专利名称：第Ⅲ族元素氮化物层的单步骤悬挂和侧向外延过生长的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子器件结构和制造方法，并且尤其涉及通过悬挂(pendeo-)和侧向外延过生长(overgrowth)而实施的第III族元素氮化物半导体结构及制造方法。
现在还不能得到商用的高性能大块GaN晶体。因此，一般作为异质外延层在下面的非GaN衬底上制造GaN晶体。但不幸的是，GaN与大多数合适的衬底晶体有较大的晶格错配度。例如，GaN与蓝宝石有15％的晶格错配度，与碳化硅有3.5％的晶格错配度。衬底与外延层之间的晶格错配会导致产生螺(threading)位错，这种位错可以扩展并穿过正在生长的外延层。即使借助于氮化铝缓冲层在碳化硅上生长，GaN外延层也会呈现出超过108/cm2的位错密度。这样的缺陷密度限制了GaN在诸如激光二极管的高灵敏电子器件中的应用。
由于GaN的侧向外延过生长(LEO)是首先被引入的、用以降低外延生长GaN膜中的位错密度的方法，所以它成为引起广泛兴趣的课题。该技术基本包含用具有开口图案的掩模掩盖下面的GaN层，并使GaN长大，穿过掩模并从侧向生长到掩模上。已经发现，相对于下面的GaN层或在掩模开口上面的GaN层，从侧向生长到掩模上的GaN层部分表现出明显更低的位错密度。这里所用的“侧向”或“水平”指的是通常与衬底表面平行的方向，而术语“垂直”指的是通常与衬底表面正交的方向。
常规LEO技术的一个缺点是需要单独的工艺步骤，用于生长下面的GaN膜，掩盖GaN膜，然后使侧向层生长。由于在低温下在GaN层的形核期间会在掩模上产生有害的形核，所以在LEO的早期实施例中不直接将掩模放在非GaN衬底上，以防止邻近侧向生长区域聚结(coaleseing)(如果不需要聚结，也可防止侧向生长到所需距离)。由于不需要低温形核，并且GaN的生长温度非常高，一般高于1000℃，所以当掩模被直接放在GaN层上时，在掩模上的有害形核一般不会产生问题。在高温生长的过程中，由于与在掩模上相比，在氮化镓衬底表面上的镓原子有较高的粘着系数，所以不会在掩模上产生有害形核。
通过单步骤的“LEO”工艺一定程度上克服了这种缺点。Shealy等发明这样一种工艺，通过这种工艺，用氮化硅掩盖下面的SiC或蓝宝石衬底。将这种工艺被称为″单步骤″是由于它不需要在衬底和掩模之间生长GaN中间层。Shealy发现最大限度降低氮化硅掩模上的形核，会容许在掩模上生长侧向生长的GaN的相对无缺陷层。但是，在一定的条件下，要求避免最大程度减少掩模上的形核，而仍可在单步骤中使GaN的相对无缺陷层生长。发明概述因此，在本领域中，需要这样一种方法在单步骤工艺中制造相对无缺陷的氮化镓单晶膜的方法，而不必最大限度减少掩模层上的形核。
并且，在本领域中，还需要这样一种方法在单步骤工艺中制造相对无缺陷的氮化镓单晶膜的方法，而不必最大限度减少掩模层上的形核，该掩模层提供导电性缓冲层，以容许导电衬底和氮化镓的外延层之间的电连通。
本发明的目的在于提供这样一种方法在单步骤工艺中制造相对无缺陷的氮化镓单晶膜的方法，而不必最大限度减少掩模层上的形核。
本发明的另一目的在于提供这样一种方法在单步骤工艺中制造相对无缺陷的氮化镓单晶膜的方法，而不必最大限度减少掩模层上的形核，该掩模层提供导电性缓冲层，以容许导电衬底和氮化镓的外延层之间的电连通。
通过在衬底上制造氮化镓基半导体结构的方法实现上述目的以及其它目的。该方法包含下列步骤直接在衬底上形成具有至少一个开口的掩模，通过所述至少一个开口使缓冲层生长，并且由所述缓冲层向上并侧向穿过所述掩模使氮化镓层生长。在氮化镓从掩模中的生长过程中，使氮化镓层的垂直生长速率和侧向生长速率保持足以防止多晶材料在所述掩模上的形核阻止氮化镓层的侧向生长的速率。
在另一实施例中，这种方法包含下列步骤在衬底中形成用以限定邻接沟槽(trench)的至少一个高出部分(raised portion)，在衬底上形成掩模，该掩模在高出部分上的上表面上具有至少一个开口。缓冲层可以从高出部分的上表面上生长。然后氮化镓层在沟槽上悬挂外延(pendeoepitaxy)进行侧向生长。
在另一实施例中，本发明提供位于衬底上的氮化镓基半导体结构。该结构包含衬底和至少其中具有一个窗口的掩模，该掩模被直接置于衬底的上表面上。氮化镓的过生长层从掩模窗口向上延伸并穿过掩模侧向延伸，在该掩模上多晶材料已经形核并生长。
在另一实施例中，衬底包含至少一个用以限定邻近沟槽的高出部分。掩模结构覆于衬底，并且掩模中的窗口至少暴露部分高出部分上表面的一部分。氮化镓的过生长层从掩模窗口向上延伸并在沟槽上侧向延伸并越过掩模延伸，多晶材料已经在该掩模上形核和生长。
图2为衬底的俯视图，在该衬底上，对掩模进行了刻图。
图3为衬底的截面图，在该衬底上，通过LEO在导电缓冲层上使GaN层外延生长。
图3A为衬底的截面图，在该衬底上，通过LEO在导电缓冲层上使GaN层外延生长，但该GaN还没有聚结。
图4为衬底的截面图，在该衬底上，掩模上的过度形核阻止了GaN的侧向生长。
图5为衬底的截面图，在该衬底上，根据本发明的一个方面外延生长GaN层。
图6为衬底的截面图，在该衬底上，根据本发明的另一个方面外延生长GaN层。
图6A为衬底的截面图，在该衬底上，形成一对高出部分并淀积掩模层。
图6B为衬底的截面图，在该衬底上，使用自排列技术形成一对高出部分并淀积掩模层。
图7为截面的SEM图像，该图像表明位于掩模上的晶体形核阻止了GaN层的侧向生长。
图8为两个GaN条带的俯视SEM图像，其中，位于下面的掩模中的微晶扰乱了外延生长。
图9为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带根据本发明的一个实施例使用反射性掩模层生长。
图10为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带根据本发明的一个实施例生长，直到邻近区域在反射性掩模上聚结。
图11为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带通过Si3N4掩模在导电缓冲层上生长。
图12为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带根据本发明的第二个实施例生长。
图13为GaN条带的俯视SEM图像，该GaN条带根据本发明的所述第二实施例生长。
图14为根据本发明生长的GaN层的截面TEM(透射电镜)图像。
图15为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带根据本发明在保持侧向生长速率与侧向生长速率的比为4.2∶1的条件下生长。
图16为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带根据本发明在保持侧向生长速率与侧向生长速率的比为1∶1的条件下生长。
发明详述下面参照附图对本发明进行更全面的说明，其中，给出发明的优选实施例。但是可以用许多不同的形式使本发明具体化，并且不应理解为仅限于这里所述的实施例。然而，提供这些实施例可以使发明的内容变得完全和彻底，并对熟练的技术人员表达出本发明的范围。通篇中相同的数字代表相同的元件。并且，对图中所示不同各层和区域进行示意性说明。熟练的技术人员可以理解，这里所述的在衬底或其它层“上”形成的层指的是，直接在衬底或其它层之上形成的层，或在一个或多个形成于衬底上的中间层或其它层上形成的层，该中间层或多个中间层在衬底或其它层上形成。这里所述的”直接在”在衬底或其它层上形成的层指的是，在没有中间层或多个中间层的情况下在衬底或其它层上形成的层，该中间层或多个中间层在衬底上形成。本发明不限于附图中所用的相对尺寸和间距。
在A.Usui的题目为“通过氢化物气相外延实施的低位错密度的厚GaN的外延生长”的文章中对基本的LEO技术进行了描述，该文章于1997年发表于“日本应用物理杂志”第36卷第L899-902页。在下列专利中说明了包含悬挂外延技术的各种不同LEO技术于1998年2月27日申请的题目为“氮化镓半导体结构，它包含从下面氮化镓层上延伸的侧向氮化镓层”的美国专利申请系列号09/032190，于1998年2月27日申请的题目为“包含侧向偏移刻图层的氮化镓半导体结构”的专利申请系列号09/031843，于1998年11月24日申请的题目为“通过从掩模柱(masked posts)的侧壁侧向生长在碳化硅衬底上制造氮化镓半导体层的悬挂外延方法及由此制成的氮化镓半导体结构”的专利申请系列号09/198784，于1998年6月10日申请的题目为“通过从侧壁到沟槽的侧向生长制造氮化镓半导体层的方法及由此制成的氮化镓半导体结构”专利申请系列号60/088,761，在此引入各专利的内容作为参考。
现在参照示出衬底10的图1，在该衬底上淀积有包含条带14a和14b的掩模层14。虽然可以周期性或非周期性地向两边延伸条带图案，但为了方便仅示出条带14a和14b。条带14a和14b的特征在于，它们具有宽度(w)，并且被具有窗口长度(l)的掩模开口或窗口6分开。将条带14a的边缘与14b的相应边缘之间的距离定义为掩模图案的周期，该周期至少对于条带14a和条带14b，使得p＝w+1。
可以使用等离子增加化学气相淀积(PECVD)、溅射、电子束淀积、热氧化或其它淀积技术对掩模层进行淀积，并用标准光刻技术进行刻图。在S.M.Sze所著“超大规模集成电路技术”一书第二版第6章中详细说明了PECVD的工艺，该书于1988年在McGraw-Hill出版。光刻技术为熟练的技术人员所熟知。
如图2所示，条带14a和14b优选沿(0001)面上的<1100>晶向取向。(这里所用的晶体标注规范为熟练的技术人员所熟知，不需作进一步的说明。)掩模层14可以包含氮硅化合物(SixNy)或二氧化硅(SiO2)或其它适当的掩模材料。如果要将所制成的结构用于诸如LED或激光二极管的光学装置，掩模层14可以包含反射性金属或难熔金属，该金属可以在氨或氢气氛中保持稳定，它的熔点超过约1200℃，并对所需波长有反射作用。这种金属诸如钨(W)和铂(Pt)。或者，掩模层可以包含布拉格反射器(Bragg reflector)，该反射器可以包含SixNy和SiO2或其它氧化物的交替叠层，它的设计为熟练的技术人员所熟知。
衬底可为碳化硅、蓝宝石(Al2O3)、硅、ZnO或其它所有类似适当的衬底。碳化硅衬底的优点有多个方面。碳化硅提供与GaN相近的晶格匹配及热膨胀匹配，具有热稳定性和化学稳定性，具有自然解理面，具有高的热传导率，对直到380nm的可见光透明。并且，碳化硅明显的优点是它具有导电性，容许制造垂直结构的装置。碳化硅可以具有多种类型(多型)4H、6H、3C或15R。但优选衬底为6H-SiC(在轴上)。
衬底10的制造为熟练的技术人员所熟知。例如在下列专利中对碳化硅衬底的制造进行了说明Palmour等的美国专利申请号4865685、Davis等的Re34861、Kong等的4912064和Palmour等的4946547。在此引入这些专利的内容作为参考。蓝宝石和硅衬底的制造为熟练的技术人员所熟知，不需作详细说明。
现在参照图3，可以首先通过在衬底10表面上生长缓冲层12而制造外延层20。外延层20可以包含氮化镓或第III族元素氮化物合金，诸如氮化镓铝(AlGaN)、氮化镓铟(InGaN)、氮化镓铟铝(AlInGaN)。对于SiC衬底，缓冲层优选包含AlxGa1-xN层12，其中x代表合金中铝的摩尔分数，且0＜x≤1。对于碳化硅衬底，缓冲层12可以具有如共同转让的共同未决美国专利申请系列号08/944547中所述的结构，该专利题目为“在具有导电性缓冲中间层结构的碳化硅衬底上的第III族元素氮化物光子装置”，于1997年10月7日申请，在此引入该发明的内容作为参考。
最上面的缓冲层优选包含摩尔百分比为9-12％的铝，并且其厚度约为1000-5000。在淀积缓冲层之前，通过在SiC衬底上形成盖状的GaN点，可以使缓冲层12与SiC衬底之间导电，如美国专利申请系列号08/944547中所述。
对蓝宝石或硅衬底，可以生长低温GaN、AlN或AlGaN缓冲层。
如图3所示，可以使用气相外延(VPE)技术使AlGaN缓冲层12从掩模开口6中垂直生长，该气相外延技术诸如氢化物气相外延(HVPE)，或者更优选地诸如金属有机气相外延(MOVPE)。在优选实施例中，使缓冲层12生长直到其厚度大于掩模层14的厚度。一旦缓冲层12已达到所需的厚度，就通过VPE使外延层20生长，优选以与缓冲层相同的流程(run)或步骤使该外延层生长。
如图3A所示，外延层20除了垂直生长外还侧向(即平行于衬底表面)生长。在层20生长时，侧向生长前端22移动越过掩模条带14表面。
再次参照图3，在一个实施例中，使外延层20侧向生长直到生长前端22在界面24处聚结，以形成氮化镓的连续层20。但是，即使生长前端没有与相邻部分聚结，也可能在GaN的侧向过生长部分制造装置，所以不必要求所有应用条件下的生长前端都聚结。如图9所示，在邻近部分没有聚结的情况下可以制造层20的有用部分。例如，可以在层20没有聚结的区域制造激光二极管条带。对于LED的制造，优选聚结的层。例如，可以在根据本发明生长的氮化镓的发生聚结的层上制造宽为250μ、长为275μ的LED装置。
可以通过加入稀释剂H2的三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)和氨(NH3)前体使缓冲层12和过生长层20生长。在T.Weeds等的“使用高温单晶AlN缓冲层在α(6H)-SiC(0001)上通过有机金属外延淀积的GaN薄膜”一文中更详细地说明了合适的MOVPE生长技术，该文发表于1995年7月的应用物理快报第67卷第3期第401-403页。
当氮化镓层20生长时，一般在暴露的掩模条带14的上表面上开始多晶AlxGa1-xN30的形核和生长。如图4所示，如果AlxGa1-xN在掩模上的生长速率太快，就会阻止层20的侧向生长，阻止它形成所需宽度的侧向过生长材料，和/或阻止它与邻近区域聚结。在掩模上的多晶AlxGa1-xN基本上垂直生长，并阻碍单晶层20的侧向生长。
本发明人已经发现，通过控制层20的侧向生长速率和垂直生长速率，可以避免侧向生长的层20被多晶AlxGa1-xN30阻止。根据结构的几何形状，使层20相对于垂直生长速率增加一定量的侧向生长速率，那么不论在掩模上如何形核，都可以使层20生长到所需的距离。
也就是说，通过保持层20相对于垂直生长速率足够高的侧向生长速率，由于层20过生长任何在掩模上的多晶形核和生长，不必控制掩模上的形核。
作为特定例子，已经发现，通过保持侧向生长速率与垂直生长速率大于1∶1，就可以从具有Al浓度约为10％的形核层在条带上生长侧向过生长的GaN，该条带图案的宽度为5μ，周期为30μ。通过将侧向/垂直生长比保持为4∶1，就可以在宽度为25μ的条带上生长GaN层。如图5所示，当使侧向生长速率超过垂直生长速率足够的量时，层20的生长前端就会在生长于条带14a和14b上的多晶AlGaN长得足够大以至于阻止它们之前而聚结。
现在详细说明控制相关生长因素的机制。多种因素会控制过生长层20的侧向生长速率和垂直生长速率。其中一种控制因素是所谓的“充满因子”，这里它的定义是窗口长度(l)与条带周期(p)之间的比。对于给定的窗口长度，较大的充满因子(即对于给定的周期具有较大的窗口长度)导致较慢的垂直生长速率。反过来，对于给定的窗口长度，较低的充满因子导致垂直生长速率增加。控制侧向生长速率和垂直生长速率的其它因素为生长温度、源气体流量、源气体氮/镓的比和生长压力。
如果需要，一旦层20的侧向生长的生长前端22已经在掩模上聚结，那么可以调整生长条件以增加垂直生长速率。
虽然依据所用特定外延生长反应器的结构，但这里所述的速率的典型生长参数总结如下
表1.典型生长参数。
侧向生长速率应优选为约2-8μ/hr，且垂直生长速率应为约1-2μ/hr。可以通过下述参数使侧向生长速率为6.3μ/hr且使垂直生长速率为1.5μ/hr(4.2∶1的比)在1110℃的温度及200乇的压力下在SixNy刻图掩模上通过MOVPE使层20生长，在该掩模中，条带宽度为10μ，窗口宽度为25μ，周期为35μ，充满因子为0.71。在层20的生长过程中，N/Ga比优选为约2500。侧向生长与垂直生长速率的比可以超过4.2∶1。
为了使缓冲层生长，可使TMG在34.8μmol/min的条件下流动，可使TMA在6.5μmol/min的条件下流动，并且氨的流量为10slpm，其稀释剂H2的流量为15.5slpm。一旦缓冲层已经生长到所需的厚度，可以在下列条件下使层20生长，直到GaN层已经生长到所需厚度TMG在309μmol/min的条件下流动，氨的流量为17slpm，稀释剂H2的流量为22.5slpm。
可以在1060℃的温度和200乇的压力下在SixNy条带的刻图掩模上通过MOVPE使层20生长，以实现4.2μ/hr的侧向与垂直生长速率(1∶1的比)，该SixNy条带的条带宽度为10μ，窗口宽度为25μ，周期为35μ，充满因子为0.71，在层20生长过程中的N/Ga比优选为约2500。可以理解，可以通过选择其它生长参数来实现其它的比，包含大于4.2∶1的比值。
本发明的一个实施例利用了如图6所示的悬挂外延生长。在该实施例中，对衬底10进行蚀刻以形成至少一个高出部分15，该高出部分限定了位于衬底10上的相邻凹陷区域或沟槽18。图6说明了一个实施例，其中，通过标准光刻技术和活性离子蚀刻已刻图形成了一对高出部分15a和15b。高出部分15的高度(即沟槽18的深度)至少为1μ。然后在衬底10的上表面淀积掩模层14，该掩模层在高出部分15a和15b的上表面上形成掩模开口16，该掩模层可以为SixNy、SiO2或其它所有适当的掩模。
在该实施例中，衬底10可以为碳化硅、蓝宝石、硅、砷化镓、氮化镓或诸如氮化铝或氮化铝镓的其它第III族元素氮化物。在Hunter的美国专利申请号5858086和5954874中说明了氮化铝衬底的制造，在此引入该专利的内容作为参考。通过在非GaN衬底上使厚的氮化镓外延层生长，已制造出氮化镓衬底。在A.Usui等人的“通过氢化物气相外延实施的低位错密度的厚GaN的外延生长”一文中对其它获得氮化镓衬底的方法进行了概述，该文于1997发表于日本应用物理杂志的第36卷第L899-902页。熟练的技术人员可以理解，当衬底为第III族元素氮化物时，可以使用同质外延(homoepixial)。
如图6所示，如果需要缓冲层，可以使用MOVPE从掩模开口(或窗口)16上使AlGaN缓冲层12垂直生长。在优选实施例中，所生长的缓冲层12的厚度大于掩模层14。一旦缓冲层12生长到所需的厚度，然后使悬挂外延层26生长。悬挂外延层26除了垂直生长外，还在沟槽18上侧向(即平行于衬底表面)生长。
虽然多晶GaN30可在掩模14上形核和生长，但由于这种形核和生长发生在沟槽18内，因此不会妨碍悬挂外延层26的侧向生长。
图12为根据本发明实施例生长的悬挂外延GaN层的截面SEM图像。在沟槽内明显存在多晶AlGaN材料，但它不会妨碍GaN层的侧向生长。
很容易理解，沟槽深度为1μ只是示范性的。如果需要，根据多晶在掩模上的生长速率以及所需生长的悬挂外延层的宽度，可以使所制造的沟槽18的宽度大于或小于1μ。
在一个实施例中，悬挂外延层26侧向生长，直到相对的生长前端22在界面24处聚结，形成氮化镓的连续层26。但是，如上所述，生长前端22不必对于所有的应用条件都聚结，因为即使它们没有与邻近的部分聚结，也可以在GaN侧向过生长部分中制造出器件。
图13为根据本发明的该实施例生长的两个悬挂外延GaN条带的俯视SEM图像。
对于如图6所示的实施例，其它可供选择的形成掩模层14的方法如图6A和6B所示。如上所述，可以通过标准蚀刻技术形成高出部分15。这种技术一般包含用蚀刻掩模对衬底表面进行刻图，对衬底进行蚀刻直到达到所需深度，然后去除蚀刻掩模。如图6A所示，在去除蚀刻掩模之后，可以通过PECVD在衬底10上形成掩模层14。然后在掩模14上打开窗口16，以露出高出部分15的上表面。
由于光刻技术的公差限制，当在掩模14上打开窗口16时，很难使高出部分15的边缘对齐窗口16的边缘。因此，在高出部分15的上表面与掩模14具有一定的交迭部分。
形成掩模14的简化方法如图6B所示。在该方法中，将蚀刻掩模19置于衬底表面10上，并且对衬底10进行蚀刻，以形成沟槽18。在对沟槽18进行蚀刻之后且在去除蚀刻掩模19之前，对掩模14进行蚀刻。在这种技术中，掩模14优选包含厚度约为50-200的薄掩模层。掩模14可以包含SixNy、SiO2或所有其它适当的掩模材料。然后去除蚀刻掩模19，露出高出部分15的上表面。掩模14中的窗口16的边缘由此与高出部分15自行对齐。因此，通过这种技术，仅需要单掩模步骤，并且不需要使用光刻技术用以打开掩模层14中的窗口16。
图7为截面的SEM图像，该图像表明位于掩模上的晶体形核阻止了GaN层的侧向生长。
图8为两个GaN条带的俯视SEM图像，其中，位于下面的掩模中的微晶扰乱了外延生长。
图9为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带根据本发明的一个实施例使用反射性掩模层生长。
图10为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带根据本发明的一个实施例生长，直到邻近区域在掩模上聚结。
图11为GaN条带的截面SEM图像，该GaN条带通过Si3N4掩模在导电缓冲层上生长。
图14为根据本发明生长的GaN层的截面TEM(透射电镜)图像。观察表明，缺陷密度从窗口上的区域中的约109/cm2降低到掩模条带上的区域的约106/cm2。例子1将SixNy的刻图掩模条带应用于6H-SiC衬底，该掩模条带具有条带宽度为10μ窗口长度为25μ，周期为35μ，充满因子为0.715。条带排列方向与<1100>方向平行。通过MOVPE生长厚度为0.5μ的Al0.1Ga0.9N缓冲层的条件如下TMG在34.8μmol/min的条件下流动，TMA在6.5μmol/min的条件下流动，氨的流量为10slpm，稀释剂H2的流量为15.5slpm，温度为1020℃，压力为76乇，总时间为80分钟。在缓冲层生长之后，通过MOVPE生长GaN的外延层的条件如下TMG在309μmol/min的条件下流动，氨的流量为17slpm，稀释剂H2的流量为22.5slpm，温度为1110℃，压力为200乇，时间为45分钟。在这些条件下得到的侧向与垂直生长的比约为4.2∶1。图15为所得到的GaN层的截面SEM图像。例子2将SixNy的刻图掩模条带应用于6H-SiC衬底，该掩模条带具有条带宽度为10μ、窗口长度为25μ，周期为35μ，充满因子为0.715。条带排列方向与<1100>方向平行。通过MOVPE生长厚度为0.5μ的Al0.1Ga0.9N缓冲层的条件如下TMG在34.8μmol/min的条件下流动，TMA在6.5μmol/min的条件下流动，氨的流量为10slpm，稀释剂H2的流量为15.5slpm，温度为1050℃，压力为76乇，总时间为80分钟。在缓冲层生长之后，通过MOVPE生长GaN的外延层的条件如下TMG在309μmol/min的条件下流动，氨的流量为17slpm，稀释剂H2的流量为22.5slpm，温度为1060℃，压力为200乇，时间为1小时。在这些条件下得到的侧向与垂直生长的比约为1∶1。图16为所得到的GaN层的截面SEM图像在说明书和附图中，通过例子，而非限定，已对本发明优选的和示范性的实施例进行说明，在下面的权利书对本发明的范围进行说明。
权利要求
1.一种在衬底上制造氮化镓基半导体结构的方法，包含在所述衬底上形成具有开口的掩模；垂直于开口并侧向经过掩模生长外延层，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金；并且使所述外延层的侧向生长速率保持足够的速率，以防止在掩模上形核的多晶氮化物材料阻止所述外延层的侧向生长。
2.根据权利要求1的制造方法，包含保持侧向生长速率大于垂直生长速率。
3.根据权利要求1的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比大于约1∶1。
4.根据权利要求1的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比约在1∶1与4.2∶1之间。
5.根据权利要求1的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比大于约4.2∶1。
6.根据权利要求3的制造方法，包含使侧向生长速率保持在每小时约2-8微米。
7.根据权利要求1的制造方法，其中，衬底包含碳化硅。
8.根据权利要求1的制造方法，进一步包含穿过掩模中的开口生长缓冲层，其中所述缓冲层将支持第III族元素氮化物在其上进行的外延生长。
9.根据权利要求8的制造方法，其中，缓冲层的生长步骤包含生长AlxGa1-xN层，其中0≤x≤1。
10.根据权利要求9的制造方法，其中，缓冲层形成对于衬底的导电界面。
11.一种在衬底上制造氮化镓基半导体结构的方法，包括在衬底上形成其中具有开口的掩模；在不抑制多晶氮化物材料在掩模上形核的条件下，由开口垂直地并侧向经过掩模生长外延层，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金；其中侧向生长的外延层对于多晶氮化物材料过生长。
12.根据权利要求11的制造方法，包含保持侧向生长速率大于垂直生长速率。
13.根据权利要求11的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比大于约1∶1。
14.根据权利要求11的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比约在1∶1与4.2∶1之间。
15.根据权利要求11的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比大于约4.2∶1。
16.根据权利要求13的制造方法，包含使侧向生长速率保持在每小时约2-8微米。
17.根据权利要求11的制造方法，其中，外延层的生长在约1060-1120℃的温度下进行。
18.根据权利要求11的制造方法，包含在碳化硅衬底上形成掩模。
19.根据权利要求18的制造方法，包含在SiC衬底的(0001)表面上沿<1100>方向形成条带掩模。
20.根据权利要求11的制造方法，进一步包含穿过掩模中的开口生长缓冲层，其中所述缓冲层将支持第III族元素氮化物的在其上的外延生长。
21.根据权利要求20的制造方法，其中，缓冲层的生长步骤包含生长AlxGa1-xN层，其中0≤x≤1。
22.根据权利要求21的制造方法，包含缓冲层形成对于衬底的导电界面。
23.根据权利要求20的制造方法，包含使缓冲层生长到其厚度大于掩模的厚度。
24.根据权利要求11的制造方法，包含通过气相外延生长外延层，该气相外延使用选自三甲基镓、三甲基铝和氨的一种或多种源气体。
25.根据权利要求11的制造方法，包含形成具有多个开口的掩模，使缓冲层和外延层从所述多个开口中生长。
26.根据权利要求25的制造方法，包含使外延层生长直到侧向生长部分聚结。
27.一种在衬底上制造氮化镓基半导体结构的方法，该方法包含在衬底上形成其中至少具有两个开口的掩模；在位于掩模开口中的衬底上使缓冲层生长；并且沿缓冲层向上并侧向经过掩模使外延层生长，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金；同时使氮化镓层的侧向生长速率保持在足以防止在掩模形核的多晶材料阻止氮化镓层的侧向生长，直到从开口的侧向生长聚结的速率；并且然后继续使外延层垂直生长。
28.根据权利要求27的制造方法，还包含在从开口进行的侧向生长聚结以后，增加聚结后的外延层的垂直生长速率。
29.根据权利要求27的制造方法，包含保持侧向生长速率大于垂直生长速率。
30.根据权利要求29的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比大于约1∶1。
31.根据权利要求29的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比约在1∶1与4.2∶1之间。
32.根据权利要求29的制造方法，包含保持侧向生长速率与垂直生长速率的比大于约4.2∶1。
33.根据权利要求30的制造方法，包含使侧向生长速率保持在每小时约2-8微米。
34.根据权利要求27的制造方法，包含使用选自以下的技术掩盖衬底等离子增强化学气相淀积法、溅射法、反应溅射法、电子束淀积法和热氧化法。
35.根据权利要求27的制造方法，包含掩盖SiC衬底。
36.根据权利要求27的制造方法，其中，缓冲层的生长步骤包含生长AlxGa1-xN层，其中0＜x≤1。
37.根据权利要求36的制造方法，其中，缓冲层形成对于衬底的导电界面。
38.根据权利要求36的制造方法，包含使用三甲基镓、三甲基铝和氨作为源气体通过气相外延使缓冲层生长。
39.根据权利要求27的制造方法，包含使缓冲层生长到其厚度大于掩模的厚度。
40.根据权利要求27的制造方法，包含通过气相外延使外延层生长，该气相外延使用选自三甲基镓、三甲基铝和氨的一种或多种源气体。
41.一种在衬底上制造氮化镓基半导体结构的方法，该方法包含在衬底上形成掩模，该衬底包含至少一个沟槽和至少一个邻近沟槽的高出部分，该掩模中在衬底的高出部分上具有至少一个开口；在位于掩模开口内的衬底高出部分上使缓冲层生长；并且沿缓冲层向上并侧向经过沟槽使外延层生长，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金。
42.根据权利要求41的制造方法，包含使缓冲层生长到其厚度大于掩模的厚度。
43.根据权利要求41的制造方法，包含至少形成两个邻近于沟槽的高出部分，并使外延层生长，直到它们在沟槽上聚结。
44.根据权利要求41的制造方法，其中，形成掩模的步骤包含形成掩模并然后在其中形成开口。
45.根据权利要求41的制造方法，包含在碳化硅衬底上形成掩模。
46.一种在衬底上制造氮化镓基半导体结构的方法，该方法包含在衬底上形成至少一个沟槽，由此限定沟槽和直接与沟槽邻接的高出部分；在已形成沟槽的衬底上形成掩模，使掩模中在衬底的高出部分上具有至少一个开口；穿过掩模开口使缓冲层在衬底的高出部分上生长；并且沿缓冲层向上并侧向经过沟槽使外延层生长，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金。
47.根据权利要求46的制造方法，其中，形成沟槽的步骤包含对衬底上的沟槽进行蚀刻。
48.根据权利要求47的制造方法，其中，该蚀刻步骤包括活性离子蚀刻。
49.根据权利要求46的制造方法，其中，形成缓冲层的步骤包含使用气相外延形成缓冲层。
50.根据权利要求46的制造方法，包含使缓冲层生长到其厚度大于掩模的厚度。
51.根据权利要求46的制造方法，包含至少形成两个邻近沟槽的高出部分，并使外延层生长直到其在沟槽部件上聚结。
52.根据权利要求46的制造方法，其中，形成掩模的步骤包含形成掩模并且然后在其中形成开口。
53.根据权利要求46的制造方法，包含采用选自下列的技术形成掩模等离子增强化学气相淀积法、溅射法、反应溅射法、电子束淀积法和热氧化法。
54.一种在碳化硅衬底上制造氮化镓基半导体衬底的方法，该方法包含在碳化硅衬底上蚀刻出多个基本上平行的沟槽，该沟槽限定了其间在衬底上的各个高出部分；掩盖有沟槽的衬底；在位于衬底高出部分上的掩模中开出多个窗口；在位于高出部分上的窗口中使缓冲层垂直生长；并且垂直于缓冲层和从缓冲层的侧向使外延层生长，并延伸经过多个沟槽，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金。
55.根据权利要求54的制造方法，包含使氮化镓层的垂直生长速率与侧向生长速率的保持在足以防止可在掩模上形核的多晶材料阻止氮化镓层的侧向生长的速率。
56.根据权利要求55的制造方法，包含使侧向生长速率保持等于或大于垂直生长速率。
57.根据权利要求55的制造方法，包含使侧向生长速率与垂直生长速率的比保持大于约1∶1。
58.根据权利要求55的制造方法，包含使侧向生长速率与垂直生长速率的比保持在约1∶1与4.2∶1之间。
59.根据权利要求55的制造方法，包含使侧向生长速率与垂直生长速率的比保持大于约4.2∶1。
60.根据权利要求57的制造方法，包含使侧向生长速率保持在每小时约2-8微米。
61.根据权利要求54的制造方法，包含采用选自下列的技术形成掩模等离子增强化学气相淀积法、溅射法、反应溅射法、电子束淀积法和热氧化法。
62.根据权利要求54的制造方法，包括沿<1100>方向掩盖SiC衬底的(0001)表面。
63.根据权利要求54的制造方法，其中，缓冲层的生长步骤包含生长AlxGa1-xN层，其中0≤x≤1。
64.根据权利要求63的制造方法，其中，缓冲层形成对于衬底的导电界面。
65.根据权利要求63的制造方法，包含使用三甲基镓、三甲基铝和氨作为源气体通过气相外延使缓冲层生长。
66.根据权利要求54的制造方法，包含使缓冲层生长到其厚度大于掩模的厚度。
67.根据权利要求54的制造方法，包含通过气相外延使外延层生长，该气相外延使用选自三甲基镓、三甲基铝和氨中的一种或多种源气体。
68.根据权利要求54的制造方法，包含在形成掩模的步骤之后开出窗口。
69.根据权利要求54的制造方法，包含在掩盖已形成沟槽的衬底的同时形成窗口。
70.一种半导体结构，包含具有上表面的衬底；掩模，直接位于所述衬底的所述上表面上，并且在其中具有至少一个窗口；以及过生长外延层，该外延层从所述掩模窗口向上延伸并穿过所述掩模侧向延伸，它选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金；其中，多晶材料在所述掩模上已形核。
71.根据权利要求70的半导体结构，其中，所述掩模包含难熔金属。
72.根据权利要求70的半导体结构，其中，所述掩模为反射性的。
73.根据权利要求70的半导体结构，其中，所述掩模包含布拉格反射器。
74.根据权利要求70的半导体结构，其中，所述掩模选自SixNy、SiO2、铂和钨。
75.根据权利要求70的半导体结构，其中，所述衬底选自碳化硅、蓝宝石、硅、砷化镓和氧化锌。
76.根据权利要求70的半导体结构，其中，所述衬底为碳化硅并具有选自4H、6H、3C和15R的多型。
77.根据权利要求70的半导体结构，进一步包含位于所述衬底和所述外延层之间的缓冲层。
78.根据权利要求77的半导体结构，其中，缓冲层形成对于衬底的导电界面。
79.根据权利要求77的半导体结构，其中，所述衬底包含蓝宝石，并且所述缓冲层由AlxGa1-xN形成，其中0≤x≤1。
80.根据权利要求70的半导体结构，在所述掩模中包含多个窗口。
81.根据权利要求80的半导体结构，其中，所述外延层在所述窗口之间聚结。
82.一种氮化镓基半导体结构，包含衬底，具有上表面以及所述上表面的至少两个高出部分，该高出部分限定位于其间的至少一个沟槽；掩模结构，覆于所述衬底，该掩模结构具有窗口，该窗口暴露所述衬底的所述高出部分的至少一部分所述上表面；以及过生长外延层，该外延层从所述掩模窗口向上延伸并在所述沟槽上侧向延伸并穿过所述掩模延伸，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金。
83.根据权利要求82的半导体结构，包含在所述掩模上形核的多晶材料。
84.根据权利要求82的半导体结构，其中，所述已形核的多晶材料位于所述沟槽中。
85.根据权利要求82的半导体结构，其中，所述衬底选自碳化硅、蓝宝石、硅、砷化镓和氧化锌。
86.根据权利要求85的半导体结构，其中，所述衬底选自碳化硅和蓝宝石，并且其中所述结构进一步包含位于所述衬底和所述外延层之间的缓冲层。
87.根据权利要求82的半导体结构，其中，所述掩模包含SixNy。
88.根据权利要求82的半导体结构，其中，所述外延层部分的部分在所述至少一个沟槽上聚结。
89.根据权利要求82的半导体结构，包含在所述掩模的所述窗口中的所述衬底上的缓冲层。
90.根据权利要求82的半导体结构，包含多个沟槽和多个高出部分，至少两个所述高出部分在其中具有窗口。
91.一种半导体结构，包含具有上表面的碳化硅衬底；SixNy掩模，直接位于所述衬底的所述上表面上，并且在其中具有至少一个窗口；位于所述掩模窗口内的AlxGa1-xN缓冲层，其中0≤x≤1；以及过生长外延层，从所述掩模窗口向上延伸，并穿过所述掩模侧向延伸，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金。其中多晶材料已在所述掩模上形核。
92.一种氮化镓基半导体结构，包含碳化硅衬底，具有上表面和所述上表面上的至少两个高出部分，该高出部分限定位于其间的至少一个沟槽；覆于所述衬底的SixNy掩模结构，所述掩模结构具有窗口，该窗口暴露所述衬底的所述高出部分的至少一部分所述上表面；以及位于所述掩模窗口内的AlxGa1-xN缓冲层，其中0≤x≤1；以及过生长外延层，从所述掩模窗口向上延伸，并在所述掩模上侧向延伸和穿过所述掩模延伸，该外延层选自氮化镓和氮化镓的第III族元素氮化物合金。
全文摘要
一种在衬底上制造氮化镓基半导体结构的方法,包含下列步骤:直接在衬底(18)上形成具有至少一个开口(6)的掩模(14),使缓冲层(12)穿过开口生长,使氮化镓层(20)从缓冲层向上生长并沿掩模侧向生长。在氮化镓从掩模中进行的生长过程中,氮化镓层的垂直生长速率和侧向生长速率保持足够大的速率,以防止在所述掩模上形核的多晶材料(30)阻止氮化镓层的侧向生长。另一实施例中的方法包含如下步骤:在衬底上形成限定邻近沟槽(18)的至少一个高出部分(15),并在衬底(10)上形成掩模(14),在高出部分的上表面上,该掩模具有至少一个开口(16)。可以使缓冲层(12)从高出部分的上表面生长。然后通过在沟槽上悬挂外延使氮化镓层(26)侧向生长。
文档编号H01L21/205GK1378702SQ00814189
公开日2002年11月6日 申请日期2000年10月11日 优先权日1999年10月14日
发明者孔华双, J·A·艾迪芒德, K·W·哈彼尔勒恩, D·T·埃米尔森 申请人:克里公司