专利名称：氮化镓层在蓝宝石基体上的悬挂外延生长的制作方法
联邦政府赞助的研究这项发明是在政府支持下按照海军研究合同第N00014-96-1-0765、N00014-98-1-0384和N00014-98-1-0654号进行的。政府对这项发明可以有某种权利。
本发明的技术领域这项发明涉及微电子器件和制造方法，更具体地说涉及氮化镓半导体器件及其制造方法。
本发明的现有技术目前正在对氮化镓进行广泛地微电子器件研究，其中包括但不限于晶体管、场致发射体和光电子器件。人们将理解，如同在本文中所用的那样，氮化镓也包括氮化镓的合金，例如氮化镓铝，氮化镓铟和氮化镓铟铝。
在制造以氮化镓为基础的微电子器件方面的主要问题是制造缺陷密度低的氮化镓半导体层。众所周知缺陷密度的贡献者之一是供氮化镓层在其上生长的基体。因此，虽然氮化镓层已在蓝宝石基体上生长，但是让氮化镓层在本身是在碳化硅基体上形成的氮化铝缓冲层上生长将降低缺陷密度是众所周知的。尽管有这些进步，继续降低缺陷密度仍然是令人想要的。
人们还知道凭借在氮化镓层上形成其中包括至少一个露出打底的氮化镓层的开口的掩模和让打底的氮化镓层穿过所述的至少一个开口往掩模上横向生长可以生产低缺陷密度的氮化镓层。这种技术往往被称为“外延型横向蔓延(ELO)”。这个氮化镓层可以往掩模上横向生长，使氮化镓在掩模上聚结成单层。为了形成缺陷密度比较低的连续的氮化镓层，可以在横向蔓延的氮化镓层上形成包括至少一个与打底的掩模中的开口错开的开口的第二掩模。然后，ELO再一次穿过第二掩模中的开口得以完成，借此允许连续的低缺陷密度的第二氮化镓层蔓延。然后，微电子器件可以在这个蔓延的第二层中形成。例如，氮化镓的ELO在如下出版物中已有描述Nam等人的“Lateral Epitaxyof Low Defect Density GaN Layers Via Organometallic Vapor PhaseEpitaxy(经由有机金属蒸汽相外延附生的低缺陷密度GaN层横向外延附生)”，Appl.Phys.Lett.Vol.71，No.18，1997年11月3日，pp.2638-2640；Zheleva等人的“Dislocation Density ReductionVia Lateral Epitaxy in Selectively Grown GaN Structures(在有选择地生长的GaN结构中借助横向外延附生减少位错密度)”，Appl.Phys.Lett.Vol.71，No.17，1997年10月27日，pp.2472-2474，在此通过引证将它们的揭示并入。
人们还知道通过在打底的氮化镓层中形成至少一个沟槽或柱来定义至少一个侧壁可以生产低缺陷密度的氮化镓层。然后，氮化镓层从所述的至少一个侧壁横向生长出来。横向生长优选持续到横向长出的膜层在沟槽范围内聚结为止。横向生长还优选一直持续到从侧壁生长出来的氮化镓层横向蔓延到柱的顶端之上为止。为了促进横向生长、氮化镓的成核作用和在垂直方向上生长，柱的顶端和/或沟槽底面可以被掩蔽。来自沟槽和/或柱的侧壁的横向生长也被称为“悬挂外延(Pendeoepitaxy)”并且是在下面列举的出版物中予以描述的Zheleva等人的“Pendeo-EpitaxyA New Approach for Lateral Growth of GalliumNitride Films(悬挂外延用于氮化镓膜横向生长的新方法)”，Journal of Electronic Materials，Vol.28，No.4，1999年2月，PP.L5-L8；以及Linthicum等人的“Pendeoepitaxy of GalliumNitride Thin Films(氮化镓薄膜的悬挂外延)”，Applied PhysicsLetters，Vol.75，No.2，1999年7月，pp.196-198，在此通过引证将它们的揭示并入。
ELO和悬挂外延能够为微电子应用提供比较大的低缺陷密度的氮化镓层。然而，可能限制氮化镓器件批量生产的主要问题是氮化镓层在碳化硅基体上的生长。尽管碳化硅的重要性在商业上逐渐增加，但是碳化硅基体仍然可能是比较昂贵的。此外，因为碳化硅是不透明的，所以在需要背面照明的场合把碳化硅基体用在光学器件中可能是困难的。因此，使用碳化硅基体打底制造氮化镓微电子结构可能对氮化镓器件的成本和应用产生不利的影响更具体地说，氮化镓半导体层可以通过蚀刻在蓝宝石基体上打底的氮化镓层来制造，以便在打底的氮化镓层中定义至少一个柱和至少一条沟槽。所述的至少一个柱包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁。所述的至少一条沟槽包括沟槽底面。氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长，借此形成氮化镓半导体层。然而，在完成横向生长步骤之前，蓝宝石基体和/或打底的氮化镓层是经过处理的，以便防止来自沟槽底面的氮化镓的生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长。
在所述的至少一条沟槽下面，蓝宝石基体可以被蚀刻到足够的深度以形成蓝宝石底面和防止来自蓝宝石底面的氮化镓垂直生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长。除此之外作为替代方案，沟槽底面可以用掩模掩蔽。在其它的替代方案中，打底的氮化镓层被有选择的蚀刻和掩蔽以便将蓝宝石基体暴露出来形成蓝宝石底面。柱的氮化镓顶端也可以被掩模掩蔽，以便与在氮化镓上相比降低氮化镓在其上的成核作用。生长之后，可以在氮化镓半导体层中形成至少一个微电子器件。
更明确地说，在蓝宝石基体上打底的氮化镓层经过蚀刻有选择地将蓝宝石基体暴露出来并且在打底的氮化镓层中定义至少一个柱和至少一条沟槽。所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁。所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长，借此形成氮化镓半导体层。
优选的是在蚀刻蓝宝石基体上打底的氮化镓层时，蓝宝石基体也被蚀刻，以便定义在打底的氮化镓层中和在蓝宝石基体中的至少一个柱以及在打底的氮化镓层中和在蓝宝石基体中的至少一条沟槽。所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁。所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。更优选的是蓝宝石基体被蚀刻足够的深度以便防止来自蓝宝石底面的氮化镓垂直生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长的步骤。例如，蓝宝石侧壁高度与蓝宝石底面宽度之比超过大约1/4。在另一个实施方案中，蓝宝石底面是用与在蓝宝石上相比将降低氮化镓的成核作用的掩模掩蔽的。
在另一些实施方案中，蓝宝石基体包括在它上面的氮化铝缓冲层。在蚀刻步骤期间，氮化镓层和氮化铝缓冲层两者都被蚀刻以便将蓝宝石基体有选择地暴露出来。在其它的实施方案中，蓝宝石基体也被这样有选择地蚀刻，以致沟槽延伸到蓝宝石基体之中。
横向生长优选通过让氮化镓侧壁往氮化镓顶端上横向蔓延以悬挂外延方式继续进行，借此形成氮化镓半导体层。在悬挂外延生长之前，氮化镓顶端可以用与在氮化镓上相比将降低氮化镓的成核作用的掩模掩蔽。
依照本发明的另一个方面，沟槽底面可以用掩模掩蔽，借此回避将蓝宝石基体暴露出来的需要。具体地说，在蓝宝石基体上打底的氮化镓层可以被蚀刻，以便定义在打底的氮化镓中的至少一个柱和在打底的氮化镓层中的至少一条沟槽。所述的至少一个柱包括顶端和侧壁，而所述的至少一条沟槽包括沟槽底面。所述的至少一个底面是用掩模掩蔽的，而所述的至少一个柱的侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长，借此形成氮化镓半导体层。如上所述，柱的顶端也可以被掩蔽。优选的是所述的至少一个底面和所述的至少一个顶端同时被掩蔽，例如，通过实施定向沉淀在侧面的顶端和底面上形成掩模，但在侧壁上不形成掩模。还是如上所述，在有氮化铝缓冲层存在时，可以通过蚀刻定义柱和沟槽，或者在氮化铝缓冲层上形成掩模。在另一个替代方案中，沟槽底面本身可以位于氮化镓层中，而氮化镓沟槽底面可以如同前面描述的那样被掩蔽。
依照本发明氮化镓半导体结构的实施方案可以包括蓝宝石基体和在蓝宝石基体上打底的氮化镓层。打底的氮化镓层中包括至少一个柱和至少一条沟槽。所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁。所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。侧面的氮化镓层从所述的至少一个柱的氮化镓侧壁横向延伸到所述的至少一条沟槽之中。在优选的实施方案中，所述的至少一条沟槽这样延伸到蓝宝石基体之中，以致于所述的至少一个柱每个包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁，而所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。优选的是在蓝宝石底面上没有垂直的氮化镓层，而蓝宝石侧壁高度与蓝宝石底面宽度之比可以超过大约1/4。掩模可以被包括在蓝宝石底面上，氮化铝缓冲层也可以被包括在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间。掩模也可以被包括在氮化镓顶端上。顶端和底面上的掩模优选由同一种材料组成。
依照本发明氮化镓半导体结构的其它实施方案也可以包括蓝宝石基体和在蓝宝石基体上打底的氮化镓层。在打底的氮化镓层中包括至少一个柱和至少一条沟槽。所述的至少一个柱包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁，而所述的至少一条沟槽包括沟槽底面。掩模被包括在所述的至少一条沟槽铺的底面上，而氮化镓层从所述的至少一个柱的氮化镓侧壁横向延伸到所述的至少一条沟槽之中。在优选的实施方案中，沟槽底面是蓝宝石底面。在氮化镓顶端上可以提供优选包含与沟槽底面上的掩模相同的材料的掩模。氮化铝缓冲层也可以如同前面描述的那样被提供。至少一个微电子器件可以在该氮化镓半导体层中形成。
因此，蓝宝石可以作为生成低缺陷密度的氮化镓半导体层的基体被使用。借此可以提供低成本和/或高实用性的氮化镓器件。
附图简要说明
图1-5是依照本发明第一种氮化镓微电子结构在中间的制造步骤期间的剖视图。
图6-10是依照本发明其它氮化镓微电子结构在中间的制造步骤期间的剖视图。
图11-16是依照本发明另一些氮化镓微电子结构在中间的制造步骤期间的剖视图。
图17-22是依照本发明另外一些氮化镓微电子结构在中间的制造步骤期间的剖视图。
本发明优选实施方案的详细说明现在将参照用来展示本发明的优选实施方案的附图更全面地描述这项发明。然而，这项发明可以用许多不同的形式予以体现，因此不应该被解释为仅仅局限于在此处发表的实施方案；更确切地说，这些实施方案是这样提供的，以至于这个揭示将是完全彻底的并且对于熟悉这项技术的人将全面覆盖本发明的范围。为了清楚起见，膜层的厚度和区域在这些附图中被夸大了。相同的数字自始至终指的是相同的要素。人们将理解诸如膜层、区域或基体之类的要素被称为“在”或“到”另一个要素之上时，它可能直接在其它要素之上，也可能有居间的要素存在。此外，在本文中描述和图解说明的每个实施方案也包括其补充的传导型实施方案。
现在参照图1-5，描述依照本发明的实施方案制造氮化镓半导体结构的方法。如图1所示，打底的氮化镓层104生长在基体102上。基体102包括蓝宝石(Al2O3)基体102a，优选具有(0001)(c-平面)取向，并且优选包括氮化铝和/或氮化镓缓冲层102b。在本文中使用的结晶学命名约定对于熟悉这项技术的人是众所周知的，因此不需要进一步予以描述。氮化镓层104可以有介于0.5和2.0μm的厚度，并且可以在使用三乙基镓(26微摩尔/分)、氨(1500sccm)和氢稀释剂(3000sccm)的垂直的和感应加热的有机金属蒸汽相冷壁外延系统中于1000℃下在沉积在蓝宝石基体102a上的低温(600℃)的氮化铝缓冲层和/或低温(500℃)的氮化镓缓冲层102b上生长。氮化镓层在包括氮化铝缓冲层的蓝宝石基体上的生长是在下述出版物中予以描述的Yoshida等人，Appl.Phys.Lett.42(5)，1983年3月1日，pp.427-429，题为“Improvements on the Electrical and LuminescentProperties of Reactive Molecular Beam EpitaxiallV Grown Films byUsing-Coated Sapphire Substrates(通过使用带AlN涂层的蓝宝石基体对反应分子束外延附生而成GaN膜的电发光特性的改进)”；Amano等人，Appl.Phys.Lett.48(5)，1986年2月，pp.353-355，题为“有机金属Vapor Phase Epitaxial Growth of aHigh Quality GaN Film Using an AIN Buffer Layer(使用AlN缓冲层时高质量GaN膜的有机金属蒸汽相外延生长)”；Kuznia等人，J.Appl.Phys.73(9)，1993年5月1日，pp.470-4702，题为“Influence of Buffer Layers on the Deposition of High QualitySingle Crystal GaN Over Sapphire Substrate(缓冲层对高质量的GaN单晶在蓝宝石基体上的沉积的影响)”；Nakamura，JapaneseJournal of Applied Physics，Vol.30，No.10A，1991年10月，pp.L1705-L1707，题为“GaN Growth Using GaN Buffer Layer(使用GaN缓冲层时GaN的生长)”；Doverspike等人，Journal ofElectronic Materials，Vol.24，No.4，1995年，pp.269-273，题为“The Effect of GaN and AIN Buffer Layers on GaN FilmProperties Grown on Both C-Plane and A-Plane Sapphire(GaN和AlN缓冲层对在C-平面和A-平面两种蓝宝石上生长的GaN膜的性能的影响)”，在此通过引证将这些出版物所揭示的内容全部并入。
仍然参照图1，打底的氮化镓层104包括众多的侧壁105。熟悉这项技术的人将理解侧壁105可以被看作是由众多也可以被称为“台地”、“底座”或“圆柱”的被隔开的柱106定义的。侧壁105也可以被看作是由众多在打底的氮化镓层104中也被称为“井”的沟槽107定义的。侧壁105还可以被看作是由一系列交替的沟槽107和柱106定义的。此外，可以提供被看作是由至少一条毗邻沟槽107定义的单一的柱106。人们还将理解定义侧壁105的柱106和沟槽107可以借助有选择的蚀刻和/或有选择的外延生长和/或其它的传统技术来制造。人们还将理解侧壁不需要与基体102正交，而是倾斜的。最后，人们将理解虽然侧壁105在图1中是用横截面展示的，但是柱106和沟槽107可以定义笔直的、V形的或具有其它形状的细长区域。如图1所示，沟槽107优选延伸到缓冲层102b和基体102a之中，以致氮化镓随后的生长优先发生在侧壁105上，而不是发生在沟槽底面上。
现在参照图2，打底的氮化镓层104的侧壁105横向生长，在沟槽107中形成横向的氮化镓层108a。氮化镓的横向生长可以在1000-1100℃和45托下获得。以13-39微摩尔/分钟提供的母料TEG和以1500sccm提供的NH3可以与3000sccm的H2稀释剂结合使用。如果要形成氮化镓合金，举例说，附加的铝或铟的传统母料也可以被使用。如同在本文中使用的那样，术语“横向”意味着与侧壁105正交的方向。人们还将理解在来自侧壁105的横向生长期间，柱106上的某种垂直生长也可能发生。如同在本文中使用的那样，术语“垂直”表示平行于侧壁105的方向。
业已发现，当蓝宝石基体在氮化镓生长期间暴露在气相中时，氮化镓能够在蓝宝石上成核。因此，氮化镓的垂直生长可以来自蓝宝石的沟槽底面，这可能干扰氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长。作为替代，因为氨的存在，蓝宝石表面的暴露区域可以被转化成氮化铝。令人遗憾的是氮化镓能够在氮化铝上很好地成核，因此为可能干扰氮化镓侧壁的横向生长的来自沟槽底面的氮化镓的垂直生长创造条件。
蓝宝石表面的暴露区域向氮化铝的转变可以由于氮化镓在较高的生长温度下生长而被减少并且优选被消除。例如，可以采用大约1100℃的温度，而不是大约1000℃的传统温度。然而，这仍然不足以阻止氮化镓在蓝宝石基体底面上成核。
再一次参照图2，依照本发明，蓝宝石基体102a被蚀刻到足够的深度，以防止来自蓝宝石沟槽底面107的氮化镓的垂直生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓的侧壁往所述的至少一条沟槽之中横向生长的步骤。例如，蓝宝石侧壁高度y与蓝宝石底面宽度x之比可能是至少1/4。其它比值也可以使用，取决于氮化镓生长期间垂直生长速率与横向生长速率之比。在下面描述的条件下，氮化镓的横向生长速率可以比垂直生长速率快。在这些条件下，只要沟槽足够深，来自柱的侧壁生长能够在起因于氮化镓在蓝宝石基体上的成核作用的氮化镓在沟槽中的垂直生长可能干扰横向生长之前在沟槽上聚结。
现在参照图3，横向的氮化镓层108a的继续生长引起在打底的氮化镓层104上(确切地说在柱106上)的垂直生长，从而形成垂直的氮化镓层108b。如同结合图2描述的那样，垂直生长的生长条件可以被维持。也如同用图3展示的那样，继续进入沟槽107的垂直生长可能发生在沟槽底部。空间109优选保持在横向的氮化镓层108a和沟槽底面107a之间。
现在参照图4，生长被允许继续到横向生长的前端在接口108c处在沟槽107中聚结，从而在沟槽中形成连续的氮化镓半导体层。总的生长时间可能是大约60分钟。如同在图5中展示的那样，微电子器件110随后可以在横向的氮化镓半导体层108a中形成。器件也可以在垂直的氮化镓层108b中形成。
因此，在图5中，依照本发明实施方案图解说明氮化镓半导体结构100。氮化镓结构100包括基体102。基体包括蓝宝石基体102a和在蓝宝石基体102a上的氮化铝缓冲层102b。氮化铝和/或氮化镓缓冲层102b可以是大约200-300埃厚。
打底的氮化镓层104也被包括在与基体102a相对的缓冲层102b上。打底的氮化镓层104可以具有介于大约0.5和2.0微米之间的厚度，而可以是利用有机金属蒸汽相外延(MOVPE)形成的。打底的氮化镓层通常具有不符合要求的比较高的缺陷密度。例如，在打底的氮化镓层中可能存在介于大约108/cm2和1010/cm2之间的位错密度。这样高的缺陷密度可能起因于缓冲层102b和打底的氮化镓层104之间晶格参数的不匹配和/或其它原因。这样高的缺陷密度可能影响在打底的氮化镓层104中形成的微电子器件的性能。
仍然继续关于图5的描述，打底的氮化镓层104包括众多可以用众多柱106和/或众多沟槽107定义的侧壁105。如同前面描述过的那样，侧壁可以是倾斜的并且可以有各种不同的细长形状。柱106包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁，而所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面107a。在蓝宝石底面107a上优选没有垂直的氮化镓层。蓝宝石侧壁高度对蓝宝石底面宽度的比优选是至少1/4。
继续关于图5的描述，横向的氮化镓层108a从打底的氮化镓层104的众多侧壁105延伸出来。横向的氮化镓层108a可以是在大约1000-1100℃和45托下利用有机金属蒸汽相外延形成的。为了形成横向的氮化镓层108a，以13至39微摩尔/分钟的速率提供的三乙基镓(TEG)和以1500sccm提供的氨(NH3)的母料可以与3000sccm的H2稀释剂结合起来使用。氮化镓半导体结构100还包括从柱106垂直地延伸出来的垂直的氮化镓层108b。
如图5所示，横向的氮化镓层108a在沟槽中于接口108c处聚结，形成连续的横向的氮化镓半导体层108a。业已发现，在打底的氮化镓层104中位错密度通常不以与从打底的氮化镓层104垂直地传播时相同的密度从侧壁105横向地传播。因此，横向的氮化镓层108a可以具有比较低的缺陷密度，例如，低于104/cm2。所以，横向的氮化镓层108b可以形成器件质量的氮化镓半导体材料。因此，如同在图5中展示的那样，微电子器件110可以在横向的氮化镓半导体层108a中形成。人们还应该理解因为横向生长是依据侧壁105定向的，所以不需要使用掩模来制造图5的氮化镓半导体结构100。
图6-10图解说明依照本发明其它的实施方案。如图6所示，掩模201在沟槽底面107a’上形成。当掩模201在沟槽底面107a’上形成时，沟槽不需要被蚀刻到蓝宝石基体102a之内。而是如图6所示，沟槽可以仅仅被蚀刻穿过氮化铝缓冲层102b。但是，熟悉这项技术的人将理解沟槽也可以被蚀刻到蓝宝石基体102之内，如同用图1予以图解说明的那样，而蓝宝石基体中的沟槽底面107a可以用掩模201掩蔽。在另一个替代方案中，沟槽仅仅被部份地蚀刻到氮化铝缓冲层102b之内，而不是如同在图6中展示的那样完全穿透氮化铝缓冲层102b。在另外一个替代方案中，沟槽全然不需要被蚀刻到氮化铝缓冲层102b之内，而是可以在氮化铝缓冲层102b的暴露部分上形成掩模201。在另外一个替代方案中，沟槽可以不延伸到氮化铝缓冲层之内，而是可以在氮化镓层104里面结束，并且可以在氮化镓底面上形成掩模201。最后，人们将理解虽然掩模201被表现成具有与氮化铝缓冲层102b相同的厚度，但是它不需要具有相同的厚度。它可以更薄或更厚。
业已发现，依照本发明，氮化镓在诸如二氧化硅、氮化硅之类的某些无定形的和结晶的材料上以及在诸如钨之类的某些金属上显然不成核。因此，诸如热蒸发或电子束蒸发之类的“视线”沉积技术可以用来把诸如二氧化硅、氮化硅和/或钨之类的掩模材料沉积到沟槽底面上。由于氮化镓在掩模上明显地不成核，所以它被迫离开柱的侧壁生长。图6-10的剩余处理步骤与图1-5的那些一致，因此不需要在此再一次描述。
图11-16图解说明依照本发明的其它实施方案。在图11-16中，蓝宝石基体102a被蚀刻到足够的深度，以防止来自蓝宝石底面的氮化镓的垂直生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长的步骤，如同结合图1-5描述的那样，因此不需要在此再一次描述。然而，与图1-5相反，在图11-16中，掩模(例如，二氧化硅、氮化硅和/或钨掩模209)被包括在打底的氮化镓层104上。掩模209可以具有大约1000埃或更小的厚度，而且可以是利用二氧化硅和/或氮化硅的低压化学蒸汽淀积(CVD)在打底的氮化镓层104上形成。作为替代，电子束或热蒸发可以被用来淀积钨。掩模209是采用传统的光刻技术组成图案的，以便在其中提供开口阵列。
如图11所示，通过开口阵列蚀刻打底的氮化镓层，从而在打底的氮化镓层104中定义众多的柱106以及在其间的众多沟槽107。这些柱每个都包括侧壁105和上面有掩模209的顶端。人们将理解虽然柱106和沟槽107是优选如同前面描述的那样通过掩蔽和蚀刻制成的，但是这些柱也可以是通过让来自打底的氮化镓层的柱有选择地生长，然后在柱的顶端加上封顶层形成的。有选择的生长和有选择的蚀刻的组合也可以被采用。
如图12所示，打底的氮化镓层104的侧壁105通过横向生长在沟槽107中形成横向的氮化镓层108a。横向生长可以如同前面描述的那样继续进行。人们将理解借助掩模209，在柱106的顶端上生长和/或成核作用将被减少，优选被消除。
参照图13，横向的氮化镓层108a的继续生长引起横向的氮化镓层108a穿过开口阵列的垂直生长。用于垂直生长的条件可以如同结合图12描述的那样被维持。
现在参照图14，横向的氮化镓层108a的继续生长引起往掩模209上横向蔓延，从而形成横向蔓延的氮化镓层108b。蔓延的生长条件可以如同结合图12描述的那样被维持。
现在参照图15，生长过程被允许持续到在沟槽107中横向生长的前缘在接口108c处聚结，在沟槽中形成连续的横向氮化镓半导体层108a。
仍然参照图15，生长过程还被允许持续到在掩模209上横向蔓延的前缘于接口108d处聚结，形成连续的横向蔓延的氮化镓半导体层108b。总的生长时间可以是大约60分钟。单一的连续生长步骤可以被采用。如图16所示，随后微电子器件110可以在横向的氮化镓半导体层108a中形成。微电子器件也可以在横向蔓延的氮化镓层108b中形成。
最后，参照图17-22，进一步图解说明本发明的其它实施方案。图17-22把在图6-10中予以图解说明的在沟槽107的底面上的掩模201与在图11中予以图解说明的在柱106的顶端上的掩模209合并。人们将理解在沟槽底部的掩模201和在柱106的顶端上的掩模209优选同时形成并且优选由同一种材料组成。因此，举例来说，诸如二氧化硅、氮化硅之类的掩模材料和/或诸如钨之类的金属的热蒸发或电子束蒸发之类的视线淀积技术可以被使用。如果掩模材料是在蚀刻步骤之后淀积的，那么它仅仅覆盖垂直的表面，即柱106的顶面和沟槽107的底部表面(底面)。氮化镓优选在掩模201和209上极少成核，以致于氮化镓优选仅仅从柱的侧壁105向外生长。作为替代，掩模201和209可以包含不同的材料和/或具有不同的厚度。图17-22的其余步骤与图11-16类似，因此不需要再一次详细地描述。
人们将理解掩模201可以在基体102a的暴露的蓝宝石底面上、在膜层102b的暴露氮化铝底面上或在膜层104中暴露的氮化镓底面上形成。换言之，沟槽可以被这样蚀刻部分地进入氮化镓层104，完全穿透氮化镓层104，部分地进入氮化铝缓冲层102b，完全穿透氮化铝层102b，和/或部分进入蓝宝石基体102。此外，掩模201与氮化铝层102b相比其厚度可以更薄或更厚。因此，蓝宝石基体可以被用于氮化镓半导体层的生长，借此提供低成本和/或高实用性。
在这些附图和这份说明书中，已经揭示了本发明的典型的优选实施方案，虽然使用了专用术语，但是它们仅仅被用在普通的描述意义上，而不是作为限制的目的，本发明的范围是用权利要求书予以陈述的。
权利要求
1.一种制造氮化镓半导体层的方法，该方法包括下述步骤蚀刻在蓝宝石基体上打底的氮化镓层，以便有选择地暴露蓝宝石基体和在打底的氮化镓层中定义至少一个柱和至少一条沟槽，所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁，所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面；以及让所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长，借此形成氮化镓半导体层。
2.根据权利要求1的方法，其中蚀刻步骤包括如下步骤蚀刻在蓝宝石基体上打底的氮化镓层和蓝宝石基体，以便在打底的氮化镓层和蓝宝石基体中定义至少一个柱和至少一条沟槽，所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁，所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。
3.根据权利要求2的方法，其中蚀刻步骤包括将蓝宝石基体蚀刻到足够的深度的步骤，以便防止来自蓝宝石底面的氮化镓垂直生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长的步骤。
4.根据权利要求2的方法，其中蓝宝石侧壁高度对蓝宝石底面宽度的比超过大约1/4。
5.根据权利要求1的方法，其中在蚀刻步骤和横向生长步骤之间完成的是如下步骤用与蓝宝石相比将降低氮化镓在其上的成核作用的掩模掩蔽蓝宝石底面。
6.根据权利要求1的方法，其中蚀刻步骤包括蚀刻打底的氮化镓层和蓝宝石基体上的氮化铝和/或氮化镓缓冲层，以便有选择地暴露蓝宝石基体和在打底的氮化镓层和缓冲层中定义至少一个柱和至少一条沟槽，所述的至少一个柱包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和氮化铝侧壁，而至少一条沟槽包括蓝宝石底面。
7.根据权利要求6的方法，其中蚀刻步骤包括蚀刻打底的氮化镓层、蓝宝石基体上的缓冲层和蓝宝石基体，以便有选择地暴露蓝宝石基体和在打底的氮化镓层、缓冲层和蓝宝石基体中定义至少一个柱以及在打底的氮化镓层、缓冲层和蓝宝石基体中定义至少一条沟槽，所述的至少一个柱包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁，而至少一条沟槽包括蓝宝石底面。
8.根据权利要求1的方法，其中横向生长步骤包括所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往氮化镓顶端上横向蔓延，借此形成氮化镓半导体层。
9.根据权利要求1的方法，其中在横向生长步骤之前是用与在氮化镓上相比将降低氮化镓在其上的成核作用的掩模掩蔽氮化镓顶端的步骤；而横向生长步骤包括所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往掩模上横向蔓延的步骤，借此形成氮化镓半导体层。
10.根据权利要求1的方法，其中横向生长步骤之后是在氮化镓半导体层中形成至少一个微电子器件的步骤。
11.根据权利要求1的方法，其中蚀刻步骤之前是在蓝宝石基体上形成打底的氮化镓层的步骤。
12.一种制造氮化镓半导体层的方法，该方法包括下述步骤蚀刻蓝宝石基体上打底的氮化镓层，以便在打底的氮化镓层中定义至少一个柱和在打底的氮化镓层中定义至少一条沟槽，所述的至少一个柱包括顶端和侧壁，而所述的至少一条沟槽包括底面；用掩模掩蔽所述的至少一个底面；以及让所述的至少一个柱的侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长，借此形成氮化镓半导体层。
13.根据权利要求12方法，其中蚀刻步骤包括蚀刻打底的氮化镓层将蓝宝石基体暴露出来并借此形成至少一个蓝宝石底面的步骤；而掩蔽步骤包括用与在蓝宝石上相比将降低氮化镓在其上面的成核作用的掩模掩蔽至少一个蓝宝石底面的步骤。
14.根据权利要求13的方法进一步包括步骤包括用掩模掩蔽至少一个顶端的步骤。
15.根据权利要求14的方法，其中掩蔽至少一个底面和掩蔽至少一个顶端的步骤是同时完成的。
16.根据权利要求12的方法，其中蚀刻步骤包括蚀刻打底的氮化镓层和在蓝宝石基体上的氮化铝和/或氮化镓缓冲层，以便定义在打底的氮化镓层和缓冲层中的至少一个柱和在打底的氮化镓层和缓冲层中的至少一条沟槽，所述的至少一个柱包括顶端和侧壁，而所述的至少一条沟槽包括氮化铝底面。
17.根据权利要求12的方法，其中掩蔽步骤包括蚀刻打底的氮化镓层、在蓝宝石基体上的氮化铝和/或氮化镓缓冲层和蓝宝石基体，以便定义在打底的氮化镓层、缓冲层和蓝宝石基体中的至少一个柱和在打底的氮化镓层、缓冲层和蓝宝石基体中的至少一条沟槽，所述的至少一个柱包括顶端和侧壁，而所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。
18.根据权利要求12的方法，其中横向生长步骤包括所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往氮化镓顶端上横向蔓延的步骤，借此形成氮化镓半导体层。
19.根据权利要求12的方法，其中横向生长步骤之前是用与在氮化镓上相比将降低氮化镓在其上的成核作用的掩模掩蔽氮化镓顶端的步骤；以及横向生长步骤包括所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往掩模上横向蔓延并借此形成氮化镓半导体层的步骤。
20.根据权利要求12的方法，其中跟在横向生长步骤后面的是在氮化镓半导体层中形成至少一个微电子器件的步骤。
21.根据权利要求12的方法，其中在蚀刻步骤之前的是在蓝宝石基体上形成打底的氮化镓层的步骤。
22.一种制造氮化镓半导体层的方法，该方法包括下述步骤蚀刻在蓝宝石基体上打底的氮化镓层，以便定义在打底的氮化镓层中的至少一个柱和在打底的氮化镓层中的至少一条沟槽，所述的至少一个柱包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁，所述的至少一条沟槽包括沟槽底面；让所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长，借此形成氮化镓半导体层；其中在横向生长步骤前面的是至少对蓝宝石基体和打底的氮化镓层之一进行处理的步骤，以防止来自沟槽底面的氮化镓的垂直生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长的步骤。
23.根据权利要求22的方法，其中处理步骤包括下述步骤将所述的至少一条沟槽下面的蓝宝石基体蚀刻到足够的深度，以便形成蓝宝石底面和防止来自蓝宝石底面的氮化镓的垂直生长干扰所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽中横向生长的步骤。
24.根据权利要求22的方法，其中处理步骤包括用掩模掩蔽沟槽底面的步骤。
25.根据权利要求22的方法，其中处理步骤包括有选择地蚀刻打底的氮化镓层将蓝宝石基体暴露出来形成蓝宝石底面的步骤。
26.根据权利要求22的方法，其中横向生长步骤包括让所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往氮化镓顶端上横向蔓延形成氮化镓半导体层的步骤。
27.根据权利要求22的方法，其中在横向生长步骤前面的是用与在氮化镓上相比将降低氮化镓在其上的成核作用的掩模掩蔽氮化镓顶端的步骤；而横向生长步骤包括让所述的至少一个柱的氮化镓侧壁往掩模上横向蔓延形成氮化镓半导体层的步骤。
28.根据权利要求22的方法，其中跟在横向生长步骤后面的是在氮化镓半导体层中形成至少一个微电子器件的步骤。
29.根据权利要求22的方法，其中在蚀刻步骤前面的是在蓝宝石基体上形成打底的氮化镓层的步骤。
30.一种氮化镓半导体结构，其中包括蓝宝石基体；在蓝宝石基体上打底的氮化镓层，该打底的氮化镓层把至少一个柱和至少一条沟槽包括在其中，所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁，而所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面；以及从所述的至少一个柱的氮化镓侧壁横向延伸到所述的至少一条沟槽中的横向氮化镓层。
31.根据权利要求30的结构，其中所述的至少一条沟槽这样延伸到蓝宝石基体之中，以致于所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端、氮化镓侧壁和蓝宝石侧壁，而所述的至少一条沟槽包括蓝宝石底面。
32.根据权利要求30的结构，其中蓝宝石底面没有垂直的氮化镓层。
33.根据权利要求30的结构，其中蓝宝石侧壁高度对蓝宝石底面宽度的比超过大约1/4。
34.根据权利要求30的结构，进一步包括在蓝宝石底面上的掩模。
35.根据权利要求30的结构，进一步包括在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间的氮化铝和/或氮化镓缓冲层，其中所述的至少一个柱和至少一条沟槽穿过该缓冲层。
36.根据权利要求30的结构，其中横向的氮化镓层进一步延伸到氮化镓顶端上，借此形成氮化镓半导体层。
37.根据权利要求30的结构，进一步包括在氮化镓顶端上的掩模；其中横向的氮化镓层进一步延伸到掩模上，借此形成氮化镓半导体层。
38.根据权利要求30的结构，进一步包括至少一个在氮化镓半导体层中的微电子器件。
39.一种氮化镓半导体结构，其中包括蓝宝石基体；在蓝宝石基体上打底的氮化镓层，打底的氮化镓层将至少一个柱和至少一条沟槽包括在其中，所述的至少一个柱每个都包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁，所述的至少一条沟槽包括沟槽底面；在所述的至少一条沟槽的底面上的掩模；以及从所述的至少一个柱的氮化镓侧壁横向延伸到所述的至少一条沟槽中的横向的氮化镓层。
40.根据权利要求39的结构，其中沟槽底面是蓝宝石沟槽底面。
41.根据权利要求39的结构，其中所述掩模是第一掩模，而且该结构进一步包括在氮化镓顶端上的第二掩模。
42.根据权利要求4 1的结构，其中第一掩模和第二掩模是由同一种材料组成的。
43.根据权利要求39的结构，进一步包括在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间的氮化铝缓冲层和/或氮化镓缓冲层，其中所述的至少一个柱和至少一条沟槽延伸到该缓冲层之中。
44.根据权利要求39的结构，进一步包括在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间的氮化铝缓冲层，其中所述的至少一个柱和至少一条沟槽穿过该缓冲层延伸。
45.根据权利要求39的结构，进一步包括在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间的氮化铝缓冲层，其中所述的至少一个柱和至少一条沟槽穿过该缓冲层延伸到蓝宝石基体之中。
46.根据权利要求39的结构，其中横向的氮化镓层进一步延伸到氮化镓顶端上，借此形成氮化镓半导体层。
47.根据权利要求39的结构，其中所述掩模是第一掩模，该结构进一步包括在氮化镓顶端上的第二掩模；而且横向的氮化镓层进一步延伸到该掩模上，借此形成氮化镓半导体层。
48.根据权利要求39的结构，进一步包括至少一个在氮化镓半导体层中的微电子器件。
全文摘要
为了在打底的氮化镓层中定义至少一个柱(106)和至少一条沟槽(107)，可以通过蚀刻在蓝宝石基体(102a)上打底的氮化镓层(104)来制造氮化镓半导体层。所述的至少一个柱包括氮化镓顶端和氮化镓侧壁(105)。所述的至少一条沟槽包括沟槽底面。氮化镓侧壁往所述的至少一条沟槽横向生长，借此形成氮化镓半导体层。在优选实施方案中，所述的至少一条沟槽延伸到蓝宝石基体之内，以致于所述的至少一个柱进一步包括蓝宝石侧壁和蓝宝石底面。在蓝宝石底面上可以包括掩模(201)，在蓝宝石基体和打底的氮化镓层之间还可以包括氮化铝缓冲层(102b)。在氮化镓顶端也可以包括掩模(209)。在底面和顶端上的掩模优选由同一种材料组成。
文档编号H01L21/205GK1409868SQ00817182
公开日2003年4月9日 申请日期2000年10月4日 优先权日1999年11月17日
发明者托马斯·杰赫克, 凯文·J·林斯卡姆, 罗伯特·F·戴维斯 申请人:北卡罗来纳州大学