本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別是涉及一種含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。

背景技術(shù)：

Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料被譽為是第三代半導(dǎo)體材料，包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)以及他們之間形成的三、四元合金，如氮鎵鋁(AlGaN)、氮鋁銦(InAlN)和氮鎵銦(InGaN)。以氮化鎵(GaN)為主的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料具有寬的直接代隙(Eg＝3.36eV)、高熔點、高熱導(dǎo)率、高飽和電子速率、高臨界擊穿電場強度和高電子室溫遷移率，被廣泛應(yīng)用于金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、發(fā)光二極管(LED)等耐高溫、高壓和高頻交換器件。

由于目前很難得到大尺寸的Ⅲ族氮化物單晶體材料，為了獲得高質(zhì)量的Ⅲ族氮化物外延層，一般通過在硅、藍(lán)寶石或碳化硅等襯底材料上進行異質(zhì)外延生長。但是隨著Ⅲ族氮化物外延層厚度的增加，Ⅲ族氮化物薄膜上會產(chǎn)生較多的位錯缺陷和較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致Ⅲ族氮化物外延層裂紋，嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對隨著Ⅲ族氮化物外延層厚度的增加，Ⅲ族氮化物薄膜上會產(chǎn)生較多的位錯缺陷和較大的內(nèi)應(yīng)力的問題，提供一種含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。

一種含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括：

襯底；

籽晶層，所述籽晶層設(shè)在所述襯底的上部；

緩沖層，所述緩沖層設(shè)置在所述籽晶層的上部；

Ⅲ族氮化物外延層，所述Ⅲ族氮化物外延層設(shè)置在所述緩沖層的上部；

以及插入層，所述插入層設(shè)置在所述Ⅲ族氮化物外延層中間，所述插入層包括氮鎵鋁層和氮鎵銦層。

在其中一個實施例中，所述插入層包括單層氮鎵鋁層和單層氮鎵銦層。

在其中一個實施例中，所述氮鎵鋁層和/或氮鎵銦層為多層，且所述氮鎵銦層與所述氮鎵鋁層交替層疊。

在其中一個實施例中，當(dāng)所述氮鎵鋁層有多層時，每一層所述氮鎵鋁層中鋁的摻雜濃度是不同的，所述氮鎵鋁層中鋁的摻雜濃度小于等于1。

在其中一個實施例中，所述Ⅲ族氮化物外延層設(shè)置多個所述插入層。

在其中一個實施例中，所述襯底為藍(lán)寶石襯底、硅襯底或碳化硅襯底。

在其中一個實施例中，所述籽晶層為氮化鋁層和/或氮鎵鋁層。

在其中一個實施例中，所述緩沖層為氮化鋁層和/或氮鎵鋁層。

在其中一個實施例中，所述Ⅲ族氮化物外延層包括氮化鎵外延層及氮鎵鋁外延層中的至少一層，且所述Ⅲ族氮化物外延層中具有由氮化鎵外延層與氮鎵鋁外延層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

上述半導(dǎo)體器件，在Ⅲ族氮化物外延層中間插入一個氮鎵鋁層與氮鎵銦層層疊設(shè)置的插入層，通過變更鋁摻雜濃度調(diào)整插入層中氮鎵鋁層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，有效緩解Ⅲ族氮化物外延層與襯底之間的晶格失配和熱失配；并且插入層中的壓應(yīng)力可以補償Ⅲ族氮化物外延層中的一部分張應(yīng)力，有效減少Ⅲ族氮化物外延層的位錯和張應(yīng)力。因此，通過含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的設(shè)置可以得到高質(zhì)量的Ⅲ族氮化物外延層。

此外，還有必要提供一種含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的半導(dǎo)體器件的制造方法。

一種含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步驟：

1)在襯底上形成籽晶層；

2)在所述籽晶層上形成緩沖層；

3)在所述緩沖層上形成Ⅲ族氮化物外延層；

4)在預(yù)先生長的所述Ⅲ族氮化物層表面形成插入層，接著在所述插入層上繼續(xù)生長所述Ⅲ族氮化物以與預(yù)先生長的所述Ⅲ族氮化物層形成所述Ⅲ族氮化物外延層，所述插入層包括氮鎵鋁層和氮鎵銦層。

通過該方法制造的含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的半導(dǎo)體器件，具有較高的高臨界擊穿電場強度和高電子室溫遷移率，半導(dǎo)體器件的工作性能較好。

附圖說明

圖1為一實施方式的含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一實施方式的含有氮鎵鋁和氮鎵銦的插入層的半導(dǎo)體器件的插入層的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明的含有硅摻雜氮化鋁層的半導(dǎo)體器件及其制造方法進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。

如圖1所示，一實施方式的半導(dǎo)體器件包括襯底101、籽晶層102、緩沖層103、第一Ⅲ族氮化物外延層104、插入層105以及第二Ⅲ族氮化物外延層106。

在本實施方式中，襯底101的材料選擇除了要考慮晶格失配度、材料的熱膨脹系數(shù)，還要綜合考慮材料的尺寸和價格。在本實施方式中，襯底101的材料選用硅?？梢岳斫?，在其他實施方式中，襯底101的材料還可以為藍(lán)寶石或碳化硅等。

籽晶層102位于襯底101的上表面，主要作用是在襯底表面形成成核點，有利于Ⅲ族氮化物在襯底上形核和生長。在本實施方式中，籽晶層102的材料是氮化鋁。籽晶層102由一層或多層氮化鋁層構(gòu)造而成。優(yōu)選的，籽晶層102的厚度小于等于500nm?？梢岳斫猓谄渌麑嵤┓绞街?，籽晶層102的材料是氮鎵鋁、氮化鎵、氮化硅等其他Ⅲ族氮化物，或幾者的組合。籽晶層102是含有氮化鋁層、氮化鎵層、氮化硅層等其他Ⅲ族氮化物層構(gòu)成的一層或多層結(jié)構(gòu)。

緩沖層103位于籽晶層102的上部，主要作用是有效緩解Ⅲ族氮化物外延層與襯底之間的晶格失配和熱失配，減少了Ⅲ族氮化物外延層因應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變，降低了位錯和缺陷的發(fā)生。在本實施方式中，緩沖層103的材料是氮鎵鋁。緩沖層103由一層或多層氮鎵鋁層構(gòu)造而成。優(yōu)選的，緩沖層103的厚度小于等于5um。可以理解，在其他實施方式中，緩沖層103的材料是氮化鋁、氮化鎵、氮化硅等其他Ⅲ族氮化物，或幾者的組合。緩沖層103是含有氮化鋁層、氮化鎵層、氮化硅層等其他Ⅲ族氮化物層構(gòu)成的一層或多層結(jié)構(gòu)。

Ⅲ族氮化物外延層由第一Ⅲ族氮化物外延層104和第二Ⅲ族氮化物外延層106構(gòu)成。第一Ⅲ族氮化物外延層104位于緩沖層103的上部，第二Ⅲ族氮化物外延層106位于第一Ⅲ族氮化物外延層104的上部。在本實施方式中，第一Ⅲ族氮化物外延層104的材料是氮化鎵，第二Ⅲ族氮化物外延層106的材料是氮鎵鋁。

在氮化鎵外延層和氮鎵鋁外延層之間構(gòu)成一個氮鎵鋁/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，氮鎵鋁/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體器件的核心部件。在氮鎵鋁/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面形成三角形勢阱，電子的德布羅意波長比勢阱的寬度大，垂直于表面方向上的能量將發(fā)生量子化形成子能帶，電子在垂直表面方向的運動喪失了自由度，只存在沿表面兩個方向的自由度，這些勢阱中具有很高的遷移速度的電子即為二維電子氣(2DEG)。

可以理解，在其他實施方式中，第一Ⅲ族氮化物外延層104的材料是氮嫁鋁或氮鎵銦等其他Ⅲ族氮化物，第二Ⅲ族氮化物外延層106的材料是氮化鎵或氮化銦等其他Ⅲ族氮化物。Ⅲ族氮化物外延層為一層第一Ⅲ族氮化物外延層104與一層第二Ⅲ族氮化物外延層106構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)、兩層第一Ⅲ族氮化物外延層104與一層第二Ⅲ族氮化物外延層106構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)、一層第一Ⅲ族氮化物外延層104與兩層第二Ⅲ族氮化物外延層106構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)、兩層第一Ⅲ族氮化物外延層104與兩層第二Ⅲ族氮化物外延層106構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)等包括第一Ⅲ族氮化物外延層104及第二Ⅲ族氮化物外延層106構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，且Ⅲ族氮化物外延層具有至少一個異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

插入層105位于Ⅲ族氮化物外延層的中間，主要作用是使后續(xù)生長的外延層處于壓應(yīng)變狀態(tài)，減少外延層中的應(yīng)力和位錯，進而消除外延層中的裂紋，得到高質(zhì)量無裂紋的Ⅲ族氮化物外延層。在本實施方式中，插入層105位于第一Ⅲ族氮化物外延層104的中間，插入層105的材料是氮鎵銦和氮鎵鋁，其中氮化鋁材料可以根據(jù)外延層生長要求變更鋁摻雜濃度(鋁相對于氮化鋁層的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。優(yōu)選的，插入層105的厚度小于等于100nm。

如圖2所示，插入層105為氮鎵鋁層111與氮鎵銦層112依次交替層疊成長構(gòu)成的超晶格層結(jié)構(gòu)。其中，插入層105中第二層氮鎵鋁層111中的鋁的摻雜濃度相對于第一層氮鎵鋁層111中的鋁的摻雜濃度增加15％，第三層氮鎵鋁層111中的鋁的摻雜濃度相對于第一層氮鎵鋁層111中的鋁的摻雜濃度增加35％，第三層氮鎵鋁層111中的鋁的摻雜濃度相對于第一層氮鎵鋁層111中的鋁的摻雜濃度增加60％。插入層105中每一層氮鎵鋁層111中的鋁的摻雜濃度可以是不固定的，每一層氮鎵鋁層111中鋁的摻雜濃度可以根據(jù)Ⅲ族氮化物外延層的生長需求進行調(diào)整，可以是不規(guī)律變化的。優(yōu)選的，氮鎵鋁層111中鋁的摻雜濃度小于等于1。

可以理解，在其他實施方式中，插入層105可以是單層氮鎵鋁層111與單層氮鎵銦層112構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)、兩層氮鎵鋁層111與單層氮鎵銦層112構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)、單層氮鎵鋁層111與兩層氮鎵銦層112構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)、兩層氮鎵鋁層111與兩層氮鎵銦層112構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)、三層氮鎵鋁層111與兩層氮鎵銦層112構(gòu)成的五層結(jié)構(gòu)等氮鎵鋁層111與氮鎵銦層112交替層疊成長構(gòu)成的超晶格層結(jié)構(gòu)。其中，插入層105中每一層氮鎵鋁層111中的鋁的摻雜濃度可以是固定的，也可以是不固定的。每一層氮鎵鋁層111中鋁的摻雜濃度可以根據(jù)Ⅲ族氮化物外延層的生長需求進行調(diào)整，可以是規(guī)律變化的，也可以是不規(guī)律變化的。優(yōu)選的，氮鎵鋁層111中鋁的摻雜濃度小于等于1。

優(yōu)選的，在第一Ⅲ族氮化物外延層104和第一Ⅲ族氮化物外延層106中存在多個包含氮鎵鋁層111與氮鎵銦層112的插入層105。

此外，本實施方式還提供了一種上述含有硅摻雜氮化鋁層的半導(dǎo)體器件的制造方法，其具體包括如下步驟：

步驟一：在提供的襯底101上沉積形成含有硅摻雜氮化鋁的籽晶層102。

在本實施方式中，在1000度以上的NH3氛圍中注入三甲基鋁通過氣相外延生長(MOCDV)的方式形成籽晶層102。

在形成籽晶層102之前，還包含用濕刻或者干刻蝕去除襯底101的自然氧化層的步驟。

步驟二：在籽晶層102上形成緩沖層103。

步驟三：在緩沖層103上形成成核點，促進Ⅲ族氮化物的島狀生長和小島聯(lián)并，逐步形成第一Ⅲ族氮化物外延層104。

步驟四：在預(yù)先生長的Ⅲ族氮化物層表面形成插入層105，接著在插入層105上繼續(xù)生長Ⅲ族氮化物以與預(yù)先生長的Ⅲ族氮化物層形成第一Ⅲ族氮化物外延層104。在第一Ⅲ族氮化物外延層104中形成插入層105可以減少隨著Ⅲ族氮化物層厚度增加產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和位錯。

步驟五：在第一Ⅲ族氮化物外延層104上形成第二Ⅲ族氮化物外延層106，完成Ⅲ族氮化物外延層的生長。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。