氣相生長方法
【專利摘要】本發明提供一種能夠抑制在硅基板上形成氮化鎵時產生裂紋的氣相生長方法。實施方式的氣相生長方法為，在硅基板上形成單晶的氮化鋁膜，在氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜，在氮化鋁鎵膜上形成單晶的第一氮化鎵膜，以高于第一氮化鎵膜的形成工序的溫度以及生長速度，在第一氮化鎵膜上形成第二氮化鎵膜。
【專利說明】
氣相生長方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及在硅基板上形成氮化鎵的氣相生長方法。
【背景技術】
[0002]作為成膜高質量的半導體膜的方法，存在外延生長技術，該外延生長技術通過氣相生長使單晶膜在晶圓等的基板上生長。在外延生長中，一邊對晶圓進行加熱，一邊向晶圓表面供給作為成膜原料的源氣體等工藝氣體。在晶圓表面發生源氣體的熱反應等，從而在晶圓表面成膜出外延單晶膜。
[0003]近年來，作為發光器件和功率器件的材料，氮化鎵(GaN)類的半導體器件受到關注。作為成膜出GaN類的半導體膜的外延生長技術，存在有機金屬氣相生長法(M0CVD法)。
[0004]例如，在硅(Si)基板上形成氮化鎵膜時存在如下的問題，S卩，當氮化鎵膜的膜厚變厚時，由于硅與氮化鎵的熱膨脹系數等的差異而會在氮化鎵膜上產生裂紋。例如，在日本特許公開公報特許號中，為了解決該問題而記載了如下的方法，S卩，在硅基板上形成氮化鋁(AlN)的緩沖層之后，以第一壓力形成第一氮化鎵，再以低于第一壓力的第二壓力形成氮化鎵。

【發明內容】

[0005]本發明提供一種能夠抑制在硅基板上形成氮化鎵時產生裂紋的氣相生長方法。
[0006]本發明的一個實施方式的氣相生長方法為，在硅基板上形成單晶的氮化鋁膜，在所述氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜，在所述氮化鋁鎵膜上形成單晶的第一氮化鎵膜，以高于所述第一氮化鎵膜的形成工序的溫度以及生長速度，在所述第一氮化鎵膜上形成單晶的第二氮化鎵膜。
[0007]在上述實施方式的氣相生長方法中，優選為，以島狀形成所述第一氮化鎵膜，并將所述第一氮化鎵膜的高度的平均值設置為1nm以上10nm以下。
[0008]在上述實施方式的氣相生長方法中，優選為，形成所述第一氮化鎵膜時的V/III比大于形成所述第二氮化鎵膜時的V/III比。
[0009]在上述實施方式的氣相生長方法中，優選為，形成所述第一氮化鎵膜時的生長速度為3ym/hour以下。
[0010]在上述實施方式的氣相生長方法中，優選為，形成所述第一氮化鎵膜時的溫度為950°C以上且小于1050°C，形成所述第二氮化鎵膜時的溫度為1000°C以上且小于IlOOcC。
[0011]根據本發明，可提供一種能夠抑制在硅基板上形成氮化鎵膜時產生裂紋的氣相生長方法。
【附圖說明】
[0012]圖1是實施方式的氣相生長方法的工藝流程圖。
[0013]圖2是示出實施方式的氣相生長方法的示意剖面圖。
[0014]圖3是示出實施方式的氣相生長方法的示意剖面圖。
[0015]圖4是示出實施方式的氣相生長方法的示意剖面圖。
[0016]附圖標記說明
[0017]10:娃基板
[0018]12:氮化鋁膜
[0019]14:氮化鋁鎵膜
[0020]16:第一氮化鎵膜
[0021]18:第二氮化鎵膜
【具體實施方式】
[0022]下面，參照附圖，對本發明的實施方式進行說明。
[0023]實施方式的氣相生長方法為，在硅基板上形成單晶的氮化鋁膜，在氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜，在氮化鋁鎵膜上形成單晶的第一氮化鎵膜，以高于第一氮化鎵膜的形成工序的溫度以及生長速度，在第一氮化鎵膜上形成單晶的第二氮化鎵膜。
[0024]圖1是實施方式的氣相生長方法的工藝流程圖。另外，圖2至圖4是示出實施方式的氣相生長方法的示意剖面圖。
[0025]本實施方式的氣相生長方法具備硅(Si)基板準備步驟(S100)、氮化鋁膜(AlN)形成步驟(SllO)、氮化鋁鎵膜(AlGaN)形成步驟(S120)、第一氮化鎵膜(GaN)形成步驟(S130)、第二氮化鎵膜(GaN)形成步驟(S140)。在本實施方式中，通過MOCVD法進行成膜。
[0026]首先，例如在氫(H2)中以1100°C進行烘烤，準備去除了自然氧化膜的(I 11)面的單晶的硅基板1 (S100)。硅基板1的厚度例如為300μπι以上1500μπι以下。
[0027]接下來，在硅基板10上形成單晶的氮化鋁(AlN)膜12(S110)。使氮化鋁膜12在硅基板10上外延生長。
[0028]對硅基板10進行加熱，作為源氣體供給例如用氫(H2)進行了稀釋的三甲基鋁(TMA)以及用氫(H2)進行了稀釋的氨(NH3),由此使氮化鋁膜12生長。TMA是鋁(Al)的源氣體，氨是氮(N)的源氣體。
[0029]氮化鋁膜12的生長溫度例如設置為1000°C以上1200 °C以下。從提高氮化鋁膜12的結晶性的觀點來看，生長溫度優選為100tC以上。氮化鋁膜12的膜厚例如設置為200nm以上300nm以下。
[0030]使含鎵(Ga)的單晶膜在硅基板10上外延生長時，氮化鋁膜12抑制硅與鎵之間發生反應而導致的含鎵的單晶膜的膜質劣化，并抑制硅基板復熔。另外，發揮作為緩解硅與含鎵的單晶膜之間的晶格失配的緩沖層的作用。
[0031]接下來，在氮化鋁膜12上形成單晶的氮化鋁鎵(AlxGau-x)N，其中0〈X〈1)膜14(S120，圖2)。使氮化鋁鎵膜14在氮化鋁膜12上外延生長。
[0032]對硅基板10進行加熱，作為源氣體供給例如用氫(H2)進行了稀釋的三甲基鋁(TMA)與三甲基鎵(TMG)、用氫(H2)進行了稀釋的氨(NH3)，由此使氮化鋁鎵膜14生長。TMA是鋁(Al)的源氣體，TMG是鎵(Ga)的源氣體，氨是氮(N)的源氣體。
[0033]氮化鋁鎵膜14的生長溫度例如設置為1000°C以上1200°C以下。氮化鋁鎵膜14的膜厚例如設置為150nm以上500nm以下。
[0034]氮化鋁鎵膜14發揮作為緩解氮化鋁膜12與形成在氮化鋁鎵膜14上層的單晶鎵膜之間的晶格失配的緩沖層的作用。從緩解晶格失配的觀點來看，優選使氮化鋁鎵膜14中的鋁含量從氮化鋁鎵膜14向形成在氮化鋁鎵膜14上層的單晶鎵膜的方向降低。另外，氮化鋁鎵膜14具備如下功能，S卩，使從氮化鋁膜12延伸的位錯的朝向彎折，抑制位錯向形成在上層的單晶鎵膜延伸。
[0035]接下來，在氮化鋁鎵膜14上形成單晶的第一氮化鎵(GaN)膜16(S130，圖3)。第一氮化鎵膜16是在氮化鋁鎵膜14上以島形狀外延生長出來的島狀膜。
[0036]對硅基板10進行加熱，作為源氣體供給例如用氫(H2)進行了稀釋的三甲基鎵(TMG)、用氫(H2)進行了稀釋的氨(NH3),由此使第一氮化鎵膜16生長。TMG是鎵(Ga)的源氣體，氨是氮(N)的源氣體。
[0037]此時，將島狀的第一氮化鎵膜16的高度(圖3中的h)的平均值例如設置為1nm以上10nm以下，并將寬度(圖3中的w)的平均值設置為1nm以上50nm以下。例如，通過利用SEM(Scanning Electron Microscope:掃描電子顯微鏡)觀察第一氮化鎵膜16生長后的剖面，能夠求出第一氮化鎵膜16的高度。
[0038]而且，將形成第一氮化鎵膜16時的V/III比設置為例如1000以上。在此，V/III比是指，作為外延生長氮化鎵時的鎵(III族元素)的源氣體的TMG與作為氮(V族元素)的源氣體的氨的流量比。各源氣體的流量單位為μηιο I /m i η。
[0039]另外，將形成第一氮化鎵膜16時的生長速度例如設置為3ym/h0Ur以下，將溫度設置為例如950°C以上且小于1050°C，將壓力例如設置為20kPa以上35kPa以下。
[0040]接下來，以高于第一氮化鎵膜16的形成工序的溫度以及生長速度，在島狀的第一氮化鎵膜16上形成單晶的第二氮化鎵(GaN)膜18(S140，圖4)。使第二氮化鎵膜18在第一氮化鎵膜16上層狀地外延生長。
[0041]對硅基板10進行加熱，作為源氣體供給例如用氫(H2)進行了稀釋的三甲基鎵(TMG)、用氫(H2)進行了稀釋的氨(NH3),由此使第二氮化鎵膜18生長。TMG是鎵(Ga)的源氣體，氨是氮(N)的源氣體。
[0042]第二氮化鎵膜18的膜厚例如設置為3μπι以上ΙΟμπι以下。例如，通過利用SEM觀察第二氮化鎵膜18的生長后的剖面，能夠求出第二氮化鎵膜18的膜厚。
[0043]將形成第二氮化鎵膜18時的V/III比設置為1000以下。另外，將形成第二氮化鎵膜18時的生長速度設置為高于形成第一氮化鎵膜16時的生長速度，例如設置為3ym/hoUr以上。另外，將形成第二氮化鎵膜18時的溫度例如設置為100tC以上且小于1100°C，將壓力例如設置為20kPa以上35kPa以下，并設置成與形成第一氮化鎵膜16時的壓力相同。
[0044]此外，能夠向第二氮化鎵膜18的一部分或者全部添加例如硅(Si)和鎂(Mg)等的摻雜劑。
[0045]接下來，對實施方式的作用以及效果進行說明。
[0046]在硅基板上形成氮化鎵膜時，當氮化鎵膜的膜厚變厚時，有可能會由于硅與氮化鎵的熱膨脹系數等的差異而在氮化鎵膜上產生裂紋。認為這是由于在形成氮化鎵膜的過程中在氮化鎵膜中產生了拉伸應力而引起的。尤其是在加快氮化鎵膜的生長速度的情況下，容易產生裂紋。
[0047]在本實施方式中，使第一氮化鎵膜16島狀地三維生長。此時，對氮化鋁鎵膜14表面的核形成的密度進行控制，使得在島狀的第一氮化鎵膜16生長到足夠的高度之前不會在側面發生接觸。之后，以高于第一氮化鎵膜16的生長速度使第二氮化鎵膜18層狀地生長。通過該方法，能夠在對氮化鎵膜施加壓縮應力的狀態下進行氮化鎵膜的形成。因此，既能夠抑制裂紋的產生，又能夠實現氮化鎵膜的高速生長。另外，能夠成膜出降低了結晶缺陷的氮化鎵膜。
[0048]在以島狀形成第一氮化鎵膜16時，優選將島狀的第一氮化鎵膜16的高度(圖3中的h)的平均值設置為1nm以上10nm以下，并將寬度(圖3中的w)的平均值設置為1nm以上50nm以下。當低于上述范圍時，在成膜第二氮化鎵膜18時，有可能不會使第二氮化鎵膜18的應力變為壓縮應力。另外，第二氮化鎵膜18的結晶性有可能會劣化。當高于上述范圍時，有可能會使第二氮化鎵膜18的表面形態劣化。從使第二氮化鎵膜18的表面平坦的觀點來看，第一氮化鎵膜16的高度的平均值優選為50nm以下。
[0049]從抑制第一氮化鎵膜16的生長速度、提高結晶性、使其島狀地三維生長的觀點來看，形成第一氮化鎵膜16時的V/ III比優選為1000以上。從提高第一氮化鎵膜16的結晶性、使其島狀地三維生長的觀點來看，形成第一氮化鎵膜16時的生長速度優選為3ym/hoUr以下，溫度優選為950°C以上且小于1050°C，壓力優選為20kPa以上35kPa以下。
[0050]另外，從加快第二氮化鎵膜18的生長速度、提高生產效率的觀點來看，形成第二氮化鎵膜18時的V/III比優選為1000以下，更優選為500以下。優選為，形成第二氮化鎵膜18時的V/111比小于形成第一氮化鎵膜16時的V/III比。而且，從提高生產效率的觀點來看，第二氮化鎵膜18的生長速度優選為3ym/hour以上。
[0051]進一步，從使第二氮化鎵膜18的生長速度快于第一氮化鎵膜16的生長速度的觀點來看，以1000°C以上且小于1100°C、并且高于第一氮化鎵膜16的形成工序的溫度進行第二氮化鎵膜18的形成。而且，從提高生產效率的觀點來看，形成第二氮化鎵膜18時的壓力優選為20kPa以上35kPa以下，并與形成第一氮化鎵膜16時的壓力大致相同。
[0052]根據本實施方式的氣相生長方法，能夠抑制在硅基板上形成膜厚較厚的氮化鎵時產生裂紋。另外，能夠高速成膜出降低了結晶缺陷的膜厚較厚的氮化鎵膜。
[0053]以上，參照具體示例對本發明的實施方式進行了說明。上述實施方式僅僅是作為例子而列舉出來的，并非對本發明進行的限定。另外，可以適當地組合各實施方式的構成要素。
[0054]在實施方式中，在氣相生長方法等中省略了對說明本發明無直接必要的部分等，但是可以適當地選擇并使用必要的部分等。其他具備本發明的要素且本領域的技術人員可通過適當地進行設計變更而得到所有的氣相生長方法包含在本發明的保護范圍內。本發明的保護范圍由權利要求及其同等物的范圍確定。
【主權項】
1.一種氣相生長方法，其特征在于， 在硅基板上形成單晶的氮化鋁膜， 在所述氮化鋁膜上形成單晶的氮化鋁鎵膜， 在所述氮化鋁鎵膜上形成單晶的第一氮化鎵膜， 以高于所述第一氮化鎵膜的形成工序的溫度以及生長速度，在所述第一氮化鎵膜上形成單晶的第二氮化鎵膜。2.根據權利要求1所述的氣相生長方法，其特征在于， 以島狀形成所述第一氮化鎵膜，并將所述第一氮化鎵膜的高度的平均值設置為1nm以上10nm以下。3.根據權利要求1或2所述的氣相生長方法，其特征在于， 形成所述第一氮化鎵膜時的V/III比大于形成所述第二氮化鎵膜時的V/III比。4.根據權利要求1或2所述的氣相生長方法，其特征在于， 形成所述第一氮化鎵膜時的生長速度為3Mi/h0ur以下。5.根據權利要求1或2所述的氣相生長方法，其特征在于， 形成所述第一氮化鎵膜時的溫度為950°C以上且小于1050°C，形成所述第二氮化鎵膜時的溫度為1000 0C以上且小于1100 °C。
【文檔編號】H01L21/205GK106057658SQ201610218148
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月8日 公開號201610218148.1, CN 106057658 A, CN 106057658A, CN 201610218148, CN-A-106057658, CN106057658 A, CN106057658A, CN201610218148, CN201610218148.1
【發明人】高橋英志, 佐藤裕輔
【申請人】紐富來科技股份有限公司