CN103548116A - 用于预处理iii族氮化物沉积的方法 - Google Patents

用于预处理iii族氮化物沉积的方法 Download PDF

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Abstract

本公开内容的实施方式涉及用于预处理基板和III族氮化物层以制造诸如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）或功率电子器件之类的器件的方法。本公开内容的一个实施方式提供一种方法，包括以下步骤：提供一个或更多个具有含铝表面的基板至处理腔室中，及使一个或更多个具有含铝表面的基板中的每一个基板的表面暴露至预处理气体混合而形成预处理表面。预处理气体混合物包括氨（NH3）、卤化铝气体（例如AlCl3、AlCl）和含蚀刻剂气体，含蚀刻剂气体包括卤素气体（例如Cl2）或卤化氢气体（例如HCl）。

Description

用于预处理III族氮化物沉积的方法
相关申请
本申请要求享有于2011年5月20日申请的第61/488,673号美国临时专利申请案和于2012年5月10日申请的第13/469,048号美国专利申请案的权益，这两项专利申请案以引用方式并入本文中。
技术领域
本公开内容的实施方式涉及半导体器件的制造。更特别地，本公开内容的实施方式涉及预处理基板以制造III族氮化物半导体器件的方法。
背景技术
III族氮化物半导体在开发及制造各种半导体器件方面发现越来越重要，比如短波长发光二极管（LED）、激光二极管（LD）和包括高功率、高频、高温晶体管与集成电路的电子器件。发光二极管和激光二极管通过沉积III族氮化物至最常用的蓝宝石基板上来制造。可利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）、分子束外延（MBE）和/或物理气相沉积（PVD），沉积III族氮化物至含氧化铝的基板上，比如蓝宝石基板。
蓝宝石基板与III族氮化物间显著的晶格失配激发了常见的三个生长步骤的发展以在蓝宝石上获得高品质GaN层：在含NH3的大气中高温氮化蓝宝石表面、沉积低温缓冲层（或初始层或成核层）及生长高温低缺陷密度外延层。开发了使用低温GaN或AlN或高温AlN缓冲层的各种生长模型。缓冲（或初始或成核）层促进III族氮化物的二维（2D）生长。另一方面，直接高温沉积III族氮化物于蓝宝石表面上将导致三维（3D）生长。预期这样的3D生长会导致粗糙的III族氮化物表面和差的晶体品质。
获得高品质III族氮化物的另一方式是预处理具有含铝表面的基板（例如蓝宝石）。可在沉积III族氮化物之前，预处理具有含铝表面的基板，以产生低缺陷密度III族氮化物层，又不需沉积额外的缓冲层。处理具有含铝表面的基板（大多为蓝宝石）的传统方法包括以下步骤：使基板表面暴露在包括氨（NH3）和Cl2或HCl的预处理气体混合物中。Cl2或HCl蚀刻含铝基板的表面且产生氯化铝蒸汽，氯化铝蒸汽可与在处理工艺期间同时输送的氨反应。此化学反应的结果是在含铝基板的顶部发生三维氮化铝（AlN）和/或氮氧化铝（AlON）岛的再生长（沉积）。这些三维AlN和/或AlON岛的出现会加强后续III族氮化物沉积的横向生长，以致螺旋位错(threading dislocation)密度的降低。
然而，传统处理含氧化铝基板的方法无法分开基板蚀刻和AlN或AlON的沉积，以更好地最佳化（例如蓝宝石）。例如，增加Cl2或HCl的输送量将使基板蚀刻及AlN或AlON的沉积都加速。
发明内容
本公开内容的实施方式涉及预处理基板或/和III族氮化物层以制造诸如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）或功率电子器件之类的器件的方法。在本公开内容的一个实施方式中，所述方法包括以下步骤：在处理腔室中提供一个或更多个具有含铝表面的基板，且使一个或更多个具有含铝表面的基板中的每一基板的表面暴露至预处理气体混合物而形成预处理表面。在另一实施方式中，形成化合氮化物结构的方法包括以下步骤：使一个或更多个基板上的III族氮化物层的含铝表面暴露至预处理气体混合物而形成预处理表面。在又一实施方式中，形成化合氮化物结构的方法包括以下步骤：使一个或更多个具有含铝表面的基板的第一预处理表面暴露至第二预处理气体混合物而形成第二预处理表面。预处理气体混合物可包括氨气（NH3）、卤化铝气体（例如AlCl3、AlCl）和含蚀刻剂气体，含蚀刻剂气体包括卤素气体（例如Cl2）或卤化氢气体（例如HCl）。预处理过程可加强后续III族氮化物沉积的横向生长，进而导致后续沉积层中的螺旋位错密度的降低。预处理过程亦可减少或调整后续沉积层和最终器件结构中的应力。
附图说明
为了让本公开内容的上述特征能被更详细地理解，可参考实施方式产生上述简要概括的本发明的更具体的描述，这些实施方式的一些被图示在附图中。然而需注意的是附图仅示出本发明典型的实施方式，因此附图不应被视为对本发明的范围的限制，因为本发明可容许其他等效的实施方式。
图1A为根据本公开内容的一个实施方式的GaN基LED结构的示意性侧截面图。
图1B为根据本公开内容的一个实施方式的GaN基LED结构的示意性侧截面图。
图1C为根据本公开内容的一个实施方式的GaN基LD结构的示意性侧截面图。
图2为根据本公开内容的一个实施方式的用于预处理基板的方法流程图。
图3为根据本公开内容的一个实施方式的方法流程图。
图4为根据本公开内容的一个实施方式的方法流程图。
图5为根据本公开内容的一个实施方式的方法流程图。
图6为根据本公开内容的一个实施方式的方法流程图。
图7为根据本公开内容的一个实施方式的丛集工具（cluster tool）。
图8为根据本公开内容的一个实施方式的HVPE腔室的示意性截面图。
图9示出根据本公开内容的一个实施方式的功率器件的截面图。
为助于理解，尽可能使用相同的标记数字来表示各图中共用的相同元件。应理解某一实施方式所述的元件可有益地应用到其他实施方式中，而不再详述。
具体实施方式
本公开内容大体提供制造III族氮化物半导体器件的方法。在本公开内容的一个实施方式中，所述方法包括以下步骤：通过使具有含铝表面的基板的含铝表面暴露至预处理气体混合物来处理基板，预处理气体混合物包括氨、含蚀刻剂气体和卤化铝气体。含蚀刻剂气体包括卤素气体或卤化氢气体。在一些实施方式中，含蚀刻剂气体可选自由氯气（Cl2）、溴气（Br2）、碘气（I2）、氯化氢气体（HCl）、溴化氢气体（HBr）、碘化氢气体（HI）、上述物质的组合和上述物质的混合物所组成的群组。预处理气体混合物与含铝表面反应而在基板（例如蓝宝石）上形成氮化铝（AlN）层或形成区和/或在基板具有含氧表面的情形下在基板上形成氮氧化铝（AlON）层或形成区。AlON或AlN层能为后续III族氮化物沉积充当缓冲层（例如初始层、成核层）。此层被认为可促进III族氮化物的润湿性(wetting)和横向二维生长，还可减少或调整后续沉积层和最终器件结构中的层应力。预处理过程可加强后续III族氮化物沉积的横向生长，进而导致后续沉积层中的螺旋位错密度的降低。
在任何诸如HVPE、MOCVD、MBE和PVD之类的沉积技术前，能有益地使用氨、卤化铝气体、和卤素气体或卤化氢气体预处理含铝表面。
由于额外使用卤化铝气体（例如AlCl3、AlCl等），故本公开内容的实施方式具有优于传统预处理及一般氮化具有含铝表面的基板（例如蓝宝石基板）的优点。预处理具有含铝表面的基板（大多为蓝宝石）的传统方法包括以下步骤：使基板表面暴露至包括氨（NH3）和Cl2或HCl的预处理气体混合物。Cl2或HCl蚀刻具有含铝表面的基板表面并产生氯化铝蒸汽，氯化铝蒸汽能与同时输送的氨反应而在基板表面产生氮化铝（AlN）和/或氮氧化铝（AlON）。
蚀刻作用（例如最终再生长的AlN或AlON层的粗糙度）和沉积作用（例如AlN或AlON的再生长沉积速率）主要取决于蚀刻剂气体量。增加蚀刻剂气体输送量使基板蚀刻及AlN或AlON的沉积都加速。对于后续III族氮化物沉积，最佳处理工艺需有最佳基板蚀刻又有最佳AlN或AlON沉积。传统的预处理方案不可能分开这些工艺。额外的卤化铝气体量允许独立地控制这些过程。额外的金属卤化物气体量（例如AlCl3、AlCl等）可只加快AlN或AlON的沉积速率。如此可大幅缩短预处理时间及最小化蚀刻作用而获得最佳基板表面参数。因此改善的预处理工艺变得更稳定且具重复性。缩短预处理时间可大大减少有害副产物的形成。例如，传统上在沉积III族氮化物层至蓝宝石基板之前，使用HCl（或Cl2）和氨来预处理蓝宝石基板时，将形成氯化铵（NH4CI）副产物。氯化铵会升华成固体粉末且黏附于反应腔室、排放管线和真空泵的壁。氯化铵粉末亦会传送通过例如具有基板、载具或机器人的整个处理系统。通过大大减少有害副产物的形成，本公开内容的实施方式可增加产量及提高可应用的制造过程（比如制造LED和LD）的品质。
预处理前含铝表面的氮化将强烈影响预处理工艺结果。可根据蓝宝石氮化模型解释氮化作用。当在流入NH3并以介于600℃和1080℃之间的不同温度氮化蓝宝石表面时，Al、O和N的表面成分将有所变化。甚至在600℃氮化蓝宝石都可检测到氮，且氮成分随温度上升而增加，而氧则会减少。因此根据采用的温度，氮化引进了AlOxN1-x。氮化步骤的持续时间亦会影响表面成分。然而，预处理工艺期间，AlOxN1-x的蚀刻速率取决于表面成分。因此，不同的氮化蓝宝石的方案能强烈的影响预处理工艺的结果。
在一个实施方式中，氮化工艺结合使具有含铝表面的基板暴露至预处理气体混合物来进行。可通过使基板表面暴露至包括氨和载气的氮化气体混合物来进行氮化工艺。可在预处理工艺的前或后进行氮化过程或在预处理工艺的前和后都进行氮化过程。
在一个实施方式中，在预处理后形成III族氮化物层。III族氮化物层可为未掺杂氮化镓（uGaN）层或n型掺杂氮化镓（nGaN）层。在一个实施方式中，预处理工艺进一步包括缓冲层（或初始层或成核层）形成工艺。缓冲层可为氮化铝（AlN）层或氮化镓（GaN）层或氮化铝镓（AlGaN）层。在另一实施方式中，在通过流入氨气和III族金属卤化物前驱物（比如氯化铝或/和氯化镓）以进行预处理后，形成III族氮化物缓冲层。
图1A为根据一个实施方式的在预处理基板104上制造的常见氮化镓基LED结构100的示意性侧截面视图。具有含铝表面的基板104可由固体氧化铝形成，比如单晶蓝宝石基板。基板104亦可为具有含铝表面的复合基板，比如包括AlN层和蓝宝石基板的AlN模板。任何众所周知的方法（比如掩模和蚀刻）可用于由平面基板形成特征结构而制造图案化基板。在特定的实施方式中，图案化基板是图案化蓝宝石基板（PSS）。图案化蓝宝石基板可十分适合用于制造LED，因为这些基板可提高光提取效率，这在制造新一代固态发光器件中是有用的。任何众所周知的掩模（例如Si3N4掩模、SiO2掩模）可部分地覆盖具有含铝表面的基板以使后续III族氮化物横向附晶生长(overgrowth)。
在本公开内容的一个实施方式中，预处理气体混合物包括卤化氢气体（例如HCl）、卤化铝气体（例如AlCl3、AlCl）和氨。
u-GaN（未掺杂GaN）层114接着沉积于基板104的预处理表面上。n-GaN（n型掺杂GaN）层116接着沉积于u-GaN层114上。可通过HVPE工艺或MOCVD工艺形成层114与116。在一个实施方式中，可在较高温度下沉积层114与116，例如在约1050℃下。层114与116的组合比较厚，沉积厚度为3至7μm数量级。在一个实施方式中，层114与116的组合可达到10至15μm。
氮化铟镓（InGaN）多重量子井（MQW）层120接着沉积于n-GaN层116上。InGaN MQW层120的厚度可为约
Figure BDA0000417268670000061
（埃），且在约700℃至约800℃下形成。
p-AlGaN（p型掺杂AlGaN）层124可沉积于多重量子井层120上。p-AlGaN层124的厚度可为约
Figure BDA0000417268670000062
且在约900℃至约1000℃下形成。
p-GaN（p型掺杂GaN）接触层128接着可沉积于p-AlGaN层124上。p-GaN接触层128的厚度可为约0.4μm，且在约1000℃至约1100℃下形成。
在另一实施方式中，如图1B所示，形成于基板105上的LED结构100包括含铝缓冲层112，在后续沉积u-GaN层114之前，先预处理缓冲层112。可通过HVPE工艺或MOCVD工艺形成缓冲层112。在本公开内容的一个实施方式中，缓冲层112为预处理的氮化铝（AlN）缓冲层。典型的低温氮化铝（AlN）缓冲层112的厚度为约50nm至约150nm，且可在约450℃至约650℃下沉积。在这个实施方式中，可采用任何众所周知的用于后续III族氮化物沉积的基板（例如蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝）。
图1C为根据一个实施方式的GaN基LD结构150的示意性侧截面视图，该GaN基LD结构150形成于含铝基板106上。含铝基板106可类似于图1A中的含铝基板104。基板106可由诸如蓝宝石之类的固体氧化铝形成。基板106亦可为具有含氧化铝表面以于其上制造化合氮化物结构的复合基板或任何含铝基板。
在一个实施方式中，在氮化工艺和预处理工艺后，LD（或LED）结构150形成于基板106上。当基板106达恒定温度后，可通过使基板106暴露至包括氨与载气的氮化气体混合物来进行氮化过程。当基板106达恒定温度后，可通过使基板106暴露至预处理气体混合物来进行预处理工艺。在一个实施方式中，预处理工艺包括当加热基板达高温后，使基板、初始层、缓冲层或其他层暴露至预处理气体混合物。
LD结构150是形成于基板106上的III族氮化物层的堆叠。LD结构150始于未掺杂GaN层151和n型GaN接触层152。LD结构150进一步包括n型包覆层(cladding layer)154。包覆层154可包括AlGaN。未掺杂引导层156形成在包覆层154上。引导层156可包括InGaN。具有多重量子井（MQW）结构的有源层158形成在引导层156上。未掺杂引导层160形成在有源层158上。p型电子阻挡层162形成在未掺杂引导层160上。p型GaN接触层164形成在p型电子阻挡层162上。
图2为根据本公开内容的一个实施方式的用于处理基板的方法200的流程图。在方块210中，将一个或更多个具有含铝表面的基板装载到处理腔室中。在一个实施方式中，具有含铝表面的基板可为蓝宝石基板。在一个实施方式中，基板可被布置于基板载具上且被移送到处理腔室内。基板载具通常适于在处理期间支撑基板。基板载具616（图8）可包括一个或更多个凹槽，在处理期间，一个或更多个基板可被布置在凹槽内。基板载具可承载六个或更多个基板。在一个实施方式中，基板载具承载八个基板。应理解的是基板载具可承载更多个或更少个基板。基板的直径尺寸可在50mm至100mm之间变动或更大，而基板载具的直径尺寸可在200mm至500mm之间变动。基板载具616可由各种材料形成，包括SiC或包覆SiC的石墨。
在方块220中，在处理腔室中可加热一个或更多个具有含铝表面的基板，同时输送载气至处理腔室的处理区域（沉积区）。载气可包括氮气（N2）、诸如氩（Ar）或氦（He）之类的惰性气体或上述物质的组合。在一个实施方式中，基板达到氮化温度后，就对一个或更多个具有含铝表面的基板进行氮化工艺。在一个实施方式中，氮化工艺可通过向处理腔室内流入氮化气体混合物来进行。在一个实施方式中，氮化气体混合物包括氨和载气。在一个实施方式中，载气包括氮气（N2）。氮化温度可在约900℃和约1100℃之间。氨的流量可在约1SLM（每分钟标准升）和约22SLM之间。在一个示例中，氮化工艺可通过流入氮化气体混合物约10分钟，同时使基板维持在约1050℃来进行。氮化过程可占用额外的时间，比如10分钟的量级，以使温度能够坡升（ramp up）或坡降（ramp down）。在一个实施方式中，根据处理腔室的硬件，温度坡升速率可为约1℃/秒至约5℃/秒或其他坡升速率。在另一实施方式中，可在温度坡升时间或坡降时间期间，输送氮化气体至处理腔室内。
在方块230中，当基板表面达预处理温度时，使一个或更多个基板暴露至预处理气体混合物来预处理，以能够于预处理基板上形成高品质III族氮化物层（在方块240中）。在一个实施方式中，预处理工艺可在约500℃至约1200℃之间的温度范围下进行。在一个实施方式中，预处理工艺可在约900℃和约1000℃之间的温度下进行。在一个示例中，预处理工艺温度可高于约1150℃。
在一个实施方式中，预处理气体混合物包括氨气、卤化铝气体和诸如卤化氢（例如氯化氢（HCl））气体之类的含蚀刻剂气体。气体混合物可蚀刻（或与之反应）基板表面，并于含铝基板的表面形成氮化铝（AlN）层（或区）和/或（在含氧表面（例如蓝宝石表面）的情形下）氮氧化铝（AlON）层（或区）。在一个实施方式中，使一个或更多个具有含铝表面的基板暴露至预处理气体混合物包括以下步骤：以在约500sccm（每分钟标准毫升）至约12000sccm之间的流量流入氨气、以在约200sccm至约2200sccm之间的流量流入HCl气体及以在约3sccm至约150sccm之间的流量流入卤化铝气体（例如AlCl3、AlCl）。卤化铝气体容许在预处理期间独立地控制蚀刻与沉积。在一个实施方式中，预处理可进行约0.5分钟至约20分钟。
在方块240中，III族氮化物层形成在含铝基板的处理表面上。可通过HVPE工艺、MOCVD工艺、CVD工艺或PVD工艺形成III族氮化物层。在一个实施方式中，可通过提供III族金属与含氮前驱物流至处理腔室，且使用热工艺来实现沉积而沉积III族氮化物层。在一个示例中，III族金属前驱物可为下面论述的金属卤化物前驱气体。在一个实施方式中，III族氮化物层在进行预处理的同一腔室中形成。在另一实施方式中，III族氮化物层可在和进行氮化工艺和预处理的处理腔室不同的处理腔室中形成。
在一个实施方式中，于方块240的工艺期间，通过HVPE工艺形成GaN层。在一个实施方式中，HVPE工艺包括在约550℃至约1100℃之间的温度下，使含镓前驱物和含氮前驱物流过一个或更多个基板。在一个实施方式中，HVPE工艺包括在约950℃至约1100℃之间的温度下，使含氯化镓前驱物和含氮前驱物流过一个或更多个基板。在一个实施方式中，通过将氯气（Cl2）以在约20sccm至约250sccm之间的流量流过温度维持在500℃至约1000℃之间的液态镓，可产生含镓前驱物。在一个实施方式中，通过将氯化氢（HCl）气体以在约40sccm至约500sccm之间的流量流过温度维持在500℃至约1000℃之间的液态镓，可产生含镓前驱物。GaN的生长速率在约0.3微米/小时至约150微米/小时之间。在一个实施方式中，于方块240的工艺期间，可通过HVPE工艺形成AlN层。在一个实施方式中，HVPE工艺包括在约550℃至约1300℃的温度下，将含铝前驱物和含氮前驱物流过一个或更多个基板。沉积工艺期间，腔室压力可维持在约10Torr（托耳）至约760Torr之间，比如在约70Torr和约550Torr之间，例如约450Torr，且腔室壁的温度维持在或高于约400℃。氮源可为流量在约1SLM至约20SLM之间的氨。在另一实施方式中，氮源可为源自含氮材料的远程等离子体的一种或更多种活性氮物种，该含氮材料比如为氮气（N2）、一氧化二氮（N2O）、氨（NH3）、联氨（N2H4）、二酰亚胺（N2H2）、叠氮酸（HN3）和类似物。当使用“氢化物气相外延（HVPE）”一词来描述这里描述的沉积工艺类型时，这里描述的工艺于沉积工艺期间通常使用金属氯化物气体（例如GaCl、GaCl3、AlCl、AlCl3、InCl3）代替含氢化物气体（例如NH3），因此这个用词不意味着限定在此描述的本发明的实施方式的范围。
图8为根据一个实施方式的HVPE设备600的示意性截面图，使用在此描述的工艺，HVPE设备600能被用来沉积形成III族氮化物层（例如GaN、AlN、AlGaN、AlON）。HVPE设备600包括腔室602，腔室602被盖604封住。腔室602和盖604界定处理区域（沉积区）607。喷淋头606被布置于处理区域607的上面区域。基座614相对喷淋头606布置于处理区域607中。基座614被配置以在处理期间支撑多个在基座614上的基板615。在一个实施方式中，基板615放在基板载具616上，基座614支撑基板载具616。基座614可通过电机680转动，且可由各种材料形成，包括SiC或包覆SiC的石墨。
在一个实施方式中，HVPE设备600包括加热组件628，加热组件628被配置以加热基座614上的基板615。在一个实施方式中，腔室底部602a由石英形成，且加热组件628是布置在腔室底部602a下方的灯具组件，以穿过石英腔室底部602a加热基板615。在一个实施方式中，加热组件628包括灯具阵列，灯具被分配以提供均匀的温度分布遍及基板、基板载具和/或基座。
HVPE设备600进一步包括前驱物供应管道622、624，管道622、624布置于腔室602的侧壁608的内部。管道622、624与处理区域607和前驱物源模块632的入口管621流体连通。喷淋头606与处理区域607和第一气源610流体连通。处理区域607通过出口626与排放装置651流体连通。
HVPE设备600进一步包括加热器630，加热器630埋设在腔室602的壁608内。在沉积工艺期间，如果需要，埋设在壁608内的加热器630可提供额外的热量。热电耦可用于量测处理腔室内的温度。热电耦的输出可反馈至控制器641，控制器641根据热电耦（未图示）的读数，通过调整输送到加热器630（例如电阻式加热元件）的功率，来控制腔室602的壁的温度。例如，若腔室太冷，则启动加热器630。若腔室太热，则关闭加热器630。此外，可控制加热器630提供的热量，以最小化加热器630提供的热量。
来自第一气源610的处理气体通过气体分配喷淋头606输送到处理区域607中。在一个实施方式中，第一气源610可包括含氮化合物。在一个实施方式中，第一气源610被配置以输送包括氨或氮的气体。在一个实施方式中，也可通过气体分配喷淋头606或通过布置于腔室602的壁608的管道624引入惰性气体，比如氦或双原子氮。在一个实施方式中，可通过布置于腔室602的壁608的管道624引入含蚀刻剂气体（例如卤素气体、卤化氢气体）。能源612可布置在第一气源610与气体分配喷淋头606之间。在一个实施方式中，能源612可包括加热器或远程射频（RF）等离子体源。能源612可向从第一气源610输送的气体提供能量，以形成自由基或离子，使含氮气体中的氮更具反应性。
源模块632包括连接至源船（source boat）的井634A的卤素或卤化氢气源618和连接至井634A的惰性气体源634。诸如铝、镓或铟之类的源材料623被布置于井634A中。热源620围绕源船。入口管621通过管道622、624将井634A连接至处理区域607。
在一个实施方式中，在处理期间，卤素气体（例如Cl2、Br2或I2）从卤素气源618输送到源船的井634A中而产生金属卤化物前驱物气体。在一个实施方式中，在处理期间，卤化氢气体（例如HCl、HBr或HI）从卤化氢气源618输送到源船的井634A中而产生金属卤化物前驱物气体。卤素气体或卤化氢气体与固体或液体源材料623的相互作用容许形成金属卤化物前驱物。在一个实施方式中，金属卤化物气体是III族金属卤化物气体，比如氯化镓（例如GaCl、GaCl3）、氯化铟（例如InCl3）或氯化铝（例如AlCl3、AlCl）。源船可被热源620加热以加热源材料623进而容许金属卤化物前驱物形成。金属卤化物前驱物接着通过入口管621输送到HVPE设备600的处理区域607。在一个实施方式中，从惰性气体源634输送的惰性气体（例如Ar、He、N2）用于承载或推动井634A中形成的金属卤化物前驱物通过入口管621和管道622、624而到达HVPE设备600的处理区域607。含氮前驱物气体（例如NH3、N2）可通过喷淋头606引入处理区域607，同时也提供金属卤化物前驱物至处理区域607，以使在布置于处理区域607中的基板615的表面上形成金属氮化物层。
图3为根据本公开内容的一个实施方式的方法300的流程图。除了使基板的预处理表面暴露至第二预处理气体混合物外，方法300类似于方法200。
在方块310中，将一个或更多个具有含铝表面的基板装载到处理腔室中。在一个示例中，处理腔室类似于上述HVPE设备600。在一个实施方式中，具有含铝表面的基板是蓝宝石基板。
在方块320中，类似于在方法200的方块220中所进行的工艺，可对一个或更多个具有含铝表面的基板进行氮化工艺。
在方块330中，当表面达预处理温度时，使一个或更多个基板的表面暴露至第一预处理气体混合物，以形成第一预处理表面。第一预处理气体混合物可包括氨气、卤化铝气体和含蚀刻剂气体，含蚀刻剂气体比如含卤素气体，含卤素气体可为卤化氢气体或可不含氢。含卤素气体可选自由氟气（F2）、氯气（Cl2）、溴气（Br2）、碘气（I2）、氟化氢（HF）、氯化氢气体（HCl），溴化氢气体（HBr）、碘化氢气体（HI）、上述物质的组合和上述物质的混合物所组成的群组。
在一个实施方式中，使一个或更多个具有含铝表面的基板暴露至预处理气体混合物包括以在约500sccm至约12000sccm之间的流量流入氨气、以在约100sccm至约1200sccm之间的流量流入Cl2气体及以在约3sccm至约150sccm之间的流量流入卤化铝气体（例如AlCl3、AlCl、AlBr3、AlBr）。卤化铝气体容许在预处理期间独立控制蚀刻与沉积。预处理可进行约0.5分钟至约30分钟。
在方块335中，在第一预处理之后，当表面达预处理温度时，使一个或更多个基板的第一预处理表面暴露至第二预处理气体混合物，以形成第二预处理表面。第二预处理气体混合物可包括氨气、含蚀刻剂气体（比如含卤素气体）和卤化铝气体。含蚀刻剂气体包括卤素气体或卤化氢气体。在一些实施方式中，含蚀刻剂气体可选自由氯气（Cl2）、溴气（Br2）、碘气（I2）、氯化氢气体（HCl）、溴化氢气体（HBr）、碘化氢气体（HI）、上述物质的组合和上述物质的混合物所组成的群组。第二预处理气体混合物可与第一预处理气体混合物相同或不同。第二预处理用的工艺参数（例如温度、腔室压力、活性反应物的浓度）可与第一预处理用的工艺参数相同或不同。可在一个或更多个具有含铝表面的基板上选择性地进行氮化工艺。在氮化期间，可加热一个或更多个具有含铝表面的基板到达在约850℃至约1100℃之间的温度，同时让氮化气体混合物流入处理腔室约5分钟至约15分钟。
在方块340中，类似于方法200的方块240中的III族氮化物层形成工艺，III族氮化物层形成于含铝基板的第二处理表面上。
图4为示出根据本公开内容的一个实施方式的方法400的工艺流程图。方法400揭示在形成用于LED、LD或功率结构的高品质III族氮化物层（例如GaN）之前，处理一个或更多个基板。方法400包括以下步骤：氮化工艺、在一个或更多个基板上形成第一III族氮化物层、预处理第一III族氮化物层的表面和在第一III族氮化物层的预处理表面上形成第二III族氮化物层。
在方块410中，将一个或更多个基板（例如Al2O3、Si、SiC）装载到处理腔室中。在一个示例中，处理腔室类似于以上描述的HVPE设备600。
在方块420中，利用类似于在方法200的方块220中描述的氮化工艺的工艺，氮化一个或更多个基板。
在方块436中，接着在一个或更多个基板上形成具有含铝表面的第一III族氮化物层。第一III族氮化物层可包括氮化铝（AlN）或氮氧化铝（AlON）或氮化铝镓（AlGaN）。在一个实施方式中，第一III族氮化物层是III族氮化物缓冲层（例如初始层、成核层）。
在一个实施方式中，第一III族氮化物层包括AlN，AlN通过HVPE使用氨作为氮源和卤化铝气体形成，卤化铝气体通过使含卤素气体在铝金属源之上流过而产生。例如，可利用图8中所示的HVPE设备600来形成第一III族氮化物层。可通过产生金属卤化物前驱物，比如氯化铝前驱物，并且流入金属卤化物前驱物和氨气至处理腔室602中的处理区域607，同时使一个或更多个基板维持在约550℃至约1050℃之间的温度，来形成第一III族氮化物层。在一个实施方式中，氯化铝前驱物通过使流量在约20sccm至约150sccm之间的氯气（Cl2）流过温度维持在约350℃至约650℃之间的固体铝而产生。在一个实施方式中，氯化铝前驱物通过使流量在约40sccm至约300sccm的氯化氢气体（HCl）流过温度维持在约350℃至约650℃之间的固体铝而产生。在一个实施方式中，铝源材料维持在约450℃至约650℃之间。可通过产生金属卤化物前驱物，比如氯化铝前驱物，并且流入金属卤化物前驱物、含氮前驱物气体和HCl（或Cl2）至处理腔室602中的处理区域607，同时使一个或更多个基板维持在约550℃至约1050℃之间的温度，来形成第一III族氮化物层。
在一个实施方式中，氮源可为氨。在另一实施方式中，氮源可为源自含氮材料的远程等离子体的一种或更多种活性氮物种，该含氮材料比如为氮气（N2）、一氧化二氮（N2O）、氨（NH3）、联氨（N2H4）、二酰亚胺（N2H2）、叠氮酸（HN3）和类似物。在一个实施方式中，氮源的流量可为在约1000sccm至约22000sccm之间。
在方块438中，类似于在方法300的方块330所进行的预处理，当表面达预处理温度时，使一个或更多个基板上的第一III族氮化物层的表面暴露至预处理气体混合物，以形成预处理表面。预处理气体混合物可包括氨气、含蚀刻剂气体和卤化铝气体。含蚀刻剂气体包括卤素气体或卤化氢气体。
在一些实施方式中，预处理气体混合物可包括氨气、卤化铝气体和含卤素气体，含卤素气体可为卤化氢气体或可不含氢。含卤素气体可选自由氟气（F2）、氯气（Cl2）、溴气（Br2）、碘气（I2）、氟化氢（HF）、氯化氢气体（HCl）、溴化氢气体（HBr）、碘化氢气体（HI）、上述物质的组合和上述物质的混合物所组成的群组。
在一个实施方式中，预处理工艺可在约500℃至约1200℃之间的温度范围下进行。
在方块440中，类似于方法200的方块240中的III族氮化物层的形成工艺，第二III族氮化物层形成于第一III族氮化物层的预处理表面上。在一个实施方式中，第二III族氮化物层可通过流入氯化镓前驱物和氮源至处理腔室，同时加热一个或更多个基板达在约550℃至约1100℃之间的温度而形成。在一个实施方式中，第二III族氮化物层可通过流入氯化镓前驱物和氮源至处理腔室，同时加热一个或更多个基板达在约950℃和约1100℃之间的温度而形成。在一个示例中，温度维持在约1050℃。在一个实施方式中，氯化镓前驱物通过使流量在约5sccm至约300sccm之间的氯气流过镓且镓维持在约550℃至约1000℃之间的温度而产生。在一个实施方式中，氯化镓前驱物通过使流量在约5sccm至约300sccm之间的氯化氢气体流过镓且镓维持在约550℃至约1000℃之间的温度而产生。
图5为示出根据本公开内容的一个实施方式的方法500的工艺流程图。方法500揭示在形成III族氮化物膜（例如GaN、AlGaN）之前，对一个或更多个具有含铝表面的基板的处理。方法500包括以下步骤：氮化工艺、预处理、在一个或更多个基板上形成缓冲层及在形成III族氮化物膜之前，进行另一预处理。
在方块510中，把一个或更多个基板放在处理腔室中。在一个示例中，处理腔室类似于以上描述的HVPE设备600。
在方块520中，利用类似于在方法200的方块220中描述的氮化工艺的工艺，氮化一个或更多个基板。
在方块530中，在高温下使一个或更多个基板暴露至预处理气体混合物，以进行预处理而能够于基板上形成高品质III族氮化物膜。预处理气体混合物可包括氨、卤化铝前驱物（例如AlCl3、AlCl）、和卤素气体或卤化氢气体。
在方块536中，缓冲层接着形成在预处理的基板上。缓冲层可包括氮化铝（AlN）和/或氮氧化铝（AlON）或氮化镓。在一个实施方式中，缓冲层由以上述方法400的方块436描述的工艺之一形成。
在一个实施方式中，在方块538中，在高温下使一个或更多个基板的缓冲层暴露至选择性的预处理气体混合物，以进行预处理而于基板上形成高品质III族氮化物膜。在一个实施方式中，预处理工艺可在约500℃至约1200℃之间的温度范围下进行。
预处理气体混合物可包括氨、金属卤化物前驱物（例如卤化铝前驱物）和卤素气体或卤化氢气体。预处理气体混合物可包括氨、金属卤化物前驱物（例如卤化铝前驱物）和HCl。
在方块540中，类似于方法200的方块240中的III族氮化物膜形成工艺，III族氮化物膜形成于基板的缓冲层的处理表面上。
图6为示出根据本公开内容的一个实施方式的方法700的工艺流程图。方法700揭示在形成III族氮化物层（例如GaN、AlGaN、AlN）之前，对一个或更多个具有含铝表面的基板的处理。方法700包括以下步骤：氮化工艺、预处理、在一个或更多个具有含铝表面的基板上形成第一III族氮化物层和在形成第二III族氮化物层之前的另一预处理。
在方块710中，把一个或更多个具有含铝表面的基板放到处理腔室中。在一个示例中，处理腔室类似于以上描述的HVPE设备600。
在方块720中，利用类似于在方法200的方块220中描述的氮化工艺的工艺，氮化一个或更多个具有含铝表面的基板。
在方块730中，类似于在方法300的方块330所进行的预处理，当表面达预处理温度时，使一个或更多个基板的表面暴露至第一预处理气体混合物，以形成第一预处理表面。
在方块735中，通过使第一预处理表面暴露至氮化气体混合物，于第一预处理表面上接着进行选择性的氮化工艺。该氮化工艺可类似于在方法200的方块220所描述的氮化工艺。
在方块736中，第一III族氮化物层接着形成于第一预处理表面上。该层可用类似于在方法400的方块436所描述方式形成。
在方块738中，类似于在方法400的方块438所进行的预处理，当表面达预处理温度时，使第一III族氮化物层的表面暴露至预处理气体混合物，以形成预处理表面。在一个实施方式中，预处理工艺可在约500℃至约1200℃之间的温度范围下进行。卤化铝气体容许在预处理期间独立地控制蚀刻及沉积。
在方块740中，第二III族氮化物层形成于第一III族氮化物层的预处理表面上。
如上所述，根据本公开内容的实施方式描述的方法可在单一腔室中进行或在丛集工具的两个或更多个更换(change)中进行。
在一个实施方式中，当方法的工艺在单一腔室中进行时，氨和/或惰性气体（例如N2、Ar、He）可在像温度坡升、温度坡降、氮化工艺这样的工艺步骤期间不断地流入处理腔室。在温度坡升和温度坡降期间，氨以在约3000sccm至约9000sccm之间的流量流入处理腔室。
应注意的是，在处理期间，可用惰性气体稀释以上描述的与本公开内容的实施方式相关的活性气体，比如III族金属前驱物、金属卤化物气体、卤素气体、氨气、氯气、HCl气体。适合的惰性气体可为氩（Ar）、氦（He）、氮（N2）或上述物质的组合。在上述清洁、预处理、氮化及沉积期间，处理腔室内的压力可在约10Torr至约760Torr之间。
在另一实施方式中，一个或更多个基板可先在腔室中处理，然后移到工具内的不同腔室用于后续处理。图7为丛集工具900，丛集工具900可用于根据本公开内容的一个实施方式的工艺中。丛集工具900被配置以形成氮化物化合物(nitride compound)结构。
在一个实施方式中，丛集工具900包括一个HVPE腔室902和多个MOCVD腔室903a和903b，腔室902、903a、903b连接至移送腔室906，用以制造根据在此描述的实施方式的化合氮化物(compound nitride)半导体器件。尽管示出一个HVPE腔室902和两个MOCVD腔室903a和903b，然而应理解的是一个或更多个MOCVD腔室与一个或更多个HVPE腔室的任何组合都可与移送腔室906耦接。例如，在一个实施方式中，丛集工具900可包括3个MOCVD腔室。在另一实施方式中，在此描述的工艺可在单一MOCVD腔室中进行。还应当理解的是虽然示出丛集工具，但亦可利用线性处理系统进行在此描述的实施方式。
在一个实施方式中，额外的腔室904与移送腔室906耦接。额外的腔室904可为MOCVD腔室、HVPE腔室、度量(metrology)腔室、除气(degassing)腔室、定位(orientation)腔室、冷却腔室、预处理/预清洁腔室、后退火腔室或类似腔室。在一个实施方式中，移送腔室906呈六面和六角形且有六个位置用于装配处理腔室。在另一实施方式中，移送腔室906可具有其他形状，且具有五、七、八或更多面，且带有相应数目的处理腔室装配位置。
HVPE腔室902适于进行HVPE工艺，其中气态金属卤化物被用于外延生长化合氮化物半导体材料厚层至加热基板上。HVPE腔室902包括腔室主体914（基板置于腔室主体914内以进行处理）、化学品输送模块918（气体前驱物从模块918输送到腔室主体914）和电气模块922，电气模块922包括用于丛集工具900的HVPE腔室的电气系统。在一个实施方式中，HVPE腔室902可类似于图8所述的HVPE设备600。
MOCVD腔室903a、903b各自包括腔室主体912a、912b（主体912a、912b形成让基板放置于内以进行处理的处理区域）、化学品输送模块916a、916b（诸如前驱物、净化气体和清洁气体之类的气体从模块916a、916b输送到腔室主体912a、912b）和用于每个MOCVD腔室903a、903b的电气模块920a、920b，模块920a、920b包括用于丛集工具900的每个MOCVD腔室的电气系统。每个MOCVD腔室903a、903b适于进行CVD工艺，其中金属有机前驱物（例如TMG、TMA）与金属卤化物成分反应以形成化合氮化物半导体材料薄层。
丛集工具900进一步包括设在移送腔室906内的机器人组件907、与移送腔室906耦接的负载锁定件(load lock)腔室908、用于储存基板并与移送腔室906耦接的批式(batch)负载锁定件腔室909。丛集工具900进一步包括装载站910，装载站910用于装载基板且与负载锁定件腔室908耦接。机器人组件907可操作以在负载锁定件腔室908、批式负载锁定件腔室909、HVPE腔室902和MOCVD腔室903a、903b之间拾起并移送基板。在一个实施方式中，装载站910为自动装载站，该装载站被配置以将基板从卡匣(cassette)装载至基板载具或直接至负载锁定件腔室908，并从基板载具或从负载锁定件腔室908卸载基板至卡匣。
在工艺期间，移送腔室906可维持在真空下和/或在小于大气的压力下。可调整移送腔室906的真空度，以匹配对应的处理腔室的真空度。在一个实施方式中，移送腔室906维持含有大于90%N2的环境来移送基板。在另一实施方式中，移送腔室906维持高纯度NH3的环境来移送基板。在一个实施方式中，基板在含有大于90%NH3的环境中移送。在又一实施方式中，移送腔室906维持高纯度H2的环境来移送基板。在一个实施方式中，基板在含有大于90%H2的环境中移送。
丛集工具900进一步包括系统控制器960，系统控制器960控制动作和操作参数。系统控制器960包括计算机处理器和耦接至处理器的计算机可读存储器。处理器执行系统控制软件，比如储存于存储器中的计算机程序。
在一个实施方式中，处理腔室902、903a、903b或904之一被配置以在形成器件结构之前，根据以上描述的方法清洁及预处理基板。接着将已清洁及处理的基板移送到一个或更多个沉积腔室，以沉积用于形成LED或LD结构的各层。在一个实施方式中，在HVPE处理腔室902中，可清洁、预处理、氮化和/或用III族氮化物层（例如AlN缓冲层、未掺杂GaN层、n型掺杂GaN层）覆盖基板，然后把基板移到MOCVD处理腔室903a或/和903b，以形成用于器件结构的III族氮化物层（n型掺杂GaN层、AlGaN层、MQW结构、p型掺杂AlGaN层、p型掺杂GaN层）。在另一实施方式中，在HVPE处理腔室902中，可预处理基板，接着把基板移到MOCVD处理腔室903a或/和903b，以形成器件结构的后续层。
图9示出根据一个实施方式的功率电子器件的截面图。功率电子器件1200可包括N型区1210（例如电极）、离子注入区1212和1214、外延层1216（例如厚度4微米的n型GaN外延层）、可被预处理的缓冲层1218、基板1220（例如具有能被预处理的含铝表面的基板、块体GaN基板、硅基板、预处理基板）和欧姆触点1230（例如Ti/Al/Ni/Au）。在一个实施方式中，预处理基板的表面。在另一实施方式中，预处理缓冲层1218的表面。在此描述的任何预处理方法都能用于形成功率电子器件1200。器件1200可包括一层或更多层GaN层或III族氮化物层置于AlGaN基板或GaN基板或硅基板或具有含铝表面的基板上。器件（例如功率IC（集成电路）、功率二极管、功率晶闸管(thyristor)、功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）晶体管等）可在功率电子电路和模块中作为开关或整流器。
虽然以上内容针对本公开内容的实施方式，但在不脱离本发明的基本范围的情况下，可设计本发明的其他和进一步的实施方式，并且本发明的范围由后附权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种方法，包括以下步骤：
提供一个或更多个基板至处理腔室中，所述一个或更多个基板具有含铝表面；以及
通过流入氨气和卤化氢气体至所述处理腔室的处理区域，且流入卤化铝气体至所述处理区域，使所述一个或更多个基板中的每一个基板的表面暴露至第一预处理气体混合物而形成预处理表面，以容许在所述预处理期间独立控制蚀刻及沉积。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包含以下步骤：
形成III族氮化物层至所述预处理表面上，其中所述III族氮化物层包括氮化镓（GaN）层和氮化铝（AlN）层中的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述预处理期间加入的所述卤化铝气体加快AlN的沉积速率。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述卤化铝气体为氯化铝气体，其中所述氯化铝气体通过使铝金属源暴露至包括氯气（Cl2）或氯化氢（HCl）气体的处理气体而形成。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述卤化氢气体包括氯化氢（HCl）气体，其中具有含铝表面的所述基板为蓝宝石基板。
6.如权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：
使所述一个或更多基板的所述III族氮化物层的表面暴露至第二预处理气体混合物而形成第二预处理表面，其中所述第二预处理气体混合物包括氨（NH3）气、含蚀刻剂气体和卤化铝气体。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述含蚀刻剂气体为卤化氢气体或卤素气体。
8.一种方法，包括以下步骤：
提供一个或更多个基板至处理腔室中，所述一个或更多个基板具有含铝表面；及
使所述一个或更多个基板中的每一个基板的表面暴露至第一预处理气体混合物而形成第一预处理表面，其中所述预处理气体混合物包括氨（NH3）气、第一含蚀刻剂气体和卤化铝气体；及
使所述一个或更多个基板的所述第一预处理表面暴露至第二预处理气体混合物而形成第二预处理表面，其中所述第二预处理气体混合物包括所述氨（NH3）气、第二含蚀刻剂气体和所述卤化铝气体。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：
形成III族氮化物层至所述第二预处理表面上，其中所述III族氮化物层包括氮化镓（GaN）层和氮化铝（AlN）层中的至少一种。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述第一含蚀刻剂气体和所述第二含蚀刻剂气体包括卤化氢气体。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述第一含蚀刻剂气体和所述第二含蚀刻剂气体包括卤素气体。
12.一种方法，包括以下步骤：
提供一个或更多个基板至处理腔室中；
形成具有含铝表面的第一III族氮化物层至所述一个或更多个基板上；及
使所述第一III族氮化物层的表面暴露至预处理气体混合物而形成预处理表面，其中所述预处理气体混合物包括氨（NH3）气、含蚀刻剂气体和卤化铝气体。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述含蚀刻剂气体包括卤化氢气体和卤素气体中的至少一种。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述第一III族氮化物层包括用于后续III族氮化物沉积的III族氮化物缓冲层和氮化铝（AlN）层中的至少一种。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤：
形成第二III族氮化物层至所述第一III族氮化物层的所述预处理表面上。
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