TW564484B - Method for manufacturing group-III nitride compound semiconductor, group-III nitride compound semiconductor device, and group-III nitride compound semiconductor luminous device - Google Patents

Description

564484 五、發明說明（1) 【發明詳細說明】 【發明所屬技術領域】 本發明係相關第in族氮化物 … 及半導體元件。所謂第迈族象^ σ物半導體之製造方法 括AIN、GaN、InN之類二元系·物系化合物半導體係指包 GaxIrvxN(均為〇 <χ <υ 之類三’ ·Α1^·ηΝ、Α1χΙη〗_χΝ、 “ d，0 Sy $1，〇 $x + y 所糸一的一般 ΚΑ1』Μιν”Ν(0 若無特別限制的話，單謂第m不^者。另/，在本說明書中 情況時，亦表示包括經摻雜有=虱化物系化合物半導體的 型之雜質的第ΠΙ族氮化物李化二I將導電型形成為P型或Π 【習知技術】 糸化合物半導體。 第瓜族氮化物系化合物丰鐾雕#紐 況時，發光光譜從紫外區橫跨：色二：：元件的情 :導f，應用於發光二極體(LED)或雷〜二極：遷移型 κ牛，更能期待在高溫下進行安定斤 於FET等電晶體的應用亦正熱烈的展開。此外所以使用 分不含砷（As)，所以就環保的觀點而言，亦門、成 :各種半導體元件。在此第瓜族氮化物系化合用 中，除以監寶石為基板，再於其上形成元 用矽（Si)基板。 <外尚有採 若在矽（Si )基板上形成第皿族氮化物系化合物 話，將因矽（Si)基板與第ΙΠ族氮化物系化合物半導體g的 \\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 第5頁 364484 五 發明說明（3) 毛明，係在基板上利用磊晶成長第知/ 2，而獲得第m族氮化物系化合物‘ 合物半 ”有··在基板表面上，格子狀 二衣每方法， 氮化物系化合物半導體的罩幕材料，使成/弟111族 分離裸露出’同時在格子狀c表 匕：族氮化物系化合物半導體消費區；：；：位2 知虱化物系化合物半導體 t j而苐m 的中央ί:?，：巧：橫跨罩幕帶整個區域連續形成 "料V ϊ區域的形成係可同時與格子狀罩幕材 二开丄，亦可在形成格子狀罩幕材料之後再形成。 使未佶田认清專利範圍第2項所記載的發明’消耗區域係 吏用於7G件形成的基板表面裸露出而形成。 伯ί f，申請專利範圍第3項所記載的發明，消耗區域係 ς反亦部分被削除而具高度差的基板面裸露出而形成。 ^在預先削除基板而形成具高度差的基板面之後，即 更子狀形成罩幕材料的情況，亦包含於本案發明中。 再者，申請專利範圍第4項所記載的發明，元件形成區 ，面，係在〇· 〇lmm2以上、且lmm2以下。再者，申請專利 章巳圍第5項所記載的發明，元件形成區域的面積係在 〇· 01mm2以上、且3_2以下。 再者’申請專利範圍第6項所記載的發明，基板係由矽 (Sl)所構成。再者，申請專利範圍第7項所記載的發明 \\312\2d-code\9l-04\91102220.ptd 564484 五、發明說明（6) 與氮化鎵（GaN)並未直接接觸到，便可防止在該等之間因 氮原子移動而產生氮化矽與金屬鎵及其他。此外，在第皿 族^匕物系化合物半導體，與依條件而可產生反應的基板 之間，形成反應防止層亦屬有效。 在如上述所形成的所需第瓜族氮化物系化合物半導體層 =形成任意元件，《疊層不同第瓜族氮化物系化合物半導 肢的發光元件，因為可同時抑制龜裂產生與貫穿差排，因 ^可提高良率’且可形成高品質的元件或發光 專利範圍第11、1 2項）。 【發明之實施形態】 圖1係本發明具體一實施例構造的剖面示意圖。在矽 (Si)基板1上形成由二氧化矽（Si〇2)所構成的罩幕材料2。 罩幕材料2主要形成窗框狀，窗部係裸露出矽（Si)基板工 面。再者，在窗框部中央部位處亦裸露出帶狀矽（Si)基板 1面（圖1(a))。罩幕材料2形狀的平面圖如圖2(a)〜（c)中所 例示。圖2之（a)〜（c)iD所例示方形狀部分係元件形成區 域，C所示帶狀部分係消耗區域。c所示帶狀消耗區域亦可 如圖2(a)所示，雖可形成整體晶圓形成相連接狀態，亦可 士 Θ 2 (b )所示在各邊形成分離狀態，但是相連接狀態者 因為應力將集中於消耗區域上，因此可更進一步降低元件 形成區域的龜裂，故屬更佳的情況。再者，亦可如圖2之 (c)所示般，設置於窗框的交叉部上（鄰接元件形成區域角 部的部分）。其次，在裸露出的矽（Si)基板i面上（即，元 件形成區域D與消耗區域c二者上），經由磊晶成長形成由 第10頁 \\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 564484 五、發明說明（7) A 1 G a N 所槿& AA p + (s i >其 成的反應防止層3。反應防止層3係供防止矽 土板1與上層第羾族氮化物系化合物半導體產生反 ^石f要由單結晶所構成。其次，在反應防止層3上，利 Γ Μ @成長开7成屬於所需第羾族氮化物系化合物半導體層 的CxaN 層 4。1士 , ^ ^ β 部，盥 具中，由反應防止層3、GaN層4所構成的疊層 r μ isf λ㈤所裸露出的形成石夕基板1上之反應防止層3，、 構成的疊層部，係依在磊晶成長之際未連接的 层 /成。同樣的，疊層於元件形成區域D上者，與疊 層於泊耗區域G卜# 仏 ^上者均依在絲日日成長之際未連接的條件 族^ #札換句話說，即便在罩幕材料2端部上方形成第皿 央；位的：：i物層：，亦依未覆蓋至罩幕材料2中 占il i 進订蠢晶成長（圖1之（b))。具體而言，依照 窗框Iί I ί長速度等反應條件，便可抑制橫方向成長。 υ ϊ料2的框寬若足夠的話，仍將使邊緣部位的 下’ ：：$於中央部位處。所以’框寬便設定在20 " m以 占沾ΐ μ ί卜1〇以1"。另’由反應防止層3、GaN層4所構 女且g °卩，如圖3(a)所示般，在罩幕材料2上面即便有 傾：：直ίΐΪ1面的垂直面’或者，如圖3⑻所示般的 imr本案發明中。在圖1與圖4之後，雖依圖 β ^工進仃°己载，但不論何種情況均未排除如圖3 (b) 所不豐層。 W 7 圖4係本發明另一具體實施例構造的剖面示意圖。在矽 罝1莫二ϋ上形成由二氧化矽（Si〇2)所構成的罩幕材料2。 罩幕材料2主要形成窗框狀’窗部係裸露出矽(si)基板i

564484 五、發明說明（8) Γι°再^’十在/框部中央部位處亦帶狀削去部分梦（Si)基 Ϊ平面有高低差的面（圖4(a))。罩幕材料2形狀 的:(s= : c)中所例示者相同。其次，在裸露出 上），妙由^曰& ΐ即70件形成區域D與消耗區域C’二者 反岸防，，二止= ί 由A1G a N所構成的反應防止層3。 化合物半導μ决Λ 板1與上層第m族氮化物系 物Ϊ化人‘丰導二:絲晶成長形成屬於所需第m族氮化 物糸化σ物+導體層的6^層4。其

GaN層4所構成的疊層部斤=應防止層3、 長之際未連接的條件下形成。 '日。卩，在絲日日成 域D上者，與豐層於消耗區域c上者 日 未連接的條件下形成。換句 依在猫日日成長之際 上方形成第πτ竑_ ^ 勺 即便在罩幕材料2端部 上万Φ成弟]π族虱化物糸化合物 至罩幕材料2中央部位的條件進體成層县4/岡^ * ^ ^ , ^ ^ ^ ^. //ΓΛ Λ !4 ^(b)) 0 在丨丨；I生古rV、E ^ 、X專反應條件》便可抑 制橫方向成長。窗框狀罩幕材料2的框便 將使邊緣部位的成長速度大於中央部位户。 '的活，々仍 設定在20 /zm以下，最好在卜1〇 _。处'，框寬便 增加消耗區域C，的高度差。 ，可輕易達成 士述發明之實施形態係可從以下各自選 §在基板上依序疊層第m族氮 成的情況時，基板可採用藍寶 ； '半導體而形 貝々矽（Sl)、氮化矽（SiC) 第〗2頁 \\312\2d-code\91-04\9l102220.ptd i 564484

\\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 第13頁 564484 五、發明說明（ίο) " "-- 當形成η型第瓜族氮化物系化合物半導體層的情況時， 可添加η型雜質的Si、Ge、Se、Te、C等第％族元素。另， 亦可添加p型雜質的以、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等第、n族元 素或第iv族元素。亦可將該等進行複數種摻雜，或者將11 型π隹貝與ρ型雜質推雜於同一層中。 亦可組合本案施行所謂的橫向磊晶成長之構造。即，亦 可組合在形成於本案的元件形成區域上方的第羾族氮化物 系化合物半導體之上，利用橫向磊晶成長而減少貫通差 排。雖橫向磊晶成長最好使成長面垂直於基板，但亦可對 基板呈傾斜的面進行成長。此時亦可使高低差底部無底 面，而呈截面V字型狀。 本案發明中區分出元件形成區域的罩幕材料，可採用如 多晶矽、多結晶氮化物半導體等多結晶半導 ⑻W、氮化石夕⑻Νχ)、氧化鈦（Tl〇x)、氧化錯（^匕^ 虱化物，虱化物、鈦（Ti)、鎢（w)之類高融點金屬；或該 ，的多層膜。該等的成膜方法係可為蒸鑛、滅鐘、_等 氣相成長法，或其他任意方法。 =應防止層係使基板與上層的第m族氮化物 導體’在製造步驟中不致產生反應用6卜譬如 ^ 當無間隔著層，或僅隔著薄層的情』日基 ^措由製造步驟中的應力而促進反應’且從GaN移動 '、而形成石夕（S i )基板與氮化石夕。豆中，單έ士曰· ，最好為含較多銘(Α1)之第瓜族氮化物二物ί 肢lxGayIni_x_yN(譬如χ^〇·3)。因為鋁（Α1)與氮的鍵結 第〗4頁 \\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 564484 五、發明說明（11) 較強，因此矽與GaN較難反應。此外， / 非晶質，而是主要為單結晶，此屬要點；、所謂緩衝層的 亦可設置將非晶質層與單結晶層予以聂 層。亦可將分晶質層與單結晶層當作—二，的應變緩和 期，週期重複次數可為任意。重複次而形成複數週 將越佳。非晶質層最好係在低溫下 =的活，結晶性 化合物半導體，尤以含銘⑴）的層更佳的f =氮化物系 在高溫下成長的第皿族氮化物系化合 ：：B曰層最好係 入導電性摻雜的因素之外，最好為二元:若排除植 化合物半導體。此夕卜，單結晶層中二氮化物系 子半徑更大的其他原子。 τ 了摻竑入較銦（In)原 ¥將供電極形成、或橫向蟲晶成县# 化人物丰暮卿浐 d ♦ 長用的弟瓜族氮化物系 Λ 的情況時，雖最好採用反應性 離子姓刻（RIE) ’但亦可採用任意的钱刻方法。若某 f面上形成垂直面的情況時，亦可藉由非等向性蝕刻，形 成如底部無底面而截面呈v字型者。 在具有、，工上述抑制貝牙差排之區域的第皿族氮化物系化 合物半導體上方，便可形成FET、發光元件等半導體元 件。當發光元件的情況時，發光層可為多量子阱構造 (MQW)、單一 1子阱構造（sqw)，此外亦可為均質構造、異 質構造、雙異質構造，亦可利用pi n接合pn接合等而形 成。 以下，針對發明的具體貫施例進行說明。實施例中雖舉 發光70件，惟本發明並不僅限於下述實施例，揭示可適用 \\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 第15頁 564484 五、發明說明（12)

於任意元件的第m族氮化物系化合物半導體之f造 本發明之第m族氮化物系化合物半導體係利二==二 屬化合物氣相成長法（以下稱「M〇VPE )的氣 ' ^ 得。所使用的載送氣體，有如氨⑽3)、二成製 「Cp2Mg」）。 〔第一實施例1 、三曱基鎵（Ga(CH3)3，以下稱「TMG」）、三曱基鋁 (A1(CH3)3，以下稱「TMA」）、三甲基銦（In(CH3、，以 稱「TMI」）、及環戊二烯鎂（Mg(C5H5)2，以下稱3 在η型石夕（S i )基板1的（11 1 )面上，利用濺鍍形成厚度 30 0nm的二氧化矽（Si〇2)膜2。將其利用微影而形成光^且之 後’利用緩衝液HF的濕式蝕刻，而將二氧化石夕（s丨& )膜去 除並殘留呈窗框狀。此窗框係寬度丨〇 # m、且經去&二氧 化矽（Si 〇2)膜2後的矽（Si)基板1之（π 1 )面，便形成3〇 〇 //m X 3 0 0 的方形狀，與窗框中央部位寬度5〇 的格子 狀（圖2之（a))。如此便形成多數各自分離的3〇〇//πιχ 3〇〇 // m之方形狀矽（S i )基板1露出面D，與窗框中央部位寬度 5 0 // m之袼子狀露出面C (圖1之（a ))。窗框狀的二氧化石夕 (Si02)膜2之窗框寬度（圖1之（a)中W所示寬度）為lOvm。 其次，將η型矽（Si )基板1維持於11 〇〇 °c中，並導入TMa 、TMG、SiH4&NH3，而在裸露出300 /zmx 300 "m之方形狀 的矽（Si)基板1之（111)面上，形成由厚度3〇〇11111之 η-AlGaN:Si層所構成的反應防止層3。所形成的 n-AlGaN:Si層3之A1與Ga之莫耳比約3:7。

\\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 第16頁 564484 五、發明說明（13) 接著，將η型矽（Si)基板1的溫度提昇至11〇〇 t，並導入 TMG、SiH4及NH3，而在反應防止層3上形成厚度5/^的 n-GaN:Si層4。然後，依此方式形成的n — GaN:Si層4便利用 窗框狀二氧化矽（S i 〇2 )膜2，而形成各自分離開裸露出的 300 /zmx 300 //m之方形狀石夕（Si)基板1面上方。即便部分 囪框狀一氧化石夕（S i 〇2 )膜2的邊緣上方，亦形成n _ Q a n : s i 層4 ’亦與相鄰裸露出的300 #mx 3 0 0 之方形狀石夕（Si) 基板1上方，所形成的n-GaN: Si層4,或窗框中央部寬度50 // m之裸露面C上所形成的η - G a N ·· S i層4 C，維持分離狀態 (圖1之（b))。將依此方式所形成的n —6仏§丨層4，依 分的速度進行降溫而回復至室溫，並無產生龜裂。此外， 元件形成區域的邊緣部與中央部位的厚度差在5〇nm以下。 丄第二實施例1 在η型矽（Si)基板1的（iU)面上，利用微影而形成光阻 之後，再利用氟酸/過氧化氫的濕式蝕刻，蝕刻成寬度5〇 # m、深度4 // in的窗框狀溝部c’ 。圍繞窗框的區域便形成 310以1^310/^的方形狀。其次，利用濺鍍形成厚度 300nm的二氧化矽（8丨〇2)膜2。將其利用微影而形成光阻罩 幕之後，利用緩衝液HF的濕式蝕刻，而將二氧化矽（以 膜去除並殘留窗框狀。此窗框形成在中央部位處具有上述 寬度50 //m、深度4 //m的窗框狀溝部c，之寬度6〇 _形狀， 而經去除二氧化石夕（以〇2)膜2後的矽（Si)基板丨之^〗〗）面 則形成30 0 //ιηχ 300 M的方形狀（圖2之（&))。如此便形成 多數各自分離的300心X 300，之方形狀矽(Si)基板】露

564484 五、發明說明（14) 出面D，與窗框中央部位寬度5〇//m、深度的格 出面（溝部）C’（圖4之（a))。 其次，將η型矽（Si)基板1維持於11〇〇 t中，並導入tma 、TMG、SiH4ANH3，而在裸露出3〇〇//mx 3〇〇//m之方形狀 的石夕（Si)基板1之（111)面上，形成由厚度3〇〇ηπι之 η _ A1 G a N : S i層所構成的反應防止層3。所形成的 η - AlGaN:Si層3之A1與Ga之莫耳比約3:7。 接著·，將η型矽（Si)基板1的溫度提昇至u〇〇t，並導入 TMG、S1H4及題3 ’而在反應防止層3上形成厚度的 η-GaN:Si層4。然後，依此方式形成的11一(；』：^層4利用 框狀二氧化矽（Si〇2)膜2，而形成各自分離開裸露出的3〇〇 Ainx 300 之方形狀矽（Si)基板i面上方。部分窗框狀二 氧化矽（Si〇2)膜2的邊緣上方，亦形成^以^^層、，且在 相鄰裸路出的3 0 0 // m X 3 0 0从m之方形狀矽（s i )基板1上 方，所形成的n-GaN:Si層4,或窗框中央部寬度5〇//m、深 度4 //m之裸露面（溝部）C，上所形成的n_GaN:Si層扰，， 仍維持分離狀態。將依此方式所形成的^以1“層4，依 20°C/分的速度進行降溫而回復至室溫，並無產生龜裂。 此外，兀件形成區域的邊緣部與中央部位的厚度差在5〇心 以下。 〔第三實;jfe例〕 如同第-實施例，在裸露出3QG"mx 3GMm方形狀的石夕 (Si_)基板1之（1 1 1 )面上，疊層n_GaN: Si層4。接著，便如 下示疊層第族氮化物系化合物半導體’而形成如圖5所 \\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 第18頁 564484

示發光二極體1 〇 〇。 fn-GaN:Si層4上，形成由石夕（Si)摻雜的^。8%^所 構成的η覆蓋層105、發光層1〇6、由鎂（Mg)摻雜的 A1〇.G8GaQ 92N所構成的p覆蓋層1〇7、以及由鎂（Mg)推雜的 GaN所構成的p接觸層1 〇8。其次，在p接觸層丨〇8上形成由 金（Au)所構成的電極1〇9，並在矽基板1背面形成由^(ai) 所構成的電極11 0。依此方式所形成的發光二極體 (L E D ) 1 0 0明顯的提昇元件壽命與發光效率。 〔第四實施例] 如同第一實施例，在裸露出3 0 0 /zmx 300 方形狀的石夕 (Si)基板1之（ill)面上，疊層n_GaN:Si層4。接著，便如 下示疊層第m族氮化物系化合物半導體，而形成如 示雷射發光二極體200。 Θ η 在n-GaN:Si層5上，形成由矽（Si)摻雜的A1u8Ga 構成的η覆蓋層205、發光層206、M QW構造的發光層2〇γ 鎮（Mg)摻雜的GaN所構成的ρ導引層2〇8、由鎂（Mg)換雜、 A l〇.〇8Ga0 mN所構成的ρ覆蓋層209、以及由鎮（Mg)捧雜的勺 GaN所構成的p接觸層210。其次，在p接觸層21〇上形成 金（Au)所構成的電極211，並在矽基板1背面形成由銘& 所構成的電極21 2。依此方式所形成的雷射發光二極 υ (LD)200明顯的提昇元件壽命與發光效率。 一 【元件編號說明】 1 矽（S i)基板 2 二氧化矽（S i 02)膜

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五、發明說明 (16) 3 由η - A 1 G a N : S i所構成的反應防止層 4 GaN層 100 發光二極體 1 0 5, 205 n-AlGaN覆蓋層 1 0 6, 207 發光層 1 0 7, 209 p-AlGaN覆蓋層 108, 210 p-GaN 層 109, 211 p電極 110, 212 η電極 200 雷射發光二極體 206 η-AlGaN導引層 208 p-GaN導引層 C 消耗區域 D 元件形成區域 E 元件形成區域的邊緣凸部 W 區分消耗區域與元件形成區域的罩幕寬度 91 基板 92 罩幕材料 93 第ΙΠ族氮化物系化合物半導體層 \\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 第20頁 564484

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Claims (1)

1. 564484 六、申請專利範圍 1 · 一種第m族氮化物系化合物半導妒 & 基2上利用磊晶成長第m族氮化：：：【二’係在 得第nr族氮化物系化合 體，而獲 包括有·· 守又衣4方法，其特徵在於 在基板表面上，形成不做磊 物半導體的格子妝W笪u 取长弟111無亂化物系化合 J心于狀罩幕材料，使元件形疬用其主 分離裸露出，同時在上 ^ = ^板表面各自 第瓜族氮化物系化合物半導部位處，形成 名h、十.欠八灿 卿千^4費區域的步驟；以及 在上述各刀離而裸露出的元件形成用 所需第瓜族氮化物系化合物半導體的步驟/面上形成 體2之Κίί利第1項之第^族氮化物系化合物半導 6¾ A ^ - 1'上述消耗區域係使未使用於元件形成 的基板表面稞露出而形成。 3. 如申請專利範圍第丨項之第冚族氮化物系化合物半導 肢之衣U方法，其中上述消耗區域係使基板亦部分被削除 而具高度差的基板面裸露出而形成。 4. 如申請專利範圍第〗項之第冚族氮化物系化合物半導 體之製造方法，其中上述元件形成區域面積係在〇 . 〇1態2 以上、且1 mm2以下。 5 ·如申請專利範圍第1項之第瓜族氮化物系化合物半導 體之製造方法，其中上述元件形成區域的面積係在 0· 01mm2以上、且〇. 3mm2以下。 6 ·如申請專利範圍第1項之第冚族氮化物系化合物半導 體之製造方法，其中上述基板係由矽（si)所構成。 \\312\2d-code\91-04\91102220.ptd 第22頁