用于沉積第iii族氮化物半導(dǎo)體膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于在基底上沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜的方法，包括：提供藍(lán)寶石基底；將基底放置在真空室中；通過蝕刻修整基底的表面并提供經(jīng)修整的表面；保持基底與加熱器的基底面對表面分離預(yù)定距離；在保持基底與加熱器的基底面對表面分離的同時，通過使用加熱器將基底加熱至某一溫度；在保持基底與加熱器的基底面對表面分離的同時，通過物理氣相沉積法在基底的經(jīng)修整的表面上沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜；以及在基底的經(jīng)修整的表面上形成具有N面極性的外延第III族氮化物半導(dǎo)體膜。
【專利說明】用于沉積第111族氮化物半導(dǎo)體膜的方法
[0001]在此描述一種用于沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜的方法。
[0002]第三族氮化物半導(dǎo)體用在諸如發(fā)光二極管、激光二極管、光伏太陽能電池以及諸如高電子遷移率晶體管的功率器件的各種裝置中。
[0003]發(fā)光二極管(120)的基本結(jié)構(gòu)對應(yīng)于即半導(dǎo)體二極管，使得發(fā)光二極管和即半導(dǎo)體二極管呈現(xiàn)出類似的特性。其差異在于用于120的半導(dǎo)體材料。在非發(fā)光二極管由硅或者有時由鍺或硒制造的同時，用于[￡0的半導(dǎo)體材料是第111；族半導(dǎo)體，通常為鎵化合物。
[0004]如果沿正向施加電壓，則電子從120的摻雜側(cè)向？摻雜側(cè)遷移，并且發(fā)射光。發(fā)射的光的波長和由此其顏色取決于形成即結(jié)的材料的帶隙能量。在硅二極管或鍺二極管中，由于它們是間接帶隙材料，因此電子和空穴通過不產(chǎn)生光發(fā)射的非輻射躍遷而復(fù)合。用于120的材料具有帶有與近紅外光、可見光或近紫外光的對應(yīng)的能量的直接帶隙。
[0005]120通常以電極附著到沉積在型基底的表面上的？型層的方式設(shè)置在II型基底上。雖然不常見，也使用？型基底。一些商業(yè)[即，尤其是，使用藍(lán)寶石基底。
[0006]在與諸如藍(lán)寶石、硅、31(:和石英的基底之間的大的晶格失配能夠通過使用多個生長步驟來匹配，以適應(yīng)晶格應(yīng)變并能夠使高質(zhì)量的&^膜生長。
[0007]由于八故與各種基底之間的較小的晶格失配，因此中間外延生長八故層可以沉積在基底上并用作&^能夠在其上生長的模板。因此，八故緩沖層的使用可以用于避開10(^0工藝所需的挑戰(zhàn)性的成核步驟，以在諸如藍(lán)寶石的各種基底上生長&
[0008]不僅可以調(diào)整外延的質(zhì)量，而且可以調(diào)整第III族氮化物膜的極性。
[0009]2013/0049065八1公開了一種能夠通過濺射制造由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的第III族極性膜(諸如具有八1面極性的八故膜)的外延膜形成方法。將八故膜濺射在被加熱器加熱至濺射溫度的藍(lán)寶石或八1203基底上，該藍(lán)寶石或0 -八1 203基底與加熱器分離預(yù)定距離。
[0010]然而，期望進(jìn)一步的方法，用該方法能夠制造具有期望的面極性的第III族氮化物半導(dǎo)體膜。
[0011]提供了一種用于在基底上沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜的方法，該方法包括:提供諸如〈0001乂平面藍(lán)寶石基底的藍(lán)寶石基底；將基底放置在真空室中；通過蝕刻來修整基底的表面并提供經(jīng)修整的表面；保持基底與加熱器的基底面對表面分離預(yù)定距離；在保持基底與加熱器的基底面對表面分離的同時，通過使用加熱器將基底加熱至溫度在保持基底與加熱器的基底面對表面分離的同時，通過物理氣相沉積方法在基底的經(jīng)修整的表面上沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜；并且在基底的經(jīng)修整的表面上形成具有~面極性的外延第III族氮化物半導(dǎo)體膜。
[0012]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了將用于提供經(jīng)修整的表面的蝕刻工藝與在基底不與加熱器直接接觸的同時在該經(jīng)修整的表面上沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜的組合，以促進(jìn)第III族氮化物半導(dǎo)體膜中~面極性的形成。一種可能的機(jī)制(通過該機(jī)制可以提供這種特征)可以在于，在蝕刻步驟之后形成了八1終結(jié)(或終端)的經(jīng)修整的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了沉積在這種八1終結(jié)的經(jīng)修整的表面上的第III族氮化物半導(dǎo)體膜中~面極性的形成。
[0013]例如，對于一些裝置，因?yàn)榫哂??面極性的膜呈現(xiàn)出比~面極性層更光滑的表面，因此期望具有(?表面極性的&^膜。一種用于獲得(?面極性&^膜的方式是在基底上生長具有~面極性的外延八故膜。這種具有~面極性的八故膜促進(jìn)沉積在~面極性八故膜上的膜中(?面極性的形成。
[0014]在實(shí)施例中，基底表面的修整包括在真空下對該表面進(jìn)行等離子體軟蝕刻。等離子體軟蝕刻可以包括將基底加熱至溫度12、將紅氣體引入真空室中以及使基底的所述表面經(jīng)受等離子體。溫度12可以處于351至701的范圍內(nèi)，例如為501。在實(shí)施例中，利用包括八1^+離子的班7等離子體在2X 10至8父的壓力下執(zhí)行等離子體軟蝕刻。例如可以使用50評的尺？功率。
[0015]執(zhí)行等離子體軟蝕刻時的溫度12可以比沉積第III族氮化物膜時的基底的溫度丁:小。丁工可以處于6501至8001的范圍內(nèi)。
[0016]在實(shí)施例中，在等離子體軟蝕刻過程中，保持基底遠(yuǎn)離加熱器的基底面對表面。
[0017]在實(shí)施例中，基底表面的修整包括化學(xué)蝕刻該表面來取代等離子體軟蝕刻該表面(或除了對該表面進(jìn)行等離子體軟蝕刻之外還進(jìn)行化學(xué)蝕刻)。
[0018]在蝕刻之后，經(jīng)修整的表面可以是八1終結(jié)。為了在藍(lán)寶石基底上設(shè)置八1終結(jié)的表面，蝕刻可以包括從基底優(yōu)先地去除化學(xué)束縛的氧。
[0019]所述方法還可包括在修整之后，使經(jīng)修整的表面在真空室中經(jīng)受氮流。在八1終結(jié)的經(jīng)修整的表面的情況下，可以使用氮流以促進(jìn)六方八故在八1終結(jié)的經(jīng)修整的表面上的生長。這種六方八故可以是單個單層，并且可以用于促進(jìn)~面八故在六方八故層上的生長。
[0020]在實(shí)施例中，所述方法還包括在將基底加熱至溫度的同時，使氬(紅)氣體在基底上流動。這樣可以有助于防止污染物的積累，例如，防止在八故層沉積在經(jīng)修整的表面上之前污染物積累在經(jīng)修整的表面上。
[0021]在此描述的任何一個實(shí)施例的方法可以在諸如組合工具的多個室體系中執(zhí)行。在這種情況下，可以在第一真空室中執(zhí)行修整，可以在不同的第二真空室中執(zhí)行第III族氮化物膜的沉積?；卓梢酝ㄟ^同樣在真空下的傳送室在第一室與第二室之間傳送。
[0022]在修整之后，所述方法還包括降低真空室中的壓力。這樣可以用于清潔真空室。還可以在修整之前和/或在沉積之前降低該室中的壓力以清潔真空室。
[0023]物理氣相沉積$70)工藝可以是例如即磁控濺射、00濺射或脈沖00濺射的濺射沉積。
[0024]在實(shí)施例中，通過反應(yīng)濺射將第III族氮化物半導(dǎo)體膜沉積在基底的經(jīng)修整的表面上。靶可以包括第III族元素，例如，靶可以是鋁靶，處理氣體可以包括氮和可選的氬。處理氣體的氮與從靶去除的或?yàn)R射的鋁反應(yīng)以在經(jīng)修整的表面上形成八故膜。在從導(dǎo)電靶的反應(yīng)濺射的情況下，可以將IX:電源用作靶的電源。在實(shí)施例中，使用1.5欣至3欣的IX:功率在經(jīng)修整的表面上濺射諸如八故的第III族氮化物半導(dǎo)體膜。
[0025]在實(shí)施例中，通過即濺射將第111族氮化物半導(dǎo)體膜沉積在基底的經(jīng)修整的表面上。如果靶為非導(dǎo)電性的，則可以使用即濺射。例如，靶可以包括將要沉積在經(jīng)修整的表面上的第III族氮化物。在該實(shí)施例中，處理氣體可以是諸如氬的惰性氣體。
[0026]可以在不同的條件下通過首先沉積種子層來對該膜的其余部分沉積第III族氮化物膜。該實(shí)施例可以用于改善層對經(jīng)修整的表面的外延或附著。在具體實(shí)施例中，所述方法還包括利用反應(yīng)濺射在隊(duì)/紅氣氛中在經(jīng)修整的表面上沉積種子層，其中，隊(duì)與紅的比率大于3，并且在隊(duì)/紅氣氛中在種子層上沉積膜，其中，隊(duì)與紅的比率小于3。
[0027]在沉積第III族氮化物膜之后，可以主動地冷卻基底?？梢栽诨桌鋮s的同時，使用主動冷卻來幫助減小基底上的熱應(yīng)力。
[0028]在實(shí)施例中，所述方法還包括在外延第III族氮化物半導(dǎo)體膜上濺射另一第III族氮化物半導(dǎo)體膜，該另一第III族氮化物半導(dǎo)體膜具有第III族面極性。例如，如果第III族氮化物膜是八故并且另一第III族氮化物膜是則八故膜具有~面極性并且膜具有(?面極性。
[0029]現(xiàn)在將參照附圖描述實(shí)施例。
[0030]圖1示出了包括若干獨(dú)立的處理站的半導(dǎo)體制造工具的示意圖。
[0031]圖2示出了用于在基底上沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜的設(shè)備。
[0032]圖3示出了使用如在此描述的方法和對比方法在藍(lán)寶石基底上的八故膜的生長的示意圖。
[0033]用于在藍(lán)寶石基底上制造~極性外延生長八故膜的一個示例性方法包括:在真空環(huán)境中對藍(lán)寶石基底的至少一個表面進(jìn)行等離子體軟蝕刻?？蛇x地，在等離子體軟蝕刻之后，干凈的基底表面可以暴露至氮?dú)?。在將基底保持在高?501的溫度下的同時，在氮和氬的氣氛中例如通過濺射來等離子體沉積~極性外延生長八故膜。
[0034]在此描述的方法可以在包括附著于共同傳送模塊的若干獨(dú)立的處理站的半導(dǎo)體制造工具中執(zhí)行。圖1示出了適合的半導(dǎo)體制造工具10的示意圖，半導(dǎo)體制造工具10具有四個獨(dú)立的處理站11、12、13、14、共同傳送模塊15以及向周圍環(huán)境提供界面的裝載鎖16。這種傳送模塊15是優(yōu)選處于真空條件下的封閉件，包括能夠在可評估的裝載鎖16與處理站11、12、13、14之間傳送基底的操作系統(tǒng)。處理站11、12、13、14可以具有使處理站11、12、13、14與共同傳送模塊16隔離的閥門，以避免交叉污染。處理站11、12、13、14和共同傳送模塊15以及裝載鎖16的這種作為組合工具的布置在本領(lǐng)域中是已知的?？梢愿鶕?jù)工藝來配備處理室11、12、13、14以便執(zhí)行，并且處理室11、12、13、14可以包括對基底提供諸如清潔、加熱、照射、沉積和蝕刻等的各種處理。
[0035]處理站中的一個處理站11用于修整藍(lán)寶石基底，另一個處理站12用于通過反應(yīng)濺射將第III族氮化物半導(dǎo)體膜沉積在經(jīng)修整的表面上。
[0036]處理站11包括即電源17，即電源17用于產(chǎn)生包括紅+離子的即等離子體18，即等離子體18用于對藍(lán)寶石基底進(jìn)行等離子體軟蝕刻并產(chǎn)生可以作為八1終結(jié)的經(jīng)修整的表面。
[0037]為了修整基底的表面，將基底放置在處理站11中，將真空室抽真空并將基底的溫度升高至例如大約501。引入氬氣流并接通即電源以在基底的表面處產(chǎn)生等離子體，該等離子體用于對基底的表面進(jìn)行等離子體軟蝕刻并產(chǎn)生作為八1終結(jié)的經(jīng)修整的表面。然后將基底傳送到處理站12。
[0038]處理站12包括例如鋁靶的靶和用于鋁靶的電源，以能夠利用反應(yīng)濺射來沉積第III族氮化物膜。圖2更詳細(xì)地示出了處理站12。
[0039]處理站12包括真空室20、支撐鋁的靶22的靶支持件21以及位于具有經(jīng)修整的表面25的基底24下方的加熱器23。處理站12還包括氮?dú)庠?6和氬氣源27，其中，處理氣體可以被允許從氮?dú)庠?6和氬氣源27流進(jìn)真空室20中。加熱器23包括加熱元件28和基底面對表面29，基底面對表面29與基底24的后側(cè)31以預(yù)定距離30分離。基底24通過具有環(huán)33的高度可調(diào)整的基底支持件32來保持預(yù)定距離30，環(huán)33用于支撐基底24的后側(cè)31的外周?；?4被設(shè)置為直接與靶22相對。靶22結(jié)合到IX:電源34。
[0040]為了在基底24上沉積氮化鋁膜，在使基底24與加熱器23的基底面對表面29分離一定距離的同時，將真空室20抽真空，通過加熱器23將基底24加熱至諸如7001的處理溫度。一旦基底24已經(jīng)達(dá)到處理溫度，使氮和氬處理氣體流進(jìn)真空室20中，并且將％電源施加到靶22，從而鋁從靶22濺射、與氮處理氣體反應(yīng)以在基底24的經(jīng)修整的表面25上形成氮化鋁層。
[0041]圖33示意性地示出了在八故的生長之前在沒有進(jìn)行等離子體清潔的情況下通過磁控濺射的八故的生長，并示出了對比方法的結(jié)果。藍(lán)寶石基底呈現(xiàn)出0面和八1面或混合極性。這種結(jié)構(gòu)和形態(tài)情況導(dǎo)致多晶八故膜以及隨后的具有混合極性(即，混合的(?面和~面)的膜的形成。
[0042]圖36示意性地示出了在通過等離子體軟蝕刻所修整的藍(lán)寶石基底上的八故膜的生長。在紅等離子體軟蝕刻過程中發(fā)生的離子轟擊可以促進(jìn)氧原子的優(yōu)先去除，因此有利于在基底的頂表面上露出八1原子。換言之，等離子體蝕刻導(dǎo)致八1終結(jié)的藍(lán)寶石晶片的形成?？梢岳秒S后的高溫下隊(duì)暴露所引起的氮化和用于八故膜的生長的富氮等離子體來形成位于藍(lán)寶石與八故膜之間的具有六方結(jié)構(gòu)的過渡外延八故單層，并且使具有~面極性的外延八故膜生長。
[0043]這種~面八IX膜促進(jìn)(?面極性膜的形成，6?面極性膜呈現(xiàn)出更光滑的表面，并且引起[￡0或諸如高電子遷移率晶體管的功率裝置應(yīng)用的更好質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。
[0044]一個示例性方法包括在單獨(dú)的處理室中對6英寸藍(lán)寶石基底的單個基底處理。將藍(lán)寶石基底引入半導(dǎo)體制造工具中并傳送到被構(gòu)造成執(zhí)行蝕刻步驟的處理站。將處理環(huán)境抽真空例如108以去除不需要的氣體和前處理步驟的殘留物，同時將基底的溫度調(diào)整到例如可以為大約501的溫度12。引入紅氣體，使壓力和氣體流量穩(wěn)定在例如5X10—41^虹的室壓。利用即等離子體的紅離子對基底表面進(jìn)行軟蝕刻。可以使用大約501保持108-308的條件?？蛇x地，在軟蝕刻之后，經(jīng)修整的表面可以暴露至例如具有208%111的流量的氮(?)大約208。可選地，在從蝕刻處理站移除基底之前，可以將該室抽真空以清除使用的氣體。
[0045]將具有通過軟蝕刻修整的表面的基底傳送到被構(gòu)造成執(zhí)行八故沉積步驟的處理站。該處理室可以是配有八1靶直徑)和脈沖IX:電源的970/濺射室。將處理環(huán)境抽真空例如108以去除不需要的氣體和前處理步驟的殘留物。將基底加熱到溫度1\，1\可以在650-8001的范圍內(nèi)，例如7701。加熱的持續(xù)時間取決于加熱器功率和時間以使基底溫度穩(wěn)定化，并可以是100-6008?？蛇x地,在加熱過程中能夠使用例如158(^111的紅氣流。將處理氣體(紅和隊(duì))引入，并使其保持例如大約108。在控制隊(duì)和紅的流量的同時，沉積八^層。隊(duì)的流量可以為608(^111，紅的流量可以為208(^111?？梢允褂美?.5砑的IX:電源保持2708(對具有100?。。。?！的厚度的層會是足夠的)來執(zhí)行濺射。因此，在本實(shí)施例中沉積速率為大約0.311111/8。
[0046]可選地，在沉積八故層之前可以沉積種子層。在增大的隊(duì)/紅比率(例如隊(duì)/紅〉〉3，可能紅=0)的情況下，沉積種子層?？蛇x地，可以將處理室的處理氣體殘留物抽干凈。例如，使基底冷卻超過例如10-3008的時間段，以避免由于操作裝置的限制而導(dǎo)致的對基底的過度熱應(yīng)力，從半導(dǎo)體制造工具中移除經(jīng)處理的基底。
[0047]可選地，可以在從處理環(huán)境移除基底之前，例如在冷卻站中執(zhí)行主動冷卻?？梢哉{(diào)節(jié)溫度下降以避免對基底的過度熱應(yīng)力。
[0048]可以以其它或各種方式執(zhí)行操作和傳送步驟。此外，加熱和冷卻時間部分地取決于使用的硬件。在不脫離基本的基底處理和沉積工藝的情況下，取決于各自性能的硬件可以允許不同的加熱和冷卻時間。
[0049]可以利用各種即功率執(zhí)行八故層的沉積。
[0050]一些氮化方法利用需要在通常不適合于磁控濺射的非常高的溫度下使用氮等離子體蝕刻或氨暴露的10(^0和182沉積系統(tǒng)。然而，氮等離子體蝕刻可以通過在基底內(nèi)(例如在藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的情況下在藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)內(nèi))的離子轟擊來促進(jìn)氮的結(jié)合，和/或促進(jìn)非晶氮氧化物的形成。對于磁控濺射來說通過氨的氮化的一個限制可以是由于附加的步驟而使沉積工藝復(fù)雜化。
[0051]通過利用與通過反應(yīng)磁控濺射的八故的生長所需的氣體相同的氣體，在紅等離子體清潔之后，在高溫下使用富隊(duì)氣體和等離子暴露簡化了氮化工藝。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在基底上沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜的方法，包括: 提供藍(lán)寶石基底； 將基底放置在真空室中； 通過蝕刻來修整基底的表面并提供經(jīng)修整的表面； 保持基底與加熱器的基底面對表面分離預(yù)定距離； 在保持基底與加熱器的基底面對表面分離的同時，通過使用加熱器將基底加熱至溫度T1; 在保持基底與加熱器的基底面對表面的分離同時，通過物理氣相沉積法在基底的經(jīng)修整的表面上沉積第III族氮化物半導(dǎo)體膜，并且在基底的經(jīng)修整的表面上形成具有N面極性的外延第III族氮化物半導(dǎo)體膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，修整基底的表面的工藝包括在真空下對所述表面進(jìn)行等離子體軟蝕刻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，等離子體軟蝕刻包括:將基底加熱至溫度T2、將Ar氣體引入到真空室中以及使基底的所述表面經(jīng)受等離子體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，T2為35°C至70°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，利用包括Ar+離子的RF等離子體在2X 10_4mbar至8X 10_4mbar的壓力下執(zhí)行等離子體軟蝕刻。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，T2CTp
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在等離子體軟蝕刻過程中，保持基底與加熱器的基底面對表面分離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，修整基底的表面的工藝包括化學(xué)蝕刻所述表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述蝕刻包括從基底優(yōu)先地去除化學(xué)束縛的氧。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述蝕刻之后，經(jīng)修整的表面是Al終結(jié)的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括:在修整之后，使經(jīng)修整的表面在真空室中經(jīng)受氮流。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，T1處于650°C至800°C的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括:在將基底加熱至溫度T1的同時，使氬氣流經(jīng)基底。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在第一真空室中執(zhí)行修整，在第二真空室中執(zhí)行沉積。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括:在修整之后降低真空室中的壓力。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過反應(yīng)濺射將第III族氮化物半導(dǎo)體膜沉積在基底的經(jīng)修整的表面上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，使用1.5kW至3kW的DC功率將第III族氮化物半導(dǎo)體膜濺射在經(jīng)修整的表面上。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過RF濺射將第III族氮化物半導(dǎo)體膜沉積在基底的經(jīng)修整的表面上。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括:在1/^1.氣氛中在經(jīng)修整的表面上沉積種子層，其中，隊(duì)與Ar的比率大于3，并且在N2/Ar氣氛中在種子層上沉積所述膜，其中，隊(duì)與Ar的比率小于3。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括:在沉積第III族氮化物膜之后，主動地冷卻基底。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中，第III族氮化物膜為A1N。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括:在外延第III族氮化物半導(dǎo)體膜上濺射另一第III族氮化物半導(dǎo)體膜，所述另一第III族氮化物半導(dǎo)體膜具有第III族面極性。
【文檔編號】H01L21/3065GK104508795SQ201380031696
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月15日
【發(fā)明者】洛倫佐·卡斯塔爾迪, 馬丁·克拉策, 海因茨·費(fèi)爾澤, 小羅伯特·馬馬扎 申請人:歐瑞康高級技術(shù)股份公司