一种基于氮化镓材料的二次外延生长方法与流程

1.本发明涉及一种基于氮化镓材料的二次外延生长方法，适用于半导体材料技术领域。


背景技术：

2.在半导体材料生长技术中，通常会使用mocvd（metal-organic chemical vapor deposition 金属有机化合物化学气相沉淀）设备，通过气相沉淀进行外延生长，以得到所需的半导体器件。在很多特殊的工艺设计中，需要在同一结构上进行二次外延生长，便于多次和芯片制程混合交叉进行器件加工和新材料的外延生长与合成处理。
3.现有技术中，通常需要在生长出一次外延结构之后，对器件进行高温退火处理，湮灭器件中的缺陷密度岛种，然后以此为基础进行二次外延。然而，高温退火不仅会湮灭缺陷密度岛种，还会对正常的外延结构和芯片结构造成不可逆的破坏；即使一次外延结构表面通常会生成保护层来保护器件，但高温环境会影响保护层的表面活性，不仅难以起到良好的保护效果，还可能会影响二次外延的结构质量。进一步地，不同于pecvd（plasma enhanced chemical vapor deposition等离子体增强化学的气相沉积法）、pvd（physical vapor deposition物理气相沉积）等其他低温（小于600℃）下的生长技术，mocvd沉积外延材料的温度通常大于1000℃，较高的生长温度也会在原有结构存在一定破损的基础上，进一步破坏器件结构，进一步影响最终形成的器件质量；另外，由于高温退火对器件结构的破坏，使得一些需要多次外延生长才能达到的工艺难以实现，限制了器件的产品多样性。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于氮化镓材料的二次外延生长方法。
5.本发明采用的技术方案是：一种基于氮化镓材料的二次外延生长方法，方法包括：s1、将衬底材料置于mocvd设备中，并在衬底材料上依次生成缓冲层和第一外延层；具体的，衬底材料为蓝宝石基氮化铝、氮化镓、碳化硅中的一种，第一外延层为氮化镓材料。
6.s2、在经过步骤s1处理后的器件上表面生成保护层，保护层的材质为氮化硅，将器件上需要进行二次外延的区域定义为二次外延区域，通过刻蚀将二次外延区域处的保护层或保护层及第一外延层去除，使该二次外延区域处的第一外延层或缓冲层显露，得到第一器件；优选的，保护层的厚度为2~10μm。
7.s3、采用液氮对第一器件进行低温处理，其中，低温处理时间为5~60分钟，处理温度为-175~-50℃，然后将低温处理过的第一器件恢复至室温，具体的，可通过将第一器件在室温环境中放置20~40分钟使其恢复至室温。
8.s4、将经过步骤s3处理后的第一器件置于mocvd设备中，并在第一器件上表面生成第二外延层；具体的，第二外延层为p型氮化镓材料或反极性氮化镓材料（例如in gan）。
9.s5、通过化学刻蚀将二次外延区域之外的第二外延层以及保护层去除，得到第二器件。
10.s6、将第二器件置于mocvd设备中，并在第二外延层上生成栅电极。
11.本方法通过采用液氮对一次外延形成的第一器件进行低温处理，通过远低于0℃的低温湮灭第一器件中的缺陷密度岛种，取代高温退火的湮灭效果，不仅可使第一器件表面二次外延区域的结构实现固化，提高在此基础上二次外延的结构质量，还避免了高温退火对原有结构造成的破坏；并且，通过氮化硅保护层对非二次外延区域结构进行保护，实现了对需湮灭区域的精准识别；另外，液氮低温处理可使氮化硅保护层表面缺失的氮空位得到有效固化，使其表面的活性态变为氮活性，促使氮元素并入保护层表面，形成有效的氮活性键，而当第一器件恢复至室温后，可使氮化硅在低温下合成填补的氮活性键被激活，在此基础上采用mocvd进行二次外延时，可以减少氮化硅表面生成的二次外延材料，且令其表面的二次外延材料易去除，不仅提高了形成产品效率，也有效的保证了二次外延区域的结构质量，并且，液氮在恢复至室温的过程中可以完全气化，不会对器件产生不良影响；进一步地，由于液氮低温处理对器件原有结构的固化及保护，使得器件可以进行多次外延生长，以满足特殊的工艺需求，提高了器件的产品多样性。
12.进一步地，第二外延层为掺杂有镁的p型氮化镓材料，可提高第二外延层的结构质量。
13.进一步地，步骤s1与步骤s2之间还包括：s1.1、在第一外延层上表面生成欧姆接触层；s1.2、对欧姆接触层进行刻蚀得到第一欧姆接触部和第二欧姆接触部，该第一欧姆接触部和第二欧姆接触部之间的区域即为二次外延区域，该第一欧姆接触部即为源电极，该第二欧姆接触部即为漏电极。
14.由于上述技术方案运用，本发明相较现有技术具有以下优点：本发明的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，采用液氮取代高温退火，实现对一次外延结构的湮灭处理，通过远低于0℃的低温湮灭器件中的缺陷密度岛种，不仅可使一次外延结构固化，提高在此基础上二次外延的结构质量，还避免了高温退火对原结构的破坏；并且，可通过氮化硅保护层对非二次外延区域的结构进行保护，实现对需湮灭区域的精准识别；进一步地，液氮低温处理可使氮化硅保护层表面形成有效的氮活性键，在此基础上采用mocvd进行二次外延时，可减少氮化硅表面生成的二次外延材料，且令其表面的二次外延材料易去除，不仅提高了形成产品的效率，也有效的保证了二次外延结构的质量。
附图说明
15.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的组件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是本发明实施例一中步骤s1所得器件的结构示意图；图2是图1所示实施例中步骤s1.2所得器件的结构示意图；图3是图1所示实施例中步骤s2所得器件的结构示意图；图4是图1所示实施例中步骤s4所得器件的结构示意图；
图5是图1所示实施例中步骤s5所得器件的结构示意图；图6是图1所示实施例中步骤s6所得器件的结构示意图；图7是本发明实施例二中步骤s2所得器件的结构示意图；图8是图7所示实施例中步骤s6所得器件的结构示意图；其中，附图标记说明如下：1、衬底材料；2、缓冲层；3、第一外延层；4、保护层；5、第一器件；6、第二外延层；7、第二器件；8、栅电极；9、欧姆接触层；91、第一欧姆接触部；92、第二欧姆接触部。
实施方式
16.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
18.参考附图1-6，本实施例提供了一种基于氮化镓材料的二次外延生长方法，方法包括：s1、将衬底材料1置于mocvd设备中，并在衬底材料1上依次生成缓冲层2和第一外延层3，得到如附图1所示结构；具体的，衬底材料1为蓝宝石基氮化铝、氮化镓、碳化硅中的一种，第一外延层3为氮化镓材料。
19.进一步地，步骤s1还包括：s1.1、在第一外延层3上表面生成欧姆接触层9；s1.2、对欧姆接触层9进行刻蚀得到第一欧姆接触部91和第二欧姆接触部92，该第一欧姆接触部91即为源电极，该第二欧姆接触部92即为漏电极。得到结构如附图2所示s2、在经过步骤s1处理后的器件上表面生成保护层4，保护层4的材质为氮化硅，其厚度为2~10μm，将器件上需要进行二次外延的区域定义为二次外延区域，即第一欧姆接触部91和第二欧姆接触部92之间的区域，通过刻蚀将二次外延区域处的保护层4去除，使该二次外延区域处的第一外延层3显露，得到如附图3所示的第一器件5；s3、采用液氮对第一器件5进行低温处理，低温处理时间为5~60分钟，处理温度为-175~-50℃，然后将第一器件5恢复至室温；具体的，通过将第一器件5在室温环境中放置20~40分钟使其恢复至室温。
20.s4、将经过步骤s3处理后的第一器件5置于mocvd设备中，并在第一器件5上表面生成第二外延层6，得到如附图4所示结构；具体的，第二外延层6为p型氮化镓材料或反极性氮化镓材料，本实施例中，第二外延层6为p型氮化镓材料。
21.s5、通过化学刻蚀将二次外延区域之外的第二外延层6以及保护层4去除，得到如附图5所示的第二器件7；s6、将第二器件7置于mocvd设备中，并在第二外延层6上生成栅电极8，结构如附图
6所示。
22.在一种更为优选的实施方案中，第二外延层6为掺杂有镁的p型氮化镓材料。
实施例
23.参考附图7-8，本实施例与实施例一的区别在于：步骤s2中，通过刻蚀将二次外延区域处的保护层4以及第一外延层3去除，使该二次外延区域处的缓冲层2显露，进而得到结构如附图7所示的第一器件5。在该第一器件5的基础上，按照实施例一所述的后续步骤进行生长，最终得到结构如附图8所示的器件。
24.由于上述技术方案的运用，本发明相较现有技术具有以下优点：本发明的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，采用液氮取代高温退火，实现对一次外延结构的湮灭处理，通过远低于0℃的低温湮灭器件中的缺陷密度岛种，不仅可使一次外延结构固化，提高在此基础上二次外延的结构质量，还避免了高温退火对原结构的破坏；并且，可通过氮化硅保护层对非二次外延区域的结构进行保护，实现对需湮灭区域的精准识别；进一步地，液氮低温处理可使氮化硅保护层表面形成有效的氮活性键，在此基础上采用mocvd进行二次外延时，可减少氮化硅表面生成的二次外延材料，且令其表面的二次外延材料易去除，不仅提高了形成产品效率，也有效的保证了二次外延结构的质量。
25.上述实施例只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。

技术特征：
1.一种基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于，所述方法包括：s1、将衬底材料（1）置于mocvd设备中，并在所述衬底材料（1）上依次生成缓冲层（2）和第一外延层（3）；s2、在经过步骤s1处理后的器件上表面生成保护层（4），所述保护层（4）的材质为氮化硅，将器件上需要进行二次外延的区域定义为二次外延区域，通过刻蚀将所述二次外延区域处的所述保护层（4）或所述保护层（4）及第一外延层（3）去除，使该二次外延区域处的所述第一外延层（3）或所述缓冲层（2）显露，得到第一器件（5）；s3、采用液氮对所述第一器件（5）进行低温处理，然后将所述第一器件（5）恢复至室温；s4、将经过步骤s3处理后的所述第一器件（5）置于mocvd设备中，并在所述第一器件（5）上表面生成第二外延层（6）；s5、通过化学刻蚀将所述二次外延区域之外的所述第二外延层（6）以及所述保护层（4）去除，得到第二器件（7）；s6、将所述第二器件（7）置于mocvd设备中，并在所述第二外延层（6）上生成栅电极（8）。2.根据权利要求1所述的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于：步骤s1中，所述衬底材料（1）为蓝宝石基氮化铝、氮化镓、碳化硅中的一种。3.根据权利要求1所述的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于：步骤s1中，所述第一外延层（3）为氮化镓材料。4.根据权利要求1所述的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于：步骤s2中，所述保护层（4）的厚度为2~10μm。5.根据权利要求1所述的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于：步骤s3中，采用液氮对所述第一器件（5）进行低温处理，处理时间为5~60分钟，处理温度为-175~-50℃。6.根据权利要求1所述的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于：步骤s3中，通过将所述第一器件（5）在室温环境中放置20~40分钟使其恢复至室温。7.根据权利要求1所述的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于：步骤s5中，所述第二外延层（6）为p型氮化镓材料或反极性氮化镓材料。8.根据权利要求7所述的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于：所述第二外延层（6）为掺杂有镁的p型氮化镓材料。9.根据权利要求1所述的基于氮化镓材料的二次外延生长方法，其特征在于，步骤s1与步骤s2之间还包括：s1.1、在所述第一外延层（3）上表面生成欧姆接触层（9）；s1.2、对所述欧姆接触层（9）进行刻蚀得到第一欧姆接触部（91）和第二欧姆接触部（92），该第一欧姆接触部（91）和第二欧姆接触部（92）之间的区域即为所述二次外延区域，该第一欧姆接触部（91）即为源电极，该第二欧姆接触部（92）即为漏电极。

技术总结
本发明涉及一种基于氮化镓材料的二次外延生长方法，包括在衬底材料上依次生成缓冲层、第一外延层和氮化硅保护层；将二次外延区域的保护层或保护层及第一外延层刻蚀去除，使该区域的第一外延层或缓冲层显露，得到第一器件；将第一器件置于液氮中低温处理后恢复至室温；在第一器件表面生成第二外延层；将二次外延区域外的第二外延层及保护层刻蚀去除，得到第二器件；在第二外延层上生成栅电极。本发明采用液氮取代高温退火，不仅可固化外延结构，提高二次外延的结构质量，还避免高温破坏结构，并可通过保护层精准识别湮灭区；另外，可减少氮化硅表面生成的二次外延材料，且令其表面的二次外延材料易去除，提高产品形成效率，保证二次外延结构质量。证二次外延结构质量。证二次外延结构质量。


技术研发人员：徐良 刘建哲 李昌勋 占俊杰 夏建白
受保护的技术使用者：浙江富芯微电子科技有限公司
技术研发日：2023.01.28
技术公布日：2023/7/11