[发明专利]改进的外延材料的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及加工半导体材料的领域，尤其是外延生长高品质的单晶 半导体材料层的领域。本发明提供用于改进半导体材料的品质的外延方 法并提供通过这些方法制得的半导体结构体。

背景技术

为适合于器件制造，半导体材料层必须具有高纯度和低缺陷或位错 密度。某些材料(特别是化合物材料)的优质层的制备在过去一直受到 阻碍，原因是缺乏优质大块单晶和适当的衬底，所述优质大块单晶可被 切片而得到具有可用尺寸的单层，所述衬底用于优质层的异质外延生长， 由该优质层可转移出外延层。

例如，这样的问题通常已经阻碍了下述半导体的发展：包括氮化镓 (GaN)的半导体；包括诸如AlN、InN、GaInN和其他混合氮化物的其他 III族氮化物(此处称为“III族氮化物”)的半导体；某些III-V族化合物 半导体；以及一些其他化合物材料(如II-VI族材料)的半导体。对于其 中的许多材料，半导体品质的大块晶体并不可得，而且一直没有找到合 适的商业上有用的衬底。合适的衬底精密匹配待生长的目标材料的晶体 性质；如果这些性质不能精密匹配，则得到的材料通常具有无法接受的 缺陷和位错密度。

具体而言，在GaN的情况中，通过对生长衬底进行预处理，例如， 通过氮化和其他化学改性；通过生长其他III族氮化物如AlN或GaN的 薄的低温缓冲层；通过热退火等，可以改善晶体品质。利用外延横向过 生长(ELO)也可以改善晶体品质。尽管有了这些发展，不过可用的GaN 层仍然存在大量的缺陷和位错。

这样的问题阻碍了合金半导体如硅(Si)和锗(Ge)的合金、Si衬底上 Ge层和应变Si(sSi)层的发展。尽管通过在具有渐变组成的缓冲层上生 长这些材料可以改善晶体品质，仍然需要改进以满足日益增加的对于更 高品质的要求。

显然，具有改进的品质的化合物和合金半导体的层和晶体是需要的。 然而，用于此的广泛适用的方法在现有技术中却知之甚少。

发明内容

本发明包括用于制造具有改善品质(即缺陷和位错较少)的表面层 的半导体结构体的方法。本发明还包括由这样的方法制得的半导体结构 体。在优选实施方式中对本发明的方法做简要描述。

首先，本发明的实施方式的方法利用具有适合于半导体材料生长的 暴露表面的承载衬底。在承载衬底的暴露表面上形成材料(通常是半导 体)的层，该层基本上覆盖整个表面。在适宜的环境中对衬底和施用材 料的膜进行热处理至足够的温度，以使施用层转化为多个岛状结构体。 将该转化层描述为“岛状”是恰当的，因为热处理将先前的基本上连续 的材料层转变为基本上在空间上彼此隔离的不同的实体，这些实体在其 底部区域与初始的承载衬底相接。用于形成和加热初始连续材料层的参 数进行优化以制造适于随后的材料生长，如外延横向过生长(ELO)的 岛状结构体。特别是，优化参数以产生岛状特征，该特征具有适宜的尺 寸和空间间隔以经由ELO提供高品质的材料生长。该工艺优化在本领域 中属于常规操作。

形成材料的岛状特征之后，对其上形成有岛状特征的衬底的表面施 用掩蔽材料。所述掩蔽材料以这样的方式施用，从而基本上覆盖初始承 载衬底的在岛状特征之间仍然暴露的那些部分，而使岛状特征本身的主 要部分保持未被覆盖而露出。特别是，岛状特征的侧面的相当大的部分 优选保持未被覆盖而露出，由此易于进行随后的材料生长(例如根据 ELO)，而同时掩蔽基础衬底的相当大的部分。

接着，优选利用优化以有利于水平的或二维的材料生长的参数来进 行进一步的材料沉积。这样的生长模式在本领域中称为ELO生长模式。 二维生长将在一定程度上优先从岛状特征的侧面的露出部分成核，同时 将限制从岛状特征的上表面成核，并且将更加限制、优选仅仅极少地在 基础衬底的掩蔽部分成核。ELO生长模式优选从岛状特征延续由此产生 岛状结构体之间的区域的二维填充。在各个岛状物结合而成为连续的膜 时，生长以平面膜的形式持续，生长参数可随后改变以促进该垂直生长。