產生二元半導體材料磊晶層的方法
【技術領域】
[0001]本發明有關微電子學領域，可通過金屬-有機化合物及氫化物之化學氣相沉積產生II1-V化合物半導體材料及I1-VI化合物半導體材料的磊晶結構。
【背景技術】
[0002]產生II1-V磊晶結構的方法(以下稱為M0CVD)為Manasevit所提出(參見ManasevitΗ.M.Single-Crystal Gallium Arsenide on Insulating Substrates Appl.Phys.Lett.12，156 (1968))。該方法在于第III族元素之金屬-有機化合物(MOC)，即三甲基鎵，與第V族元素之氫化物(胂)通過氫流傳送至裝有熱表面的反應器內，所述熱表面上布置有單晶基材，而砷化鎵磊晶層是生長于所述熱表面上。
[0003]稍后，M0C與氫化物之間的反應被發現不僅發生于熱表面上，亦發生于氣相(均相反應)。為了抑制該等反應，M0C及氫化物是分別被供應至生長區的裝置應運而生(參見例如美國專利申請案第2009/0229754號，其中使用具有〃蓮蓬頭噴淋器〃型之反應氣體導入系統的裝置)。然而，此等組份于生長區中混合，結果將無法完全避免所述組份于氣相上的反應。沉積于生長表面的均相反應的產物會損害磊晶層的質量。就發展具有量子維度阱洞之異質磊晶結構(HES)之技術的觀點而言，此項問題變得特別重要(尤其是用于LED之以GaAIN為主之HES)。
[0004]有一些已知解決方法(參見例如美國專利申請案第2010/0263588號)，其中M0C與氫化物交替供應至反應器內，以避免均相反應。例如，通過提供氣體-蒸氣混合物(GVM)之移動使得先供應第III族組份，隨后吹離反應器，接著供應第V族組份，而之后再次吹離反應器，依此往復，直至具有所需厚度的層形成。然而，在此情況下，制程持續時間因為依序將組份供應至反應器內而增加，且伴隨有不穩定的GVM流出現，即氣相中發生暫態過程，所述暫態過程隨GVM流變化，轉而造成HES質量損失。此等方法通常用于在實驗室(研究)施行制造。
[0005]在反應器中使用具有回轉基材支架的分隔壁，以將反應器分成多個區段，而后將反應組份分別供應進入所述區段內(參見例如美國專利8043432)。此類方法會在該等區段上引起不期望的反應產物沉積，并且造成所述產物在其長晶期間破碎并落在磊晶層上的風險。
[0006]據此，目前尚無任何可消去均相反應且保證HES大規模生產(例如一次多于40片基材)的解決方案。
【發明內容】
[0007]本文中所使用對語辭、陳述及縮寫具有以下意義。
[0008]M0CVD(金屬有機化學氣相沉積)意指自含有金屬-有機化合物之蒸氣的氣相化學沉積的方法。
[0009]HES意指異質磊晶結構。
[0010]M0C意指金屬-有機化合物。
[0011]GVM意指氣體-蒸氣混合物，其系反應氣體，尤其是指金屬-有機化合物之蒸氣于載體氣體中之混合物與/或元素周期表第V族元素之氫化物與載體氣體之混合物。
[0012]分隔區段意指反應室之想象部分(區)，其中載體氣體流沿所述反應室徑向移動，與所述反應室相鄰區段中之反應氣體流相分離，尤其是M0C區段及氫化物區段。
[0013]TMA意指三甲基鋁。
[0014]TMG意指三甲基鎵。
[0015]TMI意指三甲基銦。
[0016]載體氣體意指用作載體之氣體，其不含任何可能沉積于該基材上的化合物。通常使用氫、氮或其混合物作為載體氣體。
[0017]其他語詞及陳述是使用熟習此技術者已知的一般意義。
[0018]本發明旨在提供一種M0CVD方法，其使半導體材料磊晶層既可以以一般方式長晶，亦可經由原子層沉積之方式在連續反應氣體流(使得該方法的產能較之使用間斷供應反應氣體的方法增高)下長晶。
[0019]在所述通過金屬-有機化學氣相沉積法(M0CVD)于單晶基材上產生二元半導體材料的磊晶層之方法中，前述問題之解決方案是使用以下裝置措施:
(A)反應器，其具有相對于垂直中心軸為圓形的反應室；
(B)基材支架，水平布置于反應室中且配接成繞著該垂直中心軸回轉；
(C)圓形篩網，布置于反應室中該基材支架上方距離大約15mm及40 mm之間之處，所述篩網的直徑大于所述基材支架的直徑；
其中
(a)保持所述基材支架于一個預定溫度；
(b )所述基材支架繞著所述垂直中心均勻地的回轉；
(c)將至少兩種反應氣體分別供應至所述反應室的不同徑向區段內；其中所述氣體中之至少一者含有可分解以形成第III族或第II族元素的原子層的金屬-有機化合物(M0C)，且所述氣體中之至少另一者相應的含有第V族或第VI族元素的氫化物，所述氫化物可相應的與所述層中的第III族或第II族元素之原子反應；
(d)所述反應氣體供應的順序為所述含有第III族或第II族元素的M0C的反應氣體產生之層暴露于相應的所述含有第V族或第VI族元素之氫化物的反應氣體的作用之下；
(e )為避免所述反應氣體彼此混合，在位于所述反應氣體流之間的區段內供應載體氣體；
(f)在該層生長的整段期間，連續不停的將反應氣體及載體氣體供應至所述反應室內；
(g)所述反應氣體及載體氣體以所述反應室內每一區段相對于相同直徑的徑向移動速度皆一致的方式進行供應；
(h)所述基材支架回轉的圓周速度、所述反應氣體中M0C的濃度、及所述反應氣體消耗速率的供應方式為使得該基材支架完整回轉一圈所沉積的層的厚度約為單原子層厚度的
0.6 至 1.0;
(i )所述反應氣體及所述載體氣體是經由直徑小于1mm且表面密度為5至20個開口 /平方厘米的開口群組以基本水平的方式供應，使得所述基材支架上方的徑向氣流以層流的位移方式流動，且生長中的所述層的厚度d實質上等于k X a X η，其中 k為正實數，為在所述基材支架完整回轉一圈所沉積的所述單原子層厚度的部份； a為正實數，為所述生長中的材料的晶格參數； η為正整數，為該基材支架完整回轉之圈數。
[0020]前述方法可改善HES的質量。
[0021 ]該改良是通過以下裝置措施達成:
(Α)排除所述含有第III族(或第II族)元素之M0C的反應氣體滲入所述含有第V族(或第VI族)元素之化合物的反應氣體的區段，反之亦然；
(Β)提供所述反應氣體與所述載體氣體之混合物的層流；
(C)排除氣流旋渦，以避免所述氣流捕集顆粒并將它們重新散落于HES生長區內；
(D)消除可能出現再循環晶胞的條件；
(Ε)使得所述GVM組份濃度在整個HES生長區的穩定且單調地變化；
(F)使用載體氣體作為分離流而非介于區段間之分隔壁，以避免所沉積之反應產物自所述分隔壁進入所述長晶中的磊晶層的風險，同時避免所述氣流在該壁附近的減速及擾流。
[0022]熟習此技術者了解要長成具有所需組份的層需要確認布置在所述反應器中所述回轉基材支架上的所述基材對所述垂直中心軸成對稱，所述基材被加熱，連續地供應所述含有第III族(或第II族)元素之M0C的反應氣體，連續地供應所述含有第V族(或第VI族)化合物的氣流，連續地供應所述載體氣體，所述層得到生長，以及所述氣體反應產物被移除，其中所述所有氣體，尤其是所述含有第III族(或第II族)元素之M0C的反應氣體與所述含有第V族(或第VI族)化合物的反應氣體，是以空間上分離且交錯的方式執行，所述載體氣體流分離所述含有第III族(或第II族)元素之化合物的氣流與所述含有第V族(或第VI族)元素之化合物的氣流，該層沉積是以循環方式執行，同時具有單原子