TW439336B - Semiconductor device and method for fabricating the same - Google Patents

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-13 9 五、發明說明G) 發明背景 、 1，‘發明領域 — 半導係關於一氮基化合物半導體之半導體裝置及製造 出夫热乂置之方法’較特別的是，本發明關於一種可發射 2柏& 44· 0奈米波長藍/紫色光之半導體雷射裴置。 相關技藝說明 混人ΐ氣化鎵（GaN)、氮化鋁（A1N)、氤化銦（InN)、或其 '帶二所製成之氮基化合物半導體具有1. 9-6. 2eV之寬 先夏，故預期其可做為一半導體材料而用於涵蓋可見 ^ ^ ^ ^ ^ //r # ^ ^ λ /、/皮長且係错由此材料而達成之半導體雷射裝置 一次代低密度光碟之光源，其研究與發展正在世界 工热烈進行。 下光碟光源之此一半導體雷射裝置實際應闬上需要以 戶:與均勻度：半導體雷射裝置中所包含複數半導體 ^ 又及一波導結構例如一嵌埋結構，以利取得單一横 °，振盪。以一氮基化合物半導體之半導體雷射裝置而· i波ί = Π使…刻技術’而可精確且均勻地控 以下將說明某些用於氮基化合物半導體之習知蝕

術。 * H 其中一種技術為利用氣化硼（Bcl3)與氮（Ν2)做為蝕 之乾式蝕刻技術（見於電子材料期刊第26冊199? 號F.Ren等人所著第1287 - 1291頁）。

第4頁 五、發明說明（2) 另一技術為一蝕刻技術’俗稱濕式蝕刻，其中一載體1摻 雜式氮基化合物半導體係藉由浸入氩氧化鉀或磷酸之水溶 液中，且以能量較大於氮基化合物半導體帶隙能量之光線 照射而蝕刻（見於9-232681號日本公開案、1998年5月號之 應用物理學第72冊由C.Youtsey等人所著第560-562頁、及 1998年8月號之應用物理學第72冊由l. H. Peng等人所著第 939-94 1 頁）》 利用諸此技術而可取得單一橫向式振盪之氮基化合物半 導體雷射裝置例如揭露於6_198〇1號日本公開案，此半導 趙雷射裝置將參考圖5以説明之。 巧：5’氮基化合物半導體雷射裝置包括一基材】，且 tf、一二，換雜式GaN之緩衝層2、—η型型接 声5、一 i lfl lGa°.9N之11型包層4、一n型6』之11型光導 成一多量子’共ine.15Ga"5N井層與In〇.〇2GaQ 98N障壁層交錯生 一P型A1 Ga ^之j舌性層6、一公型㈣之15型光導層7、及 層8上之槽道結構9導：：=置又進-步包括-形成於包 型接觸層10，櫓/成於槽道結構9上之ρ型GaN ρ 槽道結包括^構9做為—波導件之—部份。. 中設有一槽道條11 ^AlQ1Ga。in型電流阻制層u，表 Α、5^.95Ν p型'包二^一形成於電流阻制層1 2上之p型 η型接觸層3之 型接觸層3之曝顆主刀表面曝現，且一 η型電極13形成於η 曝現表面上’再者’ 1型:電極14形成於Μ

五、發明說明（3) 一 ~"—' ' --- 接觸層10上。 ， =造槽道結構9之一方法將參考圖6A至6(：說明之。 成 p型包層8形成於基材1上後，η型電流阻制層1 2即形 第Ρ型包層8上。一光罩15具有一長條形開孔且長條 ^ )預定寬度，光罩接附於η型電流阻制層丨2上（如圖 對應於光罩1 5開孔之η型電流阻制層丨2 —部份利用蝕刻 除’以形成一槽道（如圖6Β)，隨後去除光罩15，第二ρ Μ包層11形成於槽道與剩餘η型電流阻制層12上（如圖 6.0 〇 上述習知技術具有以下問題。 ί 為了提供可單一橫向振盪之氮基化合物半導體雷射裝置 « 人 之π人滿意產量，最重要的是控制槽道結構9之形狀與厚 度’為了達到此目的，必須精確且均勻地控制钱刻，以利 取得精確與均勻之槽道深度，其係藉由蝕除對應於先罩15 開孔之η型電流阻制層ί 2部份而成。 對於習知之濕式蝕刻技術，上述參考資料揭示一種技 術’其中一蝕刻終止層用以將蝕刻終止於此.，惟’在此例 子中一欲蝕刻之層及钱刻終土層係藉由改#其載體密度而 產生，雖然其難.以精碟且均勻地控制載體密度，因此，：：欲 蝕刻層與蝕刻終止層之姓刻遠擇性可變化，其造成欲蝕刻 層與蝕刻終止層之蝕刻表面上呈粗糙。 對於習知之乾式银刻技術，一银刻選擇性未能相關於氮 基化合物半導體而得知，因此相信其無法提供一蝕刻終止

第6 I 五、發明說明（4) 層，大體而言，由於η型電流阻制層1 2與第一 p型包層8真 有相同或相似成分，因此蝕刻並未終止於η型電流阻制層 12，且其進行於第一 ρ型包層8中。據此，在去除η型電流 阻制層1 2之步驟中，其即難以精確且均勻地控制蝕刻深 Μ 度。 因此其難以提供可單一橫向式振盪之氮基化合物半導體 雷射裝置之令人滿意產量。 發明概述 本發明之一種半導體裝置，包括一基材；一多層式結 構，係提供於基材上；一第I I I列氮化物之第一導電式蝕 刻終止層，係提供於多層式結構上；及一第I 11列氮化物 之第二導電式蝕刻終止層，係提供於蝕刻終止層上；第一 半導體層中所包括第I 11列氮化物成分中之鋁質量分量較 少於蝕刻終止層中所包括第111列氮化物成分中者。 據此，由於银刻終，止層成分中之铭質量分量較多於第一 半導體層者且其形成於第一半導體層下方，因此在第一半 導體層中進行之蝕刻大致上即終止於蝕刻終止層。 在本發明之一實例中，多層式結構包括一第I I I列氮化 物之第二半導體層，第二半導體層中所包括之第III列氮 化物成分t之鋁質量分量係較少於蝕刻終止層中所包括二第 I I I列氮化物成分中者。 據此，第二半導體層具有較高於蝕刻終止層者之折射指 數。 在本發明之一實例中，多層式結構包括一活性層。

43 9336 五、發明說明（5) 據此可取得一具有高精確度波導結構之半導體裝置二 在本發明之一實例中，第一半導體層不容許電流通過， 及一槽道係沿著第一半導體層中之< 1，1, - 2，0 >方向提供， 且槽道到達银刻終止層。 據此，第一半導體層有如一電流阻制層，藉此在槽道之 斜侧上取得令人滿意之晶體生長。 在本發明之一實例中，在半導體叢置中，第二導電式可

Jr 不同於第一導電式。

本發明之一種製造一半導體裝置之方法，其包括以下步 驟：形成一多層式結構於一基材上；形成一第ί I I列氮化物 之第一導電式蝕刻終止層於多層式結構上；形成一第I I I 列氮化物之第二導電式第一半導體層於蝕刻終止層上，第 一半導體層中所包括之第I I I列氮化物成分中之鋁質量分 量係較少於蝕刻終止層中所包括第I I I列氮化物成分中 者；及藉由氣體蝕刻以去除至少一部份第一半導體層。 據此，蝕刻終止層與第一半導體層間之鋁質量分量差.異 造成蝕刻選擇性，藉此可以精確且均勻地控制第一半導體 層之独刻。

在本發明之一實例中，氣體蝕刻係利用氣化硼與氮之氣 體混合物進行。 二 據此，由於氯化硼與氮化氣體混合物係用於乾式蝕刻， 因此蝕刻之均勻度可以進一步改善。 在本發明之一實例中，氣體蝕刻係沿著第一半導體層中 之<1，1，-2,0>方向以提供一槽道。

第8頁 δ 3 93 3 6 五、發明說明（6) " ~~~~" --—- 據此，令人滿意之晶體生長可在沿著第一半導體層中：之 〈1，1，- 2，0 >方向所提供之槽道斜側上取得。 在本發明之一實例中’在方法中，第二導電式可不同於 第一導電式。 .、 因此’本發明之優點在於（1)提供一較先前技藝有精確 波導結構之半導體雷射；及（2)提供一製造此半導體裝置 之方法。 本發明之上述及其他優點可由習於此技者審讀以下詳細 說明與相關圖式後得知β 圖式簡單說明 圖1係本發明半導體裝置之截面圖。 圖2Α至2C係以截面圖說明製造圖1所示半導體裝置之方 法。 圖3係以截面圖說明用於一實驗中之氮基化合物半導體 裝置結構，用於評估一蚀刻速率對Α \GanN中鋁質量分 量。 圖4係以圖表說明AlxGa^N混合結晶層中之鋁質量分量與 乾式蝕刻速率間之關係。 圖5係以戴面圖說明一習知之半導體發光裝置。 圖6A至6C係以截面圖說明製造圖5所示習知半導體裝置 之方法。 較佳實例說明 文後，本發明之一實例將參考相關圖式說明之。 圖1揭示本發明實例之一半導體發光裝置截面圖，如圖1

4 3 933 6 ^ 五、發明說明（7) 所示，半導體發光裝置包括一基材1，例如由具有一二 (〇,〇,〇,〇平面做為主表面之藍寶石製成，及進—步包括 一具有300埃厚度之未捧雜式GaN緩衝層2、一具有2微米厚 度之η型GaN η型接觸層3、一具有1微米厚度之η型 AluGa。gNn型包層4、一具有400埃厚度2n-GaMn型光導 .層5、一由三對各具有30埃之一 Ino uGauJ井層與具有50 埃之一 障壁層交錯形成之三量子井層式活性層 6、一具有400埃厚度之p型GaNp型光導層7、及一具有0.1 微米厚度之P型A 1Q」Ga〇.gN第一p型包層8，諸層.係依序形成 於基#1上。半導體發光層又包括一設於第一 p型包層8上 之槽道結構16、及一設於槽道結構16上且具有1微米厚度 之P型GaN P型接觸層1〇 ’η型接觸層3表.面之一部份曝現出 來，且一 η型電極13利用依序積置鈦與金各達到1微米厚度 而形成於η型接觸層3之曝現表面上，一ρ型電極14則利用 依序積置鎳與金各達到0.1微米厚度而形成於ρ塑接觸層10 上。 槽道結構1 6包括一具有5 0 0埃厚度之ρ型AlQ 2GaQ.8N蝕刻 終止層17、一具有0.4微米厚度且内部設有一槽道條之η型 AluGa^Nii型電流阻制層1 2、及一具有1. 4微米厚度且形 成於槽道與剩餘η塑電流阻制層12上之ρ型Al^ .^Gao.gsN第三 p型包層11。在槽道結構W中，一槽道係提供於 <1，1，-2, 0>方向中，且槽道頂緣之間.之一寬度為4微采’ 槽道之< 1，1，-2，0 >方向導致在槽道斜侧上有令人滿意之晶 體生長。

第10頁 五、發明說明（8) η型接觸層3、η型包層4、η型光導層5、型電流阻鈿 層1 2係摻入矽（S i )，以利分別具有5 X 1 0〗8厘米-3、1 X丨〇ΐ8 厘米-3、5 X 1 〇17厘米-3 '及1 x 1 〇18厘米-3之载體密度，p型 光導層7'第一 P型包層8、蝕刻終止層17、第二p型包層 1 1、及p型接觸層1 〇係摻入鎂（Mg )’以利分別具有5 X 1 017 厘米'3、1 X 1 018 厘米 ~3、1 X 1〇18 厘米_3、1 X 1 Ou 厘米-3、.及5 X 1 〇17厘米-3之載體密度。 一垂直於<1,1，- 2，0>方向之平面做為一振靈器（圖中未 示）之一端面β 由上述結構中可以看出，在其成分中具有較高於在η型 電流阻制層1 2内之鋁質量分量之蚀.刻終止層1 7係形成於打 型電流阻制層1 2下方，使得η型電流阻制層1 2之蝕刻可終 止於钱刻終止層1 7 ’因此，其可精綠且均勻地控制η型電 流阻制層12中之蝕刻深度，比先前技藝更能生成一較精確 之波導結構。 ' 此外’银刻終止層1 7在其成分中具有較高於在蝕刻終土 層17下方形成之第一 ρ型包層8内之銘質量分量，隨著鋁質 量分量增加則一折射指數減小，因此蝕刻终止層丨7可以令 人滿意地拘限光線。 現在，一犍製成本發明實例半導體發光裝置之方法將:表 考圖2Α至2C:說明之。 ’ 藍寶石基材1經過清潔且置入一金屬有機化學氣體積置 (M0CVD)裝置内，基材1在氨（ΝΗ3)環境中加熱至ll〇〇eC，

第11頁 五、發明說明（g) — - 隨後使用三曱基鎵（TMG)、三甲基鋁（TMA)、三甲基姻二 (TMI)、氨、矽烷（SiH4)、及環戊基鎂（Cp2Mg)、及氫（H ) 或氣（K)做為載體氣體，總壓力為760托，上述緩衝廣$、 11型接觸層3、η型包層4、η型光導層5、活性層6、p型"光導 層7、第一p型包層8、蝕刻終止層丨7、及^型電流阻制層1 2 即依序利用MOCVD形成於基材1上。圖2Α所示上述.層形成於 基材1上之結構將在文後稱為—基材結構。諸層之晶體生 長溫度為緩衝層2用600 eC，η型接觸層3、η型包層4及!！型 光導層5用1〇5〇 °C ，活性層6用80 0 °C ，ρ型光導層7、第一ρ 型包層8、钱刻終止層1 7及η型電流阻制層1 2周1 〇 5 〇 。乳 氣在活性層6之生成中做為載體氣體，而氩氣做為其他層 之載體氣體。 隨後’基材結構之溫度冷却至室溫，隨後穩出MOCVD裝 置外。 此時鎳積置1微米厚度於η型電流阻制層12之一表面上， 鎳利用光學蝕刻以形成一光罩1 8，光罩具有一長條形且4 微米寬度之開孔’生成之基4才結構則置入一乾式银刻裝置 内。 反應離子钱刻（以下稱為R I Ε )係在乾式餘刻裝置中進行 蝕刻，其壓力為20毫托與RF功率為150瓦，而供給1〇 scilfl 三氯化硼（BC13)及5 seem氮，對應於光罩18開礼之n型電 流阻制層1 2 —部份去除，藉以曝現出餘刻終止層1 7 (如圖 2Β) ° 隨後基材結構移離乾式钱刻裝置外，再以氫氯酸去除光

五、發明說明（10) ' ------- 罩1 8，然後清潔乾淨。 基材結構再次置入MOCVD裝置内，第二p型包層 用 MOCYD而形成型電流阻制層丨2與蝕刻終止層丨？利T 型接觸層10利甩MOCVD以進一步形， (如圖2C)。 基枯結構攜出MOCVD裝置外’且再次放入乾式麵 置，基材結構蝕刻以向下去除p型接觸孔丨〇之— : 面至η型接觸層3，使η型接觸層3之一部份頂表面^ $隨 後Ρ型電極14利同依序積置鎳與金而形成於卩型接觸^1〇 , 且η型電極13利用依序積置鈦與金而形成型接觸^3之 曝現表面上。 a 最後，基材結構清潔以產生一振盪器之端面，藉以完成 半導體發光裝置。

依據此製造方法，在其成分中具有較高铭質量分量之鈔 刻終止層1 7係形成於η型電流阻制層1 2下方，造成蚀刻選 擇性以供做乾式蝕刻，因此餘刻可以大致終止於η型電流 阻制層1 2與蝕刻終止層1 7間之介面《如上所述，鋁質量分 量中之差異造成蝕刻選擇性，藉此可精確且均勻地控制η 型電流阻制層1 2之蝕刻，結果其可較先前技藝精硪地控制 波導件之結構，以利提供可做單一橫向式振盪之氬基化Γ合 物半導體雷射裝置令人滿意之產量。 此外’在乾式蝕刻中，其使用BC 13與氮之氣體混合物’ 以進一步改善银刻均勻度。 在此，本文說明乾式蝕刻之蝕刻選擇性如何取決於氮基

第13頁 439336 五、發明說明（11) 化合物半導體成分中之銘質量分量，此將說明姓刻終止=層 1 7之效應。 一氮基化合物半導體裝置製成，其截面圖揭示於圖3， 氮基化合物半導體裝置包括一藍寶石基材1，及進一步包 括一缓衝層2、——具有2微米厚度之未摻雜式GaN層19、及 一具有1微米厚度之未摻雜式A lx G N混合結晶層2 0，諸層 係依序由MOCVD形成於一基材1上。氮基化合物半導體裝置 放入一乾式钮刻裝置中，並以RI£進行乾式蝕刻而供給1〇 seem之BCla與5 seem之氮，且乾式餘刻裝置中之壓力為 毫托及RF功率為150瓦。 評估混合結晶層2 0之钱刻速率，以改變混合結晶層2 q成 分中之艇質量分量，生成物係如圖4所示，由圖4中可以看 出當成分中之铭質量分量增加時，蝕刻速率即下降〇例如 當X = 0. 1 ’姓刻速率為430埃/分，而x = 〇. 2，蝕刻速率為 310埃/分，X = 0. 5，則蝕刻速率為〇埃/分，意即混合結晶 層20大致上並未蝕刻。 圖4所示之生成物例如可說明當^型電流阻制層丨2成分中 之鋁質量分量為0. 1者形成於成分中之鋁質量分量為之 姓刻終止層1 7上時，银刻即大致終止於钱刻終止層1 7與η 型電流阻制層1 2間之介面處。 ' 基材1可由藍寶石以外之材料製成，例如碳化矽（s c)及 GaN。 本說明書中，槽道係利用蝕刻以形成於n型電流阻制層

第14頁 ά 3 93 3 6 五、發明說明（12) 包層11可用不同光罩製成，且η型電流阻制層12形成於矣 脊之側部上。 如上所述，本發明之舉例實例提供半導體發光裝置，其 中活性層形成於蝕刻終止層下方，惟，蝕刻終止層下方之 裝置結構可以依此方式調整，以利製成不同於半導體發光 裝置之半導體裝置（例如電晶體）。 多種不同調整型式在不脫離本發明精神範疇下仍可由習 於此技者明瞭與達成，據此，申請範圍並未侷限於文内所 述者，而應予以廣義解釋。

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Claims (1)

1. 4 3 9336 六、申請專利範圍 1· 一種半導體裝置，包含： 二 一基材； 一多層式結構’係提供於基材上； 一第I π列氮化物之第一導電式蝕刻終止層，係提供 於多層式結構上；及 一第11 I列氮化物之第二導電式蝕刻終止層，係提供 於蝕刻終止層上； 其中第一半導體層中所包括第ΠΙ列氮化物成分中之 銘質量分量較少於蝕刻終止層中所包括第11 I列氮化物成 分中者。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中第二導電 式係不同於第一導電式。 3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中多層式結 構包括一第III列氮化物之第二半導體層，第二半導體層 中所包括之第I I I列氮化物成分中之鋁質量分量係較少於 飯刻終止層中所包括第I 11列氮化物成分中者β . 4. 如申請專利範園第1項之半導體裴置’其中多層式結 構包括一活性層》 5·如申請專利範園第1項之半導體裝置，其中第一半導 體層不容許電流通過，及一槽道係沿著第一半導體層中：之 <1，1,-2, 0>方向提供，且槽道到達姓刻終止層。 6. —種製造一半導體裝置之方法，包含以下步驟： 形成一多層式結構於一基材上； · 形成一第ΠI列氛化物之第一導電式飯刻終止層於多

   第16頁 六、申請專利範圍 層式結構上； = 形成一第III列氮化物之第二導電式第一半導體層於 蝕刻終止層上，第一半導體層中所包括之第I I I列氮化物 成分中之鋁質量分量係較少於蝕刻終止層中所包括第I I I 列氮化物成分中者；及 藉由氣體蝕刻以去除至少一部份第一半導體層。 7. 如申請專利範圍第6項之製造^導體i®1置，其中 第二導電式係不同於第一導電式丨1¾ .¾¾ 8. 如申請專利範圍第6項之製導體裝_|法，其中 氣體蝕刻係利用氯化硼與氮之氣1¾¾¾合物進i®f。 9 .如申請專利範圍第·6項之t 免體裝__法，其中 氣體蝕刻沿著第一半導體層中〇>去向而提供一 '乂i ϋΓ】Γ : ΐ 槽道。

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