TW202003894A - Iii族氮化物半導體基板的製造方法 - Google Patents
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Abstract
在Si基板上經由AlN緩衝層生長III族氮化物半導體層之際,抑制III族原料擴散至Si基板中。
根據本發明的III族氮化物半導體基板的製造方法,包括爐內形成AlN塗膜的步驟(S12)、投入Si基板至AlN塗膜覆蓋的爐內在上述Si基板上形成AlN緩衝層的步驟(S13、S14A、S14B)以及在AlN緩衝層上形成III族氮化物半導體層的步驟(S15)。
Description
本發明,係關於III族氮化物半導體基板及其製造方法,特別有關於在Si基板上經由AlN(氮化鋁)緩衝層形成III族氮化物半導體層的半導體基板的製造方法。
GaN(氮化鎵)代表的III族氮化物半導體,比起其它半導體,因為能帶隙、絕緣破壞電場強度大,飽和電子移動度高,是用作LED(發光二極體)、LD(雷射二極體)等的光元件或功率半導體元件的理想材料。
現在的製造技術,因為以低成本製造III族氮化物半導體的塊狀單結晶很困難,一般是在藍寶石、碳化矽(SiC)、矽(Si)等的單結晶基板上異質磊晶生長III族氮化物半導體的方法。特別是最近使用以低成本可製造大口徑高品質的塊狀單結晶的Si(矽)基板,進行試驗量產III族氮化物半導體。
異質基板上磊晶生長III族氮化物半導體時,通常由於基板材料與III族氮化物半導體材料的格子不匹配, III族氮化物半導體層中產生很多位錯。例如,在藍寶石基板上形成膜的GaN層表面的位錯密度是5×108
/cm2
(平方厘米),Si(矽)基板上形成膜的GaN層表面的位錯密度是1×109
〜1×1010
/cm2
(平方厘米)。如此的III族氮化物半導體層中的位錯,如果是LED的話,發光效率下降,如果是功率半導體元件的話,成為漏電流的原因。
為了降低III族氮化物半導體層的位錯密度,實行在基板上經由緩衝層形成III族氮化物半導體層。例如專利文件1中記載,接著熱清洗及氮化處理,以950℃生長AlN緩衝層,其次再以1230℃生長AlN緩衝層後,生長III族氮化物半導體層。
專利文件2中記載,半導體裝置的製造方法,具有為了抑制AlN層表面的坑狀缺陷產生,在包含氫的空氣中熱清洗矽基板表面的步驟;先供給Al原料後,透過再供給N原料,在矽基板上利用第1V/III原料比生長第一AlN層的步驟;第一AlN層上利用比第1V/III原料比大的第2V/III原料比生長第二AlN層的步驟;以及在第二AlN層上生長GaN半導體層的步驟。
專利文件3中記載,為了得到即使使用格子常數、膨脹係數不同的異質基板進行磊晶生長,對基板、磊晶生長層的歪斜或缺陷也很少產生,還有即使生長厚膜也難以混入裂縫的磊晶生長層,使用以SiO2
等構成的光罩限制生長區域的基板,以磊晶生長形成III-V族化合物半導體膜的刻面(facet)構造,直到覆蓋光罩為止擴展刻面構造,完全埋入刻面(facet)構造,最後形成具有平坦面的III-V族化合物半導體生長層。
[先行技術文件]
[專利文件]
[專利文件1]日本專利公開第2005-072409號公報
[專利文件2]日本專利公開第2012-15305號公報
[專利文件3]日本專利公開平成10年第312917號公報
[發明所欲解決的課題]
為了使AlN緩衝層的結晶性良好,理想是在900℃以上的高溫下生長AlN。但是,如此的高溫下生長AlN時,MOCVD(有機金屬化學氣相沉積)爐等的結晶生長爐的內面或爐內元件上殘留的堆積物分解,Ga或In(銦)等的III族元素飛散,附著至Si基板的表面。又,Al原料或附著至表面的III族元素擴散至Si基板中,由於作用為p型摻雜物,有Si基板的表面電阻率下降的問題。又,也成為Si基板上形成的元件的漏電流路徑、寄生電容增加的原因。
專利文件1中記載的方法中,因為最初以900℃以上的溫度生長AlN,III族元素擴散至Si基板中,Si基板的表面電阻率下降。又,專利文件1中,以使用藍寶石基板或SiC基板作為前提,形成AlN緩衝層前以高溫供給NH3
氣體進行基板的氮化處理。但是,以Si基板進行同樣的氮化處理時,Si基板全面形成非晶氮化矽,不能生長結晶性良好的AlN。
專利文件2中記載的方法,第一AlN層的生長開始時首先只供給Al原料,其次邊維持Al原料的供給,邊與Al原料一起供給N原料。因此,有過剩的Al容易擴散至Si基板中的問題。
專利文件3中記載的製造方法,制止由於熱膨脹係數差及格子常數差產生的裂縫,可以抑制缺陷的導入。但是,因為形成光罩前在Si基板上形成III-V族化合物半導體膜, III-V族化合物半導體膜的形成步驟中爐內殘留的Ga、In等的III族元素飛來擴散至Si基板中。因此,Si基板表面的電阻率下降。
本發明有鑑於上述狀況而形成,本發明的目的,在於提供Si基板上生長III族氮化合物半導體層之際,可以抑制III族元素擴散至Si基板中的III族氮化合物半導體基板的製造方法。又,本發明的目的,在於提供表面電阻率高的Si基板上形成III族氮化合物半導體層的半導體基板。
[用以解決課題的手段]
為了解決上述課題,根據本發明的第1側面的III族氮化合物半導體基板的製造方法,其特徵在於包括爐內形成AlN塗膜的步驟、投入Si基板至上述AlN塗膜覆蓋的上述爐內在上述Si基板上形成AlN緩衝層的步驟以及在上述AlN緩衝層上形成III族氮化物半導體層的步驟。
根據本發明,可以抑制爐內殘留的Ga、In在AlN緩衝層的形成步驟中飛散附著至Si基板上並擴散至Si基板中。因此,可以抑制Ga、In的擴散引起的Si基板的表面電阻率下降。
本發明中,上述AlN塗膜的形成溫度理想是1000〜1400℃,上述AlN塗膜的形成時間理想是1〜30分。因此,不降低生產性而可以均勻形成AlN塗膜。
本發明中,形成上述AlN塗膜的步驟,理想是交互重複導入Al原料與N原料至上述爐內。在此情況中,每1次分別導入上述Al原料與上述N原料之際的時間理想是0.5〜10秒。又,上述重複次數理想是5〜200次。藉此,可以均勻形成AlN塗膜。
根據本發明的III族氮化合物半導體基板的製造方法,理想是更包括,在形成上述AlN塗膜前,以含氫空氣清洗上述爐內的步驟。盡可能除去爐內殘留的III-V族堆積物後,藉由以AlN覆蓋爐內,可以提高抑制Ga、In引起的Si基板污染的效果。
根據本發明的III族氮化合物半導體基板的製造方法,理想是更包括,在形成上述AlN塗膜前,投入仿(dummy)Si基板至上述爐內的步驟;以及投入上述Si基板至上述爐內前,從上述爐內取出上述仿Si基板的步驟。因此,可以防止爐內的Si基板的設置區域中形成AlN塗膜的情況。
本發明中,上述III族氮化合物半導體層,理想是包含GaN層。藉此,可以製造在Si基板上經由AlN緩衝層形成GaN層的半導體基板。
本發明中,上述AlN緩衝層的生長溫度理想是400〜1200℃,更理想是400〜800℃。藉此,AlN緩衝層的形成步驟中可以抑制III族元素擴散至Si基板中。
本發明中,形成上述AlN緩衝層的步驟,理想是包含以400〜800℃的生長溫度生長第一AlN層的步驟;以及在上述第一AlN層上以900〜1200℃的生長溫度生長第二AlN層的步驟。藉此,AlN緩衝層的形成步驟中抑制III族元素擴散至Si基板中的同時,可以形成良質的AlN緩衝層。
本發明中,形成上述AlN緩衝層的步驟,上述爐內導入Al原料與N原料之際,理想是比上述N原料先導入上述Al原料。藉此,可以抑制Si基板氮化而AlN的結晶性惡化。
開始形成上述AlN緩衝層前升溫上述爐內的步驟、形成上述AlN緩衝層的步驟以及形成上述III族氮化物半導體層的步驟的至少一個中,上述爐內的空氣氣體理想是Ar(氬)氣體。由於載子氣體為Ar,比H2
載子氣體在生長中爐內的III族堆積物較難分解,又與N2
氣體不同,Si基板10的表面也沒氮化。因此,形成膜的III族氮化物半導體層30的結晶性變良好,也可以抑制III族元素擴散至Si基板10中。
又,根據本發明的第二側面的III族氮化物半導體基板的製造方法,包括在Si基板上形成AlN緩衝層的步驟以及在上述AlN緩衝層上形成III族氮物半導體層的步驟,其特徵在於形成上述AlN緩衝層的步驟,投入上述Si基板的爐內不供給N原料而供給Al原料,暫時停止上述Al原料的供給並開始上述N原料的供給,再開始上述Al原料的供給並供給上述N原料與上述Al原料兩方。
根據本發明,供給Al原料至爐內後,透過導入N原料,可以抑制Si基板的表面氮化。又,N原料的供給開始時,因為暫時停止Al原料的供給,可以防止過剩供給Al。因此,可以抑制Al擴散引起的Si基板表面的電阻率下降。
本發明中,暫時停止上述Al原料的供給並供給上述N原料的時間理想是1〜180秒,特別理想是3〜60秒。藉此,不降低生產性而可以抑制Al原料的供給過剩。
本發明中,上述AlN緩衝層的生長溫度理想是400〜1200℃,特別理想是400〜800℃。藉此,AlN緩衝層的形成步驟中可以抑制III族元素擴散至Si基板中。
又,根據本發明的第三側面的III族氮化物半導體基板的製造方法,其特徵在於包括,為了露出Si基板表面的一部分,在上述Si基板上形成光罩圖案的步驟;形成上述光罩圖案的上述Si基板上形成AlN緩衝層的步驟;以及在上述AlN緩衝層上形成III族氮化物半導體層的步驟。
根據本發明,由於以光罩圖案覆蓋Si基板,可以抑制III族元素擴散至Si基板中。因此,可以抑制III族元素的擴散引起的Si基板表面的電阻率下降。
本發明中,對於上述Si基板的露出面積的上述光罩的覆蓋面積比例理想是0.5〜10。在此情況中,上述光罩圖案例如是條狀圖案,上述條狀圖案的線寬理想是0.1〜2um。藉此,確保III族氮化物半導體層的表面平坦度的同時,可以抑制III族元素擴散至Si基板中。
本發明中,上述光罩圖案理想是由多結晶或非晶構成,由SiO2
或SiNX
構成更理想。又,上述光罩圖案厚度理想是5〜300nm(毫微米),上述AlN緩衝層的厚度理想是10〜300nm。藉此,確保III族氮化物半導體層的表面平坦度的同時,可以抑制III族元素擴散至Si基板中。
本發明中,上述Si基板表面的電阻率理想是500Ωcm以上。藉此,可以提供適合的III族氮化物半導體基板作為Si基板表面的電阻率高且漏電流路徑、寄生電容少的功率半導體或高頻半導體元件的材料。
還有,根據本發明的第四側面的III族氮化物半導體基板,包括Si基板、在上述Si基板上形成的AlN緩衝層以及在上述AlN緩衝層上形成的III族氮化物半導體層,其特徵在於連接上述AlN緩衝層的上述Si基板的表面電阻率在500Ωcm以上。根據本發明,可以提供適合的III族氮化物半導體基板作為Si基板表面的電阻率高且漏電流路徑、寄生電容少的功率半導體或高頻半導體元件的材料。
[發明效果]
這樣,根據本發明,可以提供可抑制III族元素擴散至Si基板中引起的Si基板表面電阻率下降之III族氮化物半導體基板的製造方法。又,根據本發明,可以提供表面電阻率高的Si基板上形成III族氮化物半導體層的半導體基板。
以下,邊參照附加圖面,邊詳細說明本發明理想的實施形態。
第1圖係顯示利用本發明第1實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法製造的III族氮化物半導體基板的構造大致剖面圖。
如第1圖所示,此III族氮化物半導體基板1,具有在Si基板10上依序積層AlN緩衝層20及III族氮化物半導體層30的構造。Si基板10的電阻率在500Ωcm以上,理想是1000Ωcm以上。又,Si基板10的面方位理想是(111)面,但其它面方位也可以。
AlN緩衝層20係用以緩和Si基板10與III族氮化物半導體層30之間的格子間不匹配的層。AlN緩衝層20的厚度理想是30〜200nm。AlN緩衝層20的厚度比30nm薄時不能得到結晶性良好的AlN緩衝層20,比200nm厚時,AlN緩衝層20中變得容易產生裂縫。
AlN緩衝層20,理想是具有依序積層第一AlN層21及第二AlN層22的二層構造。第一AlN層21以400〜1000℃,理想是400〜800℃的低溫生長的層,第二AlN層22以900〜1200℃的高溫生長的層。第一AlN層21的厚度理想是0.4〜100nm,而0.4〜50nm特別理想。第一AlN層21的厚度比0.4nm薄時,不能抑制III族元素擴散至Si基板10中,比100nm厚時,AlN的結晶性惡化,其上形成的III族氮化物半導體層30的結晶性變差。
III族氮化物半導體層30,以III族元素的Al、In、Ga中至少1個與N的混晶構成的層,代表性的III族氮化物半導體是GaN。III族氮化物半導體層30是GaInN層及GaN層依序積層的多層構造也可以。III族氮化物半導體層30的厚度不特別限定,例如可以為1um。
第2圖係概略顯示III族氮化物半導體形成膜使用的MOCVD裝置的構成剖面圖。
如第2圖所示,MOCVD裝置100,係根據MOCVD(有機金屬化學氣相沉積法)用以生長III族氮化物半導體的裝置,支撐晶圓W的基座101、收容基座101的爐102(密室)、配置在基座101下方且加熱設定在基座101上的晶圓W的加熱器103、旋轉基座101的同時旋轉晶圓W的旋轉軸104、用以供給載子氣體或原料氣體至爐內的氣體入口105、以及吸引爐內的空氣氣體用以排氣的氣體出口106。氣體出口106夾住基座101與氣體入口105位於相反側,氣體入口105對晶圓W從橫方向噴吹氣體,爐內如箭頭所示形成與晶圓W平行的氣體流路。加熱器的溫度、旋轉軸的旋轉速度、從氣體入口105供給爐內的載子氣體或原料氣體的流量等,由未圖示的控制部控制。
第3圖係用以說明第1實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法的流程圖。又,第4圖係用以說明第1實施形態的III族氮化物半導體基板的製造步驟圖,且是MOCVD裝置的大致剖面圖。
如第3圖所示,III族氮化物半導體基板1的製造中,首先實施MOCVD裝置100的爐102內的清洗(步驟S11)。爐102內的清洗係透過高溫的爐內導入包含H2
的吹掃氣體除去爐內殘留物。爐102內殘留包含上次以前的步驟導入的Ga、In等的III族元素的堆積物,不除去殘留物的話,其堆積量漸漸變多,堆積物成為微粒附著在Si基板10上,之後生長的半導體表面上產生凹坑。微粒特性惡化等,分解的III族元素擴散至Si基板10中。Si基板10中擴散的III族元素成為p型摻雜物,Si基板10的表面近旁產生載子,降低電阻率。又,Si基板10的表面近旁產生的載子引起通過Si基板10的漏電流,高頻元件的話成為寄生電容。但是,實施爐102內的清洗,由於除去堆積物,可以抑制III族元素擴散至Si基板10中。因此,可以維持連接至AlN緩衝層20的Si基板10表面的電阻率在500Ωcm以上。
爐102內的清洗中爐內溫度理想是1000〜1400℃。比1000℃低時,分解III-V族堆積物的效果低,比1400℃高時,因為必須採用對應高溫的爐內構件,裝置成本變高。除去III-V族堆積物的時間只要配合之前的成膜處理時間調節即可。
其次,如第4圖所示,爐102內形成AlN塗膜108(步驟S12)。如上述,MOCVD裝置100的爐102內以含有H2
的空氣烘烤,可以某程度除去爐102內殘留的III-V族堆積物E,但不能完全除去,爐102內稍微留下III-V族堆積物E。包含Ga、 In的III-V族堆積物E在800℃左右容易分解,排出Ga、 In至爐內,但因為AlN直到1200℃左右不分解,AlN塗膜108的成膜步驟中,不從III-V族堆積物排出Al。於是,爐102內烤氫盡可能排出包含Ga、 In的III-V族堆積物後,由於附著至爐內面或爐內構件的III-V族堆積物E以AlN塗膜108覆蓋,可以抑制Ga、In擴散至Si基板10。
AlN塗膜108的形成步驟中,隨著H2
載子氣體一起導入Al原料的TMA(三甲基鋁)以及N原料的NH3
至爐102內。此時的爐內溫度理想是1000〜1400℃,特別理想是1100〜1200℃。爐內溫度比1000℃低時爐內不能堆積良質的AlN,為了以後述的AlN緩衝層20形成時的溫度分解AlN塗膜108,Al擴散至Si基板10中。另一方面,爐內溫度比1400℃高溫時,因為必須採用對應高溫的爐內構件,裝置成本變高。
AlN塗膜108的形成時間理想是1〜30分。AlN的形成時間比1分短時,覆蓋III-V族堆積物E的效果低,比30分長時,不只是生產性下降,還有爐內的AlN附著量變多,成膜時成為微粒的原因。
AlN塗膜108的形成步驟中,理想是間歇性導入NH3
,交互複數次重複TMA與NH3
的導入特別理想。同時流出TMA與NH3
時,因為TMA與NH3
的反應速度快,AlN塗膜108的厚度分布不均變大。但是,由於交互流出TMA與NH3
,爐102內可以以AlN塗膜108均勻覆蓋。TMA的供給時間及NH3
的供給時間理想是分別0.5〜10秒。TMA的供給時間比0.5秒短時,爐內Al不充分遍布,AlN塗膜的厚度分布不均變大。另一方面,TMA的供給時間比10秒長時,生長表面上產生Al滴液(droplet),成為微粒的原因。NH3
的供給時間比0.5秒短時,Al滴液在生長表面上殘留,成為微粒的原因。NH3
的供給時間即使長也沒特別有問題,但生產性惡化。
交互重複TMA與NH3
的導入時的重複次數,理想是5〜200次。重複次數比5次少時,爐內不能形成充分的AlN膜,引起Ga、In的分解。重複次數比比100次多時,爐內的AlN塗膜變太厚,由於剝落,成為微粒的原因。
AlN塗膜108的形成步驟中,理想是爐102內先投入仿Si基板D。特別在不降低爐內溫度連續進行爐內清洗到爐內的AlN塗膜時,開始爐內清洗前理想是先設置仿Si基板D在爐102內。不設置仿Si基板D在爐102內時,爐102內的Si基板10的設置區域即基座101上也形成AlN塗膜108。基座101上的AlN塗膜108使基座101的熱傳導性惡化,由於Si基板10的溫度(成膜溫度)變化,成膜步驟的再現性惡化。但是,設置仿Si基板D在爐102內時,可以防止基座101上形成AlN塗膜108的情況。
其次,準備Si基板10,以 HF以及SC- 1預先洗淨後,投入爐102內(步驟S13)。此時的 Si基板10的電阻率理想在1000Ωcm以上。
其次,Si基板10上形成AlN緩衝層20(步驟S14A、S14B)。AlN緩衝層20的形成,400〜1200℃的爐內導入Ar載子氣體的同時也載入TMA與NH3
,在Si基板10的表面上生長第一AlN層21(步驟S14A)。第一AlN層21的生長溫度理想是400〜1000℃,特別理想是400〜800℃。生長溫度比400℃低時,AlN的結晶性惡化,影響之後的III族氮化物半導體材料的結晶性,比1000℃高時,抑制III族元素擴散至Si基板10的效果小。第一AlN層21的生長溫度在800℃以下的話,可以充分提高抑制III族元素擴散至Si基板10的效果。
第5圖係顯示第一AlN層21形成時NH3
及TMA(三甲基鋁)的供給時序的一例的序列圖。
如第5圖所示,第一AlN層21的形成開始時,理想是比NH3
先供給TMA,理想是從TMA的供給開始,經過一定時間後,開始NH3
的供給,再一起供給TMA及NH3
。先供給NH3
時,Si基板10的表面與NH3
反應氮化,不能生長結晶性佳的AlN。特別在Si基板10的面內溫度分布不均勻時,Si基板10的表面變粗,之後形成的AlN的結晶性惡化。但是,透過比NH3
先供給TMA,可以解決那樣的問題。
比NH3
先供給TMA時,TMA分解的Al原子在Si基板10全面遍及1〜10原子層,理想是比NH3
先供給TMA 3〜30秒。Al原子層比1原子層薄時,Si基板10與NH3
反應氮化,導致AlN的結晶性惡化。另一方面,Al原子層比10原子層厚時,Si基板10的表面上產生Al液滴,進行Si的合金化,Al合金化的Si基板上AlN的結晶性惡化。
其次,第一AlN層21上形成第二AlN層22(步驟S14B)。第二AlN層22的形成中,升溫爐內溫度。升溫之際即使中斷原料供給也沒關係,但考慮生產性的話,邊供給原料邊升溫較理想。第二AlN層22的生長溫度理想是900〜1200℃。生長溫度比900℃低時,不能得到結晶性佳的AlN,又通常的裝置,不能對應比1200℃高的溫度中的結晶生長。
其次,第二AlN層22上形成III族氮化物半導體層30(步驟S15)。III族氮化物半導體層30的形成,首先停止TMA的供給,取代為與NH3
一起供給III族原料,生長III族氮化物半導體層30。III族氮化物半導體層30的生長溫度理想是900〜1200℃。生長溫度比900℃低時,不能得到結晶性佳的III族氮化物半導體層,根據上述,完成Si基板10上依序形成第一AlN層21、第二AlN層22以及III族氮化物半導體層30的III族氮化物半導體基板1。
Si基板10上經由AlN緩衝層20生長III族氮化物半導體層30的步驟中,因為結晶性良好,從其生長初期以900℃以上的高溫生長AlN緩衝層20時,Si基板10與Al原料或爐內殘留的Ga、In等反應,III族擴散至Si基板10中,Si基板10的表面電阻率下降。但是,第一AlN層21最初以400〜1000℃的低溫薄生長後,以900〜1200℃的高溫生長第二AlN層22時,可以制止Si基板與III族元素的反應。藉此,可以維持連接AlN緩衝層20的Si基板10的表面電阻率在500Ωcm以上。
從上述的AlN緩衝層20的形成到III族氮化物半導體層30的形成的一連串步驟中至少一部分,理想是在Ar氣體空氣的爐102內實施。因此,例如,開始AlN緩衝層20的形成前,從導入Ar載子氣體至爐102內後開始升溫也可以,還有在Ar氣體空氣的爐102內實行III族氮化物半導體層30的形成也可以。由於使載子氣體為Ar,比起H2
載子氣體在生長中爐內的III族堆積物較難分解,還有與N2
氣體不同,也不氮化Si基板10的表面。藉此,形成膜的III族氮化物半導體層30的結晶性變良好,可以抑制III族元素擴散至Si基板10中。
如以上說明,根據本實施形態的III族氮化物半導體基板1的製造方法,開始Si基板10上生長III族氮化物半導體的步驟前,實行爐內的烘烤,某程度除去包含爐內殘留的Ga、In的III族堆積物後,透過形成爐內面及爐內構件難以熱分解的AlN塗膜,可以抑制Ga、In引起的Si基板污染。
第6圖係用以說明本發明第2實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法圖,特別在第一AlN層形成時NH3
及TMA的供給時序的一例的序列圖。
如第6圖所示,根據本實施形態的III族氮化物半導體基板1的製造方法的特徵,在於具有AlN緩衝層20(第一AlN層21)的形成開始時,不供給NH3
而供給TMA之步驟S21;暫時停止TMA的供給並開始NH3
的供給之步驟S22;再開始TMA的供給並供給TMA及NH3
兩方的供給之步驟S23。
如第5圖所示,不中斷TMA的供給而開始NH3
的供給時,TMA的供給變得過剩,Si基板10表面上Al殘留。殘留的Al,在AlN緩衝層20的形成中擴散至Si基板10中。但是,NH3
的供給開始後一定時間停止TMA的供給時,因為表面上殘留的Al氮化,可以抑制Al擴散至Si基板10中。
供給NH3
的時間理想是1〜180秒,特別理想是3〜60秒。比1秒短時,不充分產生Al的氮化,剩下的Al擴散至Si基板中。只供給NH3
的時間,比180秒長也沒特別的問題,但生產性惡化。之後,隨著NH3
一起供給TMA,生長AlN直到既定的厚度。
直到隨著NH3
開始一起供給TMA為止的溫度理想是400〜1200℃,特別理想是400〜800℃。生長溫度比400℃低時不能得到結晶性佳的AlN,比1200℃高時,只流出TMA的步驟中Al容易擴散至Si基板中。
如以上說明,由於NH3
的供給開始後一定時間停止TMA的供給,可以抑制Al原料過剩引起的Al擴散至Si基板中。
第7圖係顯示利用本發明第3實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法製造的III族氮化物半導體基板的構造圖,(a)是大致側面剖面圖,(b)是沿著(a)的X-X線的平面剖面圖。
如第7(a)及(b)圖所示,此III族氮化物半導體基板2的特徵在於不只在Si基板10上依序積層AlN緩衝層20及III族氮化物半導體層30,還在Si基板10與AlN緩衝層20之間設置光罩圖案50。其它的構成與第1實施形態的III族氮化物半導體基板1相同。
光罩圖案50理想是以多結晶或非晶的SiO2
或SiNX
構成。又如第7(b)所示,本實施形態的光罩圖案50以平面所視形成條狀。但是,光罩圖案50的形狀只要Si基板10表面離散露出就不特別限制,格子形狀或六角形狀等也可以。使光罩圖案50為條狀圖案時,線寬及間隔寬理想是0.1〜2um。
對於Si基板10的露出面積的光罩圖案50的覆蓋面積比例,理想是0.5〜10。此覆蓋率比0.5小時,Si基板露出的部分多,抑制III族元素擴散至Si基板10中的效果低。另一方面,覆蓋面積的比例比10大時,Si基板露出的部分小,從那部分生長的GaN不能充分往橫方向成長,表面的平坦化困難。
第8圖係用以說明第3實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法的流程圖。
如第8圖所示,III族氮化物半導體基板2的製造,依序實施首先清洗MOCVD裝置的爐內的步驟(步驟S11)以及爐內形成AlN塗膜的步驟(步驟S12)。但是,本實施形態中,這些步驟不是必須的,例如可以省略AlN塗膜的步驟也可以。
其次,準備Si基板10,在Si基板10上形成光罩圖案50(步驟S31)。光罩圖案50,使用熱擴散爐等,在Si基板10的主面全面形成SiO2
膜後,以微影成像及乾蝕刻,透過圖案化為條狀可以形成SiO2
膜。
之後,形成光罩圖案50的Si基板10預先以SC-1洗淨後,投入MOCVD爐內(步驟S13),依序形成AlN緩衝層20及III族氮化物半導體層30(步驟S14A、S14B、S15)。根據上述,完成第7圖所示的III族氮化物半導體基板2。
本實施形態中,AlN緩衝層20的厚度理想是10〜300nm。AlN的厚度比10nm薄時,其上生長III族氮化物半導體層30之際,因為在光罩圖案50上生長大的結晶核,III族氮化物半導體層30的平坦化困難。另一方面,比300nm厚時,III族氮化物半導體層30的表面容易產生裂縫。
如以上的說明,根據本實施形態的III族氮化物半導體基板2的製造方法,以光罩圖案50覆蓋Si基板10後,因為形成AlN緩衝層20,可以抑制III族元素擴散至Si基板10中。因此,可以抑制III族元素擴散引起的Si基板10的表面電阻率下降,可以維持Si基板10的表面電阻率在500Ωcm以上。
以上,說明本發明理想的實施形態,但本發明不限定於上述實施形態,在不脫離本發明的主旨的範圍內可以作各種變更,當然那些變更也包括在本發明的範圍內。
例如,可以適當組合上述第1〜第3的實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法。因此,例如,組合AlN緩衝層20形成時暫時停止Al原料的供給並開始N原料供給的第2實施形態與Si基板10上經由光罩圖案50形成AlN緩衝層20的第3實施例也可以。又,第2及第3實施形態中,第1實施形態的特徵之以AlN塗膜覆蓋爐內不是必須,省略AlN塗膜的形成步驟也可以。
又,上述第1〜第3的實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法中,AlN緩衝層20形成時以低溫形成第一AlN層21後,以高溫形成第二AlN層22,但一開始就以高溫形成第二AlN層22,省略第一AlN層21也可以。
又,上述實施形態中MOCVD裝置的具體構成不特別限定。還有,III族氮化物半導體的成膜方法不限定於MOCVD,採用HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy:氫化物氣相磊晶法)、MBE(Molecular Beam Epitaxy:分子束磊晶法)等其它成膜方法也可以,這些成膜方法中,可以同樣抑制不純物擴散至Si基板中。
>實施例1>
預先設置仿Si基板在MOCVD爐內, 在1200℃的H2
空氣中進行爐內的烘烤30分鐘,實施爐內的清洗後,導入NH3
以1100℃處理5分鐘,再導入TMA處理10分鐘,爐內形成AlN塗膜。之後,使爐內降溫,取出仿Si基板。
其次,準備電阻率1000Ωcm、面方位(111)的Si基板,用HF及SC-1洗淨後,投入爐內。其次爐內溫度升溫至1000℃後,爐內導入Ar載子氣體的同時也導入TMA及NH3
,Si基板的上表面生長第一AlN層10nm。其時,先實行供給TMA10秒後,不停止TMA的供給,開始NH3
的供給,藉此一起供給TMA與NH3
。其次,邊繼續供給TMA及NH3
的供給,邊將爐內溫度升溫至1100℃,使第二AlN層生長90nm。
其次,停止TMA的供給,邊繼續供給NH3
,邊將爐內溫度降溫至1050℃後,供給作為Ga源的TMG(三甲基鎵),在第二AlN層的上表面生長GaN層1um。於是,得到Si基板上依序積層第一AlN層、第二AlN層、GaN層的實施例1的III族氮化物半導體基板。
>實施例2>
爐內形成AlN塗膜之際,使用交互供給TMA及NH3
的手法之外,以與實施例1相同的條件製造III族氮化物半導體基板。詳細說來,導入Ar載子氣體的同時導入TMA至1200℃的爐內3秒,重複50次導入Ar載子氣體的同時導入NH3
6秒的步驟,形成AlN塗膜。之後, 透過在Si基板上依序形成第一AlN層、第二AlN層、GaN層,得到實施例2的III族氮化物半導體基板。
>實施例3>
生長AlN緩衝層之際,先實行導入TMA,暫時停止TMA的導入,只導入NH3
後,供給TMA與NH3
兩方之外,以與實施例2相同的條件製造III族氮化物半導體基板。詳細說來,先實行供給TMA10秒至升溫至1000℃的爐內,暫時停止TMA的供給,只供給NH3
20秒後,再開始TMA的供給,一起供給TMA與NH3
。這樣得到實施例3的III族氮化物半導體基板。
>實施例4>
形成AlN緩衝層之際,以600℃的低溫生長第一AlN層後,以1100℃的高溫生長第二AlN層之外,以與實施例3相同的條件製造III族氮化物半導體基板。詳細說來,導入Ar載子氣體的同時導入TMA及NH3
至600℃的爐內,在Si基板的上表面生長第一AlN層10nm。其時,先實行導入TMA,暫時停止TMA的導入,只導入NH3
後,供給TMA與NH3
兩方。之後,邊繼續供給TMA與NH3
,邊升溫爐內溫度至1100℃,在第一AlN層的上表面生長第二AlN層90nm。
>實施例5>
Si基板上形成SiO2
構成的條狀光罩圖案後,依序積層AlN緩衝層及GaN層之外,以與實施例2相同的條件製造III族氮化物半導體基板。詳細說來,Si基板全面以厚度100nm的SiO2
多結晶膜覆蓋後,線寬及間隔寬都圖案化為1um的條狀,部分露出Si基板的表面。之後,透過在形成光罩圖案的Si基板上依序形成第一AlN層、第二AlN層、GaN層,得到實施例5的III族氮化物半導體基板。
>比較例1>
除了爐內不形成AlN塗膜之外,以與實施例1相同條件製造比較例1的III族氮化物半導體基板。因為爐內不形成AlN塗膜,也不使用仿Si基板。
評估根據以上的步驟製造的實施例1〜5及比較例1的III族氮化物半導體基板的Si基板表面的Ga濃度、Al濃度及載子濃度。Si基板表面的Ga及Al的濃度根據SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry:二次離子質譜法)評估。又,載子濃度是合計Ga濃度與Al濃度。
第9圖係歸納實施例1〜5及全較例1的III族氮化物半導體基板的評價結果表,特別以比較例1的結果為基準的相對值。
如第9圖所示,形成AlN塗膜的爐內製造的實施例1的III族氮化物半導體基板中的Si基板表面成為Al濃度100、Ga濃度10、載子濃度55。又,AlN塗膜形成時,交互供給Al原料及N原料的實施例2中成為Al濃度100、Ga濃度1、載子濃度51,比起實施例1,Ga濃度成為良好的結果。
又,AlN緩衝層形成時,暫時停止TMA的導入只導入NH3
的實施例3中成為Al濃度10、Ga濃度1、載子濃度6,比起實施例2,Al濃度也成為良好的結果。
第一AlN層以低溫600℃生長的實施例4中成為Al濃度1、Ga濃度1、載子濃度1,比起實施例3, Al濃度更成為良好的結果。又,Si基板上形成光罩圖案的實施例5中成為Al濃度1、Ga濃度1、載子濃度1,與實施例4同樣成為良好的結果。
1、2‧‧‧III族氮化物半導體基板
10‧‧‧Si基板
20‧‧‧AlN緩衝層
21‧‧‧第一AlN層
22‧‧‧第二AlN層
30‧‧‧III族氮化物半導體層
50‧‧‧光罩圖案
100‧‧‧MOCVD裝置
101‧‧‧基座
102‧‧‧爐(密室)
103‧‧‧加熱器
104‧‧‧旋轉軸
105‧‧‧氣體入口
106‧‧‧氣體出口
108‧‧‧AlN塗膜
D‧‧‧仿Si基板
E‧‧‧III-V族堆積物
W‧‧‧晶圓
[第1圖]係顯示利用本發明第1實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法製造的III族氮化物半導體基板的構造大致剖面圖;
[第2圖]係概略顯示III族氮化物半導體形成膜使用的MOCVD裝置的構成剖面圖;
[第3圖]係用以說明第1實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法的流程圖;
[第4圖]係用以說明第1實施形態的III族氮化物半導體基板的製造步驟圖,且是MOCVD裝置的大致剖面圖;
[第5圖]係顯示第一AlN層形成時NH3
及TMA(三甲基鋁)的供給時序的一例的序列圖;
[第6圖]係用以說明本發明第2實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法圖,特別在第一AlN層形成時NH3
及TMA的供給時序的一例的序列圖;
[第7圖]係顯示利用本發明第3實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法製造的III族氮化物半導體基板的構造圖,(a)是大致側面剖面圖,(b)是沿著(a)的X-X線的平面剖面圖;
[第8圖]係用以說明第3實施形態的III族氮化物半導體基板的製造方法的流程圖;以及
[第9圖]係歸納實施例1〜5及比較例1的III族氮化物半導體基板的評價結果表,特別以比較例1的結果為基準的相對值。
S11‧‧‧清洗爐內
S12‧‧‧爐內形成AlN塗膜
S13‧‧‧爐內投入Si基板10
S14A‧‧‧Si基板10上以400~1000℃形成第一AlN層21
S14B‧‧‧第一AlN層21上以900~1200℃形成第二AlN層22
S15‧‧‧第二AlN層22上形成III族氮化物半導體層30
Claims (45)
- 一種III族氮化物半導體基板的製造方法,其特徵在於: 包括: 爐內形成AlN塗膜的步驟; 投入Si基板至上述AlN塗膜覆蓋的上述爐內,在上述Si基板上形成AlN緩衝層的步驟;以及 在上述AlN緩衝層上形成III族氮化物半導體層的步驟。
- 如申請專利範圍第1項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述AlN塗膜的形成溫度是1000〜1400℃。
- 如申請專利範圍第1項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述AlN塗膜的形成時間是1〜30分。
- 如申請專利範圍第2項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述AlN塗膜的形成時間是1〜30分。
- 如申請專利範圍第1項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 形成上述AlN塗膜的步驟,交互重複導入Al原料與N原料至上述爐內。
- 如申請專利範圍第2項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 形成上述AlN塗膜的步驟,交互重複導入Al原料與N原料至上述爐內。
- 如申請專利範圍第3項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 形成上述AlN塗膜的步驟,交互重複導入Al原料與N原料至上述爐內。
- 如申請專利範圍第4項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 形成上述AlN塗膜的步驟,交互重複導入Al原料與N原料至上述爐內。
- 如申請專利範圍第5~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 每1次分別導入上述Al原料與上述N原料之際的時間是0.5〜10秒。
- 如申請專利範圍第5~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述重複次數是5〜200次。
- 如申請專利範圍第9項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述重複次數是5〜200次。
- 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,更包括: 在形成上述AlN塗膜前,以含氫空氣清洗上述爐內的步驟。
- 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,更包括: 在形成上述AlN塗膜前,投入仿(dummy)Si基板至上述爐內的步驟;以及 投入上述Si基板至上述爐內前,從上述爐內取出上述仿Si基板的步驟。
- 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述III族氮化合物半導體層,包含GaN層。
- 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述AlN緩衝層的生長溫度是400〜1200℃。
- 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 形成上述AlN緩衝層的步驟,包括: 以400〜800℃的生長溫度生長第一AlN層的步驟;以及 在上述第一AlN層上以900〜1200℃的生長溫度生長第二AlN層的步驟。
- 如申請專利範圍第1~11項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 形成上述AlN緩衝層的步驟,在上述爐內導入Al原料與N原料之際,比上述N原料先導入上述Al原料。
- 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 開始形成上述AlN緩衝層前升溫上述爐內的步驟、形成上述AlN緩衝層的步驟以及形成上述III族氮化物半導體層的步驟的至少一個中,上述爐內的空氣氣體是Ar(氬)氣體。
- 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 形成上述AlN緩衝層的步驟, 在上述爐內導入Al原料與N原料之際, 不供給上述N原料而供給上述Al原料, 暫時停止上述N原料的供給並開始上述N原料的供給, 再開始上述Al原料的供給並供給上述N原料與上述Al原料兩方。
- 如申請專利範圍第19項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 暫時停止上述Al原料的供給並供給上述N原料的時間是1〜180秒。
- 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,更包括; 形成上述AlN緩衝層前,為了露出上述Si基板表面的一部分,在上述Si基板上形成光罩圖案的步驟; 其中,上述AlN緩衝層,在形成上述光罩圖案的上述Si基板上形成。
- 如申請專利範圍第21項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 對於上述Si基板的露出面積的上述光罩的覆蓋面積比例是0.5〜10。
- 如申請專利範圍第21項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案是條狀圖案,且上述條狀圖案的線寬是0.1〜2um。
- 如申請專利範圍第22項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案是條狀圖案,且上述條狀圖案的線寬是0.1〜2um。
- 如申請專利範圍第21項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案由多結晶或非晶構成。
- 如申請專利範圍第21項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案由SiO2 或SiNX 構成。
- 如申請專利範圍第25項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案由SiO2 或SiNX 構成。
- 如申請專利範圍第21項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案厚度是5〜300nm(毫微米)。
- 如申請專利範圍第21項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述AlN緩衝層的厚度是10〜300nm。
- 一種III族氮化物半導體基板的製造方法,包括: 在Si基板上形成AlN緩衝層的步驟;以及 在上述AlN緩衝層上形成III族氮物半導體層的步驟; 其特徵在於: 形成上述AlN緩衝層的步驟, 投入上述Si基板的爐內不供給N原料而供給Al原料, 暫時停止上述Al原料的供給並開始上述N原料的供給, 再開始上述Al原料的供給並供給上述N原料與上述Al原料兩方。
- 如申請專利範圍第30項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 暫時停止上述Al原料的供給並供給上述N原料的時間是1〜180秒。
- 如申請專利範圍第31項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 暫時停止上述Al原料的供給並供給上述N原料的時間是3〜60秒。
- 如申請專利範圍第30~32項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述AlN緩衝層的生長溫度是400〜1200℃。
- 如申請專利範圍第30~32項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述AlN緩衝層的生長溫度是400〜800℃。
- 一種III族氮化物半導體基板的製造方法,包括; 為了露出Si基板表面的一部分,在上述Si基板上形成光罩圖案的步驟; 在形成上述光罩圖案的上述Si基板上,形成AlN緩衝層的步驟;以及 上述AlN緩衝層上,形成III族氮化物半導體層的步驟。
- 如申請專利範圍第35項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 對於上述Si基板的露出面積的上述光罩的覆蓋面積比例是0.5〜10。
- 如申請專利範圍第35項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案是條狀圖案,且上述條狀圖案的線寬是0.1〜2um。
- 如申請專利範圍第36項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案是條狀圖案,且上述條狀圖案的線寬是0.1〜2um。
- 如申請專利範圍第35~38項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案由多結晶或非晶構成。
- 如申請專利範圍第35~38項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案由SiO2 或SiNX 構成。
- 如申請專利範圍第39項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案由SiO2 或SiNX 構成。
- 如申請專利範圍第35~38項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述光罩圖案厚度是5〜300nm(毫微米)。
- 如申請專利範圍第35~38項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述AlN緩衝層的厚度是10〜300nm。
- 如申請專利範圍第34~38項中任一項所述的III族氮化物半導體基板的製造方法,其中, 上述Si基板表面的電阻率在500Ωcm以上。
- 一種III族氮化物半導體基板,包括: Si基板; 在上述Si基板上形成的AlN緩衝層;以及 在上述AlN緩衝層上形成的III族氮化物半導體層; 其特徵在於: 連接上述AlN緩衝層的上述Si基板的表面電阻率在500Ωcm以上。
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