CN101831694B - 用于沉积ⅲ/ⅴ族化合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式主要涉及用于通过氢化物气相外延(HVPE)工艺形成III-V族材料的方法。在一个实施方式中，提供了一种用于在处理室中基板上形成氮化镓材料的方法，其包括：加热金属源以形成加热的金属源；其中加热的金属源含有镓、铝、铟、其合金或其组合物，将加热的金属源暴露到氯气同时形成金属氯化物气体，在HVPE工艺期间将基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在基板上形成金属氮化物层。该方法还提供了在形成金属氮化物层之前的预处理工艺期间将基板暴露到氯气。在一个实例中，在预处理工艺期间将处理室的排气管道加热到约200℃以下。

Description

用于沉积Ⅲ/Ⅴ族化合物的方法
本申请为申请人于2008年10月6日提交的申请号为200810168234.1、发明名称为“用于沉积Ⅲ/Ⅴ族化合物的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明的实施方式一般涉及到器件诸如发光二极管(LED)的制造，且更特别地，涉及到通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)工艺和氢化物气相外延(HVPE)沉积工艺形成Ⅲ/Ⅴ族材料的工艺。
背景技术
现已发现Ⅲ族氮化物半导体在开发和制造各种半导体器件诸如短波长发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和包括高功率、高频率、高温度晶体管的电子器件以及集成电路中非常重要。已经用于沉积Ⅲ族氮化物的一种方法是氢化物气相外延(HVPE)沉积。在HVPE中，卤素化合物与Ⅲ族金属或元素反应以形成相应的金属/元素卤化物前体(例如金属氯化物)。此时卤化物前体与氮化物前体气体反应以形成Ⅲ族氮化物。
随着对LED、LD、晶体管和集成电路的需求的增加，沉积Ⅲ族氮化物和其他Ⅲ/Ⅴ族材料的效率变得更加重要。对能够在大基板或多个基板上方均匀沉积薄膜的具有高沉积速度的沉积装置和工艺存在一般需求。此外，在基板上方一致的膜质量需要均匀的前体混合。因此，在本领域中对于改进的HVPE沉积方法存在需求。
发明内容
本发明的实施方式主要涉及通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)和氢化物气相沉积外延(HVPE)工艺形成Ⅲ/Ⅴ族材料的方法。在一个实施方式中，提供了一种用于在基板上形成氮化镓材料的方法，其包括加热固态金属镓源以形成液态金属镓源，将液态金属镓源暴露到氯气(Cl2)以形成氯化镓气体，和在HVPE工艺期间将处理室中的基板暴露到氯化镓气体和氮前体气体同时在基板上形成氮化镓层。
在一些实施方式中，在形成氮化镓层之前的预处理工艺期间将基板暴露到含有氯气的预处理气体中。一些实例提供的预处理气体还含有氨、氯化镓、氩、氮、氢或者其组合。在一些实例中，该方法还提供含有氨的氮前体气体。在预处理工艺期间，氯气具有在从约50sccm至约4000sccm、诸如从约50sccm至约1000sccm范围内的流速。在HVPE工艺或预处理工艺期间，加热基板至从约500℃到约1250℃、优选从约800℃至约1100℃范围内的温度。
在其他实例中，在形成氮化镓层之后的室清洗工艺期间将处理室暴露到氯气。在室清洗工艺期间，处理室可被加热到从约500℃到约1250℃范围内的温度。在一些实例中，在室清洗工艺期间处理室可暴露到等离子体。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成氮化铝材料的方法，其包括：加热金属铝源，将加热的金属铝源暴露到氯气同时形成氯化铝气体，和在HVPE工艺期间将处理室中的基板暴露到氯化铝气体和氮前体气体同时在基板上形成氮化铝层。
在一些实施方式中，在形成氮化铝层之前的预处理工艺期间基板可暴露到含有氯气的预处理气体。一些实例提供的预处理气体还含有氨、氯化铝、氩、氮、氢或其组合。在一些实例中，该方法还提供含有氨的氮前体气体。在预处理期间，氯气可具有在从约50sccm至约4000sccm、诸如从约50sccm至约1000sccm范围内的流速。在HVPE工艺或预处理工艺期间基板可被加热到在从约500℃到约1250℃、优选从约800℃至约1100℃范围内的温度。
在其他实例中，在形成氮化铝层之后的室清洗工艺期间处理室可暴露到氯气。在室清洗工艺期间，处理室可被加热到从约500℃到约1250℃范围内的温度。在一些实例中，在室清洗工艺期间处理室可暴露到等离子体。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成氮化镓材料的方法，包括：在预处理期间将基板暴露到氯气同时形成预处理表面，加热金属源以形成加热的金属源，其中加热的金属源含有镓、铝、铟、其合金或者其组合，和将加热到金属源暴露到氯气同时形成金属氯化物气体。该方法还提供在HVPE工艺期间将基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在预处理的表面上形成金属氮化物层。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成氮化镓材料的方法，其包括：加热金属源以形成加热的金属源，其中加热的金属源含有镓、铝、铟、其合金或者其组合，将加热的金属源暴露到氯气同时形成金属氯化物气体，和在HVPE处理期间将处理室中的基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在基板上形成金属氮化物层。该方法还提供了在形成金属氮化物层之后的室清洗工艺期间将处理室暴露到氯气。在室清洗工艺之前可将该基板从处理室中移除。在清洗工艺期间处理室可被加热到在从约500℃到约1200℃范围内的温度。任选地，在室清洗工艺期间处理室可暴露到等离子体。
在另一实施方式中，提供了一种在基板上形成含镓材料的方法，其包括：加热固态金属镓源以形成液态金属镓源，将液态金属镓源暴露到氯气同时形成氯化镓气体，和在HVPE工艺期间将基板暴露到氯化镓气体和Ⅴ族前体气体同时在基板上形成含镓层。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成含铝材料的方法，其包括加热金属铝源，将加热的金属铝源暴露到氯气同时形成氯化铝气体，和在HVPE工艺期间将处理室中的基板暴露到氯化铝气体和Ⅴ族前体气体同时在基板上形成含铝层。
Ⅴ族前体气体可含有诸如氮、磷、砷或其组合的元素。在一个实例中，Ⅴ族前体气体可含有氨、联氨化合物、胺化合物、其衍生物、或其组合物。在另一实例中，Ⅴ族前体气体可含有磷化氢、烷基磷化氢化合物、砷化氢、烷基砷化氢化合物、其衍生物或其组合物。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成Ⅲ族氮化物材料的方法，其包括加热三烷基Ⅲ族化合物至预定温度，将三烷基Ⅲ族化合物暴露到氯气同时形成金属氯化物气体，和在气相沉积工艺期间将处理室内的基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在基板上形成金属氮化物层。
在一个实例中，三烷基Ⅲ族化合物含有三烷基镓化合物和金属氯化物气体含有氯化镓。三烷基镓化合物含有烷基诸如甲基、乙基、丙基、丁基、其异构体、其衍生物或者其组合。氯化镓可在从约300℃至约600℃范围内的温度下形成。但是，在气相沉积工艺期间基板可被加热到从约800℃至约1100℃范围内的温度。
在另一实例中，三烷基Ⅲ族化合物含有三烷基铝化合物和金属氯化气体含有氯化铝。三烷基铝化合物含有选自甲基、乙基、丁基、丙基、其异构体、其衍生物或其组合的烷基。氯化铝可在从约300℃至约400℃范围内的温度下形成。但是在气相沉积工艺期间基板可被加热到在从约800℃至约1100℃范围内的温度。
在另一实例中，三烷基Ⅲ族化合物含有三烷基铟和金属氯化物气体含有氯化铟。三烷基铟化合物可含有选自甲基、乙基、丁基、丙基、其异构体、其衍生物或其组合的烷基。氯化铟可在从约300℃至约400℃范围内的温度下形成。但是在气相沉积工艺期间基板可被加热到在从约500℃至约650℃范围内的温度。
在一些实施方式中，在形成金属氮化物层之前的预处理工艺期间基板可暴露到氯气。在预处理工艺期间基板可被加热到从约500℃至约1200℃范围内的温度。在形成金属氮化物层之后的室清洗工艺期间处理室可暴露到氯气。在其他实例中，在室清洗工艺期间处理室可被加热到从约500℃至约1200℃范围内的温度。在室清洗工艺期间处理室可暴露到等离子体。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成氮化镓材料的方法，包括：在预处理工艺期间将处理室内的基板暴露到氯气同时形成预处理过的表面，和加热金属源以形成加热的金属源，其中加热的金属源含有元素诸如镓、铝、铟、其合金或其组合。该方法还包括将加热的金属源暴露到含氯气体同时形成金属氯化物气体，和在HVPE工艺期间将基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在预处理的表面上形成金属氮化物层。实例提供了含有氯气或氯化氢(HCl)的含氯气体。
在另一实例中，提供了一种用于在基板上形成Ⅲ族氮化物材料的方法，其包括：加热三烷基Ⅲ族化合物至预定温度，其中三烷基Ⅲ族化合物具有化学式R”R’RM，其中M是镓、铝或铟，和R”、R’、R中的每一个都单独选自甲基、乙基、丙基、丁基、其异构体、其衍生物、或其组合。该方法还提供了在气相沉积工艺期间，将氯气暴露到三烷基Ⅲ族化合物同时形成金属氯化物气体和将处理室中的基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在基板上形成金属氮化物层。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成氮化镓材料的方法，其包括：提供在耦合到排气系统的处理室内部的基板，其中排气系统具有排气管道，在预处理工艺期间将基板暴露到含有氯气的预处理气体同时形成预处理的表面，同时在预处理工艺期间将排气管道加热到约200℃以下的温度。该方法还包括加热固态金属镓源以形成液态金属镓源，将液态金属镓源暴露到氯气同时形成氯化镓气体，和在HVPE工艺期间将基板暴露到氯化镓气体和氮前体气体同时在基板上形成氮化镓层。
实例提供了在预处理工艺期间，将排气管道加热到约170℃以下的温度，诸如约150℃以下，诸如约130℃以下，诸如约100℃以下，诸如约70℃以下，诸如约50℃以下，在其他实例中，在预处理期间将排气管道加热到从约30℃至约200℃范围内的温度，优选地从约30℃至约170℃，更优选地从约30℃至约150℃，更优选地，从约50℃至约120℃，和更优选地从约50℃至约100℃。在预处理期间处理室可具有约760乇以下的内部压力，优选地在从约100乇至约760乇的范围内，更优选地，从约200乇至约760乇，和更优选地从约350乇至约760乇，例如约450乇。
在另一实施方式中，在HVPE工艺期间基板可暴露到含有氯气和氨气的预处理气体。在一些实例中，预处理气体含有浓度在从约1摩尔百分比(摩尔％)至约10摩尔％范围内的氯气，优选地从约3摩尔％至约7摩尔％，和更优选地从约4摩尔％至约6摩尔％，例如约5摩尔％。在其他实例中，预处理气体含有浓度在从约5摩尔％至约25摩尔％范围内的氨气，优选地从约10摩尔％至约20摩尔％，和更优选地从约12摩尔％至约18摩尔％，例如约15摩尔％。
在另一实施方式中，在HVPE工艺期间处理室含有沉积气体，该沉积气体含有氯气和氨气。沉积气体含有浓度在从约0.01摩尔％至约1摩尔％范围内的氯气，优选地从约0.05摩尔％至约0.5摩尔％，和更优选地从约0.07摩尔％至约0.4摩尔％，例如约0.1摩尔％。在其他实例中，沉积气体含有从约5摩尔％至约25摩尔％范围内浓度的氨气，优选地从约10摩尔％至约20摩尔％，和更优选地从约12摩尔％至约18摩尔％，例如约15摩尔％。
在其他实施方式中，在HVPE工艺期间或室清洗期间排气管道可被加热到约200℃以下的温度。实例提供了在HVPE工艺或室清洗工艺期间排气管道被加热到约170℃以下的温度，诸如约150℃以下，诸如约130℃以下，诸如约100℃以下，诸如约70℃以下，诸如约50℃以下。在其他实例中，在HVPE工艺或室清洗处理工艺期间排气管道被加热到从约30℃至约200℃范围内的温度，优选地从约30℃至约170℃，更优选地从约30℃至约150℃，更优选地从约50℃至约120℃，和更优选地从约50℃至约100℃。
在HVPE工艺期间或室清洗工艺期间处理室可具有约760乇以下的内部压力，优选地在从约100乇至约760乇的范围内，更优选地从约200乇至约760乇，和更优选地从约350乇至约760乇，例如约450乇。在一些实例中，清洗气体含有浓度在从约1摩尔％至约10摩尔％范围内的氯气，优选地从约3摩尔％至约7摩尔％，和更优选地从约4摩尔％至约6摩尔％，例如约5摩尔％。
附图说明
因此可通过参考附图中示出的实施例得到获得且能详细理解本发明上述特征的方式、本发明更特别的描述、上述简要总结。
图1描述了根据本发明一个实施方式的沉积室的截面图；
图2描述了根据本发明一个实施方式的喷头组件的截面透视图；
图3描述了根据本发明一个实施方式的喷头组件的截面顶视图；
图4描述了根据本发明一个实施方式的喷头组件的截面透视剖面图；
图5A-5B描述了根据本发明一个实施方式的喷头组件的气体通路部件的图；
图6描述了根据本发明一个实施方式的喷头组件的顶板部件的透视图；
图7描述了根据本发明一个实施方式的喷头组件的截面透视侧面图；
图8A-8C描述了根据本发明一个实施方式的喷头组件的船式(boat)部件的图；和
图9A-9B描述了根据本发明一个实施方式的喷头组件的气体通路部件的图。
但是应注意，附图仅示出了本发明的示范性实施方式，且因此不认为其限制了本发明的范围，而是本发明允许其他同样有效的实施方式。
具体实施方式
本发明的实施方式主要涉及用于通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)和氢化物气相外延(HVPE)工艺形成Ⅲ/Ⅴ族材料的方法。在一个实施方式中，提供了一种用于在基板上形成氮化镓材料的方法，其包括：加热固态金属镓源以形成液态金属镓源，将液态金属镓源暴露到氯气(Cl2)，以形成氯化镓气体，和在HVPE工艺期间将处理室内的基板暴露到氯化镓气体和氮前体气体同时在基板上形成氮化镓层。
在一些实施方式中，在形成氮化镓层之前的预处理工艺期间基板可被暴露到含有氯气的预处理气体。一些实例提供的预处理气体还含有氨、氯化镓、氩、氮、氢或其组合。在一些实例中，该方法还提供含有氨的氮前体气体。在预处理工艺期间氯气可具有在从约50sccm至约4000sccm范围内的流速，诸如从约50sccm至约1000sccm。在HVPE工艺或预处理工艺期间基板可被加热到从约500℃至约1250℃范围内的温度，优选地从约800℃至约1100℃。
在其他实例中，在形成氮化镓层之后的室清洗工艺期间处理室可被暴露到氯气中。在室清洗工艺期间处理室可被加热到从约500℃至约1250℃范围内的温度。在一些实例中，在室清洗工艺期间处理室可被暴露到等离子体中。
在另一实施方式中，提供了一种在基板上形成氮化铝材料的方法，其包括加热金属铝源，将加热的金属铝源暴露到氯气同时形成氯化铝气体，和在HVPE工艺期间将处理室内的基板暴露到氯化铝气体和氮前体气体同时在基板上形成氮化铝层。
在一些实施方式中，在形成氮化铝层之前的预处理工艺期间基板可被暴露到含有氯气的预处理气体中。一些实例提供的预处理气体还含有氨、氯化铝、氩、氮、氢或其组合。在一些实例中，该方法还提供了含有氨的氮前体气体。在预处理工艺期间氯气可具有在从约50sccm至约4000sccm范围内的流速，诸如从约50sccm至约1000sccm。在HVPE工艺或预处理工艺期间基板可被加热到从约500℃至约1250℃范围内的温度，优选地从约800℃至约1100℃。
在其他实例中，在形成氮化铝层之后的室清洗工艺期间处理室可被暴露到氯气。在室清洗工艺期间处理室可被加热到在从约500℃至约1250℃范围内的温度。在一些实例中，在室清洗工艺期间处理室可被暴露到等离子体。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成氮化镓材料的方法，其包括：在预处理工艺期间将基板暴露到氯气同时形成预处理的表面，加热金属源以形成加热的金属源，其中加热的金属源含有镓、铝、铟、其合金、或其组合物，和将加热的金属源暴露到氯气同时形成金属氯化物气体。该方法还提供了在HVPE工艺期间将基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在预处理的表面上形成金属氮化物层。
在另一实施方式中，提供了一种在基板上形成氮化镓材料的方法，包括：加热金属源以形成加热的金属源，其中加热的金属源含有镓、铝、铟、其合金或其组合，将加热的金属源暴露到氯气同时形成金属氯化物气体，和在HVPE工艺期间将处理室内部的基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体中同时在基板上形成金属氮化物层。该方法还提供了在形成金属氮化物层之后的室清洗工艺期间将处理室暴露到氯气。在室清洗工艺之前从处理室移走基板。在清洗工艺期间可将处理室加热到从约500℃至约1200℃范围内的温度。可选地，在室清洗工艺期间可将处理室暴露到等离子体。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成含镓材料的方法，包括：加热固态金属镓源以形成液态金属镓源，将液态金属镓源暴露到氯气同时形成氯化镓气体，和在HVPE工艺期间将基板暴露到氯化镓气体和Ⅴ族前体气体同时在基板上形成含镓层。
在另一实施方式中，提供了一种在基板上形成含铝材料的方法，包括：加热金属铝源，将加热的金属铝源暴露到氯气同时形成氯化铝气体，和在HVPE工艺期间将处理室内部的基板暴露到氯化铝气体和Ⅴ族前体气体同时在基板上形成含铝层。
Ⅴ族前体气体含有元素诸如氮、磷、砷、或其组合。在一个实例中，Ⅴ族前体气体可含有氨、联氨化合物、胺化合物、其衍生物或其组合。在另一实例中，Ⅴ族前体气体可含有磷化氢、烷基磷化氢化合物、砷化三氢、烷基砷化三氢化合物、其衍生物或其组合。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成Ⅲ族氮化物材料的方法，包括：加热三烷基Ⅲ族化合物至预定温度，将三烷基Ⅲ族化合物暴露到氯气同时形成金属氯化物气体，和在气相沉积工艺期间将处理室内的基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在基板上形成金属氮化物层。
在一个实例中，三烷基Ⅲ族化合物含有三烷基镓化合物和金属氯化物气体含有氯化镓。三烷基镓化合物可含有烷基诸如甲基、乙基、丙基、丁基、其异构体、其衍生物或其组合。氯化镓可在从约300℃至约600℃范围内的温度下形成。但是在气相沉积工艺期间基板可被加热到从约800℃至约1100℃范围内的温度。
在另一实例中，三烷基Ⅲ族化合物含有三烷基铝化合物和金属氯化物含有氯化铝。三烷基铝化合物含有选自甲基、乙基、丙基、丁基、其异构体、其衍生物、或其组合的烷基。氯化铝可在从约300℃至约400℃的温度下形成。但是在气相沉积工艺期间基板可被加热到从约800℃至约1100℃范围内的温度。
在另一实例中，三烷基Ⅲ族化合物含有三烷基铟化合物和金属氯化物含有氯化铟。三烷基铟化合物含有选自甲基、乙基、丙基、丁基、其异构体、其衍生物、或其组合的烷基。氯化铟可在从约300℃至约400℃的温度下形成。但是在气相沉积工艺期间基板可被加热到从约500℃至约650℃范围内的温度。
在一些实施方式中，在形成金属氮化物层之前的预处理工艺期间基板可暴露到氯气。在预处理期间基板可被加热到从约500℃至约1200℃范围内的温度。在形成金属氮化物层之后的室清洗工艺期间处理室可被暴露到氯气。在另一实例中，在室清洗工艺期间处理室可被加热到从约500℃至约1200℃范围内的温度。在室清洗工艺期间处理室可被暴露到等离子体。
在另一实施方式中，提供了一种在基板上形成氮化镓的方法，包括：在预处理工艺期间将处理室内的基板暴露到氯气同时形成预处理的表面，和加热金属源以形成加热的金属源，其中加热的金属源含有元素诸如镓、铝、铟、其合金、或其组合。该方法还包括将加热的金属源暴露到含氯气体同时形成金属氯化物气体，和在HVPE工艺期间将基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在预处理的表面上形成金属氮化物层。实例提供了含有氯气或氯化氢(HCl)的含氯气体。
在另一实施方式中，提供了一种用于在基板上形成Ⅲ族氮化物材料的方法，包括：将三烷基Ⅲ族化合物加热到预定温度，其中三烷基Ⅲ族化合物具有化学式R”R’RM，其中M是镓、铝、或铟，和R”、R’和R单独选自甲基、乙基、丙基、丁基、其异构体、其衍生物或其组合。该方法还提供了将氯气暴露到三烷基Ⅲ族化合物同时形成金属氯化物气体和在气相沉积工艺期间将处理室内的基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体同时在基板上形成金属氮化物层。
在另一实施方式中，提供了一种在基板上形成氮化镓材料的方法，包括：在耦合到排气系统的处理室内提供基板，其中排气系统具有排气管道，在预处理期间将基板暴露到含有氯气的预处理气体同时形成预处理的表面，同时在预处理工艺期间加热排气管道至约200℃以下的温度。该方法还包括加热固态金属镓源以形成液态金属镓源，将液态金属镓源暴露到氯气同时形成氯化镓气体，和在HVPE工艺期间将基板暴露到氯化镓气体和氮前体气体同时在基板上形成氮化镓层。
实例提供了在预处理期间将排气管道加热到约170℃以下的温度，诸如约150℃以下，诸如约130℃以下，诸如约100℃以下，诸如约70℃，诸如约50℃以下。在其他实例中，在预处理工艺期间加热排气管道至从约30℃到约200℃范围内的温度，优选地从约30℃至约170℃，更优选地，从约30℃至约150℃，更优选地从约50℃至约120℃，和更优选地从约50℃至约100℃。在预处理工艺期间处理室可具有约760乇以下的内部压力，优选地在从约100乇至约760乇的范围内，更优选地从约200乇至约760乇，和更优选地从约350乇至约760乇，例如约450乇。
在另一实施方式中，在HVPE工艺期间基板可被暴露到含有氯气和氨气的预处理气体中。在一些实例中，预处理气体含有浓度在从约1摩尔百分比(摩尔％)至约10摩尔％范围内的氯气，优选地，从约3摩尔％至约7摩尔％，和更优选地从约4摩尔％至约6摩尔％，例如为约5摩尔％。在其他实例中，预处理气体含有在从约5摩尔％至约25摩尔％范围内浓度的氨气，优选地从约10摩尔％至约20摩尔％，和更优选地从约12摩尔％至约18摩尔％，例如为约15摩尔％。
在另一实施方式中，在HVPE工艺期间处理室含有具有氯气和氨气的沉积气体。沉积气体含有在从约0.01摩尔％至约1摩尔％范围内浓度的氯气，优选地从约0.05摩尔％至约0.5摩尔％，更优选地，从约0.07摩尔％至约0.4摩尔％，例如为约0.1摩尔％。在其他实例中，沉积气体含有在从约5摩尔％至约25摩尔％范围内浓度的氨气，优选地从约10摩尔％至约20摩尔％，和更优选地从约12摩尔％至约18摩尔％，例如为约15摩尔％。
在其他实施方式中，在HVPE工艺或室清洗工艺期间排气管道可被加热到约200℃以下的温度。实例提供了在HVPE工艺或者室清洗工艺期间将排气管道加热到约170℃以下的温度，诸如约150℃以下，诸如约130℃以下，诸如约100℃以下，诸如约70℃以下，诸如约50℃以下。在其他实例中，在HVPE工艺或室清洗工艺期间加热排气管道至从约30℃到约200℃范围内的温度，优选地从约30℃至约170℃，更优选地从约30℃至约150℃，更优选地从约50℃至约120℃，和更优选地从约50℃至约100℃。
在HVPE工艺或室清洗工艺期间处理室可具有约760乇以下的内部压力，优选地在从约100乇至约760乇的范围内，更优选地从约200乇至约760乇，和更优选地从约350乇至约760乇，例如为约450乇。在一些实例中，清洗气体含有在从约1摩尔％至约10摩尔％范围内浓度的氯气，优选地从约3摩尔％至约7摩尔％，和更优选地从约4摩尔％至约6摩尔％，例如为约5摩尔％。
在另一实施方式中，在与图1中描述的HVPE室相似的处理室内进行如在此描述的气相沉积工艺和室清洗工艺。在于2006年4月26日提交的共同指定的美国序列No.11/411,672、且公开为US 2007-0254100和2006年4月14日提交的美国序列No.11/404,516、且公开为US 2007-0240631中描述了可用于实施本发明实施方式的示范性室，通过参考将其整体并入本文。
图1中的装置100包括容纳处理容积108的室主体102。喷头组件104被设置在处理容积108的一端，和基板载体114被设置在处理容积108的另一端。基板载体114包括其中在处理期间设置了一个或多个基板的一个或多个凹槽116。基板载体114可承载六个以上的基板。在一个实施方式中，基板载体114承载八个基板。将理解，在基板载体114上可承载或多或少的基板。典型的基板是蓝宝石、碳化硅或硅。基板尺寸为直径在从50mm-100mm或更大的范围内。基板载体尺寸在从200mm-500mm范围内。基板载体可由各种材料形成，包括碳化硅或碳化硅涂覆的石墨。将理解，基板可含有蓝宝石、碳化硅、氮化镓、硅、石英、砷化镓、氮化铝、玻璃或其衍生物。将理解，在装置100内和根据在此描述的处理可处理其它尺寸的基板。如以上描述的喷头组件较传统HVPE室可允许横跨更大数量的基板或更大的基板更加均匀的沉积，由此降低制造成本。在处理期间基板载体114可绕其中心轴旋转。在一个实施方式中，基板可在基板载体114内单独旋转。
可旋转基板载体114。在一个实施方式中，基板载体114可以以约2RPM至约100RPM旋转。在另一实施方式中，基板载体114可以约30RPM旋转。旋转基板载体114有助于向每个基板提供处理气体的均匀曝光。
多个灯130a、130b可设置在基板载体114下方。对于很多应用，典型的灯布置可包括在基板上方(未示出)和下方(未示出)的成排的灯。一个实施方式可结合自侧面的灯。在某些实施方式中，灯可被布置成同心圆。例如，灯的内部阵列130b可包括八个灯，和灯的外部阵列130a可包括十二个灯。在本发明的一个实施方式中，灯130a、130b的每一个都可被单独供电。在另一实施方式中，灯的阵列130a、130b可被设置在喷头组件104的上方和内部。将理解，可以是其它布置和其他数量的灯。选择性供电灯的阵列130a、130b以加热基板载体114的内部和外部区域。在一个实施方式中，灯130a、130b作为内部和外部阵列被共同供电，阵列中中阵列的顶部和底部可被共同供电或分别供电。在再一实施方式中，分离的灯或加热元件可被设置在源舟280的上方和/或下方。将理解，本发明不限于使用灯的阵列。任何合适的加热源都可用于确保将适当温度充分施加到处理室、其中的基板以及金属源。例如，预期可利用快速热处理灯系统诸如2005年7月22日提交且公开为US2006-0018639的共同指定的美国序列No.11/187,188中描述的，通过参考将其整体并入本文。
可供电一个或多个灯103a、103b以加热基板以及源舟280。灯可加热基板至从约900℃至约1200℃范围内的温度。在另一个实施方式中，灯130a、130b保持源舟280内的阱820中的金属源处于从约350℃至约900℃范围内的温度。热电耦可设置在阱820中以在处理期间测量金属源温度。通过热电耦测量的温度可被反馈到调整从加热灯130a、130b提供的热量的控制器，以根据需要控制或调整阱820中的金属源的温度。
根据本发明一个实施方式，在处理期间，前体气体106从喷头组件104向基板表面流动。在基板表面处或附近的前体气体106的反应可沉积各种金属氮化物层到基板上，包括GaN、AlN和InN。可利用多种金属用于沉积“组合物膜”诸如AlGaN和/或InGaN。处理容积108可被保持在从约100乇至约760乇范围内的压力下。在一个实例中，处理容积108被保持在从约450乇至约760乇范围内的压力下。
图2是根据本发明一个实施方式的图1的HVPE室的截面透视图。源舟280环绕室主体102。金属源填充源舟280的阱820。在一个实施方式中，金属源包括任何合适的金属源，诸如镓、铝或铟，特定金属根据特定应用需求而选择。卤化物或卤素气体通过源舟280的阱820中的金属源上方的通道810流动且与金属源反应以形成气态的含金属前体。在一个实施方式中，HCl与液态镓反应以形成气态的GaCl。在另一个实施方式中，Cl2与液态镓反应以形成GaCl和GaCl3。本发明的其他实施方式利用了其他的卤化物或卤素以获得含金属气相前体。合适的氢化物包括具有合成物HX(例如，X-Cl、Br或I)的那些和合适的卤素包括Cl2、Br2和I2。对于卤化物，不平衡的反应等式为：
HX(气体)+M(液态金属)→MX(气体)+H(气体)
这里，X＝Cl、Br或I，和M＝Ga、Al或In。对于卤素等式为：
Z(气体)+M(液态金属)→MZ(气体)
这里，Z＝Cl2、Br2或I2和M＝Ga、Al或In。以下气态的含金属种类将称作“含金属前体”(例如金属氯化物)。
穿过第一组气体通路诸如管251将源自源舟280内的反应的含金属前体气体216引入到处理容积108中。将理解，可以自除了源舟280的源产生含金属前体气体216。可通过第二组气体通路诸如管252将含氮气体226引入到处理容积108中。虽然示出了管的布置作为合适的气体分配结构实例且可用在一些实施方式中，但是对于其他实施方式也可使用如在此描述的被设计成提供气体分配的不同类型通路的各种其他类型布置。通路的这种布置实例包括具有(作为通路)形成在板中的气体分配通道的气体分配结构，如以下更详细地描述的。
在一个实施方式中，含氮气体包括氨。含金属前体气体216和含氮气体226可在基板表面附近或基板表面上反应，且金属氮化物可沉积到基板上。金属氮化物可以以约1微米每小时至约60微米每小时的速度沉积到基板上。在一个实施方式中，沉积速度为约15微米每小时至约25微米每小时。
在一个实施方式中，通过板260将惰性气体206引入到处理容积108中。通过在含金属前体气体216和含氮气体226之间流动惰性气体206，含金属前体气体216和含氮气体226相互不接触和过早地反应从而沉积在不希望的表面上。在一个实施方式中，惰性气体206包括氢、氮、氦、氩或其组合物。在另一实施方式中，用惰性气体206取代氨。在一个实施方式中，以约1slm至约15slm的速度将含氮气体226提供到处理容积中。在另一个实施方式中，将含氮气体226与载气共同流动。载气可包括氮气或氢气或惰性气体。在一个实施方式中，含氮气体226与载气共同流动，以从约0slm至约15slm范围内的流速提供该载气。对于卤化物或卤素气体的典型流速在从约5sccm至约1000sccm范围内但是包括高达约5slm的流速。用于卤化物/卤素气体的载气在从约0.1slm至约10slm范围内且含有之前所列出的惰性气体。用从约0slm至约10slm范围内的惰性气体进行卤化物/卤素/载气气体混合物的附加稀释。惰性气体206的流速在从约5slm至约40slm的范围内。工艺压力在从约100乇至约1000乇的范围内。基板可被加热到从约500℃至约1200℃范围内的温度。
惰性气体206、含金属前体气体216以及含氮气体226可通过排气装置236排出处理容积108，该排气装置236被分配在处理容积108的圆周附近。排气装置236的这种分配可提供横跨基板表面的均匀气流。
如图3和4中所示，根据本发明的一个实施方式可散置气体管251和气体管252。在气体管251内的含金属前体气体216的流速与气体管252内的含氮气体226的流速可单独控制。单独控制的、散置的气体管可有助于横跨基板表面更均匀地分配每一种气体，其可提供更大的沉积均匀度。
此外，在含金属前体气体216和含氮气体226之间的反应程度将取决于两种气体相接触的时间。通过与基板表面平行地设置气体管251和气体管252，含金属前体气体216和含氮气体226在自气体管251和气体管252等距离的点处同时接触，且将因此在基板表面上的所有点处都将反应至通常相同的程度。因此，可实现较大直径基板的沉积均匀性。应当理解，在基板表面和气体管251和气体管252之间距离的变化将控制含金属前体气体216和含氮气体226将反应的程度。因此，根据本发明的一个实施方式，处理容积108的该尺寸可在沉积工艺期间变化。而且，根据本发明的另一个实施方式，在气体管251和基板表面之间的距离不同于气体管252和基板表面之间的距离。此外，在气体管251和252之间的隔膜也防止了含金属和含氮前体气体之间的反应以及在管251和252上以及附近的不希望的沉积。如以下将描述的，惰性气体也可在管251和252之间流动以有助于保持前体气体之间的隔离。
在本发明的一个实施方式中，度量(metrology)观测口310可形成在板260中。这可提供处理期间辐射测量工具至处理容积108的入口。这种测量通过干涉仪得到，以通过比较所反射的波长和所传送的波长确定膜在基板上的沉积速度。测量也可通过高温计得到以测量基板温度。应当理解，度量观测口310可提供至一般与HVPE结合使用的任一辐射测量工具的入口。
根据本发明的一个实施方式，散置气体管251和气体管252可通过构造如图5中所示的管道实现。每一组管实质上都包括连接端口253，其连接到单个的干路管257，其也连接到多个支路管259。每一个支路管259都具有形成在通常面对基板载体114的管的侧面上的多个气体端口255。气体管251的连接端口253可被构造成设置在气体管252的连接端口253和处理容积108之间。气体管251的干路管257此时被设置在气体管252的干路管257和处理容积108之间。气体管252的每一个支路管259都含有接近于干路管257的连接的“S”弯曲258，以使得气体管252的支路管259的长度平行于且对准于气体管251的支路管259。相似地，根据以下讨论的本发明的另一实施方式，散置气体管251和气体管252可通过构造如图9中所示的管实现。将理解，支路管259的数量以及因此相邻支路管之间的间隔可改变。在相邻支路管259之间的较大间距会降低在管表面上的过早沉积。过早沉积也可通过在相邻管之间添加隔壁降低。隔壁可设置成垂直于基板表面，或者隔壁可以是倾斜的以便引导气体流动。在本发明的一个实施方式中，气体端口255可被形成为以一角度引导含金属前体气体216至含氮气体226。
图6示出了根据本发明一个实施方式的板260。如前所述，可通过横跨板260表面散置的多个气体端口255将惰性气体206引入到处理容积108中。根据本发明的一个实施方式，板260的凹口267容纳气体管252的干路管257的定位。根据本发明的一个实施方式，惰性气体206可在气体管251和气体管252的支路管259之间流动，从而保持含金属前体气体216的气流和含氮气体226分开直到这些气体到达基板表面。
根据本发明的一个实施方式，如图7中所示，可通过板260将含氮气体226引入到处理容积108中。根据该实施方式，气体管252的支路管259被气体管251的其它支路管259取代。含金属前体气体由此通过气体管252被引入到处理容积108中。
图8示出了根据本发明的一个实施方式的源舟280的部件。该舟可由覆盖底部(图8B)的顶部(图8A)制成。结合这两部分产生了由阱820上方的通道810制成的环形腔。如之前所讨论的，含氯气体811可通过沟道810流动且可与阱820中的金属源反应以产生含金属前体气体813。根据本发明的一个实施方式，含金属前体气体813可通过气体管251被引入到处理容积108中作为含金属前体气体216。
在本发明的另一实施方式中，含金属前体气体813可用图8C中示出的稀释端口中的惰性气体812稀释。替换地，在进入通道810之前惰性气体812可被添加到含氯气体811中。此外，发生两种稀释：即，在进入通道810之前惰性气体812可添加到含氯气体811中，和在通道810出口处可添加另外的惰性气体812。稀释的含金属前体气体此时通过气体管251被引入到处理容积108中作为含金属前体气体216。含氯气体811在金属源上方的停留时间将与通道810长度成正比。较长的停留时间产生含金属前体气体216较大的转换效率。因此，通过用源舟280环绕室主体102，能产生较长通道810，这导致含金属前体气体216的较大转换效率。构成通道810的顶部(图8A)或底部(图8B)的典型尺寸处于10-12英寸的范围内。沟道810的长度是顶部(图8A)和底部(图8B)的圆周且处于30-40英寸的范围内。
图9示出了本发明的另一实施方式。在该实施方式中，气体管251和252的干路管257可被重新构造以与处理容积108的周边相配。通过移动干路管257至该周边，横跨基板表面的气体端255的密度可更均匀。将理解，具有板260良好重设结构的干路管257和支路259的其它结构也是可以的。
本领域技术人员将意识到，可根据上述实施方式作出多种改进，同时仍在本发明的范围内。作为实例，作为内部舟的替换例(或者除了内部舟)，一些实施方式采用被设置在室外部的舟。对于这种实施方式，分离的加热源和/或加热的气体线路可用于将前体从外部舟传送到室。
对于一些实施方式，一些类型的机械装置可用于将被重新填充(例如用液态金属)的室内的所有舟，而不需打开室。例如，利用注入器或者柱塞(plunger)(例如类似大型吸液筒)的一些类型的装置可被设置在舟上方以使舟能够用液态金属重新填充而不需打开室。
对于一些实施方式，内部舟可由连接到内部舟的外部大熔炉填充。使用分离的加热和温度控制系统加热(例如电阻地或经由灯)这种熔炉。熔炉可用于用各种技术诸如操作者打开和关闭手控阀的分批法、或者通过使用过程控制电子设备和质量流量控制器“供给”该舟。
对于一些实施方式，闪蒸技术可用于将金属前体传送到室。例如，闪蒸金属前体可经由液态注入器传送以将小量金属注入到气流中。
对于一些实施方式，一些形式的温度控制可用于保持前体气体在最佳操作温度下。例如，舟(不管是内部还是外部)可装配有直接接触的温度传感器(例如热电耦)以确定舟中前体的温度。该温度传感器可与自动反馈温度控制连接。作为直接接触温度传感器的替换方案，远程高温计可用于监控舟温度。
对于外部舟设计，可利用各种不同类型的喷头设计(诸如以上和以下描述的那些)。这种喷头由能够抵抗极高温度(诸如高达1000℃)的合适材料构造，诸如碳化硅或石英或碳化硅涂覆的石墨。如上所述，管温度可经由热电耦或远程高温计监控。
对于一些实施方式，可协调从室的顶部和底部设置的成排的灯以以根据需要调节管温度从而实现各种目标。这种目标可包括最小化管上的沉积、在沉积工艺期间保持恒定温度、和确保不超出最大温度范围(以最小化由于热应力导致的损伤)。
于图5A-B、6、8A-C和9A-9B中示出的部件可由任何合适的材料构造，诸如碳化硅、碳化硅涂覆的石墨和/或石英，且具有任何合适的物理尺寸。例如，对于一些实施方式，于图5A-5B和9A-9B中示出的喷头管可具有在从约1mm至约10mm范围内的厚度(例如在一些应用中为约2mm)。
也可以以防止由化学蚀刻和/或腐蚀导致的损伤的方式构造管。例如，管可包括一些类型的涂层，诸如碳化硅或最小化了由化学蚀刻和腐蚀导致的损伤的一些其它合适涂层。作为替换方案，或者此外，管可被屏蔽管不受蚀刻和腐蚀影响的分离部分包围。对于一些实施方式，主(例如中心)管可以是石英同时支路管可以是碳化硅。
在一些应用中，存在沉积物形成在管上的危险，这例如通过堵塞气体端口妨碍了性能。对于一些实施方式，为了防止或最小化沉积，可在管之间设置一些类型的阻挡(例如挡板或板)。这种阻挡可被设计成可去除的且可容易替换，由此利于维护和修理。
虽然在此已经描述了利用支路管的喷头设计，但是对于一些实施方式，管构造可用被设计成实现相似功能的不同类型构造替换。作为实例，对于一些实施方式，可向单片板中钻出传送通道和孔，该单片板在气体分离和传送到主室方面提供了与管相似的功能。作为替换方案，与其是单片，不如经由能够装配到一起或者一些方式组装(例如键合、焊接或者braised)的多个部件构造分配板。
对于其他实施方式，可形成固态石墨管，涂覆有碳化硅，和石墨可随后被去除以留下一系列的通道和孔。对于一些实施方式，可以使用具有各种形状(例如椭圆形、圆形、矩形或方形)且其中形成有孔的透明或不透明石英板來构造喷头。尺寸适当的管道(例如具有2mm(ID)×4mm(OD)的通道)可被熔焊到板上用于气体传送。
对于一些实施方式，各部件可由不同的材料制成。在这种情况下，可进行测量以尽量确保部件可靠装配且防止气体泄漏。作为实例，对于一些实施方式，轴环可用于可靠装配石英管到金属部分中，以防止气体泄漏。这种轴环可由任何合适的材料制成，例如其允许导致部件膨胀和收缩不同量的不同部件的热膨胀差，否则这会引起对部件的损伤或气体泄漏。
如上所述(例如参考图2)，卤化物或卤素气体可用在沉积工艺中。此外，前述的卤化物和卤素可用作蚀刻剂气体用于原位清洗反应器。这种清洗工艺可包括将卤化物或卤素气体(具有或不具有惰性载气)流入到室中。从约100℃至约1200℃的温度下，蚀刻剂气体可从反应室壁和表面去除沉积物。蚀刻剂气体的流速从约1slm至约20slm变化且惰性载气的流速从约0slm至约20slm变化。相应的压力从约100乇至约1000乇变化和室温度从约20℃至约1200℃变化。
而且，前述卤化物和卤素气体可用在基板的预处理工艺中，例如用以促进高质量膜生长。一个实施方式可包括将卤化物或卤素气体经由管251或经由板260流入到室中而不需流过舟280。惰性载气和/或稀释气体可与卤化物或卤素气体组合。同时NH3或相似的含氮前体可流过管252。预处理的另一实施方式可提供仅流动含氮前体，具有或不具有惰性气体。其它实施方式可具有两个或多个分立步骤的序列，其每一个在持续时间、气体、流速、温度和压力方面都是不同的。对于卤化物或卤素典型的流速在从约50sccm至约1000sccm的范围内，但是可包括高达约5slm的流速。卤化物/卤素气体的载气可具有在从约1slm至约40slm范围内的流速且含有之前所列的惰性气体。用具有在从约0slm至约10slm范围内的流速的惰性气体进行卤化物/卤素/载气混合物的附加稀释。NH3的流速在从约1slm至约30slm范围内且通常大于蚀刻剂气体流速。工艺压力在从约100乇至约1000乇的范围内变化。典型基板温度在从约500℃至约1200℃的范围内。
此外，对于清洗/沉积工艺可产生Cl2等离子体。而且，在此描述的室可实施为多室系统的一部分，该多室系统在2006年4月14日提交的共同指定的美国序列No.11/404,516且公开为US 2007-0240631中描述了，在此通过参考将其整体并入本文。如其中所述的，可包括远程等离子体产生器作为室硬件的一部分，其可用在在此描述的HVPE室中。在该申请中描述的用于沉积和清洗工艺的气体线路和工艺控制硬件/软件也可用于在此描述的HVPE室。对于一些实施方式，氯气或等离子体可从顶板上方传送，诸如图6中所示，或者通过传送含Ga前体的管传送。可用的等离子体类型并非排他地限于氯，而是可包括氟、碘或溴。用于产生等离子体的源气体可以是卤素诸如Cl2、Br2或I2，或者可以是含有Ⅴ族元素(例如N、P、或As)的气体，诸如NF3。
虽然前述内容针对本发明的实施方式，但是也可作出本发明其它和进一步的实施方式而不超出其基本范围，且其范围由以下的权利要求确定。

Claims (21)

1.一种形成Ⅲ族金属氮化物膜的方法，包括：
加热一个或多个蓝宝石基板至预处理温度；以及
当所述一个或多个蓝宝石基板中的每一个基板的表面在所述预处理温度时，将所述表面暴露到预处理气体混合物以形成预处理表面，其中所述预处理气体混合物包括氨（NH3）和氯气（Cl2）；以及
将处理腔室中的所述一个或多个蓝宝石基板暴露到金属氯化物气体和氮前体气体，而在所述预处理表面之上形成金属氮化物层。
2.如权利要求1的方法，其中，所述预处理气体混合物进一步包括浓度在1摩尔％和10摩尔％之间的氯气（Cl2）和浓度在5摩尔％和25摩尔％之间的氨。
3.如权利要求2的方法，其中，形成所述III族金属氮化物层包括：形成氮化镓层或氮化铝层。
4.如权利要求2的方法，其中，形成所述III族金属氮化物层进一步包括：将所述一个或多个蓝宝石基板暴露到含氮前体气体和金属氯化物气体。
5.如权利要求4的方法，其中：
所述含氮前体气体包括氨;以及
通过将金属源暴露到包括氯气（Cl2）的第一处理气体而形成所述金属氯化物气体，其中所述金属源包括选自由镓、铝和铟组成的组的一种元素。
6.如权利要求1的方法，进一步包括：暴露所述预处理表面到包括氨和载气的气体混合物。
7.如权利要求6的方法，其中，所述载气包括氮。
8.如权利要求1的方法，其中，所述蓝宝石基板是单晶蓝宝石基板。
9.如权利要求1的方法，其中，将所述一个或多个蓝宝石基板中的每一个基板的所述表面暴露到所述预处理气体混合物进一步包括：将其中设置有所述一个或多个蓝宝石基板的处理室中的压力保持在低于760乇。
10.如权利要求9的方法，其中，所述预处理温度在800℃和1100℃之间。
11.一种用于在基板表面上形成III族氮化物材料的方法，包括：
加热一个或多个基板至预处理温度；
当所述一个或多个基板中的每一个基板的表面在所述预处理温度时，将所述表面暴露到预处理气体混合物以形成预处理表面，其中所述预处理气体混合物包括氨和含氯气（Cl2）的卤素气体；
将设置在所述处理容积中的所述预处理表面和腔室部件的表面暴露到金属卤化物气体和氮前体气体，以在所述基板的所述预处理表面和所述腔室部件的表面上形成含氮化镓层；
在形成所述含氮化镓层后，从所述处理容积移除所述一个或多个基板；以及
将所述腔室部件暴露到包括卤素气体的清洗气体，其中所述清洗气体适于移除所述腔室部件上形成的金属氮化物层的至少一部分。
12.如权利要求11的方法，其中，在所述清洗气体中使用的所述卤素气体是氯气（Cl2）。
13.如权利要求11的方法，其中，在所述清洗气体中使用的所述卤素气体包括浓度在1摩尔％和10摩尔％之间的氯气（Cl2）。
14.如权利要求11的方法，进一步包括：
加热处理室的表面包括将所述表面加热到100℃和1200℃之间的温度；以及
所述加热设置在所述处理容积中的所述一个或多个基板包括将所述一个或多个基板加热到500℃和1200℃之间的温度。
15.如权利要求11的方法，其中，形成III族氮化物层包括：流入三烷基III族化合物和流入V族前体气体，以在所述一个或多个基板的表面和所述腔室部件的表面上沉积III族氮化物层。
16.如权利要求15的方法，其中，所述三烷基III族化合物包括三烷基镓化合物、三烷基铟化合物或三烷基铝化合物。
17.如权利要求11的方法，其中，三烷基III族化合物包括三烷基镓，其中烷基选自由甲基、乙基、丙基和丁基组成的组。
18.如权利要求11的方法，其中，所述腔室部件包括顶板，所述顶板中形成有多个孔，所述多个孔构造用于接收来自清洗气体源的清洗气体和传送所述清洗气体到所述沉积室的处理区域。
19.如权利要求18的方法，进一步包括：在将所述腔室部件暴露到所述清洗气体之前，使用等离子体给所述清洗气体增加能量。
20.如权利要求11的方法，其中将所述腔室部件暴露到清洗气体进一步包括：使用一个或多个灯来加热所述腔室部件。
21.如权利要求20的方法，进一步包括：将所述腔室部件加热到500℃和1200℃之间的温度。
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