[发明专利]外延方法和通过该方法生长的模板

说明书

技术领域

本发明涉及处理半导体材料的领域，特别是涉及外延生长高品质的 半导体材料单晶层的领域。本发明提供了外延方法，在优选的实施方式 中所述外延方法结合了镶嵌技术与外延横向过生长(ELO)技术。本发 明还提供了通过所提供的Damascene-ELO^TM方法制造的模板和半导体。

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。制备某些材料，特别是化合物材料的优质层因为缺乏优质大块单 晶并且因用于异质外延生长的衬底不足所致而在过去一直受到阻碍。

这样的问题通常已经阻碍了下述半导体的发展：氮化镓(GaN)；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”)；某些III-V族化合物；以及某些其他化合物材料(如 II-VI族材料)。例如，III族氮化物具有半导体性质，其有利于制造电子 元件(如高温FET)、光学元件(如短波长LED和激光器)和混合光电 元件(如光伏器件)。不过，制备前述材料的优质层由于缺乏匹配这些材 料的晶体性质的优质的大块晶体和/或适宜的衬底而一直受到阻碍。衬底 不能严密匹配待生长于其上的材料的晶体性质时会导致不可接受的缺陷 和位错密度(对于GaN，特别是在衬底与GaN之间的界面处产生的穿透 位错(TD))。

在GaN的情况中，应当注意通过衬底预处理可以改善晶体品质，例 如，通过氮化等对衬底表面进行化学改性；通常在较低温度(LT)下生 长如AlN或GaN等的薄缓冲层；热退火等。利用外延横向过生长(ELO) 也可以改善晶体品质，在该过程中层在掩蔽层上横向生长而且还从衬底 开始垂直生长。例如，参见美国专利6,153,010。已知的ELO工艺在下述 条件下在由通过光刻方式图案化的掩模部分覆盖的衬底上生长GaN，所 述条件首先促进经由掩模开口暴露的衬底的区域上的生长，其次促进掩 模上的横向生长。

此外，这样的问题也阻碍了硅(Si)与锗(Ge)的合金的发展。这样的大 块晶体通常不可得。不过，通过在由衬底(例如Si或Ge)的组成渐变为 待生长的材料(例如SiGe)的组成的缓冲层上生长这些材料已经得到了 改善的晶体品质。

除了缺陷或位错密度之外，另一个重要的晶体性质，尤其是对于III 族氮化物(如GaN)来说是“晶体极性”。例如，参见Sumiya et al.，2004， Review of polarity determination and control of GaN，MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.9，1。图1中描述了GaN的晶体极性(其中，Ga原子由大 灰球图示，N原子由小黑球图示，键由双线表示)。如图所示，纤维锌矿 GaN(以及其他的III族氮化物)中，每个Ga原子与四个氮(N)原子以 四面体方式配位，但在其中仅仅是与三个最近相邻的N(图1中由“*” 表示)强烈成键。如果Ga与其三个最近相邻的N的三个强键向下指向 衬底，则极性为+c(也称为Ga面)，其中标记c指的是垂直于外延膜的 平面的晶面。对于相反的极性-c(也称为N面)，Ga与其三个最近相邻 的N的方向向上指向生长方向。

重要的是注意到材料的性质并非表面性质并对GaN(或其他氮化物 材料)的体相性质影响很大，而且其往往有利于制造具有一种或另一种 极性的元件。因此，通常理想的是选择外延生长层的极性以使其适合于 特殊应用，例如，具有+c极性的层往往优选用于III族氮化物元件的制造。

另一个重要的晶体参数，尤其是对于III-V族氮化物膜的异质外延生 长来说是非同质衬底与氮化物层之间的晶格失配产生的外延层中的诱发 应变(例如，蓝宝石与GaN之间≈15％)。氮化物外延层中诱发的应变能 够在多个显著方面在物理上表明其自身，包括但不限于缺陷/位错的形成、 组成相分离和内部极化场的形成。