用于减少蒸发和降解的处理半导体膜的方法

本申请根据35 USC第119(e)节要求以下共同待决和共同转让的申请的权益：

由Christian J.Zollner、Michael Iza、James S.Speck、Shuji Nakamura和Steven P.Denbaars于2019年1月24日提交的美国临时申请序列号62/796,340，题为“通过减少的蒸发来热处理半导体层的方法(METHOD FOR THERMAL TREATMENT OFSEMICONDUCTOR LAYERS WITH REDUCED EVAPORATION)”，代理案卷编号G&C30794.0663USP2(UC 2018-252-2)；

该申请通过引用并入本文。

1.技术领域

本发明涉及用于处理半导体膜样品的方法，该方法通过用分离的保护性覆盖件覆盖样品以防止半导体膜的蒸发或降解。

2.现有技术的描述

对于可见光和紫外光电子器件和高功率电子器件的制造已很好地确立氮化镓(GaN)及其包含铝和铟的三元和四元化合物(AlGaN、InGaN、AlInGaN)的使用。这些器件典型地使用包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和氢化物气相外延(HVPE)的生长技术外延生长。

此外，用于短波长器件的AlGaN的开发使基于氮化物的发光二极管(LED)和激光二极管(LD)能够超越许多其他研究尝试。因此，基于AlGaN的材料和器件已成为用于紫外光半导体应用的主要材料系统。

然而，具有高铝含量的高质量AlN和AlGaN的生长仍然是一个挑战。这些材料以及所有其他III族氮化物半导体材料可以通过各种处理技术进行改进，但在这些处理步骤中通常存在膜蒸发或降解的风险。通过使用分离的保护性覆盖件保护膜，可以减少膜的蒸发或降解。

发明内容

本发明公开了减少蒸发或降解的处理半导体膜的方法。该方法包括：在半导体膜的表面上或上方提供保护性覆盖件，以防止半导体膜在处理期间蒸发或降解；以及在一个或多个条件下处理半导体膜和保护性覆盖件，该一个或多个条件会使得半导体膜在没有保护性覆盖件的情况下蒸发或降解，其中处理半导体膜以改进或改变半导体膜的材料或器件特性；并且其中在处理半导体膜的条件下保护性覆盖件是化学惰性材料。

半导体膜生长在基板上，并且包括一层或多层氮化物基层，其中氮化物基层包括(Al,Ga,In,B)N半导体，氮化物基层生长在极性平面、非极性平面或半极性平面上。

保护性覆盖件具有的外延就绪表面与半导体膜的表面形成气密或密封，其中保护性覆盖件形成与半导体膜的直接接触。优选地，保护性覆盖件的厚度为至少10微米。在处理半导体膜之后移除保护性覆盖件，无需任何冲洗、清洁或化学或物理蚀刻程序。

处理半导体膜和保护性覆盖件的条件可以包括将半导体膜和保护性覆盖件加热到至少约1000℃的高温(例如约1000℃至2500℃)的高温热退火。处理半导体膜和保护性覆盖件的条件还可以包括将半导体膜和保护性覆盖件暴露于半导体处理气体的控制环境，其中半导体处理气体包括氮气、氩气、氨气、氢气、氧气或合成气体。半导体膜和保护性覆盖件可以在小于约100个大气压，例如小于约1个大气压的压强下暴露于半导体处理气体。

最后，保护性覆盖件包括碳化硅(SiC)、蓝宝石(Al

附图说明

现在参考附图，其中相同的附图标记自始至终代表对应的部分：

图1是本发明的一个实施例中使用的过程步骤的流程图。

图2示出了包括氮化铝(AlN)层的半导体层的X射线衍射数据图，所述半导体层外延沉积到包括6H-多型碳化硅(6H-SiC)的基板上，其具有分离SiC基板片的保护性覆盖件以防止材料蒸发。

图3(a)和3(b)是两个样品在高温下的光学图像，示出了保护的(未蒸发的)样品和未保护的(完全蒸发的)样品之间的差异。

具体实施方式

在优选实施例的以下描述中，参考形成实施例的一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以在其中实践本发明的特定实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以做出结构改变。

本发明描述了用于保护包括半导体膜的样品的方法，该保护通过在样品处理步骤期间将膜与保护性覆盖件(诸如分离的基板片)直接接触(即覆盖)来进行。样品处理步骤是指在一些条件下处理半导体膜，诸如高温热退火和/或暴露于一些半导体处理气体和/或低压气氛的控制环境中等，这可能使得膜在没有保护性覆盖件的情况下蒸发或降解，目的是改进或改变膜的材料或器件特性。

通过用保护性覆盖件覆盖膜保护半导体膜提供在样品处理步骤期间通过在膜的两个原子平坦表面与保护性覆盖件之间形成的气密或密封来防止膜蒸发或降解的方法。这种保护为将样品暴露于通常可能导致膜的蒸发或降解的条件或处理提供了更大的灵活性。

样品处理步骤可以包括将半导体膜和保护性覆盖件加热至大于约1000℃，更优选地约1000℃至2500℃的高温。可以使用2500℃以上的温度，但典型地需要专门的装备和过程，并且因此对于大多数应用来说是不切实际的。

样品处理步骤还可以包括将半导体膜和保护性覆盖件暴露于一个或多个半导体处理气体，例如氮气、氩气、氨气、氢气、氧气、合成气体或一些其他处理气体，和/或暴露于小于约100个大气压，更优选约1个大气压或更小的低压气氛。此外，样品处理步骤可以包括其他苛刻条件，诸如包括氢气的腐蚀性化学物质。

在一个实施例中，半导体膜包括生长在基板上的一层或多层氮化物基层。术语“氮化物基层”或“III族氮化物”或“氮化物”是指具有化学式Al

0￡w￡1,0￡x￡1,0￡y￡1,0￡z￡1,且w+x+y+z＝1.

氮化物基层可以包括具有不同或梯度成分的多层、具有相似(Al,Ga,In,B)N成分的一层或多层、或不相似(Al,Ga,In,B)N成分的一层或多层。这些层也可以掺杂有诸如硅、锗、镁、硼、铁、氧和锌的元素。

可以使用包括以下的沉积方法来生长氮化物基层：常规化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、溅射、原子层沉积(ALD)、真空或控制环境下蒸发、离子束沉积(IBD)、氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)。

氮化物基层可以在任何结晶方向上生长，诸如在极性c平面或在诸如a平面或m平面的非极性平面，或在诸如{20-21}、{11-22}和{10-11}平面的半极性平面上。

氮化物基层可以形成辐射发射层序列。辐射发射层序列可以包括LED和LD。

当使用本发明的方法处理时，氮化物基层可以具有改进或改变的材料或器件特性。

保护性覆盖件(诸如分离的基板片)可以包括碳化硅(SiC)、蓝宝石(Al

无论膜或保护性覆盖件的材料类型、生长方法、或者处理或储存条件如何，半导体膜保护的机制都应该适用。然而，保护程度和减少材料损失或降解会随材料、生长方法和处理或储存条件的不同而不同。

图1是本发明的一个实施例中使用的过程步骤的流程图。

框100代表例如使用常规方法在基板上生长至少一个半导体膜的步骤。在一个实施例中，半导体膜包括一层或多层氮化物基层。

框102代表在半导体膜的表面上或上方提供保护性覆盖件的步骤，以防止半导体膜在处理期间蒸发或降解。在一个实施例中，保护性覆盖件是在处理半导体膜的条件下的化学惰性材料；保护性覆盖件的外延就绪表面与半导体膜的表面形成气密或密封；保护性覆盖件形成与半导体膜的直接接触；并且保护性覆盖件的厚度为至少10微米。

框104代表在一个或多个条件下处理基板、半导体膜和保护性覆盖件的步骤，这些条件会导致没有保护性覆盖件的半导体膜蒸发或降解。条件可以包括高温热退火和/或控制环境。高温热退火将基板、半导体膜和保护性覆盖件加热到至少约1000℃，例如约1000℃至2500℃的高温。控制环境将基板、半导体膜和保护性覆盖件暴露于半导体处理气体，其中半导体处理气体包括氮气、氩气、氨气、氢气、氧气或合成气体。基板、半导体膜和保护性覆盖件可以在小于约100个大气压，例如约1个大气压或更低的压强下暴露于半导体处理气体。

框106代表在处理之后从半导体膜移除保护性覆盖件而无需任何冲洗、清洁或化学或物理蚀刻程序的步骤。

框108代表继续半导体膜的进一步生长、处理、封装等的步骤。

框110表示该方法的最终结果，即处理后的半导体膜，其可以是由多个膜或层构成的半导体膜堆叠体的一部分。在一个实施例中，与未经如此处理的半导体膜相比较，处理后的半导体膜具有改进或改变的材料或器件特性。

最后，注意步骤100-108不需要以所示的确切顺序执行。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，可以以其他顺序执行步骤，和/或可以省略单独步骤。

图2示出了包括氮化铝(AlN)层的半导体膜的X射线衍射数据的图，该数据包括(102)X射线摇摆曲线(ω)半高宽(FWHM)与退火条件的关系，该半导体膜外延沉积到包含6H多型碳化硅(6H-SiC)的基板上。将包括分离SiC基板片的保护性覆盖件放置在半导体层上，然后将包括AlN层、6H-SiC基板和分离SiC基板片的整个样品在各种温度下退火，在1600℃达4小时、氩气(Ar)环境下1700℃达1小时、氩气环境下1800℃达1小时，以及氩气环境下1800℃达4小时。

已知X射线衍射数据是晶体质量的品质因数，以追踪穿透位错密度。例如，FWHM＝500的值对应5E9cm

如图所示，当采用高温退火处理时，在6H-SiC上生长的并由单独的SiC基板片保护性覆盖来防止材料蒸发的AlN层的晶体质量显著改进。具体而言，覆盖的样品显示出材料改进，而未覆盖的样品无论处理条件如何都完全蒸发。

图3(a)和3(b)是两片相同的AlN/SiC晶片在0.6个大气压的氩气(Ar)环境下以1650℃处理4小时的光学图像，示出了图3(a)中的保护的(未蒸发的)AlN/SiC样品与图3(b)中未保护的(完全蒸发的)AlN/SiC样品之间的差异，来自通过相同退火处理的相同外延晶片。

具体而言，为了对比，图3(a)示出了在具有保护性SiC覆盖件的退火条件下的AlN外延层的表面。图3(b)示出了在没有保护性SiC覆盖件的情况下经受相同退火条件的AlN外延层的表面。图3(a)中保护的AlN外延层示出由于受分离基板片保护而导致的材料降解和蒸发减少，而图3(b)中未保护的AlN外延层已完全蒸发。具体地，图3(a)的样品用保护性SiC覆盖件保护并且几乎所有的膜保留(使用光学反射率测量的厚度几乎没有变化)，而图3(b)的样品在没有保护性SiC覆盖件的情况下在相同条件下退火并且膜已明显蒸发(该样品未发现AlN的X射线峰)。

本发明提供用于半导体膜的保护性覆盖件以确保在处理期间防止材料蒸发或降解，诸如通过高温热退火和/或暴露于半导体处理气体和/或低压气氛的控制环境。本发明提供半导体膜与保护性覆盖件之间的直接接触、气密或密封。这种保护的主要优点是可以使用例如高温热退火和/或控制环境来处理半导体层，这改进了膜的材料或器件特性，同时防止膜的蒸发或降解。

以上是对本发明的优选实施例的描述。已经出于图示和描述的目的呈现了本发明的一个或多个实施例的前述描述。其不意图穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。鉴于以上教导，可以进行诸多修改和变型。本发明的范围意图不受该详细描述限制，而是由所附权利要求限制。