專利名稱：制造Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的方法和系統(tǒng)及Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造III-V族化合物半導(dǎo)體的方法和系統(tǒng)以及III-V族化合物半導(dǎo)體，所述方法和系統(tǒng)能夠使汽相淀積形成的薄膜化合物半導(dǎo)體的晶體生長層具有均勻的厚度。
背景技術(shù)：
在制造各種化合物半導(dǎo)體器件時，通常的方法是使用半導(dǎo)體單晶片，它是通過利用氫化物VPE(汽相外延)工藝、金屬有機物化學(xué)汽相淀積MOCVD工藝、或其它類似的工藝在襯底上連續(xù)地堆疊所需的單晶層而形成的，其中氫化物VPE工藝?yán)肰族原料中諸如AsH3或PH3等氫化合物生長晶體外延層，金屬有機物化學(xué)汽相淀積MOCVD工藝靠熱分解金屬有機絡(luò)合物來生長外延晶體層。
例如，大部分常規(guī)的使用MOCVD工藝的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)通過單一供應(yīng)口向MOCVD反應(yīng)爐中提供原料氣。在這種常規(guī)技術(shù)中，從供應(yīng)口向置于反應(yīng)爐中用于生長單晶薄膜層的襯底供氣的步驟是使原料氣沿反應(yīng)爐中襯底的上升方向經(jīng)過一個相對較長的距離以得到具有足夠均勻的流速和原料濃度的原料氣層流。
另一方面，也開發(fā)出了能縮短襯底和原料供應(yīng)口之間距離的反應(yīng)爐，這種爐中使用多孔平板作為供應(yīng)口，并將襯底放在多孔平板的對面。
但是，在上述的常規(guī)結(jié)構(gòu)中，為了實現(xiàn)具有均勻流速和所需濃度的原料氣層流，需要讓原料氣在相當(dāng)長的距離上接觸高溫的反應(yīng)爐的爐壁。這樣就帶來了一系列的問題，例如晶體的純度會降低，因為從爐壁吸收的熱會使原料過早分解，還有原料使用效率下降。
更有甚者，由于向反應(yīng)爐供氣是經(jīng)由反應(yīng)爐中適當(dāng)形成的單一進(jìn)口，這樣導(dǎo)入的原料氣由于流路的不均勻性容易形成不平衡的流動。這從而引起各種問題，包括外延汽相淀積在半導(dǎo)體襯底上形成的外延晶體層厚度不均勻。另外，當(dāng)采用多孔平板類型的供應(yīng)口時，由于實質(zhì)上不可能調(diào)節(jié)原料供應(yīng)速度，因此保證沉積膜的厚度足夠均勻是困難的。
例如在利用半導(dǎo)體單晶片制造LED器件的情況下，外延晶體層的均勻厚度對減小利用晶片制造的LED中波長和功率特性的分散度至關(guān)重要。但是，由于沉積層的這種不均勻性，在整個半導(dǎo)體單晶片上形成具有相同特性的LED是困難的。這樣會增加成本，因為必須設(shè)置例如檢查所制造的LED特性并將它們按特定用途分類的工序。
在使用所述各種不同的外延汽相淀積工藝形成所需的化合物半導(dǎo)體單晶層時，其外延晶體層的質(zhì)量強烈地影響最終半導(dǎo)體器件的特性。
為了使整個襯底上形成的外延晶體層的厚度均勻，關(guān)鍵點是必須使供給反應(yīng)爐的原料氣的流速在整個襯底表面上均勻一致。但要做到此點是困難的，因為爐中安裝在基座上的襯底，被例如高頻感應(yīng)加熱控制維持在所需的生長溫度。因為這一溫度很高，至少在600℃左右，引入到反應(yīng)爐中的原料氣流被熱擾動。因此要在襯底表面達(dá)到均勻一致的氣流是極度困難的。尤其是在涉及生長溫度高達(dá)1000℃或更高的高溫制程中，這一點特別明顯，例如在制造GaN系LED的晶片時的情形就是如此。
在將單獨供應(yīng)的原料氣混合起來在襯底上形成需要的混合晶體沉積的情形下，為了制造III-V族半導(dǎo)體單晶片，連續(xù)地在半導(dǎo)體或其它合適的襯底上堆疊所需要的單晶薄膜層，晶片的制造采用氫化物汽相外延(HVPE)、金屬有機物化學(xué)汽相淀積(MOCVD)、或其它類似的工藝，其中所述HVPE工藝?yán)肰族原料中諸如AsH3或PH3等氫化合物生長外延晶體層，所述MOCVD工藝靠熱分解金屬有機絡(luò)合物生長外延晶體層。
當(dāng)用上述方法之一制造基于GaN的III-V族化合物半導(dǎo)體單晶片(例如，InGaAlN晶片)時，將預(yù)先控制到適當(dāng)溫度的襯底置于反應(yīng)爐中，將用于摻雜的III族原料氣，V族原料氣和II族原料氣從外部供氣源引入到反應(yīng)爐內(nèi)，這些原料氣的混合體被引導(dǎo)到襯底上面，以在襯底上形成所需的晶體生長。
但是，眾所周知，當(dāng)用前述的HVPE或MOCVD方式制作III-V族化合物半導(dǎo)體時，反應(yīng)爐中的高溫(700℃-1100℃)會引起V族物質(zhì)和由III族和/或II族原料構(gòu)成的金屬有機絡(luò)合物之間到達(dá)襯底之前發(fā)生副作用。例如III族原料三甲基銦(TMIn)和V族原料膦(PH3)之間以及III族原料三甲基鎵(TMGa)和V族原料氨(NH3)之間的過早分解會引起副作用。
在形成由GaN晶體和AlN晶體組成的混晶的情況下如所述方式在不同的III-V族化合物半導(dǎo)體之間產(chǎn)生副作用，形成的晶體薄膜的合成物與預(yù)期的化合物不相稱，因為作為AlN物質(zhì)提供的三甲基鋁和作為摻雜物提供的雙乙基環(huán)戊二烯鎂(EtCp)2Mg)被副作用消耗了。另外，晶體沉積率明顯減小的問題也會出現(xiàn)。更有甚者，當(dāng)副作用發(fā)生時，副作用的產(chǎn)物作為晶核在襯底上導(dǎo)致異常粒子生長。由于這種異常生長會降低晶體質(zhì)量，因此要確定襯底上的薄膜晶體層穩(wěn)定和有效生長的條件變得十分困難，從而又引出其它問題。
另外，由于副作用降低晶體沉積的速度，形成的晶體薄膜變薄。而副作用的產(chǎn)物會大量地沉積在反應(yīng)爐上游側(cè)。這樣會增加反應(yīng)爐的維護(hù)成本，因為需要更多時間和人力去頻繁地清除這些沉積。
當(dāng)例如需要制作高質(zhì)量的薄膜晶體層時，采用的一種常規(guī)方法是通過按照需要向反應(yīng)爐內(nèi)分別供應(yīng)原料氣，在薄膜晶體沉積以前抑制副作用的發(fā)生。
但是，當(dāng)不同種類的原料氣被分別供應(yīng)給半導(dǎo)體或其它襯底時，所提供的原料氣的混合程度不夠。這樣會導(dǎo)致多種不方便，例如所需合成物的薄膜晶體不能沉積到預(yù)定厚度。例如在沉積基于GaN的薄膜晶體時，原料氣不充分的混合當(dāng)然降低了沉積速度，另外還會致使混晶中Al、In和其它除Ga以外的III族元素的含量降低，以及，在增加作為摻雜物的II族元素時，降低了晶體沉積速度和/或降低了II族元素結(jié)合的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)和化合物半導(dǎo)體制造方法，這種方法和系統(tǒng)克服了所述先有技術(shù)的各種問題，并提供具有高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜層的化合物半導(dǎo)體。
本發(fā)明的另一個目的是提供化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)和制造化合物半導(dǎo)體的方法，這種系統(tǒng)和方法能向襯底提供形成高品質(zhì)的半導(dǎo)體薄膜層的原料氣。
本發(fā)明的另一個目的是提供化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)和制造化合物半導(dǎo)體的方法，這種系統(tǒng)和方法能向襯底提供不發(fā)生非平衡流的原料氣。
本發(fā)明的另一個目的是提供化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)和制造化合物半導(dǎo)體的方法，這種系統(tǒng)和方法能向襯底提供不發(fā)生過早分解的原料氣。
本發(fā)明的另一個目的是提供化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)和制造化合物半導(dǎo)體的方法，這種系統(tǒng)和方法能以使各種原料氣充分混合的方式向襯底提供原料氣。
本發(fā)明的另一個目的是提供化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)和制造化合物半導(dǎo)體的方法，這種系統(tǒng)和方法能在保證多種氣體充分混合的情況下向襯底提供多原料氣的均勻流。
為了克服上述問題，開展了一系列針對原料氣供應(yīng)系統(tǒng)的深入研究?；谶@些研究所獲得的結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過改進(jìn)原料供應(yīng)，以建立一個不同于先有技術(shù)的原料供應(yīng)系統(tǒng)，能解決這些問題。本發(fā)明由此而實現(xiàn)。
本發(fā)明通過提供用MOCVD工藝制造半導(dǎo)體化合物的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)克服了先有技術(shù)的各種不足，其中引入裝置用于將從外部提供的原料氣引導(dǎo)到放置在反應(yīng)爐中的半導(dǎo)體襯底的表面，該引入裝置由空腔裝置組成，原料氣在這個空腔裝置中被引導(dǎo)到垂直于氣流流動的方向上，并且均勻地從這個垂直方向上噴射出來，從而將半導(dǎo)體襯底浸泡在引入裝置噴射出來的流量均勻的原料氣流之中。
本發(fā)明的第一方面提供了一種化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，它裝備了原料氣供應(yīng)單元和反應(yīng)爐，所述反應(yīng)爐從所述原料氣供應(yīng)單元接受原料氣并通過金屬有機物的熱分解在半導(dǎo)體襯底上形成薄膜晶體層，該半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的特征在于其中包括在反應(yīng)爐中提供的引入裝置，用于向半導(dǎo)體襯底表面?zhèn)鬟f從所述原料氣供應(yīng)單元接收的原料氣，其中引入裝置包含一個中空通道，用來將從原料氣供應(yīng)單元傳送來的原料氣引導(dǎo)到指定的第一方向上；以及一個噴氣嘴，用來將來自中空通道的原料氣噴射到所述第二方向，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向，半導(dǎo)體襯底被浸泡在從噴氣嘴射出的原料氣流中。
根據(jù)上述用于制造化合物半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，由適當(dāng)空腔裝置構(gòu)成的引入裝置的使用能保證從構(gòu)成噴氣嘴的一個/多個孔射出的原料氣被供應(yīng)到半導(dǎo)體襯底，所述空腔裝置中的一個/多個孔排列為條狀或環(huán)狀。因此，通過將襯底浸泡于噴嘴射出的原料氣之中來影響晶體的生長，可以獲得高度均勻的晶體生長。所述引入裝置很容易由冷卻裝置進(jìn)行冷卻。由于這種方式能夠使原料氣供應(yīng)口比常規(guī)系統(tǒng)更接近晶體生長現(xiàn)場，因此原料氣的溫度可被控制并且與先有技術(shù)相比，原料氣能夠以更新的狀態(tài)被送到晶體生長現(xiàn)場從而提高了晶體的純度并改善了原料使用效率。
本發(fā)明的另一方面提供了一種化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，它裝備有反應(yīng)爐和原料氣供應(yīng)單元，它通過使用安裝在反應(yīng)爐中的噴嘴單元將所述原料氣供應(yīng)單元來的原料氣瀉放到置于反應(yīng)爐中的襯底上，從而能夠采用外延汽相淀積工藝制造化合物半導(dǎo)體。該半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的特征在于，在噴嘴單元的噴氣嘴裝置的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間產(chǎn)生壓力差。根據(jù)上述的制造系統(tǒng)，噴嘴單元的噴氣嘴裝置的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間產(chǎn)生的壓力差被用來向置于反應(yīng)爐內(nèi)的襯底表面引入原料氣，使得噴嘴單元噴出的原料氣以均勻的流速流過襯底表面。
本發(fā)明的又一方面提供一種制造III-V族化合物半導(dǎo)體的方法，該方法將多種原料氣送入到反應(yīng)爐內(nèi)，反應(yīng)爐中裝有要在其上形成薄膜晶體層的襯底，以及通過氫化物汽相外延或金屬有機物熱分解等工藝在襯底上沉積出薄膜晶體層，這種方法的特征在于其中包括單獨地引導(dǎo)多種原料氣到襯底附近，利用單獨引導(dǎo)到反應(yīng)爐中的吹氣來混合出現(xiàn)在襯底附近的多種原料氣，然后將混合原料氣吹向襯底的步驟。
由于多種原料氣是被分別引導(dǎo)到襯底附近的，因此它們到達(dá)襯底附近時一直保持著一種適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，沒有過早分解以及在到達(dá)襯底前發(fā)生副反應(yīng)。用這種方法到達(dá)襯底附近的多種原料氣被所述吹氣吹向襯底，所以，它們在這一時刻第一次混合并與襯底表面接觸。因此，所需薄膜晶體能很好地沉積在襯底表面。
本發(fā)明的再一方面提供了一種制造III-V族化合物半導(dǎo)體的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)適合于引入多種原料氣到反應(yīng)爐中，該反應(yīng)爐中設(shè)置有襯底，在襯底上用氫化物汽相外延或金屬有機物熱分解工藝形成薄膜晶體層，這種系統(tǒng)的特征在于其中包括反應(yīng)爐中提供的一個引入裝置和在引入裝置的輸出口處提供的一個吹氣裝置，所述引入裝置向反應(yīng)爐中引入多種原料氣，并分別引導(dǎo)它們到達(dá)襯底附近，它也被用于將反應(yīng)爐外部所提供的吹氣引導(dǎo)到襯底附近，所述吹氣裝置用來在從引入裝置出來的多種原料氣被混合后將所述吹氣吹向所述多種原料氣，以將它們吹向襯底。
以下參考附圖對最佳實施例的詳細(xì)描述，將會幫助更好地理解本發(fā)明，它的其它一些目的和優(yōu)點也會更加明顯。


圖1示意的是作為本發(fā)明的一個實施例的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的原理圖。
圖2是圖1中反應(yīng)爐的細(xì)節(jié)的局部放大圖。
圖3是圖2中的噴嘴單元的放大透視圖。
圖4示意了利用擋板來產(chǎn)生壓力差的壓差產(chǎn)生機制的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖5示意了提供多級多孔板的結(jié)構(gòu)的示例的截面圖。
圖6示意了采用圖1中的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)制造的發(fā)光二極管器件的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖7示意了襯底面內(nèi)的位置和所制造的如圖6所示的發(fā)光器件的亮度之間的關(guān)系。
圖8中的原理圖示意了本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)。
圖9是圖8所示引入裝置的放大透視圖。
圖10是圖9中沿A-A線的截面圖。
圖11示意了圖8所示引入裝置的一種修改的透視圖。
圖12中的原理圖示意了本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)。
圖13是圖12所示引入裝置的放大透視圖。
圖14顯示了根據(jù)本發(fā)明制造的實例以及比較實例中測量到的晶片膜厚度分布的結(jié)果。
圖15顯示了根據(jù)本發(fā)明制造的另一實例中測量到的晶片膜厚度分布的結(jié)果。
圖16顯示了根據(jù)本發(fā)明制造的另一實例中測量到的晶片膜厚度分布的結(jié)果。
圖17示意了根據(jù)本發(fā)明制造的發(fā)光二極管的光功率分布測量結(jié)果。
圖18示意了作為本發(fā)明的又一實施例的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的原理圖。
圖19是圖18的基座的正視圖。
圖20是能處理多片襯底的基座的正視圖。
圖21示意的是當(dāng)使用本發(fā)明的氣體供應(yīng)方法時，GaN層的沉積速度是如何改善的。
圖22示意的是當(dāng)使用本發(fā)明的氣體供應(yīng)方法時，GaN層的合成是如何改善的。
圖23示意的是當(dāng)使用本發(fā)明的氣體供應(yīng)方法時，摻鎂的GaN層的襯底板上的均勻厚度。
圖24示意的是沒有使用本發(fā)明的氣體供應(yīng)方法時，摻鎂的GaN層的襯底板上的不均勻的厚度和沉積速率的下降。
具體實施例方式
圖1示意的是作為本發(fā)明的一個實施例的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的原理圖。半導(dǎo)體制造系統(tǒng)1是用于制造適當(dāng)?shù)幕衔锇雽?dǎo)體晶片、例如基于GaN的III-V族化合物(如InGaAlN)半導(dǎo)體，或基于GaAs的III-V族化合物半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)。它裝備有反應(yīng)爐2和給反應(yīng)爐2提供原料氣的原料氣供應(yīng)單元3。
反應(yīng)爐2包含主體21，以及主體21中的基座22，其中基座22上設(shè)置有襯底S?；?2被設(shè)置在主體21之外表21A上的高頻感應(yīng)加熱線圈23所加熱，給線圈提供的加熱電流來自于加熱電源(未示出)。高頻感應(yīng)加熱線圈23將設(shè)置在基座22上的襯底S加熱到需要的溫度。
原料氣供應(yīng)單元3裝備有原料氣供應(yīng)管線31，用于將汽態(tài)原料輸送到主體21的進(jìn)氣口21B。被用作載氣的氫氣以恒壓從氫氣供給源(未示出)送入原料氣供應(yīng)管線31的輸入端31A。原料氣供應(yīng)管線31上連接有起泡器32、33、34，這些起泡器將用于襯底S上的汽相淀積的原料汽化，并將這些汽化原料送入原料氣供應(yīng)管線31。
起泡器32的溫度由恒溫槽32A進(jìn)行調(diào)節(jié)。由質(zhì)量流量控制器32B控制流速的氫氣經(jīng)管路32C注入到起泡器32中所包含的原料A，以泡化進(jìn)而汽化原料A。起泡器32和原料氣供應(yīng)管線31之間通過斷流閥32D上的管路32F和與之串連的流速控制閥32E互相連接。當(dāng)斷流閥被打開時，由起泡器中形成的汽態(tài)原料A和作為載氣的氫氣形成的混合氣體以可調(diào)流速被注入到原料氣供應(yīng)管線31。
裝備有另一斷流閥32G的排氣管線32H被連接在充有指定壓力的氮氣的排氣管線35和斷流閥32D與流速控制閥32E的連接點之間。當(dāng)斷流閥32D被關(guān)閉時，從流量控制閥32E來的原料氣逸入到廢氣管線35。斷流閥32D、32G的開通與閉合受過程控制單元(未示出)的控制，以保證在一個閉合時另一個開通。這種機制可以實現(xiàn)在指定的時間從流量控制閥32E向原料氣供應(yīng)管線31供應(yīng)指定時限的氣體。
用于汽化原料B和C的起泡器33、34在結(jié)構(gòu)上和起泡器32相同。起泡器33、34的部件對應(yīng)于起泡器32的部件32A-32H，它們分別被編號為33A-33H和34A-34H，同時不再對它們進(jìn)行解釋。
起泡器32、33、34中按前述方法產(chǎn)生的每種原料氣被相關(guān)的流量 控制閥控制，以指定的壓力送出。生成每層薄膜所需要的原料氣量可以在需要的時間通過控制斷流閥32D、32G、33D、33G、34D、34G的開通和相關(guān)斷流閥32D、33D、34D的開/關(guān)注入到主體21。原料氣被傳送到主體21。原料氣在被送入主體21后立即在襯底S的表面附近開始熱分解，以引起襯底上的外延晶體生長。
圖2是示意圖1所示反應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的放大圖。主體21具有雙層結(jié)構(gòu)，并采用水冷方式。具體地說，通過位于主體21頂部的冷卻劑供應(yīng)口21D提供的冷卻劑冷卻主體21的整個外表面，并從冷卻劑瀉放口21E排出。
襯底S靠襯底支架24被安裝在基座22上。在如圖2所示的結(jié)構(gòu)中，每次只能處理一片襯底。但是，該基座22可以被更換成另一種能用相同安裝方法安置多片襯底的基座。供應(yīng)口21B被連接到噴嘴單元25，該單元用來將從原料氣供應(yīng)單元3送來的原料氣引導(dǎo)進(jìn)入主體21內(nèi)，并用均勻流速向襯底S的整個表面供氣，以形成外延晶體層。
如圖3所示，噴嘴單元25包含引導(dǎo)原料氣的原料氣管裝置26和位于原料氣管裝置26下游端的環(huán)形空腔噴嘴裝置27。噴嘴裝置27的下盤27A是一個開有許多相對較小直徑的孔28的多孔板。
由于這種結(jié)構(gòu)，原料氣流經(jīng)原料氣管裝置26，在下盤27A上的孔28處被節(jié)流，所以在噴嘴裝置27的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間產(chǎn)生了壓力差。由于所有圓孔28處排出的原料氣的流出壓力基本一樣，因此置于基座22上的襯底處的原料氣流是均勻的。因此，襯底S上形成的外延晶體層的厚度在襯底S的整個表面上基本上是相同的。
在圖3所示的結(jié)構(gòu)中，噴嘴單元27的下盤27A中通過形成多個小孔28配置的多孔板被用于在噴嘴裝置27的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間產(chǎn)生原料氣中的壓差。但是，也可以用其它一些裝置建立這種壓差。
圖4示意了通過在噴嘴單元25中的原料氣流道中提供擋板，從而在噴嘴單元25的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間產(chǎn)生所需的壓差的配置。在這種壓力差產(chǎn)生裝置中，多層擋片29交替地布置在原料氣管裝置26中，布置的方法如圖所示。這種結(jié)構(gòu)靠對噴嘴單元25內(nèi)部原料氣流施加流體阻力來產(chǎn)生所需的壓差。放置了多層擋板29時，進(jìn)口管裝置26的出口26A中排出的原料氣可以直接提供給襯底S的表面。合適的噴嘴裝置上可以提供出口26A，以將原料氣傳遞到襯底S的表面。
利用擋板29的壓力差產(chǎn)生裝置和利用噴嘴裝置27的下盤27A上形成的多孔板的壓力差產(chǎn)生裝置可以結(jié)合起來使用。
在圖3所示的結(jié)構(gòu)中，通過在噴嘴裝置27的下盤27A中形成許多小孔28得到的多孔板被用來在噴嘴單元27的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間產(chǎn)生原料氣壓力差。在噴嘴裝置27的底部，可以采用2個或多個這種類型的多孔板。
圖5示意了具有多個這種類型的多孔板的噴嘴裝置的配置的例子。圖5所示的噴嘴裝置30具有外底部裝置30A，其中有形成多孔板的數(shù)個相對較小尺寸的小孔31，同時噴嘴裝置30中還提供了與外底部裝置30A分離的內(nèi)底部裝置30B。內(nèi)底部裝置30B上有數(shù)個小孔32，小孔32相對于外底部裝置30A上小空31有一個偏移量，從而不會與它們對齊。與只提供一級的情況相比，第二級多孔板的提供增加了壓力差并將流速的均勻性提高到了一個更高的水平。
噴嘴單元25中所提供的用于產(chǎn)生壓力差的裝置可使原料氣以均勻流速傳遞到襯底S的整個表面，這一點反過來又保證襯底S的整個表面上形成的外延晶體層在襯底S的整個表面上的均勻一致。因此，利用半導(dǎo)體單晶片制造的LED或其它半導(dǎo)體器件為幾乎沒有分散性的相同器件，其中所述半導(dǎo)體單晶片是通過在襯底S上連續(xù)地形成所需的外延晶體層的方式制得的。因此，就LED器件而言，亮度和波長的一致性得到了保證，并且這些特性中的不規(guī)則性可以被有效的抑制。
用之前所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)1制造發(fā)光器件。發(fā)光器件具有如圖6所示的結(jié)構(gòu)。在圖中，51是襯底，52是GaN緩沖層，53是硅摻雜的高溫GaN層，54是硅摻雜的低溫GaN層，55是InGaN層，56是AlGaN層，57是鎂摻雜的GaN層，58是P極，以及59是n極。III-V族化合物半導(dǎo)體是用金屬有機物化學(xué)汽相淀積法制作的。
用氮稀釋的硅烷(SiH4)被用來作硅摻雜中的n型雜質(zhì)，同時甲基-環(huán)-戊-烯-鎂((C2H5C5H4)2Mg；在下文中被稱為(EtCp)2Mg)、被用來作鎂摻雜中的P型雜質(zhì)。
將C面研磨到為鏡面光潔度的藍(lán)寶石用有機溶劑清洗后被用作襯底51。采用能處理單片兩英寸襯底的基座并在膜沉積期間一直使其旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)爐的噴嘴上裝備了如圖5所示的兩極多孔板，以產(chǎn)生壓力差和建立均勻氣流。
首先反應(yīng)爐和襯底用將氫氣作為載氣的1100℃氣體氯化氫進(jìn)行清潔，清潔完畢時，TMG和氨被送到溫度為550℃的襯底上，以形成厚度為50nm(毫微米)的GaN緩沖層52。
襯底的溫度提升到1040℃同時三甲基鎵((CH3)3Ga；在此以后有時被簡稱為TMG)，氨和硅烷等氣體被送來生長GaN層53至3μm厚。對GaN層進(jìn)行硅摻雜，以形成濃度為1×1018/cm3的n型載流子。在相同的溫度下生長一層厚度為150nm的非摻雜GaN層(未示出)。硅摻雜層和非摻雜層的沉積速度為50nm/min。
襯底的溫度降至775℃，將載氣換為氮氣，三乙基鎵((C2H5)3Ga；在下文中有時簡稱為TEG)、氨和硅烷氣被送來生長硅摻雜的GaN層54到17nm厚。然后，TEG、三甲基銦((CH3)3IN；在下文中有時簡稱為TMI)和氨被送來沉積InGaN層55、即發(fā)光層到3nm的厚度。所述GaN和InGaN層沉積重復(fù)四次。
TEG、三甲基鋁((CH3)3Al；在下文中有時被稱為TMA)和氨被送來沉積AlGaN層56，即保護(hù)層到6nm的厚度。
曾經(jīng)被拿掉的襯底重新送回反應(yīng)爐中并用鎂摻雜的AlGaN層進(jìn)行沉積，即保護(hù)層、到44nm的厚度。然后將襯底的溫度上升到1060℃，并且通過供應(yīng)TMG、(EtCp)2Mg和氨進(jìn)行鎂摻雜的GaN層57的沉積，到200nm的厚度。
從反應(yīng)爐中取出以前述方式制造出來的III-V族化合物半導(dǎo)體樣品，并將之放置在800℃的氨中退火20分鐘，使得摻鎂的GaN層成為低阻值的P型層。如是得到的樣品用常規(guī)制程用電極形成，以得到發(fā)光二極管(LED)。鎳-金合金用來制作P極58，鋁用作n極59。當(dāng)給LED通上正向電流時，它發(fā)出發(fā)射波長為460nm的清晰光線。在20mA應(yīng)用電流下，基片中心的亮度為0.7cd。在圖7中被標(biāo)示為符號A所示，發(fā)光亮度在襯底面內(nèi)表現(xiàn)出極好的均勻性。
(比對實例1)以同樣的方式重復(fù)前述的實例，只除了噴嘴單元的多孔擋板的開孔直徑做得很大，以致于不能建立大的壓力差，并且襯底不旋轉(zhuǎn)。
制造出發(fā)光二極管，并且給LED加上正向電流。如圖7中符號B所示，發(fā)光強度在襯底表面表現(xiàn)出不均勻的分布。
圖8示意了本發(fā)明的實施例的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的原理圖。半導(dǎo)體制造系統(tǒng)60是用于制造適當(dāng)?shù)幕衔锇雽?dǎo)體，比如基于GaN的III-V族化合物(如InGaAlN)半導(dǎo)體或基于GaAs的III-V族化合物半導(dǎo)體晶片。它裝備有反應(yīng)爐61和用來給反應(yīng)爐61提供原料氣的原料氣供應(yīng)單元62。
反應(yīng)爐61包括由石英管等構(gòu)成的主體63，以及其上可以放置襯底S的基座64?；?4由安裝在主體63中的諸如高頻感應(yīng)加熱線圈或紅外線燈的基座加熱單元65進(jìn)行加熱?；訜釂卧?5將置于基座64上的襯底S加熱到所需的溫度。
原料氣供應(yīng)單位62是一個常規(guī)結(jié)構(gòu)的單元，用來向反應(yīng)爐61提供它通過MOCVD工藝在襯底S上形成單晶薄膜層所需的原料氣。從原料氣供應(yīng)單元62來的原料氣通過原料氣供應(yīng)管線66送到主體63中提供的進(jìn)口67，用于接收原料氣。
在主體63內(nèi)，提供的引入裝置68被連接到進(jìn)口67，用來將送到進(jìn)口67的原料氣按上述方式以每單位長度均勻地數(shù)量輸送到襯底S的表面。從引入裝置68來的原料氣在主體63內(nèi)以Y方向流通，用過的原料氣從反應(yīng)爐61送到廢氣處理器69進(jìn)行處理，處理后的氣體經(jīng)排氣口70排放到大氣中。
引入裝置68將參考圖9和10進(jìn)行詳細(xì)的討論。引入裝置68包括主體71，它由一個空心的條狀裝置組成。主體71的內(nèi)腔被隔板72、73沿著主體71內(nèi)的長度方向劃分成三個部分，繼而形成上冷卻劑通道74，下冷卻劑通道75以及原料氣引導(dǎo)通路76(中空導(dǎo)路)。
參考編號77表示用于從進(jìn)口67向主體71傳導(dǎo)原料氣的管道裝置。它的一端77A連到主體71，以便和主體71的原料氣引導(dǎo)通路76相通，它的另一端77B連接進(jìn)口67。因此，從進(jìn)口67供應(yīng)到主體63的原料氣經(jīng)由管道裝置77送到主體71中的原料氣引導(dǎo)通路76。
為了使按所述方式傳送到原料氣引導(dǎo)通路76的原料氣能夠從引入裝置68的主體71均勻地噴向襯底S，主體71的前壁71A上有許多小孔78，這些小孔將原料氣引導(dǎo)通路76和外部連通。這些小孔78按指定間距沿著主體71的軸向(箭頭X所示意的方向)分布。在本實施例中，小孔78的形式是規(guī)則間隔的圓形截形的的精密通孔。用所述方式供應(yīng)到主體71的原料氣引導(dǎo)通路76中的原料氣，在原料氣引導(dǎo)通路76中沿X方向流動，再從這些小孔78中以垂直于X的方向，即Y方向，噴射出來，并供應(yīng)到襯底S上。小孔78的數(shù)量和間距都是規(guī)定的，以保證用于襯底S上進(jìn)行膜沉積的原料氣量，即從小孔78噴射出來的原料氣量在襯底的X方向上的單位長度上是均勻的。只有這樣，襯底S才能均勻地浸泡在引入裝置68的小孔78噴射的原料氣之中。
從冷卻劑供應(yīng)單元98供出的冷卻劑在上冷卻劑通道74和下冷卻劑通道75內(nèi)循環(huán)，從而構(gòu)成用于控制主體71的溫度的冷卻系統(tǒng)。
在本實施例中，從冷卻劑供應(yīng)單元98來的冷卻劑經(jīng)由管路98A送入上冷卻劑通道74，以及經(jīng)過上冷卻劑通道74的冷卻劑通過另一個管路98B送到下冷卻劑通道75。然后，經(jīng)過下冷卻劑通道的冷卻劑通過管路98C送回冷卻劑供應(yīng)單元98，同時在冷卻劑流經(jīng)熱交換器(未示出)使其溫度下降以后，所述冷卻劑再一次被送道上冷卻劑通道74。這種結(jié)構(gòu)能有效地防止原料氣引導(dǎo)通路76中的原料氣被基座加熱單元65加熱到一個高的溫度時伴隨產(chǎn)生的過早分解和其它缺點。
當(dāng)半導(dǎo)體制造系統(tǒng)60按所述的方式構(gòu)成時，引入裝置68保證從原料氣供應(yīng)單元62來的原料氣在X方向上以每單位長度上均勻量傳送到襯底S的表面。所以，襯底S浸泡在均勻的原料氣流中，保證了襯底S的表面上有高度均勻的晶體生長。另外，由于引入裝置68可以利用冷卻劑冷卻引入的氣體的事實，原料氣的溫度可以被冷卻/控制，從而氣體在從進(jìn)口67到小孔78傳送時不會被過早分解。由于原料氣因此能夠以比以前的更新的狀態(tài)被送到襯底上的晶體生長現(xiàn)場，不僅是襯底上形成的晶體純度被大大增加，而且原料的利用效率也獲得了改進(jìn)。
熱分解用過的原料氣經(jīng)由主體63的排氣口79通過排氣管線80傳送到廢氣處理器69。
在前述的實施例中，用于噴射原料氣的小孔78采用孔的形式，即精密通孔。但小孔78不限于這種形式。一種具體的可用于替代通孔的形式是一種相當(dāng)窄的窄縫的形式。當(dāng)小孔78采用孔(通孔)形式時，通孔的尺寸、間距、方向等可被選擇為調(diào)整調(diào)整主體71供出的原料氣流的一致性的參數(shù)。
此外，排列通孔的方法可以從前述的沿X方向分布的單排排列更改為二行或更多行的排列。
圖11示意了一種引入裝置82的修改型式，其中原料氣噴嘴的形式是縫隙形的孔81。在這種情況下，孔81的縫隙寬度W在X方向不必是一致的。孔81的縫隙寬度W可以大致定義成它在X方向上位置的某種函數(shù)，以便將主體71供出的原料氣流均勻化。另外，縫隙的數(shù)量也沒有必要是一個，也可以是二個或多個。
無論噴氣的孔是通孔還是狹縫，孔78或孔81都可以實現(xiàn)為一種由里向外逐漸變寬的截面形狀，或與之相反，由里向外逐漸變窄；以保持由里向外的恒定寬度，它在里外之間是突起的，或與之相反，在里外都較寬，在中間較窄。另外，通孔型孔78和縫型孔81可以混合配置以起到噴嘴的功用。
當(dāng)孔78采用通孔形式時，孔可以是各種形狀，例如圓形、三角形或方形。但是，如圖9所示，從通孔可以用較好的精度來形成這一點考慮，圓形小孔是最可取的。決定通孔的直徑時，可以綜合考慮原料氣的粘度和其它特性以及需要供應(yīng)的原料氣量等因素。盡管通孔的實際直徑依賴于原料氣的種類和流速，但在圓形通孔的情況下，其內(nèi)徑可取的是0.01mm至5mm。但通孔的內(nèi)徑小于0.01mm時，無法實現(xiàn)足夠的加工精度。當(dāng)它大于5mm時，通過通孔供應(yīng)的原料氣很難在X方向保持均勻。考慮到所述這些條件，通孔的內(nèi)徑最可取的是在0.1mm到2mm，最最可取的是在0.5mm到1mm。
當(dāng)噴嘴采用縫形孔81時，縫寬W的決定應(yīng)該考慮諸如原料氣流速的粘度和其它特性這樣一些因素。盡管實際的縫寬W取決于原料氣的種類和流速，它更可取的是在0.01mm到5mm。當(dāng)縫寬度小于0.01mm時，無法實現(xiàn)足夠的加工精度。當(dāng)它大于5mm時，從主體71供應(yīng)的原料氣難以在X方向上保持均勻?？紤]到所述這些條件，縫寬W最好在0.1mm到2mm，最最好的值是0.5mm到1mm。
在前述實施例中，從引入裝置向反應(yīng)爐供應(yīng)的原料氣只經(jīng)過了一組小孔。但是作為另一種方案，可以在引入裝置內(nèi)形成一組或多組額外的孔，讓原料氣經(jīng)過這二組或多組孔進(jìn)入反應(yīng)爐。通過多組孔傳送原料氣的結(jié)構(gòu)更容易實現(xiàn)均勻的原料氣流。
盡管上面對各種類型的噴氣嘴結(jié)構(gòu)中的每一種都進(jìn)行了討論，但是用來形成用于噴射原料氣的孔78、81的方法可以選自于諸如常規(guī)的激光切割、超聲波切割、電子束切割、鉆孔等方法。在形成一個/多個孔之后，最好能通過電解拋光、機械化學(xué)拋光等方法拋光孔78、81的切割面，因為平滑的切割面可以抑制雜質(zhì)進(jìn)入原料氣中，原料氣與孔板78、81的內(nèi)壁發(fā)生反應(yīng)，以及其它的這種反作用。
在某些情形下，原料中的成分相互會起反應(yīng)，在這種情況下，不同的原料成分的傳送應(yīng)在沒有被混合時盡可能的接近襯底S。當(dāng)采用引入裝置68時，可以很容易地分別為各個原料成分提供引入裝置。用這種方法，不同的原料氣能容易地在沒有混合的情況下傳送到非常接近于襯底。因此，具有本發(fā)明各項優(yōu)點的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)能被實現(xiàn)。
圖12示意了本發(fā)明的另一個實施例。圖12所示的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)90與圖8所示的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)相似，除了它的反應(yīng)爐91與反應(yīng)爐61有不同的結(jié)構(gòu)。所以圖12中只給出了反應(yīng)爐91，其它組件都被省略了。
反應(yīng)爐91是垂直結(jié)構(gòu)型，其中襯底S基本上被垂直地置于主體92中配備的基座93上。主體92采用雙層壁結(jié)構(gòu)，并且是水冷方式的。具體地說，通過位于主體92底部的冷卻劑供應(yīng)口92A供應(yīng)的冷卻劑冷卻主體92的整個外表面，并且從位于主體92上部的冷卻劑排放口92B排出。圖12示意了多片襯底以均勻的間距安放在基座93上的例子。
引入裝置94被連接到主體92的進(jìn)口92C上。引入裝置94引導(dǎo)來自于原料氣供應(yīng)單元62、經(jīng)原料供應(yīng)管線66注入到主體92之中的原料氣，并以單位長度均勻的氣量將原料氣沿著基座93的外表面供應(yīng)道襯底S的表面，以在襯底S上形成外延晶體層。
如圖13所詳示的，引入裝置94包括一個腔型環(huán)狀主體95和用于將經(jīng)進(jìn)口92C的原料氣傳導(dǎo)到主體95的管道裝置96。管道裝置96由方型管道材料構(gòu)成，并且有一進(jìn)口端96A連接到進(jìn)口92C。在它的出口側(cè)裝備有四個以90度間隔方向分布的出口支管96B-96E。四個出口支管96B-96E被連接到主體95的環(huán)形后壁95A上，以連通在管道裝置96中形成的環(huán)形空腔(未示出)，以形成一個中空導(dǎo)路進(jìn)行X方向的原料氣傳導(dǎo)。管道裝置96將從進(jìn)口92C傳遞到主體95的原料氣傳送到主體95，原料氣在主體95的環(huán)形方向中相隔90度方向進(jìn)入主體95。
管路裝置96的截面形狀沒有必要一定是方形的，它可在各種合適的形狀中適當(dāng)?shù)倪x擇。出口支管的數(shù)目沒有必要是四個，可以選擇任何適當(dāng)數(shù)量的出口支管并將它們連接到進(jìn)口主體95。另外，盡管在圖8和12所示的實施例中引入裝置68、94和相關(guān)的反應(yīng)爐61、91是分開制造的，但是引入裝置68、94也可以和反應(yīng)爐61、91集成在一起制造，作為反應(yīng)爐的外殼的一部分。
為了保障用所述方式進(jìn)入主體95的原料氣均勻地從主體95噴向襯底S，主體95的環(huán)狀前壁95B由多個小孔97形成，用于在垂直于X方向的Y方向上向外部排放出現(xiàn)在主體95內(nèi)空腔中的原料氣。多個小孔97在主體95的軸向(用箭頭X表示的方向)上在預(yù)定間距以通孔的形式提供。在本實施例中，小孔97的形式是規(guī)則間隔的圓形截面的精密通孔。用前述方法向主體95提供的原料氣由管路裝置96中的環(huán)形空腔導(dǎo)引到環(huán)形方向(X方向)，繼而從孔97沿著襯底S的表面向下(在Y方向上)傳遞，換句話說，原料氣以基本上垂直于主體95中的原料氣流的方向的方向(Y方向)從主體95排放出來。
小孔97的形式是在環(huán)形前壁95B的環(huán)形方向按規(guī)則間距排列的精密通孔?？椎臄?shù)量和間距是規(guī)定的，從而保證為在襯底S上膜沉積所提供的原料氣量，即從孔97噴射出的原料氣量在主體95的環(huán)形方向上的每一片襯底的單位長度上是均勻的。襯底S與主體95的孔97平行對齊。所以，襯底S能夠浸泡在從引入裝置94的主體95噴射出來的原料氣中。
由于半導(dǎo)體制造系統(tǒng)90是按上述方法構(gòu)造的，引入裝置94能保證來自原料氣供應(yīng)單元62來的原料氣以單位長度的均勻氣量輸送到襯底S的表面。襯底S與引入裝置94的小孔97平行對齊的襯底S被浸泡在均勻的原料氣流中，從而保障襯底S的表面上高度均勻的晶體生長。跟引入裝置68類似，引入裝置94也被配置成能用冷卻劑冷卻原料氣，所以原料氣的溫度可以被冷卻/控制，從而原料氣在從進(jìn)口92C流動到孔97中不會發(fā)生過早分解。由于這種結(jié)構(gòu)能保證送到襯底上的晶體成長現(xiàn)場的原料氣比先有技術(shù)中的進(jìn)行處于更加新鮮的狀態(tài)，這不僅能明顯地增強襯底S上形成的晶體的純度，也能改善原料的使用效率。
熱分解用過的廢氣經(jīng)排氣管線80從主體92的排氣口92D排放到廢氣處理器69。
下面將對有關(guān)根據(jù)本發(fā)明配置的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的情況的實例進(jìn)行描述，以在藍(lán)寶石襯底上形成外延晶體薄膜層以及在GaAs襯底上形成外延晶體薄膜層。
(實例2)在圖12中所示的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)90中放置數(shù)片50mm直徑的藍(lán)寶石襯底并將所需原料氣從引入裝置94的小孔97供應(yīng)到藍(lán)寶石襯底上。生長溫度設(shè)定到550℃。利用三甲基鎵(TMG)和氨、用氫作為載氣，沉積出厚度為50nm的氮化鎵(GaN)緩沖層。
停止供應(yīng)TMG，溫度提升到1060℃，恢復(fù)供應(yīng)TMG以生長GaN。在沉積完成后立即停止TMG的供應(yīng)并且開始冷卻。襯底在生長過程中轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)。當(dāng)溫度達(dá)到600℃時，也停止氨的供應(yīng)。在完全冷卻后，反應(yīng)爐中的氣體用氮置換，同時取出襯底。所有襯底表現(xiàn)出鏡面。測量襯底上沉積的膜的厚度并評估其均勻性。結(jié)果顯示在圖14中。
圖14中的水平坐標(biāo)表示從藍(lán)寶石襯底中心到邊緣的距離，并且該圖顯示出藍(lán)寶石襯底上外延晶體生長層上表現(xiàn)出的從中心到邊緣的厚度變化中膜厚度的正規(guī)化分布。
(例3)圖8示意了半導(dǎo)體制造系統(tǒng)60的反應(yīng)爐61中所設(shè)的預(yù)先沉積了GaN的藍(lán)寶石襯底，在已有的GaN層上生長了另一層GaN層。第二層CaN層的生長利用了TMG和氨，其中將氫氣作為載氣。半導(dǎo)體制造系統(tǒng)1每次只能處理一片襯底。在第二層GaN層沉積的過程中，藍(lán)寶石襯底一直轉(zhuǎn)動。當(dāng)沉積完成以后，評估新長出部分的厚度均勻性。結(jié)果顯示在圖14中。
(對比實例2)為了和實例2和3作比較，用常規(guī)系統(tǒng)在藍(lán)寶石襯底上生長GaN層。為此，去掉實例3所用的系統(tǒng)中的引入裝置68，系統(tǒng)被配置為直接從上面向藍(lán)寶石襯底吹送原料氣。藍(lán)寶石襯底被水平設(shè)置在基座上。在其它方面，配置和生長條件跟實例2是相同的。評估所獲得的GaN層的厚度的均勻性。結(jié)果顯示在圖14中。
從圖14中顯示的測試結(jié)果可以看出，利用根據(jù)本發(fā)明配置的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)制造出來的外延薄膜生長層的厚度均勻性明顯的優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)制造出生長層(對比實例2)。
(實例4)在圖12中所示的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)90中設(shè)置的數(shù)片150mm直徑的襯底上生長外延薄膜層。將氫氣用作載氣，用TMG、TMA(三甲基砷)和AsH3作為原料。在670℃溫度的條件下，在各個GaAs襯底上生長出厚度為50nm的AlGaAs層(Al0.5)，在此之后，供應(yīng)TMG和砷來沉積GaAs層在完全冷卻后，反應(yīng)爐91中的氣體被置換為氮氣，并且移出GaAs襯底。在每片GaAs襯底上的部分區(qū)域形成光阻材料保護(hù)膜，并且僅僅將GaAs層的暴露部分用檸檬酸腐蝕掉。再用丙酮去除光阻材料，用接觸階梯式量規(guī)測量對應(yīng)于GaAs層部分臺階的高度。結(jié)果顯示在圖15中。圖15中的水平軸表示襯底上從邊緣到中心的距離。從圖15可以看出，獲得了良好面內(nèi)均勻性。
(實例5)使用實例4中采用的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，在150mm直徑的GaAs襯底上生長組合厚度為1050nm的GaAs和AlGaAs層狀結(jié)構(gòu)。在該層上再生長出一層13nm厚的InGaAs單量子阱層(single quantum welllayer)(ln0.15)和組合厚度為152nm的GaAs和AlGaAs層狀結(jié)構(gòu)。冷卻后，反應(yīng)爐91中的氣體被置換為氮氣，并取出GaAs襯底。測量所制樣品的熒光光譜，發(fā)現(xiàn)從InGaAs量子阱中發(fā)出的光具有984nm的中心譜長，峰值波長在整個襯底面上的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.75nm。
(實例6)
使用實例4中采用的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，用TMG、TMI(三甲基銦)和膦作原料，在一個150mm直徑、650℃的GaAs襯底上生長250nm的InGaP層。接著用TMG和砷生長24nm的GaAs層。冷卻后，反應(yīng)爐91中的氣體被置換為氮氣，移出GaAs襯底。用X射線衍射法測量晶格常數(shù)，并評估銦成分在InGaP層上的面內(nèi)分布。結(jié)果顯示在圖16中。從圖16可以看出，銦成分獲得了良好的面內(nèi)均勻度。
(實例7)使用實例2中采用的系統(tǒng)，利用5次重復(fù)3nm厚的InGaN和15nm厚的GaN形成多量子阱，在2英寸藍(lán)寶石襯底上的n型GaN上依次生長AlGaN層和P型GaN層。用獲得的外延襯底制作發(fā)光二極管。在20mA的驅(qū)動電流下，按襯底直徑方向測量光功率。結(jié)果示意在圖17中。從圖17中可以看出，發(fā)光功率的分布高度一致，即使在邊緣地區(qū)也是如此。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明，由條形或環(huán)形的適當(dāng)空腔裝置組成的引入裝置以及提供的噴氣嘴能使供給半導(dǎo)體襯底的原料氣在單位長度上有均勻的氣量。因此，通過影響置于噴嘴所提供的氣流包圍下的襯底上的晶片生長，能得到高度均勻的晶體生長。由于引入裝置很容易被冷卻，并且原料氣供應(yīng)口可以安裝到比常規(guī)技術(shù)更接近晶體生長的地方，因此到達(dá)晶體生長點的原料氣比以前更新鮮，從而增加了晶體純度并改善了原料的使用效率。
圖18中原理圖描述的是作為本發(fā)明的一個實施例的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)。半導(dǎo)體制造系統(tǒng)101是用來制造適當(dāng)?shù)幕衔锇雽?dǎo)體晶片，例如基于GaN的III-V族族化合物(如InGaAlN)半導(dǎo)體或基于GaAs的III-V族族化合物半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)。它裝配有反應(yīng)爐102和向反應(yīng)爐102供氣的原料氣供應(yīng)單元103。
原料氣供應(yīng)單元103的構(gòu)成本質(zhì)上和圖1所示的單元3是一樣的，但單元103有一點不同于單元3每種氣體在沒有混合的情況下被送入反應(yīng)爐102。但是，由于原料氣供應(yīng)單元在各種原料氣沒有被混合的情況下將它們供應(yīng)給反應(yīng)爐102是已知的，因此圖18中沒有表示出原料氣供應(yīng)單元103的細(xì)節(jié)。
反應(yīng)爐102包括主單元104，主單元104內(nèi)提供的級105以及安裝在級105上的基座106，同時襯底S通過支架107附在基座106上(參見圖19)。襯底S被設(shè)置在基座106之內(nèi)或之外的某種適當(dāng)?shù)臒嵩?未示出)經(jīng)過基座106而加熱，因而襯底可以被維持在所需的溫度上?？梢酝ㄟ^紅外加熱器或電阻加熱器進(jìn)行加熱。它也可以通過高頻發(fā)生器在基座中產(chǎn)生感應(yīng)電流來加熱。
圖18所示的系統(tǒng)一次只能處理一片襯底S。但是，如圖20所示，可以通過采用與用于單襯底的基座一樣的基座106，只除了將之構(gòu)造成多面體，多面體的面數(shù)與可以附著的襯底S的數(shù)量相同。因此，可以附著的襯底數(shù)量沒有限制，可以采用保證安裝適當(dāng)數(shù)量的襯底S的結(jié)構(gòu)。支架107上可以提供旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。此外，當(dāng)采用多面體基座時，可以在級105上裝備轉(zhuǎn)動機構(gòu)，以將基座作為一個整體圍繞多面體的中心轉(zhuǎn)動。
主體104具有兩重壁體結(jié)構(gòu)，并且采用水冷方式。具體地說，通過在主體104上部提供的冷卻劑供應(yīng)口108所提供的冷卻劑冷卻主體104的全部或部分外壁，并從冷卻劑排放口109排放出來。在圖18中，冷卻劑經(jīng)過的通道用剖面線標(biāo)識。
在主體104的頂部設(shè)置了一個入口110，用來從原料氣供應(yīng)單元103把不同的氣體供應(yīng)到主體104內(nèi)。原料氣供應(yīng)單元103和入口110用供應(yīng)管線111連接。
供應(yīng)管線111的內(nèi)部是由多條獨立通道構(gòu)成的。原料氣供應(yīng)單元103供出的II族原料氣A，III族原料氣B，V族原料氣C和吹氣D是經(jīng)供應(yīng)管線111中的分離通道單獨地供應(yīng)到入口110。當(dāng)采用IV族雜質(zhì)時，它可以跟其它原料氣分開的方式輸送到入口110，或也可以在原料氣供應(yīng)單元103和入口110之間跟III族原料氣混合在一起輸送。當(dāng)不采用II族雜質(zhì)時，諸如氫氣或氮氣的氣體經(jīng)由II族原料氣A的供應(yīng)管線傳送。
引入裝置112設(shè)置在主體104內(nèi)，用來以前述方式將單獨供應(yīng)給入口110的三種或多種氣體分別輸送到襯底S的附近，同時維持它們彼此互相隔離。
引入裝置112包括管路部分113和吹氣混合部分114。管路部分113的構(gòu)造跟供應(yīng)管線111的構(gòu)造相似。它將從入口110接收到的三種或多種氣體向前傳送到吹氣混合部分114，同時保持它們彼此相互分離。因此，管路部分113的內(nèi)部可以分成多個通道。
為吹氣混合部分114提供了圓柱形外殼裝置114A。安裝在外殼裝置114A中的隔板114B在外殼裝置114A中形成一個通道空間，用于將管路部分113出來的原料氣引導(dǎo)到襯底S的附近。外殼裝置114A和隔板114B形成的通道空間被適當(dāng)?shù)陌惭b了建立四條通路115、116、117、118的分隔排列的分隔器114C、114D、114E。II族原料氣C經(jīng)由通路115輸送，III族原料氣B經(jīng)由通路116輸送，II族原料氣A經(jīng)由通路117輸送，以及吹氣D經(jīng)由最外層的通路118輸送。
通路115、116、117、118的吹氣口115A、116A、117A、118A位于略高襯底S的位置處。III族原料氣B和V族原料氣C以分層氣流的方式吹向襯底S。
在通路118的吹氣口118A處安裝有多孔板119。多孔板119上的穿孔指上襯底S的上游的區(qū)域。因此，從通路118出來的吹氣D通過多孔板119以淋浴的方式吹向襯底S上游的區(qū)域。
III族原料氣B和V族原料氣C以分層的形式流過多孔板119和襯底S之間，當(dāng)II族元素雜質(zhì)被導(dǎo)入時，II族原料氣和這兩種原料氣一起流動，同時也在它自己的分層上。從多孔板119吹出來的淋浴狀的吹氣D首先在這個時候和III族原料氣B和V族原料氣C進(jìn)行混合，并且有效地將III族原料氣B和V族原料氣C的混合氣吹向襯底S的表面。
在本實施例中，外殼裝置114A的末端延伸到襯底S的下面。因此，由于外殼裝置114A包圍整個反應(yīng)區(qū)域，由吹氣D混合的III族原料氣B和V族原料氣C有效地接觸襯底S的表面，從而保證所需薄膜晶體的有效沉積。
由于上述結(jié)構(gòu)，II族原料氣A、III族原料氣B和V族原料氣C一直到它們到達(dá)襯底附近之前，都沒有發(fā)生副作用。所以，在襯底的表面可以形成所需具有指定成分和厚度的薄膜晶體。用過的氣體從排氣口120排出，并在廢氣處理器(未示出)中進(jìn)行處理。
由于使用吹氣D以所述方式分別向襯底S供應(yīng)原料氣，即II族原料氣A、III族原料氣B和V族原料氣C，因此，單獨供應(yīng)的II族原料氣A、III族原料氣B和V族原料氣C在它們即將抵達(dá)襯底S之前才被吹氣D混合。這樣能保證沉積速度的改善，并且也能增強基于GaN的混晶中除了Ga以外的Al、In和其它III族元素的含量。此外，在進(jìn)行II族元素?fù)诫s時，可以在不降低沉積速度的前提下，提高雜質(zhì)的結(jié)合效率。
本發(fā)明現(xiàn)在將結(jié)合工作實例進(jìn)一步解釋。但本發(fā)明決不限于這些實例。
以下提出的III-V族化合物半導(dǎo)體是用圖18所示的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)采用有機金屬化學(xué)汽相淀積法生長的。
雙-乙基-環(huán)-戊-烯-鎂((C2H5C5H4)2Mg；在下文中有時簡稱為(EtCp)2Mg)被用來在鎂摻雜時作P型雜質(zhì)。
(實例8)將C面被研磨為鏡面光潔度的藍(lán)寶石用有機溶劑清洗后用作襯底。采用能處理單片兩英寸襯底的基座，它在整個膜沉積期間旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)爐和襯底首先在1100℃下通過送入氯化氫氣體進(jìn)行清洗，其中氫氣是載氣。清潔完畢后，三甲基鎵((CH3)3Ga；在下文中有時被簡稱為TMG)和氨氣被送到溫度為550℃的襯底上，以形成厚度為50nm的GaN緩沖層。襯底的溫度被提升到1040℃，供應(yīng)TMG和氨氣，以將GaN層生長到3μm的厚度。沉積速度為50nm/min。
襯底溫度下降到750℃，載氣切換為氮氣，供應(yīng)三乙基鎵((C2H5)3Ga；在下文中有時簡稱為TEG)和氨氣以生長GaN層。
從反應(yīng)爐中移出襯底。測量膜的厚度并確定沉積速度。如圖21中符號A所示，在總流量為30slm時的沉積速度為60nm/min，這里的沉積速度針對所供原料TEG的量進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
(對比實例3)以相同方式重復(fù)實例8，只除了不用圖18所示的多孔板119。
在750℃下生長GaN層，再將襯底移出反應(yīng)爐。測量膜的厚度并確定沉積速度。如圖21中符號B所示，在總流量為30slm時，沉積速度為20nm/min，它只有使用多孔板時的沉積速度的1/3。如同在實例8中一樣，沉積速度針對對所供原料TEG進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
(實例9)將C面被研磨為鏡面光潔度的藍(lán)寶石用有機溶劑清洗后用作襯底。采用能處理單片兩英寸襯底的基座，它在整個膜沉積期間旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)爐和襯底首先在1100℃下通過送入氯化氫氣體進(jìn)行清洗，其中氫氣是載氣。完成清潔后，三甲基鎵和氨氣被送到溫度為550℃的襯底上，以形成厚度為50nm的GaN緩沖層。襯底的溫度被提升到1040℃，供應(yīng)TMG和氨氣，以將GaN層生長到大約3μm的厚度。沉積速度為50nm/min。
襯底的溫度降到750℃，載氣切換為氮氣，供應(yīng)TEG、TMA和氨氣生長AlXGa1-XN層一小時。
控制TMA和TEG的量，以生長三層具有不同Al和Ga含量比的AlXGa1-XN層。
襯底從反應(yīng)爐中移出后，對每一片襯底用X射線衍射法檢查Al含量。如圖22中的符號A所示，襯底的AlXGa1-XN層的鋁含量隨著TMA供應(yīng)量成正比地增加。
(對比實例4)
除了不采用圖18中所示的多孔板119外，以相同方式重復(fù)實例9。
生長完AlXGa1-XN層以后，從反應(yīng)爐中移出各個襯底，用X射線衍射法檢查Al的含量。如圖22中的符號B所示，盡管TME的供應(yīng)量增加，襯底的AlXGa1-XN層的鋁含量基本上維持不變。
(實例10)將C面被研磨為鏡面光潔度的藍(lán)寶石用有機溶劑清洗后用作襯底。采用能處理單片兩英寸襯底的基座，它在整個膜沉積期間旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)爐和襯底首先在1100℃下通過送入氯化氫氣體進(jìn)行清洗，其中氫氣是載氣。完成清潔后，三甲基鎵和氨氣被送到溫度為550℃的襯底上，以形成厚度為50nm的GaN緩沖層。
襯底的溫度被提升到1040℃，供應(yīng)TMG和氨氣，以將GaN層生長到大約3μm的厚度。沉積速度為50nm/min。
然后供應(yīng)TMG、(EtCp)2Mg和氨氣，以生長摻雜Mg的GaN層一小時。供應(yīng)的(EtCp)2Mg是用(EtCp)2Mg起泡器中維持在30℃的600ml/min的起泡氫氣進(jìn)行汽化。
按前述方式處理后的襯底被移出反應(yīng)爐，并對鎂摻雜的GaN層的厚度進(jìn)行測量。如圖23所示，Mg摻雜為1×1019/cm3的3μm厚的GaN層均勻地沉積在整個襯底面內(nèi)。
(對比實例5)除了不采用圖18中所示的多孔板119外，以相同方式重復(fù)實例10。
從反應(yīng)爐中移出生長了鎂摻雜GaN層的襯底，測量該層的厚度。如圖24所示，沉積速度在襯底面上的變化為在襯底中間部位的厚度0.7μm和在外圍的1.5μm之間。沉積速度只有實例10的1/2或更少。所述GaN層摻雜了1×1019/cm3的鎂。
在本發(fā)明中，由于吹氣被用來將單獨供應(yīng)的原料氣吹向襯底，因此多種單獨供應(yīng)的氣體在剛剛要到達(dá)襯底之前進(jìn)行混合并跟襯底表面有良好的接觸。這樣保障了沉積速度的提高，也提高了III族元素在基于GaN的混晶中的含量。它也改善了摻雜元素的結(jié)合效率。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，它裝備了反應(yīng)爐和原料氣供應(yīng)單元，并且它能夠通過利用安裝在反應(yīng)爐中的噴嘴單元將來自所述原料氣供應(yīng)單元的原料氣排放到所述反應(yīng)爐中安裝的襯底的表面，從而利用外延汽相淀積工藝制造化合物半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的特征在于在所述噴嘴單元的原料氣噴嘴裝置的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間產(chǎn)生壓力差。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于通過在所述噴嘴單元中安裝壓差產(chǎn)生裝置來產(chǎn)生所述壓力差。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于提供多級所述壓差產(chǎn)生裝置。
4.如權(quán)利要求2或3所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述壓差產(chǎn)生裝置是安裝在所述噴嘴單元的原料氣噴嘴裝置附近的至少一個多孔板。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于為所述反應(yīng)爐提供冷卻系統(tǒng)以冷卻所述反應(yīng)爐的外壁部分。
6.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于通過在所述噴嘴單元中安裝至少一個擋板構(gòu)成所述壓差產(chǎn)生裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于在所述噴嘴單元的所述進(jìn)口噴嘴裝置附近安裝多孔板。
8.如權(quán)利要求6或7所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于為所述反應(yīng)爐提供冷卻系統(tǒng)以冷卻所述反應(yīng)爐的外壁部分。
9.一種半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，它裝備了原料氣供應(yīng)單元和反應(yīng)爐，所述反應(yīng)爐從所述原料氣供應(yīng)單元接收原料氣并通過金屬有機物的熱分解在半導(dǎo)體襯底上形成薄膜晶體層，所述半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的特征在于其中包括在所述反應(yīng)爐中提供的引入裝置，用于向半導(dǎo)體襯底的表面?zhèn)鬟f從所述原料氣供應(yīng)單元接收的原料氣，其中引入裝置包含一個中空通道，用來將來自原料氣供應(yīng)單元的原料氣引導(dǎo)到指定的第一方向上；以及一個噴氣嘴，用來以第二方向噴射來自中空通道的原料氣，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向，所述半導(dǎo)體襯底被浸泡在從噴氣嘴射出的原料氣流中。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述引入裝置上提供了由所述中空通道和所述噴氣嘴構(gòu)成的條形空腔裝置。
11.如權(quán)利要求9或10所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述噴氣嘴由沿所述第一方向間隔開的多個孔構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述多個孔的間隔是這樣設(shè)置的、使得從所述多個孔噴射出來的原料氣形成的所述氣流在所述半導(dǎo)體襯底上是均勻的。
13.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述孔的形式為通孔。
14.如權(quán)利要求9或10所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述噴氣嘴由在所述第一方向上延伸的縫隙構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述引入裝置內(nèi)部由至少一條冷卻劑通道構(gòu)成，以傳遞用于冷卻的流經(jīng)所述中空通道的冷卻劑。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于在靠近所述中空通道的地方提供至少一條冷卻劑通道。
17.如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于在靠近所述中空通道的地方的相對側(cè)提供兩條冷卻劑通道。
18.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述引入裝置上提供了由所述中空通道和所述噴氣嘴構(gòu)成的環(huán)狀空腔裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述噴氣嘴由沿所述第一方向間隔開的多個孔構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求18或19所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述孔的形式為通孔。
21.如權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)，其特征在于所述多個孔的間隔是這樣設(shè)置的、使得從所述多個孔噴射出來的原料氣形成的所述氣流在所述半導(dǎo)體襯底上是均勻的。
22.一種利用權(quán)利要求9、10、15、16、18、19或21中的任何一個所述的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的用于制造化合物半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體制造系統(tǒng)。
23.一種通過將多種原料氣引入到反應(yīng)爐內(nèi)的制造III-V族化合物半導(dǎo)體的方法，其中在所述反應(yīng)爐上裝有要在其上形成薄膜晶體層的襯底，以及通過氫化物汽相外延或金屬有機物熱分解工藝在襯底上沉積出薄膜晶體層，所述方法的特征在于其中包括單獨地將多種原料氣引進(jìn)到襯底附近并利用單獨引導(dǎo)到所述反應(yīng)爐中的吹氣來混合出現(xiàn)在所述襯底附近的所述多種原料氣，然后將所述混合原料氣吹向所述襯底的步驟。
24.一種制造III-V族化合物半導(dǎo)體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)適合于引入多種原料氣到反應(yīng)爐中，所述反應(yīng)爐中設(shè)置有襯底，在所述襯底上用氫化物汽相外延或金屬有機物熱分解工藝形成薄膜晶體層，所述系統(tǒng)的特征在于其中包括在所述反應(yīng)爐中提供的引入裝置和在引入裝置的出口處提供的吹氣裝置，所述引入裝置向所述反應(yīng)爐中引入所述多種原料氣，并分別引導(dǎo)它們到達(dá)所述襯底附近，它也被用于將所述反應(yīng)爐外部所提供的吹氣引導(dǎo)到所述襯底附近，所述吹氣裝置用來在從引入裝置出來的多種原料氣被混合后將所述吹氣吹向所述多種原料氣，以將它們吹向所述襯底。
25.如權(quán)利要求24所述的制造III-V族化合物半導(dǎo)體的系統(tǒng)，其特征在于吹氣裝置是多孔板。
26.如權(quán)利要求24或25所述的制造III-V族化合物半導(dǎo)體的系統(tǒng)，其特征在于還包括用于利用冷卻劑冷卻所述反應(yīng)爐的外壁部分的冷卻系統(tǒng)。
27.如權(quán)利要求24所述的制造III-V族化合物半導(dǎo)體的系統(tǒng)，其特征在于所述引入裝置將傳遞到所述襯底附近的所述多種原料氣分層。
28.利用權(quán)利要求23所述的制造III-V族化合物半導(dǎo)體的方法制造的III-V族化合物半導(dǎo)體。
29.利用權(quán)利要求24或27所述的制造III-V族化合物半導(dǎo)體的系統(tǒng)制造的III-V族化合物半導(dǎo)體。
30.利用權(quán)利要求26所述的制造III-V族化合物半導(dǎo)體的系統(tǒng)制造的III-V族化合物半導(dǎo)體。
全文摘要
在利用MOCVD制造化合物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體制造系統(tǒng)中,引入裝置用于將從原料氣供應(yīng)單元提供的原料氣引導(dǎo)到放置在反應(yīng)爐中的半導(dǎo)體襯底的表面,引入裝置的主體被構(gòu)成為空腔裝置的形式,以形成用于將以指定方向傳導(dǎo)原料氣的原料氣引導(dǎo)通路,同時,它由許多小孔構(gòu)成,并且原料氣引導(dǎo)通路中的原料氣以垂直于所述指定方向的方向從小孔中噴射出來,從而將半導(dǎo)體襯底浸泡在引入裝置以這種方式噴射出來的流量均勻的原料氣流之中。此外,在噴嘴裝置的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間產(chǎn)生的壓力差使從噴嘴裝置噴射出來的原料氣以均勻的流速在襯底的整個表面流動。多種原料氣被單獨引導(dǎo)到襯底附近,吹氣將多種原料氣吹向襯底,以利于所需的薄膜晶體。
文檔編號C23C16/455GK1387233SQ0212001
公開日2002年12月25日 申請日期2002年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月17日
發(fā)明者片峰俊尚, 家近泰, 高田朋幸, 土田良彥, 清水誠也 申請人:住友化學(xué)工業(yè)株式會社