制備hemt外延片的設備的制造方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種制備HEMT外延片的設備，提供具有若干個反應腔室的設備，將成核層固定于一個反應腔室內生長，將緩沖層固定于另一個腔體內生長，將溝道層和勢壘層固定于其他反應腔室內生長，可以有效地防止反應腔室內殘留物揮發回熔對其他薄膜層質量的影響，從而提高HEMT外延層的晶體質量，進一步減小HEMT器件所存在的電流崩塌效應和漏電流效應。
【專利說明】
制備HEMT外延片的設備
技術領域
[0001]本實用新型涉及半導體器件制造領域，尤其涉及一種制備HEMT外延片的設備。
【背景技術】
[0002]由于HEMT(HighElectron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管)器件具備擊穿特性高、開關速度快、導通電阻小等優點，因此，其在電源管理、風力發電、太陽能電池、電動汽車等電力電子領域有著廣泛的應用前景。
[0003]傳統的HEMT通常為GaN基HEMT，用于制備HEMT的HEMT外延片通常包括藍寶石襯底以及依次形成在藍寶石襯底上的成核層(通常為AlN)、緩沖層(通常為摻雜的GaN)、溝道層(通常為GaN)和勢皇層(通常為AlGaN)，其中，為了讓緩沖層具有更好的絕緣性，通常需要對緩沖層進行摻雜以使其變為絕緣材料。
[0004]隨著實踐、應用的進一步深入，傳統的GaN基HEMT器件陸續暴露出電流崩塌效應、漏電流效應、自加熱效應等一系列質量問題和由于藍寶石襯底難以大尺寸化所帶來的成本問題，上述問題嚴重制約著GaN基HEMT器件的進一步發展和應用。其中，電流崩塌效應與勢皇層的表面態、緩沖層的絕緣性及溝道層的晶體質量直接相關;漏電流效應與緩沖層的絕緣性、晶體質量和晶格缺陷都密切相關，絕緣性較差的緩沖層容易產生寄生電導和通過緩沖層的泄漏電流；自加熱效應與GaN基HEMT器件所采用的襯底的導熱性能密切相關，藍寶石襯底的導熱效果不佳，直接影響著GaN基HEMT器件的性能和使用壽命。
[0005]為了解決上述問題，本領域的科研工作人員提出了各種鈍化方法:氮化硅鈍化方法在一定程度上緩解了緩沖層的表面態所引起的電流崩塌效應;緩沖層的絕緣性也通過不同濃度的碳或鐵摻雜得以顯著提高，這在一定程度上緩解了由緩沖層的絕緣性所引起的電流崩塌效應和漏電流效應;緩沖層的晶體質量和晶格缺陷隨著成核層的引入和圖形化藍寶石襯底的不斷發展逐步得以改善，溝道層的晶體質量也隨著緩沖層晶體質量的逐步改善得到了同步的改善;導熱性差和難以大尺寸化的藍寶石襯底也正被導熱性好的、價格低廉的、易于大尺寸化的硅所取代。
[0006]雖然采用硅襯底能夠具有導熱性好、價格低廉及適合大尺寸生產等優點，但硅襯底依然存在一系列問題。目前GaN基HEMT外延片在生產過程中，均是在同一個反應腔室內依次生長成核層(通常為A1N)、緩沖層(摻雜的GaN)、溝道層(GaN)和勢皇層(AlGaN)，然而，生長過GaN材料的反應腔室會殘留有少量的Ga或GaN，由于現有的GaN基HEMT外延片采用硅襯底代替藍寶石襯底，因此，殘留的Ga或GaN在后續批次形成成核層的過程中會揮發回熔至硅襯底的表面，并與硅襯底發生反應，這不僅影響成核層和緩沖層的生長，還會造成溝道層及勢皇層晶體質量的下降，從而影響GaN基HEMT器件的良率;此外，由于緩沖層需要進行摻雜才能形成絕緣層，在摻雜完成后，反應腔室中會殘留少量的摻雜元素例如碳或鐵，殘留的摻雜元素對生長溝道層和勢皇層極為不利，會嚴重降低GaN基HEMT器件的性能。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的之一在于提供一種制備HEMT外延片的設備，以解決回熔的Ga元素與硅襯底發生反應以及摻雜雜質污染后續薄膜層而導致的HMET外延層晶體質量下降的問題。
[0008]為了解決上述問題，本實用新型提出了一種制備HEMT外延片的設備，用于制備HEMT外延片，包括m個反應腔室，其中m為自然數，且m彡3。
[0009]進一步的，在所述的制備HEMT外延片的設備中，還包括η個傳遞腔，連接在m個反應腔室之間，用于傳遞支撐襯底，其中η為自然數，且n〈m。
[0010]進一步的，在所述的制備HEMT外延片的設備中，還包括i個機械手臂，每一個所述傳遞腔內至少設有一個機械手臂，其中i為自然數。
[0011]進一步的，在所述的制備HEMT外延片的設備中，所述制備HEMT外延片的設備為MOCVDo
[0012]進一步的，在所述的制備HEMT外延片的設備中，包括3個反應腔室，分別為第一反應腔室、第二反應腔室和第三反應腔室，所述第一反應腔室用于形成成核層，所述第二反應腔室用于形成緩沖層，所述第三反應腔室用于形成溝道層和勢皇層。
[0013]進一步的，在所述的制備HEMT外延片的設備中，包括4個反應腔室，分別為第一反應腔室、第二反應腔室、第三反應腔室和第四反應腔室，所述第一反應腔室用于形成成核層，所述第二反應腔室用于形成緩沖層，所述第三反應腔室用于形成溝道層，所述第四反應腔室用于形成勢皇層。
[0014]與現有技術相比，本實用新型提供具有至少三個反應腔室的設備，將成核層固定于一個反應腔室內生長，將緩沖層固定于另一個腔體內生長，將溝道層和勢皇層固定于其他反應腔室內生長，可以有效地防止反應腔室內殘留物揮發回熔對其他薄膜層質量的影響，從而提高HEMT外延層的晶體質量，進一步減小HEMT器件所存在的電流崩塌效應和漏電流效應。此外，還能夠避免緩沖層摻雜時摻雜元素回熔至溝道層和勢皇層中，降低溝道層和勢皇層的導電性能，提高溝道層和勢皇層的性能。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型一種HEMT外延片制作方法的流程圖；
[0016]圖2為本實用新型實施例一中制備HEMT外延片的設備的結構示意圖；
[0017]圖3至圖9為本實用新型實施例一中HEMT外延片的制作過程中的結構示意圖；
[0018]圖10為本實用新型HEMT外延片制作完成后的剖面示意圖；
[0019]圖11為本實用新型實施例二中制備HEMT外延片的設備的結構示意圖；
[0020]圖12至圖15為本實用新型實施例二中HEMT外延片的制作過程中的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面將結合示意圖對本實用新型的制備HEMT外延片的設備進行更詳細的描述，其中表示了本實用新型的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本實用新型，而仍然實現本實用新型的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對于本領域技術人員的廣泛知道，而并不作為對本實用新型的限制。
[0022]為了清楚，不描述實際實施例的全部特征。在下列描述中，不詳細描述公知的功能和結構，因為它們會使本實用新型由于不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是復雜和耗費時間的，但是對于本領域技術人員來說僅僅是常規工作。
[0023]在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本實用新型。根據下面說明和權利要求書，本實用新型的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本實用新型實施例的目的。
[0024]如圖1所示，本實用新型提供一種HEMT外延片的制作方法，包括步驟:
[0025]SlOO:提供設備，所述設備包括m個反應腔室，其中m為自然數，且G 3;
[0026]S200:提供支撐襯底，將所述支撐襯底置于第一反應腔室中，并在第一反應腔室中形成成核層；
[0027]S300:將形成有所述成核層的支撐襯底傳輸至第二反應腔室中，并在第二反應腔室中形成緩沖層，并對所述緩沖層進行摻雜；
[0028]S400:將形成有所述成核層及緩沖層的支撐襯底傳輸至剩余反應腔室中，并在剩余反應腔室中形成剩余薄膜層。
[0029]本實用新型采用包含三個以上反應腔室的設備，能夠將成核層固定于一個反應腔室內生長，將緩沖層固定于另一個腔體內生長，將溝道層和勢皇層固定于其他反應腔室內生長，可以有效地防止反應腔室內殘留物揮發回熔對其他薄膜層質量的影響，從而提高HEMT外延層的晶體質量，進一步減小HEMT器件所存在的電流崩塌效應和漏電流效應。此外，還能夠避免緩沖層摻雜時摻雜元素回熔至溝道層和勢皇層中，降低溝道層和勢皇層的導電性能，提高溝道層和勢皇層的性能。
[0030]下面結合圖2至圖15以及兩個具體實施例詳細描述本實用新型提供的制備HEMT外延片的設備。
[0031 ] 實施例一
[0032]如圖2所示，提出了一種制備HEMT外延片的設備，包括m個反應腔室和η個傳遞腔，其中m、n均為自然數，且m彡3、n〈m。
[0033]在本實施例中，m= 3、n= I，三個反應腔室分別為第一反應腔室21、第二反應腔室22和第三反應腔室23，I個傳遞腔10位于第一反應腔室21、第二反應腔室22和第三反應腔室23之間。其中，三個反應腔室在進行反應時均相互獨立，互不影響。具體如圖2所示，第一反應腔室21、第二反應腔室22和第三反應腔室23例如呈品字形分布，傳遞腔10呈T型，T型的傳遞腔10位于品字形的中間，且T型的各端各連接一個反應腔室。
[0034]此外，制備HEMT外延片的設備還包括i個機械手臂，其中i為自然數，在本實施例中，i=n，即在傳遞腔10內設有一個機械手臂(圖未示出)。機械手臂用于進行支撐襯底的傳遞，傳遞腔10用于進行傳遞過程中的過渡(即將支撐襯底從一反應腔室傳遞至另一反應腔室的過程中暫放支撐襯底)，能夠根據要求將支撐襯底傳入三個反應腔室中的任意一個。在本實用新型其他實施例中，一個傳遞腔內也可以設置多個機械手臂，多個機械手臂可以同時傳遞多個支撐襯底，提高工作效率。
[0035]本實施例中，所述制備HEMT外延片的設備為M0CVD(Metal_0rganic ChemicalVapor Deposit1n，金屬有機化合物化學氣相沉淀)設備。在本實用新型其它實施例中，也可以將本實用新型的思路應用至其它制備HEMT外延片的設備中。
[0036]下面結合圖3至圖9詳細介紹本實施例的設備的工作方法。
[0037]如圖3所示，首先，將支撐襯底30傳遞至所述第一反應腔室21中，所述支撐襯底30例如為硅襯底。
[0038]如圖4所示，接著，利用第一反應腔室21在支撐襯底30上形成成核層31，所述成核層31的材料為A1N、A1或A1203中的至少一種，優選的，所述成核層31的材料為A1N。
[0039]如圖5和圖6所示，在形成完成核層31后，機械手臂(圖中未示出)將支撐襯底30取出，并經過所述傳遞腔10傳輸至所述第二反應腔室22中。
[0040]請繼續參考圖6，利用第二反應腔室22在成核層31上形成緩沖層32，所述緩沖層32形成在所述成核層31的表面，所述緩沖層32的材料包括ΙΠΑ族和VA族中的元素，例如包括GaN或AlGaN中的一種或多種。在本實施例中，緩沖層32為GaN。為了提高緩沖層32的絕緣性，通常會在形成完緩沖層32之后，對緩沖層32進行摻雜，例如摻雜鐵元素或碳元素中的至少一種。
[0041]如【背景技術】提及，在現有技術中，所有的硅片依次在同一個反應腔室中形成薄膜層，g卩，當第一片硅片在反應腔室中形成成核層和緩沖層等薄膜層后，在形成緩沖層時會有Ga殘留，再下一片硅片進入反應腔室中時，反應腔室中殘留的Ga會在下一片硅片形成成核層之前，回融至硅片的表面并與之反應，導致后續形成的HEMT外延片質量不佳;此外，在進行摻雜時，摻雜元素通常也會殘留在反應腔室中，若直接在同一個反應腔室中進行后續薄膜的生長，例如溝道層和勢皇層，殘留的摻雜元素會污染溝道層和勢皇層，造成形成的HEMT外延片存在電流崩塌效應和漏電流效應等問題。因此，本實用新型提出的方案是將緩沖層32固定在一個反應腔室中形成，可以避免了上述問題，提高HEMT外延片的質量。
[0042]如圖7至圖9所示，在形成完緩沖層32后，機械手臂將支撐襯底30從第二反應腔室22中取出，并經過所述傳遞腔10傳輸至所述第三反應腔室23中；并在第三反應腔室23中依次形成HEMT外延片的剩余薄膜，所述剩余薄膜例如包括溝道層33和勢皇層34。其中，所述溝道層33的材料為GaN，所述勢皇層34的材料為AlGaN，從而形成如圖10所示的HEMT外延片。在其他實施例中，HEMT外延片還可以包括其他公知的薄膜層，其他薄膜層均可以在第三反應腔室23中形成。
[0043]本實施例通過三個腔室的MOCVD設備，將成核層31固定于第一反應腔室21內生長，將緩沖層32固定于第二反應腔室22內生長，將溝道層33和勢皇層34固定于第三反應腔室23內生長，從而可以有效地防止反應腔室內殘留物如Ga或Ga的化合物和摻雜元素如碳或鐵回熔帶來的影響，以及各腔室的交互影響，進而提高GaN基HEMT外延層的晶體質量，進一步緩解GaN基HEMT器件所存在的電流崩塌效應和漏電流效應。
[0044]實施例二
[0045]請參考圖11，在本實施例中，制備HEMT外延片的設備包括四個反應腔室，分別為第一反應腔室21、第二反應腔室22、第三反應腔室23和第四反應腔室24，四個反應腔室共用一個傳遞腔10。具體的，四個反應腔室可以排布成四邊形，傳遞腔10位于四邊形的中間。
[0046]在制備所述HEMT外延片過程中，形成成核層31、緩沖層32均與實施例一相同，在此不再贅述。不同的是，在本實施例中，形成完緩沖層32之后，機械手臂將支撐襯底30取出，并經過所述傳遞腔10傳輸至所述第三反應腔室23中，在第三反應腔室23中形成溝道層33，如圖12所示。形成完溝道層33后，再由機械手臂將支撐襯底30取出，并經過所述傳遞腔10傳輸至所述第四反應腔室24中，在第四反應腔室24中形成溝道層34，如圖13至圖15所示，從而形成如圖1O所示的HEMT外延片。
[0047]在本實用新型實施例二提供的制備HEMT外延片的設備中，提供具有四個反應腔室的設備，將成核層固定于一個反應腔室內生長，將緩沖層固定于另一個腔體內生長，將溝道層和勢皇層分別固定于第三反應腔室和第四反應腔室內生長，可以有效地防止反應腔室內殘留物揮發回熔對其他薄膜層質量的影響，從而提高HEMT外延層的晶體質量，進一步減小HEMT器件所存在的電流崩塌效應和漏電流效應。此外，還能夠避免緩沖層摻雜時摻雜元素回熔至溝道層和勢皇層中，降低溝道層和勢皇層的導電性能，提高溝道層和勢皇層的性能。
[0048]上文分別以具有三個和四個反應腔室為例介紹了本實用新型的制備HEMT外延片的設備，但應理解，所述反應腔室的數量不局限于三個或四個，也可以是五個以上。此外，該設備還可以包括多個傳遞腔，每個傳遞腔中均設有一個機械手臂，每個傳遞腔分別負責至少一個反應腔室，從而能夠提高設備利用率，也能夠避免反應腔室更多造成一個傳遞腔無法合理安排支撐襯底的傳輸的問題。
[0049]上述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不對本實用新型起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本實用新型的技術方案的范圍內，對本實用新型揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本實用新型的技術方案的內容，仍屬于本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種制備HEMT外延片的設備，用于制備HEMT外延片，其特征在于，包括m個反應腔室，其中m為自然數，且111多3，其中，包括第一反應腔室、第二反應腔室和第三反應腔室，所述第一反應腔室用于形成成核層，所述第二反應腔室用于形成緩沖層，所述第三反應腔室用于形成剩余薄膜層。2.如權利要求1所述的制備HEMT外延片的設備，其特征在于，還包括η個傳遞腔，連接在m個反應腔室之間，用于傳遞支撐襯底，其中η為自然數，且n〈m。3.如權利要求2所述的制備HEMT外延片的設備，其特征在于，還包括i個機械手臂，每一個所述傳遞腔內至少設有一個機械手臂，其中i為自然數。4.如權利要求1所述的制備HEMT外延片的設備，其特征在于，所述制備HEMT外延片的設備為MOCVD。5.如權利要求1所述的制備HEMT外延片的設備，其特征在于，包括4個反應腔室，分別為第一反應腔室、第二反應腔室、第三反應腔室和第四反應腔室，所述第一反應腔室用于形成成核層，所述第二反應腔室用于形成緩沖層，所述第三反應腔室用于形成溝道層，所述第四反應腔室用于形成勢皇層。
【文檔編號】H01L21/67GK205680660SQ201620301984
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月11日 公開號201620301984.1, CN 201620301984, CN 205680660 U, CN 205680660U, CN-U-205680660, CN201620301984, CN201620301984.1, CN205680660 U, CN205680660U
【發明人】李東昇, 丁海生, 陳善麟
【申請人】杭州士蘭微電子股份有限公司, 杭州士蘭明芯科技有限公司