[發明專利]氮化物薄膜結構及其形成方法

有效

• 申請號: 200980135167.6
• 申請日: 2009-09-07
• 公開（公告）號: CN102150286A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 尹義埈;車國憲;金鐘學;吳世源;禹熙濟
• 申請（專利權）人: 財團法人首爾大學校產學協力團
• 主分類號: H01L33/16
• 分類號: H01L33/16
• 代理公司: 北京中原華和知識產權代理有限責任公司 11019
• 代理人: 壽寧

技術領域

本發明涉及由氮化鎵(GaN)或鎵與其它金屬的混合氮化物組成的化合物半導體層，以及形成所述化合物半導體層的方法。本發明還涉及包含化合物半導體層的電子或光電子裝置及其制造方法。本發明的技術領域可廣泛地界定為在襯底上形成高質量氮化物薄膜的氮化物薄膜結構，以及形成所述氮化物薄膜結構的方法。

背景技術

元素周期表中的第三族到第五族元素的氮化物半導體在電子和光電子裝置領域占據重要地位，而且這些領域未來將更加重要。氮化物半導體的應用領域實質上涵蓋從激光二極管(laser?diode，LD)到可在高頻和高溫下操作的晶體管的較廣范圍。應用領域還包含紫外線光檢測器、表面聲波裝置和發光二極管(light?emitting?diode，LED)。

舉例來說，雖然已知氮化鎵是適合施加于藍LED和高溫晶體管的材料，但正在廣泛地研究其在其它微電子裝置中的應用。而且，如本文描述，可通過包含例如氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)和氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等氮化鎵合金來廣泛地使用氮化鎵。

氮化鎵微電子裝置制造中的一項重要技術是生長具有低缺陷密度的氮化鎵薄膜。已知產生缺陷密度的因素之一是生長氮化鎵薄膜的襯底。然而，在這些裝置中不容易制造用于生長氮化鎵的襯底或適合于生長沒有缺陷的氮化鎵薄膜的氮化鎵襯底。由于固態氮化鎵即使被加熱也不會充分熔化，因此無法通過從熔融物生長晶體的常規的切克勞(Czochralski)方法或類似方法來制作用于制造襯底的單晶體?？赏ㄟ^在超高壓力狀態下施加熱來制作熔融物，但這種方法在量產時不太行得通。

因此，在使用例如氮化鎵的氮化物半導體的裝置中，最經常用于生長氮化物薄膜的襯底是“異質”襯底，例如藍寶石、氮化硅(SiC)和硅然而，由于這些異質襯底材料與氮化物存在晶格常數失配，而且熱膨脹系數存在差異，因此在異質襯底上生長的氮化物薄膜具有許多位錯，從而致使產生裂縫和翹曲。

表1中呈現典型氮化物半導體(例如，GaN、AlN和InN)與典型異質襯底(例如，藍寶石(Al₂O₃))之間的晶格參數(a軸和c軸)和熱膨脹系數(a軸和c軸)。

[表1]

如以上表1中所示，由于氮化物半導體與藍寶石之間存在晶格參數和熱膨脹系數的差異，因此難以生長高質量氮化物薄膜。常見的問題是氮化物薄膜在藍寶石襯底上生長期間位錯密度為10⁷/cm²或更高，且因熱膨脹系數差異而存在襯底翹曲的現象。圖1的示意圖中圖解說明了在高溫下在熱膨脹系數大于GaN薄膜(見圖1(a))的藍寶石襯底上生長熱膨脹系數較低的GaN薄膜15之后，襯底10在冷卻(見圖1(b))期間產生的翹曲。

為了盡量減少這些缺陷和襯底翹曲的問題，在氮化物薄膜的生長之前在襯底上形成各種緩沖層，或者使用外延橫向過生長(epitaxial?lateral?overgrowth，ELO)方法。常規的ELO方法使用條紋型二氧化硅(SiO₂)掩模。將參見圖2描述常規ELO方法，圖2是應用常規ELO方法的薄膜結構的橫截面圖。

在常規ELO方法中，在生長爐中在襯底20上生長氮化物薄膜25之后，從生長爐中取出帶有生長出的氮化物膜25的襯底20。隨后，將襯底20裝填到沉積設備中，在氮化物薄膜25上沉積SiO₂薄膜，然后從沉積設備中取出帶有沉積的SiO₂薄膜的襯底20。在通過使用光刻技術圖案化SiO₂薄膜而形成SiO₂掩模30之后，將所得襯底20再次裝填到生長爐中，借此生長ELO氮化物薄膜35。

ELO氮化物薄膜35中在SiO₂掩模30上方的橫向生長部分的質量比垂直生長的部分高，因為例如位錯等缺陷或類似缺陷不會擴散。因此，如果使用橫向生長的ELO氮化物薄膜35作為活性層來制造裝置，那么可實現優良的性質。

然而，ELO方法的問題在于根據上述復雜的過程，需要額外的外部過程，即形成SiO₂掩模的過程，所述過程花費時間長且成本增加。而且，在以多層形式形成SiO₂掩模以便改善和增加目前的ELO的功能時，SiO₂掩模的形成過程和氮化物薄膜的生長過程與SiO₂掩模的數目成比例地增加。因此，成本和工藝復雜性較多地增加，因此導致生產率降低，時間和經濟上也蒙受損失。