[发明专利]氮化镓晶体生长方法、氮化镓晶体衬底、外延晶片制造方法和外延晶片

说明书

技术领域

本发明涉及氮化镓晶体生长方法、氮化镓晶体衬底、外延晶片制造方法以及外延晶片。

背景技术

采用氮化镓(GaN)晶体作为发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等半导体器件的衬底。对于氮化镓晶体，其具有3.4eV的能量带隙和高导热率，因为可以在该晶体的背面提供电极，所以可以降低半导体器件的驱动(工作)电压。

这种半导体器件的制造方法的示例包括在日本未审查专利申请公布No.2005-251961(专利文献1)中提出的以下方法。首先，通过沉积技术，如有机金属化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延(HVPE)，将由III族氮化物晶体组成的籽晶层沉积在下衬底的第一主面上。之后，通过液相生长技术在籽晶上生长III族氮化物单晶并移除下衬底，由此制造III族氮化物单晶晶片。接下来，在III族氮化物单晶晶片的第一主面上形成半导体器件。然后，为了例如提高器件的散热特性，通过研磨、抛光等对III族氮化物单晶晶片的第二主面进行移除处理，以减小晶片的厚度。

此外，例如，在日本未审查专利申请公布No.H11-68156(专利文献2)中，公开了通过MOCVD在衬底上沉积III族氮化物半导体层。专利文献2描述了在该生长中，在露点达到-90℃的精炼氢气作为载气的情况下，使用乙硅烷(Si₂H₆)来生长0.2μm厚的掺杂硅(Si)的n型GaN层。

然而，如同在专利文献1中一样，在III族氮化物单晶晶片的第二主面上执行减小厚度的工艺，具有产生裂缝的问题，在生长期间将杂质引入到该晶体是影响因素。

此外，在专利文献2中，每个层都是通过MOCVD生长的，这使得沉积层的厚度增大受到了抑制。

发明内容

因此，本发明的目的是提供氮化镓晶体生长方法、氮化镓晶体衬底、外延晶片和外延晶片制造方法，由此可以抑制在进行减小厚度操作时产生的裂缝，并且可以生长具有相当大厚度的氮化镓晶体。

作为共同研究努力的结果，本发明人发现：在通过适于增加晶体厚度的HVPE技术生长晶体并用硅作为掺杂剂进行氮化镓沉积时，造成裂缝发生的原因是由于载气中的氧。原因是：因为硅具有很容易被包含在载气中的氧(O)氧化的性质，所以硅与载气内的氧反应生成二氧化硅(SiO₂)或其它硅氧化物。如果将硅带入GaN晶体成为硅氧化物，那么硅氧化物就会成为不能用作n型杂质的杂质。结果，氮化镓晶体变硬和变脆，相信当对该氮化镓晶体进行减小厚度的工艺时，会导致裂缝的产生。

本发明人还发现：载气中的氧会导致裂缝的产生是HVPE特有的问题，对于MOCVD没有出现该问题。此原因是：在通过MOCVD的氮化镓晶体生长时，使用有机金属作为前驱物气体。由此载气中的氧在与硅反应之前先与有机金属中的碳(C)反应，并作为一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO₂)排放到反应炉的外部。而且，即使将硅氧化物带入晶体，因为生长的氮化镓晶体层的厚度在几μm厚的等级，所以不太可能产生裂缝。因此，通过MOCVD生长晶体的前述专利文献2，未解决在硅作为掺杂剂的情况下生长氮化镓晶体时产生裂缝的问题。因此，尽管使用低露点载气，专利文献2也没有使得硅氧化物产生保持到最小的效果。

作为本发明人深入调查的结果，基于上述研究，抑制在生长晶体的氮化镓HVPE沉积执行中裂缝的发生，其中，在生长晶体的氮化镓HVPE沉积中硅作为掺杂剂，他们实现了在HVPE情形下在氮化镓晶体生长期间，如果载气具有-60℃或以下的露点，则上述裂缝的发生率能保持到最小。因此，生长氮化镓晶体的本发明的一个方面的一种方法采用载气、氮化镓前驱物和含作为掺杂剂的硅的气体，并且是通过氢化物气相外延(HVPE)在下衬底上生长氮化镓晶体的方法。氮化镓晶体生长方法特征在于，在氮化镓晶体生长期间载气露点为-60℃或以下。

根据本发明的氮化镓晶体生长方法，利用生长速度比MOCVD快的HVPE，使得能够很容易地生长厚氮化镓晶体。此外，使用具有-60℃或以下露点的载气充分降低了载气中的湿气，以减少载气中的氧。这使得其能够保持氧和硅之间的反应造成的硅氧化物产生在控制下，以在生长氮化镓晶体时能够使得硅结合为硅氧化物保持到最小。因此能够抑制生长的氮化镓晶体变硬和变脆，这使得在氮化镓晶体经过减小厚度时能够最小化裂缝的发生率。

这里，本发明中的“露点”意指由冷镜式露点湿度计进行的测量。

在上面的氮化镓晶体生长方法中，优选在氮化镓晶体生长期间载气的分压强在0.56atm和0.92atm之间。