底上形成缓冲层的操作 SlOo
[0052]除仅由硅材料形成的基底以外，在当前示例性实施例中采用的硅基底可包括部分地由硅材料形成的基底。例如，也可使用绝缘体上硅(SOI)基底。硅基底的一个面可用作用于生长晶体的面。硅基底可掺杂有诸如P型杂质之类的特定导电类型杂质。例如，P型杂质可为选自B、Al、Mg、Ca、Zn、Cd、Hg和Ga构成的组中的至少一个。在特定示例中，P型杂质可由硼⑶形成。
[0053]P型杂质的掺杂浓度可设为使得娃基底的比电阻(specific resistance)为1Ωcm或更小。例如，P型杂质的掺杂浓度可在大约5X1017/cm3至大约I X 10 2°/cm3的范围内，进一步说，在从IX 11Vcm3至5 X 10 1Vcm3的范围内。
[0054]缓冲层可用于减小由硅基底与将在随后的处理步骤中形成的氮化物单晶体之间的晶格失配导致的位错，以减小由热膨胀系数之间的差异导致的变形，以及抑制裂纹的产生。缓冲层可形成为单层，或可具有包括多个层的多层结构。例如，缓冲层可包括AlN成核层和由含铝(Al)的氮化物晶体形成的晶格缓冲层。
[0055]接着，可将III族氮化物晶体形成在缓冲层上(S20)。
[0056]在该处理步骤中，III族金属源和氮源气体可被供应至反应室的内部，并且进行反应以在其中的加热的硅基底(即，缓冲层)上生长III族氮化物晶体。
[0057]可将III族金属源和氮源气体通过分离的供应线路供应至反应室。III族金属源可包括有机金属源气体(例如TMGa、TMAl、TMIn)和载有有机金属源气体的载体气体(例如N2、H2)。氮源气体可包括氢(H2)以及氨(NH3)和氮(N2) ο
[0058]与氮源气体混合的氢气可用作用于生长高质量氮化物单晶体所需的催化剂。在该处理中，氢在氮源气体中的体积分数可在20%至40%的范围内。通常，使用相当大量(体积分数大于或等于50% )的氢气作为必要的催化剂，但是本申请的发明人新提出了一种将氢在氮源气体中的体积分数保持在大约40%或更小的水平，或甚至在35%或更小的水平的方案。一定体积分数的氢可按照至少20%的量混合以用作必要的催化剂。在这些条件下，III族氮化物晶体层可以以商业上可行的2微米/小时至8微米/小时的生长速度生长。相反，在其中III族-氮化物晶体在只有氮(例如，没有氢)的条件下生长的情况下，有源区的一些部分的生长速率极低(例如，远低于I微米/小时)。
[0059]发明人已证实了可通过控制氢具有小体积分数来降低氮化物单晶体的生长温度，同时保持高晶体质量(请参照图9和图10)。氮源气体的氢的体积分数可转换为诸如摩尔分数、质量分数之类的不同单位。另外，氢(H2)的体积分数可表达为通过氮源气体线路供应至反应室的流率。为了获得以上效果，氢的流率可表示为在从20000sCCm (标准立方厘米/分钟)至70000sccm的范围内。
[0060]通过降低氢在氮源气体中的体积分数，具有优秀晶体质量的氮化物晶体甚至在约1040°C的温度(相对低的生长温度)也可生长。因此，通过降低生长温度，在按照该方式确保氮化物晶体质量的同时，可抑制或减小通过基底与氮化物单晶体之间的热膨胀系数差异导致的变形。另外，通过该方案，由于在具有大直径(例如，8英寸或更大)的晶圆中加剧的弯曲的发生(或曲率增大)导致的薄膜的厚度(具体地说，有源层的厚度)变化也可明显减小。另外，可明显减轻作为当氮化物晶体生长时硅基底面对的顽固问题的回熔现象。同时，生长温度的范围可设为至少950°C以确保优秀的氮化物晶体的生长。
[0061]在本公开中，生长温度是指基底的温度，该温度通过直接测量设置在反应室中的基底(或晶圆)的温度获得。尽管生长温度实际上对应于基底的温度，但生长温度可与在反应室的任何其它区中测量到的温度不同。例如，即使将基底的温度控制为大约1040°C，可在特定设备(例如，Axitron设备)中测量到其上设置有基底的承受器(或主盘)的温度为具有高于基底的实际温度的温度(例如，1150°C)。因此，在测量生长温度的过程中，需要考虑温度可根据沉积设备或测量位置而变化的事实。
[0062]调整氢在氮源气体中的体积分数的效果可描述如下。如本申请的发明人提出的那样，通过限制当氮化物晶体生长时供应的氢气的量，即使在相对低的温度下具有固定量的可用的氮，也可降低氢气与产生册13的氮基之间发生的不期望的副反应的可能性，因此充分地确保优秀晶体的生长而不产生空隙。新提出的限制氢气的供应可以被理解为带来降低生长温度同时保持高质量晶体的效果。
[0063]氮源气体可包括直接用作氮源气体的氮(N2)以及氨(NH3)。例如，氨(NH3)在整个氮源气体中的体积分数可为大约65%或更小，并且氮气可具有大约60%或更小的体积分数。
[0064]本申请的发明人提出的限制氢气的供应的方案可应用于晶格缓冲层的至少一部分或全部、缓冲层的一部分和III族氮化物晶体。具体地说，该方案可应用于GaN生长工艺，以在1040°C或更低的温度下生长高质量晶体。
[0065]同时，对于对应的层固有地在低温下生长的情况，或对于在氮源气体中不设置氢的情况，可不应用限制氢气的供应的方案。例如，缓冲层的AlN成核层在相对低的温度下生长，因此，可不向其应用限制氢气的供应的方案。另外，当在低生长温度下应用晶格缓冲层时，可不应用限制氢气的供应的方案。按照这种方式，即使部分地未应用氢气的体积分数条件(40%或更小)，在对应的阶段中的生长温度也可被控制为1040°C以抑制回熔现象。
[0066]将参照图2详细描述根据当前示例性实施例的氮化物单晶体的生长工艺。
[0067]图2是示意性地示出作为可用于本发明构思的示例性实施例中的薄膜沉积设备的示例的金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备的图。
[0068]图2所示的化学气相沉积设备100可包括:处理室120，其具有预定大小的内部空间；承受器130 (还称作“盘”)，其以可旋转的方式安装在处理室120中；加热单元140，其设置在承受器130下方；以及室盖150，其位于处理室120的上方以接纳将被引入处理室120中的源气体。
[0069]处理室120的内部空间可具有中空结构。处理室120可包括设置在其中的反应空间135，以允许供应至承受器130的上侧的源气体发生化学反应。这里，室盖150与承受器130之间的空间可限定为反应空间135。例如，反应空间135的高度可在大约1mm至20mm的范围内，但是本发明构思不限于此。
[0070]可利用具有优秀耐磨性、耐热性和耐蚀性的金属形成处理室120。例如，这种材料可为不锈钢(SUS)。还可利用与处理室120的材料相同或相似的材料形成室盖150和承受器 130。
[0071]承受器130可位于处理室120的中心部分中。处理室120的内部空间的中心轴线可与承受器130的旋转轴134的轴线基本相同。承受器130可包括具有盘形的袋132，其凹陷以允许用作沉积目标的诸如硅基底晶圆之类的晶圆(W)布置在其中。承受器130可具有多个袋132。
[0072]加热单元140可设置在承受器130下方，以将辐射热提供至承受器130。这种辐射热可加热布置在承受器130中的晶圆W。当被施加功率时产生热的作为一种热传递构件的加热单元140可被布置在对应于袋132的区域中。加热单元可选自电加热器、高频电感、红外福射和激光器。
[0073]各个袋132可包括具有预定曲率的凸出的底表面。即使诸如硅基底之类的晶圆W在生长工艺中弯曲，各个袋132的凸出的底表面也可用于相对均匀地接触和保持硅基底的空间，因此基于其位置有效地减小硅晶圆W中的温度变化。
[0074]室盖150可具有气密地密封处理室120以保持气密性并且能够相对于处理室120打开和关闭的结构。室盖150可具有设置在处理室120上方的莲蓬头型喷射结构，以朝着在下方旋转的承受器130竖直地喷射源气体。
[0075]莲蓬头型喷射结构可包括第一源供应单元151和第二源供应单元152。第一源供应单元151可具有用于容纳通过第一进气管161引入的第一源气体Gl的第一储存室155。第二源供应单元152可具有用于容纳通过第二进气管162引入的第二源气体G2的第二储存室158。
[0076]第一盖构件153可设置在第一储存室155与第二储存室158之间。第一盖构件153可具有用于喷射引入至第一储存室155的第一源气体Gl的多个第一喷射管154。第一喷射管154可穿过第二储存室158，并被构造为朝着承受器130竖直地喷射第一源气体Gl。
[0077]另外，第二盖构件156可设置在第二储存室158与承受器130之间。第二盖构件156可具有用于喷射引入至第二储存室158的第二源气体G2的多个第二喷射管157。第二喷射管157可被构造为朝着承受器130竖直地喷射第二源气体G2。
[0078]在III族氮化物半导体薄膜沉积处理中，第一源气体Gl可设为来自氮源165的氮源气体，并且用于第一源气体Gl的供应线路还被称作“氢化物线路”。通过所述线路供应的氮源气体可为N2气和H2气以及册13的混合物。第二源气体G2可作为与载体气体一起被携带的金属源从III族金属和/或掺杂物源166提供，并且用于第二源气体G2的供应线路还被称作“金属有机(MO)源线路”。通过所述线路供应的III族金属源可包括三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)和三甲基铟(TMIn)中的至少一个，以及根据需要包括掺杂物源。掺杂物源可为用于P型掺杂物的镁气体(Cp2Mg或(C5H5)2Mg)或用于η型掺杂物的镁气体(SiH4S Si 2Η6)。携带III族金属或掺杂物源166的载体气体可为氩、氮、氢、氦、氖、氙和它们的组合中的至少一个。沉积处理所需的源的选择和供应流率的调整可通过源供应控制器170来调整。
[0079]在莲蓬头型喷射结构中，第一源气体Gl可通过第一进气管161被引入至第一储存室155的内部，并且引入的第一源气体Gl可通过第一喷射管154流至反应空间135。另外，第二源气体G2可通过第二进气管162被引入至第二储存室158的内部，并且引入的第二源气体G2可通过第二喷射管157流至反应空间135。因此，第一源气体Gl和第二源气体G2可沿着承受器130的表面在反应空间135中发生化学反应，并且薄膜、反应产物可沉积在晶圆W的表面上。
[0080]在反应之后，残余的第一源气体Gl和第二源气体G2可从处理室120的中心朝着其外周流动，并且通过设置在处理室120的外周上的气体出口 163向外排放。可通过利用排放栗180执行该排放处理。另外，真空形成栗190可设为连接至气体出口 163，以在必要时(例如，在沉积处理之前)对处理室120的内部抽真空。
[0081]室盖150可具有诸如O型环之类的密封构件，以当结合至处理室120并相对于处理室120关闭时保持气密性。第一盖构件153和第二盖构件156可具有对应于室盖150的形状的整体圆形形状，并且可以以可拆卸的方式附接至室盖150。第一盖构件153和第二盖构件156可由具有优秀耐热性的材料形成。例如，第一盖构件153和第二盖构件156可由涂布有碳化硅(SiC)的石英或石墨形成。
[0082]可通过利用上述MOCVD设备来实现根据本发明构思的各种示例性实施例的制造氮化物晶体的方法。可按照各种形式来执行图1所示的生长工艺，也就是说，在硅基底上形成缓冲层和氮化物晶体的工艺。图3是示出图1所示的工艺的特定示例的流程图。
[0083]如图3所示，在硅基底上形成缓冲层的操作SlO可包括形成成核层的操作S12和在成核层上形成晶格缓冲层的操作S14。
[0084]根据当前示例性实施例的形成缓冲层的操作可始于在硅基底上形成成核层的操作 S12。
[0085]成核层可形成在硅基底的面上。成核层可提供具有改进的润湿性的生长表面。例如，成核层可由AlN形成。成核层可防止其中基底的硅与氮化物单晶体的镓反应以形成共晶金属的回熔现象。AlN成核层的形成可始于注射诸如三甲基铝之类的铝源的处理。首先注射Al源可防止娃基底首先暴露于氨以被硝化。例如，成核层可具有在几十nm至几百nm范围内的尺寸。
[0086]在操作S14中，晶格缓冲层可形成在成核层上。晶格缓冲层可具有形成在与将在稍后生长的氮化物晶体的界面中的位错环以降低位错密度。另外，晶格缓冲层可减轻与将在稍后生长的氮化物单晶体的晶格失配和热膨胀系数失配，以当晶体生长时有效地产生压应力，并且减小在冷却过程中产生的拉应力。晶格缓冲层可由含铝(Al)的氮化物晶体形成，并且可为单层或多层。例如，晶格缓冲层可