[发明专利]氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构及其制造方法

说明书

一种氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构及其制造方法，是在硅(100)基板上制作百纳米级孔洞，再利用湿法刻蚀使硅基板的(111)晶面暴露，并以此(111)晶面作为氮化铝缓冲层和氮化镓的成核表面，且在氮化镓成长时同时通入硅烷以调控硅原子在氮化镓中的掺杂浓度，从而获得理想的氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构，借以应用在硅金属氧化物半导体场效应晶体管元件，解决因元件持续微缩所产生的崩溃问题。

技术领域

本发明为关于一种氮化镓外延生长技术，特别是有关于一种氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构及其制造方法。

背景技术

三五族化合物半导体——氮化镓(GaN)材料展示了许多优异的物理特性，例如：高崩溃电压、宽能隙、高电子飘移速度等等，适合应用在高电流、高耐压的电子元件。在现有技术中，在蓝宝石或碳化硅基板上制备氮化镓材料的方法已为众所周知，但是使用这些基板来生长氮化镓材料的成本较为昂贵。如果以硅基板来做为氮化镓外延层的基板，不仅能减少制造成本，还可降低元件的驱动电压，提升散热效率，增加元件的功率特性。

近年来，将氮化镓成长在硅基板上的异质整合技术，其未来的发展的潜力无穷，将可大幅提高氮化镓元件的竞争力与应用范围。然而，在硅基板上的外延技术还有尚待突破的瓶颈；在硅基板上形成氮化镓外延层时，由于氮化镓与硅基板两者的晶格常数和热膨胀系数的差异过大，氮化镓硅半导体层内容易存在大量的晶体缺陷，导致氮化镓硅半导体元件的特性下降。

因此，针对上述先前技术的缺失，有需要寻求一种氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构及其制造方法，来改善氮化镓的外延品质，以促进氮化镓硅半导体技术的可扩展性的提升。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构及其制造方法，将氮化镓外延层选择性成长(SAG)于具有(111)晶面的硅基板，可减少氮化镓外延层的位错缺陷，有效改善在硅基板上成长氮化镓的外延品质，而在成长氮化镓的同时使硅原子掺杂在其中，以实现异质整合氮化镓到硅制程中，借以应用在硅金属氧化物半导体场效晶体管元件，可解决因为元件持续微缩所产生的崩溃问题。

为了实现上述目的，本发明提出一种氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构，其包含具有(100)晶面的主表面的硅基板，在主表面上形成有氧化层，且通过氧化层在硅基板中形成有百纳米级孔洞，此百纳米级孔洞的壁面是由侧壁和在侧壁下延伸的倾斜表面所构成，而侧壁形成有氮化层，倾斜表面具有硅基板的(111)晶面。氮化铝缓冲层形成在百纳米级孔洞的倾斜表面上。硅掺杂的氮化镓外延层形成在百纳米级孔洞内并位在氮化铝缓冲层上。

另外，本发明也提出一种氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构的制造方法，其步骤是先提供硅基板，硅基板具有(100)晶面的主表面，在主表面成长氧化层；将氧化层进行图案化以作为硬遮罩，利用反应离子刻蚀方式在硅基板中形成百纳米级孔洞；使用等离子体化学气相沉积方式在百纳米级孔洞内成长氮化层，再利用感应耦合型等离子体刻蚀方式移除百纳米级孔洞底壁的氮化层而暴露硅基板的(100)晶面，并留下百纳米级孔洞侧壁的氮化层；再使用侧壁的氮化层作为阻挡层，利用湿法刻蚀方式刻蚀百纳米级孔洞底壁所暴露的硅基板，直至暴露出具有(111)晶面的倾斜表面；然后，使用有机金属化学气相沉积方式在百纳米级孔洞中成长氮化铝缓冲层，再成长氮化镓外延层，同时进行硅掺杂，以获得硅掺杂的氮化镓外延层。

根据本发明所提供的氮化镓异质整合在硅基板的半导体结构及其制造方法，相较传统的整面外延，使用选择性成长(SAG)技术能够得到较高的结晶性，这是由于当氮化镓选择性成长在设计的百纳米级孔洞区域时，其位错将会终结于侧壁，且能有效的控制氮化镓外延层的尺寸与形状。再者，本发明使用湿法刻蚀在硅基板制造硅(111)晶面，其提供了氮化铝缓冲层和氮化镓外延层较佳的成核晶面，促使由硅(111)晶面开始生长的六方晶体氮化镓合并后，可以获得立方晶体氮化镓。另外，在成长氮化镓同时进行硅原子的掺杂，通过调控掺杂比例可以进一步获得理想的氮化镓硅半导体结构，以控制垂直漏电流。