專(zhuān)利名稱(chēng)：外延生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種外延生長(zhǎng)方法，更具體地，涉及一種GaN外延生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
由于襯底和外延層之間晶格不匹配和熱膨脹系數(shù)的差異，利用外延生長(zhǎng)方法在其上形成外延層的襯底會(huì)彎曲且很多晶體缺陷會(huì)出現(xiàn)在外延層中。因此，利用外延方法形成單晶半導(dǎo)體材料層時(shí)需要克服上述問(wèn)題。
美國(guó)專(zhuān)利No.6579359公開(kāi)了一種利用吸收內(nèi)應(yīng)力的多孔緩沖層(porousbuffer layer)的技術(shù)。該技術(shù)中，多孔緩沖層形成在SiC襯底上，外延層形成在該多孔緩沖層上。因?yàn)樵摼彌_層是多孔的，它吸收由晶格不匹配導(dǎo)致的應(yīng)力。
然而，因?yàn)樵摱嗫拙彌_層利用陽(yáng)極電鍍工藝(anodization process)形成，所以應(yīng)采用導(dǎo)電襯底，因此僅有限種的材料可以用于該襯底。另外，該陽(yáng)極電鍍方法是非常復(fù)雜且昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種通過(guò)容易地形成多孔緩沖層而低成本地形成半導(dǎo)體外延層的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種外延生長(zhǎng)方法，包括在單晶晶片上形成具有納米尺寸的點(diǎn)的掩模層；通過(guò)蝕刻該掩模層和該晶片的表面在該單晶晶片的表面上形成具有納米尺寸的孔(pore)的多孔層；利用外延生長(zhǎng)工藝在該多孔層上形成外延材料層；以及退火該外延材料層。
本發(fā)明中，該外延材料層可以由III族氮化物半導(dǎo)體形成。
所述單晶晶片可以是Al2O3晶片，所述掩模層可以由AlN形成。
所述AlN掩模層可以利用鹵化物或氫化物氣相外延(HVPE)工藝形成。所述掩模層可以由與該單晶晶片相比具有更低蝕刻速率的材料形成。
所述外延材料層可以利用氣相沉積工藝形成，具體地，HVPE工藝、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、以及分子束外延(MBE)工藝中的一種。
另外，該外延材料層可以在850℃或者更高的溫度退火。


通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，附圖中圖1至4是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的外延生長(zhǎng)方法的剖視圖；以及圖5是通過(guò)本發(fā)明的方法得到的具有AlN點(diǎn)的Al2O3晶片的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖更全面地說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的外延生長(zhǎng)方法，附圖中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
參照?qǐng)D1，具有納米尺寸的點(diǎn)2a的掩模層2形成在準(zhǔn)備的單晶晶片1例如Al2O3(藍(lán)寶石)晶片(下面稱(chēng)為Al2O3晶片1)的表面上。掩模層2利用公知的鹵化物或氫化物氣相外延(HVPE)工藝形成。
具體地，Al2O3晶片1裝入水平HVPE反應(yīng)器(horizontal HVPE reactor)中，反應(yīng)器的初始溫度上升至約1050℃的生長(zhǎng)溫度。其后，HCl和NH3氣體與N2氣體以1∶10的比例混合，該混合物被注入到反應(yīng)器中約5分鐘，使得AlN點(diǎn)2a形成在Al2O3晶片1上。之后，反應(yīng)器冷卻至室溫，Al2O3晶片1從反應(yīng)器中取出。
該工藝中，納米尺寸的點(diǎn)2a形成在其上的Al2O3晶片1的表面粗糙度從數(shù)增加至數(shù)十。
參照?qǐng)D2，多孔緩沖層1a利用蝕刻工藝形成在Al2O3晶片1上。為了形成多孔緩沖層1a，采用對(duì)于Al2O3晶片1比掩模層2具有更高溶解度的蝕刻劑。因此，未覆蓋有點(diǎn)2a的部分Al2O3晶片1被高速蝕刻，而掩模層2被低速蝕刻。蝕刻工藝持續(xù)進(jìn)行直到掩模層2被完全除去且孔1a′形成至數(shù)十nm的直徑和深度。結(jié)果，如圖2所示，具有納米尺寸的孔1a′的多孔緩沖層1a形成在Al2O3晶片1的表面上。
參照?qǐng)D3，所需外延材料層3利用常見(jiàn)外延生長(zhǎng)工藝形成在緩沖層1a上。例如，為了利用III族氮化物半導(dǎo)體形成外延材料層3，Al2O3晶片1被裝入HVPE反應(yīng)器中，發(fā)生HCl和Ga之間的反應(yīng)，因此產(chǎn)生GaCl，且發(fā)生GaCl和NH3之間的反應(yīng)，因此在Al2O3晶片1的表面上生長(zhǎng)GaN外延材料層3至數(shù)μm的厚度。該外延生長(zhǎng)工藝期間，控制工藝條件使得水平方向測(cè)量的外延生長(zhǎng)速率高于垂直方向測(cè)量的外延生長(zhǎng)速率。
一旦外延生長(zhǎng)工藝完成，就將HVPE反應(yīng)器冷卻到室溫，從HVPE反應(yīng)器中取出GaN半導(dǎo)體外延材料層3生長(zhǎng)在其上的Al2O3晶片1。
參照?qǐng)D4，外延材料層3利用快速熱退火(RTA)工藝退火。對(duì)于該工藝，Al2O3晶片1裝入維持在NH3氣氛中的爐中然后在850℃或者更高的溫度退火。
通過(guò)上述工藝，所需的外延材料層3形成在Al2O3晶片1上。
當(dāng)GaN外延材料層通過(guò)上述工藝實(shí)際形成時(shí)，得到下面的測(cè)量數(shù)據(jù)。即，該GaN外延材料層具有約5×107/cm2的缺陷密度，其小于5×109/cm2的傳統(tǒng)缺陷密度，且具有傳統(tǒng)GaN層的張應(yīng)力(strain stress)的約1/5。
可選器件可直接形成在已經(jīng)經(jīng)歷上述工藝的晶片1上。作為替代地，為了得到獨(dú)立的(freestanding)GaN晶片，Al2O3晶片1可再次裝入HVPE反應(yīng)器中且另一GaN外延材料層可進(jìn)一步生長(zhǎng)在GaN外延材料層3上至約300μm或更大的厚度。隨后，Al2O3晶片1可利用公知的激光頂離工藝(laserlift-off process)取下，從而得到具有約5×105/cm2的缺陷密度的高質(zhì)量獨(dú)立式GaN晶片。
圖5是通過(guò)本發(fā)明的方法得到的具有AlN點(diǎn)的Al2O3晶片的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。形成AlN點(diǎn)之前測(cè)量的Al2O3晶片的表面粗糙度是3.16，而形成AlN點(diǎn)之后測(cè)量的Al2O3晶片的表面粗糙度是21.3。圖5中，右下側(cè)的塊是外來(lái)物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明，多孔緩沖層利用蝕刻工藝形成在單晶晶片上。特別地，形成掩模層從而由于晶片的表面反應(yīng)而得到多孔緩沖層。因?yàn)槎嗫拙彌_層利用蝕刻工藝形成，晶片可由很多種材料形成。
另外，本發(fā)明減小了缺陷密度、應(yīng)力、以及外延生長(zhǎng)襯底的彎曲度，因此能夠形成高質(zhì)量半導(dǎo)體晶片且提高合格率。此外，由于上述物理屬性的改善，可以制造具有較大直徑的外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體晶片。
另外，本發(fā)明適于單晶半導(dǎo)體晶片，其依賴(lài)地形成在另一襯底上，例如，III族氮化物半導(dǎo)體晶片諸如GaN晶片。
雖然參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例特別顯示和說(shuō)明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解的是，在不偏離后附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的思想和范圍的情況下，可進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種外延生長(zhǎng)方法，包括在單晶晶片上形成具有納米尺寸的點(diǎn)的掩模層；通過(guò)蝕刻該掩模層和該晶片的表面在該單晶晶片的表面上形成具有納米尺寸的孔的多孔層；利用外延生長(zhǎng)工藝在該多孔層上形成外延材料層；以及退火該外延材料層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該外延材料層由III族氮化物半導(dǎo)體形成。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該單晶晶片是Al2O3晶片。
4.如權(quán)利要求l至3的任一項(xiàng)所述的方法，其中該掩模層由AlN形成。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該AlN掩模層利用鹵化物或者氫化物氣相外延(HVPE)工藝形成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該掩模層由與該單晶晶片相比具有更低蝕刻速率的材料形成。
7.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該外延材料層利用氣相沉積工藝形成。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該氣相沉積工藝是選自包括鹵化物或氫化物氣相外延(HVPE)工藝、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、以及分子束外延(MBE)工藝的組中的一種。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該外延材料層的所述退火在850℃或者更高的溫度進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于形成高質(zhì)量外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體晶片的外延生長(zhǎng)方法。該方法包括在單晶晶片上形成具有納米尺寸的點(diǎn)的掩模層；通過(guò)蝕刻該掩模層和該晶片的表面在該單晶晶片的表面上形成具有納米尺寸的孔的多孔層；利用外延生長(zhǎng)工藝在該多孔層上形成外延材料層；以及退火該外延材料層。
文檔編號(hào)H01L21/205GK1812053SQ20051013161
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者樸性秀 申請(qǐng)人:三星康寧株式會(huì)社