專利名稱：GaN單結(jié)晶體及其制造方法和半導體器件及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及裂紋發(fā)生少的GaN單結(jié)晶體以及制造方法，并涉及包含GaN單結(jié)晶體 的裂紋發(fā)生少的半導體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
作為短波光電器件、功率電子器件和其它半導體器件的材料，具有3. 4eV能隙和 高熱導率的單結(jié)晶體氮化鎵(GaN)受到關(guān)注。這種GaN單結(jié)晶體所帶來的問題在于，因為它們盡管硬度大但是韌性差，所以當 生長GaN單晶時，和/或當生長的GaN單晶被加工成基板形式時，和/或當至少單層半導體 層形成在基板形式的GaN單結(jié)晶體上時，在GaN單結(jié)晶體中和/或在半導體器件中將會出 現(xiàn)裂紋，從而導致板狀GaN單結(jié)晶體(GaN單晶基板)和/或半導體器件的產(chǎn)量降低。同時，已經(jīng)通過各種技術(shù)對通過若干不同的生長方法得到的晶體測量或計算這 類GaN單結(jié)晶體中的彈性常數(shù)。可以引用的實例包括1997年《應用物理快報(Applied Physics Letters)》第9期第70卷的第1122-1124頁由R. B. Schwarz等人所著的 "Elastic Moduli of GalliumNitride”(非專利參考文獻1) ； 1999年《應用物理學雜志 (Journal ofApplied Physics)》第 4 期第 86 卷的第 1860-1866 頁由 Τ. Deguchi 等人所 著的"Structural and Vibrational Properties of GaN”(非專利參考文獻 2) ；1996 年 《應用物理學雜志》第6期第79卷的第3343-3344頁由A. Polian等人所著的“Elastic Constants of Gallium Nitride”(非專利參考文獻3) ； 1997年《應用物理學雜志》第6期第 82 卷的第 2833-2839 頁由 A.F.Wright 所著的“Elastic Properties of Zinc-Blende and WurtziteAlN,GaN, and InN"(非專利參考文獻4) ； 1998年《應用物理學雜志》第9期第84 卷的第 4951-4958 頁由 K. Shimada 等人所著的 “First-Principles Study on Electronic and Elastic Properties of BN, AlN, and GaN” (非專利參考文獻 5)。相關(guān)技術(shù)的描述非專利參考文獻1 1997年《應用物理快報》第9期第70卷的第1122-1124頁由 R. B. Schwarz 等人所著的 “Elastic Moduli of GalliumNitride，，。非專利參考文獻2 1999年《應用物理學雜志》第4期第86卷的第1860-1866頁 S Τ. Deguchi ^AliflrW "Structural and VibrationalProperties of GaN，，。非專利參考文獻3 :1996年《應用物理學雜志》第6期第79卷的第3343-3344頁 由 A. Polian 等人所著的 “Elastic Constants of GalliumNitride”。非專利參考文獻4 1997年《應用物理學雜志》第6期第82卷的第2833-2839頁 S Α. F. Wright ^^^"Elastic Properties of Zinc-Blendeand Wurtzite AlN, GaN, and InN”。非專利參考文獻5 :1998年《應用物理學雜志》第9期第84卷的第4951-4958頁由 K. Shimada等人所著的"First-Principles Study onElectronic and Elastic Properties of BN, AlN,and GaN”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決以上討論的問題，即提供GaN單結(jié)晶體及其制造方法和半 導體器件及其制造方法，其中，當生長GaN單結(jié)晶體時以及當生長的GaN單結(jié)晶體被加工成 基板等形式時，以及當至少單層的半導體層形成在基板形式的GaN單結(jié)晶體上以制造半導 體器件時，將裂紋控制到最少。本發(fā)明在一個方面是具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單結(jié)晶體，并且在30°C下，其彈 性常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且其彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，或者其彈性常數(shù)C11為 352GPa至362GPa。采用本發(fā)明涉及的GaN單結(jié)晶體，可以使其電阻率不大于1 X IO3 Ω ·αιι。在另一個方面，本發(fā)明是制造GaN單結(jié)晶體的方法，其包括將用于提供Ga源材料 的源舟、基板和石英組件放置在晶體生長室內(nèi)的步驟；通過氣相沉積在基板上生長GaN單 結(jié)晶體的步驟；其中在生長GaN單結(jié)晶體的步驟中，將源舟的溫度保持在980°C至1040°C， 而將基板和石英組件的溫度保持在大于1130°C而不大于1150°C。在另一個方面，本發(fā)明是一種包括上述GaN單結(jié)晶體的半導體器件，以及在所述 GaN單結(jié)晶體上形成的至少單層III族氮化物半導體層。在又一個方面，本發(fā)明是一種制造半導體器件的方法，其包括制備上述GaN單結(jié) 晶體的步驟；以及在所述GaN單結(jié)晶體上形成至少單層III族氮化物半導體層的步驟。本發(fā)明可以提供GaN單結(jié)晶體及其制造方法和半導體器件及其制造方法，由此， 當生長GaN單結(jié)晶體時以及當生長的GaN單結(jié)晶體被加工成基板等形式時，以及當至少 單層的半導體層形成在基板形式的GaN單結(jié)晶體上以制造半導體器件時，將裂紋控制為最 少。


圖1是表示GaN單結(jié)晶體中的X1軸、X2軸和X3軸的實例的簡圖。圖2是表示制造GaN單結(jié)晶體的方法和用于該方法的制造設備的實例的簡圖。圖3是表示半導體器件的實例的簡化剖視圖。圖4是示出制造GaN單結(jié)晶體和半導體器件的方法的實例的流程圖。圖5是表示制造GaN單結(jié)晶體的方法和用于該方法的制造設備的不同實例的簡 圖。圖6是表示制造GaN單結(jié)晶體的方法和用于該方法的制造設備的另外不同實例的 簡圖。
具體實施例方式實施模式1作為實施本發(fā)明的一種模式的GaN單結(jié)晶體10具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，并且在30°C 下，其彈性常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且其彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，或者其彈性 常數(shù) C11 為 352GPa 至 362GPa。參照圖1 肉眼看到的是，具有晶體圖形的六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單結(jié)晶體表 現(xiàn)出平面各向同性彈性對稱性，并且可以如下式1描述彈性常數(shù)矩陣[Cij],其中在三個互相正交的軸(X1軸、X2軸和X3軸)之中，將厚度取向(C軸方向)取為X3軸,
式 1

本文中，例如，彈性常數(shù)矩陣[Cij]內(nèi)的每個彈性常數(shù)所表示的應力和張力之間的 對應關(guān)系如下。彈性常數(shù)Cn([Cu]中的第一行、第一列)表示當X1軸向上的應力施加到與 X1軸垂直的面上時X1軸方向上的彈性剛度。并且，彈性常數(shù)C22表示當X2軸向上的應力施 加到與X2軸垂直的面上時X2軸方向上的彈性剛度，在具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單結(jié)晶體 中，其等價于彈性常數(shù)C11 ([Cu]中的第二行、第二列)。同樣，彈性常數(shù)C33 ([Cu]中的第三 行、第三列)表示當X3軸向上的應力施加到與X3軸垂直的面上時X3軸向上的彈性剛度；彈 性常數(shù)C12([CU]中的第一行、第二列)表示當X1軸向上的應力施加到與X1軸垂直的面上時 X2軸向上的彈性剛度；并且彈性常數(shù)(13([、_]中的第一行、第三列)表示當X1軸向上的應 力施加到與X1軸垂直的面上時X3軸向上的彈性剛度。并且，彈性常數(shù)C23表示當X2軸向上 的應力施加到與X2軸垂直的面上時X3軸向上的彈性剛度，在具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單 結(jié)晶體中時，其等價于彈性常數(shù)C13([CU]中的第二行、第三列)。同樣，彈性常數(shù)(^([Cij] 中的第四行、第四列)表示當X2軸向上的應力施加到與&軸垂直的面上時或者當X3軸向上 的應力施加到與X2軸垂直的面上時X2X3平面內(nèi)的彈性剛度。并且，彈性常數(shù)C55表示當X1 軸向上的應力施加到與X3軸垂直的面上時或者當X3軸向上的應力施加到與X1軸垂直的面 上時X1X3平面內(nèi)的彈性剛度，在具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單結(jié)晶體中時，其等價于彈性常 數(shù)C44([CU]中的第五行、第五列)。同樣，彈性常數(shù)C66([Cu]中的第六行、第六列)表示當 X1軸向上的應力施加到與X2軸垂直的面上時或者當X2軸向上的應力施加到與X1軸垂直的 面上時X1X2平面內(nèi)的彈性剛度。另夕卜，彈性常數(shù)C66為C66= (C11-C12)/2。因此，在用于GaN 單結(jié)晶體的彈性常數(shù)矩陣[Cij]中，存在五個獨立的彈性常數(shù)(Cn、C33、C44、C66、C12*C13)。沒有特別地限制表征(characterize)和計算用于GaN單結(jié)晶體的彈性常數(shù)矩陣 [Cij]的方法，可以給出的實例包括共振超聲光譜法(RUS)、布里淵光譜法和表面-超聲波 測量。本實施模式的GaN單結(jié)晶體具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，并且具有合適的彈性，其中，在 30°C下，彈性常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，或者彈性常 數(shù)C11為352GPa至362GPa，因此，當生長GaN單結(jié)晶體時以及當生長的GaN單結(jié)晶體被加 工成基板等形式時，以及當至少單層的半導體層形成在基板形式的GaN單結(jié)晶體上以制造 半導體器件時，將裂紋的出現(xiàn)控制到最少。在這種情況下，彈性常數(shù)C11和C13彼此獨立。
本文中，其中在30°C下彈性常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且彈性常數(shù)C13為90GPa
至98GPa的GaN單結(jié)晶體具有當X1方向上的應力施加到與X1軸垂直的面上時合適的X1軸向上的彈性剛度以及X3軸向上的彈性剛度。另一方面，其具有當X2方向上的應力施加到 與X2軸垂直的面上時合適的X2軸向上的彈性剛度以及X3軸向上的彈性剛度。因此，當生 長GaN單結(jié)晶體時以及當生長的GaN單結(jié)晶體被加工成基板等形式時，以及當至少單層的 半導體層形成在基板形式的GaN單結(jié)晶體上以制造半導體器件時，將裂紋控制到最少。從 進一步抑制出現(xiàn)裂紋的觀點來看，優(yōu)選地，在30°C下彈性常數(shù)C11為352GPa至362GPa并且 彈性常數(shù)C13為92GPa至95GPa。另外，在30°C下彈性常數(shù)C11為352GPa至362GPa的GaN單結(jié)晶體具有當X1方向 上的應力施加到與X1軸垂直的面上時非常合適的X1軸向上的彈性剛度。另一方面，其具有 當X2方向上的應力施加到與X2軸垂直的面上時非常合適的X2軸向上的彈性剛度。因此， 當生長這樣的GaN單結(jié)晶體時以及當生長的GaN單結(jié)晶體被加工成基板等形式時，以及當 至少單層的半導體層形成在基板形式的GaN單結(jié)晶體上以制造半導體器件時，將裂紋控制 到最少。應該注意的是，關(guān)于常規(guī)的GaN單結(jié)晶體，在諸如前述的非專利參考文件1至5的 文獻中，已經(jīng)報導了諸如i)為377GPa的C11和為114GPa的C13 ；ii)為373GPa的C11和為 80. 4GPa 的 C13 ；iii)為 390GPa 的 C11 和為 106GPa 的 C13 ；iv)為 374GPa 的 C11 和為 70GPa 的 C13 ；ν)為 367GPa 的 C11 和為 103GPa 的 C11 ；vi)為 369GPa 的 C11 和為 66. 7GPa 的 C13 ；vii) 為396GPa的C11和為IOOGPa的C13 ；以及viii)為350GPa的C11和為104GPa的C13的彈性 常數(shù)，但是在這些情況中的任一種情況下，彈性常數(shù)C11在348GPa至365GPa的范圍之外，并 且彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，彈性常數(shù)C11也在352GPa至362GPa的范圍之外。因此， 當生長GaN單結(jié)晶體時以及當生長的GaN單結(jié)晶體被加工成基板等形式時，以及當至少單 層的半導體層形成在基板形式的GaN單結(jié)晶體上以制造半導體器件時，在常規(guī)的GaN單結(jié) 晶體和半導體器件中通常會出現(xiàn)裂紋。本實施模式的GaN單結(jié)晶體在其電阻率方面沒有特別地限制，但是從得到高 導電的基板的觀點來看，電阻率優(yōu)選地不大于1Χ103Ω · cm，并且更優(yōu)選地，不大于 IXlO-1Q .cm.就這一點而言，從材料性質(zhì)和當前的晶體制造技術(shù)的觀點來看，GaN單結(jié)晶 體的電阻率下限為約1 X 10_3 Ω · cm的水平。實施模式2作為實施本發(fā)明的一個模式的GaN單結(jié)晶體制造方法(參照圖2至圖4)包括步 驟Sl 1，將用于提供Ga源材料的源舟(source boat) 105、基板11和石英組件108放置在晶 體生長室110內(nèi)；以及步驟S12，通過氣相沉積在基板11上生長GaN單結(jié)晶體10 ；其中在生 長GaN單結(jié)晶體10的步驟中，將源舟105的溫度保持在980°C至1040°C，而將基板11和石 英組件109的溫度保持在大于1130°C而不大于1150°C。在制造GaN單結(jié)晶體的本實施模式的方法中，在生長GaN單結(jié)晶體的步驟S12中， 使晶體生長室Iio內(nèi)設置的源舟105的溫度為980°C至1040°C并且使基板11和石英組件 109的溫度大于1130°C而不大于1150°C，這樣可以在基板11上生長實施模式1的GaN單結(jié) 晶體10 ( S卩，具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單結(jié)晶體，并且在30°C下其彈性常數(shù)C11為348GPa 至365GPa并且其彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，或者其彈性常數(shù)C11為352GPa至362GPa)。雖然本實施模式的制造方法中生長GaN單晶的詳細機制不清楚，但是據(jù)信，通過 使晶體生長室Iio內(nèi)設置的源舟105的溫度為980°C至1040°C并且使基板11和石英組件109的溫度大于1130°C而不大于1150°C，石英組件109內(nèi)的合適量的石英組成成分物質(zhì) (意指(下文中也是一樣)構(gòu)成石英的組成物質(zhì)包括Si、0以及雜質(zhì))混合到基板11上生 長的GaN單結(jié)晶體10中，因此產(chǎn)生具有合適彈性的GaN單結(jié)晶體，其中在30°C下，彈性常數(shù) C11為348GPa至365GPa并且彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa或者彈性常數(shù)C11為352GPa至 362Gpa。本實施模式的制造方法中利用的GaN單結(jié)晶體制造設備沒有特別地限制；參照圖 2，示例性地，它是氫化物氣相外延生長(HVPE)設備100，該設備100裝配有第一氣筒101 和第二氣筒102、第一氣體入口 103、第二氣體入口 104、源舟105、加熱器106、排氣口 107、 基座108、由石英組件109形成的支撐平臺、晶體生長室110、局部加熱裝置115和排氣處理 單元120。HVPE設備100可以是(例如)水平反應器。第一氣體可以是(例如)氣態(tài)的NH3(氨 氣)，此時，氣態(tài)的NH3充入第一氣筒101。第二氣體可以是(例如)氣態(tài)的HCl (氯化氫)， 此時，例如，氣態(tài)的HCl充入第二氣筒102。例如，將金屬Ga(鎵)充入源舟105。用于加熱 晶體生長室110內(nèi)部的加熱器106在GaN晶體生長期間控制GaN晶體的溫度。排氣口 107 是用于將反應后氣體(廢氣)排出到外部的組件。廢氣處理單元120去除由于生長反應產(chǎn) 生的廢氣的污染。形成支撐平臺的石英組件109支撐基座108和基板11。這種支撐平臺(石英組件 109)的表面積優(yōu)選地大于基座108的表面積。在制造具有2英寸直徑的主表面IOm(參考 圖3)的GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié)晶體10)的實施中，優(yōu)選地，支撐平臺的主表面為4 英寸或更大?；?08設置在支撐平臺(石英組件109)上，由此其保持基板11。基座108 由(例如)碳等制成。還優(yōu)選的是，HVPE設備100裝配有晶體生長室110內(nèi)部的局部加熱裝置115。對 于局部加熱裝置115，例如可以利用電阻加熱裝置并且該電阻加熱裝置可以位于基座108 和由石英組件形成的支撐平臺之間。另外，HVPE設備100優(yōu)選地裝配有載氣筒(未示出)，該載氣筒中充有H2 (氫)氣、 N2(氮)氣、Ar(氬)氣、He(氦)氣等，這些氣體作為用于第一氣體和第二氣體的載氣。通 過第一氣體入口 103和第二氣體入口 104將載氣與第一氣體和第二氣體一起提供到基板 11。繼續(xù)地，將參照圖2和圖4說明在制造GaN單結(jié)晶體10的本實施模式中的方法。 在本實施模式中，利用上述的HVPE設備100制造GaN單結(jié)晶體10。如圖2和圖4所示的，開始，將用于提供Ga源材料的源舟105、基板11和石英組件 109放置在晶體生長室110內(nèi)(步驟Sll)。將基板11和石英組件109放置在晶體生長室 110內(nèi)的步驟沒有特別地限制，只要它們被設置為當在基板11上生長GaN單結(jié)晶體10時， 受熱的石英組件中的石英組成成分物質(zhì)混合到GaN單結(jié)晶體10中；在圖2的HVPE設備中， 支撐平臺本身就是石英組件109。具體地，基板11由基座108保持，而基座108由石英組件 109形成的支撐平臺支撐?；?1是為了使GaN單結(jié)晶體在其上生長的基板?？梢岳玫幕鍖嵗ü?(Si)基板、藍寶石(Al2O3)基板、碳化硅(SiC)基板、砷化鎵(GaAs)基板、GaN基板和氮化 鋁(AlN)基板。另外，優(yōu)選的是，基板11的主表面的表面積不小于3cm2 ；更優(yōu)選的是，其超過3cm2。同樣，例如，基板11的主表面優(yōu)選地具有不小于2英寸的直徑；更優(yōu)選地，其直徑 超過2英寸。還優(yōu)選的是，在基板11的主表面上形成圖案化的掩模。這就意味著，本申請可以 由諸如外延橫向過生長(ELO)、通過具有倒金字塔形坑的外延生長的排差消除(DEEP)或者 空隙協(xié)助分離(VAS)。在晶體生長室110的內(nèi)部中設置為支撐平臺的石英組件109沒有特別的限制，只 要其含有在生長到基板上時混合到GaN單結(jié)晶體中的石英組成成分物質(zhì)(構(gòu)成石英的組成 物質(zhì)_例如，Si、0以及雜質(zhì))，但是從減少不期望的雜質(zhì)混合到GaN單結(jié)晶體中的觀點來 看，高純度的石英是優(yōu)選的。例如，石英的雜質(zhì)優(yōu)選地不少于95質(zhì)量％，并且更優(yōu)選地不少 于99質(zhì)量％。接著，在基板11上生長GaN單結(jié)晶體。例如，利用圖2所示的HVPE設備通過HVPE 生長GaN單結(jié)晶體的實例按如下方式來執(zhí)行。由于HVPE法快速的晶體生長速度，HVPE法 通過縮短生長時間，使得可以生長具有顯著厚度的GaN單結(jié)晶體。采用通過HVPE生長晶體的方法，首先，將填充有作為源材料的金屬Ga的源舟105 和基板11放置在晶體生長室110內(nèi)。在這種情況下，基板11被設置在基座108上，基座108 已經(jīng)被放置在由晶體生長室110內(nèi)設置的石英組件109形成的支撐平臺上。隨后，加熱晶 體生長室110的內(nèi)部。然后，打開第二氣體入口 104。接著，存儲在第二氣筒102中并通過 第二氣體入口 104提供的第二氣體和源舟105中的源材料發(fā)生反應，產(chǎn)生作為反應氣體的 GaCl(氯化鎵)。接著打開第一氣體入口 103。然后，存儲在第一氣筒101中并通過第一氣 體入口 103提供的反應氣體和第一氣體流動(提供)以被撞擊，并且與基板11的前面發(fā)生 反應。這里，優(yōu)選地控制提供到基板11的氣體流，使其一直恒定。另外，用加熱器106和局 部加熱裝置115加熱晶體生長室110的內(nèi)部，使其處于(例如)800°C至1200°C的溫度。同 時，反應后的氣體通過排氣口 107排到外部。在步驟S12中，采用加熱器106和局部加熱裝置115來使源舟105的溫度為980°C 至1040°C，并且使基板11和石英組件109的溫度為高于1130°C至1150°C。這樣使得可以 如上所述地，在基板11上生長具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單結(jié)晶體，并且在30°C下，其彈性 常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且其彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，或者其彈性常數(shù)C11為 352GPa 至 362GPa。本文中，在圖2的HVPE設備中，與加熱器106的溫度相比，局部加熱裝置115的溫 度更多地承擔基板11和石英組件109的溫度調(diào)節(jié)。也就是說，基板11和石英組件109的 溫度大致對應于局部加熱裝置的溫度。采用由此得到的GaN單結(jié)晶體，當生長GaN單結(jié)晶 體時以及當生長的GaN單結(jié)晶體被加工成基板等形式時，以及當至少單層的半導體層形成 在基板形式的GaN單結(jié)晶體上以制造半導體器件時，將裂紋控制到最少。在通過HVPE生長GaN單結(jié)晶體的實施中，還優(yōu)選的是，沒有出現(xiàn)生長的異常，并且 生長速率為30 μ m/h或更快。這些條件使得可以穩(wěn)定生長厚的GaN單結(jié)晶體。在該步驟S12中，此外，變化地改變與晶體生長相關(guān)的變化因素，例如，加熱溫度、 引入氣體的體積和類型以及將源舟105、基板11、基座108、形成支撐平臺的石英組件109放 置在晶體生長室110內(nèi)，來生長GaN單結(jié)晶體，以減少結(jié)晶的不規(guī)律性和雜質(zhì)濃度。再者，優(yōu)選的是利用包含(例如)高純度的氣態(tài)氮、氣態(tài)氫、氣態(tài)氬或氣態(tài)氦中的至少一種的載氣。在該步驟S12中，優(yōu)選的是晶體以下述方式生長，即GaN單結(jié)晶體10的生長方向 將在<0001〉方向上或大致在<0001〉方向上。晶體還以下述方式生長，即GaN單結(jié)晶體10 的生長表面積優(yōu)選不少于3cm2，并且更優(yōu)選地為超過3cm2。晶體還以下述方式生長，即GaN 單結(jié)晶體10的主表面10m(生長面)的直徑優(yōu)選地將不少于2英寸，并且更優(yōu)選地將超過2 英寸。另外，晶體生長為GaN單結(jié)晶體的厚度優(yōu)選地將為100 μ m或更大，并且更優(yōu)選地將 為400 μ m或更大。應該理解的是，生長GaN單結(jié)晶體的方法不限于HVPE ；可以采用的技術(shù)包括諸如 金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)和升華沉積的氣相生長技術(shù)和諸如助熔劑生長和高氮 壓溶液生長的液相生長技術(shù)。接著，停止通過加熱器106和局部加熱裝置115進行的加熱，以將源舟105、GaN單 結(jié)晶體10和基板11的溫度降到室溫水平。此后，從晶體生長室110中取出形成在基板11 頂部上的GaN單結(jié)晶體。接著，至少從GaN單結(jié)晶體10中移除基板11，以形成板狀的GaN單結(jié)晶體(以下 也稱為GaN單晶基板)。GaN單結(jié)晶體10在靠近其與基板11的界面處的結(jié)晶通常是不令人 滿意的。由于這個緣故，通過進一步移除GaN單結(jié)晶體中結(jié)晶不令人滿意的部分來制造GaN 單晶基板將會是優(yōu)選的。這里，在GaN單結(jié)晶體的厚度相當大的情況下，可以從GaN單結(jié)晶 體中切片GaN單晶基板。并且，在基板11是GaN基板的實現(xiàn)中，生長在基板11上的GaN單 結(jié)晶體可以實施為GaN單晶基板。上述步驟使得可以形成GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié) 晶體)。對于從GaN單結(jié)晶體10中移除至少基板11的方法，可以采用，例如，諸如切斷或 磨削的裝置。這里，“切斷”意指用具有電鍍的金剛石砂輪上的外圍切割刃的諸如切片機或 線狀鋸的裝置從GaN單結(jié)晶體10中機械分離(切片)至少基板11?！澳ハ鳌币庵赣镁哂薪?剛石磨削輪的磨削設備或者采用其他裝置從GaN單結(jié)晶體10中機械削掉至少基板11。從GaN單結(jié)晶體10中移除的表面不限于與基板11的前面平行的表面；可以切片 相對于前面選擇地傾斜的表面。本文中，在GaN單結(jié)晶體在<0001〉方向上生長的實施中， 從得到大面積的GaN單晶基板的觀點來看，優(yōu)選地，主表面IOm具有相對于{0001}平面不 大于5度的角度。另外，可以對GaN單晶基板(板狀GaN單結(jié)晶體)的主表面中的至少一個進一步 實施拋光、表面處理等。拋光方法和表面處理方法沒有特別地限制；可以采用選擇的方法。接著，表征如上所述得到的用于GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié)晶體)的彈性常 數(shù)矩陣[Cij](即，彈性常數(shù)Cn、C33、C44, C66, C12和C13)。本文中，表征用于GaN單晶基板的 彈性常數(shù)矩陣[Cij]的方法沒有特別地限制；可以引用的實例包括共振超聲光譜法(RUS)、 布里淵光譜法和表面_超聲波測量。在這些之中，從能夠進行高精度測量的觀點來看，優(yōu)選 的是RUS。例如，在RUS中，例如，30°C的環(huán)境溫度下，矩形條或其他預定形狀的樣品(單結(jié) 晶體)夾在兩個壓電振子之間，通過這兩個壓電振子中的一個輸入連續(xù)的正弦波振動，在 另一個接受位移信號。這里，當輸入頻率掃過所接收的信號時，幅值在樣品的自由振動的共 振頻率處表現(xiàn)出峰值。在根據(jù)樣品的密度和尺寸以及其彈性常數(shù)的分立的共振頻率處，存 在多個共振峰。通過首先測量密度和尺寸，然后通過逆運算找到給出最接近測量的共振頻率組的彈性常數(shù)矩陣[Cij]，計算出所有的彈性常數(shù)Cn、C33、C44, C66, C12和C13。在上述步驟S13中測量并計算出的針對30°C的所有這些彈性常數(shù)Cn、C33、C44、C66、 C12和C13之中，如果在30°C下彈性常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且彈性常數(shù)C13為90GPa 至98GPa，或者如果彈性常數(shù)C11為352GPa至362GPa，則得到GaN單晶基板一實施模式1 中的GaN單結(jié)晶體一其中將裂紋發(fā)生的機率控制到最低(步驟S14)。另一方面，在上述 步驟S13中測量并計算出的針對30°C的所有這些彈性常數(shù)Cn、C33、C44, C66, C12和C13之中， 如果在30°C下彈性常數(shù)C11不是348GPa至365GPa并且彈性常數(shù)C13不是90GPa至98GPa， 或者如果彈性常數(shù)C11不是352GPa至362GPa，則所得到的GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié) 晶體)會容易出現(xiàn)裂紋，因此被保存在單獨的區(qū)域或者被丟棄。如以上內(nèi)容中詳細描述的，在本實施模式中制造GaN單晶基板的方法中，實施上 述步驟Sll至S14使得可以制造實施模式1的GaN單結(jié)晶體。實施模式3參照圖3，作為實施本發(fā)明的一種模式的半導體器件30包括實施模式1中的GaN 單結(jié)晶體10以及形成在GaN單結(jié)晶體10上的至少單層的III族氮化物半導體層20。因為 本實施模式中的半導體器件30包含實施模式1中的GaN單結(jié)晶體10，所以出現(xiàn)裂紋的機率 極小。圖3所表示的半導體器件30是(具體來講)肖特基勢壘二極管(SBD)，并且包括 GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié)晶體10)；形成在GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié)晶體10) 的主表面中的一個主表面IOm上的AlxInyGai_x_yN(0彡χ,Ο彡y,x+y彡1)層(III族氮化物 半導體層20)；形成在AlxInyGai_x_yN層(III族氮化物半導體層20)上的肖特基接觸3 1 ；以 及形成在GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié)晶體10的主表面中的另一個主表面IOn)上的歐 姆接觸32。實施模式4參照圖3和圖4，實施本發(fā)明的一種模式的制造半導體器件30的方法包括步驟 S10,制備實施模式1的GaN單結(jié)晶體10 ；以及步驟S20，在GaN單結(jié)晶體10上形成至少單 層III族氮化物半導體層20。根據(jù)本實施模式的半導體器件制造方法，在實施模式1的GaN 單結(jié)晶體10上形成至少單層III族氮化物半導體層20這一事實使得可以將半導體器件制 造期間GaN單結(jié)晶體10中和III族氮化物半導體層20中的裂紋最小化，因此提高了半導 體器件的產(chǎn)率。參照圖3和圖4，制造半導體器件30的采用實施本發(fā)明的一個模式中的作為方法 的一個實例的肖特基勢壘二極管制造方法如下。首先，制備實施模式1的GaN單結(jié)晶體10。 具體來講，通過對于實施模式2的GaN單晶制造方法描述的步驟Sll、S12、S13和S14，制 備具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié)晶體10)，并且在30°C下其彈性 常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且其彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa或者其彈性常數(shù)C11為 352GPa 至 362GPa。接著，在GaN單晶基板(板狀的單結(jié)晶體10)的一個主表面IOm上形成作為單層 III族氮化物半導體層20的AlxInyGai_x_yN(0彡x，0彡y，x+y彡1)層(步驟S20)。這里， 雖然形成III族氮化物半導體層20的方法沒有特別地限制，但是從外延生長低位錯密度、 高結(jié)晶III族氮化物半導體層的觀點來看，優(yōu)選地采用諸如HVPE、MBE、M0CVD或升華沉積的氣相生長技術(shù)或諸如助熔劑生長或高氮壓溶液生長的液相生長技術(shù)。接著，(步驟30)在GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié)晶體10)的與主表面IOm相 反面上的主表面IOn上形成歐姆接觸32，在主表面IOm上已經(jīng)形成了 AlxInyGai_x_yN層(III 族氮化物半導體層20)，并且在AlxInyGai_x_yN層(III族氮化物半導體層20)上形成肖特基 接觸31。這里，形成肖特基接觸31和歐姆接觸32的方法沒有特別地限制；例如，可以引用 蒸發(fā)沉積等技術(shù)。應該理解的是，雖然已經(jīng)示出并且描述了肖特基勢壘二極管(SBD)作為本實施模 式中的半導體器件，但是本發(fā)明的半導體器件不限于SBD，并且可以找到應用作為半導體器 件，例如激光二極管(LD)、發(fā)光二極管(LED)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、 結(jié)場效應晶體管(JFET)、p-n 二極管和絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)。實施例實例實施例1UGaN單結(jié)晶體的制造采用圖2圖示的HVPE設備100按照以下方式制造GaN單晶基板(板狀GaN單結(jié) 晶體10)。詳細來說，將用于提供Ga源材料的源舟、作為基板11的GaN基板、作為基座108 的碳板、作為電阻加熱裝置的局部加熱裝置115和作為形成支撐平臺的石英組件109的石 英板放置在HVPE設備100的晶體生長室110內(nèi)。更精確地來講，將電阻加熱裝置(局部加 熱裝置115)設置在石英板(石英組件109)上，將碳板(基座108)設置在局部加熱裝置 115上，并且將2英寸(5. 08cm) 400 μ m厚的GaN基板(基板11)設置在基座108上(步驟 S11)。這里的GaN基板(基板11)的主表面是(0001)平面并且是Ga原子面。接著，(步驟S12)，通過HVPE在GaN基板(基板11)的上述主表面上生長GaN單 晶。詳細地講，準備作為第一源材料氣的純度為99. 9999體積％的氣態(tài)氨，作為第二源材料 氣的純度為99. 9999體積％的氣態(tài)氯化氫和作為載氣的純度為99. 9999體積％的氣態(tài)氫和 純度為99. 9999體積％的氣態(tài)氮。源舟105被充有金屬Ga(鎵)并且被安裝在晶體生長室 110內(nèi)。首先，將加熱器106的溫度升高至980°C并且將局部加熱裝置115的溫度升高至 1150°C，以對晶體生長室110的內(nèi)部進行加熱，并且使源舟105的溫度為980°C并且使基板 11和石英板(石英組件109)的溫度為1150°C。這里，加熱器106和局部加熱裝置115的 溫度是設定溫度，而基板11和石英板(石英組件109)的溫度是通過熱偶的方式來測量的。接著，通過第一氣體入口 103和第二氣體入口 104將載氣引入晶體生長室110。作 為第二源材料氣通過第二氣體入口 104提供的氣態(tài)HCl (氯化氫)和源舟105中的金屬Ga 進行反應Ga+HCl — GaCl+l/2H2，由此產(chǎn)生氣態(tài)GaCl。隨后，與載氣一起，作為第一源材料氣 通過第一氣體入口 104提供的氣態(tài)氨和所產(chǎn)生的氣態(tài)GaCl流動，從而撞擊基板11的主表 面11m。與基板11的主表面Ilm—起，引起了反應GaCl+NH3 —GaN+HCl+H2，從而生長GaN 單結(jié)晶體10。接著，執(zhí)行切片操作，以(0001)平面將會是主表面的方式從生長的GaN單結(jié)晶體 10中切割板狀GaN單結(jié)晶體(GaN單晶基板)。將GaN單晶基板的兩個主表面都拋光成鏡狀 成品，并且移除加工受損層。由此制造50個具有2英寸(5.08cm)直徑和400μπι厚度的單 晶基板(板狀GaN單結(jié)晶體)。另外，從生長的GaN單結(jié)晶體10中切片20個2mm寬X 4mm 長X 2mm厚的矩形條形式的GaN單晶樣品(樣品的厚度方向和其單晶c軸之間的位移的角度小于0. 3° )，并且將它們的六個面研削并拋光，以使得各面的平均表面粗糙度Ra小于 O-Olym0這里，“表面的平均粗糙度”意指在JIS B0601中規(guī)定的算術(shù)平均值Ra，并且在 10 μ mX 10 μ m平面內(nèi)使用原子力顯微鏡(ATM)測量該算術(shù)平均值Ra。2、對GaN單結(jié)晶體的評估2-1裂紋發(fā)生率在以剛才描述的方式得到的50個GaN單晶基板(板狀的GaN單結(jié)晶體)中出現(xiàn) 或不出現(xiàn)裂紋是通過以下方法來驗證的。當將白色聚光燈投射到GaN單晶基板上時，可以 可視地觀察兩個主要面的表面狀況。由于在沿著GaN單晶基板的主表面出現(xiàn)裂紋的區(qū)域中 聚光燈束發(fā)生散射，因此可以確定存在還是不存在裂紋。通過這種技術(shù)，已經(jīng)驗證到裂紋的 GaN單晶基板被認為是存在裂紋的，而沒有驗證到裂紋的GaN單晶基板被認為是不存在裂 紋。計算出現(xiàn)裂紋的GaN單晶基板的數(shù)量相對于50個GaN單晶基板的計數(shù)的百分比作為 裂紋發(fā)生率(％)。本實施例的GaN單結(jié)晶體的裂紋發(fā)生率為2%。在表I中將這些結(jié)果以 表格形式列出。2-2彈性常數(shù)的測量在30°C的環(huán)境溫度下通過RUS測量按上述方式得到的20個GaN單結(jié)晶體樣品的 彈性常數(shù)C11和C13。在本實施例中，30°C下的GaN單結(jié)晶體，彈性常數(shù)C11為348至354GPa 而彈性常數(shù)C13為96至98GPa。在表I中將這些結(jié)果以表格形式列出。實施例2UGaN單結(jié)晶體的制造除了使源舟的溫度為1020°C之外，采用與實施例1的方式相同的方式來制造GaN 單結(jié)晶體，并且制造50個GaN單晶基板和20個GaN單晶樣品。2、對GaN單結(jié)晶體的評估采用與實施例1相同的方式，表征裂紋發(fā)生率和彈性常數(shù)。本實施例的GaN單結(jié) 晶體的裂紋發(fā)生率是0%，并且在30°C下，彈性常數(shù)C11為352至362GPa而彈性常數(shù)C13為 92至95GPa。在表I中將這些結(jié)果以表格形式列出。實施例3UGaN單結(jié)晶體的制造除了使源舟的溫度為1040°C之外，采用與實施例1的方式相同的方式來制造GaN 單結(jié)晶體，并且制造50個GaN單晶基板和20個GaN單晶樣品。2、對GaN單結(jié)晶體的評估采用與實施例1相同的方式，表征裂紋發(fā)生率和彈性常數(shù)。本實施例的GaN單結(jié) 晶體的裂紋發(fā)生率是4%，并且在30°C下，彈性常數(shù)C11為359至365GPa而彈性常數(shù)C13為 90至92GPa。在表I中將這些結(jié)果以表格形式列出。實施例4UGaN單結(jié)晶體的制造除了使源舟的溫度為1020°C并且使基板和石英組件的溫度為1140°C之外，采用 與實施例1的方式相同的方式來制造GaN單結(jié)晶體，并且制造50個GaN單晶基板和20個 GaN單晶樣品。2、對GaN單結(jié)晶體的評估
采用與實施例1相同的方式，表征裂紋發(fā)生率和彈性常數(shù)。本實施例的GaN單結(jié) 晶體的裂紋發(fā)生率是6%，并且在30°C下，彈性常數(shù)C11為352至362GPa而彈性常數(shù)C13為 86至93GPa。在表I中將這些結(jié)果以表格形式列出。對比例11、GaN單結(jié)晶體的制造除了使基板和石英組件的溫度為1130°C之外，采用與實施例1的方式相同的方式 來制造GaN單結(jié)晶體，并且制造50個GaN單晶基板和20個GaN單晶樣品。2、對GaN單結(jié)晶體的評估采用與實施例1相同的方式，表征裂紋發(fā)生率和彈性常數(shù)。本實施例的GaN單結(jié) 晶體的裂紋發(fā)生率是24%，并且在30°C下，彈性常數(shù)C11為344至347GPa而彈性常數(shù)C13為 99至lOOGPa。在表I中將這些結(jié)果以表格形式列出。對比例21、GaN單結(jié)晶體的制造除了采用圖5中的HVPE設備230 (其中，與圖1中的HVPE設備100相反，其沒有 形成支撐平臺的石英組件，并且使用具有內(nèi)置局部加熱裝置的碳板基座208替代基座108 和局部加熱裝置115)之外，并且除了使基板的溫度為1130°C之外，采用與實施例1的方式 相同的方式來制造GaN單結(jié)晶體，并且制造50個GaN單晶基板和20個GaN單晶樣品。2、對GaN單結(jié)晶體的評估采用與實施例1相同的方式，表征裂紋發(fā)生率和彈性常數(shù)。本實施例的GaN單結(jié) 晶體的裂紋發(fā)生率是48%，并且在30°C下，彈性常數(shù)C11為342至345GPa而彈性常數(shù)C13為 99至102GPa。在表I中將這些結(jié)果以表格形式列出。對比例31、GaN單結(jié)晶體的制造除了采用圖6中的HVPE設備240 (其中，與圖1中的HVPE設備100相反，沒有局 部加熱裝置115)之外，并且除了使源舟的溫度為980°C，使基板的溫度為1080°C并且使石 英組件的溫度為1080°C之外，采用與實施例1的方式相同的方式來制造GaN單結(jié)晶體，并且 制造50個GaN單晶基板和20個GaN單晶樣品。2、對GaN單結(jié)晶體的評估采用與實施例1相同的方式，表征裂紋發(fā)生率和彈性常數(shù)。該實施例的GaN單結(jié) 晶體的裂紋發(fā)生率是52%，并且在30°C下，彈性常數(shù)C11為367至378GPa，而彈性常數(shù)C13為 83至88GPa。在表I中將這些結(jié)果以表格形式列出。表I 如從表I中清楚的是，提供將用于提供Ga源材料的源舟、基板和石英組件放置在 晶體生長室內(nèi)的步驟以及通過氣相沉積在基板上生長GaN單結(jié)晶體的步驟，并且在生長 GaN單結(jié)晶體的步驟中，將源舟的溫度保持在980°C至1040°C，而將基板和石英組件的溫度 保持于大于1130°C而不大于1150°C，產(chǎn)生具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的GaN單結(jié)晶體，在30°C下， 其彈性常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且其彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，或者其彈性常 數(shù)C11為352GPa至362GPa。采用這些GaN單結(jié)晶體，在GaN單晶生長期間和將生長的GaN 單晶加工成板形的裂紋發(fā)生率極低，為0 %至6 %?，F(xiàn)在公開的實施方式和實施例應該在所有方面都被認為是示例性的和非限制性 的。不是通過上述說明而是通過權(quán)利要求的范圍來闡述本發(fā)明的范圍，并且本發(fā)明的范圍 旨在包括與權(quán)利要求的范圍以及落入該范圍內(nèi)的所有修改等價的意義。圖例10 :GaN單結(jié)晶體；IOmUOnUlm 主表面；11 基板；20 =III族氮化物半導體層； 30 半導體器件；31 肖特基接觸；32 歐姆接觸；100、230、240 HVPE設備；101 第一氣筒； 102 第二氣筒；103 第一氣體入口 ；104 第二氣體入口 ；105 源舟；106 加熱器；107 排 氣口 ；108、208 基座；109 石英組件；110 晶體生長室；115 局部加熱裝置；120 廢氣處
理單元。
權(quán)利要求
一種GaN單結(jié)晶體，所述GaN單結(jié)晶體具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，并且在30℃下，其彈性常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且其彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，或者其彈性常數(shù)C11為352GPa至362GPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN單結(jié)晶體，其中其電阻率不大于1Χ103Ω· cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN單結(jié)晶體，其中所述單結(jié)晶體是自立基板。
4.一種制造GaN單結(jié)晶體的方法，所述方法包括將用于提供Ga源材料的源舟、基板和石英組件放置在晶體生長室內(nèi)的步驟；以及 通過氣相沉積在基板上生長GaN單結(jié)晶體的步驟；其中在生長GaN單結(jié)晶體的步驟中，將源舟的溫度保持在980°C至1040°C，而將基板和石英 組件的溫度保持在大于1130°C至不大于1150°C。
5.一種半導體器件，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN單結(jié)晶體，以及在所述GaN單結(jié)晶 體上形成的至少單層的III族氮化物半導體層。
6.一種制造半導體器件的方法，所述方法包括制備根據(jù)權(quán)利要求ι所述的GaN單結(jié)晶體的步驟；以及在所述GaN單結(jié)晶體上形成至少單層的III族氮化物半導體層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了GaN單結(jié)晶體及其制造方法和半導體器件及其制造方法，由此，當生長GaN單結(jié)晶體時以及當生長的GaN單結(jié)晶體被加工成基板等形式時，以及當至少單層的半導體層形成在基板形式的GaN單結(jié)晶體上以制造半導體器件時，將裂紋控制到最少。GaN晶體團(10)具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，并且在30℃下，其彈性常數(shù)C11為348GPa至365GPa并且其彈性常數(shù)C13為90GPa至98GPa，或者其彈性常數(shù)C11為352GPa至362GPa。
文檔編號H01L21/02GK101922045SQ20101020293
公開日2010年12月22日 申請日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者上村智喜, 中幡英章, 中畑成二, 山本喜之, 櫻田隆, 藤原伸介 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社