專利名稱：晶態(tài)氮化鎵基化合物的生長(zhǎng)方法以及包含氮化鎵基化合物的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及晶態(tài)氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體器件的制造，尤其涉及形成晶態(tài)氮化鎵基化合物及包含該氮化鎵基化合物的半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵基半導(dǎo)體化合物的電子器件，如發(fā)光器件或晶體管器件，已在電子工業(yè)的領(lǐng)域被廣泛地研究及發(fā)展。對(duì)于氮化鎵基晶體管器件，氮化鎵基半導(dǎo)體化合物的有益特征在于電子遷移率高且飽和速度高(約2.5×107cm/s)，以及擊穿電場(chǎng)高(約5×106V/cm)，其允許氮化鎵基晶體管可在高電流密度下工作。因此，氮化鎵晶體管器件在高功率及高溫的應(yīng)用上特別具有優(yōu)勢(shì)。
在發(fā)光器件中，多層結(jié)構(gòu)通常由氮化鎵基化合物，如氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鎵銦(GaInN)及其類似物形成，而形成的多層結(jié)構(gòu)包含夾在n型包覆層及p型包覆層之間的發(fā)光層。
無論實(shí)現(xiàn)晶體管或發(fā)光器件，氮化鎵基化合物一般以外延層的形式沉積于基材上。在此沉積過程中，氮化鎵外延層的結(jié)晶品質(zhì)決定電子遷移率，因此是半導(dǎo)體器件效能的決定性因素。在此情況下，現(xiàn)有技術(shù)中已有許多此類研究。
已知的氣相外延生長(zhǎng)方法是用于使基于氮化鎵的層形成于基材上，然而通常使用的基材材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與基于氮化鎵的層的晶格結(jié)構(gòu)不匹配，或具有高密度的位錯(cuò)。為解決該問題，一種已知技術(shù)是在900℃的低溫或低于900℃的溫度下，在藍(lán)寶石或類似物所制基材上沉積氮化鋁(AlN)或氮化鋁鎵組成的緩沖層，然后在該緩沖層上生長(zhǎng)基于氮化鎵的層。該技術(shù)如第63-188938號(hào)日本專利特許公開中所述，這里將其公開的內(nèi)容并入本發(fā)明作為參考。插入的緩沖層可減少因基材與氮化鎵基化合物不匹配所引起的位錯(cuò)，所以改善了氮化鎵基化合物的結(jié)晶度及形態(tài)。
另一個(gè)已知的技術(shù)方案是于基材上沉積第一基于氮化鎵的層，再將保護(hù)膜，如氧化硅或氮化硅，選擇性地覆蓋基于氮化鎵的層的表面。然后，在第一基于氮化鎵的層未被保護(hù)膜覆蓋的區(qū)域上生長(zhǎng)第二基于氮化鎵的層。保護(hù)膜防止貫穿式位錯(cuò)沿垂直基材介面的方向延伸。如第10-312971號(hào)日本專利特許公開描述了該技術(shù)，這里將其公開的內(nèi)容并入本發(fā)明作為參考。
在某些方面，前述的技術(shù)并未提供令人滿意的結(jié)果，尤其是當(dāng)實(shí)現(xiàn)發(fā)光器件時(shí)，基于氮化鎵的層及基材之間的緩沖層可能會(huì)吸收過多的紫外線。此外，氮化硅或氧化硅的插入可能會(huì)影響半導(dǎo)體器件的電性能。
因此，目前需要一種生長(zhǎng)晶態(tài)氮化鎵基材料的方法，可補(bǔ)償與基材之間的晶格不匹配，且同時(shí)具有改善的特征，如降低紫外線的吸收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了一種形成晶態(tài)氮化鎵基化合物的方法及包含氮化鎵基化合物的半導(dǎo)體器件。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，一種形成晶態(tài)氮化鎵基化合物的方法包括，在第一處理溫度下于基材上形成第一成核層；在第二處理溫度下于第一成核層上形成第二成核層，第二處理溫度不同于第一處理溫度；以及形成氮化鎵基外延層于第二成核層上。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，第一處理溫度介于約1000℃及1200℃之間。在另一個(gè)具體實(shí)施方案中，第二處理溫度介于約400℃及1000℃之間。在一些具體實(shí)施方案中，第一成核層的厚度介于約10埃及100埃之間。在其他實(shí)施方案中，第二成核層的厚度介于約300埃及2000埃之間。
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，氮化鎵基半導(dǎo)體器件包括基材、基于晶態(tài)氮化鎵的層、以及至少兩層插入基材與基于晶態(tài)氮化鎵的層之間的成核層。在一些實(shí)施方案中，這兩層成核層在不同的溫度下形成。在一些具體實(shí)施方案中，兩層成核層之一具有約300埃及2000埃之間的厚度，另一層具有介于約10埃及100埃之間的厚度。在一些具體實(shí)施實(shí)施方案中，兩層成核層中的至少一層包含AlxInyGa(1-x-y)N，其中x、y及(1-x-y)在
的范圍內(nèi)。
前述僅為概述，不應(yīng)以此限制專利申請(qǐng)的范圍，這里揭示的操作及結(jié)構(gòu)當(dāng)可以其他的方式實(shí)施，且由此形成的變體及修飾將不脫離本發(fā)明及其較廣泛的觀點(diǎn)。另一方面，本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)是由權(quán)利要求所界定，且描述于下列非限定的詳細(xì)說明中。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案在形成晶態(tài)氮化鎵基化合物的過程中使用的有機(jī)金屬氣相結(jié)晶反應(yīng)器的示意圖。
圖2A所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案對(duì)基材實(shí)施初始熱清潔過程的示意圖。
圖2B所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案在基材上形成第一成核層的示意圖。
圖2C所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案在第一成核層上形成第二成核層的示意圖。
圖2D所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案于第二成核層上外延形成基于氮化鎵的層的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明描述了一種生長(zhǎng)晶態(tài)氮化鎵基化合物的方法，其包括至少三個(gè)沉積步驟。首先使第一成核層在第一溫度下形成于底基材上，然后在不同于第一溫度的第二溫度下形成第二成核層，其中第一及第二成核層包含以分子式AlxInyGa(1-x-y)N表示的化合物。然后，使晶態(tài)氮化鎵基化合物外延生長(zhǎng)于第二成核層上。
“氮化鎵基化合物或?qū)印北硎景?GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)及鋁、銦及鎵與氮元素的任意組合物。適于形成第一及第二成核層及氮化鎵基化合物的方法包括多種氣相沉積生長(zhǎng)過程，如有機(jī)金屬氣相結(jié)晶法(MOVPE)生長(zhǎng)沉積法、分子束外延(MBE)生長(zhǎng)沉積法、氫化物氣相外延成長(zhǎng)(HVPE)生長(zhǎng)沉積等。
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案在形成晶態(tài)氮化鎵基化合物的制程中使用的有機(jī)金屬氣相結(jié)晶反應(yīng)器的示意圖。反應(yīng)器100包括反應(yīng)室102，其中基材104置于基座(susceptor)106上，以進(jìn)行沉積過程。加熱裝置108架設(shè)在基座106上，以加熱基材104。經(jīng)過分別與多個(gè)容器112連接的多個(gè)進(jìn)管110，將氣相化學(xué)試劑引入反應(yīng)室102中?？刹僮鳈C(jī)械泵114使氣體經(jīng)出管116從反應(yīng)室102排出。此外，控制及調(diào)整機(jī)構(gòu)118連接機(jī)械泵114，以調(diào)節(jié)反應(yīng)室102中的壓力。
圖2A至2D所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案形成晶態(tài)氮化鎵基化合物的過程的示意圖。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，晶態(tài)氮化鎵基化合物為氮化鎵層，形成于藍(lán)寶石底基材上；然而本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解氮化鎵層可以形成于不同的材料上，如硅基材、碳化硅(SiC)基材或類似物，或形成于已形成不同材料層的基材上。
圖2A所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案對(duì)基材實(shí)施初始熱清潔過程的示意圖。藍(lán)寶石基材202具有作為主要平面的碳平面，開始進(jìn)行熱清潔制程。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方案，熱清潔過程包括將基材202加熱至1000℃以上的溫度，同時(shí)在壓力環(huán)境維持在約1000mbar，以約5slm(標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘)的流速率引進(jìn)氫氣(H2)及/或氮?dú)?N2)。
圖2B所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案利用MOVPE法在基材202上生長(zhǎng)第一成核層204的MOVPE生長(zhǎng)示意圖，其中第一成核層204由AlxInyGa(1-x-y)N組成，x、y及(1-x-y)在
的范圍內(nèi)。雖然該具體實(shí)施方案是以AlGaN組成成核層204為例(即x＝1及y＝0)，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解成核層的成份可通過改變x及y的值作適當(dāng)調(diào)整?；?02經(jīng)清潔后被加熱至1000℃至1200℃的溫度范圍內(nèi)，然后將氨氣(NH3)以約5000sccm的流速率注入，同時(shí)分別將流速率為2.5sccm及7.5sccm的三甲基鎵(TMGa)及三甲基鋁(TMAl)引進(jìn)壓力維持在110mbar下的反應(yīng)室中。由此使由AlGaN組成的第一成核層204生長(zhǎng)于藍(lán)寶石基材202上，其形成厚度介于約10埃及100埃之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解除三甲基鎵(TMGa)及三甲基鋁(TMAl)以外，鎵及鋁的適合來源也可包括其他烷基金屬化合物，如三乙基鎵(TEGa)、三乙基鋁(TEAl)或類似物。
圖2C所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案在第一成核層204上利用MOVPE生長(zhǎng)第二成核層206的示意圖，其中第二成核層206由AlxInyGa(1-x-y)N組成。在該具體實(shí)施方案中，第二成核層206也可為AlGaN。氨供應(yīng)維持在5000sccm，基材202的溫度設(shè)定在約400℃及1000℃之間。三甲基鎵(TMGa)及三甲基鋁(TMAl)分別以流速0.5sccm及37.5sccm引入壓力維持在200mbar下的反應(yīng)室中。由氮化鎵鋁(AlGaN)組成的第二成核層206由此形成在第一成核層204上。第二成核層206的厚度介于約300埃及2000埃之間，且鋁成份的范圍在約0及1之間。
圖2D所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案晶態(tài)氮化鎵基化合物層208外延生長(zhǎng)于第二成核層206上的示意圖。氮化鎵基化合物層208可以由鋁、銦及鎵與氮元素的任意組合物組成，并取決于預(yù)期形成的器件所需的特定特征。
在實(shí)現(xiàn)發(fā)光器件或氮化鎵晶體管時(shí)，基于氮化鎵的層208例如為生長(zhǎng)于基材上的一層摻雜的氮化鎵。在發(fā)光器件中，氮化鎵層可配置為第一包覆層，其上分別堆疊多重結(jié)構(gòu)層及第二包覆層。在實(shí)現(xiàn)氮化鎵晶體管時(shí)，氮化鎵層可配置為活性區(qū)域，其中在晶體管半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生電子和小洞穿隧。
在不同溫度下形成的這些成核層可以在節(jié)省成本的條件下生長(zhǎng)，且使基材與外延氮化鎵基化合物之間的位錯(cuò)明顯減少。通過這些成核層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，基材與外延氮化鎵基化合物之間的位錯(cuò)得以緩和。此外，觀察發(fā)光器件的使用顯示，生長(zhǎng)過程形成的層結(jié)構(gòu)可以防止不利的紫外線吸收，可明顯增加發(fā)光器件的亮度?？筛鶕?jù)預(yù)期形成的基于氮化鎵的層，通過成核層的組成(即通過調(diào)整值x及y)調(diào)節(jié)晶格錯(cuò)配及紫外線吸收的減少程度。
由前述的特定具體實(shí)施方案的內(nèi)容，將可對(duì)本發(fā)明有所了解，然而這些實(shí)施方案僅用于說明，并非限制的目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，本發(fā)明應(yīng)可有多種變體、修飾、增加及改善。因此，多個(gè)器件的實(shí)例在此僅為單一實(shí)例，在實(shí)例中以分離器件呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)及功能，將可以組合的結(jié)構(gòu)或器件來實(shí)現(xiàn)。這些或其他變化、修飾、增加及改善將落入下列權(quán)利要求所界定的范圍內(nèi)。
符號(hào)說明100反應(yīng)器102反應(yīng)室104基材106基座108加熱裝置110進(jìn)管112容器114機(jī)械泵116出管118調(diào)整機(jī)構(gòu)202藍(lán)寶石基材
204第一成核層206第二成核層208基于氮化鎵的層
權(quán)利要求
1.形成基于氮化鎵(GaN)的層的方法，其包括在第一處理溫度下于基材上形成第一成核層；在第二處理溫度下于該第一成核層上形成第二成核層，該第二處理溫度低于該第一處理溫度；以及于該第二成核層上形成基于外延氮化鎵的層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第一成核層、第二成核層中的至少一層包含AlxInyGa(1-x-y)N，其中x、y及(1-x-y)在
的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第一處理溫度介于約1000℃及1200℃之間。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第一成核層的厚度介于約10埃及100埃之間。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第二處理溫度介于約400℃及1000℃之間。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第二成核層的厚度介于約300埃及2000埃之間。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成該第一成核層及該第二成核層的步驟包括實(shí)施氣相外延生長(zhǎng)過程。
8.形成基于氮化鎵的層的方法，其包括于基材上形成多個(gè)成核層，其中該多個(gè)成核層包括在不同溫度下形成的至少兩層成核層；以及于該多個(gè)成核層之一的頂部形成基于外延氮化鎵的層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中該多個(gè)成核層包含由AlxInyGa(1-x-y)N組成的至少一層成核層，其中x、y及(1-x-y)在
的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中該多個(gè)成核層中的一層或多層由氣相外延沉積形成。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中形成多個(gè)成核層的步驟包括于約1000℃及1200℃之間的溫度下形成第一成核層。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該第一成核層具有介于10埃及100埃的厚度。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中形成多個(gè)成核層的步驟包括于400℃及1000℃之間的溫度下形成第二成核層。
14.如權(quán)利要求13所述的制程，其中該第二成核層具有介于300埃及2000埃的厚度。
15.氮化鎵基的半導(dǎo)體器件，其包含基材；基于晶態(tài)氮化鎵的層；以及至少兩層成核層，它們插入該基材與該基于氮化鎵的層之間。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中該基材包括藍(lán)寶石基材。
17.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中該至少兩層成核層中的至少一層包含AlxInyGa(1-x-y)N，其中x、y及(1-x-y)在
的范圍內(nèi)。
18.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中該至少兩層成核層在不同的溫度下形成。
19.如權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體器件，其中該至少兩層成核層包括在約1000℃至約1200℃之間的溫度下形成的第一成核層。
20.如權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體器件，其中該至少兩層成核層包括在約400℃至約1000℃之間的溫度下形成的第二成核層。
全文摘要
形成晶態(tài)氮化鎵基材料的方法中，在第一處理溫度下于基材上形成第一成核層，然后在第二處理溫度下于第一成核層上形成第二成核層，其中第二處理溫度不同于第一處理溫度，且第一及第二成核層由Al
文檔編號(hào)H01L33/00GK1828835SQ20061000643
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
發(fā)明者李家銘, 陳宗良, 陳怡伶, 劉育全, 綦振瀛 申請(qǐng)人:泰谷光電科技股份有限公司