專利名稱：基片上形成的金屬氧化物及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由在基片上形成的具有大能帶隙的金屬氧化物制成的新的半導(dǎo)體膜。
所述新的半導(dǎo)體膜對(duì)于在電子和光子器件中使用是非常有用的。
本發(fā)明還涉及在基片上形成所述新的半導(dǎo)體膜的新方法，所述基片由已在普通電子和光子器件中使用的材料制成。
背景技術(shù)：
近來(lái)，在諸如家用電子產(chǎn)品、汽車、機(jī)床以及照明之類的各種領(lǐng)域中使用了諸如雙極晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及晶閘管之類的所謂的功率器件。隨著應(yīng)用的增加，電功率的高效的和高速的轉(zhuǎn)換與控制對(duì)于功率器件是所要求的。盡管長(zhǎng)期使用硅(Si)來(lái)制造功率器件，但是硅器件的限制是預(yù)知的。該限制來(lái)自下述事實(shí)硅的能帶隙，大約為1電子伏(eV)，是很小的。已廣泛進(jìn)行了研究以實(shí)現(xiàn)由具有大能帶隙的半導(dǎo)體亦即所謂的寬隙半導(dǎo)體組成的功率器件，以克服該限制。具體地，已廣泛進(jìn)行了使用能帶隙為大約3.43eV的氮化鎵(GaN)或能帶隙為大約3.2eV的碳化硅(SiC)的功率器件的開發(fā)。
另一方面，由來(lái)自宇宙射線或汽車的噪聲以及熱量引起的電子器件的誤差或故障已是嚴(yán)重問題。已弄得很清楚，能抵抗具有噪聲或熱量的惡劣環(huán)境的所謂惡劣環(huán)境器件應(yīng)當(dāng)由具有大能帶隙的半導(dǎo)體制成。已從這些要點(diǎn)進(jìn)行了使用GaN或SiC的電子器件的開發(fā)。然而對(duì)于實(shí)現(xiàn)由GaN或SiC制成的電子器件存在許多待解決的問題。
最嚴(yán)重的問題在于，尚未獲得GaN的大塊晶體，因?yàn)榈钠胶庹羝麎合鄬?duì)于鎵的平衡蒸汽壓非常高。因此，使用了由藍(lán)寶石或碳化硅(SiC)組成的基片。不能在藍(lán)寶石基片上直接形成GaN，因?yàn)樵谒{(lán)寶石和GaN之間存在16％的晶格失配。因此在生長(zhǎng)GaN之前，在藍(lán)寶石基片上形成氮化鋁(AlN)的緩沖層。AlN是電阻性的，因?yàn)殡y以將雜質(zhì)摻入到AlN中。在包括多層半導(dǎo)體的器件諸如雙極晶體管和晶閘管中使用藍(lán)寶石基片，對(duì)于它們的結(jié)構(gòu)和制造過程是非常不利的。另一方面，SiC基片非常昂貴，因?yàn)镾iC的大塊晶體要在2200～2400℃的非常高的溫度下生長(zhǎng)。使用SiC基片的GaN器件或SiC器件非常昂貴。
第二個(gè)嚴(yán)重的問題是實(shí)現(xiàn)能夠在比形成GaN或SiC層的溫度低的溫度下生長(zhǎng)的新的器件。必須在高于1000℃的溫度下形成GaN或SiC層。在高溫下必須要有大的能量來(lái)形成半導(dǎo)體層。另外，存在下述可能性原子在層之間移動(dòng)并且組分被干擾，或者摻雜物在層之間的界面附近移動(dòng)。
對(duì)于這樣的器件，通過使用氧化鉬能夠解決上述問題。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量氧化鉬晶體具有大于3.2eV的大能帶隙，并且對(duì)于在光子和電子器件中使用是非常有用的(美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/848,145和No.10/863,288)。
然而，在上述專利申請(qǐng)中，氧化鉬晶體通過氧化金屬鉬板形成。因?yàn)殂f板不是晶體，所以不能使用諸如解理之類的一些制造技術(shù)。另外，將由氧化鉬形成的器件與由硅形成的器件進(jìn)行集成是不可能的。進(jìn)而，當(dāng)它通過氧化鉬板形成時(shí)，氧化鉬層的厚度的精確控制是困難的。
因此，需要在由普通器件中使用的材料制成的基片上形成能帶隙大于3.2eV的半導(dǎo)體晶體層。該半導(dǎo)體層應(yīng)當(dāng)在相對(duì)低的溫度下形成，以便在層的形成期間不破壞器件結(jié)構(gòu)。在器件中目前使用的基片上將以相對(duì)低的溫度制造具有高耐電壓的電子器件以及光子和電子惡劣環(huán)境器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及由在基片上生長(zhǎng)的金屬氧化物組成的新的半導(dǎo)體膜及其制造方法。
該金屬氧化物由氧化鉬組成，所述氧化鉬具有大于3.2eV的能帶隙，并且非常適用于制造具有高耐電壓的電子器件以及光子和電子惡劣環(huán)境器件。氧化鉬同樣適用于制造發(fā)射具有短于387nm的波長(zhǎng)的光的發(fā)光二極管或激光二極管。
本發(fā)明的重要方面在于，在由已在普通電子和光子器件中使用的材料制成的基片上形成氧化鉬膜。最流行的材料是硅。
本發(fā)明的另一個(gè)重要方面是提供用于在基片上形成氧化鉬膜的新方法。該方法包含下面的步驟第一步，在沉積室中設(shè)置基片和源材料。典型的源材料是鉬板，而典型的基片為硅。第二步，在生長(zhǎng)室中形成溫度分布，以便源材料處的溫度高于基片處的溫度。第三步，在形成溫度分布之后，流入氧氣一段時(shí)間，這取決于形成特定器件所需的氧化鉬的厚度。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的方法用于形成金屬氧化物層的設(shè)備的一個(gè)例子的示意圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明通過沉積在基片上形成金屬氧化物層的步驟的流程圖；圖3顯示了爐中溫度分布的一個(gè)例子，以及通過根據(jù)本發(fā)明的方法形成金屬氧化物層期間的基片的位置；
圖4顯示了目標(biāo)基片區(qū)域中的更加優(yōu)選的爐中溫度分布的一個(gè)例子；圖5是由普通器件中目前使用的材料制成的基片上形成的金屬氧化物層的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行更加詳細(xì)地參考。
第一實(shí)施例圖1示意性顯示了用于根據(jù)本發(fā)明的方法形成高純度氧化鉬的設(shè)備的一個(gè)例子。用于形成氧化鉬的設(shè)備100包括石英管101，在其中沉積氧化鉬；源支架104；基片支架105；爐102；以及加熱器103，其能夠在爐102中形成溫度分布。還包括監(jiān)視源溫度的溫度計(jì)106以及監(jiān)視基片溫度的溫度計(jì)107。溫度計(jì)106和107在這種情況下是熱電偶。包括了用于引進(jìn)并控制氧氣108和氮?dú)獾难b置，盡管它們未在附圖中顯示。真空泵(附圖中未顯示)能夠排空石英管101的內(nèi)部。源支架104和基片支架105由石英制成，因?yàn)樗谛纬裳趸f的溫度下不會(huì)改變，并且不會(huì)和基片、氧以及氧化鉬起反應(yīng)。盡管在典型的實(shí)施例中使用了圖1中顯示的設(shè)備，但這不是受限制的，只要形成包括源和基片地帶的優(yōu)選溫度分布，并且能夠在沉積室里面制造氧氣氛就行。
參考圖2中顯示的流程圖來(lái)說明根據(jù)本發(fā)明的形成氧化鉬的新方法。在這個(gè)例子中使用鉬(Mo)板作為源并且使用硅(Si)基片。首先，用丙酮、甲醇以及高純度水順序漂洗鉬板和硅基片(步驟201)。在步驟201之后如果必要的話用硫酸和高純度水漂洗鉬板。如果必要的話用氫氟酸或具有氫或氫基的其他方法去除硅基片上的自然生長(zhǎng)的氧化物。
下一步(步驟202)，在源支架104上設(shè)置預(yù)處理過的源鉬板或表面已被預(yù)先氧化的鉬板(10mm×10mm×0.1mm)，并且在基片支架105上設(shè)置硅基片(10mm×10mm×0.1mm)，所述基片支架105被設(shè)置在從源支架104離開到下游20cm的位置。
下一步(步驟203)，石英管的里面用旋轉(zhuǎn)泵被排空到10-3托，并且用氮(或例如氬的惰性氣體)填充。
在用氮或惰性氣體替換石英管里面的空氣之后，爐被加熱，以便形成圖3中顯示的溫度分布(步驟204)。在溫度分布中，源地帶處的溫度為650℃，而基片地帶處的溫度為450℃。通過在溫度控制器(附圖中未顯示)的控制下加熱大約45分鐘來(lái)形成溫度分布。在本發(fā)明的實(shí)施例中，源地帶的溫度為550～850℃，優(yōu)選地為650℃，而基片地帶的溫度為350～650℃，優(yōu)選地為450℃。從源地帶到基片地帶形成了溫度的傾斜。源地帶處超過850℃的溫度不是優(yōu)選的，因?yàn)檠蹩赡茈x開氧化鉬，并且可能形成氮化鉬?；貛幍臏囟鹊陀谠吹貛幍臏囟仁侵匾?。
在爐102中形成希望的溫度分布之后，氧氣108被引進(jìn)到石英管101中(步驟206)。氧氣在從源支架104到基片支架105的方向上流動(dòng)。氧氣108的流速為50到450 SCCM，優(yōu)選地為250 SCCM。盡管氧氣流用于在石英管的里面制造氧氣氛，但是能夠使用其他氧氣氛、氧基或氧等離子體，只要在希望的溫度下氧化鉬板，并且氧化鉬的分子脫附源就行。
將上面顯示的溫度分布和氧氣流保持6個(gè)小時(shí)(步驟207)。在這之后，在保持氧氣流的同時(shí)將爐冷卻到室溫(步驟208)。結(jié)果，高質(zhì)量單晶氧化鉬層在硅基片上沉積到6μm的厚度，如圖5所示。盡管氧化鉬的生長(zhǎng)速率在實(shí)施例中大約為1μm/h，但是它可以通過選擇鉬源的尺寸、氧的流速以及溫度分布而改變。另外，沉積速率還取決于許多因素，例如石英管的直徑、源和基片之間的距離以及基片的尺寸。因此，希望對(duì)于一些組的生長(zhǎng)參數(shù)預(yù)先測(cè)量生長(zhǎng)速率。層的厚度能夠用光學(xué)方法或直接的測(cè)量方法測(cè)量。
第二實(shí)施例嚴(yán)格說來(lái)，在硅基片501和氧化鉬層502之間可能形成氧化硅的薄層。這是因?yàn)樵谘趸f生長(zhǎng)的早期氧化了硅基片的表面。如果希望不形成氧化硅，則通過在圖2中顯示的流程圖中的步驟204和206之間添加流動(dòng)氫氣5分鐘的步驟205(其他步驟和上面顯示的用于第一實(shí)施例的步驟類似)，可以阻止氧化硅的生長(zhǎng)。盡管在第二實(shí)施例中通過流動(dòng)氫氣來(lái)防止氧化硅的生長(zhǎng)，但是也能通過使用還原劑的其他方法來(lái)防止。
如圖3所示的爐中溫度分布只是一個(gè)。然而優(yōu)選地，基片地帶的溫度是平坦的，因?yàn)樵谕瑯拥臏囟认履軌蛟O(shè)置更多基片。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用了具有例如(100)和(111)的不同表面取向的硅基片。能夠在任何這樣的基片上形成氧化鉬的高質(zhì)量結(jié)晶層。根據(jù)本發(fā)明的沉積金屬氧化物的高質(zhì)量膜的方法，能夠適用于在除了硅之外的基片上形成高質(zhì)量金屬氧化物膜，所述基片例如鍺、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、氮化鎵、碳化硅、有機(jī)半導(dǎo)體或其衍生物、塑料基片、聚酰亞胺以及諸如玻璃之類的絕緣體。類似地，本發(fā)明的方法能夠適用于使用諸如鋅、鈦、鉭、鋁、釕、銦、錫、銥、鈀、鎢、銅以及鉻之類的金屬作為它們的源來(lái)形成金屬氧化物膜。通過使用X射線和Raman光譜學(xué)的分析顯示，相對(duì)于由已知方法CVD或?yàn)R射形成的氧化鉬膜，由根據(jù)本發(fā)明的方法形成的氧化鉬膜具有較高質(zhì)量的晶體和更加一致的成分。認(rèn)為原因是氧化鉬分子脫附源鉬板而不打破它們的化學(xué)鍵，并且氧化鉬在保持在相對(duì)較低的溫度下的石英管中沉積。從使用X射線和Raman光譜學(xué)的分析中弄得很清楚，本方法形成的氧化鉬膜的主要成分是MoO3。眾所周知，MoO3的晶體結(jié)構(gòu)具有取決于晶格方向的不同晶格常數(shù)。當(dāng)在不同材料的基片上沉積氧化鉬時(shí)，認(rèn)為該事實(shí)有利于緩解由晶格常數(shù)的不同所引起的問題。本方法形成的氧化鉬的能帶隙，從反射光譜測(cè)量中被表征為大于大約3.2eV。通過改變諸如源溫度、基片溫度以及氧氣流速之類的生長(zhǎng)條件、源板或基片的預(yù)處理過程或生長(zhǎng)室的預(yù)處理，可以使得氧化鉬具有大于3.2eV的能帶隙。氧化鉬具有大于3.2eV的能帶隙的事實(shí)意味著，該材料具有可以代替GaN或SiC在器件中使用的可能性。本方法形成的氧化鉬是n型的，并且當(dāng)源溫度分別為650和750℃時(shí)，電阻率分別為1.5×107Ω·cm和2.0×105Ω·cm。
能夠以半導(dǎo)體工業(yè)中使用其他半導(dǎo)體材料的普通方式使用由根據(jù)本發(fā)明的方法制造的氧化鉬。當(dāng)沒有故意摻雜地制造并且源溫度低于650℃時(shí)，本方法制造的氧化鉬是高電阻性的。然而，通過摻雜施主(例如P、As、Sb、Se等等)或受主(例如Zn、Ga、Mg等等)，可以改變氧化鉬的電子特性。當(dāng)氧化鉬通過本方法形成而沒有故意摻雜時(shí)，通過改變?cè)礈囟瓤梢愿淖兤潆娮杪?。例如，和通過將源溫度設(shè)置在650℃生長(zhǎng)的氧化鉬的電阻率相比，通過將源溫度設(shè)置在750℃生長(zhǎng)的氧化鉬的電阻率要小得多。認(rèn)為原因是氧化鉬中的氧空位具有施主的作用，并且和通過將源溫度設(shè)置在較低溫度形成的氧化鉬中的氧空位濃度相比，通過將源溫度設(shè)置在較高溫度形成的氧化鉬中的氧空位濃度更大。該事實(shí)是本方法的顯著要點(diǎn)。另外，通過用例如離子注入在局部區(qū)域中引進(jìn)施主或受主，可以控制本方法形成的氧化鉬的局部電子特性。
以例如將源溫度設(shè)置在較低溫度的方式根據(jù)本發(fā)明的方法形成的具有高電阻率的金屬氧化物膜，能夠用于分開基片上的器件。進(jìn)而，根據(jù)本發(fā)明的形成金屬氧化物膜的方法能夠用于形成如目前在器件中用作絕緣體的那樣的金屬氧化物膜。
權(quán)利要求
1.一種用于制造半導(dǎo)體層的方法，所述方法包含以下步驟提供源金屬板和基片；清潔所述源金屬板和所述基片的表面；在沉積室中設(shè)置所述源金屬板和所述基片；在惰性氣體的氣氛中，將所述源金屬板加熱到500℃和850℃之間的溫度，并且將所述基片加熱到350℃和650℃之間的溫度；以及通過將所述氣氛從惰性氣體改變到氧化氣氛，并且在所述沉積室中維持所述源和所述基片溫度一段足以形成具有希望厚度的金屬氧化物層的時(shí)間，在所述基片上形成所述金屬氧化物層。
2.一種用于制造半導(dǎo)體層的方法，所述方法包含以下步驟提供基片和表面已被預(yù)先氧化的源金屬板；清潔所述基片和表面已被預(yù)先氧化的所述源金屬板的表面；在沉積室中設(shè)置所述基片和所述源金屬板；在惰性氣體的氣氛中，將表面已被預(yù)先氧化的所述源金屬板加熱到500℃和850℃之間的溫度，并且將所述基片加熱到350℃和650℃之間的溫度；以及通過將所述氣氛從惰性氣體改變到氧化氣氛，并且在所述沉積室中維持所述源和所述基片溫度一段足以形成具有希望厚度的金屬氧化物層的時(shí)間，在所述基片上形成所述金屬氧化物層。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過在從所述源金屬板到所述基片的方向上以50-450SCCM的流速在所述沉積室中流動(dòng)的氧氣流，提供所述氧化氣氛。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其進(jìn)一步包含以下步驟在加熱所述源金屬板和所述基片的所述步驟之后，并且在形成所述金屬氧化物層的所述步驟之前，流動(dòng)氫氣一段預(yù)期時(shí)間。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述基片由硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅、有機(jī)半導(dǎo)體或其衍生物或玻璃制成，所述源金屬板由鉬、氧化鉬或其衍生物制成。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，形成所述金屬氧化物層的所述步驟包括同時(shí)摻雜施主或受主的步驟。
7.一種半導(dǎo)體層，其由根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一個(gè)的方法制造。
8.一種半導(dǎo)體器件，包含基片，其由一種半導(dǎo)體、多種半導(dǎo)體或包含一種半導(dǎo)體或多種半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)組成；以及氧化鉬層，其在所述基片上形成。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述氧化鉬是具有MoO3的化學(xué)成分的單晶體。
10.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述氧化鉬具有等于或大于3.2eV的能帶隙。
11.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中，由一種半導(dǎo)體、多種半導(dǎo)體或包含一種半導(dǎo)體或多種半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)組成的所述基片包含硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅、有機(jī)半導(dǎo)體或其衍生物。
12.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中，在所述氧化鉬層中形成至少一個(gè)半導(dǎo)體電子器件和/或半導(dǎo)體光子器件。
13.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述氧化鉬為n型半導(dǎo)體、p型半導(dǎo)體或絕緣材料。
14.一種沉積設(shè)備，用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1或2的制造半導(dǎo)體層的所述方法，所述沉積設(shè)備包含沉積室，其氣氛能夠用不同的氣體改變；源支架和設(shè)置在所述源支架附近基片支架；用于加熱所述源支架和所述基片支架以便單獨(dú)控制設(shè)置所述源支架和所述基片支架的各個(gè)區(qū)域的溫度的裝置；以及用于在從所述源支架到所述基片支架的方向上將氧氣流引進(jìn)到所述沉積室中的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及由在基片上生長(zhǎng)的金屬氧化物組成的新的半導(dǎo)體膜及其制造方法。該金屬氧化物由氧化鉬組成，所述氧化鉬非常適用于制造具有高耐電壓的電子器件以及光子和電子惡劣環(huán)境器件。本發(fā)明的重要方面在于，在由已在普通電子和光子器件中使用的材料制成的基片上形成氧化鉬膜。最流行的材料是硅。本發(fā)明的另一個(gè)重要方面是用于在基片上形成氧化鉬膜的新方法。
文檔編號(hào)C23C16/44GK1779912SQ20051011612
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月26日
發(fā)明者河?xùn)|田隆 申請(qǐng)人:河?xùn)|田隆