氣相生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠抑制在硅基板上形成氮化鎵時產(chǎn)生裂紋的氣相生長方法。實(shí)施方式的氣相生長方法為，在硅基板上形成單晶的氮化鋁膜，在氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜，在氮化鋁鎵膜上形成單晶的第一氮化鎵膜，以高于第一氮化鎵膜的形成工序的溫度以及生長速度，在第一氮化鎵膜上形成第二氮化鎵膜。
【專利說明】
氣相生長方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及在硅基板上形成氮化鎵的氣相生長方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為成膜高質(zhì)量的半導(dǎo)體膜的方法，存在外延生長技術(shù)，該外延生長技術(shù)通過氣相生長使單晶膜在晶圓等的基板上生長。在外延生長中，一邊對晶圓進(jìn)行加熱，一邊向晶圓表面供給作為成膜原料的源氣體等工藝氣體。在晶圓表面發(fā)生源氣體的熱反應(yīng)等，從而在晶圓表面成膜出外延單晶膜。
[0003]近年來，作為發(fā)光器件和功率器件的材料，氮化鎵(GaN)類的半導(dǎo)體器件受到關(guān)注。作為成膜出GaN類的半導(dǎo)體膜的外延生長技術(shù)，存在有機(jī)金屬氣相生長法(M0CVD法)。
[0004]例如，在硅(Si)基板上形成氮化鎵膜時存在如下的問題，S卩，當(dāng)?shù)壞さ哪ず褡兒駮r，由于硅與氮化鎵的熱膨脹系數(shù)等的差異而會在氮化鎵膜上產(chǎn)生裂紋。例如，在日本特許公開公報特許2006-128626號中，為了解決該問題而記載了如下的方法，S卩，在硅基板上形成氮化鋁(AlN)的緩沖層之后，以第一壓力形成第一氮化鎵，再以低于第一壓力的第二壓力形成氮化鎵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種能夠抑制在硅基板上形成氮化鎵時產(chǎn)生裂紋的氣相生長方法。
[0006]本發(fā)明的一個實(shí)施方式的氣相生長方法為，在硅基板上形成單晶的氮化鋁膜，在所述氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜，在所述氮化鋁鎵膜上形成單晶的第一氮化鎵膜，以高于所述第一氮化鎵膜的形成工序的溫度以及生長速度，在所述第一氮化鎵膜上形成單晶的第二氮化鎵膜。
[0007]在上述實(shí)施方式的氣相生長方法中，優(yōu)選為，以島狀形成所述第一氮化鎵膜，并將所述第一氮化鎵膜的高度的平均值設(shè)置為1nm以上10nm以下。
[0008]在上述實(shí)施方式的氣相生長方法中，優(yōu)選為，形成所述第一氮化鎵膜時的V/III比大于形成所述第二氮化鎵膜時的V/III比。
[0009]在上述實(shí)施方式的氣相生長方法中，優(yōu)選為，形成所述第一氮化鎵膜時的生長速度為3ym/hour以下。
[0010]在上述實(shí)施方式的氣相生長方法中，優(yōu)選為，形成所述第一氮化鎵膜時的溫度為950°C以上且小于1050°C，形成所述第二氮化鎵膜時的溫度為1000°C以上且小于IlOOcC。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，可提供一種能夠抑制在硅基板上形成氮化鎵膜時產(chǎn)生裂紋的氣相生長方法。
【附圖說明】
[0012]圖1是實(shí)施方式的氣相生長方法的工藝流程圖。
[0013]圖2是示出實(shí)施方式的氣相生長方法的示意剖面圖。
[0014]圖3是示出實(shí)施方式的氣相生長方法的示意剖面圖。
[0015]圖4是示出實(shí)施方式的氣相生長方法的示意剖面圖。
[0016]附圖標(biāo)記說明
[0017]10:娃基板
[0018]12:氮化鋁膜
[0019]14:氮化鋁鎵膜
[0020]16:第一氮化鎵膜
[0021]18:第二氮化鎵膜
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面，參照附圖，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0023]實(shí)施方式的氣相生長方法為，在硅基板上形成單晶的氮化鋁膜，在氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜，在氮化鋁鎵膜上形成單晶的第一氮化鎵膜，以高于第一氮化鎵膜的形成工序的溫度以及生長速度，在第一氮化鎵膜上形成單晶的第二氮化鎵膜。
[0024]圖1是實(shí)施方式的氣相生長方法的工藝流程圖。另外，圖2至圖4是示出實(shí)施方式的氣相生長方法的示意剖面圖。
[0025]本實(shí)施方式的氣相生長方法具備硅(Si)基板準(zhǔn)備步驟(S100)、氮化鋁膜(AlN)形成步驟(SllO)、氮化鋁鎵膜(AlGaN)形成步驟(S120)、第一氮化鎵膜(GaN)形成步驟(S130)、第二氮化鎵膜(GaN)形成步驟(S140)。在本實(shí)施方式中，通過MOCVD法進(jìn)行成膜。
[0026]首先，例如在氫(H2)中以1100°C進(jìn)行烘烤，準(zhǔn)備去除了自然氧化膜的(I 11)面的單晶的硅基板1 (S100)。硅基板1的厚度例如為300μπι以上1500μπι以下。
[0027]接下來，在硅基板10上形成單晶的氮化鋁(AlN)膜12(S110)。使氮化鋁膜12在硅基板10上外延生長。
[0028]對硅基板10進(jìn)行加熱，作為源氣體供給例如用氫(H2)進(jìn)行了稀釋的三甲基鋁(TMA)以及用氫(H2)進(jìn)行了稀釋的氨(NH3),由此使氮化鋁膜12生長。TMA是鋁(Al)的源氣體，氨是氮(N)的源氣體。
[0029]氮化鋁膜12的生長溫度例如設(shè)置為1000°C以上1200 °C以下。從提高氮化鋁膜12的結(jié)晶性的觀點(diǎn)來看，生長溫度優(yōu)選為100tC以上。氮化鋁膜12的膜厚例如設(shè)置為200nm以上300nm以下。
[0030]使含鎵(Ga)的單晶膜在硅基板10上外延生長時，氮化鋁膜12抑制硅與鎵之間發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致的含鎵的單晶膜的膜質(zhì)劣化，并抑制硅基板復(fù)熔。另外，發(fā)揮作為緩解硅與含鎵的單晶膜之間的晶格失配的緩沖層的作用。
[0031]接下來，在氮化鋁膜12上形成單晶的氮化鋁鎵(AlxGau-x)N，其中0〈X〈1)膜14(S120，圖2)。使氮化鋁鎵膜14在氮化鋁膜12上外延生長。
[0032]對硅基板10進(jìn)行加熱，作為源氣體供給例如用氫(H2)進(jìn)行了稀釋的三甲基鋁(TMA)與三甲基鎵(TMG)、用氫(H2)進(jìn)行了稀釋的氨(NH3)，由此使氮化鋁鎵膜14生長。TMA是鋁(Al)的源氣體，TMG是鎵(Ga)的源氣體，氨是氮(N)的源氣體。
[0033]氮化鋁鎵膜14的生長溫度例如設(shè)置為1000°C以上1200°C以下。氮化鋁鎵膜14的膜厚例如設(shè)置為150nm以上500nm以下。
[0034]氮化鋁鎵膜14發(fā)揮作為緩解氮化鋁膜12與形成在氮化鋁鎵膜14上層的單晶鎵膜之間的晶格失配的緩沖層的作用。從緩解晶格失配的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選使氮化鋁鎵膜14中的鋁含量從氮化鋁鎵膜14向形成在氮化鋁鎵膜14上層的單晶鎵膜的方向降低。另外，氮化鋁鎵膜14具備如下功能，S卩，使從氮化鋁膜12延伸的位錯的朝向彎折，抑制位錯向形成在上層的單晶鎵膜延伸。
[0035]接下來，在氮化鋁鎵膜14上形成單晶的第一氮化鎵(GaN)膜16(S130，圖3)。第一氮化鎵膜16是在氮化鋁鎵膜14上以島形狀外延生長出來的島狀膜。
[0036]對硅基板10進(jìn)行加熱，作為源氣體供給例如用氫(H2)進(jìn)行了稀釋的三甲基鎵(TMG)、用氫(H2)進(jìn)行了稀釋的氨(NH3),由此使第一氮化鎵膜16生長。TMG是鎵(Ga)的源氣體，氨是氮(N)的源氣體。
[0037]此時，將島狀的第一氮化鎵膜16的高度(圖3中的h)的平均值例如設(shè)置為1nm以上10nm以下，并將寬度(圖3中的w)的平均值設(shè)置為1nm以上50nm以下。例如，通過利用SEM(Scanning Electron Microscope:掃描電子顯微鏡)觀察第一氮化鎵膜16生長后的剖面，能夠求出第一氮化鎵膜16的高度。
[0038]而且，將形成第一氮化鎵膜16時的V/III比設(shè)置為例如1000以上。在此，V/III比是指，作為外延生長氮化鎵時的鎵(III族元素)的源氣體的TMG與作為氮(V族元素)的源氣體的氨的流量比。各源氣體的流量單位為μηιο I /m i η。
[0039]另外，將形成第一氮化鎵膜16時的生長速度例如設(shè)置為3ym/h0Ur以下，將溫度設(shè)置為例如950°C以上且小于1050°C，將壓力例如設(shè)置為20kPa以上35kPa以下。
[0040]接下來，以高于第一氮化鎵膜16的形成工序的溫度以及生長速度，在島狀的第一氮化鎵膜16上形成單晶的第二氮化鎵(GaN)膜18(S140，圖4)。使第二氮化鎵膜18在第一氮化鎵膜16上層狀地外延生長。
[0041]對硅基板10進(jìn)行加熱，作為源氣體供給例如用氫(H2)進(jìn)行了稀釋的三甲基鎵(TMG)、用氫(H2)進(jìn)行了稀釋的氨(NH3),由此使第二氮化鎵膜18生長。TMG是鎵(Ga)的源氣體，氨是氮(N)的源氣體。
[0042]第二氮化鎵膜18的膜厚例如設(shè)置為3μπι以上ΙΟμπι以下。例如，通過利用SEM觀察第二氮化鎵膜18的生長后的剖面，能夠求出第二氮化鎵膜18的膜厚。
[0043]將形成第二氮化鎵膜18時的V/III比設(shè)置為1000以下。另外，將形成第二氮化鎵膜18時的生長速度設(shè)置為高于形成第一氮化鎵膜16時的生長速度，例如設(shè)置為3ym/hoUr以上。另外，將形成第二氮化鎵膜18時的溫度例如設(shè)置為100tC以上且小于1100°C，將壓力例如設(shè)置為20kPa以上35kPa以下，并設(shè)置成與形成第一氮化鎵膜16時的壓力相同。
[0044]此外，能夠向第二氮化鎵膜18的一部分或者全部添加例如硅(Si)和鎂(Mg)等的摻雜劑。
[0045]接下來，對實(shí)施方式的作用以及效果進(jìn)行說明。
[0046]在硅基板上形成氮化鎵膜時，當(dāng)?shù)壞さ哪ず褡兒駮r，有可能會由于硅與氮化鎵的熱膨脹系數(shù)等的差異而在氮化鎵膜上產(chǎn)生裂紋。認(rèn)為這是由于在形成氮化鎵膜的過程中在氮化鎵膜中產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力而引起的。尤其是在加快氮化鎵膜的生長速度的情況下，容易產(chǎn)生裂紋。
[0047]在本實(shí)施方式中，使第一氮化鎵膜16島狀地三維生長。此時，對氮化鋁鎵膜14表面的核形成的密度進(jìn)行控制，使得在島狀的第一氮化鎵膜16生長到足夠的高度之前不會在側(cè)面發(fā)生接觸。之后，以高于第一氮化鎵膜16的生長速度使第二氮化鎵膜18層狀地生長。通過該方法，能夠在對氮化鎵膜施加壓縮應(yīng)力的狀態(tài)下進(jìn)行氮化鎵膜的形成。因此，既能夠抑制裂紋的產(chǎn)生，又能夠?qū)崿F(xiàn)氮化鎵膜的高速生長。另外，能夠成膜出降低了結(jié)晶缺陷的氮化鎵膜。
[0048]在以島狀形成第一氮化鎵膜16時，優(yōu)選將島狀的第一氮化鎵膜16的高度(圖3中的h)的平均值設(shè)置為1nm以上10nm以下，并將寬度(圖3中的w)的平均值設(shè)置為1nm以上50nm以下。當(dāng)?shù)陀谏鲜龇秶鷷r，在成膜第二氮化鎵膜18時，有可能不會使第二氮化鎵膜18的應(yīng)力變?yōu)閴嚎s應(yīng)力。另外，第二氮化鎵膜18的結(jié)晶性有可能會劣化。當(dāng)高于上述范圍時，有可能會使第二氮化鎵膜18的表面形態(tài)劣化。從使第二氮化鎵膜18的表面平坦的觀點(diǎn)來看，第一氮化鎵膜16的高度的平均值優(yōu)選為50nm以下。
[0049]從抑制第一氮化鎵膜16的生長速度、提高結(jié)晶性、使其島狀地三維生長的觀點(diǎn)來看，形成第一氮化鎵膜16時的V/ III比優(yōu)選為1000以上。從提高第一氮化鎵膜16的結(jié)晶性、使其島狀地三維生長的觀點(diǎn)來看，形成第一氮化鎵膜16時的生長速度優(yōu)選為3ym/hoUr以下，溫度優(yōu)選為950°C以上且小于1050°C，壓力優(yōu)選為20kPa以上35kPa以下。
[0050]另外，從加快第二氮化鎵膜18的生長速度、提高生產(chǎn)效率的觀點(diǎn)來看，形成第二氮化鎵膜18時的V/III比優(yōu)選為1000以下，更優(yōu)選為500以下。優(yōu)選為，形成第二氮化鎵膜18時的V/111比小于形成第一氮化鎵膜16時的V/III比。而且，從提高生產(chǎn)效率的觀點(diǎn)來看，第二氮化鎵膜18的生長速度優(yōu)選為3ym/hour以上。
[0051]進(jìn)一步，從使第二氮化鎵膜18的生長速度快于第一氮化鎵膜16的生長速度的觀點(diǎn)來看，以1000°C以上且小于1100°C、并且高于第一氮化鎵膜16的形成工序的溫度進(jìn)行第二氮化鎵膜18的形成。而且，從提高生產(chǎn)效率的觀點(diǎn)來看，形成第二氮化鎵膜18時的壓力優(yōu)選為20kPa以上35kPa以下，并與形成第一氮化鎵膜16時的壓力大致相同。
[0052]根據(jù)本實(shí)施方式的氣相生長方法，能夠抑制在硅基板上形成膜厚較厚的氮化鎵時產(chǎn)生裂紋。另外，能夠高速成膜出降低了結(jié)晶缺陷的膜厚較厚的氮化鎵膜。
[0053]以上，參照具體示例對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明。上述實(shí)施方式僅僅是作為例子而列舉出來的，并非對本發(fā)明進(jìn)行的限定。另外，可以適當(dāng)?shù)亟M合各實(shí)施方式的構(gòu)成要素。
[0054]在實(shí)施方式中，在氣相生長方法等中省略了對說明本發(fā)明無直接必要的部分等，但是可以適當(dāng)?shù)剡x擇并使用必要的部分等。其他具備本發(fā)明的要素且本領(lǐng)域的技術(shù)人員可通過適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行設(shè)計變更而得到所有的氣相生長方法包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求及其同等物的范圍確定。
【主權(quán)項】
1.一種氣相生長方法，其特征在于， 在硅基板上形成單晶的氮化鋁膜， 在所述氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜， 在所述氮化鋁鎵膜上形成單晶的第一氮化鎵膜， 以高于所述第一氮化鎵膜的形成工序的溫度以及生長速度，在所述第一氮化鎵膜上形成單晶的第二氮化鎵膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣相生長方法，其特征在于， 以島狀形成所述第一氮化鎵膜，并將所述第一氮化鎵膜的高度的平均值設(shè)置為1nm以上10nm以下。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣相生長方法，其特征在于， 形成所述第一氮化鎵膜時的V/III比大于形成所述第二氮化鎵膜時的V/III比。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣相生長方法，其特征在于， 形成所述第一氮化鎵膜時的生長速度為3Mi/h0ur以下。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣相生長方法，其特征在于， 形成所述第一氮化鎵膜時的溫度為950°C以上且小于1050°C，形成所述第二氮化鎵膜時的溫度為1000 0C以上且小于1100 °C。
【文檔編號】H01L21/205GK106057658SQ201610218148
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月8日 公開號201610218148.1, CN 106057658 A, CN 106057658A, CN 201610218148, CN-A-106057658, CN106057658 A, CN106057658A, CN201610218148, CN201610218148.1
【發(fā)明人】高橋英志, 佐藤裕輔
【申請人】紐富來科技股份有限公司