生長(zhǎng)氮化物單晶體的方法和制造氮化物半導(dǎo)體器件的方法
【專利說(shuō)明】生長(zhǎng)氮化物單晶體的方法和制造氮化物半導(dǎo)體器件的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2014年4月25日向韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)N0.10-2014-0049984的優(yōu)先權(quán)，該韓國(guó)專利申請(qǐng)的公開全文以引用方式并入本申請(qǐng)中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開涉及一種生長(zhǎng)氮化物單晶體的方法，并且更具體地說(shuō)，涉及一種生長(zhǎng)氮化物單晶體的方法和一種制造氮化物半導(dǎo)體器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]諸如藍(lán)寶石基底、SiC基底等的異質(zhì)基底通常用作用于生長(zhǎng)氮化物單晶體的基底。然而，這種異質(zhì)基底昂貴或具有高硬度，使得處理困難。尤其是，藍(lán)寶石基底具有低導(dǎo)電率。
[0005]為了克服這種限制，提出了利用硅基底來(lái)生長(zhǎng)氮化物單晶體的方案。然而，當(dāng)在硅基底上生長(zhǎng)氮化物單晶體薄膜時(shí)，由于硅基底與薄膜之間的晶格失配而使位錯(cuò)密度增大，并且由于熱膨脹系數(shù)之間的差異可能發(fā)生塑性變形開裂。結(jié)果，生長(zhǎng)在硅基底上的薄膜會(huì)具有不均勻的厚度。另外，硅元素可擴(kuò)散以與III族金屬(例如，鎵)氮化物形成共晶金屬，從而導(dǎo)致回熔現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本文描述的本發(fā)明構(gòu)思提供了能夠在保持晶體質(zhì)量的同時(shí)減小變形或開裂發(fā)生的比率的生長(zhǎng)氮化物單晶體的方法和利用該方法來(lái)制造氮化物半導(dǎo)體器件的方法。
[0007]根據(jù)本文提供的本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施方式，一種生長(zhǎng)III族氮化物半導(dǎo)體的方法，包括以下步驟:將含硅的基底保持在950°C至1040°C的溫度；以及通過(guò)將金屬源氣體與氫的體積分?jǐn)?shù)在20%至40%范圍內(nèi)的氮源氣體同時(shí)提供至具有所述基底的反應(yīng)室的內(nèi)部，同時(shí)將所述基底保持在所述溫度，從而來(lái)生長(zhǎng)III族氮化物半導(dǎo)體。
[0008]所述方法還包括以下步驟:在所述含硅的基底的表面上形成緩沖層；并且，可以執(zhí)行所述將金屬源氣體和氮源氣體同時(shí)提供并同時(shí)將所述基底保持在所述溫度的步驟，以在所述緩沖層上形成III族氮化物晶體。
[0009]形成所述緩沖層的步驟可以包括以下步驟:在所述基底上形成AlN成核層；以及在所述AlN成核層上形成晶格緩沖層。
[0010]在所述緩沖層上形成III族氮化物晶體的步驟可以包括以下步驟:在所述晶格緩沖層上形成晶格常數(shù)大于所述晶格緩沖層的晶格常數(shù)的第一氮化物半導(dǎo)體層；在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上形成中間層，該中間層包括晶格常數(shù)小于所述第一氮化物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)的氮化物晶體；以及在所述中間層上形成第二氮化物半導(dǎo)體層，該第二氮化物半導(dǎo)體層與所述第一氮化物半導(dǎo)體層具有相同的組成。在形成所述第一氮化物半導(dǎo)體層的步驟、形成所述中間層的步驟和形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，可以將所述基底保持在9500C至10400C的溫度，并且可以在氫的體積分?jǐn)?shù)在20 %至40 %的范圍內(nèi)的情況下提供所述氮源氣體。
[0011]所述方法還可以包括以下步驟:作為形成所述III族氮化物晶體的一部分，在所述緩沖層上形成應(yīng)力補(bǔ)償層；以及在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成發(fā)光結(jié)構(gòu)。在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成發(fā)光結(jié)構(gòu)的步驟可以包括以下步驟:在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層；在所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層上形成有源層；以及在所述有源層上形成第二導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層。在形成所述應(yīng)力補(bǔ)償層的步驟和在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，可以將所述基底保持在950°c至1040°C的溫度，并且可以在氫的體積分?jǐn)?shù)在20%至40%的范圍內(nèi)的情況下提供所述氮源氣體。
[0012]所述方法還可以包括以下步驟:通過(guò)將所述第二導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層結(jié)合至永久基底來(lái)將所述發(fā)光結(jié)構(gòu)安裝在所述永久基底上；以及去除所述含硅的基底、所述緩沖層和所述應(yīng)力補(bǔ)償層，以暴露出所述發(fā)光結(jié)構(gòu)的所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層。
[0013]所述方法還可以包括以下步驟:作為形成所述III族氮化物晶體的一部分，在所述緩沖層上形成應(yīng)力補(bǔ)償層；以及在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成發(fā)光結(jié)構(gòu)。在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成發(fā)光結(jié)構(gòu)的步驟可以包括以下步驟:在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層；在所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層上形成具有多個(gè)坑凹進(jìn)的坑形成層；在所述坑形成層上形成超晶格層，以將所述坑凹進(jìn)保持在所述超晶格層中；在所述超晶格層上形成有源層，以將所述坑凹進(jìn)保持在所述有源層中；以及在所述有源層上形成第二導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層，以填充所述有源層中的所述坑凹進(jìn)。在形成所述應(yīng)力補(bǔ)償層的步驟和在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，可以將所述基底保持在9500C至10400C的溫度，并且可以在氫的體積分?jǐn)?shù)在20 %至40 %的范圍內(nèi)的情況下提供所述氮源氣體。
[0014]在所述有源層上形成所述第二導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層的同時(shí)，可以將所述基底保持在1000°C或更高的溫度。
[0015]所述氮源氣體可以包括氫(H2)以及包括氨(NH3)和氮(N2)中的至少一種，并且所述金屬源氣體可以包括有機(jī)金屬源氣體和載體氣體。
[0016]所述有機(jī)金屬源氣體可以包括三甲基鋁(TMAl)、三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)和三甲基銦(TMIn)中的至少一種，并且所述載體氣體可以包括氬、氮、氫、氦、氖、氙和它們的組合中的至少一種。
[0017]所述氮源氣體的氫的體積分?jǐn)?shù)可以在20%至35%的范圍內(nèi)，并且可以將所述基底保持在970°C至1035°C的溫度。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種生長(zhǎng)III族氮化物半導(dǎo)體的方法，包括以下步驟:將含硅的基底保持在950°C至1040°C的溫度；以及通過(guò)將金屬源氣體和包括以20000SCCm至70000sccm的流率提供的氫的氮源氣體同時(shí)提供至具有所述基底的反應(yīng)室的內(nèi)部，同時(shí)將所述基底保持在所述溫度，從而生長(zhǎng)III族氮化物半導(dǎo)體。
[0019]可以以20000SCCm至70000SCCm的流率提供氫以將氫在所述氮源氣體中的體積分?jǐn)?shù)保持在20 %至40 %的范圍內(nèi)。
[0020]所述方法還可以包括以下步驟:在所述含硅的基底的表面上形成緩沖層；在所述緩沖層上形成應(yīng)力補(bǔ)償層；以及在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層?？梢栽趯⑺龌妆３衷?50°C至1040°C的溫度的同時(shí)以及在提供其中以20000sCCm至70000sCCm的流率提供氫的所述氮源氣體的同時(shí)，形成所述應(yīng)力補(bǔ)償層和所述第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層。
[0021]所述方法還可以包括以下步驟:在所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層上形成有源層；以及在所述有源層上形成第二導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層。所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層、所述有源層和所述第二導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層可以在所述應(yīng)力補(bǔ)償層上形成發(fā)光結(jié)構(gòu)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種在基底上形成氮化物晶體的方法。該方法包括以下步驟:在含硅的基底的表面上形成包括成核層和晶格緩沖層的緩沖層；以及在所述晶格緩沖層上形成氮化物晶體，形成所述氮化物晶體的步驟包括在所述晶格緩沖層上按次序形成第一氮化物半導(dǎo)體層、中間層和第二氮化物半導(dǎo)體層。形成所述氮化物晶體的步驟可以包括針對(duì)形成所述氮化物晶體的步驟的至少一部分提供包括以20000sccm至70000sccm的流率提供的氫的氮源氣體。
[0023]所述第一氮化物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)可以大于其上形成有所述第一氮化物半導(dǎo)體層的所述晶格緩沖層的晶格常數(shù)，并且所述中間層的晶格常數(shù)可以小于所述第一氮化物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)。
[0024]形成所述氮化物晶體的步驟可以包括在提供包括流率為20000sccm至70000sccm的氫的所述氮源氣體的同時(shí)，將所述基底保持在950°C至1040°C的溫度。
[0025]所述方法還可以包括以下步驟:通過(guò)執(zhí)行以下步驟在所述第二氮化物半導(dǎo)體層上形成發(fā)光結(jié)構(gòu):在所述第二氮化物半導(dǎo)體層上形成第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層；在所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層上形成有源層；以及在所述有源層上形成第二導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層。在形成所述氮化物晶體的步驟和形成所述第一導(dǎo)電類型氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，可以提供包括以20000sccm至70000sccm的流率提供的氫的所述氮源氣體。
[0026]根據(jù)本公開的另一方面，一種在基底上形成氮化物晶體的方法，包括以下步驟:將含硅的基底保持在950°C至1040°C的溫度；以及在將所述基底保持在所述溫度的同時(shí)，在所述基底上形成具有平均尺寸為400 μπι或更小的回熔缺陷的氮化物晶體。
[0027]可以將所述氮化物晶體形成為具有不超過(guò)I %的回熔缺陷，該回熔缺陷的直徑為400 μ m或更大。
[0028]可以通過(guò)將金屬源氣體和氮源氣體同時(shí)提供至具有所述基底的反應(yīng)室的內(nèi)部，從而在所述基底上形成所述氮化物晶體，其中所述氮源氣體的氫的體積分?jǐn)?shù)在20%至40%的范圍內(nèi)。
[0029]所述氮源氣體可以包括氫(H2)以及包括氨(NH3)和氮(N2)中的至少一種，并且所述金屬源氣體可以包括III族金屬源氣體和載體氣體。
[0030]可以通過(guò)將金屬源氣體和氮源氣體同時(shí)提供至具有所述基底的反應(yīng)室的內(nèi)部，從而在所述基底上形成所述氮化物晶體，其中所述氮源氣體的流率為20000sCCm至70000sccmo
[0031]所述氮源氣體可以包括氫(H2)以及包括氨(NH3)和氮(N2)中的至少一種，并且所述金屬源氣體可以包括載體氣體以及三甲基鋁(TMAl)、三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)和三甲基銦(TMIn)中的至少一種。
【附圖說(shuō)明】
[0032]從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，將更加清楚地理解本公開的以上和其它方面、特征和其它優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0033]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的生長(zhǎng)氮化物單晶體的方法的流程圖；
[0034]圖2是示意性地示出可用于本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例中的薄膜沉積設(shè)備的示例的示圖；
[0035]圖3是示出圖1所示的生長(zhǎng)氮化物單晶體的方法的特定示例的流程圖；
[0036]圖4至圖7是分別示出可在本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例中采用的緩沖層和應(yīng)力補(bǔ)償層的結(jié)構(gòu)的各種示例的剖視圖；
[0037]圖8A和圖SB是通過(guò)對(duì)根據(jù)改進(jìn)示例I和比較例I獲得的氮化物單晶體的表面進(jìn)行成像而獲得的原子力顯微鏡(AFM)照片；
[0038]圖9是示出回熔缺陷的尺寸隨著氫在氮源氣體中的體積分?jǐn)?shù)而變化的曲線圖；
[0039]圖10是示出根據(jù)改進(jìn)示例I和比較例I獲得的氮化物單晶體中直徑大于或等于400 μπι的回熔缺陷的百分率的曲線圖；
[0040]圖11是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法的流程圖；
[0041]圖12是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施例的制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法的流程圖；
[0042]圖13是示出根據(jù)圖12的制造方法獲得的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖視圖；
[0043]圖14Α和圖14Β是示出根據(jù)改進(jìn)示例2和比較例2獲得的多個(gè)處理周期的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件當(dāng)中η型GaN層與有源層之間的界面中的曲率分布的圖形；
[0044]圖15是示出根據(jù)改進(jìn)示例2和比較例2獲得的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的η型GaN層與有源層之間的界面中的曲率分布隨生長(zhǎng)時(shí)間變化的曲線圖；以及
[0045]圖16至圖22是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法的主要處理的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下文中，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例。
[0047]然而，可按照許多不同形式來(lái)例示本公開，并且不應(yīng)將本公開理解為限于本文闡述的特定實(shí)施例。更確切地，提供這些實(shí)施例以使得本公開將是徹底和完整的，并且將把本公開的范圍完全傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0048]在附圖中，為了清楚起見可夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的附圖標(biāo)記將始終用于指代相同或相似的元件。
[0049]同時(shí)，本公開中使用的表達(dá)“一個(gè)示例”不是指相同的示例，而是用于強(qiáng)調(diào)各個(gè)示例之間的不同特點(diǎn)。然而，不排除以下描述中提供的示例與另一示例的特征關(guān)聯(lián)或組合并且在隨后結(jié)合實(shí)現(xiàn)。例如，除非在其它示例中另有說(shuō)明，否則即使特定示例中描述的內(nèi)容未在不同示例中描述，所述內(nèi)容也可作為其它示例的描述的一部分而被組合。
[0050]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的制造氮化物晶體的工藝的流程圖。
[0051]參照?qǐng)D1，根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施例的制造工藝可始于在硅基