CN106148912A - 用于生长电子器件的复合反应室外延设备和生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于生长电子器件的复合反应室外延设备，包括物理沉积反应腔室和化学沉积反应腔室；两个反应腔室均设有源材料输送管道及冷却水管道、盖板、控制器和样品托盘，并通过中转室进行相互连接，用于传输样品。本发明充分利用物理和化学沉积优点，利用物理反应室沉积异质外延所需的缓冲层和过渡层，利用中转室传输到化学反应室沉积器件结构。复合反应室外延设备既可实现从物理沉积反应腔室到化学沉积反应腔室的沉积，也可实现先化学沉积再物理沉积。本发明可解决现有技术中金属有机气相沉积设备生长缓冲层晶体质量较差，位错密度较高的问题，有利于器件的产业化和实用化。

Description

用于生长电子器件的复合反应室外延设备和生长方法

技术领域

本发明属于半导体材料生长设备技术领域，涉及用于在衬底上生长电子器件的外延生长设备，尤其涉及一种用于生长电子器件的复合反应室外延设备及生长方法。

背景技术

近年来，第三代宽带隙半导体材料氮化镓及其III/V系列氮化物在照明及电子工业领域取得了卓越的成就。由于氮化镓材料优异的物理和化学性质，使其得到了广泛的应用。例如，蓝宝石衬底上氮化镓基发光二极管已经在照明领域得到了广泛的应用。现有研究还表明氮化镓在太阳能电池、紫外探测器、激光器、电子器件等领域有着潜在的应用。

目前，以氮化镓为主的第三代半导体的材料生长设备大多利用金属有机气相沉积系统(MOCVD)，MOCVD应用于氮化镓、氮化铝、铝镓氮、铟镓氮等系列，表现出突出的外延性能，为第三代半导体材料的广泛应用奠定了坚实的基础。然而，氮化镓为主的第三代半导体的外延生长主要以异质外延生长的方式，虽然在异质生长过程利用了插入层、应力缓冲层、超晶格、组分掺杂渐变等技术，但其生长的器件仍存在异质生长出现的残余应力大、晶格失配、晶体质量稍差的缺点，限制了氮化镓系列的器件在某些领域的应用，尤其是高端氮化镓器件的应用。异质外延的器件性能主要是制约于器件材料的晶体质量、残余应力等因素，而金属有机气相沉积的外延方式决定了异质衬底的初始缓冲层的晶体质量等方面的性能比较差，主要因为晶格失配和热膨胀系数失配等原因。而初始缓冲层的材料性能对后端生长的材料与器件性能有直接决定性的影响，例如在硅衬底上生长氮化铝缓冲层的晶体质量比较差，以致进一步影响后端的氮化镓层的晶体质量，制约了电子器件性能的提高。因此，生长高质量的缓冲层是提高异质外延的器件性能的根本途径之一。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于生长电子器件的复合反应室外延设备，包括物理沉积腔室和化学沉积反应室，可解决现有技术中金属有机气相沉积设备生长缓冲层晶体质量较差，位错密度较高的问题。

本发明的原理是：本发明提供主要用于生长电子器件的复合反应室外延沉积设备，该复合反应室外延沉积设备包括物理沉积腔室(又称为物理反应室或物理反应腔室)和化学沉积反应室(又称为化学反应室或化学反应腔室)，两个反应腔室通过中转室和机械手进行相互连接；物理沉积腔室和化学沉积反应室是两个沉积原理不同的反应腔室，该设备集合了物理和化学的外延沉积原理，充分利用了两种不同原理的沉积优点。复合反应室的设计方案一方面为利用物理反应室沉积异质外延所需的缓冲层和过渡层，另一方面是利用中转室传输到化学反应室沉积器件结构。因此，本发明利用了物理沉积方式在异质衬底上沉积缓冲层晶体质量等性能较好的优势，其克服反应化学沉积方法生长缓冲层和过渡层的材料性能较差的缺点，在设备方面为异质衬底构造优异性能的电子器件提供了一条可行性途径。

本发明提供的技术方案是：

一种用于生长电子器件的复合反应室外延设备，该复合反应室外延设备包括物理沉积反应腔室3和化学沉积反应腔室1；两个反应腔室均设有源材料输送管道及冷却水管道11和31、盖板12和32、控制器和样品托盘，并通过中转室2进行相互连接，用于传输样品。

针对上述复合反应室外延设备，进一步地：

化学沉积反应腔室1主要用于以金属有机气相沉积(MOCVD)、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)或等离子体化学汽相淀积(PCVD)等方法，化学反应腔室能进行独立的材料生长。在本发明实施例中，化学沉积反应腔室为金属有机气相沉积(MOCVD)反应室13。

物理沉积反应腔室3主要用于以电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、分子束外延、脉冲激光熔射沉积等物理沉积方法生长电子器件，物理沉积反应腔室能进行独立的材料生长。在本发明实施例中，物理沉积反应腔室为磁控溅射反应室33。

中转室设有机械手22，两个反应腔室之间利用机械手22进行置于样品托盘中的样品的相互传输；两个反应腔室之间还可利用皮带通过中转室进行样品的相互传输。中转室还配备压力控制部件，包括阀门和控制面板；中转室的两端通过阀门将中转室与反应腔室相互隔开，阀门可以通过中转室的控制面板进行开与关。中转室的阀门包括连接中转室2与化学沉积反应腔室的阀门21和连接中转室与物理沉积反应腔室的阀门23。中转室的控制部件可与两个反应腔室的控制器集成为集成控制模块。中转室的控制部件与两个反应腔室的控制器均通过集成控制模块进行电气控制。两个反应腔室的工艺参数和操作中转室等设备控制的功能可由相互独立或者集成的软件模块来实现控制。

本发明还提供一种利用上述复合反应室外延设备生长电子器件的外延生长方法，在本发明实施例中，首先通过物理沉积反应腔室3进行沉积缓冲层，然后利用化学沉积反应腔室1进行材料器件生长，具体包括如下步骤：

1)首先在物理沉积反应腔室3中的样品托盘放入所需的衬底41，通过控制器设定相应的工艺参数，物理外延沉积缓冲层42；

2)外延生长完毕后，通过中转室2的压力控制部件控制使得中转室的压力与物理沉积反应腔室的压力相等，打开中转室与物理沉积反应腔室之间的阀门23，利用中转室的机械手22把物理沉积反应腔室3中的样品或者样品托盘一起转输到中转室2，关闭中转室2与物理沉积反应腔室3之间的阀门23；

3)接着通过中转室2的压力控制部件控制使得中转室2的压力与化学沉积反应腔室1的压力相等，打开中转室2与化学沉积反应腔室1之间的阀门21，通过机械手22把样品或者样品托盘转输到化学沉积反应腔室1，关闭中转室2与化学沉积反应腔室1的阀门21；

4)最后，设定相应的工艺参数，化学外延沉积材料器件5，从而完成电子器件的外延生长。

针对上述利用复合反应室外延设备生长电子器件的方法，进一步地，

两反应室的工艺条件分别独立控制，其控制模块可相互独立或者集成化。两反应腔室可共用气源，或者两反应腔室的原材料可以相互独立或共同使用。

在外延生长电子器件时，所述复合反应室沉积设备具备从物理沉积反应腔室到化学沉积反应腔室进行顺序传输样品的功能，或者反之；也就是说，可根据实际生长工艺的需要，复合反应室外延设备既可实现从物理沉积反应腔室到化学沉积反应腔室的沉积，也可实现先利用化学沉积反应腔室进行沉积然后再利用物理沉积反应腔室进行沉积。在实际生长过程中，本发明提供的复合反应室沉积设备可适应两个反应腔室相互循环地进行周期反复的外延生长材料过程。在本发明实施例中，步骤4)中化学外延沉积材料器件5具体为在氮化铝缓冲层上生长一层掺铝的镓化氮过渡层，接着生长本征氮化镓层，最后生长一层掺铝镓氮的势垒层，从而完成利用复合反应室连续实现高质量的氮化铝缓冲层和高性能的电子器件外延生长。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种用于生长电子器件的复合反应室外延设备和利用该复合反应室外延设备生长电子器件的方法。本发明技术方案利用物理反应室沉积外延的种子层、缓冲层、过渡插入层等，接着利用化学反应室进行器件构造的外延方法，其充分利用了化学沉积和物理沉积的优点，突破了传统外延生长材料器件设备原理的单一性；即利用了物理沉积方式在异质衬底上沉积缓冲层晶体质量等性能较好的优势，克服反应化学沉积方法生长缓冲层和过渡层的材料性能较差的缺点，可根据实际生长工艺的需要，复合反应室外延设备即可实现从物理反应室到化学反应室的沉积，也可实现先利用化学反应室进行沉积然后再利用物理反应室进行沉积。因为本发明在同一设备中，通过高洁净度中转室中转两种不同反应室的沉积材料，可以有效的避免传送过程中的污染问题，同时能解决现有技术中金属有机气相沉积设备生长缓冲层晶体质量较差、位错密度较高的问题，大大提高器件衬底的晶体质量，提高电子器件的综合性能，为异质衬底构造优异性能的电子器件提供了更为适用的外延设备，有利于器件的产业化和实用化。

附图说明

图1为本发明提供的复合反应室沉积设备的结构图；

图2为本发明的复合反应室沉积设备结构的俯视图；

图3为本发明实施例的复合反应室沉积设备的结构图；

图1～图3中，

1—化学沉积反应腔室；11—化学沉积反应腔室的源材料输送管道及冷却水管道；12—化学沉积反应腔室的盖板；13—金属有机气相沉积系统MOCVD；2—中转室；21—连接中转室与化学沉积反应腔室的阀门；22—中转室的机械手；23—连接中转室与物理沉积反应腔室的阀门，3—物理沉积反应腔室；31—物理沉积反应腔室的源材料输送管道及冷却水管道；32—物理沉积反应腔室的盖板；33—磁控溅射沉积设备。

图4为本发明为实施例利用复合反应室沉积设备外延生长金属有机气相沉积的电子器件组成材料示意图；

其中，4—磁控溅射沉积的氮化铝缓冲层，即层42；5—金属有机气相沉积的电子器件，包括层43～45；41—Si；42—AlN；43—Al_xGa_1-xN；44—GaN；45—Al_0.25Ga_0.75N。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

图1为本发明提供的复合反应室沉积设备的结构图；图2为本发明的复合反应室沉积设备结构的俯视图；其中，1为化学反应腔室；11为化学反应腔室的源材料输送管道及冷却水管道；12为化学反应腔室的盖板；2为中转室；21为连接中转室与化学反应室的阀门；22为中转室的机械手；23为连接中转室与物理反应室的阀门，3为物理反应腔室；31为物理反应腔室的源材料输送管道及冷却水管道；32为物理反应腔室的盖板。该复合反应室外延设备包括物理沉积腔室和化学沉积反应室，物理沉积腔室和化学沉积反应室是两个本质不同的反应腔室，反应腔室设有控制器和样品托盘，并通过中转室进行相互连接；中转室设有机械手，两个反应腔室之间利用机械手进行置于样品托盘中的样品的相互传输。

图3为本发明实施例的复合反应室沉积设备的结构图；选择金属有机气相沉积和磁控溅射沉积为复合反应室的组成部分。如图3所示，化学反应腔室13为金属有机气相沉积系统MOCVD，物理反应腔室33为磁控溅射沉积设备，本实施例选择以硅衬底上生长电子器件为生长材料来说明设备的运行流程。图4为本发明为实施例利用复合反应室沉积设备外延生长金属有机气相沉积的电子器件组成材料示意图。

首先，硅衬底清洗干净后放入复合反应室的磁控溅射沉积反应腔室33中，设定工艺条件参数，在硅衬底Si 41上溅射沉积一层30nm的氮化铝缓冲层AlN 42，接着调控使得中转室2的压力与溅射沉积反应腔室33的压力相等，打开中转室2与溅射沉积反应腔室33的连接阀门23，利用中转室2的机械手臂22把样品与托盘一起传输到中转室2，关闭中转室2与溅射沉积反应腔室33的连接阀门23，设置中转室2的压力与金属有机气相沉积腔室13的压力相同，打开中转室2与金属有机气相沉积腔室13的连接阀门21，利用中转室2的机械手臂22把样品与托盘一起传输到金属有机气相沉积腔室13，最后设定金属有机气相沉积腔室13的工艺条件，在氮化铝缓冲层AlN 42上生长一层700nm掺铝的镓化氮过渡层Al_xGa_1-xN 43，接着生长2um本征氮化镓层GaN 44，最后生长一层25nm的掺铝镓氮的势垒层Al_0.25Ga_0.75N 45，从而完成利用复合反应室连续实现高质量的氮化铝缓冲层和高性能的电子器件外延生长，为电子器件进一步实用化奠定了基础。

需要注意的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于生长电子器件的复合反应室外延设备，包括物理沉积反应腔室(3)和化学沉积反应腔室(1)；两个反应腔室均设有源材料输送管道及冷却水管道(11)(31)、盖板(12)(32)、控制器和样品托盘，并通过中转室(2)进行相互连接，用于传输样品。

2.如权利要求1所述复合反应室外延设备，其特征是，所述化学沉积反应腔室(1)为金属有机气相沉积反应腔室、等离子体增强化学汽相淀积反应腔室或等离子体化学汽相淀积反应腔室。

3.如权利要求1所述复合反应室外延设备，其特征是，所述物理沉积反应腔室(3)为电子束蒸发反应腔室、磁控溅射反应腔室、热蒸镀反应腔室、分子束外延反应腔室或脉冲激光熔射沉积反应腔室。

4.如权利要求1所述复合反应室外延设备，其特征是，所述化学沉积反应腔室(1)和物理沉积反应腔室(3)均为能进行独立材料生长的反应腔室。

5.如权利要求1所述复合反应室外延设备，其特征是，所述两个反应腔室通过中转室(2)进行相互连接传输样品，具体通过中转室设有机械手或皮带进行样品在两个反应腔室的相互传输。

6.如权利要求1所述复合反应室外延设备，其特征是，所述中转室(2)设有压力控制部件，包括阀门和控制面板；中转室阀门通过中转室控制面板进行开与关。

7.如权利要求6所述复合反应室外延设备，其特征是，所述中转室的阀门包括连接中转室(2)与化学沉积反应腔室(1)的阀门(21)和连接中转室(2)与物理沉积反应腔室(3)的阀门(23)。

8.如权利要求6所述复合反应室外延设备，其特征是，所述中转室的压力控制部件与两个反应腔室的控制器集成为集成控制模块。

9.一种利用权利要求1～8任一所述复合反应室外延设备生长电子器件的外延生长方法，包括如下步骤：

1)首先在物理沉积反应腔室(3)中的样品托盘放入所需的衬底(41)，通过物理沉积反应腔室的控制器设定工艺参数，物理外延沉积缓冲层(42)；

2)通过中转室(2)的压力控制部件控制使得中转室(2)的压力与物理沉积反应腔室(3)的压力相等，打开中转室(2)与物理沉积反应腔室(3)之间的阀门(23)，把物理沉积反应腔室(3)中的样品或者样品托盘转输到中转室(2)，关闭阀门(23)；

3)接着通过中转室(2)的压力控制部件控制使得中转室(2)的压力与化学沉积反应腔室(1)的压力相等，打开中转室(2)与化学沉积反应腔室(1)之间的阀门(21)，把样品或者样品托盘转输到化学沉积反应腔室(1)，关闭阀门(21)；

4)最后，通过设定工艺参数化学外延沉积材料器件(5)，从而完成电子器件的外延生长。

10.如权利要求9所述外延生长方法，其特征是，所述方法利用复合反应室外延设备外延生长电子器件，还包括从化学沉积反应腔室(1)到物理沉积反应腔室(3)的沉积。