專利名稱：高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜及其制作方法。具體地說，本發(fā)明涉及高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜及其制作方法，其中在襯底上形成由電介質(zhì)材料或金屬材料制成的掩模材料膜圖案，在制作氮化物半導(dǎo)體薄膜時(shí)在形成聚并之前去除掩模材料膜圖案，然后氮化物半導(dǎo)體薄膜再側(cè)向制作，從而形成具有空隙和較少缺陷的平面氮化物半導(dǎo)體薄膜。
背景技術(shù)：
通常，包括GaN(氮化鎵)的AlGaInN基氮化物半導(dǎo)體材料是具有從紫外線到可見光范圍的發(fā)光波長和較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性的材料。這樣，這些材料有效地用于高溫和高輸出電子器件中。
近來，光學(xué)器件如發(fā)光二極管(LEDs)和激光二極管(LDs)大量開發(fā)為產(chǎn)品。藍(lán)和綠LEDs已經(jīng)投入市場。人們正在嘗試開發(fā)具有較長波長和紫外線范圍內(nèi)的較短波長的LEDs。
另外，已進(jìn)行各種嘗試以利用基于氮化物的半導(dǎo)體材料制造發(fā)白光的白色LED。
就白色LEDs來說，使用藍(lán)色LEDs和黃磷的產(chǎn)品已經(jīng)投入市場。人們正在積極嘗試通過結(jié)合具有400nm或更小的波長的紫外線LED和RGB磷光體來產(chǎn)生白光。
而且，具有波長為405nm的LD被選作在下一代光記錄介質(zhì)上寫入信息的光源。改善LD的輸出、穩(wěn)定性等的研究正在進(jìn)行中。
但是，關(guān)鍵的問題是沒有適合應(yīng)用氮化物半導(dǎo)體材料的襯底材料，對(duì)此也在進(jìn)行研究。
由于具有大面積的GaN單晶體襯底還未供應(yīng)市場，因此采用藍(lán)寶石、硅酮、碳化硅(SiC)等異質(zhì)的襯底。如果是制作單晶體外延薄膜，異質(zhì)襯底具有由于晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的極大差異導(dǎo)致在薄膜中形成許多缺陷如穿孔錯(cuò)位(threading dislocation)的問題。據(jù)報(bào)道如穿孔錯(cuò)位的缺陷數(shù)量上高達(dá)大約109至1010/cm2，這些缺陷作為不發(fā)光的區(qū)域、漏電的路徑等。因而，這些缺陷將導(dǎo)致采用氮化物半導(dǎo)體材料的器件的光或電特性退化。
因此，已進(jìn)行各種研究以得到具有低缺陷密度的高質(zhì)量GaN外延薄膜。
圖1a和圖1b所示為按照現(xiàn)有技術(shù)通過采用掩模的側(cè)面制作方法制作氮化物半導(dǎo)體薄膜的過程。側(cè)面制作方法已被廣泛采用。在襯底10上形成第一GaN薄膜11，SiO2等電介質(zhì)材料膜12在第一GaN薄膜11上形成圖案(圖1a)。
之后，利用已形成圖案的電介質(zhì)材料膜12側(cè)面制作第二GaN薄膜13(圖1b)。
此時(shí)，已形成圖案的電介質(zhì)材料膜12用作阻止穿孔錯(cuò)位的掩模，以防止在掩模下擴(kuò)散的錯(cuò)位向側(cè)面制作的薄膜蔓延，以使得僅無掩模的區(qū)域內(nèi)的穿孔錯(cuò)位14向制作的薄膜的表面擴(kuò)散或者穿孔錯(cuò)位14折向薄膜的側(cè)面制作的部分，從而降低到達(dá)薄膜表面的缺陷的密度。
圖2a和圖2b所示為按照現(xiàn)有技術(shù)通過不采用掩模的側(cè)面制作方法制作氮化物半導(dǎo)體薄膜的過程。在襯底20上制作第一GaN薄膜21，第一GaN薄膜21和襯底20的有些部分被蝕刻以形成多個(gè)凹槽22(圖2a)。
之后，通過側(cè)面制作方法利用多個(gè)凹槽22形成第二GaN薄膜23(圖2b)。
如圖2b所示，由于錯(cuò)位17沒有向在該多個(gè)蝕刻的凹槽22上制作的第二GaN薄膜23的部分蔓延，因此可降低薄膜的缺陷密度。
但是，由于制作GaN薄膜、形成電介質(zhì)材料膜并形成圖案，然后再形成另一個(gè)GaN薄膜，或者制作GaN薄膜、蝕刻和再側(cè)面制作，前面所述的傳統(tǒng)的側(cè)面制作方法具有過程復(fù)雜的缺點(diǎn)。
另外，若采用電介質(zhì)材料膜，存在的問題是由于在側(cè)面制作的GaN薄膜和電介質(zhì)材料膜之間產(chǎn)生的應(yīng)力，制作的GaN薄膜變得傾斜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明被設(shè)計(jì)以解決前述問題。因此，本發(fā)明的目的是提供高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜及其制作方法，其中在襯底上形成由電介質(zhì)材料或金屬材料制成的掩模材料膜圖案，在制作氮化物半導(dǎo)體薄膜時(shí)在聚并發(fā)生之前去除掩模材料膜圖案，并且氮化物半導(dǎo)體薄膜再側(cè)向制作，從而形成具有空隙和較少缺陷的平面氮化物半導(dǎo)體薄膜。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)該目的的本發(fā)明的第一方面，提供一種制作高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜的方法，包括步驟1，在襯底上形成掩模材料膜，并蝕刻該掩模材料膜以形成暴露襯底上表面的某些部分的掩模材料膜圖案；步驟2，在通過掩模材料膜圖案暴露的襯底部分上制作氮化物半導(dǎo)體薄膜，并在氮化物半導(dǎo)體薄膜聚并之前停止氮化物半導(dǎo)體薄膜的制作，以便通過制作的氮化物半導(dǎo)體薄膜暴露掩模材料膜圖案；步驟3，蝕刻并去除所暴露的掩模材料膜圖案并且繼續(xù)側(cè)向制作氮化物半導(dǎo)體薄膜以使得氮化物半導(dǎo)體薄膜發(fā)生聚并，從而形成具有平坦上表面和在掩模材料膜圖案原先所在的區(qū)域形成的空隙的氮化物半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)物。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)該目的的本發(fā)明的第二方面，提供一種制作高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜的方法，包括步驟在襯底上形成掩模材料膜圖案；在襯底和掩模材料膜圖案除掩模材料膜圖案中心部分以外的部分上制作氮化物半導(dǎo)體薄膜；通過掩模材料膜圖案中心部分蝕刻并去除掩模材料膜圖案；側(cè)向制作氮化物半導(dǎo)體薄膜以形成具有平坦上表面的氮化物半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)物；并使襯底與氮化物半導(dǎo)體薄膜分離。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)該目的的本發(fā)明的第三方面，提供一種高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜，包括襯底；和在襯底上形成并在氮化物半導(dǎo)體薄膜和襯底之間的界面上具有空隙圖案的氮化物半導(dǎo)體薄膜。


從下面結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述目的、特性和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，附圖中圖1a和圖1b所示為按照現(xiàn)有技術(shù)通過采用掩模的側(cè)面制作方法制作氮化物半導(dǎo)體薄膜的過程；圖2a和圖2b所示為按照現(xiàn)有技術(shù)通過不采用掩模的側(cè)面制作方法制作氮化物半導(dǎo)體薄膜的過程；
圖3a至圖3d所示為根據(jù)本發(fā)明的制作氮化物半導(dǎo)體薄膜的過程的示意圖；圖4a至圖4f所示為根據(jù)本發(fā)明的掩模材料膜圖案的平面圖；圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的蜂巢形的掩模材料膜圖案的平面圖具體實(shí)施方式
下文中，將參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖3a至圖3d所示為根據(jù)本發(fā)明的制作氮化物半導(dǎo)體薄膜的過程的示意圖。在襯底100上形成掩模材料膜110(圖3a)，并蝕刻該掩模材料膜110以形成暴露襯底110的部分上表面的掩模材料膜圖案110-1(圖3b)。
此時(shí)，優(yōu)選的襯底100由選自包括碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石、砷化鎵(GaAs)、硅酮和ZnO的組的一種材料制成。
另外，優(yōu)選掩模材料膜圖案110-1由選自包括SiO2、Si3NX、TiN、W、Ni、Ti、Ta和WNX的組中的一種制成的薄膜構(gòu)成。
而且，掩模材料膜圖案110-1由選擇的多個(gè)相互分隔的矩形(圖4a和4b中的110-1a)、三角形(圖4c中的110-1b)、六邊形(圖4d中的110-1c)和圓形(圖4e中的110-1d)組成。
掩模材料膜圖案也可以是各具有至少一以120度角彎曲的接合處的圖案(圖4f中的110-1e)。
此時(shí)，當(dāng)掩模材料膜圖案的各具有至少一彎曲成120度角的接合處時(shí)，由于具有六角系，氮化物半導(dǎo)體薄膜中的GaN可在彎曲成120度角的彎曲掩模材料膜上平滑地制作。
當(dāng)掩模材料膜圖案由分隔開的六邊形110-1c組成時(shí)，通過在分隔開的六邊形110-1c之間保持恒定的距離d1可形成蜂巢形的掩模材料膜圖案，如圖5所示。
另外，如圖3b所示，每個(gè)掩模材料膜圖案110-1的寬度W1與襯底的每個(gè)暴露區(qū)域的寬度W2可彼此相等。
在掩模材料膜圖案110-1暴露的襯底100的區(qū)域上制作氮化物半導(dǎo)體薄膜120，并在氮化物半導(dǎo)體薄膜在掩模材料膜圖案110-1上發(fā)生聚并之前停止氮化物半導(dǎo)體薄膜120的制作，以通過所制作的氮化物半導(dǎo)體薄膜暴露掩模材料膜圖案110-1(圖3c)。
其后，蝕刻并去除暴露的掩模材料膜圖案110-1并且繼續(xù)側(cè)向制作氮化物半導(dǎo)體薄膜120直到氮化物半導(dǎo)體薄膜發(fā)生聚并，以使氮化物半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)物120具有平坦上表面和在掩模材料膜圖案110-1原先所在的區(qū)域中形成的空隙130(圖3d)。
此時(shí)，在襯底100和氮化物半導(dǎo)體薄膜120之間的界面上形成的空隙圖案具有與掩模材料膜圖案相同的形狀。
因此，根據(jù)本發(fā)明的高質(zhì)量的氮化物半導(dǎo)體薄膜包括襯底100，和在襯底100上形成并具有在氮化物半導(dǎo)體薄膜120和襯底100之間的界面上形成的空隙圖案130的氮化物半導(dǎo)體薄膜120，如圖3d所示。
這種情況下，若掩模材料膜圖案110-1用二氧化硅(SiO2)膜制成，可通過將其浸入HF和BOE溶液中去除掩模材料膜圖案110-1。
同時(shí)，若掩模材料膜圖案110-1用Ni制成，可通過將其浸入王水(一種鹽酸和硝酸的混合物)中去除掩模材料膜圖案110-1。
也就是，根據(jù)本發(fā)明，采用濕蝕刻處理方法去除掩模材料膜圖案。
因此，完整制作的氮化物半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)物120具有平坦的上表面和空隙圖案130。
因此，在掩模材料膜圖案上側(cè)面制作的氮化物半導(dǎo)體薄膜的部分與在襯底上制作的氮化物半導(dǎo)體薄膜的部分相比具有較少的缺陷。其結(jié)果是所制作的氮化物半導(dǎo)體薄膜具有較少的缺陷。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在襯底上形成由電介質(zhì)材料或金屬材料制成的掩模材料膜圖案，在制作氮化物半導(dǎo)體薄膜時(shí)在發(fā)生聚并之前去除掩模材料膜圖案，并且氮化物半導(dǎo)體薄膜再側(cè)面制作，從而形成具有空隙和較少缺陷的平面氮化物半導(dǎo)體薄膜。
另外，根據(jù)本發(fā)明，由于去除掩模材料膜圖案，掩模材料膜圖案和氮化物半導(dǎo)體薄膜之間的界面上產(chǎn)生的應(yīng)力被消除，從而可形成具有良好結(jié)晶性的氮化物薄膜。
傳統(tǒng)的側(cè)面制作方法采用多步驟工藝，其中在襯底上制作氮化物半導(dǎo)體薄膜，并在其上形成掩模材料或蝕刻氮化物半導(dǎo)體薄膜，而本發(fā)明采用簡單的工藝，其中直接在異質(zhì)的襯底上形成掩模材料。
另外，根據(jù)本發(fā)明，形成具有空隙的氮化物半導(dǎo)體薄膜。因此，由于采用該氮化物半導(dǎo)體薄膜的發(fā)光器件在空隙區(qū)域不產(chǎn)生全反射，因此可得到更高的發(fā)光效率。
同時(shí)，若在圖3d的步驟之后將襯底與氮化物半導(dǎo)體薄膜分離，則只保留氮化物半導(dǎo)體薄膜。此時(shí)，由于在襯底和氮化物半導(dǎo)體薄膜之間的界面上形成的空隙，襯底可以容易地與氮化物半導(dǎo)體薄膜分離。
在這種情況下，若空隙之間的距離，即氮化物半導(dǎo)體薄膜附著在襯底上的區(qū)域的寬度較小，可以更容易地將襯底與氮化物半導(dǎo)體薄膜分離。
若根據(jù)氮化物半導(dǎo)體薄膜的面積換算空隙面積，優(yōu)選空隙面積是氮化物半導(dǎo)體薄膜的面積的60％至90％。
根據(jù)上述的本發(fā)明，在襯底上形成由電介質(zhì)材料或金屬材料制成的掩模材料膜圖案，在制作氮化物半導(dǎo)體薄膜時(shí)在發(fā)生聚并之前去除掩模材料膜圖案，并且氮化物半導(dǎo)體薄膜再側(cè)面制作。因此本發(fā)明的優(yōu)勢在于可形成具有空隙和較少缺陷的平面氮化物半導(dǎo)體薄膜。
雖然是結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例說明和描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的前提下可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變更。顯然對(duì)本發(fā)明所做的這種修改和變更落入所附的權(quán)利要求確定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜的方法，包括步驟1，在襯底上形成掩模材料膜，并蝕刻該掩模材料膜以形成暴露襯底上表面的某些部分的掩模材料膜圖案；步驟2，在通過掩模材料膜圖案暴露的襯底部分上制作氮化物半導(dǎo)體薄膜，并在氮化物半導(dǎo)體薄膜發(fā)生聚并之前停止氮化物半導(dǎo)體薄膜的制作，以便通過所制作的氮化物半導(dǎo)體薄膜暴露掩模材料膜圖案；和步驟3，蝕刻并去除所暴露的掩模材料膜圖案，并且繼續(xù)側(cè)向制作氮化物半導(dǎo)體薄膜以使得氮化物半導(dǎo)體薄膜發(fā)生聚并，從而形成具有平坦上表面和在掩模材料膜圖案原先所在的區(qū)域形成的空隙的氮化物半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中掩模材料膜圖案由從包括SiO2、Si3NX、TiN、W、Ni、Ti、Ta和WNX的組中選擇的一種材料制成的薄膜或這些材料的層壓膜構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中掩模材料薄膜圖案為包括所選擇的多個(gè)相互分隔的矩形、三角形、六邊形和圓形的圖案，或者各具有至少一個(gè)以120度角彎曲的接合處的圖案。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中具有分隔開的六邊形的掩模材料膜圖案在分隔開的六邊形之間具有恒定的距離。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中襯底是由選自包括碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石、砷化鎵(GaAs)、硅酮和氧化鋅(ZnO)的組中選擇的一種制成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中空隙面積是氮化物半導(dǎo)體薄膜的面積的60％至90％。
7.一種制作高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜的方法，包括步驟在襯底上形成掩模材料膜圖案；在襯底和掩模材料膜圖案除掩模材料膜圖案中心部分以外的部分上制作氮化物半導(dǎo)體薄膜；通過掩模材料膜圖案中心部分蝕刻并去除掩模材料膜圖案；側(cè)向制作氮化物半導(dǎo)體薄膜以形成具有平坦的上表面的氮化物半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)物；以及將襯底與氮化物半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)物分離。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中采用濕蝕刻處理去除掩模材料膜圖案。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中掩模材料薄膜圖案由從包括SiO2、Si3NX、TiN、W、Ni、Ti、Ta和WNX的組中選擇的一種材料制成的膜或這些材料的層壓膜構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中掩模材料膜圖案為包括選擇的多個(gè)相互分隔的矩形、三角形、六邊形和圓形的圖案，或者各具有至少一個(gè)以120度角彎曲的接合處的圖案。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其中具有分隔開的六邊形的掩模材料膜圖案在分隔開的六邊形之間具有恒定的距離。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其中襯底是由從包括碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石、砷化鎵(GaAs)、硅酮和氧化鋅(ZnO)的組中選擇的一種制成。
13.一種高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜，包括襯底；和在襯底上形成的并在氮化物半導(dǎo)體薄膜和襯底之間的界面上具有空隙圖案的氮化物半導(dǎo)體薄膜。
14.如權(quán)利要求13所述的高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜，其中空隙圖案為包括所選擇的多個(gè)相互分隔的矩形、三角形、六邊形和圓形的圖案，或者各具有至少一個(gè)以120度角彎曲的接合處的圖案。
15.如權(quán)利要求13或14所述的高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜，其中襯底是由選自包括碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石、砷化鎵(GaAs)、硅酮和氧化鋅(ZnO)的組中選擇的一種制成。
16.如權(quán)利要求13或14所述的高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜，其中空隙圖案的面積是氮化物半導(dǎo)體薄膜面積的60％至90％。
全文摘要
本發(fā)明涉及高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體薄膜及其制作方法，根據(jù)本發(fā)明，在襯底上形成由電介質(zhì)材料或金屬材料制成的掩模材料膜圖案，在制作氮化物半導(dǎo)體薄膜時(shí)在形成聚并之前去除該掩模材料膜圖案，并且氮化物半導(dǎo)體薄膜再側(cè)向制作。因此，本發(fā)明的優(yōu)勢在于能夠制作具有空隙和較少缺陷的平面氮化物半導(dǎo)體薄膜。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1641835SQ20051000172
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月15日
發(fā)明者金旼弘 申請(qǐng)人:Lg電子有限公司