使用快速熱加工形成異質(zhì)外延層以除去晶格位錯(cuò)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用快速熱加工形成異質(zhì)外延層W除去晶格位錯(cuò) 巧001] 1相關(guān)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)依照35U. S. C. § 119 (e)要求于2013年7月2日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列 號(hào)61/842207(案卷號(hào)3521.337)的優(yōu)先權(quán)，其出于全部目的通過(guò)引用全文并入本文。
[0003] 本發(fā)明還依照35U. S. C. § 119 (e)要求于2013年9月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng) 序列號(hào)61/881369(案卷號(hào)3521.388)的優(yōu)先權(quán)，其出于全部目的通過(guò)引用全文并入本文。 巧004] 2版權(quán)聲明
[000引本專(zhuān)利文件公開(kāi)內(nèi)容的一部分可能含有受到版權(quán)保護(hù)的資料。當(dāng)其出現(xiàn)于專(zhuān)利和 商標(biāo)局專(zhuān)利文件或檔案中時(shí)，版權(quán)所有者對(duì)于任何人復(fù)制專(zhuān)利文件或?qū)＠_(kāi)內(nèi)容沒(méi)有異 議，但在其他任何情況下保留全部版權(quán)權(quán)利。W下聲明應(yīng)當(dāng)應(yīng)用于文件：Copyright 2013Ultratech Inc. 巧006] 3發(fā)明背景 3.1發(fā)明領(lǐng)域
[0007]本文的示例性、說(shuō)明性技術(shù)設(shè)及熱材料加工和固態(tài)裝置制造。更具體地，本文的技 術(shù)設(shè)及用于使用原子層沉積(ALD)法然后快速熱退火步驟，在單晶基底或晶圓上異質(zhì)外延 和外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料的改進(jìn)方法。特別是，第III/V族氮化物膜在ALD反應(yīng)室中在單晶娃 晶圓上生長(zhǎng)，并使用快速熱退火來(lái)重構(gòu)沉積膜W除去位錯(cuò)并降低內(nèi)應(yīng)力。
[000引3.2相關(guān)技術(shù)
[0009] GaN是重要的半導(dǎo)體材料，可用于在發(fā)光二極管(LED)和藍(lán)色激光器中發(fā)出藍(lán)光或 紫光。雖然高度期望在單晶娃晶圓基底上生長(zhǎng)單晶GaN層，但部分為減少娃的晶格間距與 GaN的晶格間距相比之間的失配，還因?yàn)橥夼cGaN相比熱膨脹系數(shù)(TCE)之間的失配，常規(guī)異 質(zhì)外延GaN裝置通過(guò)在藍(lán)寶石基底上生長(zhǎng)GaN層來(lái)構(gòu)建。
[0010] 部分因?yàn)橥拊铣杀靖停惨驗(yàn)橥藁字圃旄鼜V為人知且更廣泛實(shí)踐，所W 單晶藍(lán)寶石基底一般成本顯著高于單晶娃基底。不幸的是，傳統(tǒng)觀點(diǎn)持續(xù)堅(jiān)持認(rèn)為單晶娃 在制造 GaN和AlN裝置時(shí)不像單晶藍(lán)寶石那樣適合，而且更通常堅(jiān)持認(rèn)為對(duì)于第III-V族化 合物(例如，包含棚、侶、嫁、銅和巧)和第II-VI族化合物(例如，包含儒和鋒)和第III-N族化 合物中任一者的異質(zhì)外延生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)娃不是最好的基底選擇。藍(lán)寶石基底反而仍在廣泛使 用。
[0011] 因此，本領(lǐng)域需要開(kāi)發(fā)適合于第III-V族化合物(例如，包含棚、侶、嫁、銅和巧)和/ 或第II-VI族化合物（例如，包含儒和鋒)和第III-卿矣在娃基底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)的制造技 術(shù)，W至少利用可由使用基于娃晶圓的裝置提供的可用的降低的材料和加工成本。
[0012] 雖然藍(lán)寶石基底提供了良好的穩(wěn)定性、低反應(yīng)性和承受半導(dǎo)體裝置加工的苛刻條 件的能力，但是它的成本、它的介電屬性和它的大的帶隙排除了制造具有背面電接觸的裝 置的可能性，并且已經(jīng)導(dǎo)致重新出現(xiàn)尋求替代性基底材料(其中娃是最理想的）的興趣。
[001引3.3晶輸司距失配
[0014]異質(zhì)外延生長(zhǎng)通常在異質(zhì)材料的晶格結(jié)構(gòu)或晶格間距合理匹配時(shí)更加成功。運(yùn)是 事實(shí)，因?yàn)槌练e或活化層的晶格間距嘗試匹配基底層靠近異質(zhì)外延邊界的晶格間距，運(yùn)一 行為通常將沉積層的天然晶格間距的形成破壞到在至少接近異質(zhì)外延邊界處形成的沉積 層是基本上無(wú)定形的或者最多是多晶的程度。在一種情形中，沉積層的生長(zhǎng)在獨(dú)立地但在 不同晶格取向上形成的單晶組中成核，具有在獨(dú)立的單晶形成之間的邊界處形成的位錯(cuò)。 位錯(cuò)進(jìn)一步干擾單晶生長(zhǎng)，導(dǎo)致有缺陷的單晶結(jié)構(gòu)或者多晶結(jié)構(gòu)。在實(shí)踐中，單晶結(jié)構(gòu)中的 缺陷有可能導(dǎo)致沉積層破裂，特別是在沉積層在快速熱循環(huán)過(guò)程中被熱壓時(shí)。該問(wèn)題的常 規(guī)解決方案是例如通過(guò)在娃基底上生長(zhǎng)娃沉積層W避免位錯(cuò)并促進(jìn)單晶生長(zhǎng)，來(lái)避免異質(zhì) 外延裝置。但是，娃裝置已經(jīng)不能提供許多應(yīng)用中期望的電性質(zhì)，特別是在電源裝置如電源 開(kāi)關(guān)和整流器中。類(lèi)似地，娃裝置已經(jīng)不能提供給光學(xué)裝置期望的光學(xué)性質(zhì)。在運(yùn)兩種情況 下，期望更高帶隙的材料如氮化嫁(GaN)作為沉積或活化層，并且優(yōu)選GaN在娃基底上最經(jīng) 濟(jì)地形成。
[0015] 單晶藍(lán)寶石是剛玉(Ab化）的單晶形式，也稱(chēng)為a侶、氧化侶。藍(lán)寶石的晶體結(jié)構(gòu)是 六方晶系，長(zhǎng)斜方類(lèi)3m，其使得單晶藍(lán)寶石作為生長(zhǎng)單晶或接近單晶的III-V化合物(例如， 包含棚、侶、嫁、銅和巧）的基底而言比娃更兼容。此外，第II-VI族化合物（例如，包含儒和 鋒)和III-N具有與II-V化合物類(lèi)似的晶體結(jié)構(gòu)，使得單晶藍(lán)寶石基底對(duì)于運(yùn)些化合物的異 質(zhì)外延生長(zhǎng)而言比單晶娃基底更兼容。特別是娃與GaN具有16.9%的晶格失配，而藍(lán)寶石與 GaN具有13.62%的晶格失配，運(yùn)為藍(lán)寶石提供了稍許優(yōu)勢(shì)。
[0016] 高度期望在活性沉積層中形成單晶（長(zhǎng)期有序），W提供均一的電性質(zhì)和/或光學(xué) 性質(zhì)。具體來(lái)說(shuō)，運(yùn)意味著在整個(gè)層體積中形成基本上均一的晶格取向，而活性沉積層的晶 格取向越一致，最終半導(dǎo)體裝置的電性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)可能越好。在激光器和激光二極管裝 置包含氮化嫁活性層的情況下，更好的晶體取向?qū)е略谘b置輸出處發(fā)光強(qiáng)度增加 W及輸出 福射的光譜帶寬變窄，其中基本上全部光譜輸出是在裝置的主要光譜響應(yīng)處。
[0017] 3.4熱循環(huán)和熱膨脹系數(shù)失配
[0018] 廣泛認(rèn)可單晶異質(zhì)外延層只可在外延生長(zhǎng)溫度Tg下形成，GaN的Tg據(jù)報(bào)告為至少 550°C。參見(jiàn)例女日Trivedi等，Low-temperature GaN growth on silicon substrates by single gas-source epitaxy and photo-excitation；Appl.Phys.Lett.87,072107 (2005)。已知通過(guò)使用常規(guī)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法在基本上單晶藍(lán)寶石基底上 形成GaN層來(lái)制造半導(dǎo)體激光器和LED。特別是，普遍認(rèn)可當(dāng)沉積溫度在900至1100°C范圍內(nèi) 時(shí)，制造了質(zhì)量最高的常規(guī)GaN裝置。然而，即使是在質(zhì)量最高的裝置中，在異質(zhì)外延邊界處 由晶格間距失配導(dǎo)致的一些晶格缺陷也不可避免。
[0019] 而且，即使努力使藍(lán)寶石基底與GaN的TCE匹配，常規(guī)MOCVD反應(yīng)器中要求的900至 1100°C最高溫度也使得嚴(yán)格的熱應(yīng)力管理成為必要，W避免因不匹配的TCE材料的熱循環(huán) 而導(dǎo)致的過(guò)度晶圓彎曲（wafer bow)和破裂。通常晶圓彎曲被限制到小于100皿，W使晶圓 在常規(guī)晶圓處理和加工工具上進(jìn)一步加工W大量生產(chǎn)。雖然晶圓彎曲已經(jīng)通過(guò)在MOCVD膜 中形成"應(yīng)力補(bǔ)償層"而得W解決，但是運(yùn)些應(yīng)力補(bǔ)償層降低了裝置層性能并增加了成本。
[0020] 3.5氮化侶(AlN)過(guò)渡層的使用
[0021] 最近Pan等，（Growth of GaN f i Im on Si (111) Substrate using a AlN sandwich st;ruc1:ure as bufferjoun.Of Crys1:al Growth 318(2011)464-467)報(bào)告了嘗 試在Si (111)基底上生長(zhǎng)裝置質(zhì)量級(jí)GaN。在運(yùn)個(gè)實(shí)例中，由在Si (111)基底上形成的AlN成 核層、然后是混合的AlN/GaN過(guò)渡層與最終的活性GaN層形成的S明治結(jié)構(gòu)都通過(guò)金屬有機(jī) 化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在1060°C下形成，W嘗試減少因 GaN與娃之間的巨大晶格間距失配 (16.9%)和6曰則〇35.5扣1〇-61(-1)與娃(〇33.77別〇- 61(-1)之間的巨大熱膨脹系數(shù)(押6)失配導(dǎo) 致的不期望的破裂。雖然希望該S明治結(jié)構(gòu)會(huì)減少表面破裂，但結(jié)果令人失望。雖然化n等 報(bào)告了 GaN外延層在Si基底上均一地生長(zhǎng)，但是活性層遭受隨機(jī)分布的破裂，它們據(jù)報(bào)告大 多由CTE失配導(dǎo)致。
[0022] 3.6貫穿異質(zhì)外延邊界的擴(kuò)散
[0023] 在高溫下（高于約800°C)在基底上生長(zhǎng)膜的一個(gè)缺點(diǎn)設(shè)及可能在層邊界處發(fā)生的 擴(kuò)散。特別是基底氮化可能在高沉積溫度下發(fā)生。此外，過(guò)度的熱梯度和熱循環(huán)范圍可能導(dǎo) 致膜和基底中的一些破裂。在一個(gè)特別實(shí)例中，氮化嫁層W高濃度氮空位在900至1100°C的 常規(guī)MOCVD溫度下生長(zhǎng)。氮空位導(dǎo)致裝置中的背景載體濃度高，因此使電性質(zhì)和電-光性質(zhì) 降低。
[0024] 雖然已經(jīng)嘗試在較低溫度下同時(shí)仍使用MOCVD法在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)GaN膜，但在500 °0下生長(zhǎng)的膜比在800°C下生長(zhǎng)的膜(參比）的光致發(fā)光要弱1000倍。高反應(yīng)溫度MOCVD加工 的另一個(gè)缺點(diǎn)是，銅和一些其他的第III-V族及第II-VI族化合物具有阻止它們?cè)诟哂?00 °C下使用的熱穩(wěn)定性，因此限制高反應(yīng)溫度MOCVD加工可用于在任意基底上沉積某些第 III-V族和第II-VI族化合物的程度。因此，本領(lǐng)域需要開(kāi)發(fā)較低溫度的沉積技術(shù)。
[0025] 已經(jīng)嘗試了在單晶娃基底上沉積GaN的實(shí)驗(yàn)，取得一定成功。但是，即使娃基底是 單晶，形成的膜也普遍包含混合的晶格取向（即，它們不是單晶）。運(yùn)部分是因?yàn)橥夼c氮化嫁 之間的晶格結(jié)構(gòu)失配。不幸的是，所得Lm)和激光器裝置與所生產(chǎn)的在單晶藍(lán)寶石上具有單 晶晶格取向的常規(guī)裝置相比沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，
[0026] 3.7使用原子層沉積生長(zhǎng)異質(zhì)外延層
[0027] 原子層沉積(ALD)系統(tǒng)是可用的，其可W在較低沉積溫度（例如80-550°C)下沉積 材料層，并且適合于通過(guò)AL的去在娃基底上沉積GaN和AlN二者的技術(shù)和前體是已知的，且在 下文列舉的文獻(xiàn)中公開(kāi)。
[0028] Kim和同事在Atomic layer deposition of GaN using GaClsand 顧3 (J.化C. Sci .Technol .A 27，4，2009年7/8月）中，已經(jīng)在500-700°C的溫度窗口內(nèi)通過(guò)ALD在 Si (100)基底上生長(zhǎng)GaN。面化前體GaQ和GaCl3與N曲一起用作娃基底上的共反應(yīng)物。GaCb 前體的暴露時(shí)間在2-7秒范圍內(nèi)不等。結(jié)果表明了膜中的GaN的混合晶體取向（例如(0002) 與（1011)取向的GaN的混合物)和高Cl含量，其對(duì)裝置應(yīng)用將是有害的。
[0029] 圖4A的圖線（410)和(420)中所示X射線衍射(XRD)結(jié)果是來(lái)自通過(guò)ALD在550-650 °〇下分別在25秒暴露時(shí)間和7秒暴露時(shí)間內(nèi)所生長(zhǎng)的膜。注意到混合的晶體取向，和與較長(zhǎng) 暴露時(shí)間形成的圖線（410)相比的較短暴露時(shí)間形成的圖線（420)中的弱結(jié)晶性。通過(guò)比 較，圖4B中的XRD結(jié)果是來(lái)自高溫MOCVD生長(zhǎng)的GaN(在900-1100°C下生長(zhǎng)）。注意到在900-1100°C下生長(zhǎng)的MOCVD膜的明顯單晶性質(zhì)，其展示出占優(yōu)勢(shì)地位的GaN(0002)晶體結(jié)構(gòu)。
[0030] Ozgit和同事（Proceedings of the E-MRS 化11 Meeting,Symposium H:波蘭，華 沙，2011年9月19日-23日）已經(jīng)通過(guò)等離子體增強(qiáng)原子層沉積，使用S甲基嫁巧16)和；甲 基嫁(TEG)和氨(畑3)前體在對(duì)于TMG為250-350°C和對(duì)于TEG為150-350°C的溫度窗口內(nèi)在 Si(IOO)基底上生長(zhǎng)GaN。未