專利名稱：在晶格高度失配的襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在晶格高度失配的襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體的方法。
在高度失配的襯底上半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)產(chǎn)生極大應(yīng)力的半導(dǎo)體。晶層。這種應(yīng)力引起許多延伸的例如位錯(cuò)、晶粒間界、堆垛層錯(cuò)、反型疇等缺陷的形成，并且通常是造成劣質(zhì)半導(dǎo)體晶層的主要原因。幾十年來(lái)用過(guò)渡層來(lái)減小應(yīng)力和提高生長(zhǎng)的半導(dǎo)體晶層的質(zhì)量。一般是用固體多晶半導(dǎo)體或者無(wú)定形半導(dǎo)體組成過(guò)渡層。像這樣的過(guò)渡層能消除90％以上的應(yīng)力。
本發(fā)明的目的是提供基本上消除由生長(zhǎng)半導(dǎo)體時(shí)半導(dǎo)體和襯底的晶格參數(shù)之間的高度失配引起的應(yīng)力的方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供有在高度失配的襯底上使用有固-液相變的過(guò)渡層外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體的方法，包括在溫度低于過(guò)渡層(緩沖層)的熔點(diǎn)時(shí)在襯底上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層；在溫度低于過(guò)渡層的熔點(diǎn)時(shí)在過(guò)渡層上外延生長(zhǎng)具有熔點(diǎn)高于外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體的生長(zhǎng)溫度的保護(hù)層；和在溫度高于過(guò)渡層的熔點(diǎn)時(shí)在保護(hù)層上外延生長(zhǎng)厚度比保護(hù)層厚度厚的外延半導(dǎo)體晶層。
在使液體過(guò)渡層保持平坦和防止過(guò)渡層在襯底表面上形成液滴的薄保護(hù)層上發(fā)生外延半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)。
由于保護(hù)層是薄的并且經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層與襯底在力學(xué)上弱耦合，所以保護(hù)層對(duì)外延半導(dǎo)體晶層起一種適應(yīng)性的襯底作用。
因而，在高度失配的襯底上具有固-液相變的過(guò)渡層的應(yīng)用能生長(zhǎng)高質(zhì)量無(wú)應(yīng)力外延半導(dǎo)體層。
過(guò)渡層可以是金屬、金屬合金、半導(dǎo)體合金、金屬-半導(dǎo)體合金和Ⅰ-Ⅶ或Ⅱ-Ⅵ族離子晶體其中之一。
過(guò)渡層可以是Al、Cu、Mg、Pb、Au、Ag和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石和SiC其中之一而半導(dǎo)體是AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一。
保護(hù)層可以是MgO、Al2O3、AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石和SiC其中之一而過(guò)渡層是外延的AlN、GaN、InN和其合金其中之一。
過(guò)渡層可以是金屬Al、Mg和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC其中之一而半導(dǎo)體是金剛石外延薄膜。
保護(hù)層可以是MgO、AlN和Mo其中之一，襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC其中之一而半導(dǎo)體是金剛石外延薄膜。
過(guò)渡層最好具有從5到500的厚度。
保護(hù)層最好具有從5到500的厚度。
附圖的簡(jiǎn)略描述

圖1a-d表示在根據(jù)本發(fā)明方法的例子中的階段。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1a-d說(shuō)明在各個(gè)例子中采用有固-液相變的過(guò)渡層生長(zhǎng)外延半導(dǎo)體層的主要階段。
在第一階段(見圖1a)時(shí)，在溫度低于過(guò)渡層2的熔點(diǎn)時(shí)在襯底1上外延生長(zhǎng)具有從5到500厚度的過(guò)渡層2。
在第二階段(見圖1b)時(shí)，在溫度低于過(guò)渡層2的熔點(diǎn)時(shí)在過(guò)渡層2上外延生長(zhǎng)具有從5到500厚度和高于外延半導(dǎo)體層生長(zhǎng)溫度的熔點(diǎn)的保護(hù)層3。
在第三階段開始時(shí)，把溫度升到外延半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度。溫度升高使過(guò)渡層2熔化而使保護(hù)層3解除應(yīng)力，產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長(zhǎng)厚的外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層2與襯底1弱耦合并且使其晶格參數(shù)調(diào)整到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
有固-液相變的過(guò)渡層的應(yīng)用使高質(zhì)無(wú)應(yīng)力外延半導(dǎo)體層能在高度失配的襯底上生長(zhǎng)。
現(xiàn)在將描述上述內(nèi)容的例子例1在第一階段(見圖1a)時(shí)，由Mg組成具有100厚度的過(guò)渡層2和在600℃的溫度時(shí)在藍(lán)寶石襯底1上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層2。
在第二階段(見圖1b)時(shí)，由MgO組成具有50厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時(shí)在過(guò)渡層2上外延生長(zhǎng)保護(hù)層3。
在第三階段開始時(shí)，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1100℃的生長(zhǎng)溫度。溫度升高引起過(guò)渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長(zhǎng)厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例2在第一階段(見圖1a)時(shí)，由Al組成具有100厚度的過(guò)渡層2和在600℃的溫度時(shí)在藍(lán)寶石襯底1上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層2。
在第二階段(見圖1b)時(shí)，由Al2O3組成具有100厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時(shí)在過(guò)渡層2上外延生長(zhǎng)保護(hù)層3。
在第三階段開始時(shí)，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1150℃的生長(zhǎng)溫度。溫度升高引起過(guò)渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長(zhǎng)厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例3在第一階段(見圖1a)時(shí)，由Al組成具有100厚度的過(guò)渡層2和在600℃的溫度時(shí)在藍(lán)寶石襯底1上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層2。
在第二階段(見圖1b)時(shí)，由AlN組成具有100厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時(shí)在過(guò)渡層2上外延生長(zhǎng)保護(hù)層3。
在第三階段開始時(shí)，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1150℃的生長(zhǎng)溫度。溫度升高引起過(guò)渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長(zhǎng)厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例4在第一階段(見圖1a)時(shí)，由NaF組成具有200厚度的過(guò)渡層2和在800℃的溫度時(shí)在藍(lán)寶石襯底1上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層2。
在第二階段(見圖1b)時(shí)，由GaN組成具有200厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時(shí)在過(guò)渡層2上外延生長(zhǎng)保護(hù)層3。
在第三階段開始時(shí)，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1100℃的生長(zhǎng)溫度。溫度升高引起過(guò)渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長(zhǎng)厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例5在第一階段(見圖1a)時(shí)，由Ag0．5Pb0．5(50％銀和50％鉛)合金組成具有200厚度的過(guò)渡層2和在600℃的溫度時(shí)在藍(lán)寶石襯底1上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層2。
在第二階段(見圖1b)時(shí)，由AlN組成具有200厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時(shí)在過(guò)渡層2上外延生長(zhǎng)保護(hù)層3。
在第三階段開始時(shí)，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1150℃的生長(zhǎng)溫度。溫度升高引起過(guò)渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長(zhǎng)厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例6在第一階段(見圖1a)時(shí)，由Cu0．3Pb0．7(30％銅和70％鉛)合金組成具有200厚度的過(guò)渡層2和在800℃的溫度時(shí)在藍(lán)寶石襯底1上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層2。
在第二階段(見圖1b)時(shí)，由AlN組成具有200厚度的保護(hù)層3和在800℃的溫度時(shí)在過(guò)渡層2上外延生長(zhǎng)保護(hù)層3。
在第三階段開始時(shí)，把溫度升高到GaN半導(dǎo)體層的1150℃的生長(zhǎng)溫度。溫度升高引起過(guò)渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長(zhǎng)厚的GaN外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
例7在第一階段(見圖1a)時(shí)，由Al組成具有100厚度的過(guò)渡層2和在600℃的溫度時(shí)在藍(lán)寶石襯底1上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層2。
在第二階段(見圖1b)時(shí)，由Mo組成具有100厚度的保護(hù)層3和在600℃的溫度時(shí)在過(guò)渡層2上外延生長(zhǎng)保護(hù)層3。
在第三階段開始時(shí)，把溫度升高到金剛石半導(dǎo)體層的800℃的生長(zhǎng)溫度。溫度升高引起過(guò)渡層2熔化和保護(hù)層3解除應(yīng)力而產(chǎn)生圖1c所示的結(jié)構(gòu)。
然后，在保護(hù)層3上生長(zhǎng)厚的金剛石外延半導(dǎo)體層4。外延半導(dǎo)體層4的厚度大于保護(hù)層3的厚度。由于保護(hù)層3經(jīng)由薄的液體過(guò)渡層2與襯底1弱耦合和使保護(hù)層3的晶格參數(shù)調(diào)節(jié)到厚的外延半導(dǎo)體層4的晶格參數(shù)，所以保護(hù)層3起外延半導(dǎo)體層4的一種可塑性的襯底作用。
權(quán)利要求
1．在高度失配的襯底上采用具有固-液相變的過(guò)渡層外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體的方法，包括在溫度低于過(guò)渡層的熔點(diǎn)時(shí)在襯底上外延生長(zhǎng)過(guò)渡層；在溫度低于過(guò)渡層的熔點(diǎn)時(shí)在過(guò)渡層上外延生長(zhǎng)具有熔點(diǎn)高于外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體的生長(zhǎng)溫度的保護(hù)層；和在溫度高于過(guò)渡層的熔點(diǎn)時(shí)在保護(hù)層上外延生長(zhǎng)厚度比保護(hù)層厚度厚的外延半導(dǎo)體層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中過(guò)渡層是金屬、金屬合金、半導(dǎo)體合金、金屬-半導(dǎo)體合金和Ⅰ-Ⅶ或Ⅱ-Ⅵ族離子晶體其中之一。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中過(guò)渡層是Al、Cu、Mg、Pb、Au、Ag和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石和SiC其中之一而半導(dǎo)體是AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中保護(hù)層是MgO、Al2O3、AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石和SiC其中之一，過(guò)渡層是外延的AlN、GaN、InN和它們的合金其中之一。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中過(guò)渡層是金屬Al、金屬M(fèi)g和它們的合金其中之一，襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC其中之一，半導(dǎo)體是金剛石外延薄膜。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中保護(hù)層是MgO、AlN和Mo其中之一，襯底是藍(lán)寶石、Si和SiC其中之一，半導(dǎo)體是金剛石外延薄膜。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中過(guò)渡層具有從5到500的厚度。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中保護(hù)層具有從5到500的厚度。
全文摘要
提供采用具有固－液相變的過(guò)渡層以調(diào)節(jié)襯底和半導(dǎo)體之間高度失配在晶格高度失配的襯底上生長(zhǎng)無(wú)應(yīng)力半導(dǎo)體外延層的方法。
文檔編號(hào)H01L21/208GK1281247SQ00120258
公開日2001年1月24日 申請(qǐng)日期2000年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月14日
發(fā)明者王望南, 尤里·G·施萊特, 尤里·T·萊班尼 申請(qǐng)人:華上光電股份有限公司