退火激活后，氧化物层和低应力的氮化硅层可以容易被除去，不会残留并污染GaN样品。

对比例1

对比例1中的一种实现氮化镓P型掺杂的方法与实施例1中的方法基本一致，不同之处在于：对比例1先在GaN样品表面沉积形成低应力的氮化硅层，再在低应力的氮化硅层上沉积形成氧化物层，并以叠层设置的低应力的氮化硅层和氧化物层作为保护层，然，对比例1中的样品在1230℃条件下进行退火时发生分解，导致未能获得实现P型掺杂的样品，这是由于GaN表面的缺陷无法被密集的覆盖，ALD法形成的氧化物只覆盖了SiN层，进而导致GaN在超过1000℃时从缺陷处发生分解。

对比例2

对比例2中的一种实现氮化镓P型掺杂的方法与实施例1中的方法基本一致，不同之处在于：对比例1仅在GaN样品表面沉积形成氧化物层，并以氧化物层作为保护层；然，对比例2中的样品在1230℃条件下进行退火时发生分解，导致未能获得实现P型掺杂的样品；这是由于ALD生长的氧化物一般厚度较薄，20nm左右就要几个小时的时间，若要生长足够的厚度，则需要几天的时间，这样不仅消耗成本，反而会损害设备，同时，ALD生长的氧化物只能遮挡部分缺陷，导致GaN在超过1000℃时从缺陷处发生分解。

对比例3

对比例3中的一种实现氮化镓P型掺杂的方法与实施例1中的方法基本一致，不同之处在于：对比例3仅在GaN样品表面沉积形成厚度为300nm的低应力的氮化硅层，并以低应力的氮化硅层作为保护层，然，对比例3中的样品在1230℃条件下进行退火时发生分解，导致未能获得实现P型掺杂的样品。

仅以LPCVD生长的低应力SiN作为保护层可以抵挡住高温的侵蚀同时避免应力的影响，但是由于低应力SiN不够致密，仅能保证GaN样品整体不受影响，但是微弱的缺陷处并未被盖住，退火时GaN样品会从缺陷处发生分解，进而导致低应力SiN难以起到良好的保护效果。

需要说明的是，现有技术中还公开了其他可以实现氮化镓高温退火保护的技术，例如：

以AlN膜作为GaN样品的高温退火保护结构，所述AlN膜包括于1100℃条件下沉积的4nm AlN层和于600℃条件下沉积的25nm AlN层，该AlN膜可以实现GaN样品在1300℃条件下的脉冲退火30min而不分解，然，在退火结束后AlN膜不易被除去；这是由于AlN与GaN同属于III-V氮化物，AlN膜与GaN之间存在张应力，无论是采用外延还是溅射方式形成的AlN薄膜都比较薄；若采用湿法腐蚀去除AlN，对于生长质量好的AlN薄膜几乎难以去除，若AlN薄膜的质量达不到指定要求，则又难以实现退火保护的效果；若采用干法刻蚀刻蚀AlN，刻蚀GaN与刻蚀AlN的刻蚀气体成分同样包含-cl基，因此很容易在刻蚀过程中损伤到GaN，而离子注入退火激活GaN主要集中在GaN表面，这很不利于GaN基器件的工艺进展。

以GaO

本发明实施例提供的一种氮化镓高温退火保护结构，ALD方式生长的氧化物层能够覆盖氮化镓材料表面的缺陷，LPCVD方式生长的低应力氮化硅层既作为致密的高温保护层又可避免退火过程中张应力的影响，通过特定的生长顺序，可以保护氮化镓材料在1200℃以上温度下进行退火而不会分解。

本发明实施例提供的一种保护氮化镓高温退火激活的方法，以ALD沉积方式沉积形成氧化物层，ALD沉积是以循环方式生长，对外延GaN时表面产生的缺陷具有一定的覆盖作用，从而可以避免高温退火时，GaN缺陷处发生分解，并且，采用ALD沉积方式生长的氧化物膜(层)较为致密，因循环方式且速率较慢，因此所获氧化物膜的均匀性更好；

本发明实施例提供的一种保护氮化镓高温退火激活的方法，采用ALD沉积方式生长的氧化物膜对GaN样品在退火时的影响较小，不会与GaN样品发生反应，且在高温退火过程中可以起到钝化作用，防止GaN样品发生分解。

本发明实施例提供的一种保护氮化镓高温退火激活的方法，低应力的SiN层既与标准程序的LPCVD-SiN一样有着较高的熔点，同时可以防止在高温退火中因应力较大的问题对GaN产生不利的影响，起到良好的保护作用。

本发明实施例提供的一种实现氮化镓P型掺杂的方法，低应力的SiN层和ALD生长的氧化物层可以被完全去除，而且在去除过程中对GaN样品的影响较小，不像外延的AlN膜的去除过程对GaN影响较大。

本发明实施例提供的一种实现氮化镓P型掺杂的方法中形成的保护层可以在常压、氮气氛围中，保护GaN样品在1230℃以上的温度条件下退火，且在短时间内不发生分解。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。