CN107587189A - 一种集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，属于半导体技术领域。本发明能够有效解决在氮化物材料生长时，利用异位热处理系统进行退火工艺处理后，二次外延材料外延生长与高温热处理过程中产生的样品污染而导致材料质量下降的问题。该系统包括金属有机物化学气相沉积设备、物理气相沉积设备、高温热处理设备、互联系统、源存储系统、输运系统、尾气处理系统和监测与控制系统。本发明将热退火工艺与金属有机化学气相沉积工艺集成在一起，为高温热处理工艺广泛应用于氮化物材料生长，获得高质量氮化物提供了一种有效方法。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统。
背景技术
宽禁带AlGaN半导体材料有着无可替代的独特优势(如具有强击穿电场、耐高温、抗辐照、和良好化学与热稳定性等)，是制作紫外探测器的理想材料。随着Al组分的变化,其禁带宽度可以连续变化,对应的波长从365nm变化到200nm，覆盖整个日盲紫外波段。基于AlGaN材料的紫外光电探测器由于具有探测灵敏度高，无需复杂的滤波系统以及体积小、重量轻、耐高温等优点在军用和民用等领域具有广泛应用前景，被认为是最有望取代日盲光电倍增管的宽禁带半导体器件，从而倍受关注，更是美国、日本、欧洲等发达国家研发的热点。但目前AlGaN材料质量达不到高性能探测器要求的水平，严重制约了AlGaN日盲紫外探测器的发展和应用。
引起AlGaN材料质量低下核心问题是同质衬底的缺乏，在异质衬底上直接外延生长AlGaN材料存在高密度的位错与缺陷。为缓解AlGaN材料与异质衬底的晶格失配以及热失配，研究人员常在AlN/异质衬底(以下简称AlN复合衬底)以及AlN模板上外延生长AlGaN材料来提高其结晶质量。因为AlN材料除了可以缓解衬底与AlGaN材料之间的失配外，其晶格常数也略小于AlGaN材料，为AlGaN外延层提供压应力，防止AlGaN材料产生裂痕，是良好的外延AlGaN材料的模板。为此，获得高质量的AlN模板对于外延高质量AlGaN材料有着重要意义，可以为高质量AlGaN外延层打下良好基础。
同时，AlN材料本身也是直接带隙宽禁带半导体材料并且具有较强的极化效应，因此制备高质量AlN材料本身也具有重大意义，在光电子以及电力电子器件制备方面有广泛应用潜力。
为改善AlN模板质量，研究者们提出了多种生长方式来提高AlN模板的结晶质量，其中包括利用缓冲层、插入层法、超晶格法、外延侧向过生长法以及高温热处理法等等。其中高温热处理AlN外延层方法则具有操作流程简单、AlN模板结晶质量提高效果显著等优点，因此具有大规模应用于生产的潜力。
然而由于外延设备条件限制，需要将AlN模板移出生长设备(包括金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，物理气相沉积(PVD)设备)的反应室，在专门的热处理设备完成热处理过程后再送回生长设备进行二次生长。在取出与放回的过程中，AlN模板难免和外界环境发生接触导致其被污染，在重新生长前需要复杂的清洗过程。这个过程会导致样品有被污染的可能，并且耗费大量时间，不利于材料质量的提高以及热处理工艺的大规模应用。
发明内容
本发明针对氮化物材料生长时，利用异位热处理系统进行退火工艺处理后，在二次材料外延生长与高温热处理过程中产生的样品污染而导致材料质量下降的技术问题，提供了一种集成热处理工艺的高质量氮化物材料的外延生长系统，将热退火工艺与金属有机化学气相沉积工艺集成在一起，为外延高质量氮化物材料，尤其AlN以及AlGaN材料提供了一种有效的一体化系统。
本发明提供的一种集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，包括以下组成部分：
金属有机物化学气相沉积设备，具有金属有机物化学气相沉积腔室，用于AlN模板制备以及氮化物材料外延层的生长；所述金属有机物化学气相沉积设备的生长速度适中，外延层结晶质量高；
物理气相沉积设备，具有物理气相沉积腔室，用于AlN模板和AlN复合衬底的制备；所述物理气相沉积设备沉积材料均匀，可重复性高，适用于大规模生产；
高温热处理设备，具有高温热处理腔室，用于AlN复合衬底、AlN模板以及氮化物外延层的热处理；利用高温热处理方法可以简便、高效地提高外延层结晶质量与表面形貌；
互联系统，用于将金属有机物化学气相沉积设备、物理气相沉积设备以及高温热处理设备之间两两互联，所述互联系统包括操作箱和过渡腔，操作箱通过过渡腔分别与金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室以及高温热处理设备腔室密闭连接；所述互联系统保证了工艺操作的高气密性及洁净度；
源存储系统，包括金属有机物存储设备、氮化物源存储设备、保护气体存储设备、温控设备、湿控设备以及压力控制设备，用于存储金属有机化合物气相沉积、物理气相沉积和高温处理过程中所用到的金属源、氮源和保护气体，并且保证源存储系统的温度、湿度和压强；
输运系统，包括将源存储系统中的金属源、氮源和保护气体通入金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室所经的管路、控制管路流量的阀门、流量监测与控制设备、气体纯化设备、以及将金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室中废气输送到尾气处理系统中的管路；所述输运系统气密性高、阀门响应速度快、流量控制精确；
尾气处理系统，通过输运系统中的管路将金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室产生的废气共同排入尾气处理系统进行集中处理和排放；所述尾气处理系统保证了排出的尾气达到国家排放标准；
监测与控制系统，分别与金属有机物化学气相沉积设备、物理气相沉积设备、高温热处理设备、互联系统、源存储系统、输运系统、尾气处理系统电联接，用于监测以及控制源存储系统的压力、温度和湿度，高温热处理设备的热处理温度，金属有机物化学气相沉积腔室和物理气相沉积腔室的生长情况，尾气处理系统的处理情况，以及输运系统的气流量和阀门状态。
优选地，所述物理气相沉积设备为磁控溅射物理气相沉积设备、射频溅射物理气相沉积设备或电子束蒸发等物理气相沉积设备。
优选地，所述金属有机物化学气相沉积设备为低压金属有机物化学气相沉积设备或高温金属有机物化学气相沉积设备。
优选地，所述低压金属有机物化学气相沉积设备的压力低于大气压的压力。
优选地，所述高温金属有机物化学气相沉积设备的温度高于400℃。
优选地，所述金属源为金属有机物。
优选地，所属氮源为氨气。
优选地，所述保护气体为惰性气体和/或还原性气体。
优选地，所述保护气体为氮气、氢气、一氧化碳或氨气。
优选地，所述监测与控制系统还包括原位监测设备，分别固定于金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室中，用于监测反应过程中的样品质量信息，并能实现快速、精确调控。
通过该系统获得高质量AlGaN等氮化物材料的基本原理为：利用高温热处理使在异质衬底上外延的AlN材料发生重结晶过程，使由于晶粒倾斜(tilt)产生的螺位错以及由于晶粒相互扭转(twist))产生的刃位错密度大大降低，从而可以提升材料的结晶质量，获得高质量AlN复合衬底或AlN模板，在此基础上外延高质量氮化物材料。
与现有技术相比，本发明提供的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，为一套一体化外延生长以及热处理系统，该系统可以为AIN模板及三族氮化物外延生长以及高温热处理提供便利，有利于高温热处理工艺的广泛应用以及获得高质量AlGaN材料等氮化物材料。
该系统可防止样品在不同工艺间传递被污染，保证了在高温热处理工艺与外延生长过程中的洁净度，避免了复杂的清洗过程，为整个工艺流程过程节省了大量时间。同时，由于样品传递在高清洁度的环境下进行，保证了获得高质量AlGaN等氮化物材料的成功率与可重复性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统工作关系示意图；
图2为本发明提供的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统外延高质量氮化物材料过程中的硬件结构示意图。
附图说明：
1、操作箱；2、过渡腔；3、物理气相沉积腔室；4、金属有机化学气相沉积腔室；5、源存储系统；6、输运系统；7、高温热处理腔室；8、尾气处理系统。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示；
本发明的一种集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，包括以下组成部分：
金属有机物化学气相沉积设备，具有金属有机物化学气相沉积腔室，用于AlN模板制备以及氮化物材料外延层的生长；所述金属有机物化学气相沉积设备的生长速度适中，外延层结晶质量高；
物理气相沉积设备，具有物理气相沉积腔室，用于AlN模板和AlN复合衬底的制备；所述物理气相沉积设备沉积材料均匀，可重复性高，适用于大规模生产；
高温热处理设备，具有高温热处理腔室，用于AlN复合衬底、AlN模板以及氮化物外延层的热处理；利用高温热处理方法可以简便、高效地提高外延层结晶质量与表面形貌；
互联系统，用于将金属有机物化学气相沉积设备、物理气相沉积设备以及高温热处理设备之间两两互联，所述互联系统包括操作箱和过渡腔，操作箱通过过渡腔分别与金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室以及高温热处理设备腔室密闭连接；所述互联系统保证了工艺操作的高气密性及洁净度；
源存储系统，包括金属有机物存储设备、氮化物源存储设备、保护气体存储设备、温控设备、湿控设备以及压力控制设备，用于存储金属有机化合物气相沉积、物理气相沉积和高温处理过程中所用到的金属源、氮源和保护气体，并且保证源存储系统的温度、湿度和压强；
输运系统，包括将源存储系统中的金属源、氮源和保护气体通入金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室所经的管路、控制管路流量的阀门、流量监测与控制设备、气体纯化设备、以及将金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室中废气输送到尾气处理系统中的管路；所述输运系统气密性高、阀门响应速度快、流量控制精确；
尾气处理系统，通过输运系统中的管路将金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室产生的废气共同排入尾气处理系统进行集中处理和排放；所述尾气处理系统保证了排出的尾气达到国家排放标准；
监测与控制系统，分别与金属有机物化学气相沉积设备、物理气相沉积设备、高温热处理设备、互联系统、源存储系统、输运系统、尾气处理系统电联接，用于监测以及控制源存储系统的压力、温度和湿度，高温热处理设备的热处理温度，金属有机物化学气相沉积腔室和物理气相沉积腔室的生长情况，尾气处理系统的处理情况，以及输运系统的气流量和阀门状态。
优选地，所述物理气相沉积设备为磁控溅射物理气相沉积设备、射频溅射物理气相沉积设备或电子束蒸发等物理气相沉积设备。
优选地，所述金属有机物化学气相沉积设备为低压金属有机物化学气相沉积设备或高温金属有机物化学气相沉积设备。
优选地，所述低压金属有机物化学气相沉积设备的压力低于大气压的压力。
优选地，所述高温金属有机物化学气相沉积设备的温度高于400℃。
优选地，所述金属源为金属有机物。
优选地，所属氮源为氨气。
优选地，所述保护气体为惰性气体和/或还原性气体。
优选地，所述保护气体为氮气、氢气、一氧化碳或氨气。
优选地，所述监测与控制系统还包括原位监测设备，分别固定于金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室中，用于监测反应过程中的样品质量信息，并能实现快速、精确调控。
参照图2所示；
利用集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统外延高质量氮化物材料的方法为：
在互联系统的操作箱1内将异质衬底通过过渡腔2送入物理气相沉积腔室3和/或金属有机化学气相沉积腔室4中，并将源存储系统5中的氮源和金属源通过输运系统6注入物理气相沉积腔室3和/或金属有机化学气相沉积腔室4，在异质衬底上外延生长AlN材料，初步获得AlN复合衬底或AlN模板；
在互联系统的操作箱1内将AlN复合衬底或AlN模板通过过渡腔2送入高温热处理腔室7中，并将源存储系统5中的保护气体通过输运系统6注入高温热处理腔室7，对AlN复合衬底或AlN模板进行高温热处理，冷却降至室温后即可得到高质量AlN复合衬底或AlN模板；
在互联系统的操作箱1内将高温热处理后的AlN复合衬底或AlN模板通过过渡腔2送入金属有机化学气相沉积腔室4中，并将源存储系统5中的氮源和金属源通过输运系统注入金属有机化学气相沉积腔室4，进行二次AlN模板和/或三族氮化物材料外延生长；
物理气相沉积腔室3、金属有机化学气相沉积腔室4和高温热处理腔室7中产生的废气通过输运系统6排入尾气处理系统8进行统一处理。
在上述技术方案中，本发明提供的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，为一套一体化外延生长以及热处理系统，该系统可以为AIN模板及三族氮化物外延生长以及高温热处理提供便利，有利于高温热处理工艺的广泛应用以及获得高质量AlGaN材料等氮化物材料。
该系统可防止样品在不同工艺间传递被污染，保证了在高温热处理工艺与外延生长过程中的洁净度，避免了复杂的清洗过程，为整个工艺流程过程节省了大量时间。同时，由于样品传递在高清洁度的环境下进行，保证了获得高质量AlGaN等氮化物材料的成功率与可重复性。
显然，上述实施方式仅仅是为了清楚的说明所作的举例，在上述说明的基础上还可以做出其他形式的变动或变化。因此，由此所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，包括以下组成部分：
金属有机物化学气相沉积设备，具有金属有机物化学气相沉积腔室，用于AlN模板制备以及氮化物材料外延层的生长；
物理气相沉积设备，具有物理气相沉积腔室，用于AlN模板和AlN复合衬底的制备；
高温热处理设备，具有高温热处理腔室，用于AlN复合衬底、AlN模板以及氮化物外延层的热处理；
互联系统，用于将金属有机物化学气相沉积设备、物理气相沉积设备以及高温热处理设备之间两两互联，所述互联系统包括操作箱和过渡腔，所述操作箱通过过渡腔分别与金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室以及高温热处理设备腔室密闭连接；
源存储系统，包括金属有机物存储设备、氮化物源存储设备、保护气体存储设备、温控设备、湿控设备以及压力控制设备，用于存储金属有机化合物气相沉积、物理气相沉积和高温处理过程中所用到的金属源、氮源和保护气体，并且保证源存储系统的温度、湿度和压强；
输运系统，包括将源存储系统中的金属源、氮源和保护气体通入金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室所经的管路、控制管路流量的阀门、流量监测与控制设备、气体纯化设备、以及将金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室中废气输送到尾气处理系统中的管路；
尾气处理系统，通过输运系统中的管路将金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室产生的废气共同排入尾气处理系统进行集中处理和排放；
监测与控制系统，分别与金属有机物化学气相沉积设备、物理气相沉积设备、高温热处理设备、互联系统、源存储系统、输运系统、尾气处理系统电联接，用于监测以及控制源存储系统的压力、温度和湿度，高温热处理设备的热处理温度，金属有机物化学气相沉积腔室和物理气相沉积腔室的生长情况，尾气处理系统的处理情况，以及输运系统的气流量和阀门状态。
2.根据权利要求1所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所述物理气相沉积设备为磁控溅射物理气相沉积设备、射频溅射物理气相沉积设备或电子束蒸发等物理气相沉积设备。
3.根据权利要求1所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所述金属有机物化学气相沉积设备为低压金属有机物化学气相沉积设备或高温金属有机物化学气相沉积设备。
4.根据权利要求3所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所述低压金属有机物化学气相沉积设备的压力低于大气压的压力。
5.根据权利要求3所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所述高温金属有机物化学气相沉积设备的温度高于400℃。
6.根据权利要求1所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所述金属源为金属有机物。
7.根据权利要求1所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所属氮源为氨气。
8.根据权利要求1所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所述保护气体为惰性气体和/或还原性气体。
9.根据权利要求8所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所述保护气体为氮气、氢气、一氧化碳或氨气。
10.根据权利要求1所述的集成热处理工艺的多腔室氮化物材料外延系统，其特征在于，所述监测与控制系统还包括原位监测设备，分别固定于金属有机物化学气相沉积腔室、物理气相沉积腔室和高温热处理腔室中，用于监测反应过程中的样品质量信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180116 |