TWI232596B - Process for producing group III nitride compound semiconductor, group III nitride compound semiconductor element, and process for producing group III nitride compound semiconductor substrate - Google Patents

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Toshiaki Chiyo
Jun Ito
Naoki Shibata
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Toyoda Gosei Kk
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Description

1232596 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於第m族氮化物系化合物半導體之製造方 法。尤其是關於使用橫方向磊晶生長（ELO)之第m族氮化 物系化合物半導體之製造方法及第m族氮化物系化合物半 導體元件暨第m族氮化物系化合物半導體基板。又，第]π 族氮化物系化合物半導體，具有由包括例如類似A1N、 GaN、InN 的 2 元系、類似 AlxGa】_xN、Α1χΙη〗·χΝ、 GaxIr^.xN(均爲 〇<χ<1)的 3 元系、AlxGaylnu-yNOCx <1、0<y<l、0<x + y<l)的 4 元系的一般式 AlxGayIni_x.yN(OSx$ 1、OSyS 1、OSx + yS 1)所表示者。 又，本說明書中，只要沒有特別事先說明，在簡稱爲第m 族氮化物系化合物半導體的情況，即作爲包含摻雜有使傳 導型成爲P型或η型用的雜質的第ΠΙ族氮化物系化合物半 導體的表現。 【先前技術】 第m族氮化物系化合物半導體，係爲如在作爲發光元件 的情況，其發光光譜爲遍及從紫色至紅色的廣範圍的直接 遷移型的半導體，被應用於發光二極體（LED)及雷射二極 體（LD)等的發光元件。此外，由於其光譜帶間隙寬，因而 較使用其他半導體的元件可期待在高溫中獲得穩定的動 作，而被開發普及於FET等的電晶體的應用。此外，利用 未將砷（As)作爲主成分，從環境面方面也可期待對於各式 各樣的半導體元件的開發。在該第m族氮化物系化合物半 6 312/發明說明書(補件)/92-05/92104188 1232596 物半導體，因此，在形成於其上部的第m族氮化物系化合 物半導體及罩幕之間易產生空間，在後步驟中進行元件隔 離時，在產生該空間的部分會產生剝離、開裂及缺陷。 本發明正是爲解決上述課題而完成者，提供全體以較少 的步驟形成抑制貫穿差排的第in族氮化物系化合物半導 體，且不易產生剝離、開裂及缺陷的半導體元件。 【發明內容】 根據本發明，提供於藍寶石基板上透過A1N緩衝層而使 第m族氮化物系化合物半導體生長的第n[族氮化物系化合 物半導體之製造方法，該製造方法具有藉由乾式蝕刻將藍 寶石基板的表面至少一部分改質處理的步驟；將A1N緩衝 層以A1爲靶材，利用氮環境化下進行之反應性濺鍍法，形 成於改質處理後的藍寶石基板上的步驟；及將形成於藍寶 石基板未經改質處理的表面上的A 1 N緩衝層作爲核心，於 A1N緩衝層上使所需的第m族氮化物系化合物半導體進行 縱及橫方向磊晶生長的步驟，A1N緩衝層係將A1作爲靶 材，藉由在氮氣環境化之條件所進行的反應性濺鍍法所形 成。 藍寶石基板表面的改質處理，最好是於其平面上以形成 點狀、條紋狀、格子狀等的島狀之方式來進行。此外，雖 藉由改質處理以蝕刻藍寶石基板，但其蝕刻深度最好在 A 1N緩衝層的厚度以下。又，藍寶石基板最好爲以a面爲 主面的基板。此外，在形成第m族氮化物系化合物半導體 後，藉由於其上沉積互異的第m族氮化物系化合物半導體 8 312/發明說明書(補件)/92-05/92104188 1232596 層，可形成第m族氮化物系化合物半導體 藉由大致全部除去縱及橫方向磊晶生長的 化合物半導體以外的部分，即可獲得第m 物半導體基板。 雖提出有在基板表面設置階差或是表面 m族氮化物系化合物半導體橫方向磊晶生 是，根據此後的檢討，如下所述，藉由基 衝層與其形成方法的組合，發現了效果特 氮化物系化合物半導體的製造方法。根據 基板的表面改質並無形成0.1 // m的階差白 由極短時間的蝕刻而達成者。此外，根據 氮化物系化合物半導體的磊晶生長，可從 縱及橫方向磊晶生長連續進行，而該A1N 應性濺鍍所形成，因此，在將基板安裝於 化合物半導體生長裝置後，可進行一貫的 化合物半導體生長。據此，全體以較少的 貫穿差排的第ΠΙ族氮化物系化合物半導體 【實施方式】 本發明之第ΠΙ族氮化物系化合物半導體 屬化合物氣相生長法（以下以「MOVPE」5 所製造。所使用的氣體爲氨氣（NH3)、載送 三甲基鎵（Ga(CH3)3，以下表示爲「TMG」 (A1(CH3)3，以下表示爲「TMA」）、三甲1 以下表示爲「TMI」）、環戊二烯鎂（Mg(Ci 312/發明說明書(補件)/92-05/92104188 元件。除此之外， 第ΠΙ族氮化物系 族氮化物系化合 粗面等，以使第 長的技術，但 板與基板面及緩 別顯著的第m族 本發明，藍寶石 勺必要，而是藉 本發明，第m族 A1N緩衝層上的 緩衝層係藉由反 第m族氮化物系 第m族氮化物系 步驟可形成抑制 層。 ，係藉由有機金 _示）的氣相生長 氣體（h2或n2)、 )、三甲基鋁 S 銦（I n ( C Η 3) 3， ;Η 5 ) 2，以下表示 9 1232596 爲「C ρ 2 M g」）。 (實施例） 將藉由有機洗淨所洗淨的A面作爲主面，亦即作爲結晶 生長面，藉由蒸鍍而於單結晶的藍寶石基板1蒸鍍形成 5 0nm的Ni膜2(圖1(a))。此後，塗敷光阻3，藉由光微影 術於A面上，亦即平面上施以條紋狀圖案。圖案係使光阻 3的寬幅及間隔均爲5 // m，且爲藍寶石基板1的c軸的垂 直方向（圖1 (b))。 接著，藉由酸去除已被除去光阻3的部分的Ni膜2(圖 1(c))。此後，藉由有機洗淨除去光阻3。如此，形成寬幅 及間隔均爲5//m，且垂直於藍寶石基板1的c軸方向的 Ni膜2的蝕刻罩幕（圖1(d))。 接著，於Ar中藉由乾式蝕刻對於藍寶石基板1進行5 分鐘的蝕刻處理（圖1(e))。此後，除去Ni膜2的蝕刻罩幕。 此時，未形成藍寶石基板1的蝕刻罩幕的部分，較形成蝕 刻罩幕的部分，產生約2nm的階差。如此，於藍寶石基板 1的A面上形成未改質的部分及藉由蝕刻而由原子級所改 質處理的部分SM(圖1(f))。 接著，使用DC磁控管濺鍍裝置，將高純度金屬鋁作爲 靶材，於氮氣中藉由反應性濺鍍法形成A1N組成的緩衝層 4。緩衝層係於藍寶石基板的A面上全面形成約60nm的厚 度（圖 1(g))。 圖2 (a)顯示形成於未進行藍寶石基板的改質處理的部分 上的A1N層4a的RHEED像。有觀察多結晶的圓點。相對 10 312/發明說明書(補件)/92-05/92104188 1232596 於此，圖2(b)顯示形成於進行藍寶石基板的改質處理的部 分上的AIN層4b的RHEED像。未觀察多結晶的圓點。如 此’形成於未進行藍寶石基板的改質處璦^的部分上的A1N 層4 a，係具有緩衝層的功能，但形成於進行藍寶石基板的 改質處理的部分上的A1N層4b，則不具備緩衝層的功能， 因此，在此之後進行第ΠΙ族氮化物系化合物半導體的磊晶 生長時，不產生第IB族氮化物系化合物半導體的核心。據 此，以形成於未進行藍寶石基板的改質處理的部分上的 A1N層4a爲中心可進行縱及橫方向生長。 其次，由MOCVD裝置，將藍寶石基板1的溫度保持在 1100°c，且導入 20L/min 的 H2'10L/min 的 NH3、5//mol/min 的TMG，將形成於未進行藍寶石基板的改質處理的部分上 的A1N層4a爲中心，藉由縱及橫方向磊晶生長（圖1(h)) 形成GaN層5 (圖l(i))。又，由於形成於藍寶石基板的被 改質處達的部分上的A1N層4b，並不具備GaN層5生長 用的緩衝層的功能，因此，藉由A1N層4b的生長未形成 GaN層5，但是，與將形成於未進行藍寶石基板的改質處 理的部分上的A1N層4a爲中心而藉由縱及橫方向磊晶生 長（圖1 (h))形成的GaN層5密接。 (依據M0CVD之A1N緩衝層） 相對於上述實施例，因爲在由依據TMA及NH3的 Μ 0 C V D形成A 1N緩衝層4的情況，於藍寶石基板的被改 質處理的部分的A1N緩衝層上部也藉由直接嘉晶生長形成 G aN層5，因而，無法有效地選擇生長，從而無法抑制貫 11 312/發明說明書(補件)/92-05/92 KM 188 1232596 穿差排。 如此，可知藉由反應濺鍍之A1N緩衝層形成後的第m族 氮化物系化合物半導體的形成，與將此等與其他材料進行 交換的情況具有顯著不同的效果的事實。此外，在表面改 質中，無使用如產生階差般的長時間的蝕刻及切割的必 要，而可於極短的時間內達成。更且，由於藍寶石基板的 被改質處理的部分上部的A1N層4b，與將未進行改質處理 的部分上部的A1N層4a爲中心而藉由縱及橫方向磊晶生 長所形成的G aN層5密接，因此，即使於藉由切割及網格 劃線等的元件隔離時，仍不會產生剝離、開裂及缺陷。 此外，在上述實施例中，藍寶石基板係於其平面上施以 條紋狀改質處理，但是，改質處理只要在藍寶石基板上部 分實施即可。例如，只要於其平面上施以點狀、條紋狀、 格子狀的島狀改質處理即可。 作爲上述發明之實施形態可從如下分別選擇。 作爲形成第m族氮化物系化合物半導體的方法，最好爲 有機金屬氣相生長法（MOCVD或是MOVPE)，但是，也可 使用分子束氣相生長法（MBE)、鹵化物氣相生長法（Halide VP E)、液相生長法（LPE)等的方法，也可由各種不同的生 長方法形成各層。 對於利用反應濺鍍之緩衝層的厚度並無特別的限定，但 是最好爲5〜300nm。更佳爲10〜120nm，最佳爲30〜
9 Onm。此外，對於藍寶石基板的表面改質用的蝕刻的深度 也無特別的限定，但是最好爲0.5nm以上，且，最好在A1N 12 312/發明說明書(補件)/9105/921 (Μ 1沾 1232596 緩衝層4的厚度以下。又’更佳爲A1N緩衝層4的厚度的 二分之一以下，最佳爲十分之一以下。 橫方向嘉晶生長的層及/或上層的第ΙΠ族氮化物系化合 物半導體’其％瓜族兀素的組成的~部分，即使由硼（B)、 鉈（T1)置換’此外，由磷（P)、砷（As)、銻（Sb)、鉍（Bi)來置 換氮（N)的一部分組成，也實質上可適用本發明。此外，也 可將此等元素以無法表示的程度摻雜於組成內。 在形成η型第ΙΠ族氮化物系化合物半導體層的情況，作 爲η型雜質也可添加Si、Ge、Se、Te、C等的第IV族元素 或第VI族元素。此外，作爲P型雜質也可添加Zn、Mg、
Be、Ca、Sr、Ba等的第Π族元素或第IV族元素。也可將此 等以複數或是將η型雜質及ρ型雜質摻雜於相同層內。 藍寶石基板的Α面的表面改質用的蝕刻罩幕，只要爲不 對A1N緩衝層產生影響而可予以除去者即可。例如，可使 用Ni、Ti、A1等的金屬，氧化矽（Si02)、氮化矽（Si3N4)、 氧化鈦（TiOx)、氧化銷（ZrOx)等的氧化物、氮化物、及其多 層膜。此等的成膜方法除可爲蒸鍍法、濺鍍法、CVD等的 氣相生長法外，還可爲任意的方法。 具有上述貫穿差排的抑制區域的第m族氮化物系化合 物半導體，可將全體或是貫穿差排的抑制區域爲中心而於 其上部可形成FET、發光元件等的半導體元件。對於發光 元件的情況，發光層除多重量子井構造（MQW)、單一量子 井構造（SQW)外’還可考慮同質構造’異質構造、雙異質 構造，但是’也可藉由Pin接面或Pn接面等形成。 13 312/發明說明書(補件)/92-05/921 (Μ 188 1232596 例如，除去藍寶石基板1、A1N緩衝層4，可將上述的具 有上述貫穿差排的抑制區域的第ΠΙ族氮化物系化合物半導 體’作爲第m族氮化物系化合物半導體基板。也就是說， 藉由大致全部除去縱及橫方向磊晶生長的第]Π族氮化物系 化合物半導體以外的部分，即可獲得第ΠΙ族氮化物系化合 物半導體。在此基礎上，藉由進一步沉積形成與已形成的 第m族氮化物系化合物半導體相同或不同的第ΠΙ族氮化物 系化合物半導體，即可獲得第in族氮化物系化合物半導體 元件。此外，也可將上述第m族氮化物系化合物半導體基 板用作爲形成更大的第m族氮化物系化合物半導體結晶用 的基板。作爲除去方法除機械化學硏磨法外，還可爲任意 的方法。更且，不除去藍寶石基板1、A1N緩衝層4，而在 由本實施例所形成的第m族氮化物系化合物半導體上，進 一步沉積形成與已形成的第m族氮化物系化合物半導體相 同或不同的第m族氮化物系化合物半導體，即可獲得第m 族氮化物系化合物半導體元件。 以上，參照特定的實施形態詳細說明了本發明，但是， 凡熟悉該項技術者均知曉，只要不脫離本發明之精神及範 圍，即可作各式各樣的改變及修正。 本申請案係基於2002年2月8日提出的日本專利申請 案（特願2002 -05 5 094)者，在此，取入其內容作爲參照。 (產業上的可利用性） 作爲本發明之應用，在藉由基板處理形成貫穿差排少的 區域中，利用提出各種方法的橫方向磊晶生長，而於貫穿 14 312/發明說明書(補件)/92-05/92104188 1232596 差排多的區域上部形成貫穿差排少的區域的情況也被包含 於本發明內。例如，藉由本發明而於具有貫穿差排少的區 域及多的區域的第m族氮化物系化合物半導體基板的貫穿 差排多的區域形成罩幕，將未形成罩幕的貫穿差排少的區 域表面作爲核心，藉由橫方向磊晶生長覆被罩幕上部，即 可獲得全體貫穿差排少的第瓜族氮化物系化合物半導體 層 。除此之外，在貫穿差排多的區 域上部的第 2 橫方向 嘉 晶 生長可任意 ° [ 圖式簡單說明】 圖1(a)至圖l(i)爲顯示本發明之- -實施例之 第 ΙΠ族氮 化 物 系化合物半導體的製造步驟的剖· 面圖。 圖2 (a)爲形成於未進行藍寶石基; 阪的改質處 理 的部分 上 的 A1N層4a的RHEED像的照片圖 ，圖2(b)爲 形 ，成於進 行 藍 寶石基板的改質處理的部分上的 A IN層4b的 RHEED 像 的 照片圖。 (元件符號說明） 1 藍寶石基板 2 Ni膜 3 光阻 4 A1N緩衝層 4 a A1N層 4b A1N層 5 G a N層 S Μ 藉由蝕刻而由原子級所改質處 :理的部分 312/發明說明書(補件)/92-05/92104188 15

Claims (1)

1232596 :9|||3 拾、申請專利範圍 1 · 一種第m族氮化物系化合物半導體之製造方法，係於 藍寶石基板上透過A1N緩衝層而使第m族氮化物系化合物 半導體生長者，其包含有如下步驟： 藉由乾式蝕刻將上述藍寶石基板的表面至少一部分改 質處理的步驟； 將A1N緩衝層，以A1爲靶材，利用氮環境化下進行之 反應性濺鍍法，形成於上述改質處理後的上述藍寶石基板 上的步驟；及 將形成於上述藍寶石基板未經改質處理的表面上的A1N 緩衝層作爲核心，於上述A1N緩衝層上，使上述第m族氮 化物系化合物半導體進行縱及橫方向磊晶生長的步驟。 2 ·如申請專利範圍第i項之第m族氮化物系化合物半導 體之製造方法，其中，上述藍寶石基板係以A面爲主面的 基板。 3 ·如申請專利範圍第丨項之第m族氮化物系化合物半導 體之製造方法，其中’上述藍寶石基板係於其平面上以形 成點狀 '條紋狀、格子狀中任一的島狀之方式來進行上述 改質處理。 4 ·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，藉由上述改質處理以蝕刻藍寶石基 板’其蝕刻深度係設定在上述A1N緩衝層的厚度以下。 5·—種第m族氮化物系化合物半導體元件，其特徵爲： 具備改質部份，其在藍寶石基板上之表面至少一部份上改 16 326\總槍\92\92104188\92104188(替換)-1 1232596 質；A1N緩衝層，其形成於該改質處理後之藍寶石基板上； 及G aN層，其以藍寶石基板之未經改質處理之表面上的 A1N緩衝層作爲核心，形成於該A1N緩衝層上；其中，在 具有上述構造之第瓜族氮化物系化合物半導體層上，藉由 沉積互異的第m族氮化物系化合物半導體層所獲得。 6 · —種第m族氮化物系化合物半導體基板之製造方法， 係除申請專利範圍第1項所記載之第ΠΙ族氮化物系化合物 半導體之製造方法外，另藉由大致全部除去縱及橫方向晶 晶生長的第m族氮化物系化合物半導體以外的部分，而獲 得第m族氮化物系化合物半導體基板。 17 326\總檔\92\92104188\92104188(替換)-1
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