CN102449743A - 用于后续高温第三族沉积的基材预处理 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及制造诸如发光二极管(LEDs)或激光二极管(LDs)的器件的基材预处理设备与方法。本发明的一个实施例包括通过将含氧化铝基材的表面暴露于预处理气体混合物来预处理含氧化铝基材，其中预处理气体混合物包括氨(NH3)与卤素气体。

Description

用于后续高温第三族沉积的基材预处理
发明背景
发明所属领域
本发明的实施例关于诸如发光二极管(LEDs)或激光二极管(LDs)的器件的制造。更明确地说，本发明的实施例关于制造诸如发光二极管(LEDs)或激光二极管(LDs)的器件的基材的预处理设备与方法。
相关领域技术描述
现今发现III族氮化物半导体在诸如短波发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)的多种半导体器件以及包括高功率、高频率与高温晶体管与集成电路的电子器件的的开发与制造中越来越重要。通过沉积III族氮化物于蓝宝石基材上来制造发光二极管(LEDs)与激光二极管(LDs)。可通过氢化物气相外延法(HVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、化学气相沉积(CVD)和/或物理气相沉积(PVD)将III族氮化物沉积于含氧化铝基材上，例如，蓝宝石基材上。
在沉积III族氮化物之前，需要预处理含氧化铝基材以产生低缺陷密度的III族氮化物层。然而，处理含氧化铝基材的传统方法会在反应腔室的壁、排气管线与泵上留下副产物，污染制程并降低设施的产能。
因此，通常需要能减少副产物形成并处理含氧化铝基材的方法与设备。
发明内容
本发明主要提供用于制造诸如发光二极管(LEDs)或激光二极管(LDs)的器件的设备与方法。更明确地说，本发明的实施例关于用于制造诸如发光二极管(LEDs)或激光二极管(LDs)的器件的基材的预处理设备与方法。
本发明的一个实施例提供用于形成III族金属氮化物薄膜的方法，包括加热一个或多个含氧化铝基材至预处理温度；并当一个或多个含氧化铝基材各自的表面在预处理温度时，将该表面暴露于预处理气体混合物以形成预处理表面，其中该预处理气体混合物包括氨(NH3)与卤素气体。在某些实施例中，卤素气体包括氯气(Cl2)。
本发明的另一个实施例提供形成III族金属氮化物薄膜的方法，包括加热一个或多个含氧化铝基材至预处理温度；当一个或多个含氧化铝基材各自的表面在预处理温度时，将该表面暴露于预处理气体混合物以形成预处理表面，其中该预处理气体混合物包括氨(NH3)、金属卤化物气体及含蚀刻剂气体，含蚀刻剂气体包括卤素气体；并且于预处理表面上形成金属氮化物层。
本发明的另一个实施例提供形成化合氮化物结构的方法，包括提供具有含氧化铝表面的基材；通过利用包括氨与氯的气体混合物蚀刻含氧化铝表面，以形成AlON或AlN而在含氧化铝表面上形成缓冲薄膜；并且自包括镓源与氮源的前驱物气体混合物形成氮化镓薄膜。
本发明的又一个实施例提供形成化合氮化物结构的方法，包括提供复数个蓝宝石基材；将复数个蓝宝石基材置于处理腔室中；在加热复数个蓝宝石基材时将第一气体混合物流至处理腔室；将预处理气体混合物流至处理腔室，其中预处理气体混合物包括氨与卤素气体；并且流动前驱物气体混合物以在复数个蓝宝石基材上形成III族金属氮化物薄膜，其中该前驱物气体混合物包括III族金属源与氮源。
附图简述
为了更详细地了解本发明的上述特征，可参照实施例(某些描绘于附图中)来理解本发明简短概述于上的特定描述。然而，需注意附图仅描绘本发明的典型实施例而因此不被视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其它等效实施例。
图1A是基于GaN的LED结构的示意剖面侧视图。
图1B是基于GaN的LD结构的示意剖面侧视图。
图2是根据本发明的一个实施例预处理基材的方法的流程图。
图3是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
图4是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
图5是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
图6是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
图7是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
图8是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
图9是根据本发明的一个实施例的群集工具。
图10是根据本发明的一个实施例的HVPE腔室的示意剖面图。
具体实施方式
本发明的实施例关于诸如发光二极管(LEDs)或激光二极管(LDs)的器件的制造。更明确地说，本发明的实施例关于制造诸如发光二极管(LEDs)或激光二极管(LDs)的器件的含氧化铝基材的预处理设备与方法。
本发明的一个实施例提供通过将含氧化铝表面暴露于预处理气体混合物来处理具有含氧化铝表面的基材，该预处理气体混合物包括氨与含蚀刻剂气体，其中含蚀刻剂气体包括卤素气体。卤素气体可选自由氟气、氯气、溴气、碘气、它们的组合与它们的混合所构成的群组。氨与卤素的气体混合物蚀刻含氧化铝基材，并在含氧化铝基材上形成氮化铝(AlN)和/或氮氧化铝(AlON)层或形成氮化铝(AlN)和/或氮氧化铝(AlON)区。AlON或AlN层可作为随后III族金属氮化物沉积的缓冲层。缓冲层可用来减少基材材料与沉积膜层间的晶格不匹配产生的结晶缺陷数目，并亦可用来减少或调谐随后沉积层中的薄膜应力。利用氨与卤素气体对含氧化铝基材的预处理可用于任何沉积技术的准备，诸如HVPE、MOCVD、CVD与PVD。
本发明的实施例比含氧化铝基材的传统预处理与氮化反应更具优点，因为在预处理制程中利用卤素气体可显著地减少有害副产物的形成。举例而言，在沉积III族氮化物层于蓝宝石基材上之前利用HCl与氨的蓝宝石基材传统预处理中，形成副产物氯化铵(NH4Cl)。氯化铵可升华成固态粉末并附着于反应腔室壁、排气管线与真空泵。氯化铵粉末亦可传送通过整个处理统，例如至基材、载具或机器人。通过显著地减少有害副产物的形成，本发明的实施例可改善产量并提高适用制程(例如，LEDs与LDs的制造)的质量。
在一个实施例中，结合将含氧化铝基材暴露于预处理气体混合物来执行氮化制程。可通过将含氧化铝基材暴露于包含氮源的氮化气体混合物中来执行氮化制程。氮源可为氨。可在预处理制程之前或之后执行氮化制程。
在一个实施例中，在预处理之后形成III族金属氮化物缓冲层。III族金属氮化物缓冲层可为氮化铝缓冲层或氮化镓缓冲层。可通过将基材暴露于包含铝前驱物的缓冲气体混合物而在含氧化铝基材上形成氮化铝缓冲层。可通过将基材暴露于包含镓前驱物与氮源的缓冲气体混合物而在含氧化铝基材上形成氮化镓缓冲层。在另一个实施例中，通过同时流动氮源(例如，氨)、卤素气体(例如，氯气)、及III族金属卤化物前驱物(诸如，氯化铝或氯化镓)以与预处理同时形成III族金属氮化物缓冲层。在一个实施例中，预处理制程进一步包括氮化制程与缓冲层形成制程。缓冲层可包括氮化铝(AlN)和/或氮氧化铝(AlON)或氮化镓(GaN)。
图1A是基于氮化镓的LED结构100的示意剖面侧视图。LED结构100形成于含氧化铝基材104上。基材104可由固态氧化铝形成，例如具有(0001)的C-轴晶体方向的单晶蓝宝石基材。基材104亦可为复合式基材，该复合式基材具有包含氧化铝的表面以在该表面上制造化合氮化物结构。任何已知方法，诸如，掩模与蚀刻，可用来自平坦基材形成特征结构以产生图案化基材。在特定实施例中，图案化基材是(0001)图案化蓝宝石基材(PSS)。在制造LEDs中使用图案化蓝宝石基材是理想的，因为图案化蓝宝石基材提高光提取效率，这在制造新一代的固态发光器件中是有用的。
在一个实施例中，在预处理制程之后在基材104上形成LED结构100。当基材104正被加热时，可通过将基材104暴露于包含氨与载气的清洁气体混合物来执行热清洁步骤。在一个实施例中，预处理制程包括在加热基材至高温范围时将基材暴露于预处理气体混合物。在一个实施例中，预处理气体混合物是包含卤素气体的蚀刻剂。在一个实施例中，预处理气体混合物包括卤素气体与氨。如图1A中所示，形成于基材104上的LED结构100通常包括在经清洁与预处理基材104上沉积的缓冲层112。可通过HVPE制程或MOCVD制程形成缓冲层112。一般而言，可通过提供镓与氮前驱物与热量至处理腔室来实现沉积以沉积缓冲层112。一般缓冲层112的厚度约
Figure BPA00001473368000051
该厚度在约550℃的温度下沉积约五分钟。在本发明的一个实施例中，缓冲层112是基材104预处理制程之后或期间形成的氮化铝(AlN)层。
n-GaN(N-型掺杂GaN)层116随后沉积于GaN缓冲层112上。可通过HVPE制程或MOCVD制程形成n-GaN层116。在一个实施例中，可在较高温度(例如，约1050℃)下沉积n-GaN层116。n-GaN层116是相对厚的，约4μm水平的沉积厚度需要约140分钟。
InGaN多量子阱(MQW)层120随后沉积于n-GaN层116上。InGaN MQW层120的厚度约
Figure BPA00001473368000061
且在约750℃下耗时约40分钟形成。
p-AlGaN(P-型掺杂AlGaN)层124沉积于多量子阱层120上。p-AlGaN层124的厚度约
Figure BPA00001473368000062
且在约950℃温度下耗时约五分钟形成。
p-GaN(P-型掺杂GaN)接触层128接着沉积于p-AlGaN层124上。p-GaN接触层128的厚度约0.4μm，需要在约1050℃下耗时约25分钟形成。
图1B是形成于含氧化铝基材105上的基于GaN的LD结构150的示意剖面侧视图。含氧化铝基材105可相似于图1A的含氧化铝基材104。可由固态氧化铝(例如，蓝宝石(0001))形成基材105。基材105亦可为复合式基材，该复合式基材具有包含氧化铝的表面以在该表面上制造化合氮化物结构。
在一个实施例中，在热清洁步骤与预处理制程之后，在基材105上形成LD结构150。当基材105正被加热时，可通过将基材105暴露于包含氨与载气的清洁气体混合物来执行热清洁步骤。在一个实施例中，预处理制程包括在加热基材至高温时将基材暴露于预处理气体混合物。在一个实施例中，预处理气体混合物是包含卤素气体的蚀刻剂。
LD结构150是形成于基材105上的III族金属氮化物层的堆栈结构。LD结构150起始于n-型G aN接触层152。LD结构150进一步包括n-型披覆层154。披覆层154可包括AlGaN。未掺杂导引层156形成于披覆层154上。导引层156可包括InGaN。具有多量子阱(MQW)结构的有源层158形成于导引层156上。未掺杂导引层160形成于有源层158上。p-型电子阻挡层162形成于未掺杂导引层160上。p-型接触GaN层164形成于p-型电子阻挡层162上。
图2是根据本发明的一个实施例处理基材的方法200的流程图。
文字块210中，将一个或多个含氧化铝基材装载于处理腔室中。在一个实施例中，含氧化铝基材可为蓝宝石基材。在一个实施例中，可将复数个蓝宝石基材置于基材载具中并传送进入处理腔室。基材载具通常适用于在处理过程中支撑基材。基材载具616(图10)可包括一个或多个凹口，在处理过程中可将一个或多个基材置于凹口中。基材载具可携带六个或更多个基材。在一个实施例中，基材载具携带八个基材。可理解基材载具上可携带更多或更少的基材。基材直径尺寸范围在50mm-100mm之间或更大，而基材载具的直径尺寸范围在200mm-500mm之间。可自多种材料(包括SiC或SiC涂覆的石墨)形成基材载具616。
在一个实施例中，可指定处理腔室清洁与处理基材以进行随后的沉积。随后将清洁与处理后的基材传送至一个或多个沉积腔室，以沉积用于形成LED或LD结构的层。在另一个实施例中，可将一个或多个含氧化铝基材装载于处理腔室中，其中随后形成LED或LD结构薄膜的至少一层。
在文字块220中，当将载气输送进处理腔室的处理空间时，可在处理腔室中加热一个或多个含氧化铝基材。载气可包括氮气、惰性气体(例如，氩或氦)或它们的组合)。在一个实施例中，在加热基材时可对一个或多个含氧化铝基材执行热清洁。在一个实施例中，在加热一个或多个基材至清洁温度时，可通过流动清洁气体混合物进入处理腔室来执行热清洁。在一个实施例中，清洁气体混合物包括氨与载气。在一个实施例中，载气包括氮气(N2)。清洁温度可在约900℃与约1100℃之间。在一个实例中，清洁温度可在约900℃与约1050℃之间。在另一个实例中，清洁温度可高于约900℃。在一个实例中，在将基材维持于约1050℃温度下时，通过流动清洁气体混合物约10分钟来执行热清洁制程。热清洁步骤可花费额外时间，例如约10分钟，以致逐渐提高与逐渐降低温度。在一个实施例中，取决于处理腔室的硬件，温度逐渐提高速率是约1℃/秒至约5℃/秒或其它上升速率。在一个实施例中，可在温度逐渐上升与逐渐下降时间内将清洁气体输送进处理腔室。
在文字块230中，将一个或多个基材在进行预处理的高温下暴露于预处理气体混合物，以供高质量GaN薄膜形成在含氧化铝基材上。在一个实施例中，预处理制程的执行温度范围在约500至约1200℃之间。在一个实施例中，预处理制程的执行温度范围在约600℃至约1150℃之间。在一个实施例中，预处理制程的执行温度范围在约900至约1000℃之间。在一个实例中，预处理制程温度可大于约900℃。
预处理气体混合物可包括氨与卤素气体，卤素气体可选自由氟气(F2)、氯气(Cl2)、溴气(Br2)、碘气(I2)、它们的组合与它们的混合所构成的群组。
在一个实施例中，预处理气体混合物包括氨与氯气，且预处理包括通过在氨与氯存在的情况下蚀刻含氧化铝基材以将含氧化铝基材转换成AlON或AlN。在一个实施例中，将一个或多个含氧化铝基材暴露于预处理气体混合物包括在约500sccm至约9000sccm间的流率下流动氨气及在约200sccm至约1000sccm间的流率下流动氯气。在一个实施例中，预处理可执行达约1分钟至约20分钟。
在文字块240中，在含氧化铝基材的经处理的表面上形成III族金属氮化物薄膜。可通过HVPE制程、MOCVD制程、CVD制程或PVD制程来形成III族金属氮化物薄膜。在一个实施例中，可通过提供III族金属与氮前驱物流至处理腔室并利用热处理来实现沉积以沉积III族金属氮化物薄膜。在一个实例中，III族金属前驱物可为金属卤化物前驱物气体，这将在下文详述。在一个实施例中，在执行预处理的相同腔室中形成III族金属氮化物薄膜。在另一个实施例中，可在与执行热清洁与预处理的处理腔室不同的处理腔室中形成III族金属氮化物薄膜。
在一个实施例中，可通过HVPE制程在文字块240所述的制程期间形成GaN薄膜。在一个实施例中，HVPE制程包括在约550℃至约1100℃之间的温度下，在一个或多个基材上流动含镓前驱物与氮源。在一个实施例中，在文字块230执行的预处理制程温度小于HVPE制程温度，例如少100℃。在一个实施例中，HVPE制程包括在约950℃至约1100℃之间的温度下，在一个或多个基材上流动含氯化镓前驱物与氮源。在一个实施例中，可通过在维持在50℃至约1000℃之间温度下的液态镓上以约20sccm至约150sccm之间的流率流动氯气来产生含镓前驱物。沉积处理过程中，腔室压力可维持于约10托至约760托之间，例如约70托至约550托之间，例如约450托，且腔室壁温度维持在等于或高于约450℃。氮源可为流率在约1SLM至约20SLM之间的氨。在另一个实施例中，氮源可为衍生自含氮材料的远程等离子体的一个或多个活性氮核素，含氮材料诸如氮气(N2)、一氧化二氮(N2O)、氨(NH3)、联氨(N2H4)、二酰亚胺(N2H2)、叠氮酸(HN3)等等。虽然术语氢化物气相外延法(HVPE)用于描述本文所述的一种类型的沉积制程，但本文在此所述的处理在沉积制程中通常利用卤素气体(例如，Cl2)取代含氢化物沉积气体(例如，HCl)，因此此术语并不意图限制本文所述的发明的范围。
图10是HVPE设备600的示意剖面图，该设备可用来沉积金属氮化物薄膜，例如利用文字块240中所述的处理形成的GaN薄膜。HVPE设备600包括盖604所封围的腔室602。腔室602与盖604限定处理空间607。喷头606配置于处理空间607的上部区域中。基座614与喷头606相对，配置于处理空间607中。设置基座614以在处理过程中支撑复数个基材615于该基座上。在一个实施例中，复数个基材615配置于基材载具616上，基材载具616由基座614所支撑。可通过电动机680旋转基座614，且基座614可由多种材料所形成，包括SiC或SiC涂覆的石墨。
在一个实施例中，HVPE设备600包括加热组件628，设置该加热组件以加热基座614上的基材615。在一个实施例中，腔室底部602a由石英所形成，且加热器件628是配置于腔室底部602a下方且通过石英腔室底部602a加热基材615的灯组件。在一个实施例中，加热器件628包括灯阵列，分配该灯阵列以提供跨基材、基材载具和/或基座的均匀温度分布。
HVPE设备600进一步包括前驱物供应管道622、624，该前驱物供应管道配置于腔室602的侧壁608内部。管道622和624与处理空间607和入口管621流体连通，入口管621建立于前驱物源模块632中。喷头606与处理空间607和第一气体源610流体连通。处理空间607通过出口626与排气装置651流体连通。
HVPE设备600进一步包括嵌于腔室602的壁608中的加热器630。如果需要，嵌于壁608中的加热器630可在沉积处理过程中提供额外热量。热电偶可用来测量处理腔室内的温度。热电偶的输出可反馈至控制器641，该控制器基于来自热电偶(未显示)的读数，通过调整输送至加热器630(例如，电阻式加热元件)的功率来控制腔室602的壁的温度。举例而言，若腔室太冷，将打开加热器630。若腔室太热，将关掉加热器630。此外，加热器630提供的热量可被控制以最小化由加热器630提供的热量。
通过气体分配喷头606将来自第一气体源610的处理气体输送至处理空间607。在一个实施例中，第一气体源610可包括含氮化合物。在一个实施例中，设置第一气体源610以输送包括氨或氮的气体。在一个实施例中，亦可通过气体分配喷头606或通过配置于腔室602的壁608上的管道624导入惰性气体，诸如，氦或双原子氮。能量源612可配置于第一气体源610与气体分配喷头606之间。在一个实施例中，能量源612可包括加热器或远程RF等离子体源。能量源612可提供能量至自第一气体源610输送的气体，以便形成自由基或离子，以致含氮气体中的氮更具反应性。
源模块632包括卤素气体源618以及惰性气体源619，该卤素气体源连接至源舟(source boat)634的阱634A，该惰性气体源连接至阱634A。诸如铝、镓或铟的源材料623配置于阱634A中。加热源620围绕源舟634。入口管621经由管道622、624连接阱634A至处理空间607。
在一个实施例中，在处理过程中，自卤素气体源618输送卤素气体(诸如，Cl2、Br2、F2或I2)至源舟634的阱634A以产生金属卤化物气体或金属卤化物前驱物气体。在一个实施例中，金属卤化物气体是III族金属卤化物气体，诸如氯化镓(诸如，GaCl、GaCl3)、氯化铟(例如，ICl3)或氯化铝(例如，AlCl3)。卤素气体与固态或液态源材料623的交互作用可形成金属卤化物前驱物。可通过加热源620加热源舟634以加热源材料623，并可形成金属卤化物前驱物。接着通过入口管621将金属卤化物前驱物输送至HVPE设备600的处理空间607。在一个实施例中，自惰性气体源619输送的惰性气体(诸如，Ar、He、N2)用来载送或推动阱634A中形成的金属卤化物前驱物通过入口管621与管道622与624至HVPE设备600的处理空间607。可通过喷头606引导含氮前驱物气体(诸如，氨(NH3)、N2)进入处理空间607，同时亦可提供金属卤化物前驱物至处理空间607，以致可在配置于处理空间607中的基材615的表面上形成金属氮化物层。
图3是根据本发明的一个实施例的方法300的流程图。方法300包括在对一个或多个含氧化铝基材预处理之前执行氮化制程。
在文字块310中，将一个或多个含氧化铝基材装载于处理腔室中。在一个实例中，处理腔室与上述的HVPE设备600类似。在一个实施例中，含氧化铝基材是蓝宝石基材。
在文字块320中，以与上述方法200的文字块220中的制程相似的制程加热或热清洁一个或多个含氧化铝基材。
在文字块325中，在一个或多个含氧化铝基材上执行氮化制程。在氮化过程中，可加热一个或多个含氧化铝基材至约850℃至约1100℃之间的温度，同时流动氮化气体混合物至处理腔室达约5分钟至约15分钟。在一个实施例中，氮化气体混合物包括氨与载气。在一个实施例中，载气是氮气。在一个实施例中，氮化气体混合物的总体流率在约3SLM至约16SLM之间。
在文字块330中，在氮化制程之后，在高温下将基材暴露于预处理气体混合物，以便形成高质量GaN薄膜于含氧化铝基材上。在一个实施例中，预处理制程包括在氨与氯存在的情况下通过蚀刻含氧化铝基材以将含氧化铝基材转换成AlON或AlN。文字块330中的制程与上述方法200的文字块230所述的制程相似。
在文字块340中，在含氧化铝基材的经处理表面上形成III族金属氮化物薄膜。在文字块340中执行的处理可与上述结合方法200的文字块240描述的处理相似。
图4是根据本发明的一个实施例的方法300a的流程图。除了在预处理之后才执行氮化制程以外，方法300a与方法300相似。
在文字块310中，将一个或多个含氧化铝基材装载于处理腔室中。在一个实例中，处理腔室与上述的HVPE设备600类似。在一个实施例中，含氧化铝基材是蓝宝石基材。
在文字块320中，类似于方法200的文字块220中执行的制程，可加热一个或多个含氧化铝基材或可在加热过程中对一个或多个含氧化铝基材执行热清洁。
在文字块330a中，类似于方法200的文字块230中执行的预处理，在高温下将一个或多个基材暴露于预处理气体混合物以让高质量GaN薄膜形成于含氧化铝基材上。正如文字块330与文字块230中，通过在氨与氯存在的情况下蚀刻含氧化铝基材以在含氧化铝基材上形成AlON或AlN层。
在文字块335中，预处理之后，在一个或多个含氧化铝基材上执行氮化制程。文字块335中的氮化制程与方法300的325的氮化制程相似。氮化过程中，可将一个或多个含氧化铝基材加热至约850℃至约1100℃之间的温度，同时将氮化气体混合物流至处理腔室达约5分钟至约15分钟。
与方法200的文字块240的III族金属氮化物薄膜形成制程相似，在文字块340中，在含氧化铝基材的经处理表面上形成III族金属氮化物薄膜。
图5是描述根据本发明的一个实施例的方法400的制程的流程图。方法400公开在形成用于LED或LD结构的GaN薄膜之前对一个或多个含氧化铝基材的处理。方法400包括在形成用于LED或LD结构的III族金属氮化物薄膜之前的热清洁、氮化与形成缓冲层于一个或多个含氧化铝基材上。
在文字块410中，将一个或多个含氧化铝基材装载于处理腔室中。在一个实例中，处理腔室与上述的HVPE设备600相似。
在文字块420中，利用与方法200的文字块220所述的热清洁制程相似的制程来加热和/或清洁一个或多个含氧化铝基材。
在文字块425中，接着通过在加热基材时将一个或多个含氧化铝基材暴露于氮化气体混合物而在一个或多个含氧化铝基材上执行氮化制程。氮化制程可与方法300的文字块325所述的氮化制程相似。
在文字块436中，接着在一个或多个含氧化铝基材上形成缓冲层。缓冲层可包括氮化铝(AlN)和/或氮氧化铝(AlON)或氮化镓(GaN)。
在一个实施例中，缓冲层包括通过HVPE形成的AlN，HVPE利用氨作为氮源并通过在铝金属源上流动卤素产生卤化铝气体。举例而言，可利用图6所示的HVPE设备600来形成缓冲层。通过产生金属卤化物前驱物(例如，氯化铝前驱物)并将金属卤化物前驱物与含氮前驱物气体流至处理腔室602中的处理区607，同时将一个或多个基材维持在约550℃至约950℃之间的温度来形成缓冲层。在一个实施例中，通过以约70sccm至约140sccm之间的流率将氯气(Cl2)流过维持在约50℃至约650℃之间温度下的固态铝来产生氯化铝前驱物。在一个实施例中，将铝源材料维持在约450℃至约650℃之间。在一个实施例中，将铝源材料配置在基材处理区远程的位置，可将铝源的处理温度维持在约50℃至约150℃之间。
在一个实施例中，可在加热一个或多个基材至约550℃至约1100℃之间的温度时，通过将氯化镓前驱物与氮源流至处理腔室来形成缓冲层。清洁温度可在约900至约1100℃之间。在一个实施例中，可在加热一个或多个基材至约950至约1100℃之间的温度时，通过将氯化镓前驱物与氮源流至处理腔室来形成缓冲层。在一个实例中，温度维持在约1050℃下。在一个实施例中，可以约5sccm至约300sccm之间的流率将氯气流过维持在约550℃至约1000℃之间温度下的镓来产生氯化镓前驱物。在一个实施例中，可以约5sccm至约300sccm之间的流率将氯化氢气体流过维持在约550℃至约1000℃之间温度下的镓来产生氯化镓前驱物。
在一个实施例中，氮源可为氨。在另一个实施例中，氮源可为衍生自含氮材料的远程等离子体的一个或多个活性氮核素，含氮材料诸如氮气(N2)、一氧化二氮(N2O)、氨(NH3)、联氨(N2H4)、二酰亚胺(N2H2)、叠氮酸(HN3)等等。在一个实施例中，氮源的流率可在约3000sccm至约9000sccm之间。
与方法200的文字块240的III族金属氮化物薄膜形成制程相似，在文字块440中，在含氧化铝基材的经处理表面上形成III族金属氮化物薄膜。
图6是描述根据本发明的一个实施例的方法500的制程流程图。方法500公开在形成用于LED或LD结构的GaN薄膜之前对一个或多个含氧化铝基材的处理。方法500包括在形成用于LED或LD结构的III族金属氮化物薄膜之前的热清洁、氮化、预处理与形成缓冲层于一个或多个含氧化铝基材上。
在文字块510中，将一个或多个含氧化铝基材置于处理腔室中。在一个实例中，处理腔室与上述的HVPE设备600相似。
在文字块520中，利用与方法200的文字块220所述的热清洁制程相似的制程来加热和/或清洁一个或多个含氧化铝基材。
在文字块525中，接着通过在加热基材时将一个或多个含铝基材暴露于氮化气体混合物而在一个或多个含氧化铝基材上执行氮化制程。氮化制程可与方法300的文字块325所述的氮化制程相似。
在文字块530中，在进行预处理的高温下将一个或多个基材暴露于预处理气体混合物以供高质量GaN薄膜形成于含氧化铝基材上。正如在文字块330与文字块230中年，通过在氨与氯存在的情况下蚀刻含氧化铝基材以在含氧化铝基材上形成AlON或AlN层。
在文字块536中，接着在预处理的含氧化铝基材上形成缓冲层。缓冲层可包括氮化铝(AlN)和/或氮氧化铝(AlON)或氮化镓。在一个实施例中，通过上述方法400的文字块436的处理之一来形成缓冲层。
与方法200的文字块240的III族金属氮化物薄膜形成的制程相似，在文字块540中，在含氧化铝基材的经处理表面上形成III族金属氮化物薄膜。
图7描述根据本发明的一个实施例的方法700的制程流程图。除了氮化制程在预处理制程之后执行以外，方法700与图6的方法500相似。
在文字块710中，将一个或多个含氧化铝基材置于处理腔室中。在一个实例中，处理腔室与上述的HVPE设备600相似。
在文字块720中，利用与方法200的文字块220所述的热清洁制程相似的处理来加热和/或清洁一个或多个含氧化铝基材。
与方法500的文字块530所述的预处理制程相似，在文字块730中，在进行预处理的高温下将一个或多个基材暴露于预处理气体混合物以供高质量GaN薄膜形成于含氧化铝基材上。
在文字块735中，接着通过在加热基材时将一个或多个含铝基材暴露于氮化气体混合物而于一个或多个含氧化铝基材上执行氮化制程。氮化制程可与方法300的文字块325所述的氮化制程相似。
在文字块736中，接着在一个或多个含氧化铝基材上形成缓冲层。缓冲层可包括氮化铝(AlN)和/或氮氧化铝(AlON)或氮化镓。可以与方法500的文字块536所述相似的方式形成缓冲层。
与方法200的文字块240的III族金属氮化物薄膜形成制程相似，在文字块740中，在含氧化铝基材的经处理表面上形成III族金属氮化物薄膜。
图8是根据本发明的一个实施例的方法800的流程图。方法800公开在形成用于LED或LD结构的GaN薄膜之前对一个或多个含氧化铝基材的处理。方法800包括在形成用于LED或LD结构的III族金属氮化物薄膜之前的预处理与形成缓冲层于一个或多个含氧化铝基材上的复合式制程。
在文字块810中，将一个或多个含氧化铝基材置于处理腔室中。在一个实例中，在与上述的HVPE设备600相似的腔室中执行制程。
在文字块820中，一个或多个含氧化铝基材历经与方法200的文字块220中所述的热清洁制程相似的加热或热清洁制程。
在文字块830中，将一个或多个基材暴露于预处理/缓冲气体混合物以对含氧化铝表面进行预处理并形成缓冲层。在一个实施例中，预处理/缓冲气体混合物包括氮源、卤素气体与含铝或镓前驱物。氮源可为氨。卤素气体可选自氟气、氯气、溴气、碘气、它们的组合与它们的混合所构成的群组。与文字块536的说明所述的铝前驱物相似，含铝前驱物可为将氯气流过维持在高温下的固态铝产生的氯化铝前驱物。
在文字块840中，与方法200的文字块240的III族金属氮化物薄膜形成制程相似，在含氧化铝基材的经处理表面上形成III族金属氮化物薄膜。
如上所述，根据本发明的实施例所述的方法可执行于单一腔室中，或可执行于群集工具中的两个或更多变体中。
在一个实施例中，当方法的处理执行于单一腔室中时，可在历经温度逐渐上升、温度逐渐下降、热清洁、预处理、氮化、缓冲层沉积与GaN沉积过程的制程过程中持续流动氨和/或氮气体。
在另一个实施例中，可先在腔室中处理一个或多个基材，接着移动至工具中不同腔室以进行随后的处理。图9是可用于根据本发明的一个实施例的制程的群集工具900。群集工具900被设置以形成用于LED和/或LD的氮化物化合物结构。
在一个实施例中，根据本文所述实施例的群集工具900包括一个HVPE腔室902与多个MOCVD腔室903a与903b，这些腔室连接至移送室906以制造化合氮化物半导体器件。虽然显示一个HVPE腔室902与两个MOCVD腔室903a及903b，但应理解一个或多个MOCVD腔室与一个或多个HVPE腔室的任何组合亦可耦接至移送室906。举例而言，在一个实施例中，群集工具900可包括3个MOCVD腔室。在另一个实施例中，本文所述的处理可执行于单一MOCVD腔室中。亦应当理解虽然显示为群集工具，但亦可利用线性处理系统执行本文所述的实施例。
在一个实施例中，额外的腔室904耦接至移送室906。额外的腔室904可为MOCVD腔室、HVPE腔室、测量腔室、除气腔室、定向腔室、冷却腔室、预处理/预清洁腔室、退火后腔室等等。在一个实施例中，移送室906具有六边且外形为六角形，并具有六个位置让处理腔室架设。在另一个实施例中，移送室906可具有其它形状，并具有五个、七个、八个或更多侧边与相对应数目的处理腔室架设位置。
HVPE腔室902适用于执行HVPE处理，其中气态金属卤化物用于在加热的基材上外延生成厚的化合氮化物半导体材料层。HVPE腔室902包括腔室主体914，其中置放基材以经历处理；化学输送模块918，可自该化学输送模块输送气体前驱物至腔室主体914；以及电子模块922，该电子模块包括用于群集工具900的HVPE腔室的电子系统。在一个实施例中，HVPE腔室902可与图10所述的HVPE设备600相似。
各个MOCVD腔室903a、903b包括形成处理区的腔室主体912a、912b，将基材置于处理区中以经历处理；化学输送模块916a、916b，自该化学输送模块输送诸如前驱物、净化气体与清洁气体的气体至腔室主体912a、912b；以及用于各个MOCVD腔室903a、903b的电子模块920a、920b，该电子模块包括用于群集工具900的各个MOCVD腔室的电子系统。各个MOCVD腔室903a、903b适用于执行CVD处理，其中金属有机前驱物(诸如，TMG、TMA)与金属卤化物元素反应以形成薄的化合氮化物半导体材料层。
群集工具900进一步包括安装在移送室906中的机器人器件907、与移送室906耦接的负载锁定腔室908、与移送室706耦接且用于储存基材的批量负载锁定腔室909。群集工具900进一步包括与负载锁定腔室908耦接且用于装载基材的负载台910。机器人器件907可操作用来捡拾并传送基材于负载锁定腔室908、批量负载锁定腔室909、HVPE腔室902与MOCVD腔室903a、903b之间。在一个实施例中，负载台910是自动化负载台，该负载台被设置以自盒装载基材至基材载具或直接至负载锁定腔室908，并自基材载具或自负载锁定腔室908卸载基材至盒。
移送室906可在制程过程中保持在真空和/或低于大气压力的压力下。移送室906的真空水平可经调节以符合对应处理腔室的真空水平。在一个实施例中，移送室906维持具有用于基材传送的大于90％N2的环境。在另一个实施例中，移送室906维持用于基材传送的高纯度NH3环境。在一个实施例中，在高于90％NH3的环境中传送基材。在另一个实施例中，移送室906维持用于基材传送的高纯度H2环境。在一个实施例中，在高于90％H2的环境中传送基材。
群集工具900进一步包括系统控制器960，该系统控制器控制行动与操作参数。系统控制器960包括计算机处理器与耦接至该处理器的计算机可读存储器。处理器执行系统控制软件，例如储存于存储器中的计算机程序。
在一个实施例中，处理腔室902、903a、903b或904之一被设置以在形成LED/LD结构之前根据上述方法清洁与预处理基材。在一个实施例中，可在HVPE腔室902中清洁、预处理、氮化和/或以缓冲层覆盖基材，接着移动基材至处理腔室903a、903b或904以形成用于LED/LD结构的III族金属氮化物层。在另一个实施例中，可在HVPE腔室902中清洁、预处理、氮化和/或以缓冲层覆盖基材之后在处理腔室902中形成一个或多个LED/LD结构层，接着移动基材至处理腔室903a、903b或904以形成用于LED/LD结构的后续层。
制造LED或LD结构的制程过程中，首先将复数个蓝宝石基材装载进处理腔室。接着以约1℃/秒至约5℃/秒之间的温度上升速率加热蓝宝石基材。在温度上升过程中以约3000sccm至约9000sccm之间的流率将氨流至处理腔室。
接着在850℃至约1100℃之间的温度下通过流动氨与氮载气持续约5至15分钟对蓝宝石基材执行热清洁。氨流率可在约1SLM至约10SLM之间。
接着在约625℃至约1150℃之间的温度范围内，通过以200sccm至约1000sccm之间的流率流动氯气并以500sccm至约12,000sccm之间的流率流动氨，对蓝宝石基材执行预处理制程。
接着在约700℃至约1100℃之间的温度下，通过流动含镓前驱物与氨的HVPE制程，将GaN薄膜形成于蓝宝石基材上。以约20sccm至约150sccm之间的流率将氯气流过维持在550℃至约1100℃之间温度下的固态镓来产生含镓前驱物。以约3SLM至约25SLM之间范围内的流率将氨流至处理腔室。GaN的生成速率在约0.3微米/小时至约150微米/小时之间。
可选择性地，通过流动氨与氮载气持续约5至15分钟并加热或维持蓝宝石基材温度于850℃至约1100℃之间的温度，在一个或多个先前制程步骤之前执行氮化制程。氨与氮流率可在约100sccm至约500sccm之间。
上述清洁、预处理、氮化与沉积过程中，处理腔室中的压力可在约70托至约760托之间。
应注意在处理过程中，可通过惰性气体稀释上文参照本发明的实施例描述的活性气体，诸如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、氦、氮或它们的组合。
虽然上述是针对本发明的实施例，但可在不悖离本发明的基本范围下设计出本发明的其它与更多实施例，而本发明的范围由随后的权利要求书所限定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种形成III族金属氮化物薄膜的方法，包括：
加热一个或多个蓝宝石基材至预处理温度；以及
当所述一个或多个蓝宝石基材各自的表面在所述预处理温度时，将所述表面暴露于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)与卤素气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述卤素气体是氯(Cl2)。
3.如权利要求1所述的方法，其中暴露所述一个或多个蓝宝石基材的表面进一步包括形成预处理表面的区，所述区包括氮氧化铝或氮化铝。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述一个或多个蓝宝石基材各自的预处理表面上形成III族金属氮化物层。
5.如权利要求4所述的方法，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。
6.如权利要求4所述的方法，其中形成所述III族金属氮化物层的步骤进一步包括将所述一个或多个蓝宝石基材暴露于一含氮前驱物气体与III族金属卤化物气体。
7.如权利要求6所述的方法，其中：
所述含氮前驱物气体包括氨；以及
所述III族金属卤化物气体是通过将金属源暴露于包括氯(Cl2)的第一处理气体而形成的，并且其中所述金属源包括选自镓、铝与铟所构成的群组的元素。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述预处理表面暴露于包括氨与载气的气体混合物。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述载气包括氮。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述一个或多个蓝宝石基材的温度被加热至所述预处理温度时，输送包括氨(NH3)的清洁气体。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述清洁气体进一步包括氮。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述蓝宝石基材是单晶蓝宝石基材。
13.一种形成III族金属氮化物薄膜的方法，包括：
加热一个或多个蓝宝石基材至预处理温度；
当所述一个或多个蓝宝石基材各自的表面在所述预处理温度时，将所述表面暴露于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)、III族金属卤化物气体及含蚀刻剂气体，所述含蚀刻剂气体包括卤素气体，其中暴露所述一个或多个蓝宝石基材的表面进一步包括形成预处理表面的区，所述区包括氮氧化铝或氮化铝；以及
在所述预处理表面上形成III族金属氮化物层。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述卤素气体是氯(Cl2)。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述III族金属卤化物气体是通过将金属源暴露于包括氯(Cl2)的第一处理气体而形成的，并且其中所述金属源包括铝。
16.如权利要求13所述的方法，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材暴露于含氮前驱物气体与含氯化镓气体。

Claims (16)

  1. 一种形成III族金属氮化物薄膜的方法，包括：
    加热一个或多个蓝宝石基材至预处理温度；以及
    当所述一个或多个蓝宝石基材各自的表面在所述预处理温度时，将所述表面暴露于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)与卤素气体。
  2. 如权利要求1所述的方法，其中所述卤素气体是氯(Cl2)。
  3. 如权利要求1所述的方法，其中暴露所述一个或多个蓝宝石基材的表面进一步包括形成预处理表面的区，所述区包括氮氧化铝或氮化铝。
  4. 如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述一个或多个蓝宝石基材各自的预处理表面上形成III族金属氮化物层。
  5. 如权利要求4所述的方法，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。
  6. 如权利要求4所述的方法，其中形成所述III族金属氮化物层的步骤进一步包括将所述一个或多个蓝宝石基材暴露于一含氮前驱物气体与III族金属卤化物气体。
  7. 如权利要求6所述的方法，其中：
    所述含氮前驱物气体包括氨；以及
    所述III族金属卤化物气体是通过将金属源暴露于包括氯(Cl2)的第一处理气体而形成的，并且其中所述金属源包括选自镓、铝与铟所构成的群组的元素。
  8. 如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述预处理表面暴露于包括氨与载气的气体混合物。
  9. 如权利要求8所述的方法，其中所述载气包括氮。
  10. 如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述一个或多个蓝宝石基材的温度被加热至所述预处理温度时，输送包括氨(NH3)的清洁气体。
  11. 如权利要求10所述的方法，其中所述清洁气体进一步包括氮。
  12. 如权利要求1所述的方法，其中所述蓝宝石基材是单晶蓝宝石基材。
  13. 一种形成III族金属氮化物薄膜的方法，包括：
    加热一个或多个蓝宝石基材至预处理温度；
    当所述一个或多个蓝宝石基材各自的表面在所述预处理温度时，将所述表面暴露于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)、III族金属卤化物气体及含蚀刻剂气体，所述含蚀刻剂气体包括卤素气体，其中暴露所述一个或多个蓝宝石基材的表面进一步包括形成预处理表面的区，所述区包括氮氧化铝或氮化铝；以及
    在所述预处理表面上形成III族金属氮化物层。
  14. 如权利要求13所述的方法，其中所述卤素气体是氯(Cl2)。
  15. 如权利要求13所述的方法，其中所述III族金属卤化物气体是通过将金属源暴露于包括氯(Cl2)的第一处理气体而形成的，并且其中所述金属源包括铝。
  16. 如权利要求13所述的方法，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材暴露于含氮前驱物气体与含氯化镓气体。
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