ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ПОДЛОЖКА, ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПОДЛОЖКИ
SEMICONDUCTOR SUBSTRATE, SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR PRODUCTION OF SEMICONDUCTOR SUBSTRATE

Настоящее изобретение относится к полупроводниковой подложке с пониженной плотностью пронизывающих дислокаций. В частности, эта полупроводниковая подложка образована из нитридов металлов III группы с кристаллической структурой вюрцита, и ее выращивают в паровой фазе либо на инородной подложке с ориентацией (0001) и с параметрами решетки, не соответствующими веществам полупроводниковой подложки, либо на существующем сильно дислоцированном слое с ориентацией (0001), образованном веществами полупроводниковой подложки. Это изобретение также относится к устройству, использующему такую подложку, и к способу изготовления такой подложки.
10
-2
Рост нитридов металлов III группы с ориентацией (0001) и с кристаллической структурой вюрцита на инородной подложке с большим несоответствием параметров решетки, например на сапфире, карбиде кремния, кремнии или оксиде цинка, протекает через формирование трехмерных островков на поверхности подложки. В качестве первой стадии обычно на подложке осаждают тонкий слой при низкой температуре. Этот слой является сплошным, но имеет поликристаллическую структуру наноразмеров. Этот слой состоит из смеси кубической и гексагональной фаз. Затем температуру поднимают до типичной температуры роста и происходит перекристаллизация зародышевого слоя. При перекристаллизации сплошной двухмерный слой разрушается, образуются и растут на поверхности подложки трехмерные островки вещества в гексагональной фазе, как результат массопереноса через газовую фазу. Эти островки обычно имеют пирамидальную форму. Несоответствие параметров кристаллической решетки на границе раздела слоя и подложки является причиной образования дислокаций несоответствия (ДН) с направленными вдоль границы раздела линиями дислокаций. Эти ДН уменьшают упругую деформацию, связанную с несоответствием, и не являются вредными для конструкции устройства. Внутренняя часть такого островка на первой стадии перекристаллизации по существу свободна от дислокаций и может содержать только небольшое количество пронизывающих дислокаций (ПД). Эти островки также демонстрируют разориентировку кручения своей кристаллической решетки вокруг направления роста [0001]. Переход на режим 2D планарного роста может быть достигнут при последующем росте и объединении островков. Из-за разориентировки этих островков формируются в основном ПД краевого типа на границах объединяющихся островков. Плотность ПД в реальных пленках из нитридов элементов III группы может достигать примерно 10 см. Вертикальные ПД распространяются через слой при дальнейшем росте без взаимодействий и остаются в рабочей области электронных и оптоэлектронных устройств. Известно, что наличие такой высокой плотности ПД меняет физические характеристики устройства. Несмотря на свою высокую плотность, ПД являются по существу неравновесными дефектами. Поэтому их число можно снизить соответствующей обработкой вещества или подбором условий роста. В последнее годы большое количество экспериментальных исследований и практических изобретений было направлено на снижение плотности ПД в нитридах элементов III группы.
x
1-x
9
-2
Способ выращивания кристаллических эпитаксиальных слоев на подложке с несоответствующими параметрами решетки посредством осаждения тонкого низкотемпературного слоя описан J.Matthews и W.Stobbs в патенте США 4174422. Для случая пленок AlGaN способ описан I.Akasaki и N.Sawaki в патенте США 4855249. Типичной плотностью ПД, достигаемой в эпитаксиальных слоях нитридов металлов III группы с кристаллической структурой вюрцита, выращенных на низкотемпературных слоях, является ~10 см. Различные варианты этого способа составляют значительную часть патентов, посвященных инициированию роста нитридов металлов III группы на инородной подложке, см., например, К.Manabe и др. в патенте США №5122845; S.Nakamura в патенте США 5290393; Y.Ohba и A.Hatano в патенте США 5656832. Также Н.Kawai и др. в патенте США 5863811 показали, что использование нескольких низкотемпературных слоев может снизить плотность ПД.
Было предложено несколько других способов снижения плотности дислокаций в кристаллических эпитаксиальных слоях, выращиваемых на подложке с несоответствующими параметрами решетки. Т.Mishima и др. в патенте США 5633516 предложили использование буферных слоев со ступенчато изменяющимся периодом решетки. J Bean и др. в патенте США 5091767 предложили использовать «стоки дислокаций», аморфные области слоя на подложке, в которых дислокации уничтожаются при распространении в аморфном веществе. Н.Morkoc в патенте США 6657232 описал фильтр дефектов, включающий островки одного вещества, образованные на нижележащем веществе и непрерывный слой второго вещества над этими островками.
Наиболее эффективными, известными на сегодняшний день способами снижения плотности ПД в эпитаксиальных слоях, выращиваемых на инородной подложке, являются рост селективных зон (РСЗ) и эпитаксиальное горизонтальное наращивание (ЭГН) слоя на предварительно осажденном диэлектрическом защитном покрытии через отверстия в нем. Первое обсуждение принципиальных особенностей селективной эпитаксии полупроводников, таких как GaAs на Si, насколько нам известно, было приведено D.Morrison и Т.Daud в патенте США 4522661. Много публикаций было посвящено РСЗ и ЭГН различных традиционных полупроводников III-V групп на подложках с сильно несоответствующими параметрами решетки. D.Kapolnek и др. сообщили (Appl. Phys. Lett. 71 (9), 1204 (1997)), что имеет место сильная анизотропия при росте GaN на сапфировой подложке путем РСЗ с использованием линейных образцов защитных покрытий. Сообщалось, что скорости роста по вертикали и по горизонтали имеют противоположную ориентацию в отношении минимума и максимума и гексагональную симметрию. Возможность селективного роста гексагональных микропризм из нитрида галлия на сапфировой подложке (0001) была успешно продемонстрирована Т. Akasaka и др. (Appl. Phys. Lett. 71(15), 2196 (1997)). Варианты ЭГН были продемонстрированы A.Sakai и др. (Appl. Phys. Lett. 71(16), 2259 (1997)), Т.Zheleva и др. (Appl. Phys. Lett. 71(17), 2472 (1997)), и R.Davis и др. в патенте США 6051849. М.Coltrin и др. обнаружили (MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G6.9 (1999)), что на характерную морфологию ЭГН влияет коэффициент заполнения защитного покрытия. Кроме того, было показано J. Park и др. (Appl. Phys. Lett. 73(3), 333 (1998)), что скорость роста по вертикали сильно зависит как от ориентации отверстия полосы защитного покрытия, так и от коэффициента заполнения, в то время как горизонтальное наращивание относительно слабо зависит от коэффициента заполнения, но сильно зависит от ориентации полосы.
В большинстве вариантов этих способов, см., например, патент США 5880485 (D.Marx и др.), патент США 6252261 В1 (A.Usui и др.), распространение ПД выше защищенных покрытием областей блокируют защитным покрытием (см. Фиг.2а), и качество кристаллов слоев эпитаксиального полупроводника, выращенных этими способами, можно радикально улучшить. Однако свободные от дислокаций зоны в этом случае ограничены узкими полосами над полосами диэлектрика. К тому же, образуются новые дислокации в областях, где встречаются крылья наращивания от соседних отверстий, из-за явления наклона кристаллической решетки в области крыльев, см., например, Р.Fini и др. (J. Cryst. Growth 209, 581 (2000)) и А.Romanov и др. (J, Appl. Phys. 93(1), 106 (2003)). Поэтому эти методы могут быть использованы только для узких устройств типа лазерных диодов. Улучшенный вариант способа ЭГН был предложен Р. Vennegues и др.. (J, Appl. Phys. 87(9), 4175 (2000)). Они предлагают режимы роста, которые обеспечивают изгибание дислокаций при горизонтальном наращивании таким образом, что направление их линий становится параллельным поверхности раздела слой-подложка (см. Фиг.2b). В результате предотвращают дальнейшее распространение дислокаций, перпендикулярных к поверхности эпитаксиального слоя. Одним из недостатков этих вариантов является то, что они представляют собой ex situ процессы. Существуют несколько вариантов РСЗ и ЭГН способов, таких как пендеоэпитаксия, см., например, патент США 6177688 (К. Linthicum и др.), и консольная эпитаксия, см., например, патент США 6599362 С.Ashby и др., и Т.М.Katona и др. (Appl. Phys. Lett. 79 (18), 2907 (2001)), которые составляют значительную часть патентов, посвященных уменьшению дислокаций при гетероэпитаксии нитридов металлов III группы.
Среди способов in situ наиболее эффективным является осаждение диэлектрического материала на подложку или на нижний эпитаксиальный слой, что создает частичное нерегулярное покрытие, то есть нанесение защитного микропокрытия на площадь поверхности эпитаксиального слоя в виде прослойки с толщиной субмонослоя (см., например, патент США 6610144, U.Mishra и S.Keller). Осаждаемым диэлектрическим материалом может быть, например, нитрид кремния, диоксид кремния или нитрид магния. Он действует как «анти-поверхностно-активное» вещество, способствуя режиму трехмерного роста на непокрытых областях подложки. Рост эпитаксиальной пленки затем продолжается путем горизонтального наращивания на покрытых диэлектриком областях, аналогичного ЭГН. Часть дислокаций либо оказываются блокированными защитным микропокрытием, либо изогнутыми при горизонтальном наращивании на областях защитных микропокрытий (см., например, патент США 6802902, В.Beamont и др.) и становятся параллельными поверхности подложки. Эффективность этого способа ограничена тем фактом, что области защитных микропокрытий распределены случайно и не обеспечивают селективной обработки областей дислокаций. Эффективность также меньше для слоев с меньшим количеством дислокаций.
Способ снижения дислокаций, который обеспечивает селективную обработку дислокаций, описан N.Ledentsov в заявке на патент США 20020167022 А1. Варианты этого способа описаны также R.Croft и др. в WO 2004/008509 А1.
В соответствии с описанием существующего уровня техники, несмотря на все развитие в этой области, известные решения все еще имеют много недостатков и слабых мест. Существует очевидная потребность в подложке, образованной из нитридов металлов III группы, обладающей сильно сниженной плотностью дислокаций по всей своей поверхности. В особенности, существует потребность в эффективном, регулируемом, полностью in situ способе изготовления таких подложек с подходящим качеством поверхности для дальнейшего эпитаксиального роста слоев полупроводникового устройства.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков существующего уровня техники.
В частности, целью настоящего изобретения является создание нового типа полупроводниковой подложки с сильно пониженной плотностью пронизывающих дислокаций и поверхностью, пригодной для эпитаксиального роста, причем эта подложка образована из нитридов металлов III группы, имеющих кристаллическую структуру вюрцита, и выращена в паровой фазе либо на инородной подложке с ориентацией (0001), с параметрами решетки, не соответствующими веществам полупроводниковой подложки, либо на существующем сильно дислоцированном слое с ориентацией (0001) веществ полупроводниковой подложки.
Далее, целью настоящего изобретения является также получение нового типа полупроводникового устройства, включающего описанную выше полупроводниковую подложку.
Наконец, целью настоящего изобретения является также обеспечение нового, эффективного и хорошо регулируемого способа изготовления in situ полупроводниковой подложки описанного выше типа.
x
1-x
y
1-y
Полупроводниковая подложка по этому изобретению характеризуется тем, что изложено в п.1 формулы изобретения. Эта подложка образована из нитридов металлов III группы, имеющих кристаллическую структуру вюрцита, и выращена в паровой фазе либо на инородной подложке с ориентацией (0001), с параметрами решетки, не соответствующими веществам полупроводника, либо на существующем сильно дислоцированном слое с ориентацией (0001) из веществ полупроводниковой подложки. Наиболее типичными используемыми нитридами являются GaN или AlGaN, 0<x≤1, но также можно использовать другие вещества, такие как InGaN, 0<у≤1, и BN. В соответствии с настоящим изобретением полупроводниковая подложка включает слой перенаправления дислокаций, в котором происходит наклон пронизывающих дислокаций в направлении высокоиндексных кристаллографических плоскостей, характеризуемых индексами, отличными от (0001), и такими как индексы типа  для того чтобы увеличить вероятность столкновения пронизывающих дислокаций; и, расположенный выше указанного слоя перенаправления дислокаций, слой взаимодействия дислокаций, в котором пронизывающие дислокации объединяются друг с другом, что приводит к пониженной плотности пронизывающих дислокаций на поверхности полупроводниковой подложки. Такая поверхность с пониженной плотностью дислокаций имеет высокое качество кристаллической структуры и хорошо подходит для дальнейшего эпитаксиального выращивания на ней слоев устройства. Плотность дислокаций понижена на всей поверхности, в отличие от подложек существующего уровня техники, в которых снижение плотности дислокаций выполняют частичным нанесением защитного покрытия на сильно дислоцированный слой на начальных стадиях роста подложки.
Полупроводниковое устройство в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что представлено в п.4 формулы изобретения. Полупроводниковое устройство выполнено из нитридов металлов III группы, имеющих кристаллическую структуру вюрцита, и выращено в паровой фазе либо на инородной подложке с ориентацией (0001), с параметрами решетки, не соответствующими веществам полупроводникового устройства, либо на существующем сильно дислоцированном слое с ориентацией (0001) веществ полупроводникового устройства. Это устройство включает полупроводниковую подложку и слои устройства, расположенные над указанной подложкой. В соответствии с настоящим изобретением полупроводниковая подложка включает слой перенаправления дислокаций, в котором происходит наклон пронизывающих дислокаций в направлении высокоиндексных кристаллографических плоскостей, имеющих индексы, отличные от (0001), такие как индексы типа , чтобы увеличить вероятность столкновения пронизывающих дислокаций; и слой взаимодействия дислокаций, в котором пронизывающие дислокации объединяются друг с другом, что приводит к пониженной плотности пронизывающих дислокаций на поверхности полупроводниковой подложки. Это полупроводниковое устройство может быть, например, СИДом (светоизлучающим диодом) или лазерным диодом. С этой структурой достигают очевидных преимуществ, заключающихся в формировании слоев устройства лучшего качества, благодаря низкой плотности дислокаций на всей поверхности полупроводниковой подложки.
Указанного наклона пронизывающих дислокаций в соответствии с настоящим изобретением можно достичь, например, путем развития граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексами, отличными от (0001), такими как индексы типа . Затем, наклон обуславливается уменьшением энергии дислокации, когда дислокация становится перпендикулярной к намеренно введенной грани, соответствующей высокоиндексной плоскости, в сравнении с энергией пронизывающей дислокации с линией дислокации вдоль кристаллической оси [0001]. Это следует из пропорциональности между энергией дислокации и ее длиной. Кроме того, дислокации, имеющие вектор Бюргерса, равный одной из трех трансляций  базальной плоскости, имеют максимальную энергию на единицу длины (описанную энергетическим фактором), когда их линейное направление параллельно к [0001], то есть для случая краевых дислокаций с линейным направлением, параллельным оси с элементарной ячейки вюрцита. Это благоприятствует процессу наклона краевой пронизывающей дислокации [0001] к энергетически более благоприятному положению. Локально изменение направления линии дислокации побуждается конфигурационной силой, которая вызвана взаимодействием дислокации со свободной поверхностью. Наклон дислокации с первоначальной ориентацией [0001] значительно увеличивает их вероятность взаимодействовать и реагировать друг с другом. В результате такого взаимодействия происходит уничтожение двух дислокаций с противоположными векторами Бюргерса или слияние двух дислокаций с образованием единственной ПД. Оба эти процесса обеспечивают снижение плотности дислокаций.
Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, слой перенаправления дислокаций имеет толщину 0,2-0,4 мкм для обеспечения эффективного наклона пронизывающих дислокаций. Слой взаимодействия дислокаций, в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно имеет толщину 1-10 мкм для обеспечения достаточного количества реакций дислокаций.
x
1-x
y
1-y
Способ изготовления полупроводниковой подложки по настоящему изобретению характеризуется тем, что представлено в п.7 формулы изобретения. Физической основой разработанного подхода является инициирование наклона первоначально вертикальных пронизывающих дислокаций для увеличения вероятности реакций дислокаций. Полупроводниковую подложку изготавливают из нитридов металлов III группы, имеющих кристаллическую структуру вюрцита, и выращивают в паровой фазе либо на инородной подложке с ориентацией (0001), с параметрами решетки, не соответствующими веществам полупроводниковой подложки, либо на существующем сильно дислоцированном слое с ориентацией (0001) веществ полупроводниковой подложки. Указанными нитридами могут быть, например, GaN или AlGaN, при 0<х≤1, lnGaN, при 0<у≤1, и BN. Выращивание из паровой фазы можно осуществлять в реакторе парофазной эпитаксии, такой как металлорганическая парофазная эпитаксия или гидридная парофазная эпитаксия. В соответствии с настоящим изобретением способ включает стадии выращивания слоя перенаправления дислокаций на указанной инородной подложке или указанном существующем сильно дислоцированном слое, причем это выращивание обеспечивает намеренный наклон пронизывающих дислокаций в направлении высокоиндексных кристаллографических плоскостей, имеющих кристаллографические индексы, отличные от (0001), такие как индексы типа , чтобы увеличить вероятность столкновения пронизывающих дислокаций и их взаимодействия между собой; и выращивания слоя взаимодействия дислокаций над вышеуказанным слоем перенаправления дислокаций, причем это выращивание способствует реакциям между пронизывающими дислокациями, понижая таким образом плотность дислокаций. Способ по настоящему изобретению в отличие от способов существующего уровня техники, использующих изгибание или фильтрацию индивидуальных пронизывающих дислокаций, учитывает кинетику совокупности пронизывающих дислокаций и способствует реакциям между взаимодействующими пронизывающими дислокациями с целью эффективного понижения плотности дислокаций на всей поверхности конечной подложки.
7
8
-2
Важной стадией для осуществления настоящего способа, обеспечивающего указанный наклон, для любого реактора является обеспечение преимущественного роста граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с индексами, отличными от (0001), и такими как индексы типа  для инициирования роста слоя перенаправления дислокаций. Под предпочтительным выращиванием или предпочтительным ростом здесь и по всему документу подразумевают процесс выращивания, в котором параметры процесса, такие как, например, время, температура, газовые потоки и давление, выбирают для генерирования роста граней со специфическими кристаллографическими индексами. Такие параметры существуют для каждого реактора. Однако каждый реактор имеет свои собственные точные индивидуальные параметры, так что не может быть дано типичного набора значений параметров. Предпочтительно выращивание слоя перенаправления дислокаций начинают с формирования преципитатов на поверхности инородной подложки или существующего сильно дислоцированного слоя, причем указанные преципитаты имеют высоту 0,1-1,5 мкм и поверхностную плотность 10-10 см; выращивание указанного слоя перенаправления дислокации включает предпочтительное выращивание граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическим индексом (0001). Формирование указанных преципитатов дает возможность обеспечить наклон пронизывающих дислокаций в направлении указанных высокоиндексных кристаллографических плоскостей посредством дополнительного предпочтительного выращивания граней, соответствующих таким высокоиндексным плоскостям. При указанном предпочтительном выращивании граней слоя взаимодействия дислокаций, соответствующих плоскости (0001), сохраняется наклон, который увеличивает вероятность реакции. Для каждого отдельного реактора параметры процесса формирования преципитатов указанного типа являются индивидуальными, и не может быть дано типичного набора значений параметров.
В общем, преципитаты формируются при низкотемпературном осаждении вещества с последующей перекристаллизацией при более высокой температуре. Однако такой метод обычно приводит к формированию ряда небольших преципитатов с высокой плотностью, имеющих тенденцию к слиянию до достижения требуемой высоты. В соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно, но не исключительно, преципитаты формируют в ходе последовательных краткосрочных низкотемпературных осаждений, проводимых в температурном диапазоне 450-700°С, сопровождаемых периодами высокотемпературного отжига, проводимыми в температурном диапазоне 900-1150°С. Точные температуры зависят от веществ и типа используемого реактора. Продолжительность указанных краткосрочных низкотемпературных осаждений может составлять, например, несколько десятков секунд. При каждом отжиге часть осажденного вещества удаляется с поверхности. Параметры отжига, такие как градиент температуры и время отжига, выбирают так, чтобы полностью удалить небольшие преципитаты, при этом сохраняя большие. В результате происходит преобладающий рост только самых больших преципитатов. Это приводит к возможности получения преципитатов с контролируемой высотой и плотностью.
В одном предпочтительном воплощении способа по настоящему изобретению выращивание указанного слоя перенаправления дислокаций включает операции: 1) формирования указанных преципитатов на поверхности указанной инородной подложки или указанного существующего сильно дислоцированного слоя и 2) предпочтительного выращивания граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексами, отличными от (0001), и такими как индексы типа . Для первоначально вертикальных пронизывающих дислокации, расположенных в основном на границах слившихся преципитатов, энергетически благоприятным является изменение их направления распространения при дальнейшем росте, что обеспечивает возрастание площадей высокоиндексных граней. Теорию этого процесса поясняли в этом документе ранее. В результате достигают необходимых условий для взаимодействий между наклонными ПД. При предпочтительном выращивании граней (0001) слоя взаимодействия дислокаций сохраняется повышенная вероятность реакций дислокаций.
В другом предпочтительном воплощении способа по настоящему изобретению выращивание указанного слоя перенаправления дислокаций включает операции: 1) формирования указанных преципитатов на поверхности указанной инородной подложки или указанного сильно дислоцированного слоя;
2) предпочтительного выращивания граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексами, отличными от (0001), такими как индексы типа ; 3) осаждения in situ аморфного вещества на минимумах поверхностного потенциала, расположенных в выемках и 4) предпочтительного выращивания граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексами, отличными от (0001), и такими как индексы типа . С помощью осаждения in situ аморфного вещества на минимумах поверхностного потенциала можно облегчить увеличение наклона дислокации. Вторую операцию продолжают до тех пор, когда начинает происходить слияние преципитатов полупроводниковых веществ, образованных на поверхности подложки. Пронизывающие дислокации краевого типа формируются на границах сливающихся преципитатов. При этой стадии роста возникающие местоположения этих пронизывающих дислокаций краевого типа в основном находятся в выемках между соседними преципитатами. Следующая операция способа включает осаждение in situ аморфного вещества. Благодаря тому, что поверхностная диффузия содействует кинетике, атомы аморфного вещества стремятся достигать минимумов поверхностного потенциала, расположенных в выемках. На этой стадии пронизывающие дислокации остаются на границе раздела между аморфным веществом и полупроводниковым веществом, поскольку наличие аморфного вещества снижает потенциальный барьер для наклона дислокаций. Количество осажденного аморфного вещества следует выбирать так, чтобы обеспечить наклонное состояние дислокаций во время последующего роста слоя взаимодействия дислокаций. Оптимальное количество зависит от используемых веществ и может быть, например, выбрано так, чтобы обеспечить покрытие от 5 до 70% высоты выемки. При дальнейшем росте, который обеспечивает возрастающие области высокоиндексных граней, пронизывающие дислокации остаются наклонными, имея тенденцию к направлению в сторону указанных высокоиндексных плоскостей. При росте слоя взаимодействия дислокаций с предпочтительным выращиванием граней (0001), дислокации остаются наклонными, таким образом поддерживается повышенная вероятность взаимодействий дислокаций. В результате получают компактную полупроводниковую подложку с низкой плотностью дислокаций.
В третьем предпочтительном воплощении способа по настоящему изобретению выращивание указанного слоя перенаправления дислокаций включает операции: 1) формирования преципитатов на поверхности указанной инородной подложки или указанного сильно дислоцированного слоя; 2) предпочтительного выращивания граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексом (0001); 3) селективного химического травления in situ областей на поверхности слоя, близких к ядрам дислокаций; 4) осаждение in situ аморфного вещества на минимумах поверхностного потенциала, расположенных в пятнах травления; 5) предпочтительного выращивания граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексами, отличными от (0001), такими как индексы типа . Селективное травление означает, что при химическом травлении поверхности сильно дислоцированного слоя надлежащей газовой смесью области, близкие к ядрам дислокаций, протравливаются с большей скоростью. Это ведет к формированию пятен травления на конце линий дислокаций, которые ведут себя аналогично выемкам, образующимся в результате неполного слияния преципитатов. Газовая смесь может включать, например, аммиак, силам и водород. При следующей стадии осаждения in situ аморфного вещества благодаря тому, что поверхностная диффузия содействует кинетике, атомы аморфного вещества стремятся достигать минимумов поверхностного потенциала, расположенных в пятнах травления. На этой стадии пронизывающие дислокации остаются на границе раздела между аморфным веществом и полупроводниковым веществом, поскольку наличие аморфного вещества снижает потенциальный барьер для наклона дислокаций. Количество осажденного аморфного вещества следует выбирать так, чтобы обеспечить наклонное состояние дислокаций во время последующего роста слоя взаимодействия дислокаций, и оно зависит от используемых веществ. При дальнейшем росте, который обеспечивает возрастающие площади высокоиндексных граней, пронизывающие дислокации остаются наклонными, имея тенденцию к направлению в сторону указанных высокоиндексных плоскостей. При росте слоя взаимодействия дислокаций с предпочтительным выращиванием граней (0001), дислокации остаются наклонными, таким образом, поддерживается повышенная вероятность реакций дислокации. В результате получают компактную полупроводниковую подложку с низкой плотностью дислокации.
Указанное аморфное вещество в указанном предпочтительном воплощении может представлять собой, например, SiN, но существуют также другие альтернативные варианты. Параметры осаждения in situ зависят от оборудования и могут быть различными для каждого индивидуального реактора, так что не может быть дано типичного набора значений параметров.
Указанные предпочтительные воплощения этого патентоспособного способа имеют очевидные преимущества в сравнении с другими способами, включающими осаждение диэлектрических веществ с целью нанесения защитного покрытия на дислокации. Настоящее изобретение позволяет осаждать in situ вещество защитного покрытия преимущественно на площади, где линии дислокаций заканчиваются, в то время как другие способы дают случайное покрытие поверхности. Неотъемлемым признаком этих воплощений изобретения является применение локализации пронизывающих дислокаций в выемках поверхности на промежуточной стадии роста.
v
i
v
i
Толщины слоев по настоящему изобретению теперь обсуждают более подробно. Требуемые толщины зависят от заданной плотности пронизывающих дислокаций. Толщина слоя перенаправления дислокаций должна обеспечивать слияние преципитатов в сплошную пленку. Преимущественно она составляет от 0,2 до 4 мкм. Эта толщина обеспечивает достаточно большие площади высокоиндексных граней. Предпочтительно, толщина слоя перенаправления дислокаций в 2-3 раза больше, чем высота преципитата. Толщина слоя перенаправления дислокации составляет предпочтительно 1-10 мкм. В соответствии с подходом, применяемым в настоящем изобретении, понижение общей плотности дислокаций ρ=ρ+ρ, которая подразделяется на плотность ρ вертикальных ПД и плотность ρ наклонных ПД, можно определить из следующей системы "реакционно-кинетических" уравнений:
Здесь h является толщиной слоя и играет роль эволюционной переменной; функции с правой стороны , ,  и  описывают процессы перенаправления вертикальных дислокаций, их преобразования в наклонные дислокации и взаимодействие между ними соответственно. Эти функции зависят от выбранного способа изготовления подложки и поэтому включают (в параметрической форме) зависимость от условий роста и нанесения защитного покрытия. Они также явно включают толщину слоя и параметры, описывающие интенсивность реакций дислокаций.
Например, вышеуказанные функции могут быть выбраны как ,  и  Для такого выбора параметров р связан с углом α между плоскостями граней в слое перенаправления и кристаллической плоскостью (0001) по уравнению ρ=1/γ·cosα/(1-cosα), причем γ является коэффициентом, который зависит от кристаллической структуры и дополнительных факторов, усиливающих наклон вертикальных дислокаций, таких как наличие аморфного вещества на поверхности кристаллита, к является параметром поперечного сечения взаимодействия ПД. Возрастание γ (например, при осаждении аморфного вещества) ведет к более быстрому уменьшению плотности вертикальных дислокаций по толщине. Важно отметить, что скорость снижения плотности ПД зависит от первоначальной плотности ПД. Более высокие первоначальные плотности ПД ведут к более быстрой скорости снижения плотности ПД. Это следует из факта, что при более высоких плотностях ПД имеют более высокую вероятность встречи и взаимодействия.
Настоящее изобретение обеспечивает существенные преимущества по сравнению с существующим уровнем техники. Подложка согласно этому изобретению может иметь существенно пониженную плотность пронизывающих дислокации по всей поверхности и является, таким образом, хорошо пригодной для дальнейшего эпитаксиального роста слоев устройства. Способ изготовления по этому изобретению включает только стадии in situ, в то время как многие варианты традиционных способов требуют нежелательной обработки ex situ. Способ по этому изобретению является также хорошо регулируемым в отличие, например, от способа нанесения защитного микропокрытия существующего уровня техники, включающего случайное распределение защитного покрытия.
Сопровождающие чертежи, включенные для дальнейшего понимания этого изобретения, составляют часть этого описания, иллюстрируют воплощения этого изобретения так же, как и примеры существующего уровня техники, и вместе с описанием помогают объяснить принципы этого изобретения.
Фиг.1 демонстрирует схематический вид в поперечном сечении полупроводниковой подложки и полупроводникового устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 представляет схематические виды в поперечном сечении пленок, выращенных с помощью способов существующего уровня техники.
Фиг.3 является схематическим видом в поперечном сечении слоя перенаправления дислокации согласно настоящему изобретению в промежуточной стадии выращивания слоя.
Фиг.4 является схематическим видом в поперечном сечении слоя перенаправления дислокации согласно другому воплощению настоящего изобретения в промежуточной стадии выращивания слоя.
Фиг.5 является схематическим видом в поперечном сечении законченной полупроводниковой подложки, изготовленной согласно одному воплощению настоящего изобретения.
Фиг.6 демонстрирует одно воплощение способа настоящего изобретения в виде схемы технологического процесса.
Фиг.7 показывает изображения полупроводниковых преципитатов на первоначальных стадиях роста слоя перенаправления дислокаций, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии.
Фиг.8 и 9 представляют расчетные плотности ПД подложки согласно настоящему изобретению.
Фиг.10 демонстрирует изображения традиционной подложки и подложки согласно настоящему изобретению, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии.
Далее подробно описывают воплощения и примеры, относящиеся к настоящему изобретению, проиллюстрированные на сопровождающих чертежах.
Полупроводниковое устройство 20 на Фиг.1 включает полупроводниковую подложку 1. Полупроводниковая подложка включает инородную подложку 2 или сильно дислоцированный слой 3 веществ полупроводниковой подложки, слой перенаправления дислокаций 4 и слой 5 взаимодействия дислокаций. Слои 21 устройства выращивают на поверхности 7 полупроводниковой подложки. Пронизывающие дислокации (ПД) 6, образующиеся на ранней стадии роста слоя 4 перенаправления дислокаций отклоняются в верхней части слоя от первоначально вертикальной ориентации. В слое 5 взаимодействия дислокаций ПД 6 соединяются друг с другом, таким образом, понижая плотность дислокаций полупроводниковой подложки 1. В результате поверхность 7 полупроводниковой подложки имеет высокое качество кристаллической структуры с низкой плотностью дислокаций и как таковая хорошо подходит для дополнительного выращивания слоев 21 устройства.
Решения существующего уровня техники, проиллюстрированные на Фиг.2а и 2b, имеют включения защитных покрытий из аморфного вещества, выращенные с использованием различных вариантов способов РСЗ и ЭГН. Диэлектрические защитные покрытия используют для блокирования распространения части дислокаций, показанных по существу вертикальными, узкими линиями. Как показано на Фиг.2а, это может привести к свободным от дислокаций областям над защитным покрытием. В улучшенном способе на Фиг.2b часть ПД, миновавших защитное покрытие, изгибается, становясь параллельными границе раздела слой-подложка, таким образом, понижая плотность ПД в верхних слоях. Эти способы, хотя и снижают среднюю плотность ПД, требуют стадий ex situ, что усложняет процесс изготовления.
На Фиг.3 показан наклон краевых ПД 6 от первоначально вертикальной ориентации относительно граней 8, соответствующих высокоиндексным плоскостям, во время роста слоя 4 перенаправления дислокаций. Этот наклон увеличивает вероятность взаимодействия ПД 6 друг с другом при последующем росте слоя взаимодействия дислокаций. Дислокация 9 несоответствия и направление вектора 10 Бюргерса также показаны на этом чертеже. Направление линий дислокаций представлено стрелками. Пунктирная линия представляет слившиеся преципитаты 11 полупроводникового вещества с ПД 6 краевого типа на границах преципитатов. Слой 4 перенаправления дислокаций выращен на поверхности 12 инородной подложки или на сильно дислоцированном слое веществ полупроводниковой подложки.
В слое 4 перенаправления дислокаций, показанном на Фиг.4, выемки 13 между соседними преципитатами заполнены аморфным веществом 14. Это аморфное вещество в минимумах поверхностного потенциала снижает потенциальный барьер для наклона дислокаций, и ПД 6 остаются на границе 15 раздела между аморфным и полупроводниковым веществом. При последующем росте граней, соответствующих высокоиндексным плоскостям, ПД остаются наклонными.
Плоская пленка 16 на Фиг.5, состоящая из слоя 4 перенаправления дислокаций, выращенного с преимущественным ростом высокоиндексных граней 8, и слоя 5 взаимодействия дислокаций, выращенного с преимущественным ростом граней 17 (0001), имеет включения аморфного вещества 14, выращенные в минимумах поверхностного потенциала, расположенных в выемках 13. ПД 6 с наклонной ориентацией, вызванной аморфным веществом в слое 4 перенаправления дислокаций, позже взаимодействуют друг с другом в слое 5 взаимодействия дислокаций, таким образом, понижая плотность ПД на поверхности 7 законченной полупроводниковой подложки.
Способ изготовления, проиллюстрированный на Фиг.6, имеет две основные стадии. Сначала выращивают слой перенаправления дислокаций. Эта стадия состоит из пяти последовательных операций, обеспечивая в результате слой с отклоненными от первоначально вертикальной ориентации ПД. Первой операцией является образование преципитатов на поверхности инородной подложки или существующего сильно дислоцированного слоя веществ полупроводниковой подложки. Второй операцией является предпочтительное выращивание граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексом (0001). Селективное химическое травление области на поверхности слоя, близкой к ядрам дислокаций, является третьей операцией. В четвертой операции используют осаждение аморфного вещества на минимумы поверхностного потенциала, расположенные в пятнах травления, чтобы способствовать наклону ПД. Последней операцией является предпочтительное выращивание граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексами, отличными от (0001), и такими как индексы типа . На второй стадии выращивают слой взаимодействия дислокаций, в котором ПД с наклонной ориентацией реагируют друг с другом, таким образом, снижая плотность ПД.
Фиг.7 иллюстрирует влияние процесса образования преципитата 11, включающего последовательность операций кратковременного низкотемпературного осаждения, за каждой из которых следует высокотемпературный отжиг слоя. Эксперименты проводили в реакторе 3×2" закрытого типа со сдвоенной разбрызгивающей головкой (Closed Coupled Showerhead reactor) от Thomas Swan Scientific Equipment, предназначенном для роста GaN на сапфировой подложке. Изображение (а) представляет поверхность слоя GaN после единичного стандартного цикла осаждение/отжиг со средней высотой преципитата примерно 50 нм. Состояние после двух циклов осаждение/отжиг показано на изображении (b), средняя высота преципитата составляет примерно 250 нм. Для (а) параметры обработки были следующие. Осаждение: 120 с при 560°С; отжиг: 230 с при линейном подъеме температуры до 1040°С. Для (b) параметры обработки были следующие. Первое осаждение: 70 с при 530°С; первый отжиг: 300 с при линейном подъеме температуры до 1000°С; второе осаждение: 90 с при 530°С; второй отжиг: 300 с при линейном подъеме температуры до 1040°С.
0
10
-2
Рассчитанная плотность дислокаций в эпитаксиальном слое GaN, выращенном на инородной подложке и имеющем начальную плотность ПД ρ=10 см, показана в зависимости от общей толщины слоя на Фиг.8. Общая толщина слоя («толщина слоя» на чертеже) означает толщину всей двухслойной структуры. Типичное значение для параметра поперечного сечения взаимодействия дислокаций в GaN принимали равным 100 нм. Использовали три значения типического параметра р модели: (а) р=0,5, (b) р=1, (с)р=2.
0
На Фиг.9 представлены расчетные значения общей плотности ПД в зависимости от общей толщины пленки GaN для трех значений первоначальной плотности ПЦ ρ:
10
-2
9
-2
8
-2
а) 10 см, b) 10 см и с) 10 см. Общая толщина пленки («толщина слоя» на чертеже) означает толщину всей двухслойной структуры. Было сделано допущение, что р=1. Кривые на Фиг.9 показывают влияние начальной плотности ПД на скорость снижения плотности ПД. Чем выше начальная плотность, тем выше скорость снижения.
9
-2
8
-2
3
3
3
3
Эксперименты на слоях с начальной плотностью ПД, составляющей приблизительно 10 см, показали снижение плотности ПД до менее 10 см после роста слоев GaN общей толщиной 4 мкм согласно настоящему изобретению. На Фиг.10 представлены полученные с помощью атомно-силовой микроскопии изображения двух слоев GaN, выращенных на сапфировой подложке с применением (а) традиционного способа первоначального осаждения тонкого низкотемпературного слоя и (b) способа согласно настоящему изобретению. Для образца, выращенного согласно настоящему изобретению, эксперименты проводили в реакторе 3×2" закрытого типа со сдвоенной разбрызгивающей головкой (Closed Coupled Showerhead reactor) от Thomas Swan Scientific Equipment, предназначенном для роста GaN на сапфировой подложке. Параметры обработки при образовании преципитатов были теми же, что и в экспериментах, описанных для Фиг.7. Дополнительный преимущественный рост граней, соответствующих кристаллографическим плоскостям с кристаллографическими индексами, отличными от (0001), и такими как индексы типа  проводили при температуре 1040°С, при расходе триметилгаллия (ТМГ) 45 стандартных см/с и расходе аммиака 960 стандартных см/с. Слой взаимодействия дислокаций выращивали при температуре 1040°С, при расходе ТМГ 60 стандартных см/с и расходе аммиака 4500 стандартных см/с. Оба образца протравливали при 240°С в течение 5 минут в смеси 50:50 ортофосфорной и серной кислот для выявления плотности ПД в слоях. Чертежи иллюстрируют эффективность настоящего изобретения для понижения плотности ПД 6.
Специалисту очевидно, что с развитием технологии, основная идея этого изобретения может быть реализована различными путями. Таким образом, это изобретение и его воплощения не ограничены описанными выше примерами и могут изменяться в объеме пунктов формулы изобретения.