使用快速热加工形成异质外延层以除去晶格位错制造技术

本发明专利技术公开了用于通过使用原子层沉积(ALD)然后快速热退火来在硅基底上生长氮化镓层的氮化镓装置的装置生产的方法和装置。氮化镓直接在硅上生长或在生长在硅基底上的氮化铝阻挡层上生长。一个层或者两个层都通过快速热退火进行热加工。优选地，ALD法使用低于550℃且优选低于350℃的反应温度。该快速热退火步骤使涂布表面的温度在少于12msec内提高到550至1500℃的温度。

Formation of hetero epitaxial layers by rapid thermal processing to remove lattice dislocations

The invention discloses a method for using the atomic layer deposition (ALD) method and device production apparatus and rapid thermal annealing to gallium nitride on silicon substrate for growing gallium nitride layer. Directly grown on silicon or gallium nitride barrier layer grown on aluminum nitride growth on silicon substrate. A layer or two layers are thermally processed by rapid thermal annealing. Preferably, the ALD method uses a reaction temperature below 550 DEG C and preferably below the temperature of 350 DEG C. The rapid thermal annealing step increases the temperature of the coating surface to a temperature of 550 to 1500 DEG C in less than 12msec.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】1相关美国专利申请的交叉引用本申请依照35U.S.C.§119(e)要求于2013年7月2日提交的美国临时专利申请序列号61/842207(案卷号3521.337)的优先权，其出于全部目的通过引用全文并入本文。本专利技术还依照35U.S.C.§119(e)要求于2013年9月23日提交的美国临时专利申请序列号61/881369(案卷号3521.388)的优先权，其出于全部目的通过引用全文并入本文。2版权声明本专利文件公开内容的一部分可能含有受到版权保护的资料。当其出现于专利和商标局专利文件或档案中时，版权所有者对于任何人复制专利文件或专利公开内容没有异议，但在其他任何情况下保留全部版权权利。以下声明应当应用于文件：Copyright2013UltratechInc.3专利技术背景3.1专利
本文的示例性、说明性技术涉及热材料加工和固态装置制造。更具体地，本文的技术涉及用于使用原子层沉积(ALD)法然后快速热退火步骤，在单晶基底或晶圆上异质外延和外延生长半导体材料的改进方法。特别是，第III/V族氮化物膜在ALD反应室中在单晶硅晶圆上生长，并使用快速热退火来重构沉积膜以除去位错并降低内应力。3.2相关技术GaN是重要的半导体材料，可用于在发光二极管(LED)和蓝色激光器中发出蓝光或紫光。虽然高度期望在单晶硅晶圆基底上生长单晶GaN层，但部分为减少硅的晶格间距与GaN的晶格间距相比之间的失配，还因为硅与GaN相比热膨胀系数(TCE)之间的失配，常规异质外延GaN装置通过在蓝宝石基底上生长GaN层来构建。部分因为硅原料成本更低，但也因为硅基底制造更广为人知且更广泛实践，所以单晶蓝宝石基底一般成本显著高于单晶硅基底。不幸的是，传统观点持续坚持认为单晶硅在制造GaN和AlN装置时不像单晶蓝宝石那样适合，而且更通常坚持认为对于第III-V族化合物(例如，包含硼、铝、镓、铟和铊)和第II-VI族化合物(例如，包含镉和锌)和第III-N族化合物中任一者的异质外延生长来说硅不是最好的基底选择。蓝宝石基底反而仍在广泛使用。因此，本领域需要开发适合于第III-V族化合物(例如，包含硼、铝、镓、铟和铊)和/或第II-VI族化合物(例如，包含镉和锌)和第III-N族在硅基底上异质外延生长的制造技术，以至少利用可由使用基于硅晶圆的装置提供的可用的降低的材料和加工成本。虽然蓝宝石基底提供了良好的稳定性、低反应性和承受半导体装置加工的苛刻条件的能力，但是它的成本、它的介电属性和它的大的带隙排除了制造具有背面电接触的装置的可能性，并且已经导致重新出现寻求替代性基底材料(其中硅是最理想的)的兴趣。3.3晶格间距失配异质外延生长通常在异质材料的晶格结构或晶格间距合理匹配时更加成功。这是事实，因为沉积或活化层的晶格间距尝试匹配基底层靠近异质外延边界的晶格间距，这一行为通常将沉积层的天然晶格间距的形成破坏到在至少接近异质外延边界处形成的沉积层是基本上无定形的或者最多是多晶的程度。在一种情形中，沉积层的生长在独立地但在不同晶格取向上形成的单晶组中成核，具有在独立的单晶形成之间的边界处形成的位错。位错进一步干扰单晶生长，导致有缺陷的单晶结构或者多晶结构。在实践中，单晶结构中的缺陷有可能导致沉积层破裂，特别是在沉积层在快速热循环过程中被热压时。该问题的常规解决方案是例如通过在硅基底上生长硅沉积层以避免位错并促进单晶生长，来避免异质外延装置。但是，硅装置已经不能提供许多应用中期望的电性质，特别是在电源装置如电源开关和整流器中。类似地，硅装置已经不能提供给光学装置期望的光学性质。在这两种情况下，期望更高带隙的材料如氮化镓(GaN)作为沉积或活化层，并且优选GaN在硅基底上最经济地形成。单晶蓝宝石是刚玉(Al2O3)的单晶形式，也称为α铝、氧化铝。蓝宝石的晶体结构是六方晶系，长斜方类3m，其使得单晶蓝宝石作为生长单晶或接近单晶的III-V化合物(例如，包含硼、铝、镓、铟和铊)的基底而言比硅更兼容。此外，第II-VI族化合物(例如，包含镉和锌)和III-N具有与II-V化合物类似的晶体结构，使得单晶蓝宝石基底对于这些化合物的异质外延生长而言比单晶硅基底更兼容。特别是硅与GaN具有16.9％的晶格失配，而蓝宝石与GaN具有13.62％的晶格失配，这为蓝宝石提供了稍许优势。高度期望在活性沉积层中形成单晶(长期有序)，以提供均一的电性质和/或光学性质。具体来说，这意味着在整个层体积中形成基本上均一的晶格取向，而活性沉积层的晶格取向越一致，最终半导体装置的电性质和光学性质可能越好。在激光器和激光二极管装置包含氮化镓活性层的情况下，更好的晶体取向导致在装置输出处发光强度增加以及输出辐射的光谱带宽变窄，其中基本上全部光谱输出是在装置的主要光谱响应处。3.4热循环和热膨胀系数失配广泛认可单晶异质外延层只可在外延生长温度Tg下形成，GaN的Tg据报告为至少550℃。参见例如Trivedi等，Low-temperatureGaNgrowthonsiliconsubstratesbysinglegas-sourceepitaxyandphoto-excitation；Appl.Phys.Lett.87,072107(2005)。已知通过使用常规金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在基本上单晶蓝宝石基底上形成GaN层来制造半导体激光器和LED。特别是，普遍认可当沉积温度在900至1100℃范围内时，制造了质量最高的常规GaN装置。然而，即使是在质量最高的装置中，在异质外延边界处由晶格间距失配导致的一些晶格缺陷也不可避免。而且，即使努力使蓝宝石基底与GaN的TCE匹配，常规MOCVD反应器中要求的900至1100℃最高温度也使得严格的热应力管理成为必要，以避免因不匹配的TCE材料的热循环而导致的过度晶圆弯曲(waferbow)和破裂。通常晶圆弯曲被限制到小于100μm，以使晶圆在常规晶圆处理和加工工具上进一步加工以大量生产。虽然晶圆弯曲已经通过在MOCVD膜中形成“应力补偿层”而得以解决，但是这些应力补偿层降低了装置层性能并增加了成本。3.5氮化铝(AlN)过渡层的使用最近Pan等，(GrowthofGaNfilmonSi(111)SubstrateusingaAlNsandwichstructureasbuffer，Joun.OfCrystalGrowth318(2011)464-467)报告了尝试在Si(111)基底上生长装置质量级GaN。在这个实例中，由在Si(111)基底上形成的AlN成核层、然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，其包括：‑通过物理沉积方法将第一活性材料的第一层沉积在基本上单晶基底的涂布表面上；‑其中所述第一活性材料和所述基底具有不同的晶格约束(crystal lattice constraint)，导致第一晶格约束失配；‑其中所述物理沉积方法在低于与所述活性材料相关的预期外延生长温度的第一沉积温度下进行；和‑将所述第一活性材料层加热至超过所述预期外延生长温度的峰退火温度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.02 US 61/842,207;2013.09.23 US 61/881,3691.一种方法，其包括：
-通过物理沉积方法将第一活性材料的第一层沉积在基本上单晶基底的涂布表面上；
-其中所述第一活性材料和所述基底具有不同的晶格约束(crystallattice
constraint)，导致第一晶格约束失配；
-其中所述物理沉积方法在低于与所述活性材料相关的预期外延生长温度的第一沉积
温度下进行；和
-将所述第一活性材料层加热至超过所述预期外延生长温度的峰退火温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热步骤包括快速热退火，其中将所述涂布表
面在少于50msec内加热至所述峰退火温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述峰退火温度超过550℃。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述基底包含具有Si(111)和Si(100)之一的米勒
指数取向的硅，所述第一活性材料包含GaN，所述沉积温度低于400℃，且所述峰退火温度低
于1200℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述峰退火温度的范围在550和1500℃之间。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述物理沉积方法是热原子层沉积和等离子体增
强原子层沉积之一，其中所述第一活性材料的第一层包含多个所述第一活性材料的单层，
其中每个单层通过单个原子层沉积涂布循环沉积，并且所述加热步骤在每个原子层沉积涂
布循环后进行。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述物理沉积方法是热原子层沉积和等离子体增
强原子层沉积之一，其中所述第一活性材料的第一层包含多个所述第一活性材料的单层，
其中每个单层通过单个原子层沉积涂布循环沉积，并且所述加热步骤在选定数量的原子层
沉积涂布循环完成后进行并在各多倍所述选定数量的原子层沉积涂布循环完成后重复。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述物理沉积方法是热原子层沉积和等离子体增
强原子层沉积之一，其中所述第一活性材料的第一层包含多个所述第一活性材料的单层直
到所述第一活性材料的总期望厚度，其中每个单层通过单个原子层沉积涂布循环沉积，并
且所述加热步骤在所述第一活性材料的所述总期望厚度的沉积已经完成后进行。
9.根据权利要求2所述的方法，其中所述基底包含具有Si(111)和Si(100)之一的米勒
指数取向的硅，所述第一活性材料包含氮化镓(GaN)，其中所述物理沉积方法是热原子层沉
积和等离子体增强原子层沉积之一，其中GaN的所述第一层包含多个单层，其中GaN的沉积
包括对于每个GaN单层：
-使所述涂布表面与包含氯化镓(GaCl3)、三甲基镓(TMG)和三乙基镓(TEG)之一的第一
前体反应，然后
-使所述涂布表面与包含氨(NH3)的第二前体反应；
-其中用于使所述第一和第二前体的每一个反应的反应温度在80至350℃范围内。
10.根据权利要求2所述的方法，其中所述基底包含具有Si(111)和Si(100)之一的米勒
指数取向的硅，所述第一活性材料包含氮化铝(AlN)，其中所述物理沉积方法是热原子层沉
积和等离子体增强原子层沉积之一，其中AlN的所述第一层包含多个单层，其中AlN的沉积
包括：
-使所述涂布表面与包含金属有机铝、卤化铝和三甲基铝(TMA)之一的第一前体反应，
然后
-使所述涂布表面与第二前体氨(NH3)反应；
-其中用于使所述第一和第二前体的每一个反应的反应温度在80至350℃范围内。
11.一种方法，其包括：
-使用物理和化学沉积方法之一将第一缓冲材料的第一层沉积在基本上单晶硅基底的
涂布表面上；
-使用物理和化学沉积方法之一将第二活性材料的第二层沉积在涂布表面上，位于所
述第一缓冲层的上方；
-其中所述第一缓冲材料和所述第二活性材料具有不同的晶格约束，导致其间的第一
晶格约...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·霍雷卢克，G·森达拉姆，R·巴蒂亚，
申请(专利权)人：雅达公司，
类型：发明
国别省市：美国;US