專利名稱：外延方法和通過該方法生長的模板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理半導(dǎo)體材料的領(lǐng)域，特別是涉及外延生長高品質(zhì)的半導(dǎo)體材料單
晶層的領(lǐng)域。本發(fā)明提供了外延方法，在優(yōu)選的實(shí)施方式中所述外延方法結(jié)合了鑲嵌技術(shù)
與外延橫向過生長(EL0)技術(shù)。本發(fā)明還提供了通過所提供的Damascene-ELOTM方法制造 的模板和半導(dǎo)體。
背景技術(shù)：
為適合于器件制造，半導(dǎo)體材料層必須具有高純度和低缺陷或位錯密度。制備某 些材料，特別是化合物材料的優(yōu)質(zhì)層因?yàn)槿狈?yōu)質(zhì)大塊單晶并且因用于異質(zhì)外延生長的襯 底不足所致而在過去一直受到阻礙。 這樣的問題通常已經(jīng)阻礙了下述半導(dǎo)體的發(fā)展氮化鎵(GaN);包括諸如A1N、 InN、GalnN和其他混合氮化物的其他III族氮化物(此處稱為"III族氮化物")；某些III-V 族化合物；以及某些其他化合物材料(如II-VI族材料)。例如，III族氮化物具有半導(dǎo)體 性質(zhì)，其有利于制造電子元件(如高溫FET)、光學(xué)元件(如短波長LED和激光器)和混合光 電元件(如光伏器件)。不過，制備前述材料的優(yōu)質(zhì)層由于缺乏匹配這些材料的晶體性質(zhì)的 優(yōu)質(zhì)的大塊晶體和/或適宜的襯底而一直受到阻礙。襯底不能嚴(yán)密匹配待生長于其上的材 料的晶體性質(zhì)時(shí)會導(dǎo)致不可接受的缺陷和位錯密度(對于GaN，特別是在襯底與GaN之間的 界面處產(chǎn)生的穿透位錯(TD))。 在GaN的情況中，應(yīng)當(dāng)注意通過襯底預(yù)處理可以改善晶體品質(zhì)，例如，通過氮化等 對襯底表面進(jìn)行化學(xué)改性；通常在較低溫度(LT)下生長如AlN或GaN等的薄緩沖層；熱退 火等。利用外延橫向過生長(ELO)也可以改善晶體品質(zhì)，在該過程中層在掩蔽層上橫向生 長而且還從襯底開始垂直生長。例如，參見美國專利6， 153,010。已知的ELO工藝在下述條 件下在由通過光刻方式圖案化的掩模部分覆蓋的襯底上生長GaN，所述條件首先促進(jìn)經(jīng)由 掩模開口暴露的襯底的區(qū)域上的生長，其次促進(jìn)掩模上的橫向生長。 此外，這樣的問題也阻礙了硅(Si)與鍺(Ge)的合金的發(fā)展。這樣的大塊晶體通 常不可得。不過，通過在由襯底(例如Si或Ge)的組成漸變?yōu)榇L的材料(例如SiGe) 的組成的緩沖層上生長這些材料已經(jīng)得到了改善的晶體品質(zhì)。 除了缺陷或位錯密度之外，另一個(gè)重要的晶體性質(zhì)，尤其是對于III族氮化物 (如GaN)來說是"晶體極性"。例如，參見Sumiya et al. ， 2004， Review of polarity determination and control of GaN， MRS Internet J. NitrideSemicond. Res. 9， 1 。 圖l 中描述了 GaN的晶體極性(其中，Ga原子由大灰球圖示，N原子由小黑球圖示，鍵由雙線表 示)。如圖所示，纖維鋅礦GaN(以及其他的III族氮化物)中，每個(gè)Ga原子與四個(gè)氮(N) 原子以四面體方式配位，但在其中僅僅是與三個(gè)最近相鄰的N(圖1中由"*"表示)強(qiáng)烈成 鍵。如果Ga與其三個(gè)最近相鄰的N的三個(gè)強(qiáng)鍵向下指向襯底，則極性為+c (也稱為Ga面)， 其中標(biāo)記c指的是垂直于外延膜的平面的晶面。對于相反的極性-c(也稱為N面)，Ga與 其三個(gè)最近相鄰的N的方向向上指向生長方向。
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重要的是注意到材料的性質(zhì)并非表面性質(zhì)并對GaN(或其他氮化物材料)的體相 性質(zhì)影響很大，而且其往往有利于制造具有一種或另一種極性的元件。因此，通常理想的是 選擇外延生長層的極性以使其適合于特殊應(yīng)用，例如，具有+c極性的層往往優(yōu)選用于III 族氮化物元件的制造。 另一個(gè)重要的晶體參數(shù)，尤其是對于III-V族氮化物膜的異質(zhì)外延生長來說是非 同質(zhì)襯底與氮化物層之間的晶格失配產(chǎn)生的外延層中的誘發(fā)應(yīng)變(例如，藍(lán)寶石與GaN之 間"15%)。氮化物外延層中誘發(fā)的應(yīng)變能夠在多個(gè)顯著方面在物理上表明其自身，包括 但不限于缺陷/位錯的形成、組成相分離和內(nèi)部極化場的形成。 相分離和壓電電場的形成對于由III族氮化物材料體系制造的發(fā)光器件，特別是 由InGaN材料生長的有源層具有有害影響。二元化合物InGaN的成分，即InN和GaN，未完 全混溶，因而在給定的一組生長條件和膜厚下存在一個(gè)固定范圍的能量上有利的InGaN組 成。將晶格應(yīng)變和缺陷引入InGaN體系中會導(dǎo)致在傾向于相分離的能量不利的組成下生長 出較厚的InGaN層，S卩，In原子和Ga原子將不能在整個(gè)層中均勻分布。非均勻性可能造成 材料的帶隙能量的分布擾動，也就是說，相分離區(qū)域不均衡地作為光吸收中心或光散射源， 這將造成氮化物器件的內(nèi)量子效率(IQE)下降。IQE是用輸入器件中的電子數(shù)除有源層中 產(chǎn)生的光子數(shù)，已經(jīng)觀察到該值隨著InGaN有源區(qū)域中的銦成分的增加而迅速減小，該現(xiàn) 象與材料的相分離有關(guān)。IQE的減小對于需要較大銦成分的應(yīng)用，例如由III族氮化物材料 制造的長波長發(fā)射裝置，具有相當(dāng)大的影響。 III族氮化物的纖維鋅礦晶體結(jié)構(gòu)與常見的(0001)面的生長取向的結(jié)合形成了 材料中的極化場。極化場隨后在材料中產(chǎn)生影響氮化物器件中的載流子分布和電場的靜電 電荷密度。氮化物中的極化場顯示出產(chǎn)生于兩個(gè)不同的分量，組成相關(guān)的(自發(fā)的)和應(yīng) 變相關(guān)的(壓電的)。感應(yīng)電荷導(dǎo)致界面能壘，其可阻止電子和空穴傳輸進(jìn)入器件的有源區(qū) 域。自發(fā)極化和壓電極化由于能帶結(jié)構(gòu)的傾斜所致使電子與空穴的空間分布分離，這種載 流子的分離導(dǎo)致器件的效率明顯降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于外延生長具有低缺陷密度、減少的晶格應(yīng)變的各種半導(dǎo)體材料的
單晶層的方法。必要時(shí)所述層還可具有選定的晶體極性。所提供的方法的一些實(shí)施方式在
此處以商標(biāo)"Damascene-ELO "表示，因?yàn)樵谶@些實(shí)施方式中，這些方法結(jié)合了鑲嵌技術(shù)與 外延橫向過生長(ELO)技術(shù)。不過，該商標(biāo)不應(yīng)當(dāng)解釋為限制性的，這是因?yàn)槠渌膬?yōu)選實(shí) 施方式并未采用鑲嵌技術(shù)。 所提供的具有低缺陷密度、減少的晶體應(yīng)變的單晶半導(dǎo)體層可用于制造電子元 件、光學(xué)元件或光電元件，或者用作用于生長另外的具有低缺陷密度、減少的晶體應(yīng)變的單 晶半導(dǎo)體層的模板等等。已經(jīng)被剝離了半導(dǎo)體層的模板結(jié)構(gòu)可再次用于生長另外的低缺陷 密度的單晶半導(dǎo)體層。 本發(fā)明還提供用于外延生長具有低缺陷密度的、減少的晶體應(yīng)變的各種半導(dǎo)體材 料的單晶層的模板結(jié)構(gòu)和已經(jīng)在所提供的模板上生長(且可選地隨后從其剝離)的低缺陷 密度的各種半導(dǎo)體材料的單晶層。 本發(fā)明可應(yīng)用于外延生長大范圍的半導(dǎo)體材料及其組合，包括元素半導(dǎo)體和化合
5物半導(dǎo)體。例如，可應(yīng)用于Si(硅)和/或Ge(鍺)的組合。還可應(yīng)用于II-VI族和III-V 族化合物半導(dǎo)體材料。特殊應(yīng)用是生長III族金屬Al、Ga和In的純的或混合的氮化物(III 族氮化物)，如A1N、 GaN、 InN、 AlGaN、 GalnN，尤其是生長具有低缺陷密度的、減少的晶體應(yīng) 變的單晶GaN層。下面，未作修飾的術(shù)語"半導(dǎo)體"和"半導(dǎo)體材料"用來指本發(fā)明可進(jìn)行 應(yīng)用的材料，不是指所有的半導(dǎo)體材料。 不過，為使下列說明簡潔方便且沒有有意的限制，此處主要是在針對生長III族 氮化物的實(shí)施方式中，特別是在針對生長GaN的實(shí)施方式中描述本發(fā)明。描述的重點(diǎn)僅僅 是用于舉例，而不應(yīng)當(dāng)視為限制本發(fā)明。事實(shí)上，正如將從以后的描述及附圖而清晰可見， 本發(fā)明的方法易于應(yīng)用于生長通常的III-V族化合物半導(dǎo)體，生長屬于其他族(例如II-VI 族)的化合物半導(dǎo)體，生長元素和合金半導(dǎo)體。因此，此處的說明主要集中于針對III族氮 化物和GaN的本發(fā)明的實(shí)施方式并非進(jìn)行限制。 簡而言之，本發(fā)明的方法與已知的ELO方法相反，其提供或制備具有多個(gè)其特性 被仔細(xì)控制的GaN島狀物的模板結(jié)構(gòu)，在某些實(shí)施方式中所述模板包括覆蓋了島狀物的不 需要的部分以及模板的未被GaN島狀物覆蓋的區(qū)域的掩蔽層。島狀物的暴露部分或上部優(yōu) 選具有相對較低的缺陷密度，減少的晶格應(yīng)變和選定的極性。預(yù)期的GaN層隨后通過ELO 技術(shù)(即，生長條件有利于橫向過生長)生長在該模板結(jié)構(gòu)上，生長由GaN島狀物的暴露部 分或上部開始。因而，預(yù)期層與島狀物一樣具有相對較低的缺陷密度、減少的晶格應(yīng)變和選 定的極性。 —些實(shí)施方式沉積并依賴于掩蔽材料，而其他的實(shí)施方式并不沉積或依賴于這樣 的材料。在此處稱為某些Damascene-ELO 實(shí)施方式的實(shí)施方式中，沉積掩蔽材料從而覆蓋 III族氮化物島狀物和基礎(chǔ)襯底，然后移除足夠的掩蔽材料，例如通過化學(xué)-機(jī)械拋光，由 此使得僅僅是至少一部分島狀物的上部通過殘留的掩蔽材料顯露出來。在另外的實(shí)施方式 中，沉積掩蔽材料以僅僅覆蓋基礎(chǔ)襯底和III族氮化物島狀物的一部分，而使島狀結(jié)構(gòu)體 的上部暴露作為隨后的ELO生長的晶種。在另外的實(shí)施方式中，不沉積掩蔽材料，而是選擇 生長條件(如ELO條件)以使連續(xù)層由暴露的III族氮化物島狀物的上部生長。
更詳細(xì)地說，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式提供用于制造包含半導(dǎo)體材料的層的方法以 及根據(jù)所提供的方法制得的包含半導(dǎo)體材料的層。 用于制造包含半導(dǎo)體材料的層的本發(fā)明的優(yōu)選方法首先提供具有多個(gè)島狀物的 模板結(jié)構(gòu)，所述島狀物具有基本上不規(guī)則的空間排列，包括具有一種以上選定的晶體性質(zhì) 的上部，并包括其上優(yōu)先成核并生長所述半導(dǎo)體材料的材料，其次，所述方法在下述條件下 在所述模板結(jié)構(gòu)上生長所述半導(dǎo)體材料，所述條件經(jīng)選擇以有利于在所述島狀物上成核， 然后外延橫向過生長(ELO)以橫向越過所述島狀物，再聚結(jié)以形成基本上連續(xù)的最終半導(dǎo) 體層，該半導(dǎo)體層承襲了 一種以上選定的性質(zhì)。 優(yōu)選的是，所述島狀物具有的空間密度使得最終層基本上為單晶。此外，島狀物的 材料可以包括最終層的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料可包括元素半導(dǎo)體材料，或合金半導(dǎo)體材 料，或II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，或III-V族化合物半導(dǎo)體材料。選定的晶體性質(zhì)可包括 低密度的晶體缺陷、選定的晶體極性和減少的結(jié)晶應(yīng)變中的一種以上。 本發(fā)明的優(yōu)選方法還可以剝離最終半導(dǎo)體層的一部分，例如，通過在所述最終半 導(dǎo)體層中形成弱化區(qū)；然后施加能量以在所述弱化區(qū)剝離最終半導(dǎo)體層的一部分。剝離的層可具有基本上單一的晶體極性和/或可以基本上為單晶。 本發(fā)明的優(yōu)選方法還制造其中半導(dǎo)體材料包括III族氮化物(層材料)的層。在 這些優(yōu)選的方法中，通過在包括島狀物材料的基礎(chǔ)襯底上生長島狀物(在選定的條件下) 以使得所得島狀物具有基本上不規(guī)則的空間排列并包括具有一種以上選定的晶體性質(zhì)的 上部，從而提供從具有促進(jìn)更多的III族氮化物材料(島狀物材料)成核的表面的基礎(chǔ)襯 底開始的模板結(jié)構(gòu)。所述層材料隨后在下述條件下在模板結(jié)構(gòu)上生長，所述條件經(jīng)選擇以 有利于在島狀物上成核，然后外延橫向過生長(ELO)以橫向越過島狀物，再聚結(jié)以形成基 本上連續(xù)的最終半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層承襲了一種以上選定的性質(zhì)。 層材料和島狀物材料可以為相同的材料，也可以為不同的材料；層材料可包括氮 化鋁，或氮化鎵，或氮化銦，或它們的混合物。當(dāng)層材料包含GaN時(shí)，選定的晶體性質(zhì)可以是 以下性質(zhì)中的一種以上約為107cm2以下的缺陷或位錯的表面密度、至少為5%的晶格應(yīng) 變的馳豫比例和選定為+c (Ga面)或-c (N面)取向之一的晶體極性。
優(yōu)選方法還優(yōu)選在經(jīng)選擇的條件下生長島狀物材料以使多個(gè)出現(xiàn)在基礎(chǔ)襯底處 的所得的島狀物中的位錯橫向彎曲并終止于所述島狀物的側(cè)面；和/或在經(jīng)選擇的條件下 生長島狀物材料以使所得島狀物具有顯示阻礙所述層材料成核和生長的晶體取向的側(cè)面， 并具有顯示促進(jìn)所述層材料成核和生長的晶體取向的上表面。 優(yōu)選方法還在下述條件下生長所述層材料，所述條件經(jīng)選擇首先有利于層材料由
島狀物的上部更加垂直地生長，隨后層材料由初始生長的層材料更加橫向生長；和/或所
述條件經(jīng)選擇以在層材料聚結(jié)之后有利于更加垂直生長直至達(dá)到選定的最終層的厚度；和
/或所述條件經(jīng)選擇以有利于形成多個(gè)位于先前的島狀物之間的最終層中的中空區(qū)域。在
后一種選擇中，所述方法可進(jìn)一步施加能量以在中空區(qū)域剝離最終層的一部分。 用于制造包括III族氮化物半導(dǎo)體材料的層的本發(fā)明的優(yōu)選方法可在適宜的模
板結(jié)構(gòu)上沉積掩蔽材料，以使大多數(shù)所述島狀物的上部經(jīng)由掩蔽材料暴露，然后，在選定的
條件下在模板結(jié)構(gòu)上生長半導(dǎo)體材料。所述掩蔽材料優(yōu)選經(jīng)選擇以使半導(dǎo)體材料相比于在
所述掩蔽材料上而優(yōu)先在島狀物上成核并生長。特別是，氮化硅、或氧化硅或其混合物是優(yōu)
選的掩蔽材料。 正如在其他優(yōu)選的實(shí)施方式中，適宜的模板結(jié)構(gòu)優(yōu)選具有多個(gè)島狀物，所述島狀 物具有基本上不規(guī)則的空間排列，包括具有一種以上選定的晶體性質(zhì)的上部，并包括其上 所述半導(dǎo)體材料優(yōu)先成核并生長的材料；選擇的條件優(yōu)選首先有利于在島狀物上成核，然 后外延橫向過生長(ELO)以橫向越過所述島狀物，最后聚結(jié)以形成承襲了一種以上選定的 性質(zhì)的基本上連續(xù)的最終半導(dǎo)體層。 在這些方法的優(yōu)選形式中，沉積掩蔽材料直至滿足選定的條件。在一個(gè)優(yōu)選的形 式中，可以沉積掩蔽材料直至至少島狀物的大多數(shù)側(cè)面和襯底的未被島狀物覆蓋的部分被 掩蔽材料覆蓋，而至少大多數(shù)島狀物的上部仍然保持暴露。 在這些方法的另一個(gè)優(yōu)選形式中，可以沉積掩蔽材料直至島狀物及襯底的未被島 狀物覆蓋的部分被掩蔽材料基本上覆蓋。在后一種形式中，優(yōu)選的方法移除過量的掩蔽材 料以使至少大多數(shù)島狀物的上部再次暴露。通過化學(xué)_機(jī)械拋光可至少部分移除掩蔽材 料，之后對島狀物的上部進(jìn)行表面平滑處理。術(shù)語"低缺陷/位錯密度"或"相對較低的缺 陷/位錯密度"等在全文中使用，并且應(yīng)當(dāng)理解為相對于針對特定半導(dǎo)體材料的現(xiàn)有技術(shù)。不同的半導(dǎo)體材料具有不同的物理性質(zhì)，在本領(lǐng)域中發(fā)展的程度不同。因此，在一種半導(dǎo)體 材料(如GaN)的領(lǐng)域中理解的低缺陷或位錯密度可能實(shí)質(zhì)上不同于在另一種半導(dǎo)體材料 (如Si)的領(lǐng)域中所理解的缺陷或位錯密度。 在應(yīng)用于GaN的情況中，使用低缺陷或位錯密度在此處指的是缺陷或位錯的密度 小于約107cm2，優(yōu)選小于約105/cm2 107/Cm2，更優(yōu)選小于約105/cm2。相反，使用術(shù)語"高 缺陷/位錯密度"或"相對較高的缺陷/位錯密度"等在此處是指缺陷或位錯的密度大于約 109/cm2。所關(guān)注的缺陷或位錯主要是產(chǎn)生于生長的III族氮化物與襯底之間的界面并隨著 生長傳播到晶體中的那些缺陷，尤其是穿透位錯(TD)。 III族氮化物的缺陷密度通過本領(lǐng) 域的技術(shù)人員熟知的那些方法測定，包括原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透 射電子顯微鏡(TEM)。測定缺陷密度的優(yōu)選方法是TEM，因而采取的此處描述的缺陷密度的 值由TEM測定。 在應(yīng)用于Ge和Si的合金(例如St—yGey，其中y > 0. 2)的情況中，使用低缺陷或 位錯密度在此處指的是缺陷或位錯密度小于約lOVcm2 107cm2，優(yōu)選小于約103/cm2 104/(^2，更優(yōu)選小于約103/cm2。相反，使用術(shù)語"高缺陷/位錯密度"或"相對較高的缺陷 /位錯密度"等在此處是指缺陷或位錯的密度大于約106/cm2。 在應(yīng)用于Si上Ge的情況中，使用低缺陷或位錯密度在此處指的是缺陷或位錯的 密度小于約106/cm2 107cm2，優(yōu)選小于約105/cm2 106/cm2，更優(yōu)選小于約104/cm2。相 反，使用術(shù)語"高缺陷/位錯密度"或"相對較高的缺陷/位錯密度"等在此處是指缺陷或 位錯的密度大于約107cm2。 在應(yīng)用于III族氮化物的情況中，術(shù)語"降低的晶格應(yīng)變的水平"在此處指的是對 于給定的組成來說小于在異質(zhì)外延生長過程中形成晶體缺陷的臨界厚度處存在的應(yīng)變水 平的應(yīng)變的水平。為進(jìn)一步解釋，有限量的彈性應(yīng)變可以由不產(chǎn)生位錯或缺陷的材料調(diào)節(jié)。 該調(diào)節(jié)需要由材料厚度和晶格失配度所控制的能量的量。此外也需要能量以在材料中產(chǎn)生 缺陷從而減輕晶格應(yīng)變。如果應(yīng)變大于該能量，則可以形成位錯或缺陷。因此，如果外延層 中的應(yīng)變可保持在足夠小的水平以使彈性能低于缺陷形成的能量，則應(yīng)變層對于位錯形成 來說將是熱力學(xué)穩(wěn)定的。這被稱為假形態(tài)生長，因?yàn)樯L的外延層維持了下層襯底的晶格 參數(shù)。不過，對于給定的材料組成，應(yīng)變隨沉積材料的厚度而增大直至達(dá)到"臨界厚度"，在 該厚度下外延層中的應(yīng)變足以導(dǎo)致形成缺陷，這降低了晶格應(yīng)變。 因此，術(shù)語"降低的應(yīng)變的水平"也可以指這樣的晶體，其中應(yīng)變已經(jīng)通過結(jié)構(gòu)的 馳豫而調(diào)節(jié)至晶格應(yīng)變(拉伸/壓縮)被弛豫(低于位錯或缺陷形成的閾值)的程度。晶 體應(yīng)變的馳豫可通過考慮應(yīng)變馳豫百分比(R)來量化，
R = (A-As) / (A「AS) X 100 % 其中，a是測定的應(yīng)變層的面內(nèi)晶格參數(shù)，ai是應(yīng)變層的未應(yīng)變的面內(nèi)晶格參數(shù)， 是襯底的面內(nèi)晶格參數(shù)。對于完全馳豫的材料，即，材料的晶格參數(shù)弛豫至其未應(yīng)變的值 的材料(a = a》，R為l(或100% )。對于未經(jīng)歷任何應(yīng)變馳豫的材料，S卩，材料的晶格參 數(shù)保持等于襯底的晶格參數(shù)的材料(a = a》，例如達(dá)到缺陷形成的臨界厚度之前的材料，R 為0(或0% )。 使用術(shù)語"基本上"在此處是指除了本領(lǐng)域中通常所預(yù)料到的不足之外的完全的 結(jié)果。例如，如果一個(gè)圖案在目測時(shí)未顯現(xiàn)出具有任何規(guī)則圖案，則該圖案即為"基本上不規(guī)則的"。"基本上不規(guī)則的"圖案不必是準(zhǔn)確數(shù)學(xué)意義上的不規(guī)則。此外，外延層不能按照 常規(guī)方式預(yù)期為在宏觀尺寸上完全連續(xù)(或完全單晶，或完全是一種晶體極性)。不過，外 延層可以按照常規(guī)方式預(yù)期為在宏觀尺寸上"基本上連續(xù)"(或"基本上單晶"，或"基本上 為一種晶體極性")，其中存在的不連續(xù)(或晶疇，或晶界)是本領(lǐng)域中對于處理?xiàng)l件、所尋 求的材料品質(zhì)等所預(yù)見的那些不連續(xù)。 此處使用的標(biāo)題僅為清楚起見，而沒有任何限制意圖。本文中引用了多處參考文 獻(xiàn)，其全部公開內(nèi)容通過引用的方式全部并入本文中用于所有目的。此外，無論以上如何表 征，沒有一處引用的參考文獻(xiàn)被視為為先于此處所要求保護(hù)的主題的發(fā)明。本發(fā)明的其他 方面和細(xì)節(jié)以及各要素的替代性組合將由下列詳細(xì)描述變得清楚，并且均在本發(fā)明人的發(fā) 明的范圍之內(nèi)。


參考下列對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述、本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的描述性
實(shí)例和附圖將更為充分地理解本發(fā)明，圖中 圖1描述了 III族氮化物中的極性；禾口 圖2描述了現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)示例性工藝；禾口 圖3描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式；禾口 圖4A-F描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的步驟；禾口 圖5A-D描述了本發(fā)明的替代性優(yōu)選實(shí)施方式的步驟；禾口 圖6A-C描述了另一個(gè)本發(fā)明的替代性優(yōu)選實(shí)施方式的步驟； 圖7A-C描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例；禾口 圖8描述了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
首先，經(jīng)由簡要介紹來突出本發(fā)明的實(shí)施方式與已知方法(圖2中所描述)的差 異。然后，參照圖3和4A-4D描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。參照圖5A-D和6A-C描述本發(fā) 明的其他優(yōu)選實(shí)施方式。最后，參考圖7和8描述實(shí)例。 首先涉及現(xiàn)有技術(shù)，在用于生長GaN層的許多公知的方法中，模板由使用標(biāo)準(zhǔn)光 刻工藝而圖案化的掩模覆蓋，然后通過圖案化掩模的開口生長GaN。圖2描述了具有模板 203的襯底201，所述模板203由具有規(guī)則排列的掩模開口 207的規(guī)則圖案化的掩模205部 分覆蓋。規(guī)則圖案化的掩模通常使用標(biāo)準(zhǔn)光刻法制備。接著，在掩蔽的襯底上生長GaN，以 使其首先在模板203表面的通過掩模開口 207暴露的部分上(而不是在掩模上)成核，然后 通過掩模開口垂直生長。在生長的最后階段，GaN209橫向延伸在整個(gè)掩模上。如果適當(dāng)選 擇襯底和掩蔽材料并且如果使掩模開口適當(dāng)間隔，則經(jīng)過一段時(shí)間后，橫向生長的GaN 209 將最終聚結(jié)而形成GaN的單晶層。 相反，本發(fā)明的方法相對于該現(xiàn)有技術(shù)具有一個(gè)以上的明顯差異。第一個(gè)差異是， 本發(fā)明的方法在沒有任何光刻掩模的基礎(chǔ)襯底上形成不規(guī)則圖案的分隔的GaN(或其他 III-V族或半導(dǎo)體材料)島狀物(圖4C中的襯底3上的島狀物7)，而非形成由其生長規(guī)則 圖案化排列的GaN的規(guī)則圖案化的光刻掩模。不規(guī)則排列的分隔的半導(dǎo)體島狀物可以以至少兩種明顯不同的方式形成在選定的條件下于襯底的準(zhǔn)備好的表面(如成核層)上外延 生長；或者蝕刻二維的基本上連續(xù)的III族氮化物層，該層具有抗蝕刻性明顯不同的不規(guī) 則排列區(qū)域。最終的連續(xù)半導(dǎo)體層隨后從這些不規(guī)則排列的島狀物的上部優(yōu)先生長。因此， 現(xiàn)有技術(shù)使用光刻掩模由規(guī)則排列的GaN模板生長最終的GaN;相反，本發(fā)明則是從不具有 任何該掩模的不規(guī)則排列的半導(dǎo)體模板生長。 在某些實(shí)施方式中，第二個(gè)差異在于，在形成不規(guī)則排列的島狀物之后并在生長 最終的連續(xù)的半導(dǎo)體(例如，GaN或本發(fā)明可應(yīng)用的其他材料)層之前，形成掩蔽材料以覆 蓋襯底表面同時(shí)使不規(guī)則排列的半導(dǎo)體島狀物的上部保持暴露狀態(tài)。選擇掩蔽材料以使最 終層的生長優(yōu)先開始于島狀物的暴露上部而非始于掩蔽材料。在一些實(shí)施方式中，可通過 沉積形成過量的掩蔽材料以至包埋不規(guī)則排列的半導(dǎo)體島狀物，隨后充分除去該過量的掩 蔽材料(圖4C和4D中的掩蔽材料17)以暴露島狀物的上部。在其他的實(shí)施方式中，僅充 分沉積掩蔽材料以使襯底和不規(guī)則排列的半導(dǎo)體的側(cè)面被掩蔽。因此，現(xiàn)有技術(shù)首先形成 圖案化掩模然后通過圖案化的掩模生長規(guī)則排列的GaN;與此相反，本發(fā)明的某些實(shí)施方 式首先提供具有不規(guī)則排列的半導(dǎo)體島狀物的模板，然后在不規(guī)則排列的島狀物的周圍沉 積或布置掩蔽材料。 圖3圖示了用于描述性目的且用作理解本發(fā)明的輔助性手段的本發(fā)明的不同的 實(shí)施方式，其排列成為三級的層次，其中每一級提供了其前一級的部分的實(shí)施方式或詳細(xì) 描述或執(zhí)行，最低的一級整體上表示本發(fā)明。圖3中，層次的具體級的步驟排列為一個(gè)垂直 列，并洋細(xì)描述或執(zhí)行由封閉的左大括號指向的(前一級的)步驟。每一級的多個(gè)左大括 號表示該級別的替代性實(shí)施方式。 因此，根據(jù)圖3，本發(fā)明的所有優(yōu)選實(shí)施方式(91)總體上提供(71)包括不規(guī)則排 列的具有諸如低缺陷密度、減少的晶格應(yīng)變和選定的晶體極性等選定性質(zhì)的GaN(或其他 III族氮化物或類似的材料)島狀物的模板結(jié)構(gòu)，然后在通常有利于ELO的條件下由島狀物 的上部生長(73)最終的GaN層。用于島狀物的優(yōu)選的半導(dǎo)體材料促進(jìn)最終層的半導(dǎo)體的 成核。隨后描述具體的EL0條件，但通常來說主要根據(jù)在不規(guī)則排列的島狀物周圍的襯底 上是否已經(jīng)沉積或布置有掩蔽材料來優(yōu)先選擇這些條件。當(dāng)適宜的基本上連續(xù)的最終層形 成時(shí)，生長完成。半導(dǎo)體島狀物的材料和最終半導(dǎo)體層的材料可以為相同或不同。
最終層可以在仍然附著于模板的情況下用于應(yīng)用，或者在替代性實(shí)施方式(93) 中可以在使用前剝離和/或轉(zhuǎn)移(75)。用途包括用作電子元件、光學(xué)元件等的襯底，或者用 作用于生長另外的具有選定的晶體性質(zhì)的GaN層的襯底。 其他優(yōu)選實(shí)施方式(95，97)提供用于提供模板的步驟71的各種不同的實(shí)施方式 或詳細(xì)描述或?qū)嵤?yōu)選實(shí)施方式(95)通過下述方式提供模板，首先，處理(77)基礎(chǔ)襯底 以使其表面將促進(jìn)以選定的空間密度并具有選定的性質(zhì)的半導(dǎo)體島狀物的成核(成核處 理)，其次，在經(jīng)處理的基礎(chǔ)襯底上生長(78)具有選定性質(zhì)的半導(dǎo)體島狀物。通常，選擇空 間密度以使于ELO條件下生長的最終半導(dǎo)體層在聚結(jié)后將為充分的單晶狀。由于不存在圖 案化的模板等，因而半導(dǎo)體島狀物通常將以不規(guī)則的或無規(guī)的圖案生長。某些優(yōu)選實(shí)施方 式(95)使用未經(jīng)進(jìn)一步處理的該模板用于最終層的生長73。其他的優(yōu)選實(shí)施方式(97、99 和101)在生長最終層之前通過沉積(79)掩蔽材料以使半導(dǎo)體島狀物的上部暴露來進(jìn)一步 處理模板。
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在步驟71的其他實(shí)施方式中，不是生長分隔的半導(dǎo)體島狀物，而是可以在成核層 上生長相對較厚的連續(xù)的半導(dǎo)體(如GaN或其他III族氮化物)層，從而使各區(qū)域具有明 顯變化的抗蝕刻性。然后對相對較厚的連續(xù)的半導(dǎo)體應(yīng)用蝕刻劑(根據(jù)半導(dǎo)體材料而優(yōu)先 選擇的)，以使蝕刻速率的不同導(dǎo)致例如在相對較厚的GaN層具有較大的抗蝕刻性的那些 區(qū)域中形成分隔的島狀物區(qū)域。 在步驟71的其他實(shí)施方式中，可優(yōu)化模板結(jié)構(gòu)以促進(jìn)最終的半導(dǎo)體(如III族氮 化物)生長為層之外的其他構(gòu)型，特別是納米結(jié)構(gòu)體，例如，納米線、納米柱和納米點(diǎn)。在該 納米結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式中，暴露的半導(dǎo)體島狀物的上部根據(jù)涉及的納米尺度的應(yīng)用可調(diào)整為 各種尺度、形狀和表面密度。例如，島狀物可主要具有類似柱狀的形狀和納米級尺寸。納米 尺度的III族氮化物或其他半導(dǎo)體材料的有利之處在于降低了缺陷密度并存在新的量子 限制效應(yīng)。例如參見Nature Materials 1 : 106(2002);美國專利6， 806， 288。盡管大多 數(shù)下列描述關(guān)注的是本發(fā)明的針對層的實(shí)施方式，不過該描述不應(yīng)當(dāng)視為進(jìn)行限制。顯然， 描述的方法還可應(yīng)用于制造結(jié)構(gòu)體，尤其是用于新型納米器件的模板。
在步驟71的其他實(shí)施方式中，可以對基礎(chǔ)襯底進(jìn)行預(yù)處理。 更詳細(xì)地說，步驟77可執(zhí)行成核處理，該處理可形成材料(例如，在GaN的情況中 為A1N)的單獨(dú)層，或者可修飾已經(jīng)存在于基礎(chǔ)襯底上的最上部的原子層(例如通過增加氮 含量(氮化))，或者可形成催化區(qū)域(例如通過沉積鎵、銦、鎳等的納米點(diǎn))以促進(jìn)半導(dǎo)體 的局部生長。不過以何種方式處理，處理后的基礎(chǔ)襯底在此處均稱為具有成核層(NL)。
更詳細(xì)地說，步驟78優(yōu)選在下述條件下生長半導(dǎo)體島狀物，其條件為使得島狀物 上部具有的缺陷和位錯的密度低于下部。例如，可以這樣選擇生長條件以使產(chǎn)生于基礎(chǔ)襯 底界面處的缺陷和位錯，如穿透位錯，經(jīng)誘導(dǎo)而橫向彎曲并終止于所述島狀物的側(cè)面。必要 時(shí)，GaN(或其他III族氮化物，或其他半導(dǎo)體)島狀物隨后進(jìn)行平滑化處理以制得均一的 島狀物高度。 最后，某些其他的優(yōu)選實(shí)施方式(99， 101)提供掩蔽模板的步驟97的各種實(shí)施方 式或詳細(xì)描述或?qū)嵤?yōu)選的掩蔽材料阻礙最終層的半導(dǎo)體材料成核，以使該層優(yōu)先成核 于島狀物的暴露部分上。實(shí)施方式99和101的主要區(qū)別是掩蔽材料的覆蓋度及深度。實(shí) 施方式99，步驟81優(yōu)選在基礎(chǔ)襯底的未被島狀物覆蓋的部分上以及島狀物的大多數(shù)或所 有的側(cè)面上生長、沉積或布置掩蔽材料。因此，島狀物的上部仍然保持暴露。另一方面實(shí)施 方式101繼續(xù)生長、沉積或布置83a掩蔽材料直至半導(dǎo)體島狀物被完全覆蓋，然后除去足夠 的掩蔽材料以使島狀物的上部再次暴露。該實(shí)施方式稱為"鑲嵌ELO"或簡稱為"鑲嵌"實(shí) 施方式。 掩蔽材料主要用來阻礙最終層由具有不能適當(dāng)?shù)嘏c最終層材料匹配的的晶體學(xué) 性質(zhì)的襯底成核和生長，此外還用來阻礙最終層由半導(dǎo)體島狀物側(cè)面成核和生長，所述側(cè) 面呈現(xiàn)出比島狀物的上部更高的缺陷密度。在未掩蔽半導(dǎo)體島狀物的實(shí)施方式，如實(shí)施方 式91和95中，通過生長島狀物以促使島狀物的側(cè)面呈現(xiàn)生長相對較慢的晶面，并促使島狀 物的上部呈現(xiàn)生長相對較快的晶面，從而實(shí)現(xiàn)這些效果。這樣的實(shí)施方式可用于包括III 族氮化物如GaN的半導(dǎo)體材料的情況。 最后，本發(fā)明包括上述方法以及通過上述方法生長的結(jié)構(gòu)體，如模板、附著于模板 的最終層、由模板剝離的最終層、納米結(jié)構(gòu)體等。
下面，轉(zhuǎn)至對優(yōu)選實(shí)施方式101的更詳細(xì)的描述并參照圖4A-4D，圖4A示意性描述 了制得的模板結(jié)構(gòu)，其包括具有選定的成核和/或緩沖層5(此處統(tǒng)稱為成核層("NL")) 和成核位/晶核1、1'和l"的基礎(chǔ)襯底3。優(yōu)選的基礎(chǔ)襯底3具有類似于GaN(或其他III 族氮化物)的或者以其他方式促進(jìn)高品質(zhì)GaN的生長的諸如晶格大小和結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù) 等物理性質(zhì)。優(yōu)選的基礎(chǔ)襯底可以是非復(fù)合型(即均質(zhì)的)，也可以是復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其中一 種成分提供相似的熱膨脹系數(shù)，而另一種成分提供相似的晶格大小和結(jié)構(gòu)。例如，復(fù)合襯 底可由SiC(或AlN)上覆絕緣體上覆藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)體構(gòu)成，其中藍(lán)寶石提供限制外延層中缺 陷形成所需的合理的晶格匹配，SiC(或AlN)提供匹配的熱膨脹系數(shù)，防止厚的III族氮 化物在冷卻時(shí)開裂。其他的復(fù)合襯底包括但不限于絕緣體上GaN(GaNOI)、多晶碳化硅上硅 (SopSiC)和多晶SiC上SiC(SiCopSiC)。其他可能的非復(fù)合型襯底包括藍(lán)寶石、碳化硅、硅、 氧化硅、砷化鎵、鎵酸鋰、鋁酸鋰等，其中優(yōu)選藍(lán)寶石。 在描述NL 5之前，解釋此處使用的術(shù)語"成核"。外延生長(通常是晶體生長) 一般始于用作宏觀晶體生長的晶種的微小晶粒的自發(fā)形成。所述微小晶粒在此處稱為"晶 核"，其形成和初期生長的過程稱為"成核"。在表面上成核的外延生長的情況中，表面的性 質(zhì)可強(qiáng)烈影響晶核的立體構(gòu)型和晶體性質(zhì)，例如通過使某些構(gòu)型和性質(zhì)比其他的構(gòu)型和性 質(zhì)更為穩(wěn)定。術(shù)語成核層涉及這樣的表面性質(zhì)，無論其是通過緩沖層的沉積/生長而獲得， 還是通過表面化學(xué)處理而獲得，或是通過其他手段而獲得。 優(yōu)選的成核層促進(jìn)GaN(或其他III族氮化物)成核為具有選定的空間密度和構(gòu) 型并具有選定的晶體性質(zhì)的晶核。關(guān)于空間密度，考慮到隨后的ELO技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行選擇。 在本領(lǐng)域中已知ELO用于制造具有更好品質(zhì)的基本上連續(xù)的GaN單晶層，條件是可得到足 夠多的可在其上開始ELO的生長位，且可得到的生長位在空間上間隔以使來自不同生長位 的橫向過生長可聚結(jié)成為具有最小晶界的單晶層。通常，優(yōu)選的是NL 5促進(jìn)成核為間隔平 均為O. liim 100iim，更優(yōu)選為0. 2iim 3iim的單獨(dú)的分隔的晶核，例如圖4A中的成核 位/晶核1、1'和1"。 優(yōu)選的晶體性質(zhì)包括較低的缺陷或位錯密度、降低的晶格應(yīng)變、選定的晶體極性， 或者這些性質(zhì)的組合。關(guān)于缺陷或位錯密度，許多缺陷和位錯產(chǎn)生于生長的GaN(或其他材 料)與襯底之間的界面，這是由于晶格結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)等失配所致。已知可降低該界面引 發(fā)的缺陷或位錯的NL處理，尤其是薄緩沖層在本發(fā)明中是有用的，雖然它們本身可能無法 產(chǎn)生低缺陷或位錯密度(如在此處使用的該術(shù)語)。在III族氮化物的情況中，適宜的薄緩 沖層通常還包括III族氮化物或由其構(gòu)成。例如，在較低溫度下生長的薄GaN層或AlN緩 沖層可用于生長GaN。 關(guān)于應(yīng)變，已知有各種機(jī)制來降低半導(dǎo)體材料中的晶格應(yīng)變。不過，晶格應(yīng)變的降 低通常伴隨著缺陷和形成和/或組成相分離。例如，已知高度失配的襯底上的異質(zhì)外延生 長(例如，藍(lán)寶石上GaN，或GaN上InN等)以通常的三維模式進(jìn)行，其形成了多個(gè)島狀物， 而不是大致均一的層。島狀物的形成是有利的，因?yàn)閼?yīng)變能(與GaN的襯底接觸面積成正 比)可大于表面能(與GaN的自由表面積成正比)。島狀物的生長可使得襯底接觸面積最 小化(與層生長的情況相比)，由此使得體系的總能量最小化。不過，隨著島狀物的連續(xù)生 長，應(yīng)變能將增大直至達(dá)到臨界層厚度，在該點(diǎn)對于至少部分使應(yīng)變弛豫的缺陷和位錯的 形成將是能量上有利的。
已知應(yīng)變弛豫通常通過在界面平面內(nèi)形成錯配位錯和在生長方向上形成穿透位 錯而開始(除了組成相分離之外)。錯配位錯優(yōu)先成核于主要在島狀物/襯底界面附近的 島狀結(jié)構(gòu)體的邊緣，參見Strunk et al. (PhysicaStatus Solidi(a)171 1 p215)。例如，Ng 等人(A卯lied Physics Letters 81 21p3960)檢驗(yàn)了 GaN上生長的InN中的應(yīng)變，結(jié)果發(fā) 現(xiàn)在三維生長條件下，材料之間大約10%的晶格失配在生長5層InN材料時(shí)得到調(diào)節(jié)，應(yīng)變 減少至0%。 Kim等人(A卯lied Physics Letters 69 16p2358)研究了應(yīng)變和沉積在藍(lán)寶 石襯底上的GaN材料厚度之間的關(guān)系。評估的藍(lán)寶石上的GaN的臨界層厚度為約30A，沉 積約lOOnm后晶格參數(shù)可完全弛豫至其無應(yīng)變的值。 在本發(fā)明中，額外選擇生長參數(shù)以促進(jìn)穿透位錯在III族氮化物島狀物的側(cè)面方 向上彎曲。因此，穿透位錯通常限制在島狀結(jié)構(gòu)體的下部，被掩蔽材料所掩蔽。此外，襯底與 III族氮化物島狀物之間的錯配以及隨后的晶格應(yīng)變在島狀結(jié)構(gòu)體的下部也可被極大地消 除?；旌系腎II族氮化物材料如InGaN中的組成相分離的發(fā)生可明顯減少。因而，基本上 防止了晶格缺陷和位錯從島狀物的上部(經(jīng)由掩蔽材料顯露)移動至在其上外延生長的材 料中。此外，由于島狀物的上部具有實(shí)質(zhì)上降低的應(yīng)變水平，其上外延生長的材料將同樣具 有減少的應(yīng)變水平。此外，可以將島狀結(jié)構(gòu)體的組成調(diào)整為后續(xù)層的組成，而不從襯底/氮 化物島狀物界面引入晶格失配效應(yīng)。 因此，本發(fā)明提供基本上弛豫且沒有任何缺陷密度的增加并具有實(shí)質(zhì)上減少的組 成相分離的外延生長材料。 關(guān)于晶體極性，各種NL處理已知可造成或促進(jìn)大多數(shù)的晶核具有特定的晶體極 性，可根據(jù)特定實(shí)施方式所需的極性來選擇特定的NI處理，其通常取決于模板結(jié)構(gòu)上待生 長的層的預(yù)期應(yīng)用。關(guān)于GaN，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有利的是在顯示+c極性(Ga面)的GaN層中制造光 學(xué)或電子元件。因此，如果層將用于其生長的取向(生長態(tài)取向)，則優(yōu)選的極性是+c。然 而，如果層首先從模板結(jié)構(gòu)剝離然后附著于具有與生長態(tài)取向相反的取向的承載襯底(因 而暴露表面顯示與生長態(tài)極性相反的極性)，則優(yōu)選的極性是-c (N面)。對于其他應(yīng)用，-c 極性可能是優(yōu)選的。 在III族氮化物的兩種極性之間進(jìn)行選擇的能力對于用于層轉(zhuǎn)移過程的移除III 族氮化物層的能力具有重要意義。選擇-c極性(N面)的GaN膜的能力簡化了轉(zhuǎn)移過程， 這是因?yàn)樾枰膬H僅是單次轉(zhuǎn)移至供體晶片以獲得+c(Ga面)(對于III族氮化物器件優(yōu) 選的極性)。相反，如果初期的III族氮化物層生長為+c極性(Ga面)，則可能需要較厚的 外延層，該層然后又可從非同質(zhì)襯底除去。較厚的+c(Ga面)由于較長的生長時(shí)間和較差 的晶片產(chǎn)量所致成本更高。另外，自立式層的背側(cè)由于接近襯底/III族氮化物的界面所致 而具有更多的缺陷。 例如得到基礎(chǔ)襯底3上的NL 5的許多的NL處理及其效果已經(jīng)有記載并且在本 領(lǐng)域中是公知的，可用于本發(fā)明。例如參見Sumiya et al. ， 2004， Review of polarity determination and control of GaN， MRS Internet J. NitrideSemicond. Res. 9，1 ; Gibart，2004， Metal organic vapor phase epitaxy of GaNand lateral overgrowth, Rep. Prog. Phys.67， 1 ;Dwikusuma et al. ，2003， X—ray photoelectron spectroscopic study of sapphire nitridation for GaNgrowth by hydride vapor phase epitaxy. Nitridation mechanism, J of Appl. Phys. 94，5656 ;Narayanan et al. ，2002， Galliumnitride epitaxy on(0001) s鄰phire， Phil. Mag. A 82，885， Stutzma皿，et al. ，2001， Playing with Polarity, phys. stat.sol. (b) 228，505 ;Oh et al. ，2006， Optical properties of GaN andGaMnN nanowires grown on sapphire substrates禾口Kikuchi et al. ，2004，InGaN/GaN Multiple Quantum Disk Nanocolumn Light-Emitting DiodesGrown on (111) Si Substrate。本文中所描述的是某些選擇的處理。 NL處理可包括沉積/生長一個(gè)以上的通常較薄的(例如10nm以下) 一種或多種 異質(zhì)材料的層，稱為緩沖層。用于生長GaN的緩沖層包括1()人 10 fim厚的AIN或GaN的 層，這些層已經(jīng)在低于GaN生長溫度的溫度(例如約50(TC 70(TC)生長。NL處理還可包 括對基礎(chǔ)襯底3的表面進(jìn)行的化學(xué)處理或熱處理等，這些處理通常在結(jié)構(gòu)上或化學(xué)上改變 了襯底3的最上部?；瘜W(xué)修飾包括通過短暫暴露至NH3對氧化物類襯底(如藍(lán)寶石或尖晶 石)進(jìn)行氮化，通過短暫暴露至含有硅的氣體而增大Si類襯底(如SiC或Si0》的Si的含 量，等等。熱處理包括暴露于達(dá)到約1000°C 120(TC的較高的溫度而進(jìn)行的短時(shí)退火。這 些處理可單獨(dú)應(yīng)用，也可以組合應(yīng)用。 此外，已知特定NL處理的具體效果取決于所用的外延過程和該過程中的準(zhǔn)確條 件，NL處理必須相應(yīng)選擇。優(yōu)選氣相外延(VPE)過程，其包括MBE(分子束外延)，或HVPE(鹵 化物/氫化物氣相外延)，或MOCVD (金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積)。 更具體的說，在GaN的情況中，隨后的NL處理已知可影響成核位和晶核的空間密 度及構(gòu)型。此外，已知許多控制極性的處理也影響成核構(gòu)型，反之亦然。相對于GaN表現(xiàn)出 Ga或N表面活性的材料可影響成核密度、構(gòu)型和模式。例如，據(jù)認(rèn)為用作GaN的"表面活性 劑"的存在于藍(lán)寶石襯底的最上表面層中的硅可降低隨后的GaN成核位或晶核的密度。同 樣，碳化硅或氧化硅的薄層可類似地降低隨后的GaN成核位或晶核的密度。據(jù)認(rèn)為GaN并不 易于"潤濕"這些材料。此外，由于相互親和性所致，AlN(或GaN)的薄層，尤其是在較低的 溫度(如500°C 700°C )下生長時(shí)，促進(jìn)了易于合并成為連續(xù)層的致密的成核位和晶核。 不過，對較薄的(如小于lOnm)GaN緩沖層的較高溫度(如1000°C IIO(TC )的退火，尤其 是存在氫時(shí)，可導(dǎo)致隨后成核為分離且離散的成核位和晶核。此外，外延沉積開始時(shí)的瞬時(shí) 條件，如在存在Ga前體之前存在NH3，可改變襯底表面并影響隨后的GaN的成核和生長。
以下的NL處理已知會影響極性。在MBE過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)較薄的GaN或AIN緩沖 層和/或退火的GaN或AIN緩沖層促進(jìn)了 -c取向，而較厚的GaN緩沖層和較高溫度的AIN 緩沖層促進(jìn)了 +(3取向。在HVPE過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，表面氮化和較薄的低溫GaN緩沖層促 進(jìn)-c取向，而暴露至氯化鎵時(shí)，較厚的低溫GaN緩沖層或AIN層促進(jìn)+c取向。在MOCVD過 程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，較薄的GaN或AIN緩沖層，尤其是如果退火較短的時(shí)間，或表面氮化，則促 進(jìn)了 -c極性，而較厚的AIN或GaN緩沖層或表面氫凈化促進(jìn)了 +c極性。
最后，GaN層的極性可由本領(lǐng)域中已知的方法確定。例如，通過有差異的蝕刻速率 確定，例如，+c極性面(Ga面)相對耐例如K0H/H20溶液的蝕刻，而_c極性面(N面)則易 于蝕刻。作為非破壞性的方法，極性可由同軸沖擊碰撞離子散射光譜(CAICISS)確定。極 性可通過同軸沖擊碰撞離子散射光譜確定，或通過其他本領(lǐng)域中已知的方法確定，如X射 線光電子能譜、表面重構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性。 總之，對于在藍(lán)寶石上生長GaN，對于+c極性優(yōu)選的是NL處理得到較厚的AIN (或 GaN，或通常的金屬氮化物)表面層。對于-c極性，優(yōu)選的是藍(lán)寶石表面為氧(0)端表面，正如，例如市售的"印i-ready"藍(lán)寶石襯底。特別是，對于在藍(lán)寶石上生長+c極性的GaN， 有利的NL處理在較低的溫度下生長分隔的、異質(zhì)的、較厚的AlN(或GaN)緩沖層，隨后在較 高的溫度下進(jìn)行退火。對于在藍(lán)寶石上生長-c極性的GaN，有利的NL處理包括表面氮化， 而不形成異質(zhì)的A1N層，例如通過在較高的溫度短暫接觸NH3。 無論是商業(yè)上獲得的還是在第一處理步驟中處理過的，基礎(chǔ)襯底具有了優(yōu)選的如 上所述選擇的NL，本發(fā)明的方法接下來在基礎(chǔ)襯底上生長GaN島狀物。首先，選擇成核條 件，必要時(shí)考慮NL，以使GaN(或其他III族氮化物)在具有上述空間密度和構(gòu)型的晶核處 開始生長。通常，品核的密度和構(gòu)型可使得隨后的ELO制得預(yù)期的GaN層(具有低缺陷或 位錯密度和/或選定的極性)。例如，圖4A描述了成核位1、1'和l"，這些成核位以測定為 平均0. 1 ii m 100 y m(更優(yōu)選0. 2 ii m 3 ii m)的間隔分隔，但在其他方面則為無規(guī)排列。
選擇生長條件， 一般來說有利于從NL的晶核開始生長III族氮化物的島狀物，而 島狀物整體上保持彼此隔開。圖4B描述了由襯底3上的NL 5上開始生長的GaN呈現(xiàn)的優(yōu) 選(而非限制性的)結(jié)構(gòu)。實(shí)施例1顯示了對應(yīng)于圖4B的實(shí)際例。初期島狀物具有梯形 結(jié)構(gòu)7，該結(jié)構(gòu)具有平坦的上表面11。在圖示的實(shí)施方式中，島狀物生長成為水平尺寸為其 垂直尺寸約1 2倍的結(jié)構(gòu)。在其他的實(shí)施方式中，可以存在相對更加垂直的生長以使島 狀物主要顯現(xiàn)為具有更多的垂直分量的柱形物。然后，垂直/橫向縱橫比可以更大，例如， 約為2，或約為4。本發(fā)明還包括在很大程度上明顯橫向生長的實(shí)施方式，以至垂直/橫向 縱橫比小于l，不過一般來說仍然得到分隔的島狀物的生長。 進(jìn)一步選擇生長條件，特別是生長時(shí)間，以使柱形物/島狀物的上部具有逐漸減 少的缺陷或位錯。生長的島狀物/柱形物通常具有很多的缺陷或位錯13，特別是穿透位錯 (TD)，其產(chǎn)生于NL和GaN之間的界面9，并傳播進(jìn)入生長的GaN中。不過，在本領(lǐng)域中已知， 合適的垂直及橫向生長速率的組合或比例有助于傳播的TD傾向于朝向生長的柱形物的側(cè) 面橫向彎曲遠(yuǎn)離垂直方向，并且一旦它們到達(dá)側(cè)面即終止。例如參見Dattaet el. ， phys. Stats. Sol (c) 3， No. 61750-1753 (2006)。值得注意的是，隨著柱形物/島狀物生長，顯然殘 留的產(chǎn)生于NL界面9的TD越來越少，以至柱形物/島狀物的上部具有逐漸減少的TD。
繼續(xù)生長直至上部具有選定的缺陷或位錯密度和減少的晶格應(yīng)變。如果生長期過 短，則許多位錯將處于橫向彎曲的過程中且尚未終止，以至于島狀物的頂部不會充分地?zé)o 缺陷。另一方面，生長也不應(yīng)當(dāng)長至島狀物趨向于合并而不再保持單獨(dú)的分隔狀態(tài)。通常， 生長至垂直高度約60nm 1. 5 ii m是適宜的。優(yōu)先選擇柱形物/島狀物的上部中的缺陷和 位錯密度以使隨后生長在柱形物上的GaN(或其他III族氮化物)層具有適宜的較低的缺 陷和位錯密度和隨后的減少的晶體應(yīng)變。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，生長島狀物/柱形物直至 其上部具有低缺陷和位錯密度，例如小于約107cm2以下，而一般說來仍然保持單獨(dú)的分隔 狀態(tài)。 在由圖4B圖示的實(shí)施方式中，左側(cè)島狀物在如此優(yōu)選的條件下生長使得位錯13
橫向彎曲并終止于側(cè)面。左側(cè)島狀物的上部15因而變得相對地不存在缺陷和位錯，并且具
有選定的缺陷和位錯密度。此外，左側(cè)島狀物15降低了應(yīng)變，因?yàn)樗鰨u狀物下部中生成
的缺陷將減緩因襯底與其上生長的氮化物材料之間的晶格失配引入的應(yīng)變。 在一些實(shí)施方式中，存在單獨(dú)的一套初期生長條件，其促進(jìn)橫向和垂直生長速率
的合適組合以使缺陷和位錯如圖4B的左側(cè)島狀物所示彎曲并終止。在其他的實(shí)施方式中，不同的條件，一種或多種有利于垂直生長的以及一種或多種有利于橫向生長的，可以進(jìn)行 改變以獲得合適的生長速率的組合。該生長條件的變化在實(shí)施方式95中是有利的。
有利于垂直生長或橫向生長的條件是已知的并記載于常見的VPE工藝(如MBE、 M0CVD或HVPE工藝等)的技術(shù)中。例如，參見美國專利號6，325，850 ;還參見phys. Stats. Sol(c)3， No. 61750-1753 (2006)。通常，橫向生長對垂直生長的相對速率已知受到生長溫 度、處理氣中的V/III前體比、載氣(4或^或其組合)的組成和反應(yīng)器壓力的影響。例如， 通過較高的生長溫度，或通過增大v/ni比，或通過較高的N"^比，或通過較低的壓力(小 于或約latm)，或通過這些方式的組合，能夠增強(qiáng)橫向生長。通過相反的條件可增強(qiáng)垂直生 長。在具體的實(shí)施方式中，有利的是考慮到所得GaN島狀物的位錯結(jié)構(gòu)和極性來選擇NL處 理的細(xì)節(jié)和生長條件的細(xì)節(jié)。為此目的，初期GaN島狀物的位錯密度和其他晶體性質(zhì)可通 過本領(lǐng)域中已知的手段測定，例如光學(xué)顯微術(shù)、透射和/或掃描電子顯微術(shù)以及電子和/或
x-射線衍射。 總之，由圖4A-B示意性描述的該實(shí)施方式的初期步驟首先處理或準(zhǔn)備基礎(chǔ)襯底 (或者提供已處理的襯底)以使其包括具有優(yōu)選的成核特性的優(yōu)選的表面層，即，促進(jìn)在具 有平均間隔或密度的位點(diǎn)的成核以使僅有有限的或最少的橫向聚結(jié)發(fā)生在初期生長階段 中。其次，GaN(或其他III族氮化物)在有利于垂直生長速率與橫向生長速率的組合的條 件下生長并持續(xù)一段生長時(shí)間，以使島狀物不會聚結(jié)，而一般來說仍然保持彼此分隔的狀 態(tài)，并且還具有相對來說不存在缺陷或位錯的最上部。還優(yōu)選的是，最上部以促進(jìn)隨后的 ELO(特別是，來自小平面的橫向生長)的方式小平面化?？梢允褂脝我坏纳L條件或多重 生長條件。 在生長了具有低缺陷密度、降低的應(yīng)變水平和選定的極性(實(shí)施方式中如果需 要)的上部的GaN(或其他III族氮化物)島狀物/柱形物之后，該實(shí)施方式的后續(xù)步驟利 用掩蔽材料覆蓋襯底的未被島狀物覆蓋的暴露部分。掩模具有的厚度(或深度)足以覆蓋 大多數(shù)或全部的具有側(cè)面的島狀物的具有相對較多數(shù)目的終止的缺陷和位錯的下部，而沒 有覆蓋島狀物的其中該面僅具有相對較少數(shù)目的終止的缺陷和位錯的上部。此外，通過掩 模顯露出的島狀物/柱形物的上部優(yōu)選具有傾斜小面從而足以促進(jìn)隨后的EL0生長，該生 長開始于島狀物/柱形物露出的上部隨后延伸越過掩模。優(yōu)選的掩蔽材料是那些其上GaN 不易成核的材料。這樣的材料包括氧化硅、氮化硅、它們的組合(如氧氮化硅)，以及其他的 難熔的含硅材料。特別優(yōu)選氮化硅，因?yàn)樗鼈儽菺aN更容易通過CMP除去。
圖4D描述了在不同區(qū)域具有不同厚度的示例性掩模。在區(qū)域21中，掩模具有的 厚度在優(yōu)選的厚度范圍內(nèi)，因?yàn)槠涓采w了島狀物的側(cè)面的具有相對較多的終止的位錯和缺 陷的那些部分，如下部，而使得具有相對較少的終止的位錯和缺陷及減少的應(yīng)變的島狀物 (或柱形物)面的上部仍然暴露或浮現(xiàn)。掩模還覆蓋島狀物的具有相對較大的應(yīng)變和較多 的內(nèi)部缺陷的下部，同時(shí)使得具有相對較少的應(yīng)變和較少的位錯和缺陷以及降低的應(yīng)變度 的上部暴露。例如，橫向島狀物/柱形物的面的相對無缺陷部分22仍然暴露。此外還優(yōu)選 的是，掩模使得露出的柱形物面的上部暴露，所述面具有各種取向的小面， 一些更加垂直， 一些更加水平。通常，掩模高度的優(yōu)選厚度范圍為島狀物高度的約60% 80%。
另一方面，在區(qū)域23和25中，掩模的厚度不適宜或不優(yōu)選。區(qū)域23中的掩模過 厚；其使僅僅島狀物頂部的一小部分暴露或露出。此外，上部的垂直取向面均未暴露或露
16出；而且傾斜小面的部分被覆蓋。該掩模深度可能阻礙隨后的GaN的橫向過生長從島狀物/柱形物的小的、露出的上部開始。區(qū)域25中的掩模過薄。其使得柱形物面的呈現(xiàn)出相對較多的缺陷和位錯13的下部暴露。結(jié)果，由這些暴露下部橫向生長的GaN可能承襲了相對較大的缺陷和位錯密度。 在鑲嵌類實(shí)施方式(如實(shí)施方式99)中，掩模在實(shí)時(shí)監(jiān)控下通過CVD工藝生長，從
而使得生長可以在掩模達(dá)到優(yōu)選厚度范圍時(shí)停止。例如，在生長過程中，襯底可以由能夠探測表面特征如表面凹凸的大小的輻射類型掃描，以提供關(guān)于露出在加厚的掩模之上的GaN柱形物的高度的回饋。該輻射可以是可見光、IR或UV光，或者粒子(如在SEM中)。
優(yōu)選的鑲嵌類掩蔽方法首先沉積掩蔽材料至完全覆蓋島狀物/梯形物，然后移除足夠的掩蔽材料以使島狀物/梯形物的最上部通過掩模露出。因此，掩蔽材料首先例如通過CVD工藝沉積/生長，以使島狀物如圖4C中所示被完全覆蓋。此處，島狀物/柱形物7 (襯底3上的NL 5上)已經(jīng)由掩蔽材料17完全覆蓋。其次，例如通過化學(xué)_機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)移除或剝離掩蔽材料的頂部，以使最終的掩模厚度在優(yōu)選的范圍內(nèi)以促進(jìn)隨后的外延橫向過生長。圖4D描述了部分移除掩蔽材料17之后的襯底3。優(yōu)選量的掩蔽材料已經(jīng)在區(qū)域21被移除以使掩模層具有的厚度在優(yōu)選的范圍內(nèi)。不過，在區(qū)域25和23，分別移除了相對過多或過少的掩蔽材料，導(dǎo)致掩模層具有的厚度分別過薄或過厚。
因?yàn)閼?yīng)當(dāng)很少的GaN或沒有GaN連同掩蔽材料一起被移除，所以優(yōu)選的掩蔽材料還具有相比于GaN的移除而促進(jìn)其自身被更快的移除的特性。例如，當(dāng)掩蔽材料通過CMP移除時(shí)，其應(yīng)當(dāng)比GaN(已知其相對堅(jiān)硬且耐受經(jīng)CMP的移除)更易被磨耗/蝕刻。
更詳細(xì)地說，例如，在本領(lǐng)域中已知的條件下由氣態(tài)SiH4和NH3開始，通過CVD工藝可生長氮化硅至完全覆蓋島狀物/柱形物。隨后通過CMP使用適當(dāng)選擇的槳料(例如具有選定的研磨劑和漿料化學(xué)性質(zhì))，并使用合適的拋光參數(shù)(如施加的壓力和速度)，來移除足夠的掩蔽材料。簡而言之，選擇漿料研磨劑、拋光壓力等以使主要通過機(jī)械作用移除氮化硅直到相對不受影響的GaN柱的頂部。選擇漿料化學(xué)性質(zhì)、pH等以促進(jìn)GaN柱之間的氮化硅的腐蝕、溶解和脫除，從而使其最上部通過殘余的掩蔽材料而露出?？蛇x的是，掩蔽材料的剝離可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，因而在達(dá)到優(yōu)選的厚度范圍之后能夠停止CMP。此外，清潔處理可在CMP之后進(jìn)行以除去殘留的漿料。 在理想的情況中，CMP過程應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致GaN的表面很少粗糙化或不粗糙化。不過，如果CMP過程的研磨作用使得GaN表面磨損，則該層需要CMP后平滑化處理。在III族氮化物的情況中，粗糙的表面可通過本領(lǐng)域中公知的物質(zhì)輸送再生長法進(jìn)行平滑化。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，將樣品在NH3+H2環(huán)境中加熱至促進(jìn)物質(zhì)輸送再生長的溫度。在物質(zhì)輸送再生長的過程中，材料中的高能峰重新分布為材料的谷，導(dǎo)致平滑化作用，并使得表面更適合于隨后的EL0。例如，參見Japanese Journal ofApplied Physics Part 1 40 565(2001)禾口Applied Surface Sciences 159-160421(2000)。 另外，主要分隔的GaN島狀物可能需要補(bǔ)充性平滑化處理以產(chǎn)生一致的柱形物高度?？紤]到隨后的處理需要除去掩蔽材料以及一旦III族氮化物材料顯露則停止掩模移除的能力時(shí)，柱形物高度的一致性則非常重要。不均一的柱形物高度可能會導(dǎo)致無效的掩模移除和不理想的模板結(jié)構(gòu)的表面。對于III族氮化物，不均勻的表面可以通過在前一段落中描述的物質(zhì)輸送再生長法進(jìn)行平滑化。所述條件有利于生長開始于島狀物/柱形物的露出的上部，然后橫向越過掩蔽材料直至形成具有選定厚度的連續(xù)層。在EL0條件下，大多數(shù)的GaN成核發(fā)生在GaN島狀物的露出部分，而在島狀物/柱形物之間的掩蔽層出則發(fā)生很少成核或不發(fā)生成核(當(dāng)然，在承載襯底的掩蔽的NL上不成核)。因?yàn)榭深A(yù)期由此生長的GaN會承襲在其上GaN成核的材料的性質(zhì)，所以可預(yù)期得到的GaN層如同島狀物的露出部分會具有相對較少的缺陷或位錯。此外，如果島狀物/柱形物生長為具有選定的極性，則可預(yù)期得到的GaN層會承襲由島狀物的頂部呈現(xiàn)的極性。因此，得到的GaN層具有相對較少的缺陷或位錯、降低的晶體應(yīng)變，并在需要時(shí)具有選定的極性。
圖4E描述了 GaN在優(yōu)選的模板結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步EL0的早期階段。如果得到的GaN層要小于約1 y m 5 ii m厚，則MOCVD是優(yōu)選的VPE工藝(其較低的生長速率允許更好的控制薄層)。如果得到的GaN層要大于約5 ii m 10 ii m厚，則HVPE是優(yōu)選的VPE工藝(其較高的生長速率減少了生長時(shí)間)。 選擇初期生長條件以使橫向生長27(即，平行于模板結(jié)構(gòu)生長)的程度超過垂直生長(即，垂直于模板結(jié)構(gòu)生長)。GaN生長由此主要開始于柱形物/島狀物7的露出上部的側(cè)面29并橫向生長越過掩蔽材料直至其融合成為連續(xù)層。GaN島狀物/柱形物的露出上部的優(yōu)選的空間排列、空間密度和結(jié)構(gòu)優(yōu)選為如此以促進(jìn)這樣的ELO過程。例如，空間密度應(yīng)當(dāng)使得在大約5分鐘 30分鐘內(nèi)橫向生長的GaN合并成為具有很少或不具有晶疇邊界的連續(xù)層。露出的上部優(yōu)選為無規(guī)排列，以使最大的柱間距不過大。如果該柱間距過大(密度過低)，則融合需要過多的時(shí)間(或可能甚至無法完成)，并且連續(xù)層可能具有過多的晶疇邊界。融合后，選擇生長條件以有利于垂直生長和GaN層的增厚，并且外延生長可繼續(xù)進(jìn)行直至得到的GaN層達(dá)到選定的厚度。 圖4F(左側(cè))描述了得到的GaN層41，其可具有的厚度為小于約liim，或至約100 ii m，或至約500 ii m，或至約1000 y m。得到的GaN層具有相對較少的缺陷或位錯，因?yàn)閭鞑?從承載襯底3上的NL 5開始)進(jìn)入GaN島狀物中的大多數(shù)缺陷或位錯13被掩模隱埋，而且不能在得到的GaN層中進(jìn)一步傳播。由于在掩蔽材料17上發(fā)生很少的成核或不發(fā)生成核，因此未產(chǎn)生更多的位錯。 所得層41現(xiàn)可供使用，例如用于制造電子元件、光學(xué)元件或光電元件，或者用作用于進(jìn)一步外延生長的襯底。在實(shí)施方式91中，層41可直接使用，其仍然附著于生長其的模板結(jié)構(gòu)。在該情況中，層41根據(jù)選定的極性取向。在實(shí)施方式93中，層41的頂部43可以剝離使用，余留層45附著于模板結(jié)構(gòu)。剝離的層43可以生長態(tài)取向使用或以與生長態(tài)取向相反的取向使用。當(dāng)以生長態(tài)取向使用時(shí)，模板結(jié)構(gòu)的上表面仍然是使用時(shí)的層的上表面49，因而該層保持最初選定的極性，當(dāng)以與生長態(tài)取向相反的取向使用時(shí)，臨近弱化區(qū)47的隱埋表面變成使用時(shí)的層的上表面51。在該情況中，使用時(shí)的極性與最初選定的極性相反。 圖4F描述了層43的使用選擇。根據(jù)使用技術(shù)49a，上部43直接使用，使得生長態(tài)的上表面仍然為使用態(tài)的上表面49。因?yàn)槭褂脩B(tài)的取向與生長態(tài)取向相同，所以該層仍以最初選定的生長態(tài)的極性使用。作為選擇，在選擇49b中，層43可以在使用前翻轉(zhuǎn)以使使用態(tài)的極性與生長態(tài)極性相反。另外，無論該層在使用前是否翻轉(zhuǎn)，其均可以鍵合至承載襯底53以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)體。在該情況中，如果承載襯底53包括絕緣表面層，則得到的復(fù)合體包括"絕緣體上GaN"(也稱為GaNOI)(或絕緣體上其他III族氮化物)。例如，承載襯底53可包含具有薄表面氧化層的Si晶片。此外，絕緣體可設(shè)置在GaN材料上，然后鍵合至承載體或者承載體的表面層。 具有殘留層45的模板結(jié)構(gòu)本身可用于元件制造，或者作為高品質(zhì)的模板用于GaN的進(jìn)一步的外延生長。在后一種情況中，新生長的層可以剝離使用，承載結(jié)構(gòu)體用作模板以用于生長另外的層。 優(yōu)選的層轉(zhuǎn)移技術(shù)通過以選定深度(距表面49的距離)形成弱化區(qū)47開始，例如，通過植入如H、 H2或He離子等離子。弱化區(qū)47將層41分成仍將附著于襯底3的下層45，和將由模板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的上層43。通過施加能量，例如升高溫度或機(jī)械應(yīng)力等，層43可以與下層45分離。該技術(shù)的商標(biāo)名為SmartCut⑧。 結(jié)合圖5A-D描述用于制造模板結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式99。在該實(shí)施方式中，利用與前面概述的方法(即，如圖4B所示)同樣的方法形成III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體，因此此處不再重復(fù)這些方法。不過，該實(shí)施方式的方法中的掩蔽材料(如圖5A中所示)僅僅部分覆蓋III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體。與前述實(shí)施方式的方法的差異比較通過對比圖5A和4C清晰可見。 簡而言之，因此實(shí)施方式99的方法與前述的關(guān)于實(shí)施方式101的方法的不同之處在于掩蔽材料被沉積為部分(并非完全)覆蓋III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體。作為部分掩模覆蓋的結(jié)果，在EL0生長之前不需要用于移除過量掩蔽材料的CMP步驟。
更詳細(xì)地說，掩蔽材料17除了覆蓋基礎(chǔ)襯底3的大部分之外還覆蓋島狀結(jié)構(gòu)體的側(cè)面7的大部分(圖5A)。不過，島狀結(jié)構(gòu)體11的上表面的大部分仍然沒有覆蓋掩蔽材料。應(yīng)當(dāng)注意，少部分掩蔽材料可存在于島狀結(jié)構(gòu)體的上表面，但是對于大多數(shù)來說，上表面11的大部分不存在該掩蔽材料。試驗(yàn)證據(jù)確認(rèn)，與氮化物島狀結(jié)構(gòu)體的上表面相比不成比例量的掩蔽材料覆蓋基礎(chǔ)襯底和側(cè)面。 正如在前述實(shí)施方式中一樣，掩蔽材料優(yōu)選包括能夠基本上防止III族氮化物材料成核的材料并優(yōu)選包括氮化硅、氧化硅或它們的混合物。利用前述的方法和化學(xué)性質(zhì)，掩蔽材料可以原位或原位外沉積，并沉積至使側(cè)面7和基礎(chǔ)襯底3的大部分被掩蔽而上表面ll基本上暴露的厚度。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，掩蔽材料沉積至小于約100 A，或小于約，50 A或小于約20 A (或者是這些限定值之間的值)的厚度。 在掩蔽了基礎(chǔ)襯底和III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體的側(cè)面這些部分之后，將圖5A的模板結(jié)構(gòu)用于后續(xù)的ELO生長以形成III族氮化物材料的連續(xù)膜。III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體暴露的上部具有優(yōu)選的特性(如組成、極性、應(yīng)變和缺陷密度)，并用作ELO生長的晶種材料。與III族氮化物材料相反，掩蔽材料17基本上防止由側(cè)面7和基礎(chǔ)襯底3的大部分成核，因此防止缺陷13傳播進(jìn)入隨后的生長層中。 更詳細(xì)地說，在有利于由島狀物/柱形物的暴露上部開始的ELO的條件下生長GaN(或其他III族氮化物)。在某些實(shí)施方式中，生長可以以更加垂直的生長模式由島狀結(jié)構(gòu)體開始，并在獲得所需的垂直高度時(shí)轉(zhuǎn)變成更加橫向的生長模式，作為選擇，可以一開始就利用橫向生長模式。在某些實(shí)施方式中，初期垂直生長模式可用于提供能夠開始橫向生長的III族氮化物側(cè)面。另外，可以選擇生長條件以得到結(jié)合了橫向要素和垂直要素的生長模式。適于獲得垂直和橫向生長模式的條件已在前面討論，在本領(lǐng)域中是公知的。
19
因而，圖5B描述了由島狀結(jié)構(gòu)體的暴露表面開始的EL0生長的早期階段。EL0過程中沉積的追加的III族氮化物材料28可預(yù)期承襲其成核所在材料的性質(zhì)，得到的GaN(或III族氮化物材料)如同島狀物的暴露部分一樣可預(yù)期具有相對較少的缺陷或位錯、降低的應(yīng)變水平和所需的極性。正如在其他實(shí)施方式中，根據(jù)所需生長的比率和所需的總層厚，通過利用M0CVD或作為選擇通過HVPE可以沉積另外的III族氮化物材料28。
圖5C描述了 ELO生長過程的追加的III族氮化物材料聚結(jié)以形成連續(xù)膜的階段。正如在其他實(shí)施方式中，GaN島狀物/柱形物的暴露部分的優(yōu)選的空間排列、空間密度和結(jié)構(gòu)優(yōu)選為能夠促進(jìn)ELO過程，例如，柱形物具有的空間密度和分布能夠防止聚結(jié)之前的晶體傾斜/扭曲，因而基本上防止形成更多的缺陷。 該實(shí)施方式的方法不僅形成了 III族氮化物材料的連續(xù)層，而且還形成了位于III族氮化物材料的聚結(jié)柱形物之間的中空區(qū)域30。中空區(qū)域的空間范圍取決于III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體的分布和密度，以及ELO生長模式在ELO聚結(jié)的過程中所促成的垂直生長對橫向生長的程度。 在GaN(或III族氮化物)膜聚結(jié)時(shí)可以改變生長模式，必要時(shí)至更加垂直的程度以制得具有所需厚度的連續(xù)膜，如圖5D中所示。所得層41的厚度可小于約1 P m，或至約100 ii m，或至約500 ii m，或至約1000 y m。得到的GaN層具有相對較少的缺陷或位錯，因?yàn)閭鞑?從承載襯底3上的NL 5開始)進(jìn)入GaN島狀物中的大多數(shù)缺陷或位錯13被掩模隱埋，而且不能在得到的GaN層中進(jìn)一步傳播。 正如在其他實(shí)施方式中，所得層現(xiàn)可供使用，例如用于制造電子元件、光伏元件、光學(xué)元件或光電元件，或者用作進(jìn)一步外延生長的襯底，可直接使用也可以剝離用于復(fù)合襯底。不過，實(shí)施方式99相對于某些其他實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于III族氮化物層41的分離可通過簡單剝離過程完成。 前述的圖5D的結(jié)構(gòu)體中的中空區(qū)域30用作該結(jié)構(gòu)體內(nèi)的局部弱化區(qū)。因此，利用局部的中空弱化區(qū)通過施用外部能量可以使III族氮化物層41與殘余結(jié)構(gòu)體分離。在某些實(shí)施方式中，通過對結(jié)構(gòu)體施加外力51以分離層41來進(jìn)行分離，在選擇性的實(shí)施方式中，分離可以在外延生長的過程中由III族氮化物層41與基礎(chǔ)襯底3的失配的熱性質(zhì)誘發(fā)，即，在層41的生長后冷卻之際，結(jié)構(gòu)體中引發(fā)的應(yīng)變足以在弱化的中空區(qū)域造成分離。還應(yīng)當(dāng)注意，分離可發(fā)生在層41的表面49與第二載體晶片鍵合之前或之后。
結(jié)合圖6A-C描述用于制造模板結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式95 。在該實(shí)施方式中，利用與前面概述的方法(即，如圖4B所示)同樣的方法形成III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體，因此此處不再重復(fù)這些方法。不過，實(shí)施方式97所用的掩蔽層(如圖4C和5A中所示)在實(shí)施方式95的方法中可以省略，因此III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體和基礎(chǔ)襯底不存在掩蔽材料。與前述實(shí)施方式的方法的差異比較通過對比圖6A與圖4C和5A而清晰可見。 簡而言之，因而實(shí)施方式95的選擇性方法與實(shí)施方式97的方法的不同之處在于沒有沉積掩蔽材料以覆蓋III族氮化物島狀物或基礎(chǔ)襯底。作為消除掩模沉積階段的結(jié)果，在ELO生長之前不需要用于移除過量掩蔽材料的CMP步驟。 圖6A中描述了直接在圖4B的結(jié)構(gòu)體上進(jìn)行的ELO生長的初期階段，其中概括性顯示了初始島狀結(jié)構(gòu)體(如圖4B中所示)的輪廓。該實(shí)施方式的方法利用了 III族氮化物晶體的不同晶體平面之間的生長特性的差異。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，側(cè)面7和基礎(chǔ)襯底3相比于初始的III族氮化物島狀結(jié)構(gòu)體(概括性描述)的暴露上表面ll而言具有不利的生 長特性。如圖6A中所示，與基礎(chǔ)襯底3和側(cè)面7的區(qū)域中的量相比，更多的III族氮化物 材料沉積在最上表面上，該生長特性在本領(lǐng)域中是公知的(例如參見US 2008/0099781)。
因此正如本領(lǐng)域中所知的那樣選擇生長條件以從III族氮化物島狀物的上部起 延伸橫向生長。盡管III族氮化物的生長從III族氮化物島狀物的表面開始延伸，不過由 于缺乏掩蔽材料所致在結(jié)構(gòu)體的其他表面上仍然有一定程度的沉積。應(yīng)當(dāng)注意，由于生長 過程的延伸橫向性質(zhì)所致，缺陷13基本上保持在同一水平面內(nèi)，并且不會在生長層中垂直 發(fā)展，而是位于島狀結(jié)構(gòu)體的側(cè)面的附近。 在不需要的區(qū)域(即側(cè)面7和基礎(chǔ)襯底3)上的沉積度可隨著由III族氮化物島 狀物晶種的上表面形成的追加的III族氮化物28的量的增多而下降。隨著橫向生長過程 的繼續(xù)，追加的III族氮化物材料繼續(xù)橫向生長27，生長前沿會聚而形成聚結(jié)點(diǎn)。整個(gè)橫向 生長27的生長前沿會聚的過程中，在生長襯底和側(cè)面附近的區(qū)域中可因前體氣體不能有 效地結(jié)合并反應(yīng)所致而經(jīng)歷氣相損耗。 正如在其他實(shí)施方式中所注意的，ELO過程中沉積的追加的III族氮化物材料28 可預(yù)期承襲其成核所在材料的性質(zhì)，得到的GaN(或III族氮化物材料)如同島狀物的暴露 部分一樣可預(yù)期具有相對較少的缺陷或位錯、降低的應(yīng)變水平和所需的極性。正如在其他 實(shí)施方式中，根據(jù)所需生長的比率和所需的總層厚，通過利用MOCVD或作為選擇通過HVPE 可以沉積追加的III族氮化物材料28。 圖6B描述了生長過程的追加的III族氮化物材料聚結(jié)以形成連續(xù)膜的階段。正 如在其他實(shí)施方式中，GaN島狀物/柱形物的暴露部分的優(yōu)選的空間排列、空間密度和結(jié)構(gòu) 優(yōu)選為能夠促進(jìn)ELO過程，例如，柱形物具有的空間密度和分布能夠防止聚結(jié)之前的晶體 傾斜/扭曲，因而基本上防止形成更多的缺陷。正如在實(shí)施方式99中，這些方法形成了位 于III族氮化物材料的聚結(jié)柱形物之間的中空區(qū)域30，其如前所述可用于后續(xù)的分離聚結(jié) 膜的過程。 在GaN(或III族氮化物)膜聚結(jié)時(shí)可以改變生長模式，必要時(shí)至更加垂直的程度 以制得具有所需厚度的連續(xù)膜，如圖6C中所示。所得層41的厚度可小于約lym，或至約 100 ii m，或至約500 ii m，或至約1000 y m。得到的GaN層具有相對較少的缺陷或位錯，因?yàn)?傳播(從承載襯底3上的NL 5開始)進(jìn)入GaN島狀物中的大多數(shù)缺陷或位錯13終止于島 狀物的側(cè)面，因而基本上防止了在得到的GaN層中的進(jìn)一步傳播。 正如在其他實(shí)施方式中，所得層現(xiàn)可供使用，例如用于制造電子元件、光伏元件、 光學(xué)元件或光電元件，或者用作進(jìn)一步外延生長的襯底，可直接使用(實(shí)施方式91)也可以 剝離用于復(fù)合襯底(實(shí)施方式93)。不過，有利之處在于，如先前的實(shí)施方式所述，III族氮 化物層41的分離可通過簡單剝離過程完成，S卩，通過在弱化的中空區(qū)域的區(qū)域中施加力51 來分離層41。
實(shí)施例1 圖7A-B描述了頂視圖，圖7C描述了優(yōu)選基礎(chǔ)襯底111的實(shí)例的TEM側(cè)視圖，該基 礎(chǔ)襯底具有多個(gè)GaN島狀物/柱形物，特別是島狀物/柱形物103、 105和107，對應(yīng)于圖4B 中的示意性描述。圖7A中的雙向箭頭表示100iim，圖7B中的雙向箭頭表示50iim。圖7B 更詳細(xì)地描述了圖7A的框101中的區(qū)域。
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圖7A-C的島狀/柱形特征通過加熱MOVPE反應(yīng)器至800°C 100(TC的溫度生成， 在優(yōu)選的實(shí)施方式中在分隔的GaN特征的生長階段中溫度維持在900°C。生長過程中的壓 力范圍維持在200Torr 400Torr，在優(yōu)選的實(shí)施方式中壓力維持在200Torr。 V族物種(如 氨)與III族物利(如三甲基鎵)的比率保持在較低水平以促進(jìn)三維柱形物生長；所用的 V/III之比維持在700 1200，優(yōu)選800。 圖7A圖示了柱形物/島狀物或多或少的無規(guī)排列，間隔為約25 ii m。柱形物/島 狀物，或其小群體是分隔且隔開的。大多數(shù)柱形物/島狀物是單獨(dú)分隔且隔開的。少數(shù)生 長在一起成為2 3個(gè)柱形物/島狀物的群體，例如群體109，其有利地保持了與其他柱形 物/島狀物的分隔。 圖7B更詳細(xì)地圖示了數(shù)個(gè)單獨(dú)的柱形物/島狀物。通常，它們的優(yōu)選形狀包括棱 錐形、斜截棱錐形和頂端為棱錐或斜截棱錐的柱形。例如，柱形物/島狀物103是眾多被幾 乎完整的棱錐截去頂部，或者是幾乎完整的棱錐的柱形物/島狀物的示例。柱形物/島狀 物105是眾多被斜截棱錐截去頂部，或者是斜截棱錐的其他的柱形物/島狀物的示例。另一 方面，柱形物/島狀物103是幾個(gè)具有或多或少平坦頂部且不具有或具有最小棱錐面的柱 形物/島狀物的示例。群體109包括三個(gè)正在生長或已經(jīng)生長在一起的柱形物/島狀物。
優(yōu)選的是柱形物/島狀物包括最上部且在其大約一半的表面上具有傾斜小面，諸 如柱形物/島狀物103和105，因?yàn)檫@樣的小面促進(jìn)了在有利于ELO的條件下的隨后的GaN 層的生長過程中的橫向生長。 圖7C描述了通過高分辨率透射電子顯微鏡法得到的具有多個(gè)如上所述生成的 GaN柱形物/島狀物的優(yōu)選基礎(chǔ)襯底的另一個(gè)實(shí)例的截面圖像。最左邊的兩個(gè)和最右邊的 一個(gè)柱形物/島狀物實(shí)際上是前景柱形物/島狀物與背景柱形物/島狀物疊加的圖像。
在該實(shí)例中，柱形/島狀特征具有大致相同的垂直與水平尺寸，并且以大致等于 特征本身的水平尺寸的間隔在空間上分隔。特征具有大致相同的高度。某些特征具有大致 為矩形的截面，可以視為更接近柱形。某些其他的特征具有大致為三角形的截面，可以視為 更接近棱錐形。再有一些特征具有一個(gè)以上的傾斜的水平小面，可以視為斜截棱錐或具有 錐頂?shù)闹?
實(shí)施例2 圖8描述了用于制造基本上分隔的III族氮化物材料的柱形物/島狀物的選擇性 實(shí)施方式。圖8中描述的GaN島狀物通過蝕刻III族氮化物材料的包括具有明顯不同的抗 蝕刻性的區(qū)域的2D層而生成。整個(gè)III族氮化物層的抗蝕刻性基本上根據(jù)特定區(qū)域中的 晶體極性和/或缺陷密度而變化，例如在本領(lǐng)域中已知有生長條件可以得到晶體極性在整 個(gè)晶片上變化的GaN層。用于圖8中所示的實(shí)例的蝕刻條件包括使基本上連續(xù)的GaN膜與 氫氧化鉀蝕刻溶液在8(TC的溫度接觸6分鐘 10分鐘。 得到的柱形/島狀特征通常是空間上分隔的，特征之間暴露有下層襯底，這些特 征具有一般來說均一的最大高度，以及截?cái)嗟捻斆?。然而，?yīng)當(dāng)注意由該模板生長的III族 氮化物材料往往具有的缺陷密度適度高于實(shí)施例1的實(shí)施方式的模板上生長的材料的缺 陷密度。據(jù)認(rèn)為這是由于特性體由連續(xù)層蝕刻，因此產(chǎn)生于ni-v族特征的底部界面處的 很少量缺陷在生長的過程中終止于側(cè)面，如實(shí)施例1的實(shí)施方式中的情況；因此更多地露 出在島狀物的上部。
以上描述的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式并未限制本發(fā)明的范圍，因?yàn)檫@些實(shí)施方式是 本發(fā)明的數(shù)個(gè)優(yōu)選方面的例示。任何等同的實(shí)施方式在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。事實(shí)上，除了 此處已經(jīng)示出并描述的實(shí)施方式之外的本發(fā)明的各種改進(jìn)，例如，所描述的要素的替代性 的有用組合，將由隨后的說明而對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說變得顯而易見。這樣的改進(jìn)同 樣落入所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。在下面(以及整個(gè)申請中)，標(biāo)題和圖示僅是為清晰和便 利的目的而使用。
權(quán)利要求
一種用于制造包含半導(dǎo)體材料(層材料)的層的方法，所述方法包括提供包括多個(gè)島狀物的模板結(jié)構(gòu)，所述島狀物具有基本上不規(guī)則的空間排列，包括具有一種以上選定的晶體性質(zhì)的上部，并包括其上優(yōu)先成核并生長所述層材料的材料(島狀物材料)；和在下述條件下在所述模板結(jié)構(gòu)上生長所述層材料，所述條件經(jīng)選擇以有利于在所述島狀物上成核，然后外延橫向過生長(ELO)以橫向越過所述島狀物，再聚結(jié)以形成基本上連續(xù)的最終半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層承襲了所述島狀物的一種以上的所述選定的晶體性質(zhì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述島狀物具有的空間密度使得所述最終層基本 上為單晶。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述層材料包括元素半導(dǎo)體材料，或合金半導(dǎo)體 材料，或II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，或III-V族化合物半導(dǎo)體材料，或所述材料的組合。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述選定的晶體性質(zhì)包括低密度的晶體缺陷、選定 的晶體極性和減少的結(jié)晶應(yīng)變中的一種以上。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括通過下述步驟剝離所述最終半導(dǎo)體層的 一部分在所述最終半導(dǎo)體層中形成弱化區(qū)；禾口施加能量以在所述弱化區(qū)剝離所述最終半導(dǎo)體層的一部分。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述剝離的層具有基本上單一的晶體極性。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述層材料包括III族氮化物材料，所述島狀物材 料包括相同的或不同的III族氮化物材料，所述方法還包括提供具有促進(jìn)所述島狀物材料成核的表面的基礎(chǔ)襯底；禾口在下述條件下在所述基礎(chǔ)襯底上生長所述島狀物材料，所述條件經(jīng)選擇從而以基本上 不規(guī)則的空間排列的方式形成分離的島狀物，所述分離的島狀物包括具有一種以上選定的 晶體性質(zhì)的上部。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述島狀物在經(jīng)選擇的另外的條件下生長以使多 個(gè)出現(xiàn)在所述基礎(chǔ)襯底的位錯橫向彎曲并終止于所述島狀物的側(cè)面。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述層材料包括GaN，并且所述選定的晶體性質(zhì)包 括約為107cm2以下的缺陷或位錯的表面密度、至少為5%的晶格應(yīng)變的馳豫比例和選定為 +"6&面)或-c(N面)取向之一的晶體極性中的一種以上。
10. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述島狀物在經(jīng)選擇的另外的條件下生長從而具 有顯示相對阻礙所述層材料成核和生長的晶面的側(cè)面，并具有顯示相對促進(jìn)所述層材料成 核和生長的晶面的上表面。
11. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述層材料在經(jīng)進(jìn)一步選擇的條件下生長，所述 條件首先有利于所述層材料由所述島狀物的上部更加垂直地生長，其次有利于所述層材料 由所述更加垂直地生長的層材料更加橫向生長。
12. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述層材料在經(jīng)進(jìn)一步選擇以有利于形成多個(gè)位 于其他的聚結(jié)島狀物之間的中空區(qū)域的條件下生長，所述中空區(qū)域經(jīng)調(diào)整間距和大小能夠 使得通過施加能量而在所述中空區(qū)域處剝離所述最終層的一部分。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在生長所述層材料之前，在所述模板結(jié)構(gòu)上沉積掩蔽材料以使大多數(shù)的所述島狀物的上部經(jīng)由所述掩蔽材料而暴露，所述掩蔽 材料經(jīng)選擇以使所述層材料相比于在所述掩蔽材料上而優(yōu)先在島狀物上成核和生長。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述掩蔽材料包括氮化硅、或氧化硅或其混合物。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，沉積所述掩蔽材料以使所述島狀物的大多數(shù)側(cè) 面和未被所述島狀物覆蓋的所述襯底的大多數(shù)部分被所述掩蔽材料基本上覆蓋，但使所述 島狀物的大多數(shù)上部保持基本上不存在所述掩蔽材料。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，沉積所述掩蔽材料以使大多數(shù)所述島狀物和未 被所述島狀物覆蓋的所述襯底的大多數(shù)部分被所述掩蔽材料基本上覆蓋，并且所述方法還 包括移除足夠的掩蔽材料以使至少大多數(shù)的所述島狀物的上部再次變?yōu)楸┞丁?br> 17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中，移除殘留的所述掩蔽材料還包括化學(xué)-機(jī)械拋光。
18. 權(quán)利要求1 17中任一項(xiàng)所述的方法制造的包含半導(dǎo)體材料的層。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于制造具有低缺陷密度并可選地具有選定的晶體極性的III族氮化物半導(dǎo)體材料的基本上連續(xù)的層的方法。該方法包括在多個(gè)以不規(guī)則方式排列在模板結(jié)構(gòu)上的III族氮化物材料的柱形物/島狀物的上部外延生長成核和/或引晶。島狀物的上部具有低缺陷密度并可選地具有選定的晶體極性。本發(fā)明還包括具有基本上連續(xù)的掩蔽材料層的模板結(jié)構(gòu)，通過該層顯露出柱形物/島狀物的上部。本發(fā)明可應(yīng)用于大范圍的元素和化合物半導(dǎo)體材料。
文檔編號H01L21/20GK101743618SQ200880024711
公開日2010年6月16日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月26日
發(fā)明者克里斯蒂安·J·韋爾克霍芬, 蘭詹·達(dá)塔, 埃德·林多, 尚塔爾·艾爾納, 拉胡爾·阿賈伊·特里維迪, 羅納德·托馬斯·小伯特倫, 蘇巴實(shí)·馬哈詹, 韓日洙 申請人:硅絕緣體技術(shù)有限公司;亞利桑那董事會代表亞利桑那大學(xué)