CN100418191C - 外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于形成高质量外延生长半导体晶片的外延生长方法。该方法包括：在单晶晶片上形成具有纳米尺寸的点的掩模层；通过蚀刻该掩模层和该晶片的表面在该单晶晶片的表面上形成具有纳米尺寸的孔的多孔层；利用外延生长工艺在该多孔层上形成外延材料层；以及退火该外延材料层。

Description

外延生长方法
技术领域
本发明涉及一种外延生长方法，更具体地，涉及一种GaN外延生长方法。
背景技术
由于衬底和外延层之间晶格不匹配和热膨胀系数的差异，利用外延生长方法在其上形成外延层的衬底会弯曲且很多晶体缺陷会出现在外延层中。因此，利用外延方法形成单晶半导体材料层时需要克服上述问题。
美国专利No.6579359公开了一种利用吸收内应力的多孔缓冲层(porousbuffer layer)的技术。该技术中，多孔缓冲层形成在SiC衬底上，外延层形成在该多孔缓冲层上。因为该缓冲层是多孔的，它吸收由晶格不匹配导致的应力。
然而，因为该多孔缓冲层利用阳极电镀工艺(anodization process)形成，所以应采用导电衬底，因此仅有限种的材料可以用于该衬底。另外，该阳极电镀方法是非常复杂且昂贵的。
发明内容
本发明提供一种通过容易地形成多孔缓冲层而低成本地形成半导体外延层的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种外延生长方法，包括：在单晶晶片上形成具有纳米尺寸的点的掩模层；通过蚀刻该掩模层和该晶片的表面在该单晶晶片的表面上形成具有纳米尺寸的孔(pore)的多孔层；利用外延生长工艺在该多孔层上形成外延材料层；以及退火该外延材料层。
本发明中，该外延材料层可以由III族氮化物半导体形成。
所述单晶晶片可以是Al2O3晶片，所述掩模层可以由AlN形成。
所述AlN掩模层可以利用卤化物或氢化物气相外延(HVPE)工艺形成。所述掩模层可以由与该单晶晶片相比具有更低蚀刻速率的材料形成。
所述外延材料层可以利用气相沉积工艺形成，具体地，HVPE工艺、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、以及分子束外延(MBE)工艺中的一种。
另外，该外延材料层可以在850℃或者更高的温度退火。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显，附图中：
图1至4是示出根据本发明的示例性实施例的外延生长方法的剖视图；以及
图5是通过本发明的方法得到的具有AlN点的Al2O3晶片的扫描电子显微镜(SEM)图像。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地说明根据本发明的外延生长方法，附图中示出本发明的示例性实施例。
参照图1，具有纳米尺寸的点2a的掩模层2形成在准备的单晶晶片1例如Al2O3(蓝宝石)晶片(下面称为Al2O3晶片1)的表面上。掩模层2利用公知的卤化物或氢化物气相外延(HVPE)工艺形成。
具体地，Al2O3晶片1装入水平HVPE反应器(horizontal HVPE reactor)中，反应器的初始温度上升至约1050℃的生长温度。其后，HCl和NH3气体与N2气体以1∶10的比例混合，该混合物被注入到反应器中约5分钟，使得AlN点2a形成在Al2O3晶片1上。之后，反应器冷却至室温，Al2O3晶片1从反应器中取出。
该工艺中，纳米尺寸的点2a形成在其上的Al2O3晶片1的表面粗糙度从数
Figure C20051013161500041
增加至数十
Figure C20051013161500042
参照图2，多孔缓冲层1a利用蚀刻工艺形成在Al2O3晶片1上。为了形成多孔缓冲层1a，采用对于Al2O3晶片1比掩模层2具有更高溶解度的蚀刻剂。因此，未覆盖有点2a的部分Al2O3晶片1被高速蚀刻，而掩模层2被低速蚀刻。蚀刻工艺持续进行直到掩模层2被完全除去且孔1a′形成至数十nm的直径和深度。结果，如图2所示，具有纳米尺寸的孔1a′的多孔缓冲层1a形成在Al2O3晶片1的表面上。
参照图3，所需外延材料层3利用常见外延生长工艺形成在缓冲层1a上。例如，为了利用III族氮化物半导体形成外延材料层3，Al2O3晶片1被装入HVPE反应器中，发生HCl和Ga之间的反应，因此产生GaCl，且发生GaCl和NH3之间的反应，因此在Al2O3晶片1的表面上生长GaN外延材料层3至数μm的厚度。该外延生长工艺期间，控制工艺条件使得水平方向测量的外延生长速率高于垂直方向测量的外延生长速率。
一旦外延生长工艺完成，就将HVPE反应器冷却到室温，从HVPE反应器中取出GaN半导体外延材料层3生长在其上的Al2O3晶片1。
参照图4，外延材料层3利用快速热退火(RTA)工艺退火。对于该工艺，Al2O3晶片1装入维持在NH3气氛中的炉中然后在850℃或者更高的温度退火。
通过上述工艺，所需的外延材料层3形成在Al2O3晶片1上。
当GaN外延材料层通过上述工艺实际形成时，得到下面的测量数据。即，该GaN外延材料层具有约5×107/cm2的缺陷密度，其小于5×109/cm2的传统缺陷密度，且具有传统GaN层的张应力(strain stress)的约1/5。
可选器件可直接形成在已经经历上述工艺的晶片1上。作为替代地，为了得到独立的(freestanding)GaN晶片，Al2O3晶片1可再次装入HVPE反应器中且另一GaN外延材料层可进一步生长在GaN外延材料层3上至约300μm或更大的厚度。随后，Al2O3晶片1可利用公知的激光顶离工艺(laserlift-offprocess)取下，从而得到具有约5×105/cm2的缺陷密度的高质量独立式GaN晶片。
图5是通过本发明的方法得到的具有AlN点的Al2O3晶片的扫描电子显微镜(SEM)图像。形成AlN点之前测量的Al2O3晶片的表面粗糙度是3.16而形成AlN点之后测量的Al2O3晶片的表面粗糙度是21.3
Figure C20051013161500052
图5中，右下侧的块是外来物质。
根据本发明，多孔缓冲层利用蚀刻工艺形成在单晶晶片上。特别地，形成掩模层从而由于晶片的表面反应而得到多孔缓冲层。因为多孔缓冲层利用蚀刻工艺形成，晶片可由很多种材料形成。
另外，本发明减小了缺陷密度、应力、以及外延生长衬底的弯曲度，因此能够形成高质量半导体晶片且提高合格率。此外，由于上述物理属性的改善，可以制造具有较大直径的外延生长半导体晶片。
另外，本发明适于单晶半导体晶片，其依赖地形成在另一衬底上，例如，III族氮化物半导体晶片诸如GaN晶片。
虽然参考本发明的示例性实施例特别显示和说明了本发明，但是本领域普通技术人员应理解的是，在不偏离后附权利要求所定义的本发明的思想和范围的情况下，可进行形式和细节上的各种改变。

Claims (9)

1. 一种外延生长方法，包括：
在单晶晶片上形成具有纳米尺寸的点的掩模层；
通过蚀刻该掩模层和该晶片的表面在该单晶晶片的表面上形成具有纳米尺寸的孔的多孔层；
利用外延生长工艺在该多孔层上形成外延材料层；以及
退火该外延材料层。
2. 如权利要求1所述的方法，其中该外延材料层由III族氮化物半导体形成。
3. 如权利要求1所述的方法，其中该单晶晶片是Al2O3晶片。
4. 如权利要求1至3的任一项所述的方法，其中该掩模层由AlN形成。
5. 如权利要求4所述的方法，其中该AlN掩模层利用卤化物或者氢化物气相外延HVPE工艺形成。
6. 如权利要求1所述的方法，其中该掩模层由与该单晶晶片相比具有更低蚀刻速率的材料形成。
7. 如权利要求1所述的方法，其中该外延材料层利用气相沉积工艺形成。
8. 如权利要求7所述的方法，其中该气相沉积工艺是选自包括卤化物或氢化物气相外延HVPE工艺、金属有机化学气相沉积MOCVD、以及分子束外延MBE工艺的组中的一种。
9. 如权利要求1所述的方法，其中该外延材料层的所述退火在850℃或者比850℃更高的温度进行。
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