等離子體增強(qiáng)原子吸附的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體外延生長設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體增強(qiáng)原子吸附的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]以GaN、SiC為代表的新型化合物半導(dǎo)體材料近十幾年來在國際上備受重視，在紫夕卜/藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管、激光器、探測器，以及高頻高溫大功率電子器件等方面有著重要而廣泛的應(yīng)用。
[0003]為了獲得良好的器件性能，要求化合物半導(dǎo)體薄膜盡可能處于單晶狀態(tài)。目前化合物半導(dǎo)體的外延生長方法主要有分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延(MOVPE)。由于MBE具有真空條件要求苛刻、生長速率慢的缺點，目前普遍采用MOVPE進(jìn)行化合物半導(dǎo)體外延生長的商業(yè)化生產(chǎn)。
[0004]在化合物半導(dǎo)體的MOVPE生長過程中，要求反應(yīng)物以層流的方式擴(kuò)散到襯底表面，在襯底表面發(fā)生裂解、化合和迀移等反應(yīng)，從而形成化合物半導(dǎo)體單晶薄膜。現(xiàn)有的M0VPE，反應(yīng)物裂解、化合、迀移所需的能量主要通過襯底加熱的方式獲得，由于反應(yīng)氣體存在較強(qiáng)的化學(xué)鍵，且反應(yīng)物粒子在襯底表面迀移需要一定的能量，從而要求外延過程中襯底具有極高的溫度。以MOVPE外延生長GaN為例，反應(yīng)物一般為Ga (CH3) 3和NH3，Ga (CH3) 3的裂解溫度約500°C，NH3的裂解溫度約為700°C，再考慮GaN在襯底表面的迀移，一般外延生長溫度接近1000°C。如果采用Ga(CH3)3和吣進(jìn)行外延，由于N2化學(xué)鍵更強(qiáng)，裂解溫度約為1400°C，因此需要更高的生長溫度。
[0005]高溫外延雖然能實現(xiàn)性能良好的光電子器件，如LED，但也存在很多問題。首先，襯底材料和尺寸受限。由于耐高溫及晶格匹配的要求，目前能用于化合物半導(dǎo)體外延生長的襯底只能是少數(shù)幾種單晶襯底，比如用于生長GaN基半導(dǎo)體的Al203、Si，用于生長GaAs基半導(dǎo)體的GaAs，用于生長SiC半導(dǎo)體的SiC、Si等，這些單晶襯底成本較高、尺寸受限，很難直接進(jìn)行化合物半導(dǎo)體的大面積外延生長。而可用于大面積薄膜襯底的襯底，如玻璃、塑料等，都很難再高溫條件下穩(wěn)定工作。其次，由于襯底和外延薄膜的熱膨脹系數(shù)往往存在一定的差異，外延溫度越高，半導(dǎo)體薄膜的應(yīng)力就越大，直接影響器件的性能。再次，一般希望外延生長對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)只在襯底表面進(jìn)行，盡量減少襯底表面以外的預(yù)反應(yīng)，而在高溫條件下，很難控制反應(yīng)氣體在襯底表面以外的預(yù)反應(yīng)。
[0006]針對MOVPE高溫生長帶來的問題，人們提出了等離子體增強(qiáng)MOVPE(PE-MOVPE)的想法，希望通過低溫等離子體預(yù)先裂解反應(yīng)物，提高反應(yīng)物原子的勢能，達(dá)到降低化合物半導(dǎo)體外延生長的目的。產(chǎn)生低溫等離子體的常用方法有:電容耦合等離子體(CCP)、電感耦合等離子體(ICP)、電子回旋共振等離子體(ECR) XCP反應(yīng)室簡單，但等離子體密度和能量無法獨立調(diào)節(jié)。ECR的等離子體密度高，能量轉(zhuǎn)換率高，專利CNOl 10142.5采用ECR裂解反應(yīng)物進(jìn)行外延生長。但是ECR固有的模式跳變特性，使其難以用于大面積的薄膜沉積。ICP可以產(chǎn)生與ECR可比擬的等離子體密度，同時具有較好的等離子體均勻性，能在很大的氣壓范圍內(nèi)運(yùn)行，專利CN2014100534244.4采用ICP裂解反應(yīng)物進(jìn)行外延生長。以上技術(shù)，在一定程度上降低了化合物半導(dǎo)體MOVPE外延生長所需要的溫度，比如將GaN的外延生長溫度從約1000°C降低到約500°C。但是值得注意的是，以上技術(shù)都只采用等離子體活化相對難裂解的反應(yīng)物，比如對于沉積GaN，無論是專利CN1364946A的ECR還是專利CN2014100534244的ICP，主要用來活化裂解溫度較高的N源(如懸，N2),而裂解溫度較低的Ga源(如Ga(CH3)3),仍需要通過襯底加熱的方式進(jìn)行。也就是說，MOVPE的外延生長溫度仍然受限于其中一種反應(yīng)物的裂解溫度。
[0007]另外，反應(yīng)物氣體產(chǎn)生等離子體后，正離子、亞穩(wěn)態(tài)原子分子以及中性原子均能用來生成化合物半導(dǎo)體，但其中的等離子以及高能的中性粒子會對襯底造成轟擊，從而影響化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶特性。以PEM0VPE生長GaN為例，反應(yīng)氣體采用Ga(CH3)^PN2，氮等離子體中包含氮離子、氮原子、氮分子，原則上都可以參與GaN的生成，但氮離子以及高能中性粒子(如氮原子、氮分子)會對襯底造成轟擊、Ga去吸附、GaN分解和點缺陷等問題。因此，為了提高低溫外延生長的化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶質(zhì)量，必須設(shè)法降低到達(dá)襯底處的離子密度以及高能的中性粒子密度，同時使低能活性粒子能盡量多的到達(dá)襯底參與反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。
[0009]為此，本發(fā)明的目的在于提出一種等離子體增強(qiáng)原子吸附的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種等離子體增強(qiáng)原子吸附的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，包括:真空反應(yīng)腔;樣品臺，所述樣品臺可旋轉(zhuǎn)，位于所述真空反應(yīng)腔的底部;等離子激發(fā)單元，所述等離子激發(fā)單元位于所述真空反應(yīng)腔的頂部;真空隔板，所述的真空隔板位于所述等離子體激發(fā)單元和所述樣品臺之間，將所述真空反應(yīng)腔沿垂直方向分隔為第一類氣態(tài)反應(yīng)源吸附區(qū)和第二類氣態(tài)反應(yīng)源吸附區(qū)；具有第一進(jìn)氣口的第一氣路，用于向所述第一類氣態(tài)反應(yīng)源吸附區(qū)通入第一類氣態(tài)反應(yīng)源;具有第二進(jìn)氣口的第二氣路，用于向所述第二類氣態(tài)反應(yīng)源吸附區(qū)通入第二類氣態(tài)反應(yīng)源;其中，所述等離子體激發(fā)單元用于激發(fā)所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源電離分解;所述真空隔板用于防止所述第一類氣態(tài)反應(yīng)源和所述第二類氣態(tài)反應(yīng)源在襯底表面以外的空間發(fā)生預(yù)反應(yīng);所述樣品臺旋轉(zhuǎn)形成外延生長所需要的層流，并讓樣品表面交替吸附第一類、第二類氣態(tài)反應(yīng)源分解形成的原子。
[0011]根據(jù)本發(fā)明實施例的等離子體增強(qiáng)原子吸附的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，反應(yīng)物完全由等離子體裂解、生長溫度不再受限于反應(yīng)物裂解溫度。
[0012]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的等離子體增強(qiáng)原子吸附的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0013]進(jìn)一步地，所述真空隔板中空、形成具有第三進(jìn)氣口的第三氣路，所述第三氣路用于通入隔離氣體以防止所述第一類氣態(tài)反應(yīng)源和所述第二類氣態(tài)反應(yīng)源在襯底表面以外的空間發(fā)生預(yù)反應(yīng)。
[0014]進(jìn)一步地，還包括:離子過濾器，設(shè)置在所述等離子激發(fā)單元和所述樣品臺之間，將所述的真空室分隔成等離子放電區(qū)和等離子體下游區(qū)，所述離子過濾器用于吸收等離子體源激發(fā)放電產(chǎn)生的氣體的活性離子，而讓活性中性粒子通過。
[0015]進(jìn)一步地，所述離子過濾器為水平設(shè)置在所述真空反應(yīng)腔內(nèi)的、具有多個濾孔的金屬板，所述金屬板上加載有直流偏壓。
[0016]進(jìn)一步地，所述的等離子體激發(fā)單元的能量只耦合到所述的第一類氣態(tài)反應(yīng)源和所述第二類氣態(tài)反應(yīng)源的等離子體放電區(qū)。
[0017]進(jìn)一步地，所述的等離子體激發(fā)單元采用電感應(yīng)親合、電容親合和電子回旋共振之中至少一種方式產(chǎn)生所述第一類氣態(tài)反應(yīng)源和所述第二類氣態(tài)反應(yīng)源的等離子體。
[0018]進(jìn)一步地，所述樣品臺在豎直方向可升降。
[0019]進(jìn)一步地，所述第一氣態(tài)反應(yīng)源為NH3、N2、C3H8、SiH4、H20、As、P等分子或原子的蒸汽中的一種或多種的組合。
[0020]進(jìn)一步地，所述第二氣態(tài)反應(yīng)源為Ga(CH3)3、In(CH3)3、A1(CH3)3、Zn(CH3)3、Si(CH3)4、Ga、In、Al分子或原子的蒸汽一種或多種的組合。
[0021]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0022]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0023]圖1是本發(fā)明一個實施例的等離子體增強(qiáng)原子吸附的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明一個實施例的離子過濾器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0026]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0027]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機(jī)械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0028]參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。
[0029]以下