TWI312534B - - Google Patents

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1312534 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於製造異質接面雙載子電晶體（HBT)用 的化合物半導體晶圓之製造方法及化合物半導體元件。 【先前技術】 異質接面雙載子電晶體（HBT)係爲了提高射極注人 效率，在射極層使用能帶間隙比基極層大的物質，以將& 極-基極接面當成異質接面之雙載子電晶體，很合適作胃 在微波頻帶以上的頻率區域使用的半導體元件，被期待_ 作爲次世代行動電話用的半導體元件。 HBT之構造係如下述：例如，在GaAs系HBT時，_ 般係藉由在半絕緣性G a A s基板上利用有機金屬熱分解 '法 (MOCVD法）而依序使之結晶成長n + -GaAs層（基極層 )、n-InGaP層（射極層）、n-GaAs層（副射極層），形 成射極-基極接面之pn接面成爲異質接面之構造的上述 層構造的薄膜結晶晶圓，利用此以製造HBT。 第7圖係模型顯示習知上的一般的GaAs係HBT的構 造圖。在第7圖之HBT100中’係在半絕緣性的GaAs基 板1〇1上利用MOCVD法等之適當的氣相成長法，依由 n + -GaAs層形成的副集極層1〇2、由η-GaAs層形成的集極 層103、由p-GaAs層形成的基極層1〇4、由n_inGaP層形 成的射極層105以及由n + -GaAs層形成的副射極層106、 由n + -InGaAs層形成的射極接觸層1〇7之順序而形成當成 (2) 1312534 半導體薄膜結晶層，在副集極層】02上形成集極丨08，在 基極層104上形成基極1〇9，而且在射極接觸層1 〇7上形 成射極1 1 0。 此種如此構成之 HBT，其電流放大率/3係以泠 = ：Jc/Ib = (In-Ir)/(Ip + ls + ir)表示。此處’ in係由射極往基極 之電子注入電流’ Ip係由基極往射極之電洞注入電流，Is 係射極/基極界面再結合電流，Ir係在基極內之再結合電 流。 因此，爲了使電流放大率Θ變大，依據上式，知道需 要使在基極內的再結合電流之Ir降低。此基極內之再結 合電流對於基極層的結晶係敏感，在基極層如有很多結晶 缺陷時，在基極內的再結合電流會變大，電流放大率沒便 降低。因此，在改善Η B T的電流放大率特性上，需要使 該基極層之結晶性變得良好。 達成此種目的之習知技術之一，在日本專利特開平 3- 1 1 082 9號公報中，設化合物半導體薄膜之成長時的基 板溫度爲4 5 0〜6 5 0 °C、5族原料和3族原料之供給莫耳比 設定在0.3〜2.5之範圍內的化合物半導體薄膜之製造方 法被提出。 如依據此提案之習知方法，存在有載氣濃度雖可控制 在lX10I8cirT3〜lXl〇2Gcm·3，但是如決定5族原料和3族 原料的供給莫耳比以及成長溫度時，則載氣濃度由這些所 決定之故，難於將載氣濃度控制在所期望之値之問題點。 1312534 (3) 【發明內容】 本發明之目的在於提供：可以解決習知技術之上述問 題點的化合物半導體晶圓之製造方法及化合物半導體元件 〇 本發明之目的在於提供：藉由來自外部的不純物的添 加’得以控制載氣濃度，能夠形成結晶性良好之基極層的 化合物半導體晶圓之製造方法及化合物半導體元件。 爲了解決上述課題，在本發明中，係藉由將基極層的 成長條件設爲變成5族氣體流量供給規範成長之條件以提 升基極層的結晶性，藉此’以謀求電流放大率之大幅改善 。藉由使V/III比在1.〇〜〇.3之範圍內，可作爲5族氣體 流量供給規範成長。 此處’ V/III比係3-5族化合物半導體結晶成長時的5 族原料和3族原料的供給量比。一般在有機金屬氣相成長 法中’原料係由氣體筒或擴散器以氣體狀態所供給。來自 氣體筒之氣體的供給量係藉由設置在供給線之質流控制器 等之流量控制裝置所控制，（氣體筒內之氣體濃度）X(氣 體流量）便成爲原料的實際流量。來自擴散器之氣體的供 給量係藉由設置在流經擴散器的載氣氣體供給線之質流控 制器等之流量控制裝置所控制，（載氣氣體流量）X(擴散 器內原料蒸汽壓）/(擴散器內壓）便成爲原料的實際流 量。關於依據這些方式所供給的原料實際流量，一般將採 取5族原料和3族原料的供給量比者稱爲v /丨〗丨比。在本 說明書中’也依循上述之定義而使用V/III比之用語。 (4) 1312534 如依據本發明之第一形態，係提出一 藉由利用MOCVD法在化合物半導體基板 集極層、基極層、以及射極層之順序予以 造HBT製造用之化合物半導體晶圓的方 層爲含3族元素之Ga、A1以及In中的至 5族元素之As的p型化合物半導體薄膜 爲5族氣體流量供給規範成長之條件使之 藉由如上述般選擇基極層之成長條件 極層的結晶性變得良好，可使基極層內之 ，能夠提高HB T的電流放大率。 如依據本發明之第二形態，係提出一 圍第1項之發明，爲將V/III比設在0.3 以使上述基極層成長的化合物半導體晶圓 如依據本發明之第三形態，係提出一 圍第1或者第2項所記載之發明，爲以鹵 制上述基極層的載氣濃度之調整的化合物 造方法。 如依據本發明之第四形態，係提出一 圍第1或者第2項所記載之發明，爲以 制上述基極層的載氣濃度之調整的化合物 造方法。 如依據本發明之第五形態，係提出一 在化合物半導體基板上依副集極層、集極 射極層之順序形成爲薄膜結晶層而成的化 種方法，是針對 上依副集極層、 氣相成長，以製 法，設上述基極 少其中一種，含 層，以成長速度 成長。 ，則所成長的基 再結合電流變小 種如申請專利範 〜1 .〇之範圍內， 之製造方法。 種如申請專利範 化金屬的流量控 半導體晶圓之製 種如申請專利範 CBrCl3之流量控 半導體晶圓之製 種藉由氣相成長 層、基極層以及 ,合物半導體元件 -8 - (5) 1312534 ，上述基極層的少數載氣之壽命爲200psec以上。 如依據本發明之第六形態，係提出一種包含藉由氣相 成長在化合物半導體基板上依副集極層、集極層、基極層 以及射極層之順序形成爲薄膜結晶層而成的異質接面雙載 子電晶體之化合物半導體元件，上述異質接面雙載子電晶 體的電流放大率/基極片電阻的比例爲0.60以上。 【實施方式】 以下，參考圖面，詳細說明本發明之實施形態的一例 〇 第1圖係模型顯示由本發明之方法所製造的HBT用 薄膜電晶體晶圓之一例的層構造圖。此薄膜結晶晶圓系使 用於GaAs系HBT的製造之化合物半導體晶圓，以下，就 以本發明之方法來製造第1圖所示之層構造的半導體晶圓 時的實施形態之一例做說明。因此，並無將本發明之方法 限定爲第1圖所示構造的化合物半導體晶圓之製造的意思 〇 第1圖所示之半導體晶圓1的構造如下：半導體晶圓 1係利用MOCVD法在半絕緣性的GaAs化合物半導體結 晶之GaAs基板2上依序積層多數的半導體薄膜結晶成長 層而構成。如參考第1圖以說明半導體晶圓1時，則 GaAs基板2係由半絕緣性GaAs ( 〇〇1 )層形成，在GaAs 基板2上形成由i-GaAs層形成的緩衝層3。 接著，說明形成在緩衝層3上的HBT機能層4之構 1312534 (6) 造。HBT機能層4係作用爲副集極層4i的n + _GaAs層以 及作用爲集極層42之n、Ga As層依序當成半導體磊晶成 長結晶層而在緩衝層3上形成爲特定厚度。而且，作用爲 基極層43之p + _GaAs層同樣當成半導體磊晶成長結晶層 而形成在集極層42上，作用爲射極層44之n-InGaP層形 成在基極層43之上。而且，n- -GaAs層作爲副射極層45 ’ n + -GaAs層以及n + -InGaAs層作爲射極接觸層46及47 而形成在射極層44之上。 關於將上述之各層當成藉由MOCVD法之磊晶成長半 導體薄膜結晶層而形成之方法，在以下詳細做說明。 第2圖係槪略顯示使用於藉由MOCVD法以製造第1 圖所示之半導體晶圓1的氣相成長半導體製造裝置10之 重要部位。氣相成長半導體製造裝置10係具備來自原料 供給系統（未圖示出）的原料氣體透過原料供給線11而 供給的反應器12，在反應器12內設置載置GaAs基板2 而予以加熱用的感受器1 3。在本實施形態中，感受器1 3 係多方柱體，在其表面安裝多數的GaAS基板2，感受器 U係可藉由旋轉裝置14而予以旋轉之周知的構造。以符 號15所表示的是局頻感應加熱感受器13用之線圈。藉由 在線圈1 5流通來自加熱用電源1 6之加熱用的電流，可將 GaAS基板2加熱爲所希望的成長溫度。藉由此加熱，透 過原料供給線Π而供應給緩衝層3內之原料氣體在GaAS 基板2上熱分解’變成可在GaAS基板2上氣相成長所期 望的半導體薄膜結晶。使用完畢的氣體由排氣口 12A被 1312534 (7) 排出外部，而送往排氣氣體處理裝置。 在反應器12內的感受器13上載置GaAS基板2後， 使用氫氣作爲載氣，原料則使用氫化砷 '三甲基鎵（TMG )，在6 5 0 °C使GaAs成長約5 00nm以作爲緩衝層3。之 後，在緩衝層3上以成長溫度62 0 °C之條件成長副集極層 41以及集極層42。 然後，在集極層42之上利用3族原料之三甲基鎵（ TMG ) ，5族原料之氫化砷（AsH3)，使用p型化之摻雜 劑之CBrCh，在620°C之成長溫度成長基極層43。此處 ，在基極層43成長時，將成爲5族氣體流量供給規範成 長之V/III比設在0.3〜;U0之範圍內使基極層43成長。 V/III比在比1 .0大時，成長速度爲3族氣體流量供給規 範成長，在V/III比爲1.0以下時，成爲5族氣體流量供 給規範成長，隨著V/III比變小，成長速度降低。 第3圖係顯示使3族氣體流量成爲一定，而使5族氣 體流量改變之V/III比和成長速度（a.u.)的關係，在此 圖中，顯示上述所說明者。在V/III比大於1 .0之區域中 ，成長速度係由3族氣體流量所決定，所以成長速度成爲 一定。在ν/ΠΙ比小於1.0之區域中，成長速度雖由5族 氣體流量所決定，但是5族氣體流量隨著V/III比變小而 減少，所以隨著V/III比變小，成長速度隨之降低。另外 ，V/III比如小於 0.3，結晶的平坦性惡化。因此，使 V/III比小於0.3並不實際，由以上理由，V/III比以設爲 1.0〜0.3之範圍內的適當値爲佳。 -11 - 1312534 (8) 如此使基極層43成長後’在基極層43之上以620 °C 之成長溫度使射極層44、副射極層45成長，在副射極層 45之上形成射極接觸層46、47。 在半導體晶圓1中，將構成HBT之基極層43如上述 般’成爲5族氣體流量供給規範成長，將ν/ΙΠ比設爲 0.3~1.0之範圍內予以成長’基極層43的結晶性變得極爲 良好’藉此’可使基極層內之再結合電流變小，可以謀求 ΗΒΤ的電流放大率之大幅改善。 在上述實施形態中，3族原料雖使用ΤΜ(3，即Ga系 原料’但是其他也可以使用A1系原料或者in系原料。Ga 系原料、A1系原料以及In系原料雖可單獨使用，但是也 可以倂用這些當中的幾種。另外，5族原料在氫化砷之外 ，也可以利用含As之適當的5族原料以進行基極層43之 成長。 而且，摻雜劑係使用CBrCl3 ’摻雜碳（C )以將基極 層43設爲p型，藉由適當調整基極層43成長時的 CBrCh之流量，以力口減碳（C )的摻雜量，藉此，可使基 極層43之載氣濃度獨立於成長條件而予以調節。 在成長溫度620°C下，設V/III比爲〇.9或者0.7時， 如第4圖所示般，將摻雜劑之CBrCl3設爲10°C，知道藉 由調整供應給CBrCh擴散器之載氣的流量（seem)，可 獨立控制載氣濃度在l.〇Xl〇19cm_3〜1.0X102()Cm_3之範圍 。另外，再將溫度設爲620 °C以外時也相同。 另外，基極層43的載氣濃度控制在CBrCh之流量調 1312534 (9) 節外，於成長時流過鹵化甲烷，藉由控制其流量，也可以 同樣進行。鹵化甲烷在上述以外，例如也可以使用 CBr4 、CBrsCl、CBr2Cl2、CCI4 等。 如此，製造第1圖所示層構造的半導體晶圓1，利用 此半導體晶圓1以製造HBT時，可以提升基極層43的結 晶性，能夠製造電流放大率大的放大元件。在此情形下， 期望基極層43之少數載氣的壽命在200psce以上。另外 ，電流放大率/基極片電阻之比例以在0.60以上爲佳。 製造第1圖所示之半導體晶圓，如以下實施例般，利 用此半導體晶圓以製作HBT元件。射極尺寸爲100 // mX 100 m。此處，設射極電流流通 lkA/cm2時的射極電 流/集極電流爲電流放大率/8。 在HBT構造中，由於基極層之膜厚薄之故，時間分 解PL測量無法做測量。因此，以與HBT基極層製作條件 相同的條件積層1 // m之p-GaAs之薄膜的試料實施測量 實施例1 基極層43之成長條件係：設成長溫度爲620 °C、3族 原料使用三甲基鎵（TMG ) ，5族原料使用氫化砷（AsH3 )，P型化摻雜劑使用CBrC13，設V/III比爲0.9。在上 述成長條件下，調節摻雜劑之C的摻雜量，將基極層43 的載氣濃度設爲3.6Xl〇19cm·3。測量此時的HBT元件之 電流放大率/5爲1 8 0。另外，測量電流放大率/3 /基極片 -13- 1312534 (10) 電阻B R s之比例爲〇 · 6 0。 實施例2 在設ν/ΙΙΙ比爲0.7以外，以與實施例1完全相同的 條件來製作HBT元件，測量電流放大率/3爲2 1 5。測量基 極層4 3之少數載氣的壽命爲2 3 0 p s e c。測量電流放大率/3 /基極片電阻BRs之比例爲0.70。 比較例 設ν/ΠΙ比爲1.0以上之1.3、3.3以及25 ’以與實施 例1相同的成長條件，製作比較用的ΗΒ Τ元件。 在ν/ΙII比爲1.0以上時，電流放大率/3都是150。 另外，測量電流放大率万/基極片電阻BR2之比例爲 0.50。測量ν/ΙΙΙ比爲25時之少數載氣的壽命爲160psce 〇 第5圖以及第6圖係顯示這些的測量結果。在V/III 比爲1.0以下的V族氣體供給規範速度的成長條件下，基 極層爲缺陷少，結晶品質良好，少數載氣的壽命也變長。 此結果可認爲係提升所致。 實施例1、2以及比較例之V /111比、電流放大率冷 /基極片電阻BRs之値、以及少數載氣的壽命r之値分 別如以下所示。 -14- 1312534 (11) V/III 比 β / BRs τ ( p s ) 比較例 25 0.50 160 實施例1 0.9 0.60 200 實施例2 0.7 0.70 230 如依據本發明，如上述般，藉由設基極層之成長條件 爲5族流量供給規範成長之條件，可以提升基極層的結晶 性，能夠使少數載氣的壽命變長的同時，可使電流放大率 /基極片電阻的比例成爲高的値，藉此，能夠謀求電流放 大率之大幅改善。另外，可使基極層的載氣濃度獨立於成 長條件而予以控制，所以容易將載氣濃度控制在所期望之 値。 產業上之利用可能性 利用本發明之化合物半導體晶圓的元件，可當成HBT 而在微波頻帶以上之頻率範圍使用。 【圖式簡單說明】 第1圖係模型顯示由本發明之方法所製造的HBT用 薄膜電晶體晶圓之一例的層構造圖。 第2圖係槪略顯示使用於製造第1圖所示之半導體晶 圓之氣相成長半導體製造裝置的重要部位圖。 第3圖係顯示p-GaAs之V/III比和成長速度的關係 圖。 -15- 1312534 (12) 第4圖係顯示C B rC 13之流量和載氣濃度之間的關係 曲線圖。 第5圖係顯示基極層之V /111比和電流放大率之間的 關係曲線圖。 第6圖係將依據本發明之電流放大率和基極電阻之間 的關係與習知例比較而顯示之曲線。 第7圖係模型顯示習知之—般的GaAs系hbt的層構 造圖。 $要元件對照表 1 :半導體晶圓 2 : GaAs基板 3 :緩衝層 4 : HBT機能層 ι〇·•氣相成長半導體製造裝置 11 :原料供給線 ”：反應器 · :感受器 1 4 :旋轉裝置 1 5 :線圈 1 6 :加熱用電源 4 1 ·副集極層 42 :集極層 43 :基極層 -16- 1312534 (13)

4 4 :射極層 4 5 :副射極層 4 6 :射極接觸層 4 7 :射極接觸層 1 0 1 : G a A s 基板 1 0 2 :副集極層 1 03 :集極層 1 04 :基極層 1 0 5 :射極層 1 0 6 :副射極層 1 0 7 :射極接觸層 1 〇 8 :集極 1 09 :基極 ]1 0 :射極

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Claims (1)

1312534 (1) 拾、申請專利範圍 第92121492號專利申請案 中文申請專利範圍修正^ 民國多7车5月·:^正 ? ! C i - « . . ' '· · ί —---'^ 1 . 一種化合物半導體晶圓之製造方法，是針對藉由 利用MOCVD法在化合物半導體基板上依副集極層、集極 層、基極層、以及射極層之順序予以氣相成長，以製造 HBT製造用之化合物半導體晶圓之製造方法，其特徵爲： 設上述基極層爲含3族元素之Ga、A1以及In中的至 少其中一種，含5族元素之As的p型化合物半導體薄膜 層’以成長速度爲5族氣體流量供給規範成長之條件使之 成長， 以鹵化甲烷之流量來控制上述基極層的載氣濃度之調 整。 2 .如申請專利範圍第1項記載之化合物半導體晶圓 之製造方法，其中，設V/III比爲0.3〜！_〇之範圍內以使 上述基極層成長。 3 ·如申請專利範圍第1項或第2項記載之化合物半 導體晶圓之製造方法，其中，以CBrCl3之流量來控制上 述基極層的載氣濃度之調整。