改善的iii族氮化物半導(dǎo)體生長的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開以先進(jìn)緩沖層技術(shù)生長III族氮化物半導(dǎo)體化合物的方法。在實(shí)施例中，本發(fā)明的方法包括于氫化物氣相外延處理系統(tǒng)的處理腔室中提供合適的襯底。所述方法包括通過下列步驟形成AlN緩沖層：將氨氣流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)，將含鹵化鋁前驅(qū)物流至所述生長區(qū)，并同時(shí)將額外的鹵化氫或鹵素氣體流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)。流入生長區(qū)內(nèi)的額外鹵化氫或鹵素氣體在緩沖層沉積期間抑制均質(zhì)AlN顆粒形成。在終止含鹵化鋁前驅(qū)物的流動的同時(shí)，可持續(xù)使鹵化氫或鹵素氣體流入達(dá)一時(shí)間段。
【專利說明】改善的111族氮化物半導(dǎo)體生長的方法
[0001]本申請案主張于2011年5月20日提出申請的美國專利臨時(shí)申請案第61/488，676號以及于2012年5月10日提出申請的美國專利申請案第13/469，050號的權(quán)益，兩個(gè)案件的內(nèi)容以參照方式并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明的實(shí)施例涉及處理系統(tǒng)中的改善的半導(dǎo)體III族氮化物層生長的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]由于含鋁(Al) II1-V族化合物半導(dǎo)體被用來制造許多電子器件，因此含鋁(Al)II1-V族化合物半導(dǎo)體具有顯著的價(jià)值。III族氮化物GaN、AlN及AlGaN合金是極為重要的材料而廣泛用在光電子學(xué)(如，固態(tài)發(fā)光)及高功率電子等應(yīng)用中。金屬-有機(jī)氣相外延(metal-organic vapor phase epitaxy ；M0VPE)為主要的沉積方法,但氫化物氣相外延(hydride vapor phase epitaxy ;HVPE)為III族氮化物的替代性外延生長方法。一般而言，HVPE工藝涉及一或多種金屬鹵化物與氫化物的反應(yīng)。就III族氮化物材料的生長來說，典型使用金屬氯化物及氨(NH3)。
[0004]在AlN HVPE工藝中使用三齒化招(aluminum trihalide)的一個(gè)挑戰(zhàn)在于,均質(zhì)反應(yīng)及作為均質(zhì)反應(yīng)的結(jié)果的氣相中的AlN顆粒形成。已顯示，伴隨著AlN膜的形成，會于氣相中形成某些顆粒。用于AlN顆粒形成的整體一次性操作均質(zhì)反應(yīng)與用于異相反應(yīng)相同，但中間反應(yīng)路徑將會不同。通常很難由實(shí)驗(yàn)來判斷均質(zhì)反應(yīng)所涉及的反應(yīng)中間產(chǎn)物的名稱(identity)。一般而言，若三鹵化鋁與NH3彼此相遇時(shí)，可能會出現(xiàn)AlRx-NHx型態(tài)(其中x=l至3，且R=C1、Br或I)的加合物化合物作為氣相反應(yīng)的結(jié)果。也可能同步形成寡聚物形式。氣相中的大量單體及高階寡聚物最終將在反應(yīng)器腔室中產(chǎn)生AlN的小型懸浮顆粒。
[0005]當(dāng)三氯化鋁(A1C13)與NH3混合時(shí)，二者即刻反應(yīng)而于氣相中產(chǎn)生AlN納米顆粒。就AlN顆粒形成的整體一次性操作均質(zhì)反應(yīng)如下。
[0006]AlC13(g)+NH3(g)=AlN(顆粒)+3HCl(g) (I)
[0007]在低溫下過早預(yù)混合氣體、沉積腔室的大容積，以及低的總體氣流可顯著增加反應(yīng)器中的AlN納米顆粒的標(biāo)稱滯留時(shí)間(nominal residence time)。結(jié)果將使AlN顆粒的尺寸增加。A1C13的高滯留時(shí)間及高分壓可導(dǎo)致在氣相中產(chǎn)生可見的AlN粉末。
[0008]可在大氣的熱壁式HVPE反應(yīng)器中的AlC13-NH3-Ar系統(tǒng)內(nèi)直接觀察到AlN顆粒，而無須通過先前方式的任何額外的光學(xué)工具(如原位激光散射)。在生長工藝期間，懸浮微粒存在于反應(yīng)器中。懸浮微?？雌饋硐袷钦谋§F帶，位于距離反應(yīng)器壁2mm至3mm處。
[0009]可根據(jù)由另一個(gè)先前方式所建議的模型，來解釋在HVPE工藝中的AlN粉末的均質(zhì)形成。氣相反應(yīng)如下:
[0010]A1R3 (g) +NH3 (g) =A1R3_NH3 (s) (2)
[0011]AlR3-NH3(s)=AlR2-NH2(s)+HR(g) (3)[0012]A1R2-NH2 (s) =AlR-NH (s)+HR (g) (4)
[0013]AlR-NH (s) =AlN (s)+HR (g) (5)
[0014]其中R=ClJr 或 I。
[0015]因此，AlN納米顆粒(AlN粉末)代表氣相化學(xué)反應(yīng)鏈的終產(chǎn)物。
[0016]使用A1C13及NH3,作為起源物種(parent species),另一種方式在由預(yù)混合區(qū)(460°C )、升溫區(qū)(自460°C至反應(yīng)溫度)、反應(yīng)區(qū)(自700°C至1100°C的恒定溫度范圍)及顆粒收集區(qū)^O(TC)所構(gòu)成的反應(yīng)器中沉積氮化鋁。此方式建議化學(xué)氣相沉積工藝起始于當(dāng)A1C13與NH3在反應(yīng)器的預(yù)混合區(qū)中混合時(shí),加合物分子(adduct molecule),AlC13-(NH3)x的形成。這些加合物分子在氣相中形成團(tuán)簇和AlN顆粒。襯底上的AlN層的產(chǎn)生速率及氣相中的AlN顆粒的產(chǎn)生速率各自于AlC13-NH3-He系統(tǒng)中決定。已發(fā)現(xiàn)到，尺寸范圍自0.8nm(700°C )至0.5nm(110(TC )的AlN團(tuán)簇的形成，是AlN快速生長的關(guān)鍵工藝。
[0017]然而，均質(zhì)工藝及形成于氣相中的AlN顆?？蓪Ξ愘|(zhì)AlN層沉積造成負(fù)面影響。負(fù)面影響包括沉積速率及產(chǎn)率的下降，以及不佳的厚度均勻度。
[0018]在氣相中形成的顆?？赡苁悄ぶ械木扌臀廴疚锛捌渌Y(jié)構(gòu)缺陷的來源。表面粗糙度也可取決于寄生均質(zhì)反應(yīng)。
[0019]因此，AlN顆粒在表面反應(yīng)(落在AlN外延層的表面上)中的參與重度取決于腔室設(shè)計(jì)和工藝條件，即，溫度、物種濃度、氣體速度及總壓力。A1C13-NH3HVPE系統(tǒng)中的均質(zhì)氣相反應(yīng)阻礙了優(yōu)質(zhì)外延AlN膜的生長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]公開以先進(jìn)緩沖層技術(shù)生長III族氮化物半導(dǎo)體化合物的方法。在實(shí)施例中，本發(fā)明的方法包括在氫化物氣相外延處理系統(tǒng)的處理腔室中提供合適的襯底。所述方法包括通過下列步驟形成AlN緩沖層:將氨氣流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)，將含鹵化鋁前驅(qū)物流至所述生長區(qū)，并同時(shí)將額外的鹵化氫或鹵素氣體流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)。流入生長區(qū)內(nèi)的額外鹵化氫或鹵素氣體在緩沖層沉積期間抑制均質(zhì)AlN顆粒形成。III族氮化物外延層形成于AlN緩沖層上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本發(fā)明的實(shí)施例由示例方式而非限制方式在附圖中說明，所述附圖為:
[0022]圖1為圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例以低溫緩沖層增進(jìn)高質(zhì)量III族氮化物膜(如，GaN薄膜)生長的方法的流程圖；
[0023]圖2為圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例以高溫緩沖層增進(jìn)高質(zhì)量III族氮化物膜(如，GaN薄膜)生長的方法的流程圖；
[0024]圖3a圖示I微米X I微米的藍(lán)寶石襯底表面的AFM圖像300 ；
[0025]圖3b至圖3f圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的額外C12流對沉積于藍(lán)寶石襯底上的高溫AlN緩沖層的表面型態(tài)的影響；
[0026]圖4圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例于AlN沉積操作期間，在不同流量的額外C12下，沉積于藍(lán)寶石襯底上的高溫AlN緩沖物的均方根粗糙度(Rms)(以納米計(jì))；[0027]圖5a至圖5f圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例供HVPE系統(tǒng)于藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)上沉積GaN所用的多重緩沖物的位置的數(shù)個(gè)實(shí)例；
[0028]圖6圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例以在HVPE系統(tǒng)中生長的多重緩沖層增進(jìn)高質(zhì)量III族氮化物(如，GaN、AlGaN)層的生長的方法；
[0029]圖7a圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例沉積于(0001)藍(lán)寶石襯底上的4.8 μ m的GaN的在軸(on-axis) (002)尖峰的X-光搖擺曲線，且圖7b圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例沉積于(0001)藍(lán)寶石襯底上的4.8 μ m的GaN的離軸(off-axis) (102)尖峰的X-光搖擺曲線；
[0030]圖8圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的HVPE裝置；
[0031]圖9示意地圖示一個(gè)實(shí)施例中的多腔集成設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)；以及
[0032]圖10圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的器件的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]在下方的描述中提出眾多的細(xì)節(jié)。然而，明顯可見，對于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在沒有這些特定細(xì)節(jié)時(shí)，也能實(shí)施本發(fā)明。在部分實(shí)例中，已知的方法及器件以方塊圖表示，而非詳細(xì)示出，以避免對本公開內(nèi)容造成混淆。在本說明書中提及“實(shí)施例”時(shí)意指參照所述實(shí)施例所述的特定的特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性被包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在本說明書的各處中出現(xiàn)詞語“在實(shí)施例中”時(shí)，并不必然參照到本發(fā)明的相同實(shí)施例。進(jìn)一步，可在一或多個(gè)實(shí)施例中以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合特定的特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性。舉例而言，第一實(shí)施例可與第二實(shí)施例結(jié)合，只要這兩個(gè)實(shí)施例非互斥。
[0034]在一個(gè)實(shí)施例中，公開一種通過氫化物氣相外延(HVPE)生長含鋁III族氮化物半導(dǎo)體外延層的改善的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，通過將氨氣及含鹵化鋁前驅(qū)物(或至少一種含鹵化鋁前驅(qū)物)流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)，并同時(shí)將鹵化氫或鹵素氣體流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)，來形成AlN層(或含Al的III族氮化物層)。流入生長區(qū)內(nèi)的鹵化氫或鹵素氣體可抑制AlN(或含Al的III族氮化物)顆粒的均質(zhì)形成。舉例而言，可以用大量的三氯化鋁(A1C13)氣體及氨氣在合適的襯底上制造AlN層。所述方法利用額外的C12氣體來抑制AlN層的氫化物氣相外延期間的AlN顆粒均質(zhì)形成。通過在沉積操作期間將C12氣體引入處理腔室中來抑制AlN的均質(zhì)形成，本質(zhì)上改善了生長于合適的襯底上的外延層的結(jié)晶質(zhì)量及型態(tài)。由于抑制均質(zhì)形成的結(jié)果，AlN的沉積速率變得更高，產(chǎn)品產(chǎn)率增加，并改善了厚度均勻性。在替代的實(shí)施例中，可于AlN層(或含Al的III族氮化物層)沉積期間，使用另一種鹵素氣體(如，溴(Br2)氣、碘(12)氣)來抑制均質(zhì)顆粒形成。
[0035]在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法也使含Al的III族氮化物化合物半導(dǎo)體緩沖層(起始層、成核位點(diǎn))能生長于合適的襯底上，以便后續(xù)高質(zhì)量GaN(或III族氮化物半導(dǎo)體)沉積。
[0036]通過HVPE生長AlN及AlGaN層并抑制AlN(或AlGaN)均質(zhì)形成的先前方式使用HCl作為活性氣體。傳統(tǒng)的AlN HVPE工藝(涉及以三氯化鋁及氨作為活性氣體)始于加合物分子的形成，加合物分子于氣相中形成團(tuán)簇和AlN顆粒。在沉積操作期間將HCl氣體引入腔室中可抑制加合物分子、團(tuán)簇和AlN顆粒的均質(zhì)形成。抑制機(jī)制包括:在HCl分子吸附于均質(zhì)物種的表面上之后，均質(zhì)物種的抑制及溶解。
[0037]相較于使用HCl的傳統(tǒng)抑制，使用C12來抑制A1N(或AlGaN)均質(zhì)形成因效率較高的緣故而具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。HCl與C12的鍵能分別為431kJ/mol與243kJ/mol。相較于H-Cl鍵，Cl-Cl鍵為弱鍵。因此，相對于HCl分解來說，更快速的C12分解可有助于增加溶解率。抑制機(jī)制包括當(dāng)C12分子吸附于均質(zhì)物種的表面上之后，均質(zhì)物種的抑制及溶解。
[0038]就外延的A1N(或含鋁III族氮化物半導(dǎo)體化合物)而言，此額外的C12氣體也可作為蝕刻劑。為了消除蝕刻的負(fù)面影響的可能性，必須就每個(gè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)來限定最佳C12部分濃度及沉積溫度。
[0039]本公開內(nèi)容可用于在合適的襯底上沉積含鋁III族氮化物緩沖物(起始層)期間，以便于后續(xù)高質(zhì)量外延GaN(或III族氮化物半導(dǎo)體)生長。本公開內(nèi)容公開了生長AlN(或含Al的III族氮化物)緩沖物的方法，所述方法使用額外的鹵化氫或鹵素氣體于緩沖物沉積操作期間抑制均質(zhì)顆粒形成。于此方法所沉積的AlN緩沖物上生長的GaN層的結(jié)晶質(zhì)量比得上(若沒有超越的話)文獻(xiàn)所報(bào)導(dǎo)的通過MOCVD或HVPE所生長的最高質(zhì)量GaN 層。
[0040]在一個(gè)實(shí)施例中，用于緩沖物沉積操作的平均沉積時(shí)間并不很長(如，將近數(shù)分鐘)，因此均質(zhì)抑制的效率變得較不關(guān)鍵。在這樣的例子中，可使用額外的HCl氣體來替代C12氣體。本公開內(nèi)容公開了生長AlN緩沖層(起始層、成核層)的方法，所述方法使用額外的HCl氣體于緩沖物沉積操作期間抑制均質(zhì)顆粒形成。這些緩沖物可用于后續(xù)高質(zhì)量GaN(或III族氮化物半導(dǎo)體)的生長。在替代的實(shí)施例中，可于緩沖物沉積操作期間使用另一種鹵化氫氣體(如，溴化氫(HBr)氣體、碘化氫(HI)氣體)來抑制均質(zhì)顆粒形成。
[0041]在一個(gè)實(shí)施例中，通過將氨氣及含鹵化鋁前驅(qū)物流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)，且同時(shí)將鹵化氫或鹵素氣體流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)，來形成AlN緩沖層，其中流入生長區(qū)內(nèi)的鹵化氫或鹵素氣體抑制AlN顆粒的均質(zhì)形成。
[0042]對本公開內(nèi)容的成效而言為關(guān)鍵的是，于停止鹵化氫或鹵素氣體(在形成AlN緩沖層結(jié)束時(shí))的同時(shí)，停止進(jìn)入處理腔室(或處理腔室的生長區(qū))的含鋁前驅(qū)物流。在沒有鹵化氫或鹵素氣體的情況下存在的含鹵化鋁前驅(qū)物流將立即導(dǎo)致顆粒形成。然而，在停止鹵化氫或鹵素氣體的同時(shí)停止含鋁前驅(qū)物流受限于源自鹵化鋁氣體形成(通常是金屬Al與HCl或C12在反應(yīng)器上游的分離區(qū)(separate zone)中反應(yīng))的難度。在一個(gè)實(shí)施例中，在停止含鹵化鋁前驅(qū)物流的同時(shí)使鹵素氣體及氨持續(xù)流入處理腔室的生長區(qū)內(nèi)達(dá)一時(shí)間段。在關(guān)閉含金屬鹵化物前驅(qū)物流之后，額外的鹵化氫或鹵素氣體持續(xù)流入生長區(qū)內(nèi)達(dá)某時(shí)間段(如，O至5分鐘)，以消除可能的顆粒產(chǎn)生。必須就每個(gè)腔室設(shè)計(jì)來根據(jù)實(shí)驗(yàn)限定所述某時(shí)間段(延遲時(shí)間)。
[0043]圖1為流程圖，所述流程圖圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例以低溫(如，低于900°C的溫度、500°C至800°c、60(rc至700°C )含鋁緩沖層增進(jìn)高質(zhì)量III族氮化物外延層(如，GaN層)生長的方法的流程圖。所述方法包括于合適的襯底(如，藍(lán)寶石、SiC、S1、AlN)上生長原位低溫含鋁(如，AlN、AlGaN)緩沖層(或起始層，或成核層)。以抑制均質(zhì)顆粒形成的方式生長含鋁緩沖層。接著，于HVPE處理系統(tǒng)中發(fā)生后續(xù)高溫III族氮化物(如，GaN)沉積。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，于方塊102提供用于III族氮化物層(如，GaN、AIN、AlGaN)生長的襯底(如，含氧化鋁襯底、藍(lán)寶石襯底、(0001)藍(lán)寶石襯底)。于方塊104將襯底加載到HVPE處理系統(tǒng)中。接著，于方塊106，在處理系統(tǒng)中建立起始工藝條件。這些工藝條件可包括設(shè)定壓力(如，50Torr至800Torr、400Torr至500Torr)、設(shè)定含氮材料(如，氮?dú)?、氧化亞?nitrous oxide)、氨、聯(lián)氨(hydrazine)、二酰亞胺(diimide)、疊氮酸(hydrazoicacid)，等)的流量(如，每分鐘2至10標(biāo)準(zhǔn)升(SLM)、2SLM至4SLM)，并接著使襯底載體溫度斜線變化至第一溫度(如，高于900°C的溫度、950°C至1050°C )。一旦溫度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)，于方塊108,襯底處在氮化(nitridization)下達(dá)某時(shí)間段(如,5分鐘至15分鐘)。在氮化之后，于方塊110，將襯底載體冷卻至第二溫度(如，低于900°C的溫度、500°C至800°C、600°C至700°C )。當(dāng)達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)時(shí)，于方塊114，開始低溫含鋁III族氮化物緩沖層(如，AlN、AlGaN)沉積。緩沖層生長的同時(shí)可通過將鹵素氣體(如，額外的氯氣)流至生長區(qū)來抑制均質(zhì)顆粒形成(如，AIN, AlGaN)?；蛘?，鹵化氫(如，氯化氫(HCl))氣體流入生長區(qū)以抑制均質(zhì)顆粒形成。用于緩沖層沉積的工藝條件可包括于方塊114將一或多種金屬鹵化物前驅(qū)物(如，至少一種含鹵化鋁前驅(qū)物(如，A1C13、A1C1、AlBr, AlBr3, All、A1I3、GaCl、GaC13等))伴隨著載氣流入HVPE系統(tǒng)的生長區(qū)內(nèi)?？赏ㄟ^使氯氣(Cl2)以某流量及時(shí)間段(如，IOsccm至150sccm達(dá)30秒鐘至5分鐘)流向位于分離區(qū)(沉積區(qū)的上游)中的金屬源(如，鋁源)，來形成氯化鋁前驅(qū)物?；蛘?，使鹵化氫(如，HCl)氣體以某流量及時(shí)間段(如,20sccm至300sccm達(dá)30秒鐘至5分鐘)流過Al源，以形成氯化招前驅(qū)物。Al源可為固態(tài)，且所述Al源的溫度為自200°C至Al熔點(diǎn)溫度(如，約660°C)。Al源可為液態(tài)，且所述Al源的溫度高于Al熔點(diǎn)溫度。在另一個(gè)實(shí)施例中，也可使用液態(tài)Ga源，以在沉積區(qū)上游的分離區(qū)中形成氯化鎵前驅(qū)物(如，GaCl、GaC13)。[0045]于方塊116，在將金屬鹵化物前驅(qū)物引入生長區(qū)內(nèi)的同時(shí)或幾乎同時(shí)(如，O至I分鐘之前)，將鹵素氣體(如，氯(C12)氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)流引至生長區(qū)(如，200sccm至1100sccm、400sccm至900sccm)。于方塊118,在關(guān)閉金屬鹵化物前驅(qū)物流之后，可使鹵素氣體或鹵化氫氣體流維持流動達(dá)某時(shí)間段(如，O至5分鐘)。通過生長區(qū)中的氨、一或多種金屬鹵化物前驅(qū)物與鹵素氣體或鹵化氫氣體的反應(yīng)，來沉積緩沖層。舉例而言，通過生長區(qū)中的氨、含鹵化鋁前驅(qū)物(如，AlC13、AlCl、AlBr3、AlBr)與氯氣(或氯化氫氣體)的反應(yīng)，來沉積AlN緩沖層?；蛘?，通過生長區(qū)中的氨、含鹵化鋁前驅(qū)物(如，A1C13、A1C1、AlBr3、AlBr)、含鹵化鎵前驅(qū)物(如，GaCl, GaC13)與額外的氯氣(或氯化氫氣體)的反應(yīng)，來沉積AlGaN緩沖層。生長區(qū)中的額外氯氣(或氯化氫氣體)于緩沖物沉積操作期間抑制均質(zhì)顆粒形成。
[0046]于方塊120，在關(guān)閉鹵素氣體或鹵化氫氣體流之后，開始使襯底載體溫度斜線變化至第三溫度(如，高于900°C的溫度，980°C至1080°C )。于此操作期間，將氨氣流切換為ISLM至22SLM。于方塊122，一旦襯底載體溫度到達(dá)第三溫度，將引入的氯(C12)氣流以某流量(如，50sccm至400sccm)流過金屬源(如，Ga源)，用于III族氮化物生長(如，GaN生長)。于方塊124，在3分鐘至30分鐘的沉積之后，當(dāng)期望的GaN厚度達(dá)成時(shí)，阻斷流過金屬源的氯氣流，并冷卻襯底載體，同時(shí)流入氨氣來保存III族氮化物層。在替代的實(shí)施例中，用氯化氫(HCl)氣體流取代方塊122的操作的氯(C12)氣流。
[0047]在一個(gè)實(shí)施例中，GaN層在垂直的28X2吋容量的Ga-Al-C12-NH3_N2HVPE系統(tǒng)中沉積于原位低溫AlN緩沖物上。在分離的Al及Ga源區(qū)中，C12與金屬(Al及Ga)反應(yīng)，以分別形成A1C13及GaCl?？赏ㄟ^N2來傳輸氯化物，且氯化物在生長區(qū)中與氨混合?？墒褂蒙衔乃龅墓に嚄l件，以介于1(^!11/11與15 4111/11之間的生長速率，于(0001)藍(lán)寶石襯底上生長1.5 μ m及3 μ m厚的GaN膜。GaN層的粗糙度是在2nm至3nm的范圍內(nèi)。通過x-光衍射來研究層質(zhì)量。使用反射(002)及(102)的FWHM來判斷GaN層的傾斜(tilt)及扭轉(zhuǎn)(twist)結(jié)構(gòu)。就1.5μπι厚的GaN層而言，(002)及(102)反射的ω-掃描搖擺曲線(rockingcurve)的FWHM分別在70角秒至250角秒(arcsec)及350角秒至600角秒的范圍內(nèi)。就2.5μπι厚的GaN層而言，(002)及(102)反射的ω-掃描搖擺曲線的FWHM分別在130角秒至300角秒及300角秒至500角秒的范圍內(nèi)。
[0048]圖2為流程圖，所述流程圖圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例以高溫(如，900°C或更高)含鋁緩沖層增進(jìn)高質(zhì)量III族氮化物外延層(如，GaN層)生長的方法。所述方法包括于合適的襯底(如，藍(lán)寶石、SiC、S1、AlN)上生長原位高溫含鋁緩沖層(如，AlN緩沖層)(或起始層，或成核層)。以抑制均質(zhì)顆粒形成的方式生長含鋁緩沖層。接著，于HVPE處理系統(tǒng)中發(fā)生后續(xù)高溫III族氮化物(如，GaN)沉積。
[0049]在一個(gè)實(shí)施例中，沉積高溫緩沖層或起始層或成核層(如，AlN緩沖物、AlGaN緩沖物)以增進(jìn)后續(xù)高質(zhì)量III族氮化物外延層(如，GaN)沉積。于方塊202，提供用于III族氮化物層生長的襯底(如，含氧化鋁襯底、藍(lán)寶石襯底、(0001)藍(lán)寶石襯底)。于方塊204將襯底載入HVPE反應(yīng)器。接著，于方塊206，在處理系統(tǒng)中建立起始工藝條件。這些工藝條件可包括設(shè)定壓力(如，50Torr至800Torr、400Torr至500Torr)、設(shè)定含氮材料(如,氮?dú)?、氧化亞氮、氨、?lián)氨、二酰亞胺、疊氮酸，等)流為ISLM至15SLM，并接著將襯底載體斜線變化至第一溫度(如，高于或等于900°C的溫度、950°C至1050°C )。于方塊208，一旦溫度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)，襯底處在氮化下達(dá)某時(shí)間段(如，2分鐘至15分鐘)，且氨氣流被設(shè)定為某流量(如，2SLM 至 12SLM)。
[0050]于方塊210，在氮化之后，襯底載體溫度斜線變化(上升或下降)至第二溫度(如，大于或等于900°C的溫度、930°C至1050°C )。在一個(gè)實(shí)施例中，第一溫度等于第二溫度。于方塊212，當(dāng)達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)時(shí)，開始高溫含鋁III族氮化物緩沖層(如，AlN、AlGaN)沉積。在緩沖層生長的同時(shí)，通過使額外的氯(C12)流至生長區(qū)來抑制均質(zhì)顆粒形成?；蛘?，氯化氫(HCl)氣體流入生長區(qū)內(nèi)以抑制均質(zhì)顆粒形成。用于緩沖層沉積的工藝條件可包括于方塊212將一或多種金屬鹵化物前驅(qū)物(如，至少一種含鹵化鋁前驅(qū)物(如，A1C13、A1C1、AlBr、Alfc3、Al1、AlI3、GaCl、GaC13等))伴隨著載氣流入HVPE系統(tǒng)的生長區(qū)內(nèi)?？赏ㄟ^使氯氣(C12)以某流量及時(shí)間段(如，IOsccm至150sccm達(dá)30秒鐘至5分鐘)流向位于生長區(qū)上游的分離區(qū)(反應(yīng)器的Al源區(qū))中的鋁源，來形成氯化鋁前驅(qū)物?；蛘撸墒笻Cl氣體以某流量及時(shí)間段(如,20sccm至300sccm達(dá)30秒鐘至5分鐘)流過Al源，以形成氯化鋁前驅(qū)物。Al源可為固態(tài)，且所述Al源的溫度為自200°C至Al熔點(diǎn)溫度(如，約660°C)。Al源可為液態(tài)，且所述Al源的溫度高于Al熔點(diǎn)溫度。在另一個(gè)實(shí)施例中，可使用位于反應(yīng)器上游的分離區(qū)(反應(yīng)器的Ga源區(qū))中的液態(tài)Ga源來形成氯化鎵前驅(qū)物(如，GaCl,GaC13)。
[0051]于方塊214，在將金屬鹵化物前驅(qū)物引入生長區(qū)內(nèi)的同時(shí)或幾乎同時(shí)(如，O至I分鐘之前)，將鹵素氣體(如，氯(C12)氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)流引至生長區(qū)(如，200sccm至1100sccm、400sccm至900sccm)。于方塊216,在關(guān)閉金屬齒化物前驅(qū)物流之后，可使鹵素氣體或鹵化氫氣體流維持流動達(dá)某時(shí)間段(如，O至5分鐘)。通過生長區(qū)中的氨、一或多種金屬鹵化物前驅(qū)物與鹵素氣體或鹵化氫氣體的反應(yīng)，來沉積緩沖層。舉例而言，通過生長區(qū)中的氨、鹵化鋁前驅(qū)物與氯氣(或氯化氫氣體)的反應(yīng)，來沉積AlN緩沖層。舉例而言，通過生長區(qū)中的氨、鹵化鋁前驅(qū)物、鹵化鎵前驅(qū)物與氯氣(或氯化氫氣體)的反應(yīng)，來沉積AlGaN緩沖層。生長區(qū)中的鹵素氣體(如，氯(C12)氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)于緩沖物沉積操作期間抑制均質(zhì)顆粒形成。[0052]于方塊217，在關(guān)閉鹵素氣體或鹵化氫氣體且緩沖層形成完成之后，使襯底載體的溫度斜線變化至第三溫度(如，高于900°C的溫度、980°C至1080°C )。于方塊218，一旦載體溫度到達(dá)第三溫度，切換氨氣流為某流量(如，2SLM至20SLM、2SLM至4SLM)。
[0053]于方塊220，具有緩沖層的襯底進(jìn)行第二次氮化達(dá)某時(shí)間段(如，10分鐘)。于方塊222，在氮化之后，將載體溫度斜線變化至第四溫度(如，900°C或更高的溫度、980°C至10800C )。于此操作期間，將氨氣流切換為ISLM至22SLM。于方塊224，一旦襯底載體溫度到達(dá)第四溫度，將氯(C12)氣流以某流量(如,50sccm至400sccm)引入流過金屬源(如，Ga源)，用于III族氮化物生長(如，GaN生長)。在3分鐘至30分鐘的沉積之后，當(dāng)期望的GaN厚度達(dá)成時(shí)，阻斷流過金屬源的氯氣流，并冷卻襯底載體，同時(shí)流入氨氣來保存III族氮化物層。在替代的實(shí)施例中，以氯化氫(HCl)流取代方塊224的操作的氯(C12)流。
[0054]在一個(gè)實(shí)施例中，使用上文所述的工藝條件，以介于12 4 111/11與6(^111/11之間的生長速率，生長5 μ m厚的GaN層。GaN層的粗糙度落在2nm至3nm的范圍內(nèi)。通過X-光衍射來研究層質(zhì)量。使用反射(002)及(102)的FWHM來判斷GaN層的傾斜及扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。就5μπι厚的GaN層而言，(002)及(102)反射的? _掃描搖擺曲線的FWHM分別在200角秒至300角秒及280角秒至380角秒的范圍內(nèi)。
[0055]圖3a圖示I微米X I微米的藍(lán)寶石襯底表面的AFM圖像300。圖3b至圖3f圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的額外C12流對沉積于藍(lán)寶石襯底上的高溫AlN緩沖層的表面型態(tài)的影響。這些高溫AlN緩沖層是通過生長區(qū)中的氨(NH3)氣、三氯化鋁(A1C13)氣體與額外的氯(C12)氣的反應(yīng)而沉積。生長區(qū)中額外的氯氣可于緩沖物沉積操作期間抑制均質(zhì)顆粒形成?？赏ㄟ^在反應(yīng)器的Al源區(qū)中于約550°C下的C12與固態(tài)Al丸粒(pellet)的反應(yīng)，產(chǎn)生三氯化鋁，并以N2載氣將三氯化鋁輸送至沉積腔室。圖3b圖示于生長區(qū)中沒有額外C12流的情況下所沉積的AlN緩沖層的AFM圖像310。圖3c圖示于生長區(qū)有IOOsccm的額外C12流的情況下所沉積的AlN緩沖層的AFM圖像320。圖3d圖示于生長區(qū)有300sccm的額外C12流的情況下所沉積的AlN緩沖層的AFM圖像330。圖3e圖示于生長區(qū)有500sccm的額外C12流的情況下所沉積的AlN緩沖層的AFM圖像340。圖3f圖示于生長區(qū)有800sccm的額外Cl2流的情況下所沉積的AlN緩沖層的AFM圖像350。較高流量的Cl2使AlN緩沖層變得較厚。隨著AlN緩沖物的厚度增加，表面變得較粗糙。
[0056]圖4圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例于AlN沉積操作期間，在不同流量的額外C12下，沉積于藍(lán)寶石襯底上的高溫AlN緩沖物的均方根粗糙度(Rms)(以納米計(jì))?？珊雎栽跊]有額外C12的情況下的AlN沉積。顯示于圖3a中的藍(lán)寶石襯底的Rms值為0.146nm，而顯示于圖3b中，沒有額外C12的AlN的Rms值為0.204nm。較高流量的C12使AlN緩沖層變得較厚。隨著AlN緩沖物的厚度增加，表面變得較粗糙。
[0057]本公開內(nèi)容所描述的具有均質(zhì)顆粒形成抑制的多個(gè)緩沖物技術(shù)可一起使用而形成多重緩沖物技術(shù)。舉例而言，低溫緩沖物(例如，AlN、AlGaN)與高溫緩沖物(例如，A1N、AlGaN)的某些組合可用來改善III族氮化物材料的結(jié)晶質(zhì)量及型態(tài)。多重緩沖物技術(shù)也可降低或微調(diào)后續(xù)沉積的層及最終器件結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。緩沖物可沉積于襯底上，或緩沖物可沉積于另一個(gè)緩沖物的表面上。可加入額外的緩沖層作為III族氮化物層(例如，GaN、AlGaN, AlN)中的夾層。
[0058]圖5a至圖5f圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例供HVPE系統(tǒng)于藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)上沉積GaN所用的多重緩沖物的位置的數(shù)個(gè)實(shí)例。圖示于圖5a中的器件500包括藍(lán)寶石襯底502、高溫AlN緩沖層504、GaN層506、低溫AlN緩沖層508及GaN層509。圖示于圖5b中的器件510包括藍(lán)寶石襯底512、低溫AlN緩沖層514、GaN層516、低溫AlN緩沖層518及GaN層519。圖示于圖5c中的器件520包括藍(lán)寶石襯底522、低溫AlN緩沖層524、高溫AlGaN緩沖層526及GaN層528。圖示于圖5d中的器件530包括藍(lán)寶石襯底532、低溫AlN緩沖層534、高溫AlN緩沖層536及GaN層538。圖示于圖5e中的器件540包括藍(lán)寶石襯底542、高溫AlN緩沖層544、高溫AlGaN緩沖層546及GaN層548。圖示于圖5f中的器件510包括藍(lán)寶石襯底552、低溫AlN緩沖層554、高溫AlN緩沖層556、高溫AlGaN緩沖層558及GaN層559。
[0059]在一個(gè)實(shí)施例中，器件500、510、520、530、540及550可包括以HVPE系統(tǒng)或MOCVD系統(tǒng)所沉積的額外的層。舉例而言，額外的層(用以產(chǎn)生III族氮化物器件結(jié)構(gòu))可包括InGaN MQW、p-型 AlGaN 及 p-型 GaN。額外的層可包括 η-型 AlGaN、InGaN、InGaN/GaN MQW、GaN、p-型AlGaN及p-型GaN。在其它實(shí)施例中，可用硅襯底、SiC襯底、氧化鋰鋁、氧化鋰鎵、氧化鋅、GaN、A1N、石英、玻璃、GaAs、尖晶石、前述物質(zhì)的任何組合、前述物質(zhì)的任何混合物或前述物質(zhì)的任何合金來取代藍(lán)寶石襯底。
[0060]就單一腔室工藝而言，可在單一腔室內(nèi)執(zhí)行不同的生長配方的操作，以依序生長不同成分的層。就多腔室工藝而言，可在一系列獨(dú)立的腔室中生長III族氮化物器件結(jié)構(gòu)(如，LED、LD)中的層。舉例而言，可于第一腔室中生長無摻雜的/nGaN層或圖示于圖5a至圖5f中的層，于第二腔室中生長MQW結(jié)構(gòu)，并于第三腔室中生長P-型GaN層或P-型AlGaN。
[0061]圖6圖不根據(jù)一個(gè)實(shí)施例(如，圖5c及圖5d所圖不)用于以在HVPE系統(tǒng)中的合適襯底(如，含氧化鋁襯底、藍(lán)寶石襯底、(0001)藍(lán)寶石襯底)上生長的多重緩沖層增進(jìn)高質(zhì)量III族氮化物(如，GaN、AIN、AlGaN)薄層的生長的方法。所述方法包括在襯底上生長原位低溫含招In族氮化物起始層(如，AlN起始層、AlGaN起始層)。接著，于起始層上生長原位高溫含鋁III族氮化物緩沖層(如，AlN緩沖物、AlGaN緩沖物)。接著，于HVPE系統(tǒng)中發(fā)生高溫高質(zhì)量GaN沉積。在多重緩沖層生長的同時(shí)抑制均質(zhì)顆粒形成。
[0062]于方塊602，提供用于III族氮化物(如，GaN、AIN、AlGaN)生長的襯底(如，藍(lán)寶石襯底)。于方塊604，將襯底載體上的襯底載入HVPE系統(tǒng)。接著，于方塊606，建立供系統(tǒng)所用的起始工藝條件。工藝條件可包括設(shè)定壓力(如,50Torr至800Torr、400Torr至450TOTT)、設(shè)定含氮材料(如，氮?dú)?、氧化亞氮、氨、?lián)氨、二酰亞胺、疊氮酸等)為某流量(如，2SLM至10SLM、2SLM至4SLM)，并使襯底載體溫度斜線變化至第一溫度(如，高于900°C的溫度、950°C至1050°C )。于方塊608，一旦溫度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)，襯底處在氮化下達(dá)某時(shí)間段(如，5分鐘至15分鐘)。于方塊610，在氮化之后，將襯底載體冷卻至第二溫度(如，低于900°C的溫度、500°C至800°C、600°C至700°C )，以進(jìn)行低溫沉積。
[0063]于方塊612，當(dāng)達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)時(shí)，開始低溫含鋁III族氮化物緩沖層(如，A1N、AlGaN)沉積。起始層生長的同時(shí)可通過將鹵素氣體(如，額外的氯)或鹵化氫(如，額外的HCl氣體)流至生長區(qū)，以抑制均質(zhì)顆粒形成(如，AIN、AlGaN)。用于緩沖層沉積的工藝條件可包括于方塊612將一或多種金屬鹵化物前驅(qū)物(如，至少一種含鹵化鋁前驅(qū)物(如，AlC13、AlCl、Alfc、AlBr3、Al1、AlI3、GaCl、GaC13 等))伴隨著載氣流入 HVPE 系統(tǒng)的生長區(qū)內(nèi)?？赏ㄟ^使氯氣(C12)以某流量及時(shí)間段(如，IOsccm至150sccm達(dá)30秒鐘至5分鐘)流向位于分離區(qū)(沉積區(qū)的上游)中的金屬源(如，鋁源)，來形成氯化鋁前驅(qū)物?；蛘?，可使HCl氣體以某流量及時(shí)間段(如，20SCCm至300SCCm達(dá)30秒鐘至5分鐘)流過Al源，以形成氯化鋁前驅(qū)物。Al源可為固態(tài)，且所述Al源的溫度為自200°C至Al熔點(diǎn)溫度(如，約660°C)。Al源可為液態(tài)，且所述Al源的溫度高于Al熔點(diǎn)溫度。在另一個(gè)實(shí)施例中，也可使用液態(tài)Ga源，以在沉積區(qū)上游的分離區(qū)中形成氯化鎵前驅(qū)物(如，GaCl、GaC13)。
[0064]于方塊616，在將金屬鹵化物前驅(qū)物引入生長區(qū)內(nèi)的同時(shí)或幾乎同時(shí)(如，O至I分鐘之前)，將鹵素氣體(如，氯(C12)氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)流引至生長區(qū)(如，200sccm至1100sccm、400sccm至900sccm)。于方塊618,在關(guān)閉金屬齒化物前驅(qū)物流之后，可維持鹵素氣體或鹵化氫氣體流達(dá)某時(shí)間段(如，O至5分鐘)。通過生長區(qū)中的氨、一或多種金屬鹵化物前驅(qū)物與鹵素氣體或鹵化氫氣體的反應(yīng)，來沉積起始層或緩沖層。
[0065]于方塊620，在關(guān)閉鹵素氣體或鹵化氫氣體流之后，開始使襯底載體的溫度斜線變化至第三溫度(如，高于900°C的溫度、980°C至1080°C )。于此操作期間，將氨氣流切換為ISLM至12SLM。于方塊624，一旦襯底載體溫度到達(dá)第三溫度，接著開始高溫含鋁III族氮化物緩沖層(如，AIN, AlGaN)沉積。生長高溫緩沖層，同時(shí)通過將鹵素氣體或鹵化氫氣體流至生長區(qū)來抑制均質(zhì)顆粒形成(如，AIN、AlGaN)。用于高溫緩沖層沉積的工藝條件可包括于方塊624將一或多種金屬鹵化物前驅(qū)物(如，至少一種含鹵化鋁前驅(qū)物(如，A1C13、A1C1、AlBr、AlBr3, All、A1I3、GaCl、GaC13等))伴隨著載氣流入HVPE系統(tǒng)的生長區(qū)內(nèi)。可通過使氯氣(C12)以某流量及時(shí)間段(如，IOsccm至150sccm達(dá)30秒鐘至5分鐘)流向位于分離區(qū)(沉積區(qū)的上游)中的金屬源(如，鋁源)，來形成氯化鋁前驅(qū)物?；蛘撸墒笻Cl氣體以某流量及時(shí)間段(如，20SCCm至300SCCm達(dá)30秒鐘至5分鐘)流過Al源，以形成氯化鋁前驅(qū)物。Al源可為固態(tài)，且所述Al源的溫度為自200°C至Al熔點(diǎn)溫度(如，約660°C)。Al源可為液態(tài)，且所述Al源的溫度高于Al熔點(diǎn)溫度。在另一個(gè)實(shí)施例中，也可使用液態(tài)Ga源，以在沉積區(qū)上游的分離區(qū)中形成氯化鎵前驅(qū)物(如，GaCl、GaC13)。
[0066]于方塊626，在將金屬鹵化物前驅(qū)物引入生長區(qū)內(nèi)的同時(shí)或幾乎同時(shí)(如，O至I分鐘之前)，將鹵素氣體(如，氯(C12)氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)流引至生長區(qū)(如，200sccm至1100sccm、400sccm至900sccm)。于方塊628,在關(guān)閉金屬齒化物前驅(qū)物流之后，可維持鹵素氣體或鹵化氫氣體流達(dá)某時(shí)間段(如，O至5分鐘)。通過生長區(qū)中的氨、一或多種金屬鹵化物前驅(qū)物與鹵素氣體或鹵化氫氣體的反應(yīng)，來沉積高溫緩沖層。
[0067]于方塊630，在關(guān)閉鹵素氣體或鹵化氫氣體流且緩沖層形成完成之后，使襯底載體的溫度斜線變化至第四溫度(如，高于900°C的溫度、980°C至1080°C )。于方塊632，一旦載體溫度到達(dá)第四溫度，接著將氨氣流切換為某流量(如，2SLM至20SLM、2SLM至4SLM)。
[0068]于方塊634，具有緩沖層的襯底進(jìn)行第二次氮化達(dá)某時(shí)間段(如，10分鐘)。于方塊636，在氮化之后，將載體溫度斜線變化至第五溫度(如，90(TC或更高的溫度、980°C至10800C ) ο于此操作期間，將氨氣流切換為ISLM至22SLM。于方塊638，一旦襯底載體溫度到達(dá)第五溫度，將引入的氯(C12)氣流以某流量(如,50sccm至400sccm)流過金屬源(如，Ga源)，用于III族氮化物生長(如，GaN生長)。在3分鐘至30分鐘的沉積之后，當(dāng)期望的GaN厚度達(dá)成時(shí)，阻斷流過金屬源的氯氣流，并冷卻襯底載體，同時(shí)流入氨氣來保存III族氮化物層。在替代的實(shí)施例中，用氯化氫(HCl)流取代方塊638的操作的氯(C12)流。
[0069]根據(jù)本公開內(nèi)容生長于藍(lán)寶石襯底上的GaN層(伴隨著沉積的含鋁III族氮化物緩沖層與均質(zhì)顆粒形成抑制)的結(jié)晶質(zhì)量，至少可比得上且很可能超越文獻(xiàn)所報(bào)導(dǎo)的通過MOCVD及HVPE所生長的最高質(zhì)量GaN膜。就根據(jù)本公開內(nèi)容而生長于(0001)藍(lán)寶石上并結(jié)合低溫AlN緩沖物及高溫AlN緩沖物(根據(jù)圖5d的方案)的5 μ m至6 μ m厚的GaN膜而言，在軸(on-axis) (002)峰的X-光搖擺曲線測量的典型半高全寬(full widths athalf-maximum ；FWHM)為90角秒至130角秒；而離軸(off-axis) (102)峰的X-光搖擺曲線測量的典型半高全寬為230角秒至280角秒。
[0070]圖7a圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例在HVPE系統(tǒng)中沉積于(0001)藍(lán)寶石襯底上的4.8 μ m的GaN的在軸(002)峰的X-光搖擺曲線，且圖7b圖示所述4.8 μ m的GaN的離軸(102)峰的X-光搖擺曲線。GaN可根據(jù)本公開內(nèi)容伴隨著低溫AlN緩沖物及高溫AlN緩沖物的組合(根據(jù)圖5d的方案)而沉積，在低溫AlN緩沖物及高溫AlN緩沖物生長時(shí)通過流入額外的氯(C12)氣來抑制均質(zhì)顆粒形成。在HVPE系統(tǒng)中，低溫AlN緩沖物沉積于(0001)藍(lán)寶石襯底上。
[0071]反應(yīng)器條件將根據(jù)反應(yīng)器型態(tài)及設(shè)計(jì)而改變。上文就圖1、圖2及圖6所述的三個(gè)方法僅顯示已發(fā)現(xiàn)對伴隨著均質(zhì)形成抑制的III族氮化物緩沖物(所述緩沖物含鋁)生長及后續(xù)高質(zhì)量III族氮化物外延層沉積有利的三組條件。其它條件也可能有利于這樣的生長。
[0072]可注意到，圖1、圖2及圖6中的操作可依需求省略或增加額外的操作。用于氮化、AlN緩沖物沉積、AlGaN緩沖物沉積及GaN沉積操作的腔室壓力可能相異。在生長工藝中的其它操作也可能變化。已發(fā)現(xiàn)，襯底的氮化及含鋁III族氮化物緩沖層的氮化可改善某些高質(zhì)量III族氮化物外延層的表面型態(tài)，并改善其它層的結(jié)晶質(zhì)量。然而，對任何特定生長技術(shù)而言，此舉可能是或不是必要的。
[0073]可于此申請案中使用任何載氣。典型的載氣為氮(N2)、氫(H2)、氬(Ar)或氦(He)，或上述氣體的任何組合。
[0074]在一個(gè)實(shí)施例中，本公開內(nèi)容的含Al的III族氮化物緩沖物可供任何氮化物合金成分及任何數(shù)量的層或所述氮化物合金成分及層的組合的后續(xù)生長所用，例如，III族氮化物薄層可包括具有化學(xué)式GanAlxInyBzN的(Ga、Al、In、B)N半導(dǎo)體的合金成分,其中O = η = 1、O = X= l、0 = y = 1、0 = z = I,且 n+x+y+z=l。
[0075]經(jīng)常將諸如Zn、Fe、S1、Ge及Mg等摻雜劑摻雜進(jìn)入氮化物層。并入所述摻雜劑及未具體列出的其它摻雜劑可相容于此公開內(nèi)容的實(shí)施方式。
[0076]可用于本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)性襯底包括，但不限于，硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石或其它形式的氧化鋁(A1203)、氧化鋰鋁(LiA102)、氧化鋰鎵(LiGa02)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、石英、玻璃、砷化鎵(GaAs)、尖晶石(MgAl 204)、前述物質(zhì)的任何組合、前述物質(zhì)的任何混合物或前述物質(zhì)的任何合金。本公開內(nèi)容可用于任何定向的A1N(或含鋁III族氮化物半導(dǎo)體)的沉積，所述定向如，半極性、非極性和極性。因此，可使用不同定向的襯底。也可用來自襯底的結(jié)晶面的故意斜切(miscut)來改善襯底上的氮化物層的結(jié)晶質(zhì)量及型態(tài)。故意斜切可用來起始氮化物層的2D生長模式沉積。[0077]本公開內(nèi)容也可用于使用具有不同圖案幾何形狀的任何經(jīng)圖案化襯底來沉積III族氮化物層。在一個(gè)實(shí)施例中，圖案化的襯底為(0001)圖案化的藍(lán)寶石襯底(patternedsapphire substrate ;PSS)。因?yàn)閳D案化藍(lán)寶石襯底可增加光提取效率(light extractionefficiency)，因此對于制造LED及LD來說可能非常有用。使用PSS的另一個(gè)益處為可能的GaN結(jié)晶質(zhì)量的改善。
[0078]所有CVD外延方法(其中任何鹵化鋁及氨以任何加合物(鹵化鋁的氨復(fù)合物)的形式存在，或任何鹵化鋁及氨分別輸送且僅在沉積操作期間混合以產(chǎn)生(多個(gè))含鋁III族氮化物半導(dǎo)體層)可被歸因于含Al的HVPE工藝。本公開內(nèi)容有關(guān)于含Al的HVPE工藝。
[0079]含鹵化鋁的前驅(qū)物可位于HVPE反應(yīng)器的特別反應(yīng)器區(qū)中，或含鹵化鋁的前驅(qū)物可包含于起泡器(bubbler)(如，蒸發(fā)器(evaporator))內(nèi)部,起泡器通過輸送管線連接至HVPE反應(yīng)器。將含鹵化鋁的前驅(qū)物維持于恒定的溫度下，以提供足夠的鹵化鋁蒸氣壓，鹵化鋁可通過載氣攜帶進(jìn)入預(yù)混合區(qū)或沉積區(qū)中。
[0080]可通過位于特定反應(yīng)器區(qū)中的Al與鹵素氣體或鹵化氫氣體的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生鹵化鋁。可使用選自C12、Br2、12所組成的組中的任何鹵素或鹵素的組合與Al反應(yīng)，以產(chǎn)生單齒化招(aluminum monohalide)或三齒化招?？墒褂眠x自HCl、HBr、HI所組成的組中的任何鹵化氫或鹵化氫的組合與Al反應(yīng)’以產(chǎn)生單鹵化招或三鹵化招。
[0081]用于A1N(或含鋁III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶)沉積的生長參數(shù)的通用要點(diǎn)為介于IOTorr與IOOOTorr之間的壓力，及介于400°C與1400°C之間的溫度。用于含鋁III族氮化物半導(dǎo)體化合物(如，AlN)沉積的反應(yīng)器條件可根據(jù)個(gè)別反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及鹵化鋁源的型態(tài)(如，AlC13、AlC13-NH3、AlBr3 或(A1C13) _nNH3、A1C1)而變化。
[0082]圖8為HVPE裝置800的示意剖面圖，HVPE裝置800可用以沉積使用本文所述的工藝而形成的III族氮化物層(如，GaN、AIN、AlGaN、A10N)。HVPE裝置800包括由蓋804圍住的腔室802。腔室802及蓋804限定處理區(qū)(或生長區(qū))807。噴頭806設(shè)置于處理區(qū)807的上方區(qū)域中?；?14設(shè)置于處理區(qū)807中而與噴頭806相對。基座814經(jīng)配置以于處理期間在基座814上支撐多個(gè)襯底815。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底815設(shè)置于襯底載體816上，襯底載體816由基座814支撐。基座814可由馬達(dá)880所轉(zhuǎn)動，且基座814可由多種材料所形成，所述材料包括SiC或SiC涂覆的石墨。
[0083]在一個(gè)實(shí)施例中，HVPE裝置800包括加熱組件828，所述加熱組件828配置來加熱基座814上的襯底815。在一個(gè)實(shí)施例中，腔室底部802A由石英制成，且加熱組件828為設(shè)置于腔室底部802A下方的燈組件，以透過石英腔室底部802A加熱襯底815。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱組件828包括燈陣列，燈陣列經(jīng)分配以提供遍及襯底、襯底載體及/或基座的均勻的溫度分布。
[0084]HVPE裝置800還包括設(shè)置于腔室802的側(cè)壁808內(nèi)部的前驅(qū)物供應(yīng)管道822、824。管道822及824流體連通處理區(qū)807及入口管821，入口管821存在于前驅(qū)物源模塊832中。噴頭806流體連通處理區(qū)807及第一氣體源810。處理區(qū)807通過出口 826流體連通排放裝置851。
[0085]HVPE裝置800還包括嵌入在腔室802的壁808內(nèi)的加熱器830。若有需要的話，嵌入于壁808內(nèi)的加熱器830可于沉積工藝期間提供額外的熱。可使用熱電耦(thermocouple)來測量處理腔室內(nèi)的溫度?？蓪碜詿犭奍禹的輸出回饋至控制器841,控制器841可基于來自熱電耦(未圖示)的讀數(shù)，通過調(diào)整輸送至加熱器830(如，電阻式加熱元件)的功率來控制腔室802的壁的溫度。舉例而言，若腔室過冷，加熱器830將被啟動。若腔室過熱，加熱器830將被關(guān)閉。此外，加熱器830所提供的熱量可受到控制，以最小化加熱器830所提供的熱量。
[0086]來自第一氣體源810的處理氣體通過氣體分配噴頭806輸送至處理區(qū)807。在一個(gè)實(shí)施例中，第一氣體源810為氨氣源。在一個(gè)實(shí)施例中，第一氣體源810經(jīng)配置以輸送包括氨或氮的氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，也可通過氣體分配噴頭806或通過設(shè)置于腔室802的壁808上的管道624引入惰性氣體(如，He、Ar、N2)。在一個(gè)實(shí)施例中，可通過設(shè)置于腔室802的壁608上的管道824引入氯氣。能量源812可設(shè)置于第一氣體源810與氣體分配噴頭806之間。在一個(gè)實(shí)施例中，能量源812可包括加熱器或遠(yuǎn)程RF等離子體源。
[0087]源模塊832包括連接至源舟(source boat)的井834A的鹵素或鹵化氫氣體源818，以及連接至井634A的惰性氣體源634。諸如鋁、鎵或銦這樣的源材料823可設(shè)置于井834A中。加熱源820圍繞源舟。入口管621經(jīng)過管道822、824將井834A連接至處理區(qū)807。
[0088]在一個(gè)實(shí)施例中，于處理期間，自鹵素氣體源818將鹵素氣體(如，C12、Br2或12)輸送至源舟的井834A，以產(chǎn)生金屬鹵化物前驅(qū)物氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，于處理期間，自鹵化氫氣體源818將鹵化氫氣體(如，HCl、HBr或HI)輸送至源舟的井834A，以產(chǎn)生金屬鹵化物前驅(qū)物氣體。鹵素氣體或鹵化氫氣體與固態(tài)或液態(tài)源材料823的相互作用容許形成金屬鹵化物前驅(qū)物。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬鹵化物氣體為III族金屬鹵化物氣體，如氯化鎵(如，GaCl, GaCI3)、氯化銦(如，InCI3)或氯化鋁(如，A1CI3、A1C1)?？赏ㄟ^加熱源820來加熱源舟，以加熱源材料823，并容許形成金屬鹵化物前驅(qū)物。接著通過入口管821將金屬鹵化物前驅(qū)物輸送至HVPE裝置800的處理區(qū)807。在一個(gè)實(shí)施例中，使用自惰性氣體源834所輸送的惰性氣體(如，Ar、He、N2)將井834A中所形成的金屬鹵化物前驅(qū)物通過入口管821及管道822及824攜帶或推送至HVPE裝置800的處理區(qū)807?？赏ㄟ^噴頭606將氨氣(NH3)引入處理區(qū)607，同時(shí)也將金屬鹵化物前驅(qū)物提供至處理區(qū)807，使得III族氮化物層可形成于設(shè)置在處理區(qū)807中的襯底815的表面上。
[0089]在另一個(gè)實(shí)施例中，首先可在一個(gè)腔室中提供一或多個(gè)襯底，以形成含鋁III族氮化物層，并接著移至設(shè)備內(nèi)的不同腔室，以進(jìn)行后續(xù)處理。圖9為可用于根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施例的工藝中的多腔集成設(shè)備900。多腔集成設(shè)備900經(jīng)配置以形成氮化物化合物結(jié)構(gòu)。
[0090]在一個(gè)實(shí)施例中，多腔集成設(shè)備1600包括連接至傳送腔室1606的一個(gè)HVPE腔室1602及多個(gè)MOCVD腔室1603a及1603b，用以根據(jù)本文描述的實(shí)施例制造化合物氮化物半導(dǎo)體器件。盡管圖中顯示一個(gè)HVPE腔室1602及兩個(gè)MOCVD腔室1603a及1603b，應(yīng)理解到也可將一或多個(gè)的MOCVD腔室與一或多個(gè)的HVPE腔室的任何組合耦接至傳送腔室1606。舉例而言，在一個(gè)實(shí)施例中，多腔集成設(shè)備1600可包括3個(gè)MOCVD腔室。也應(yīng)理解的是，盡管圖中顯示多腔集成設(shè)備，也可使用線性處理系統(tǒng)來進(jìn)行本文所述的實(shí)施例。
[0091]在一個(gè)實(shí)施例中，額外腔室1604耦接傳送腔室1606。額外腔室1604可為MOCVD腔室、HVPE腔室、測量腔室、除氣腔室、定向腔室、冷卻腔室、預(yù)處理/預(yù)清潔腔室、后-退火腔室或類似腔室。在一個(gè)實(shí)施例中，傳送腔室1606為具有六個(gè)側(cè)邊的六角形狀,并具有用于安裝處理腔室的六個(gè)位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳送腔室1606可具有其它形狀，并具有五個(gè)、七個(gè)、八個(gè)或更多個(gè)側(cè)邊，并具有對應(yīng)數(shù)量的處理腔室安裝位置。
[0092]HVPE腔室1602適于進(jìn)行HVPE工藝，其中使用氣態(tài)金屬鹵化物于經(jīng)過加熱的襯底上外延生長化合物氮化物半導(dǎo)體材料層。HVPE腔室1602包括腔室主體1614，襯底置于腔室主體1614中以進(jìn)行處理；化學(xué)輸送模塊1618，來自化學(xué)輸送模塊1618的氣體前驅(qū)物被輸送至腔室主體1614 ;以及電子模塊1622，所述電子模塊1622包括供多腔集成設(shè)備1600的HVPE腔室所用的電子系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，HVPE腔室1602可類似圖7所描述的HVPE裝置600。
[0093]各MOCVD腔室1603a、1603b包括腔室主體1612a、1612b形成處理區(qū)域、化學(xué)輸送模塊1616a、1616b以及供各MOCVD腔室1603a、1603b所用的電子模塊1620a、1620b，襯底放置于處理區(qū)域中以進(jìn)行處理，諸如前驅(qū)物、凈化氣體及清潔氣體這樣的氣體自化學(xué)輸送模塊1616a、1616b輸送至腔室主體1612a、1612b，電子模塊1620a、1620b包括電子系統(tǒng)，所述電子系統(tǒng)供多腔集成設(shè)備1600的各MOCVD腔室所用。各MOCVD腔室1603a、1603b適于進(jìn)行CVD工藝，在CVD工藝中金屬有機(jī)前驅(qū)物(如，TMG、TMA)與金屬氫化物元素反應(yīng)，以形成化合物氮化物半導(dǎo)體材料層。
[0094]多腔集成設(shè)備1600還包括位于傳送腔室1606內(nèi)的機(jī)器人組件1607、耦接傳送腔室1606的負(fù)載鎖定腔室1608、用于存放襯底的批次負(fù)載鎖定腔室1609，所述次負(fù)載鎖定腔室1609耦接傳送腔室1606。多腔集成設(shè)備1600還包括用以加載襯底的負(fù)載站1610，負(fù)載站1610耦接負(fù)載鎖定腔室1608?？刹僮鳈C(jī)器人組件1607來拾起襯底并于負(fù)載鎖定腔室1608、批次負(fù)載鎖定腔室1609、HVPE腔室1602及MOCVD腔室1603a、1603b之間傳送襯底。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載站1610為自動化負(fù)載站，所述自動化負(fù)載站經(jīng)配置以自晶片盒將襯底加載至襯底載體，或直接將襯底加載至負(fù)載鎖定腔室1608，并自襯底載體或自負(fù)載鎖定腔室1608將襯底卸載至晶片盒。
[0095]在工藝期間，可將傳送腔室1606維持在真空下及/或在低于大氣壓下?？烧{(diào)整傳送腔室1606的真空程度以匹配對應(yīng)處理腔室的真空程度。在一個(gè)實(shí)施例中，傳送腔室1606維持具有高于90%的N2的環(huán)境用于襯底傳送。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳送腔室1606維持高純度NH3的環(huán)境用于襯底傳送。在一個(gè)實(shí)施例中，在具有高于90%的NH3的環(huán)境中傳送襯底。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳送腔室1606維持高純度H2的環(huán)境用于襯底傳送。在一個(gè)實(shí)施例中，在具有高于90%的H2的環(huán)境中傳送襯底。
[0096]多腔集成設(shè)備1600還包括系統(tǒng)控制器1660，系統(tǒng)控制器1660控制活動及操作參數(shù)。系統(tǒng)控制器1660包括計(jì)算機(jī)處理器及耦接所述處理器的計(jì)算機(jī)可讀存儲器。處理器執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件，如儲存于存儲器中的計(jì)算機(jī)程序。
[0097]在一個(gè)實(shí)施例中，處理腔室1602、1603a、1603b或1604中的一個(gè)處理腔室經(jīng)配置以在形成器件結(jié)構(gòu)之前，根據(jù)上文所述的方法形成含鋁III族氮化物層。接著將根據(jù)上文所述的方法沉積于襯底上的含鋁III族氮化物層或數(shù)個(gè)III族氮化物層傳送至一或多個(gè)的沉積腔室，以沉積后續(xù)層，后續(xù)層可供形成LED或LD結(jié)構(gòu)所用。在一個(gè)實(shí)施例中，可在HVPE處理腔室1602中，將含鋁III族氮化物緩沖層沉積于襯底上，及/或以III族氮化物層(如，無摻雜的GaN層、η-型摻雜的GaN層)覆蓋含鋁III族氮化物緩沖層，接著將含鋁III族氮化物緩沖層移動至MOCVD處理腔室1603a或/及1603b，以形成供器件結(jié)構(gòu)(如，η-型摻雜的GaN層、AlGaN層、MQW結(jié)構(gòu)、ρ-型摻雜的AlGaN層、ρ-型摻雜的GaN層)所用的III族氮化物層。在另一個(gè)實(shí)施例中，可于HVPE處理腔室1602中將含鋁III族氮化物緩沖層沉積于襯底上，接著將含鋁III族氮化物緩沖層移動至MOCVD處理腔室1603a或/及1603b，以形成后續(xù)層，后續(xù)層可供器件結(jié)構(gòu)所用。
[0098]圖10圖不根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的功率電子器件的剖面圖。功率電子器件1200可包括N型區(qū)域1210 (例如，電極)、離子注入?yún)^(qū)域1212及1214、外延層1216 (例如，厚度4微米的N型GaN外延層)、緩沖層1218 (例如，厚度2微米的N+GaN緩沖層)、襯底1220 (例如，N+塊狀GaN襯底、硅襯底)，及歐姆接點(diǎn)(例如，Ti/Al/Ni/Au)。器件1200可包括沉積于GaN襯底或硅襯底上的一或多個(gè)GaN層。所述器件(例如，功率1C、功率二極管、功率晶閘管、功率MOSFET、IGBT、GaN HEMT晶體管)可供功率電子電路及模塊中的開關(guān)或整流器所用。
[0099]應(yīng)理解上方的說明意欲作為說明性的，而非限制性。在閱讀并理解上方說明之后，許多的其它實(shí)施例對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得明顯。盡管已參照特定示例性實(shí)施例描述本公開內(nèi)容，可意識到本發(fā)明并不限于所描述的實(shí)施例，而可經(jīng)修改及變化來實(shí)施本發(fā)明。因此，應(yīng)將說明書及圖視為示例而非限制。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包含下列步驟: 在氫化物氣相外延處理系統(tǒng)的處理腔室中提供襯底； 通過下列步驟形成氮化鋁(AlN)緩沖層:將氨氣流入所述處理腔室的生長區(qū)內(nèi)，以及 將含鹵化鋁前驅(qū)物流至所述生長區(qū)，并同時(shí)將鹵化氫氣體流入所述處理腔室的所述生長區(qū)內(nèi)，以抑制AlN顆粒的均質(zhì)形成；以及 在所述緩沖層上形成III族氮化物層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述AlN緩沖層包含起始層或成核層。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述III族氮化物層包含氮化鎵(GaN)層、氮化鋁(AlN)層及氮化鋁鎵(AlGaN)層中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含鹵化鋁前驅(qū)物包含氯化鋁氣體。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鹵化氫氣體包含氯化氫(HCl)氣體。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包含下列步驟: 停止所述含鹵化鋁前 驅(qū)物的流動，同時(shí)持續(xù)將所述鹵化氫氣體及氨流入所述處理腔室的所述生長區(qū)內(nèi)達(dá)一時(shí)間段。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中通過將鋁金屬源暴露至包含氯(C12)氣的處理氣體來形成所述氯化鋁氣體。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中通過將鋁金屬源暴露至包含氯化氫(HCl)氣體的處理氣體來形成所述氯化鋁氣體。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過使至少一種含金屬鹵化物前驅(qū)物與氨氣反應(yīng)來形成所述III族氮化物層，其中所述含金屬鹵化物前驅(qū)物包含三氯化鋁(A1C13)前驅(qū)物、單氯化鋁(AlCl)前驅(qū)物、三溴化鋁(AlBrf)前驅(qū)物、單氯化鎵(GaCl)前驅(qū)物及三氯化鎵(GaCl3)前驅(qū)物中的至少一種。
10.一種方法，包含下列步驟: 在氫化物氣相外延處理系統(tǒng)的處理腔室中提供襯底；以及 通過下列步驟形成氮化鋁(AlN)緩沖層:將氨氣流入所述處理腔室的生長區(qū)內(nèi)，將含鹵化鋁前驅(qū)物流至所述處理腔室的所述生長區(qū)，并同時(shí)將鹵素氣體流入所述處理腔室的所述生長區(qū)內(nèi)； 停止所述含鹵化鋁前驅(qū)物的流動，同時(shí)持續(xù)將所述鹵素氣體及氨流入所述處理腔室的所述生長區(qū)內(nèi)達(dá)一時(shí)間段；以及 在所述緩沖層上形成III族氮化物層。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述AlN緩沖層包含起始層或成核層。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述III族氮化物層包含氮化鎵(GaN)層、氮化鋁(AlN)層及氮化鋁鎵(AlGaN)層中的至少一種。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述含鹵化鋁前驅(qū)物包含氯化鋁(例如，A1C13、A1C1)氣體，其中通過將鋁金屬源暴露至包含氯(C12)氣的處理氣體來形成所述氯化鋁氣體，其中通過將鋁金屬源暴露至包含氯化氫(HCl)氣體的處理氣體來形成所述氯化鋁氣體。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中流入所述生長區(qū)內(nèi)的所述鹵素氣體抑制AlN顆粒的均質(zhì)形成。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中通過使至少一種含金屬鹵化物前驅(qū)物與氨氣反應(yīng)，來形成所述III族氮化物層，其中所述含金屬鹵化物前驅(qū)物包含三氯化鋁(A1C13)前驅(qū)物、單氯化鋁(AlCl)前驅(qū)物、三溴化鋁(AlBrf)前驅(qū)物、單氯化鎵(GaCl)前驅(qū)物及三氯化鎵(GaC13)前驅(qū)物中的至少·一種。
【文檔編號】H01L21/205GK103548124SQ201280024597
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月20日
【發(fā)明者】尤里·梅爾尼克, 陳璐, 湖尻英彥 申請人:應(yīng)用材料公司