TWI241638B - Method for fabricating GaN-based nitride layer - Google Patents

Description

1241638 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ^本發明係有關以氮化鎵（〇州）為基礎之氮化物層的製 法。更誶言之，本發明係有關利用碳化矽（SlC)緩衝層 :濕潤層(wett ing layer)以製造具有高品質的以—為基 礎之氮化物層的方法。 【先前技術】 在半導體裝置的製造過程中，為了成長以氮化蘇（㈣ 為基礎之氮化物層，亦即以GaN域礎之氮化物層，主要 係使用一般以藍寶石（A丨2〇3)和碳化矽（SiC)等構成的基 板。但是’彼等之物理性質如晶袼常數及熱膨脹係數與該 以GaN為基礎的氮化物層係相互不同。故而很難成長呈有 而品質之以GaN為基礎的氮化物層。因此，已陸續有許多 以GaN為基礎之氮化物層的成長技術發表。 取典型者係包括使用緩衝層之方法。於此方法中，係 在仏代至6^之溫度範圍下使M(x)Ga(y)In(z)N(〇“ = x+y+z=1)層以一個或者多個組合 成長。待A1⑴Ga(y)In(z)N層之成長停止，再提高溫度。 接著，該於低溫度成長之，〇 f/d，，X+y+Z = 1)係變成核（㈣W)。具有高品 質之以GaN為基礎的氮化物層係使用該核作為種子㈤⑷ 而成長。此類緩衝層係包括A1N緩衝層（美國專利第 4,855,249號）、八_緩衝層（美國專利第5,29〇,393號）、 AlInN缓衝層（美國專利第6, 5〇8, 878號）等。 92737 5 1241638 :、、'而，雖然係以此方法成長該以GaN為基礎的氮化物 曰，但郃存在該以GaN為基礎的氮化物層具有大約ι〇ι〇 dens.ty),,^. 或者，並非如上述在低溫下於藍寶石基板上 層，而是採取在高溫下直接於基板上成長= 氮化物層半導體，但是，此方法仍具有报大的改㈡的 另方面，對於在監實石晶圓上成長碳化矽（Sic) 法所進行之研究係相當地少。雖然M c.—於其論文 過拉叉散射測量法（Ra細scattering嶋如咖㈣和X 光繞射（X~Ray Difiraction ; XRD)分析法欲明 τ , 鈇贫υ、且从* ^刀析法近明了在（0001 ) 凰貝成長的奴化矽係具有6H結構的事實。然而，此者 係有關分析已形成之碳化石夕層的結構， = 製造具有優良物理性質之以eaN為基叙氮化二=上 法。 .此外，美國專利第6,242,764號案揭露了使用單晶 (加gle crystaUlneM_層於高溫下⑽⑽。㈡作曰曰 緩衝層’而在藍寶石或碳化矽基板上成長高品質之他 f的方法。但是在美國專利第6, 2仏叫號案中，若於龄 賃石上成長單晶碳切層時，則會使兩個物㈣的失配; (miSmatChrate)增加。因此，此方法具有下述缺失.為τ 成長高品質的Α制層，係需要相當厚度(大約5㈣的#

化石夕層，而該加厚成長的碳切層則具有與藍寶 I 降低的問題。 、—口刀 【發明内容】 92737 6 Ί241638 囚此 μ姐鐘於上述問題則產生了本發明，本發明制的 #么、方、非早晶SlC緩衝層上成長高品質之以GaN為基 备的氮化物層之方法。 、、晶j發明之另一目的係在提供藉由在SlC缓衝層上添加 :wettlng iayer)以增加該SiC緩衝層與該以GaN ^石^氮化物層之黏合，以及藉由最錢該W缓衝層 之=層的艰成而成長高品質之以⑽為基礎的氮化物層 =達上述目的，根據本發明，係提供以⑽為基礎之 的製造方法，、其包括：於藍寶石基板上形成厚度 石山^、〜埃之非單晶碳化石夕緩衝層的第-步驟，於該 厌石緩衝層上形成用InCxUGaCyONCOswsi，〇‘ 組成之濕潤層的第二步驟，以及於™ 曰，成由叙和鼠成分構成之氮化物層的第三步驟。 為I形成該使用作為緩衝層的碳化石夕層，係將石夕和碳 “匕積设備中反應之。該㈣料或來源可為s 等。該碳原料或來源可包括CBr4，CH4等。更詳細地心 乍其中，"為整數)或者其組成物均可使用 作马成長碳化矽層的前驅物（precurs〇r)。 此時，碳化矽層的成長溫度（T)較佳係於6〇〇。〇‘丁$ 9〇〇°c之範圍内。若該溫度太低，則無法形成碳化石夕層。= 上述碳化矽緩衝層的厚度最佳為5埃至2⑽埃。若汐 厚度超過200料，則可能很難控制該成心碳化㈣ς 層本之以GaN為基礎之氛化物層的:颂狀。此外，亦會降低 92737 7 1241638 監寶石基板和碳切層之間的黏合強度。 為了成長上述以GaN為基礎的氮： 不同材料如TMIn、TMGa、_、迎3，以及馳7使用口種 雖然作為本㈣之料要件的^ 服）。 之p ㈣業[詳盡述敛 心 1一々，主思的是，其係僅供％ M A，一⑺ .ΡΡ ^^ ，、知、值l 5兒明例不用，且本發明並不 叉限於彼等做為例示之材料。 小 ，潤層可經形成為具有相同化學計量成分之單一層構 成，或具有不同化學計量成份之兩層或兩層以上的组合。 濕潤層在400〇C至900〇C之、、西疮τ a、曰土 ^ ^ + 之/里度下成長較佳。濕潤層之 、”心居度較佳為]〇 〇埃至5 〇 〇垃。#、日g ai^y 矢主5ϋϋ 3矢。右濕潤層的成長溫皮太高' W冒很難控制該成長於渴潤声 層之形狀。 』層上之以_基礎的氮化物 、以GaN為基礎之氮化物層在8〇〇。(：至i2〇〇Qc之溫度下 成長較佳。 、根據本發’’係提供以㈣為基礎之氮托物層的製造 f法、’其中該以⑽為基礎之氮化杨層係成長於基板上，鲁 該方法包括於該以GaN為基礎之氮化物層成長前，.先在基 板上形成非單晶碳化矽緩衝層之步驟。 根據本發明，係提供以為基礎之氮化物層的製造 方法，忒方法包括於基板上形成破化矽缓衝層的第一步 駟，於上述碳化矽緩衝層，上形成用$ 1，0$yl<l，xl+yl=：i)組成之濕潤層的第二步驟，以及於 上述濕潤層上形成包括鎵和氮成分的氮化物層之第三步 驟0 92737 1241638 根據本發明，係提供以GaN為基礎之氮化物層的製造 方法，其中該以GaN為基礎之氮化物層係成長於基板上， 該方法包括於該以GaN為基礎之氮化物層成長之前，先在 600C至900C之溫度下於基緣上形成^化矽緩衝層的步 驟。 ^ 根據本發明，係提供以GaN為基礎之氮化物層的製造 方法，其中该以GaN為基礎之氮化物層係成長於基板上， 該方法包^於該以GaN為基礎之氮化物層成長之前，先於 基板上形成厚度為5埃至_2〇〇埃的碳化矽緩衝層之步驟。 根據本發明，具有下述材料之非單晶SiC薄層係形成 备監賃石基板上以做為緩衝層，該材料係為不同於在低溫 下使用MOCVD方法成長之存在A1(x>Ga(y)in(z)N(〇sxs 1、；l ’ 1 ’ x + y + zq)者，或者於該緩衝層上形 成濕潤層及GaN層。因此，可形成具有_優良物理性質之⑸凡 層。故而可體現具有高效率及高可靠性之光電裝置。 【實施方式】 本發明係蒼照所附圖式並配合較佳具體實施例詳細說 明之。， ' 、=般而言，為了成長以GaN為基礎之£化物層，多使 用=藍寶石（A丨2〇3)和碳化矽（SlC)等構成的基板。其中， 口i貝石基板較廉價並具有優良機械性質，故為最常使用 者。由於該藍寶石基板具有和該以GaN為基礎之氮化物層 互不同的物理性I (晶格常數，熱膨脹係數等），故很難 成長為高品質的氮化物層。因此該以GaN為基礎的氮化物 92737 9 1241638 層係具有大約1 〇1G至1 〇12/cm2的位錯密度（di s 1 ocat i on density) ° 相對地，碳化矽（Si C)與氮化鎵（GaN)之間的晶格常數 之晶格失配度（lattice mismatch)為3. 3%，係遠低於藍寶 石（ΑΙΑ3)與氮化鎵（GaN)之間的晶格常數之晶格失配度 (lattice mismatch)13.8%。因此，在藍寶石（Al2〇3)上成 長該以GaN為基礎的氮化物層中，可使用碳化矽（Sic)作為 良好的緩衝層，故本發明的第二具體實施例即係以此技術 思想作為基礎。 但是，於本發明之第二具體實施例中，當於Sic緩衝 層上成長GaN層時，其係依據該成長條件（SiC成長溫度、 GaN層成長溫度，ΙΠ/ν族比率等）而顯現各種不同特性。 尤其，若在咼溫下成長以GaN為基礎的氮化物層，例如GaN 層時，則SiC和GaN之間的黏合強度並不佳。基於此，便 發現在初始狀態時，於整個基板上並非均勻地形成連續的 GaN層，而是存在不連續白勺⑽層。為了將該不連續的㈣ 層與SlC緩衝層結合，則必須使該㈣層成長至相當厚度。 因此，在本發明的第一具體實施例中，為了提高該⑽ 於W緩衝層上之以_為基礎的氮化物 =K1 ’ Xl+yl = 1)構成的濕潤層（wettingiayer)。而姑由 二早該形成於濕潤層上之以㈣為基礎的氮化 ： ^濕潤層之成長條件的影響，即可設法尋得適當之成 92737 10 1241638 MOCVD方法並 該GaN層都是 車例以及貫轭例中均是利用 使用藍寶石甚+ 、 反且在貫施例和比較例中， 在相同條件下成長。 比較例1 弟3圖係顯示根據比較例工形&⑽層之方法的示意 二：…、：3圖’於藍寶石基板⑴)上面形成SiC緩衝層 9。0。「。二時係使用加4和咖4做為來源’且成長溫度為 SlC緩衝層（12)的成長溫度比-般單日日日碳化石夕的 成長溫度⑴财C)低很多。而於非單晶（細七他 = stalllne)&^形成的同時，即可充分緩衝該藍寶石 基板（U)與該將於稍後敘述之濕潤層之間的失配 (mismatch) ° =’於SlC緩衝層(12)上形成用、爲』構成 的濕潤層(20)。此時係使用㈣儀以及丽3作為來源， 且成長溫度為soot。此外，在濕潤層⑵）的形成步驟中， 該V族元素對ΠΙ族元素的比率（ν/ΙΠ族比率）係設在 5000至6000的範圍内。 其後，於濕潤層（20)上形成GaN層（13)。此時，該 層之成長條件係與典型條件相同。其係大約在8〇〇至i2〇〇 C的溫度範圍内，V/III族比率係設於5〇〇至2〇, 〇⑽的範 第4圖係顯示根據帛3圖所說明的方法形成之⑽層 的表面形狀圖。由第4圖可看到，雖然沒有形成不連續二 GaN層（〗3)，但是卻因為〇^層〇3)的表面上存在很多凸 Π 92737 I 1241638 出物（hlll〇d〇而導致問題。此等凸出物（h⑴ 原因將於下文說明之。 在的 為了得到具有如鏡子般良好表面的GaN層， ;層=長的早期階段按與薄膜成長方向垂直的方向： J 、不111知兀素和v族元素必須以平行於成長表 :的方向移動，而後再均勾地於整個成長表面上結合。二 疋’如m素太多時’⑴族元素則沒有時 :多動：整個成長表面上，而是主要以垂直於基板的方向 ΐ的因曰而導致凸出物（hlllQ⑻發生。因此，若減少v族元 二t里’則111族70素可有時間均勾地移動到整個成長表 得到具有如鏡子般良好表面的嶋。而由= 上以橫向方向移動之㈣性係可依 充且:：(亦：根據111族元素)而改變，因此，該用以 塑。因:私動速度的成長條件係受到濕潤層成份的影 ^此，當存在較低V/I11族比率時，A1N可於高溫下 具有另人滿意的表面。 實施例1 幾半f根據本發明實施例1的結構係藉由和比較例i所述 驟中二?方？形成。亦即’除了在濕潤層⑽形成的步 比較例11知的比率設定為250至300的範圍内（其係比 比較例1 =/2〇ί以外:其餘所有製程步驟以及條件均和 Μ。 5 ，因此，該根據本發明實施例1的結構係如 0二「所不者相同。故為避免贅述，則省略其說明。

""圖铩』不根抓本發明實施例1之方法形成的GaN 92737 12 1241638 2之表面形狀圖。由第5圖可看出，其幾乎不 :所看到的凸出物(h⑴。斗並得到如鏡子般良好的表0 透過實施例i的結果可發現，在濕潤層⑽ ‘中，係將該v/m族的比率設定為^^⑽的 / ⑴錢率較佳係比該會導致⑽層⑴ 凸 出物（hUiock)的V/III族比率小。 x凸 比較例2 比較例2是用以確認該SlC緩衝層的影響。該 2的結構係根據與實施例！幾乎相同的方法形成。亦即乂

形成SlC賴層外，其餘所有製程步驟以及條件均 η列1相同。* 6圖係顯示比較例2的結構。第 係顯示根據比較例2之方法形成的⑽層之表面形狀I 圖可知，當省略沉緩衝層的形成日夺，該於第 5 0中顯示的平坦表面係變化為充滿很密集的凸出物 (h⑴㈣)的表面。這是因為該SlC緩衝層係 :基板和濕潤層之間的失配，並於其上形成GaN層 貫施例2 第1圖係顯示本發明實施例2的示意圖。如第1圖所 不’係於藍寶石基板⑴）上形成S1C緩衝 ==綱。c以上的高溫 成長GaN層（1 3)。 第2圖係顯示根據第i圖所說明之方法成長後的⑽ 增（⑶之表面圖。因為SlC和GaN之間的黏合強度不佳， 92737 13 1241638 (:3):::成連績#(^’，而只能形成不連續的(^層 ’在此情況下，則必需成長具有足夠厚度的GaN 層（13)以此克服此類不連續性。 【圖式簡單說明】 f 1圖係顯示本發明之實施例2的示意圖； 2圖係顯示根據第1圖所說明之方法成長後的GaN 層（13)之表面圖； 第3圖係顯示根據比較例1形成GaN層之方法的示意 圖； ^ 第4圖係顯示根據比較例1形成的GaN層之表面形狀 圖； 第5圖係顯示根據本發明實施例工所說明之方法形成 的GaN層之表面形狀圖； 第6圖係顯示根據比較例2形成_層之方法的示意 圖；以及 第7圖係顯示根據比較例2之方法形成的GaN層之表 面形狀圖。

Claims (1)

1. Ϊ241638 申μ專利範圍： 種以GaN為基礎之氮化物層的製造方法，係包括： 山於監寶石基板上形成厚度為5埃至20 0埃的非單晶 碳化矽緩衝層之第一步驟； 於該碳化石夕缓衝層上形成用In(xl)Ga(yl)N(0S X 1 1 二’ 〇Syl<l，xl+yl = l)組成的濕潤層之第二步驟； 以及 °亥濕’閏層上形成包括鎵和氮成分的氮化物層之 弟三步驟。 、申明專利範圍第i項之以GaN為基礎之氮化物層的製 i方法，其中，在該第一步驟中，係使用CBr4或CxHy(x， 為至數）中之至少一者作為碳的前驅物。 ^申請專利範圍第1項之以GaN為基礎之氮化物層的製 。方法，其中，该碳化矽緩衝層的成長溫度（了）係於6⑽ C$TS900°c之範圍内。 =申請專利範圍第丨項之以GaN為基叙氮化物層的製 &方法，其中，該濕潤層係用單層構成。 =申請專利範圍第！項之以GaN為基礎之氮化物層的製 2方法，其中，該濕潤層係以兩層或兩層以上的組合構 ^申請專利範圍第！項之以GaN為基礎之氮化物層的 广；f其中’该濕潤層的成長溫度係於4GQ°C至9 C之範圍内。 如申請專利範圍第！項之以GaN為基礎之氮化物層的 92737 15 •1241638 造方法’其中，該濕潤層 8.如申請專利範圍第丨項之::美：埃至別。埃。 造方法’苴中，在兮第為基铑之氮化物層的製 1至500〇nf — 乂驟中，該V/I11族比率係於 凸編h.】 且係低於會導致氮化物層上發生 凸出物(hUl0ck)的^⑴族比率。 么玍 9·如申請專利範圍第}項之 、止士、μ # baN為基礎之氮化物層的製 边方法，其中，該氮化物 構成。 係用兩層或兩層以上的組合 10·如申請專利範圍第1項之 芒方i 、 ⑽為基礎之氮化物層的製 刪。C之範圍内。層的成長溫度係於嶋至 η.:::專利範圍第1項之以GaN為基礎之氮化物層的製 &方法，其中，在該第三步驟中，ν/π 至 20, 〇〇〇。 手 V、马 bUU 12. 種於基板上製造以_為基礎之氮化物層的製造方 法’係包括： 於成長該以GaN為基礎之氮化物層之前，先於該基 板上形成非單晶碳化矽缓衝層的步驟。 13. 如申請專利範圍第12項之以GaN為基礎之氮化物層的 製造方法，復包括： 方、成長该以GaN為基礎之氮化物層之前，先於該非 單晶碳化矽緩衝層上面形成該用Ιη(χ1) Ga(yi)N(()S XlSl，Ogyld , xl+yl=1)組成之濕潤層的步驟。 種以GaN為基礎之氮化物層的製造方法，倍包括： 92737 16 1241638 In(xl) 潤層的 在基板上形成奴化;5夕緩衝層的第一步驟· 在第一溫度下，於該碳化矽緩衝層上形成用 〇3(71川（0<)(1$1，〇$71<1，}(1+71二1)組成之濕 第二步驟；以及 μ —在比第一溫度高的溫度下，於該濕潤層上形成包括 鎵和氮成分的氮化物層之第三步驟。 15.種於基板上製造以GaN為基礎之氮化物層的製 法’係包括： 方、成長忒以GaN為基礎之氮化物層之前，先於在 · 600 C至9GG°C的溫度下於基板上形成碳化發緩衝層 步驟。 曰 ^如申請專利範圍第15工員之以GaN為基礎之氮化物層的 製造方法，復包括： 於成長該以GaN為基礎之氮化物層之前， 化石夕緩衝層上形成^In(xl)Ga(yl)N({^x $yl<l，Xl+yl = l)組成之濕潤層的步驟。 7·種方；基板上製造以GaN為基礎之氣化物層的製造方鲁 法’係包括： 於成長該以GaN為基礎之氮化物層之前，先於該基 板上形成厚度為5埃至2〇〇埃的碳化矽緩衝層之步驟二 • t申請專利範圍第17項之以GaN為基礎之氮化物層的 衣造方法，復包括： 於成長該以GaN為基礎之氮化物層之前，先於該碳 化石夕緩衝層上形成該用In(xl)Ga(yl)N (〇^心 92737 17 1241638 ^yl<l χ 1 +y 1 = 1)組成之濕潤層的步驟。

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