专利名称：减少半导体材料中的缺陷的利记博彩app
介绍本发明涉及具有减小的缺陷密度的外延材料的制造。
外延晶圆材料作为起始材料广泛应用于半导体器件制造中。在这种晶圆材料中缺陷的出现将会严重影响随后的器件性能。例如，在短波半导体激光二极管的制造中广泛使用GaN及其相关化合物InGaN和AlGaN。垂直穿透外延层的穿透(threading)位错的出现使这种激光二极管的性能严重退化。在其它材料体系中也发现类似的缺陷，比如，在SiGe/Si上生长GaAs时。因此希望在外延晶圆材料上减小缺陷密度。在下面的说明中应该理解的是GaN还指它的化合物(In)(Al)(Ga)N，并且可以是p型的，n型的或是未掺杂的。
发明人已知的解决减小缺陷密度问题的现有方法是在美国专利申请US2002/0022290中介绍的外延层过生长(Epitaxial LayerOver-Growth(ELOG))。在这一方法中，在氮化镓(GaN)缓冲层上形成二氧化硅的窄条纹图案。然后，直到覆盖了该二氧化硅条纹以及获得了平坦表面时，才重新开始GaN生长。使条纹下的缺陷消失并且条纹上的外延材料的缺陷密度明显比生长在条纹间的材料的缺陷密度小。已发现在二氧化硅上的材料具有很高的质量，但条纹间的材料没有改变，因此看起来需要采取ELOG的多个步骤来生成大面积高质量的材料。好的ELOG生长的缺陷密度从标准GaN/蓝宝石生长的1010cm-2减小到一步ELOG的108cm-2，或是在多步ELOG后减小到5·105cm-2。5·105cm-2的缺陷密度相当于每14μm×14μm平方面积有一个缺陷。因此，无缺陷面积的尺寸与器件制造中可以得到的直径为50mm的晶圆面积相比仍然较小。
另一个问题是这种方法在处理和重新生长过程中需要相当大的额外努力，为了最好的结果，需要超过100μm的外延生长。
在美国专利申请US2002/0005593中介绍的第二种方法是在高温(1000℃)下生长标准GaN外延层，然后在较低温度(700-900℃)下沉积一层GaN薄层，然后再在高温(1000℃)下继续生长。据称这可以防止缺陷在垂直方向上蔓延，并且把缺陷密度从大于1010cm-2减小到4·107cm-2。这种方法的问题在于不能充分消除缺陷。
第三种方法是从液镓以及很高压力(45,000bar)下的氮中直接生成GaN衬底(by Unipress in Poland)。这种方法的问题在于要使用非常专业和昂贵的设备，以及生成非常小(～1cm2)的GaN晶体。
因此，本发明的目的是提供一种方法和系统，以简单和有效的方式，并且采用相对普遍和价廉的设备和材料来制造大面积具有低缺陷密度的外延材料。
发明内容
根据本发明，提供一种制造低缺陷半导体晶圆的方法，其中在衬底上生长外延层，该方法包含以下步骤(a)在衬底上生长一层外延材料，(b)以优先蚀刻外延层的缺陷的方式蚀刻所述外延层；以及(c)在所述蚀刻过的外延层上生长一个后续外延材料层。
在一个实施例中，通过对所述表面进行利用RIE的干法蚀刻，或ICP(电感耦合等离子蚀刻)，或化学辅助离子束蚀刻，或者其它合适的干法蚀刻工艺来执行步骤(b)。
在另一个实施例中，通过浸入王水，或KOH/NaOH的混合物，或者其它合适的湿法蚀刻溶液中来执行步骤(b)。
在另一个实施例中，针对生长步骤(c)添加额外的化合物以便改善表面的平滑度。
在一个实施例中，所述额外的化合物是In(Ga)N，或Al(Ga)N，或者掺杂镁的(Al)(In)(Ga)N。
在另一个实施例中，所述外延材料是GaN。
在另一个实施例中，所述衬底是蓝宝石材料。
在一个实施例中，所述衬底是Si，SiC，或者金刚石材料。
在一个实施例中，所述外延材料是InP。
在另一个实施例中，所述外延材料是GaAs。
在另一个实施例中，该方法包括一些额外步骤，这些额外步骤重复步骤(b)和(c)一次或多次直到获得目标缺陷密度。
在一个实施例中，所述蚀刻在生长箱内就地进行。
在另一个实施例中，所述蚀刻在真空下进行蚀刻。
根据另一方案，本发明提供一种通过如上定义的方法在任何时候都可以制造的半导体晶圆。
发明详述从下面对本发明的一些实施例进行的说明中将更加清楚地理解本发明，通过只参考附图的实例的方式给出这些实施例，在这些附图中
图1(a)至图1(d)是示出本发明半导体生长方法的一系列图；并且图2是说明在RIE之后蚀刻过的GaN表面的照片。参考图1(a)，蓝宝石衬底1是作为用于器件质量晶圆材料的外延生长的衬底。如图1(b)所示，以常规方式在衬底1上生长一层GaN初始外延层2。然而，存在许多穿透外延层2的缺陷3。
参考图1(c)，在生长箱内通过湿法或干法蚀刻来蚀刻所述外延层2。所述蚀刻在所述外延层2上优先作用于缺陷3，使它们变成扩大的凹槽5，这些凹槽也许能或者也许不能向下扩展到衬底1。在蚀刻过的表面的照片中这些凹槽5看起来是一些黑点，如图2所示。按晶格的比例所述凹槽5太大了不能作为通常意义上的缺陷。因此，当生长另外一层GaN时(图1(d))，它通过横向生长填入所述凹槽5并且覆盖所述外延层2以便形成同质的相对无缺陷外延10。可以把铟和镁添加到GaN以助于平坦化。如果在步骤(c)中消除缺陷不充分，则可以重复步骤(c)和(d)。进一步的外延生长允许制造用于诸如大功率晶体管、发光二极管、以及激光二极管等器件的晶圆材料。
下面是实施本发明的两个具体实例。
实例1用适用于GaN生长的衬底来开始(一般是蓝宝石，但也可以是SiC或其它材料)，通过MOVPE或MBE以标准方式开始GaN生长。其它研究小组已经发现在最初的三维生长结束之后，二维生长模式开始占主导。在这种二维生长中会无意地伴随许多穿透位错，这些穿透位错向上蔓延穿透任何随后的生长。在平面生长模式建立以后，从生长箱中取出晶圆，然后放入反应离子蚀刻(RIE)箱。采用SiCl4/H2的混合物作为蚀刻剂来进行蚀刻。已经发现这样可以优先地蚀刻肉眼可见的缺陷以及穿透位错。由操作者进行判断来决定蚀刻时间，但是蚀刻时间应该足够长以便能够充分蚀刻缺陷，也许能或者也许不能蚀刻所述缺陷一直回刻到所述衬底。在干法蚀刻以后，在300-1000℃下和在N2或NH3的环境中对该表面进行热处理。然后在生长反应器中继续进行GaN生长，直到获得平坦的表面。晶圆现在已经准备好随后的器件外延层的生长，如要求的那样。
实例2用适用于GaN生长的衬底来开始(一般是蓝宝石，但也可以是SiC或其它材料)，通过MOVPE或MBE以标准方式开始GaN生长。在平面生长模式建立以后，从生长箱中取出晶圆，然后放入盛有沸腾的王水溶液(3∶1的HCl∶HNO3)的烧杯中。已经发现蚀刻对高质量的GaN区域几乎没有影响，但可以充分地蚀刻肉眼可见的缺陷以及穿透位错。由操作者进行判断来决定蚀刻时间，但是蚀刻时间应该足够长以便能够充分地蚀刻缺陷，也许能或者也许不能蚀刻所述缺陷一直回刻到所述衬底。然后从所述溶液中取出晶圆，放入沸腾的多硫化氨(ammonia polysulfide)溶液中十分钟，取出，用去离子水冲洗，然后将其烘干。最后，在生长反应器中继续进行GaN生长，直到获得平坦表面。晶圆现在已经为随后的器件外延层做好准备，如要求的那样。
应该意识到的是本发明采用较简单的处理却能够比现有技术更加有效地减少缺陷。例如，由于对整个晶圆表面进行所述蚀刻步骤，所以没有必要象在ELOG方法中对表面区域进行确定/掩膜。还有，本发明不需要加入外来物质(诸如ELOG中的SiO2或SixNy)，因为它能够有效地提供同质GaN外延覆盖所述衬底。进一步的优点是缺陷在整个表面都被除去，而不是在如ELOG中的条纹内。还应该意识到的是本发明只有很少的材料浪费，这是因为由所述干法蚀刻所造成的损失只有1微米，并且几乎没有由湿法蚀刻所造成的材料损失。重新生长也许可以在小于1微米的生长中取得平坦化，这是由于缺陷的尺寸小。在ELOG中，需要至少2微米的生长以便覆盖SiO2条纹并且获得平坦化的表面，经常使用超过100微米的生长。
可以预见的是能够把本发明应用到针对各种各样的诸如InP、GaAs、以及Si等半导体器件的其它外延层的生长。另外，可以使用任何其它合适的衬底，诸如Si、SiC或是金刚石。还有，可以使用任何一种合适的湿法或者干法蚀刻方法，这些方法优先蚀刻所述缺陷。
本发明并不限于所述的实施例，而是可以在结构以及细节上进行变化。
权利要求
1.一种制造低缺陷半导体晶圆的方法，其中在衬底上生长外延层，该方法包括如下步骤(a)在该衬底上生长一层外延材料，(b)以优先蚀刻所述层的缺陷的方式来蚀刻所述外延层；以及(c)在所述蚀刻过的外延晶圆上生长接下来的一层外延材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对所述表面进行使用RIE的干法蚀刻，或ICP(电感耦合等离子蚀刻)，或化学辅助离子束蚀刻，或者其它合适的干法蚀刻工艺来执行步骤(b)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过浸入王水、或KOH/NaOH的混合物或者其它合适的湿法蚀刻溶液中来执行步骤(b)。
4.根据任何一项前述的权利要求所述的方法，其中，为生长步骤(c)添加额外的化合物以便改善表面的平滑度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述额外的化合物是In(Ga)N、或Al(Ga)N，或者掺杂镁的(Al)(In)(Ga)N。
6.根据任何一项前述的权利要求所述的方法，其中，所述外延材料是GaN。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述衬底是蓝宝石材料。
8.根据权利要求1至6中的任何一项所述的方法，其中，所述衬底是Si，SiC，或者金刚石材料。
9.根据权利要求1至4中的任何一项所述的方法，其中，所述外延材料是InP。
10.根据权利要求1至4中的任何一项所述的方法，其中，所述外延材料是GaAs。
11.根据任何一项前述的权利要求所述的方法，其中，该方法包括一些额外步骤，这些额外步骤是重复步骤(b)和(c)一次或多次直到获得目标缺陷密度。
12.根据任何一项前述的权利要求所述的方法，其中，所述蚀刻在生长箱内就地进行。
13.根据任何一项前述的权利要求所述的方法，其中，所述蚀刻在真空下进行。
14.一种如参照附图被充分说明的方法。
15.一种通过根据任何一项前述的权利要求所述的方法无论在任何时候制造的半导体晶圆。
全文摘要
在蓝宝石衬底(2)上生长一层GaN初始外延层(2)。然后在反应离子蚀刻(RIE)箱中蚀刻所述外延层(2)。这一蚀刻优先作用在缺陷(3)上，使它们变成扩大的凹槽(5)。按晶格的比例这些凹槽(5)太大了不能作为通常意义上的缺陷，并且另外的GaN外延层填入到所述凹槽内。因此，避免了缺陷的蔓延。
文档编号H01L21/306GK1675746SQ03819794
公开日2005年9月28日 申请日期2003年7月11日 优先权日2002年7月11日
发明者布伦丹·约翰·罗伊克罗夫特, 普卢恩·彼得·马斯康德 申请人:爱尔兰国家大学科克学院