專利名稱：在晶格高度失配的襯底上外延生長半導(dǎo)體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在晶格高度失配的襯底上外延生長半導(dǎo)體的方法。
在高度失配的襯底上半導(dǎo)體的外延生長產(chǎn)生極大應(yīng)力的半導(dǎo)體。晶層。這種應(yīng)力引起許多延伸的例如位錯、晶粒間界、堆垛層錯、反型疇等缺陷的形成，并且通常是造成劣質(zhì)半導(dǎo)體晶層的主要原因。幾十年來用過渡層來減小應(yīng)力和提高生長的半導(dǎo)體晶層的質(zhì)量。一般是用固體多晶半導(dǎo)體或者無定形半導(dǎo)體組成過渡層。像這樣的過渡層能消除90％以上的應(yīng)力。
本發(fā)明的目的是提供基本上消除由生長半導(dǎo)體時半導(dǎo)體和襯底的晶格參數(shù)之間的高度失配引起的應(yīng)力的方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供有在高度失配的襯底上使用有固-液相變的過渡層外延生長半導(dǎo)體的方法，包括在溫度低于過渡層(緩沖層)的熔點時在襯底上外延生長過渡層；在溫度低于過渡層的熔點時在過渡層上外延生長具有熔點高于外延生長半導(dǎo)體的生長溫度的保護(hù)層；和在溫度高于過渡層的熔點時在保護(hù)層上外延生長厚度比保護(hù)層厚度厚的外延半導(dǎo)體晶層。
在使液體過渡層保持平坦和防止過渡層在襯底表面上形成液滴的薄保護(hù)層上發(fā)生外延半導(dǎo)體層的生長。
由于保護(hù)層是薄的并且經(jīng)由薄的液體過渡層與襯底在力學(xué)上弱耦合，所以保護(hù)層對外延半導(dǎo)體晶層起一種適應(yīng)性的襯底作用。
因而，在高度失配的襯底上具有固-液相變的過渡層的應(yīng)用能生長高質(zhì)量無應(yīng)力外延半導(dǎo)體層。
過渡層可以是金屬、金屬合金、半導(dǎo)體合金、金屬-半導(dǎo)體合金和Ⅰ-Ⅶ或Ⅱ-Ⅵ族離子晶體其中之一。
過渡層可以是Al、Cu、Mg、Pb、Au、Ag和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石和SiC其中之一而半導(dǎo)體是AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一。
保護(hù)層可以是MgO、Al2O3、AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石和SiC其中之一而過渡層是外延的AlN、GaN、InN和其合金其中之一。
過渡層可以是金屬Al、Mg和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC其中之一而半導(dǎo)體是金剛石外延薄膜。
保護(hù)層可以是MgO、AlN和Mo其中之一，襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC其中之一而半導(dǎo)體是金剛石外延薄膜。
過渡層最好具有從5到500的厚度。
保護(hù)層最好具有從5到500的厚度。
附圖的簡略描述

圖1a-d表示在根據(jù)本發(fā)明方法的例子中的階段。
最佳實施例的詳細(xì)描述圖1a-d說明在各個例子中采用有固-液相變的過渡層生長外延半導(dǎo)體層的主要階段。
在第一階段(見圖1a)時，在溫度低于過渡層2的熔點時在襯底1上外延生長具有從5到500厚度的過渡層2。
在第二階段(見圖1b)時，在溫度低于過渡層2的熔點時在過渡層2上外延生長具有從5到500厚度和高于外延半導(dǎo)體層生長溫度的熔點的保護(hù)層3。
在第三階段開始時，把溫度升到外延半導(dǎo)體層的生長溫度。溫度升高使過渡層2熔化而使保護(hù)層3解除應(yīng)力，產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長厚的外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過渡層2與襯底1弱耦合并且使其晶格參數(shù)調(diào)整到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
有固-液相變的過渡層的應(yīng)用使高質(zhì)無應(yīng)力外延半導(dǎo)體層能在高度失配的襯底上生長。
現(xiàn)在將描述上述內(nèi)容的例子例1在第一階段(見圖1a)時，由Mg組成具有100厚度的過渡層2和在600℃的溫度時在藍(lán)寶石襯底1上外延生長過渡層2。
在第二階段(見圖1b)時，由MgO組成具有50厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時在過渡層2上外延生長保護(hù)層3。
在第三階段開始時，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1100℃的生長溫度。溫度升高引起過渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例2在第一階段(見圖1a)時，由Al組成具有100厚度的過渡層2和在600℃的溫度時在藍(lán)寶石襯底1上外延生長過渡層2。
在第二階段(見圖1b)時，由Al2O3組成具有100厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時在過渡層2上外延生長保護(hù)層3。
在第三階段開始時，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1150℃的生長溫度。溫度升高引起過渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例3在第一階段(見圖1a)時，由Al組成具有100厚度的過渡層2和在600℃的溫度時在藍(lán)寶石襯底1上外延生長過渡層2。
在第二階段(見圖1b)時，由AlN組成具有100厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時在過渡層2上外延生長保護(hù)層3。
在第三階段開始時，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1150℃的生長溫度。溫度升高引起過渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例4在第一階段(見圖1a)時，由NaF組成具有200厚度的過渡層2和在800℃的溫度時在藍(lán)寶石襯底1上外延生長過渡層2。
在第二階段(見圖1b)時，由GaN組成具有200厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時在過渡層2上外延生長保護(hù)層3。
在第三階段開始時，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1100℃的生長溫度。溫度升高引起過渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例5在第一階段(見圖1a)時，由Ag0．5Pb0．5(50％銀和50％鉛)合金組成具有200厚度的過渡層2和在600℃的溫度時在藍(lán)寶石襯底1上外延生長過渡層2。
在第二階段(見圖1b)時，由AlN組成具有200厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時在過渡層2上外延生長保護(hù)層3。
在第三階段開始時，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1150℃的生長溫度。溫度升高引起過渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例6在第一階段(見圖1a)時，由Cu0．3Pb0．7(30％銅和70％鉛)合金組成具有200厚度的過渡層2和在800℃的溫度時在藍(lán)寶石襯底1上外延生長過渡層2。
在第二階段(見圖1b)時，由AlN組成具有200厚度的保護(hù)層3和在800℃的溫度時在過渡層2上外延生長保護(hù)層3。
在第三階段開始時，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1150℃的生長溫度。溫度升高引起過渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例7在第一階段(見圖1a)時，由Al組成具有100厚度的過渡層2和在600℃的溫度時在藍(lán)寶石襯底1上外延生長過渡層2。
在第二階段(見圖1b)時，由Mo組成具有100厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時在過渡層2上外延生長保護(hù)層3。
在第三階段開始時，把溫度升高到金剛石半導(dǎo)體層的800℃的生長溫度。溫度升高引起過渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長厚的金剛石外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
權(quán)利要求
1．在高度失配的襯底上采用具有固-液相變的過渡層外延生長半導(dǎo)體的方法，包括在溫度低于過渡層的熔點時在襯底上外延生長過渡層；在溫度低于過渡層的熔點時在過渡層上外延生長具有熔點高于外延生長的半導(dǎo)體的生長溫度的保護(hù)層；和在溫度高于過渡層的熔點時在保護(hù)層上外延生長厚度比保護(hù)層厚度厚的外延半導(dǎo)體層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中過渡層是金屬、金屬合金、半導(dǎo)體合金、金屬-半導(dǎo)體合金和Ⅰ-Ⅶ或Ⅱ-Ⅵ族離子晶體其中之一。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中過渡層是Al、Cu、Mg、Pb、Au、Ag和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石和SiC其中之一而半導(dǎo)體是AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中保護(hù)層是MgO、Al2O3、AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石和SiC其中之一，過渡層是外延的AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中過渡層是金屬Al、金屬Mg和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC其中之一，半導(dǎo)體是金剛石外延薄膜。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中保護(hù)層是MgO、AlN和Mo其中之一，襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC其中之一，半導(dǎo)體是金剛石外延薄膜。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中過渡層具有從5到500的厚度。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中保護(hù)層具有從5到500的厚度。
全文摘要
提供采用具有固－液相變的過渡層以調(diào)節(jié)襯底和半導(dǎo)體之間高度失配在晶格高度失配的襯底上生長無應(yīng)力半導(dǎo)體外延層的方法。
文檔編號H01L21/208GK1281247SQ00120258
公開日2001年1月24日 申請日期2000年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月14日
發(fā)明者王望南, 尤里·G·施萊特, 尤里·T·萊班尼 申請人:華上光電股份有限公司