專利名稱：基于Ⅲ族氮化物的半導(dǎo)體基片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片及其制造方法。
可以通過用汽相沉積法，例如金屬有機(jī)汽相處延(MOVPE)法、分子束外延(MBE)法或氫化物汽相處延(HVPE)法在基體襯底上外延生長來獲得構(gòu)成這些器件的氮化物半導(dǎo)體層。然而，任何一種基體襯底的晶格常數(shù)都與此氮化物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)不匹配，因此難以獲得優(yōu)質(zhì)的生長層，而且獲得的氮化物半導(dǎo)體層易含有大量晶體缺陷。因?yàn)檫@些晶體缺陷正是妨礙器件性能提高的因素，所以到目前為止已經(jīng)試驗(yàn)了許多種減少氮化物半導(dǎo)體層內(nèi)晶體缺陷的方法。
作為獲得含晶體缺陷數(shù)相對少的基于III族元素氮化物晶體的方法之一，已經(jīng)知道一種方法，其中在不同材料如藍(lán)寶石的襯底上形成低溫沉積緩沖層，并在其上形成外延生長層。在使用低溫沉積緩沖層的晶體生長方法中，首先采用約500℃的溫度將AlN或GaN沉積到藍(lán)寶石等襯底上，形成非晶膜或部分含多晶的連續(xù)膜。通過將此沉積物加熱至高達(dá)約1000℃，一部分沉積物被蒸發(fā)掉，剩余物轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，形成高密度的晶核。使用它們作為晶體生長的晶核可以形成結(jié)晶質(zhì)量較高的GaN層。然而，即使使用包括形成低溫沉積物緩沖層步驟的方法，其仍然含有許多晶體缺陷，例如螺型位錯(cuò)和空位(vacant pipes)，因此其結(jié)晶質(zhì)量不足以提供符合目前需要的這種高性能器件。
另外，已經(jīng)深入研究了另一種方法，其中使用GaN基片作為晶體生長的襯底，在其上形成構(gòu)成器件部分的半導(dǎo)體多層膜。在下文中，將這種用于晶體生長的GaN基片稱為自承重GaN基片。在制備自承重GaN基片的方法之中，廣泛知道的是ELO(外延橫向過度生長)法。ELO是這樣一種技術(shù)，其中在基體襯底上形成具有條狀開口的掩模層，從開口處開始橫向生長，從而獲得具有一些位錯(cuò)的GaN層。在日本專利申請公開No.251253/1999中，提出使用此ELO法在藍(lán)寶石襯底上形成GaN層，此后通過蝕刻等方法除去該藍(lán)寶石襯底，制備自承重GaN基片。
此外，已經(jīng)研制出FIELO(小面引發(fā)外延橫向過度生長)技術(shù)(A.Usui et al.，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.36(1997)pp.L899-L902)，其是由ELO法發(fā)展來的方法之一。此方法與ELO的共同點(diǎn)在于使用二氧化硅掩模進(jìn)行選擇性生長，但與ELO不同之處在于在掩模開口部分中形成小面(facet)。小面的形成改變了位錯(cuò)的擴(kuò)展方向，因此減少了到達(dá)外延生長層頂部的螺型位錯(cuò)的數(shù)目。用此方法，可以通過在例如藍(lán)寶石的基體襯底上生長厚的GaN層然后從其上除去基體襯底的方法來獲得晶體缺陷數(shù)量相對較少的高質(zhì)量自承重GaN基片。
考慮到上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種彎曲減小的基于III族氮化物的自承重半導(dǎo)體基片。
本發(fā)明人進(jìn)行的研究表明自承重基片的扭曲是基片內(nèi)各種位錯(cuò)密度造成的，也就是說基片正面的位錯(cuò)密度(特別是刃型位錯(cuò)的密度)平均值與反面的位錯(cuò)密度平均值不同。換句話說，基片一個(gè)表面的位錯(cuò)密度與另一個(gè)表面的位錯(cuò)密度之間的差別越大，彎曲的程度就越嚴(yán)重。因此，為了縮小扭曲，控制此位錯(cuò)密度的分布是特別重要的。
可以用以下方式解釋位錯(cuò)的密度梯度或者一個(gè)表面與另一個(gè)表面之間在刃型位錯(cuò)密度方面的差異導(dǎo)致基片扭曲的現(xiàn)象。在GaN六方晶體中，當(dāng)存在具有高密度的晶粒時(shí)，其晶格與不同材料的襯底失配導(dǎo)致晶粒方向發(fā)生輕微變化，因此，這將導(dǎo)致在它們的邊界上產(chǎn)生許多刃型位錯(cuò)。已發(fā)現(xiàn)刃型位錯(cuò)密度與晶粒尺寸之間幾乎為線性關(guān)系，還發(fā)現(xiàn)此晶粒尺寸d0與在基片內(nèi)部積累的應(yīng)力量ε之間存在以下關(guān)系方程ε＝Δ/d0(1)其中，Δ幾乎等于刃型位錯(cuò)的柏格斯矢量。因此，假設(shè)在基片一個(gè)表面與另一個(gè)表面上的位錯(cuò)密度之間存在差異，則基片內(nèi)部的應(yīng)力量有變化，這造成了扭曲的產(chǎn)生。
在實(shí)踐中，當(dāng)通過外延生長在不同材料的襯底上生長GaN層，然后除去不同材料的襯底來制造自承重GaN基片時(shí)，由于晶格失配導(dǎo)致襯底與GaN層間界面上的刃型位錯(cuò)密度高達(dá)109-1011cm-2。使用這種晶體，通過各種減少位錯(cuò)數(shù)目的方法，例如橫向生長或厚膜生長的方法可以將GaN層上表面上的位錯(cuò)密降低至105-107cm-2的低水平。對于這種基片扭曲，通常觀察到一個(gè)表面的刃型位錯(cuò)密度約為109cm-2，另一個(gè)表面的刃型位錯(cuò)密度約為106cm-2。在厚度為200微米的自承重GaN基片的情況下，扭曲變得非常嚴(yán)重，曲率半徑為20厘米左右，因此難以將這種基片照原樣用于器件。然而，如果將密度較高側(cè)表面的刃型位錯(cuò)密度水平降低至107cm-2左右，對于彎曲而言，可以形成明顯的改進(jìn)，扭曲的曲率半徑達(dá)到10米左右，從而可以獲得適用于器件的基片。
到目前為止，已經(jīng)明確地描述了為什么可以通過控制刃型位錯(cuò)密度來抑制基片扭曲的原因，但是，相似地，可以通過控制包括刃型位錯(cuò)密度在內(nèi)的總位錯(cuò)密度來有效地抑制基片的扭曲。
因此，本發(fā)明以上述觀點(diǎn)為基礎(chǔ)；從而，通過控制總位錯(cuò)密度，更特別的是通過控制刃型位錯(cuò)密度來抑制基片的扭曲。
本發(fā)明提供一種基于III族氮化物的自承重半導(dǎo)體基片；其中當(dāng)將其位錯(cuò)密度較低一側(cè)表面的位錯(cuò)密度設(shè)為n1，將其位錯(cuò)密度較高一側(cè)表面的位錯(cuò)密度設(shè)為n2時(shí)，其比值n2/n1小于750。
本發(fā)明對于基片的扭曲產(chǎn)生了明顯的改進(jìn)。由于其能穩(wěn)定地產(chǎn)生減小扭曲的效果，因此也能獲得優(yōu)異的加工穩(wěn)定性。
在本發(fā)明的基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片中，優(yōu)選地，將n1設(shè)定為不大于1×108cm-2，更優(yōu)選的是不大于1×107cm-2。這將實(shí)現(xiàn)有效地抑制扭曲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種自承重基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片；其中當(dāng)將其刃型位錯(cuò)密度較低一側(cè)表面的刃型位錯(cuò)密度設(shè)為m1，將刃型位錯(cuò)密度較高一側(cè)表面的刃型位錯(cuò)密度設(shè)為m2時(shí)，其比值m2/m1小于1000。
本發(fā)明的這個(gè)方面對于基片的扭曲產(chǎn)生了明顯的改進(jìn)。由于其能穩(wěn)定地產(chǎn)生減小扭曲的效果，因此也能獲得優(yōu)異的加工穩(wěn)定性。
在本發(fā)明基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片中，優(yōu)選地，將m1設(shè)定為不大于5×107cm-2，更優(yōu)選的是不大于5×106cm-2。這可以實(shí)現(xiàn)有效地抑制扭曲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量。
而且，本發(fā)明提供一種制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法，該方法包括以下步驟在不同材料襯底的頂部上形成基于III族氮化物的半導(dǎo)體層；將所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體層與所述的不同材料的襯底分離；并且在所述基于III族氮化物的半導(dǎo)體層位于所述不同材料襯底由之分離一側(cè)的表面上施加減少位錯(cuò)密度的處理。
而且，本發(fā)明提供一種制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法，該方法包括以下步驟通過外延生長在不同材料襯底的頂部上形成基于III族氮化物的半導(dǎo)體層，然后將所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體層與所述的不同材料襯底分離；其中在生長所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體層的過程中，或者在生長所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體層后，在不低于1150℃的溫度下進(jìn)行熱處理。此制造方法可以進(jìn)一步包括以下步驟在所述基于III族氮化物的半導(dǎo)體層位于所述不同材料襯底由之分離一側(cè)的表面上施加減少位錯(cuò)密度的處理。
根據(jù)上述制造方法，可以穩(wěn)定地獲得在基質(zhì)扭曲方面有明顯改進(jìn)的自承重基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片。
在本發(fā)明這些制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法中，它們可以有以下構(gòu)成，其中所述減少位錯(cuò)密度的處理包括從所述不同材料襯底由之分離的一側(cè)上除去所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體層至厚度不小于100微米的步驟。
而且，在本發(fā)明這些制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法中，它們可以有以下構(gòu)成，其中所述減少位錯(cuò)密度的處理包括在不低于1150℃的溫度下，在所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體層上進(jìn)行熱處理的步驟。這樣，可以有效地減少位錯(cuò)密度。在此，優(yōu)選的是設(shè)定處理持續(xù)時(shí)間為10分鐘或更長。而且，由于目的是穩(wěn)定地減少位錯(cuò)密度，所以優(yōu)選的是在不低于1200℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
此外，本發(fā)明中使用的位錯(cuò)密度和刃型位錯(cuò)密度指的是特定平面上的密度平均值。例如，在通過掩模生長與一些生長方法一起制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的情況下，在基片的一個(gè)表面內(nèi)也會(huì)存在位錯(cuò)密度變化。即使存在這種位錯(cuò)密度平面內(nèi)分布的變化，也可以通過使平均位錯(cuò)密度和平均刃型位錯(cuò)密度取如上所述各個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)值而有效地減小基片的扭曲。
圖2是說明用于如實(shí)施例中所描述用于GaN生長的氫化物汽相處延裝置的示意圖。
圖3(a)和(b)是一系列剖面圖，表示本發(fā)明制造自承重GaN基片的方法中另一個(gè)實(shí)施例的步驟。
圖4(a)-(c)是一系列剖面圖，表示本發(fā)明制造自承重GaN基片的方法中另一個(gè)實(shí)施例的步驟。
圖5(a)-(c)是一系列剖面圖，表示本發(fā)明制造自承重GaN基片的方法中另一個(gè)實(shí)施例的步驟。
圖6說明本發(fā)明制造自承重基片的方法中所采用溫度分布的一個(gè)例子。
圖7說明本發(fā)明制造自承重基片的方法中所采用溫度分布的另一個(gè)例子。
圖8是說明基片的曲率半徑對在自承重GaN基片正面和反面觀測到的總位錯(cuò)比值的相關(guān)性的圖示。
圖9是說明基片的曲率半徑對在自承重GaN基片正面和反面觀測到的刃型位錯(cuò)比值的相關(guān)性的散點(diǎn)圖示。
對于本發(fā)明中的基于III族氮化物的半導(dǎo)體，可以提供用InxGayAl1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的半導(dǎo)體。在這類半導(dǎo)體中，優(yōu)選的是使用GaN、AlGaN等，因?yàn)樗鼈冚^好地滿足基片材料所需的質(zhì)量，包括機(jī)械強(qiáng)度和制造穩(wěn)定性。
在本發(fā)明中，通過減少自承重基片中的位錯(cuò)密度，特別是其中的刃型位錯(cuò)密度來抑制基片的扭曲。為了表征位錯(cuò)，通常使用術(shù)語“刃型”和“螺型”。刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)分別表示柏格斯矢量b垂直和平行于位錯(cuò)線走向的情況。在位錯(cuò)具有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)的混合特征的情況下，換句話說，在柏格斯矢量b與位錯(cuò)線傾斜的情況下，稱其為“混合位錯(cuò)”?，F(xiàn)在，在位錯(cuò)圖紋線內(nèi)，有時(shí)位錯(cuò)線的方向相對于柏格斯矢量b的方向發(fā)生變化。位錯(cuò)不必沿直線運(yùn)動(dòng)，而常常是彎曲的。作為一個(gè)極端的例子，假設(shè)這樣一種情況，其中位錯(cuò)線形成一個(gè)環(huán)，其平行于柏格斯矢量b的部分屬于螺型位錯(cuò)，而其垂直于柏格斯矢量b的部分屬于刃型位錯(cuò)。本發(fā)明中使用的“刃型位錯(cuò)”包括這樣一種情況，即只有一部分位錯(cuò)屬于刃型位錯(cuò)。
可以通過例如使用透射電子顯微術(shù)(TEM)來確定位錯(cuò)的性質(zhì)。當(dāng)所選晶格衍射平面的法向矢量g(在下文中稱為“衍射矢量”)垂直于位錯(cuò)線的柏格斯矢量b時(shí)，換句話說，當(dāng)這些矢量的內(nèi)積為零(衍射矢量g·柏格斯矢量b＝0)時(shí)，在TEM視場中，位錯(cuò)的對比度消失。利用這點(diǎn)，可以確定未知位錯(cuò)的性質(zhì)(刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)或混合位錯(cuò))。
而且，也可以根據(jù)蝕坑形狀和深度的觀測結(jié)果來鑒別位錯(cuò)的性質(zhì)，其中蝕坑是通過用化學(xué)試劑的溶液對其進(jìn)行選擇性蝕刻形成的。
可以通過用FIELO或懸掛外延(pendeo-epitaxy)技術(shù)在不同材料的襯底上生長基于III族氮化物的半導(dǎo)體層，然后除去不同材料的襯底來形成本發(fā)明自承重基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片。當(dāng)用這樣一種方法進(jìn)行制造時(shí)，可以在其表面上穩(wěn)定地制造位錯(cuò)密度低的基片。FIELO方法是這樣一種方法，其中首先形成具有許多開口的掩模，然后，在通過將該開口設(shè)定為其生長區(qū)以形成小面結(jié)構(gòu)的同時(shí)，用氣相沉積方法生長GaN層。從相鄰開口接合處生長GaN晶體，從而位錯(cuò)的傳播方向改變?yōu)槠叫杏诨姆较?，并可以獲得在其表面上具有低位錯(cuò)密度的GaN層。通過將此GaN層與不同材料的襯底分離，可以獲得高質(zhì)量的自承重GaN基片。同時(shí)，在懸掛外延方法中，首先在不同材料的襯底上形成由AlxGa1-xN(0≤x≤1)構(gòu)成的低溫生長緩沖層，然后在其上形成由AlyGa1-yN(0≤y≤1)構(gòu)成的第一結(jié)晶層。在此結(jié)晶層上形成具有許多條狀開口的掩模之后，進(jìn)行刻蝕以將第一AlyGa1-yN層構(gòu)圖成為條狀。接著，以此為起點(diǎn)，用氣相沉積生長AlzGa1-zN(0≤z≤1)晶體以形成由AlzGa1-zN厚膜構(gòu)成的第二單晶體層。此后，通過將第二單晶體層與不同材料的襯底分離，可以獲得高質(zhì)量的自承重基片。
然而，當(dāng)用這些方法制造基片時(shí)，盡管可以減少其位錯(cuò)并獲得優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量，但是其扭曲的程度呈現(xiàn)進(jìn)一步增長的趨勢。雖然在一定程度上有效減少了形成器件的表面上的位錯(cuò)，但與形成器件表面相反的表面上仍然存在許多位錯(cuò)。因此，基片正面位錯(cuò)密度與反面位錯(cuò)密度的比值變得更加大于通常僅試圖減少位錯(cuò)的情況。當(dāng)應(yīng)用于這種位錯(cuò)減少的基片時(shí)，本發(fā)明可以顯現(xiàn)明顯的效果，并可以有效地抑制扭曲，同時(shí)達(dá)到優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量。
首先，如

圖1(a)所示，使用藍(lán)寶石襯底11，生長GaN外延層12，并在其上形成具有條狀開口的二氧化硅掩模13，然后，將該襯底放到如圖2所示的HVPE沉積裝置中。此裝置能夠?qū)II族元素的鹵化物GaCl輸送到襯底24上，然后通過金屬Ga21和通過供氣管22與載氣H2或N2一起供應(yīng)的HCl反應(yīng)而在襯底上形成GaCl本身。在其基片區(qū)，混合GaCl和通過供氣管23供應(yīng)的NH3，通過它們的反應(yīng)，用氣相沉積在襯底24上形成GaN。通過用電爐25加熱來將基片區(qū)的溫度設(shè)定為1000℃。而且，源材料GaCl和NH3的分壓分別為5×10-3大氣壓和0.3大氣壓。在這些條件下，其生長速率約為50微米/小時(shí)。如圖1(b)所示，通過摻雜氣體供應(yīng)管26供應(yīng)作為基片區(qū)摻雜源氣體的SiH2Cl2來進(jìn)行摻雜，并生長厚度約為350微米的硅摻雜GaN層14。
現(xiàn)在，如圖1(c)所示，從反應(yīng)器中取出此襯底，從厚層上去除藍(lán)寶石襯底以及一部分、厚度約幾微米的GaN層，從而獲得自承重GaN基片15。作為除去藍(lán)寶石襯底的方法，可以使用如機(jī)械拋光，或用強(qiáng)堿性或強(qiáng)酸性化學(xué)試劑刻蝕的方法。而且，也可以使用帶電粒子束或中性粒子束進(jìn)行物理刻蝕。此外，可以通過向其施加紫外激光束來除去藍(lán)寶石襯底，該激光束可以穿透藍(lán)寶石襯底，但是被GaN所吸收，從而熔化其靠近界面的部分。
對此自承重GaN基片15中的位錯(cuò)密度進(jìn)行檢驗(yàn)表明藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為5×109cm-2，而生長前沿面的密度值為1×106cm-2。其中，背面和前面單刃型位錯(cuò)密度值分別為4.5×109cm-2和3.5×105cm-2。在此，為了確定位錯(cuò)密度，當(dāng)位錯(cuò)密度超過108cm-2時(shí)，特別是對于基片反面，對其下表面和垂直截面用透射電子顯微術(shù)(TEM)進(jìn)行觀察，但是當(dāng)位錯(cuò)密度不超過108cm-2時(shí)，首先用化學(xué)溶液對其進(jìn)行選擇性蝕刻，并用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡計(jì)算形成的蝕坑數(shù)目?？梢源致缘貙⑽g坑的形狀分為兩組，其中具有相應(yīng)淺坑的一組與刃型位錯(cuò)相對應(yīng)。可以根據(jù)如下所述的方法來檢驗(yàn)此分類。當(dāng)使用透射電子顯微術(shù)獲取具有蝕坑的樣品的垂直截面暗場圖像時(shí)，可以根據(jù)電子束的g矢量與其中位錯(cuò)線方向之間的關(guān)系來確定位錯(cuò)的柏格斯矢量，從而可以根據(jù)此結(jié)果來確定位錯(cuò)的性質(zhì)。
對制造的自承重GaN基片15的扭曲的測量表明其曲率半徑值為30厘米。對于此扭曲的測量方法，例如可以通過X-射線擺動(dòng)曲線測量而容易地獲得很準(zhǔn)確的結(jié)果。簡言之，監(jiān)視布拉格角θB的變化，同時(shí)將具有扭曲的樣品沿橫向移動(dòng)x，從而可以由以下的關(guān)系式給出曲率半徑ρ(1/ρ)＝dθB/dx然后，如圖1(d)所示，從藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面上去除厚度高達(dá)150微米的區(qū)域16，從而獲得自承重GaN基片17。對于這種去除，可使用熔融KOH。因?yàn)榇宋g刻劑只能有選擇地刻蝕N-平面，所以可以使用它特別方便地刻蝕GaN層的反面(與生長前沿面相反的那側(cè))。而且，如果在GaN正面上形成SiO2等的保護(hù)膜，那么仍然可以在GaN反面上進(jìn)行不具有刻蝕選擇性的化學(xué)刻蝕，此外，還可以通過機(jī)械拋光進(jìn)行這種去除。
因此，在自承重GaN基片17中，藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的總位錯(cuò)密度和刃型位錯(cuò)密度分別降低至5×107cm-2和3×107cm-2。當(dāng)測量此基片的扭曲時(shí)，測得曲率半徑為5米，這表明對扭曲有明顯的改進(jìn)。在此基片上，通過試驗(yàn)生長基于InGaN的激光器的層狀結(jié)構(gòu)，并制造激光器。因?yàn)闇p少的扭曲對光刻步驟下的曝光均勻性沒有不利的影響，所以可以大幅提高產(chǎn)品產(chǎn)率。實(shí)施例2在本實(shí)施例中，通過用上述ELO法(S.Nakamura，et al.，MRSInternet.J.Nitride Semicond.Res.，4S1，G1.1(1999))在藍(lán)寶石襯底上生長GaN外延層，然后除去該藍(lán)寶石襯底來制造自承重GaN基片，并對該基片進(jìn)行評估。下面，將參考圖4說明本實(shí)施例制造自承重GaN基片的方法。
首先，如圖4(b)所示，使用藍(lán)寶石襯底41，外延生長薄GaN層42，并在其上形成具有沿GaN的[1-100]方向條狀開口的二氧化硅掩模43，然后，使用三甲基鎵(TMGa)和NH3作為主要的源材料，通過MOVPE法生長平坦的GaN層44至厚度為10微米。
然后，將此襯底放到上述圖2所示的HVPE生長裝置中。通過用電爐25加熱來將基片區(qū)的溫度設(shè)定為1000℃。而且，源材料GaCl和NH3的分壓分別為5×10-3大氣壓和0.3大氣壓。在這些條件下，其生長速率約為50微米/小時(shí)。而且，如圖4(c)所示，通過摻雜氣體供應(yīng)管26供應(yīng)作為基片區(qū)摻雜源氣體的SiH2Cl2來進(jìn)行摻雜，生長厚度約為350微米的硅摻雜GaN層45。此后，從反應(yīng)器中取出此襯底，按照與圖1(c)所示相似的方式，從厚層上去除藍(lán)寶石襯底以及厚度約為幾微米的GaN層，從而獲得自承重基片形式的GaN層45。作為除去藍(lán)寶石襯底的方法，可以使用如機(jī)械拋光，或用強(qiáng)堿性或強(qiáng)酸性化學(xué)試劑刻蝕的方法。而且，也可以使用帶電粒子束或中性粒子束進(jìn)行物理刻蝕。此外，可以通過向其施加紫外激光束來除去藍(lán)寶石襯底，該激光束可以穿透藍(lán)寶石襯底，但是被GaN所吸收，從而熔化其靠近界面的部分。對此GaN層45中的位錯(cuò)密度進(jìn)行檢驗(yàn)表明藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為1.5×109cm-2，而生長前沿面的密度值為2×106cm-2。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)密度值分別為1×109cm-2和1×106cm-2。
對制得的自承重GaN層45(自承重GaN基片)的扭曲測量表明其曲率半徑值為1米。
然后，按照與圖1(d)所示相似的方式，從藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面上去除厚度高達(dá)約150微米的區(qū)域。對于此去除，可使用熔融的KOH。因?yàn)榇宋g刻劑只能有選擇地刻蝕N-平面，所以可以使用它特別方便地刻蝕GaN層的反面(與生長前沿面相反的那側(cè))。而且，如果在GaN正面上形成SiO2等的保護(hù)膜，那么仍然可以在GaN反面上進(jìn)行不具有刻蝕選擇性的化學(xué)刻蝕，此外，還可以通過機(jī)械拋光進(jìn)行這種去除。
因此，在GaN層45中，藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的總位錯(cuò)密度和刃型位錯(cuò)密度分別降低至5×108cm-2和2.5×108cm-2。當(dāng)測量此基片的扭曲時(shí)，測得曲率半徑為3米，這表明對扭曲有明顯的改進(jìn)。在此基片上，通過試驗(yàn)生長基于InGaN的激光器的層狀結(jié)構(gòu)，并制造激光器。因?yàn)闇p少的扭曲對光刻步驟下的曝光均勻性沒有不利的影響，所以可以大幅提高產(chǎn)品產(chǎn)率。實(shí)施例3
在本實(shí)施例中，通過用被稱為PENDEO的方法(T.S.Zheleva，MRSInternet.J.Nitride Semicond.Res.，4S1，G3.38(1999))在藍(lán)寶石襯底上生長GaN外延層，然后除去藍(lán)寶石襯底來制造自承重GaN基片，并對該基片進(jìn)行評估。下面，將參考圖5說明本實(shí)施例制造自承重GaN基片的方法。
首先，如圖5(b)所示，使用藍(lán)寶石襯底51，在薄GaN層52上形成具有沿GaN的[1-100]方向條狀開口的二氧化硅掩模53，然后，通過干蝕刻等，刻蝕一部分GaN外延層52和其中藍(lán)寶石襯底的一些部分54。然后，如圖5(c)所示，通過使用三甲基鎵(TMGa)和NH3作為主要源材料的MOVPE法生長平坦的GaN層55至厚度為10微米。剩余部分經(jīng)干蝕刻的部分作為間隙空間(gap space)。
然后，將此襯底放到上述圖2所示的HVPE生長裝置中。在該裝置中，通過用電爐25加熱來將基片區(qū)的溫度設(shè)定為1000℃。而且，源材料GaCl和NH3的分壓分別為5×10-3大氣壓和0.3大氣壓。在這些條件下，其生長速率約為50微米/小時(shí)。而且，如圖5(c)所示，通過摻雜氣體供應(yīng)管供應(yīng)作為基片摻雜源氣體的SiH2Cl2來進(jìn)行摻雜，生長厚度約為350微米的硅摻雜GaN層45。
從反應(yīng)器中取出此襯底，按照與圖1(c)所示相似的方式，從厚層上去除藍(lán)寶石襯底以及厚度約為幾微米的GaN層，從而獲得自承重基片形式的GaN層56。作為除去藍(lán)寶石襯底的方法，可以使用如機(jī)械拋光，或用強(qiáng)堿性或強(qiáng)酸性化學(xué)試劑刻蝕的方法。而且，也可以使用帶電粒子束或中性粒子束進(jìn)行物理刻蝕。此外，可以通過向其施加紫外線激光束來除去藍(lán)寶石襯底，該激光束可以穿透藍(lán)寶石襯底，但是被GaN所吸收，從而熔化其靠近界面的部分。對此GaN層56中的位錯(cuò)密度進(jìn)行檢驗(yàn)表明藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為3×109cm-2，而生長前沿面的密度值為3×106cm-2。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)密度值分別為2.4×109cm-2和1.2×106cm-2。
對制得的自承重基片形式的GaN層56的扭曲的測量表明其曲率半徑值為80厘米。
然后，按照與圖1(d)所示相似的方式，從藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面上去除厚度高達(dá)約150微米的區(qū)域。對于此去除，可使用熔融的KOH。因?yàn)榇宋g刻劑只能有選擇地刻蝕N-平面，所以可以使用它特別方便地刻蝕GaN層的反面(與生長前沿面相反的那側(cè))。而且，如果在GaN正面上形成SiO2等的保護(hù)膜，那么仍然可以在GaN反面上進(jìn)行不具有刻蝕選擇性的化學(xué)刻蝕，此外，還可以通過機(jī)械拋光進(jìn)行這種去除。
因此，在GaN層56中，藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的總位錯(cuò)密度和刃型位錯(cuò)密度分別降低至3.5×108cm-2和1×108cm-2。當(dāng)測量此基片的扭曲時(shí)，測量的曲率半徑為4米，這表明對扭曲有明顯的改進(jìn)。
在此基片上，通過試驗(yàn)生長基于InGaN的激光器的層狀結(jié)構(gòu)，并制造激光器。因?yàn)闇p少的扭曲對光刻步驟下的曝光均勻性沒有不利的影響，所以可以大幅提高產(chǎn)品產(chǎn)率。實(shí)施例4在本實(shí)施例中，通過熱處理控制自承重基片表面的位錯(cuò)密度。下面，將參考圖3說明本實(shí)施例制造自承重GaN基片的方法。
首先，使用藍(lán)寶石襯底31，用上述圖2(圖3(a))的HVPE生長裝置在GaN低溫生長緩沖層32上形成GaN層33。在該裝置內(nèi)的基片區(qū)中，混合通過供氣管23供應(yīng)的GaCl和NH3，在相互作用的同時(shí)，通過汽相沉積在基片24上形成GaN。使用電爐25，將基片區(qū)的溫度設(shè)定為1000℃。而且，皆為源氣體的GaCl和NH3的分壓分別為5×10-3大氣壓和0.3大氣壓。在這些條件下，其生長速率約為50微米/小時(shí)。而且，通過摻雜氣體供應(yīng)管26供應(yīng)作為基片摻雜源氣體的SiH2Cl2來進(jìn)行摻雜。這樣，外延生長獲得厚度約為200微米的Si摻雜GaN層33。
然后，從該反應(yīng)器中取出此襯底，除去藍(lán)寶石襯底31、GaN低溫生長緩沖層32和一小部分GaN層(圖3(b))。因此，在圖3(b)中，將圖3(a)中所示的GaN層33分為自承重GaN基片35和已經(jīng)從該自承重GaN基片上去除的GaN層34。將待除去的GaN層34的厚度設(shè)定為約幾十微米。
作為除去藍(lán)寶石襯底31的方法，可以使用如機(jī)械拋光，或用強(qiáng)堿性或強(qiáng)酸性化學(xué)試劑刻蝕的方法。而且，也可以使用帶電粒子束或中性粒子束進(jìn)行物理刻蝕。此外，可以通過向其施加紫外線激光束來除去藍(lán)寶石襯底，該激光束可以穿透藍(lán)寶石襯底，但是被GaN所吸收，從而熔化其靠近界面的部分。
對按上述方法獲得的自承重GaN基片35中的位錯(cuò)密度進(jìn)行檢驗(yàn)表明藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為9×109cm-2，而生長前沿面的密度值為1×107cm-2。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)密度值分別為7×109cm-2和5×106cm-2。對自承重GaN基片35扭曲的測量表明其曲率半徑值大至90厘米。
將此自承重GaN基片35放到電爐中，并在NH3氣氛、1200℃下進(jìn)行熱處理24小時(shí)。選擇NH3氣氛以防止在熱處理過程中產(chǎn)生分解，但是如果可以很好地密封樣品，就不必供應(yīng)NH3。熱處理后，再檢查一次位錯(cuò)密度，發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的位錯(cuò)密度變?yōu)?×107cm-2，而生長前沿面的密度變?yōu)?×105cm-2，這表明對位錯(cuò)密度有明顯的改進(jìn)。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)的密度值分別為1×107cm-2和3×105cm-2。當(dāng)測量熱處理后的自承重GaN基片35的扭曲時(shí)，測得其曲率半徑為6米，這表明對扭曲有明顯的改進(jìn)。
在此基片上，通過試驗(yàn)生長基于InGaN的激光器的層狀結(jié)構(gòu)，并制造激光器。因?yàn)闇p少的扭曲對光刻步驟下的曝光均勻性沒有不利的影響，所以可以大幅提高產(chǎn)品產(chǎn)率。實(shí)施例5在本實(shí)施例中，通過在外延生長當(dāng)中加入熱處理步驟來控制自承重基片表面的位錯(cuò)密度。下面，將說明本實(shí)施例制造自承重GaN基片的方法。
在本實(shí)施例中，使用藍(lán)寶石C-平面襯底，用上述圖2的HVPE裝置通過圖3所示的步驟來生長GaN層。于是，根據(jù)圖6所示的溫度順序進(jìn)行GaN層33的生長和熱處理。在生長的過程中，將GaCl和NH3的分壓分別設(shè)定為5×10-3大氣壓和0.3大氣壓。
首先，將爐溫設(shè)定在1200℃，并在H2氣流中進(jìn)行藍(lán)寶石襯底的熱清潔。接著，使?fàn)t溫降低至500℃，并沉積GaN低溫生長緩沖層32。然后，將爐溫升高至1000℃，并生長GaN層至厚度為50微米。于是，停止Ga源供給一次并進(jìn)行熱處理。也即，在NH3氣氛下，將爐溫升高至1400℃，并保持10分鐘。此后，將爐溫降低至500℃，并保持5分鐘。完成此熱處理程序后，再次將爐溫升高至1000℃。隨后，進(jìn)一步生長厚達(dá)150微米的GaN層，從而獲得薄膜總厚度為200微米的GaN層33。
此后，從該反應(yīng)器中取出此襯底，除去藍(lán)寶石襯底31、GaN低溫生長緩沖層32和一小部分GaN層(圖3(b))。這里，在圖3(b)中，將圖3(a)中所示的GaN層33分為自承重GaN基片35和已經(jīng)從自承重GaN基片上去除的GaN層34。將待除去的GaN層34設(shè)為約幾十微米厚。作為除去藍(lán)寶石襯底31的方法，可以使用上述方法之一。
對按上述方法獲得的自承重GaN基片35中的位錯(cuò)密度進(jìn)行檢驗(yàn)表明藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為4×107cm-2，而生長前沿面的密度值為5×106cm-2。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)密度值分別為1.5×107cm-2和2×106cm-2。對GaN層扭曲的測量表明其曲率半徑值為7米。當(dāng)不進(jìn)行熱處理步驟來生長該層時(shí)，藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為9×109cm-2，而生長前沿面的密度值為1×107cm-2。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)的密度值分別為7×109cm-2和5×106cm-2。對此GaN層扭曲的測量表明其為具有嚴(yán)重扭曲的基片，曲率半徑為90厘米，從而證實(shí)通過加入熱處理步驟的確可以對扭曲產(chǎn)生明顯的改進(jìn)。實(shí)施例6在本實(shí)施例中，通過在外延生長當(dāng)中加入若干熱處理步驟而以較高準(zhǔn)確性來控制自承重基片表面的位錯(cuò)密度。下面，將說明本實(shí)施例制造自承重GaN基片的方法。
在本實(shí)施例中，使用藍(lán)寶石C-平面襯底，用上述圖2的HVPE裝置通過圖3所示的步驟來生長GaN層。于是，根據(jù)圖7所示的溫度順序進(jìn)行GaN層33的生長和熱處理。在生長過程中，將GaCl和NH3的分壓分別設(shè)定為5×10-3大氣壓和0.3大氣壓。
首先，將爐溫設(shè)定在1200℃，并在H2氣流中進(jìn)行藍(lán)寶石襯底的熱清潔。接著，使?fàn)t溫降低至500℃，并沉積GaN低溫生長緩沖層32。然后，將爐溫升高至1000℃，并生長GaN層至厚度為25微米。于是，停止Ga源供給一次并進(jìn)行熱處理。也即，在NH3氣氛下，將爐溫升高至1400℃，并保持10分鐘。此后，將爐溫降低至500℃，并保持5分鐘。完成此熱處理程序后，再次將爐溫升高至1000℃。此后，每當(dāng)該GaN層進(jìn)一步生長使厚度增加25微米時(shí)，就中止生長，隨后進(jìn)行相似的熱處理，從而獲得薄膜總厚度為200微米的GaN層33。
此后，從該反應(yīng)器中取出此襯底，除去藍(lán)寶石襯底31、GaN低溫生長緩沖層32和一小部分GaN層(圖3(b))。這里，在圖3(b)中，將圖3(a)中所示的GaN層33分為自承重GaN基片35和已經(jīng)從自承重GaN基片上去除的GaN層34。將待除去的GaN層34設(shè)定為約幾十微米厚。作為除去藍(lán)寶石襯底31的方法，可以使用上述方法之一。
對按上述方法獲得的自支持GaN基片35中的位錯(cuò)密度進(jìn)行檢驗(yàn)表明藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為2×107cm-2，而生長前沿面的密度值為4×106cm-2。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)密度值分別為9×106cm-2和1.5×106cm-2。對GaN層扭曲的測量表明其曲率半徑值為10米。當(dāng)不進(jìn)行任何熱處理步驟來生長該層時(shí)，藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為9×109cm-2，而生長前沿面的密度值為1×107cm-2。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)的密度值分別為7×109cm-2和5×106cm-2。對此GaN層扭曲的測量表明其為具有嚴(yán)重扭曲的基片，曲率半徑為90厘米，從而證實(shí)通過加入熱處理步驟的確可以對扭曲產(chǎn)生明顯的改進(jìn)。實(shí)施例7在本實(shí)施例中，通過采用使自承重基片的器件形成面覆蓋以掩模的方法對其進(jìn)行熱處理，通過進(jìn)行這種熱處理來控制自承重基片表面的位錯(cuò)密度。下面，將說明本實(shí)施例制造自承重GaN基片的方法。
在本實(shí)施例中，使用藍(lán)寶石C-平面襯底，用上述圖2的HVPE裝置通過圖3所示的步驟來生長GaN層。首先，在藍(lán)寶石襯底31上形成GaN低溫生長緩沖層32。隨后，按以下步驟生長GaN層33。首先，在圖2的裝置中，通過用電爐25進(jìn)行加熱將基片區(qū)的溫度設(shè)定為1000℃，將皆為源氣體的GaCl和NH3在基片區(qū)的分壓分別設(shè)定為5×10-3大氣壓和0.3大氣壓。在這些條件下，其生長速率約為50微米/小時(shí)。而且，通過摻雜氣體供應(yīng)管26供應(yīng)作為基片摻雜源氣體的SiH2Cl2來進(jìn)行摻雜。這樣，生長出厚度約為200微米的Si摻雜GaN層33。
此后，從該反應(yīng)器中取出此襯底，除去藍(lán)寶石襯底31、GaN低溫生長緩沖層32和一小部分GaN層(圖3(b))。這里，在圖3(b)中，將圖3(a)中所示的GaN層33分為自承重GaN基片35和已經(jīng)從自承重GaN基片上去除的GaN層34。將待除去的GaN層34設(shè)定為約幾十微米厚。作為除去藍(lán)寶石襯底31的方法，可以使用上述方法之一。
對按如上所述步驟獲得的自承重GaN基片35中的位錯(cuò)密度進(jìn)行檢查表明藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度值為9×109cm-2，而生長前沿面的密度值為1×107cm-2。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)的密度值分別為7×109cm-2和5×106cm-2。對此GaN層扭曲的測量表明其為具有較大扭曲的基片，曲率半徑為90厘米。
接著，用SiO2膜覆蓋該自承重GaN基片35的整個(gè)表面。薄膜沉積通過CVD(化學(xué)氣相淀積)方法進(jìn)行。即使在相當(dāng)高的溫度下進(jìn)行熱處理時(shí)，這也可以防止GaN基片的分解。隨后，將此自承重GaN基片35放到電爐中，并在空氣中在1600℃下進(jìn)行熱處理2小時(shí)。熱處理后，再次檢測位錯(cuò)密度，發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底由之分離的那個(gè)表面的密度變?yōu)?×107cm-2，而生長前沿面的密度變?yōu)?×105cm-2，表明對位錯(cuò)密度有明顯的改進(jìn)。其中，后面和前面單刃型位錯(cuò)的密度值分別為4×107cm-2和3.5×105cm-2。當(dāng)測量熱處理后的自承重GaN基片35的扭曲時(shí)，測得其曲率半徑為3.5米，這表明對扭曲有明顯的改進(jìn)。在此基片上，通過試驗(yàn)生長基于InGaN的激光器的層狀結(jié)構(gòu)，并制造激光器。因?yàn)榕で鷾p小對光刻步驟中的曝光均勻性沒有不利的影響，所以可以大幅提高產(chǎn)品產(chǎn)率。
上述各實(shí)施例的結(jié)果概括于表1和表2中。此外，在圖8和圖9中，畫出了在所制得的自承重GaN基片中，基片的曲率半徑對正面位錯(cuò)密度與反面位錯(cuò)密度的比值的相關(guān)性。如圖8和圖9的結(jié)果所示，當(dāng)總位錯(cuò)密度的比值小于750(圖8中的直線表示總位錯(cuò)密度的比值為750)時(shí)，并且刃型位錯(cuò)密度的比值小于1000(圖9中的直線表示刃型位錯(cuò)密度的比值為1000)時(shí)，曲率半徑急劇增加，從而扭曲程度下降。
表1


表2


雖然已經(jīng)參考實(shí)施例描述了優(yōu)選的實(shí)施方案，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解以上描述是用來說明本發(fā)明的，在結(jié)合此處描述的實(shí)施例方法時(shí)可以進(jìn)行多種改變和調(diào)整而不偏離本發(fā)明的精神和范圍，而所述改變和調(diào)整落入本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。例如，在實(shí)施例5或?qū)嵤├?中，去除藍(lán)寶石襯底后，可以進(jìn)行減少位錯(cuò)的附加處理。例如，可以進(jìn)行從不同材料襯底由之分離的那側(cè)上去除厚度為100微米或更厚的區(qū)域的步驟?；蛘?，可以在不低于1150℃的溫度下進(jìn)行對自承重GaN基片進(jìn)行熱處理的步驟。
此外，雖然實(shí)施例中給出了制造自承重GaN基片方法的例子，但是也可將本發(fā)明應(yīng)用于自承重AlGaN基片。
如上所述，在本發(fā)明中，因?yàn)榭梢院芎玫乜刂苹械奈诲e(cuò)密度，特別是其中的刃型位錯(cuò)密度，所以可以穩(wěn)定地獲得扭曲減小的自承重的基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片。
應(yīng)用本發(fā)明的基片能夠按照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)發(fā)光器件和電子器件的高產(chǎn)率制造。
權(quán)利要求
1.一種基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片，其為自承重基片；其中當(dāng)將其位錯(cuò)密度較低一側(cè)表面的位錯(cuò)密度設(shè)為n1，并且將其位錯(cuò)密度較高一側(cè)表面的位錯(cuò)密度設(shè)為n2時(shí)，其比值n2/n1小于750。
2.如權(quán)利要求1所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片，其中n1不大于1×108cm-2。
3.一種基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片，其為自承重基片；其中當(dāng)將其刃型位錯(cuò)密度較低一側(cè)表面的刃型位錯(cuò)密度設(shè)為m1，并且將其刃型位錯(cuò)密度較高一側(cè)表面的刃型位錯(cuò)密度設(shè)為m2時(shí)，其比值m2/m1小于1000。
4.如權(quán)利要求3所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片，其中m1不大于5×107cm-2。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片，其中其厚度不小于30微米，但不大于1毫米。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片，其中它包括由GaN或AlGaN構(gòu)成的層。
7.一種制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法，該方法包括以下步驟在不同材料襯底的頂部上形成基于III族氮化物的半導(dǎo)體層；將所述不同材料的襯底從所述基于III族氮化物的半導(dǎo)體層分離；并且在所述基于III族氮化物的半導(dǎo)體層位于所述不同材料襯底由之分離一側(cè)的表面上施加減少位錯(cuò)密度的處理。
8.一種制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法，該方法包括以下步驟通過外延生長在不同材料襯底的頂部上形成基于III族氮化物的半導(dǎo)體層，然后將所述不同材料的襯底從所述基于III族氮化物的半導(dǎo)體層分離；其中在生長所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體層的過程中，或者在生長所述的基于III族氮化物的半導(dǎo)體層后，在不低于1150℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
9.如權(quán)利要求8所述的制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法，該方法進(jìn)一步包括以下步驟，在所述基于III族氮化物的半導(dǎo)體層位于所述不同材料襯底由之分離一側(cè)的表面上施加減少位錯(cuò)密度的處理。
10.如權(quán)利要求7或9所述的制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法，其中，所述減少位錯(cuò)密度的處理包括從所述不同材料襯底由之分離一側(cè)上除去厚度不小于100微米的所述基于III族氮化物的半導(dǎo)體層的步驟。
11.如權(quán)利要求7、9或10所述的制造基于III族氮化物的半導(dǎo)體基片的方法，其中，所述的減少位錯(cuò)密度的處理包括在不低于1150℃的溫度下在所述基于III族氮化物的半導(dǎo)體層上施加熱處理的步驟。
全文摘要
為了提供一種具有較小扭曲的III族氮化物半導(dǎo)體基片，本發(fā)明提供了一種方法，該方法包括如下步驟在藍(lán)寶石襯底31上，外延生長具有GaN低溫生長緩沖層的GaN層33；從由生長反應(yīng)器中取出的基片上去除該藍(lán)寶石襯底31、GaN緩沖層32和一小部分GaN層33，從而獲得自承重GaN基片35；并且然后，通過在NH
文檔編號H01L21/02GK1447448SQ0310753
公開日2003年10月8日 申請日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月26日
發(fā)明者碓井彰, 柴田真佐知, 大島祐一 申請人:日本電氣株式會(huì)社, 日立電線株式會(huì)社