[发明专利]一种抑制硅基氮化镓射频器件的射频损耗的方法

说明书

本发明公开了一种抑制硅基氮化镓射频器件的射频损耗的方法，在外延层生长之前预通氨气，对硅衬底进行氮化预处理，在硅衬底上形成一层无定形的氮化硅薄膜，从而形成一个铝原子扩散的壁垒，这个壁垒阻挡了铝原子扩散，从而降低了外延生长后硅衬底的导电能力，使其维持在高阻状态，减小了射频器件工作时候的射频损耗。本发明对硅衬底的通氨气氮化预处理所用时间为秒级，几乎不占用工厂的机时，有利于工业生产控制成本。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种抑制硅基氮化镓射频器件在应用中面临的由于铝原子扩散导致的射频损耗问题的方法。

背景技术

以III族氮化物为代表的第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异的性质，特别是基于硅(Si)衬底和碳化硅(SiC)衬底上的铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结构的高迁移率晶体管(HEMT)具有开关速度快、导通电阻低、器件体积小、耐高温、节能等优异特性，有望在下一代微波射频功率器件领域得到广泛使用。

但是，目前氮化镓基微波射频电子器件一般是采用碳化硅(SiC)衬底上外延氮化镓(GaN)，而采用拥有成本优势且发展得更加完善的硅基氮化镓用作微波射频器件比较少。这主要是因为，一方面硅基氮化镓微波射频器件有比较严重的散热问题；另一方面更为重要的是，相较于碳化硅基氮化镓射频器件，硅基氮化镓射频器件面临非常严重的射频损耗问题，离真正的实用化还存在差距。因此，如何解决硅基氮化镓射频器件的射频损耗问题显得尤为关键。

因为硅与氮化镓两者之间存在极大的晶格失配和热失配，因而需要较多的应力缓冲层，在此之前首先需要先生长一层氮化铝成核层，而这层氮化铝带来的氮化铝/硅界面对于射频损耗非常关键。氮化铝外延时，铝原子扩散进入硅衬底，增加了原本为高阻的硅衬底的导电性，形成了一层p型空穴导电层，从而导致微波射频器件在工作室有较大的射频损耗。因此，如何通过有效的外延生长方法，抑制铝原子在氮化铝外延过程中向高阻硅衬底进行扩散进而抑制射频损耗，对于提高硅上氮化镓射频器件性能、降低微波射频器件成本有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于抑制铝原子向硅衬底扩散带来射频损耗的方法：预通氨气形成氮化硅的方法，即在外延层生长氮化铝之前预通氨气，对硅衬底进行氮化预处理，得到氮化硅薄层。这样在硅和氮化铝界面形成一层无定形的氮化硅薄膜，从而形成一个铝原子扩散的壁垒，这个壁垒阻挡了铝原子扩散，从而降低了外延生长后硅衬底的导电能力，减小了射频器件工作时候的射频损耗。

本发明在硅衬底上形成一层无定形的氮化硅薄膜，从而抑制硅基氮化镓射频器件的射频损耗，其主要原理是：通过形成的这层致密的无定形的氮化硅薄膜，隔绝外延生长时硅衬底与铝源相接触，也阻挡后续生长过程中铝原子扩散，从而使得硅衬底在外延生长之后也维持在高阻状态。最重要的是，对于硅衬底的通氨气氮化预处理，所用时间为秒级，几乎不占用工厂的机时，对于工业生产控制成本也没有影响。

具体的，本发明在硅衬底上形成一层无定形的氮化硅薄膜的方法是：对硅衬底通氨气，使得硅衬底上形成厚度为1～20nm的无定形的氮化硅薄膜。

上述方法中，通常是以一定流量对硅衬底通氨气5～60秒，此处的氨气流量一般是以氮化铝生长时候的氨气流量为准。

本发明方法简单且快捷有效，发明申请人已经通过实验数据证明了氮化处理硅衬底对于铝原子扩散的阻挡作用。这种方法对于抑制氮化铝在硅衬底上外延过程中铝原子向硅衬底扩散带来的射频损耗，将发挥重要作用。

本发明提供的技术方案是：

一种硅基氮化镓射频器件射频损耗的抑制方法，所述抑制方法首先在高阻硅衬底外延生长之前预通氨气，在这个硅衬底上形成一层无定形的氮化硅薄膜之后，再进行正常的外延，具体包括：

1)在高阻硅衬底生长之前预通氨气，预通时间一般在5秒到60秒；