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DE112011103882T5 - Verbesserte Vorlagenschichten für die heteroepitaxiale Abscheidung von III-Nitridhalbleitermaterialien unter Verwendung von HVPE-Vorgängen - Google Patents

Verbesserte Vorlagenschichten für die heteroepitaxiale Abscheidung von III-Nitridhalbleitermaterialien unter Verwendung von HVPE-Vorgängen Download PDF

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DE112011103882T5
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nucleation
layer
iii
nitride semiconductor
islands
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DE112011103882T
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English (en)
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Chantal Arena
Ronald Thomas Bertram Jr.
Subhash Mahajan
Ilsu Han
Ed Lindow
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Soitec SA
University of Arizona
Arizona State University ASU
Original Assignee
Soitec SA
University of Arizona
Arizona State University ASU
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Publication date
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Abstract

Verfahren zum Abscheiden von III-Nitridhalbleitermaterialien auf Substraten umfassen das Abscheiden einer Schicht von III-Nitridhalbleitermaterial auf einer Oberfläche eines Substrats bei einer Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase, um eine Keimbildungsschicht auszubilden, die eine Mikrostruktur hat, die wenigstens etwas amorphes III-Nitridhalbleitermaterial enthält. Die Keimbildungsschicht kann angelassen werden, um kristalline Inseln aus epitaxialem Keimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats auszubilden. Die Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials können bei einer Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase anwachsen und sich vereinigen, um eine Keimbildungsvorlagenschicht des epitaxialen Keimbildungsmaterials auszubilden. Die Keimbildungsvorlagenschicht kann wenigstens im wesentlichen die Oberfläche des Substrats bedecken. Zusätzliches III-Nitridhalbleitermaterial kann auf der Keimbildungsvorlagenschicht des epitaxialen Keimbildungsmaterials bei einer zusätzlichen HVPE-Vorgangsphase abgeschieden werden. Abschließende und zwischenliegende Strukturen, die III-Nitridhalbleitermaterial enthalten, werden durch derartige Verfahren ausgebildet.

Description

  • GEBIET
  • Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich im allgemeinen auf Verfahren zum Abscheiden von III-Nitridmaterialen auf Substraten und auf Strukturen, die mit derartigen Verfahren ausgebildet sind. Insbesondere beziehen sich Ausführungsformen der Erfindung auf Verfahren zum Abscheiden von III-Nitridmaterialen auf Substraten, die eine Wachstumsvorlagenschicht enthalten, die ein Metallnitridmaterial umfasst, und auf Strukturen, die mit derartigen Verfahren ausgebildet sind.
  • HINTERGRUND
  • Die chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) ist ein chemischer Vorgang, der verwendet wird, um Festkörpermaterialien auf Substraten abzuscheiden, und wird normalerweise bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet. Bei den chemischen Dampfphasenabscheidungsvorgängen wird ein Substrat wenigstens einem Reagenzgas ausgesetzt, das derart regiert, zerfällt oder sowohl reagiert als auch zerfällt, dass ein Festkörpermaterial auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden wird.
  • Ein spezieller Typ eines CVD-Vorgangs wird gemäß Stand der Technik als Dampfphasenepitaxie (VPE) bezeichnet. Bei VPE-Vorgängen wird ein Substrat wenigstens einem Reagenzdampf in einer Reaktionskammer ausgesetzt, der in einer Art reagiert, zerfällt oder sowohl reagiert als auch zerfällt, die zu der Epitaxialabscheidung des Festkörpermaterials auf der Oberfläche des Substrats führt. VPE-Vorgänge werden oft verwendet, um III-V-Halbleitermaterialien abzuscheiden. Wenn einer der Reagenzdämpfe bei einem VPE-Vorgang einen Haliddampf enthält, kann der Vorgang als Halid-Dampfphasenepitaxie-(HVPE-)Vorgang bezeichnet werden.
  • Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, III-Nitridhalbleitermaterialien, wie etwa Galliumnitrid (GaN) mit Hilfe von VPE-Vorgängen auszubilden, bei denen metallorganische (MO) Präkursormaterialien innerhalb einer Reaktionskammer zerfallen, um das III-Nitridhalbleitermaterial auszubilden. Derartige Vorgänge werden in vielen Fällen als Vorgänge der metallorganischen Dampfphasenepitaxie (MOVPE) bezeichnet und können auch als Vorgänge der metallorganischen chemischen Dampfphasenabscheidung (MOCVD) charakterisiert werden. Derartige MOVPE-Vorgänge werden im allgemeinen unter Verwendung zahlreicher aufeinander folgender Vorabscheidungsvorgänge vor der Abscheidung des gewünschten III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials ausgeführt. Diese aufeinander folgenden Vorabscheidungsvorgänge können ein Hochtemperatur-Wasserstoffbacken des Wachstumssubstrats (z. B. Saphirsubstrat), die Nitrierung des Wachstumssubstrats, die Ausbildung einer Keimbildungsvorlagenschicht eines III-Nitridmaterials bei relativ geringen Temperaturen auf dem Wachstumssubstrat, das Anlassen der Keimbildungsvorlagenschicht bei relativ höheren Temperaturen, die Vereinigung der Keimbildungsvorlagenschicht und schließlich das Wachstum der III-Nitridmaterial-Grundschicht auf der Keimbildungsvorlagenschicht umfassen.
  • HVPE-Vorgänge werden zudem verwendet, um III-Nitridhalbleitermaterialien, wie etwa Galliumnitrid (GaN), auszubilden. Bei derartigen Vorgängen kann das epitaxiale Wachstum von GaN auf einem Substrat aus einer Dampfphasenreaktion zwischen Galliumchlorid (GCl) und Ammoniak (NH3) resultieren, die in einer Reaktionskammer bei erhöhten Temperaturen zwischen etwa 500°C und 1.000°C ausgeführt wird. NH3 kann von einer herkömmlichen Quelle für NH3-Gas zugeführt werden. Bei einigen Verfahren wird der GaCl-Dampf bereitgestellt, indem Chlorwasserstoff-(HCl-)Gas (das von einer herkömmlichen Quelle für HCl-Gas zugeführt wird) über erwärmtes flüssiges Gallium (Ga) geleitet wird, um GaCl in situ innerhalb der Reaktionskammer auszubilden. Das flüssige Gallium kann auf eine Temperatur zwischen etwa 750°C und etwa 850°C erwärmt werden. GaCl und NH3 können zu einer (z. B. über eine) Oberfläche eines erwärmten Substrats, wie etwa einen Wafer eines Halbleitermaterials, geleitet werden. Das US-Patent No. 6,179,913 , das am 30. Januar 2001 für Solomon et al. erteilt wurde, offenbart ein Gasinjektionssystem für die Verwendung bei derartigen Systemen und Verfahren.
  • HVPE-Vorgänge werden derzeit weit verbreitet verwendet, um relativ dicke GaN-Schichten auf Saphir hauptsächlich wegen der relativ schnellen Wachstumsraten, die durch HPVE-Vorgänge erzielt werden können, anwachsen zu lassen, wobei diese Wachstumsraten im Bereich von einigen zehn bis einigen hundert Mikrometern pro Stunde liegen. Das Wachstum der dicken GaN-Schichten unter Verwendung von HVPE erfordert jedoch normalerweise GaN-Vorlagenschichten, die durch metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) abgeschieden werden. Ohne derartige GaN-Vorlagenschichten reißen die GaN-Schichten, die direkt auf Saphir anwachsen, wenn die Dicke bestimmte Werte überschreitet.
  • KURZÜBERSICHT
  • Diese Übersicht dient dazu, eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, wobei diese Konzepte in der folgenden detaillierten Beschreibung anhand einiger beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung weiter erläutert werden. Diese Übersicht soll weder dazu dienen, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Eigenschaften des beanspruchten Gegenstandes zu kennzeichnen, noch soll sie dazu verwendet werden, den Geltungsbereich des beanspruchten Gegenstandes einzuschränken.
  • Es wäre wünschenswert, Verfahren und Systeme anzugeben, die verwendet werden können, um relativ dicke Schichten von III-V-Halbleitermaterialien, wie etwa III-Nitridhalbleitermaterialien (z. B. GaN), direkt auf nicht nativen Substraten, wie etwa Saphir, mit Hilfe von HVPE-Vorgängen auszubilden.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst die vorliegende Erfindung Verfahren zum Abscheiden von III-Nitridhalbleitermaterialien auf Substraten. Derartige Verfahren können die Verwendung eines Metalltrichlorid-Präkursors und/oder eines Metalltetrachlorid-Präkursors umfassen. In Übereinstimmung mit derartigen Verfahren wird eine Schicht eines III-Nitridhalbleitermaterials auf einer Oberfläche eines Substrats in einer Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase abgeschieden, um eine Keimbildungsschicht auszubilden, die eine Nanostruktur hat, die wenigstens einige Wurtzitkristallite und etwas amorphes III-Nitridhalbleitermaterial umfasst. Die Keimbildungsschicht wird angelassen, um kristalline Inseln aus wenigstens hauptsächlichem Wurtzitkeimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats auszubilden. Die Inseln des wenigstens hauptsächlichen Wurtzitkeimbildungsmaterials wachsen in einer Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase an und vereinigen sich, um eine Keimbildungsvorlagenschicht des wenigstens hauptsächlichen Wurtzitkeimbildungsmaterials auszubilden. Die Keimbildungsvorlagenschicht kann zumindest im wesentlichen die Oberfläche des Substrats bedecken. Zusätzliches III-Nitridhalbleitermaterial wird auf der Keimbildungsvorlagenschicht des wenigstens hauptsächlichen Wurtzitkeimbildungsmaterials in einer zusätzlichen HVPE-Vorgangsphase abgeschieden.
  • Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung umfassen fertige und zwischenliegende Strukturen, die III-Nitridhalbleitermaterial umfassen und mit hier beschriebenen Verfahren ausgebildet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können anhand der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen besser verstanden werden, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind.
  • 1A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines HVPE-Abscheidungssystems darstellt, das eine Reaktionskammer und wenigstens einen Gasinjektor umfasst und das bei Ausführungsformen von Verfahren der Erfindung verwendet werden kann;
  • 1B ist eine schematische Querschnittsansicht der Reaktionskammer aus 1A entlang der Schnittlinie 1B-1B, die dort gezeigt ist;
  • 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines thermalisierenden Gasinjektors, der in dem Abscheidungssystem aus 1A verwendet werden kann;
  • 3 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Gasinjektors, der in dem Abscheidungssystem von 1A verwendet werden kann;
  • 4 ist eine vergrößerte, teilweise beschnittene Ansicht eines Teils des Gasinjektors aus 3;
  • 5 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Substrats, das gemäß Ausführungsformen von Verfahren der Erfindung verwendet werden kann;
  • 6 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht, die eine Keimbildungsschicht zeigt, die auf dem Substrat von 5 abgeschieden ist, die amorphe und kristalline Bereiche in ihrer Mikrostruktur enthält;
  • 7 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht, die im wesentlichen kristalline Inseln von Keimbildungsmaterial zeigt, die durch Anlassen der Keimbildungsschicht aus 6 ausgebildet sind;
  • 8 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht, die das Wachstum und die Vereinigung der kristallinen Inseln des Keimbildungsmaterials aus 7 zeigt, um eine Keimbildungsvorlagenschicht auszubilden;
  • 9 zeigt eine seitliche Aufwachsungsschicht aus III-Nitridhalbleitermaterial, die durch Bewirken von vorzugsweise seitlichem Wachstum des III-Nitridhalbleitermaterials von angewinkelten Seitenfacetten der Inseln des Keimbildungsmaterials aus 8 ausgebildet wird;
  • 10 zeigt eine weitere Aufwachsungsschicht aus III-Nitridhalbleitermaterial, die durch vertikales Wachstum des III-Nitridhalbleitermaterials auf der seitlichen Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials aus 9 ausgebildet ist;
  • 11 bis 13 sind vereinfachte Zeichnungen, die einen Mechanismus zeigen, mit dem die Keimbildungsschicht aus 6 in Inseln aus Keimbildungsmaterial wie jene umgewandelt werden kann, die in 7 gezeigt sind;
  • 11 ist eine vereinfachte Darstellung, wie eine Mikrostruktur der Keimbildungsschicht aus 6 vor dem Anlassen der Keimbildungsschicht aussehen kann, um die Inseln des Keimbildungsmaterials aus 7 auszubilden, und zeigt amorphe sowie kristalline Bereiche in der Mikrostruktur der Keimbildungsschicht;
  • 12 zeigt einen Zerfalls- und Wiederabscheidungsmechanismus, durch den amorphes Material in der Keimbildungsschicht aus 6 in die Kristallstruktur kristalliner Bereiche in der Keimbildungsschicht während des Ausbildens der kristallinen Inseln des Keimbildungsmaterials aus 7 eingeschlossen werden kann;
  • 13 zeigt Inseln aus Keimbildungsmaterial, ähnlich jenen aus 7, die jedoch andere Formen haben, die abgeflachte oder ”tafelbergartige” Inseln und scharfe ”spitzenförmige” Inseln umfassen, die bei dem Anlassen der Keimbildungsschicht aus 6 ausgebildet werden können, um die Inseln des Keimbildungsmaterials aus 7 auszubilden;
  • 14 wird verwendet, um zu zeigen, wie sich Schraubenversetzungen jeweils durch die tafelbergförmigen und die spitzenförmigen Inseln und in das III-Nitridhalbleitermaterial ausbreiten können, das auf den Inseln abgeschieden ist.
  • 15 ist ein Diagramm, das zeigt, wie Änderungen bei bestimmten Vorgangsparametern, die während der Ausbildung der Inseln des Keimbildungsmaterials von 7 aus der Keimbildungsschicht aus 6 verwendet werden, jeweils die Höhe, die Dichte und die Form der resultierenden Inseln des Keimbildungsmaterials beeinflussen;
  • 16 ist ein Diagramm, das zeigt, wie Änderungen bei bestimmten Vorgangsparametern, die während der Ausbildung der Keimbildungsvorlagenschicht von 8 aus dem Keimbildungsmaterial von 7 verwendet werden, jeweils die Oberflächenrauhigkeit, die Kristallgüte und die durchschnittliche Dicke der Keimbildungsvorlagenschicht beeinflussen; und
  • 17 ist ein Graph, der schematisch einen Abscheidungsvorgang darstellt, der verwendet werden kann, um die Keimbildungsschicht aus 6 abzuscheiden und die Keimbildungsschicht anzulassen, um die Inseln des Keimbildungsmaterials aus 7 mit Hilfe eines HVPE-Abscheidungsvorgangs und eines Systems auszubilden, das in 1A und 1B gezeigt ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Die hier aufgeführten Darstellungen verstehen sich nicht als tatsächliche Ansichten eines speziellen Bauteils, einer speziellen Vorrichtung oder eines speziellen Systems, sondern sind lediglich idealisierte Darstellungen, die verwendet werden, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
  • Es sind hier eine Reihe von Bezugnahmen zitiert, wobei keine der erwähnten Bezugnahmen, unabhängig davon, wie sie hier gekennzeichnet sind, als Stand der Technik in Bezug auf die Erfindung des hier beanspruchten Gegenstandes zulässig ist.
  • Der hier verwendete Begriff ”III-V-Halbleitermaterial” bezeichnet und umfasst ein beliebiges Halbleitermaterial, das wenigstens vorherrschend aus wenigstens einem der Elemente aus der Gruppe IIIA des Periodensystems (B, Al, Ga, In und Ti) und wenigstens einem der Elemente aus der Gruppe VA des Periodensystems (N, P, As, Sb und Bi) besteht. III-V-Halbleitermaterialen umfassen beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, AlN, AlP, AlAs, InGaN, InGaP, InGaNP und dergleichen.
  • Der hier verwendete Begriff ”III-Nitridhalbleitermaterial” bezeichnet und umfasst ein beliebiges III-V-Halbleitermaterial, das wenigstens vorherrschend aus wenigstens einem der Elemente der Gruppe IIIA des Periodensystems (B, Al, Ga, In und Ti) und Stickstoff besteht. III-Nitridhalbleitermaterialien umfassen beispielsweise GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, InAlN und dergleichen.
  • Der hier verwendete Begriff ”Metallnitrid” bezeichnet und umfasst eine Verbindung aus Metall und Stickstoff. Metallnitridmaterialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN), Aluminium-Galliumnitrid (AlxGa1-xN) und Titannitrid (TiN).
  • Die hier verwendeten Begriffe ”chemische Dampfabscheidung” und ”CVD” sind Synonyme und bezeichnen und umfassen einen beliebigen Vorgang, der verwendet wird, um Festkörpermaterial(ien) auf einem Substrat in einer Reaktionskammer abzuscheiden, bei dem das Substrat wenigstens einem Reagenzgas ausgesetzt wird, das so reagiert, zerfällt oder sowohl reagiert als auch zerfällt, dass Festkörpermaterial(ien) auf einer Oberfläche des Substrats abgeschieden wird/werden.
  • Die hier verwendeten Begriffe ”Dampfphasenepitaxie” und ”VPE” sind Synonyme und bezeichnen und umfassen einen beliebigen CVD-Vorgang, bei dem das Substrat wenigstens einem Reagenzdampf ausgesetzt wird, der derart reagiert, zerfällt oder sowohl reagiert als auch zerfällt, dass Festkörpermaterial(ien) epitaxial auf einer Oberfläche des Substrats abgeschieden wird/werden.
  • Die hier verwendeten Begriffe ”Haliddampfphasenepitaxie” und ”HVPE sind Synonyme und bezeichnen und umfassen einen beliebigen VPE-Vorgang, bei dem wenigstens ein Reagenzdampf, der bei dem VPE-Vorgang verwendet wird, einen Haliddampf enthält.
  • Der hier verwendet Begriff ”metallorganisch” bezeichnet und umfasst eine beliebige Verbindung, die wenigstens ein Metallelement und eine organische chemische Substanz enthält. Metallorganische Stoffe werden dem Stand der Technik nach oft als ”Organometalle” bezeichnet, wobei derartige Begriffe Synonyme für Zwecke dieser Offenbarung sind. Metallorganische Stoffe umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Trimethylgallium (TMG), Triethylgallium (TEG), Trimethylaluminium (TMA), Triethylaluminium (TEA), Tetrakisdiethylaminotitan (TDEAT) und Tetrakis(dimethylamido)titan (TDMAT).
  • Die hier verwendeten Begriffe ”metallorganische Dampfphasenepitaxie” und ”MOVPE” sind Synonyme und bezeichnen und umfassen einen beliebigen VPE-Vorgang, bei dem wenigstens ein Reagenzdampf, der bei dem VPE-Vorgang verwendet wird, einen metallorganischen Dampf enthält.
  • Die hier verwendeten Begriffe ”nicht-metallorganischer chemischer Dampfabscheidungsvorgang” und ”Nicht-MOCVD-Vorgang” sind Synonyme und bezeichnen und umfassen einen beliebigen Abscheidungsvorgang, der kein MOCVD-Vorgang ist.
  • Die hier verwendeten Begriffe ”nicht-metallorganischer Dampfphasenepitaxievorgang” und ”Nicht-MOVPE-Vorgang” sind Synonyme und bezeichnen und umfassen einen beliebigen Abscheidungsvorgang, der kein MOVPE-Vorgang ist.
  • Der hier verwendete Begriff ”Gas” umfasst Gase (Fluide, die weder eine eigenständige Form noch eigenständiges Volumen haben) und Dämpfe (Gase, die diffuse Flüssigkeit oder Festkörper enthalten, die darin schweben), wobei die Begriffe ”Gas” und ”Dampf” hier synonym sind.
  • Ausführungsformen von Verfahren der vorliegenden Erfindung können die Abscheidung von Keimbildungsvorlagenschichten und Aufwachsungsschichten aus III-Nitridhalbleitermaterialien bei HVPE-Vorgängen umfassen, die mit Hilfe von HVPE-Systemen ausgeführt werden. Wenngleich unterschiedliche Konfigurationen von HVPE-Systemen bei Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung verwendet werden können, ist ein beispielhaftes HVPE-System, das bei Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann, im folgenden unter Bezugnahme auf 1A, 1B und 2 bis 4 vor der Beschreibung von Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung erläutert.
  • 1A und 1B sind vereinfachte Darstellungen, die schematisch eine Ausführungsform eines HVPE-Abscheidungssystems 100 zeigen, das bei Ausführungsformen von Verfahren der Erfindung verwendet werden kann, wie sie hier beschrieben sind. Als nicht einschränkende Beispiele kann das Abscheidungssystem 100 ein Abscheidungssystem umfassen, das in einer der US-Patentanmeldungsveröffentlichung No. US 2009/0223442 A1, die am 10. September 2009 im Namen von Arena et al. veröffentlicht wurde, der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer No. 61/157,112, die am 3. März 2009 im Namen von Arean et al. eingereicht wurde, und der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/894,724 beschrieben ist, die am 30. September 2010 im Namen von Bertran eingereicht wurde. Das Abscheidungssystem 100, das in 1A und 1B gezeigt ist, umfasst eine Reaktionskammer 102 und wenigstens einen Gasinjektor, die im folgenden unter Bezugnahme aus 2 bis 4 erläutert sind.
  • In der folgenden Beschreibung des Abscheidungssystems 100 und insbesondere der Reaktionskammer 102 des Abscheidungssystems 100 werden die Begriffe ”Längsrichtung” und ”Querrichtung” verwendet, um sich auf die Richtungen relativ zu der Reaktionskammer 102 aus den Perspektiven von 1A und 1B zu beziehen, wobei die Längsrichtung die vertikale Richtung aus der Perspektive in 1A und die Richtung ist, die sich in die Ebene von 1B erstreckt, und die Quer- oder Seitenrichtungen jene sind, die sich horizontal aus der Perspektive jeweils von 1A und 1B erstrecken. Die Querrichtungen werden auch als Richtungen bezeichnet, die sich ”quer zu dem Reaktor” erstrecken.
  • Das Abscheidungssystem 100 umfasst die Reaktionskammer 102, einen Substratträgeraufbau 104 (z. B. einen Suszeptor), der dazu eingerichtet ist, wenigstens ein Werkstückssubstrat 106 zu halten, auf dem es gewünscht ist, Material innerhalb des Abscheidungssystems abzuscheiden oder anderweitig aufzubringen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Reaktionskammer 102 eine Höhe von etwa zwei Zoll, eine Breite von etwa zwölf Zoll und eine Länge von etwa 20 Zoll haben, wobei der Substratträgeraufbau 104 dazu eingerichtet sein kann, ein Acht-Zoll-Werkstückssubstrat 106, ein Sechs-Zoll-Werkstückssubstrat 106, drei Vier-Zoll-Werkstückssubstrate 106 oder acht Zwei-Zoll-Werkstückssubstrate 106 zu halten. Das Abscheidungssystem 100 umfasst weiterhin Heizelemente 108 (1B), die verwendet werden können, um das Abscheidungssystem 100 wahlweise derart zu erwärmen, dass eine durchschnittliche Temperatur innerhalb der Reaktionskammer 102 auf wünschenswerte erhöhte Temperaturen während der Abscheidungsvorgänge gesteuert werden kann. Die Heizelemente 108 können beispielsweise Widerstandsheizelemente oder Strahlungsheizelemente umfassen.
  • Wie es in 1B gezeigt ist, kann der Substratträgeraufbau 104 an einer Spindel 110 angebracht sein, die mit einer Antriebsvorrichtung 112, wie etwa einem Elektromotor, verbunden (z. B. direkt konstruktiv verbunden oder magnetisch gekoppelt, etc.) sein kann, der dazu eingerichtet ist, die Spindel 110 und somit den Substratträgeraufbau 104 in der Reaktionskammer 102 zu drehen.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die Reaktionskammer 102 und/oder der Substratträgeraufbau 104 und/oder die Spindel 110 und beliebige andere Bauteile in der Reaktionskammer 102 wenigstens im wesentlichen aus einem feuerfesten Keramikmaterial, wie etwa Keramikoxid (z. B. Siliziumdioxid (Quartz), Aluminiumoxid, Zirkonoxid, etc.), einem Karbid (z. B. Siliziumcarbid, Borkarbid, etc.) oder einem Nitrid (z. B. Siliziumnitrid, Bornitrid, etc.) bestehen.
  • Das Abscheidungssystem 100 umfasst weiterhin ein Gasstromsystem, das dazu verwendet wird, wenigstens ein Gas in die Reaktionskammer 102 einzublasen und Gase aus der Reaktionskammer 102 abzuleiten. Unter Bezugnahme auf 1A kann das Abscheidungssystem 100 drei Gaseinlassleitungen 114A, 114B, 114C umfassen, die Gase von entsprechenden Gasquellen 128A, 128B, 128C leiten. Wahlweise können Vorrichtungen 117A, 117B, 117C, die Ventile und/oder Gegendruckregler und/oder Massendurchflussregler umfassen, zum Einsatz kommen, um jeweils den Gasstrom durch die Gaseinlassleitungen 114A, 114B, 114C zu steuern.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann wenigstens eine der Gasquellen 128A, 128B eine externe Quelle eines Metalltrichlorids (wie etwa GaCl3, InCl3 oder AlCl3) und/oder eines Metalltetrachlorids (wie etwa TiCl4) umfassen, wie es in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung No. 2009/0223442 A1 beschrieben ist. GaCl3, InCl3 und AlCl3 können in Gestalt eines Dimers, wie etwa Ga2Cl6, In2Cl6 bzw. Al2Cl6 vorliegen. Somit kann wenigstens eine der Gasquellen 128A, 128B ein Dimer, wie etwa Ga2Cl6, In2Cl6 oder Al2Cl6 umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann wenigstens eine der Gasquellen 128A, 128B einen Massenstrom von GaCl3-Dampf als eine Gruppe-IIIA-Präkursorkomponente bereitstellen. Die Gasquelle 128C kann eine externe Quelle eines Gruppe-VA-Präkursors, wie etwa Ammoniak (NH3), umfassen.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen wenigstens eine der Gasquellen 128A, 128B eine GaCl3-Quelle umfasst oder ist, enthält die GaCl3-Quelle einen Vorrat von flüssigem GaCl3, der auf einer Temperatur von wenigstens 120°C (z. B. etwa 130°) gehalten wird, und kann physikalische Einrichtungen zum Verbessern der Verdampfungsrate des flüssigen GaCl3 umfassen. Derartige physikalischen Einrichtungen können beispielsweise eine Vorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das flüssige GaCl3 zu rühren, eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das flüssige GaCl3 zu sprühen, eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, Trägergas schnell über das flüssige GaCl3 strömen zu lassen, eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, Trägergas durch das flüssige GaCl3 sprudeln zu lassen, eine Vorrichtung, wie etwa eine piezoelektrische Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das flüssige GaCl3 mit Ultraschall zu dispergieren, und dergleichen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann ein Trägergas, wie etwa He, N2, H2 oder Ar oder ein Gemisch derselben (z. B. ein Gemisch aus N2 und H2) durch das flüssige GaCl3 gesprudelt werden, während das flüssige GaCl3 auf einer Temperatur von wenigstens 120°C gehalten wird, so dass das Ursprungsgas wenigstens ein Trägergas enthalten kann.
  • Der Strom des GaCl3-Dampfes in wenigstens einen des Gasinjektoren 150A, 150B kann bei einigen Ausführungsformen der Erfindung gesteuert sein. Bei Ausführungsformen, bei denen beispielsweise ein Trägergas durch flüssiges GaCl3 gesprudelt wird, hängt der GaCl3-Strom von der Gasquelle 128A, 128B, 128C von wenigstens einem oder mehreren Faktoren ab, die beispielsweise die Temperatur des GaCl3, den Druck auf das GaCl3, und den Strom des Trägergases umfassen, das durch das GaCl3 gesprudelt wird. Wenngleich der Massenstrom von GaCl3 im Prinzip mit einem dieser Parameter gesteuert werden kann, kann bei einigen Ausführungsformen der Massenstrom von GaCl3 durch Ändern des Stroms des Trägergases durch einen Massendurchflussregler gesteuert werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die Temperaturen der Gaseinlassleitungen 114A, 114B zwischen den Gasquellen 128A, 128B und den Gasinjektoren 150A, 150B gesteuert werden. Die Temperaturen des Gaseinlassleitungen 114A, 114B und zugehöriger Massendurchflusssensoren, Regler und dergleichen können allmählich von einer ersten Temperatur (z. B. etwa 120°C oder mehr) am Ausgang aus den entsprechenden Gasquellen 128A, 128B bis zu einer zweiten Temperatur (z. B. etwa 160° oder weniger) an den Gasinjektoren 150A, 150B zunehmen, um eine Kondensation der Gase (z. B. GaCl3-Dampf) in den Gaseinlassleitungen 114A, 114B und dergleichen zu verhindern. Optional kann die Länge der Gaseinlassleitungen 114A, 114B zwischen den jeweiligen Gasquellen 128A, 128B und den Gasinjektoren 150A, 150B etwa drei Fuß oder weniger, etwa zwei Fuß oder weniger oder sogar etwa einen Fuß oder weniger betragen. Der Druck der Ursprungsgase kann mit Hilfe wenigstens eines Drucksteuersystems gesteuert werden.
  • Jede der beiden Gaseinlassleitungen 114A, 114B kann sich wahlweise zu einem entsprechenden der beiden Gasinjektoren 150A, 150B erstrecken, die im folgenden detaillierter beschrieben sind.
  • Bei zusätzlichen Ausführungsformen kann das Abscheidungssystem 100 weniger als zwei (d. h. eine) Gaseinlassleitungen und entsprechende Gasinjektoren umfassen, oder das Abscheidungssystem 100 kann mehr als zwei (z. B. drei, vier, fünf, etc.) Gaseinlassleitungen und entsprechende Gasinjektoren umfassen.
  • Bei der Ausführungsform von 1A und 1B befinden sich die Gasinjektoren 150A, 150B vollständig außerhalb der Reaktionskammer 102. Bei anderen Ausführungsformen können die Gasinjektoren 150A, 150B jedoch vollständig innerhalb der Reaktionskammer 102 angeordnet sein, oder wenigstens ein Teil der Gasinjektoren 150A, 150B kann sich wenigstens teilweise durch die Reaktionskammer erstrecken.
  • Das Abscheidungssystem 100 kann weiterhin drei Gasanschlüsse 116A, 116B, 116C umfassen, die eine Fluidverbindung zwischen dem Äußeren und dem Inneren der Reaktionskammer 102 bereitstellen. Jeder der Gasanschlüsse 116A, 116B, 116C kann die Fluidverbindung durch eine Wand und/oder die Decke und/oder den Boden der Reaktionskammer 102 zwischen einem entsprechenden der Gasinjektoren 150A, 150B und einer entsprechenden Gasverteilungsleitung 118A, 118B, 118C innerhalb der Reaktionskammer 102 herstellen.
  • Die Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C in der Reaktionskammer 102 können dazu verwendet werden, die Gase innerhalb des Hohlraumes an gewünschte Ort zu befördern. Die Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C können derart angeordnet und eingerichtet sein, dass sie Gas in das Innere der Reaktionskammer 102 in gewählten Richtungen in Bezug auf die Werkstückssubstrate 106 einblasen, die auf dem Substratträgeraufbau 104 gehalten sind. Gase, die von den Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C befördert werden, wie etwa Präkursorgase und Trägergase, können in der Längsrichtung durch die Reaktionskammer 102 (in der vertikalen Richtung aus der Perspektive von 1A) strömen und von dort in Richtungen eingeblasen werden, die hin zu den Werkstückssubstraten 106 in Längsrichtung innerhalb der Reaktionskammer 102 verlaufen, wobei die Richtungen wenigstens im wesentlichen zu der oberen freiliegenden Hauptoberflächen der Werkstückssubstrate 106 orientiert sind. Die Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C können in der Reaktionskammer 102 mit Hilfe von Leitungsträgerbefestigungen gestützt und an Ort und Stelle gehalten werden.
  • Die spezielle Anordnung und Konfiguration der Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C ist lediglich eine von zahlreichen Anordnungen und Konfigurationen, die bei Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, wobei zusätzliche Ausführungsformen der Reaktionskammer 102 andere Konfigurationen und Anordnungen von Gasverteilungsleitungen in der Reaktionskammer 102 haben können.
  • Die Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C können aktiv beheizt, passiv beheizt oder sowohl aktiv als auch passiv beheizt sein. Es können beispielsweise Wärmeerzeugungselemente (nicht gezeigt) benachbart zu wenigstens einem Abschnitt der Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen sind die Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C durch Heizelemente 108 (1B) beheizt. Wahlweise können passive Wärmeübertragungsaufbauten (z. B. Aufbauten, die Materialen umfassen, die sich ähnlich einem schwarzen Strahler verhalten) benachbart oder in der Nähe wenigstens eines Abschnittes der Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C in der Reaktionskammer 102 angeordnet sein, um die Wärmeübertragung auf die Gasverteilungsleitungen 118A, 118B, 118C zu verbessern.
  • Es können passive Wärmeübertragungsaufbauten (z. B. Aufbauten, die Materialen umfassen, die sich ähnlich einem schwarzen Strahler verhalten) in der Reaktionskammer 102 vorgesehen sein, wie es beispielsweise in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung No. 2009/0214785 A1 offenbart ist, die am 27. August 2009 im Namen von Arena et al. veröffentlicht wurde und deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme enthalten ist. Es kann beispielsweise eine Wärmeübertragungsplatte 124 (in 1A und 1B mit einer Strichlinie dargestellt) in der Reaktionskammer 102 derart angeordnet sein, dass sich die Wärmeübertragungsplatte 124 über die Reaktionskammer 102 über dem Substratträgeraufbau 104 und den Werkstückssubstraten 106 erstreckt, die von dem Substratträgeraufbau 104 gehalten sind. Die Wärmeübertragungsplatte 124 kann die Thermalisierung von Prozessgasen unterstützen, die in der Nähe der Wärmeübertragungsplatte 124 strömen, indem sie Strahlung von Heizelementen (wie etwa den Heizelementen 108) absorbiert und die absorbierte Wärme erneut in die Prozessgase abstrahlt.
  • Ein derartiger passiver Wärmeübertragungsaufbau kann die Wärmeübertragung im Inneren der Reaktionskammer 102 verbessern und die Homogenität und Konsistenz der Temperatur in der Reaktionskammer 102 erhöhen. Die passiven Wärmeübertragungsaufbauten können Materialien mit hohen Emissionsgradwerten (nahe an Einheitlichkeit) (Materialen schwarzer Strahler) umfassen, die zudem in der Lage sind, der hohen Temperatur und den korrosiven Umgebungen zu widerstehen, die man in dem Abscheidungssystem 100 antreffen kann. Derartige Materialien umfassen beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumkarbid (SiC) und Borkarbid (B4C), die Emissionsgradwerte von 0,98, 0,92 bzw. 0,92 haben.
  • Gasförmige Nebenprodukte, Trägergase und beliebige überschüssige Präkursorgase können aus der Reaktionskammer 102 durch einen Kammerauslass 126 ausgegeben werden.
  • Wie es zuvor erwähnt wurde, kann wenigstens einer der Gasinjektoren 150A, 150B des Abscheidungssystems 100 aus 1A und 1B ein Gasinjektor sein oder diesen beinhalten, wie er im folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf 2 bis 4 beschrieben wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die Gasinjektoren 150A, 150B Gasinjektoren umfassen, wie sie in der Internationalen Veröffentlichung mit der Nummer WO 2010/101715 A1 offenbart sind, die am 10. September 2010 im Namen von Arena et al. veröffentlicht wurde und deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch diese Bezugnahme enthalten ist. 2 ist eine Perspektivansicht eines thermalisierenden Gasinjektors 160, der für einen oder beide Gasinjektoren 150A, 150B verwendet werden kann, die in 1A gezeigt sind. Wie in 2 gezeigt, umfasst der Gasinjektor 160 eine Leitung 162, die einen Einlassabschnitt 164, einen gewundenen zentralen Abschnitt 166 und einen Auslassabschnitt 168 umfasst. Ein Ursprungsgas (z. B. GaCl3), ein Trägergas (z. B. H2, N2, etc.) oder ein Gemisch aus einem Ursprungsgas und einem Trägergas können dem Einlassabschnitt 164 zugeführt werden. Das Gas oder die Gase strömt/strömen von dem Einlassabschnitt 164 durch den gewundenen zentralen Abschnitt 166, nach außen durch den Auslassabschnitt 168 und in die Reaktionskammer 102 (1A). Wenigstens der gewundene zentrale Abschnitt 166 der Leitung 162 kann beheizt sein, wie es im folgenden detaillierter beschrieben ist. Durch Winden der Leitung 162 ist eine Länge des physikalischen Raumes, der von der Leitung 162 eingenommen wird, deutlich geringer als die tatsächliche Länge des Strömungsweges durch die Leitung 162. Anders gesagt kann eine Länge der Leitung 162 länger sein als ein kürzester Abstand zwischen dem Einlassabschnitt 164 und dem Auslassabschnitt 168. Die Leitung 162 kann andere Konfigurationen haben. Beispielsweise kann die Leitung 162 eine schlangenförmige Konfiguration haben, die eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen, geraden Abschnitten hat, die miteinander durch gekrümmte Abschnitte verbunden sind, die sich in einem Winkel von 180° erstrecken.
  • Die Leitung 162 kann dazu eingerichtet sein, dass sie Gas, das durch die Leitung 162 strömt, für eine gewünschte Zeit (d. h. eine Verweildauer) erwärmt, die eine Funktion der Querschnittsfläche des Strömungsweges innerhalb der Leitung 162, der Strömungsrate des Ursprungsgases durch die Leitung 162 und der Gesamtlänge der Leitung 162 ist. Die Leitung 162 kann derart geformt und eingerichtet sein, dass sie sich dicht an wenigstens einem aktiven oder passiven Heizelement befindet, wie es im folgenden detaillierter beschrieben wird.
  • Wie in 2 gezeigt, kann wenigstens der gewundenen zentrale Abschnitt 166 der Leitung 162 in einem Außengehäuse 170 enthalten sein. Das Außengehäuse 170 kann zudem als eine zusätzliche Gasleitleitung für Gase, wie etwa Spülgase dienen, die ebenfalls in die Reaktionskammer 102 geleitet werden können, wenngleich dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Wie in 2 gezeigt, kann das Außengehäuse 170 beispielsweise einen Gehäuseeinlass 172 und einen Gehäuseauslass 174 umfassen, die sich in die Reaktionskammer 102 erstrecken können. Spülgase können dazu veranlasst werden, durch das Außengehäuse 170 von dem Gehäuseeinlass 172 zu dem Gehäuseauslass 174 und anschließend in die Reaktionskammer 102 zu strömen. Das Spülgas kann durch den thermalisierenden Gasinjektor 160 erwärmt werden, wenn es das Außengehäuse 170 durchläuft.
  • Die Leitung 162 und das Außengehäuse 170 können ein feuerfestes Material umfassen, das bei erhöhten Temperaturen stabil und inert ist, denen sie während der Verwendung ausgesetzt sind. Die Leitung 162 und das Außengehäuse 170 können beispielsweise aus Quartz ausgebildet sein und im wesentlichen aus diesem bestehen.
  • Der thermalisierende Gasinjektor 160 kann mit Hilfe von aktiven Wärmeerzeugungselementen erwärmt werden, die in der Nähe (z. B. benachbart) des Außengehäuses 170 und/oder des gewundenen zentralen Abschnittes 166 der Leitung 172 angeordnet sind. Aktive Heizelemente umfassen wärmeabstrahlende Elemente, wie etwa Lampen, induktive Heizelemente, elektrische Heizelemente, wie etwa Widerstandsheizelemente, und dergleichen. Der thermalisierende Gasinjektor 160 kann auch passive Heizelemente umfassen, die nicht selbst Wärme erzeugen, die jedoch dazu verwendet werden, den Wärmeübergang in und um den thermalisierenden Gasinjektor 160 erneut zu verteilen, zu reflektieren oder anderweitig zu beeinflussen. Wie es in 2 gezeigt ist, kann der thermalisierende Gassinjektor 160 ein aktives Heizelement 180 umfassen, das eine widerstandsbeheizte, muschelschalenförmige Heizeinrichtung umfassen kann, die wenigstens teilweise das Äußere des Außengehäuses 170 umgibt. Auf diese Weise können Gase, die durch die Leitung 162 und/oder das Außengehäuse 170 strömen, durch das aktive Heizelement 180 erwärmt werden. Wie in 2 gezeigt, kann ein optionales Heizelement 182, das aktiv oder passiv sein kann, in dem Außengehäuse 170 angeordnet sein. Das Heizelement 182 kann eine lange zylindrische Form haben, und der gewundene zentrale Abschnitt 166 der Windung 162 kann um das Heizelement 182 gewunden sein, wie es in 2 gezeigt ist. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Heizelement 182 einen Stab umfassen, der ein Schwarzstrahlermaterial enthält, das verwendet wird, um die Wärme erneut zu verteilen, die von dem aktiven Heizelement 180 erzeugt wird. Die Gegenwart des Heizelementes 182 kann die Effizienz verbessern, mit der die Gase innerhalb des gewundenen zentralen Abschnittes 166 der Windung 162 und die Gase innerhalb des Außengehäuses 170 durch das aktive Heizelement 180 erwärmt werden.
  • Bei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Ursprungsgas, das dem thermalisierenden Gasinjektor 160 durch eine der Gasquellen 128A, 128B zugeführt wird, ein Metalltrichlorid, wie etwa GaCl3, und Wasserstoffträgergas H2 enthält, können das Metalltrichlorid und das Wasserstoffgas zerfallen, um einen Metallmonochloriddampf, wie etwa GaCl- und HCl-Dampf zu bilden, wobei diese Dämpfe aus dem Auslassabschnitt 168 der Leitung ausgeleitet und in die Reaktionskammer 102 eingeleitet werden können.
  • Bei zusätzlichen Ausführungsformen können die Gasinjektoren 150A, 150B Gasinjektoren umfassen, wie sie in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/894,724 offenbart sind. Die Gasinjektoren 150A, 150B können beispielsweise einen Vorratsbehälter umfassen, der dazu eingerichtet ist, ein flüssiges Metall oder anderes Element, wie etwa flüssiges Gallium (Ga), flüssiges Aluminium (Al) oder flüssiges Indium (In) aufzunehmen. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Vorratsbehälter dazu eingerichtet sein, ein Festkörperreagenz für die Reaktion mit einem Ursprungsgas (oder ein Zerfalls- oder Reaktionsprodukt eines Ursprungsgases) aufzunehmen. Der Vorratsbehälter kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, ein Festkörpervolumen wenigstens eines Materials, wie etwa festes Silizium (Si) oder festes Magnesium (Mg) aufzunehmen.
  • 3 ist eine Perspektivansicht eines Gasinjektors 200, der für wenigstens einen der Gasinjektoren 150A, 150B aus 1A verwendet werden kann. Wie in 3 gezeigt, umfasst der Gasinjektor 200 einen Einlass 202, einen Auslass 204, eine thermalisierende Leitung 206 und einen Behälter 210. Der Behälter 210 ist dazu eingerichtet, ein flüssiges Reagenz aufzunehmen. Es können sich beispielsweise ein flüssiges Metall, wie etwa flüssiges Gallium, flüssiges Indium, flüssiges Aluminium und dergleichen, oder eine flüssige metallorganische Substanz in dem Behälter 210 befinden. Ein Ursprungsgas (z. B. GaCl3), ein Trägergas (z. B. H2, N2, etc.) oder ein Gemisch eines Ursprungsgases und eines Trägergases können dem Einlass 202 zugeführt werden. Das Gas oder die Gase können von dem Einlass 202 in die thermalisierende Leitung 206 strömen. Die thermalisierende Leitung 206 kann dazu eingerichtet sein, das Gas, das durch die thermalisierende Leitung 206 strömt, für eine gewünschte Zeitdauer (d. h. eine Verweilzeit) zu erwärmen, die eine Funktion der Querschnittsfläche des Leitungsweges in der thermalisierenden Leitung 206, der Strömungsrate des Ursprungsgases durch die thermalisierende Leitung 206 und der Gesamtlänge der thermalisierenden Leitung 206 sein kann. Die thermalisierende Leitung 206 kann derart geformt und beschaffen sein, dass sie sich in der Nähe wenigstens eines aktiven oder passiven Elementes befindet, wie es im folgenden detaillierter erläutert ist.
  • Weiterhin kann die thermalisierende Leitung 206 wenigstens einen gekrümmten Abschnitt oder eine gekrümmte Wendung umfassen, so dass die Länge des physikalischen Raumes, der von der thermalisierenden Leitung 206 eingenommen wird, deutlich geringer ist als die tatsächliche Länge des Leitungsweges durch die thermalisierende Leitung 206. Anders gesagt kann eine Länge der thermalisierenden Leitung 206 länger sein als ein kürzester Abstand zwischen dem Einlass 202 und dem Flüssigkeitsbehälter 210. Bei einigen Ausführungsformen kann die Länge der thermalisierenden Leitung 206 wenigstens etwa das Doppelte des kürzesten Abstandes zwischen dem Einlass 202 und dem Flüssigkeitsbehälter 210, wenigstens etwa das dreifache des kürzesten Abstandes zwischen dem Einlass 202 und dem Flüssigkeitsbehälter 210 oder sogar wenigstens das Vierfache des kürzesten Abstandes zwischen dem Einlass 202 und dem Flüssigkeitsbehälter 210 betragen. Die thermalisierende Leitung 206 kann eine schlangenförmige Ausbildung haben, wie es in 3 gezeigt ist, die eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen geraden Abschnitten umfasst, die miteinander durch gekrümmte Abschnitte verbunden sind, die sich in einem Winkel von 180° erstrecken.
  • Die thermalisierende Leitung 206 kann eine Röhre umfassen, die im wesentlichen aus einem feuerfesten Material, wie etwa Quartz, besteht.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann das Gas ein Ursprungsgas enthalten, das wenigstens teilweise innerhalb der thermalisierenden Leitung 206 zerfällt. Bei Ausführungsformen, bei denen das Gas beispielsweise ein Ursprungsgas aus GaCl3 und ein Trägergas enthält, das H2 beinhaltet, kann das Ursprungsgas zerfallen, um gasförmiges GaCl und Chlorwasserstoff (HCl) zu bilden.
  • Die Gase strömen von der thermalisierenden Leitung 206 in den Behälter 210. 4 ist eine vergrößertes, teilweise beschnittene Ansicht des Behälters 210. Wie in 4 gezeigt, umfasst der Behälter 210 eine Bodenwand 212, eine Deckwand 214 und wenigstens eine Seitenwand 216. Bei der Ausführungsform von 6 und 7 hat der Vorratsbehälter eine im wesentlichen zylindrische Form, so dass die Bodenwand 212 und die Deckwand 214 jeweils eine kreisförmige Gestalt haben und wenigstens im wesentlichen eben ist, und dass die Seitenwand 216 im wesentlichen zylindrisch (z. B. röhrenförmig) ist. Bei zusätzlichen Ausführungsformen der Erfindung kann der Vorratsbehälter in alternativen geometrischen Konfigurationen ausgebildet sein. Die Bodenwand 212, die Deckwand 214 und die wenigstens eine Seitenwand 216 bilden zusammen einen Hohlkörper, dessen Inneres einen Vorratsbehälter für die Aufnahme eines flüssigen Reagenz', wie etwa flüssigen Galliums oder einer metallorganischen Substanz bildet.
  • Der Innenraum des hohlen Behälters 210 kann teilweise mit einem flüssigen Reagenz gefüllt sein. Der Behälter 210 kann beispielsweise mit einem flüssigen Reagenz bis zu einem Pegel gefüllt sein, der mit der Strichlinie 220 in 4 gekennzeichnet ist, so dass eine Leere oder ein Raum 222 über dem flüssigen Reagenz in dem Behälter 210 vorhanden ist. Gase, die aus der thermalisierenden Leitung 206 strömen, können in den Raum 222 über dem flüssigen Reagenz in dem Behälter 210 eingeblasen werden. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Gase, die aus der thermalisierenden Leitung 206 strömen, durch die Bodenwand 212 in eine Röhre 224 strömen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Röhre 224 einen integralen Abschnitt der thermalisierenden Leitung 206 haben, der sich in den Behälter 210 erstreckt. Die Röhre 224 kann durch das flüssige Reagenz, das sich in dem Flüssigkeitsbehälter befindet, zu dem Raum 222 über dem flüssigen Reagenz verlaufen. Die Röhre 224 kann eine 90°-Krümmung umfassen, so dass sich ein Endabschnitt der Röhre 224 horizontal über das flüssige Reagenz erstreckt.
  • Wie es in 4 gezeigt ist, kann eine Öffnung die zylindrische Seitenwand der Röhre 224 an einer Seite derselben durchlaufen, die der Oberfläche des flüssigen Reagenz' zugewandt ist, so dass Gase, die durch die Röhre 224 strömen, die Röhre 224 durch die Öffnung 226 verlassen. Die Gase, die durch die Öffnung 226 austreten, können aus der Öffnung in eine Richtung geleitet werden, die zu der Oberfläche des flüssigen Reagenz' orientiert ist, um eine Reaktion zwischen wenigstens einem Bestandteil der Gase und dem flüssigen Reagenz zu unterstützen. Bei Ausführungsformen, bei denen das Ursprungsgas beispielsweise GaCl3 umfasst, das mit einem Trägergas, wie etwa H2 befördert wird, und das Ursprungsgas zerfallen ist, um gasförmiges GaCl und chlorhaltige Substanzen, wie etwa Chlorwasserstoff (HCl), in der thermalisierenden Leitung 206 zu enthalten, kann das flüssige Reagenz in dem Flüssigkeitsbehälter flüssiges Gallium umfassen, das mit dem chlorhaltigen Gas (z. B. HCl) reagieren kann, das in der thermalisierenden Leitung 206 enthalten ist, um zusätzliches gasförmiges GaCl zu bilden. Die Gase in dem Raum 222 über dem flüssigen Reagenz innerhalb des Behälters 210 können aus dem Behälter durch einen Auslassanschluss 228 strömen. Der Auslassanschluss 228 kann sich beispielsweise in der Deckwand 214 des Behälters über dem horizontal verlaufenden Abschnitt der Röhre 224 befinden. Der Auslassanschluss 228 kann zu einer Auslassleitung 230 führen, deren Ende den Auslass 204 des Gasinjektors 200 bilden kann.
  • Bei zusätzlichen Ausführungsformen können die Gase, die aus der thermalisierenden Leitung 206 strömen, in das flüssige Reagenz in dem Behälter 210 eingeblasen werden, so dass die Gase durch das flüssige Reagenz in den Raum 222 über dem flüssigen Reagenz aufgesprudelt werden.
  • Die unterschiedlichen Bauteile des Behälters 210 können wenigstens im wesentlichen aus einem feuerfesten Material, wie etwa Quartz, bestehen.
  • GaCl kann ein erwünschtes Präkursorgas zum Ausbilden von GaN sein. Somit können durch Umwandeln von überschüssigen chlorhaltigen Substanzen, wie etwa Chlorwasserstoffgas (HCl), das aus dem thermischen Zerfall von GaCl3 und H2 (bei Systemen, die ein Ursprungsgas verwenden, das GaCl3 und H2 enthält) resultiert, in zusätzliches GaCl nachteilige Wirkungen von überschüssigen chlorhaltigen Substanzen auf abgeschiedenes GaN-Material vermieden werden, da die Menge chlorhaltiger Substanzen, die in die Reaktionskammer 102 eintreten, verringert werden kann. Derartige nachteilige Wirkungen können beispielsweise den Einschluss von Chloratomen in das Galliumnitrid-Kristallgitter und das Reißen oder die Ablösung des abgeschiedenen GaN-Films beinhalten. Das Einleiten überschüssigen Chlorwasserstoffgases (HCl) in die Reaktionskammer kann dazu führen, dass sich der Chlorwasserstoff als Ätzsubstanz für GaN in der Reaktionskammer verhält, wodurch die Wachstumsrate von GaN verringert oder ein Wachstum desselben sogar verhindert wird. Weiterhin kann durch Reaktion der überschüssigen Chlorsubstanzen mit dem flüssigen Gallium, um zusätzliches GaCl auszubilden, die Effizienz des Abscheidungssystems 100 verbessert werden.
  • Das HVPE-Abscheidungssystem 100, das oben unter Bezugnahme auf 1A und 1B erläutert wurde, kann dazu benutzt werden, eine Keimbildungsschicht auf einem Substrat abzuscheiden, die Keimbildungsschicht anzulassen, um Inseln von Keimbildungsmaterial auszubilden, und Aufwachsungsschichten aus III-Nitridhalbleitermaterial auf den Inseln des Keimbildungsmaterials in Übereinstimmung mit Ausführungsformen von Verfahren der vorliegenden Erfindung abzuscheiden, wie es im folgenden beschrieben wird.
  • 5 bis 10 zeigen die Abscheidung einer Keimbildungsschicht auf einem Substrat, das Anlassen der Keimbildungsschicht, um Inseln aus Keimbildungsmaterial auszubilden, und die Abscheidung von Aufwachsungsschichten aus III-Nitridhalbleitermaterial auf den Inseln des Keimbildungsmaterials gemäß Ausführungsformen von Verfahren der Erfindung.
  • Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Substrat 240 bereitgestellt. Das Substrat 240 kann ein im wesentlicher ebener, plattenförmiger Körper sein, der im wesentlichen kreisförmig, rechteckig oder dergleichen sein kann. Das Substrat 240 kann das umfassen, was nach dem Stand der Technik als ”Die” oder ”Wafer” bezeichnet wird. Das Substrat 240 kann wenigstens im wesentlichen aus einem homogenen Material 242 bestehen. Das Material 242 kann beispielsweise eine Keramik, wie etwa ein Oxid (z. B. Siliziumdioxid (SiO2) oder Aluminiumdioxid (Al2O3) (z. B. Saphir, der α-Al2O3 ist)) oder ein Nitrid (z. B. Siliziumnitrid (Si3N4) oder Bornitrid (BN)) sein. Als zusätzliche Beispiele kann das Material 242 ein Halbleitermaterial, wie etwa Silizium (Si), Germanium (Ge), ein III-V-Halbleitermaterial und dergleichen enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann das Material 242 des Substrats 240 wenigstens im wesentlichen aus einem Einkristall des Materials 242 bestehen. Weiterhin kann bei derartigen Ausführungsformen der Einkristall eine gewählte kristallografische Ausrichtung haben, so dass eine freiliegende Hauptoberfläche 244 des Materials 242 eine gewählte kristallografische Ebene des Einkristalls des Materials 242 umfasst. Die freiliegende Hauptoberfläche 244 umfasst eine Wachstumsfläche, auf der es gewünscht ist, ein III-Nitridhalbleitermaterial anwachsen zu lassen oder anderweitig abzuscheiden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Substrat 240 derart gewählt sein, dass es ein (0001)-Saphir-Substrat umfasst. Derartige Saphirsubstrate sind im Handel verfügbar.
  • Unter Bezugnahme auf 6 kann eine Keimbildungsschicht 250 auf der freiliegenden Hauptoberfläche 244 ausgebildet (abgeschieden) werden. In Übereinstimmung mit Verfahren der Erfindung kann die Keimbildungsschicht 250 ein Metallnitridmaterial (z. B. GaN) enthalten und mit Hilfe eines HVPE-Vorgangs und eines HVPE-Systems 100 ausgebildet werden, wie es oben erläutert wurde. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Keimbildungsschicht 250 auf der freiliegenden Hauptoberfläche 244 derart abgeschieden werden, dass die Keimbildungsschicht 250 eine durchschnittliche Dicke T1 zwischen etwa zwei Nanometern (2 nm) und etwa fünf Mikrometern (5 μm), zwischen etwa zehn Nanometern (10 nm) und etwa einhundert Nanometern (100 nm) oder sogar zwischen etwa zwanzig Nanometern (20 nm) und etwa fünfzig Nanometern (50 nm) hat. Zudem kann die Keimbildungsschicht 250 bei relativ geringen Temperaturen zwischen beispielsweise etwa 400°C und etwa 700°C (z. B. etwa 570°C) und bei Drücken zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) (z. B. etwa 200 Torr) abgeschieden werden.
  • Bei der Abscheidung kann die Keimbildungsschicht 250 sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche innerhalb ihrer Nanostruktur umfassen. 11 ist beispielsweise eine vereinfachte Zeichnung, die schematisch darstellt, wie eine Querschnittsansicht der Keimbildungsschicht 250 unter Vergrößerung erscheinen kann. Wie in 11 gezeigt, kann die Mikrostruktur der Keimbildungsschicht 250 Körner aus kristallinem Metallnitridmaterial 252 (d. h. Kristalle oder Kristallite) enthalten, die in im wesentlichen amorphes Metallnitridmaterial 254 eingebettet und von diesem umgeben sind. Wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, bedeutet ”amorph”, dass es im wesentlichen keine langreichweitige Ordnung bei der Anordnung der Atome des Materials gibt. Mit anderen Worten sind die Atome von amorphem Material im wesentlichen zufallsartig innerhalb des Materials angeordnet, anstelle in einer geordneten Anordnung von atomaren Ebenen innerhalb des Materials angeordnet zu sein. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnung von 11 vereinfacht ist und, obwohl feststellbar diskrete Grenzen zwischen den Körnern des kristallinen Metallnitridmaterials 252 und dem amorphen Metallnitridmaterial 254 in 11 einfach erkennbar sind, in der Praxis derartige diskrete Grenzen, die sich entlang der Umfänge der Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 erstrecken, relativ schwer auszumachen sind, wenn die Mikrostruktur unter Vergrößerung betrachtet wird. Trotzdem kann die Gegenwart der Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 und des amorphen Metallnitridmaterials 254 bei Betrachtung der Mikrostruktur unter geeigneter Vergrößerung und/oder mit Hilfe anderer Techniken, wie etwa Röntgenstrahlbeugung (XRD), ausgemacht werden.
  • Einige Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 können direkt auf und epitaxial ausgerichtet mit dem Kristallgitter der darunter befindlichen Oberfläche 244 des Substrats 240 angeordnet sein (5). Bei Ausführungsformen, bei denen beispielsweise das Substrat 240 ein (0001)-Saphir-Substrat umfasst und die Keimbildungsschicht 250 Galliumnitrid (GaN) enthält, kann die Oberfläche 244 die (0001)-Ebene des Saphirkristallgitters enthalten, und die Körner des kristallinen GaN-Materials 252, die direkt auf der Oberfläche 244 des Substrats 240 angeordnet sind, können derart ausgerichtet sein, dass die [0001]-Richtungen innerhalb der Kristallgitter dieser Körner des kristallinen GaN-Materials 252 im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 244 verlaufen. Die [0001]-Richtungen innerhalb jedes der Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 in 11 sind durch die Richtungspfeile innerhalb der Körner dargestellt. Andere Richtungen innerhalb der Kristallgitter dieser Körner des kristallinen GaN-Materials 252 können sich ebenfalls im wesentlichen parallel zu den entsprechenden Richtungen innerhalb des Kristallgitters des darunter liegenden Saphirsubstrats 240 an der Oberfläche 244 erstrecken, so dass eine geringe bis keine Fehlanpassung in der Drehausrichtung jener Körner in der horizontalen Ebene (d. h. der Ebene, die sich in die Ebene der Zeichnungen erstreckt) in Bezug auf das Kristallgitter des darunter liegenden Saphirsubstrats 240 an der Oberfläche 244 gibt.
  • Zudem können, wie in 11 gezeigt, die Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252, die nicht direkt auf der darunter liegenden Oberfläche 244 des Substrats 240 (5) abgeschieden werden, nicht epitaxial mit dem Kristallgitter der darunter liegenden Oberfläche 244 des Substrats 240 ausgerichtet und zufallsartig im Raum orientiert sein, wie es mit den Richtungspfeilen innerhalb jedes der Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 gekennzeichnet ist, die auf [0001]-Richtungen innerhalb des Kristallgitters verweisen. Natürlich können einige der [0001]-Richtungen in Winkeln in und aus der Ebene von 11 verlaufen, wenngleich derartige Richtungen in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 Galliumnitrid (GaN) enthalten, können einige oder sämtliche Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 Körner sein oder umfassen, die wenigstens im wesentlichen aus der Wurtzitkristallstruktur bestehen, und/oder einige oder sämtliche der Körner können Körner sein oder umfassen, die wenigstens im wesentlichen aus der Zinkblenden-Kristallstruktur bestehen. Weiterhin können bei einigen Ausführungsformen die Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 einen Innenkern einer Kristallstruktur, wie etwa der Zinkblenden-Kristallstruktur, und eine Außenhülle haben, die wenigstens teilweise den Innenkern umgibt und eine weitere Kristallstruktur, wie etwa die Wurtzitkristallstruktur hat.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 6 kann nach Ausbilden der Keimbildungsschicht 250 auf der Oberfläche 244 des Substrats die Keimbildungsschicht 250 bei einem Anlassvorgang wärmebehandelt werden, um Inseln 260 aus Metallnitrid-Keimbildungsmaterial auf der Oberfläche 244 des Substrats 240 auszubilden, wie es in 7 gezeigt ist. Die Keimbildungsschicht 250 kann dem Anlassvorgang in derselben Reaktionskammer 102 unterzogen werden, in der die Keimbildungsschicht 250 auf das Substrat 240 abgeschieden wird, wobei der Anlassvorgang nach dem Abscheidungsvorgang als integraler Teil eines gesamten HVPE-Vorgangs ausgeführt werden kann, der verwendet wird, um III-Nitridhalbleitermaterial auf dem Substrat 240 auszubilden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Anlassvorgang umfassen, dass die Keimbildungsschicht 250 einer Temperatur oder Temperaturen zwischen etwa 900°C und etwa 1.300°C (z. B. etwa 1.050°C) und Drücken zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) (z. B. etwa 200 Torr) für eine Dauer zwischen etwa zehn Sekunden (10 sek) und etwa zehn Minuten (10 min) (z. B. etwa 3,5 Minuten) ausgesetzt wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann jede der Inseln 260 des Metallnitrid-Keimbildungsmaterials wenigstens im wesentlichen kristallin sein und direkt auf dem Kristallgitter der darunter liegenden Oberfläche 244 des Substrats 240 abgeschieden und damit epitaxial ausgerichtet werden. Bei Ausführungsformen, bei denen das Substrat 240 ein (0001)-Saphirsubstrat umfasst und die Inseln 260 Galliumnitrid (GaN) enthalten, kann die Oberfläche 244 die (0001)-Ebene des Saphirkristallgitters umfassen, wobei die Kristallstruktur der Inseln 206 aus GaN derart ausgerichtet sein kann, dass die [0001]-Richtungen innerhalb der Kristallgitter im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 244 verlaufen. Zusätzlich können andere Richtungen innerhalb der Kristallgitter der Inseln 206 von GaN ebenfalls im wesentlichen parallel zu den entsprechenden Richtungen innerhalb des Kristallgitters des darunter liegenden Substrats 240 an der Oberfläche 244 verlaufen, so dass es eine geringe oder keine Fehlanpassung in der Drehausrichtung jener Körner in der horizontalen Ebene (d. h. die Ebene, die in die Ebene der Zeichnungen verläuft) in Bezug auf das Kristallgitter des darunter liegenden Saphirsubstrats 240 an der Oberfläche gibt. Bei einigen Ausführungsformen können einige oder sämtliche der Inseln 260 des Metallnitrid-Keimbildungsmaterials von benachbarten Inseln 260 räumlich getrennt sein, so dass wenigstens ein Teil der Oberfläche 244 des Substrats 240 zwischen den Inseln 260 freiliegt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Basis wenigstens einiger der Inseln 260 die Basis wenigstens einer weiteren Insel 260 direkt berühren kann, so dass die Inseln nicht vollständig von allen anderen Inseln 260 isoliert sind.
  • Darüber hinaus können bei einigen Ausführungsformen die Inseln 260 wenigstens hauptsächlich aus einem Wurtzitkeimbildungsmaterial bestehen.
  • Wenngleich weiterhin die Inseln 260 in 7 so erscheinen, als ob sie gleichmäßig voneinander beabstandet und in einer geordneten Anordnung angeordnet sind, versteht es sich, dass die Zeichnung aus Gründen der Darstellung vereinfacht ist und die Inseln 260 in der Praxis zufallsartig angeordnet und über die Oberfläche 244 des Substrats 240 verteilt sein können.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die Inseln 260 Galliumnitrid (GaN) umfassen, können einige oder sämtliche der Körner der kristallinen Inseln 260 Körner der Wurtzitkristallstruktur sein oder enthalten und/oder einige oder sämtliche der Körner die Zinkblenden-Kristallstruktur beinhalten. Weiterhin können bei einigen Ausführungsform die Körner der Inseln 260 einen Innenkern einer Kristallstruktur, wie etwa die Zinkblenden-Kristallstruktur, und eine Außenumhüllung haben, die wenigstens teilweise den Innenkern umgibt und eine andere Kristallstruktur, wie etwa die Wurtzitkristallstruktur, hat.
  • Ohne Begrenzung auf die Theorie wird davon ausgegangen, dass der Mechanismus, durch den die Metallnitrid-Keimbildungsschicht 250 in die Inseln 260 des Metallnitrid-Keimbildungsmaterials während des Anlassvorganges umgewandelt wird, den Zerfall und die Wiederabscheidung wenigstens eines Teils der Metallnitrid-Keimbildungsschicht 250 umfasst. Derartige Vorgänge sind schematisch in 12 dargestellt. Wie in 12 gezeigt, zerfällt und verdampft während des Anlass- und des Kristallisationsvorganges wenigstens ein Teil der Keimbildungsschicht 250. Als Beispiel können für ein GaN-Material die ausgefüllten schwarzen Kreise Stickstoffatome und -radikale darstellen und die leeren Kreise Galliumatome und -radikale kennzeichnen. Einige der Stickstoff- und Galliumatome sowie -radikale zerfallen und verdampfen, wie es mit den gestrichelten Richtungspfeilen 12 dargestellt ist, die von der Oberfläche 244 des Substrats 240 (2) wegweisen. Da davon ausgegangen wird, dass das im wesentlichen amorphe Metallnitridmaterial 254 und die Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252, die nicht auf der Wachstumsfläche 244 des Substrats 240 angeordnet und damit epitaxial ausgerichtet sind, in Bezug auf die Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252, die auf der Wachstumsoberfläche 244 des Substrats 240 angeordnet und damit epitaxial ausgerichtet sind, energetisch weniger stabil sind, können das amorphe Material 254 und die nicht epitaxial ausgerichteten Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 zerfallen, während die epitaxial ausgerichteten Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 auf der Oberfläche 244 des Substrats 240 verbleiben können.
  • Zudem können sich während des Anlass- und Rekristallisationsvorgangs die zerfallenen und verdampften Stickstoff- und Galliumatome sowie -radikale wieder vereinigen und auf den Oberflächen der epitaxial ausgerichteten Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252, das auf der Oberfläche 244 des Substrats 240 zurückbleibt, abscheiden, wie es in 12 mit den ausgefüllten Linienpfeilen dargestellt ist. Weiterhin können sich einige der zerfallenen und verdampften Stickstoff- und Galliumatome sowie -radikale wieder vereinigen und Keime zusätzlicher epitaxial ausgerichteter Körner von kristallinem Metallnitridmaterial 252 bilden, wie es an der Stelle 258 geschieht, die in 12 gezeigt ist.
  • Während der Anlass- und Rekristallisationsvorgang fortschreitet, wachsen die epitaxial ausgerichteten Körner des kristallinen Metallnitridmaterials 252 weiter an, bis die Inseln 260 ausgebildet sind, die in 7 gezeigt sind. Nach dem Anlass- und Rekristallisationsvorgang kann es wenig bis kein amorphes Metallnitridmaterial 254 (11) geben, das auf der Oberfläche 244 des Substrats 240 zurückbleibt. Weiterhin kann der Großteil der Inseln 260 epitaxial mit der Oberfläche 244 des Substrats 240 ausgerichtet sein, wenngleich es einige Inseln 260 geben kann, die im wesentlichen nicht mit der Oberfläche 244 des Substrats 240 epitaxial ausgerichtet sind.
  • Wie es im folgenden detaillierter erläutert wird, können gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung die Parameter des HVPE-Abscheidungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 von 6 auszubilden, und die Parameter des Wärmebehandlungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 anzulassen und wieder zu kristallisieren, um die Inseln 260 aus 7 zu bilden, derart gewählt werden, dass der Großteil der Inseln 260, wenn nicht im wesentlichen sämtliche der Inseln 260, scharfe, spitzenförmige Inseln 260, wie es in 7 gezeigt ist, im Gegensatz zu tafelbergförmigen Inseln sind.
  • 13 zeigt schematisch eine spitzenförmige Insel 260 und zwei tafelbergförmige Inseln 260'. Wie in 13 gezeigt, hat die spitzenförmige Insel 262 Facetten, die in spitzen Winkeln von mehr als null Grad (z. B. zwischen etwa 40 Grad und etwa 85 Grad) in Bezug auf die Oberfläche 244 des Substrats 240 ausgerichtet sind. Die angewinkelten Facetten 262 erstrecken sich zu einem relativ scharfen Punkt 264 und laufen an der Oberseite der spitzenförmigen Insel 260 zusammen. Die tafelbergförmigen Inseln 260' haben angewinkelte Facetten 262', die den angewinkelten Facetten 262 der spitzenförmigen Inseln 260 gleichen, wobei sich jedoch die angewinkelten Facetten 262' der tafelbergförmigen Inseln 260' zu einer flachen, ebenen Oberfläche 266', die im wesentlichen parallel zu der flachen, ebenen Wachstumsfläche 244 des Substrats 240 ist, erstrecken und diese schneiden. Während des Anlass- und Rekristallisationsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 aus 6 in kristalline Inseln umzuwandeln, können sowohl spitzenförmige Inseln 260 als auch tafelbergförmige Inseln 260' auf der Oberfläche 244 des Substrats 240 ausgebildet werden. Es kann erwünscht sein, die Bildung von spitzenförmigen Inseln 260 zu bewirken oder zu begünstigen, und/oder die Bildung von tafelbergförmigen Inseln 260' zu unterdrücken, da Aufwachsungsschichten aus III-Nitridhalbleitermaterial, die über spitzenförmigen Inseln 260 ausgebildet werden, relativ geringere Schraubendefektdichten in Bezug auf Aufwachsungsschichten aus III-Nitridhalbleitermaterial haben können, das über tafelbergförmigen Inseln 260' ausgebildet wird.
  • 14 ist eine vergrößerte Ansicht einer spitzenförmigen Insel 260 und einer tafelbergförmigen Insel 260', wie jene, die in 14 gezeigt sind. Bei der Ausbildung der Inseln durch Anlassen und Rekristallisieren der Keimbildungsschicht 250 (12) umfassen wenigstens einige der Inseln Defekte in ihrer Kristallstruktur. Es können sich beispielsweise Schraubenversetzungen 270 von der Berührungsfläche zwischen der Oberfläche 244 des Substrats 240 (2) und den Inseln 260, 260', durch eine Berührungsfläche zwischen den Inseln 260, 260' und dem darüberliegenden III-Nitridmaterial, das über den Inseln 260, 260' abgeschieden ist, und weiter in das darüberliegende III-Nitridmaterial erstrecken, wie es in 14 gezeigt ist. Wie es in 14 gezeigt ist, haben die Schraubenversetzungen 270, die die angewinkelten Facetten 262, 262' der Inseln 260, 260' schneiden, die Tendenz, sich in eine seitliche Richtung zu biegen oder zu krümmen und zu erstrecken, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche 244 des Substrats 240 (2) ist. Wenigstens einige dieser gebogenen oder gekrümmten Schraubenversetzungen haben eine Tendenz, sich wieder miteinander zu verbinden oder werden andernfalls beseitigt, so dass sie sich nicht nach oben in der vertikalen Richtung zu der freiliegenden Hauptoberfläche des darüberliegenden III-Nitridmaterials erstrecken. Schraubenversetzungen 270, die die Spitzen 264 der spitzenförmigen Inseln 260 oder die flachen, ebenen Oberflächen der tafelbergförmigen Inseln 260' schneiden, haben jedoch die Tendenz, sich vertikal nach oben zu der freiliegenden Hauptoberfläche des darüberliegenden III-Nitridmaterials zu erstrecken. Derartige Defekte sind unerwünscht und können aktive Vorrichtungen, die mit Hilfe des darüberliegenden III-Nitridmaterials ausgebildet sind, nachteilig beeinflussen.
  • Das Verhältnis der Fläche der flachen, ebenen Oberfläche 264' der tafelbergförmigen Insel 260' zu der Fläche der Berührungsfläche zwischen der tafelbergförmigen Insel 260' und der Oberfläche 244 des Substrats 240 (2) kann jedoch kleiner sein als das Verhältnis der Fläche der Spitze 264 der spitzenförmigen Insel 260 zu der Fläche der Berührungsfläche zwischen der spitzenförmigen Insel 250 und der Oberfläche 244 des Substrats (2). Somit kann ein Prozentsatz der Schraubenversetzungen 270 innerhalb der tafelbergförmigen Insel 260', die sich zu der flachen, ebenen Oberfläche 264' und somit zu der freiliegenden Hauptoberfläche des darüberliegenden III-Nitridmaterials erstrecken, größer sein als ein Prozentsatz der Schraubenversetzungen 270 innerhalb der spitzenförmigen Insel 260, die sich zu der Spitze 264 und weiter zu der freiliegenden Hauptoberfläche des darüberliegenden III-Nitridmaterials erstrecken. Da mit anderen Worten Schraubenversetzungen 270 innerhalb der spitzenförmigen Inseln 260 infolge der minimalen Fläche der Spitzen 264 mit höherer Wahrscheinlichkeit die angewinkelten Facetten 262 schneiden als die Spitzen 264 derselben, breiten sich Schraubenversetzungen 270 innerhalb der spitzenförmigen Inseln 260 mit geringerer Wahrscheinlichkeit nach oben zu der freiliegenden Hauptoberfläche des darüberliegenden III-Nitridmaterials aus, als dies Schraubenversetzungen 270 innerhalb der tafelbergförmigen Inseln 262' zun.
  • Infolgedessen können wenigstens bei einigen Ausführungsformen Verfahren der Erfindung das Auswählen und Zuschneiden der Parameter des HVPE-Abscheidungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 von 6 auszubilden, und der Parameter des Wärmebehandlungsvorgangs umfassen, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 anzulassen und wieder zu kristallisieren, um vorzugsweise spitzenförmige Inseln 260, wie es in 7 gezeigt ist, im Gegensatz zu tafelbergförmigen Inseln 260' auszubilden, wie etwa jenen, die in 13 und 14 gezeigt sind.
  • Die Anmelder haben untersucht, wie bestimmte Parameter des HVPE-Abscheidungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 aus 6 auszubilden, und die Parameter des Wärmebehandlungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht anzulassen und wieder zu kristallisieren, jeweils die Höhe, Dichte und Form der resultierenden Inseln des Keimbildungsmaterials beeinflussen. 15 ist ein Flussdiagramm, das die Ergebnisse der Untersuchungen darstellt.
  • Wie in 15 dargestellt, hat sich gezeigt, dass während des HVPE-Abscheidungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 aus 6 auszubilden (der in 15 als der ”Keimbildungs”-Vorgang bezeichnet wird), tafelbergförmige Inseln 260' eine Tendenz haben, sich bei Abscheidungstemperaturen von etwa 450°C zu bilden, während spitzenförmige Inseln 260 eine Tendenz haben, sich bei Abscheidungstemperaturen von etwa 570°C zu bilden. Somit kann gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung der HVPE-Abscheidungsvorgang, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 aus 6 auszubilden, bei Temperaturen zwischen wenigstens etwa 500°C und etwa 700°C, zwischen etwa 550°C und etwa 600°C oder sogar zwischen etwa 560°C und etwa 580°C (z. B. etwa 570°C) ausgeführt werden. Es hat sich zudem gezeigt, dass während des HVPE-Abscheidungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 aus 6 auszubilden, tafelbergförmige Inseln 260' eine Tendenz haben, sich bei Abscheidungs-(d. h. Keimbildungs-)Zeiten von etwa 54 sek zu bilden, während spitzenförmige Inseln 260 eine Tendenz haben, sich bei Abscheidungszeiten von etwa 18 sek zu bilden. Somit kann gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung der HVPE-Abscheidungsvorgang, der verwendet wird, um die Keimbildungsschicht 250 aus 6 auszubilden, über einen Zeitraum von weniger als etwa 45 sek ausgeführt werden und kann über einen Zeitraum zwischen etwa 5 sek und etwa 45 sek, zwischen etwa 10 sek und etwa 30 sek oder sogar zwischen etwa 15 sek und etwa 25 sek (z. B. etwa 18 sek) ausgeführt werden.
  • Wie es ebenfalls in 15 dargestellt ist, hat es sich gezeigt, dass während des Anlass- und Rekristallisationsvorgangs, der verwendet wird, um die Inseln 260 aus 7 aus der Keimbildungsschicht 250 aus 6 auszubilden (wobei dieser Vorgang in 15 als ”Anlass”-Vorgang bezeichnet wird), tafelbergförmige Inseln 260' eine Tendenz haben, sich bei Anlasstemperaturen von etwa 950°C zu bilden, während spitzenförmige Inseln 260 eine Tendenz haben, sich bei Anlasstemperaturen von etwa 1.050°C zu bilden. Somit kann gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung der Anlass- und Rekristallisierungsvorgang, der verwendet wird, um die Inseln 260 aus 7 auszubilden, bei einer Temperatur von wenigstens etwa 1.000°C ausgeführt werden und kann bei Temperaturen zwischen etwa 1.000°C und etwa 1.300°C, zwischen etwa 1.025°C und etwa 1.100°C oder sogar zwischen etwa 1.040°C und etwa 1.070°C (z. B. etwa 1.050°C) ausgeführt werden. Es hat sich zudem gezeigt, dass während des Anlass- und Rekristallisierungsvorgangs, der verwendet wird, um die Inseln 260 aus 7 auszubilden, tafelbergförmige Inseln 260' eine Tendenz haben, sich bei Anlasszeiträumen von etwa 1 min zu bilden, während spitzenförmige Inseln 260 eine Tendenz haben, sich bei Anlasszeiträumen von etwa 9 min zu bilden. Somit kann gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung der Anlass- und Rekristallisationsvorgang, der verwendet wird, um die Inseln 260 aus 7 auszubilden, über Zeiträume von mehr als etwa drei Minuten ausgeführt werden und wird über Zeiträume zwischen etwa 3 min und etwa 10 min, zwischen etwa 5 min und etwa 10 min oder sogar zwischen etwa 7 min und etwa 10 min (z. B. etwa 9 min) ausgeführt.
  • Die Auswirkungen jedes der Vorgangsparameter, die oben erläutert wurden, auf die Höhe des resultierenden Inseln 260 und die Dichte der resultierenden Inseln 260 ist auch in dem Diagramm von 15 gezeigt. Aus 15 wird ersichtlich, dass höhere Keimbildungstemperaturen und kürzere Keimbildungszeiten, die für die Ausbildung der spitzenförmigen Inseln 260 wünschenswert sind, dazu führen können, dass die Inseln 260 ein geringere durchschnittliche Höhe und relativ höhere Dichten haben, was zudem für verbesserte Eigenschaften der Keimbildungsvorlagenschicht bevorzugt werden kann, die schließlich aus den Inseln 260 ausgebildet wird, wie es im folgenden erläutert wird.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 7 sind Schraubendefekte 270 in den spitzenförmigen Inseln 260 des Metallnitrid-Keimbildungsmaterials dargestellt.
  • Nach der Ausbildung der spitzenförmigen Inseln 260, wie es oben beschrieben wurde, können die spitzenförmigen Inseln 260 anwachsen und sich vereinigen, um eine Metallnitrid-Keimbildungsvorlagenschicht 280 auszubilden, wie es in 8 gezeigt ist. Die Inseln 260 können mit Hilfe eines HVPE-Abscheidungsvorgangs in einem HPVE-System 100 anwachsen, wie es oben beschrieben ist. Die Inseln 260 können anwachsen, bis wenigstens die Basen der Inseln 260 ineinander übergegangen sind, so dass die Metallnitrid-Keimbildungsvorlagenschicht 280 wenigstens im wesentlichen kontinuierlich ist. Die Keimbildungsvorlagenschicht 280 kann Spitzen 282 umfassen, von denen jede einer der zuvor abgeschiedenen Inseln 260 aus 7 entsprechen kann. Die Metallnitrid-Keimbildungsvorlagenschicht 280 kann wenigstens im wesentlichen die Oberfläche 244 des Substrats 240 bedecken, so dass die Oberfläche 244 zwischen den Spitzen 282 der Keimbildungsvorlagenschicht 280 nicht freiliegt. Da im wesentlichen sämtliche der Inseln 260 wenigstens im wesentlichen mit der darunterliegenden Oberfläche 244 des Substrats 240 epitaxial ausgerichtet sein können, während die Inseln 260 anwachsen und ineinander übergehen, können die Kristallgitter jeder der Inseln 260 im wesentlichen miteinander übereinstimmen und zueinander ausgerichtet sein, so dass die Keimbildungsvorlagenschicht 280 im wesentlichen aus einem Einkristallmaterial besteht und relativ wenige Defekte an der Übergangsfläche zwischen sich vereinigenden Inseln 260 ausgebildet werden. Es wird davon ausgegangen, dass relativ weniger Defekte an der Übergangsfläche zwischen sich vereinigenden spitzenförmigen Inseln 260, wie jene, die in 6 gezeigt sind, im Verhältnis zu der Übergangsfläche zwischen sich vereinigenden tafelbergförmigen Inseln 260', wie jenen, die in 13 und 14 gezeigt sind, ausgebildet werden.
  • Darüber hinaus kann bei einigen Ausführungsformen die Metallnitrid-Keimbildungsvorlagenschicht 280 wenigstens hauptsächlich aus einem Wurtzitkeimbildungsmaterial bestehen.
  • Als nicht einschränkendes Beispiel können die Inseln 260 bei einem HVPE-Vorgang in einer Reaktionskammer 102 bei Temperaturen zwischen beispielsweise etwa 900°C und etwa 1.100°C (z. B. etwa 1.000°C) und bei Drücken zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) (z. B. etwa 200 Torr) anwachsen und sich vereinigen.
  • Nach dem Anwachsen der Inseln 260, um die Metallnitrid-Keimbildungsvorlagenschicht 280 auszubilden, die in 8 gezeigt ist, kann die Keimbildungsvorlagenschicht 280 wärmebehandelt werden, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 einem Anlassvorgang zu unterziehen, um die Eigenschaften des Kristallgitters der Keimbildungsvorlagenschicht 280 zu verbessern und die Anzahl von Defekten in der Keimbildungsvorlagenschicht 280 zu verringern.
  • Die Keimbildungsvorlagenschicht 280 kann dem Anlassvorgang in derselben Reaktionskammer 102, in der die vorherigen Bearbeitungsschritte, die oben erläutert wurden, ausgeführt wurden, nach der Ausbildung der Keimbildungsvorlagenschicht 280 als integraler Teil eines gesamten HVPE-Vorgangs unterzogen werden, der verwendet wird, um III-Nitridhalbleitermaterial auf dem Substrat 240 auszubilden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Anlassvorgang, dem die Keimbildungsvorlagenschicht 280 unterzogen wird, beinhalten, dass die Keimbildungsvorlagenschicht 280 einer Temperatur oder Temperaturen zwischen etwa 900°C und etwa 1.100°C (z. B. 1.000°C) und Drücken zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) (z. B. etwa 150 Torr) für eine Zeitdauer zwischen etwa fünf Minuten (5 min) und etwa 15 Minuten (15 min) (z. B. etwa 10 min) ausgesetzt wird. Darüber hinaus kann bewirkt werden, dass ein Gruppe-V-Präkursorgas, wie etwa Ammoniak (NH3), durch die Reaktionskammer 102 während des Anlassens der Keimbildungsvorlagenschicht 280 strömt (ohne dass ein Gruppe-III-Präkursorgas durch die Reaktionskammer 102 strömt).
  • Die Anmelder haben untersucht, wie bestimmte Parameter des HVPE-Abscheidungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 aus 8 aus den Inseln 260 von 7 auszubilden, und die Parameter des Wärmebehandlungsvorgangs, der verwendet wird, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 anzulassen, jeweils die Oberflächenrauhigkeit der freiliegenden Hauptoberfläche 284 der Keimbildungsvorlagenschicht 280, die Anzahl von Defekten in der Keimbildungsvorlagenschicht 280 und die resultierende durchschnittliche Dicke der Keimbildungsvorlagenschicht 280 beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in dem Diagramm von 16 gezeigt.
  • Wie in 16 dargestellt, hat es sich gezeigt, dass relativ höhere Wachstums- und Anlasstemperaturen während der Ausbildung der Keimbildungsvorlagenschicht 280 zu einer geringeren quadratischen (RMS) Rauhigkeit der Oberfläche der freiliegenden Hauptoberfläche 284 der Keimbildungsvorlagenschicht 280 führen. Somit kann gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung der HVPE-Abscheidungs- und Anlassvorgang, der verwendet wird, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 aus 8 auszubilden, bei einer Temperatur von wenigstens 950°C ausgeführt werden und kann bei Temperaturen zwischen etwa 950°C und etwa 1.100°C, zwischen etwa 975°C und etwa 1.050°C oder sogar zwischen etwa 985°C und etwa 1.015°C (z. B. etwa 1.000°C) ausgeführt werden. Es hat sich gezeigt, dass relativ größere Ströme eines Gruppe-V-Präkursorgases (z. B. Ammoniak (NH3)) durch die Reaktionskammer 102 während der Ausbildung der Keimbildungsvorlagenschicht 280 zu einer geringeren RMS-Rauhigkeit der Oberfläche der freiliegenden Hauptoberfläche 284 der Keimbildungsvorlagenschicht 280 führt. Somit kann gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung der HVPE-Abscheidungs- und Anlassvorgang, der verwendet wird, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 von 8 auszubilden, ausgeführt werden, während ein Gruppe-V-Präkursorgas (z. B. Ammoniak (NH3)) durch die Reaktionskammer 102 mit Strömungsraten von etwa wenigstens 10 slm strömt. Die Strömungsrate des Gruppe-V-Präkursorgases kann beispielsweise zwischen etwa 10 slm und etwa 30 slm, zwischen etwa 15 slm und etwa 25 slm oder sogar zwischen etwa 18 slm und etwa 22 slm (z. B. bei etwa 20 slm) liegen. Zudem kann die RMS-Rauhigkeit der Oberfläche der freiliegenden Hauptoberfläche 284 der Keimbildungsvorlagenschicht 280 etwa 5,0 nm oder weniger oder sogar unter etwa 2,0 nm oder weniger in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Erfindung betragen.
  • Die Röntgenstrahlbeugung (XRD) wurde an der Keimbildungsvorlagenschicht 280 unterschiedlicher Proben ausgeführt, die wie hier beschrieben hergestellt worden waren. Insbesondere wurden die (105)-Reflexionen gemessen und wurden die Halbwertsbreiten-(FWHM-)Werte der resultierenden Spitzen gemessen. Geringere FWHM-Werte kennzeichnen engere Spitzen und somit weniger Änderung bei dem entsprechenden Gitterparameter in dem Kristallgitter, der Ursache für Reflexionen ist, wodurch weniger Defekte in dem Kristallgitter gekennzeichnet sind. Wie in 16 dargestellt, hat sich gezeigt, dass höhere Temperaturen und niedrigere Drücke während der HVPE-Abscheidungs- und Anlassvorgänge, die verwendet werden, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 aus 8 auszubilden, zu geringeren FWHM-Werten und somit zu einer verbesserten Kristallinität und/oder weniger Defekten in dem Kristallgitter der Keimbildungsvorlagenschicht 280 führen können. Somit können zusätzlich zu den Temperaturbereichen, die oben angeführt sind, die HVPE-Abscheidungs- und Anlassvorgänge, die verwendet werden, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 aus 8 auszubilden, bei Drücken von etwa 235 Torr oder weniger ausgeführt werden und werden bei Drücken zwischen etwa 50 Torr und etwa 235 Torr, zwischen etwa 120 Torr und etwa 170 Torr oder sogar zwischen etwa 140 Torr und etwa 160 Torr (z. B. bei etwa 150 Torr) ausgeführt. Unter weiterer Bezugnahme auf die XRD-Daten in 16 hat sich gezeigt, dass relativ geringere Ströme von Wasserstoffspülgas (H2) durch die Reaktionskammer 102 während der Ausbildung der Keimbildungsvorlagenschicht 280 zu einer verbesserten Kristallinität und/oder weiniger Defekten in dem Kristallgitter der Keimbildungsvorlagenschicht 280 führen können. Somit können gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung die HVPE-Abscheidungs- und Anlassvorgänge, die verwendet werden, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 aus 8 auszubilden, ausgeführt werden, während Wasserstoffspülgas (H2) durch die Reaktionskammer 102 mit Strömungsraten von etwa 15 slm oder weniger strömt. Die Strömungsrate des Wasserstoffspülgases kann beispielsweise zwischen etwa 2 slm und etwa 15 slm, zwischen etwa 4 slm und etwa 12 slm oder sogar zwischen etwa 6 slm und etwa 10 slm (z. B. bei etwa 8 slm) liegen.
  • Unter fortgeführter Bezugnahme auf 16 hat sich weiterhin gezeigt, dass die relativ geringeren Strömungsraten des Wasserstoffspülgases (H2) und die relativ geringeren Drücke, die oben erwähnt sind, von denen angenommen wird, das sie zu einer verbesserten Kristallinität und/oder weniger Defekten in dem Kristallgitter der Keimbildungsvorlagenschicht 280 führen, zudem zu einer erhöhten durchschnittlichen Gesamtdicke der resultierenden Keimbildungsvorlagenschicht 280 führen. Es wird davon ausgegangen, dass dies wenigstens teilweise auf das verminderte Ätzen der Keimbildungsvorlagenschicht 280 durch verringerte Konzentration von Wasserstoffradikalen in der Reaktionskammer 102 zurückzuführen ist, wobei weniger Gasphasenreaktionen in der Reaktionskammer 102 infolge der geringeren Drücke auftreten.
  • 17 ist ein Graph, der schematisch ein nicht einschränkendes Beispiel eines HVPE-Abscheidungsvorgangs zeigt, der verwendet werden kann, um eine Keimbildungsschicht 250 abzuscheiden, wie sie in 6 gezeigt ist, um die Keimbildungsschicht 250 zu kristallisieren und so Inseln 260 aus Keimbildungsmaterial, wie in 7 gezeigt, auszubilden und die Inseln anwachsen und sich vereinigen zu lassen, um eine Keimbildungsvorlagenschicht 280, wie sie in 8 gezeigt ist, mit Hilfe des Abscheidungssystems 100 aus 1A und 1B auszubilden. Der Abscheidungsvorgang, der in 17 gezeigt ist, dient als Beispiel, wobei andere HVPE-Abscheidungsvorgänge und -systeme ebenfalls zum Einsatz kommen können, um Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung auszuführen. Unter Bezugnahme auf 17 ist der beispielhafte Abscheidungsvorgang durch Auftragen der Temperatur T in der Reaktionskammer 102 als eine Funktion der Zeit t dargestellt. Wie der Graph zeigt, umfasst der Abscheidungsvorgang dreizehn (10) Phasen, die nacheinander mit S1 bis S13 gekennzeichnet sind. Nicht einschränkende beispielhafte Vorgangsparameter des Abscheidungsvorgangs im Verlauf der dreizehn Phasen S1 bis S13 sind in Tabelle 1 untern aufgeführt.
    TABELLE 1
    Phase Beschreibung Temp. Zeitdauer Druck Gruppe-III-Quelle Gruppe-V-Quelle Spülgas
    S1 Stabilisierung 400°C 30 sek 200 Torr - - N2 15 slm H2 2 slm
    S2 Steigung - 4,5 min 200 Torr - - N2 5 slm H2 22 slm
    S3 Backen 1.100°C 10 min 200 Torr - - N2 5 slm H2 22 slm
    S4 Steigung - 4 min 200 Torr - - N2 5 slm H2 22 slm
    S5 Stabilisierung 570°C 3 min 200 Torr - - N2 5 slm H2 18 slm
    S6 Keimbildung 570°C 60 sek 200 Torr N2 2,5 slm H2 0,8 slm GaCl3 51 sccm NH3 2 slm N2 6 slm H2 18 slm
    S7 Steigung - 3,5 min 200 Torr - NH3 6 slm N2 2 slm H2 21 slm
    S8 Kristallisation 1.050°C 3,5 min 200 Torr - NH3 6 slm N2 2 slm H2 21 slm
    S9 Steigung - - 200 Torr - - -
    S10 Vereinigung 1.000°C 23 min 150 Torr N2 2,5 slm H2 0,8 slm GaCl3 51 sccm NH3 20 slm N2 12 slm H2 4 slm
    S11 Anlassen 1.000°C 10 min 150 Torr - NH3 20 slm N2 12 slm H2 4 slm
    S12 Steigung - 4,5 min 500 Torr - NH3 12 slm N2 2 slm H2 21 slm
    S13 Stabilisierung 400°C 2 min 500 Torr - NH3 12 slm N2 2 slm H2 21 slm
  • Wie in 17 und Tabelle 1 gezeigt, ist Phase S1 eine Stabilisierungsphase, während der die Werkstücksubstrate 106 erwärmt und bei einer Temperatur T1 von 400°C und einem Druck von 200 Torr stabilisiert werden, während ein Spülgas durch die Reaktionskammer 102 strömt. Das Spülgas enthält N2 mit einer Strömungsrate von 15 Standard-Litern pro Minute (slm) und H2 mit einer Strömungsrate vom 2 slm.
  • Die Steigungsphase S2 beginnt zum Zeitpunkt t2 und erstreckt sich über eine Dauer von 4,5 min. Während der Steigungsphase S2 wird die Reaktionskammer 102 stetig und kontinuierlich mit einer im wesentlichen konstanten Steigungsrate von Temperatur T1 auf eine Temperatur T2 von 1.100°C erwärmt. Der Druck innerhalb der Reaktionskammer 102 wird auf 200 Torr während der Steigungsphase S2 gehalten. Während der Steigungsphase S2 durchläuft ein Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 5 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 22 slm enthält, die Reaktionskammer 102.
  • Die Backphase S3 beginnt zum Zeitpunkt t2 und erstreckt sich über eine Dauer von 10 min. Die Backphase wird verwendet, um die obere Wachstumsfläche der Wachstumssubstrate vor der Abscheidung auf diesen zu reinigen und zu reparieren. Während der Backphase S3 wird die Reaktionskammer 102 auf der Temperatur T2 von 1.100°C und dem Druck von 200 Torr gehalten. Während der Backphase S3 durchläuft ein Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 5 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 22 slm enthält, die Reaktionskammer 102.
  • Die Steigungsphase S4 beginnt zum Zeitpunkt t3 und erstreckt sich über eine Dauer von 4 min. Während der Steigungsphase S4 wird die Reaktionskammer 102 stetig und kontinuierlich mit einer im wesentlichen konstanten Steigungsrate von Temperatur T2 auf eine Temperatur T3 von 570°C gekühlt. Der Druck innerhalb der Reaktionskammer 102 wird während der Steigungsphase S4 auf 200 Torr gehalten. Während der Steigungsphase S4 durchläuft ein Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 5 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 22 slm enthält, die Reaktionskammer 102.
  • Die Stabilisierungsphase S5 beginnt zum Zeitpunkt t4 und erstreckt sich über eine Dauer von 3 min. Die Temperatur in der Reaktionskammer wird auf 570°C und der Druck in der Reaktionskammer 102 auf 200 Torr gehalten, wobei ein Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 5 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 18 slm enthält, die Reaktionskammer 102 während der Stabilisierungsphase S5 durchläuft.
  • Die Keimbildungsphase S6 beginnt zum Zeitpunkt t5 und erstreckt sich über eine Dauer von 60 sek. Die Keimbildungsphase S6 wird verwendet, um die Keimbildungsschicht 250 auf dem Wachstumssubstrat 240 abzuscheiden, wie es zuvor unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben wurde. Während der Keimbildungsphase S6 wird die Temperatur in der Reaktionskammer 102 auf 570°C und der Druck in der Reaktionskammer 102 auf 200 Torr gehalten. Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 6 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 18 slm enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 während der Keimbildungsphase S6. Gruppe-V-Ursprungsgas, das NH3 enthält, strömt durch die Reaktionskammer 102 mit einer Strömungsrate von 2 slm, und Gruppe-III-Präkursorgas, das GaCl3 enthält, strömt in die Reaktionskammer mit einer Strömungsrate von 51 Standard-cm3/min (sccm).
  • Die Steigungsphase S7 beginnt zum Zeitpunkt t6 und erstreckt sich über eine Dauer von 4 min. Während der Steigungsphase S7 wird die Reaktionskammer 102 stetig und kontinuierlich mit einer im wesentlichen konstanten Steigungsrate von Temperatur T3 auf eine Temperatur T4 von 1.050°C erwärmt. Der Druck innerhalb der Reaktionskammer 102 wird auf 200 Torr während der Steigungsphase S7 gehalten. Während der Steigungsphase S7 durchläuft ein Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 2 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 21 slm enthält, die Reaktionskammer 102. Ein Gruppe-V-Ursprungsgas, das NH3 enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 mit einer Strömungsrate von 6 slm während der Steigungsphase S7.
  • Die Kristallisationsphase S8 beginnt zum Zeitpunkt t7 und erstreckt sich über eine Dauer von 3,5 min. Die Kristallisationsphase S8 wird dazu verwendet, die Keimbildungsschicht 250 auf dem Wachstumssubstrat 240 anzulassen und zu kristallisieren und die Inseln 260 des Keimbildungsmaterials auszubilden, wie es zuvor unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben wurde. Während der Kristallisationsphase S8 wird die Temperatur in der Reaktionskammer 102 auf 1.050°C gehalten und der Druck in der Reaktionskammer 102 auf 200 Torr gehalten. Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 2 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 21 slm enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 während der Keimbildungsphase S6. Gruppe-V-Ursprungsgas, das NH3 enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 mit einer Strömungsrate von 6 slm während der Kristallisationsphase S8.
  • Die Steigungsphase S9 beginnt zum Zeitpunkt t8 und erstreckt sich über eine Dauer von 20 sek. Während der Steigungsphase S9, wird die Reaktionskammer 102 stetig und kontinuierlich mit einer im wesentlichen konstanten Steigungsrate von Temperatur T4 auf eine Temperatur T5 von 1.000°C gekühlt. Der Druck innerhalb der Reaktionskammer 102 wird von 200 Torr auf 150 Torr während der Steigungsphase S9 verringert. Während der Steigungsphase S9 durchläuft ein Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 2 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 21 slm enthält, die Reaktionskammer 102. Ein Gruppe-V-Ursprungsgas, das NH3 enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 mit einer Strömungsrate von 6 slm während der Steigungsphase S7.
  • Die Vereinigungsphase S10 beginnt zum Zeitpunkt t9 und erstreckt sich über eine Dauer von 10 min. Die Vereinigungsphase S10 wird verwendet, um die Inseln 260 des Keimbildungsmaterials anwachsen und sich vereinigen zu lassen, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 auszubilden, wie es zuvor unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben wurde. Während der Vereinigungsphase S10 wird die Temperatur in der Reaktionskammer 102 auf 1.000°C gehalten und der Druck in der Reaktionskammer 102 auf 150 Torr gehalten. Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 12 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 4 slm umfasst, durchläuft die Reaktionskammer 102 während der Anlassphase S10. Gruppe-V-Ursprungsgas, das NH3 enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 mit einer Strömungsrate von 20 slm und Gruppe-III-Präkursorgas, das GaCl3 enthält, wird in die Reaktionskammer mit einer Strömungsrate von 51 Standard-cm3/min (sccm) eingeleitet.
  • Die Anlassphase S11 beginnt zum Zeitpunkt t10 und erstreckt sich über eine Dauer von 10 min. Die Anlassphase S11 wird verwendet, um die Keimbildungsvorlagenschicht 280 anzulassen, wie es zuvor unter Bezugnahme auf 8 beschrieben wurde. Während der Anlassphase S11 wird die Temperatur in der Reaktionskammer 102 auf 1.000°C gehalten und der Druck in der Reaktionskammer 102 auf 150 Torr gehalten. Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 12 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 4 slm enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 während der Anlassphase S11. Gruppe-V-Ursprungsgas, das NH3 enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 mit einer Strömungsrate von 20 slm während der Anlassphase S11.
  • Die Steigungsphase S12 beginnt zum Zeitpunkt t11 und erstreckt sich über eine Dauer von 4,5 min. Während der Steigungsphase S12 wird die Reaktionskammer 102 stetig und kontinuierlich mit einer im wesentlichen konstanten Steigungsrate von Temperatur T5 auf eine Temperatur T6 von 400°C gekühlt. Der Druck in der Reaktionskammer 102 wird auf 500 Torr während der Steigungsphase S12 gehalten. Während der Steigungsphase S12 durchläuft ein Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 2 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 21 slm enthält, die Reaktionskammer 102. Gruppe-V-Ursprungsgas, das NH3 enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 mit einer Strömungsrate von 12 slm während der Steigungsphase S12.
  • Die Stabilisierungsphase S13 beginnt zum Zeitpunkt t12 und erstreckt sich über eine Dauer von 2 min. Die Temperatur in der Reaktionskammer wird auf 400°C gehalten, und der Druck in der Reaktionskammer 102 wird auf 500 Torr gehalten, wobei ein Spülgas, das N2 mit einer Strömungsrate von 2 slm und H2 mit einer Strömungsrate von 21 slm enthält, die Reaktionskammer 102 während der Stabilisierungsphase S5 durchläuft. Gruppe-V-Ursprungsgas, das NH3 enthält, durchläuft die Reaktionskammer 102 mit einer Strömungsrate von 12 slm während der Stabilisierungsphase S13.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 8 wird die Keimbildungsvorlagenschicht 280 verwendet, um die Abscheidung von III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial auf dem Substrat 240 bis zu einer gewünschten durchschnittlichen Gesamtdicke zu ermöglichen, während Defektdichten in dem abgeschiedenen III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial auf gewünschten Konzentrationen gehalten werden. Infolge der Unterschiede zwischen den Kristallgitterstrukturen des Materials 242 des Substrats 240 und dem III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial, das auf dem Substrat 240 abgeschieden werden soll (wobei diese Unterschiede gemäß Stand der Technik häufig als ”Kristallgitter-Fehlanpassung” bezeichnet werden), kann die Kristallstruktur des III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials relativ höhere, unerwünschte Konzentrationen von Defekten, wie etwa Versetzungen, umfassen, sofern das III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial direkt auf der freiliegenden Hauptoberfläche 244 des Substrats 240 abzuscheiden wäre. Daher ist eine Keimbildungsvorlagenschicht 280 zwischen dem Substrat 240 und dem III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial in der Absicht vorgesehen, die Auswirkungen der Kristallgitter-Fehlanpassung zwischen dem Substrat 240 und dem darüberliegenden III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial einzudämmen. Mit anderen Worten kann die Keimbildungsvorlagenschicht 280 verwendet werden, um die Kristallgitter-Fehlanpassung zwischen dem Substrat 240 und dem darüber abzuscheidenden III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial zu puffern, wobei derartige Keimbildungsvorlagenschichten 280 auch als ”Puffer”-Schichten bezeichnet werden. Zudem kann die Keimbildungsvorlagenschicht 280 auch als Impfschicht verwendet werden, um den Keim für das Wachstum des III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials darauf zu bilden, wobei derartige Keimbildungsvorlagenschichten 280 gemäß Stand der Technik auch als ”Impf”-Schichten bezeichnet werden.
  • Nach dem Abscheiden einer Keimbildungsschicht 250, dem Kristallisieren der Keimbildungsschicht 250, um Inseln 260 aus Keimbildungsmaterial auszubilden, und dem Anwachsen und Vereinigen der Inseln 260, um eine kristalline Keimbildungsvorlagenschicht 280 auszubilden, wie es hier zuvor unter Bezugnahme auf 5 bis 8 beschrieben wurde, kann wenigstens eine Aufwachsungsschicht aus einem III-Nitridhalbleitermaterial auf der kristallinen Keimbildungsvorlagenschicht 280 zum Anwachsen gebracht werden, wie es im folgenden unter Bezugnahme aus 9 und 10 beschrieben ist.
  • Unter Bezugnahme auf 9 kann nach dem Ausbilden der Keimbildungsvorlagenschicht 280 einer erste Aufwachsungsschicht von III-Nitridhalbleitermaterial 290 auf und über der freiliegenden Hauptoberfläche 284 der Keimbildungsvorlagenschicht 280 mit Hilfe eines HVPE-Vorgangs durch Keimbildung erzeugt und abgeschieden werden. Wenngleich eine deutliche Grenze zwischen der Keimbildungsvorlagenschicht 280 und der ersten Aufwachsungsschicht aus III-Nitridhalbleitermaterial 290 in der vereinfachten Zeichnung in 9 sichtbar ist, wird darauf hingewiesen, dass die Keimbildungsvorlagenschicht 280 und die Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 bei einigen Ausführungsformen wenigstens im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung haben können und es schwierig oder unmöglich sein kann, eine deutliche Grenze zwischen der Keimbildungsvorlagenschicht 280 und der Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 sichtbar zu machen oder anderweitig zu kennzeichnen.
  • Die erste Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 kann eine seitliche Wachstumsschicht umfassen. Mit anderen Worten kann der HVPE-Abscheidungsvorgang, der verwendet wird, um die Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 anwachsen zu lassen, derart zugeschnitten sein, dass er ein schnelleres Wachstum in seitlichen Richtungen (d. h. parallel zu der Wachstumsfläche 244 des Substrats 240) bewirkt als ein Wachstum in der vertikalen Richtung (d. h. senkrecht zu die Wachstumsfläche 244 des Substrats 240). Ein derartiges seitlichen Anwachsen kann dadurch eingerichtet werden, dass die Wachstumsbedingungen so gewählt werden, dass ein Hinzufügen von Material zu den angewinkelten Facetten 262 der Spitzen 282, die in einem spitzen Winkel zu der Oberseite 244 des Wachstumssubstrats 240 ausgerichtet sind, im Gegensatz zu beliebigen Oberflächen bevorzugt wird, die parallel zu der Oberseite 244 ausgerichtet sind. Das seitliche Wachstum der Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 kann von den angewinkelten Facetten 262 der Spitzen der Keimbildungsvorlagenschicht 280 fortschreiten, bis sich das anwachsende III-Nitridhalbleitermaterial vereinigt, um die erste Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 auszubilden, die in 9 gezeigt ist. Wie in 9 gezeigt, kann die erste Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 eine im wesentlichen ebene Oberseite 292 haben.
  • Im allgemeinen können die relativen Raten des seitlichen Wachstums und des vertikalen Wachstums des III-Nitridhalbleitermaterials durch die Wachstumstemperatur, das Verhältnis des Gruppe-V-Präkursors zu dem Gruppe-III-Präkursor in den Vorgangsgasen, die Zusammensetzung der Trägergassubstanzen und den Druck innerhalb der Reaktionskammer beeinflusst werden. Das seitliche Wachstum kann beispielsweise durch erhöhte Abscheidungstemperaturen und/oder ein erhöhtes Verhältnis von Gruppe-V- zu Gruppe-III-Präkursoren und/oder ein erhöhtes Verhältnis von N2 zu H2 und/oder verringerte Abscheidungsdrücke von beispielsweise etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) oder weniger verbessert werden.
  • Das seitliche Wachstum des III-Nitridhalbleitermaterials von den angewinkelten Facetten 262 kann bewirken, dass sich eine Schraubenversetzung 270 innerhalb des III-Nitridmaterials, die ihren Ursprung in der Keimbildungsvorlagenschicht 280 hat, in der seitlichen Richtung biegt oder krümmt. Wie es zuvor erwähnt wurde, können sich, wenn sich eine oder mehrere Schraubenversetzungen 270 treffen, wenn sich das III-Nitridmaterial zwischen den Spitzen 282 der Keimbildungsvorlagenschicht 280 vereinigt, diese Schraubenversetzungen 270 vereinigen und einander aufheben, was zu einer Verminderung der Konzentration von Schraubenversetzungen 270 innerhalb der ersten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 führt. Einige Schraubenversetzungen 270 sind in 9 dargestellt und haben sich miteinander vereinigt oder einander aufgehoben, so dass sie sich nicht zu der freiliegenden Hauptoberfläche 292 der ersten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 ausbreiten. Somit kann gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung die Schraubenversetzungsdichte an der freiliegenden Hauptoberfläche 292 der ersten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 geringer als etwa 5 × 109 cm–2, geringer als etwa 5 × 108 cm–2 oder sogar geringer als etwa 1 × 107 cm–2 sein.
  • Unter Bezugnahme auf 10 können nach dem Ausbilden der ersten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 (wie in 9 gezeigt) die HVPE-Wachstumsbedingungen in der Reaktionskammer 102 geändert werden, um ein Wachstum in der vertikalen Richtung zu unterstützen, wobei eine zweite Aufwachsungsschicht von III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial 296 auf der ersten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 durch Wachstum erzeugt werden kann. Wenngleich eine diskrete Grenze zwischen der ersten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 und der zweiten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials 296 in der vereinfachten Zeichnung von 10 sichtbar ist, wird darauf hingewiesen, dass diese Materialschichten bei einigen Ausführungsformen wenigstens im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung haben können und es schwierig oder unmöglich sein kann, jegliche diskrete Grenze zwischen diesen sichtbar zu machen oder anderweitig zu erkennen. Wie es in 10 gezeigt ist, können sich Schraubenversetzungen an der Oberfläche 292 der ersten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290 in der vertikalen Richtung zu der freiliegenden Hauptoberfläche 298 der zweiten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials 296 ausbreiten.
  • Als nicht einschränkendes Beispiel kann die zweite Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials 296 bis zu einer durchschnittlichen Gesamtdicke T2 von wenigstens etwa fünf Mikrometern (5 μm), wenigstens etwa sieben Mikrometern (7 μm), wenigstens etwa zwanzig Mikrometern (20 μm) oder sogar wenigstens etwa dreißig Mikrometern (30 μm) abgeschieden werden. Die Gegenwart der Keimbildungsvorlagenschicht 280 und der ersten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleitermaterials 290, das gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird, kann es ermöglichen, die zweite Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials 296 zu einer derartigen durchschnittlichen Gesamtdicke T2 abzuscheiden, während Versetzungsdichten in der zweiten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials 296 an der freiliegenden Hauptoberfläche 298 desselben unter etwa 5 × 109 cm–2, unter etwa 5 × 108 cm–2 oder sogar unter 1 × 107 cm–2 gehalten werden. Weiterhin können es Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen, die zweite Aufwachsungsschicht aus III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial 296, wie es hier beschrieben wurde, im wesentlichen ohne strukturelle Risse und ohne abgelöste Bereiche in der zweiten Aufwachsungsschicht des III-Nitridhalbleiter-Grundmaterials 296 herzustellen.
  • Wie es hier erläutert wurde, können wenigstens einige Ausführungsformen der Erfindung die Herstellung von III-Nitridhalbleitermaterialien (z. B. GaN) direkt auf nicht nativen Substraten, wie etwa Saphir, mit größeren Dicken und geringeren Defektdichten im Gegensatz zu bekannten Verfahren ermöglichen.
  • Zusätzliche, nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden beschrieben.
  • Ausführungsform 1: Verfahren zum Abscheiden eines III-Nitridhalbleitermaterials auf einem Substrat unter Verwendung eines Metalltrichlorid-Präkursors und/oder eines Metalltetrachlorid-Präkursors, umfassend: Abscheiden einer Schicht aus III-Nitridhalbleitermaterial auf einer Oberfläche eines Substrats in einer Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase, um eine Keimbildungsschicht auszubilden, die eine Nanostruktur hat, die wenigstens einige Wurtzitkristallite und etwas amorphes III-Nitridhalbleitermaterial umfasst; Anlassen der Keimbildungsschicht, um kristalline Inseln aus wenigstens hauptsächlich Wurtzitkeimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats auszubilden; Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln aus wenigstens hauptsächlich Wurtzitkeimbildungsmaterial in einer Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase, um eine Keimbildungsvorlagenschicht des wenigstens hauptsächlichen Wurtzitkeimbildungsmaterials auszubilden, das wenigstens im wesentlichen die Oberfläche des Substrats bedeckt; und Abscheiden eines zusätzlichen III-Nitridhalbleitermaterials auf der Keimbildungsvorlagenschicht des wenigstens hauptsächlichen Wurtzitkeimbildungsmaterials in einer zusätzlichen HVPE-Vorgangsphase.
  • Ausführungsform 2: Verfahren nach Ausführungsform 1, weiterhin umfassend das Ausbilden der kristallinen Inseln aus epitaxialem Keimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats derart, dass sie eine Spitzenform haben.
  • Ausführungsform 3: Verfahren nach Ausführungsform 1 oder 2, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht, um kristalline Inseln aus epitaxialem Keimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats auszubilden, das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 900°C und etwa 1.300°C umfasst.
  • Ausführungsform 4: Verfahren nach Ausführungsform 3, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 900°C und etwa 1.300°C das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 1.025°C und etwa 1.100°C umfasst.
  • Ausführungsform 5: Verfahren nach Ausführungsform 4, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 1.025°C und etwa 1.100°C das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 1.040°C und etwa 1.070°C umfasst.
  • Ausführungsform 6: Verfahren nach Ausführungsform 5, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 1.040°C und etwa 1.070°C das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur von etwa 1.050°C umfasst.
  • Ausführungsform 7: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 6, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht, um kristalline Inseln aus epitaxialem Keimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats auszubilden, das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einem Druck zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) umfasst.
  • Ausführungsform 8: Verfahren nach Ausführungsform 7, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einem Druck zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einem Druck von etwa 200 Torr umfasst.
  • Ausführungsform 9: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 7, weiterhin umfassend das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 400°C und etwa 700°C.
  • Ausführungsform 10: Verfahren nach Ausführungsform 9, bei dem das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 400°C und etwa 700°C das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur von etwa 570°C umfasst.
  • Ausführungsform 11: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 10, weiterhin umfassend das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre).
  • Ausführungsform 12: Verfahren nach Ausführungsform 11, bei dem das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck von etwa 200 Torr umfasst.
  • Ausführungsform 13: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 12, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 900°C und etwa 1.100°C.
  • Ausführungsform 14: Verfahren nach Ausführungsform 13, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 975°C und etwa 1.050°C.
  • Ausführungsform 15: Verfahren nach Ausführungsform 14, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 985°C und etwa 1.015°C.
  • Ausführungsform 16: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 15, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck zwischen etwa 100 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre).
  • Ausführungsform 17: Verfahren nach Ausführungsform 16, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck von etwa 200 Torr.
  • Ausführungsform 18: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17, weiterhin umfassend das Anlassen der Keimbildungsvorlagenschicht des epitaxialen Keimbildungsmaterials nach dem Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials.
  • Ausführungsform 19: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 18, weiterhin umfassend das Wählen des III-Nitridhalbleitermaterials derart, dass es Galliumnitrid enthält.
  • Ausführungsform 20: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 19, weiterhin umfassend das Wählen des Substrats derart, dass es Saphir enthält.
  • Ausführungsform 21: Struktur, umfassend eine Keimbildungsvorlagenschicht aus einem III-Nitridkeimbildungsmaterial, ausgebildet gemäß einem Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 20.
  • Ausführungsform 22: Struktur nach Ausführungsform 21, weiterhin umfassend ein III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial auf der Keimbildungsvorlagenschicht des III-Nitridhalbleitermaterials.
  • Ausführungsform 23: Struktur nach Ausführungsform 22, bei der das III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial im wesentlichen frei von strukturellen Rissen ist.
  • Ausführungsform 24: Struktur nach Ausführungsform 22 oder 23, bei der das III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial im wesentlichen frei von abgelösten Bereichen ist.
  • Ausführungsform 25: Zwischenstruktur, die durch ein Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 20 ausgebildet ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (24)

  1. Verfahren zum Abscheiden eines III-Nitridhalbleitermaterials auf einem Substrat unter Verwendung eines Metalltrichlorid-Präkursors und/oder eines Metalltetrachlorid-Präkursors, umfassend: Abscheiden einer Schicht aus III-Nitridhalbleitermaterial auf einer Oberfläche eines Substrats unter Verwendung eines Metalltrichlorid-Präkursors und/oder eines Metalltetrachlorid-Präkursors in einer Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase, um eine Keimbildungsschicht auszubilden, die eine Nanostruktur hat, die wenigstens einige Wurtzitkristallite und etwas amorphes III-Nitridhalbleitermaterial umfasst; Anlassen der Keimbildungsschicht, um kristalline Inseln aus wenigstens hauptsächlich Wurtzitkeimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats auszubilden; Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln aus wenigstens hauptsächlich Wurtzitkeimbildungsmaterial in einer Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase, um eine Keimbildungsvorlagenschicht des wenigstens hauptsächlichen Wurtzitkeimbildungsmaterials auszubilden, das wenigstens im wesentlichen die Oberfläche des Substrats bedeckt; und Abscheiden eines zusätzlichen III-Nitridhalbleitermaterials auf der Keimbildungsvorlagenschicht des wenigstens hauptsächlichen Wurtzitkeimbildungsmaterials in einer zusätzlichen HVPE-Vorgangsphase.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Ausbilden der kristallinen Inseln aus epitaxialem Keimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrates derart, dass sie eine Spitzenform haben.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht, um kristalline Inseln aus epitaxialem Keimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats auszubilden, das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 900°C und etwa 1.300°C umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 900°C und etwa 1.300°C das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 1.025°C und etwa 1.100°C umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 1.025°C und etwa 1.100°C das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 1.040°C und etwa 1.070°C umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur zwischen etwa 1.040°C und etwa 1.070°C das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einer Temperatur von etwa 1.050°C umfasst.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht, um kristalline Inseln aus epitaxialem Keimbildungsmaterial auf der Oberfläche des Substrats auszubilden, das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einem Druck zwischen etwa 100 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einem Druck zwischen etwa 100 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) das Anlassen der Keimbildungsschicht bei einem Druck von etwa 200 Torr umfasst.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 400°C und etwa 700°C.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 400°C und etwa 700°C das Abscheidender Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur von etwa 570°C umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin umfassend das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck zwischen etwa 50 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre) das Abscheiden der Schicht des III-Nitridhalbleitermaterials auf der Oberfläche des Substrats in der Keimbildungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck von etwa 200 Torr umfasst.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 900°C und etwa 1.100°C.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 975°C und etwa 1.050°C.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einer Temperatur zwischen etwa 985°C und etwa 1.015°C.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck zwischen etwa 100 Torr und etwa 760 Torr (1 Atmosphäre).
  17. Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend das Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials in der Vereinigungs-HVPE-Vorgangsphase bei einem Druck von etwa 200 Torr.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, weiterhin umfassend das Anlassen der Keimbildungsvorlagenschicht des epitaxialen Keimbildungsmaterials nach dem Anwachsenlassen und Vereinigen der Inseln des epitaxialen Keimbildungsmaterials.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, weiterhin umfassend das Wählen des III-Nitridhalbleitermaterials derart, dass es Galliumnitrid enthält.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, weiterhin umfassend das Wählen des Substrats derart, dass es Saphir enthält.
  21. Struktur, umfassend eine Keimbildungsvorlagenschicht aus einem III-Nitridkeimbildungsmaterial, ausgebildet gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
  22. Struktur nach Anspruch 21, weiterhin umfassend ein III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial über der Keimbildungsvorlagenschicht des III-Nitridhalbleitermaterials.
  23. Struktur nach Anspruch 22, bei der das III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial im wesentlichen frei von strukturellen Rissen ist.
  24. Struktur nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, bei der das III-Nitridhalbleiter-Grundmaterial im wesentlichen frei von abgelösten Bereichen ist. 25 Zwischenstruktur, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgebildet ist.
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