產(chǎn)生二元半導(dǎo)體材料磊晶層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明有關(guān)微電子學(xué)領(lǐng)域，可通過金屬-有機化合物及氫化物之化學(xué)氣相沉積產(chǎn)生II1-V化合物半導(dǎo)體材料及I1-VI化合物半導(dǎo)體材料的磊晶結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]產(chǎn)生II1-V磊晶結(jié)構(gòu)的方法(以下稱為M0CVD)為Manasevit所提出(參見ManasevitΗ.M.Single-Crystal Gallium Arsenide on Insulating Substrates Appl.Phys.Lett.12，156 (1968))。該方法在于第III族元素之金屬-有機化合物(MOC)，即三甲基鎵，與第V族元素之氫化物(胂)通過氫流傳送至裝有熱表面的反應(yīng)器內(nèi)，所述熱表面上布置有單晶基材，而砷化鎵磊晶層是生長于所述熱表面上。
[0003]稍后，M0C與氫化物之間的反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)不僅發(fā)生于熱表面上，亦發(fā)生于氣相(均相反應(yīng))。為了抑制該等反應(yīng)，M0C及氫化物是分別被供應(yīng)至生長區(qū)的裝置應(yīng)運而生(參見例如美國專利申請案第2009/0229754號，其中使用具有〃蓮蓬頭噴淋器〃型之反應(yīng)氣體導(dǎo)入系統(tǒng)的裝置)。然而，此等組份于生長區(qū)中混合，結(jié)果將無法完全避免所述組份于氣相上的反應(yīng)。沉積于生長表面的均相反應(yīng)的產(chǎn)物會損害磊晶層的質(zhì)量。就發(fā)展具有量子維度阱洞之異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)(HES)之技術(shù)的觀點而言，此項問題變得特別重要(尤其是用于LED之以GaAIN為主之HES)。
[0004]有一些已知解決方法(參見例如美國專利申請案第2010/0263588號)，其中M0C與氫化物交替供應(yīng)至反應(yīng)器內(nèi)，以避免均相反應(yīng)。例如，通過提供氣體-蒸氣混合物(GVM)之移動使得先供應(yīng)第III族組份，隨后吹離反應(yīng)器，接著供應(yīng)第V族組份，而之后再次吹離反應(yīng)器，依此往復(fù)，直至具有所需厚度的層形成。然而，在此情況下，制程持續(xù)時間因為依序?qū)⒔M份供應(yīng)至反應(yīng)器內(nèi)而增加，且伴隨有不穩(wěn)定的GVM流出現(xiàn)，即氣相中發(fā)生暫態(tài)過程，所述暫態(tài)過程隨GVM流變化，轉(zhuǎn)而造成HES質(zhì)量損失。此等方法通常用于在實驗室(研究)施行制造。
[0005]在反應(yīng)器中使用具有回轉(zhuǎn)基材支架的分隔壁，以將反應(yīng)器分成多個區(qū)段，而后將反應(yīng)組份分別供應(yīng)進入所述區(qū)段內(nèi)(參見例如美國專利8043432)。此類方法會在該等區(qū)段上引起不期望的反應(yīng)產(chǎn)物沉積，并且造成所述產(chǎn)物在其長晶期間破碎并落在磊晶層上的風險。
[0006]據(jù)此，目前尚無任何可消去均相反應(yīng)且保證HES大規(guī)模生產(chǎn)(例如一次多于40片基材)的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本文中所使用對語辭、陳述及縮寫具有以下意義。
[0008]M0CVD(金屬有機化學(xué)氣相沉積)意指自含有金屬-有機化合物之蒸氣的氣相化學(xué)沉積的方法。
[0009]HES意指異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)。
[0010]M0C意指金屬-有機化合物。
[0011]GVM意指氣體-蒸氣混合物，其系反應(yīng)氣體，尤其是指金屬-有機化合物之蒸氣于載體氣體中之混合物與/或元素周期表第V族元素之氫化物與載體氣體之混合物。
[0012]分隔區(qū)段意指反應(yīng)室之想象部分(區(qū))，其中載體氣體流沿所述反應(yīng)室徑向移動，與所述反應(yīng)室相鄰區(qū)段中之反應(yīng)氣體流相分離，尤其是M0C區(qū)段及氫化物區(qū)段。
[0013]TMA意指三甲基鋁。
[0014]TMG意指三甲基鎵。
[0015]TMI意指三甲基銦。
[0016]載體氣體意指用作載體之氣體，其不含任何可能沉積于該基材上的化合物。通常使用氫、氮或其混合物作為載體氣體。
[0017]其他語詞及陳述是使用熟習此技術(shù)者已知的一般意義。
[0018]本發(fā)明旨在提供一種M0CVD方法，其使半導(dǎo)體材料磊晶層既可以以一般方式長晶，亦可經(jīng)由原子層沉積之方式在連續(xù)反應(yīng)氣體流(使得該方法的產(chǎn)能較之使用間斷供應(yīng)反應(yīng)氣體的方法增高)下長晶。
[0019]在所述通過金屬-有機化學(xué)氣相沉積法(M0CVD)于單晶基材上產(chǎn)生二元半導(dǎo)體材料的磊晶層之方法中，前述問題之解決方案是使用以下裝置措施:
(A)反應(yīng)器，其具有相對于垂直中心軸為圓形的反應(yīng)室；
(B)基材支架，水平布置于反應(yīng)室中且配接成繞著該垂直中心軸回轉(zhuǎn)；
(C)圓形篩網(wǎng)，布置于反應(yīng)室中該基材支架上方距離大約15mm及40 mm之間之處，所述篩網(wǎng)的直徑大于所述基材支架的直徑；
其中
(a)保持所述基材支架于一個預(yù)定溫度；
(b )所述基材支架繞著所述垂直中心均勻地的回轉(zhuǎn)；
(c)將至少兩種反應(yīng)氣體分別供應(yīng)至所述反應(yīng)室的不同徑向區(qū)段內(nèi)；其中所述氣體中之至少一者含有可分解以形成第III族或第II族元素的原子層的金屬-有機化合物(M0C)，且所述氣體中之至少另一者相應(yīng)的含有第V族或第VI族元素的氫化物，所述氫化物可相應(yīng)的與所述層中的第III族或第II族元素之原子反應(yīng)；
(d)所述反應(yīng)氣體供應(yīng)的順序為所述含有第III族或第II族元素的M0C的反應(yīng)氣體產(chǎn)生之層暴露于相應(yīng)的所述含有第V族或第VI族元素之氫化物的反應(yīng)氣體的作用之下；
(e )為避免所述反應(yīng)氣體彼此混合，在位于所述反應(yīng)氣體流之間的區(qū)段內(nèi)供應(yīng)載體氣體；
(f)在該層生長的整段期間，連續(xù)不停的將反應(yīng)氣體及載體氣體供應(yīng)至所述反應(yīng)室內(nèi)；
(g)所述反應(yīng)氣體及載體氣體以所述反應(yīng)室內(nèi)每一區(qū)段相對于相同直徑的徑向移動速度皆一致的方式進行供應(yīng)；
(h)所述基材支架回轉(zhuǎn)的圓周速度、所述反應(yīng)氣體中M0C的濃度、及所述反應(yīng)氣體消耗速率的供應(yīng)方式為使得該基材支架完整回轉(zhuǎn)一圈所沉積的層的厚度約為單原子層厚度的
0.6 至 1.0;
(i )所述反應(yīng)氣體及所述載體氣體是經(jīng)由直徑小于1mm且表面密度為5至20個開口 /平方厘米的開口群組以基本水平的方式供應(yīng)，使得所述基材支架上方的徑向氣流以層流的位移方式流動，且生長中的所述層的厚度d實質(zhì)上等于k X a X η，其中 k為正實數(shù)，為在所述基材支架完整回轉(zhuǎn)一圈所沉積的所述單原子層厚度的部份； a為正實數(shù)，為所述生長中的材料的晶格參數(shù)； η為正整數(shù)，為該基材支架完整回轉(zhuǎn)之圈數(shù)。
[0020]前述方法可改善HES的質(zhì)量。
[0021 ]該改良是通過以下裝置措施達成:
(Α)排除所述含有第III族(或第II族)元素之M0C的反應(yīng)氣體滲入所述含有第V族(或第VI族)元素之化合物的反應(yīng)氣體的區(qū)段，反之亦然；
(Β)提供所述反應(yīng)氣體與所述載體氣體之混合物的層流；
(C)排除氣流旋渦，以避免所述氣流捕集顆粒并將它們重新散落于HES生長區(qū)內(nèi)；
(D)消除可能出現(xiàn)再循環(huán)晶胞的條件；
(Ε)使得所述GVM組份濃度在整個HES生長區(qū)的穩(wěn)定且單調(diào)地變化；
(F)使用載體氣體作為分離流而非介于區(qū)段間之分隔壁，以避免所沉積之反應(yīng)產(chǎn)物自所述分隔壁進入所述長晶中的磊晶層的風險，同時避免所述氣流在該壁附近的減速及擾流。
[0022]熟習此技術(shù)者了解要長成具有所需組份的層需要確認布置在所述反應(yīng)器中所述回轉(zhuǎn)基材支架上的所述基材對所述垂直中心軸成對稱，所述基材被加熱，連續(xù)地供應(yīng)所述含有第III族(或第II族)元素之M0C的反應(yīng)氣體，連續(xù)地供應(yīng)所述含有第V族(或第VI族)化合物的氣流，連續(xù)地供應(yīng)所述載體氣體，所述層得到生長，以及所述氣體反應(yīng)產(chǎn)物被移除，其中所述所有氣體，尤其是所述含有第III族(或第II族)元素之M0C的反應(yīng)氣體與所述含有第V族(或第VI族)化合物的反應(yīng)氣體，是以空間上分離且交錯的方式執(zhí)行，所述載體氣體流分離所述含有第III族(或第II族)元素之化合物的氣流與所述含有第V族(或第VI族)元素之化合物的氣流，該層沉積是以循環(huán)方式執(zhí)行，同時具有單原子