161_091-013AP-TW

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161_091-013AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書
	※申請案號：
	※申請日期：　　　　　　　　　　※ＩＰＣ分類：

一、發明名稱： (中文/英文)
	一種在矽基板上成長單晶氮化鎵之製程(全文下載)
二、申請人：共人
	指定為應受送達人

三、發明人：

◎專利代理人：


四、聲明事項

	□主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
	□主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
	□ 主張專利法第二十六條微生物：
□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存

五、中文發明摘要：
	本發明係一種在矽基板上成長氮化鎵之方法，其主要步驟包括：(a)提供欲成長氮化鎵薄膜之矽基板；(b)除去上述矽基板表面的氧化層：(C)通入H₂、SiH₄、NH₃及C₃H₈之混和氣體，維持在固定之成長壓力，將溫度升至所需之成長溫度，在該成長溫度下成長一定時間後，完成氮碳化矽緩衝層；(d)在特定溫度、特定壓力及特定晶片基座轉速下，通入原料(source)於反應爐內以在上述氮碳化矽緩衝層上成長氮化鎵薄膜；該氮碳化矽之緩衝層 (buffer-layer)能有效消除矽與氮化鎵之間的晶格不匹配度，並進而取代藍寶石基板與碳化矽基板，如此一來，可同時確保氮化鎵元件之品質與大幅降低製造成本，且根據本專利所製成之結構為：氮化鎵/氮碳化矽/矽基板。

六、英文發明摘要：


七、指定代表圖：
（一）本案指定代表圖為：
（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：


八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：


九、發明說明：
	【發明領域】本發明係有關一種成長氮化鎵之製造方法，特別是在矽基板上成長氮化鎵之製造方法。【發明背景】在Ⅲ族氮化物系列中，由於近來於紫外光到藍光波長範圍之光電元件（如藍光二極體、藍光半導體雷射、紫外光光感測器．．．等等）的大量研究與生產應用，氮化鎵(GaN)已成為最重要的寬能隙半導體材料之一。目前成長氮化鎵元件通常採用藍寶石(Sapphire)基板或碳化矽(SiC)基板，然而此兩種基板相當昂貴並且不容易與目前已經發展成熟且廉價的矽半導體工業整合，因而阻止其運用市場之加速成長。基於氮化鎵元件的廣泛應用與便宜成熟的矽加工技術，因此在矽晶圓上成長氮化鎵元件應有更多的優勢與潛力可期。成長GaN相關薄膜，若有GaN做基板最理想，如此成長二元、三元或四元之氮化物就相當容易。很可惜地，截至目前為止，大面積（超過2吋直徑）且低缺陷的GaN基板仍在研發階段，因此一定要尋求其他材料作為基板，目前最常用的基板材料是藍寶石(Sapphire, 即Al₂O₃)，其晶格常數不匹配度與GaN相差16%，如此高的不匹配度，使得成長高品質的GaN緩衝層(buffer)難度升高。而如何得到晶體品質良好的GaN緩衝層，為成長氮化物元件成功與否最重要的先決條件。另一個具有潛力的基板為SiC，其晶格常數不匹配度與GaN相差只有3%，且是導體，並具有良好的熱及電傳導率，但價格非常昂貴，不適合商業化。由上可知，尋找一種技術，使基板具有良好的熱及電傳導率、價格又便宜、且晶格常數不匹配度與GaN相差又很小，此種技術一定非常有價值。基於GaN元件的廣泛應用與便宜成熟的矽加工技術，因此在矽晶圓上成長GaN元件附有眾多的優勢與潛力。然而由於Si與GaN之間有著17%的晶格不匹配度(lattice mismatch)，若直接於矽晶圓上成長氮化鎵薄膜將會產生高密度的缺陷甚至龜裂，也因此使得此異質接面技術發展遇到相當大的瓶頸。因此，本發明人有鑑於此，經過不斷測試研究，始有本發明之產生。【發明概要】本發明之主要目的係在矽晶圓上研製氮碳化矽薄膜作為緩衝層，以利成長氮化鎵元件，突破目前此異質接面技術所遭遇到的困境。本發明之另一目的係利用氮碳化矽之緩衝層(buffer-layer)來有效地消除Si與GaN之間的晶格不匹配度，並進而取代藍寶石基板與碳化矽基板，可同時確保GaN元件之品質與大幅降低製造成本。為達上述目的，本發明提出一種在矽基板上成長氮化鎵之方法，其主要步驟包括：(a)提供欲成長氮化鎵薄膜之矽基板；(b)除去上述矽基板表面的氧化層；(c)通入H₂、SiH₄、NH₃及C₃H₈之混和氣體，維持在固定之成長壓力，將溫度升至所需之成長溫度，在該成長溫度下成長一定時間後，完成氮碳化矽緩衝層；(d)在特定溫度、特定壓力及特定晶片基座轉速下，通入原料(source)於反應爐內以在上述氮碳化矽緩衝層上成長氮化鎵薄膜。其中，上述矽基板可為<100>定向或<111>定向，且該矽基板可為p型及n型。其中，步驟(b)及步驟(c)可使用快速升溫化學氣相沈積系統(rapid thermal chemical vapor deposition,RTCVD)或化學氣相沈積系統(chemical vapor deposition,CVD)來除去矽基板表面的氧化層及成長該氮碳化矽緩衝層。而在步驟(c)中之成長壓力為0.1mTorr至40Torr，成長溫度為750℃至1500℃，在步驟(d)中，該特定溫度為400~1200℃，該特定壓力為50~700Torr，該特定晶片基座轉速為10~1000rpm。另外，在步驟(d)可使用金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)，在低溫成長GaN緩衝層約100~700，再以高溫繼續成長正式GaN薄膜約0.5~5um，該氮化鎵薄膜成長後之厚度為0.3~5.5um，最後所製成之多層結構為：氮化鎵/氮碳化矽/矽基板。 [圖式簡單說明] 圖一顯示本發明所製成之多層結構；圖二顯示本發明實施例所製成之多層結構之掃瞄式電子顯微鏡(SEM)照片；圖三顯示本發明實施例所製成之多層結構之光激發光光譜 (PL)；圖四顯示本發明實施例所製成之多層結構之X光繞射(DCXRD)分析圖。【發明詳細說明】請參閱圖一，係本發明所製成之多層結構，其係矽基板(Si Substrate)10上先成長氮碳化矽(SiCN)緩衝層20後，再成長單晶氮化鎵(GaN)30於其上。以下，分述本發明之主要步驟：第一步驟：提供欲成長氮化鎵薄膜之矽基板10，該矽基板10之定向可為<100>定向或<111>定向，且該矽基板10可為p型或n型，另外，該矽基板10之阻抗不影響製程步驟，可為任何值。第二步驟：除去上述矽基板10表面的氧化層，其可使用快速升溫化學氣相沈積系統(rapid thermal chemical vapor deposition,RTCVD)或化學氣相沈積系統chemical vapor deposition,CVD)。第三步驟：通入H₂、SiH₄、NH₃及C₃H₈之混和氣體，維持在固定之成長壓力，將溫度升至所需之成長溫度，在該成長溫度下成長一定時間後，完成氮碳化矽(SiCN)緩衝層(buffer-layer)20約2000~10000，能有效消除Si與GaN 之間的晶格不匹配度；其中H₂、SiH₄、NH₃及C₃H₈各氣體之流量比取決於反應腔大小與氣體通路設計，且C₃H₈氣體可置換為CH₄、C₂H₄或SiCH₆氣體，NH₃氣體可置換為N₂氣體，該成長壓力為0.1mTorr至40Torr，成長溫度為750℃至1500℃，所形成之氮碳化矽緩衝層20之化學組成在下列範圍內：Si(1-x-y):35-65at.%，C(x):0.1-25at.%，N(y):30-60at.%，且該緩衝層20之厚度隨時間改變。本步驟亦可使用快速升溫化學氣相沈積系統(rapid thermal chemical vapor deposition,RTCVD)或化學氣相沈積系統chemical vapor deposition,CVD)來成長該氮碳化矽緩衝層20。其中，RTCVD最大的優點，是在於利用快速的升溫和降溫來使薄膜的成長侷限於所指定之高溫範圍中，如此可以提高所成長薄膜之品質。此外，此系統在低溫下進行氣體切換，將可減少反應氣體的殘留時間。所以RTCVD較易成長各類具有突變接面的結構，且比傳統CVD更容易成長複層結構。綜合言之，用RTCVD來成長薄膜的優點如下：(1)可成長非常薄的薄膜、(2)易於成長複層結構、(3)溫度上升的速度很快，可減少污染、(4)兼具快速退火的功能。第四步驟：在特定溫度400~1200℃、特定壓力50~700Torr及特定晶片基座轉速10~1000rpm下，通入原料(source)於反應爐內以在氮碳化矽緩衝層20上成長氮化鎵薄膜30，其中通入之原料(source)為N₂、H₂、SiH₄、NH₃、TMGa(TrimethylGallium)、TEGa(TriethylGallium)、 TMAl(TrimethylAluminium)、TMIn(TrimethylIndium)及CP₂Mg(CycloPentadienyl Magnesium)。本步驟可使用金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)，在低溫(400~800℃)成長GaN緩衝層約100~700 A （成長壓力為200~700Torr），再以高溫(900~1200℃)繼續成長正式GaN薄膜約0.3~5.5um（成長壓力為200~700Torr），如此得到之薄膜之結構如圖一所示為：氮化鎵/氮碳化矽/矽基板。為使　鈞局對本發明能進一步瞭解，以下茲以較佳實施例，配合圖式、圖號，將本發明之構成內容及其所達成的功效詳盡說明如后。本實施例採用n(100)的矽晶片，作為元件基板，電阻率為4~10 ohm-cm，厚度為325±25 um。在n(100)矽基板10上，以快速升溫化學氣相沈積系統(RTCVD)除去上述矽基板表面的氧化層且成長氮碳化矽(SiCN)緩衝層(buffer-layer)20約4750，用以消除矽與氮化鎵之間的晶格不匹配度，接下來便要成長單晶氮化鎵薄膜30於其上，本實施例使用MOCVD方法，在低溫(500~600℃)成長GaN緩衝層約200~300，再以高溫(1000~1100℃)繼續成長正式GaN薄膜約1.2um，如此得到之薄膜，即為本發明之成果。以掃瞄式電子顯微鏡(SEM)分析其磊晶薄膜，如圖二所示，由圖中可以很清楚地看到二層磊晶層：氮碳化矽(SiCN)約4750、GaN薄膜約1.22um。而其光激發光光譜(PL)如圖三所示，由圖中可以很清楚的看到：在364nm附近有一個峰值(peak)，此波長即為GaN所對應之能隙(3.4eV)。我們也以霍爾量測系統(Hall measurement)量測此GaN薄膜，所得到之電子遷移率為320c㎡/V-s、濃度約為1×10¹⁸cm^-³，與成長在藍寶石基板上之GaN薄膜特性相當。我們也以X光繞射法(DCXRD)分析其組成成份，其結果共有四個峰值(peak)，如圖四所示：1.在32.9°之peak，判定為(100)矽基板2.在34.53°之peak，判定為(002)GaN3.在36.83°之peak，判定為(101)GaN4.在48.09°之peak，判定為(102)GaN由圖中亦可得知，SiCN緩衝層20與矽基板10其晶格常數剛好完全匹配(match)。相較於傳統成長GaN薄膜於藍寶石（Sapphire，即Al₂O₃）基板上之缺點，本發明人等所研發之在矽基板上成長氮碳化矽(SiCN)之緩衝層(buffer-layer)後，成長單晶氮化鎵薄膜於其上之新穎製程，具有下列之特點與功效：1.有效消除Si與GaN之間的晶格不匹配度，並進而取代藍寶石基板與碳化矽基板，如此一來，可同時確保GaN元件之品質與大幅降低製造成本。 2.目前成長GaN元件通常採用藍寶石(Sapphire)基板或碳化矽(SiC)基板，然而此兩種基板相當昂貴並且不容易與目前已經發展成熟且廉價的矽半導體工業整合。基於GaN元件的廣泛應用，在矽晶圓上成長GaN元件具有成本低廉、可大面積製作等優點，且使用以矽為基礎之材料，可與目前之VLSI(Very-Large-Scale Integration)技術相容，因此在矽晶圓上成長GaN元件附有眾多的優勢與潛力。 3.目前所使用的藍寶石基板為絕緣體，因此必須成長一濃度甚低的GaN緩衝層以利成長氮化物元件，而且N形及P形歐姆性接觸金屬都在晶片同一面，造成製程上諸多不便。本發明使用矽基板，可做成導電型、非絕緣體，因此LED或LD元件可做成垂直型結構，製程上方便許多。 4.Si具有自然劈開面(cleavage plane)，製程較簡單（可以不必做隔離蝕刻），且單位元件所需之晶片面積較小（只要0.1"；藍寶石為基板則要0.15"）因此可增加產量並降低成本。綜上所述，本發明所提供之一種在矽基板上成長氮化鎵之方法，不僅可達預期之實用功效外並且為前所未見之新設計，已符合專利法發明之要件，爰依法具文申請之。為此，謹請　貴審查委員詳予審查，並祈早日賜准專利，至感德便。以上已將本發明作一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。

十、申請專利範圍：
	1.一種在矽基板上成長氮化鎵之方法，其主要步驟包括：(a)提供欲成長氮化鎵薄膜之矽基板；(b)除去上述矽基板表面的氧化層；(c)通入H₂、SiH₄、NH₃及C₃H₈之混和氣體，維持在固定之成長壓力，將溫度升至所需之成長溫度，在該成長溫度下成長一定時間後，完成氮碳化矽緩衝層；(d)在特定溫度、特定壓力及特定晶片基座轉速下，通入原料(source)於反應爐內以在上述氮碳化矽緩衝層上成長氮化鎵薄膜。　　2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該矽基板可為<100>定向或<111>定向。　　3.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該矽基板可為p型及n型，且該矽基板之阻抗不影響製程步驟，可為任何值。　　4.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(b)係使用快速升溫化學氣相沈積系統(rapid thermal chemical vapor deposition,RTCVD)來除去矽基板表面的氧化層。　　5.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(b)係使用化學氣相沈積系統(chemical vapor deposition,CVD)來除去矽基板表面的氧化層。　　6.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中C₃H₈氣體可置換為CH₄、C₂H₄或SiCH₆氣體。　　7.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中NH₃氣體可置換為N₂氣體。　　8.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中H₂、SiH₄、NH₃及C₃H₈各氣體之流量比取決於反應腔大小與氣體通路設計。　　9.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(c)中之成長壓力為0.1mTorr至40Torr。　　10.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(c)中之成長溫度為750℃至1500℃。　　11.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氮碳化矽緩衝層之化學組成在下列範圍內：Si(1-x-y):35-65at.%，C(x):0.1-25at.%，N(y):30-60at.%。　　12.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在步驟(c)中該緩衝層之厚度隨時間改變。　　13.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(c)係使用快速升溫化學氣相沈積系統(rapid thermal chemical vapor deposition,RTCVD)來成長該氮碳化矽緩衝層。　　14.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(c)係使用化學氣相沈積系統chemical vapor deposition,CVD)來成長該氮碳化矽緩衝層。　　15.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在步驟(d)中，該特定溫度為400~1200℃。　　16.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在步驟(d)中，該特定壓力為50~700Torr。　　17.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在步驟(d) 中，該特定晶片基座轉速為10~1000rpm。　　18.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在步驟(d)係使用金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)，在低溫成長GaN緩衝層約100~700，再以高溫繼續成長正式GaN薄膜約0.3~5.5um。　　19.如申請專利範圍第18項所述之方法，其中低溫係400~800℃，高溫係900~1200℃，且其成長壓力皆為50~700Torr。　　20.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中通入之原料(source)為N₂、H₂、SiH₄、NH₃、TMGa(TrimethylGallium)、TEGa(TriethylGallium)、TMAl(TrimethylAluminium)、TMIn(TrimethylIndium)及CP2Mg(CycloPentadienyl Magnesium)。　　21.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所製成之多層結構為：氮化鎵/氮碳化矽/矽基板。


十一、圖式：

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