JP5174052B2

JP5174052B2 - 低欠陥密度を有するエピタキシャル構造の製造方法

Info

Publication number: JP5174052B2
Application number: JP2010010248A
Authority: JP
Inventors: トンシンウー; ロイホアホン; スーティンチェン; ツォンイェンツァイ; シュエウェイウー
Original assignee: ナショナルチョンシンユニバーシティ
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: JP2010171427A; KR101148380B1; KR20100085875A

Description

関連出願の相互参照
本出願は２００９年１月２１日に出願した台湾出願第０９８１０２２４０号および２００９年１月２１に出願した台湾出願第０９８１０２２３９号への優先権を主張する。

本発明はエピタキシャル構造に関し、とりわけ低欠陥密度を有し、またその上に半導体装置を形成するための基材として用いることができるエピタキシャル構造に関する。

窒化ガリウムを主成分とする発光素子では、サファイア基材または炭化ケイ素基材が、それらの上に窒化ガリウムを主成分とする層を成長させるために通常用いられている。この基材上への窒化ガリウムを主成分とする半導体層の成長の間に、格子不整合による転位が形成され、そして発光素子の活性層中へと成長し、それによってその発光効率を低下させる。

米国特許第６０５１８４９号明細書および第６６０８３２７号明細書には、基層を含み、その上に緩衝層、第１のエピタキシャル層およびパターン形成された二酸化ケイ素層が順次積層された半導体構造が開示されている。次いで、第２のエピタキシャル層が、この第１のエピタキシャル層およびパターン形成された二酸化ケイ素層の上に、横方向エピタキシャル成長技術を用いて形成される。第１のエピタキシャル層の部分をパターン形成された酸化ケイ素層で被覆することによって、第１のエピタキシャル層から成長する第２のエピタキシャル層中の欠陥もしくは転位を低減することができる。従って、活性層中に形成された転位もまた低減することができ、それが半導体構造上に形成された時に発光素子の発光効率の向上をもたらす。

しかしながら、エピタキシャル層の増加は収率の低下をもたらす可能性がある。更に、エピタキシャル層の数が増えると、欠陥の減少は少なくなり、発光素子の量子効率を効果的に向上することができない。

米国特許出願公開第２００８／００６８２９１号明細書には、複数のリセスが形成されたパターン形成された基層、およびこのパターン形成された基層上に形成された第１のエピタキシャル層を含む半導体構造を開示している。次いで、パターン形成されたマスクが、第１のエピタキシャル層上のリセスのない領域に対応する位置に、それを通した欠陥の成長を妨げるために積層される。

米国特許第７３６４８０５号明細書には、マスクによるパターン形成なしのエッチングによって、転位に対応する位置に複数のリセスを自然に形成する方法が開示されている。図１〜３を参照すると、エピタキシャル基材１は基層１１、第１のエピタキシャル層１２および被覆膜１３を含んでいる。この第１のエピタキシャル層１２はエピタキシャル表面１２２、複数の欠陥１２３およびこの欠陥１２３に対応して形成された複数のエッチピット１２１を有している。この被覆膜１３は、エピタキシャル表面１２２の上およびエッチピット１２１の中に形成される。次いで、エピタキシャル表面１２２上に形成された被覆膜１３は、その上への次のエピタキシャル層を成長させるために、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて取り除かれる。しかしながら、反応性イオンエッチング法を用いた被覆膜１３の除去の間に、欠陥は増加する傾向にある。更に、エッチピット１２１が、熱およびガスによるエッチングのために、螺旋転位および刃状転位を含む欠陥の上端部上に形成される。

米国特許第６０５１８４９号明細書米国特許第６６０８３２７号明細書米国特許出願公開第２００８／００６８２９１号明細書米国特許第７３６４８０５号明細書

従って、本発明の目的は、従来技術に関連した上記の欠点を克服することができるエピタキシャル基材構造を提供することである。

本発明の他の目的は、そのエピタキシャル基材構造を作る方法を提供することである。

本発明の１つの態様によれば、低欠陥密度を有するエピタキシャル構造は、基層；この基層上に形成され、またこの基層と格子不整合を有する第１のエピタキシャル層（この第１のエピタキシャル層は更に複数の集中した欠陥群、およびこの集中した欠陥群に対応する位置に複数の第１のリセスを有するエピタキシャル表面を有しており、この第１のリセスの大きさはそれぞれ近似している）、ならびに第１のリセスをそれぞれ充填しており、また磨かれた表面を有している複数の欠陥停止ブロックを含んでいる。この欠陥停止ブロックは除去速度が、第１のエピタキシャル層のものとは異なる物質で作られている。この磨かれた表面はエピタキシャル表面と実質的に同一平面であり、そのためにこの第１のエピタキシャル層は実質的に平坦化された結晶成長表面を有している。

本発明の他の態様によれば、低欠陥密度を有するエピタキシャル基材構造を作る方法は、（ａ）基層上に第１のエピタキシャル層を横方向に形成すること（この第１のエピタキシャル層はエピタキシャル表面および複数の集中した欠陥群を有している）；（ｂ）この第１のエピタキシャル層をウェットエッチング剤を用いてエッチングすること（これによりこのエピタキシャル表面は、集中した欠陥群に対応する複数の第１のリセスを有し、第１のリセスの大きさは互いに近似している）；（ｃ）第１のエピタキシャル層上に、第１のリセスの深さよりも大きな厚さを有する欠陥停止層を堆積させ、これによりこの欠陥停止層は第１のリセスを充填し、そして該エピタキシャル表面を被覆すること（この欠陥停止層は除去速度が、第１のエピタキシャル層のそれと異なっている物質で作られている）、ならびに（ｄ）欠陥停止層を化学機械研磨法によって、該エピタキシャル表面が露出されるまで除去して、その結果第１のリセスをそれぞれ、そして完全に充填する複数の欠陥停止ブロックを形成すること（この欠陥停止ブロックは、エピタキシャル表面と実質的に同一平面の磨かれた表面を有している）、を含んでいる。

本発明の他の特徴および利点は、以下の本発明の好ましい実施態様の詳細な説明および添付の図面を参照することによって明確になるであろう。

図１は従来のエピタキシャル構造の製造方法を示す図である。図２は従来のエピタキシャル構造の製造方法を示す図である。図３は従来のエピタキシャル構造の製造方法を示す図である。図４は本発明によるエピタキシャル構造の第１の好ましい実施態様の概略図である。図５ａ〜図５ｇは本発明によるエピタキシャル構造の製造方法の第１の好ましい実施態様の連続した工程を説明する図である。図５ａ〜図５ｇは本発明によるエピタキシャル構造の製造方法の第１の好ましい実施態様の連続した工程を説明する図である。図５ａ〜図５ｇは本発明によるエピタキシャル構造の製造方法の第１の好ましい実施態様の連続した工程を説明する図である。図５ａ〜図５ｇは本発明によるエピタキシャル構造の製造方法の第１の好ましい実施態様の連続した工程を説明する図である。図５ａ〜図５ｇは本発明によるエピタキシャル構造の製造方法の第１の好ましい実施態様の連続した工程を説明する図である。図５ａ〜図５ｇは本発明によるエピタキシャル構造の製造方法の第１の好ましい実施態様の連続した工程を説明する図である。図５ａ〜図５ｇは本発明によるエピタキシャル構造の製造方法の第１の好ましい実施態様の連続した工程を説明する図である。図６は本発明の第１の好ましい実施態様のエピタキシャル層に形成されたリセスの画像である。図７は図４と同じ図であるが、しかしながら断面が長方形である第２のリセスを示している。図８は図４と同じ図であるが、しかしながら断面が台形である第２のリセスを示している。図９ａは、基層がパターン形成されていない場合で、本発明の第１の好ましい実施態様の不均一なリセスを示す画像である。図９ｂは、基層がパターン形成されている場合で、本発明の第１の好ましい実施態様の均一なリセスを示す画像である。図１０は本発明によるエピタキシャル構造の第２の好ましい実施態様の概略図である。

本発明を添付の実施態様を参照してより詳細に亘って説明する前に、類似の要素はこの開示を通して同じ参照番号によって表示されることをここに示しておかねばならない。

図４および図５ｇを参照すると、本発明による低欠陥密度を有するエピタキシャル構造の第１の好ましい実施態様が示されている。このエピタキシャル構造は基層２、複数の第１のリセス３２を有する第１のエピタキシャル層３、複数の欠陥停止ブロック４および第２のエピタキシャル層５を含んでいる。

基層２はパターン形成されており、また第１のエピタキシャル層３との格子不整合、ならびに複数の第２のリセス２１および第２のリセス２１の間の複数の平坦な表面部分２２を含む基表面２０、を有している。第２のリセス２１はマトリックス配列に配置されており、また１μｍ〜５μｍの範囲の平均幅およびこの平均幅の１／５以上の平均深さを有している。

基層２はパターン形成されていない平坦な表面を有していてもよいことは言及しておく価値がある。しかしながら、基層２がパターン形成されている場合には、格子不整合に由来する欠陥は、エピタキシャル層の成長の間に平坦な表面部分２２上に自然に集中する高い傾向を有している。第２のリセス２１の別の可能性としては、基層２のパターンが細片様のパターン要素または不規則なパターン要素（示されていない）を含んでいてもよい。

第１のエピタキシャル層３は平坦な表面部分２２から、上方および横方向に成長し、また窒化ガリウム（ＧａＮ）で作られる。代わりに、第１のエピタキシャル層３は、少なくとも１つの窒化物を主成分とする層を含む多層構造である。この窒化物を主成分とする層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、０≦ｘ≦１）またはそれらの組み合わせからなる群から選ばれる窒化物化合物を含んでいる。第１のエピタキシャル層３は、複数の集中した欠陥３１、およびエピタキシャル表面３０を含んでおり、エピタキシャル表面３０は集中した欠陥群３１の上端部の位置に対応して、その上に形成された第１のリセス３２を有している。集中した欠陥群３１は平坦な表面部分２２上に集中している。第２のリセス２１の上部では欠陥（示されていない）の密度は、比較的に低い。

好ましくは、第１のリセス３２は１μｍ〜６μｍの範囲、より好ましくは２μｍ〜４μｍの範囲の平均幅を有しており、そして最も好ましくは第１のリセス３２は３μｍの平均幅を有している。第１のリセス３２は、０．２μｍ超の平均深さを有しており、また第１のリセス３２の平均深さの標準偏差は０．１３μｍ以下である。

欠陥停止ブロック４はそれぞれに、そして完全に第１のリセス３２を充填しており、また磨かれた表面４１を有している。磨かれた表面４１は、エピタキシャル表面３０と実質的に同一平面であり、実質的に平坦な結晶成長表面３３を与える。

図５ａ〜５ｇは、本発明によるエピタキシャル構造の製造方法の第１の好ましい実施態様の連続的工程を示している。

図５ａおよび５ｂを参照すると、基層２はパターン形成されており、また第２のリセス２１が、リソグラフィー法によって形成されている。第２のリセス２１は、基表面２０から窪んでおり、またお互いに間隔が空いている。

図５ｃを参照すると、第１のエピタキシャル層３はパターン形成された基層２上に、横方向結晶法を用いて形成されている。第２のリセス２１は、第１のエピタキシャル層３によって完全に充填されていても、またはされていなくてもよい。第１のエピタキシャル層３の欠陥は、平坦な表面部分２２上に集中しており、第２のリセス２１も完全に充填されていても、またはいなくてもよい。第１のエピタキシャル層３の欠陥密度は第２のリセス２１上では、平坦な表面部分２２上の欠陥密度と比較して、低い。

図５ｄを参照すると、第１のエピタキシャル層３は、ウェットエッチング剤を用いてエッチングされるので、第１のエピタキシャル層３は、集中した欠陥群３１に対応する位置に第１のリセス３２を有している。このエッチングはどのようなマスクも用いないで行なわれるので、マスクの調整において遭遇する困難さを回避することができる。

このウェットエッチング剤によってエッチングされた深さは、欠陥が集中している第１のエピタキシャル層３の部分においては、欠陥の密度が低い第１のエピタキシャル層３の部分におけるよりも大きいことは、言及しておく価値がある。

この実施態様では、ウェットエッチング剤は加熱リン酸を含んでおり、また硫酸を含まない。このようなエッチング剤は、欠陥が螺旋転位である場合には、第１のエピタキシャル層３中に六角形の孔を形成することができるが、しかしながら欠陥が刃状転位である場合には第１のエピタキシャル層３をエッチングしない。従って、第１のリセス３２は、螺旋転位の上端部上に形成される。第１のリセス３２は、第１のエピタキシャル層３の上側から観た場合には六角形であり（図６を参照）、また第１のエピタキシャル層３を垂直平面に沿って切断した場合には断面が三角形である（図４を参照）。この三角形の横断面はウェットエッチングの初期の時間に生成することができる。ウェットエッチングが一定の時間実施された後には、第１のリセス３２の横断面は台形または更には不規則形になる可能性がある。それぞれの集中した欠陥群３１は螺旋転位を含んでいる。

ウェットエッチングによって形成された場合には、第２のリセス２１は断面が三角形であり（図４を参照）、またドライエッチングによって形成された場合には、長方形もしくは台形である（図７および図８を参照）。

図９ａを参照すると、基層２が、第１のエピタキシャル層３がその上に成長するためのパターン形成がなされていない場合には、第１のエピタキシャル層３の成長の間には第１のエピタキシャル層３における螺旋転位は十分には集中することができないので、第１のリセス３２は均一で、かつ十分に深い深さを有することはできない。対照的に、図９ｂを参照すると、基層２がパターン形成されている場合には、第１のリセス３２は均一で深い深さを有することができ、このことはそこからの欠陥の成長を妨げるのに有益である。

均一な大きさの第１のリセス３２を提供するために、エッチング温度は好ましくは２７０℃以下である。より好ましくは、エッチング温度は２００℃であり、そうすればエッチング速度を低減することができる。結果として、第１のリセス３２はより均一な大きさであることができ、また第１のリセス３２は合体することを防ぐことができる。第１のリセス３２が合体した場合には、リセス３２の幅および欠陥停止ブロック４の大きさが大きくなってしまうので、第２のエピタキシャル層５（図５ｇを参照）は、大きなリセスが存在する場所では良好な結合を作ることができない。

図５ｅを参照すると、エッチングの後では、第１のリセス３２の深さよりも大きな厚さを有する欠陥停止層４’が、第１のエピタキシャル層３上に堆積されるので、欠陥停止層４’が、第１のリセス３２を完全に充填し、そしてエピタキシャル表面３０を被覆する。

図５ｆを参照すると、欠陥停止層４’は、化学機械研磨法（ＣＭＰ）によって、エピタキシャル表面３０が露出するまで取り除かれ、その結果複数の欠陥停止ブロック４が形成されて、それぞれにまた完全に第１のリセス３２を充填するが、欠陥停止ブロック４は磨かれた表面４１を有しており、それはエピタキシャル表面３０と実質的に同一平面であり、実質的に平坦な結晶成長表面３３を与える。この実施態様では、コロイド状の二酸化ケイ素を含むスラリーがＣＭＰ法に用いられる。

欠陥停止ブロック４を形成する欠陥停止層４’は、除去速度が第１のエピタキシャル層３のものとは異なる物質で作られる。

好ましくは、欠陥停止層４’は、酸化物、窒化物、フッ化物、炭化物およびそれらの混合物からなる群から選ばれた物質から作られる。より好ましくは、欠陥停止層４’は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、二酸化チタンおよびそれらの組み合わせからなる群から選ばれる物質から作られる。この実施態様では、欠陥停止層４’は二酸化ケイ素から作れる。

良好な研磨効果を得るために、化学機械研磨の間に、基層２および第１のエピタキシャル層３は、基層２を平坦な板（示されてはいない）に取付けることによって平坦にされる。この実施態様では、この平坦な板は結晶ワックス（crystal wax）で作られており、また基層２はこの平坦な板に加熱した温度での高真空圧力吸引によって付着されている。

他の方法、例えばイオン反応性エッチングと比較して、化学機械研磨は欠陥停止層４’を均一に、また迅速に取り除くことができる。欠陥停止層４’の除去速度は、第１のエピタキシャル層３の除去速度とは異なっている。化学機械研磨は、欠陥停止層４’を除去する際に第１のエピタキシャル層３をも除去する可能性があるので、欠陥停止層４’は、第１のエピタキシャル層３よりも速く除去することができる物質から作られなければならない。欠陥停止ブロック４が存在するために、第１のエピタキシャル層３のエピタキシャル表面３０は低欠陥密度を有している。

図５ｇを参照すると、第２のエピタキシャル層５が結晶成長表面３３上に形成される。集中した欠陥群３１は欠陥停止ブロック４によって停止されているので、結晶成長表面３３上に成長する第２のエピタキシャル層５は第１のエピタキシャル層３の欠陥密度に比べて比較的に低い欠陥密度を有しており、そして続いて半導体装置、例えば発光素子、高周波通信装置、および電界効果トランジスタ、がその上に成長するのに適切である。

図１０を参照すると、本発明の第２の好ましい実施態様は、第１の実施態様とは、基層２がパターン形成されていて、基表面２０から突き出ている複数の突起部２４および突起部のない表面部分２３が形成されていることが異なっている。集中した欠陥群３１は突起部のない表面部分２３の位置に対応して形成され、また第１のエピタキシャル層３は突起部２４上に比較的に低い欠陥密度を有している。

本発明を、最も実際的であると考えられる、また好ましい実施態様に関して説明してきたが、本発明は開示した実施態様には限定されず、そして最も広い解釈の精神および範囲の中に含まれる種々の変更を、そのような変更および均等な変更を網羅するように、包含することが意図されていることが理解されなければならない。

Claims

低欠陥密度を有するエピタキシャル構造の製造方法であって、
（ａ）パターン形成された基層（２）上に第１のエピタキシャル層（３）を形成すること、該パターン形成された基層（２）は、複数の間隔を空けた第２のリセス（２１）および該第２のリセス（２１）の間の複数の平坦な表面部分（２２）で形成されており、この第１のエピタキシャル層（３）はエピタキシャル表面（３０）および複数の集中した欠陥群（３１）を有している；
（ｂ）この第１のエピタキシャル層（３）を、このエピタキシャル表面（３０）が集中した欠陥群（３１）に対応する位置に複数の第１のリセス（３２）を有し、第１のリセス（３２）の大きさは互いに近似しているように、ウェットエッチング剤を用いてエッチングすること；
（ｃ）第１のエピタキシャル層（３）上に、第１のリセス（３２）の深さよりも大きな厚さを有する欠陥停止層（４’）を堆積させ、これによりこの欠陥停止層（４’）は第１のリセス（３２）を充填し、そしてエピタキシャル表面（３０）を被覆すること、この欠陥停止層（４’）は、除去速度が第１のエピタキシャル層（３）のものと異なっている物質で作られている；
（ｄ）欠陥停止層（４’）を化学機械研磨法に付して、研磨剤を、エピタキシャル表面（３０）と機械的に接触させて、第１のリセス（３２）を、それぞれ、そして完全に充填する複数の欠陥停止ブロック（４）を形成させること、該欠陥停止ブロック（４）は、該エピタキシャル表面（３０）と実質的に同一平面の磨かれた表面（４１）を有している、
ここで、該化学機械研磨法は、該欠陥停止層（４’）の除去速度が、該第１のエピタキシャル層（３）の除去速度よりも速いように行なわれる；ならびに
（ｅ）第２のエピタキシャル層（５）を該第１のエピタキシャル層（３）の上に形成させ、該第２のエピタキシャル層（５）が該第１のエピタキシャル層（３）の欠陥密度よりも低い欠陥密度を有する、
を含んでなる、方法。
前記の第２のリセス（２１）がマトリックス配列で配置され、また１μｍ〜５μｍの範囲の平均幅および該平均幅の１／５以上の平均深さを有していることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記のパターン形成された基層（２）が複数の間隔を空けた突起部（２４）で形成されていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
工程（ｂ）において、前記のエッチングがいずれかのマスクを用いることなく実施されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記のウェットエッチング剤がリン酸であり、また第１のエピタキシャル層（３）が窒化ガリウムで作られることを特徴とする、請求項４記載の方法。
前記の第１のリセス（３２）が０．２μｍ超の平均深さを有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記の第１のリセス（３２）の平均深さの標準偏差が０．１３μｍ以下であることを特徴とする、請求項６記載の方法。
前記の第１のリセス（３２）が１μｍ〜６μｍの範囲の平均幅を有していることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記の第１のリセス（３２）が２μｍ〜４μｍの範囲の平均幅を有していることを特徴とする、請求項８記載の方法。
前記の第１のリセス（３２）が３μｍの平均幅を有していることを特徴とする、請求項９記載の方法。
前記の欠陥停止層（４’）が、二酸化ケイ素から作られ、前記第１のエピタキシャル層（３）が、窒化ガリウムから作られ、そして前記研磨剤の前記化学成分が、コロイド状二酸化ケイ素であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記のパターン形成された基層（２）および前記の第１のエピタキシャル層（３）を、前記の化学機械研磨工程の前に該パターン形成された基層（２）を平坦な板に付着させることにより平坦化することを更に含むこと特徴とする、請求項１記載の方法。
前記の集中した欠陥群（３１）が螺旋転位を含み、また前記の第１のリセス（３２）が該螺旋転位の上端部の上に形成されることを特徴とする、請求項１記載の方法。