TWI323943B - Highly uniform group iii nitride epitaxial layers on 100 millimeter diameter silicon carbide substrates - Google Patents

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1323943 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於供高頻高功率應用之半導體材料的運用， 以及特定言之係關於供高電子遷移率電晶體（HEMT)之三 族氮化物材料的運用，而更特定言之係關於該等材料系統 之提升，並致使該等電晶體之電子性能相對提升。 【先前技術】 HEMT係固態電晶體，其在例如（然非侷限於）雷達 '蜂 巢式電話通信、衛星通信以及其他微波電路應用等之應用 中’提供信號放大的優勢。 HEMT的運作與傳統場效電晶體（FET)很相似。汲極與源 極電極間之導電通道可因電壓施加至閘極電極而受影響。 此會調變汲極-源極電流。於HEMT中，該導電通道係由異 質、構所產生（兩相異半導體材料鄰接著彼此）。該等異質 材料之間的差異（尤其是其各自的能帶隙以及電子親合力） 必須足以促進於異質介面中電荷載子之一薄層的形成。該 薄層一般係稱為二維電子氣體（"2DEG")。於該層中載子之 濃度以及其速度使該HEMT得以於極高頻中維持一高增 益。 在與其他半導體裝置的情況下，任何給定之HEMT的許 多性能參數係直接與其之形成材料有關。已然成為hemt 之較為標準材料的砷化鎵（GaAs)’比矽提供較高的電子遷 移率（6000 cm2/V…與較低的源極電阻，因此而提供能夠 比可相較以石夕為主之裝置高之頻率下作用的裝置。然而， 110241 .d〇c 1323943 石申化鎵具有一較小能帶隙（1.42 eV)以及一較小崩潰電壓， 其會使砷化鎵對於較高功率、較高頻率應用而言便得較不 合適，或是處於較不適合的狀態，因而限制較高功率'較 高頻率的應用》 據此，對於HEMT的興趣便轉移至較高能帶隙材料，例 如三族氮化物材料系統。由於特殊組成物，三族氮化物可 具有相當於6 ev(對A1N而言）高之能帶隙，以及較高的電 • 子遷移率（約達2000 cm2/V_s)。就該HEMT之操作而言較重 要地也許係，以氮化鋁鎵為主之結構可顯示出每平方公分 (cm·2)超過】013的2DEG薄片密度。 ^上文所提及，半導體裝置之性能與形成其之材料以及 該等材料之特定層或基板的設計與品質有關。該等材料或 形成裝置或裝置先驅物之材料結構的缺乏品質或均勾性， 使可能取自該材料系統所產生裝置之羞率降低以及尺寸受 侷限。

就尺寸而s，由非均勻材料所構成之裝置於臨界電壓狀 態時亦呈現較差的線性以及較大的變異。此外，蟲晶成長 一般會產生橫跨晶圓中材料（組成物以及特性）之變異。這 些可包括-或多種元素(例如，氮化鋁鎵中的鋁)之濃度差 異以及不同厚度。 迄今為止’較高品質三族氮化物結構係可利用於兩时以 及三# H而這些對於較A功㈣置而言較不具利 益。此外，由於每-晶圓（不考慮其尺寸）之邊緣—般需要 約㈣的…因此邊緣損失對於較小的晶圓而言比例 I10241.doc

I32394J - 上係高。再者，由於100毫米對於其他若干材料（例如，砷 化鎵）而έ係普通尺寸，且具三族氮化物磊晶層之毫米 . 晶圓可為許多現存的設備所處理，因此可避免再加工。 . 然而’處理成本—般係同樣與晶圓尺寸無關，遂使得較 小的aa圓會提高每一給定尺寸裝置之製造成本。 雖然較大的晶圓理論上係因此而符合所欲，然而較大晶 圓卻由於靑曲或扭曲之趨勢提升以及上文所提及之—般』 Φ 晶成長特性而難以管理。 因此，包含二族氮化物異質結構之較大尺寸、較高品 質、高度一致性性能晶圓遂於半導體技術中仍為一值得與 所欲的目標。 【發明内容】 . 一方面，本發明係一半導體先驅物結構，其包括直徑至 少100毫米之矽碳化物單晶基板、於該基板上之三族^化 物成核層、於該成核層上之第一三族氮化物磊晶層、於該 # 第一二族氮化物磊晶層上之第二三族氮化物磊晶層以及具 有與該第一層之組成物足夠不同的組成物，以於第一與第 二層之間的介面產生二維電子氣體…第三三族氣化物磊 晶層可能出現於該第二層上，以提升該二維電子氣體之電 子遷移率。該先驅物結構橫跨該100毫米結構中具有不超 過百分之一（1%)的薄片電阻率標準偏差，以及該先驅物結 構橫跨該100毫米結構中具有不超過百分之—的遷移率標 . 準偏差。 二 另一方面，本發明係於運用與金屬有機化學汽相沉積 1J 024】.doc 1323943 (MOCVD) —致之源極氣體的情 一 的滑况下，於半絕緣半導體基板 上三族氮化物層之蟲晶成長的方法。於該方面，提升包括 ^長-由二彼此係於组成物上足夠不同之三族氮化物蟲晶 層形成的異質結構，以於g員荽氣# 仏肩者氮軋锿境中且於一直徑至少 100¾米之基板上，在並介而^ . 隹八；丨面產生二維電子氣體。

另一方面，本發明係一半導 一 τ千等體基板結構，其包括具有直 徑至少1 0 〇毫米之丰絕续 土板、於該基板上由於組成物上 足夠不同之至少二蠢晶异 日日層所形成以於其介面產生二維電子 氣體的三族氣化物異質έ士播、命—田# 負，，。構、與該異質結構具導電關係之 而該異質結構橫跨 的薄片電阻率標準 基板中具有不超過 複數個個別的源極、汲極與閘極接點， 該100毫米基板中具有不超過百分之— 偏差，且該異質結構具有於該100毫米 百分之一的遷移率標準偏差。 另-方面，本發明係一半絕緣石夕碳化物晶圓，其具有直 徑至少100毫米以及於咭曰圓一

汉π。玄日日圓上之三族氮化物異質結構， 遂在許多特質中表規屮·έτ γ Τ g τ衣兄出同度均勻性。這些特質包括：樺跨 該晶圓中之薄片電阻率標準偏差小於百分之三；橫跨該晶 圓中之電子遷移率標準偏差介於約百分之〇 43盥〇 73之 間；橫跨該晶圓中之載子密度標準偏差不超過約百分之 3.3 ;以及橫跨該晶圓中之導電率標準偏差約百分之2 。 另-方面’本發明係複數個半絕緣矽碳化物晶圓，其中 每-晶圓具有直徑至少100毫米以及於每一晶圓上之三族 氮化物異貝結構’且作為每一晶圓之頂部表面的氮化鋁鎵 阻障層（AlGaN)。於該方面，該等晶圓之百分之75具有該 H024I.doc 丄

AlGaN阻障層厚声夕冶,矣μ + 年度之邊緣對中心厚度比率為丨〇〇加或減 8之範圍内’而於該A1GaN阻障層中紹之最小對最大百 分比之比率介於約G.98與U2之間；即⑽加或減0.02之範 圍内。 本發明之别述及其它的目標與優點，以及達到本發明之 方法，根據以下結合隨附圖式所作的詳細說明會變得更加 清楚。 【實施方式】 方面，本發明係由直徑i 〇〇毫米（即微小於四英吋）之 石夕奴化物基板所形成之高度均句以及強固品質氮化銘錄高 度電子遷移率電晶體（HEMT)結構。 另一方面，本發明係其上有形成個別HEMT之高度均勻 直徑100毫米之晶圓先驅物。 另方面本發明係於一高度均勻直徑1〇〇毫米基板結 構上之複數個HEMT。 根據本發明之HEMT先驅物係以磊晶成長處理形成，而 產生在物理、化學與電子性質上皆高度均勻的異質結構以 及相關若干層β所發現的均勻度差異一般係百分之一或更 小’以及室溫下電子遷移率大於2〇〇〇 cm2/V_s。該等可重 複之成長技術會產生極度平滑磊晶層，且於三族氮化物蟲 晶層中會呈現電阻提升，從而提升成長於半絕緣基板（尤 其是半絕緣矽碳基板）上的電子特性。該等高度均句特性 係將於本文有較全面之說明’尤其是關於該等圖式。 作為引言’圖1以及2呈現本發明之概略圖。圖i呈現一 110241.doc 1323943 明確地以30予以指稱之半導體先驅物。該結構包括一基板 31 ’其直徑至少100毫米，且於範例型具體實施例中係由 半絕緣矽碳化物依單晶定向而形成。 於若干典型具體實施例中，一三族氮化物成核層32係於 S亥基板31之上並覆蓋該基板31。該成核層32於該基板31與 該結構之剩餘部分之間提供適當成長轉換β第一三族氮化 物蟲晶層3 3係於該成核層3 2之上，以及第二不同組成物三 % 族氮化物磊晶層34係於該第一磊晶層33之上。該等磊晶層 33與34(即一異質結構）之組成物，彼此之間具有足夠差 異’以於第一與第二層之間的介面產生二維電子氣體 (2DEG)。該氣體係概略地以35闡明，然而將明白的是圖【 係未按比例繪製’且該2DEG並非依與該等磊晶層33與34 相同之比例繪製形成的實體層。 藉由對併入三族氮化物層之半導體裝置的若干了解，本 文所β兒明之結構為範例而非限制。此外，本發明可順利地 • 併入多種不同或比本文中所特別說明者更複雜之裝置以及 結構若干裝置之範例性群組係載述於以下美國專利申請案 以及美國專利公開案：第6,316,793號、第6,548,333號、第 6,849,882號、第 20020066908號、第 20030020092號以及第 2004006 1129號。然而，這些並不具有限制本發明可能併 入該多種裝置之任何意思。 於許多具體實施例中，一第三三族氮化物磊晶層36係出 ^ 現於該第二層34上，以提升該二維電子氣體之電子遷移 , 率0 110241.doc 1323943 熟悉本技術者將明白’晶圓以及晶圓上之磊晶層的評 估，一般會摒除一小邊緣部份。邊緣部分之尺寸取決於測 量技術，不過一般而言對於100毫米（由任意材料所構成的） 晶圓會摒除約5-10毫米（例如，約2.5_5毫米寬之周邊部 分）。因此，本文所載述之測量係將邊緣摒除部分納入考 慮，且除了就其個別的邊緣摒除部分之外亦會說明該等唱 圓以及磊晶層。 該先驅物結構在物理、化學與電子特性上係極度均勻。 該結構橫跨該一百毫米結構中具有不超過百分之一（1%)的 薄片電阻率標準偏差，以及該先驅物結構同樣地橫跨該 100毫米結構中具有不超過百分之一的遷移率標準偏差。 於部分具體實施例中，該結構橫跨該100毫米結構中具 有不超過0.75%的薄片電阻率標準偏差，以及橫跨該1〇〇毫 米結構中具有不超過〇·43%的遷移率標準偏差。 於若干特殊具體實施例中，該矽碳化物單晶基板具有選 自矽碳化物3C、4Η、6Η以及15R等多體型中之一種多體 型。該成核層32—般係選自由氮化鋁鎵（AiGaN)與氮化鋁 (A1N)構成之群組。 於若干範例型具體實施例中，該第一三族氮化物蟲晶層33 係氮化鎵，而該第二層34包括氮化紹鎵；即，AixGa』， 其中0<XS1。該等熟知氮化鎵與氮化鋁鎵者將明白，若 X 1 ’則该第二三族氮化物蟲晶層34將包括氮化紹·即， A1N 〇 於垓等乾例型具體實施例中，該第三三族氮化物磊晶層 110241 .doc 12 1323943 • 同樣地包括氮化鋁鎵，然其具有與該第二三族氮化物層34 不同的鋁（以及因此鎵；"1-X")原子分率（即，"χ”）。於這樣 • 的結構中’該等異質結構層（例如，一 GaN層33以及一 ，入1〇3>7層34)間的組成物差異係足以感應2〇£〇。 因為由在34中之該等磊晶層33形成的異質結構對高頻裝 置係常用’所以該碎碳化物基板3 1 —般係半絕緣。 圖2係一明確地以40予以指稱之半導體結構的示意圖， φ 其包括複數個HEMT先驅物。該結構包括一半絕緣基板 41，其具有直徑至少1〇〇毫米，且於若干範例型具體實施 例中係由矽碳化物所形成。一三族異質結構42係於該基板 41上，且係由於組成物上具有足夠差異的至少二磊晶層“ 與44所形成，以於其介面產生二維電子氣體。複數個個別 的源極45、汲極46與閘極47接觸係與該異質結構42具有導 電關係。如同圖2所示，該等接點45、46、47與該異質結 構42之間的導電關係可包括若干中間層，例如圖2中所闡 I 明之層5 1。 該異質結構42橫跨該100毫米晶圓基板中具有不超過約 百分之一的薄片電阻率標準偏差，以及該異質結構42橫跨 s亥100毫米基板中具有不超過約百分之一的遷移率標準偏 差。 如同圖2中所闡明，於若干範例性具體實施例中，該結 構40包括於該基板41上介於該基板41與該氮化鎵層43之間 r 的三族氮化物成核層5 〇。 , 於部分具體實施例中，該氮化鋁鎵層44係無意間遭摻 110241.doc -13- .雜。於該等具體實施例中，該結構40可包括在該無意間遭 摻雜之氮化鋁鎵層44上的遭摻雜之氮化鋁鎵層5b或者， •若對於若干特殊應用可能係所欲或必須的，則該㈣可包 ，括一層無意間遭摻雜之氮化鋁鎵。 圖2呈現兩組個別的源極45、汲極私以及閉極ο接點， 然其將為熟知半導體製造者所明白，一典型的ι〇〇毫米晶 ㈣可包括大量複數個（也許是數百個）該等接點以同時 籲定義於該100毫米晶圓上之同樣大量複數個職丁先驅物结 構。將該等裝置彼此絕緣以及分離之步驟於本技術中一般 係已充分了解，且於本文中將不會重覆地加以詳述。 本發明在現存若干類似結構中’尤其具備性能與品質的 優勢。 據此，於另一方面本發明係一半導體結構，其包括具有 直徑至少100毫米之半絕緣矽碳化物晶圓以及於該晶圓上 之三族氮化物異質結構，而該晶圓與該異質結構顯示橫跨 該晶圓中之薄片電阻率標準偏差小於百分之三(3%)、於許 多具體實施例中小於2.7 %以及於部分具體實施例中等於 1.3%。 ' 該等具體實施例已然於—合適範圍之導電率中顯示該等 特性，例如與每平方約45〇歐姆之平均薄片電阻率接合， 以及與每平方介於約342與356歐姆之間的薄片電阻率接 合。 於其他若干具體實施例中，該晶圓與該異質結構顯示樺 跨該晶圓中之薄片電阻率均勾度標準偏差介於約百分之 I1024i.doc •14· 1323943 0.75與1.23之間，以及每平方介於約293與311歐姆之平均 薄片電阻率，且每平方不大於329歐姆之最大薄片電阻 〇 於其他方面，本發明係一半導體結構，其包括具有直徑 至少100毫米之矽碳化物晶圓以及於該晶圓上之三族異質 結構，而該晶圓以及該異質結構顯示橫跨該晶圓中之電子 遷移率標準偏差介於約百分之0 43與0 73之間。於該方 面，若干晶圓經測言式已然顯示⑨室溫了電子遷移率介於約 2017與2G52 Cm2/V_s之間以及於其他具體實施例中介於約 2061 與 2081 cm2/V-s之間。 又另一方面，本發明係一半導體結構，其包括具有直徑 至少100毫米之半絕緣碎碳化物晶圓以及於該晶圓上之三 族氮化物異質結構，而該晶圓與該異f結構顯示橫跨該晶 圓中之载子密度標準偏差約百分之33。明確地說，根據 本具體實施例之若干結構已然顯示該等結果，以及每平方 公分（Cm·2)介於 8.2xl()I2 (82E12)與 δ9χΐ()12 (8細）之間 的載子密度。 又另-方面’且因導電率係電阻率之倒數，故本發明係 一半導體結構’其包括具有直秤 仴1杬至；10〇耄米之半絕緣矽 碳化物晶圓以及於該晶圓上之三族氮化物異質結構，而該 晶圓與該異質結構顯示橫跨該晶圓中之導電率標準偏差約 百分之2_5。於本文中所評估之若s 右卞Β日圓，亦已顯示介於 約2.69Χ10·3與2.86χ10-3姆歐之間的導電率。 如同圖18中所闡明，於本發 乏另一方面可予以說明為 Π 024】.doc 15 各具有直杈至少100毫米之複數個半絕緣矽碳化物晶圓， Μ及，每-該等晶圓上之一三族氮化物異質結構與作為每 該等μ圓之頂部表面的氮化鋁鎵阻障層，且其中該等晶 圓之百分之75的該氮化鋁鎵阻障層厚度具有邊緣對中心比 Τ至少〇·92。如同該等圖式中所載述，該等結果係、針對至 1 10個，且於部分情況至少15個之複數個晶圓進行判斷。 於本文中，該等晶圓之百分之5〇的該A1GaN層厚度具有邊 緣對中〜比率至少〇 94，而百分之25則該層厚度具 有邊緣對中心比率至少〇. 9 5。 另一方面（圖19) ’且同時再一次考慮晶圓對晶圓之一致 !生，本發明係複數個半絕緣矽碳化物晶圓，其各自具有直 杈至少1〇〇毫米，以及於每一晶圓上之三族氮化物異質結 構’、作為每一晶圓之頂部表面的氮化鋁鎵阻障層。於該方 面’該等晶圓於該氮化紹鎵阻障層中之紹的百分比邊緣對 中〜比率介於約〇 98與1〇2之間；即，對於化學汽相沉積 成長而言，與許多先前經驗結果相反，在橫跨晶圓中它們 會展現南度均勻性。 。如同圖19中所指明，該等結果可於至少1 G個的複數個晶 圓，以及於許多情況於至少15個的複數個晶圓中予以維 持。以相似術語加以表明，本發明可包括至少1〇個之複數 個該等晶圓’其中該等晶圓之至少百分之75於該氮化紹鎵 阻障層中鋁的百分比邊緣對中心比率為0.99。 Η ϋ針對1 〇〇毫米（4”）半絕緣4Η石夕碳化合物晶圓的薄 片電阻均勻性圖。平均均勻性於該i00毫米晶圓之百分之 JJ0241.doc 90的常用區域係每平方452歐姆。個別測量係於該 圈内指明為數字，並係運用來自位於美國賓州利海頓之利 海頓電子公司所生產的利海頓模型151〇裝置進行測量。 圖4至11係針對本發明之晶圓的薄片電阻等高映射；每 -等高圖皆附針對所闡明之晶圓的統計概要。該薄片電阻 率亦係於利海頓模型151〇裝置上進行測量。如同圖4至U 中所闡明，以百分比所表明之最大標準偏差係百分之 1.23，以及一些等於百分之〇75之值，同時因此闡明了本 發明所具有的高度均句性。 0 12以及13係關於成長在根據本發明之毫米1 〇 〇直徑高 純度半絕緣（HPSI) 4H-SiC基板上的HEMT結構遷移率資= 圖。該等資料係運用利海頓模型161〇儀器於圖12以及13各 自f明之五點中所測得。於每一情況中，遷移率超過2〇〇〇 /V_S以及標準偏差恰低於1 %。圖12以及13中之晶圓載 子濃度係每平方公分0 9χ10π (以有效數字表明為”〇 9Ei3 cm'2") 〇 圖M根據本發明之晶圓的載子濃度（”密度"）圖，且同 時呈現以百分比表明為約百分之3丨的標準偏差。 圖1 5係根據本發明之晶圓結構的導電率（姆歐）圖且同 時呈現以百分比表明為約百分之2·5的標準偏差。 圖16係於根據本發明之晶圓上所測得薄片電阻圖，且同 時呈現以百分比表明為約百分之1.3的標準偏差。 以相對應的方式，圖14Α則闡明所具標準偏差僅為 0.96%之載子濃度結果；圖15Α闡明所具標準偏差僅為 11024 丨.doc 17 1323943 0.74%之導電率結果；以及圖16A闡明所具標準偏差僅為 0.75%之薄片電阻結果。 構成許多該等圖式的資料係載述於下列若干表中：

利; 每頓1610概要報告 k本尺寸100毫米 位置 遷移率 (cm2/V-s) 密度Ns (cm'2) 導電率 (姆歐） 薄片電阻 (歐姆/平方） 中心 -2081.70 -8.803E+12 2.932E-03 340.85 上方1/2雷得處 -2081.10 -8.753E+12 2.915E-03 342.81 下方1/2雷得處 -2072.00 -8.972E+12 2.974E-03 335.81 左方1/2雷彳于處 -2066.90 -8.885E+12 2.938E-03 339.88 右方1/2雷得處 -2061.50 -8.898E+12 2.935E-03 340.23 位置 遷移率 (cm2/V-s) 密度Ns (cm—2) 導電率 (姆歐） 薄片電阻 (歐姆/平方） 遷移率 (cm2/V-s) 密度Ns (cm'2) 導電率 (姆歐） 薄片電阻 (歐姆/平方） 最大值 2081.70 8.972E+12 2.974E-03 342.81 最小值 2061.50 8.753E+12 2.915E-03 335.81 平均值 2072.64 8.862E+12 2.939E-03 339.92 標準偏差 8.82 8.527E+10 2.180E-05 2.56 薄片電阻率 晶圓 平均值（歐姆/平 方） 標準偏差 標準偏差百分比 1 311.5 3.8 1.22 2 304.5 2.9 0.95 3 304.4 3.6 1.18 4 302.1 2.6 0.86 5 305.8 3.7 1.21 6 293.6 2.7 0.92 7 299.2 2.4 0.80 8 305.4 2.3 0.75 I10241.doc -18- 1323943

圖17係附分位數表之圖，其：-- 圓的薄片電阻率標準偏差。圖17包括^本發明之⑻固晶

之情況中的實驗性轰B成具 匕、有較大缺陷基板 錢性站曰曰成長’同時因

(較不均勻）數值移動。換句話說，即便U 佳樣本的時候，本發明之較^曾/便疋在包括該等較不 + 品質仍係清楚予以載述。 圖18亦係附分位數表之圖，其藉由CV零偏麼電容值針 對根據本發明之16個㈣所判斷之該晶圓邊料該晶圓中 心編N阻障厚度比率。如同其中所載述，最佳晶圓於最 小與最大厚度之間具有1%變異，且一般而言於該晶圓邊 緣厚度係較該晶圓中心厚度小6%。 圖19係附分位數表之圖’其標準偏差顯示標準偏差已然 顯示電子遷移率顯示標準偏差顯示標準偏差毫米根據本發 明之1 6個晶圓樣本於該晶圓邊緣對該晶圓中心所測得銘百 分比的比率。平均而言，於邊緣所測得之鋁百分比係為該 晶圓中心百分比的百分之99.1，其顯示極佳的組成物控 制。如同先前所提及，於進行該等測量工作時，一小部份 邊緣係予以摒除。 圖20以及2 1係針對根據本發明成長於1 〇〇毫米HPSI 4H- 110241,doc 1323943

Sic晶圓J^HEMT經由χ射線繞射所得㈣呂莫耳分率映 射。 圖22以及23如同藉^射線繞射所測得—般，係根據本 發明成長於直徑i 00毫米Hpsi化咖基板上之ΜΜτ的 AlGaN阻障層厚度表面映射圖。 面本發明h —半導體結構，其包括於相容基板 上含^之三族氮化物蟲晶層。三族氮化物層具有直徑至少 100¾米’且顯示小於百分之136的結含量標準偏差。本 發明之該方面係載述於圖24中以長條圖予以關明，並附統 汁表。如同其中所呈現’除了、於鋁含量上之低標準偏差 外，在將複數個晶圓一起加以考慮的時候，該等晶圓之至 v百刀之75對於其各自的三族氮化物層會具有百分之1 95 或更低的鋁含量偏差。圖24闡明具有該等特性至少η個之 複數個晶圓，JL gg +太淑^ BB % a + 顯不本發明所具有之—致性以及精確性。 另方面，本發明係一半導體結構，其係於具有直徑至 〇〇宅米之相容基板上含鋁的三族氮化物磊晶層。同時 該三族氮化物層於厚度上顯示小於百分之2」的標準偏 差。圖25亦闡明就複數個晶圓而言之該等有利特性。如同 圖25中所指明，複數個該等晶圓的至少百分之75,其各自 的三族氮化物層之厚度具有小於百分之7.2的偏差。更明 確地說’圖25闡明於至少15個之複數個晶圓的—致性。 該等測量係運用x射線繞射所得，且係依照慣例運用該 等統計術語。 般而。，本技術中係已充分了解於矽碳化物基板上成 110241.doc -20. 1323943 長之三族氮化物層的一些相關背景方面，且能夠為熟悉本 技術者在無不當實驗之下所執行。然而，於一特定探討 時，本文所示之該等結構一般係運用金屬有機化學汽相沉 積（MOCVD)進行成長。作為進一步的相關背景，於藍寶石 基板上相關材料之成長探討係載述於Keller, Effect of growth termination conditions on the performance of AlGaN/GaN high electron mobility transistors, APPLIED PHYSICS LETTERS，Vol· 70, No. 20，2001年5月 14 日，第 3 088至3 090頁。儘管由MOCVD所產生之材料成本一般低 於由MBE所產生之材料，且MOCVD易於產生較高品質三 族氮化物材料（例如較低的錯位密度），然而仍有可能運用 例如金屬-有機汽相磊晶（MOVPE)或分子束磊晶（MBE)等相 關技術於本發明中獲得高度均勻性。 於本發明中，三曱基鎵（（CH3)3Ga ; "TMG")以及三甲基 鋁（（CH3)3A1 ; "TMA”）係用作為三族先驅物，且氨（NH3)係 用作為氮先驅物。然而，一特別的提升係根據本發明已然 發現最佳的結果似乎是在該等A1N與AlGaN層係成長於含 有最低（約百分之5)氫氣（H2)之環境，例如一氮氣（N2)優勢 環境的時候獲得。 當需要一η型AlGaN層時，一般係運用矽烷（SiH4)而與矽 進行摻雜，以作為先驅物氣體。 於形成本文所闡明以及所說明之結構情況時，該等層一 般係於約1000°C的溫度中成長。 本發明所陳述之另一因素係磊晶層可因存在於該等沉積 110241.doc 21 1323943 • 薄膜之應力’或於部分情況中存在於該等基板之應力，而 導致於基板中產生彎曲或扭曲，抑或二者同時的結果。本 •文中彎曲與扭曲等術語係依為本技術所充分了解之方式加 ，以運用’而針對其之若干確切定義可從已建置來源（例 如，SEMI ; www.semi.org)取得。彎曲或扭曲在處理晶圓 時一般係不欲的’即便或可於之後平坦化以合適的例如為 步進器4之工具而充分排除。此外，扭曲以及彎曲還可於 鲁 退火或供烤等步驟期間’於熱表面上阻礙均勻接觸。另一 問題係由於真空工具能使彎曲或扭曲之晶圓掉落，故而會 發生晶圓破損以及損失。另一問題則係，晶圓經常會加以 薄化以供進一步處理，例如製造若干通道。於該等薄化步 驟中’晶圓形狀問題變得更加嚴格。因此，低應變磊晶層 及所產生之平坦晶圓’係高度符合所需的。 可加以控制三族氮化物（亦指稱為"三五"）磊晶層之製 造，以控制於該層中之應變，並有助於使彎曲與扭曲降至 ® 最低或排除。例如，可加以控制該三五比率及/或製造三 五磊晶層之壓力，以控制於該三五磊晶層中之應變。藉由 提升五/三比率，所製造出之三五層係較壓縮的。此外， 藉由於較低壓力巾製造該三五^曰曰層，該三五蟲晶層亦係 較壓縮的。再者，隨著該三五磊晶層厚度之增加，一否則 為壓縮應殳之層便可變成拉牽應變。此拉牽應變可能致該 三五磊晶層產生缺失（例如破裂）。據此，可加以控制厚 - 度 '成長條件以及來源材料，以避免於製造期間改變該三 * 五蟲晶層之應力。 11024I.doc -22· 對⑽鑛成核條件之控制，以控制於島式成長盘聚社 中之初始應變，亦可能用以控制⑽蟲晶層之應變。； 如可加以調整壓力以及N Η 3流動速率以降低及/或控制由 GaN蟲晶層成長所產生的應力與蠻曲。 針對壓力控制之其他才支術係载述於經一般讓渡之美國專 利第 6,841，〇〇1 號。 圖26以及27闡明根據本發明晶圓之若干最佳（即，最低 幅度）彎曲以及扭曲特性。圖26係以微 對於晶圓計數之以幅度關，並針對該等⑽ 予以閣明’而平均f曲係小於31微米’以及標準偏差係小 於26微米。當視為複數個時，該#1〇〇毫米晶圓之群組的 至少百分之75具有小於57微米之彎曲。 圖27就扭曲而言闡明若干相似結果。如同其中所載述， 針對至少15個之複數個晶圓，平均扭曲係小於37微米，以 及標準偏差係小於29微米。該等100毫米晶圓之至少百分 之75具有小於66微米的扭曲。 針對异膜（例如二族氮化物約6微米），彎曲幅度為2 4微 米’且總扭曲為28微米，此係藉由控制於氮化鋁成核層上 之初始氮化鎵成長條件以有意地降低壓縮應力而達成。針 對較薄之膜（例如三族氮化物約2微米），彎曲幅度為2微 米’且總扭曲為5微米’此係藉由控制於氮化鋁成核層上 之初始氮化鎵成長條件以有意地降低壓縮應力而達成。於 獲得該等結果之情況中，所使用之該等丨〇〇毫米直徑矽碳 化物基板厚度係約〇.6毫米。 110241.doc 1323943 ㈣，於本發明之另一方面係—1〇〇毫米或一具有一或 多個具有小於刚微米之扭曲的三族氣化物層沉積於其上 ‘之更大石夕碳化物晶圓。於若干特殊具體實施例中，該石夕碳 丨化物晶圓厚度可係小於】毫米，且該(等)氮化物層之總厚度 係大於1微米。於其他若干具體實施例中，該晶圓與層展 現^於50微米之扭曲，而於其他若干具體實施例中係小於 25微米’又於其他右干具體實施例中係小於1 〇微米，以及 Φ 於部分具體實施例中係小於五微米。 另一方面，本發明係一〗〇〇毫米或一具有一（或多個）具 有小於100微米之彎曲的三族氮化物層沉積於其上之更大 =碳化物晶圓。於若干範例型具體實施例中，财碳化物 晶圓厚度可係小於！毫米，且該（等）三族氮化物層之厚度係 大於1微米。於其他若干具體實施例中，該晶圓與所沉積 之蟲晶層展現小於50微求之彎曲，而於其他若干具體實施 ::】中係小於25微米’又於其他若干具體實施例中係小於1〇 微米，以及於部分具體實施例中係小於5微米。 更明確地說，晶圓以及具有脊曲小於25微来之所沉積的 蟲晶層可藉由厚度小W毫米且該氮化物層厚度大於5微米 之矽碳化物晶圓而實現。於部分具體實施例中，晶圓以及 具有彎曲小於5微米之所沉積的磊晶層可藉由矽碳化物厚 度】、於1毫米且該氮化物層之總厚度大於丨微米之晶杏 合-般而言，針對具有給定量之應力的膜，晶圓的彎曲 會隨晶圓直徑與膜之厚度而增加’而會隨基板厚度而減 11024].dO) •24· a在圖式及說明t中已載述本發明的較佳具體實施例，儘 吕已採用衫的術語，其係從通用及說明的角度而言，而 並非為了限制本發明，本發明的料已予以定義在申請專 利範圍中。 【圖式簡單說明】 圖1係根據本發明之半導體結構的斷面示意圖。 圖2係根據本發明之半導體晶圓以及電晶體先驅物的示 意性斷面圖。 圖3係根據本發明之晶圓的薄片電阻映射。 圖4至11係根據本發明之晶圓的薄片電阻等高映射。 曰圖12、13、14、14Α、15、15Α、16及Ι6Α係根據本發明 日曰圓之多種電子特性的點資料。 圖1 7係；^跨數個晶圓中薄片電阻率結果圖，其包括分位 數表。 圖18係晶圓邊緣與晶圓中心三族氮化物厚度相比所得之 比率圖’其包括分位數表。 圖19係類似於圖18之長條圖以及分位數表，然其所標明 的卻疋Β日圓邊緣對晶圓中心紹之百分比的比率。 圖20以及21係根據本發明成長於1〇〇毫米基板上之電晶 體先驅物的鋁莫耳分率映射。 圖22以及23係根據本發明成長於丨〇〇毫米基板上之電晶 體三族氮化物阻障厚度圖。 圖24係晶圓計數相對於鋁之百分比標準偏差的長條圖。 圖25係晶圓計數相對於厚度之百分比標準偏差的長條 I10241.doc •25- 1323943 圖 圖 圖26係晶圓計數相對於單位 圖27係 晶圓計數相對於單位為 【主要元件符號說明】 30 半導體先驅物 31 基板 32 成核層 33 第一三族氮化物磊晶層 34 第二三族氮化物磊晶層 35 二維電子氣體（2DEG) 36 第三三族氮化物磊晶層 40 半導體結構 41 半絕緣基板 42 三族異質結構 43 蟲晶層 44 蟲晶層 45 源極接觸 46 汲極接觸 47 閘極接觸 50 二族氮化物成核層 51 源、極、汲極斑Pd炻技赴愈 110241.doc 間層 -26-

Claims (1)

1323943 - 第095Π2665號專利申請案 _文申凊專利範面替換本(99年】月）厂曰 十、申請專利範園： I. 一種半導體結構，其包含： -石夕碳化物基板’其具有直後至少ι〇〇毫来; -三族氮化物異諸構，其係於該基板上·以及 該異質結構之特徵係以下至少其中之一： 、橫跨該晶时之薄^阻率的標準偏差小於百分之: 或橫跨該晶圓之電子遷移率的標準偏差小於百分之3。 籲2.如明求項】之半導體結構，其中該石夕碳化物係半絕緣。 3如吻求項1之半導體結構，其係具有約3〇〇歐姆/平方之平 均薄片電阻率。 4.如請求項！之半導體結構，其係具有每平方不大於似歐 姆之最大薄片電阻率。 5·如請求们之半導體結構’其中該異質結構包含於該基 板上之一氮化鋁鎵磊晶層；該氮化鋁鎵層具有橫跨該 1 〇 〇宅米結構中不大於約百分之15的薄片電阻率標準偏 差° 月求項1之半導體結構，其中該三族異質結構係由至 少二磊晶層所形成，其中該二磊晶層於組成物中係足夠 地不同’以於其介面產生二維電子氣體； 該結構進一步包含與該異質結構處於導電關係之複數 個個別源極、汲極與閘極接點。 7.如請求項6之半導體結構，其中該|質結構包含該基板 上之一氮化鎵層，以及於該氮化鎵層上之—氮化鋁鎵 層。 110241-990105.doc 1323943 8. 如請求項1之半導體結構，其中該等異質結構層之組成 物足夠地不同，以於該第一與第二層間之介面產生二維 電子氣體； 該先驅物結構具有橫跨該100毫米結構中不大於約百 分之一之薄片電阻率標準偏差。 9. 如請求項8之半導體結構，其中該矽碳化物基板係自矽 碳化物之3C、4Η、6Η以及15R等多體型中選定之多體型 早晶。 10. 如請求項8之半導體結構，其包含於該第二層上之一第 三三族氮化物磊晶層，以提升該二維電子氣體中之電子 遷移率。 11，如請求項1之半導體結構，其顯示橫跨該晶圓中載子密 度之標準偏差小於3.3%。 12. 如請求項U之半導體結構，其係具有約9E12 cm·2之載子 密度。 13. 如請求項1之半導體結構，其包含： 一含铭之二族氮化物蟲晶層；以及 該二族氮化物層，其具有至少〇9之最小對最大鋁含量 之比率。 . 14. 一種複數個矽碳化物晶圓，其併入請求項13之結構： 一 A1GaN阻障層，其作為每-該晶圓之頂部表面；以及 該等晶圓，其具有約〇2間之於該〜㈣阻障 層中铭百为比邊緣對中心的比率；以及 該等晶圓之75%具有至少〇 8之該A1GaN阻障層最小對 110241-990105.doc 最大厚度的比率。 15· —種半導體結構，其包含·· 一三族氮化物磊晶層，其係選自由於一相容基板上之 氮化鎵以及氮化鎵鋁所構成之群組； 該三族氮化物層，其具有直徑至少1〇〇毫米；以及 該三族氮化物層，其具有至少〇 8之最小對最大厚度之 比率。 16. —種半導體結構，其包含： 一矽碳化物晶圓，其具有至少約1〇〇毫米之直徑； 一族氮化物層，其係於該矽碳化物晶圓上，且其具 有實質上與該矽碳化物晶圓相同之直徑；以及 該阳圓以及磊晶層，其具有小於丨〇〇微米之扭曲。 17· —種半導體結構，其包含： 矽碳化物晶圓，其具有直徑至少丨〇〇毫米； —私氮化物磊晶層，其係於該矽碳化物晶圓上，且 具有實質上與該晶圓相同之尺寸；以及 該曰曰圓以及磊晶層’其具有小於100微米之彎曲。 18·如請求項16或請求項17之半導體結構，纟中該蠢晶層具 有；1微米之厚度，以及該石夕碳化物晶圓纟有小於工毫 米之厚度。 19·種匕3複數個1〇〇毫米晶圓的晶圓組每個該晶圓包 含： 3鋁之二族氮化物磊晶層其係於一相容基板上； 以及 110241-990105.doc 1323943 該三族氮化物層，其具有直徑至少100毫米； 其中至少百分之75的該等晶圓顯示該三族氮化物層的 厚度標準偏差小於百分之7.2。 20. 如請求項19之晶圓組，其中該基板包含矽碳化物。 21. —種於半導體基板上若干三族氮化物層之磊晶成長的方 法，其運用與金屬有機化學汽相沉積一致之源極氣體， 該提升包含： 成長由二三族氮化物磊晶層所形成之一異質結構，其 中忒_二族氮化物磊晶層於組成物中彼此互相足夠地不 同，以在含最少量氫氣之環境中以及在直徑至少1〇〇毫 米之基板上，於其介面產生二維電子氣體。 22. 如請求項21之#法，纟包含於一半絕緣基板上成長該異 質結構。 23. 如請求項21之方法，其包含成長一異質結構： 一氮化鎵之磊晶層，其係於該基板上；以及 一 AlxGa〗.xNi磊晶層，其中於該氮化鎵層上，。 24. 如請求項21之方法，其包含運用三甲基鎵、三甲基銘以 及氨作為源極氣體，以成長該異質結構。 25·如請求項24之方法’其包含運用石夕烧作為句 以供於該異f結構中摻雜該氮化㈣蟲晶層。 26·如請求項21之方法，其包含於碳化物基板 成長δ玄異質結構。 27.如請求項23之方法，盆推 ^ ^ ^ 爲止… 一步包含於成長該氮化鎵蟲 層之步驟則，在該基板上成長一成核層的步驟。 】10241-990】05.doc