TW200301927A - Method of producing 3-5 group compound semiconductor and semiconductor element - Google Patents

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Masaya Shimizu
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200301927 A7 B7 五、發明説明（1) 發明範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於製造氮化鎵（GaN)型3-5族化合物半導體 之方法，並且關於使用該3-5族化合物半導體之半導體元 件。 發明背景 由通式 InxGayAlzN (x + y + z=l, OSxSl，0<y<l 並且 (ΧΚΙ)所表示之GaN型3-5族化合物半導體可用作發光範 圍從紫外光區至可見光區之有效率發光裝置用的材料，因 爲直接躍遷型能帶間隙能量可藉由改變第3族元素之組成 而調整，所以能對應至紅至紫外光波長。再者，此等3-5 族化合物半導體比例如Si及Ga As等習知使用之典型半導 體具有更大的能帶間隙，因而，即使在習知半導體無法運 作之高溫下仍能保持其半導體性質。因此，該3-5族化合 物半導體主要能使電子裝置製品具有優異的環境耐性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 然而’因爲在該化合物半導體溶點左右時具有極局的 蒸氣壓，所以此等化合物半導體難以長成大的晶體。因此 ，截至目前爲止尙無法獲得能實際用於半導體裝置製品所 使用之基質的化合物半導體大型晶體。由此，一般而言， 此類型化合物半導體係使該化合物半導體外延地長在一材 料，例如藍寶石或SiC，之基質上而製造，該等材料的晶體 結構相似於該化合物半導體並且可製備大型晶體。現今， 該化合物半導體之較高品質晶體可藉由此方法獲得。即使 在此情況下，也難以減少晶格常數或該基材及該化合物半 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5- 200301927 A7 B7 五、發明説明（2) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 導體之間之熱膨脹係數的差異所造成的結晶缺陷，該最終 化合物半導體通常具有約1〇8 cm·2或更大之缺陷密度。爲 了製造高效率GaN裝置，所以極欲具有低位錯密度之化合 物半導體晶體。 一般而言，減少位錯密度之方法已經開發出藉由異質 磊晶（hetero_epitaxial)生長法製造晶體，該生長法使用藍寶 石等充當基質，其中一旦該晶體表面形成遮罩圖案，接著 進一步使該化合物半導體再生長。該方法之特徵係使該化 合物半導體長至該遮罩的側向，並且此方法係稱爲磊晶側 向覆生（ELO)法。 根據上述方法，在早期再生長時，例如，在Si02等製 遮罩上並不會發生晶體生長，惟僅經由開口部分發生晶體 生長’所g胃的選擇性生長。如果該晶體生長進一^步持繪， 經由開口部分之晶體生長也會散布至該遮罩上。由此形成 包埋該遮罩之包埋結構，並且最終可獲得平坦的晶體表面 。與該基礎晶體中的位錯密度相比，藉由形成上述包埋結 構，該再生長層內的位錯密度可大幅降低。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 氮化鎵型3-5族化合物半導體的例子中，如果應用上 述ELO方法，一般而言，晶體生長係使用c-平面充當表面 而進行，一般而言該條狀遮罩之條紋方向係設定於< 1 -1 00> 方向，俾於該遮罩上有效地實現側向生長。然而，儘管視 用作遮罩之材料而定，藉由ELO方法時，已知該遮罩上之 晶體生長的c-軸方向會自該基礎晶體之c-軸偏移。並且該 偏移c-軸區之聚結部分中，會產生所謂小角度傾斜邊界之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -6- 200301927 A7 B7 五、發明説明（3 ) 位錯集中部分。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 由此，將遮罩條紋設定於〈l-lOOs方向之習知ELO中 該遮罩上之GaN晶體生長之c-軸方向會自該基礎晶體之c-軸偏移，並且長在該遮罩之GaN層會發生許多位錯。此即 爲所獲得之3-5族化合物半導體之品質會惡化之一大原因 發明槪述 本發明之目的在於提供製造3-5族化合物半導體的方 法及可解決上述習知技術問題之半導體元件。 本發明提供：製造3-5族化合物半導體的方法，其中 使用條狀遮罩進行側向選擇性生長製造該3-5族化合物半 導體所產生之小角度傾斜邊界係減小以製造高品質並且低 位錯密度之3-5族化合物半導體。爲了瞭解上述內容，長 在該條狀遮罩上之3-5族化合物半導體之c-軸變動係自預 定方向稍微旋轉側向選擇性生長用之遮罩圖案之遮罩條紋 方向而降低，藉以降低小角度傾斜邊界。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 也就是說，製造該3-5族化合物半導體俾藉由條狀遮 罩在含GaN型3-5族化合物半導體之基礎晶體之c-平面上 形成所欲之GaN型3 -5族化合物半導體之側向選擇性生長 之方法中，條狀遮罩係於該基礎晶體上形成使該條紋自ci-iO 〇 > 方 向旋轉 〇 . 〇 9 5 ° 或 更小並 且小於 9 . 6 ° ， 使用此 條狀遮 罩，進行該GaN型3-5族化合物半導體層之側向選擇性生 長0 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 200301927 A7 B7 五、發明説明（4) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如上述，使側向選擇性生長用之條狀遮罩之條紋方向 自預定的<1-1 〇〇>方向旋轉上述範圍內之角度，在該基礎晶 體之C-平面上選擇性地長向側向之所欲化合物半導體層之 C-軸變動會降低。因此，所欲化合物半導體層中產生之小角 度傾斜邊界會減少，並且可在該基礎晶體上形成高品質3-5 族化合物半導體層。 圖式之簡單說明 第1圖係槪要地顯示藉由本發明之方法製造之3-5族 化合物半導體結構之實施例。 第2圖係用以解釋第1圖所示之3-5族化合物半導體 之遮罩層自預定方向旋轉之圖式。 第3圖係顯示遮罩層之條紋之旋轉角度爲1 °時，該搖 擺曲線之測量結果。 第4圖係顯示遮罩層之條紋之旋轉角度爲3。時，該搖 擺曲線之測量結果。 第5圖係顯示遮罩層之條紋之旋轉角度爲5。時，該搖 擺曲線之測量結果。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第6圖係顯示遮罩層之條紋之旋轉角度爲〇。時，該搖 擺曲線之測量結果。 各圖式中使用之1符號如下。 1 : 3-5族化合物半導體 2:藍寶石基質 3 :第一 3-5族化合物半導體層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8- 200301927 A7 B7 五、發明説明（5) 4 :遮罩層 5 :第二3-5族化合物半導體層 6 z小角度側斜邊界 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) D :線位錯 Θ :旋轉角度 3 A : c-平面 4A :視窗部分 發明之詳細敘述 例如，藉由金屬有機蒸氣相磊晶法或氫化物-蒸氣-相-晶晶法，也可藉由其它適當的蒸氣生長法形成所欲之化合 物-半導體層。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據本發明，揭示製造3 - 5族化合物半導體的方法包 括以下之步驟：包含通式InaGabAleN (Osad，（Xbsl， 0<c<l，a + b + c=l)所表示之3-5族化合物半導體之表面爲c-平面之基礎晶體層上形成條狀遮罩，接著在上述基礎晶體 層上生長通式 InxGayAlzN (Osxsl，Ogysi，〇<zsi， x + y + z=l)所表示之3_5族化合物半導體層，其中該條狀遮 罩係於上述基礎晶體層上使該條紋方向自< 1 -1 〇 〇 >方向旋轉 0.095°或更大並且小於9.6°而形成。 較佳爲藉由金屬有機蒸氣相磊晶法或氫化物蒸氣相磊 晶法生長該3-5族化合物半導體層。 藉由本發明之方法製造之3 -5族化合物半導體較佳係 用於半導體元件。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9 - 200301927 A7 B7 五、發明説明（6) 後文將參照圖式詳細地解釋本發明之具體實施例。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1圖係槪略地顯示藉由本發明之方法製造之3-5族 化合物半導體結構之實施例之截面圖式。該3_5族化合物 半導體1中，充當該基礎晶體之第一 3-5族化合物半導體 層3係藉由MOVPE法（金屬有機蒸氣相磊晶法）長在該藍寶 石基質上，而充當該遮罩層4之Si02層係藉由例如RF噴 鍍法沈積於該第一 3-5族化合物半導體層3上。在此，該 第一 3-5族化合物半導體層3係3至4 (微米）。爲了製造良 好的基礎晶體，使用習知緩衝層，例如GaN、AIN、GaAIN 及SiC之二階段生長法係有效的。 如第2圖所示，該遮罩層4係具有視窗部分4 A之條狀 遮罩，該視窗部分4A係形成於該第一 3-5族化合物半導體 層3之c-平面3A上，並且該遮罩層4係形成於c-平面3 A 上，使條紋方向自< 1 -1 〇〇>方向稍微轉動旋轉角度Θ，如後 文所述。第1圖中，垂直於該橫截面之方向係<1-1 00>方向 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 至於形成該遮罩層4使條紋方向自<1-100>方向稍微地 旋轉之方法，可使用含條紋圖案之光罩自<1-1 00>方向旋轉 ’將圖案轉移至該第一 3-5族化合物半導體層3的方法。 取而代之，可使用具有條紋圖案之光罩中相鄰條紋係 形成而不平行的方法，但事先必須具有所欲之角度再轉移 此圖案。另一方法，可使用具有條紋圖案之光罩中相鄰條 紋係形成而平行的方法，但以所欲角度呈Z字方向再轉移 此圖案。理所當然地，此等方法可適當地加以結合。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) μ規格（210X297公釐） -10- 200301927 A7 B7 五、發明説明（7) 第1圖中，該第一 3-5族化合物半導體層3係由通式 InaGabAlcN (在此 OSaSl，0<b< 1 5 〇<c< 1 » a + b + c= l)所表示 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 之GaN型3-5族化合物半導體晶體。另一方面，該遮罩層 4係藉由沈積適當厚度之Si02層而形成，並藉由微影法形 成細長條狀之複數個視窗部分4A。例如，利用寬度5(微米 )之條狀圖案形成此視窗部分4A。 在該3-5族化合物半導體層3及該遮罩層4上，藉由 再生長形成通式 InxGayAlzN (0<xd，Osyd，Oszd， x + y + z=l)所表示之第二3-5族化合物半導體層5。 此第二3-5族化合物半導體層5係形成如下。在該第 二3-5族化合物半導體層5之早期生長階段中，晶體生長 不會發生於該遮罩層4上，但選擇性生長僅發生於視窗部 分4A。因此，當該晶體生長進行時，視窗部分4A之晶體 生長也會隨著厚度增加而迅速偏布該遮罩層4，自該圖案兩 側伸展至該側方向之生長中結晶性區域會在接近該遮罩層4 之圖案的中心部分接合在一起，並且形成包埋結構。 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 如上述第二3-5族化合物半導體層5之生長過程中， 大體而言，該第二3-5族化合物半導體層5之c-軸方向與 該第一 3-5族化合物半導體層3之c-軸會產生偏移，並且 自該遮罩層4圖案之兩側伸展至該側方向之生長結晶性區 域之合倂部分中可能發生小角度傾斜邊界6。 然而，因爲該遮罩層4係形成使得該條紋方向係自<1-1〇〇>方向旋轉成旋轉角度Θ，所以該第二3-5族化合物半導 體層5之c-軸變動選擇性地長向該第一 3-5族化合物半導 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 200301927 Α7 Β7 五、發明説明（8) 體層3上之側方向，因此，小角度傾斜邊界之產生可有效 地停止於該聚結部分。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1圖之實施例中，該第二3-5族化合物半導體層5 係藉由上述之側向選擇性生長而成。因此，該第一 3 -5族 化合物半導體層3所產生之許多位錯當中，僅線位錯D不 會因爲該遮罩層4而終止，但是經穿透之視窗部分4A將爲 該第二3-5族化合物半導體層5所涵括。如上述，藉由形 成該第二3-5族化合物半導體層5,該遮罩層4之第二3-5 族化合物半導體層5中，該遮罩層4將終止該第一 3-5族 化合物半導體層3之位錯，並且該位錯位不會發生於該遮 罩層4上之第二3-5族化合物半導體層5，因此，可降低該 第二3-5族化合物半導體層5中的位錯密度。當該第二3-5 族化合物半導體層5係長成時，會形成一平面，該第二3-5 族化合物半導體層5之線位錯D之成長係根據該平面之形 成模式而控制，因此，也會製成線位錯D但不會及於該第 二3-5族化合物半導體層5表面。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 至於用於製造該3-5族化合物半導體1之薄膜的方法 ，舉例如分子束磊晶（後文中稱爲MBE)法、MPVPE法及 HVPE法。因爲該MBE法係適用於製造具有尖銳界面之積 層結構，所以係重要的。因爲該MOVPE法係適用於形成具 有尖銳界面之積層結構，亦適用於製造大面積均勻薄膜， 所以係重要的。該HVPE法可以高成膜速度製造具有少量 不純物之晶體，所以係重要的。如果該HVPE法係用於生 長該第二3-5族化合物半導體層5，將可獲得高生長速率， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公羡） -12- 200301927 A7 B7 五、發明説明（9) 並且可以短時間內生產良好的晶體。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如上述，該遮罩層4之條紋方向係自<1-1〇〇>方向稍微 地旋轉。此旋轉角度㊀較佳爲設定於一角度，其中在垂直於 該遮罩圖案方向之<11-2 0>方向之比率爲每6至600倍a-軸 長度對之一段（a-軸長度）。也就是說’小角度傾斜邊界之產 生可將該遮罩層4之旋轉角度Θ設定爲自<1-1〇〇>方向旋轉 0.095°或更小並且小於9.6°而有效地停止。更具體而言，該 旋轉角度係1 °或更小並且小於5 °或更小，最佳爲1 °或更小 並且小於5 °或更小。 如果該遮罩層4之條紋方向如上述稍微旋轉，該第二 3-5族化合物半導體層5之c-軸變動，在該第一 3-5族化合 物半導體層3之c-平面3 A上選擇性地長向側方向，將會降 低。藉此，可停止該遮罩層4正上方之第二3-5族化合物 半導體層5聚結部分中的小角度傾斜邊界6之產生，並且 可製造出高品質之第二3-5族化合物半導體層5。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 各種實驗硏究結果，如果該遮罩層4之條紋方向自< 1 -1〇〇>方向旋轉之旋轉角度Θ小於0.095°，將可確保小角度傾 斜邊界之減小。再者，如果該旋轉角度Θ爲9.6°或更大時’ 將無法獲得良好的包埋結構。也就是說，由實驗可確認該 遮罩層4之條紋方向自<1-1 〇〇>方向旋轉的旋轉角度Θ應爲 0.095°或更大並且小於9.6°。 進行以下的實驗以檢驗由該遮罩層4之條紋方向自< 1 _ 1〇〇>方向旋轉產生小角度傾斜邊界之改善。 藉由MOVPE法在2英吋藍寶石晶圓上形成3微米厚度 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 200301927 A7 B7 五、發明説明（10) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 之GaN層，並且在整個表面上形成5微米寬之條紋形成及 5微米間隙圖案。進一步藉由MOVPE法在6微米此等基質 上，在1020°C及1/2大氣壓力下，進行GaN層成膜，並且 獲得包埋結構。評估該遮罩層之條紋方向自<1-1 〇〇>方向稍 微旋轉時的（0004)面之搖擺曲線。 評估上述該遮罩層之旋轉角度Θ爲1°、3°及5°時的測量 結果，比較實施例之旋轉角度Θ爲〇°。第3圖、第4圖及第 5圖，顯示旋轉角度Θ分別爲1°、3°及Y時的測量結果。第 6圖顯示該旋轉角度Θ爲0°時之比較實施例的測量結果。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 各例中X射線以遮罩層條紋方向射入，顯示出單一峰 圖案，半高寬係約250弧秒。另一方面，如果X射線以垂 直於該遮罩層之條紋方向的方向射入，在此進行之各實施 例中，如果旋轉角度Θ爲0°，將可看到該兩側之主峰及兩側 的峰。該主峰之半寬係約250弧秒，幾乎與該基礎基質之 半寬相同。當該條紋之方向自<1-1 〇〇>方向逐漸時，與不旋 轉的例子相比，該高角度側的峰將會變弱。當旋轉角度Θ爲 1°及3°時特別顯著。因爲旋轉該條紋方向會降低該側峰之 強度，所以認爲小角度傾斜邊界之產生將受到抑制。良好 半導體元件可使用此等基質而獲得。 根據本發明，如上述，小角度傾斜邊界可僅藉由使基 礎晶體之c-平面上形成之條狀遮罩自預定方向<1-100>旋轉 0.095°或更大並且小於9.6°進行側向選擇性生長，而獲得極 爲有效地降低。因此，可製造良好結晶性GaN化合物半導 體而無需顯著增加成本。再者，具有良好電氣性質之半導 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -14- 200301927 A7 B7 五、發明説明（11)體元件，可藉由此製造方法以低成本製造 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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Claims (1)

  1. 200301927 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 1. 一種製造3-5.族化合物半導體之方法，其包括以下 之步驟··在包含通式1naGabAlcN (OSad ’ Osbd ’ Oscd ’ a + b + c=l)所表示之3-5族化合物半導體之表面爲c-平面之 基礎晶體層上形成條狀遮罩’接著1在上述基礎晶體層上生 長通式 InxGayAlzN (OSxd，〇Sy<l，OSzd，x + y + z=l)所表 示之3-5族化合物半導體層，其中該條狀遮罩係於上述基 礎晶體層上使該條紋方向自〈卜^❶方向旋轉〇. 095 °或更大 並且小於9.6°而形成。 2. 如申請專利範圍第1項之製造3-5族化合物半導體 之方法，其中該3-5族化合物半導體層係藉由金屬有機蒸 氣相磊晶法或氫化物蒸氣相嘉晶法生長。 3. —種半導體元件，係使用以如申請專利範圍第1或 2項之方法製成之該3-5族化合物半導體。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -16-
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