专利名称：氮化物半导体基板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及三五族半导体基板及其制造方法，特别地，涉及氮化物半导 体基板及其制造方法。
背景技术：
近年来，发光二极管(LED)和激光二极管(LD)广泛地被应用在市场上， 例如以氮化镓(GaN)制成的蓝光与黄色荧光粉组合可以获得白光，不只是在 亮度上或用电量方面皆比之前的传统泡光源亮且省电，可以大幅降低用电 量。此外，发光二极管的寿命约在数万小时以上，寿命比传统灯泡长。从红光、绿光、蓝光到紫外光的发光二极管在目前市面上主要的元件大 多数的产品是由氮化镓系列的化合物为主，但由于氧化铝基板(sapphire)本身 与氮化镓的晶格常数(lattice constant)、热膨胀系数及化学性质的差异，所以 在异质基板(例如是硅基板、碳化硅基板或是氧化铝基板)上生长的氮化镓层 会有许多的线缺陷、错位，且这些错位会随着生长的氮化镓层的厚度增加而 延伸，也就是形成穿透错位。而此类缺陷影响紫外光的发光二极管及氮化镓 系列的激光性能和使用寿命。为了降低穿透位错，公知发展出数种基板结构。图l示出公知的一种三 族氮化物基板的剖面简图。请参照图1,基板100上有GaN緩沖层102，而 GaN緩冲层102上配置数个阻挡图案104，由阻挡图案104之间所棵露的 GaN緩沖层上生长半导体层106，也就是GaN外延层，并包覆阻挡图案104。 此种基板结构是利用阻挡图案截断部份错位，以使位于阻挡图案之上的部份 GaN外延层不会产生穿透错位。然而，阻挡图案104是利用进行至少一次微 影蚀刻工艺所形成，且需要应用真空设备进行制造，因此步骤复杂且成本较 高。图2示出公知的另一种三族氮化物基板的剖面简图。请参照图2，在基 板200上形成緩沖层202与籽晶层204，之后于基板200中形成穿透緩沖层 202与籽晶层204的沟槽206，也就是将緩冲层202与籽晶层204图案化成
条状或点状结构。利用异质结构的选择性侧向生长法，称之为悬外延(Pendeo-epitaxy， PE)，使GaN外延层只在条形籽晶层204的侧壁上悬空侧 向生长，然后覆盖在条状的籽晶层204上，用以阻止部份垂直方向的穿透错 位。与图1所述的阻挡图案104相似，穿透緩沖层202与籽晶层204的沟槽 206必需经由进行至少一次微影蚀刻工艺所形成，且需要应用真空设备进行 制造，因此同样的制造步骤较为复杂且成本较高。发明内容本发明的一个目的就是提供一种氮化物半导体基板的制造方法且可降 低制造成本。本发明的再一 目的是提供一种氮化物半导体基板的制造方法且可以简 化工艺步骤。本发明的又一目的是提供一种氮化物半导体基板且可以降低氮化物半 导体层的错位密度。本发明提出一种氮化物半导体基板的制造方法。该方法包括提供基板， 之后于该基板上形成外延层。于该外延层上形成图案化掩模层，其中该图案 化掩模层棵露部份外延层。接着，进行氧化工艺以使棵露的部分外延层完全 氧化成多个错位阻挡结构。移除该图案化掩模层。接着，于具有错位阻挡结 构的外延层上形成氮化物半导体层。依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板的制造方法，其中该基 板的材质选自由硅、碳化径、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组 中。在此情况下，外延层包括氮化物外延材料层。而上述氮化物外延材料层 的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与 氮化铟镓铝所组成的组中。另外，当基板的材质与外延层的材质如上所述时， 氧化工艺包括使用电解溶液。其中，电解溶液的pH酸碱值约为3~10。另夕卜， 氧化工艺还包括进行高能量光照步骤，且高能量光照步骤包括使用紫外光 线。依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板的制造方法，其中该基 板的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及磷 化物所组成的组中。于此情况下，外延层的材料选自由含铝的砷化物外延材 料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，其中，含铝含镓的砷化物外
延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例约大于0.8。当基板 与外延层的材质如上所述，则氧化工艺包括湿式氧化法，而湿式氧化法包括 于含有水蒸气的环境下，且于温度约为200 600。C中进行。本发明还提供一种氮化物半导体基板的制造方法。该方法包括提供基 板，其中该基板上有外延层。于该外延层上形成图案化掩模层，其中该图案 化掩模层棵露部份该外延层。之后，进行氧化工艺部分氧化该棵露的部分外 延层成为多个错位阻挡结构，其中该些错位阻挡结构位于该外延层中。移除 该图案化掩模层。最后，形成氮化物半导体层覆盖该外延层。板的材质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组 中。当基板的材质如上所述，则外延层包括氮化物外延材料层，且该氮化物 外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、 氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。当基板与外延层的材质如上所述，氧 化工艺包括使用电解溶液，且该电解溶液的pH酸碱值约为3 10。此外，氧 化工艺还包括进行高能量光照步骤。依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板的制造方法，其中该基 板的材质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、碎化镓铝、其它砷化物以及磷 化物所组成的组中。当基板的材质如上所述时，则外延层的材料选自由含铝 的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，且该含铝含 镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例约大 于0.8。当基板与外延层的材质如上所述时，则氧化工艺包括湿式氧化法， 且该湿式氧化法包括在含有水蒸气的环境下，且于温度约为200 60(TC中进 行。本发明还提供一种氮化物半导体基板，此氮化物半导体基板包括基板、 氮化物半导体层、数个阻挡结构以及外延层。该氮化物半导体层位于该基板 上方，而该阻挡结构位于该基板与该氮化物半导体层之间。该外延层则填满 于该阻挡结构之间。依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板，其中该基板的材质选 自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。当基板 的材质如上所述时，则外延层包括氮化物外延材料层，且该氮化物外延材料 层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝
与氮化铟镓铝所组成的组中。依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板，其中该基板的材质选 自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及磷化物所组成 的组中。当基板的材质如上所述时，则外延层的材料选自由含铝的砷化物外 延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，且该含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例约大于0.8。依照本发明较佳实施例所述的氮化物半导体基板，其中该阻挡结构的材 质选自由氧化铝与氧化镓所组成的组中。由于错位阻挡结构/阻挡结构的氧化物多孔隙性质，因此氮化物半导体层 不会外延于错位阻挡结构/阻挡结构上，而只会外延于外延层的表面上，并且 侧向生长，因此可以阻绝氮化物半导体层中的部份穿透错位，以降低所生长 的氮化物半导体层中的穿透错位密度。另外，利用氧化工艺技术，将基板上 的外延层直接氧化形成错位阻挡结构/阻挡结构。相比于公知的应用蚀刻方法 形成阻挡图案或是沟槽可以降低制造成本。为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较 佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1示出公知的一种三族氮化物基板的剖面简图。图2示出公知的另一种三族氮化物基板的剖面简图。图3A至图3C示出根据本发明一较佳实施例的一种氮化物半导体基板的制造方法。图4A至图4C示出根据本发明另一较佳实施例的一种氮化物半导体基 4反的制造方法。主要附图标记说明100、 200、 300、 400:基板 102、 202:緩沖层 104:阻挡图案 204:籽晶层 206:沟槽106、208半导体层302、402外延层304、404图案化掩模层306、楊氧化工艺308、408阻挡结构310、410氮化物半导体层具体实施方式
图3A至图3C示出根据本发明一较佳实施例的一种氮化物半导体基板 的制造方法。请参照图3A，首先提供基板300。之后于基板300上形成外延层302。 接着，于外延层302上形成图案化掩才莫层304，此图案化掩模层304棵露出 部份的外延层302。其中，图案化掩模层304例如是光致抗蚀剂层。之后， 请参照图3B，以图案化掩模层304为掩模，进行氧化工艺306，以将棵露的 部份外延层302完全氧化成数个阻挡结构308,亦即是错位阻挡结构。值得注意的是，于本发明一实施例中，当基板300的材质选自由硅、碳 化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中时，此基板300上所 形成的外延层302例如是氮化物外延材料层。且上述氮化物外延材料层的材 质例如是选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝 与氮化铟镓铝所组成的组中。而当基板300与外延层302的材质如上所述时， 则氧化工艺306例如是将具有外延层302与图案化掩模层304的基板300于 室温下，约0 80。C，浸入电解溶液中进行氧化反应，以使所棵露的部份外延 层302完全氧化成阻挡结构308。其中，电解溶液的pH酸碱值约为3~10, 而制备此电解溶液的方法例如是将氮基三醋酸(nitrilotriacetic acid)溶于氬氧 化钾水溶液中。此外，在进行氧化工艺306的同时，还包括进行高能量光照 步骤，也就是以高能量光源，例如是紫外光束，加速电解溶液中的氧化反应。 上述的高能量光源的波长约小于可穿透外延层302的最小光源的波长。另一方面，于另一实施例中，当基板300的材质选自由砷化镓、磷化镓、 磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及磷化物所组成的组中时，外延层302 例如是含铝的砷化物外延材料层。上述含铝的砷化物外延材料层例如是含铝 含镓的砷化物(AlxGao.x)As)外延材料层。其中X约大于0.8，也就是在含铝
含镓的砷化物外延材料层中铝原子的数量比铝原子与镓原子的总数量的比例约大于0.8。而当基板300与外延层302的材质如上所述时，则氧化工艺 306例如是将具有外延层302与图案化掩模层304的基板300至于含有水蒸 气的环境下，以高温约200 600。C进^f亍湿式氧化法。于上述实施例中，进行氧化工艺306，而将棵露的部份外延层302完全 氧化所形成的阻挡结构308，其材质选自由氧化铝与氧化镓所组成的组中。之后，请参照图3C,移除图案化掩模层304。之后，于基板300上方形 成氮化物半导体层310。形成此氮化物半导体层310的方法包括外延工艺， 例如是有机金属气相外延法或是金属有机化学气相沉积法。在进行外延工艺的过程中，由于阻挡结构308的氧化物多孔隙性质，因 此氮化物半导体层310,例如是氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化 镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝等半导体层，不会外延于阻挡结构308上，而 只会外延于填在阻挡结构308之间的外延层302的表面上，并且侧向生长， 因此可以阻绝氮化物半导体层中的部份穿透错位，以降低所生长的氮化物半 导体层中的穿透错位密度。图4A至图4C示出根据本发明另一较佳实施例的一种氮化物半导体基 板的制造方法。请参照图4A,首先提供基板400。之后于基板400上形成外延层402。 接着，于外延层402上形成图案化掩模层404,此图案化掩模层404棵露出 部份的外延层402。其中，图案化掩模层404例如是光致抗蚀剂层。之后， 请参照图4B，以图案化掩模层404为掩模，进行氧化工艺406，以将棵露的 部份外延层402部份氧化成数个阻挡结构408，亦即是错位阻挡结构。值得注意的是，本实施例中，阻挡结构408位于外延层402中。也就是 图3A至图3C的实施例中的阻挡结构308直接位于基板300上，并且外延 层302则亦同时位于基板300上并填入阻挡结构308之间。与图3A至图3C 的实施例中的阻挡结构308不同的是，本实施例中的阻挡结构408位于外延 层402中，且阻挡结构408的底部并不直接接触基板400。另外，于本实施例中，基板400的材质以及外延层402的材质如同前实 施例中所述的基板300与外延层302的材质，因此不在此作赘述。此外，于 外延层402中形成阻挡结构408的方法也如同之前实施例中所述的形成阻挡 结构308的方法，因此亦不在此作详述。再者，阻挡结构408的材质，也就
是氧化物材质，亦与前实施例中所述的阻挡结构308的材质相同，同样也不 在此作赘述。之后，请参照图4C，移除图案化掩模层404。之后，于基板400上方形 成氮化物半导体层410。形成此氮化物半导体层410的方法包括外延工艺， 例如是有机金属气相外延法或是金属有机化学气相沉积法。在进行外延工艺 的过程中，由于阻挡结构408的氧化物多孔隙性质，因此氮化物半导体层 410，例如是氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与 氮化铟镓铝等半导体层，不会外延于阻挡结构408上，而只会外延于外延层 402的表面上，并且侧向生长，因此可以阻绝氮化物半导体层中的部份穿透 错位，以降低所生长的氮化物半导体层中的穿透错位密度。另外，本发明利用氧化工艺技术，将基板上的外延层直接氧化形成阻挡 结构。相比于公知的应用蚀刻方法形成阻挡结构可以降低制造成本。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可进行一些更动与润 饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种氮化物半导体基板的制造方法，包括提供基板；在该基板上形成外延层；在该外延层上形成图案化掩模层，其中该图案化掩模层裸露部份该外延层；进行氧化工艺以使所述裸露的部分外延层完全氧化成多个错位阻挡结构；移除该图案化掩模层；以及在具有所述错位阻挡结构的所述外延层上形成氮化物半导体层。
2. 如权利要求1所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该基板的材质 选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化^:所组成的组中。
3. 如权利要求2所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该外延层包括 氮化物外延材料层。
4. 如权利要求3所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氮化物外延 材料层的材质选自由氮化嫁、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化 铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。
5. 如权利要求2所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺包 括使用电解溶液。
6. 如权利要求5所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该电解溶液的 pH酸碱值约为3 10。
7. 如权利要求5所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺还 包括进行高能量光照步骤。
8. 如权利要求7所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该高能量光照 步骤包括使用紫外光线。
9. 如权利要求1所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该基板的材质 选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及磷化物所组 成的组中。
10. 如权利要求9所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该外延层的 材料选自由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的 组中。
11. 如权利要求IO所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比例约大于0.8。
12. 如权利要求9所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺 包括湿式氧化法。
13. 如权利要求12所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该湿式氧化 法包括在含有水蒸气的环境下，且于温度约为200 600。C中进行。
14. 一种氮化物半导体基板的制造方法，包括 提供基板，其中该基板上有外延层；在该外延层上形成图案化掩模层，其中该图案化掩模层棵露部份该外延层；进行氧化工艺部分氧化所述棵露的部分外延层成为多个错位阻挡结构， 其中所述错位阻挡结构位于该外延层中； 移除该图案化掩模层；以及 形成氮化物半导体层覆盖该外延层。
15. 如权利要求14所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该基板的材 质选自由硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。
16. 如权利要求15所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该外延层包 括氮化物外延材料层，且该氮化物外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、 氮化铝、氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。
17. 如权利要求15所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺 包括使用电解溶液，且该电解溶液的pH酸石成值约为3 10。
18. 如权利要求15所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺 还包括进行高能量光照步骤。
19. 如权利要求15所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该基板的材 质选自由砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及磷化物所 组成的组中。
20. 如权利要求19所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该外延层的 材料选自由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的 组中，且该含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总 数量的比例约大于0.8。
21. 如权利要求19所述的氮化物半导体基板制造方法，其中该氧化工艺包括湿式氧化法，且该湿式氧化法包括在含有水蒸气的环境下，且于温度约为200 60(TC中进行。
22. —种氮化物半导体基板，包括 基板；氮化物半导体层，位于该基板上方；多个阻挡结构，位于该基板与该氮化物半导体层之间；以及 外延层，填满所述阻挡结构之间。
23. 如权利要求22所述的氮化物半导体基板，其中该基板的材质选自由 硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氧化锌与氧化镁所组成的组中。
24. 如权利要求23所述的氮化物半导体基板，其中该外延层包括氮化物 外延材料层，且该氮化物外延材料层的材质选自由氮化镓、氮化铟、氮化铝、 氮化铟镓、氮化镓铝、氮化铟铝与氮化铟镓铝所组成的组中。
25. 如权利要求22所述的氮化物半导体基板，其中该基板的材质选自由 砷化镓、磷化镓、磷化砷镓、砷化镓铝、其它砷化物以及磷化物所组成的组 中。
26. 如权利要求25所述的氮化物半导体基板，其中该外延层的材料选自 由含铝的砷化物外延材料与含铝含镓的砷化物外延材料所组成的组中，且该 含铝含镓的砷化物外延材料中铝原子数量比铝原子与镓原子的总数量的比 例约大于0.8。
27. 如权利要求22所述的氮化物半导体基板，其中所述阻挡结构的材质 至少包含氧化铝或氧化镓等氧化物。
全文摘要
本发明提供一种氮化物半导体基板及其制造方法。所述方法包括提供基板，之后于基板上形成外延层。于外延层上形成图案化掩模层，其中图案化掩模层裸露部分外延层。接着，进行氧化工艺以使裸露的部分外延层完全氧化成多个错位阻挡结构。移除图案化掩模层。接着，于具有错位阻挡结构的外延层上形成氮化物半导体层。
文档编号H01L21/20GK101150053SQ20061015429
公开日2008年3月26日 申请日期2006年9月20日 优先权日2006年9月20日
发明者刘文岳, 蔡政达, 赖志铭, 郭义德 申请人:财团法人工业技术研究院