CN105648523A - 等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，包括：真空反应腔；样品台，可旋转，位于真空反应腔的底部；等离子体激发单元，位于真空反应腔的顶部；隔板，将真空室沿垂直方向分成两个腔室；第一气路和第二气路，用于向两个腔室分别通入第一类气态反应源和第二类气态反应源；其中，等离子体激发单元用于激发第一气态类反应源和第二类气态反应源电离分解，隔板防止两类气态反应源在衬底以外的表面发生预反应，旋转样品台形成外延生长所需要的层流，并让样品表面交替吸附第一类、第二类气态反应源分解形成的原子。本发明的外延生长装置具有生长温度不受限于气态反应源分解温度、适合于大面积廉价衬底的优点。

Description

等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置
技术领域
本发明属于半导体外延生长设备技术领域，具体涉及一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置。
背景技术
以GaN、SiC为代表的新型化合物半导体材料近十几年来在国际上备受重视，在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、探测器，以及高频高温大功率电子器件等方面有着重要而广泛的应用。
为了获得良好的器件性能，要求化合物半导体薄膜尽可能处于单晶状态。目前化合物半导体的外延生长方法主要有分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相外延(MOVPE)。由于MBE具有真空条件要求苛刻、生长速率慢的缺点，目前普遍采用MOVPE进行化合物半导体外延生长的商业化生产。
在化合物半导体的MOVPE生长过程中，要求反应物以层流的方式扩散到衬底表面，在衬底表面发生裂解、化合和迁移等反应，从而形成化合物半导体单晶薄膜。现有的MOVPE，反应物裂解、化合、迁移所需的能量主要通过衬底加热的方式获得，由于反应气体存在较强的化学键，且反应物粒子在衬底表面迁移需要一定的能量，从而要求外延过程中衬底具有极高的温度。以MOVPE外延生长GaN为例，反应物一般为Ga(CH3)3和NH3，Ga(CH3)3的裂解温度约500℃，NH3的裂解温度约为700℃，再考虑GaN在衬底表面的迁移，一般外延生长温度接近1000℃。如果采用Ga(CH3)3和N2进行外延，由于N2化学键更强，裂解温度约为1400℃，因此需要更高的生长温度。
高温外延虽然能实现性能良好的光电子器件，如LED，但也存在很多问题。首先，衬底材料和尺寸受限。由于耐高温及晶格匹配的要求，目前能用于化合物半导体外延生长的衬底只能是少数几种单晶衬底，比如用于生长GaN基半导体的Al2O3、Si，用于生长GaAs基半导体的GaAs，用于生长SiC半导体的SiC、Si等，这些单晶衬底成本较高、尺寸受限，很难直接进行化合物半导体的大面积外延生长。而可用于大面积薄膜衬底的衬底，如玻璃、塑料等，都很难再高温条件下稳定工作。其次，由于衬底和外延薄膜的热膨胀系数往往存在一定的差异，外延温度越高，半导体薄膜的应力就越大，直接影响器件的性能。再次，一般希望外延生长对应的化学反应只在衬底表面进行，尽量减少衬底表面以外的预反应，而在高温条件下，很难控制反应气体在衬底表面以外的预反应。
针对MOVPE高温生长带来的问题，人们提出了等离子体增强MOVPE(PE-MOVPE)的想法，希望通过低温等离子体预先裂解反应物，提高反应物原子的势能，达到降低化合物半导体外延生长的目的。产生低温等离子体的常用方法有：电容耦合等离子体(CCP)、电感耦合等离子体(ICP)、电子回旋共振等离子体(ECR)。CCP反应室简单，但等离子体密度和能量无法独立调节。ECR的等离子体密度高，能量转换率高，专利CN0110142.5采用ECR裂解反应物进行外延生长。但是ECR固有的模式跳变特性，使其难以用于大面积的薄膜沉积。ICP可以产生与ECR可比拟的等离子体密度，同时具有较好的等离子体均匀性，能在很大的气压范围内运行，专利CN2014100534244.4采用ICP裂解反应物进行外延生长。以上技术，在一定程度上降低了化合物半导体MOVPE外延生长所需要的温度，比如将GaN的外延生长温度从约1000℃降低到约500℃。但是值得注意的是，以上技术都只采用等离子体活化相对难裂解的反应物，比如对于沉积GaN，无论是专利CN1364946A的ECR还是专利CN2014100534244的ICP，主要用来活化裂解温度较高的N源(如NH3，N2)，而裂解温度较低的Ga源(如Ga(CH3)3)，仍需要通过衬底加热的方式进行。也就是说，MOVPE的外延生长温度仍然受限于其中一种反应物的裂解温度。
另外，反应物气体产生等离子体后，正离子、亚稳态原子分子以及中性原子均能用来生成化合物半导体，但其中的等离子以及高能的中性粒子会对衬底造成轰击，从而影响化合物半导体的结晶特性。以PEMOVPE生长GaN为例，反应气体采用Ga(CH3)3和N2，氮等离子体中包含氮离子、氮原子、氮分子，原则上都可以参与GaN的生成，但氮离子以及高能中性粒子(如氮原子、氮分子)会对衬底造成轰击、Ga去吸附、GaN分解和点缺陷等问题。因此，为了提高低温外延生长的化合物半导体的结晶质量，必须设法降低到达衬底处的离子密度以及高能的中性粒子密度，同时使低能活性粒子能尽量多的到达衬底参与反应。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，包括：真空反应腔；样品台，所述样品台可旋转，位于所述真空反应腔的底部；等离子激发单元，所述等离子激发单元位于所述真空反应腔的顶部；真空隔板，所述的真空隔板位于所述等离子体激发单元和所述样品台之间，将所述真空反应腔沿垂直方向分隔为第一类气态反应源吸附区和第二类气态反应源吸附区；具有第一进气口的第一气路，用于向所述第一类气态反应源吸附区通入第一类气态反应源；具有第二进气口的第二气路，用于向所述第二类气态反应源吸附区通入第二类气态反应源；其中，所述等离子体激发单元用于激发所述第一气态反应源和第二气态反应源电离分解；所述真空隔板用于防止所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应；所述样品台旋转形成外延生长所需要的层流，并让样品表面交替吸附第一类、第二类气态反应源分解形成的原子。
根据本发明实施例的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，反应物完全由等离子体裂解、生长温度不再受限于反应物裂解温度。
另外，根据本发明上述实施例的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述真空隔板中空、形成具有第三进气口的第三气路，所述第三气路用于通入隔离气体以防止所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应。
进一步地，还包括：离子过滤器，设置在所述等离子激发单元和所述样品台之间，将所述的真空室分隔成等离子放电区和等离子体下游区，所述离子过滤器用于吸收等离子体源激发放电产生的气体的活性离子，而让活性中性粒子通过。
进一步地，所述离子过滤器为水平设置在所述真空反应腔内的、具有多个滤孔的金属板，所述金属板上加载有直流偏压。
进一步地，所述的等离子体激发单元的能量只耦合到所述的第一类气态反应源和所述第二类气态反应源的等离子体放电区。
进一步地，所述的等离子体激发单元采用电感应耦合、电容耦合和电子回旋共振之中至少一种方式产生所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源的等离子体。
进一步地，所述样品台在竖直方向可升降。
进一步地，所述第一气态反应源为NH3、N2、C3H8、SiH4、H2O、As、P等分子或原子的蒸汽中的一种或多种的组合。
进一步地，所述第二气态反应源为Ga(CH3)3、In(CH3)3、Al(CH3)3、Zn(CH3)3、Si(CH3)4、Ga、In、Al分子或原子的蒸汽一种或多种的组合。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的离子过滤器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置。
请参考图1，一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，包括真空反应腔、样品台20、等离子激发单元30、真空隔板70、第一气路40和第二气路50。
其中，真空反应腔被真空隔板90分为两个区域101和102。真空隔板90的下端非常贴近样品表面。可以大体呈圆筒状。真空反应腔中设有真空泵系统10a，包括机械泵和分子泵，以使真空反应腔在没有气体通入时保持高真空或超高真空状态、在有气体通入时保持腔内气压恒定。
样品台20位于真空反应腔的底部，用于承载衬底。样品台20可以绕中心轴旋转，让样品表面交替进入101和102区域，交替吸附第一类反应气体和第二类反应气体分解产生的活性原子，同时通过形成外延生长所需要的层流。优选地，样品台20被构造成可以在垂直方向升降。例如，可以调节样品台20距离真空反应腔10的底部基座的距离为1～500毫米。这时可以通过改变样品台20和等离子体产生区域的距离，调节反应气体中的活性低能中性原子及分子、带电和高能粒子到达衬底表面的浓度和能量。
等离子激发单元30位于真空反应腔的顶部。可以采用电容耦合(CCP)、电感耦合(ICP)、电子回旋共振(ECR)等方式让真空反应腔内的气体起辉。以ICP为例，激发单元30主要包括射频源、阻抗匹配网络、平板线圈和石英窗。射频源产生的射频信号(例如13.56MHz的射频信号)经过阻抗匹配网络加载到平板线圈上，然后经过石英窗以电感耦合的形式耦合到真空反应腔中。
真空隔板90位于等离子体激发单元30和样品台20之间，将真空反应室沿垂直方向分隔为两个第一类气态反应源吸附区101和第二类气态反应源吸附区102。真空隔板90的下端靠近样品台20设置。
第一气路40用于向第一类气态反应源吸附区101通入第一类气态反应源。第一气路40上设有喷淋头式的第一进气口。第一气态反应源可以为化学键较强的物质。在本发明的一个实施例中，第一气态反应源为含有氮、氧、碳的气体，特别是NH3、N2、C3H8、SiH4或H2O中的一种或多种的组合。
第二气路50用于向第二类气态反应源吸附区102通入第二类气态反应源，第二气路50上设有喷淋头式的第二进气口，第二气态反应源可以为化学键较弱的物质。在本发明的一个实施例中，第二气态反应源为金属有机化合物，选优为Ga(CH3)3、In(CH3)3、Al(CH3)3、Zn(CH3)3或Si(CH3)4中一种或多种的组合。
在本发明的一个实施例中，等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置还包括第三气路60，部分位于真空隔板90的中空部，第三气路60用于通入隔离气体以防止第一类气态反应源和第二类气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应，隔离气体可以为反应活性极低的气体，如惰性气体。在本发明的一个实施例中，隔离气体为He、Ne或Ar的一种和多种的组合。
根据本发明实施例的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，通过等离子体分解第一气态反应源和第二气态反应源，通过真空隔板90和隔离气体防止第一气态反应源和第二气态反应源的预反应，通过样品台20旋转交替吸附第一气态反应源和第二气态反应源分解出来的活性原子，使得MOVPE的温度不再受限于气态反应源的分解温度，能够有效降低外延反应的温度。
在本发明的一个实施例中，等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置还包括离子过滤器70。离子过滤器70设置在等离子激发单元30和样品台20之间，将真空反应腔分隔成等离子放电区A和等离子体下游区B。离子过滤器70用于吸收等离子体源激发放电产生的气体的活性离子，而让活性中性粒子通过。由于正离子在离子过滤器70表面发生复合反应，密度极大降低，高能的中性粒子经过气体分子的碰撞能量也有较大下降，而外延生长所需要的亚稳态中性粒子的密度基本不受影响。因此空间隔离装置70能够将等离子体放电区A中对外延生长不利的粒子基本过滤，将对外延生长有利的粒子基本被保留，然后进入到等离子体下游区B。这样，通过设置离子过滤器70可以避免正离子和高能中性粒子对衬底表面的轰击，而轰击会降低外延层的质量。
可选地，离子过滤器70为水平设置在真空反应腔内的、均布多个滤孔701的金属板，如图2所示。需要说明的是，尽管图2示出的是均布圆形滤孔的金属板，但仅是出于示例的方便而非本发明的限制，在另一些实施例中也可以为矩形栅格等几何形状。该金属板可以通过绝缘材料(例如石英)制成的支撑脚立于真空反应腔中。优选地，该金属板上可以加载几伏特到几百伏特的直流或交流偏压，此时该金属板带正电，能够利用同电荷相斥原理阻止正离子通过，实现拦截正离子的目的。
另外，本发明实施例的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，包括：
真空反应腔；
样品台，所述样品台可旋转，位于所述真空反应腔的底部；
等离子激发单元，所述等离子激发单元位于所述真空反应腔的顶部；
真空隔板，所述的真空隔板位于所述等离子体激发单元和所述样品台之间，将所述真空反应腔沿垂直方向分隔为第一类气态反应源吸附区和第二类气态反应源吸附区；
具有第一进气口的第一气路，用于向所述第一类气态反应源吸附区通入第一类气态反应源；
具有第二进气口的第二气路，用于向所述第二类气态反应源吸附区通入第二类气态反应源；
其中，所述等离子体激发单元用于激发所述第一气态反应源和第二气态反应源电离分解；所述真空隔板用于防止所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应；所述样品台旋转形成外延生长所需要的层流，并让样品表面交替吸附第一类、第二类气态反应源分解形成的原子。
2.根据权利要求1所属的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述真空隔板中空、形成具有第三进气口的第三气路，所述第三气路用于通入隔离气体以防止所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源在衬底表面以外的空间发生预反应。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，还包括：
离子过滤器，设置在所述等离子激发单元和所述样品台之间，将所述的真空反应腔分隔成等离子放电区和等离子体下游区，所述离子过滤器用于吸收等离子体源激发放电产生的气体的活性离子，而让活性中性粒子通过。
4.根据权利要求3所述的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述离子过滤器为水平设置在所述真空反应腔内的、具有多个滤孔的金属板，所述金属板上加载有直流偏压。
5.根据权利要求3所述的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述的等离子体激发单元的能量只耦合到所述的第一类气态反应源和所述第二类气态反应源的等离子体放电区。
6.根据权利要求1所述的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述的等离子体激发单元采用电感应耦合、电容耦合和电子回旋共振之中至少一种方式产生所述第一类气态反应源和所述第二类气态反应源的等离子体。
7.根据权利要求1或2所述的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述样品台在竖直方向可升降。
8.根据权利要求1所述的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述第一气态反应源为NH3、N2、C3H8、SiH4、H2O、As、P等分子或原子的蒸汽中的一种或多种的组合。
9.根据权利要求1所述的等离子体增强原子吸附的化合物半导体的外延生长装置，其特征在于，所述第二气态反应源为Ga(CH3)3、In(CH3)3、Al(CH3)3、Zn(CH3)3、Si(CH3)4、Ga、In、Al分子或原子的蒸汽一种或多种的组合。
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