CN100479099C - 氮化物半导体基板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氮化物半导体基板及其制造方法。所述方法包括：提供基板，之后于基板上形成外延层。于外延层上形成图案化掩模层，其中图案化掩模层裸露部份外延层。接着，进行氧化工艺以使裸露的部分外延层完全氧化成多个错位阻挡结构。移除图案化掩模层。接着，于具有错位阻挡结构的外延层上形成氮化物半导体层。

Description

氮化物半导体基板及其制造方法

技术领域

本发明涉及三五族半导体基板及其制造方法，特别地，涉及氮化物半导体基板及其制造方法。

背景技术

近年来，发光二极管(LED)和激光二极管(LD)广泛地被应用在市场上，例如以氮化镓(GaN)制成的蓝光与黄色荧光粉组合可以获得白光，不只是在亮度上或用电量方面皆比之前的传统泡光源亮且省电，可以大幅降低用电量。此外，发光二极管的寿命约在数万小时以上，寿命比传统灯泡长。

从红光、绿光、蓝光到紫外光的发光二极管在目前市面上主要的元件大多数的产品是由氮化镓系列的化合物为主，但由于氧化铝基板(sapphire)本身与氮化镓的晶格常数(lattice constant)、热膨胀系数及化学性质的差异，所以在异质基板(例如是硅基板、碳化硅基板或是氧化铝基板)上生长的氮化镓层会有许多的线缺陷、错位，且这些错位会随着生长的氮化镓层的厚度增加而延伸，也就是形成穿透错位。而此类缺陷影响紫外光的发光二极管及氮化镓系列的激光性能和使用寿命。

为了降低穿透位错，公知发展出数种基板结构。图1示出公知的一种三族氮化物基板的剖面简图。请参照图1，基板100上有GaN缓冲层102，而GaN缓冲层102上配置数个阻挡图案104，由阻挡图案104之间所裸露的GaN缓冲层上生长半导体层106，也就是GaN外延层，并包覆阻挡图案104。此种基板结构是利用阻挡图案截断部份错位，以使位于阻挡图案之上的部份GaN外延层不会产生穿透错位。然而，阻挡图案104是利用进行至少一次微影蚀刻工艺所形成，且需要应用真空设备进行制造，因此步骤复杂且成本较高。

图2示出公知的另一种三族氮化物基板的剖面简图。请参照图2，在基板200上形成缓冲层202与籽晶层204，之后于基板200中形成穿透缓冲层202与籽晶层204的沟槽206，也就是将缓冲层202与籽晶层204图案化成条状或点状结构。利用异质结构的选择性侧向生长法，称之为悬外延(Pendeo-epitaxy，PE)，使GaN外延层只在条形籽晶层204的侧壁上悬空侧向生长，然后覆盖在条状的籽晶层204上，用以阻止部份垂直方向的穿透错位。与图1所述的阻挡图案104相似，穿透缓冲层202与籽晶层204的沟槽206必需经由进行至少一次微影蚀刻工艺所形成，且需要应用真空设备进行制造，因此同样的制造步骤较为复杂且成本较高。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种氮化物半导体基板的制造方法且可降低制造成本。

本发明的再一目的是提供一种氮化物半导体基板的制造方法且可以简化工艺步骤。

本发明的又一目的是提供一种氮化物半导体基板且可以降低氮化物半导体层的错位密度。

本发明提出一种氮化物半导体基板的制造方法。该方法包括：提供基板，之后于该基板上形成外延层。于该外延层上形成图案化掩模层，其中该图案化掩模层裸露部份外延层。接着，进行氧化工艺以使裸露的部分外延层完全氧化成多个错位阻挡结构。移除该图案化掩模层。接着，于具有错位阻挡结构的外延层上形成氮化物半导体层。

依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板的制造方法，其中该基板的材质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。在此情况下，外延层包括氮化物外延材料层。而上述氮化物外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。另外，当基板的材质与外延层的材质如上所述时，氧化工艺包括使用电解溶液。其中，电解溶液的pH酸碱值为3～10。另外，氧化工艺还包括进行高能量光照步骤，且高能量光照步骤包括使用紫外光线。

依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板的制造方法，其中该基板的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及其它磷化物所组成的组中。于此情况下，外延层的材料选自由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，其中，含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例大于0.8。当基板与外延层的材质如上所述，则氧化工艺包括湿式氧化法，而湿式氧化法包括于含有水蒸气的环境下，且于温度为200～600℃中进行。

本发明还提供一种氮化物半导体基板的制造方法。该方法包括：提供基板，其中该基板上有外延层。于该外延层上形成图案化掩模层，其中该图案化掩模层裸露部份该外延层。之后，进行氧化工艺部分氧化该裸露的部分外延层成为多个错位阻挡结构，其中该些错位阻挡结构位于该外延层中，错位阻挡结构的底部不直接接触所述基板。移除该图案化掩模层。最后，形成氮化物半导体层覆盖该外延层。

依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板的制造方法，其中该基板的材质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。当基板的材质如上所述，则外延层包括氮化物外延材料层，且该氮化物外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。当基板与外延层的材质如上所述，氧化工艺包括使用电解溶液，且该电解溶液的pH酸碱值为3～10。此外，氧化工艺还包括进行高能量光照步骤。

依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板的制造方法，其中该基板的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及其它磷化物所组成的组中。当基板的材质如上所述时，则外延层的材料选自由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，且该含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例大于0.8。当基板与外延层的材质如上所述时，则氧化工艺包括湿式氧化法，且该湿式氧化法包括在含有水蒸气的环境下，且于温度为200～600℃中进行。

本发明还提供一种氮化物半导体基板，此氮化物半导体基板包括：基板、氮化物半导体层、数个阻挡结构以及外延层。该氮化物半导体层位于该基板上方，而该阻挡结构位于该基板与该氮化物半导体层之间。该外延层则填满于该阻挡结构之间。

依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板，其中该基板的材质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。当基板的材质如上所述时，则外延层包括氮化物外延材料层，且该氮化物外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。

依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板，其中该基板的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及其它磷化物所组成的组中。当基板的材质如上所述时，则外延层的材料选自由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，且该含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例大于0.8。

依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板，其中该阻挡结构的材质选自由氧化铝与氧化镓所组成的组中。

由于错位阻挡结构/阻挡结构的氧化物多孔隙性质，因此氮化物半导体层不会外延于错位阻挡结构/阻挡结构上，而只会外延于外延层的表面上，并且侧向生长，因此可以阻绝氮化物半导体层中的部份穿透错位，以降低所生长的氮化物半导体层中的穿透错位密度。另外，利用氧化工艺技术，将基板上的外延层直接氧化形成错位阻挡结构/阻挡结构。相比于公知的应用蚀刻方法形成阻挡图案或是沟槽可以降低制造成本。

为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1示出公知的一种三族氮化物基板的剖面简图。

图2示出公知的另一种三族氮化物基板的剖面简图。

图3A至图3C示出根据本发明一较佳实施例的一种氮化物半导体基板的制造方法。

图4A至图4C示出根据本发明另一较佳实施例的一种氮化物半导体基板的制造方法。

【主要附图标记说明】

100、200、300、400：基板

102、202：缓冲层

104：阻挡图案

204：籽晶层

206：沟槽

106、208：半导体层

302、402：外延层

304、404：图案化掩模层

306、406：氧化工艺

308、408：阻挡结构

310、410：氮化物半导体层

具体实施方式

图3A至图3C示出根据本发明一较佳实施例的一种氮化物半导体基板的制造方法。

请参照图3A，首先提供基板300。之后于基板300上形成外延层302。接着，于外延层302上形成图案化掩模层304，此图案化掩模层304裸露出部份的外延层302。其中，图案化掩模层304例如是光致抗蚀剂层。之后，请参照图3B，以图案化掩模层304为掩模，进行氧化工艺306，以将裸露的部份外延层302完全氧化成数个阻挡结构308，亦即是错位阻挡结构。

值得注意的是，于本发明一实施例中，当基板300的材质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中时，此基板300上所形成的外延层302例如是氮化物外延材料层。且上述氮化物外延材料层的材质例如是选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。而当基板300与外延层302的材质如上所述时，则氧化工艺306例如是将具有外延层302与图案化掩模层304的基板300于室温下，约0～80℃，浸入电解溶液中进行氧化反应，以使所裸露的部份外延层302完全氧化成阻挡结构308。其中，电解溶液的pH酸碱值约为3～10，而制备此电解溶液的方法例如是将氮基三醋酸(nitrilotriacetic acid)溶于氢氧化钾水溶液中。此外，在进行氧化工艺306的同时，还包括进行高能量光照步骤，也就是以高能量光源，例如是紫外光束，加速电解溶液中的氧化反应。上述的高能量光源的波长约小于可穿透外延层302的最小光源的波长。

另一方面，于另一实施例中，当基板300的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及其它磷化物所组成的组中时，外延层302例如是含铝的砷化物外延材料层。上述含铝的砷化物外延材料层例如是含铝含镓的砷化物(Al_XGa_(1-X)As)外延材料层。其中X约大于0.8，也就是在含铝含镓的砷化物外延材料层中铝原子的数量比铝原子与镓原子的总数量的比例约大于0.8。而当基板300与外延层302的材质如上所述时，则氧化工艺306例如是将具有外延层302与图案化掩模层304的基板300至于含有水蒸气的环境下，以高温约200～600℃进行湿式氧化法。

于上述实施例中，进行氧化工艺306，而将裸露的部份外延层302完全氧化所形成的阻挡结构308，其材质选自由氧化铝与氧化镓所组成的组中。

之后，请参照图3C，移除图案化掩模层304。之后，于基板300上方形成氮化物半导体层310。形成此氮化物半导体层310的方法包括外延工艺，例如是有机金属气相外延法或是金属有机化学气相沉积法。

在进行外延工艺的过程中，由于阻挡结构308的氧化物多孔隙性质，因此氮化物半导体层310，例如是氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝等半导体层，不会外延于阻挡结构308上，而只会外延于填在阻挡结构308之间的外延层302的表面上，并且侧向生长，因此可以阻绝氮化物半导体层中的部份穿透错位，以降低所生长的氮化物半导体层中的穿透错位密度。

图4A至图4C示出根据本发明另一较佳实施例的一种氮化物半导体基板的制造方法。

请参照图4A，首先提供基板400。之后于基板400上形成外延层402。接着，于外延层402上形成图案化掩模层404，此图案化掩模层404裸露出部份的外延层402。其中，图案化掩模层404例如是光致抗蚀剂层。之后，请参照图4B，以图案化掩模层404为掩模，进行氧化工艺406，以将裸露的部份外延层402部份氧化成数个阻挡结构408，亦即是错位阻挡结构。

值得注意的是，本实施例中，阻挡结构408位于外延层402中。也就是图3A至图3C的实施例中的阻挡结构308直接位于基板300上，并且外延层302则亦同时位于基板300上并填入阻挡结构308之间。与图3A至图3C的实施例中的阻挡结构308不同的是，本实施例中的阻挡结构408位于外延层402中，且阻挡结构408的底部并不直接接触基板400。

另外，于本实施例中，基板400的材质以及外延层402的材质如同前实施例中所述的基板300与外延层302的材质，因此不在此作赘述。此外，于外延层402中形成阻挡结构408的方法也如同之前实施例中所述的形成阻挡结构308的方法，因此亦不在此作详述。再者，阻挡结构408的材质，也就是氧化物材质，亦与前实施例中所述的阻挡结构308的材质相同，同样也不在此作赘述。

之后，请参照图4C，移除图案化掩模层404。之后，于基板400上方形成氮化物半导体层410。形成此氮化物半导体层410的方法包括外延工艺，例如是有机金属气相外延法或是金属有机化学气相沉积法。在进行外延工艺的过程中，由于阻挡结构408的氧化物多孔隙性质，因此氮化物半导体层410，例如是氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝等半导体层，不会外延于阻挡结构408上，而只会外延于外延层402的表面上，并且侧向生长，因此可以阻绝氮化物半导体层中的部份穿透错位，以降低所生长的氮化物半导体层中的穿透错位密度。

另外，本发明利用氧化工艺技术，将基板上的外延层直接氧化形成阻挡结构。相比于公知的应用蚀刻方法形成阻挡结构可以降低制造成本。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可进行一些更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

Claims (27)

1.一种氮化物半导体基板的制造方法，包括：

提供基板；

在该基板上形成外延层；

在该外延层上形成图案化掩模层，其中该图案化掩模层裸露部份该外延层；

进行氧化工艺以使所述裸露的部分外延层完全氧化成多个错位阻挡结构；

移除该图案化掩模层；以及

在具有所述错位阻挡结构的所述外延层上形成氮化物半导体层。

2.如权利要求1所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该基板的材质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。

3.如权利要求2所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该外延层包括氮化物外延材料层。

4.如权利要求3所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氮化物外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。

5.如权利要求2所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺包括使用电解溶液。

6.如权利要求5所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该电解溶液的pH酸碱值为3～10。

7.如权利要求5所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺还包括进行高能量光照步骤。

8.如权利要求7所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该高能量光照步骤包括使用紫外光线。

9.如权利要求1所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该基板的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及其它磷化物所组成的组中。

10.如权利要求9所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该外延层的材料选自由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中。

11.如权利要求10所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例大于0.8。

12.如权利要求9所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺包括湿式氧化法。

13.如权利要求12所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该湿式氧化法包括在含有水蒸气的环境下，且于温度为200～600℃中进行。

14.一种氮化物半导体基板的制造方法，包括：

提供基板，其中该基板上有外延层；

在该外延层上形成图案化掩模层，其中该图案化掩模层裸露部份该外延层；

进行氧化工艺部分氧化所述裸露的部分外延层成为多个错位阻挡结构，其中所述错位阻挡结构位于该外延层中，所述错位阻挡结构的底部不直接接触所述基板；

移除该图案化掩模层；以及

形成氮化物半导体层覆盖该外延层。

15.如权利要求14所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该基板的材质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。

16.如权利要求15所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该外延层包括氮化物外延材料层，且该氮化物外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。

17.如权利要求15所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺包括使用电解溶液，且该电解溶液的pH酸碱值为3～10。

18.如权利要求15所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺还包括进行高能量光照步骤。

19.如权利要求15所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该基板的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及其它磷化物所组成的组中。

20.如权利要求19所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该外延层的材料选自由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，且该含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例大于0.8。

21.如权利要求19所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺包括湿式氧化法，且该湿式氧化法包括在含有水蒸气的环境下，且于温度为200～600℃中进行。

22.一种氮化物半导体基板，包括：

基板；

氮化物半导体层，位于该基板上方；

外延层，位于该基板与该氮化物半导体层之间；以及

多个阻挡结构，位于该基板与该氮化物半导体层之间，其中所述多个阻挡结构是通过氧化部分所述外延层而形成。

23.如权利要求22所述的氮化物半导体基板，其中该基板的材质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。

24.如权利要求23所述的氮化物半导体基板，其中该外延层包括氮化物外延材料层，且该氮化物外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。

25.如权利要求22所述的氮化物半导体基板，其中该基板的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及其它磷化物所组成的组中。

26.如权利要求25所述的氮化物半导体基板，其中该外延层的材料选自由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，且该含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例大于0.8。

27.如权利要求22所述的氮化物半导体基板，其中所述阻挡结构的材质至少包含氧化铝或氧化镓氧化物。

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