具有AlzGa1-zN層的半導(dǎo)體晶片及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片，其包括以下給定順序的層：主要由硅組成的、具有（111）表面取向的單晶基底晶片（1）；具有（111）表面取向的單晶Sc2O3層（3）；具有（111）表面取向的單晶ScN層（4）；及具有（0001）表面取向的、其中0≤z≤1的單晶AlzGa1-zN層（6）。本發(fā)明還涉及制造該半導(dǎo)體晶片的方法。
【專利說明】具有AlzGa1-zN層的半導(dǎo)體晶片及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片，其包括主要由硅組成的具有（111)表面取向的單晶基底 晶片和具有（0001)表面取向的其中〇彡Z彡1的A1ZG&1_ZN單晶層。

【背景技術(shù)】
[0002] 單晶氮化鎵（GaN)作為用于制造高功率和高頻應(yīng)用的發(fā)光二極管（LED)和場效應(yīng) 晶體管（FET)的基底具有越來越高的重要性?；椎谋砻婷娣e對于制造方法的產(chǎn)率，因此 對于LED或FET的成本而言是一個關(guān)鍵的問題。因為目前可以獲得具有高的晶體和表面品 質(zhì)的直徑最大為300_或者甚至最大為450_的單晶硅基底，所以努力嘗試使用單晶硅作 為用于外延生長GaN的基底。然而，由于在GaN (0001)與Si (111)之間存在17%的大的 晶格錯配度而且這兩種材料的熱膨脹系數(shù)（TEC)差別巨大，無法直接在硅（Si)上生長高品 質(zhì)GaN層。
[0003] 因此，有人建議了許多種中間層或緩沖層以提高外延生長的GaN層的品質(zhì)。
[0004] 例如，M.Moram et al.，J. Crystal Growth308 (2007) ,302-308 教導(dǎo)了（111)取 向的氮化鈧（ScN)外延緩沖層作為GaN外延生長的基材的用途。采用氣態(tài)源分子束外延 (GS-MBE)使用氨作為氮前體在η型Si (111)晶片上生長厚度在50至450nm的范圍內(nèi)的 ScN層。使用在lOOTorr下運行的Thomas Swan緊密耦合的蓮蓬頭形M0VPE反應(yīng)器在ScN/ Si (111)模板上生長GaN層。在GaN生長的準(zhǔn)備過程中，在lOslm (標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘)氨（NH3) 和10slm氫（H2)的流中將每個所用的模板以ΙΚ/s的速率加熱至生長溫度，從而由ScN層的 表面去除任何本征氧化層。ScN緩沖層是粗糙的，并且充滿缺陷。在ScN表面上以不含位 錯的島的形式生長GaN。通過改變GaN生長溫度，可以使GaN島聚結(jié)，以產(chǎn)生光滑的GaN薄 膜，但是同時在GaN層的表面上螺旋位錯的密度顯著地上升至5 X 109cnT2。
[0005] W. C. Lee et al.，J. Crystal Growth311(2009)，2006-2009 公開了作為用于 G aN外延生長的模板的單晶鈧氧化物（S c203)。使用電子束蒸鍍由高純度粉末壓縮燒結(jié) (powder-packed-sintered)的Sc 203氧化物源沉積Sc203薄膜。使用分子束外延（MBE)在 Sc203表面上沉積一些鋁（A1)的單層，然后暴露于氮等離子體以進(jìn)行氮化，從而形成薄的氮 化鋁（A1N)層。在該層頂部沉積GaN。生長A1N的基底溫度在開始時大約為645°C，并上升 至720°C，其還用于GaN生長的剩余階段。該方法導(dǎo)致在Sc 203緩沖物中高的缺陷密度以及 有限的GaN層品質(zhì)。以在KTcnT3的范圍內(nèi)的密度產(chǎn)生位錯。位錯從Sc 203/Si界面開始傳 播貫穿該層。
[0006] 要解決的問是頁
[0007] 因此，本發(fā)明的目的在于提供在硅基底上生長的具有降低的缺陷密度的GaN層。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片，其包括以下給定順序的層：
[0009] -具有（111)表面取向的、主要由硅組成的單晶基底晶片，
[0010] -具有（111)表面取向的Sc203單晶層，
[0011] -具有（111)表面取向的ScN單晶層，及
[0012] -具有（0001)表面取向的其中0彡Z彡1的A1ZG&1_ZN單晶層。
[0013] 本發(fā)明還涉及制造所述半導(dǎo)體晶片的方法，其包括以下給定順序的步驟：
[0014] a)提供基底晶片，
[0015] c)外延沉積Sc203層，
[0016] d)產(chǎn)生ScN層，及
[0017] f)外延沉積 AlzGai_zN 層。
[0018] 如上所述，對于后續(xù)的GaN沉積，已知Sc203緩沖層。根據(jù)塊體晶體晶格，Sc 203緩 沖層理論上允許將在GaN與基底之間的晶格錯配度由17% (GaN/Si)降低至8% (GaN/ Sc203)。然而，殘余的晶格錯配度仍然導(dǎo)致在GaN層中產(chǎn)生高密度的缺陷(主要是位錯)，因 此限制了該層的品質(zhì)。
[0019] 因此，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，需要插入另一個中間層，其可以良好的晶體品質(zhì)在 Sc203上生長，并且其晶格常數(shù)更接近于GaN。ScN (111)就是這樣的層。在ScN (111)與 GaN (0001)之間的晶格錯配度僅約為-0.1%。發(fā)現(xiàn)只有Sc是其氧化物可以首先直接在 Si上以外延層的形式生長然后可以轉(zhuǎn)化成晶格常數(shù)完美匹配GaN的晶格常數(shù)的氮化物的 金屬。ScN與GaN之間極小的晶格錯配度有利于在ScN表面上逐層生長GaN,降低由于島聚 結(jié)產(chǎn)生的缺陷的密度。此外，Sc 203表面的氮化步驟允許控制生長A1ZG&1_ ZN (0001)層的極 性，并且改善了后續(xù)的高溫工藝步驟的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱預(yù)算。
[0020] 此外，在更大的Sc203晶格的頂部在拉應(yīng)變的情況下生長GaN。在生長溫度下GaN 的面內(nèi)晶格常數(shù)a大于松弛的塊體的數(shù)值，而且該應(yīng)變在冷卻至室溫期間由于熱膨脹系數(shù) 的數(shù)值不同而進(jìn)一步增大。通過插入額外的ScN中間層，降低了在生長期間晶格誘發(fā)的拉 應(yīng)變，這改善了 GaN層在室溫下的應(yīng)變狀態(tài)。取決于層厚度，ScN層可以是松弛的或者是應(yīng) 變的。然而，松弛的ScN對于GaN的沉積而言是優(yōu)選的。應(yīng)變的ScN層可以在外延沉積下 一層期間進(jìn)一步松弛。
[0021] 由于在Si與ScN之間的晶格錯配度極大，直接在硅基底上沉積ScN層（如由 M.Moram et al.，J. Crystal Growth308 (2007) ,302-308 所公開）是粗糙的，并且充滿缺陷。 需要在GaN生長期間保護(hù)Si不暴露于Ga和NH3，這是因為Ga蝕刻Si表面。在硅基底上品 質(zhì)差的ScN層可能無法完全覆蓋娃，從而會在GaN頂層生長期間使娃暴露于Ga和NH 3。顯 示出ScN緩沖層的結(jié)晶度影響后續(xù)生長的GaN的形貌、殘余應(yīng)變及結(jié)晶度。
[0022] 與ScN相對Si的晶格錯配相比，在根據(jù)本發(fā)明的層堆疊中，降低了 ScN相對Sc203 的晶格錯配。因此，提高了 ScN的晶體品質(zhì)，不會產(chǎn)生品質(zhì)差的ScN層的上述效果。根據(jù)本 發(fā)明，最終可以在ScN層上生長具有高品質(zhì)的GaN層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1示意性地顯示了本發(fā)明的一個實施方案。
[0024] 圖 2 所示為鏡面 theta/2theta XRD 測量結(jié)果，證明了在 Sc203 (111)/Y203 ( 111) /Si (111)異質(zhì)結(jié)構(gòu)上以巖鹽結(jié)構(gòu)生長（111)取向的ScN。
[0025] 圖3所示為在Si和ScN晶格的{111}晶面族上XRD phi掃描的結(jié)果，證明了以不 含孿晶的方式生長ScN (111)。

【具體實施方式】
[0026] 在第一步驟a)(參見圖1)中，提供單晶基底晶片1，其主要由單晶硅組成，優(yōu)選由 90%至100%的硅、更優(yōu)選98%至100%的硅組成?；拙?可以包含在硅【技術(shù)領(lǐng)域】中公 知的常見的慘雜劑或雜質(zhì)?；拙?具有Si (111)晶體表面取向?；拙?可以具 有100mm至450mm的直徑，優(yōu)選為不大于300mm的直徑?；拙谋砻鎯?yōu)選是經(jīng)拋光的。
[0027] 基底晶片1優(yōu)選在商溫下退火，以獲得商品質(zhì)的娃表面。所述退火優(yōu)選于原位在 用于沉積第一外延層的沉積室內(nèi)進(jìn)行。退火溫度在600與1250°C之間。所述退火可以在真 空中或者在優(yōu)選包含氫的還原性氣氛中進(jìn)行，歷時30秒至30分鐘、優(yōu)選1至10分鐘。
[0028] 在隨后的任選實施的步驟b)中，可以在基底晶片1的至少一個表面上外延沉積單 晶金屬氧化物層2。金屬氧化物可以具有尖晶石結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、燒綠石結(jié)構(gòu)、巖鹽結(jié)構(gòu)、 螢石結(jié)構(gòu)或方鐵錳礦結(jié)構(gòu)。
[0029] 優(yōu)選在步驟c)中沉積Sc203層3之前在基底晶片1的表面上沉積金屬氧化物層 2,這是因為在Sc 203與Si之間大約為9%的晶格錯配度可以通過中間層降低，該中間層的 晶格常數(shù)在Sc 203與Si的晶格常數(shù)之間。這降低了 Sc203層3中的缺陷密度，因此提高了 AlzGai_zN層6的品質(zhì)。
[0030] 在現(xiàn)有技術(shù)中已知的化學(xué)氣相沉積（CVD)、分子束外延（MBE)、脈沖激光沉積 (PLD)或濺射技術(shù)可用于在Si上沉積金屬氧化物層2。在MBE的情況下，所述沉積優(yōu)選在 400至800°C的溫度下以0. 1至10nm/min的速率進(jìn)行。任選地,氧可以1(Γ4至lO^Pa的壓 力存在。
[0031] 金屬氧化物層2可以具有其中0彡w彡1的組成和（111)晶格取 向。Mel是第一金屬，而Me2是第二金屬。金屬優(yōu)選選自其Me 203氧化物以立方Ia_3結(jié)構(gòu) 存在的金屬。該結(jié)構(gòu)與Si (111)表面的結(jié)構(gòu)相匹配，并且與之后的Sc203層3的結(jié)構(gòu)相同。 Mel、Me2和w的選擇使得金屬氧化物層2的晶格常數(shù)等于或小于基底晶片1的晶格常數(shù)并 且等于或大于Sc20 3層3的晶格常數(shù)。
[0032] 在一個實施方案中，w在基底晶片1的邊界處以數(shù)值wl起始，橫跨金屬氧化物層 2的厚度發(fā)生改變，以實現(xiàn)金屬氧化物層2的材料的晶格常數(shù)橫跨其厚度的改變，并且在 Sc203層3的邊界處以數(shù)值《2結(jié)束。在該實施方案中，優(yōu)選地選擇數(shù)值wl，從而使得在基底 晶片1與金屬氧化物層2之間的邊界處，基底晶片1與金屬氧化物層2的面內(nèi)晶格常數(shù)的 差別為0%至4% (優(yōu)選為0至2%)。優(yōu)選地選擇數(shù)值《2,從而使得金屬氧化物層2與有 待在后續(xù)的步驟c)中沉積的Sc20 3層3在所述層之間的邊界處的面內(nèi)晶格常數(shù)差別為0% 至4% (優(yōu)選為0至2%)。w優(yōu)選階梯式地改變，即w對于特定的厚度是保持恒定的，然后 w突然改變，然后又對于特定的厚度是保持恒定的。金屬氧化物層2可以包含適當(dāng)數(shù)量的此 類臺階，從而允許在所述層的w恒定的部分中的晶格松弛，并且允許在w突然改變的界面處 的缺陷湮沒。在階梯式逐級變化的層的情況下，具有恒定組成的單個子層的厚度優(yōu)選為至 少10nm。這是使該層完全松弛的最小厚度，條件是晶格錯配度在1%與10%之間。一般而 言，金屬氧化物層2的總厚度應(yīng)當(dāng)不超過lOOnm。
[0033] 第一金屬Mel可以是釔（Y)，第二金屬Me2可以是鈧（Sc)。Y20 3的面內(nèi)晶格常數(shù)大 約比Si (111)小2%。因此，在基底晶片1的界面處優(yōu)選以純的Y203 (即w=l)起始，隨著 金屬氧化物層2的厚度的增大，（優(yōu)選階梯式地）提高Sc203的分?jǐn)?shù)，在所述層的頂部以純的 Sc203 (即w=0)結(jié)束?？梢愿鶕?jù)EP1975988A1的教導(dǎo)選擇其他的組合和組成。
[0034] 還可以選擇w=l，即金屬氧化物層2僅由二元氧化物例如Y203組成。該層的厚度 典型地在1至lOOnm的范圍內(nèi)。一方面，在GaN過度生長期間必須保護(hù)Si基底晶片1不受 鎵侵蝕，另一方面，為了沉積高品質(zhì)的Sc203異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供平坦的表面。
[0035] 插入任選存在的金屬氧化物層2是有利的，這是因為以此方式可以由基底晶片1 至GaN層6逐步地調(diào)節(jié)晶格常數(shù)。Sc203層3與基底晶片1之間的晶格錯配度約為_8%。 金屬氧化物層2將該比較大的錯配度在至少兩個相界面處劃分成為較小的部分。
[0036] 然后，具有不同晶格常數(shù)的氧化物層(金屬氧化物層2及之后的Sc203層3)的堆疊 物用作防止在高溫下GaN與Si之間發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)的改善的緩沖。在僅有Sc203層的 情況下，大量的位錯傳播至后續(xù)的GaN層或者一般而言AlzGai_zN層的界面。鎵主要沿著位 錯擴散穿過氧化物層，并且可以到達(dá)硅基底晶片1的界面。在若干氧化物層的堆疊物的情 況下，形成較少的位錯，位錯部分地在各個相界面處湮沒，減少了到達(dá)Sc203層的表面的位 錯的數(shù)量。這阻礙了鎵原子擴散穿過氧化物層，并且保護(hù)硅界面不受鎵侵蝕。
[0037] 在實施了步驟b)的情況下，在后續(xù)的步驟c)中，在基底晶片1的至少一個表面上 或者在金屬氧化物層2的上表面上外延沉積具有（111)表面取向的Sc203單晶層3。厚度應(yīng) 當(dāng)足夠大，以確保該層是松弛的，并且完全覆蓋位于下方的層，但是不應(yīng)當(dāng)不必要地大，以 避免由于動力生長效應(yīng)導(dǎo)致的表面粗糙化。因此，Sc203層3的厚度為至少2nm并且不大 于500nm、優(yōu)選不大于200nm。
[0038] 將CVD、MBE、PLD或濺射技術(shù)用于沉積Sc203層3。在MBE的情況下，可以使用標(biāo)準(zhǔn) MBE源?？梢栽?00至800°C的溫度下以0. 1至10nm/min的速率進(jìn)行沉積。任選地，氧可 以10_4至K^Pa的壓力存在。
[0039] 在后續(xù)的步驟d)中，在Sc203層3的上表面上產(chǎn)生具有（111)表面取向的ScN單 晶層4。上文中描述了該層的效果。該層的厚度優(yōu)選為至少2且不大于500nm、更優(yōu)選不大 于200nm。Si (111)上的ScN (111)薄膜趨向于以柱狀結(jié)構(gòu)特性生長，導(dǎo)致隨著厚度的增 長，表面明顯地粗糙化。因此，相對于ScN與Si，ScN與Sc203之間的晶格錯配度更小，其作 為層厚度的函數(shù)，在缺陷和粗糙度方面，允許使ScN層的品質(zhì)最優(yōu)化。根據(jù)這些觀點，ScN層 4的厚度應(yīng)當(dāng)在2至200nm的范圍內(nèi)。
[0040] 在Sc203層3與ScN層4之間的界面處，可以取決于工藝條件形成薄的氧氮化鈧 層。該中間層不會損害ScN層的功能。
[0041] 在步驟d)的第一實施方案中，Sc203層3的表面通過將該表面在200至1200°C的 溫度下暴露于包含氮源的氣氛中而轉(zhuǎn)化成為ScN,從而產(chǎn)生ScN層4。Sc203 (111)表面的 該氮化過程提供厚度為幾個nm的ScN (111)層4。因為該材料具有明顯的粗糙化趨勢，所 以薄的層是優(yōu)選的。通過該方法，可以獲得厚度為2至10nm的單晶層。
[0042] 氮源是含氮的氣體，優(yōu)選為NH3 (在氫（H2)或氮（N2)的氣氛中稀釋)，或者是含氮的 等離子體。等離子體源可以選自已知的等離子體源，例如電子回旋共振（ECR)或射頻（rf) 等離子體源。
[0043] 含氮的氣體或等離子體與Sc203層3的表面反應(yīng)，并且部分或完全地用形成ScN層 4的氮（N)原子代替氧（0)原子。ScN層4的厚度取決于氮化時間、溫度、氮氣體或等離子體 源的流量和分壓。ScN層4的殘余應(yīng)變或松弛度取決于該層的厚度。
[0044] 在不同表面上吸附NH3的研究表明，隨著溫度的升高，NH3脫氫的速率升高，從而最 終只有氮原子留在該表面上。在Sc 203上在提高的溫度下，大部分吸附的NH3發(fā)生完全的脫 氫作用，只有吸附的氮原子留在該表面上。一些氫原子重新結(jié)合，并且從該表面作為H 2解 吸，一些氫原子可以與由Sc203表面擴散出的氧結(jié)合，并且作為H 20解吸。一些吸附的氮原 子擴散進(jìn)入Sc203中，并且與鈧和氧原子的網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)。擴散的氮代替氧與鈧鍵結(jié)，并形成薄 的ScN層。
[0045] 在步驟d)的第二實施方案中，通過在Sc203層3的表面上沉積鈧層及隨后使該鈧 層氮化而產(chǎn)生ScN層4。
[0046] 可以通過在Sc203層3的表面上在氮環(huán)境中蒸鍍Sc金屬薄層而實現(xiàn)Sc層的沉積。 合適的工藝是分子束外延（MBE)、金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積（M0CVD)或濺射技術(shù)。然 后，對Sc覆蓋的模板實施如上在步驟d)的第一實施方案中所述的氮化過程，將鈧層的表面 在200至1200°C的溫度下暴露于包含氮源的氣氛中。這兩個步驟可以重復(fù)若干次，以獲得 具有所期望的厚度的ScN層。
[0047] 在步驟d)的第三實施方案中，在Sc203層3的表面上通過外延沉積產(chǎn)生ScN層4。 使用被加熱至1300至1450°C的溫度的鈧瀉流室（scandium effusion cell)以及包含NH3 的環(huán)境(優(yōu)選為等離子體的形式）的MBE技術(shù)可用于沉積ScN層?；诇囟葍?yōu)選在450與 650°C之間。
[0048] 若期望厚度超過10nm的ScN薄膜，其是通過使Sc203表面氮化無法產(chǎn)生的，則第二 和第二實施方案是特別優(yōu)選的。
[0049] 在隨后在步驟e)或f)中生長第III族氮化物的溫度上升期間，ScN層4優(yōu)選在 包含NH 3或H2或NH3與H2的混合物的環(huán)境中進(jìn)行退火。退火可以有助于使ScN層完全松 弛，以降低表面粗糙度并消除點缺陷。取決于氣氛，可以使得用于生長下一層的表面終結(jié)過 程最優(yōu)化。例如，NH 3獲得N終結(jié)的表面。此外，若在比步驟d)的溫度更高的溫度下生長下 一層(在步驟e)或f)之一中)，則優(yōu)選在包含NH 3的環(huán)境中對ScN層4進(jìn)行退火，從而使在 溫度升高期間由ScN發(fā)生氮分解的程度最小化。
[0050] 在隨后的任選實施的步驟e)中，可以在ScN層4的表面上外延沉積具有其中 0彡X彡1且0〈y〈l的組成（AlxGadySChN的單晶金屬氮化物層5。根據(jù)K. Shimada et al.，Semicond. Sci. Technol. 27 (2012)，105014 的理論研究，（AlxGah) ySc卜yN 合金以六方纖 鋅礦結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)晶，在晶胞中Sc和IIIA-V原子的排列方式取決于合金組成?？梢允褂脼R 射（M.Akiyama et al，Appl.Phy. Lett. 95, 162107 (2009)和 M.E. Little et al，Appl.Phy. Lett. 78, 2891 (2001))或 MBE (C. Constantin et al.，Phys. Rev. B70, 193309 (2004))或 M0CVD技術(shù)生長該任選存在的層。根據(jù)沉積該層的目的選擇x和y的實際數(shù)值。
[0051] 無論實際的組成如何，包含特定分?jǐn)?shù)的ScN的過渡層有助于所述表面更好地被 A1ZG&1_ZN浸潤，允許在生長的初期階段使生長的A1 ZG&1_ZN完全聚結(jié)。
[0052] 在第一實施方案中，金屬氮化物層5的組成逐級變化，以實現(xiàn)從ScN層4至由 A1ZG&1_ZN組成的頂層6的平滑過渡。在此情況下，X和y在ScN層4的邊界處分別以數(shù)值 xl和yl起始，橫跨金屬氮化物層5的厚度發(fā)生改變，以實現(xiàn)金屬氮化物層5的材料的晶格 常數(shù)橫跨其厚度的改變，在AlzGai_zN層的邊界處分別以數(shù)值x2和y2結(jié)束。優(yōu)選地選擇數(shù) 值xl和yl，從而使得在所述層之間的邊界處，金屬氮化物層5與ScN層4的晶格常數(shù)的差 別為0%至1 %。優(yōu)選地選擇數(shù)值x2和y2,從而使得在所述層之間的界面處，金屬氮化物層 5與AlzGai_ zN層6的晶格常數(shù)的差別為0%至1%。最優(yōu)選地，y2=l且x2對應(yīng)于A1ZG&1_ ZN 層6的組成，這允許實現(xiàn)在金屬氮化物層5與A1ZG&1_ZN層6之間完美的晶格匹配。
[0053] 在第二實施方案中，選擇金屬氮化物層5的組成，從而使金屬氮化物層5的晶格常 數(shù)變得小于后續(xù)沉積的A1 ZG&1_ZN層6的晶格常數(shù)。這可以通過與A1ZG &1_ZN層6相比金屬 氮化物層5的更高的A1含量實現(xiàn)。此外，金屬氮化物層5必須至少部分地或者優(yōu)選完全 地是松弛的。在此情況下，后續(xù)的A1 ZG&1_ZN層6在金屬氮化物層5的表面上在壓應(yīng)變下生 長。這減少了晶片的翹曲，翹曲是在沉積A1 ZG&1_ZN層6之后在其冷卻至室溫時由于后續(xù)層 的熱膨脹系數(shù)高而產(chǎn)生的。
[0054] 在實施了步驟e)的情況下，在后續(xù)的步驟f)中，在ScN層4的頂部或者在金屬氮 化物層5的頂部外延沉積由A1 ZG&1_ZN (0彡z彡1)組成的、具有（0001)表面取向的單晶層 6。總的層厚度可以最大為10ym。該層可以由若干（1至20)個子層組成，這些子層具有其 中A1的分?jǐn)?shù)z在0至1的范圍內(nèi)的不同組成。子層厚度可以從1至lOOOnm改變。
[0055] 將M0CVD或MBE系統(tǒng)用于沉積A1ZG&1_ ZN層6。將基底樣品加熱至在1000至1150°C 的范圍內(nèi)的A1ZG&1_ZN沉積溫度。在M0CVD的情況下，優(yōu)選預(yù)先流通（pre-f low)金屬有機化 合物5秒至2分鐘，以浸潤預(yù)先沉積的層。生長溫度、反應(yīng)器壓力（3X 103 - 4X 104Pa)和氣 體流量可以取決于層中的A1含量由一個子層至另一個子層改變。
[0056] 在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案中，A1ZG&1_ ZN層6是GaN層（即z=0)。在此 情況下，因為GaN和ScN的面內(nèi)晶格常數(shù)完美匹配，優(yōu)選省略掉步驟e)，直接在ScN層4的 表面上沉積GaN。
[0057] 在AlzGai_zN層6的頂部，可以沉積有待在半導(dǎo)體晶片上產(chǎn)生的電子器件或光電子 器件的功能所需的其他的層。
[0058] 本發(fā)明致力于通過系統(tǒng)地由一層至下一層逐步地減少錯配度，利用多層結(jié)構(gòu)解決 晶格錯配問題。在Sc 203與GaN之間插入ScN，其晶格常數(shù)非常接近于GaN，這有助于減少 在氧化物緩沖與GaN層之間的晶格錯配度?？梢猿练e具有高的晶體品質(zhì)和低的缺陷密度的 GaN (或者一般而言是AlzGahN)頂層。
[0059] 實施例
[0060] 在步驟a)中，制造具有（111)表面的、直徑為100mm的、經(jīng)拋光的單晶硅基底晶片。 該晶片用緩沖的氟化銨（NH4F)水溶液進(jìn)行清潔。將基底晶片放入MBE系統(tǒng)中，在此實施該 方法的剩余階段。該晶片首先在MBE系統(tǒng)的負(fù)載保護(hù)中在200°C的溫度下脫氣20分鐘，然 后轉(zhuǎn)移至加工室內(nèi)，在此在超高真空中在700°C的溫度下退火10分鐘。
[0061] 在步驟b)中，在基底晶片的一個表面上沉積厚度為20nm的單晶Y203 ( 111)層。 使用標(biāo)準(zhǔn)ΜΒΕ源。在600°C的溫度下以lnm/min的速率進(jìn)行沉積。
[0062] 在步驟c)中，在Y203層的表面上沉積厚度為20nm的單晶Sc 203(lll)層。在500°C 的溫度下以lnm/min的速率進(jìn)行沉積。
[0063] 在步驟d)中，通過在氮等離子體中蒸鍍鈧而在Sc203 ( 111)層的表面上以巖鹽晶 體結(jié)構(gòu)生長厚度為200nm的單晶ScN (111)層。基底溫度固定在600°C。鈧瀉流室的溫度 為 1400。。。
[0064] 通過X射線衍射（XRD)表征ScN層。圖2和3所示為作為各個角的函數(shù)的強度I (每秒計數(shù)，cps)。圖2所示為鏡面theta/2theta測量的結(jié)果。這表明ScN層具有（111)表 面取向。沒有檢測到ScN的其他取向。然而，仍然存在由于在Sc 203 ( 111)表面上（111)取 向的類fee構(gòu)型的巖鹽ScN薄膜的立方堆疊順序改變而產(chǎn)生孿晶的可能性。這些孿晶層是 高度有缺陷的，需要加以避免。圖3所示的在Si和ScN晶格的{111}晶面族上的phi掃描 表明，完全抑制了孿晶，因此可以獲得真正的單晶ScN (111)。
[0065] 在最后的步驟f)中，在ScN層的表面上沉積厚度為500nm的單晶GaN (0001)層。 在以下條件下以富N的方式生長GaN :基底溫度為720°C，Ga束等效壓（BEP)為2X10_5Pa， 氮流量為〇. 4sCCm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘)，射頻等離子體源的功率為300W。獲得光滑的GaN 單晶層。
【權(quán)利要求】
1. 半導(dǎo)體晶片，其包括以下給定順序的層： -主要由硅組成的、具有（111)表面取向的單晶基底晶片（1)， -具有（111)表面取向的單晶Sc203層（3)， -具有（111)表面取向的單晶ScN層（4)，及 -具有（0001)表面取向的、其中0彡z彡1的單晶A1ZG&1_ZN層（6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體晶片，其額外地在基底晶片（1)與Sc203層（3)之間包括單 晶的金屬氧化物層（2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體晶片，其中所述金屬氧化物層（2)具有立方la-3晶體結(jié)構(gòu) 和其中0彡w彡1的組成，其中Mel是第一金屬，Me2是第二金屬，其中所述 金屬氧化物層（2)位于基底晶片（1)與Sc 203層（3)之間，其中Mel、Me2和w的選擇使得金 屬氧化物層（2)的晶格常數(shù)等于或小于基底晶片（1)的晶格常數(shù)且等于或大于Sc 203層（3) 的晶格常數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的半導(dǎo)體晶片，其中所述Sc203層（3)的厚度為2至500nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的半導(dǎo)體晶片，其中所述ScN層（4)的厚度為2至500nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的半導(dǎo)體晶片，其額外地包括具有其中0 < X < 1且0〈y〈l 的組成（AlxGapJyScpyN的單晶的金屬氮化物層（5)，所述金屬氮化物層（5)位于ScN層（4) 與 AlzGai_zN 層（6)之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的半導(dǎo)體晶片，其中z=0。
8. 用于制造根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體晶片的方法，其包括以下給定順序的步驟： a )提供基底晶片（1)， c) 外延沉積Sc203層（3)， d) 產(chǎn)生ScN層（4)，及 f)外延沉積A1ZG&1_ZN層（6)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在步驟a)之后且在步驟c)之前，在額外的步驟b)中 外延沉積單晶的金屬氧化物層（2 )。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9之一的方法，其中借助CVD、MBE、PLD或濺射技術(shù)實施步驟c)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8至10之一的方法，其中在步驟d)中，Sc203層（3)的表面通過將該 表面在200至1200°C的溫度下暴露于包含氮源的氣氛中而轉(zhuǎn)化成為ScN，從而產(chǎn)生ScN層 (4)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8至10之一的方法，其中在步驟d)中，通過在Sc203層（3)的表面上 沉積Sc層，隨后將該Sc層的表面在200至1200°C的溫度下暴露于包含氮源的氣氛中，由此 將該Sc層轉(zhuǎn)化成為ScN層（4 )，從而產(chǎn)生ScN層（4 )。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8至10之一的方法，其中在步驟d)中，通過在Sc203層（3)的表面上 外延沉積ScN層（4 )而產(chǎn)生ScN層（4 )。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8至13之一的方法，其中在步驟d)之后且在步驟f)之前，在額外的 步驟e)中外延沉積具有其中0彡X彡1且0〈y〈l的組成（Al^GadyScVyN的單晶的金屬氮 化物層（5)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8至14之一的方法，其中借助MOCVD或MBE實施步驟f)。
【文檔編號】H01L21/316GK104051232SQ201410087745
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月12日
【發(fā)明者】S·B·塔帕, T·施羅德, L·塔爾納夫斯卡 申請人:硅電子股份公司