專利名稱：雙處理半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外延膜的生長。本發(fā)明也涉及在基片上生長緩沖層和在緩沖層上生長外延膜。本發(fā)明還涉及通過一種以上生長工藝外延淀積異質(zhì)結(jié)。本發(fā)明還涉及生長氮化鎵和有關(guān)材料外延膜的兩級(jí)處理或雙處理。
按照生長較高質(zhì)量GaN膜的現(xiàn)有技術(shù)方法，相對(duì)厚的中間材料層先生長在基片上作為緩沖層，然后，GaN層生長在緩沖層上。直接生長在藍(lán)寶石基片上的GaN層中的缺陷主要是由于基片和GaN之間的內(nèi)原子間隔(晶格常數(shù))和熱擴(kuò)散的系數(shù)(CTE)引起的。因此，如果緩沖層具有晶格常數(shù)并且CTE接近GaN的CTE，則GaN(頂層)層將具有較少的缺陷，其質(zhì)量將是較好的。高質(zhì)量GaN層對(duì)于電子和光電子器件是必須的。滿足所要求的晶格常數(shù)和CTE標(biāo)準(zhǔn)的材料是氮化鋁(AlN)。
在緩沖層上具有GaN層的制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)方法已經(jīng)對(duì)兩層使用了相同的生長技術(shù)。例如，兩層半導(dǎo)體(AlN緩沖層和GaN層)可由金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積生長。在這個(gè)技術(shù)中，氨氣(NH3)與含有鋁或鎵的金屬有機(jī)化合物反應(yīng)，例如，三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)。在高溫狀態(tài)下反應(yīng)發(fā)生在基片的附近，并有固狀生成物(GaN或AlN)沉積在基片上。但是，這種技術(shù)不僅昂貴，反映速度也很慢。具體地說，金屬有機(jī)源材料很貴，它們只能以很低反應(yīng)速率傳遞到基片上。
目前流行的生長如GaN相對(duì)厚層的現(xiàn)有技術(shù)是HVPE。在這種方法中，生長歸因于一氯化鎵(GaCl)和氨之間的高溫汽相反應(yīng)的繼續(xù)。從標(biāo)準(zhǔn)氣源供給氨，而GaCl是由氯化氫氣體通過液體鎵產(chǎn)生的。使用這種方法，可以相對(duì)快地和廉價(jià)地生長GaN。此外，快速率生長GaN可以產(chǎn)生具有較少缺陷密度的層。
但是，由于供給氯化鋁的困難，不能使用HVPE有效的生長AlN緩沖層。(例如，擋HCl通過Al金屬時(shí)，AlCl立刻凝固，沒有形成在基片上)因此，AlN層必須由不適HVPE的技術(shù)生長，例如，使用MOCVD。
上述用于淀積AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點(diǎn)由本發(fā)明獲得了解決，其中，緩沖層(如AlN)和外延層(如GaN)使用不同的技術(shù)生長，后面將詳細(xì)進(jìn)行描述。
發(fā)明簡述如上所述，本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和制作該結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供兩級(jí)處理。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是通過在緩沖層上生長外延氯化物層制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并使用不是HVPE的其它技術(shù)淀積緩沖層。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是提供生長半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，其中，緩沖層首先由金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積生長在基片上，隨后，外延層由氫化物汽相外延法生長在緩沖層上。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是提供形成在由MOCVD形成的基片上的外延氯化物層。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供一種利用兩個(gè)不同淀積過程制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，其中，每一次處理對(duì)淀積的材料都是最佳化的。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)提供了在MOCVD形成的緩沖層上由HVPE形成外延層。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)提供了形成適于電子和光電子器件形成外延氯化層有效的方法。
由制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的本發(fā)明方法步驟完成的這些以及其它主題、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)包括步驟a)提供基片；b)在基片上形成緩沖層，以形成緩沖層基片；c)在緩沖層上形成覆蓋層；d)在覆蓋層上形成外延層，其中，緩沖層由MOCVD、MBE或其它適用的CVD技術(shù)形成，外延層由HVPE或其它適用技術(shù)形成。
由制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的本發(fā)明步驟完成的這些以及其它主題(目的)、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)包括緩沖層，所述緩沖層由MOCVD形成；外延層淀積在所述緩沖層上，所述外延層由HVPE形成。
按照本發(fā)明方法準(zhǔn)備外延層的步驟實(shí)現(xiàn)的這些以及其它主題、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)包括步驟a)由MOCVD、MEB或其它適用的CVD技術(shù)在基片上形成緩沖層；b)在緩沖層上形成覆蓋層；c)由氫化物汽相外延在覆蓋層上形成外延層。
本發(fā)明的這些以及其其它主題、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將在下面的描述中闡述，通過下面的解釋，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)清楚，或從本發(fā)明的實(shí)施了解?？蓮乃綑?quán)利要求指出的獲得和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)選實(shí)施例的具體實(shí)施方式
作為舉例的目的，所述的發(fā)明主要涉及在AlN緩沖層上淀積GaN外延層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造，其中采用MOCVD淀積所述外延層。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明也適用于不是GaN的材料的淀積，以及不是MOCVD技術(shù)的緩沖層的淀積。
現(xiàn)在參考附圖，

圖1表示本發(fā)明的第一次淀積處理中適于在基片上至少淀積緩沖層的MOCVD系統(tǒng)6的示意圖。按照本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例，也可以使用系統(tǒng)6在緩沖層上淀積覆蓋層2(圖3A-3D)。圖1圖示的MOCVD系統(tǒng)是(現(xiàn)有技術(shù)中)公知的系統(tǒng)。簡單地說，系統(tǒng)6包括容器8，容器8的一部分至少由加熱單元16環(huán)繞。排列在容器8中的基片14由加熱單元16加熱。氨從標(biāo)準(zhǔn)氣源13提供。把基本上是氮或氫的載氣17通到包含在起泡器15中供給的金屬-有機(jī)化合物的液體，供給金屬-有機(jī)化合物的蒸汽。金屬-有機(jī)化合物是呂或包含金屬-有機(jī)化合物的鎵，例如，三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)。加熱金屬-有機(jī)化合物，調(diào)節(jié)載氣17的流動(dòng)，以提供使金屬-有機(jī)化合物的蒸汽飽和的氣流。氨和金屬-有機(jī)化合物的蒸汽被引入容器8。由于金屬-有機(jī)化合物與氨氣的高溫汽相反應(yīng)，AlN或GaN的淀積發(fā)生在基片14的表面。實(shí)際上，對(duì)于淀積AlN(例如，圖3B的緩沖層2)，在起泡器15中的金屬-有機(jī)(或有機(jī)-金屬)化合物是包含有機(jī)-金屬的鋁，而對(duì)淀積GaN(例如，圖3C的覆蓋層3)，在起泡器15中的金屬-有機(jī)(或有機(jī)-金屬)化合物是包含有機(jī)-金屬的鎵。
圖2表示本發(fā)明的第二次淀積處理中適于在緩沖層2或覆蓋層3上形成外延層4的MVPE系統(tǒng)18的示意圖(圖3B-3D)。在第二次淀積處理中適于形成外延層的HVPE系統(tǒng)(例如18)是現(xiàn)有技術(shù)中公知的技術(shù)。簡單地說，系統(tǒng)18包括生長管或具有壁23、進(jìn)口22、出口19的反應(yīng)器21，以及GaCl傳送系統(tǒng)26。系統(tǒng)18可以整個(gè)放在比如爐子24的熱源內(nèi)。在加熱的基片上的外延淀積通過源或引入反應(yīng)器24的試劑氣體的汽相反應(yīng)繼續(xù)下去。例如，如一氯化鎵和一氯化銦的試劑氣體可以通過反應(yīng)組件26向基片14噴射，而氨可以通過反應(yīng)器進(jìn)口22引入生長管21。如GaCl的試劑氣體可以在高溫下把HCl通過液體金屬(如鎵)形成在反應(yīng)組件26內(nèi)。氣體流動(dòng)的方向如箭頭5所示。試劑氣體(例如，GaCl和InCl)與生長管21內(nèi)的氨反應(yīng)，形成淀積在基片14上的各自的氮化物、GaN和InN。
HVPE是比MOCVD更為劃算的GaN淀積技術(shù)，MOCVD技術(shù)需要昂貴的金屬-有機(jī)試劑和用于每一試劑源的多溫度裝置。此外，與MOCVD系統(tǒng)比較，使用HVPE系統(tǒng)可以獲得氮化物外延層的更大的生長率。這是因?yàn)樵贖VPE系統(tǒng)中，Ga可以較快地供給到基片。圖3A、3B、3C、3D表示本發(fā)明制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的階段。圖3A表示基片1。一般說來，適于制造半導(dǎo)體器件的材料是公知的。但是，按照本發(fā)明，基片1最好是如藍(lán)寶石、硅、碳化硅、砷化鎵、氧化鋅、氧化鎂之類的材料。
圖3B表示形成在基片1上的緩沖層2。按照本發(fā)明，緩沖層由MOCVD、化學(xué)蒸汽淀積(CVD)或分子束外延形成在基片1上。每一種技術(shù)都是公知的。緩沖層2可以淀積在基片1上，其厚度為1.0毫微米-1.0微米。按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，緩沖層2由MOCVD形成在基片1上。緩沖層2最好包括AlN、GaAlN、InGaN或GaN。
圖3C表示形成在緩沖層2上的覆蓋層3。按照本發(fā)明，覆蓋層3由MOCVD、CVD或MBE形成在緩沖層2上。按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，覆蓋層3由MOCVD形成在緩沖層2上。覆蓋層3最好用與形成緩沖層2相同的處理和系統(tǒng)形成，除了在起泡器15內(nèi)使用不同的有機(jī)-金屬試劑之外。覆蓋層3最好以連續(xù)的方式形成在緩沖層2上，以消除緩沖層2的表面降解。
覆蓋層3最好包括元素周期表中的III、IV或V族元素的氯化物。覆蓋層3最好包括GaN。覆蓋層3用于保護(hù)緩沖層2的降解，并保護(hù)從MOCVD系統(tǒng)6的容器8移出時(shí)暴露給大氣(圖1)。覆蓋層3可以淀積在緩沖層2，其厚度為1.0毫微米-1000毫微米。在提供惰性氣氛(如干燥無氧)的情況下，覆蓋層3是不必要的。
圖3D表示形成在緩沖層2上的外延層4。外延層4具有與覆蓋層3相同的成分(圖3C)，因此，覆蓋層3可以與外延層4合并或混合在一起。但是，覆蓋層3由MOCVD、CVD或MBE形成，而外延層4由HVPE形成(例如，使用圖2的系統(tǒng)18)。外延層4可以按任何厚度淀積在基片1上，但是，常規(guī)的淀積厚度為1.0微米-500微米(包括與層4混合的覆蓋層3)。按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，外延層4包括GaN。外延層4和緩沖層2最好具有組合的厚度，其范圍為1.0微米-500微米。
圖4A表示本發(fā)明制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)方法的一系列步驟，步驟40包括提供一個(gè)基片。步驟40提供的基片最好是由藍(lán)寶石、硅、碳化硅、或砷化鎵材料構(gòu)成的基片。步驟44包括在基片上形成緩沖層，以提供具有緩沖層的基片。緩沖層可由本方法的第一次淀積處理形成在基片上，例如，MOCVD、CVD或MBE。步驟44的第一次淀積處理對(duì)緩沖層的特殊成分是最佳的。
在步驟44淀積的緩沖層最好包括類似于形成在緩沖層上材料的晶格常數(shù)和CTE值的材料(步驟48)，在步驟44形成的緩沖層最好與步驟44’(圖4B)形成的緩沖層相同。形成覆蓋層的淀積材料最好與在順序步驟中形成外延層的淀積材料相同(步驟48’)，以便覆蓋層與外延層混合。但是，在步驟48’形成的外延層是由第二淀積處理淀積的，最好是HVPE。
通過使用不同的淀積處理形成緩沖層和外延層，每一次淀積處理可以對(duì)將被淀積的材料形成最佳化。按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，覆蓋和外延層是GaN，并形成在AlN的緩沖層上。
在緩沖層上形成外延層之后，外延層和/或緩沖層可以從基片除去作為組合的外延層/緩沖層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外，在淀積處理之后，在此所述的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的任何部分都可以被除去。然后，外延層/緩沖層異質(zhì)結(jié)構(gòu)本身作為一個(gè)平臺(tái)或基片用于進(jìn)一步淀積和/或器件處理。
作為舉例的目的，所述的發(fā)明主要述及在AlN緩沖層上淀積GaN外延層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中，緩沖層由MOCVD淀積，GaN層由HVPE淀積。但是，本發(fā)明也適用于不是MOCVD的淀積技術(shù)，以及不是GaN的外延層淀積。例如，緩沖層可由CVD或MBE淀積；外延層可從元素周期表的III和IV族的其它元素的氯化物形成。
上述實(shí)施例僅僅是示例性說明，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。本教導(dǎo)可以應(yīng)用到其它類型的設(shè)備和方法。本發(fā)明的描述旨在解釋，并且不限制所附權(quán)利要求的范圍。很明顯，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行修改和變形。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟a)提供基片；b)在基片上形成氮化物緩沖層，以形成具有緩沖層的基片，其中，緩沖層由第一個(gè)淀積技術(shù)形成；c)在緩沖層上形成氮化物外延層，其中，外延層由第二種淀積技術(shù)淀積，第二種淀積技術(shù)同于第一種淀積技術(shù)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟b)包括由MOCVD形成緩沖層。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟c)包括由氫汽相外延形成外延層。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于外延層包括元素周期表中的III和IV族元素的氮化物。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于基片包括從藍(lán)寶石、硅、碳化硅、或砷化鎵構(gòu)成的組中選擇的材料，緩沖層包括氮化鋁、ZnO、MgO、GaN。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于外延層包括金屬氮化物，金屬氮化物至少包括從鎵、鋁、銦構(gòu)成的組中選擇的一種金屬的氮化物。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于緩沖層的厚度至少1.0微米。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于外延層的厚度至少1.0(1)-500微米。
9.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括步驟d)在步驟b)之后，代替所述步驟c)，在緩沖層上形成覆蓋層；以及e)在覆蓋層上形成外延層。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述步驟d)由MOCVD執(zhí)行，所述步驟e)由HVPE執(zhí)行。
11.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于覆蓋層包括元素周期表中的III和IV族元素的氮化物。
12.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于每一覆蓋層和外延層包括金屬氮化物，金屬氮化物至少包括從鎵、鋁、銦構(gòu)成的組中選擇的一種金屬的氮化物。
13.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟b)在MOCVD容器中進(jìn)行，所述步驟c)在HVPE反應(yīng)器中進(jìn)行，所述方法還包括步驟f)在所述步驟b)之后，從MOCVD容器中移出緩沖層的基片；g)在HVPE反應(yīng)器中排列具有緩沖層的基片。
14.一種制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟a)提供基片；b)在基片上形成緩沖層，以形成具有緩沖層的基片；c)在緩沖層上形成覆蓋層；以及d)在覆蓋層上形成外延層，其中，緩沖層由CVD形成，外延層由HVPE形成。
15.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述步驟c)由MOCVD執(zhí)行。
16.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于還包括步驟e)從基片上除去一部分異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
17.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于基片包括從藍(lán)寶石、硅、碳化硅或砷化鎵構(gòu)成的組中選擇的材料；緩沖層包括AlN；外延層包括GaN。
18.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于緩沖層和外延層具有組合的厚度，其范圍在1.0-500微米。
19.按權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于外延層的厚度為1.0-500微米。
20.一種外延層，包括金屬氮化物，金屬氮化物包括從鎵、鋁構(gòu)成的組中選擇的一種金屬的氮化物，其中，外延層由氫汽相淀積在緩沖層上形成，其中，緩沖層包括元素周期表中的III和IV族元素的氮化物，并由MOCVD形成在基片上。
21.按權(quán)利要求20所述的外延層，其特征在于所述外延層從所述緩沖層除去。
22.按權(quán)利要求20所述的外延層，其特征在于所述外延層和緩沖層都包括外延層/緩沖層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，外延層/緩沖層異質(zhì)結(jié)構(gòu)從基片除去。
23.一種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括a)緩沖層，所述緩沖層由MOCVD形成；以及b)外延層淀積在所述緩沖層上，所述外延層由HVPE形成。
24.按權(quán)利要求23所述的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述緩沖層包括從AlN、InN、GaN構(gòu)成的組中選擇的一種物質(zhì)，其中，所述緩沖層的厚度為1.0毫微米-1.0微米。
25.按權(quán)利要求23所述的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外延層包括金屬氮化物，金屬氮化物包括從Ga、Al、In構(gòu)成的組中選擇的一種金屬的氮化物，其中，所述外延層的厚度為1.0-500微米。
26.一種按照所述方法制備的外延層，包括a)在基片上由CVD形成的緩沖層；b)在緩沖層上形成的覆蓋層；c)由氫汽相外延在覆蓋層上形成的外延層。
27.按權(quán)利要求26所述的外延層，其特征在于外延層包括氮化物，氮化物包括從元素周期表中的III和IV族選擇的元素。
28.按權(quán)利要求26所述的外延層，其特征在于基片包括從藍(lán)寶石、硅、碳化硅、砷化鎵、氧化鋅、氧化鎂構(gòu)成的組中選擇的材料；緩沖層包括氮化鋁。
29.按權(quán)利要求28所述的外延層，其特征在于覆蓋層和外延層具有基本相同的成分。
30.按權(quán)利要求26所述的外延層，其特征在于覆蓋層和外延層都包括氮化物，氮化物包括從元素周期表中III和IV族構(gòu)成的組中選擇的一種元素。
31.按權(quán)利要求26所述的外延層，其特征在于覆蓋層由MOCVD形成。
全文摘要
一種形成外延層的方法,包括由第一次淀積處理在基片上淀積緩沖層,隨后由第二次淀積處理淀積外延層。通過使用這種雙處理,對(duì)于每一層的不同材料,通過第一和第二次淀積處理使性能、生長率和成本最佳化。由雙淀積處理制備的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括由MOCVD在基片上形成緩沖層,外延層形成在緩沖層上,外延層由氫汽相淀積淀積。
文檔編號(hào)C30B29/38GK1346512SQ00806100
公開日2002年4月24日 申請(qǐng)日期2000年4月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月16日
發(fā)明者格倫·S·所羅門, 戴維·J·米勒, 泰特蘇佐·于達(dá) 申請(qǐng)人:Cbl技術(shù)公司, 松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社