CN104508795A - 用于沉积第iii族氮化物半导体膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于在基底上沉积第III族氮化物半导体膜的方法，包括：提供蓝宝石基底；将基底放置在真空室中；通过蚀刻修整基底的表面并提供经修整的表面；保持基底与加热器的基底面对表面分离预定距离；在保持基底与加热器的基底面对表面分离的同时，通过使用加热器将基底加热至某一温度；在保持基底与加热器的基底面对表面分离的同时，通过物理气相沉积法在基底的经修整的表面上沉积第III族氮化物半导体膜；以及在基底的经修整的表面上形成具有N面极性的外延第III族氮化物半导体膜。

Description

用于沉积第III族氮化物半导体膜的方法
在此描述一种用于沉积第III族氮化物半导体膜的方法。
第三族氮化物半导体用在诸如发光二极管、激光二极管、光伏太阳能电池以及诸如高电子迁移率晶体管的功率器件的各种装置中。
发光二极管(LED)的基本结构对应于pn半导体二极管，使得发光二极管和pn半导体二极管呈现出类似的特性。其差异在于用于LED的半导体材料。在非发光二极管由硅或者有时由锗或硒制造的同时，用于LED的半导体材料是第III-V族半导体，通常为镓化合物。
如果沿正向施加电压，则电子从LED的n掺杂侧向p掺杂侧迁移，并且发射光。发射的光的波长和由此其颜色取决于形成pn结的材料的带隙能量。在硅二极管或锗二极管中，由于它们是间接带隙材料，因此电子和空穴通过不产生光发射的非辐射跃迁而复合。用于LED的材料具有带有与近红外光、可见光或近紫外光的对应的能量的直接带隙。
LED通常以电极附着到沉积在n型基底的表面上的p型层的方式设置在n型基底上。虽然不常见，也使用p型基底。一些商业LED，尤其是GaN/InGaN，使用蓝宝石基底。
在GaN与诸如蓝宝石、硅、SiC和石英的基底之间的大的晶格失配能够通过使用多个生长步骤来匹配，以适应晶格应变并能够使高质量的GaN膜生长。
由于AlN与各种基底之间的较小的晶格失配，因此中间外延生长AlN层可以沉积在基底上并用作GaN能够在其上生长的模板。因此，AlN缓冲层的使用可以用于避开MOCVD工艺所需的挑战性的成核步骤，以在诸如蓝宝石的各种基底上生长GaN。
不仅可以调整外延的质量，而且可以调整第III族氮化物膜的极性。
US 2013/0049065 A1公开了一种能够通过溅射制造由第III族氮化物半导体制成的第III族极性膜(诸如具有Al面极性的AlN膜)的外延膜形成方法。将AlN膜溅射在被加热器加热至溅射温度的蓝宝石或α-Al2O3基底上，该蓝宝石或α-Al2O3基底与加热器分离预定距离。
然而，期望进一步的方法，用该方法能够制造具有期望的面极性的第III族氮化物半导体膜。
提供了一种用于在基底上沉积第III族氮化物半导体膜的方法，该方法包括：提供诸如<0001>c平面蓝宝石基底的蓝宝石基底；将基底放置在真空室中；通过蚀刻来修整基底的表面并提供经修整的表面；保持基底与加热器的基底面对表面分离预定距离；在保持基底与加热器的基底面对表面分离的同时，通过使用加热器将基底加热至温度T1；在保持基底与加热器的基底面对表面分离的同时，通过物理气相沉积方法在基底的经修整的表面上沉积第III族氮化物半导体膜；并且在基底的经修整的表面上形成具有N面极性的外延第III族氮化物半导体膜。
已经发现了将用于提供经修整的表面的蚀刻工艺与在基底不与加热器直接接触的同时在该经修整的表面上沉积第III族氮化物半导体膜的组合，以促进第III族氮化物半导体膜中N面极性的形成。一种可能的机制(通过该机制可以提供这种特征)可以在于，在蚀刻步骤之后形成了Al终结(或终端)的经修整的结构，促进了沉积在这种Al终结的经修整的表面上的第III族氮化物半导体膜中N面极性的形成。
例如，对于一些装置，因为具有Ga面极性的GaN膜呈现出比N面极性层更光滑的表面，因此期望具有Ga表面极性的GaN膜。一种用于获得Ga面极性GaN膜的方式是在基底上生长具有N面极性的外延AlN膜。这种具有N面极性的AlN膜促进沉积在N面极性AlN膜上的GaN膜中Ga面极性的形成。
在实施例中，基底表面的修整包括在真空下对该表面进行等离子体软蚀刻。等离子体软蚀刻可以包括将基底加热至温度T2、将Ar气体引入真空室中以及使基底的所述表面经受等离子体。温度T2可以处于35℃至70℃的范围内，例如为50℃。在实施例中，利用包括Ar+离子的RF等离子体在2×10-4mbar至8×10-4mbar的压力下执行等离子体软蚀刻。例如可以使用50W的RF功率。
执行等离子体软蚀刻时的温度T2可以比沉积第III族氮化物膜时的基底的温度T1小。T1可以处于650℃至800℃的范围内。
在实施例中，在等离子体软蚀刻过程中，保持基底远离加热器的基底面对表面。
在实施例中，基底表面的修整包括化学蚀刻该表面来取代等离子体软蚀刻该表面(或除了对该表面进行等离子体软蚀刻之外还进行化学蚀刻)。
在蚀刻之后，经修整的表面可以是Al终结。为了在蓝宝石基底上设置Al终结的表面，蚀刻可以包括从基底优先地去除化学束缚的氧。
所述方法还可包括在修整之后，使经修整的表面在真空室中经受氮流。在Al终结的经修整的表面的情况下，可以使用氮流以促进六方AlN在Al终结的经修整的表面上的生长。这种六方AlN可以是单个单层，并且可以用于促进N面AlN在六方AlN层上的生长。
在实施例中，所述方法还包括在将基底加热至温度T1的同时，使氩(Ar)气体在基底上流动。这样可以有助于防止污染物的积累，例如，防止在AlN层沉积在经修整的表面上之前污染物积累在经修整的表面上。
在此描述的任何一个实施例的方法可以在诸如组合工具的多个室体系中执行。在这种情况下，可以在第一真空室中执行修整，可以在不同的第二真空室中执行第III族氮化物膜的沉积。基底可以通过同样在真空下的传送室在第一室与第二室之间传送。
在修整之后，所述方法还包括降低真空室中的压力。这样可以用于清洁真空室。还可以在修整之前和/或在沉积之前降低该室中的压力以清洁真空室。
物理气相沉积(PVD)工艺可以是例如RF磁控溅射、DC溅射或脉冲DC溅射的溅射沉积。
在实施例中，通过反应溅射将第III族氮化物半导体膜沉积在基底的经修整的表面上。靶可以包括第III族元素，例如，靶可以是铝靶，处理气体可以包括氮和可选的氩。处理气体的氮与从靶去除的或溅射的铝反应以在经修整的表面上形成AlN膜。在从导电靶的反应溅射的情况下，可以将DC电源用作靶的电源。在实施例中，使用1.5kW至3kW的DC功率在经修整的表面上溅射诸如AlN的第III族氮化物半导体膜。
在实施例中，通过RF溅射将第III族氮化物半导体膜沉积在基底的经修整的表面上。如果靶为非导电性的，则可以使用RF溅射。例如，靶可以包括将要沉积在经修整的表面上的第III族氮化物。在该实施例中，处理气体可以是诸如氩的惰性气体。
可以在不同的条件下通过首先沉积种子层来对该膜的其余部分沉积第III族氮化物膜。该实施例可以用于改善层对经修整的表面的外延或附着。在具体实施例中，所述方法还包括利用反应溅射在N2/Ar气氛中在经修整的表面上沉积种子层，其中，N2与Ar的比率大于3，并且在N2/Ar气氛中在种子层上沉积膜，其中，N2与Ar的比率小于3。
在沉积第III族氮化物膜之后，可以主动地冷却基底。可以在基底冷却的同时，使用主动冷却来帮助减小基底上的热应力。
在实施例中，所述方法还包括在外延第III族氮化物半导体膜上溅射另一第III族氮化物半导体膜，该另一第III族氮化物半导体膜具有第III族面极性。例如，如果第III族氮化物膜是AlN并且另一第III族氮化物膜是GaN，则AlN膜具有N面极性并且GaN膜具有Ga面极性。
现在将参照附图描述实施例。
图1示出了包括若干独立的处理站的半导体制造工具的示意图。
图2示出了用于在基底上沉积第III族氮化物半导体膜的设备。
图3示出了使用如在此描述的方法和对比方法在蓝宝石基底上的AlN膜的生长的示意图。
用于在蓝宝石基底上制造N极性外延生长AlN膜的一个示例性方法包括：在真空环境中对蓝宝石基底的至少一个表面进行等离子体软蚀刻。可选地，在等离子体软蚀刻之后，干净的基底表面可以暴露至氮气。在将基底保持在高于650℃的温度下的同时，在氮和氩的气氛中例如通过溅射来等离子体沉积N极性外延生长AlN膜。
在此描述的方法可以在包括附着于共同传送模块的若干独立的处理站的半导体制造工具中执行。图1示出了适合的半导体制造工具10的示意图，半导体制造工具10具有四个独立的处理站11、12、13、14、共同传送模块15以及向周围环境提供界面的装载锁16。这种传送模块15是优选处于真空条件下的封闭件，包括能够在可评估的装载锁16与处理站11、12、13、14之间传送基底的操作系统。处理站11、12、13、14可以具有使处理站11、12、13、14与共同传送模块16隔离的阀门，以避免交叉污染。处理站11、12、13、14和共同传送模块15以及装载锁16的这种作为组合工具的布置在本领域中是已知的。可以根据工艺来配备处理室11、12、13、14以便执行，并且处理室11、12、13、14可以包括对基底提供诸如清洁、加热、照射、沉积和蚀刻等的各种处理。
处理站中的一个处理站11用于修整蓝宝石基底，另一个处理站12用于通过反应溅射将第III族氮化物半导体膜沉积在经修整的表面上。
处理站11包括RF电源17，RF电源17用于产生包括Ar+离子的RF等离子体18，RF等离子体18用于对蓝宝石基底进行等离子体软蚀刻并产生可以作为Al终结的经修整的表面。
为了修整基底的表面，将基底放置在处理站11中，将真空室抽真空并将基底的温度升高至例如大约50℃。引入氩气流并接通RF电源以在基底的表面处产生等离子体，该等离子体用于对基底的表面进行等离子体软蚀刻并产生作为Al终结的经修整的表面。然后将基底传送到处理站12。
处理站12包括例如铝靶的靶和用于铝靶的电源，以能够利用反应溅射来沉积第III族氮化物膜。图2更详细地示出了处理站12。
处理站12包括真空室20、支撑铝的靶22的靶支持件21以及位于具有经修整的表面25的基底24下方的加热器23。处理站12还包括氮气源26和氩气源27，其中，处理气体可以被允许从氮气源26和氩气源27流进真空室20中。加热器23包括加热元件28和基底面对表面29，基底面对表面29与基底24的后侧31以预定距离30分离。基底24通过具有环33的高度可调整的基底支持件32来保持预定距离30，环33用于支撑基底24的后侧31的外周。基底24被设置为直接与靶22相对。靶22结合到DC电源34。
为了在基底24上沉积氮化铝膜，在使基底24与加热器23的基底面对表面29分离一定距离的同时，将真空室20抽真空，通过加热器23将基底24加热至诸如700℃的处理温度。一旦基底24已经达到处理温度，使氮和氩处理气体流进真空室20中，并且将DC电源施加到靶22，从而铝从靶22溅射、与氮处理气体反应以在基底24的经修整的表面25上形成氮化铝层。
图3a示意性地示出了在AlN的生长之前在没有进行等离子体清洁的情况下通过磁控溅射的AlN的生长，并示出了对比方法的结果。蓝宝石基底呈现出O面和Al面或混合极性。这种结构和形态情况导致多晶AlN膜以及随后的具有混合极性(即，混合的Ga面和N面)的GaN膜的形成。
图3b示意性地示出了在通过等离子体软蚀刻所修整的蓝宝石基底上的AlN膜的生长。在Ar等离子体软蚀刻过程中发生的离子轰击可以促进氧原子的优先去除，因此有利于在基底的顶表面上露出Al原子。换言之，等离子体蚀刻导致Al终结的蓝宝石晶片的形成。可以利用随后的高温下N2暴露所引起的氮化和用于AlN膜的生长的富氮等离子体来形成位于蓝宝石与AlN膜之间的具有六方结构的过渡外延AlN单层，并且使具有N面极性的外延AlN膜生长。
这种N面AlN膜促进Ga面极性GaN膜的形成，Ga面极性GaN膜呈现出更光滑的表面，并且引起LED或诸如高电子迁移率晶体管的功率装置应用的更好质量的结构。
一个示例性方法包括在单独的处理室中对6英寸蓝宝石基底的单个基底处理。将蓝宝石基底引入半导体制造工具中并传送到被构造成执行蚀刻步骤的处理站。将处理环境抽真空例如10s以去除不需要的气体和前处理步骤的残留物，同时将基底的温度调整到例如可以为大约50℃的温度T2。引入Ar气体，使压力和气体流量稳定在例如5×10-4mbar的室压。利用RF等离子体的Ar离子对基底表面进行软蚀刻。可以使用大约50W保持10s-30s的条件。可选地，在软蚀刻之后，经修整的表面可以暴露至例如具有20sccm的流量的氮(N2)大约20s。可选地，在从蚀刻处理站移除基底之前，可以将该室抽真空以清除使用的气体。
将具有通过软蚀刻修整的表面的基底传送到被构造成执行AlN沉积步骤的处理站。该处理室可以是配有Al靶(300mm直径)和脉冲DC电源的PVD/溅射室。将处理环境抽真空例如10s以去除不需要的气体和前处理步骤的残留物。将基底加热到温度T1，T1可以在650-800℃的范围内，例如770℃。加热的持续时间取决于加热器功率和时间以使基底温度稳定化，并可以是100-600s。可选地，在加热过程中能够使用例如15sccm的Ar气流。将处理气体(Ar和N2)引入，并使其保持例如大约10s。在控制N2和Ar的流量的同时，沉积AlN层。N2的流量可以为60sccm，Ar的流量可以为20sccm。可以使用例如2.5kW的DC电源保持270s(对具有100nm的厚度的层会是足够的)来执行溅射。因此，在本实施例中沉积速率为大约0.3nm/s。
可选地，在沉积AlN层之前可以沉积种子层。在增大的N2/Ar比率(例如N2/Ar>>3，可能Ar＝0)的情况下，沉积种子层。可选地，可以将处理室的处理气体残留物抽干净。例如，使基底冷却超过例如10-300s的时间段，以避免由于操作装置的限制而导致的对基底的过度热应力，从半导体制造工具中移除经处理的基底。
可选地，可以在从处理环境移除基底之前，例如在冷却站中执行主动冷却。可以调节温度下降以避免对基底的过度热应力。
可以以其它或各种方式执行操作和传送步骤。此外，加热和冷却时间部分地取决于使用的硬件。在不脱离基本的基底处理和沉积工艺的情况下，取决于各自性能的硬件可以允许不同的加热和冷却时间。
可以利用各种RF功率执行AlN层的沉积。
一些氮化方法利用需要在通常不适合于磁控溅射的非常高的温度下使用氮等离子体蚀刻或氨暴露的MOCVD和MBE沉积系统。然而，氮等离子体蚀刻可以通过在基底内(例如在蓝宝石结构的情况下在蓝宝石结构内)的离子轰击来促进氮的结合，和/或促进非晶氮氧化物的形成。对于磁控溅射来说通过氨的氮化的一个限制可以是由于附加的步骤而使沉积工艺复杂化。
通过利用与通过反应磁控溅射的AlN的生长所需的气体相同的气体，在Ar等离子体清洁之后，在高温下使用富N2气体和等离子暴露简化了氮化工艺。

Claims (22)

1.一种用于在基底上沉积第III族氮化物半导体膜的方法，包括：
提供蓝宝石基底；
将基底放置在真空室中；
通过蚀刻来修整基底的表面并提供经修整的表面；
保持基底与加热器的基底面对表面分离预定距离；
在保持基底与加热器的基底面对表面分离的同时，通过使用加热器将基底加热至温度T1；
在保持基底与加热器的基底面对表面的分离同时，通过物理气相沉积法在基底的经修整的表面上沉积第III族氮化物半导体膜，并且在基底的经修整的表面上形成具有N面极性的外延第III族氮化物半导体膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，修整基底的表面的工艺包括在真空下对所述表面进行等离子体软蚀刻。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，等离子体软蚀刻包括：将基底加热至温度T2、将Ar气体引入到真空室中以及使基底的所述表面经受等离子体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，T2为35℃至70℃。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，利用包括Ar+离子的RF等离子体在2×10-4mbar至8×10-4mbar的压力下执行等离子体软蚀刻。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，T2<T1。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，在等离子体软蚀刻过程中，保持基底与加热器的基底面对表面分离。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，修整基底的表面的工艺包括化学蚀刻所述表面。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述蚀刻包括从基底优先地去除化学束缚的氧。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，在所述蚀刻之后，经修整的表面是Al终结的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，所述方法还包括：在修整之后，使经修整的表面在真空室中经受氮流。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，T1处于650℃至800℃的范围内。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，所述方法还包括：在将基底加热至温度T1的同时，使氩气流经基底。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，在第一真空室中执行修整，在第二真空室中执行沉积。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，所述方法还包括：在修整之后降低真空室中的压力。
16.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，通过反应溅射将第III族氮化物半导体膜沉积在基底的经修整的表面上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，使用1.5kW至3kW的DC功率将第III族氮化物半导体膜溅射在经修整的表面上。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中，通过RF溅射将第III族氮化物半导体膜沉积在基底的经修整的表面上。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，所述方法还包括：在N2/Ar气氛中在经修整的表面上沉积种子层，其中，N2与Ar的比率大于3，并且在N2/Ar气氛中在种子层上沉积所述膜，其中，N2与Ar的比率小于3。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，所述方法还包括：在沉积第III族氮化物膜之后，主动地冷却基底。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中，第III族氮化物膜为AlN。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，所述方法还包括：在外延第III族氮化物半导体膜上溅射另一第III族氮化物半导体膜，所述另一第III族氮化物半导体膜具有第III族面极性。
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