[发明专利]半导体衬底制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体衬底的制备方法，更具体地说，涉及一种高级GaN衬底的制备方法。

背景技术

GaN是一种广泛用于晶体管、场发射极和光学器件以及微电子器件的材料。GaN被用于生产各种象AlGaN，InGaN和AlInGaN的复合半导体材料。

GaN层通常被生长于碳化硅(SiC)衬底的蓝宝石衬底上。但是，因为蓝宝石衬底或碳化硅SiC衬底的晶格常数不同于GaN层，所以生长于蓝宝石或碳化硅衬底上的GaN层包含许多小型六方晶系的晶粒。晶粒具有高缺陷密度，以及产生宽摆X-射线曲线的扭曲和旋转分布。这里，GaN层的缺陷密度约为10^8-10/cm²。

当GaN层的缺陷密度减小时，GaN层的应用性增强。因此，各种用于降低GaN层的缺陷密度的GaN层制备方法已被提出。图.1至4一步步描述了这些方法中的一种。图.5和6描述了另一种方法的步骤。

根据图.1，GaN层12生长于蓝宝石衬底1(或碳化硅衬底)10上。这里，GaN层12的缺陷密度至少为10⁸/cm²。标注号13指明了符号化的晶体缺陷。如图2所示，二氧化硅掩膜层14被形成为GaN层12上的预设图形。接着，继续生长GaN层12，如图.3所示。但是，GaN层12没有垂直生长于二氧化硅掩膜层14上，而是垂直生长于未覆盖二氧化硅掩膜层14的暴露部分之上。因此，当垂直生长的GaN层12的厚度明显大于二氧化硅掩膜层14时，GaN层12横向生长于二氧化硅掩膜层14上。GaN层12继续生长，最后，GaN层12从二氧化硅掩膜层12的两边开始横向生长，并在二氧化硅掩膜层12上延伸，其边界会合，如图.4所示。使用这些步骤，具有平坦表面的第二GaN层16被形成于GaN层12上，以便二氧化硅掩膜层14的整个表面被第二GaN层16所覆盖，这里，根据涉及第二GaN层16生长的二氧化硅掩膜层14，从二氧化硅掩膜层14的边界直接向上，倾斜界面B_tilt被形成于第二GaN层16内。另外，接合边界B_C被形成于从二氧化硅掩膜层14的两边生长的第二GaN层16的两边界会合处。上述GaN层生长方法更详细的描述被公布于授予Davis等人的美国专利No.6051849。

第二GaN层16具有下列特点。如图.4所示，第二GaN层16在形成于二氧化硅掩膜层14上的第一部分16a和形成于二氧化硅掩膜层14之间的第二部分16b之间存在缺陷密度差异。换句话说，第一部分16a的缺陷密度远低于GaN层12，但第二部分16b的缺陷密度几乎与GaN层12一样。从这一结果可得，当GaN层12横向生长时，GaN层12的势没有扩展到形成具有比GaN层12更低缺陷密度的第二GaN层16中，而GaN层12的势扩展并导致GaN层12垂直生长时缺陷密度没有改善。

参考图.5和6传统的GaN层生长技术的另一例子将在下面描述。参考图.5，GaN层12被生长于蓝宝石衬底(或碳化硅衬底)10上。GaN层12的预定区域被刻蚀。预定深度的沟槽18被形成于通过刻蚀工艺而暴露出的蓝宝石衬底10上。其后，如图.6所示，GaN层12被形成于除沟槽18外蓝宝石衬底10的整个表面上，在这种状态下，第三GaN层20被生长于蓝宝石衬底10和GaN层12上。这里，第三GaN层20未生长于蓝宝石衬底10的被刻蚀部分上，即当第三GaN层20垂直和水平生长于蓝宝石衬底10未刻蚀的部分时，在沟槽18区，包括无论是垂直方向还是水平方向。在这一工艺中，第三GaN层20未形成于沟槽18区，因此沟槽18在完成第三GaN层20生长后保持为空区22。

如上所述，根据传统的GaN层生长方法，GaN层首先形成于蓝宝石衬底上(或碳化硅衬底)，而掩膜层形成于GaN层上或一沟槽形成于蓝宝石衬底的预定区，以便防止GaN层的势的扩展，从而形成具有更低缺陷密度的另一GaN层。这些传统生长GaN的方法有下列问题。

第一，在图.1至4所示的第一传统方法情形下，根据第二GaN层16和二氧化硅层14之间的表面张力差异，第二GaN层16的晶体被倾斜于会合边界形成缺陷。另外，在这种工艺中，沟槽被形成于第二GaN层16的表面上。

第二，因为如二氧化硅掩膜层的不同类物质被引入，生长中的GaN层中应力分布不一致。

第三，因为用于形成掩膜层的二氧化硅(SiO2)的热导率比GaN层低，所以，当在形成于掩膜层上的GaN层上形成器件时，器件的热可靠性可能被降低。