專利名稱：制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中描述的實施例一般而言涉及制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法。
背景技術(shù)：
化合物半導(dǎo)體被用于各種領(lǐng)域，例如以高頻器件為例的高速電子器件、以光發(fā)射和光接收器件為例的光學(xué)器件等等。高性能器件被實際使用。為了制造高質(zhì)量器件，通常需要制備高質(zhì)量襯底晶體。然而，(如果)與具有大直徑的硅襯底相比，化合物半導(dǎo)體的晶體襯底具有小的直徑。于是，使用這樣的襯底制造半導(dǎo)體的方法傾向于具有差的批量生產(chǎn)率。

發(fā)明內(nèi)容
一般而言，根據(jù)一個實施例，公開了一種制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法。所述方法可包括在硅晶體層上形成具有第一厚度的所述氮化物半導(dǎo)體晶體層。所述硅晶體層被設(shè)置在基體(base body)上。在形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層之前，所述硅晶體層具有第二厚度。所述第二厚度小于所述第一厚度。所述形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層包括使所述硅晶體層的至少一部分并入到所述氮化物半導(dǎo)體晶體層中以從所述第二厚度減薄所述硅晶體層的厚度。例如，根據(jù)實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法為這樣的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法，該方法包括在其中硅晶體層被層疊在基體上的結(jié)構(gòu)上層疊所述氮化物半導(dǎo)體晶體層。所述氮化物半導(dǎo)體晶體層具有的厚度大于所述硅晶體層的厚度。所述制造方法通過使所述硅晶體層的一部分或全部并入到所述氮化物半導(dǎo)體晶體層中而減薄所述硅晶體層的厚度。例如，根據(jù)實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法為這樣的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法，該方法包括在被層疊在基體上的中間層上形成的晶體層上形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層。所述制造方法通過使所述晶體層的一部分或全部并入到所述氮化物半導(dǎo)體晶體層中而減薄所述晶體層的厚度。


圖1為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖；圖2為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的流程圖3A和;3B為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖；圖4A和4B為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖；圖5A和5B為示例出由根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法制成的半導(dǎo)體器件的配置的示意性截面圖；圖6A和6B為示例出根據(jù)第二實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖；圖7A到7C為示例出根據(jù)第二實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖；圖8A到8D為示例出根據(jù)第三實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖；圖9A和9B為示例出根據(jù)第三實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性圖；圖IOA到IOC為示例出根據(jù)第三實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖；圖11為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的中途的晶體層的狀態(tài)的電子顯微照片；圖12為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的中途的晶體層的狀態(tài)的電子顯微照片；圖13為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的中途的晶體層的狀態(tài)的圖；圖14為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的晶體層的狀態(tài)的電子顯微照片；圖15為示例出參考例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的晶體層的狀態(tài)的電子顯微照片；圖16A到16D為示出分析結(jié)果的圖像，該分析結(jié)果示例出氮化物半導(dǎo)體晶體層的特性；圖17A和17B為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的晶體層的分析結(jié)果的圖；以及圖18A和18B為示例出參考例的晶體層的分析結(jié)果的圖。
具體實施例方式下文中將參考附圖描述各實施例。第一實施例圖1為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖。圖2為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的流程圖。該實施例為一種制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法，其包括制備其中具有50nm或更小的厚度的硅晶體層40被層疊在基體20上的結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)上層疊具有大于硅晶體層40的厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50。在該實施例中，氮化物半導(dǎo)體晶體層50被形成在其中硅晶體層被層疊在基體20 上的結(jié)構(gòu)上(步驟S110)。在該形成氮化物半導(dǎo)體晶體層50之后或在該形成氮化物半導(dǎo)體晶體層50時，通過使硅晶體層40的一部分或全部與氮化物半導(dǎo)體晶體層50反應(yīng)而減薄硅晶體層40的厚度(步驟S120)。發(fā)生鎵原子與硅原子的互擴散，并且硅原子被并入到氮化物半導(dǎo)體晶體中。在該實施例中，提供這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，通過硅晶體層40而將氮化物半導(dǎo)體晶體層50層疊在基體20上，該硅晶體層40是超薄的且其晶格沿面內(nèi)方向延伸?？梢栽诨w20與氮化物半導(dǎo)體晶體層50之間設(shè)置具有與III族金屬原子(3族金屬原子)的低反應(yīng)性的中間層30。在該實施例中，提供了一種方法，其中，為了實現(xiàn)上述層疊結(jié)構(gòu)，在基體20上設(shè)置具有均勻厚度的超薄硅晶體層40，并在該超薄硅晶體層40上層疊具有大于該超薄硅晶體層40的厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50。具體而言，超薄硅晶體層40的厚度為50nm或更小，更優(yōu)選為20nm或更小。另一方面，在其中氮化物半導(dǎo)體晶體層被直接外延生長在具有不小于500 μ m且不大于1000 μ m的厚度的硅晶體襯底上的參考例的方法中，隨著氮化物半導(dǎo)體晶體層的厚度增加，由氮化物半導(dǎo)體晶體與硅晶體之間的晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)變增加，最終地，通過在氮化物半導(dǎo)體晶體層側(cè)引入位錯以弛豫(relax)該應(yīng)力，發(fā)生塑性形變，從而弛豫了積累的應(yīng)力。結(jié)果，在形成于硅晶體襯底上的氮化物半導(dǎo)體晶體層中殘留了大量的約IXlO8Ui 錯數(shù)· m_2)的位錯。另一方面，如在該實施例中，當制備超薄硅晶體層40并且在其上生長具有大于超薄硅晶體層40的厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50時，可以通過將位錯40t引入到基材(base material)的超薄硅晶體層40側(cè)來弛豫伴隨著氮化物半導(dǎo)體晶體層的生長厚度的應(yīng)變。具體而言，當基材的硅晶體層40的厚度充分大于外延生長的氮化物半導(dǎo)體晶體層50的厚度時，將難以發(fā)生與在基材側(cè)的位錯的引入相伴的塑性形變，而當基材的硅晶體層40的膜厚度充分小于氮化物半導(dǎo)體晶體層50的厚度時，與在基材的硅晶體層40側(cè)的位錯產(chǎn)生相伴的塑性形變的發(fā)生變得容易。在該實施例中，制備這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，具有均勻膜厚度的超薄硅晶體層40 被直接層疊在基體20上或夾著(via)中間層30而被層疊，該中間層30沒有繼承基體20 的晶體形狀(crystal profile)。通過在超薄硅晶體層40上外延生長氮化物半導(dǎo)體晶體層 50，可以在超薄硅晶體層40側(cè)以良好重現(xiàn)性產(chǎn)生與位錯40t的引入相伴的塑性形變。另一方面，如果在其上外延生長了氮化物半導(dǎo)體晶體層50的硅晶體層40基材為不均勻的并具有局部厚的部分，則將不可能通過與在基材側(cè)的位錯的產(chǎn)生相伴的塑性形變的產(chǎn)生而導(dǎo)致應(yīng)力弛豫。更確切地，與位錯產(chǎn)生相伴的塑性形變將發(fā)生在被層疊在頂部上的氮化物半導(dǎo)體晶體層50側(cè)。由此，將不可能充分地降低氮化物半導(dǎo)體晶體層50中的位錯密度。在具有與超薄硅晶體層40的晶體形狀不同的晶體形狀的基體20上形成在該實施例中描述的超薄硅晶體層40。例如，可以給出這樣的結(jié)構(gòu)，其中，超薄硅晶體層40被層疊在作為基體20的硅石(silica)玻璃襯底等等上。當使用具有大直徑的硅晶體襯底(硅襯底)(例如，被廣泛用于制造電子器件的那些硅晶體襯底)作為基體20時，夾著中間層30而在硅晶體襯底上層疊超薄硅晶體層40。具體而言，在一個實例中，使用氧化硅膜(SiO2)作為中間層30。例如，將這樣的結(jié)構(gòu)稱為“絕緣體上硅”(SOI)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，夾著SiA層而將薄膜Si晶體層層疊在硅襯底晶體上，并且可以提供具有高工業(yè)質(zhì)量的產(chǎn)品。在許多情況下，在通常被提供用于諸如集成電路等等的電子器件的SOI襯底的 SOI層的厚度約為不小于IOOnm且不大于1 μ m。然而，通過熱氧化其表面，以高精確度減薄 SOI層的厚度是容易的。此外，在該實施例中，直接支撐超薄硅晶體層40的基材層不必是硅玻璃或SiO2 層，也不必是非晶層，而可以是晶體層。換言之，硅晶體層40的基材層是與超薄硅晶體層40 不具有共同晶體形狀的材料就足夠了。然而，如下文中描述的，該基材層被配置為具有與諸如鎵(Ga)、銦(In)等等的III 族元素的低反應(yīng)性，并且在約1000°c下的熱處理中是穩(wěn)定的。在該實施例中，超薄硅晶體層40被層疊在具有與諸如鎵(Ga)、銦(In)等等的III 族元素的低反應(yīng)性的基體20上或中間層30上，并外延生長氮化物半導(dǎo)體晶體層50。因此， 由III族元素導(dǎo)致的硅晶體層40的回熔蝕刻(melt back etching)受到限制。具體而言，根據(jù)該實施例，因為超薄硅晶體層40的厚度為50nm或更小，在低溫下在超薄硅晶體層40上層疊氮化物半導(dǎo)體晶體層50之后，即使在高溫下進行處理，將經(jīng)受由 III族元素導(dǎo)致的回熔蝕刻的最大區(qū)域也被限制到超薄硅晶體層40的厚度(50nm)或更小。在該實施例中，當在基體20上夾著中間層30而層疊超薄硅晶體層40且然后在其上外延生長氮化物半導(dǎo)體晶體層50時，構(gòu)成超薄硅晶體層40的硅原子的一部分或全部與氮化物半導(dǎo)體晶體層50反應(yīng)，發(fā)生鎵原子與硅原子的互擴散，由此硅原子被并入到氮化物半導(dǎo)體晶體中。結(jié)果，與在生長氮化物半導(dǎo)體晶體層50之前相比，進一步減薄了超薄硅晶體層40的膜厚度，或者超薄硅晶體層40消失。然而，在氮化物半導(dǎo)體晶體層50中擴散的硅原子的總量是有限的，因而可以減薄對氮化物半導(dǎo)體晶體層50的導(dǎo)電性類型控制的影響。此外，當?shù)锇雽?dǎo)體晶體層50的厚度不充分大于超薄硅晶體層40的厚度(特別地，當Iym或更大)時，實際產(chǎn)生的層疊結(jié)構(gòu)可被認為是包括基體20、中間層30以及氮化物半導(dǎo)體晶體層50的三層結(jié)構(gòu)。這里，當基體20為硅晶體襯底并且中間層30為SW2層時，形成硅晶體襯底、SiO2 層以及氮化物半導(dǎo)體晶體層50的三層結(jié)構(gòu)，并且與如參考例中的當?shù)锇雽?dǎo)體晶體層被層疊在硅襯底晶體上時相比，形成了其中SiO2層被插入在兩個晶體層之間的結(jié)構(gòu)。在該參考例中，在硅晶體襯底上層疊氮化物半導(dǎo)體晶體層之后，存在當降低溫度時由兩者的熱膨脹系數(shù)之間的差導(dǎo)致的開裂問題。然而，根據(jù)該實施例，形成了這樣的結(jié)構(gòu)，其中具有小熱膨脹系數(shù)的SiO2層被插入在具有相對大的熱膨脹系數(shù)的硅襯底層與具有更大的熱膨脹系數(shù)的氮化物半導(dǎo)體(氮化鎵)層之間。此外，在該實施例中，疊層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成要素的具體厚度為硅晶體襯底(不小于 400 μ m且不大于1000 μ m) ；SiO2層(不小于IOOnm且不大于IOOOnm)以及氮化物半導(dǎo)體晶體層(不小于Iym且不大于 ομπι)。由此，通過插入具有小的熱收縮量的SiO2層，平衡了在形成氮化物半導(dǎo)體晶體層之后的冷卻處理期間由熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的收縮。因此， 可以避免在硅晶體襯底與氮化物半導(dǎo)體晶體層的二層結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)翹曲(warping)和與該翹曲相伴的開裂。接下來，將更詳細地描述第一實施例。圖3A和;3B以及圖4A和4B為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖。如圖3A所示，制備具有絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)的襯底80作為襯底。作為基體襯底晶體的基體20的厚度為650 μ m ；作為掩埋氧化物膜層的中間層30的厚度為200nm ；頂部超薄硅晶體層(S0I層)40的厚度為lOnm。表面的SOI層的晶面的取向為(111)面。任何晶體取向都可被用于基體20，基本上不會導(dǎo)致任何問題。在該實施例中，基體20的晶體取向為(100)面。作為基體20的硅晶體可以為多晶而不會產(chǎn)生問題。此外，襯底80可以具有其中超薄硅晶體層40被附到硅石襯底的結(jié)構(gòu)。這里，當超薄硅晶體層(SOI層)40的厚度大時，可通過利用熱氧化來氧化表面層并減薄硅晶體層(SOI層)40的厚度，獲得具有IOnm厚度的超薄層。在熱氧化之后，可以通過氫氟酸處理而容易地去除表面氧化膜。此外，當不存在附到表面的熱氧化膜時，用具有約的濃度的稀釋的氫氟酸溶液處理樣品襯底約一分鐘，以在襯底表面上形成氫終端(hydrogen termination)。通過該氫終端，硅晶體層(S0I層)40成為被氫封端的 (terminated by hydrogen)表面結(jié)構(gòu)，由此成為拒水表面。接下來，如圖;3B所示，在具有被氫封端的表面的超薄SOI層上生長(外延生長) 氮化物半導(dǎo)體晶體層50a (氮化鎵晶體層)。作為樣品襯底的襯底80被引入到MOCVD (金屬有機化學(xué)氣相沉積)裝置中，襯底溫度被升高到500°C，并使用TMG(三甲基鎵)和NH3 (氨) 作為源材料而形成具有20nm厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50a。接下來，如圖4A所示，襯底80的溫度被升高到1080°C。此時，歸因于由氮化物半導(dǎo)體晶體層50a與超薄硅晶體層40之間的晶格失配而導(dǎo)致的應(yīng)力，在超薄硅晶體層40側(cè)引入位錯40t，從而發(fā)生塑性形變。此外，由于超薄硅晶體層40的塑性形變，施加到氮化物半導(dǎo)體晶體層50a的應(yīng)變被釋放。該階段的條件被示意性地示于圖4A中。如圖4B所示，接下來，在1080°C下，使用TMG(三甲基鎵)和NH3(氨)作為源材料而形成具有2 μ m的厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50b (氮化鎵晶體層)。此外，在該階段，構(gòu)成超薄硅晶體層40的硅原子的一部分或全部與氮化物半導(dǎo)體晶體層50反應(yīng)，發(fā)生鎵原子與硅原子的互擴散，因而硅原子被并入到氮化物半導(dǎo)體晶體中。結(jié)果，與在生長氮化物半導(dǎo)體晶體層50之前相比，進一步減薄了超薄硅晶體層40的膜厚度，或者超薄硅晶體層40消失。此外，雖然前面提到當溫度升高到1080°C時在低溫下形成的氮化物半導(dǎo)體晶體層 50a弛豫其晶格，即使在該階段氮化物半導(dǎo)體晶體層50a沒有完全弛豫且保留局部應(yīng)變，當在高溫下生長具有2 μ m厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50b時的階段將獲得具有完全晶格弛豫的氮化物半導(dǎo)體晶體層50a。當制造以發(fā)光二極管(LED)為例的光學(xué)半導(dǎo)體器件時，可以在氮化物半導(dǎo)體晶體層50上層疊由InGaN等等形成的發(fā)光層(稍后描述)。此外，可以用η型Si、p型Mg等等摻雜氮化物半導(dǎo)體晶體層50以注入電流，從而使發(fā)光層發(fā)光。通常，還可以在1080°C下生長氮化鎵的工藝中進行摻雜，還可以形成具有約IX IO18(原子^nT3)的硅原子的層以在基材襯底側(cè)形成η型層。然而，在諸如其中在超薄硅晶體層40上形成氮化物半導(dǎo)體晶體層50 的該實施例的情況下，在氮化物半導(dǎo)體晶體層50中的鎵原子與硅晶體反應(yīng)，并且硅原子被擴散到氮化物半導(dǎo)體晶體層50中。具體而言，即使沒有在生長期間進行其中引入甲硅烷的摻雜，在接觸超薄硅晶體層40的500nm的氮化鎵晶體層(生長層的底部)中也包含不小于1 X IO19 (原子· cm_3)且不大于IXlO2tl (原子^cnT3)的濃度的硅原子。因此，超薄硅晶體層40的厚度小于在形成氮化物半導(dǎo)體晶體層50之前的厚度，或者已經(jīng)完全消失。當使用常規(guī)硅晶體襯底代替超薄 SOI層作為襯底時，更大量的硅原子會擴散到氮化物半導(dǎo)體晶體層50的所有區(qū)域中，生長層的底部將呈現(xiàn)接近于硅和氮化鎵的混合晶體的形狀。在該實施例中，給出了金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)作為用于薄膜晶體生長氮化物半導(dǎo)體晶體層50的技術(shù)，但是可以使用用于生長氮化物半導(dǎo)體晶體的任何常規(guī)薄膜晶體生長方法，例如，分子束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)。通常，化合物半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)與硅晶體的晶格常數(shù)不同。因此，難以在硅襯底晶體上形成化合物半導(dǎo)體晶體。例如，當在硅襯底上外延生長GaAs晶體時，由于硅晶體的晶格常數(shù)與GaAs晶體的晶格常數(shù)相差約4%，在GaAs晶體中產(chǎn)生位錯。因此，通過在生長的層中產(chǎn)生位錯，將弛豫在Si襯底上生長的GaAs晶體，從而不能獲得具高質(zhì)量的GaAs 晶體。近年來，氮化物半導(dǎo)體晶體因用作發(fā)光器件材料而受到關(guān)注。在氮化物半導(dǎo)體晶體中，在許多情況下，使用六方晶體，該六方晶體具有與硅晶體所通常呈現(xiàn)的立方晶形不同的晶形。另外，晶格常數(shù)的差異更大。此外，由于氮化物半導(dǎo)體晶體與硅晶體的熱膨脹系數(shù)的差異大，因此存在在每次進行諸如升溫或降溫的熱處理時會發(fā)生開裂的問題。為了解決這些問題，已經(jīng)提出了各種技術(shù)，例如，通過疏松的(fragile)硅晶體層在硅襯底上制備薄膜硅晶體層，隨后在其上形成晶格失配的化合物半導(dǎo)體晶體層。具體而言，在參考例中描述了一種技術(shù)，其中，在硅襯底的頂部上形成多孔硅層，隨后在表面上形成連續(xù)的且平坦的超薄層，然后外延生長化合物半導(dǎo)體層。在該技術(shù)中，由于與硅的晶格失配、以及由于熱膨脹系數(shù)差異和從膜形成溫度到環(huán)境溫度的冷卻而引入的晶體缺陷被認為僅僅被引入到超薄硅晶體層中。然而，對于該方法，在多孔層的孔隙度大的條件下(當多孔層的被空位所占據(jù)的比例大時)，難以在表面上形成平坦的超薄層。如在參考例中所描述的，在20%的小孔隙度的條件下，即使超薄層被形成為在表面上平坦，硅晶體被連接到超薄層的80%的面積中的基材。因而，超薄部分實際上僅占20%。因此，為了引入缺陷以減小由與層疊的化合物半導(dǎo)體晶體層的晶格失配造成的應(yīng)變的目標，留下了再現(xiàn)性的問題。在另一參考例中，提出了一種方法，其中在形成在硅襯底的頂部上的多孔層上直接外延生長氮化物半導(dǎo)體晶體層。認為通過該多孔層可減小由晶格失配造成的應(yīng)變和由襯底與氮化物半導(dǎo)體之間的熱膨脹系數(shù)差造成的應(yīng)變。然而，通過該方法，在其上生長化合物半導(dǎo)體晶體層的基材是不平坦的。晶體生長在從多孔層的表面不連續(xù)地暴露的突起部開始。因此，在生長開始之后的即刻，形成孤立的晶體，并且這些孤立的晶體最終沿橫向聚結(jié) (coalesce)。在該情況下，用作基材的硅晶體中的晶格常數(shù)和晶形不同于已生長的化合物半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)和晶形。在開始獨立生長的晶體之間進行聚結(jié)的部分處形成晶粒邊界。這導(dǎo)致問題。此外，在另一參考例中，存在當在硅晶體上形成氮化物半導(dǎo)體晶體時硅晶體部分被GaN晶體回熔蝕刻的問題。具體地，氮在高溫下從層疊在硅晶體上的GaN晶體升華，從而偏析出( 原子，于是硅晶體部分被回熔蝕刻并在界面部分中形成腔。此外，從回熔蝕刻的硅晶體部分分離的硅原子擴散到頂部GaN晶體中。它們成為高濃度的η型雜質(zhì)，并降低了導(dǎo)電類型的可控性。因此，在參考例中，存在當在硅襯底上層疊化合物半導(dǎo)體晶體(特別地，氮化物半導(dǎo)體晶體)時出現(xiàn)的各種問題。另一方面，在該實施例中，提供了一種用于獲得高質(zhì)量晶體層的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以形成具有與基材硅襯底晶體的晶格常數(shù)大不相同的晶格常數(shù)的化合物半導(dǎo)體晶體層，特別地，氮化物半導(dǎo)體晶體。該結(jié)構(gòu)和技術(shù)實現(xiàn)了抑制在氮化物半導(dǎo)體晶體側(cè)由晶格失配引起的位錯的引入。還提供了其技術(shù)。通過該實施例，提供了一種結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以抑制當在硅襯底上層疊氮化物半導(dǎo)體晶體層時硅晶體被III族原子回熔蝕刻的問題。它們還抑制了由被回熔蝕刻的部分的大量硅原子擴散到氮化物半導(dǎo)體層中而導(dǎo)致的使導(dǎo)電類型控制變困難的問題。當在硅襯底上層疊氮化物半導(dǎo)體晶體層時在高溫下形成薄膜之后的冷卻時發(fā)生由熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的開裂。通過實施例，提供了一種結(jié)構(gòu)和技術(shù)以降低開裂的密度。根據(jù)實施例，在超薄硅晶體層40上層疊具有大于超薄硅晶體層40的厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50。該超薄硅晶體層40沒有繼承基材的晶體形狀，并且具有均勻厚度。從而，可以在超薄硅晶體層40側(cè)產(chǎn)生由晶格失配導(dǎo)致的位錯40t，并減少引入到氮化物半導(dǎo)體晶體層50中的位錯40t。在該實施例中，在具有與III族元素的低反應(yīng)性的基體上層疊超薄硅晶體層40， 或者通過在基體上插入的具有與III族元素的低反應(yīng)性的中間層30而層疊超薄硅晶體層 40。在其上層疊具有大于超薄硅晶體層40的厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50。由此，即使在硅晶體部分被氮化物半導(dǎo)體晶體層50回熔蝕刻時，也可以限制回熔蝕刻的量。從而抑制了擴散到氮化物半導(dǎo)體晶體層50側(cè)的硅原子的量，并避免了控制氮化物半導(dǎo)體晶體層50的導(dǎo)電類型的問題。在該實施例中，通過由SW2層形成的中間層30而在由硅晶體形成的基體20上層疊超薄硅晶體層40，并且在其上外延生長氮化物半導(dǎo)體晶體層50。通過該工藝，形成了三層結(jié)構(gòu)，其中具有小熱膨脹系數(shù)的S^2層被插入在具有相對大的熱膨脹系數(shù)的硅襯底層與具有更大的熱膨脹系數(shù)的氮化物半導(dǎo)體(氮化鎵)層之間。由此，通過插入具有小的熱收縮的SiA層，平衡了在形成氮化物半導(dǎo)體晶體層50之后的冷卻時由熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的收縮。因此，抑制了在硅晶體襯底與氮化物半導(dǎo)體晶體層的二層結(jié)構(gòu)中的翹曲，并可以抑制與該翹曲相伴的開裂。接下來，將描述使用根據(jù)第一實施例的氮化物半導(dǎo)體晶體層50制造的半導(dǎo)體器件的配置。圖5A和5B為示例出使用根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法而制造的半導(dǎo)體器件的配置的示意性截面圖。
首先，將使用圖5A和5B描述使用根據(jù)該實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法制造的半導(dǎo)體器件的實例。這里，作為半導(dǎo)體器件的實例，描述了氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)和氮化鎵發(fā)光二極管(LED)。如圖5A所示，半導(dǎo)體器件100為GaN HEMT。在半導(dǎo)體器件100中，在氮化物半導(dǎo)體晶體層50上設(shè)置半導(dǎo)體層疊體150。具體地，例如，半導(dǎo)體器件100包括夾著緩沖層102 而在氮化物半導(dǎo)體晶體層50上設(shè)置的第一半導(dǎo)體層103以及具有比第一半導(dǎo)體層103大的帶隙的第二半導(dǎo)體層104。第一半導(dǎo)體層103為溝道層，第二半導(dǎo)體層104為勢壘層。在第一半導(dǎo)體層103與第二半導(dǎo)體層104之間存在異質(zhì)結(jié)。緩沖層102、第一半導(dǎo)體層103以及第二半導(dǎo)體層104被依次外延生長在氮化物半導(dǎo)體晶體層50上。第一半導(dǎo)體層103包括，例如，不包含雜質(zhì)的未摻雜的Α1α(^_αΝ(其中 O^ α彡1)。第二半導(dǎo)體層104包括，例如，未摻雜的或η型的AleGai_eN(其中0彡β彡1 且α < β)。例如，將未摻雜的GaN層用于第一半導(dǎo)體層103，并將未摻雜的或η型AKiaN 層用于第二半導(dǎo)體層104。例如，將AlN層或AKiaN層用于緩沖層102。注意，緩沖層102 不是必需的，其可被省略。在第二半導(dǎo)體層104上相互分隔地設(shè)置源極電極105和漏極電極106。源極電極 105和漏極電極106各自與第二半導(dǎo)體層104的表面歐姆接觸。在源極電極105與漏極電極106之間的第二半導(dǎo)體層104上設(shè)置柵極電極107。柵極電極107與第二半導(dǎo)體層104 的表面肖特基接觸。第二半導(dǎo)體層104的晶格常數(shù)小于第一半導(dǎo)體層103的晶格常數(shù)。由此，在第二半導(dǎo)體層104中產(chǎn)生應(yīng)變，并且由于壓電效應(yīng)而在第二半導(dǎo)體層104中產(chǎn)生壓電極化。因此，在第一半導(dǎo)體層103與第二半導(dǎo)體層104之間的界面附近形成二維電子氣109。在半導(dǎo)體器件100中，通過控制對柵極電極107施加的柵極電壓，在柵極電極107下方的二維電子氣109的濃度改變，由此改變在源極電極105與漏極電極106之間的電流。如圖5Β所示，半導(dǎo)體器件200為GaN LED。在半導(dǎo)體器件200中，在氮化物半導(dǎo)體晶體層50上設(shè)置半導(dǎo)體層疊體250。例如，半導(dǎo)體器件200包括設(shè)置在氮化物半導(dǎo)體晶體層50上的η型GaN層210、設(shè)置在η型GaN層210上的η型GaN導(dǎo)引層212、設(shè)置在η型 GaN導(dǎo)引層212上的有源層214、設(shè)置在有源層214上的ρ型GaN導(dǎo)引層216以及設(shè)置在ρ 型GaN導(dǎo)引層216上的ρ型GaN層220。有源層214包含InGaN，并具有例如其中層疊了 In0.15fe0.85N 層和 Inatl2GEia98N 層的多量子阱(MQff)結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體器件200中，η型GaN層210的部分表面暴露，并且在該暴露部分的η型 GaN層210上設(shè)置η側(cè)電極230。在ρ型GaN層220上設(shè)置ρ側(cè)電極MO。當在η側(cè)電極230與ρ側(cè)電極240之間施加預(yù)定電壓時，有源層中的空穴和電子復(fù)合，由此從有源層214發(fā)射例如藍光。從有源層214發(fā)射的光從氮化物半導(dǎo)體晶體層50 側(cè)或P側(cè)電極240側(cè)被提取。使用氮化物半導(dǎo)體晶體層制造這樣的半導(dǎo)體器件(即，半導(dǎo)體器件100和200)。 下文中，將描述該實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法。第二實施例圖6Α和6Β以及圖7Α到7C為示例出根據(jù)第二實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖。
如圖6A所示，制備具有絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)的襯底80作為襯底。作為基體襯底晶體的基體20的厚度為650 μ m ；作為掩埋氧化物膜層的中間層30的厚度為200nm，頂部超薄硅晶體層(S0I層)40的厚度為lOnm。表面SOI層的晶面的取向為(111)面。任何晶體取向都可以用于基體，基本上不會導(dǎo)致任何問題。在該實施例中，晶體取向為(100)面。 用具有約的濃度的稀釋的氫氟酸溶液處理樣品襯底約一(1)分鐘，以在襯底表面的超薄SOI層表面上形成氫終端。通過該氫終端，SOI層表面成為被氫封端的表面結(jié)構(gòu)，由此成為拒水表面。接下來，在具有被氫封端的表面的超薄SOI層襯底上薄膜晶體生長(外延生長)氮化物半導(dǎo)體晶體層50a (氮化鎵晶體層)。例如，如圖6B所示，樣品襯底被引入到金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)裝置中，并且襯底溫度被升高到500°C。然后，在低溫下生長氮化物半導(dǎo)體晶體層之前，僅僅供應(yīng)TMG， 在超薄硅晶體層40上沉積等價于三原子層的鎵原子。由此，形成鎵原子層11。在該階段， 鎵原子的一部分被擴散到超薄硅晶體層40中。接下來，如圖7A所示，使用TMG(三甲基鎵)和NH3(氨)作為源材料，形成具有 20nm厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50a (氮化鎵晶體層)。接下來，如圖7B所示，襯底80的溫度被升高到1080°C。此時，歸因于由氮化物半導(dǎo)體晶體層50a與超薄硅晶體層40之間的晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)力，在超薄硅晶體層40側(cè)引入位錯40t，從而發(fā)生塑性形變。此外，由于超薄硅晶體層40的塑性形變，對氮化物半導(dǎo)體晶體層50a施加的應(yīng)變被釋放。在該實施例中，因為鎵原子被預(yù)先擴散到超薄硅晶體層40中，在超薄硅晶體層40 中可以容易出現(xiàn)由位錯40t的引入造成的塑性形變。在改變晶格位置的同時在硅晶體中擴散鎵原子是公知的。通過該實施例的條件，鎵原子被擴散到硅晶體層40的具有IOnm厚度的最底部(硅晶體層40與中間層30之間的界面)。因此，促進了位錯向硅晶體中的引入。 具體地，從硅晶體層表面(氮化物半導(dǎo)體晶體層的生長界面)引入的位錯在( 原子的擴散貫穿整個硅晶體層直到中間層界面時引起塑性形變效應(yīng)的較高發(fā)生概率。因此，硅晶體層 40的厚度為使鎵原子容易擴散的厚度是重要的。另外，在第一實施例中，在生長氮化物半導(dǎo)體晶體之前沒有引入III族元素，但認為當在硅晶體層上生長氮化鎵晶體層時，由于在界面處發(fā)生的反應(yīng)，硅原子和鎵原子互擴散到各層中，因此，同樣地，鎵原子擴散到硅晶體層中。如圖7C所示，接下來，使用TMG(三甲基鎵)和NH3(氨)作為源材料，在1080°C下形成具有2 μ m的厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50b (氮化鎵晶體層)。此外，在該階段，構(gòu)成超薄硅晶體層40的硅原子的一部分或全部與氮化物半導(dǎo)體晶體層50反應(yīng)，并且發(fā)生鎵原子與硅原子的互擴散，因而硅原子被并入到氮化物半導(dǎo)體晶體中。結(jié)果，與在生長氮化物半導(dǎo)體晶體層50之前相比，進一步減薄了超薄硅晶體層40的膜厚度，或者超薄硅晶體層40消失。雖然前面提到了在低溫下形成的氮化物半導(dǎo)體晶體層50a在溫度升高到1080°C 時弛豫其晶格，即使在該階段氮化物半導(dǎo)體晶體層50a沒有完全弛豫并且殘留局部應(yīng)變， 在高溫下生長具有2 μ m厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50b時的階段也將獲得具有完全晶格弛豫的氮化物半導(dǎo)體晶體層50a。與第一實施例一樣，當制造以發(fā)光二極管(LED)為例的光學(xué)半導(dǎo)體元件時，在氮化物半導(dǎo)體晶體層50上層疊由^GaN等等形成的發(fā)光層并形成ρ型層是有利的。第三實施例圖8A到8D以及圖IOA到IOC為示例出根據(jù)第三實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意性截面圖。圖9A和9B為示例出根據(jù)第三實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的示意圖。具體地，圖9A為平面示意圖，圖9B為沿圖9A的線X-Y截取的截面視圖。如圖9A所示，制備具有絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)的襯底80作為襯底80。作為基體襯底晶體的基體20的厚度為650 μ m ；作為掩埋氧化物膜層的中間層30的厚度為1 μ m ；頂部超薄硅晶體層(S0I層)40的厚度為20nm。表面SOI層的晶面的取向為(111)面。任何晶體取向都可被用于基體，基本上不會導(dǎo)致任何問題。在該實施例中，該晶體取向為(100) 面。此外，超薄硅晶體層40被分割為四角形島狀形狀，一條邊的長度為1mm。由此，可以在平行于硅晶體層40的層面的面中分割硅晶體層40。具體而言，如圖8B所示，該過程包括使用CVD方法在超薄硅晶體層40上沉積氧化物膜45，并通過在氧化物膜45上施加光致抗蝕劑而形成掩模圖形46。接下來，如圖8C所示，使用干法蝕刻而蝕刻所沉積的氧化物膜45。此后，如圖8D所示，使用已通過蝕刻被構(gòu)圖的氧化物膜4 作為掩模，蝕刻超薄硅晶體層40。由此，在作為掩埋氧化物膜的中間層30上形成了這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，以 Imm的間隔形成了四角形島狀超薄硅部分40p，其一條邊的長度為1mm。在圖9A和9B中示例出在已經(jīng)去除了氧化物膜4 之后的襯底80的平面和截視圖。如圖9A和9B所示，例如，將超薄硅部分40p形成為具有Imm的間隔的結(jié)構(gòu)。用具有約的濃度的稀釋的氫氟酸溶液處理樣品襯底約一分鐘，以在具有四角形島狀形狀的超薄硅部分40p的表面上形成氫終端。通過該氫終端，超薄硅部分40p的表面成為被氫封端的表面結(jié)構(gòu)，由此成為拒水表面。接下來，在具有氫封端的表面的超薄SOI 層襯底上生長(外延生長)氮化物半導(dǎo)體晶體層50。例如，如圖IOA所示，通過將樣品襯底引入到金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)裝置中，將襯底溫度升高到500°C，并使用TMG(三甲基鎵)和NH3(氨)作為源材料，在超薄硅部分40p上形成具有30nm厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50a (氮化鎵晶體層)。接下來，如圖IOB所示，襯底80的溫度被升高到1080°C。此時，歸因于由氮化物半導(dǎo)體晶體層50a與超薄硅部分40p之間的晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)力，在超薄硅部分40p側(cè)引入位錯40t，從而發(fā)生塑性形變。此外，由于超薄硅部分40p的塑性形變，對氮化物半導(dǎo)體晶體層50a施加的應(yīng)變被釋放。如圖IOC所示，接下來，使用TMG(三甲基鎵)和NH3(氨)作為源材料，在1080°C 下，形成具有2 μ m的厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50b (氮化鎵晶體層)。如在該實施例中，通過其中在作為掩埋氧化物膜的中間層30上形成有島狀超薄硅部分40p的襯底80，氮化物半導(dǎo)體晶體層50的生長僅僅選擇性地發(fā)生在存在硅晶體層的區(qū)域上，而生長不會發(fā)生在作為掩埋氧化物層的中間層30被暴露的區(qū)域上。此外，在該階段，構(gòu)成超薄硅晶體層40的硅原子的一部分或全部與氮化物半導(dǎo)體晶體層50反應(yīng)，發(fā)生鎵原子與硅原子的互擴散，因而硅原子被并入到氮化物半導(dǎo)體晶體中。結(jié)果，與在生長氮化物半導(dǎo)體晶體層50之前相比，超薄硅晶體層40的膜厚度被進一步減薄，或者超薄硅晶體層40消失。另外，即使在低溫生長和溫度升高之后在氮化物半導(dǎo)體晶體層50a中殘留局部應(yīng)變，在高溫下生長具有2 μ m厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50b時的階段也會獲得具有完全晶格弛豫的氮化物半導(dǎo)體晶體層50，這與沒有形成島狀形狀時相同。由此，在該實施例中，通過將形成在SW2層上的超薄硅晶體層40加工成約不小于 500 μ m且不大于IOOOym的劃分開的(in sections)島狀形狀并將該島狀形狀排列為具有不小于0. Ιμπι且不大于IOOym的間隔，選擇性地僅僅在彼此間留有間隔的超薄硅部分 40ρ的部分的頂部上形成了在其上外延生長的氮化物半導(dǎo)體晶體層50。因此，可以避免由大的熱膨脹系數(shù)造成的氮化物半導(dǎo)體晶體層的收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，由此抑制開裂。特別地，如在該實施例中的情況，在已被加工成島狀形狀的超薄硅層上選擇性地生長氮化物半導(dǎo)體晶體層時，可以抑制在高溫下生長氮化物半導(dǎo)體晶體層之后冷卻時由熱膨脹系數(shù)差異造成的應(yīng)力的效果。具體地，因為三種材料氮化鎵、SiO2和硅的熱膨脹系數(shù)不同，當冷卻時，存在收縮量的差異。然而，具有小的熱膨脹系數(shù)和小的收縮量的SiO2層被插入在具有大的熱膨脹系數(shù)和相對大的收縮量的硅與具有更大的熱膨脹系數(shù)和更大的收縮量的氮化鎵之間；此外， 氮化鎵層被選擇性地形成為島狀形狀。因此，可以均衡所產(chǎn)生的應(yīng)力。由此，可以抑制翹曲和開裂。另一方面，公知這樣的情況，即，當直接在硅襯底上層疊氮化鎵時，由于氮化鎵與硅的熱膨脹系數(shù)差異，應(yīng)力被施加到兩者之間并發(fā)生開裂。在這樣的二層結(jié)構(gòu)中，由于即使在硅表面上形成了構(gòu)圖的氧化物層并選擇性地形成氮化鎵層時氮化鎵層與硅襯底層也被直接接合，因此限制了由島狀形狀加工產(chǎn)生的分散應(yīng)力的效果。由此，在該實施例中，在SiA層上形成的超薄硅晶體層40被加工成具有約不小于 500 μ m(0.5mm或更大)且不大于1000 μ m的特征長度的劃分開的島狀形狀。超薄硅部分 40p被示例為具有四角形平面形狀的島狀形狀，但超薄硅部分40p的平面形狀不局限于四角形。超薄硅部分40p的平面形狀包括除方形之外的多邊形(即，除四角形形狀之外的三角形和矩形形狀)、圓形等等。在該實施例中，“特征長度”為指定不特定形狀的尺寸的指標。 “特征長度”在平面形狀為圓形或近似圓形的情況下表示直徑，在平面形狀為多邊形的情況下表示多邊形的一條邊的長度。通過設(shè)置間隔為不小于0. Ιμπι且不大于100 μ m的島，僅僅在相互間隔的島狀形狀的超薄硅晶體的部分的頂部上選擇性地形成在其上外延生長的氮化物半導(dǎo)體晶體層50。 換言之，使用經(jīng)分割的硅晶體層40作為用于生長氮化物半導(dǎo)體晶體的基材。因此，可以避免由大的熱膨脹系數(shù)造成的氮化物半導(dǎo)體晶體層收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力并由此抑制開裂。氮化物半導(dǎo)體晶體層50a對應(yīng)于氮化物半導(dǎo)體晶體層50的第一部分。氮化物半導(dǎo)體晶體層50b對應(yīng)于氮化物半導(dǎo)體晶體層50的第二部分。第二部分是形成在第一部分上的部分。如先前所描述的，在實施例中，硅晶體層40的面的取向優(yōu)選為(111)面。由此，促進具有優(yōu)良結(jié)晶性的氮化物半導(dǎo)體晶體層50(例如，GaN層)的形成。實施例包括其中硅晶體層40具有完備結(jié)晶性的情況，還包括其中硅晶體層40包括高定向的多晶狀態(tài)，其取向被設(shè)置為沿(111)方向。
在上述步驟S120之后(其中硅晶體層40的厚度被減薄為小于作為初始厚度的第二厚度)，氮化物半導(dǎo)體晶體層50的厚度(第一厚度)增加為大于硅晶體層40的厚度(第
二厚度)。通過將硅晶體層40的一部分并入到氮化物半導(dǎo)體晶體層50中而在硅晶體層40 上形成氮化物半導(dǎo)體晶體層50，從而將硅晶體層40的厚度減薄為小于第二厚度。通過將全部硅晶體層40并入到氮化物半導(dǎo)體晶體層50中，可以從第二厚度減薄硅晶體層40的厚度。具體地，通過將硅晶體層40的至少一部分并入到氮化物半導(dǎo)體晶體層50中而形成氮化物半導(dǎo)體晶體層50，以便從第二厚度減薄硅晶體層40的厚度。下文中，將描述根據(jù)實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的另一實例。該制造方法是參考圖3A、3B、4A和4B而描述的方法的實例。因此，在下面的描述中同樣將參考這些圖。如圖3A所示，同樣使用具有絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)的襯底80作為該方法中的襯底。這里同樣地，基體20的厚度為650 μ m。然而，在該實例中，作為掩埋氧化物膜層的中間層30的厚度為460nm。頂部超薄硅晶體層(S0I層)40的厚度為8nm。由此，可以根據(jù)需要改變每種類型的層的厚度。表面SOI層的晶面的取向為(111)面。使用注氧隔離(SIMOX)方法制造在該實例中使用的SOI襯底。更具體而言，在稱為“高劑量”的條件下對具有(111)的表面晶體取向的Si襯底進行氧離子注入，然后在包含約0.5%氧的惰性氣體氣氛中在1350°C的高溫下退火。由此， 離子注入的氧與Si原子鍵合，由此在其中形成氧化物膜(掩埋氧化物膜)。結(jié)果，完成了這樣的結(jié)構(gòu)，其中，在Si襯底中形成了具有約450nm厚度的氧化物膜。在該點處，表面?zhèn)鹊腟i層(S0I層)的厚度為約150nm。在氧離子注入之后進行的高溫退火之后，在其中氧濃度已被增加到20%到100%的氧化氣氛中繼續(xù)高溫退火(熱氧化)。通過該處理，在表面上形成具有約200nm厚度的氧化物膜。由此，SOI層的厚度被減薄到50nm。此時，由于內(nèi)部氧化(ITOX)效應(yīng)，掩埋氧化膜的厚度稍微增加。此后，使用氫氟酸溶液去除表面的氧化物膜。這里，超薄硅晶體層(S0I層)的厚度大于SOI層的希望厚度。因此，通過進行進一步的熱氧化而氧化約93nm的表面層，來減薄硅晶體層(S0I層)的厚度。由此，SOI層的厚度被減薄到8nm。從而，可以獲得具有希望的厚度的硅晶體層(S0I層)40。此后，再次使用氫氟酸溶液蝕刻表面的氧化物膜層。通過該處理，硅晶體層(S0I層)40成為被氫封端的表面結(jié)構(gòu)，由此成為拒水表面。接下來，如圖:3B所示，在具有被氫封端的表面的超薄SOI層襯底上薄膜晶體生長 (外延生長)氮化物半導(dǎo)體晶體層50a(氮化鎵晶體層)。作為樣品襯底的襯底80被引入到MOCVD (金屬有機化學(xué)氣相沉積)裝置中，襯底溫度被升高到520°C，并且使用TMG (三甲基鎵)和NH3 (氨)作為源材料而形成具有70nm厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50a。圖11為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的中途的晶體層的狀態(tài)的電子顯微照片。
圖11示出了使用電子顯微鏡觀察的處于已經(jīng)形成了氮化物半導(dǎo)體晶體層50a的狀態(tài)下的晶體層的截面的結(jié)果。從圖11很明顯，在SiO2層(中間層30)與氮化鎵晶體層(氮化物半導(dǎo)體晶體層 50a)之間清楚地觀察到SOI層(硅晶體層40)的區(qū)域。由此，在該階段，SOI層和GaN層沒有反應(yīng)，可以清楚地識別出每個層的邊界。另外，從圖11很明顯，GaN層(氮化物半導(dǎo)體晶體層50a)被形成為完全覆蓋SOI 層。該低溫形成的GaN層具有差的平坦度，因而在表面中形成了凹陷和凸起。此后，如圖4A所示，襯底80的溫度被升高到1120°C。如圖4B所示，接下來，在1120°C下，使用TMG(三甲基鎵)和NH3(氨)作為源材料， 通過外延生長五分鐘而形成具有IOOnm厚度的氮化物半導(dǎo)體晶體層50b (氮化鎵晶體層)。圖12為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的中途的晶體層的狀態(tài)的電子顯微照片。圖12示出了使用電子顯微鏡觀察的在已經(jīng)形成了氮化物半導(dǎo)體晶體層50b的狀態(tài)下的晶體層的截面的結(jié)果。從圖12很明顯，連同在520°C的低溫下形成的GaN層(氮化物半導(dǎo)體晶體層50a)， 在SiA層(掩埋氧化物膜層，中間層30)上以平坦的表面形成了具有約170nm的總厚度的 GaN層。換言之，通過高溫生長工藝平坦化了在低溫生長之后的具有凹陷和凸起的表面。從圖12很明顯，不能清楚地觀察到在SiO2層(中間層30)與GaN層(氮化物半導(dǎo)體晶體層50a)之間存在的SOI層(硅晶體層40)。圖13為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的中途的晶體層的狀態(tài)的圖。具體地，圖13示出了測量在圖12示例的狀態(tài)下的SW2層和GaN中的Si元素的濃度分布和( 元素的濃度分布的結(jié)果的實例。SiO2層對應(yīng)于中間層30。GaN層對應(yīng)于氮化物半導(dǎo)體晶體層50 (氮化物半導(dǎo)體晶體層50a和50b)。使用二次離子質(zhì)譜(SIMQ測量 Si元素的濃度。在圖13中，在水平軸上示出了測量的深度Dz。深度Dz為從氮化物半導(dǎo)體晶體層50的表面沿離開氮化物半導(dǎo)體晶體層50的方向朝向中間層30的深度。在垂直軸上示出了 Si元素的濃度C (Si)。在圖13中，對于( 元素的濃度，顯示所獲得的二次離子強度的特性。如圖13所示，( 元素的濃度C(Ga)在GaN層中高而在SiO2層中低。此外，從圖13很明顯，在GaN層與SiO2層之間的界面附近，GaN層中的Si元素的濃度C(Si)為約IX IO21 (原子^nT3)。在與界面分離的位置處，GaN層中的Si元素的濃度 C(Si)減小到約 1 XlO18 (原子· cm-3)。如上所述，在根據(jù)該實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法中，通過將硅晶體層40的一部分或全部并入到氮化物半導(dǎo)體晶體層50中來減薄硅晶體層40的厚度。在該配置中，源于硅晶體層40的硅原子從氮化物半導(dǎo)體晶體層50的中間層30側(cè)的界面遷移到氮化物半導(dǎo)體晶體層50。因此，如上所述，在GaN層的SiO2層(中間層30)側(cè)的第一區(qū)域中的Si元素的濃度C(Si)是高的。并且，在GaN層的比第一區(qū)域更遠離5102層(中間層30)的第二區(qū)域中的Si元素的濃度C(Si)低于在第一區(qū)域中的Si元素的濃度C(Si)。
具體地，在氮化物半導(dǎo)體晶體層50的襯底20側(cè)的第一區(qū)域中的硅的濃度高于氮化物半導(dǎo)體晶體層50中的比第一區(qū)域更遠離襯底20的第二區(qū)域中的硅的濃度。換言之，如上所述，Si元素的濃度C(Si)擴散，并且其中在GaN層與SiO2層之間的界面附近濃度極高(約1\1021(原子*皿_3))的該獨特配置可通過實施例的具體配置(其中硅晶體層40的一部分或全部被并入到氮化物半導(dǎo)體晶體層50中的配置)而實現(xiàn)。在實施例中，可以在低溫形成的氮化物半導(dǎo)體晶體層50a上形成厚度大于上述氮化物半導(dǎo)體晶體層50b (IOOnm的厚度)的氮化物半導(dǎo)體晶體層。例如，在形成上述氮化物半導(dǎo)體晶體層50a之后，通過將GaN層的外延生長時間設(shè)定為60分鐘，在1120°C下形成具有約2.4μπι的厚度的GaN層。該GaN層是對應(yīng)于例如上述半導(dǎo)體層疊體150、250等等(或其一部分)的晶體層。圖14為示例出根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的晶體層的狀態(tài)的電子顯微照片。圖14示出了使用電子顯微鏡觀察的如上所述形成了具有約2. 4μ m的厚度的GaN 層(晶體層51)的狀態(tài)下的晶體層的截面圖的圖像。從圖14很明顯，晶體層51(具有約2.4μπι的厚度的GaN層)的表面是平坦的。由此，通過根據(jù)實施例的制造方法，可以獲得平坦的GaN層。下文中，將描述在該狀態(tài)下的樣品(樣品Si)和參考例的樣品(樣品S2)的特性評估結(jié)果。參考例的樣品S2為通過在低溫(520°C )下在體硅襯底上生長GaN層且隨后在高溫(1120°C )下在其上生長具有約2μπι的厚度的GaN層而獲得的樣品。換言之，參考例的樣品S2對應(yīng)于不包括根據(jù)實施例的制造方法的中間層30和硅晶體層40的樣品。圖15為示例出參考例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法的晶體層的狀態(tài)的電子顯微照片。圖15為參考例的樣品S2的在GaN/Si界面(氮化物半導(dǎo)體晶體層59與體硅襯底四之間的界面)附近的截面圖的電子顯微照片。從圖15很明顯，觀察到其中在體硅襯底 29與氮化物半導(dǎo)體晶體層59之間的界面處發(fā)生反應(yīng)的部分。使用EDX分析來評估根據(jù)實施例的樣品Sl和參考例的樣品S2中的Si元素和( 元素的分布。圖16A到16D為示出了分析結(jié)果的圖像，這些分析結(jié)果示例出氮化物半導(dǎo)體晶體層的特性。圖16A和16B對應(yīng)于樣品Si。圖16C和16D對應(yīng)于樣品S2。圖16A和16C表示 Si元素的濃度。在這些圖中，亮部分(圖的其中亮度低的部分)代表比暗部分(圖的其中亮度高的部分)高的Si元素濃度。圖16B和16D表示( 元素的濃度。在這些圖中，亮部分代表比暗部分高的( 元素濃度。如圖16C所示，在參考例的樣品S2中，觀察到遍及GaN層(氮化物半導(dǎo)體晶體層 59)的廣泛區(qū)域的亮部分(其中Si元素濃度高的部分)。如圖16D所示，在GaN層(氮化物半導(dǎo)體晶體層59)中存在圖像的亮度的變化，表明( 元素的濃度是不均勻的。很明顯， 在參考例的樣品S2中，Si元素被擴散遍及GaN層(氮化物半導(dǎo)體晶體層59)中的廣泛區(qū)域?？梢怨烙嫵?，在GaN層中的Si元素的濃度為30%。具體而言，不僅僅是Si元素被混合到GaN晶體中，而且同樣可以推定GaN晶體與Si、SiN層等等混合。
如圖16A和16B所示，在根據(jù)實施例的樣品Sl中，很清楚地限定出圖像的亮區(qū)域和圖像的暗區(qū)域。在GaN層的中心部分中的Si元素的濃度低于EDX分析的檢測極限。該濃度例如被估計為或更小。圖17A和17B示出了通過根據(jù)第一實施例的制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法形成的晶體層的分析結(jié)果。圖17A示出了樣品S1的EDX譜。圖17B指示出樣品S1中的進行EDX分析的被測量區(qū)域MA。在圖17A中，峰GaK和峰GaL分別對應(yīng)于來自( 元素的K殼(shell)和L殼的信號。如圖17B所示，在該測量中，評估了 GaN層中的相對接近SiO2層的部分。從圖17A很明顯，在樣品Sl中，在GaN層中的Si元素的濃度是低的，可估計出濃度為或更小，這是該測量的檢測極限。圖18A和18B示出了示例出參考例的晶體層的特性的分析結(jié)果。圖18A示出了樣品S2的EDX譜。圖18B指示出樣品S2中的進行EDX分析的位置。從圖18A很明顯，在樣品S2中，在GaN層(氮化物半導(dǎo)體晶體層59)中的Si元素的濃度同樣是高的。由此，在樣品S2中，在GaN層中擴散的Si元素的量極高。在如上所述GaN晶體層被直接層疊在體硅襯底四上的情況下，在界面處，GaN中的( 金屬從氮元素分解出來，因而發(fā)生fe-Si反應(yīng)。因此，Si晶體部分被腐蝕，此外，歸因于該反應(yīng)，大量的Si元素被擴散到GaN層側(cè)。這導(dǎo)致GaN晶體的質(zhì)量的嚴重劣化。另一方面，在氮化物半導(dǎo)體晶體層被層疊在體硅襯底上的情況下，提出了其中氮化鋁被插入到界面中的配置。然而，在該配置中，容易產(chǎn)生來自氮化鋁的額外的位錯等等。相比而言，如上所述，在根據(jù)實施例的制造方法中，在超薄硅晶體層40上層疊GaN 層。在該配置中，限制了 Si與GaN晶體之間的反應(yīng)。因此，也限制了 Si元素向GaN層的擴散。由此，獲得了優(yōu)良質(zhì)量的GaN晶體層。由此，通過關(guān)于圖11到18A和18B描述的實驗數(shù)據(jù)，可以確認通過根據(jù)實施例的特定配置獲得的特性。根據(jù)實施例，提供了用于制造更高質(zhì)量的氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法。在本說明書中，術(shù)語“氮化物半導(dǎo)體”包括其中化學(xué)式Μη/Ι^^ιΝφ的組成比率X、y和Z落入各自的范圍0彡X彡1,0 ^ Y^ 1,0 ^ Z ^ 1且x+y+z彡1的所有組合物的半導(dǎo)體。此外，通過上述化學(xué)式，“氮化物半導(dǎo)體”還應(yīng)被理解為包括進一步包含除 N(氮)之外的V族元素的半導(dǎo)體，以及進一步包含為了控制諸如導(dǎo)電類型等等的各種物理特性而添加的各種摻雜劑的半導(dǎo)體。上文中，參考實例描述了本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明不受這些實例的限制。換言之，本領(lǐng)域的技術(shù)人員對上述實例做出的各種修改以包括本發(fā)明的主旨的程度被包括在本發(fā)明的范圍中。例如，上述實例中包括的部件的組件和排列、材料、條件、配置、尺寸等等不受這些示例的限制；而是可以被適宜地修改。此外，包括在上述實施例中的組件可以在技術(shù)上可行的范圍內(nèi)被組合；并且以包括本發(fā)明的主旨的程度被包括在本發(fā)明的范圍中。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地得出在本發(fā)明的精神內(nèi)的各種修改和改變。雖然已經(jīng)描述了特定的實施例，但這些實施例僅僅被作為實例而給出，并不旨在限制本發(fā)明的范圍。事實上，這里描述的新穎實施例可以以各種其他形式實施；此外，可以在不背離本發(fā)明的精神的情況下，對這里描述的實施例做出形式上的各種省略、替代和改變。所附權(quán)利要求及其等價物旨在涵蓋落入本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)的這樣的形式或修改。
權(quán)利要求
1.一種制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法，包括在硅晶體層上形成具有第一厚度的所述氮化物半導(dǎo)體晶體層，所述硅晶體層被設(shè)置在基體上，在形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層之前，所述硅晶體層具有第二厚度，所述第二厚度小于所述第一厚度，所述形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層包括使所述硅晶體層的至少一部分并入到所述氮化物半導(dǎo)體晶體層中以從所述第二厚度減薄所述硅晶體層的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在所述硅晶體層中產(chǎn)生由位錯的引入造成的塑性形變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中通過將III族元素擴散到所述硅晶體層中而促進與所述位錯的弓I入相伴的所述塑性形變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第二厚度為50納米或更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層包括在第一溫度下在所述硅晶體層上形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層的第一部分，以及在第二溫度下在所述第一部分上形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層的第二部分，所述第二溫度高于所述第一溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述第一部分的厚度小于所述第二部分的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中在形成所述第一部分之前在所述硅晶體層上層疊包含 III族元素的層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述基體是硅襯底或硅石玻璃襯底，在所述硅襯底的表面上形成有氧化硅膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在與所述硅晶體層的層面平行的面中將所述硅晶體層分割為具有不小于0. 5mm且不大于IOmm的特征長度的島狀形狀，并且所述形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層包括在經(jīng)分割的硅晶體層上形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氮化物半導(dǎo)體晶體層的在所述基體側(cè)的第一區(qū)域中的硅的濃度高于所述氮化物半導(dǎo)體晶體層的在第二區(qū)域中的硅的濃度，所述第二區(qū)域比所述第一區(qū)域更遠離所述基體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述硅晶體層的晶面的取向為(111)面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層使所述硅晶體層的全部并入到所述氮化物半導(dǎo)體晶體層中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中在所述硅晶體層中產(chǎn)生由位錯的引入造成的塑性形變。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中通過將III族元素擴散到所述硅晶體層中而促進與所述位錯的弓I入相伴的所述塑性形變。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述第二厚度為50納米或更小。
16.一種制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法，包括在晶體層上形成具有第一厚度的所述氮化物半導(dǎo)體晶體層，所述晶體層被設(shè)置在基體上，在形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層之前，所述晶體層具有第二厚度，所述第二厚度小于所述第一厚度，所述形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層包括使所述晶體層的至少一部分并入到所述氮化物半導(dǎo)體晶體層中以從所述第二厚度減薄所述晶體層的厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在所述晶體層中產(chǎn)生由位錯的引入造成的塑性形變。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中通過將III族元素擴散到所述晶體層中而促進與所述位錯的弓I入相伴的所述塑性形變。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在與所述晶體層的層面平行的面中將所述晶體層分割為具有不小于0. 5mm且不大于 IOmm的特征長度的島狀形狀，并且所述形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層包括在經(jīng)分割的晶體層上形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述基體為硅襯底。
全文摘要
根據(jù)一個實施例，公開了一種制造氮化物半導(dǎo)體晶體層的方法。所述方法可包括在硅晶體層上形成具有第一厚度的所述氮化物半導(dǎo)體晶體層。所述硅晶體層被設(shè)置在基體上。在形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層之前，所述硅晶體層具有第二厚度。所述第二厚度小于所述第一厚度。所述形成所述氮化物半導(dǎo)體晶體層包括使所述硅晶體層的至少一部分并入到所述氮化物半導(dǎo)體晶體層中以從所述第二厚度減薄所述硅晶體層的厚度。
文檔編號H01L21/20GK102403201SQ20111004952
公開日2012年4月4日 申請日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者布上真也, 杉山直治, 鹽田倫也 申請人:株式會社東芝