专利名称：一种无掩膜半导体外延片制作方法
技术领域：
本发明属于LED半导体晶片的工艺制程，尤其是一种无掩膜半 导体外延片制作方法。
技术背景如今最受关注的新型半导体材料是GaN (氮化镓)基材料，广泛 应用于短波长半导体光电子器件和微电子器件制备领域，尤其是半导 体发光二极管的光电行业。由于GaN晶体本身的物理特性，它的单 晶生长过程极其困难，后来采用蓝宝石衬底在其表面通过生长结晶的 方法获得GaN晶体，但此方法形成的GaN晶体外延层中存在极高的 位错密度，使GaN晶体质量很差。目前降低位错密度最为常用的方 法是在蓝宝石衬底上沉积掩膜材料，在掩膜材料上刻出图形窗口，再 在图形窗口上进行外延生长而得到GaN晶体外延片，通过此方法可 在一定程度上降低GaN晶体的位错密度。由于蓝宝石衬底与GaN晶 体两者的晶格形状相差比较大，虽然在蓝宝石衬底上生长GaN晶体 可以进行，但生长效率过低，生长效率过低又会导致位错密度降低程 度不高，而不能得到高质量低位错密度的GaN晶体。 发明内容本发明针对上述问题，提供一种无掩膜半导体外延片制作方法， 它能在提高GaN晶体生长效率的同时，大幅降低GaN晶体生长过程 中产生的位错密度过高的问题。为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案 一种无掩膜半导
体外延片制作方法，其特征在于先在蓝宝石衬底上用MOCVD方 法生长出缓冲层，利用微影技术在缓冲层表面显影出一定图形再按照 上述图形在缓冲层上刻蚀出图形窗口，然后在图形窗口上利用 MOCVD方法外延生长衬底层，使衬底层完全覆盖图形窗口，最后在 衬底层上继续生长形成P层、N层和活性层以得到完整的外延片；利 用MOCVD方法生长缓冲层时，生长材料为GaN,缓冲层生长厚度 为30 50nm;制作所述图形窗口所采用的微影技术步骤，是先在缓冲 层表面均匀涂覆光刻胶形成掩膜区，再软烘烤使光刻胶中的溶剂被汽 化蒸发，将曝光光源对准晶圆并照射光刻胶使光刻胶曝光，然后通过 烘烤去除光刻胶内的聚合物使光刻胶显影，再使用干法刻蚀使显影部 分粗化形成图形窗口，最后硬烘烤或腐蚀去除剩余光刻胶形成的掩膜 区；在图形窗口上利用MOCVD方法生长的衬底层材料为GaN，生 长厚度为30~50nm;在图形窗口与衬底层之间还可使用MOCVD方 法形成GaN材料的中间层，在中间层上表面利用微影技术形成中间 层图形窗口，重复进行上述步骤可生长出多层层叠且带有图形区的中 间层；所述图形窗口的图案是与GaN晶体晶格相似的正六边形、三 角形、正方形或菱形图案，图形窗口截面长度为2~20um，同一层上 的图形窗口之间的间隔距离为0.2~20um。与在蓝宝石衬底上刻蚀粗化图形区的方法相比，本发明在由GaN 材料形成的缓冲层上刻蚀出与GaN晶体晶格形状相似的图形窗口， 然后在GaN缓冲层上进行外延生长得到GaN衬底层，最后在GaN衬 底层上继续进行外延生长GaN晶体，这样缓冲层、GaN衬底层与外延片晶体晶格相同，因此通过MOCVD方法进行外延片生长的状况 良好且效率高，而且在缓冲层的非图形窗口区垂直生长的同时会使图 形窗口区发生横向外延生长，而在此图形窗口区的晶格结构已被刻蚀 的图案破坏，所以GaN晶体生长中形成的位错会集中在此区域内， 最后就可以得到高质量低位错密度的GaN晶体外延片。
图l是本发明工艺流程图；图2是本发明中生长完成的第一实施例GaN晶体截面剖示图； 图3是本发明中生长完成的第二实施例GaN晶体截面剖示图； 图4是本发明中生长完成的第三实施例GaN晶体截面剖示图； 图5是本发明中缓冲层表面图形窗口图案为正六边形的示意图； 图6是本发明中缓冲层表面图形窗口图案为正三角形的示意图； 图7是本发明中缓冲层表面图形窗口图案为正方形的示意图； 图8是本发明中缓冲层表面图形窗口图案为菱形的示意图。
具体实施方式
本发明的目的是制作出高质量低位错密度的GaN (氮化镓)材料 半导体外延片，下面按工艺制程逐步说明。参照图1流程图中左侧流程，首先通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD)法在蓝宝石衬底1上生长出一层GaN缓冲层2，其厚度 为30~50纳米(nm)，缓冲层2生长完成后，通过微影技术在缓冲 层2表面显影出一定图形，按照此图形形状刻蚀缓冲层2，使缓冲层 表面出现图形窗口 7，然后再通过MOCVD方法在缓冲层表面横向
长GaN材料，直至GaN材料完全铺满图形窗口 7，形成一层GaN衬 底层3，其厚度也为30~50nm，最后使用MOCVD方法继续在GaN 衬底层上生长GaN材料，就可以得到N层4、活性层5和P层6，以 形成完整的GaN半导体外延片，这样形成的外延片其截面示意图如 图2中所示，其中包括蓝宝石衬底1、缓冲层2、 GaN衬底层3、 N 层4、活性层5和P层6，通过上述步骤后可降低外延片的位错密度， 而得到低位错密度高质量的外延片。上面制作图形窗口所采用到的微影技术，其具体步骤如下首先 在缓冲层表面均匀涂覆光刻胶(即光阻)以形成掩膜区，光刻胶可使 用正光阻或负光阻，为了得到更清晰的图案，最好是使用正光阻，再 对掩膜区进行软烘烤，使光刻胶内的溶剂被汽化而蒸发，在掩膜区内 只剩余聚合物和感光剂等主要成份，然后将曝光光源对准晶圆，并使 部分光线照射光刻胶，使光刻胶内的感光材料曝光，曝光后对掩膜区 进行烘烤以去除光刻胶内剩余的聚合物，使光刻胶显影而形成一定的 图形。图形完成后就可以干法刻蚀显影部分使其更加粗化，最终形成 特定图形的图形窗口，为了不影响外延片的质量，还需要对掩膜区进 行清洁处理，通过烘烤或腐蚀的方法去除光刻胶的残渣，去除掉掩膜。 由于上述的微影技术在IC芯片的制作过程中比较常用，因此在制作 图形窗口过程中没有完全详尽的描叙工艺要求，其具体要求可参考IC 制作工艺中的微影技术要求。在此需要提出的是，上述图形窗口的图形图案不是任意选择的， 该图案要与GaN晶体的晶格形状相同或相似，这样GaN晶体的结晶
效率才会高，而GaN晶体质量也能得到提高。因此本发明中结合工 艺操作过程的难易程度和所期望得到晶体质量来考虑，所采用的图形 窗口7的图形图案为正六边形、正三角形、正方形或菱形等，如图5 中的正六边形、图6中的正三角形、图7中的正方形和图8中的菱形， 而且图形窗口的宽度a为2 20微米(um),相邻图形窗口之间的间 距b为0.2~20um。再参照图1流程图中右侧流程，如同上述步骤中完成GaN衬底 层3后，还可以在GaN衬底层3的表面进行上述的微影技术制作图 形，并刻蚀出相同图形窗口7，然后在此图形窗口7的基础上再继续 生长出第二层GaN衬底层形成的第一层中间层32，最后在第一层中 间层32的表面继续利用MOCVD方法生长可得到更低位错密度的外 延片，其截面示意图如图3中所示。为了进一步降低外延片的位错密 度，甚至可以在第一层中间层32的表面再次通过微影技术制作图形 并刻蚀出图形窗口 7，然后在此图形窗口的基础上再继续生长出第三 层GaN衬底层形成的第二层中间层33 ，最后在第二层中间层33的表 面继续利用MOCVD方法生长可得到更低位错密度的外延片，其截 面示意图如图4中所示。理论上来说，可采用同样的方法多次形成由 GaN衬底层构成的中间层，只要重复进行图形窗口和GaN衬底层的 制作过程，这样在缓冲层和顶层的GaN衬底层之间可以包括多层由 带有图形窗口的GaN衬底层形成的中间层，最后结晶而成的外延片 的位错密度会越来越低，而外延片的质量会越来越高，但由于工艺操 作上的技术限制， 一般只能形成一到二层中间层，即有两到三层GaN衬底层，如图1中右侧流程所示。在外延片最后的生长过程中，由于图形窗口的存在，GaN材料结 晶所依附的结晶表面有多处晶格被破坏而导致此处的GaN材料不易 成核，因此在结晶的时候会产生横向自由外延生长，使位错8向图形 窗口7的区域集中，如图2、图3和图4中所示，这样在此基础上生 长而成的外延片的位错密度会大幅下降从而得到高质量的GaN半导 体外延片。
权利要求
1、一种无掩膜半导体外延片制作方法，其特征在于先在蓝宝石衬底上用MOCVD方法生长出缓冲层，利用微影技术在缓冲层表面显影出一定图形再按照上述图形在缓冲层上刻蚀出图形窗口，然后在图形窗口上利用MOCVD方法外延生长衬底层，使衬底层完全覆盖图形窗口，最后在衬底层上继续生长形成N层、活性层和P层以得到完整的外延片。
2、 根据权利要求1所述的外延片制作方法，其特征在于利用 MOCVD方法生长缓冲层时，生长材料为GaN，缓冲层生长厚 度为30~50nm。
3、 根据权利要求1所述的外延片制作方法，其特征在于制作所 述图形窗口所采用的微影技术步骤，是先在缓冲层表面均匀涂 覆光刻胶形成掩膜区，再软烘烤使光刻胶中的溶剂被汽化蒸发， 将曝光光源对准晶圆并照射光刻胶使光刻胶曝光，然后通过烘 烤去除光刻胶内的聚合物使光刻胶显影，再使用干法刻蚀使显 影部分粗化形成图形窗口，最后烘烤或腐蚀去除剩余光刻胶形 成的掩膜区。
4、 根据权利要求1所述的外延片制作方法，其特征在于在图形窗口上利用MOCVD方法生长的衬底层材料为GaN，生长厚度 为30~50nm。
5、 根据权利要求4所述的外延片制作方法，其特征在于在图形窗口与衬底层之间还可使用MOCVD方法形成GaN材料的中间 层，在中间层上表面利用微影技术形成中间层图形窗口，重复进行上述步骤可生长出多层层叠且带有图形区的中间层。
6、 根据权利要求3或5所述的外延片制作方法，其特征在于所 述图形窗口的图案是与GaN晶体晶格形状相似的正六边形、正 三角形、正方形或菱形图案，图形窗口截面长度为2 20um，同 一层上的图形窗口之间的间隔距离为0.2~20um。\
全文摘要
本发明是一种无掩膜半导体外延片制作方法，先在蓝宝石衬底上用MOCVD方法生长出缓冲层，利用微影技术在缓冲层表面显影出一定图形再按照上述图形在缓冲层上刻蚀出图形窗口，然后在图形窗口上利用MOCVD方法外延生长衬底层，使衬底层完全覆盖图形窗口，最后在衬底层上继续生长形成N层、活性层和P层以得到完整的外延片，可降低外延片的位错密度，而得到低位错密度高质量的外延片。在缓冲层与N层之间可多次重复使用微影技术、刻蚀及MOCVD方法制作多层层叠的，且带有特定形状的图形窗口的衬底层形成的中间层，使最终的外延片位错密度进一步降低，外延片质量进一步提高。
文档编号H01L33/00GK101150161SQ200710030020
公开日2008年3月26日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者樊邦弘 申请人:鹤山丽得电子实业有限公司