TW201005828A - Method of forming a semiconductor structure - Google Patents

Description

201005828 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體元件製造製程，且特別關於形 成第III族氮化物膜，又更加特別關於在矽基底上形成第 III族氮化物膜。 【先前技術】 第ΠΙ族氮化物化合物，例如氮化鎵（GaN)與其相關 • 合金，由於其在電子與光電元件中之應用性，已於近幾 年被熱烈地研究。潛在的光電元件包括藍色發光二極體 (light emitting diode)、雷射二極體（laser diode)以及紫外 光光偵測器（ultra-violet photo-detector)。第 III 族氮化物 化合物之巨大能隙（bandgap)與高電子飽和速度（electron saturation velocity)也使其在高溫與高速能量電子之應用 中成為傑出的候選者。

由於氮在一般成長溫度之高平衡壓力，因此很難獲 Ο 得GaN塊結晶。由於缺乏可實施之塊狀成長方法，GaN 一般沈積磊晶於異質基底上，例如SiC與藍寶石 (sapphire)(Al2〇3)。 然而，現存的GaN形成製程具有缺點。從基底形成 之一 4又的GaN膜通常為Ga面向表面（Ga-faced)，意指在 GaN層之沈積完成之後會有一鎵層位於GaN層之頂部 上’雖然此鎵層通常很薄。在GaN層圖案化中，此鎵層 必須先被圖案化。然而，由於在鎵層與GaN層間之蝕刻 特性的顯著差異，通常用來將GaN層圖案化之钱刻劑， 0503-A33843TWF/daphne 3 201005828 例如KOH溶液，可能無法有效對鎵層產生作用。因此 GaN層之圖案化必須以乾蝕刻來取代有較大生產率之溼 独刻而導致生產率降低。 一個現存解決以上所討論之問題的方法為在形成緩 衝/成核層（於其上形成GaN層）前於基底，例如石夕基底 上執行氮化。然而，此方法導致形成一氮化石夕層形成於 矽基底上。由於氮化矽層之非晶態結構（amorphous structure)，不利地影響了隨後形成之GaN層的結晶結 〇 構。更進一步而言，氮化矽不導電且因此無法於基底背 面上形成下電極。 一額外的問題為GaN層常具有一相對高之氮空缺 (nitrogen vacancies)濃度。而此限制了在p型GaN膜中之 載子濃度。因此需要一種形成GaN層之新方法，其可改 善蝕刻反應、改善製程穩定度與改善載子濃度。 【發明内容】 〇 本發明提供一種形成半導體結構的方法，包括：提 供一基底；形成一緩衝/成核層於該基底上；形成一第ΠΙ 族氮化物層於該緩衝/成核層上；以及使該第ΙΠ族氮化物 層受到氮化。形成該第III族氮化物層的步驟包括金屬有 機氣相化學沈積。 本發明另提供一種形成半導體結構的方法包括：提 供一基底；形成一缓衝/成核層於該基底上；形成一第一 第m族氮化物層於該緩衝/成核層上；以及在形成該第一 第III族氮化物層的步驟後，執行一氮化步驟。 0503-A33843TWF/daphne 4 201005828 本發明還提供-種形成半導體結構㈣法，. 提供-基底；形成一緩衝/成核層於該基底上 ^第

-第m族氮化物層於該緩衝/成核層上 J J m族氣化物層的步驟後，執行一第一氮化步第 主動層於該第-第m族氮化物層上；形成—第 m 族氮化物層於該主動層上；以及在形成該第二第冚族氮 化物層的步驟後，執行一第二兔化步驟。 、 本發明之優點包括將Ga而a主二 — 參 ❹ 物層轉變成氮㈣表面，以可㈣^之弟三族氮化合 s、 使用溼蝕刻來圖案化第三 二之y 乂 $一步而言’可減少在第三族氮化物層 增加。 d P料二族減物層中之載子濃度 為了讓本Ιχ明之上述和其他目的、特徵 更明顯易懂，下文粒與&处A ^ 作詳細說明如下： 貫施例，並配合所附圖示， 【實施方式】 片種新的形成半導體結構的方法，包括提供第三族 2勿之化°物。本發明之較佳實施例的製程中間步驟 將被^論。在本㈣所有圖式與麟示之實施例中，相 同的標號用來表示相同之元件。 么一：：第1圖’提供基底20。在-實施例中，基底20 為一導“或半導體）基底，包括GaN、Si、Ge、SiGe、 :iC ZnO、ZnS、ZnSe、GaP、GaAs 或其組合物。當基 & 2〇為石夕基底時’其較佳為具有一（111)表面排列方向 〇5〇3-A33843TWF/daphne 5 201005828 (surface orientation)，然而也可使用具有其他表面排列方 向之矽基底，例如（100)與（110)。在其他實施例令，矽基 底20為非導體基底，包括藍寶石（Al2〇3)、MgAlW4、氣 化單晶材料（oxide mono-crystalline material)或其組合 物。基底20可為一塊狀基底或具有合成結構，合成結構 有由不同材料所形成之層別。 視需要而定，於基底20上形成前晶種層（pre-seeding layer)21，且其可與基底20接觸。在形成前晶種層21之 Θ 前’較佳將基底20退火以移除污染物。前晶種層21較 佳包括Al、Mg、Ga、In、Zn與其合金，且可在一化學 氣相沈積腔體内使用前驅物來形成前晶種層21，而前焉區 物包括金屬，例如Al、Mg、Ga、In、Zn與其類似物。 緩衝/成核層24形成於前晶種層21之上。在一實施 例中，緩衝/成核層24由氮化鎵所形成。在其他實施例 中，緩衝/成核層24包括其他第三族氮化物，例如InN、 A1N及/或其類似物。在又另外其他實施例中，緩衝/成核 ❹ 層24具有一超晶格結構（superlattice structure)。超晶格 緩衝/成核層24可包括數層InGaN薄層與數層GaN薄層 堆疊成一交替之圖案，其中InGaN薄層與GaN薄層較佳 為具有實質上相同之厚度。或者，超晶格缓衝/成核層24 可包括數層AlGaN薄層與數層GaN薄層堆疊成一交替之 圖案。缓衝/成核層24的形成包括金屬有機氣相化學沈積 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)、物理 氣相沈積、分子束遙晶成長（molecular beam epitaxy， MBE)、氫化物氣相遙晶成長（hydride vapor phase epitaxy, 0503-A33843TWF/daphne 6 201005828 HVPE)、液相蟲晶成長（liquid phase epitaxy, LPE)或其他 適合的沈積方法。較佳為執行金屬有機氣相化學沈積以 形成緩衝/成核層24，於其中使用有機金屬源，例如三曱 炫基鎵（trimethyl-gallium，TMGa)、三曱烧基銦 (trimethyl-indium, TMIn) 、 三曱 院基銘 (trimethyl-aluminum, TMA1)、雙（環戊二烯）鎮 (Bis(cyclopentadienyl)magnesium, Cp2Mg)與其類似物。 可在一相對低溫下（例如約550-600°C )或一相對高溫下 Φ (例如約l〇〇〇-l2〇〇〇C )形成缓衝/成核層24。可以一 p 型或一 η型摻雜物來掺雜缓衝/成核層24，或者實質上缓 衝/成核層24沒有被摻雜。因此缓衝/成核層24可為ρ型、 η型或實質上為中性。 在較佳實施例中，於形成缓衝/成核層24之後，在缓 衝/成核層24上執行一氮化步驟。可在—熱及/或電漿環 境中以製程氣體來執行氮化，製程氣體包括一含氮氣 體，例如Ν2、Ν2與Η:之結合氣體及/或νη3 (氨）。在 ® —實施例中’於其中執行一熱氮化，溫度可為約7〇〇_12〇〇 °C。有利地，氮化會將Ga面向表面之緩衝/成核層24(若 其包含鎵）轉變成N面向表面（N-faced)之緩衝層。更進 一步而言’ N面向表面之缓衝層24可影響接下來形成於 缓衝/成核層24上的第三族氮化物層，以使其也會為N 面向表面。當緩衝/成核層24為薄的，會限制氮化作用只 在缓衝/成核層24中，以使與緩衝/成核層24接觸之基底 20的上層不被氮化。或者，氮化作用導致基底2〇之上.層 也被I化。 0503-A33843TWF/daphne 7 201005828 接下來，可在緩衝/成核層24上形成第三族氮化物 層。參見第2圖，於缓衝/成核層24上形成第一第三族氮 化物層26。在一實施例中，第一第三族氮化物層26由 GaN所形成，且被摻雜成p型。可使用金屬有機氣相化 學沈積、分子東磊晶成長、氫化物氣相磊晶成長、液相 磊晶成長或其他類似方法，在一相對高溫下，例如約10 5 0 °C，來形成第一第三族氮化物層26。在其他實施例中， 第一第三族氮化物層26可由p型InN、p型A1N或其類 〇 似物所形成。 於第一第三族氮化物層26上形成下披覆層（lower cladding layer)28。在一實施例中，下披覆層28包括 AlGaN且被摻雜成p型。下披覆層28的形成方法實質上 可與形成第一第三族氮化物層26的方法相同。 於下披覆層28上形成發光層（light emitting layer)30 (有時也稱為主動層）。在一實施例中，發光層30包括 未摻雜之η型鎵銦氮化物（GaxIn(1_x)N)。在替代實施例 ® 中，發光層30包括其他一般使用之材料，例如 AlxInyGa(1-x_y)N。又在另外其他實施例中，發光層30可 為一多重量子井（multiple quantum well)包括分配於—交 替圖案中之多重井層（multiple well layer)(例如InGaN ) 與阻障層（例如GaN)。又在另外其他實施例中，發光 層30為一雙異質結構（double hetero-structure)。再者，开乂 成方法包括金屬有機氣相化學沈積、分子束磊晶成長、 鼠化物氣相α日日成長、液相蠢晶成長或其他適合^之化風 氣象沈積的方法。 0503-A33843TWF/daphne 201005828 於發光層 30上形成上披覆層（upper cladding layer)32。在一實施例中，除了上彼覆層可被摻雜成η型 之外，上披覆層32包括與下披覆層28相似之材料，例 如AlGaN。上披覆層32的形成方法實質上可與形成下披 覆層2 8的方法相同。 之後，於上披覆層32上形成一第二第三族氮化物層 34。第二第三族氮化物層34可由實質上與第一第三族氮 化物層26相同或不同之材料所形成，且使用與形成第一 〇 第三族氮化物層26相似之方法來形成。第二第三族氮化 物層34之導電型式與第一第三族氮化物層26之導電型 式相反。 在一實施例中，在形成第一第三族氮化物層26、下 彼覆層28、發光層30、上披覆層32及/或第二第三族氮 化物層34後，可執行氮化步驟。可在形成層26、28、30、 32與34之每一層後執行氮化步驟，或可在形成於不同組 合方式中之層26、28、30、32與34的唯·--'層或一些 ❹ 層別（並非全部）後執行氮化步驟。氮化步驟不只可執 行於p型第三族氮化物層上，例如層26與28，也可執行 於η型第三族氮化物層上，例如層32與34。這些氮化步 驟之製程可實質上與在缓衝/成核層24上執行之氮化相 同。在替代實施例中，於缓衝/成核層24上執行氮化，而 沒有於層26、28、30、32與34上執行額外之氮化。在 另外其他實施例中，沒有於緩衝/成核層24上執行氮化， 而於至少一或可能全部之層26、28、30、32與34上執 行至少一氮化。 0503-A33843TWF/daphne 9 201005828 在形成上彼覆層32後，形成上部接點36，且可將其 圖案化。上部接點36可由η型歐姆材料（ohmic material) 所形成。在第2圖所示之所產生之結構中，第一第三族 氮化物層26、下披覆層28、發光層30、上披覆層32與 第二第三族氮化物層34形成光學元件40(其可為發光二 極體或光二極體），當電調控（electrically activated)時其 發射或偵測光線。然而，可使用上述第三族氮化物層來 形成其他光學元件，其也在本發明之範圍中。 〇 當基底20由導體材料或半導體材料，例如矽所形成 時，基底20較佳以p型或η型摻雜物，例如硼、銦、磷、 砷或其類似物來摻雜。更進一步而言，背部接點22可形 成於基底20之背面上。在一實施例中，背部接點22可 由對於基底20之金屬歐姆接點（metal ohmic contact)所形 成。於背部接點22之背面上可形成一矽化層（未顯示）。 或者’背部接點22包括一合金’例如銘録合金。 需注意的是，在先前段落所討論之實施例中，第一 ❹ 第三族氮化物層26、下披覆層28、發光層30、上披覆層 32與第二第三族氮化物層34可由不同組合之材料所形 成，且其被換雜成所需之P型與η型，而不同組合之材 料包括，但不限於 InN、AIN、InxGa(i-x)N、AlxGaQ-j^N 與其組合物。更進一步而言，可只具有第一第三族氮化 物層26與下彼覆層28之一，而非第一第三族氮化物層 26與下披覆層28兩者。相似地，可只具有第二第三族氮 化物層34與上披覆層32之一，而非第二第三族氮化物 層34與上彼覆層32兩者。 0503-A33843TWF/daphne 10 201005828 在先前段落所討論的實施例中，討論了一 η側在上 (n-side up)LED結構，其中第一第三族氮化物層26與下 坡覆層28被稱為p型，而上坡覆層32與第二第三族氮 化物層34被稱為η型。在替代實施例中，形成一 p側在 上（p-side up)LED結構，於其中第一第三族氮化物層26 與下披覆層28為η型，而上披覆層32與第二第三族氮 化物層3 4為ρ型。 第3圖顯示本發明之一更進一步的實施例，其具有 ⑩ 一 η側在上（n-side up)正面（face up)結構。在此實施例 中，基底20為非導體。缓衝/成核層24可為一 GaN層且 可在一低溫下形成，例如約550-600°C。再者，可使用金 屬有機氣相化學沈積或先前段落所討論之其他形成方 法。使用實質上與先前段落中所討論之相同的方法於緩 衝/成核層24上形成第一第三族氮化物層26、下披覆層 28、發光層30、上披覆層32與第二第三族氮化物層34。 由於基底20為非導體，所以底部接點42與上部接點36 ❿ 形成於基底20之相同侧。在此例子中，需將堆疊層26、 28、30、32與34進行蝕刻，而為了相對高之生產率，較 佳為使用溼蝕刻。 需瞭解的是，層26、28、30、32及/或34之氮化具 有兩個功能。第一，當下層缓衝/成核層24為Ga面向表 面時，若無執行氮化，則上層也會是Ga面向表面。氮化 步驟可轉換經氮化之層別成為N面向表面。因此，形成 於N面向表面氣化層之上的第三族氮化物層也會為N面 向表面。而此導致上部第三族氮化物層，例如於第2圖 0503-A33843TWF/daphne 11 201005828 中之層34為N面向表面。因此，在第三族氮化物層的圖 案化中，將無鎵面向表面層以保護各別之截刻製程，而 可執行溼蝕刻（例如使用KOH溶液）。第二，於第三族 ll化物層執行氮化步驟有利地減少於第三族氮化物層中 的氮空缺。因此，對於ρ型第三族氮化物層而言，可改 善摻雜物之激活率（activation rate)，且可增加這些層別中 之載子濃度。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 Φ 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 0503-A33843TWF/daphne 12 .201005828 【圖式簡單說明】 第1圖與2圖為在本發明一實施例中之製造中間-製 程的剖面圖，其中實施例形成於一導體基底上。 第3圖顯示一實施例具有一非導體基底。 【主要元件符號說明】 20〜基底； 21〜前晶種層； φ 22〜背部接點； 24〜緩衝/成核層； 26〜第一第三族氮化物層； 28〜下披覆層； 3 0〜發光層； 32〜上彼覆層； 34〜第二第三族氮化物層； 36〜上部接點； _ 40〜光學元件； 42〜底部接點。 0503-A33843TWF/daphne 13

Claims (1)

1. 201005828 七、申請專利範圍： ^種形成半導體結構的方法，該方法包括： 提供一基底； 以金屬有機氣相化學士 層於該基底上；以及域㈣―第—第111族氮化物 執订-氮化於該第—们⑽氮化物層上。 ❹ Ο 的方請專概圍第1項職之形成半導體結構 >^括在形成該第—第111族氮化物層的步驟 别，形成一緩衝/成核層於該基底上，其中該第 族氮化物層於該緩衝/成核層之上。 的丄專利範圍第1項所述之形成半導體結構 物層二第111族氮化物層於該第—第111族氮化 亍名頁外的氮化於該第二第m族氮化物層上。 」-種形成半導體結構的方法，該方法包括： 提供一基底； 形成一緩衝/成核層於該基底上； 形成第IIU矣氮化物層於該緩衝/成核層上 及 化步ί形成該第—第ΙΠ族氮化物層的步驟後’執行-氮 的方I如：請專利範圍第4項所述之形成半導體結構 : 中該第-第ΙΠ族氮化物層與該緩衝/成核層： 0503-A33843TWF/daphne 14 201005828 6.如申請專利範圍第 的方法，其中以金屬4 γ負所述之形成半導體結構 族氮化物層。相化學沈積形成該第一第冚 的方法’其中該缓:: η述之形成半導體結構 沾古本月專利乾圍第4項所述之形成半導體社禮 的方法，更包括形成_二極體，其中 構 ❹ -第:Π族氮化物層，且其中在形成該 行該氮化步驟。 篮的步驟後執 9.如申請專利範圍帛8 J頁所述 的方法，其中當露出节第形成+導體結構 田路出忒弟一弟m族氮化物 化步驟，且該方法更包括·· 守執仃该虱 形成-第二第m族氮化物層於 物層上；以及 弟瓜無亂化 執行一額外的氮化於該第—第m族氮化物層上。 的方L〇. 利範圍第4項所述之形成半導體結構 勺方法’/、中心於-含氮環境中退火以執行該氮 驟。 / η.如申料㈣圍第4項料切成半導體結構 的方法，更包括形成一第二第瓜族氮化物層與該第一第 III族氮化物層垂直地部分重疊，其中該第一第族氮 化物層為？型，該第二第ΙΠ族氮化物層為η型，且 第一第III族氮化物層上執行該氮化步驟，且其中在兮第 二第III族氮化物層上沒有執行氮化步驟。 Μ 12.如申請專利範圍第4項所述之形成半導體結構 0503-A33843TWF/daphne 15 .201005828 的方法’其中該第一第m族氮化物層包括氮化鎵。 如申請專利範圍第4項所述之形成半導體結構 的方法，更包括於該第一第m族氮化物層上執行一澄姓 刻。 14·—種形成半導體結構的方法，該方法包括： 提供一基底； 开>成一緩衝/成核層於該基底上； 形成—第一第III族氮化物層於該緩衝/成核層上； ❹ 切成該第-第III族氮化物層的步驟後，執θ ’ 一氮化步驟； 弟 形成一主動層於該第一第ΙΠ族氮化物層上，· 在形成該第二 —氮化步戰。 15.如申請專 的方法，装Φ茲a 形成一第二第m族氮化物層於該主動層上；以及 二第III族氮化物層的步驟後，執行一第

   16 .201005828 與其組合物所組成之群組。 項所述之形成半導體绪構 19·如申請專利範圍第14 的方法，更包括： 在形成該第一第III族氮化物層的步驟與形成該第二 第1Π族氮化物層的步驟間，形成數層第m族氮化物層^ 在形成該數層第ΙΠ族氮化物層之每一層後， 額外的氮化步驟。 20.如申請專利範圍第14項所述之形成半導體結構 的方法，其中形成該第一第ΠΙ族氮化物層的步驟包括金 屬有機氣相化學沈積。

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