CN1755955A - Ⅲ族氮化物半导体元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种由非晶性氮化硅层、金属铝界面层、非晶性氮化铝前置层及多晶性含铝元素的III族氮化物层所构成的应力释缓层，其位于硅基板与III族氮化物半导体间，用以舒解III族氮化物材料与硅基板间因彼此晶格常数及热膨胀系数差异所产生的应力，避免因应力造成III族氮化物半导体破裂的III族氮化物半导体元件的结构与制造方法。

Description

III族氮化物半导体元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种III族氮化物半导体元件及其制造方法，特别是针对一种藉由位于硅基板与III族氮化物半导体间的应力释缓层，舒解III族氮化物材料与硅基板间因彼此晶格常数及热膨胀系数差异所产生的应力，避免因应力造成III族氮化物半导体破裂的III族氮化物半导体元件及其制造方法。

背景技术

沉积高品质GaN化合物薄膜所使用的成长方法，一般可区别成两组方法。第一组为包括有机金属化学气相沉积(MOCVD)法或等离子体加速MOCVD法为MOCVD变形例之类的方法。此组所有方法的特点在于使用10～1030hPa的代表反应炉压及500～1100℃的高品质GaN成长温度。控制GaN成长的手法包括气相化学反应及基板表面或半导体薄膜表面间的化学反应。第二组包括分子束外延(MBE)法及气源分子束外延(GSMBE)法、化学光束外延(CBE)法或有机金属分子束外延(MOMBE)法之类的关联方法。此组因无0.001hPa以下的低炉压及气相反应而和前述的MOCVD法不同。

图1为显示MOCVD法的示意图，图中的构件分别为蓝宝石基板10、反应炉11、基座12、加热器13、反应气体注入管14、注入副管15、排出泵16、马达17及排出管18。利用以下步骤在蓝宝石基板10成长4um膜厚的GaN外延层。首先，于反应炉11保持在1030hPa的压力下，将具有2英寸直径的洗净的蓝宝石基板10放置于基座12上。并以排出泵16充分排出不锈钢制反应炉11内的空气。其次，将H₂气体导入反应炉11内，藉此以H₂气体调换反应炉11内的空气。然后，一方面从反应炉11内的反应气体注入管14及在反应炉11上部的注入副管15供给反应炉11内H₂气体，一方面则利用基座12下方的加热器13加热到1060℃，保持此状态10分钟，这是为了从蓝宝石基板10表面除去氧化膜。接下来，将基座12的温度降低到500℃，直到蓝宝石基板10温度稳定后，再从注入副管15注入H₂和N₂的气体混合物，反应气体注入管14供给氨气(NH₃)和H₂气的气体混合物。从注入副管15所供给的H₂气体和N₂气体的各自流速为10公升/分，从反应气体注入管14所供给的氨气和H₂气的流速分别为4公升/分，1公升/分，维持此状态到基座12的温度在500℃稳定。接下来的步骤为形成缓冲层，除从反应气体注入管14供给的氨气和H₂气外，并以2.7×10^-5摩尔/分的流速输入三甲基镓(TMG)气体1分钟，以生成一0.02um厚的缓冲层。接着停止TMG气体的输入，但维持除TMG以外的气体继续流动，并将基座12的温度上升到1020℃，此时，再将TMG气体以5.4×10^-5摩尔/分的流速流动60分钟，使GaN外延层长成具有4.0um的膜厚。

在前述的制造方法中，一方面注入副管15持续地供给H₂气体和N₂气体，这是为了避免反应炉11的内部被反应气体所污染。另一方面藉由马达17输入动力使基座12以5rpm的速度旋转，让结晶稳定地成长。在供给气体的同时，将所供给的气体由排出管18排出外界，此排出管18从排出泵16的配管所分出。如此一来，0.02um厚的GaN缓冲层和4um厚的GaN外延层在蓝宝石基板10上被形成(参照USP5,290,393号专利说明书)。

图2为记载于Inst.Phys.Conf.Ser.No 141(1994)p.119的显示另一种MOCVD法的高速旋转圆盘MOCVD反应炉简单示意图，在图中的构件包括MOCVD反应炉20、氮气源分配岐管21、III族分配岐管22、调整针阀23、筛网24及晶片载体25。MOCVD反应炉20与图1的反应炉不同点在于，第一、所有的气体均由上方供给，III族为III族分配岐管22所供给，氮气源和III族源分离，为氮气源分配岐管21所供给。第二、所有气体流动的分布可用调整针阀23控制，并透过筛网24来供给均匀的氢流至在晶片载体25上的基板(图中未显示)，以生成所希望的半导体薄膜。第三、为改善薄膜的均匀性，晶片载体25以高速旋转(500～1000rpm)。反应炉20的压力最好介于76～200乇(约10～26hPa)的范围内。此外，可使高品质的GaN在薄的GaN缓冲层上以1030℃的高成长温度成长，此GaN缓冲层以200乇(约26hPa)的炉压使用氨气和TMG以540℃沉积而得。

图3为记载于J.Crystal Growth 150(1995)p.912显示利用MBE法成长GaN薄膜的MBE室示意图，在图中，30为高真空MBE室、31为基板、32为气体注入器、33为MBE炉、34为电子衍射装置、35为基板加热器。以MBE法或类似方法所成长的GaN，藉由以下的制造方法而得。首先，基板31被送到高真空MBE室30内，以约900℃的高温进行热回火。其次，藉由气体注入器32将基板31置于氮气源气体中，并以400℃的基板温度被氮化。接下来，导入Ga源射束以沉积GaN的低温缓冲层，此Ga源射束是利用来自MBE炉33的原子状镓射束或利用气体注入器32所导入的三乙基镓(TEG)或TMG之类的有机金属镓先驱物。最后，以600℃～860℃范围内的高温沉积高品质GaN层。此方法的优点，可利用电子衍射装置(RHHED)34当场(in-situ)解析膜质。N的最理想先驱物为NH₃或N₂、NH₃混合气体，Ga最理想的先驱物通常使用TEG或TMG，并使用N₂和H₂的混合物作为载运气体。另外，与MBE法有关的方法中，还可利用电子环绕共振式(ECR)等离子体、N₂的微波活性化或NH₃的温度热裂生成氮原子团或原子。

接着，就用于得到高品质GaN化合物薄膜的基板及成长的构造加以说明(参照USP5,290,393号专利说明书)。GaN化合物成长用所使用的基板一般为蓝宝石及SiC晶片。图4显示生成高品质GaN化合物层的一种结构剖面图，包括蓝宝石或SiC晶片40、低温Ga_xAl_1-xN缓冲层41、Ga_xAl_1-xN化合物半导体层42。首先，在蓝宝石或SiC基板40上，经过适当的洗净制造方法后，将化学组成为Ga_xAl_1-xN(0≤x≤1)的低温缓冲层41在200℃～700℃的低温范围沉积约10nm～200nm膜厚的非晶体层，再将其转换为平滑的单晶层。最后，在700℃～1150℃范围的温度沉积Ga_xAl_1-xN(0≤x≤1)结构的化合物半导体层42于低温Ga_xAl_1-xN缓冲层41上，可得到具有高品质光学及电气特性的化合物半导体层。

然而，使用上述蓝宝石或SiC基板生成的高品质GaN却有以下的问题。第一、一片直径2英寸大小的蓝宝石晶片需65～240美元，1cm×1cm大小的SiC晶片亦需200美元，很昂贵。第二、GaN和SiC之间的晶格不匹配为约3.5％，GaN和蓝宝石之间的晶格不匹配更大，为约16％。第三、由于蓝宝石为绝缘体，所以不能在基板背面侧形成电极，形成电极的制造方法更昂贵。第四，蓝宝石的热膨胀系数和GaN的热膨胀系数大不相同，所以成长制造方法更复杂。第五，蓝宝石为乌采型结晶构造，所以在制造激光元件上会有其它的问题产生。为了克服这些问题，已有若干的研究报告产生，例如USP6,445,009、USP6,391,748、USP6,218,207、USP5,389,571、USP5,239,188等专利说明书，以下仅就USP5,239,188予以说明，图5为在硅(Si)基板上成长GaN化合物半导体层的半导体装置结构剖面图，基板53为低电阻晶面指数(Miller indices)为111的廉价n-Si基板，以上述提及的方法沉积低温AlN缓冲层54于基板53上，再以高温依次沉积高品质的n-GaN层55及p-GaN层56于低温AlN缓冲层54上，最后并制作p型电极57及n型电极58。此结构造因使用Si基板而解决前述基板价格昂贵及使用蓝宝石基板而产生的问题，但因第一、GaN无法顺利地在Si基板上形成单晶性GaN层，大多形成六角锥状的GaN结晶柱，第二、GaN与硅基板因材料晶格常数及热膨胀系数不同而造成应力的产生，此应力累积将使GaN外延层产生裂痕，如图6所示，使得元件无法制作，因此GaN与Si之间接口的处理便成为磊芯片品质最重要的部份。

发明内容

本发明的一个目的，在于提供一种可直接形成单晶性III族氮化物半导体元件于硅基板上的制造方法。

本发明的另一个目的，在于提供一种以应力释缓层舒解III族氮化物材料与硅基板间因彼此晶格常数及热膨胀系数差异所产生的应力，避免因应力造成III族氮化物半导体元件破裂的制造方法。

本发明的又一个目的，在于提供一种可直将单晶性III族氮化物半导体元件形成于硅基板的半导体元件。

本创作的再一个目的，在于提供一种以应力释缓层舒解III族氮化物材料与硅基板间因彼此晶格常数及热膨胀系数差异所产生的应力，避免因应力造成III族氮化物半导体破裂的半导体元件。

根据以上所述的目的，本发明提供了一种III族氮化物半导体元件，包括：一单晶硅基板；一位于硅基板上方的应力释缓层，其具有一非晶性氮化硅层，形成于硅基板上；一金属铝界面层，形成于非晶性氮化硅层上；一非晶性氮化铝前置层，形成于金属铝界面层上；及一多晶性含铝元素的III族氮化物层，形成于非晶性氮化铝前置层上方；及一单晶性III族氮化物半导体元件结构层，形成于多晶性含铝元素的III族氮化物层上方。

根据上述构想，其中单晶硅基板为低电阻硅基板。

根据上述构想，其中非晶性氮化硅层经一氮化工艺(Nitridation)形成。

根据上述构想，其中非晶性氮化硅层的厚度约介于3～500之间，其最佳厚度则约为10～30。

根据上述构想，其中金属铝接口层的厚度则约介于5～20之间。

根据上述构想，其中金属铝接口层与非晶性氮化硅层之间形成铝-氮键结。

根据上述构想，其中非晶性氮化铝前置层的厚度则约介于5～500之间。

根据上述构想，其中非晶性氮化铝前置层形成时，会与金属铝接口层进行重排，使得非晶性氮化铝前置层与硅基板之间的应力释缓。

根据上述构想，其中多晶性含铝元素的III族氮化物层作为单晶性III族氮化物层的缓冲层。

根据上述构想，其中半导体元件从下列选出：发光二极管、激光二极管、光检测器(Photodiode)、微电子元件结构及微机电元件结构。

根据上述构想，其中单晶性III族氮化物半导体元件结构层还包括：一有源层(active layer)；一第一III族氮化物导电层，介于有源层与应力释缓层之间；及一第二III族氮化物导电层，位于有源层之上，其导电类型与第一III族氮化物导电层相异。

根据上述构想，其中单晶性III族氮化物半导体元件结构层还包括一第一电极，位于第二III族氮化物导电层之上。

根据上述构想，其中第一电极藉由蚀刻部分第二III族氮化物导电层而得。

根据上述构想，其中单晶性III族氮化物半导体元件结构层还包括一第一电极，位于硅基板的下方。

根据上述构想，其中单晶性III族氮化物半导体元件结构层还包括一透明电极，位于第一III族氮化物导电层之上。

根据上述构想，其中单晶性III族氮化物半导体元件结构层还包括一第二电极，位于透明电极之上。

根据上述构想，其中电极的材料从下述者选出：Ti/Al及Ni/Au。

根据上述构想，其中有源层的结构从下述者选出：同质结构(homostructure)、异质结构(heterostructurer)、双异质结构(double-heterostructurer)、单量子阱结构(single-quantum-well)与多重量子阱结构(multiple-quantum-well)。

根据以上所述的目的，本发明提供了一种III族氮化物半导体元件制造方法，包括：形成一单晶硅基板；形成一非晶性氮化硅层于硅基板上；形成一金属铝界面层于非晶性氮化硅层上；形成一非晶性氮化铝前置层于金属铝界面层上；形成一多晶性含铝元素的III族氮化物层于非晶性氮化铝前置层上方；及形成一单晶性III族氮化物半导体元件结构层于多晶性含铝元素的III族氮化物层上方。

根据上述构想，其中单晶硅基板为低电阻硅基板。

根据上述构想，其中非晶性氮化硅层经一氮化工艺(Nitridation)以形成。

根据上述构想，其中非晶性氮化硅层的厚度约介于3～500之间，其最佳厚度则约为10～30。

根据上述构想，其中金属铝接口层的厚度则约介于5～20之间。

根据上述构想，其中金属铝接口层与非晶性氮化硅层之间形成铝-氮键结。

根据上述构想，其中非晶性氮化铝前置层的厚度则约介于5～500之间。

根据上述构想，其中非晶性氮化铝前置层形成时，会与金属铝接口层进行重排，使得非晶性氮化铝前置层与硅基板之间的应力释缓。

根据上述构想，其中多晶性含铝元素的III族氮化物层作为单晶性III族氮化物层的缓冲层。

根据上述构想，其中半导体元件从下列选出：发光二极管、激光二极管、光检测器(Photodiode)、微电子元件结构及微机电元件结构。

根据上述构想，其中形成该单晶性III族氮化物半导体元件结构层的步骤还包括：形成一有源层(active layer)；形成一介于有源层与应力释缓层之间的第一III族氮化物导电层；及形成一位于有源层之上的第二III族氮化物导电层，其导电类型与第一III族氮化物导电层相异。

根据上述构想，其中形成单晶性III族氮化物半导体元件结构层的步骤还包括形成位于第二III族氮化物导电层上方的一第一电极。

根据上述构想，其中第一电极藉由蚀刻部分第二III族氮化物导电层而得。

根据上述构想，其中形成单晶性III族氮化物半导体元件结构层的步骤还包括形成位于硅基板下方的一第一电极。

根据上述构想，其中形成单晶性III族氮化物半导体元件结构层的步骤还包括位于第一III族氮化物导电层上方的一透明电极。

根据上述构想，其中形成单晶性III族氮化物半导体元件结构层的步骤还包括位于透明电极上方的一第二电极。

根据上述构想，其中电极的材料从下述者选出：Ti/Al及Ni/Au。

根据上述构想，其中有源层的结构从下述者选出：同质结构(homostructure)、异质结构(heterostructurer)、双异质结构(double-heterostructurer)、单量子阱结构(single-quantum-well)与多重量子阱结构(multiple-quantum-well)。

附图说明

图1绘示的是一种制造III族氮化物半导体元件的MOCVD装置示意图；

图2绘示的是另一种制造III族氮化物半导体元件的MOCVD装置示意图；

图3绘示的是一种制造III族氮化物半导体元件的MBE装置示意图；

图4绘示的是一种现有GaN化合物层的结构剖面图；

图5绘示的是一种现有在硅(Si)基板上成长GaN化合物半导体层的结构剖面图；

图6绘示的是因GaN与硅基板的材料晶格常数及热膨胀系数不同而造成应力产生及累积，而使GaN外延层产生裂痕；

图7绘示的是根据本发明第一实施例的半导体装置的结构剖面图；

图8绘示的是根据本发明第二实施例的半导体装置的结构剖面图；及

图9绘示的是根据本发明第三实施例的半导体装置的结构剖面图。

简单符号说明

10  蓝宝石基板

11  反应炉

12  基座

13  加热器

14  反应气体注入管

15  注入副管

16  排出泵

17  马达

18  排出管

20  MOCVD反应炉

21  氮气源分配岐管

22  III族分配岐管

23  调整针阀

24  筛网

25  晶片载体

30  高真空MBE室

31  基板

32  气体注入器

33  MBE炉

34  电子衍射装置

35  基板加热器

40  蓝宝石或SiC晶片

41  低温Ga_xAl_1-xN缓冲层

42  Ga_xAl_1-xN化合物半导体层

53  Si基板

54  AlN缓冲层

55  n-GaN层

56  p-GaN层

57  p型电极

58  n型电极

71  硅(Si)基板

72  应力释缓层

721 非晶性氮化硅层

722 金属铝界面层

723 非晶性氮化铝前置层

724 多晶性含铝元素的III族氮化物层

73  单晶性III族氮化物层

80  发光二极管结构

81  硅基板

82  应力释缓层

83  n型III族氮化物导电层

84  有源层

85  p型III族氮化物导电层

86  透明电极

87  p型电极

88  n型电极

具体实施方式

本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例施行，且本发明的范围不受限定，其以之后的权利要求为准。

为了要克服现有GaN层与Si基板之间的问题。本发明在前述二者中加入由多个不同性质的材料层所组成的一应力释缓层，如图7所示，为根据本发明第一实施例的半导体装置的结构剖面图。在硅(Si)基板71上依序形成由非晶性氮化硅层721、金属铝界面层722、非晶性氮化铝前置层723及多晶性含铝元素的III族氮化物层724所构成的应力释缓层72，然后在应力释缓层72上形成单晶性III族氮化物层73。此单晶性III族氮化物层73构成所希望元件结构(图中未显示)的一部分，在此单晶性III族氮化物层73上为了形成上述元件结构而配置其它的单晶性III族氮化物层与该元件构造相应的电极(图中未显示)。

首先形成在硅基板71上的是非晶性氮化硅层721，此层可以在Si基板71上经由氮化工艺(Nitridation)来形成，即藉由在反应炉中N₂或NH₃的量及温度来控制其厚度及均匀性，另外亦可藉由加入硅前趋物及氮前趋物在硅基板71上形成，此非晶性氮化硅层721的优选厚度约介于3～500之间，最佳厚度则约为10～30之间。其次，金属铝接口层722形成于非晶性氮化硅层721上，此金属铝接口层722的目的在于引导III族氮化物材料形成前的界面，其优选厚度约介于5～20之间。在金属铝接口层722形成的同时，也在其与非晶性氮化硅层721之间形成铝-氮键结，以便随后非晶性氮化铝的堆栈。接下来是非晶性氮化铝前置层723成长于金属铝界面层722上，在此层形成的同时会与金属铝进行重排，而使得氮化铝与硅基板之间的应力释缓，此层的优选厚度约介于5～500之间。最后是多晶性含铝元素的III族氮化物层724形成于非晶性氮化铝前置层723上，此层的目的在于作为随后单晶性III族氮化物层73的缓冲层，以利单晶性性III族氮化物层73成长，并提升其结晶性。

本发明在硅基板上形成包括III族氮化物材料的元件，可以是发光二极管、激光二极管、光检测器(Photodiode)、微电子元件结构及微机电元件结构等，其可由AlInGaN类的材料所组成。例如图8所示在硅基板81及应力释缓层82上形成的发光二极管结构80包括III族氮化物(如InGaN材料)的同质结构(homostructure)、异质结构(heterostructurer)、双异质结构(double-heterostructurer)、单量子阱结构(single-quantum-well)或多重量子阱结构(multiple-quantum-well)的有源层(active layer)84，上下连接不同导电类型的III族氮化物(AlInGaN材料)导电层85、83，再以蚀刻制造方法暴露发光二极管(light emitting diode、LED)结构80中下层的n型导电层83，然后分别在n型及p型导电层83、85镀上Ti/Al或Ni/Au的电极87、88及一位于p型导电层85及p型电极87之间的透明电极86，藉以形成LED结构。另外，若我们一开始选用低电阻硅基板制作III族氮化物半导体发光二极管，则可将电极制作在反向位置，如图9所示。

即使本发明藉由举出数个优选实施例来描述，但是本发明并不限定于所举出的实施例。先前虽举出与叙述的特定实施例，但是显而易见地，其它未脱离本发明所揭示的精神下，所完成的等效改变或修饰，均应包括在本发明的权利要求内。此外，凡其它未脱离本发明所揭示的精神下，所完成的其它类似与近似改变或修饰，也均包括在本发明的权利要求内。同时应以最广的定义来解释本发明的范围，藉以包括所有的修饰与类似结构。

Claims (10)

1.一种III族氮化物半导体元件，包括：

一单晶硅基板；

一应力释缓层，位于该硅基板上方，包括：

一非晶性氮化硅层，形成于该硅基板上；

一金属铝界面层，形成于该非晶性氮化硅层上；

一非晶性氮化铝前置层，形成于该金属铝界面层上；及

一多晶性含铝元素的III族氮化物层，形成于该非晶性氮化铝前置层上方；及

一单晶性III族氮化物半导体元件结构层，形成于该多晶性含铝元素的III族氮化物层上方。

2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体元件，其中该单晶硅基板为低电阻硅基板。

3.如权利要求1所述的III族氮化物半导体元件，其中该非晶性氮化硅层的厚度约介于3～500之间。

4.如权利要求1所述的III族氮化物半导体元件，其中该金属铝接口层的厚度则约介于5～20之间。

5.如权利要求1所述的III族氮化物半导体元件，其中该金属铝接口层与该非晶性氮化硅层之间形成铝-氮键结。

6.如权利要求1所述的III族氮化物半导体元件，其中该多晶性含铝元素的III族氮化物层作为该单晶性III族氮化物层的缓冲层。

7.如权利要求1所述的III族氮化物半导体元件，其中该单晶性III族氮化物半导体元件结构层还包括：

一有源层；

一第一III族氮化物导电层，介于该有源层与该应力释缓层之间；及

一第二III族氮化物导电层，位于该有源层之上，其导电类型与该第一III族氮化物导电层相异。

8.一种III族氮化物半导体元件制造方法，包括：

形成一单晶硅基板；

形成一非晶性氮化硅层于该硅基板上；

形成一金属铝界面层于该非晶性氮化硅层上；

形成一非晶性氮化铝前置层于该金属铝界面层上；

形成一多晶性含铝元素的III族氮化物层于该非晶性氮化铝前置层上方；及

形成一单晶性III族氮化物半导体元件结构层于该多晶性含铝元素的III族氮化物层上方。

9.如权利要求8所述的III族氮化物半导体元件制造方法，其中该非晶性氮化硅层经一氮化工艺以形成。

10.如权利要求8所述的III族氮化物半导体元件制造方法，其中形成该单晶性III族氮化物半导体元件结构层的步骤还包括：

形成一有源层；

形成一介于该有源层与该应力释缓层之间的第一III族氮化物导电层；及

形成一位于该有源层之上的第二III族氮化物导电层，其导电类型与该第一III族氮化物导电层相异。

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