TW200534385A - Compound semiconductor substrate - Google Patents

Description

200534385 ⑴ 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於使化合物半導體層氣相成長用之成長用 基板，特別是關於使表面形態良好，而且表面之微觀粗糙 度爲預定値以下之化合物半導體層成長之技術。 【先前技術】 Φ 習知上，於發光元件或受光元件等之半導體元件用途 上，於InP基板上使InP等之III-V族系化合物半導體層 磊晶成長之半導體晶圓被廣泛使用。此化合物半導體之磊 晶層例如係藉由有機金屬氣相成長法（以下，稱爲 MOCVD法）所形成。 於藉由此MOCVD法而使前述之III-V族系化合物半 導體層磊晶成長的情形，存在有於磊晶層的表面會發生被 稱爲突出體之微小的凸狀缺陷’或被稱爲檀皮之皴紋狀缺 φ 陷，磊晶層之表面形態劣化之問題。因此，改善磊晶層之 表面形態之種種的技術被提出。 例如，於日本專利第1 9 7 5 1 4 3號公報中，作爲藉由 MOCVD法之磊晶成長用基板係使用面方位由< 100>方向 傾斜角度〇 · 1〜〇 . 2 °之晶圓，而且，以基板溫度爲6 0 0 °C 以上7 00 °C以下之條件下使之磊晶成長之方法被提出，於 使於磊晶層之表面的突出體（於日本專利第1 9 7 5 1 4 3號公 報中，稱爲淚狀缺陷）顯著降低上獲得成功。 進而，於日本專利第2 7 5 0 3 3 1號公報中，基板的面方 -5- 200534385 (2) 位之傾斜角（以下，稱爲偏角）變大的情形，爲了防止橙 皮發生’藉由成長速度和基板溫度之函數來規定基板的偏 角範圍之嘉晶成長方法被提出。藉此，可使磊晶層表面所 產生的突出體大幅降低，而且，於防止橙皮之發生上也獲 得成功。 另外，於日本專利第3 1 2 9 1 1 2號公報中，也考慮到基 板的缺陷密度（錯位密度），而規定基板的偏角之方法被 φ 提出。具體爲：於InP基板上使化合物半導體之薄膜氣相 成長時’使用自<100>之偏角0 (。）爲滿足0glx l(T3D1/2(D(Cirr2):基板的缺陷密度）之基板。例如，基板 的缺陷係度D爲1 〇 〇 〇 c ηΓ2之情形，使用偏角0 g 〇 . 〇 3之 基板，於1 0000cm·2之情形，使用偏角0 - 〇.1〇之基板。 【發明內容】 如前述般，習知上，使用規定了偏角和錯位密度之半 • 導體基板，進而，藉由以預定之成長條件來進行氣相成 長，可以使表面形態良好且實用之磊晶層成長。 另一方面，伴隨半導體裝置的高集成化、高功能化之 要求，磊晶層的表面狀態之品質益被重視，所以表面狀態 之更爲詳細且正確的評估成爲必要。例如，前述之淚狀缺 陷等之表面形態雖係以諾曼斯基（Nomarski )顯微鏡等所 觀察者，但是，在此種方法中，期望能夠也含無法觀察之 表面狀態而評估磊晶層。即實際之磊晶層表面即使都沒有 以前述之諾曼斯基顯微鏡可觀察之缺陷，表面並非完全平 -6 - 200534385 (3) 滑，至少微尺度等級之起伏（以下，稱爲微觀粗糙度）存 在，因此，期望也考慮此微觀粗糙度而評估磊晶層之表面 狀態。 因此，本發明係著眼於習知上未被特別重視之磊晶層 表面的微觀粗糙度，目的在於提供能以微觀粗糙度等級來 改善磊晶層之表面狀態的技術。 以往以來，於半導體晶圓之製造步驟中，有進行檢查 B 附著在晶圓面上之異物等之缺陷的作業。一般，於晶圓表 面之缺陷檢查上，係使用對晶圓表面照射雷射光，且藉由 光檢測器將散射光予以檢測出之表面異物檢查裝置，例 如，代表性爲KLA-Tencor公司製造之Surfscan6220。 第 1 圖係顯示 Surfscan6220 之原理圖。在 Siir*fSCan62 20中，由光源L對配置於預定位置之晶圓照射 雷射光，依據基板的表面狀態，光由入射點散射，因此， 收集此散射光而以低雜訊光電倍增管（PMT : Photo-9 M u 11 i p 1 i e r T u b e )加以放大，依據被以Ρ Μ T所放大之散射 訊號而分析晶圓的表面狀態。另外，以一定速度在晶圓搬 運軸方向Υ進行搬運，而且，一面使預定光源於雷射掃描 軸方向X往復移動，一面藉由照射雷射光束，可以取樣基 板全體。 第2圖係顯示使光源L於雷射掃描軸方向X掃描時， 來自晶圓表面之散射訊號。如第2圖所示般，於獲得設定 之臨界値以上的散射訊號時，將該部份當成異物而加以檢 測出。如此，於SurfS can62 2 0中，以散射訊號的強度可以 200534385 (4) 檢測異物外，也可以測量以將散射訊號的背景高度（散射 光強度）以入射光強度除之値（散射光強度/入射光強度 (ppm ))所定義之霧度，藉由此霧度，可以評估晶圓表 面的微觀粗糙度。例如，霧度一變大，則晶圓表面的微觀 粗糙度變大，表面狀態變差。 此處，如針對嘉晶層表面來思考時，於嘉晶層表面產 生淚狀缺陷等之異常的情形，當然表面的起伏變大，所以 φ 可以想像磊晶層表面之霧度變大。另外，即使於磊晶層表 面沒有觀察到淚狀缺陷等之異常表面形態的情形，也有可 能存在對半導體裝置的性能帶來不好影響程度之微觀粗糙 度。於此種情形，可藉由測量磊晶層表面的霧度而以微觀 粗糙度等級來評估表面。 因此，本發明人等由於伴隨半導體裝置的高集成化、 高功能化，磊晶層之表面狀態的品質提升更被要求，所以 著眼於磊晶層表面的微觀粗糙度，具體爲：以磊晶層表面 φ 的霧度定爲2ppm以下爲目標。此係如果霧度在2ppm以 下，則微觀粗糙度被認爲極小，當然，可以視爲表面缺陷 沒有發生。 具體爲：首先，認爲磊晶成長用之基板表面之微觀粗 糙度對於成長於該基板上之磊晶層的表面狀態（特別是微 觀粗糙度）可能給予不少的影響，調查磊晶成長前之基板 表面的霧度和使之成長於該基板上之磊晶層表面的霧度之 關係。此處，霧度係藉由前述Surf scan 62 2 0而測量，以將 散射光強度以入射光強度除之百萬分率表示。其結果爲’ 200534385 (5) 知道嘉晶層表面之霧度比所使用之基板表面的霧度一定相 等或比較大。根據此，爲了抑制磊晶層表面的微觀粗糙 度，知道必須使用表面之霧度極小的基板。 另外’使用霧度爲2 p p m以下之基板，而於該基板 上使磊晶層成長，了解到磊晶層表面之霧度有2 p p⑺程度 的情形，也有大爲劣化之情形。因此，進而重複實驗，查 明磊晶層表面之霧度不單是和基板表面的霧度有關，也和 鲁 基板的偏角有關。具體爲：在使用霧度爲2ppm以下，且 偏角爲〇 · 〇 5〜0 · 1 0 之範圍的基板的情形，可使於該基板 上成長之嘉晶層表面的霧度成爲2 p p m以下。特別是，於 使用霧度爲 0.5〜0.8ppm，偏角爲 0·06〜〇.1〇。之範圍的 基板之情形，可使磊晶層表面之霧度成爲lppm以下。 本發明係基於前述實際知識而所完成者，爲了以微觀 粗糙度等級來改善磊晶層之表面狀態，而來規定磊晶成長 所使用基板的表面之霧度及偏角。 • 即本發明係一種化合物半導體’其特徵爲：將向基板 表面入射來自特定之光源的光線時所獲得的散射光之強 度，以來自前述光源之入射光強度除得之値定義爲霧度 時，則霧度在整個基板的有效利用領域爲2PPm以下，偏 角爲0.05〜0.10。。較好爲藉由設基板表面的霧度爲lppm 以下，可以使成長於該基板上之磊晶層表面的霧度更小。 此處，上述霧度例如係使用 KLA-Tencor公司製造之 s W fs c a n 6 2 2 0而橫跨基板的有效利用領域（除了面倒角部 份等之基板周緣部）所測量之値。 -9 * 200534385 (6) 特別是’前述化合物半導體基板爲InP基板時，爲有 效。另外，藉由將錯位密度設爲1 000/ cm2以下，較好爲 5 00 / cm2以下，則可以有效地抑制磊晶成長後之表面缺陷 的發生’而且，可使霧度成爲2ppm以下。 藉由使用關於本發明之基板而進行晶晶成長，則所成 長之晶層表面的霧度成爲2ppm以下。即可使成長微觀 粗縫度非常小、極爲良好之表面狀態的磊晶層。因此，於 • 關於本發明之基板上使半導體層做磊晶成長之半導體元 件’可以適用於要求高集成化、高功能化之半導體裝置的 用途。 【實施方式】 以下，依據圖面來說明本發明之合適的實施形態。 實施例1 作爲實施例1，係針對於基板上藉由有機金屬氣相成 長法（MOCVD法）而使成長磊晶層之情形做說明。 首先，藉由液體密封柴可拉斯基法（Liquid Encapsulated Czochralski: LEC)而製作錯位密度微 100 0 / cm2以下之（100 ) InP單結晶，由該InP單結晶進行切 片，而製作磊晶成長用基板。而且，藉由平常之方法將此 InP單結晶基板的表面做鏡面加工，準備自< 1 00 >方向之 偏角爲0.05〜0.10°之基板。 關於前述基板，藉由S u 1· f s c a η 6 2 2 0來測量表面霧度， -10- 200534385 (7) 選擇可以測量領域（有效利用領域）之霧度爲0.5〜 0.8ppm者。另外，Surfscan6220之光源係30mW氬離子雷 射，波長爲4 8 8nm。 而且，於這些基板上藉由有機金屬氣相成長法依序使 之成長：n-InP層（膜厚l.〇//m) 、n-InGaAs層（膜厚 4.0 μ m ) 、n_InP 層（膜厚 2.0//m)、及 n-InGaAs 層 (膜厚0·1//ηι)。此時，嘉晶層的成長速度設爲l//m/ B 小時，成長溫度設爲6 2 0 °C。 如前述般，關於磊晶成長之最上層的n-InGaAs層， 雖以諾曼斯基顯微鏡觀察表面狀態，但是，無法見到表面 缺陷，得以確認係極爲良好之表面狀態。 進而，藉由 Surfscan6220而測量 n-InGaAs層之霧 度。第3圖係顯示基板之偏角和n-InGaAs層表面之霧度 的關係。關於本實施形態之測量結果係第3圖之0標記。 如第3圖所示般，於使用偏角爲0.05〜0.10 °之基板的情 形，任何一者之n-InGaAs層表面的霧度都在2ppm以下， 可以確認係微觀粗糙度極小之良好的表面狀態之磊晶層。 特別是，於偏角微0.0 6〜0 · 1 0 °之基板中，基板表面之霧 度和n-InGaAs層之霧度爲相同程度，可以有效地抑制微 觀粗糙度之劣化。 另一方面，爲了比較用，評估使用偏角和前述實施例 1不同之基板的情形之磊晶層的表面狀態。具體爲：藉由 LEC法來製作錯位密度爲1()0〇個/ cm2以下之InP基板， 藉由平常之方法將表面做鏡面加工，準備自< 1 00 >方向 -11 - 200534385 (8) 之偏角爲比〇 · 〇 5 °小之基板（〇 · 〇 1〜〇 · 〇 2 5 ° )以及 。大之基板（〇·14〜0·20°)。接著，針對這些基 由SurfSCan6220來測量表面霧度，選擇可以測量領 度爲0.5〜0.8ppm者，於該基板上使成長和前述實 相同構造的磊晶層。 而且，關於嘉晶成長之最上層的n-InGaAs層 曼斯基顯微鏡觀察後，於偏角爲〇.20 °之基板上所 g n-InGaAs層中，確認到表面形態之劣化。 進而，藉由Surfscan6220而測量n-InGaAs層 霧度。第3圖係顯示基板之偏角和n_InGaAs層表 度的關係。使用偏角比0 · 0 5 °小之基板時的測量結 標記表示，使用偏角比0 · 1 0 °到之基板時的測量結 標記表示。 如第3圖所示般，於使用偏角比〇.〇5°小之基 任何一者之n-InGaAs層表面的霧度都在2ppm以上 • 到微觀粗糙度之劣化。同樣地，於使用偏角比0.10 基板時，n-InGaAs層表面之霧度都在3 ppm以上， 偏角比0·05 °小之基板的情形相比，確認到微觀粗 著劣化。 如前述般’作爲磊晶成長前之基板，藉由使用 度爲Ippm以下，偏角爲0·05〜〇.1〇。之基板，則 該基板上之磊晶層，其表面霧度可在2 p p nl以下， 現極爲良好之表面狀態。另外，不用說也不會發生 陷等之表面缺陷。 比 0.10 板，藉 域之霧 施形態 ，以諾 成長的 表面之 面之霧 果以□ 果以△ 板時， ，確認 1 °大之 和使用 糙度顯 表面霧 成長於 會g夠實 淚狀缺 -12- 200534385 (9) 另外，於前述實施形態中’雖使用霧度爲 0.5〜0.8ppm，即lppni以下之基板而進彳了嘉晶成長’基於 和基板的偏角之關係，即使使用霧度爲2ppm以下之基 板，也可以使該基板上所成長之嘉晶層表面之霧度成爲 2 ppm以下。即於偏角爲〇.〇6〜0.10 °之基板中，基板表面 之霧度和磊晶層表面的霧度係相同程度’沒有見到微觀粗 糙度之劣化，因此，藉由使用霧度爲2PPm以下之基板， φ 認爲可以使磊晶層表面之霧度成爲所期望値。 實施例2 作爲實施例2，係針對於基板上藉由分子束磊晶法 (MBE法）使磊晶層成長之情形做說明。 首先，藉由液體密封柴可拉斯基法（Liquid Encapsulated Czochralski: LEC)而製作錯位密度微 1000 / cm2以下之（100 ) InP單結晶，由該InP單結晶進行切 φ 片，而製作磊晶成長用基板。而且，藉由平常之方法將此 InP單結晶基板的表面做鏡面加工，準備自< 1 〇〇 >方向之 偏角爲0.02〜2.00°之基板。 關於前述基板，藉由Surfscan6220來測量表面霧度， 選擇可以測量領域（有效利用領域）之霧度爲2ppm以下 者。另外，Surfscan622〇之光源係30mW氬離子雷射，波 長爲4 8 8 η m。 而且，於前述InP基板上藉由分子束磊晶法（ΜΒΕ 法）而照射I η、A1、A s或者I n、G a、A s之分子束，使由 -13- 200534385 (10) 厚度2 5 0 n m之I n A 1 A s /1 n G a A s所行程之Η Ε Μ T構造的慕晶 層成長。此時，磊晶層的成長速度設爲約1 // m /小時， 成長溫度設爲42 0 t。 關於如前述般所磊晶成長之最上層的InGaAs層，以 諾曼斯基顯微鏡觀察表面狀態後，見不到表面缺陷，確認 到爲極爲良好之表面狀態。 進而，藉由Surfscan6220而測量InGaAs層表面之霧 φ 度。第4圖係顯示使用之ΙηΡ基板的偏角和n-InGaAs層 表面之霧度的關係。如第4圖所示般，於使用偏角爲〇.〇5 〜0.20 °之InP基板的情形，任何一者之磊晶層表面的霧 度都在3ppm以下。此處，由於InP表面之霧度在2ppm 以下，所以磊晶層表面之霧度比基板表面之霧度稍微高 些，可以達成所被要求之藉由MBE法所使之成長之磊晶 層表面狀態之lOppm以下之霧度。 另外，作爲HEMT特性之指標，於測量磊晶層的片電 阻後’可以獲得第5圖所不之結果’嘉晶層表面之霧度一· 變大，則片電阻有變高之傾向，可以確認到磊晶層的表面 狀態（霧度）和片電阻之間有相關。 由實施例1、2之結果，於MOCVD法和MBE法之兩 方所共通的範圍中，使用偏角爲0.05〜〇.1〇。、霧度爲 2ppm以下之基板，可說於使表面狀態優異之磊晶層成長 上，係屬有效。 如此’於關於本發明之基板上使半導體層磊晶成長之 半導體元件，於微觀粗糙度等級下，表面狀態可說是良 -14- 200534385 (11) 好，因此，可以應用於對於要求高集成化、高功能化之半 導體裝置的用途。 以上，雖依據實施形態而具體地說明由本發明人所完 成之發明，但是，本發明並不限定於前述實施形態，在不 脫離其要旨之範圍內，可以有種種變更。 例如，於前述實施形態中，雖就於InP基板上使 InGaAs層磊晶成長之例子做說明，但是，於InP基板上使 B InGaAs層以外之III-V族系化合物半導體層磊晶成長之情 形，也同樣可以使用本發明。另外’不限於111 - V族系化 合物半導體之磊晶成長，也可考慮使用於磊晶成長全部。 另外，於前述實施形態中’雖使用錯位密度爲 1 000/cm2以下之基板，但是’錯位密度小者被認爲可以抑 制表面缺陷之發生，所以’較好爲設爲5 0 0/cm2以下。另 外，於本實施形態中’雖設基板的面方位爲（1 〇 〇 ) ’但 是，也可以使用於其它面方位之基板，如設自基板的面方 Φ 位之偏角爲0.0 5〜0 · 1 〇 ° ’則可以獲得同樣的效果。 產業上之利用可能性 於本申請案中，雖根據以 K L A - T e n c 0 r公司製造之 Surfscan6220而測量之霧度（散射光強度/入射光強度之 百萬分率）而記載，但是’以其它公司製造之霧度測量裝 置（例如，日立電子工程公司製造之L S 5 0 0 0 )所測量之 霧度，也可以同樣地規定。例如’藉由調查以 Surfscan 6220所測量之霧度和以其匕β祕度測重裝置所測 -15- 200534385 (12) 量之霧度的相關關係’可以容易地將本發明之霧度以其它 之霧度測量裝置所測量之霧度加以規定。在此情形，也設 基板的偏角爲0.05〜。 【圖式簡單說明】 第1圖係KLA-Tencor公司製造之Surfscan6220之原 理圖。 p 第2圖係使光源L掃描於雷射掃描軸方向時之來自晶 圓表面的散射訊號之一例。 第3圖係顯示基板的偏角和於該基板上磊晶成長之η · InGaAs層表面之霧度的關係曲線圖。 第4圖係顯示基板的偏角和於該基板上磊晶成長之 InGaAs層表面之霧度的關係曲線圖。 第5圖係顯示InGaAs層表面之霧度和片電阻之關係 曲線圖。 【主要元件符號說明】 L :光源，X :雷射掃描軸，Y :晶圓搬運軸，W ··晶 圓，PMT :低雜訊光電倍增管 -16-

Claims (1)

1. 200534385 (1) 十、申請專利範圍 1 · 一種化合物半導體基板，是磊晶成長用之化合物半 導體基板，其特徵爲： 將向基板表面入射來自特定之光源的光線時所獲得的 散射光之強度，以來自前述光源之入射光強度除得之値定 義爲霧度時， 霧度在整個基板的有效利用領域爲2ppm以下，自面 方位之偏角爲0.05〜0.10°。 2 ·如申δ靑專利$B圍弟1項所記載之化合物半導體基 板’其中’前述霧度在整個基板的有效利用領域爲1 ppm 以下。 圍第1項或第2項所記 3 ·如申請專利範圍第 項所記載之化合物半 InP (磷化 導體基板，其中，前述化合物半導體基板係 銦）基板。 /、所載之化合物半導體基 4 ·如申請專利範圍第 板，其中，錯位密度爲1 000/cm

   5 .如申請專利範圍第 4 板，其中，錯位密度爲5 00/ cm -17、