用于高密度、低能量等离子增强气相外延的系统和工艺的制作方法

专利名称：用于高密度、低能量等离子增强气相外延的系统和工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及外延生长工艺和涂布装置。更具体地，本发明涉及用 于通过从蒸汽或气态直接淀积的材料形成单晶的外延的装置和工艺。
背景技术：
m-V化合物半导体氮化镓(GaN)及其铝(Al)和铟(In)合 金为高频和大功率电子应用的理想材料(见Brown等，Solid-State El. 46， 1535 (2002)，在此引用其内容)。这些材料也是短波长发光二极 管和激光器的理想材料(见Nakamura, Annu. Rev. Mater. Sci. 28， 125 (1998)， Nakamura, Science 281， 956 (1998); Smith等，J. Appl. Phys. 95,8247(2004)，在此引用其全部内容)。然而，这些材料的一个主要缺点在于，由于它们以体形式的生长 所需的高温和高压的极端条件，因而缺乏大型的单晶。合成大尺寸的 GaN晶片的唯一途径是利用异质外延，据此使厚的、自支持的GaN 层生长在如蓝宝石或碳化硅(SiC)等支持衬底上，而随后将该衬底去除。更薄的异质外延m-v氮化物层可以用于器件加工而无需去除衬底。用于GaN的异质外延的所有技术的一个共同问题在于，在生长 层上最初存在的高位错密度。该问题是由如蓝宝石、碳化硅和硅等可 用衬底材料与GaN的晶格参数不同所导致的(例如Dadgar等，Phys. Stat. Sol. (c) 0， 1583 (2003)，在此引用其全部内容)。作为高失配位 错密度的结果，异质外延的GaN层也趋向含有高密度的线位错(TD; threading dislocation )，而无论这些线位错是否穿入任何有源层，都 会使器件性能恶化。许多方法已经用于将TD密度减小到器件制造可 接受的数值，如以各种形式生长的长緩沖层，或使用掩模或不使用掩 模的横向过生长(例如Davis等，Proc. IEEE 90， 993 (2002)，在此引 用其全部内容)。用于生长外延m-v氮化物层的主要方法为氢化物汽相外延(HVPE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)和分子束外延 (MBE)。在HVPE中，将纯金属用作源材料，并作为气态卤化物 传送到反应区，然后它们在该反应区与含氮的气体，通常使用NH3， 进行反应，以在典型地被加热到高于1000。C的衬底上形成外延层。 HVPE的优点在于，它具有超过lOOjim/h的极高生长速率(例如见授 予Nikolaev等的美国专利No. 6，472，300,在此引用其全部内容)。由 于其高生长速率，HVPE通常用于生长几十微米厚的层，而且特别用 于作为在后续的MOCVD或MBE步骤中的衬底的自支持层的制造。 但是，很难由HVPE获得低速率和对尖锐界面的控制，而且可 能需要衬底在不同反应区之间的机械运动(例如见授予Tsvetkov等的 美国专利No. 6,706,119，在此引用其全部内容)。另外，在反应区中 的氢气的存在要求衬底在惰性气体环境中的退火，特别地，在要获得 以例如Mg杂质掺杂的高p型掺杂(例如见授予Nikolaev等的美国 专利No. 6,472,300，在此引用其全部内容)。MOCVD (或MOVPE，即"金属有机物汽相外延")是一种CVD 技术，其中，在生长氮化物的情况下，金属有机前体与如氨等、含阴 离子的反应气体一起使用。对昂贵的前体气体的需求，以及只有几 Hm/h的极低生长率是MOCVD的显著缺点。另外，通常在以高于 100(TC的温度淀积有源层叠层之前，要在更低的衬底温度下生长緩沖 层以用于在蓝宝石、SiC或Si上的GaN异质外延(例如见授予 Peczalski等的美国专利No. 6,818,061，在此引用其全部内容)。然
而，MOCVD是通常用于生长适于器件制造的有源层结构的技术(例 如见Wang等，Appl. phys. Lett. 74， 3531 (1999)和Nakamura， Science 281,956 (1998)，在此引用其全部内容)。通常的衬底与GaN之间的热膨胀系数上的大的差异，与在生长 过程中的高衬底温度一起，构成了对获得无裂紋的外延层的主要障 碍。裂紋的避免似乎需要很复杂的层间配置(例如见Biasing等，Appl. Phys. Lett. 81， 2722 (2002)，在此引用其全部内容)。HVPE和MOCVD 都是在大气压下或在某种减压下进行的淀积技术。反应器的几何形状 和气体流在很大程度上决定着层的一致性。相反地，在MBE中，压力在高真空到超高真空范围内，而且平 均自由程极大地超过了反应器的尺寸。金属在所谓的泻流单元 (effusion cell)中被蒸发，分子束或原子束从该单元传播到被加热的 衬底而不会在气相中被散射。对于氮化物的生长，必须使用产生活性 氮的氮源。激活通常利用氮分子的等离子激发来获得。具有用于激活 氮的远程的电子回旋谐振(ECR)等离子源的、用于外延生长氮化镓 层的系统，已经在例如授予Moustakas等的美国专利US Pat. Nr. 5，633，192中进行了说明，在此引用其全部内容。由于镓(Ga)通常 由泻流单元提供，因此，MBE不需要在MOCVD中普遍需要的昂贵 的金属有机物前体。另外，MBE提供对层成分和界面陡峭度的良好 控制(例如见Elsass等，Jpn. J. Appl. Phys. 39,L1023 (2000)，在此引 用其全部内容)。但是，由于其Mm/h量级的低生长速率和复杂的装 置，因此，MEB并不被认为是对这种结构的半导体的大规模生产的 适合技术。另 一个可能适用于氮化物半导体的大规模生产的方法(例如见授 予von K3nel等的美国专利No. 6,454,855，在此引用其全部内容)是 低能量等离子增强化学汽相淀积(LEPECVD)。与氮的激活发生在 远程的等离子源处的等离子辅助MBE相反，在LEPECVD中，密集 的低能量等离子与衬底表面直接接触。低能量等离子由DC电弧放电 产生，据此将金属有机物前体和氮激活(例如见授予vonKSnel等的
美国专利No. 6,918,352，在此引用其全部内容)。潜在地，LEPECVD 能够达到可与HVPE相比的生长速率(几十jim/h)，同时对生长速 率的动态范围提供最优控制，从而能够获得良好的界面质量。另外， 由于反应前体的激活是利用等离子而不是热能而获得的，因此，该工 艺可以在更低的衬底温度下进行。用于LEPECVD的DC等离子源可 以按比例缩放到300mm的衬底上(例如见申请人为von K3nel等的 WO 2006/000846,在此引用其全部内容)。虽然术语"LEPECVD"已经被设计为与DC电弧放电相结合(见 Rosenblad等，J. Vac. Sci. Technol. A 16, 2785 (1998)，在此引用其全 部内容)，但是，这种DC电弧放电并不是产生适合于外延的低能量 等离子的唯一途径。根据现有技术，适合于外延生长的足够低能量的 离子也可以由电子回旋谐振(ECR)等离子源产生(见Heung-Sik Tae 等，Appl.Phys. Lett. 64,1021 (1994)，在此引用其全部内容)。例如， 在授予Katsuya Watanabe等的美国专利5,580,420中已经对适用于利 用等离子增强CVD在大面积衬底上外延生长的ECR等离子源进行了 说明，在此引用其全部内容。但是，在工业半导体工艺中，大型ECR源被用于刻蚀而不是外延。在m-v氮化物的情况下得到了极高的刻蚀速率(例如见Varituli等，Appl. Phys. Lett. 69， 1426 (1996)，在此引用 其全部内容)。其他的高密度、低能量等离子源是感应耦合等离子(ICP)源。 这些源较ECR源具有许多的优点，如易于按比例缩放为大的晶片直 径而且成本低。对于不同种类ICP的评价，可以参考Hopwood， Plasma Sources Sci. Technol. 1， 109 (1992)，在此引用其全部内容。用于等离 子工艺的最常用的变种是螺旋(helical)感应耦合器，其中线圏绕在 等离子导管上(例如，见Steinberg等，美国专利No.4,368，092,在此 引用其全部内容)，以及具有螺线(spiral)形式的扁平线圏的螺线 感应耦合器(例如，见授予Ogle的美国专利No.4，948，458，在此引 用其全部内容)。基于螺线感应耦合器的等离子源具有较高的等离子 均匀性，有利于按比例缩放到大的衬底尺寸(例如，见Collison等，J.
Vac. Sci.Technol. A 16, 100 (1998)，在此引用其全部内容)。虽然ICP源通常工作在13.56MHz的频率下，但在更低频率下的 工作已被公开用于减小电容耦合并因此导致更低的离子能量(见授予 Ma等的美国专利No. 5，783，101,在此引用其全部内容)。ECR源和ICP源通常都用于刻蚀。利用ICP源，也同样获得了 对GaN的极高刻蚀速率(见Shul等，Appl. Phys. Lett. 69， 1119 (1996)， 在此引用其全部内容)。但是，这些源很少用于半导体质量的材料的 外延生长。目前，已经建议对硅的离子镀外延淀积使用电屏蔽ICP源。 该方法具有需要在淀积室内部的金属性准直仪的明显缺陷(见授予 Johnson的美国专利No.6,811,611,在此引用其全部内容)。ICP源也可以用于处理室的有效清洁，所述处理室例如通常用于 采用远程等离子源的热CVD的室(见授予Steger的美国专利 No.5，788，799，在此引用其全部内容)。室的清洁对于微粒污染物必 须保持得尽量低的半导体工艺尤其重要。处理室配备有等离子源，例 如ICP源，当然不需要用于有效清洁的额外的远程源(见授予Nemoto 等的美国专利No. 6,992,011，在此引用其全部内容)。无论等离子源是否用于产生用于等离子增强化学汽相淀积的低能量等离子，当应用于m-v化合物半导体的生长时，与MOCVD相比，更易于发生碳掺入生长层的情况。碳掺入是由在MOCVD中使用 有机前体而引起，而且对LEPECVD有益(见授予vonKSnel等的美 国专利No. 6，454，855，在此引用其全部内容)。由于碳作为掺杂物， 在LEPECVD中用于裂化前体的强等离子能够显著地将无意的碳摄 取增强到对于器件应用无法接受的程度(例如见Green等，J. Appl. Phys. 95, 8456 (2004)，在此引用其全部内容)。本发明的目的在于避免上述现有技术的缺陷，诸如碳和氢的掺 入、高衬底温度、以及低淀积速率。现有技术的另外一个主要限制是 较小的晶片尺寸(对于蓝宝石衬底，在生产中为2英寸，已演示可达 6英寸)。将硅晶片规模增加到300mm (或更大)是本发明的目的之
本发明是用于在半导体支持衬底上快速外延淀积化合物半导体 层的新的低能量、高密度等离子装置和工艺。本发明通过在淀积工艺 期间，可控制地改变组分反应物和/或它们的浓度，来提供各种化合物 层的淀积。在工艺的第一步骤中，将一种或几种金属蒸发，并将金属 蒸汽注入到装置的淀积室内部。蒸汽化可以通过使用例如与淀积室内 部相连通的泻流单元或溅射靶来实现。因此，在将金属蒸汽(例如镓) 注入到室内时，非金属性的、通常是不活泼的、无毒的气体(N2形式的氮)也被注入到室内。在几乎同时进行的第二步骤中，利用多个等离子产生机制中的任意一种(如电子回旋谐振(ECR)等离子、感应 耦合等离子(ICP)或DC电弧放电等离子)来产生密集的低能量等 离子并维持在淀积室内。当完全浸入等离子中时，非金属性气体被高 度激活，并与金属蒸汽反应并在等离子中支持的被加热了的半导体衬 底上形成外延半导体层(例如GaN)。由于没有有机前体反应器，本 发明提供了无碳工艺，尤其适合在大面积硅衬底上制造半导体层的应 用。此外，由于没有任何有毒栽体或反应物气体，本工艺也是非常环 保的。


图1是具有感应耦合等离子(ICP)源以及泻流单元的低能量等 离子增强汽相外延(LEPEVPE)系统的侧视图。图2是在暴露于低能量等离子下的衬底上生长膜的示意图。 图3是受磁场约束的等离子的示意图。图4是具有ICP源和泻流单元的LEPEVPE系统的变更的侧视示意图，其中衬底是朝下的。图5是具有ICP源和溅射源的LEPEVPE系统的侧视图。图6是本发明的具有DC等离子源和泻流单元的LEPEVPE的系统的示意图。
具体实施方式
本发明是包含用于m-v半导体的外延生长的装置和工艺的系统，该EI- V半导体特别地是m族氮化物，如GaN、GaAlN，以及GalnN。 该装置提供了低能量、高密度等离子，用于在半导体支持体上的半导 体层的增强等离子气相外延。本系统可以经济地制造适用于高频功率 放大器、紫色、蓝色以及白色LED(照明)、以及蓝色和紫外线半导 体激光器的异质结构。参考图1，装置10包括真空淀积室20，该淀积室20具有与诸如 涡轮分子泵等的、固定在排气线路24上的真空抽吸系统(未图示) 相连通的室内部21。选择淀积室20与抽吸系统，以与半导体的超洁 净加工相兼容。例如，没有处理气体的超高真空的系统是合适的。利 用气体进口 22，将惰性以及通常不活泼的气体、如氩和氮、以及适用 于处理的任何其他气体提供给淀积室20。 N2形式的氮是通常的不活 泼气体。但是，当暴露于本装置的等离子场时，N2形式的氮被转化为 原子形式的N，并变得高活性和反应性。淀积室20具有电介质窗28， 射频波穿过该窗利用螺线形线圏组件30与室内部21相耦合。该螺线 形线圏组件30与阻抗匹配网32和射频发生器34相连通。从螺线形 线圏发射的射频波在室20的内部21内激发密集的低密度等离子。例 如，由JE Plasma Consult, GmbH in Wuppertal， Germany获得的 感应耦合等离子源ICP-P200在1(T4~10-2 mbar之间的气压范围内和 达lkW的功率下可产生能量小于20 eV的氩和氮离子。淀积组件50通过绝缘体26与淀积室20电绝缘。利用诸如电阻 加热器或灯加热器的加热装置52从背面加热一个或多个衬底支持体 54。衬底支持体54与靠近电介质窗28的最高等离子密度的位置相隔 若干透入深度(典型地5-20)。透入深度对根据本发明所用的工作 压力而言为lcm量级。淀积组件50可以接地也可以电浮置。此外， 组件50也可以与DC偏置电源相连接，或者也可以通过电阻匹配网 56与RF发生器58耦合，引起DC自偏置。这些措施是为了控制衬
底54相对于等离子的电势。这样，与衬底54表面正交的电场分量可 以与控制等离子36的参数独立地控制。撞击在衬底上的离子的能量 也可以被调整以用于优化的外延生长条件。此外，淀积室20具有一个或多个金属蒸汽发射器40 (所述实施 方式中的泻流单元)，诸如Ga、 In和Al等的金属可以从发射器蒸发 并将其蒸汽注入到室内部21中。对于这些金属，用于分子束外延 (MBE)的标准泻流单元的温度可以容易地进行调整，以允许比通常 技术中高得多的蒸发速率。例如，发现镓单元的温度增加200。C就足 以将MBE中的典型的1单层/sec的GaAs生长速率提高100倍。与 MBE相似，快速动作闸板42是可控制的，以完全阻断来自蒸汽发射 器40的流量。在外延淀积期间，射频电源被施加到感应线團30上，并选择室 20内的气压，以将加热的衬底54完全暴露在低能量等离子下。典型 地，室20内的气压范围在10" mbar-l.O mbar间，优选地，压力在 10-2mbar 10"mbar的范围内。在这种条件下，从泻流单元40得到 的活性氮和金属蒸汽都利用在等离子中的扩散传播而移动。与氮反应 的金属原子在热衬底54上形成外延氮化物层。参考图2，可以看到在暴露于低能量等离子36下的衬底54上的 正在生长的膜55。在等离子中的离子密度从电介质窗28到衬底54指 数地减小。例如，对于等离子源"ICP-P200"而言，当4吏用在10sccm 的气流下的10"mbar氮压力、和1000W的rf-功率时，在氮等离子中 的离子密度在位于电介质窗28下约10cm的衬底处仍可以超过 10Ucm—3。为了保持低的离子能量，有益的是，当使用大致低于 10"mbar的氮分压时，通过允许利用气体进口 22^f吏受控制的Ar气流 与氮气一起进入到真空室20内，来使总的气压保持固定在例如 10"mbar左右。作为在密集的等离子36中的反应种的有效激活和低能量离子对 衬底表面54的强烈轰击的结果，与MOCVD的典型的1000。C及更高 的衬底温度相比，可以显著降低衬底温度。由于典型衬底(蓝宝石、碳化硅或硅)的不同的热膨胀系数所造成的层裂紋的问题也有望被显 著减小。参考图3，表示了真空室20的一部分，其中，为了约束等离子 36并增加其密度和一致性，可选地，室配备有线圏或永磁体70。由 这些线圏或永磁体所产生的磁场有助于使等离子成形。即使在10—3~ 10-2特斯拉量级的弱电场也被认为足以获得有益效果。在本发明的优选实施方式中，对于外延氮化物半导体的生长根本 不使用反应性气体。附加的单元40a可以包含优选地以元素形式使用 的掺杂种，例如作为受主杂质的Mg、 Zn和类似金属。相似地，也可 以由附加单元40a提供作为施主的掺杂物，例如硅。这些发射器40a (泻流单元)也具有允许快速并完全地阻断杂质蒸汽的快速动作闸板 42。为了允许按比例缩放到300mm和可能更大的晶片，衬底支持体 54优选为硅。但是，本发明的新技术也可同等地用于对于现有技术所 采用的其他衬底。用于金属蒸发的泻流单元与密集的、低能量的适用于外延层淀积 的等离子的组合，已经在前面进行了说明。新的工艺被称为低能量等 离子增强汽相淀积(LEPEVPE) 。 LEPEVPE是在与其他已知工艺、 包括使用DC等离子放电和反应气相前体的LEPECVD完全不同的条 件下进行的工艺。在本发明的一个实施方式中，为了取消在内部与热金属的热反应 和在连接到淀积室的连接管中的扩散输送，蒸汽发射器300的区域被 差动抽吸(图6中的320)。在本发明的优选实施方式中，每种蒸发 金属使用了多于一个的蒸汽发射器40和40a (泻流单元)。每个单元 可以在不同的温度下工作，据此，通过从一个单元切换到另一个，可 以允许容易地快速改变生长速率或掺杂密度。在本发明的另一个实施方式中，对于那些优选以气体形式添加的 掺杂元素，附加的气体管线23用于将掺杂气体输入到淀积室。优选 将这些掺杂气体，诸如用于n型掺杂的硅烷，稀释到非反应性气体例 如氩中。通过对每种掺杂气体使用多于一个的气体管线，可以增加掺
杂的动态范围。在仅使用固体源型的蒸汽发射器40a用于掺杂的优选 实施方式中，该工艺无氢地工作。由于无氢工艺不需要利用热退火来 激活任何掺杂物，因此，本实施方式尤其适用于p掺杂的GaN层。 由于它不需要任何含碳的前体气体，因此，本发明的工艺是无碳的。在图1所示的本发明的优选实施方式中，衬底支持体54组件是 面向上方的。这种配置通常用于半导体工艺中，有利于晶片处理和淀 积组件或衬底固定器50的设计j艮据本发明，LEPEVPE的特征在于， 高密度、低能量等离子与衬底支持体54的表面直接接触。衬底支持 体54的表面处于低能量离子的强烈轰击下，该离子的能量可以通过 适当地选择衬底偏置来调整。这与使用典型的只传送原子团而在衬底 表面的离子密度低到可以忽略的远程等离子源的等离子处理方法有 显著不同。利用低能量离子的重衬底轰击已经显示出有助于在低于 500。C的衬底温度下以高于5nm/s的极高生长率来外延生长具有器件 质量的半导体层(例如见von K3nel等，Appl. Phys. Lett. 80， 2922 (2002)，在此引用其全部内容)。根据本发明，可以通过将现有晶片 处理工具(未图示)与LEPEVPE相结合而获得非常高的产量。根据本发明，装置10可以用于在特殊处理的单晶衬底54上生长 外延m-V半导体，特别是EI族氮化物。衬底54的可能的表面处理可 以包括现有技术的化学预洗；就地(in-situ)的热清洗或等离子清洗； 接着进行适合于随后的氮半导体生长的、诸如氧化物、碳化物或低温 氮化物之类外延模版的就地形成。参考图4，示出了本发明系统的装置10,在该装置中，衬底支持 体54安装在室内部21的朝下的衬底固定器50的台面上，生长材料 淀积在该衬底支持体54上。该配置的特征在于微粒污染物问题较少， 其代价是晶片处理系统和衬底固定器50的设计更为复杂。如上所述， 淀积室20可以配备有能够有助于对等离子进行成形的可选的线團或 永磁体，同样地可以具有竭流单元40等。参考图5，示出了本发明的另一个实施方式，其中安装在室20 内的淀积组件50上的衬底支持体54也是面向下方的。淀积室20可
以配备有有助于对等离子进行成形的可选的线團或永磁体(见图3)。 在本实施方式中，利用保持溅射靶62的水冷却溅射源60、，将 元素的金属蒸汽提供给等离子。优选地，在ICP源的电介质窗28周 围，设置同心环形或环段方式的溅射靶60。溅射靶通过电阻匹配盒 64与RF电源66相连接，据此，电源66提供交流电压，其频率优选 与用于对ICP线團30供电的发电机34所用的基本不同。这减小了在 两种电源34与66间的不期望的干扰。在本发明的另一个实施方式中， 溅射源60由DC电源供电。发现对典型的0.2xl(T2mbar m量级的压 力-距离积，到达衬底的溅射粒子的热能化近似完全，因此使得电子级 半导体材料可以利用濺射源来生长(例如见Sutter等，Appl. Phys. Lett. 67,3954 (1995)，在此引用其全部内容)。为了允许在淀积外延层之前进行溅射源60的清洗，室20可选地 可以配备有可移动的闸板组件82，该闸板组件82允许使闸板叶片80 接近衬底54并位于衬底54下方，从而避免在预溅射期间任何溅射粒 子到达衬底。在本发明的优选实施方式中，外延氮化物半导体生长不使用反应 性气体。附加的溅射靶60a可以包含优选地以元素形式使用的掺杂种， 诸如Mg、 Zn以及类似的作为受主杂质的金属。类似地，可以由附加 的溅射目标60a提供作为施主的杂质，例如硅。在本发明的另一个实 施方式中，为了避免各个靶60之间的交叉污染，每个溅射枪62可以 配备有可选的闸板(未图示)。在外延淀积期间，对施加于感应线圏30的射频电源和在室20 内的气体压力进行选择，使得被加热的村底54完全暴露在低能量等 离子下。典型地，室20内部的气体压力范围在1(rtl0"mbar之间， 更典型地，气体压力在10-2 10" mbar之间。在这种条件下，活性氮 和来自賊射枪62的金属蒸汽都利用在等离子中的扩散传播而移动， 而该工艺如上所述地进行。在本发明的另一个实施方式中，溅射枪62可以与泻流单元40 结合，据此，两个源优选地对称设置在电介质窗28周围。用来以元
素形式蒸发反应物和掺杂物的泻流单元和溅射枪与适合于外延层淀 积的密集低能量等离子的组合尚未被提出。在本发明的优选实施方式中，对每种蒸发金属，使用多于一个的单溅射枪62和泻流单元40。 每个源可以以传输不同流量的金属蒸汽的方式被操作，据此，可以通 过从一个源切换到另一个，容易地允许快速改变生长速率或掺杂密 度。在又一个实施方式中，泻流单元40和溅射枪62可以用电子束蒸 发器代替或补充。电子束蒸发器尤其适合在难以通过泻流单元40获 得有效流量的低蒸气压力下蒸发元素。参考图6，示出了本发明的另一个实施方式，其中、装置10包 括具有热离子阴极130、惰性气体入口 120和集成或分离的阳极110 的组件的大面积等离子源100。优选地，阴极130与阳极110之间的 电压差小于30V，以使得撞击衬底的离子具有小于约20V的能量。将 能够发射弧形等离子140的等离子源100附着到淀积室200上。具有 预栽室(load-lock) 220的淀积室净皮例如通过阀205与室200相连通 的涡轮分子真空泵210抽吸，并包含衬底加热器组件230。用于注入 诸如氮的惰性气体和诸如氢的其他气体的气体管线240与淀积室相连 接。等离子密度可以通过改变由线圏250所产生的约束磁场而改变。此外，该室配备有将诸如Ga、 In和Al等金属蒸汽化的泻流单 元300。附加的单元300可以包含诸如Mg、 Zn和作为受主杂质的类 似金属之类的优选以元素形式使用的掺杂种。泻流单元配备有允许完 全阻断金属蒸汽的闸板310。衬底400的加热器组件完全暴露在由等离子源的电弧放电产生 的低能量等离子下，并通过透过性阳极110扩展到淀积室内。电弧放 电由在等离子室200内部的热离子阴极130维持，并且可以在淀积室 内以从10"mbar到至少10" mbar的宽压力范围而被操作，最典型的 压力在l(T2mbar的压力范围内。流过淀积室的等离子激活的氮与金属 蒸汽反应，在衬底400上形成外延氮化物膜。泻流单元通常在超高真空下用于蒸汽化金属，例如在分子束外延 系统中。这里，它们用于将金属蒸汽引入到在约l(r2mbar的典型压力
下产生的高密度低能量等离子中，在该压力下传输是扩散性的。因此，与其他工艺相比，LEPEVPE是在完全不同的条件下进行的工艺。在 本发明的一个实施方式中，泻流单元300的区域被差动抽吸320，以 取消与内部的热金属的热反应和在与淀积室连接的电子管中的扩散 传输。在本发明的优选实施方式中，对每种蒸汽化的金属使用多于一个 的泻流单元300。每个单元可以在不同的温度下工作，据此，可以通 过从一个单元切换到另一个单元而容易地允许生长速率或掺杂密度 的快速改变。此外，通过改变由线圏250产生的磁场而获得的等离子 密度的改变，能够进一步提高生长速率的动态范围。在本发明的另一个实施方式中，对于那些优选以气体形式添加的 掺杂元素，附加气体管线240a用于将掺杂气体输入到淀积室。优选 将这些掺杂气体，诸如用于n型掺杂的硅烷，稀释到非反应性气体例 如氩中。通过对每种摻杂气体使用多于一个的气体管线，可以增加掺 杂的动态范围。由于不需要任何含碳的前体气体，因此，本发明的工艺是无碳的。 在优选实施方式中，该工艺也是无氬地工作的。由于无氩工艺不需要 利用热退火来激活任何掺杂物，因此，本实施方式尤其适用于p掺杂 的GaN层。由于LEPEVPE为等离子激活工艺，因此，它可以在比其中因外 延层和衬底的不同热膨胀系数而产生拉伸应力的其它竟争的技术更 低的衬底温度下进行，在从生长温度冷却时，上述拉伸应力经常引起 不希望的裂紋的形成。 附录A在此引用并依据以下文献美国专利文献6,472,30010/2002Nikolaev et al.6,706,1193/2004Tsvetkov et al.6,818,06111/2004Peczalski et al.5，633，1925/1997Moustakas et al6,454,8559/2002von Kanel et al.6,918,3527/2005von Kanel et al.5,580,42012/1996Watanabe et al.4,368,0921/1983Steinberg et al.4,948,4588/1990Ogle6,811,61111/2004Johnson5,788,7998/1998Steger et al.其它专利文献WO 2006/0008461/2006von Kanel et al.其它出版物J.D. Brown et al" "AlGaN/GaN HFETs fabricated on 100誦mm GaN on silicon(l 11) substrates", Solid-State Electronics, Vol. 46， No. 10 (October 2002) pp. 1535-1539.S. Nakamura, "InGaN-based laser diodes", Annual Reviews on Material Science, Vol. 28 (1998) pp. 125-152.S. Nakamura， "The roles of structural imperfections in InGaN-based blue light-emitting diodes and laser diodes", Science, Vol. 281 (14 August 1998) pp. 956-961.G.A. Smith etal" "341 nm emission from hydride vapor-phase epitaxy ultraviolet light-emitting diodes", Journal of Applied Physics, Vol. 95， No. 12 (15 June 2004) pp. 8247-8251.R. F. Davis et al" "Gallium nitride materials - progress, status, and potential roadblocks'Proceedings of the IEEE, Vol.卯,No. 6 (June 2002) pp. 993-1004.A. Dadgar et al" ''Metalorganic chemical vapor phase epitaxy of gallium-nitride on silicon", physica status solidi (c)， Vol. 0， No. 6 (September 2003) pp. 1583-1606.T. Wang et al" "Electron mobility exceeding 104 cmVVs in an AlGaN-GaN heterostructure grown on a sapphire substrate", Applied Physics Letters, Volume 74， No. 23 (7 June 1999) pp. 3531-3533.J. Biasing et al" "The origin of stress reduction by low-temperature A1N interlayers"， Applied Physics Letters, Vol. 81， No. 15 (7 October 2002) pp. 2722-2724.CR. Elsass， "Electron transport in AlGaN/GaN heterostructures grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 39， Part 2， No. IOB (15 October 2000) pp. L1023-L 1025.C. Rosenblad et al" "Silicon epitaxy by low-energy plasma enhanced chemical vapor deposition，，， Journal of Vacuum Science and Technology A, Vol. 16， No. 5 (Sept/Oct 1998), pp. 2785-2790.Heung-Sik Tae et al" "Low-temperature silicon homoepitaxy by ultrahigh vacuum electron cyclotron resonance chemical vapor deposition", Applied Physics Letters, Vol. 64， No. 8 (21 February 1994) pp. 1021-1023.CB. Vartuli et al" "ICl/Ar electron cyclotron resonance plasma etching of III画V nitrides", Applied Physics Letters, Vol. 69, No. 10 (2 September 1996), pp. 1426-1428.W.Z.Collisonetal""Studiesof the low-pressureinductively-coupled plasma etching for a larger wafer using plasma modeling and Langmuir probe", Jornal of Vacuum Science and Technology A， Vol. 16， No. 1 (Jan/Feb 1998), pp. 100-107.R. J. Shul et al" "Inductively coupled plasma etching of GaN"， Applied Physics Letters, Vol. 69，No. 8 (19 August 1996)， pp. 1119-1121.J. Hopwood, "Review of inductively coupled plasmas for plasma processing", Plasma Source Science and Technology, Vol. 1， No. 2 (May 1992) pp. 109-116.D. S. Green et ah, "Carbon doping of GaN with CBr4 in radio-frequency plasma-assisted molecular beam epitaxy", Journal of Applied Physics, Vol. 95, No. 12 (15 June 2004) pp. 8456- 8462.H. von Kanel, "Very high hole mobilities in modulation-doped Ge quantum wells grown by low-energy plasma enhanced chemical vapor deposition", Applied Physics Letters, Vol. 80， No. 16 (22 April 2002)， pp. 2922-2924.P. Sutter et al" "Quantum transport in sputtered, epitaxial Si/Sii.xGex heterostructures, Applied Physics Letters, Vol. 67， No. 26 (25 December 1995)， pp. 3954-3956.
权利要求
1.一种用于半导体外延的低能量等离子增强气相外延系统，该系统包括含有淀积区域、等离子源、具有气体入口的气体分配系统的淀积室；蒸汽化元素金属和金属合金的源组件；掺杂物源组件；衬底加热组件；可选的阳极；和用于在淀积室内产生磁场的可选的系统，其中，由等离子源所产生的等离子能够在淀积区域内产生密集的低能量等离子；气体分配系统、金属和掺杂物源被设置为使得能够及时并定量地在淀积区域内分配成分气体和蒸汽；衬底加热组件靠近淀积室内的衬底固定器，使得允许将衬底在希望的时间内加热到希望温度，并将所加热的衬底暴露于等离子下，以促进在衬底上的外延生长。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，等离子源是从能够提供 低能量离子的等离子源组中所选的任意一种，如电子回旋谐振(ECR) 等离子源、感应耦合等离子(ICP)源、或低压电弧放电源。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，元素金属以及金属合金 源是从能够释放高蒸汽流的源的组中选择的，如泻流单元、溅射源或 电子束蒸发器的。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，掺杂源是从能够释放低 掺杂剂流的源的组中选择的，如泻流单元、溅射源和电子束蒸发器的。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中，利用气体分配系统提供 给淀积区域的气体是从无毒、非反应性气体的组中选择的，如氩和氮。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中，提供给淀积室的气体是 从反应性气体的组中选择的，如氧和金属有机气体。
7. 根据权利要求1所述的系统，其中，在外延淀积过程中所维 持的压力在10"~1 mbar的范围内选择。
8. 根据权利要求1或2所述的系统，其中，等离子源是能够在 淀积区域内形成密集的低能量等离子的ECR源。
9. 根据权利要求1或2所述的系统，其中，等离子源是能够在 淀积区域内形成密集的低能量等离子的ICP源。
10. 根据权利要求l、 2或9所述的系统，其中，ICP源是能够 在淀积区域内形成密集的高能量等离子的螺线感应耦合器。
11. 根据权利要求1或2所述的系统，其中，等离子源为包含一 个或多个热离子阴极的直流等离子源；其中，等离子源内的阴极组件与可透过等离子的阳极相连通；且 密集的低能量等离子形成在淀积区域内。
12. 根据权利要求l、 2或11所述的系统，其中，直流等离子源 为大面积源，据此，提取等离子的区域由喷淋头构成，所述的喷淋头 与透过性阳极相连接，以在淀积区域形成一致的等离子密度。
13. 根据权利要求l、 3、 5或6所述的系统，其中，利用等离子 激活的惰性或反应性气体可以在淀积区域内与等离子激活的金属蒸 汽反应，由此在加热的衬底上形成外延模板层，该模板层的质量足以 用于随后的氮化物半导体层外延。
14. 根据权利要求l、 3或5所述的系统，其中，由等离子激活 的氮气可以在淀积区域内与等离子激活的、从含Ga、 In和Al的金属 组中所选择的金属蒸汽反应，从而在加热的衬底上形成外延半导体 层。
15. 根据权利要求1或4所述的系统，其中，掺杂物源包含从含 Si、 Mg、 Zn、 Be和Cd的元素组中所选择的元素。
16. 根据权利要求l、 4或15所述的系统，其中，掺杂源为泻流单元。
17. 根据权利要求l所述的系统，其中，在外延淀积期间所保持 的压力保持在1(T3 10-1 mbar范围内。
18. 根据权利要求1~4任何一个所述的系统，其中，设置附加 的泻流单元用于蒸发诸如Mg、 Zn、 Be和Cd的掺杂金属。
19. 根据权利要求l、 3或4所述的系统，其中，金属和掺杂物 源具有可以阻断金属和掺杂物蒸汽的流的闸板。
20. 根据权利要求1、或4~6的任何一个所述的系统，其中， 泻流单元被配置为被差动抽吸。
21. 根据权利要求1或4~6的任何一个所述的系统，其中，对 所使用的每种蒸汽化的金属设置多于一个的泻流单元；用于相同金属 的泻流单元适于在不同的温度下工作，以在操作中产生不同的金属蒸 汽流量。
22. 根据权利要求l所述的系统，其中，该系统适于将诸如以惰 性气体稀释的硅烷的掺杂气体进给到淀积室内。
23. 根据权利要求1所述的系统，其中，电弧电压小于30V，以 使撞击衬底的离子具有约小于20V的能量。
24. 根据权利要求l所述的系统，其中，设置有用于在衬底位置 上改变磁场强度的装置，从而能够快速改变在衬底上的等离子密度。
25. 根据权利要求1 10任何一个所述的系统，其中，设置有用 于周期地改变磁场方向的装置，以提高在衬底处的平均等离子一致 性。
26. 根据权利要求1所述的系统，其中，设置有用于保持淀积室 内的压力在10" 10"mbar之间、优选在10-2 10-1 mbar之间的装置。
27. —种具有村底的半导体，在该衬底上外延淀积了氮化物半导 体层用于在尺寸大至300mm的衬底上的无碳生长，所述半导体是使 用如权利要求1 ~ 12的任何一个所述的系统制造的。
28. —种包含无氢外延的氮层的半导体，该半导体是使用如权利 要求1 ~ 12的任何一个所述的系统制造的。
29. 根据权利要求28所述的包含外延氮化物层的半导体，该外 延氮化物层是在O.lnm/s ~ 10nm/s的生长速率下淀积的；该半导体是 使用如权利要求1 ~ 12的任何一个所述的系统制造的。
30. 根据权利要求28所述的包含外延氮化物层的半导体，该外 延氮化物层是在lnm/s ~ 10nm/s的生长速率下淀积的；该半导体是使 用如权利要求1~12的任何一个所述的系统制造的。
31. 根据权利要求28所述的半导体，该半导体包含掺杂的外延 氮化物层，该半导体是使用权利要求1 ~ 12的任何一个所述的系统制 造的。
32. 根据权利要求28所述的包含外延氮化物层的半导体，该外 延氮化物层是在低于1000。C的温度下淀积于衬底上的，该半导体是使 用权利要求1 ~ 12的任何一个所述的系统制造的。
33. 根据权利要求28所述的包含外延氮化物层的半导体，该外 延氮化物层是在低于800。C的温度下淀积于衬底上的，该半导体是使 用权利要求1 ~ 12的任何一个所述的系统制造的。
34. —种用于化合物半导体层的快速外延淀积的工艺，该工艺包 括以下步骤a. 提供权利要求1所述的装置；b. 在淀积室内蒸发一种或几种金属，其中，在淀积室内利用由 在分离的室中的热离子阴极组件所维持的电弧放电保持了密集的低 能量等离子；c. 使金属蒸汽与非金属性元素的高活性气体反应，以在浸入到 等离子中的加热的衬底上形成半导体层，来提供化合物半导体层的快 速外延淀积。
35. —种用于等离子增强气相外延的低能量、高密度等离子产生 装置，该装置包括真空淀积室，具有被设置为含等离子且接受并保持与等离子离子 连通的半导体衬底的室内部；低能量、高密度等离子发生器，被设置为与淀积室相连通以在室 内部产生并控制等离子；至少部分地被包含在室内部的淀积组件，该淀积组件与淀积室电 绝缘，具有衬底支持体的淀积组件适用于保持半导体衬底与在室内部 产生的等离子直接连通，并具有可控的热源以将半导体衬底加热到 UOO。C;气体提供系统，被设置为可控地将气体添加到室内部，并调整室 内部的气体压力和气体混合物，气体分配系统具有用于将气体添加到 室内部的至少一个进气口；抽吸系统，用于从室内部去除气体； 用于向室内部注入金属蒸汽的至少 一个金属蒸汽源； 用于向室内部注入掺杂剂的至少 一个摻杂剂源， 上述组合可工作以提供用于气相外延的低能量、高密度等离子装置。
36. —种用于低能量、高密度等离子增强气相单晶外延的工艺， 包括以下步骤提供权利要求35所述的装置；分别在适合的浓度和压力下，在装置的淀积室内，将从含镓、铝 和铟的金属的组中选择的金属蒸汽与作为N2气体的氮相混合；在该装置的淀积室内，将该金属蒸汽和N2气体暴露在低能量、 高密度的等离子下，并将N2气体激活为高反应性的原子Ni气体；在等离子下，将蒸汽金属与原子W气体相反应；在等离子中，在放置于等离子中的半导体支持衬底上形成并外延 金属氮化物层，以提供单晶氮化物半导体。
37. —种用于低能量、高密度等离子增强气相单晶外延的工艺， 包括以下步骤提供权利要求35所述的装置；分别在适合的浓度和压力下，在该装置的淀积室内，将蒸汽的镓 和作为N2气体的氮相混合；在该装置的淀积室内，将镓蒸汽和N2气体暴露在低能量、高密 度的等离子下，并将N2气体激活为高反应性的原子1^气体；在等离子下使蒸汽的镓和原子N,气体相互反应；在等离子中，在放置于等离子中的半导体支持衬底上形成并外延 氮化镓层，以提供单晶GaN半导体。
全文摘要
一种用于化合物半导体层的快速外延淀积的装置和工艺，包括用于等离子增强气相外延的低能量、高密度等离子发生装置。该工艺在一个步骤中提供了，在淀积室内组合一个或多个具有非金属元素的气体的金属蒸汽。然后在密集的低能量等离子中高度地激活气体。接下来，使金属蒸汽与高活性气体反应，并将反应生成物淀积在与浸入在等离子中的支持体相连通的被加热的衬底上。该工艺是无碳的，而且尤其适合在大面积硅衬底上，在大于10nm/s的生长速率和低于1000℃的衬底温度下的氮化物半导体的外延生长。该工序既不要求含碳的气体，也不要求释放氢的气体，无需有毒载体或反应性气体，因此是环保的。
文档编号C30B29/40GK101128911SQ200680006343
公开日2008年2月20日 申请日期2006年2月28日 优先权日2005年2月28日
发明者汉斯·范·卡伊奈尔 申请人:爱普斯碧德股份有限公司