使用快速热加工形成异质外延层以除去晶格位错的制作方法
【专利说明】使用快速热加工形成异质外延层W除去晶格位错 巧001] 1相关美国专利申请的交叉引用
[0002] 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。
[0003] 本发明还依照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。 巧004] 2版权声明
[000引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。W下声明应当应用于文件：Copyright 2013Ultratech Inc. 巧006] 3发明背景 3.1发明领域
[0007]本文的示例性、说明性技术设及热材料加工和固态装置制造。更具体地，本文的技 术设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反应室中在单晶娃 晶圆上生长，并使用快速热退火来重构沉积膜W除去位错并降低内应力。
[000引3.2相关技术
[0009] 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娃晶圆基底上生长单晶GaN层，但部分为减少娃的晶格间距与 GaN的晶格间距相比之间的失配，还因为娃与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。
[0010] 部分因为娃原料成本更低，但也因为娃基底制造更广为人知且更广泛实践，所W 单晶蓝宝石基底一般成本显著高于单晶娃基底。不幸的是，传统观点持续坚持认为单晶娃 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，包含棚、侣、嫁、铜和巧)和第II-VI族化合物(例如，包含儒和锋)和第III-N族化 合物中任一者的异质外延生长来说娃不是最好的基底选择。蓝宝石基底反而仍在广泛使 用。
[0011] 因此，本领域需要开发适合于第III-V族化合物(例如，包含棚、侣、嫁、铜和巧)和/ 或第II-VI族化合物（例如，包含儒和锋)和第III-卿矣在娃基底上异质外延生长的制造技 术，W至少利用可由使用基于娃晶圆的装置提供的可用的降低的材料和加工成本。
[0012] 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(其中娃是最理想的）的兴趣。
[001引3.3晶输司距失配
[0014]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。运是 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，运一 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娃基底上生长娃沉积层W避免位错并促进单晶生长，来避免异质 外延装置。但是，娃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，娃装置已经不能提供给光学装置期望的光学性质。在运两种情况 下，期望更高带隙的材料如氮化嫁(GaN)作为沉积或活化层，并且优选GaN在娃基底上最经 济地形成。
[0015] 单晶蓝宝石是刚玉(Ab化）的单晶形式，也称为a侣、氧化侣。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， 包含棚、侣、嫁、铜和巧）的基底而言比娃更兼容。此外，第II-VI族化合物（例如，包含儒和 锋)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运些化合物的异 质外延生长而言比单晶娃基底更兼容。特别是娃与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，运为蓝宝石提供了稍许优势。
[0016] 高度期望在活性沉积层中形成单晶（长期有序），W提供均一的电性质和/或光学 性质。具体来说，运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 置包含氮化嫁活性层的情况下，更好的晶体取向导致在装置输出处发光强度增加 W及输出 福射的光谱带宽变窄，其中基本上全部光谱输出是在装置的主要光谱响应处。
[0017] 3.4热循环和热膨胀系数失配
[0018] 广泛认可单晶异质外延层只可在外延生长溫度Tg下形成，GaN的Tg据报告为至少 550°C。参见例女日Trivedi等，Low-temperature GaN growth on silicon substrates by single gas-source epitaxy and photo-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，普遍认可当沉积溫度在900至1100°C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。
[0019] 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°C最高溫度也使得严格的热应力管理成为必要，W避免因不匹配的TCE材料的热循环 而导致的过度晶圆弯曲（wafer bow)和破裂。通常晶圆弯曲被限制到小于100皿，W使晶圆 在常规晶圆处理和加工工具上进一步加工W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W解决，但是运些应力补偿层降低了装置层性能并增加了成本。
[0020] 3.5氮化侣(AlN)过渡层的使用
[0021] 最近Pan等，（Growth of GaN f i Im on Si (111) Substrate using a AlN sandwich st;ruc1:ure as bufferjoun.Of Crys1:al Growth 318(2011)464-467)报告了尝 试在Si (111)基底上生长装置质量级GaN。在运个实例中，由在Si (111)基底上形成的AlN成 核层、然后是混合的AlN/GaN过渡层与最终的活性GaN层形成的S明治结构都通过金属有机 化学气相沉积(MOCVD)在1060°C下形成，W尝试减少因 GaN与娃之间的巨大晶格间距失配 (16.9%)和6曰則〇35.5扣1〇-61(-1)与娃(〇33.77別〇- 61(-1)之间的巨大热膨胀系数(押6)失配导 致的不期望的破裂。虽然希望该S明治结构会减少表面破裂，但结果令人失望。虽然化n等 报告了 GaN外延层在Si基底上均一地生长，但是活性层遭受随机分布的破裂，它们据报告大 多由CTE失配导致。
[0022] 3.6贯穿异质外延边界的扩散
[0023] 在高溫下（高于约800°C)在基底上生长膜的一个缺点设及可能在层边界处发生的 扩散。特别是基底氮化可能在高沉积溫度下发生。此外，过度的热梯度和热循环范围可能导 致膜和基底中的一些破裂。在一个特别实例中，氮化嫁层W高浓度氮空位在900至1100°C的 常规MOCVD溫度下生长。氮空位导致装置中的背景载体浓度高，因此使电性质和电-光性质 降低。
[0024] 虽然已经尝试在较低溫度下同时仍使用MOCVD法在蓝宝石上生长GaN膜，但在500 °0下生长的膜比在800°C下生长的膜(参比）的光致发光要弱1000倍。高反应溫度MOCVD加工 的另一个缺点是，铜和一些其他的第III-V族及第II-VI族化合物具有阻止它们在高于800 °C下使用的热稳定性，因此限制高反应溫度MOCVD加工可用于在任意基底上沉积某些第 III-V族和第II-VI族化合物的程度。因此，本领域需要开发较低溫度的沉积技术。
[0025] 已经尝试了在单晶娃基底上沉积GaN的实验，取得一定成功。但是，即使娃基底是 单晶，形成的膜也普遍包含混合的晶格取向（即，它们不是单晶）。运部分是因为娃与氮化嫁 之间的晶格结构失配。不幸的是，所得Lm)和激光器装置与所生产的在单晶蓝宝石上具有单 晶晶格取向的常规装置相比没有竞争力，
[0026] 3.7使用原子层沉积生长异质外延层
[0027] 原子层沉积(ALD)系统是可用的，其可W在较低沉积溫度（例如80-550°C)下沉积 材料层，并且适合于通过AL的去在娃基底上沉积GaN和AlN二者的技术和前体是已知的，且在 下文列举的文献中公开。
[0028] Kim和同事在Atomic layer deposition of GaN using GaClsand 顧3 (J.化C. Sci .Technol .A 27，4，2009年7/8月）中，已经在500-700°C的溫度窗口内通过ALD在 Si (100)基底上生长GaN。面化前体GaQ和GaCl3与N曲一起用作娃基底上的共反应物。GaCb 前体的暴露时间在2-7秒范围内不等。结果表明了膜中的GaN的混合晶体取向（例如(0002) 与（1011)取向的GaN的混合物)和高Cl含量，其对装置应用将是有害的。
[0029] 图4A的图线（410)和(420)中所示X射线衍射(XRD)结果是来自通过ALD在550-650 °〇下分别在25秒暴露时间和7秒暴露时间内所生长的膜。注意到混合的晶体取向，和与较长 暴露时间形成的图线（410)相比的较短暴露时间形成的图线（420)中的弱结晶性。通过比 较，图4B中的XRD结果是来自高溫MOCVD生长的GaN(在900-1100°C下生长）。注意到在900-1100°C下生长的MOCVD膜的明显单晶性质，其展示出占优势地位的GaN(0002)晶体结构。
[0030] Ozgit和同事（Proceedings of the E-MRS 化11 Meeting,Symposium H:波兰，华 沙，2011年9月19日-23日）已经通过等离子体增强原子层沉积，使用S甲基嫁巧16)和；甲 基嫁(TEG)和氨(畑3)前体在对于TMG为250-350°C和对于TEG为150-350°C的溫度窗口内在 Si(IOO)基底上生长GaN。未