專利名稱：硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，特別是涉及一種以硅為生長襯底 的GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)在硅襯底上生產(chǎn)GaN基半導(dǎo)體材料，都是在MOCVD設(shè)備內(nèi)，由下至上在硅 襯底上依次生長A1N和GaN外延層。 在《半導(dǎo)體技術(shù)》2006年，第31巻，第02期的期刊中記載有一篇《Si襯底GaN 基材料及器件的研究》的論文，其在中圖分類號為TN316文獻標(biāo)識碼A，文章編號
1003-353X(2006)02-0098-04。 該論文中明確記載了目前通行的一種在硅襯底上生產(chǎn)GaN基半導(dǎo)體材料的方法。
由于在Si襯底上外延GaN，其晶格失配為17% ，在生長過程中的晶格失配將引入 大量位錯；而且，Si襯底和GaN之間較大的熱膨脹系數(shù)差異，還導(dǎo)致較大的熱失配。實驗數(shù) 據(jù)表明Si的熱膨脹系數(shù)為3. 59X10-6K-l，而GaN的熱膨脹系數(shù)為5. 59X 1010-6K_1， 二 者相差很大，造成高溫生長后降溫的過程中外延層將承受很大的張應(yīng)力，由于外延層的厚 度遠小于襯底厚度，所以外延層會產(chǎn)生裂紋。另外，還存在極性問題和Si、Ga相互擴散等問 題。 研究人員為了在硅襯底上得到高質(zhì)量的GaN基的材料，在硅與GaN之間引入了 A1N 緩沖層，即先在硅襯底上生長A1N緩沖層，然后在A1N上生長GaN外延層。本發(fā)明的申請人 以前采用的制造工藝舉例簡述如下
1、M0CVD反應(yīng)室中放入圖形化Si襯底； 2、高溫氫氣環(huán)境下，對襯底進行表面處理，去除有機物和表面吸附的氧；
3、然后降溫，第一層生長A1N層，覆蓋襯底表面，作為襯底保護層和預(yù)應(yīng)力層；
4、接著升溫進行GaN外延層的生長； 5、生長相應(yīng)的發(fā)光或應(yīng)用于其他領(lǐng)域的外延功能層(如發(fā)光二極管、二極管激 光器、功率器件等)； 6、外延片生長完成，從反應(yīng)室取出，高溫對反應(yīng)室進行烘烤，去除反應(yīng)室環(huán)境內(nèi)殘
余的GaN沉淀物，為下一次外延生長奠定基礎(chǔ)。 以上整個器件外延結(jié)構(gòu)的生長，在反應(yīng)室內(nèi)一次完成。 上述硅襯底外延片的生產(chǎn)方法存在幾個比較明顯的問題 1、 Ga對Si的回熔，會在硅襯底表面形成結(jié)合金，破壞襯底表面晶格排布，引起外 延不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量無法提高； 2、在GaN外延生長反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng)結(jié)束后，雖然會對反應(yīng)反應(yīng)室進行清理和高溫 烘烤(bake)，清除大部分附著于腔體內(nèi)的GaN，但仍不可避免反應(yīng)室內(nèi)的少量殘余GaN等附 著物。在進行下一爐生產(chǎn)的時候，附著物中的GaN會在升溫過程分解，并沉積到Si襯底表 面，形成對襯底表面的回熔，導(dǎo)致外延過程的失敗。
為了得到更高質(zhì)量的產(chǎn)品，對于上述問題2，可以采用的解決方案是每一爐的反 應(yīng)完成后，對反應(yīng)室進行清洗。由于附著物為多種物質(zhì)，主要為GaN基物質(zhì)，每一爐的生產(chǎn) 完成后都需要進行徹底清理，去除GaN沉淀物，為下一爐外延生長做準(zhǔn)備。該方法以犧牲效 率的方式來提高產(chǎn)品品質(zhì)，其無法實現(xiàn)高效的流水化作業(yè)，使生產(chǎn)效率變得很低，一般每天 2 2. 5爐。而且，頻繁對反應(yīng)室配件進行更換、清洗，對反應(yīng)室內(nèi)部件(如石墨基座、電爐) 的使用壽命和穩(wěn)定性都有不利影響，且不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定性。在同一反應(yīng)室內(nèi)進行從A1N 緩沖層到GaN主體外延層的生長，不可避免反應(yīng)室的GaN殘留，從而導(dǎo)致Si襯底GaN的生 產(chǎn)穩(wěn)定性和重新差的問題，并對設(shè)備的操作和維護帶來很大的挑戰(zhàn)。 以上情況說明，如果為了提高產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)穩(wěn)定性，就必會犧牲效率和提高 生產(chǎn)成本；如果為了不影響生產(chǎn)效率，就只能容忍在此種反應(yīng)環(huán)境下對產(chǎn)品品質(zhì)的劣化和 成本的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是提供一種硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，該方 法用于解決在外延GaN基半導(dǎo)體材料的過程中，Ga對硅表面回熔導(dǎo)致的生長不穩(wěn)定和生產(chǎn) 效率低的問題，以提高產(chǎn)品的品質(zhì)和提高生產(chǎn)效率。 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法， 包括 在專門用于生長氮化鋁緩沖層的第一個MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)，在硅襯底上生成氮化 鋁緩沖層，完成后取出，形成硅襯底氮化鋁模板備用； 將上述備用的硅襯底氮化鋁模板放入專門用于生長GaN基半導(dǎo)體材料的第二個 M0CVD的反應(yīng)室內(nèi)外延GaN基半導(dǎo)體材料，完成后取出，形成硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料。
優(yōu)選地先在第一個MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)，先清除硅襯底上的有機污染物和吸附的 氧原子，然后再進行氮化鋁緩沖層的生長。 一般在高溫氫氣環(huán)境下，對襯底的表面進行處 理。這種處理有利于減少后續(xù)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的干擾性雜質(zhì)，可以提高產(chǎn)品的品質(zhì)。
優(yōu)選地，所述在硅襯底上生成氮化鋁緩沖層的過程包括 先通入有機金屬鋁源在硅襯底上鋪鋁，在硅表面均勻沉淀一層鋁金屬，同時通入 鋁源和氨氣進行反應(yīng)，在硅襯底上沉淀生成氮化鋁緩沖層。有機金屬鋁源優(yōu)選為三甲基鋁 源。有機金屬鋁源會在反應(yīng)過程中分解，在襯底表面形成鋁沉積。
優(yōu)選地，所述在硅襯底上生成氮化鋁緩沖層的過程包括
先通入氨氣； 然后再通入鋁源和氨氣反應(yīng)，在硅襯底上沉淀生成氮化鋁緩沖層。
優(yōu)選地在所述硅襯底上生長單層氮化鋁緩沖層或者在不同的生長參數(shù)下的多層
氮化鋁緩沖層。
優(yōu)選地所述氮化鋁緩沖層的生長溫度在500 1000攝氏度。 優(yōu)選地所述氮化鋁的厚度在200 2000埃。氮化鋁如果太薄無法完全覆蓋硅； 如果太厚，生長完成后的降溫過程中，氮化鋁和Si不均勻的收縮會導(dǎo)致A1N開裂，所述氮化 鋁的厚度可以進一步優(yōu)選為600 800埃。 優(yōu)選地先對硅襯底進行刻槽構(gòu)圖，然后再放入M0CVD的反應(yīng)室內(nèi)。
優(yōu)選地在硅襯底上生成氮化鋁緩沖層過程中，先進行高壓生長，后進行低壓生 長。 硅襯底GaN基半導(dǎo)體技術(shù)相比藍寶石襯底GaN基技術(shù)仍處于起步階段，其產(chǎn)品性 能與藍寶石襯底技術(shù)的產(chǎn)品相比仍有很多有待改善的地方，其生產(chǎn)工藝和用到的設(shè)備與藍 寶石襯底技術(shù)都盡量保持一致，以期從藍寶石襯底成熟的技術(shù)中獲得較快的發(fā)展。但是由 于襯底材質(zhì)的屬性差異，在生產(chǎn)制造過程中，硅襯底技術(shù)又不能完全套用藍寶石技術(shù)，如本 發(fā)明涉及到的在襯底上外延GaN基半導(dǎo)體材料的技術(shù)。直接套用藍寶石襯底的技術(shù)在同一 爐中生產(chǎn)氮化鋁和GaN基半導(dǎo)體材料，最終導(dǎo)致Ga對硅的回熔，致使產(chǎn)品品質(zhì)受到很大的 影響。為了改善產(chǎn)品的品質(zhì)，一般情況下都是關(guān)注在量子阱層的改良技術(shù)上，但是，Ga對硅 的回熔現(xiàn)象對產(chǎn)品品質(zhì)的影響同樣不容忽視。 在改善產(chǎn)品品質(zhì)的追求過程中，本申請的發(fā)明人提出硅襯底氮化鋁模板工藝，即 本發(fā)明技術(shù)，提出在一個反應(yīng)室內(nèi)專門生產(chǎn)硅襯底氮化鋁模板，然后在另一個反應(yīng)室內(nèi)在 硅襯底氮化鋁模板上專門生長GaN基半導(dǎo)體材料。這樣的工藝可以使硅襯底表面與Ga環(huán) 境區(qū)分開來，在生長GaN基半導(dǎo)體材料的時候，反應(yīng)室內(nèi)附著的沉積Ga，在下一爐的反應(yīng)過 程中，受熱分解后，只接觸硅襯底氮化鋁模板上的氮化鋁，進而防止了 Ga對硅表面的回熔。 由于MOCVD設(shè)備進行分工，每次反應(yīng)附著在反應(yīng)室內(nèi)的附著物，是反應(yīng)的生成物，受熱分解 后，與原料氣體融為一體，參與平衡反應(yīng)，不會影響下一爐的產(chǎn)品品質(zhì)，也不需要在反應(yīng)后 對反應(yīng)室進行非?？量痰那逑?。因此，本發(fā)明技術(shù)給每個反應(yīng)過程創(chuàng)造了一個類似與藍寶 石襯底技術(shù)的單純反應(yīng)環(huán)境，兼顧了對產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率要求，可以生產(chǎn)出更高品質(zhì) 的半導(dǎo)體材料和具有更好的生產(chǎn)效率。而且，相比發(fā)明人之前使用的技術(shù)，不再需要嚴(yán)格清 理反應(yīng)室內(nèi)的Ga殘留，這有利于保護諸如反應(yīng)室內(nèi)的石墨基座和電爐等部件，提高了反應(yīng) 室的穩(wěn)定性，延長了 MOCVD上部件的使用壽命，由于MOCVD設(shè)備價格昂貴，更少的故障，更長 的使用壽命，意味著生產(chǎn)成本的降低。本發(fā)明技術(shù)可用于發(fā)光二極管、二極管激光器、功率 器件等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的流程方框圖。 圖2A、圖2B、圖2C、圖2D顯示硅襯底外延片的生產(chǎn)過程。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法。 參看圖2并結(jié)合圖l，在硅襯底上制造Ga基外延片過程為如圖2A，先在硅襯底1
上構(gòu)圖刻槽成圖2B所示襯底結(jié)構(gòu)，在硅襯底1上形成槽4和沉積臺5。 如圖2C，然后在專門用于生長氮化鋁緩沖層的第一個M0CVD的反應(yīng)室內(nèi)，在硅襯
底1上生成氮化鋁緩沖層2，完成后取出，形成硅襯底氮化鋁模板A備用。 如圖2D，將上述備用的硅襯底氮化鋁模板A放入專門用于生長GaN基半導(dǎo)體材料
的第二個MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)外延GaN基半導(dǎo)體材料，完成后取出，形成硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料。 完成一片硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)需要兩個不同的MOCVD反應(yīng)室。 一臺MOCVD設(shè)備可以有一個反應(yīng)室也可以有多個MOCVD的反應(yīng)室。 鑒于現(xiàn)狀，以一臺MOCVD設(shè)備只有一個反應(yīng)室的情況為例，第一個MOCVD設(shè)備可以 選用7片機這樣的低數(shù)量制造能力的MOCVD，第二個MOCVD設(shè)備可以選用42片機這樣的高 數(shù)量制造能力的MOCVD設(shè)備。這種選擇首先鑒于低片機的設(shè)備成本較高片機的成本更低， 且利用生產(chǎn)氮化鋁的時間比生產(chǎn)GaN基外延層的時間要短這個因素可以盡量使在硅襯底 上制造氮化鋁的生產(chǎn)率和在氮化鋁上制造GaN基半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)率一致，以提高最終的 高效生產(chǎn)的結(jié)果。 基于上述條件，對于已經(jīng)構(gòu)圖刻槽的硅襯底片子，本發(fā)明生產(chǎn)硅襯底GaN基半導(dǎo) 體材料的方法的實施例一如下 —、硅襯底在位高溫氫氣處理將硅襯底放入第一個反應(yīng)室內(nèi)，在相對較高的溫度 和含氫氣的氛圍下，對硅襯底進行在位處理，以清除襯底上的有機污染物和吸附的氧原子。
二、硅襯底在位處理完成后，降低溫度，為生長氮化鋁做準(zhǔn)備，氮化鋁的生長溫度 為500 1000攝氏度。 三、為了順利實現(xiàn)Si晶格向氮化鋁晶格的轉(zhuǎn)變，可以在第一個反應(yīng)室內(nèi)通入三甲 基鋁源在線鋪鋁，在硅襯底表面均勻沉淀一層鋁金屬，表面Si的懸鍵和鋁結(jié)合在一起，將 表面硅的懸鍵轉(zhuǎn)換成鋁的懸鍵。 四、氮化鋁的生長然后通入鋁源，和氨氣反應(yīng)，沉積形成氮化鋁緩沖層薄膜，氮化
鋁的厚度在200 2000埃，優(yōu)選為600 800埃，此處以厚度400埃為例。 五、氮化鋁生長結(jié)束后，在氨氣保護下，將至室溫，取出硅襯底氮化鋁模板。 六、然后將硅襯底氮化鋁模板置于第二個反應(yīng)室內(nèi)，外延GaN基半導(dǎo)體材料，外延
片完成后從第二個反應(yīng)室內(nèi)取出，對第二個反應(yīng)室進行高溫烘干處理，準(zhǔn)備下一爐外延生長。 實施例二 相比實施例一的區(qū)別在于上述步驟三和步驟四變?yōu)橄韧ㄈ氚睔?，形成薄層SiN， 再生長A1N，厚度1200埃。
實施例三 相比實施例一的區(qū)別在于上述步驟三和步驟四變?yōu)樵诠枰r底上生成氮化鋁緩沖 層過程中，先進行高壓生長，后進行低壓生長。
實施例四 相比實施例一的區(qū)別在于上述步驟三和步驟四變?yōu)樵谒龉枰r底上生長單層氮 化鋁緩沖層或者在不同的生長參數(shù)下的多層氮化鋁緩沖層。 本發(fā)明技術(shù)與之前的技術(shù)相比具有以下幾個明顯的優(yōu)勢1、專門用于生長A1N生 長的反應(yīng)室內(nèi)，完全杜絕了反應(yīng)室內(nèi)Ga金屬的附著，從而不存在襯底處理過程中，Ga金屬 對襯底的破壞；2、外延GaN的過程為從A1N模板開始，bake襯底和生長初期，分解出來的Ga 金屬襯底在模板表面，由于模板最表面一層為A1N，能夠保護Si襯底免于被Ga回熔；3、采 用硅襯底模板兩次外延的方法，相對于硅襯底上直接一次外延，反應(yīng)室的清理寬容度更大， 清理簡單、時間短，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)良率；4、縮短了生產(chǎn)時間，提高的生產(chǎn)效率非常明顯。
權(quán)利要求
一種硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，包括在專門用于生長氮化鋁緩沖層的第一個MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)，在硅襯底上生成氮化鋁緩沖層，完成后取出，形成硅襯底氮化鋁模板備用；將上述備用的硅襯底氮化鋁模板放入專門用于生長GaN基半導(dǎo)體材料的第二個MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)外延GaN基半導(dǎo)體材料，完成后取出，形成硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于先在第 一個MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)，先清除硅襯底上的有機污染物和吸附的氧原子，然后再進行氮化 鋁緩沖層的生長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于所述在硅 襯底上生成氮化鋁緩沖層的過程包括先通入有機金屬鋁源在硅襯底上鋪鋁，在硅表面均勻沉淀一層鋁金屬，同時通入鋁源 和氨氣進行反應(yīng)，在硅襯底上沉淀生成氮化鋁緩沖層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制作方法，其特征在于所述有 機金屬鋁源為三甲基鋁。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于所述在硅 襯底上生成氮化鋁緩沖層的過程包括先通入氨氣；然后再通入鋁源和氨氣反應(yīng)，在硅襯底上沉淀生成氮化鋁緩沖層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于在所述 硅襯底上生長單層氮化鋁緩沖層或者在不同的生長參數(shù)下的多層氮化鋁緩沖層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于所述氮 化鋁緩沖層的生長溫度在500 1000攝氏度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于所述氮 化鋁的厚度在200 2000埃。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于所述氮 化鋁的厚度在600 800埃。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于先 對硅襯底進行刻槽構(gòu)圖，然后再放入MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，其特征在于在硅襯 底上生成氮化鋁緩沖層過程中，先進行高壓生長，后進行低壓生長。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料的制造方法，該方法用于解決在外延GaN基半導(dǎo)體材料的過程中，Ga對硅表面回熔的問題，以提高產(chǎn)品的品質(zhì)和提高生產(chǎn)效率。該方法包括在專門用于生長氮化鋁緩沖層的第一個MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)，在硅襯底上生成氮化鋁緩沖層，完成后取出，形成硅襯底氮化鋁模板備用；將上述備用的硅襯底氮化鋁模板放入專門用于生長GaN基半導(dǎo)體材料的第二個MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)外延GaN基半導(dǎo)體材料，完成后取出，形成硅襯底GaN基半導(dǎo)體材料。本發(fā)明方法可用于發(fā)光二極管、二極管激光器和功率器件等的生產(chǎn)制造。
文檔編號H01L21/205GK101719465SQ20091018656
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者方文卿, 江風(fēng)益, 王立, 莫春蘭, 鄭暢達 申請人:晶能光電(江西)有限公司