半导体晶片制造技术

本公开涉及一种半导体晶片，其包括：含有半极性面的PSS衬底；第一GaN半导体层，外延生长在PSS衬底的半极性面上，并具有第一厚度第二GaN半导体层，外延生长在第一GaN半导体层表面上，具有第二厚度，其中所述第二GaN半导体层与第一GaN半导体层之间有阻断第一GaN半导体层内的穿透位错的氮化硅岛体。

Semiconductor wafer

The present disclosure relates to a semiconductor wafer, which comprises: a PSS substrate with a semi-polar surface; a first GaN semiconductor layer, epitaxially grown on a semi-polar surface of a PSS substrate and having a first thickness second GaN semiconductor layer, epitaxially grown on the surface of the first GaN semiconductor layer, with a second thickness, wherein the second GaN semiconductor layer interrupts the first GaN semiconductor layer between the second GaN semiconductor layer and the first GaN semiconductor layer. Silicon nitride islands penetrating dislocations in semiconductor layers.

【技术实现步骤摘要】
半导体晶片
本公开涉及一种半导体晶片，尤其涉及一种半导体半极性外延片及其制造方法。
技术介绍
与硅一样，III族氮化物材料可生长为高纯度晶体材料。与硅不同，III族氮化物材料通常比硅生长更困难且昂贵，使得直径大于几英寸的III族氮化物材料的块状衬底目前不像块状硅衬底在商业上可行。因此，研究人员已经开发出(并持续开发)用于在硅或其他晶体衬底上外延生长集成电路等级的III族氮化物层的方法。一旦生长，则可使用平面微制造技术在III族氮化物外延层中制造集成器件。目前，氮化镓(GaN)和其他III-V族氮化物材料被广泛认为是用于制造集成器件的理想材料。这些材料通常具有比基于硅的半导体更宽的带隙并且可用于制造在可见光谱的绿色和蓝色区中发射辐射的电光器件(例如，LED和二极管激光器)。另外，由于其宽的带隙，所以当III-V族氮化物材料用于制造集成晶体管时可表现出更高的击穿电压。因此，III-V族氮化物材料对于光电子和高功率电子应用可能是理想的。最近几年，美国的加州大学圣芭芭拉分校和日本的SONY、SUMITOMO等一些氮化镓(GaN)的研究机构和公司成功地在一些特殊的GaN半极性晶面上制备了高功率、高效率的蓝、绿光发光二极管和激光二极管等。这些GaN的特殊晶面(诸如(2021)、(3031)的晶面)在高效率、低效率衰退(efficiencydroop)的发光二极管(LED)以及高功率长波长激光二极管(LD)上有着极大的潜力和优势。由于III-V材料的高质量衬底(substrate)很难获得，因此III-V材料通常异质外延地生长在不同材料的异质(foreign)衬底上。例如，GaN可以生长在蓝宝石衬底上。不过，在异质衬底和III-V材料外延层之间会存在大量的晶格失配，这会导致形成穿透(threading)位错。尤其在PSS衬底上生长的半极性GaN基片(template)、半极性GaNLED以及半极性激光器会存在穿透位错(TD)。穿透位错(TD)在生长的前部区域上显示的更多，穿透位错会恶化使用III-V材料制成的半导体器件的质量，是电流泄漏的源头并且降低LED的性能。为此，人们期望获得一种能够降低外延生长层的穿透位错的衬底晶片以及基于该衬底晶片外延生长形成的半导体器件。
技术实现思路
本公开旨在解决上述和/或其他技术问题并提供了一种半导体晶片，其包括：含有半极性面的PSS衬底；在PSS衬底的半极性面外延生长的具有第一厚度的第一GaN半导体层；在第一GaN半导体层表面上外延生长的第二厚度的第二GaN半导体层；其中所述第二GaN半导体层与第一GaN半导体层之间有阻断第一GaN半导体层内的穿透位错的氮化硅岛体。根据本公开的半导体晶片，其中，所述氮化硅岛体的直径为10纳米或小于10纳米。根据本公开的半导体晶片，其中，PSS衬底的半极性面为(2021)、(2021)、(3031)以及(3031)之一。根据本公开的半导体晶片，其中，第一GaN半导体层为无掺杂的GaN半导体层，而所述第二GaN半导体层为非掺杂型GaN半导体层、N型GaN半导体层或P型GaN半导体层。根据本公开的另一个方面，提供了一种在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，其包括：在PSS衬底上在处理腔室内的第一温度环境下沿着半极性面外延生长成平坦的第一GaN半导体层；停止施加Ga载气，在处理腔室内第三温度环境下施加Si载气，从而采用MOCVD方式在第一GaN半导体层表面生成第三厚度的氮化硅层；停止施加硅载气，并将处理腔室内温度升高到第四温度从而使得氮化硅层部分熔化而形成氮化硅岛体；以及在处理腔室内第二温度环境下沿着半极性面继续外延生长第二GaN半导体层到第二厚度为止。根据本公开的在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，其中所述氮化硅岛体的直径为10纳米或小于10纳米。根据本公开的在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，所述半极性面为(2021)、(2021)、(3031)以及(3031)之一。根据本公开的在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，所述第二GaN半导体层为非掺杂型GaN半导体层、N型GaN半导体层或P型GaN半导体层。根据本公开的在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，其中外延生长具有第一厚度的第一GaN半导体层的工艺包括金属有机化学气相沉积或分子束外延生长工艺之一。根据本公开的在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，其中外延生长具有第一厚度的第一GaN半导体层包括将处理腔室内的温度调节为第一温度，而外延生长具有第二厚度的第二GaN半导体层包括将处理腔室内的温度调节为第二温度。根据本公开的在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，其中所述第二温度高于第一温度。根据本公开的在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，其中所述第一温度为300℃到800℃之间，所述第二温度高于800℃。根据本公开的在PSS衬底上沿半极性面外延生长GaN基片的方法，其中第三温度为800℃到950℃之间。第四温度为950℃到1100℃之间。由于无掺杂的GaN层内的穿透位错更容易在进行氮化硅沉积时形成，因此当形成氮化硅层后，在进一步提高温度而停止Si载气时，穿透位错外围的氮化硅更早熔化，并逐渐形成阻挡在穿透位错位置处的一些氮化硅岛体。这有助于在随后的第二GaN半导体层外延生长过程中通过在第一GaN半导体层露出的没有穿透位错位置平坦表面以及剩余的氮化硅岛体的侧壁横向生长第二GaN晶体，从而切断第一GaN半导体层的穿透位错在第二GaN半导体层外延生长过程的延伸，从而极大地减少了第二GaN半导体层外延层内的穿透位错，从而提高了GaN半导体层外延片的垒晶质量。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。图1是示出根据示例性实施例的半导体外延晶片的示意性截面图。图2是示出根据第二示例性实施例的半导体外延晶片的示意性截面图。图3是示出用于说明根据示例性实施例的半导体外延晶片的制造方法流程图。图4所示的是现有GaN外延片的GaN截面SEM图片。图5所示的是根据示例性实施例的半导体GaN外延片的GaN截面SEM图片。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。除非另有定义，本文使用的所有其他科学和技术术语具有与本专利技术所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体晶片，其包括：含有半极性面的PSS衬底；第一GaN半导体层，外延生长在PSS衬底的半极性面上，并具有第一厚度；第二GaN半导体层，外延生长在第一GaN半导体层表面上，具有第二厚度；其中所述第二GaN半导体层与第一GaN半导体层之间有阻断第一GaN半导体层内的穿透位错的氮化硅岛体。

【技术特征摘要】
1.一种半导体晶片，其包括：含有半极性面的PSS衬底；第一GaN半导体层，外延生长在PSS衬底的半极性面上，并具有第一厚度；第二GaN半导体层，外延生长在第一GaN半导体层表面上，具有第二厚度；其中所述第二GaN半导体层与第一GaN半导体层之间有阻断第一GaN半导体层内的穿透位错的氮化硅岛体。2.根据权利要求1所述的半导体晶片，其中，所述氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈辰，宋杰，崔周源，
申请(专利权)人：西安赛富乐斯半导体科技有限公司，
类型：新型
国别省市：陕西,61