TWI281197B - Method for making compound semiconductor and method for making semiconductor device - Google Patents

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TWI281197B
TWI281197B TW094107072A TW94107072A TWI281197B TW I281197 B TWI281197 B TW I281197B TW 094107072 A TW094107072 A TW 094107072A TW 94107072 A TW94107072 A TW 94107072A TW I281197 B TWI281197 B TW I281197B
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Yasuo Sato
Tomonori Hino
Hironobu Narui
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Sony Corp
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Description

1281197 .九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於製造化合物半導體之方法及用於製造 半導體裝置之方法。更特定言之，本發明係關於用於製造 一包括化合物半導體層之化合物半導體之方法，該化合物 半導體層相對於基板具有2%或更高的晶格失配率，及一種 用於製造一具有該化合物半導體之半導體裝置之方法。 _ 【先前技術】 過去’在半導體構成之半導體裝置（諸如以1.3 目標波 長運作之光學裝置及兩電子遷移率電晶體）中，已使用Inp 基板，在該InP基板中晶格與包含inGaAs之化合物半導體層 、 相匹配或可實現其類似物。 然而’ InP昂貴且由於其極端之柔軟度而難以處理，且因 此在將InP用作半導體中之基板時存在若干問題。 因此，最近，已試圖將GaAs用作基板。然而，與GaAs _ 具有不同晶格常數之半導體晶體在GaAs基板上的沈積伴有 晶格失配。晶格失配會產生諸多晶體缺陷且降級結晶度。 當製造各種類型之半導體或半導體裝置時，由於半導體 製造期間產生之晶體缺陷及導致之結晶度降級，降級了特 徵並增加了缺陷百分率。 舉例而言，當製造包括半導體雷射器或半導體發光裝置 之發光裝置時，發光效率由於非輻射性複合而降低，且此 外，缺陷在操作期間增加，導致了裝置之使用壽命的減少。 此外，舉例而言，當製造包括光電二極體或半導體光偵 98629-950608.doc 1281197 測器裝置之光偵測器時，由於基於非輻射性複合之載子捕 集’對接收光之回應速度減少且輸出載子捕集減少。 同時，關於其中在基板與化合物半導體層之間存在晶格 失配之半導體的製造，如圖10中之示意性截面圖中所展 示，已提議（例如，參照日本未經審查專利申請公開案第 2002-373999號）半導體1〇1 ,其中歸因於晶格失配之晶體缺 陷得以減少。在半導體101中，在形成化合物半導體層（吸 光層）1〇4之前，在inp基板102上安置一具有組合物梯度之 緩衝層103，且在該緩衝層丨〇3上安置該化合物半導體層 104，该緩衝層1〇3減少基板1〇2與化合物半導體層1〇4之間 的晶格失配。參考數字1〇5表示一窗口層。 【發明内容】 然而，上述技術僅減少晶體缺陷之數量，即位錯密度。 阻止所產生之晶體缺陷（即位錯）之影響較低，且因此不可能
充分地抑制由於產生位錯而導致的化合物半導體層之結晶 度減少。 此外，若半導體層中的銦（In)含量增加且相對於基板的晶 格失配率增加1言之，增加至2%或更多，則位錯密度迅 速增加。而對此問題的研究並未充分進行。 本發明解決與半導體製造及半導體裝置之製造相關聯的 問題，其包括上述先前技術中之半導體。 根據本發明之-實施例，在—用於製造包括_基板及一 化合物半導體層之化合物半導體之方法中，其中該化合物 半導體層相對於該基板具有2%或更高之晶格失配率，該方 98629-950608.doc 1281197 法包括··在該基板上形成—緩衝層之n晶成長步 驟’該緩衝層在厚度方向上具有預定之晶格失配率分佈以 便減少應變；及在該缓衝層上形成該化合物半導體層之一 第二蟲晶成長步驟，其中該第一蟲晶成長步驟係藉由在_ c或更低之沈積溫度下的金屬有機化學氣相沈積_咖) 來進行。 在該用於製造化合物半導體之方法中，緩衝層及化合物 +導體層較佳各包含-㈣·_化合物半導體。 在該用於製造化合物半導體之方法中，含有該緩衝層之 主要構成元素的原料在沈積溫度τ的分解效率較佳為5〇% 或更多’該原料用於金屬有機化學氣相沈積中。 在該用於製造化合物半導體之方法中，金屬有機化學氣 相沈積中之沈積溫度較佳係在3耽至鮮c之範圍内。 ”在該用於製造化合物半導體之方法中，較佳藉由複數個 緩衝子層來達成緩衝層中之晶格失配率分佈。 ，在該用於製造化合物半導體之方法中，較佳藉由具有一 梯度的分佈來達成緩衝層中之晶格失配率分佈，該梯度隨 距基板之距離而改變。 在該用於製造化合物半導體之方法中，在第一蠢晶成長 V驟中、緩衝層之一區域相對於基板之晶格失配率較佳係 在〇·7/。至2·〇%之範圍内，緩衝層的該區域具有該緩衝層四 为之一的厚度且與該基板相接觸。 在該用於製造化合物半導體之方法中，在第一蟲晶成長 步驟中’較佳形成緩衝層使得該緩衝層具有一其中晶格失 98629-950608.doc 1281197 沈積時間連續降低之區域，及一其中 配率大於該化合物半導體層之晶格失 在該用於製造化合物半導體
GaAs或Si。 4中，基板較佳包含 製造化合物半導體之方法中，在第-蟲晶成長
厂驟中，弟V族原料對第職原料之進料比較 io之範圍内。 在該用於製造化合物半導體之方法中，在第-蠢晶成長 步驟中’較佳將第三丁基砷(TBA)用作第V族原料。
配率之變化速率隨著 相對於基板之晶袼失 配率之區域。 、根據本發明之另—實施例，在—用於製造具有化合物半 V體之半導體裝置的方法中，該化合物半導體包括一基板 及一化合物半導體層，該化合物半導體層相對於基板具有 2%或更高之晶格失g時，該方法包括：在該基板上形成一 緩衝層之一第一磊晶成長步驟，該緩衝層在厚度方向上具 有預定之晶格失配率分佈以便減少應變；及在緩衝層上形 成該化合物半導體層之一第二磊晶成長步驟，其中該第一 蠢晶成長步驟係藉由在6001：或更低之沈積溫度下的金屬 有機化學氣相沈積（MOCVD)來進行。 在该用於製造半導體裝置之方法中，緩衝層及化合物半 導體層較佳各包含第III-V族化合物半導體。 在該用於製造半導體裝置之方法中，含有該緩衝層之主 要構成元素的原料在該沈積溫度下的分解效率較佳為50% 或更高，該原料用於該金屬有機化學氣相沈積中。 98629-950608.doc 1281197 在該用於製造半導體裝置之方法中，金屬有機化學氣相 沈積中之沈積溫度較佳係在35〇t至6001之範圍内。 在該用於製造半導體裝置之方法中，較佳藉由複數個緩 衝子層來達成緩衝層中的晶袼失配率分佈。 在該用於製造半導體裝置之方法中，較佳藉由具有梯度 之分佈來達成緩衝層令的晶格失配率分#，該梯度隨著距 基板之距離而改變。 在該用於製造半導體裝置之方法中，在第—蟲晶成長步 驟中’緩衝層之-區域相對於基板的晶格失配率較佳係在 0.7%至2.0%之範圍内，緩衝層的該區域具有對應於該緩衝 層厚度的四分之一的厚度且與該基板相接觸。 在該用於製造半導體裝置之方法巾，在第―蟲晶成長步 驟中:較佳形成緩衝層使得該緩衝層具有一其中晶格失配 率之變化速率隨著沈積時間連續降低之區域，及一其中相 對於基板之晶格失配率大於該化合物半導體層之晶格失配 率之區域。 在該用於製造半導體裝置之方法中，基板較佳 s 或Si 〇 =該用於製造半導體襄置之方法中，在第—蟲晶成長步 射’ 族原料㈣111族原料之進·較佳録0.7至10 之範圍内。 驟^該用^製料導體裝置之方法中，在第一蟲晶成長步 ，車乂仫將弟三丁基神（TBA)用作第V族原料。 在本电明中，化合物半導體層或緩衝層相對於基板之晶 98629-950608.doc -10- 1281197 . 1 格失配率根據以下陳述式（υ來定義，其中s為晶格失配 率，al為基板之晶格常數，且a2為具有給定比含量之化合 物半導體層或緩衝層的晶袼常數。 S=(a2- al)/ alxlOO 陳述式（1) 在根據本發明之該等實施例的該用於製造化合物半導體 之方法或該用於製造半導體裝置之方法中，在包括該基板 及相對於該基板具有2%或更高之晶格失配率的化合物半 . 導體層的化合物半導體的製造中，在形成該化合物半導體 層之前，進行在基板上形成緩衝層之第一磊晶成長步驟， 該緩衝層相對於該基板之晶格失配率在該厚度方向上分 佈，意即，連續或逐步改變，且將該第一磊晶成長步驟中 _ 的沈積溫度設定為低於習知使用之溫度.，意即，設定為6〇〇 • °C或更低。因此，如下文將描述，化合物半導體層中基於 晶格失配之晶體缺陷（意即，位錯）的產生可得到抑制。 此外，在該用於製造化合物半導體之方法或該用於製造 •半導體裝置之方法中H之，當設計緩衝層以便包括複 數個緩衝子層且晶格失配逐步改變時，即使在緩衝層中產 生晶體缺陷（意即，位錯），仍有可能阻止晶體缺陷以便不在 化合物半導體層中引起缺陷。因此，可充分抑制化合物半 導體層之結晶度的減少。 此外，在該用於製造化合物半導體之方法或該用於製造 半導體裝置之方法中，當第一磊晶成長步驟係在6〇〇t或更 低溫度下藉由MOCVD來進行時，由於具有足夠高之分解效 率的材料（例如TBA)可用作原料，該原料含有該緩衝層之>主 98629-950608.doc • 11 · 1281197 要構成元素，因此可有效形成該緩衝層，且亦可改良大規 杈生產能力。此外，由於該方法不使用高毒性砷，所以有 可能減少用於達成安全操作及中和毒性物質之成本。
此外，在該用於製造化合物半導體之方法或該用於製造 半導體裝置之方法中成長步驟中，可將緩衝 層之一區域相對於基板的晶格失配率設定在〇7%至之 範圍内，緩衝層的該區域具有該緩衝層厚度之四分之一之 厚度且與該基板相接觸。因此，根據下文將描述之理由， 可進一步改良化合物半導體層的結晶度。 此外，在該用於製造化合物半導體之方法或該用於製造 半導體裝置之方法中，在第一蟲晶成長步驟中，可形成缓 衝層使仟β亥緩衝層具有一其中晶格失配率變化速率隨著沈 積時間而連續降低的區域，及一其中相對於基板的晶格失 配率大於該化合物半導體層之晶格失配率的區域。因此， 即使當使構成該所得化合物半導體之緩衝層的晶格常數愈 歸因於緩衝層與基板之間的晶格失配之理論值相比較更接 近該基板的晶格常數時’仍可減少該緩衝層與形成於該緩 衝層上之化合物半導體層之間的晶格常數差異。 、，此外以用於製造化合物半導體之方法或該用於製造 半導體裝置之方法中’在第一蟲晶成長步驟中，可將沈積 溫度設定在3 5 0。〇至6 0 D t — μ κι 、 乾圍内’且可將第v族原料對第 III無原料的進料比$ $ + 卞十比叹疋在0.7至10之範圍内。因此， 將砷用作該第V族®料，如，， 、原科，例如，當使用TBA執行製 可避免沈積速率的降低及^度㈣級。 98629-950608.doc 1281197 此外，在該用於製造化合物半導體之方法或該用於製造 半導體裝置之方法中，即使當化合物半導體層相對於基板 的晶格失配率為2%或更高時，使用包含GaAs或Si之基板來 製造化合物半導體或半導體裝置仍為可能的，此種基板比 InP基板價格更低。該方法可應用於整合裝置及光接收裝置 /發光裝置之製造。舉例而言，可製造加值裝置，諸如用於 在1·3 μηι至1·5 μηι波長範圍内之光通信的光學裝置。本發明 可帶來許多顯著優點。 【實施方式】 將參考圖式來描述本發明之實施例。應理解本發明不限 於該等實施例。 將參考圖1至圖7及表1來描述用於根據本發明之實施例 製造化合物半導體的方法。 首先，將描述用於根據本發明之一實施例製造化合物半 導體方法中使用之用於製造化合物半導體的設備之實例及
其操作條件。 【用於製造化合物半導體之設備及操作條件】 如圖1之示意圖中所示’製造設備1Η系-金屬有機化學氣 相沈積（MOCVD)設傷。 使用》亥MOCVD设備，藉由進行在基板2上形成緩衝層3 的第一蟲晶成長步驟及在緩衝層3上形成化合物半導體層4 的第二蟲晶成長步驟，來製造所要化合物半導體卜如圖2Α 之示意性截面圖中所示。 在此實例中 設備11包括原料進料系統lla及薄膜沈積系 98629-950608.doc •13- 1281197 統lib，原料自原料進料系統ua供應至薄膜沈積系統llb， 且在薄膜沈積系統11 b中執行所要之薄膜沈積，意即，缓衝 層3及化合物半導體4之沈積。 原料進料系統11a至少包括一氣體進料單元12及一起泡 器單元14 〇 氣體進料單元12(例如）包括用於供應作為載氣之氫氣（h2) 的氣體供應源12a、12b、12c及12e，及一神（AsH3)供應源， 且亦包括流量控制器13a至13e，其分別控制來自氣體供應 源12a至12e的氣體流。 起泡器單元14(例如）包括起泡器14a、14b及14c，其分別 構成三曱基砷（TMA)、三曱基銦（TMI)及第三丁基砷（TBA) 之蒸汽供應源。 薄膜沈積糸統11 b包括沈積腔室16，在其中執行所要之薄 膜沈積。用於支撐基板2的晶座17安置於沈積腔室16中。沈 積腔室16具備一氣體入口及一氣體出口（意即，排氣口 19)， 來自原料進料系統11a之氣體供應管線15連接至該氣體入 v 〇 此外，沈積腔室16具備一力口熱器1 §，例如，高頻加熱線 圈裝置。 藉由製造設備11，在置放於沈積腔室16中的晶座17上之 基板2上沈積薄膜。基板2包含（例如）GaAs或Si。 在該薄膜沈積過程中，來自氣體供應源12a至12c的氫氣 流動速率分別由流量控制器13a至13c加以控制，且將氫氣 饋入起泡器14a至14c。藉由起泡來蒸發起泡器14a至14c中 98629-950608.doc -14 - 1281197 之原料’意即，此實例中的ΤΜΑ、TMI及ΤΒ A。 同時’來自氣體供應源12d及12e之原料氣體及載氣（氫氣） 的流動速率分別由流量控制器13d及13e加以控制，且此等 氣體’連同來自起泡器14a至14c的原料氣體，饋入通向薄 膜沈積系統11 b的供應管線15。 在此彳月形中’氣體流動速率由流量控制器13 a至13 e加以 控制。每一種氣體的真實流動體積由下式確定：（氣體供應 鲁源中之氣體密度）x(氣體流動速率）。來自起泡器1乜至Uc 中的母一個之原料氣體的真實流動體積由下式確定：（載氣 流動速率）x(起泡器中之原料蒸汽壓力）/(起泡器中之内部 壓力）。 ^ 來自原料進料系統11 a之供應管線15的混合氣體被導入 • 沈積腔室16以產生一混合氣體氣氛，且該混合氣體被饋至 已由加熱器18加熱之晶座17上的基板2上。基於該基板上之 原料的熱裂解（pyrolysis)而得以執行晶體成長。 _ 藉由排氣口 19來調節或控制沈積腔室16中的壓力，可選 擇薄膜沈積系統1 lb中之基板2上的個別磊晶成長步驟的條 件。 在製造設備11中，通常難以直接量測薄膜沈積系統丨lb中 之沈積腔室16中的沈積溫度。因此，例如，藉由晶座丨7中 所提供之熱電偶來量測晶座17之溫度。 在此情形中，例如，使用A1之熔點660°C及Si與A1的共、熔 溫度577它來預先獲得由熱電偶量測之溫度與沈積腔室16 中的實際溫度之間的差異，且基於該結果執行校正。因此， 98629-950608.doc -15· 1281197 « * • 藉由使用熱電偶來量測晶座17的溫度，可量測沈積腔室16 中的貫際溫度，意即，沈積溫度。 【用於檢驗沈積條件的實驗性實例】 以下將描述用於檢驗使用製造設備丨丨所製造之化合物半 導體1的沈積條件的實驗性實例。 在此實驗中，如上文所描述，自氣體供應源12a至12〇及 12e供應氫氣，而自氣體供應源12d供應砷（AsH3)。三甲基 馨鎵（TMG; Ga(CH3)3)及三甲基銦（TMI; In(CH3)3)，作為第ΙΠ 族原料，分別自起泡器14a及14b獲得，且砷，作為第ν族原 料，自起泡器14c獲得。 進行一第一磊晶成長步驟及一第二磊晶成長步驟以沈積 • 包括緩衝層3及化合物半導體層4的疊層半導體層，該第一 磊晶成長步驟在600°C之沈積溫度下在包含GaAs之基板2上 形成具有組合物InxGa(1-X)As之緩衝層3，該銦（In)含量X自0 至0.45變化，該第二蠢晶成長步驟以形成具有ιη含量為0.45 之組合物In〇.45Ga().55As之化合物半導體層4。
• 在此實驗中，TMG的流動速率為8.7X10-6 mol/min，TMI 的流動速率為1 ·0χ1(Γ5 mol/min，且砰的流動速率為J 5χΐ 〇_3 mol/min。第V族原料對第III族原料之比率，即ν/ΙΠ比，為 80 〇 砰在600 °C下的分解效率約為50% (參看：J〇umal 〇f Crystal Growth 115 (1991) 1-11) 〇 在此實驗中製造的化合物半導體1之化合物半導體層4的 位錯密度由一透射電子顯微鏡（TEM)量測為5χ1〇7 cm-3。因 98629-950608.doc -16 - 1281197 ，此，吾人發現在化合物半導體層4中產生了許多位錯，即， 晶體缺陷。 在除V/III比改變之外的相同之條件τ重複該用於選擇沈 積條件的實驗。然而，位錯密度的減少並未得到證實。 【用於製造化合物半導體之方法的第一實例】 藉由根據本發明之一實施例之方法製造化合物半導體， 其中緩衝層及化合物半導體層的沈積溫度有變化。將參看 圖2至圖4來描述用於製造該化合物半導體之方法的第一實 ’例。 在遠第一實例中，在參看圖1描述之製造設備中，作為第 III族原料之TMG (Ga(CH3)3)及TMI (In(CH3)3)裝入起泡器 14a及 14b 中。 一 若作為第V族原料之砷裝入起泡器14c，則在一低於60〇ι 之溫度下（例如，在520°C下）分解效率會降低，且第m族元 素（意即Ga及In)的進料速率變得過度，導致該緩衝層及該化 _ 合物半導體層的結晶度降級。因此，在此實例中，使用作 為第V族原料第三丁基砷（Tba)，TBA甚至在600°C或更低之 溫度下具有高分解效率（例如，70%或更高）。 此外’若該溫度改變，則存在由於（例如）Ga及In之遷移 性在晶體成長期間降低而可降級結晶度之可能性，從而導 致產生孔或其類似物。因此，需要降低ν/ΠΙ比來防止孔的 產生使仔促進Ga及In的遷移性。 根據上述觀點，在此實例中，將TMG的流動速率設定為 8·7χ 1(T6 m〇1/min，將tmi的流動速率設定為1.0 X ΙΟ·5 98629.950608.do, -17· 1281197 . * ， mol/min，且將TBA的流動速率設定為2·7χ10-5 mol/min。將 V/III比設定為1.5。 在該第一實例中，基板之晶格常數為5.65A且化合物半導 體層之晶格常數為5.84 A。因此，根據陳述式（1)，該化合 物半導體層對該基板的晶格失配率為3.4%。 在上述條件下，使用圖i中所示之製造設備，在5201、 5 80°C、600°C、及610°C之沈積溫度下製造具有圖2A中所示 g 結構的化合物半導體1。 進行一第一磊晶成長步驟及一第二磊晶成長步驟來沈積 包括緩衝層3及化合物半導體層4的每一疊層半導體層，該 第一蠢晶成長步驟在包含GaAs之基板2上形成具有組合物 . InxGa(i-x)AW緩衝層3 (1 μιη厚），In含量X自〇至0.45變化， ▲ 該第二磊晶成長步驟形成具有In含量為〇·45之組合物
In0.45GaG.55As之化合物半導體層4 (1 μιη厚）。 如圖2Β中所示，形成緩衝層3使得in含量連續增加且化含 _ 量改變率隨著厚度減少。 另外’並非總需要以此方式形成緩衝層3。可將ιη含量改 變率，意即，相對於基板的晶格失配率之改變率，設定成 所要之改變率。舉例而言，可形成緩衝層3使得匕含量隨著 厚度線性地增加。 藉由TEM來量測在52(TC、580°C、600。(：、及610它之沈積 溫度下製造的化合物半導體丨中的每一個之化合物半導體 層4的位錯密度。其結果展示於下表1中。 表1 98629-950608.doc •18- 1281197 沈積溫度(°c) 520 580 600 610 位錯密度(cm_2) 2.3 X 1〇6 1.8 X 1〇6 4.0 X 107 1.7 X 108 如根據表1所顯而易見，當沈積溫度設定為較低，例如52〇 C或580 C時，則化合物半導體層4之位錯密度得以減少且 晶體缺陷之產生得以抑制。吾人相信此理由係沈積溫度的 降低抑制了位錯的增加且因此改良了結晶度。若沈積溫度 增加至高於6001 ,則位錯之增加增強。舉例而言，如表j 中所示，在580C之沈積溫度下製造的化合物半導體中的位 • 錯密度約為在61〇°C之沈積溫度下製造之化合物半導體中 的位錯密度的一百分之一。 因此，根據本發明之該實施例，藉由選擇沈積溫度以及 V/III比，且在此實例中藉由將沈積溫度設定在6〇〇。〇或更 . 低，有可能製造包括一化合物半導體層之化合物半導體， - 該化合物半導體層相對於基板具有2%或更高之晶格失配 率，其中該化合物半導體層之結晶度得到改良。 接著，將關於在每一沈積溫度下製造之每一化合物半導 • 體中的化合物半導體層，來描述基於X射線繞射法中之又射 線半高全寬（FWHM)的結晶度量測。 一般而言，X射線自晶體繞射之條件可根據以下陳述式（2) 來加以表述，其中λ為入射X射線光束的波長，d為晶格平面 之間的距離，且Θ為繞射角。 在X射線繞射法中，從根本上量測來自晶體的繞射曲線， 思即，經繞射之X射線之強度的角相依性。有可能根據該繞 射曲線之分量（諸如繞射角度、FWHM及繞射強度）獲得關於 待量測之物件之結晶度的各種類型的資訊。 98629-950608.doc -19- 1281197 • 在上述該等分量之中，詳言之，FWHM被認為係確定晶 體之晶格平面配置中之完整性的基礎，且通常係晶體獨立 於設備功能的固有特徵，因此係重要的。較窄之FWHM指 示待量測物件之較低數量之晶體缺陷及較佳之結晶度。 在此實施例中，將X射線FWHM定義為待量測物件（意 即’化合物半導體層4)的（004)方向中的〇方向中的FWHM。 2d 8ίηθ=λ 陳述式（2) _ 藉由X射線FWHM來量測在每一沈積溫度下製造之每一 化合物半導體的化合物半導體層的結晶度，並將參看圖3 之圖表描述其結果。 如圖3中所示，獲得了由曲線a所指示之結果。在藉由根 • 據本發明之該實施例之方法所製造的化合物半導體中，位 • 錯雄、度較佳為約5x107 cnT2或更低，且對應地，X射線fwHM 較佳約為1，200 sec或更低。 在圖3所示結果中，當沈積溫度超過6〇〇時，X射線 _ FWHM迅速增加。因此，在此實例中之化合物半導體製造 中，較佳地將沈積溫度設定為6〇〇。(：或更低。 然而，若沈積溫度過度降低，例如，降至3 5 〇 或更低， 則第V私原料及第πΐ族原料之分解效率降低，且緩衝層及 * 化合物半導體層在基板2上的沈積率迅速降低。 因此，在此實例中之化合物半導體的製造中，尤其較佳 將沈積溫度設定在35(TC至600°C之範圍内。 接著，關於藉由根據本發明之實施例之方法，意即，使 用圖1中所示之製造設備，以58(rCi固定沈積溫度及變化 98629-950608.doc -20- 1281197 t ' . 之ν/ΙΠ比所製造的化合物半導體，將參看圖4來描述x射線 FWHM之量測結果。 如上文所描述，位錯密度較佳為約5xl〇7cm·2或更小，且 X射線FWHM較佳為約i，2〇〇 sec或更小。根據圖4中所示之 量測結果，在580T：之沈積溫度下，當v/m比在係在〇·7至9 之範圍内時，X射線FWHM為l，20〇sec或更小。因此，在此 實例中，最優之V/III比係在〇·7至9〇之範圍内。 ，【用於製造化合物半導體之方法的第二實例】 將參看圖5 Α及圖5 Β來描述用於根據本發明之一實施例 製造化合物半導體的方法的第二實例。 在此實例中，如圖5 A之示意性截面圖中所示，化合物半 導體1包括一基板2、一緩衝層3及一化合物半導體層4。不 同於第一實例，形成緩衝層3使得銦（In)含量逐步增加，而 非連續增加，如圖5B中所示。即，在此實例中，緩衝層3 包括複數個緩衝子層，即，緩衝子層3a至3d。 .當緩衝層3之In含量逐步增加時，厚度與In含量增加之間 的關係不限於圖5B所示之實例，且In含量可按所要之時間 間隔增加。 在該第二實例中，在參看圖1所描述之製造設備中，作為 第III族原料之TMG (Ga(CH3)3)及TMI (In (CH3)3)裝入起泡 器14a及14b。如在第一實例中TBA用作第v族原料，TBA甚 至在600°C或更低溫度下具有70%或更高之分解效率。 在製k中’ TMG的流動速率為8.7x 1 (Γ6 mol/min，TMI的 流動速率為1·〇χ1(Γ5 m〇l/min，且TBA的流動速率為2·7χ1(Γ5 98629-950608.doc -21 - 1281197 % 1 . mol/min。V/III 比為 1.5。 在該第二實例中，基板之晶格常數為5·65 Α且化合物半 導體層之晶格常數為5·84 Α。因此，根據陳述式（丨），化合 物半導體層對基板之晶格失配率為3 ·4%。 在此實例中，將GaAs基板製備為基板2，且藉由在基板2 上以以下次序逐步沈積包含InG wAsi第一緩衝子層 3a (3 50 nm厚）、包含 In〇.28Ga〇.72As之第二緩衝子層 3b (350 _ nm厚）、包含inowGao.HAs之第三緩衝子層孔（35〇 nm厚）、 及包含In^GamAs之第四緩衝子層3d (1 μη^)，來形成 緩衝層3。 藉由將沈積溫度設定在350°C至600°C之範圍内，並使用 — TB A作為弟V族原料，有可能製造化合物半導體1，其包括 一具有如第一實例中之低位錯密度及令人滿意的結晶度之 化合物半導體層4。 【用於製造化合物半導體之方法的第三實例】 • 將參看圖6A及6B及圖7來描述用於製造根據本發明之一 實施例之化合物半導體的方法的第三實例。 在該第三實例中，在參看圖1所描述之製造設備中，作為 第III族原料之TMG (Ga (CH3)3)及TMI (In (CH3)3)裝入起泡 Is 14a及14b。如在第一實例中TBA用作第V族原料，TBA甚 至在600°C或更低温度下具有70%或更高之分解效率。 在製造中，TMG的流動速率為8·7χ10_6 mol/min，TMI的 流動速率為l.OxlCT5 m〇l/min，且TBA的流動速率為2·7χ1〇-5 mol/min。V/III比為 1.5。 98629-950608.doc -22- 1281197
* I - 在該第三實例中，基板之晶格常數為5.43 A且化合物半 V體層之晶格常數為5·84 A。因此，根據陳述式〇)，化合 物半導體層對基板之晶格失配率為7.6¾。 在通常的方法中，若在一以基板上直接沈積GaAs層，則 會產生諸多缺陷。即使藉由一緩衝層形成化合物半導體 層’結晶度還會不可避免地降級。 在此貝例中，在化合物半導體丨的製造中，在形成緩衝層 _ 3之刖，藉由下文所述之兩階段沈積法在包含Si的基板2上 形成第一緩衝層下層5及第二緩衝下層6。 在該兩階段沈積法中，該第一緩衝下層5 (1〇〇人厚）在低 沈積溫度下形成，例如，在3〇(rc。隨後，藉由升高溫度， 例如，至800 c，來執行5分鐘退火處理，以促進該第一緩 . 衝下層5中的位錯（意即晶體缺陷）移動使得位錯由於位錯之 接合而減少。然後在高溫下，例如，在6〇〇。〇下形成第二緩 衝下層6 (1 μηι厚）。 _ 在第二緩衝下層6形成後，在該第二緩衝下層6上形成具 有組合物InxGa(1-x)之緩衝層3。 如圖6B中所示，形成緩衝層3使得“含量連續增加且以含 •量變化率隨厚度降低。 ，另外’不需要總是以此方式形成緩衝層3。可將In含量改 又率，思即，相對於基板的晶格失配率之改變率，設定成 所要之改變率。舉例而言，可形成緩衝層3使得“含量隨厚 度線性增加。 藉由將沈積溫度設定在35〇艺至6〇〇。〇之範圍内並將tba 98629-950608.doc -23- 1281197 • 麟第V族原料，有可能製造化合物半導體1，其包括具有 如第及第一貫例中之低位錯密度及令人滿意的結晶度的 化合物半導體層4。 在退火處理中，可能藉由使用熱循環退火（tca)來更有效 地減少位錯，在該熱循環退火中，在溫度降低（例如）至1〇〇 °C後，在800t：高溫下執行5分鐘退火，再將溫度降低至1〇〇 C，亚將此操作重複（例如）三次，如圖7之圖表中之線c所指 _ 示。 【用於製造半導體裝置之方法的第一實例】 作為用於根據本發明之一實施例製造半導體裝置的方法 的第一實例，將參看圖8之示意性截面圖來描述一用於製造 _發光裝置之方法的一實例，該發光裝置包括一根據本發明 之一實施例的化合物半導體。 在此實例中，藉由一方法製造發光裝置21，即一半導體 裝置，在此方法中，藉由上述之第一磊晶成長步驟在基板 ^ 22上形成緩衝層23，藉由上述之第二磊晶成長步驟在該緩 衝層23上形成發光部分24，藉由金屬化或其類似方法在基 板22之底表面上形成第一電極25，並藉由金屬化或其類似 方法在發光部分24之頂表面上形成第二電極26。 在此實例中，發光部分24包括：一第一導電型覆蓋層 24a，例如包含第一導電型（例如，11型）Inp •，一活性層2外， 例如包含InGaAsP ;及第二導電型覆蓋層24c，例如包含第 二導電型（例如，p型）InP。即，在此實例中，將用於製造 作為發光裝置之雷射二極體的方法描述為根據本發明之該 98629-950608.doc -24- 1281197 ， 實施例的半導體裝置之實例。 【用於製造半導體裝置之方法的第二實例】 作為用於根據本發明之一實施例製造半導體裝置的方法 之第二實例，將參看圖9之示意性截面圖來描述一用於製造 光偵測H之方法的實例，該光彳貞測器包括根據本發明之〆 實施例之化合物半導體。 在此實例中，藉由一方法製造光偵測器31，即一半導體 φ 裝置，在該方法中，藉由上述第-磊晶成長步驟在基板32 上形成緩衝層33，藉由上述第二磊晶成長步驟在該緩衝層 33上形成光接收部分34，藉由金屬化或其類似方法在基板 32之底表面上形成第一電極35，且藉由金屬化或其類似方 . 法在光接收部分34之頂表面上形成第二電極36。 在此貝例中’光接收部分34包括耗盡層34a，例如包含 InowGao.oAs，及第二導電層3A，例如包含第二導電型（例 如，P型）In0.53Ga0.47As。即，在此實例中，將用於製造作 φ 為光偵測器之光電二極體的方法描述為根據本發明之該實 施例的半導體裝置之實例。 如上文所描述，在該用於製造化合物半導體之方法或該 用於根據本發明之該等實施例製造半導體裝置的方法中， 在包括基板及化合物半導體層之化合物半導體的製造中， 該化合物半導體層相對於該基板具有2%或更高之晶格失 配率’在形成該化合物半導體層之前，進行在基板上形成 緩衝層的第一磊晶成長步驟。藉由在第一磊晶成長步驟中 將沈積溫度設定為600°C或更低，可抑制化合物半導體層中 98629-950608.doc -25- 1281197 - 基於晶格失配之晶體缺陷（意即，位錯）的產生。 詳言之，當緩衝層經設計以便包括複數個緩衝子層且晶 格失配率逐步變化時，即使在緩衝層中產生晶體缺陷，意 即位錯，仍有可能阻止晶體缺陷，且可充分地抑制該化合 物半導體層之結晶度的降級。 此外’在該用於製造化合物半導體之方法或該用於根據 本發明之該等實施例製造半導體裝置的方法中，即使當化 驗 合物半導體層相對於基板之晶格失配率為2%或更高時，仍 可能使用包含GaAs或Si之基板，該基板與InP基板比較而言 較低廉。 在本發明中，該用於製造化合物半導體之方法或該用於 ^ 製造半導體之方法不限於上述實施例或實例。 • 儘管已描述了其中使用TMG及TMI作為第III族原料且使 用TB A作為第V族原料的實例，但可使用之原料並不限於 此。可用於本發明之第m族原料的其它實例包括三乙基鎵 瞻 （TEG)、三乙基銦（TEI)、三甲基鋁（TMA)及三乙基鋁 (T E A)。可用於本發明之第v族原料的其它實例包括乙坤 (EAs)、三乙砷（TEAs)及三甲砷（TMAs)。 此外，用於根據本發明製造半導體裝置的方法不限於用 於製造上述發光裝置或光债測器之方法。本發明亦適用於 其它半導體裝置，諸如光學裝置及高效能高電子遷移率電 晶體。 儘管在上述該等實例中，認為第一導電型為η型且認為第 二導電型為ρ型，但可將其顛倒。在製造設備…，可藉由 98629-950608.doc -26- 1281197 駟
' I • 高溫計替代熱電偶來量測沈積腔室16之溫度。 熟習此項技術者應理解，視設計需要及在所附申請專利 範圍或其等效物之範疇内之其它因素而定，可發生各種修 改、組合、次組合及變化。 【圖式簡單說明】 圖1係用於製造化合物半導體之一設備的示意圖，該圖用 來描述用於根據本發明之實施例製造化合物半導體的方法 g 之實例； 圖2 A係在一方法之第一實例中製造的化合物半導體之示 思性截面圖，該方法用於根據本發明之一實施例製造化合 物半導體，且圖2B係一圖表展示構成該化合物半導體之緩 • 衝層的厚度與銦含量之間的關係之圖表； • 圖3係一圖表展示在缓衝層及化合物半導體層的形成中 沈積溫度與X射線半高全寬（FWHM)之間的關係之圖表，該 圖表圖表用來描述用於製造化合物半導體之方法的第一實 _ 施例； 圖4係一圖表展示χ射線FWHM與用於形成緩衝層及化合 物半導體層之原料的V/m比率之間的關係之圖表，該圖表 圖表用來描述用於製造化合物半導體之方法的第一實施 例； ^ 圖5Α係在一方法之第二實施例中製造的化合物半導體的 不意性截面圖，該方法用於根據本發明之一實施例製造化 合物半導體，且圖5Β係一圖表展示構成該化合物半導體之 緩衝之層厚度與銦含量之間的關係之圖表； 98629-950608.doc -27- 1281197 圖6A係在一方法之第三實施例中製造的化合物半導體的 示意性截面圖，該方法用於根據本發明之一實施例製造化 合物半導體，且圖6B係一圖表展示構成該化合物半導體之 緩衝層之厚度與銦含量之間的關係之圖表； 圖7係一展示熱循環退火（丁ca)之實例的圖表圖表，該圖 表圖表用來描述用於製造化合物半導體之方法的第三實 例； 圖8係一在一方法的第一實例中製造之發光裝置的示意 性截面圖，該方法用於根據本發明之一實施例製造半導體 裝置； 圖9係一在一方法之第二實例中製造的光偵測器的示意 性截面圖，該方法用於根據本發明之一實施例製造半導體 裝置；及 圖10係一藉由先前技術中之方法製造的化合物半導體之 示意性截面圖。
【主要元件符號說明】 2 3a、3b、3c、3d 4 11 化合物半導體 基板 緩衝層 緩衝子層 化合物半導體層 苐一緩衝下層 第二緩衝下層 製造設備 98629-950608.doc -28. 1281197 lla lib 12 12a 12d 13a 14 12b 、 12c 、 12e 13b 、 13c 、 13d 原料進料糸統 薄膜沈積系統 氣體進料單元 氫氣供應源 砷供應源 13e氣體流量控制器 起泡器單元 14a、14b、14c 起泡器 15 氣體供應管線 16 沈積腔室 17 晶座 18 加熱器 19 排氣口 21 發光裝置/半導體裝置 22 基板 23 緩衝層 24 發光部分 24a 第一導電型覆蓋層 24b 活性層 24c 第二導電型覆蓋層 25 第一電極 26 第二電極 31 光偵測器 32 基板 33 緩衝層 98629-950608.doc -29- 1281197 34 光接收部分 34a 耗盡層 34b 第二導電層 35 第一電極 36 第二電極 101 半導體 102 InP基板 103 緩衝層 104 化合物半導體層（吸光層） 105 窗口層 98629-950608.doc -30-

Claims (1)

1281197 ^ 十、申請專利範圍： 1. 一種用於製造一化合物半導體之方法，該化合物半導體 包括一基板及一化合物半導體層，該化合物半導體層相 對於該基板具有一 2%或更高之晶格失配率，該方法包含·· 在該基板上形成一緩衝層的一第一磊晶成長步驟，該 緩衝層在厚度方向上具有一預定之晶格失配率分佈以便 減少應變；及 在該緩衝層上形成該化合物半導體層的一第二磊晶成 •長步驟， 其中係藉由在一 600°C或更低之沈積溫度下之金屬有 機化學氣相沈積來進行該第一磊晶成長步驟。 2 ·如明求項1之用於製造一化合物半導體之方法，其中該緩 衝層及該化合物半導體層各包含一第III-V族化合物半導 * 體。 3 ·如明求項1之用於製造一化合物半導體之方法，其中含有 忒緩衝層之一主要構成元素的一原料在沈積溫度下之分 解效率為50%或更高，該原料用於該金屬有機化學氣相沈 積中。 如明求項1之用於製造一化合物半導體之方法，其中該金 屬有機化學氣相沈積中之沈積溫度係在35〇它至6〇〇。〇之 一範圍内。 月求項1之用於製造_化合物半導體之方法，其中係藉 由複數個緩衝子層來達成該緩衝層中之該晶格失配率分 98629-950608.doc 1281197 • 6.如晴求項1之用於製造一化合物半導體之方法，其中係藉 由一具有一梯度之分佈來達成該緩衝層中的該晶格失配 率分佈，該梯度隨著距該基板之距離而改變。 7·如請求項1之用於製造一化合物半導體之方法，其中在該 第一磊晶成長步驟中，該缓衝層之一區域相對於該基板 的晶格失配率係在〇·7%至2.0%之一範圍内，該緩衝層之 讜區域具有一對應於該緩衝層厚度之四分之一的厚度且 與該基板相接觸。
如睛求項1之用於製造一化合物半導體之方法，其中在該 第一磊晶成長步驟中，形成該緩衝層使得該緩衝層具有 一其中晶格失配率的改變率隨著沈積時間而連續降低之 區域，及一其中相對於該基板的晶格失配率大於該化合 物半導體層之晶格失配率之區域。 如請求項1之用於製造一化合物半導體之方法，其中該基 板包含GaAs或Si。 1〇.如請求項2之用於製造一化合物半導體之方法，其中在該 第-蟲晶成長步驟中，一第v族原料對一第m族原料之進 料比係在0 · 7至10之一範圍内。 η.如請求項2之用於製造一化合物半導體之方法，其中在該 第-蟲晶成長步驟中，將第三丁基石申用作一第ν族原料。 12. -種用於製造-半導體裝置之方法，該半導體裝置具有 -化合物半導體，該化合物半導體包括一基板及一化合 物半導體層’該化合物半導體層相對於該基板具有一 2% 或更高之晶格失配率，該方法包含： 98629-950608.doc 1281197 在該基板上形成一緩衝層的一第一磊晶成長步驟，該 緩衝層在厚度方向上具有一預定之晶格失配率分佈以便 減少應變；及 在該緩衝層上形成該化合物半導體層的一第二磊晶成 長步驟， 其中係藉由在一 600 °C或更低之沈積溫度下的金屬有 機化學氣相沈積來進行該第一磊晶成長步驟。 13·如請求項12之用於製造一半導體裝置之方法，其中該緩 衝層及該化合物半導體層各包含一第ΠΙ-ν族化合物半導 體。 14·如請求項12之用於製造一半導體裝置之方法，其中含有 該緩衝層之一主要構成元素的一原料在該沈積溫度下的 分解效率為50%或更高，該原料用於該金屬有機化學氣相 沈積中。 15. 如請求項12之用於製造一半導體裝置之方法，其中該金 屬有機化學氣相沈積中之沈積溫度係在350°C至600°C之 一範圍内。 16. 如請求項12之用於製造一半導體裝置之方法，其中係藉 由複數個緩衝子層來達成該緩衝層中之該晶格失配率分 佈。 17·如請求項12之用於製造一半導體裝置之方法，其中係藉 由一具有一梯度之分佈來達成該緩衝層中之該晶格失配 率分佈，該梯度隨著距該基板之距離而改變。 18·如請求項12之用於製造一半導體裝置之方法，其中在該 98629-950608.doc 1281197 第一磊晶成長步驟中，該緩衝層之一區域相對於該基板 的晶格失配率係在0.7%至2.0%之一範圍内，該緩衝層的 該區域具有一對應於該緩衝層厚度之四分之一的厚度且 與該基板相接觸。 19·如請求項12之用於製造一半導體裝置之方法，其中在該 第一磊晶成長步驟中，形成該緩衝層使得該緩衝層具有 一其中晶格失配率之改變率隨著沈積時間而連續降低之 區域，及一其中相對於該基板之晶格失配率大於該化合 物半導體層之晶格失配率之區域。 20.如請求項12之用於製造—半導體裝置之方法，其中該基 板包含GaAs或Si。 21·如請求項13之用於製造—半導體裝置之方法，其中在該 第一磊晶成長步驟中，—第v族原料對一第m族原料的進 料比係在0 _ 7至10之一範圍内。 22.如請求項13之肖於製造—半導體裝置之方法，其中在該 第-蟲晶成長步驟中，將第三丁基石中用作一第乂族原料。 98629-950608.doc
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