[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及半导体器件及其制造方法，特别是涉及在Si衬底上具有由GaN系列化合物构成的高品质半导体结晶膜的半导体器件及其制造方法。

淀积这种高品质的GaN系列化合物膜所使用的生成方法可分为两组。

即，一组是包括MOCVD法(metal organic chemical vapor depo-sition：金属有机物化学汽相淀积)或者等离子体加速MOCVD(Plas-ma assisted MOCVD)之类的MOCVD法的变形例的方法。这一组的所有的方法的特征是：代表性的反应炉压为10～1030hPa和高品质GaN的生长温度为500～1100℃。控制GaN的生长的机理为包括汽相化学反应及衬底表面与半导体膜表面之间的化学反应。

第2组方法包括MBE(molecular beam epitaxy：分子束外延)法之类的方法、和GSMBE(gas source MBE：气源MBE)法，CBE(chem-ical beam epitaxy：化学束外延)法或者MOMBE(metal organic MBE：金属有机物MBE)法这样的关联方法。这一组方法与MOCVD法不同，炉压低到0.001hPa以下，且无气相反应。

图8的模式图示出了MOCVD法的代表性的生长方法。在图中，30是蓝宝石衬底，31是反应炉，32是基座，33是加热器，34是反应气体注入管，35是注入子管，36是排气泵，37是电机，38是排气管。

GaN外延层被用以下步骤生长为在蓝宝石衬底30上边有4μm厚的膜厚。在此期间，反应炉31把压力保持为1030hPa。首先，把直径2英寸的已清洗干净的蓝宝石衬底30配置于基座32的上边。其次，用排气泵36充分地把不锈钢反应炉31里边的空气排出去，并把H₂气体导入反应炉31内，用这种办法就用H₂气置换了反应炉31内的空气。其次，一边用反应炉31内的反应气体注入管34和位于反应炉31的上部的注入子管35向反应炉31内供H₂气，一边用加热器33把基座32一直加热到1060℃。这一状态保持10分钟，以从蓝宝石衬底30的表面上除去氧化膜。之后基座32的温度被降至500℃，并维持不变，直到蓝宝石衬底30温度稳定下来为止。

接着，从注入子管35注入H₂和N₂的气体混合物、从反应气体注入管34供给氨(NH₃)气体和H₂气体的混合物。从注入子管35供给的H₂和N₂气体的各自的流量为10升/min，从反应气体注入管34供给的氨气和H₂气的流量分别为4升/min和1升/min。维持这一状态不变，直到基座32的温度在500℃稳定下来。

其次，为了形成缓冲层，除经反应气体注入管34供给氨气和H₂气之外，再以2.7×10^-5mol/min的流量流入TMG(trimethylgal-lium：三甲基镓)1分钟。接下来，为了停止缓冲层的生长，仅仅停供TMG气体。结果是形成0.02μm厚的缓冲层。

基座32的温度边流以其他气体边向1020℃上升。在基座32的温度上升到1020℃之后，除去经反应气体注入管34供给氨气和H₂气之外，再以5.4×10^-5mol/min的流量注入TMG气体60分钟，以生长膜厚为4.0μm的GaN外延层。

在这一生长期间，在上述条件下经注入子管35恒定地供给H₂气和N₂气，反应炉31的内部不会被反应气体污染。此外，基座32用电机37以5rpm的速度旋转，使单晶均匀地生长。在供气期间，所供气体从由排气泵36的管道分支出来的排气管38中向外排气。

经过这样地处理，在蓝宝石衬底30上边就会生长出0.02μm厚的GaN缓冲层和4μm厚的GaN外延层(参看USP5,290,393号公报)。

图9是示出了另一种MOCVD法的高速转盘MOCVD反应炉的简单的模式图(该图引自Inst.Phys.Conf.ser.No 141，(1994)，p.119)，图中，39是MOCVD反应炉、40是氮源分配总管、41是III族分配总管、42是调整针状阀、43是过滤网(Screen)、44是晶片承载器。