[发明专利]制造Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体的方法和系统及Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造III-V族化合物半导体的方法和系统以及III-V族化合物半导体，所述方法和系统能够使汽相淀积形成的薄膜化合物半导体的晶体生长层具有均匀的厚度。

技术背景

在制造各种化合物半导体器件时，通常的方法是使用半导体单晶片，它是通过利用氢化物VPE(汽相外延)工艺、金属有机物化学汽相淀积MOCVD工艺、或其它类似的工艺在衬底上连续地堆叠所需的单晶层而形成的，其中氢化物VPE工艺利用V族原料中诸如AsH₃或PH₃等氢化合物生长晶体外延层，金属有机物化学汽相淀积MOCVD工艺靠热分解金属有机络合物来生长外延晶体层。

例如，大部分常规的使用MOCVD工艺的半导体制造系统通过单一供应口向MOCVD反应炉中提供原料气。在这种常规技术中，从供应口向置于反应炉中用于生长单晶薄膜层的衬底供气的步骤是使原料气沿反应炉中衬底的上升方向经过一个相对较长的距离以得到具有足够均匀的流速和原料浓度的原料气层流。

另一方面，也开发出了能缩短衬底和原料供应口之间距离的反应炉，这种炉中使用多孔平板作为供应口，并将衬底放在多孔平板的对面。

但是，在上述的常规结构中，为了实现具有均匀流速和所需浓度的原料气层流，需要让原料气在相当长的距离上接触高温的反应炉的炉壁。这样就带来了一系列的问题，例如晶体的纯度会降低，因为从炉壁吸收的热会使原料过早分解，还有原料使用效率下降。

更有甚者，由于向反应炉供气是经由反应炉中适当形成的单一进口，这样导入的原料气由于流路的不均匀性容易形成不平衡的流动。这从而引起各种问题，包括外延汽相淀积在半导体衬底上形成的外延晶体层厚度不均匀。另外，当采用多孔平板类型的供应口时，由于实质上不可能调节原料供应速度，因此保证沉积膜的厚度足够均匀是困难的。

例如在利用半导体单晶片制造LED器件的情况下，外延晶体层的均匀厚度对减小利用晶片制造的LED中波长和功率特性的分散度至关重要。但是，由于沉积层的这种不均匀性，在整个半导体单晶片上形成具有相同特性的LED是困难的。这样会增加成本，因为必须设置例如检查所制造的LED特性并将它们按特定用途分类的工序。

在使用所述各种不同的外延汽相淀积工艺形成所需的化合物半导体单晶层时，其外延晶体层的质量强烈地影响最终半导体器件的特性。

为了使整个衬底上形成的外延晶体层的厚度均匀，关键点是必须使供给反应炉的原料气的流速在整个衬底表面上均匀一致。但要做到此点是困难的，因为炉中安装在基座上的衬底，被例如高频感应加热控制维持在所需的生长温度。因为这一温度很高，至少在600℃左右，引入到反应炉中的原料气流被热扰动。因此要在衬底表面达到均匀一致的气流是极度困难的。尤其是在涉及生长温度高达1000℃或更高的高温制程中，这一点特别明显，例如在制造GaN系LED的晶片时的情形就是如此。

在将单独供应的原料气混合起来在衬底上形成需要的混合晶体沉积的情形下，为了制造III-V族半导体单晶片，连续地在半导体或其它合适的衬底上堆叠所需要的单晶薄膜层，晶片的制造采用氢化物汽相外延(HVPE)、金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)、或其它类似的工艺，其中所述HVPE工艺利用V族原料中诸如AsH₃或PH₃等氢化合物生长外延晶体层，所述MOCVD工艺靠热分解金属有机络合物生长外延晶体层。

当用上述方法之一制造基于GaN的III-V族化合物半导体单晶片(例如，InGaAlN晶片)时，将预先控制到适当温度的衬底置于反应炉中，将用于掺杂的III族原料气，V族原料气和II族原料气从外部供气源引入到反应炉内，这些原料气的混合体被引导到衬底上面，以在衬底上形成所需的晶体生长。

但是，众所周知，当用前述的HVPE或MOCVD方式制作III-V族化合物半导体时，反应炉中的高温(700℃-1100℃)会引起V族物质和由III族和/或II族原料构成的金属有机络合物之间到达衬底之前发生副作用。例如III族原料三甲基铟(TMIn)和V族原料膦(PH₃)之间以及III族原料三甲基镓(TMGa)和V族原料氨(NH₃)之间的过早分解会引起副作用。