TWI426162B - 製備用於生長氮化鎵的基底和製備氮化鎵基底的方法 - Google Patents
製備用於生長氮化鎵的基底和製備氮化鎵基底的方法 Download PDFInfo
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Description
本發明是有關於一種由氮化鎵(gallium nitride,GaN)或鎵和其他金屬的氮化物形成的單晶層和一種用於形成所述單晶層的方法。以及，本發明是有關於一種用於製備在製造包含單晶層的電子或光電裝置(photo－electronic devices)中所使用的基底的方法。本發明是有關於在基底上形成基於氮化物的半導體材料層的技術領域，且特別是有關於製備用於形成高品質的基於氮化物的半導體層的基底的技術領域。
基於III族元素或V族元素的氮化物的半導體已經在電子和光電領域中佔有重要地位，且其將越來越重要。實際上，基於氮化物的半導體可應用的領域相當廣泛，從鐳射二極體(laser diode,LD)到在高頻率和高溫度下操作的電晶體。基於氮化物的半導體還可用於紫外光檢測器(ultraviolet photo－detectors)、表面聲波檢測器(surface acoustic wave detectors)和發光二極體(light emitting diodes)。
明確地說，氮化鎵以其在藍色發光二極體和高頻高溫電晶體中的可用性著稱。然而，目前廣泛地研究將其應用於微電子裝置。如本文中所使用，氮化鎵包含氮化鎵合金，例如氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride,AlGaN)、氮化銦鎵(indium gallium nitride,InGaN)和氮化鋁銦鎵
(aluminum indium gallium nitride,AlInGaN)。
在製造氮化鎵微電子裝置的過程中，生長具有低缺陷密度的氮化鎵層相當重要。已知產生缺陷的原因之一是基底，也就是用以生長氮化鎵的基底。然而，難以製備沒有缺陷的氮化鎵基底或用於生長氮化鎵的基底。由於氮化鎵難以熔化，所以例如丘克拉斯基(Czochralski)方法等典型方法(其中從熔化物生長晶體)不能用於生產用於所述基底的氮化鎵單晶體。當然，氮化鎵可在極高壓力下熔化，然而由於低生產率的緣故，目前還無法用於商業用途。
因此，在此類裝置中，最常用於生長氮化鎵層的是藍寶石基底(sapphire substrate)，其次是碳化矽(silicon carbide,SiC)基底。然而，藍寶石是電絕緣體和不良熱導體，且碳化矽較昂貴且品質不一。
因此，已提議將矽用作藍寶石和碳化矽的替代物。當然，與藍寶石和碳化矽相比，矽在經濟和技術上更具吸引力。明確地說，矽是良好熱導體且可易於移除。另外，以矽用作基底材料能夠實現低成本批量生產(low cost mass production)。這是因為已經開發出一種基於矽的技術系統，其可在工業規模中受到完美控制，且可以比藍寶石基底和碳化矽基底低得多的成本製造矽基底。然而，矽與氮化鎵在晶格常數和熱膨脹係數上具有較大的差異，故氮化鎵難以在矽基底上生長。
最近，外延橫向過生長(epitaxial lateral overgrowth,ELO)是廣泛用於生長用以決定內量子效率(internal
quantum efficiency)的高品質氮化鎵層。目前，所述ELO方法藉由均相外延(homoepitaxy)來製造高速裝置，例如藍色鐳射二極體(blue laser diodes)、紫外鐳射二極體(ultraviolet laser diodes)、高溫/高功率裝置、高電子移動性電晶體(high electron mobility transistor,HEMT)和異質結雙極電晶體(hetero－junction bipolar transistor,HBT)。
在典型的ELO方法中，使用條帶狀二氧化矽(silicon dioxide,SiO2)罩幕來減少基底與氮化鎵層之間的晶格失配和熱膨脹系統差異所造成的應力。下文將參看圖1描述典型的ELO方法，圖1繪示用於根據典型的ELO方法生長氮化鎵的基底的橫截面圖。
在典型的ELO方法中，於熔爐中在基底1上生長氮化鎵層2。接著，從熔爐中取出基底1。於沉積設備中在氮化鎵層上沉積二氧化矽之後，從沉積設備中取出基底1。使用微影技術(photolithography technique)對二氧化矽層進行圖案化，以在氮化鎵層2上形成二氧化矽罩幕3，且接著再次將基底1放置在熔爐中，使得在氮化鎵層2上生長ELO氮化鎵層4。
ELO氮化鎵層4的在二氧化矽罩幕3上方橫向生長的一部分與縱向生長部分相比具有相對較高的品質。這是因為例如位錯(dislocations)等缺陷難以散佈至橫向生長部分。因此，通過在ELO氮化鎵層4的在二氧化矽罩幕3上方橫向生長的部分中形成裝置，可獲得優良特性。
然而，所述ELO方法需要上述複雜過程，例如用於形
成二氧化矽罩幕的額外外部過程，從而增加了製程時間和製程成本。另外，最近，隨著使用多個二氧化矽罩幕來改進並放大ELO的功能，形成二氧化矽罩幕和生長氮化鎵層的過程的數目也相應增加。因此，這可導致製程成本、過程複雜性、時間損耗和經濟損耗增加，且因此導致降低產量。
本發明提供一種藉由改良的外延橫向過生長(epitaxial lateral overgrowth,ELO)來製備用於生長氮化鎵的基底和氮化鎵基底的簡單且經濟的方法。
根據示範性實施例，所述用於製備用於生長氮化鎵的基底和氮化鎵基底的方法包含：對矽基底的表面執行熱清潔；以原位方式在矽基底的表面上形成氮化矽(silicon nitride,Si3N4)微罩幕；以及使用微罩幕中的開口通過外延橫向過生長(epitaxial lateral overgrowth,ELO)而生長氮化鎵層。
所述用於製備氮化鎵基底的方法更包含：通過中斷氮化鎵層的生長而獲得氮化鎵基底；將上面生長氮化鎵層的矽基底從熔爐中取出；以及移除所述基底和所述微罩幕。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
下文將參看附圖詳細描述具體實施例。然而，本發明
可以不同形式實施且不應解釋為限於本文所陳述的實施例。而是，提供這些實施例以使得本發明將為徹底且詳盡的，並且將本發明的範圍全面傳達給所屬領域的技術人員。在附圖中，為了清楚說明而誇示元件的形狀，且相同參考數位始終指代相同元件。所屬領域的技術人員將瞭解，當本文中將例如層等元件稱為位於其他元件“上方/下方”時，所述元件可直接位於其他元件上方/下方，且也可存在一個或一個以上介入元件。
圖2是說明根據示範性實施例的用於製備用於生長氮化鎵的基底和氮化鎵基底的方法的流程圖。圖3是根據示範性實施例製備的基底的橫截面圖。
在操作S1中，將矽基底10放置在用於生長氮化鎵的熔爐中，以對矽基底10的表面執行熱清潔，如圖2和圖3所示。
執行熱清潔，以從基底10移除厚度為數埃到幾十埃的天然形成的二氧化矽層。通常在高於約1,000℃的高溫下執行熱清潔並持續數分鐘到幾十分鐘。如此一來，基底10上的不飽和鍵終止於矽，使基底處於適合後續薄層生長的狀態中。
此後，在操作S2中，仍然在熔爐中(即，以原位方式)在基底10上形成氮化矽(silicon nitride,Si3
N4
)微罩幕30。
更詳細地說，在熔爐中向基底10的表面施加氨氣(ammonia,NH3
)，使得氨氣與基底10反應以形成氮化矽
層。用於形成氮化矽層的條件可與操作S1的條件相同或不同。舉例來說，所述溫度可與操作S1的溫度相同，略微高於其(例如，高約30℃)，或略低於其(例如，低約30℃)。
此後，向熔爐中施加氫氣(hydrogen,H2)，以對基底10執行氫氣清潔。氮化矽層非常薄，且其表面非常粗糙。施加到氮化矽層表面的氫氣優先蝕刻氮化矽層中的弱連接(例如，具有相對較小厚度或相對較低結合強度的部分)。因而，蝕刻氮化矽層的某些部分以形成開口。
由氫氣蝕刻形成的這些開口是隨機分佈的。可通過改變清潔時間、溫度和壓力來控制所述開口的深度。舉例來說，可在略低於操作S1的溫度(例如低約30℃)的溫度下形成氮化矽層，且在略高於操作S1的溫度(例如，高約30℃)的溫度下執行氫氣清潔。
可在等於或者略高於或低於用於執行熱清潔的操作S1的溫度的溫度下執行用於形成微罩幕30的操作S2。因此，考慮到在較高溫度(通常高於約1,000℃)下執行操作S1，可在約1,000℃的溫度下，尤其在從約900℃到約1,100℃的溫度範圍內執行用於形成微罩幕30的操作S2。如果操作S2的操作溫度低於900℃，那麼難以形成氮化矽層，且如果操作溫度高於1,100℃，那麼維持高溫度的成本將過大。
可根據需求而重複執行氨氣施加和氫氣清潔。在施加氨氣以重新生長氮化矽層之後，存在開口的部分具有比其
他部分小的厚度。因而，在後續氫氣清潔中，相對薄的部分再次受到蝕刻。因此，通過重複氨氣施加和氫氣清潔，可控制所述開口的大小且同時維持其位置。也就是說，通過控制氨氣施加和氫氣清潔的次數，開口大小等可得以控制。此處，重複氨氣施加和氫氣清潔是可選的。
圖4和圖5是根據示範性實施例形成的微罩幕的光學顯微鏡圖像。根據上述操作S2形成微罩幕。此處，在操作S2期間，將溫度控制為與操作S1的溫度相同。
以200的放大倍率獲得圖4，且以100的放大倍率獲得圖5。如圖4和5所示，以原位方式形成具有預定大小的開口的微罩幕。
此後，在操作S3中，使用微罩幕30的開口通過外延橫向過生長(epitaxial lateral overgrowth,ELO)生長氮化鎵層40。可通過金屬有機化學汽相沉積(metal－organic chemical vapor deposition,MOCVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)、氫化物汽相外延(hydride vapor phase epitaxy,HVPE)等生長氮化鎵層40。
MOCVD可包含向基底10的表面施加包含鎵(gallium,Ga)的金屬有機(metal organic,MO)源，例如三甲基鎵(trimethyl gallium,TMGa)、三乙基鎵(triethyl gallium,TEGa)和氯化鎵(gallium chloride,GaCl3
)，並向其施加含氮氣體，例如氮氣(nitrogen,N2
)、氨氣和叔丁胺(tertiarybutylamine,N(C4
H9
)H2
)。依次施加MO源和含氮氣體，然而在氮化鎵生長到預定厚度以上之後，可同時
施加所述MO源和含氮氣體。此處，氮氣可用作運載氣體。
可根據基底10的種類來決定首先施加MO源或含氮氣體。一般來說，以矽基底而言，為了防止形成氮化矽，首先施加MO源以將其塗覆在基底10上，且接著施加例如氨氣等含氮氣體。
然而，對於典型的藍寶石基底，首先施加例如氨氣等含氮氣體，使得藍寶石基底中的鋁與含氮氣體中的氮反應以形成薄氮化鋁(aluminum nitride,AlN)緩衝層(中間層)。此後，向其施加MO源。
如上文所述，在典型方法中，在生長氮化鎵的早期階段中施加氨氣，可在基底上形成非晶或多晶氮化矽，從而降低薄層的品質。然而，根據示範性實施例，隨後在高溫熱清潔後或其期間施加氨氣以形成用作罩幕的氮化矽。
另外，可使用在約1,000℃到約1,100℃的溫度和約1 atm的壓力下執行的HVPE來生長氮化鎵層40。HVPE是一種汽相外延。在HVPE中，向基底10施加氣體以通過氣體反應來生長晶體。將含有鎵的容器放置在熔爐中且接著在容器周圍用加熱器加熱以熔化所述鎵。熔化的鎵與氯化氫(hydrogen chloride,HCl)反應，以產生氯化鎵(gallium chloride,GaCl)氣體。所述氯化鎵氣體與氨氣反應以形成氮化鎵。通過HVPE，可以約100 μm/hr的高生長速率生長較厚的層，從而提供高生產率。
氮化鎵層40的成核和生長選擇性地在所述開口中發生。此後，由於ELO的緣故，橫向生長前端在微罩幕30
上方彼此接合，且接著，氮化鎵層40進一步向上延伸。如此，可形成厚度大於約100 μm的較厚的層。所得氮化鎵層具有良好品質且沒有裂縫。顯然，隨著氮化鎵層40變厚，其結構、光學和電特性得以改進。
上面生長氮化鎵層40的基底10可用於製造基於氮化物的光學裝置和電子裝置，因為其包含較厚且沒有裂縫的氮化鎵層40。明確地說，當使用MOCVD時，通常可在基底10上生長厚度為約1μm到約3 μm的裝置級氮化鎵層，以用於製造基於氮化物的光學裝置和電子裝置。
然而，當使用例如HVPE等整體生長方法時，氮化鎵層40可生長為約100 μm以上的厚度。因此，可在操作S4中通過以下步驟獲得獨立式氮化鎵基底：中斷氮化鎵的生長；將上面生長氮化鎵層40的基底10從熔爐中取出；使用例如蝕刻和拋光等物理/化學方法移除基底10和微罩幕30，使得只留下氮化鎵層40。另外，通過使用微罩幕30作為物理和機械弱點，可易於通過僅向其施加物理和機械力來將基底10與氮化鎵層40分離，而不需要例如蝕刻和拋光等複雜過程。
根據示範性實施例，可省略典型的ELO方法中的用於製備複雜的二氧化矽罩幕的過程。另外，可在整個過程中以原位方式執行ELO方法，即不需要將基底從用於生長氮化鎵的熔爐中取出。因此，示範性實施例不僅提供原位加工的優點，而且避免製備二氧化矽罩幕的複雜過程所造成的經濟效應。因而，可減少製程時間和製程成本，且還可
由於簡化的過程而增加產量。
明確地說，通過使用矽基底，可製造甚至大於12英寸的大晶片，且因此能夠進一步減少加工成本且顯著擴大氮化鎵裝置的應用範圍。
雖然已經參看具體實施例描述了用於製備用於生長氮化鎵的基底的方法和用於製備氮化鎵基底的方法，但其不限於此。因此，所屬領域的技術人員將容易理解，可在不脫離由所附權利要求書界定的本發明精神和範圍的情況下對其進行各種修改和改變。舉例來說，雖然已經在示範性實施例中描述了矽基底和氮化矽微罩幕，但本發明不限於此。也就是說，基底可以是任何適於生長氮化鎵的單晶基底。舉例來說，基底可以是藍寶石單晶基底、砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)單晶基底、尖晶石單晶基底、磷化銦(indium phosphide,InP)單晶基底、碳化矽單晶基底或氮化鎵單晶基底。此外，可用薄氮化鎵緩衝層覆蓋這些單晶體。此處，通過在不脫離由所附權利要求書界定的本發明精神和範圍的情況下簡單地修改所述實施例，所屬領域的技術人員可容易解釋用於將根據基底材料以原位方式形成在基底上的微罩幕的材料。
在說明書和附圖中，已經陳述了本發明的示範性實施例，已通過實例方式而非限制方式包含所述實施例。本發明的範圍並非由詳細描述界定而是由所附權利要求書界定，且所述範圍內的所有差異將被解釋為包含在本發明中。
1‧‧‧基底
2‧‧‧氮化鎵層
3‧‧‧二氧化矽罩幕
4‧‧‧ELO氮化鎵層
10‧‧‧矽基底
30‧‧‧微罩幕
40‧‧‧氮化鎵層
S1、S2、S3、S4‧‧‧步驟
圖1是根據典型ELO方法生長氮化鎵的基底的橫截面圖。
圖2是說明根據示範性實施例的用於製備用於生長氮化鎵的基底和氮化鎵基底的方法的流程圖。
圖3是根據示範性實施例製備的基底的橫截面圖。
圖4和圖5是根據示範性實施例形成的微罩幕的光學顯微鏡圖像。
S1、S2、S3、S4‧‧‧步驟
Claims (6)
- 一種製備用於生長氮化鎵的基底的方法，包括：對矽基底的表面執行熱清潔；藉由在所述矽基底的所述表面上施加氨氣以原位方式在所述矽基底的所述表面上形成氮化矽薄層，以及藉由對所述氮化矽薄層的表面施加氫氣以蝕刻具有相對較小厚度的所述氮化矽薄層的部分，以原位方式在所述矽基底的所述表面上形成具有開口的氮化矽微罩幕，其中所述矽基底的所述表面經由所述開口暴露；以及使用所述微罩幕中的所述開口通過外延橫向過生長(ELO)而生長氮化鎵層。
- 如申請專利範圍第1項所述之製備用於生長氮化鎵的基底的方法，其中執行所述熱清潔的方法包括移除所述矽基底的所述表面上的天然氧化物層。
- 如申請專利範圍第1項所述之製備用於生長氮化鎵的基底的方法，其中形成所述氮化矽微罩幕的方法為重複執行以下步驟：藉由在所述矽基底的所述表面上施加氨氣，以在所述矽基底的所述表面上形成所述氮化矽薄層；以及對所述氮化矽薄層的所述表面施加氫氣，以蝕刻具有相對較小厚度的所述氮化矽薄層的部分。
- 如申請專利範圍第3項所述之製備用於生長氮化鎵的基底的方法，其中在介於約900℃到約1,100℃的溫度範圍內形成所述氮化矽微罩幕。
- 如申請專利範圍第1項所述之製備用於生長氮化鎵的基底的方法，其中生長所述氮化鎵層的方法包括：向所述矽基底的所述表面施加含有鎵的金屬有機源；以及向所述矽基底的所述表面施加含氮氣體。
- 一種用於製備氮化鎵基底的方法，包括：對矽基底的表面執行熱清潔；藉由在所述矽基底的所述表面上施加氨氣以原位方式在所述矽基底的所述表面上形成氮化矽薄層，以及藉由對所述氮化矽薄層的表面施加氫氣以蝕刻具有相對較小厚度的所述氮化矽薄層的部分，以原位方式在所述矽基底的所述表面上形成具有開口的氮化矽微罩幕，其中所述矽基底的所述表面經由所述開口暴露；使用所述微罩幕中的所述開口通過外延橫向過生長而生長氮化鎵層；以及通過中斷所述氮化鎵層的所述生長、將上面生長有所述氮化鎵層的所述矽基底從熔爐中取出並移除所述基底和所述微罩幕，以獲得所述氮化鎵基底。
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