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TWI579395B - Gas growth method - Google Patents

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TWI579395B
TWI579395B TW105109146A TW105109146A TWI579395B TW I579395 B TWI579395 B TW I579395B TW 105109146 A TW105109146 A TW 105109146A TW 105109146 A TW105109146 A TW 105109146A TW I579395 B TWI579395 B TW I579395B
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Description

氣相成長方法
本發明是有關於一種於矽基板上形成氮化鎵的氣相成長方法。
作為形成高品質的半導體膜的方法，有藉由氣相成長使單晶膜於晶圓(wafer)等基板上進行成長的磊晶成長(epitaxial growth)技術。磊晶成長是一面對晶圓進行加熱，一面將成為成膜原料的來源氣體(source gas)等處理氣體(process gas)供給至晶圓表面。於晶圓表面發生來源氣體的熱反應等，而於晶圓表面形成磊晶單晶膜。
近年來，作為發光元件(device)或功率元件(power device)的材料，氮化鎵(GaN)系的半導體元件受到矚目。作為形成GaN系的半導體膜的磊晶成長技術，存在有機金屬氣相成長法(MOCVD(Metallo Organic Chemical Vapor Deposition)法)。
例如，當在矽(Si)基板上形成氮化鎵膜時，若氮化鎵膜的膜厚變厚，則有因矽與氮化鎵的熱膨脹係數等的不同而於氮化鎵膜產生裂紋(crack)的問題。例如日本專利公開公報專利2006-128626號中記載有如下方法：為了解決所述問題，於將氮化鋁(AlN)的緩衝層(buffer layer)形成在矽基板上之後，在第1壓力下形成第1氮化鎵，在較第1壓力更低的第2壓力下形成氮 化鎵。
本發明提供一種可抑制於矽基板上形成氮化鎵時產生裂紋的氣相成長方法。
本發明的一實施方式的氣相成長方法是於矽基板上形成單晶的氮化鋁膜，於所述氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜，於所述氮化鋁鎵膜上形成單晶的第1氮化鎵膜，於所述第1氮化鎵膜上，以較所述第1氮化鎵膜的形成更高的溫度且更高的成長速度形成單晶的第2氮化鎵。
所述實施方式的氣相成長方法中，理想的是將所述第1氮化鎵膜形成為島狀，且將所述第1氮化鎵膜的高度的平均設為10nm以上且100nm以下。
所述實施方式的氣相成長方法中，理想的是所述第1氮化鎵膜形成時的V/III比大於所述第2氮化鎵膜形成時的V/III比。
所述實施方式的氣相成長方法中，理想的是所述第1氮化鎵膜形成時的成長速度為3μm/hour以下。
所述實施方式的氣相成長方法中，理想的是所述第1氮化鎵膜形成時的溫度為950℃以上且小於1050℃，所述第2氮化鎵膜形成時的溫度為1000℃以上且小於1100℃。
根據本發明，可提供抑制於矽基板上形成氮化鎵膜時產生裂紋的氣相成長方法。
10‧‧‧矽基板
12‧‧‧氮化鋁膜
14‧‧‧氮化鋁鎵膜
16‧‧‧第1氮化鎵膜
18‧‧‧第2氮化鎵膜
h‧‧‧第1氮化鎵膜的高度
w‧‧‧第1氮化鎵膜的寬度
S100~S140‧‧‧步驟
圖1是實施方式的氣相成長方法的製程流程圖。
圖2是表示實施方式的氣相成長方法的示意剖面圖。
圖3是表示實施方式的氣相成長方法的示意剖面圖。
圖4是表示實施方式的氣相成長方法的示意剖面圖。
以下，一面參照圖式一面對本發明的實施方式進行說明。
實施方式的氣相成長方法是於矽基板上形成單晶的氮化鋁膜，於氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜，於氮化鋁膜上形成單晶的第1氮化鎵膜，於第1氮化鎵膜上，以較第1氮化鎵的形成更高的溫度且更高的成長速度形成單晶的第2氮化鎵膜。
圖1是實施方式的氣相成長方法的製程流程圖。另外，圖2~圖4是表示實施方式的氣相成長方法的示意剖面圖。
本實施方式的氣相成長方法具備矽(Si)基板準備步驟(S100)、氮化鋁膜(AlN)形成步驟(S110)、氮化鋁鎵膜(AlGaN)形成步驟(S120)、第1氮化鎵膜(GaN)形成步驟(S130)、以及第2氮化鎵膜(GaN)形成步驟(S140)。本實施方式中，藉由MOCVD法進行成膜。
首先，準備例如於氫氣(H2)中且於1100℃下進行烘烤(bake)而去除自然氧化膜的(111)面的單晶的矽基板10(步驟S100)。矽基板10的厚度例如為300μm以上且1500μm以下。
其次，於矽基板10上形成單晶的氮化鋁(AlN)膜12(步驟S110)。氮化鋁膜12是於矽基板10上進行磊晶成長。
氮化鋁膜12是藉由如下方式進行成長：對矽基板10進行加熱，且供給例如經氫氣(H2)稀釋的三甲基鋁(Trimethylaluminium，TMA)與經氫氣(H2)稀釋的氨氣(NH3)作為來源氣體。TMA為鋁(Al)的來源氣體，氨氣為氮(N)的來源氣體。
氮化鋁膜12的成長溫度例如設為1000℃以上且1200℃以下。就使氮化鋁膜12的結晶性提昇的觀點而言，成長溫度理想的是1000℃以上。氮化鋁膜12的膜厚例如設為200nm以上且300nm以下。
氮化鋁膜12抑制如下情況：當使含有鎵(Ga)的單晶膜於矽基板10上進行磊晶成長時，發生矽與鎵的反應，含有鎵的單晶膜的膜質劣化或矽基板回熔(meltback)。而且，作為緩和矽與含有鎵的單晶膜的晶格失配的緩衝層發揮功能。
繼而，於氮化鋁膜12上形成單晶的氮化鋁鎵(AlXGa(1-X)N，其中0<X<1)膜14(步驟S120，圖2)。氮化鋁鎵膜14於氮化鋁膜12上進行磊晶成長。
氮化鋁鎵膜14是藉由如下方式進行成長：對矽基板10進行加熱，且供給例如經氫氣(H2)稀釋的三甲基鋁(TMA)與三甲基鎵(Trimethylgallium，TMG)、以及經氫氣(H2)稀釋的氨氣(NH3)作為來源氣體。TMA為鋁(Al)的來源氣體，TMG為 鎵(Ga)的來源氣體，氨氣為氮(N)的來源氣體。
氮化鋁鎵膜14的成長溫度例如設為1000℃以上且1200℃以下。氮化鋁鎵膜14的膜厚例如設為150nm以上且500nm以下。
氮化鋁鎵膜14作為緩和氮化鋁膜12與形成於氮化鋁鎵膜14的上層的單晶鎵膜的晶格失配的緩衝層發揮功能。就緩和晶格失配的觀點而言，理想的是使氮化鋁鎵膜14中的鋁含量沿自氮化鋁鎵膜14朝向形成於氮化鋁鎵膜14的上層的單晶鎵膜的方向減少。而且，氮化鋁鎵膜14具備如下功能：使自氮化鋁膜12延伸的錯位的朝向彎曲，而抑制錯位向形成於上層的單晶鎵膜延伸。
然後，於氮化鋁鎵膜14上形成單晶的第1氮化鎵(GaN)膜16(步驟S130，圖3)。第1氮化鎵膜16為於氮化鋁鎵膜14上呈島狀磊晶成長而成的島狀膜。
第1氮化鎵膜16是藉由如下方式進行成長：對矽基板10進行加熱，且供給例如經氫氣(H2)稀釋的三甲基鎵(TMG)與經氫氣(H2)稀釋的氨氣(NH3)作為來源氣體。TMG為鎵(Ga)的來源氣體，氨氣為氮(N)的來源氣體。
此時，將島狀的第1氮化鎵膜16的高度(圖3中的h)的平均例如設為10nm以上且100nm以下，將寬度(圖3中的w)的平均設為10nm以上且50nm以下。第1氮化鎵膜16的高度例如可藉由利用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察第1氮化鎵膜16成長後的剖面而求出。
而且，將第1氮化鎵膜16形成時的V/III比例如設為1000以上。此處，所謂V/III比是指將氮化鎵進行磊晶成長時的作為鎵(III族元素)的來源氣體的TMG與作為氮(V族元素)的來源氣體的氨氣的流量比。各來源氣體的流量單位為μmol/min。
此外，將第1氮化鎵膜16形成時的成長速度例如設為3μm/hour以下，將溫度例如設為950℃以上且小於1050℃，將壓力例如設為20kPa以上且35kPa以下。
繼而，於島狀的第1氮化鎵膜16上，以較第1氮化鎵膜16的形成更高的溫度且更高的成長速度形成單晶的第2氮化鎵(GaN)膜18(步驟S140，圖4)。第2氮化鎵膜18於第1氮化鎵膜16上呈層狀地進行磊晶成長。
第2氮化鎵膜18是藉由如下方式進行成長：對矽基板10進行加熱，且供給例如經氫氣(H2)稀釋的三甲基鎵(TMG)與經氫氣(H2)稀釋的氨氣(NH3)作為來源氣體。TMG為鎵(Ga)的來源氣體，氨氣為氮(N)的來源氣體。
第2氮化鎵膜18的膜厚例如設為3μm以上且10μm以下。第2氮化鎵膜18的膜厚例如可藉由利用SEM觀察第2氮化鎵膜18的成長後的剖面而求出。
將第2氮化鎵膜18形成時的V/III比設為1000以下。而且，將第2氮化鎵膜18形成時的成長速度設為高於第1氮化鎵膜16形成時的成長速度，例如設為3μm/hour以上。此外，將第2氮化鎵膜18形成時的溫度例如設為1000℃以上且小於1100℃， 將壓力例如設為20kPa以上且35kPa以下，且設為與第1氮化鎵膜16形成時的壓力相同。
另外，可於第2氮化鎵膜18的一部分或全部中添加例如矽(Si)、鎂(Mg)等摻雜劑(dopant)。
接下來，對實施方式的作用及效果進行說明。
當於矽基板上形成氮化鎵膜時，若氮化鎵膜的膜厚變厚，則有因矽與氮化鎵的熱膨脹係數等的不同而於氮化鎵膜產生裂紋的擔憂。認為此情況是因氮化鎵膜的形成中於氮化鎵膜產生拉伸應力而引起。尤其是於加快氮化鎵膜的成長速度的情況下易產生裂紋。
本實施方式中，使第1氮化鎵膜16呈島狀地進行三維成長。此時，以使島狀的第1氮化鎵膜16在成長至充分的高度之前不會於側面接觸的方式對氮化鋁鎵膜14表面的核形成的密度進行控制。其後，使第2氮化鎵膜18以較第1氮化鎵膜16更快的成長速度呈層狀地進行成長。藉由該方法，可於對氮化鎵膜施加有壓縮應力的狀態下進行氮化鎵膜的形成。因此，可抑制裂紋的產生，並實現氮化鎵膜的高速成長。而且，可形成結晶缺陷減少的氮化鎵膜。
當將第1氮化鎵膜16呈島狀形成時，理想的是將島狀的第1氮化鎵膜16的高度(圖3中的h)的平均設為10nm以上且100nm以下，將寬度(圖3中的w)的平均設為10nm以上且50nm以下。若低於所述範圍，則於第2氮化鎵膜18的成膜時， 有第2氮化鎵膜18的應力未成為壓縮應力的擔憂。而且，有第2氮化鎵膜18的結晶性劣化的擔憂。若超過所述範圍，則有第2氮化鎵膜18的表面形態(morphology)劣化的擔憂。就使第2氮化鎵膜18的表面平坦的觀點而言，理想的是第1氮化鎵膜16的高度的平均為50nm以下。
就抑制第1氮化鎵膜16的成長速度，使結晶性提昇，且呈島狀地進行三維成長的觀點而言，理想的是第1氮化鎵膜16形成時的V/III比為1000以上。就使第1氮化鎵膜16的結晶性提昇，且呈島狀地進行三維成長的觀點而言，理想的是第1氮化鎵膜16形成時的成長速度為3μm/hour以下，溫度為950℃以上且小於1050℃，壓力為20kPa以上且35kPa以下。
此外，就加快第2氮化鎵膜18的成長速度，提昇生產性的觀點而言，第2氮化鎵膜18形成時的V/III比理想的是1000以下，更理想的是500以下。第2氮化鎵膜18形成時的V/III比理想的是小於第1氮化鎵膜16形成時的V/III比。而且，就提昇生產性的觀點而言，第2氮化鎵膜18的成長速度理想的是3μm/hour以上。
此外，於使第2氮化鎵膜18的成長速度快於第1氮化鎵膜16的成長速度的觀點而言，在1000℃以上且小於1100℃，並且較第1氮化鎵膜16的形成更高的溫度下進行第2氮化鎵膜18的形成。而且，就使生產性提昇的觀點而言，關於第2氮化鎵膜18形成時的壓力，理想的是壓力為20kPa以上且35kPa以下，並 且與第1氮化鎵膜16形成時的壓力大致相同。
根據本實施方式的氣相成長方法，可抑制於矽基板上形成膜厚較厚的氮化鎵時產生裂紋。而且，能以高速形成結晶缺陷減少且膜厚較厚的氮化鎵膜。
以上，已一面參照具體例一面對本發明的實施方式進行了說明。所述實施方式僅是作為示例而舉出，並不限定本發明。此外，可將各實施方式的構成要素適當組合。
實施方式中，對氣相成長方法等中在本發明的說明上無直接必要的部分等省略了記載，但可適當選擇設為必要等而使用。此外，具備本發明的要素且本領域技術人員可適當進行設計變更的所有氣相成長方法包含於本發明的範圍內。本發明的範圍是由申請專利範圍及其均等物的範圍而定義。
S100~S140‧‧‧步驟

Claims (5)

  1. 一種氣相成長方法，於矽基板上形成單晶的氮化鋁膜， 於所述氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜， 於所述氮化鋁鎵膜上形成單晶的第1氮化鎵膜，且 於所述第1氮化鎵膜上，以較所述第1氮化鎵膜的形成更高的溫度且更高的成長速度形成單晶的第2氮化鎵膜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的氣相成長方法，其中將所述第1氮化鎵膜形成為島狀，且將所述第1氮化鎵膜的高度的平均設為10 nm以上且100 nm以下。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的氣相成長方法，其中所述第1氮化鎵膜形成時的V/III比大於所述第2氮化鎵膜形成時的V/III比。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的氣相成長方法，其中所述第1氮化鎵膜形成時的成長速度為3 μm/小時以下。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的氣相成長方法，其中所述第1氮化鎵膜形成時的溫度為950℃以上且小於1050℃，所述第2氮化鎵膜形成時的溫度為1000℃以上且小於1100℃。
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