CN107964647B - 具有物理气相沉积形成氮化铝缓冲层的氮化镓类发光二极管的制造 - Google Patents

具有物理气相沉积形成氮化铝缓冲层的氮化镓类发光二极管的制造 Download PDF

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Abstract

在此描述具有物理气相沉积(PVD)形成的氮化铝缓冲层的氮化镓类发光二极管(LED)的制造。举例而言，多腔室系统包括物理气相沉积(PVD)腔室，所述PVD腔室具有铝构成的靶。也包括一腔室，所述腔室适于沉积无掺杂或n型的氮化镓，或适于沉积前述两种氮化镓。在另一实施例中，一种制造发光二极管(LED)结构的方法包括在多腔室系统的物理气相沉积(PVD)腔室中的衬底上方形成氮化铝层。在多腔室系统的第二腔室中将无掺杂或n型氮化镓层形成在氮化铝层上。

Description

具有物理气相沉积形成氮化铝缓冲层的氮化镓类发光二极管 的制造
本申请是申请日为2011年12月13日、申请号为201180060112.0、发明名称为“具有物理气相沉积形成氮化铝缓冲层的氮化镓类发光二极管的制造”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
此申请案主张美国申请案第13/036,273号的权益，所述美国申请案是在2011年2月28日提出申请，且主张2010年12月16日提出申请的美国临时申请案第61/424,006号的权益，所述美国申请案的整体内容在此以引用的方式并入本文。
发明领域
本发明的实施例涉及三族氮化物材料的领域，且具体地说涉及制造氮化镓类的发光二极管(LED)的领域，所述LED具有物理气相沉积(PVD)形成的氮化铝缓冲层。
相关技术的描述
三五族材料在半导体与相关工业(例如发光二极管(LED)工业)中扮演日益重要的角色。通常，三五族材料不易生长或沉积在异质衬底上(已知为异质外延(heteroepitaxy))又不形成缺陷或裂隙。例如，在许多使用依序制造的材料层层叠的应用中，无法轻易地拥有所选的膜(例如氮化镓膜)的高质量表面保全。在衬底与器件层之间包含一或多个缓冲层已是一项解决途径。然而，三五族材料经常对于工艺条件敏感，且必须小心地避免这类情况在制造工艺的特定期间发生。然而，在许多应用中，也无法轻易避免敏感的三五族膜与可能的损坏条件交互作用。
发明内容
本发明的实施例涉及氮化镓类的发光二极管(LED)的制造，所述发光二极管具有物理气相沉积(PVD)形成的氮化铝缓冲层。
实施例中，多腔室系统包括物理气相沉积(PVD)腔室，所述PVD腔室具有由铝构成的靶。还包括腔室，所述腔室适于沉积无掺杂的氮化镓或n型的氮化镓，或所述腔室适于沉积无掺杂的氮化镓及n型的氮化镓两者。
另一实施例中，多腔室系统包括物理气相沉积(PVD)腔室，所述PVD腔室具有由铝构成的靶。还包括第一金属有机化学气相沉积(MOCVD)腔室，且所述第一MOCVD腔室用于沉积无掺杂的或n型的氮化镓。还包括第二MOCVD腔室，所述第二MOCVD腔室用于沉积多量子阱(MQW)结构。还包括第三MOCVD腔室，所述第三MOCVD腔室用于沉积p型氮化铝镓或p型氮化镓，或所述第三MOCVD腔室用于沉积p型氮化铝镓及p型氮化镓两者。
另一实施例中，制造发光二极管(LED)结构的方法包括以下步骤：在多腔室系统的物理气相沉积(PVD)腔室中于衬底上方形成氮化铝层。在所述多腔室系统的第二腔室中形成无掺杂的或n型氮化镓层于所述氮化铝层上。
附图简要说明
图1图示根据本发明一或多个实施例的基准组合工具示意图、基准LED结构，与基准时间与沉积关系图。
图2A图示根据本发明实施例的组合工具示意图与用于LED结构制造的相对应的温度与时间的关系曲线图。
图2B图示根据本发明实施例的发光二极管(LED)结构与相对应的时间与沉积关系图。
图3是根据本发明实施例的流程图，所述图表示制造氮化镓类光LED的方法中的操作，所述LED具有PVD形成的氮化铝缓冲层。
图4是根据本发明实施例的MOCVD腔室的示意剖面图，所述MOCVD腔室适合用于制造三族氮化物材料。
图5是根据本发明实施例的HVPE腔室的示意剖面图，所述HVPE腔室适合用于制造三族氮化物材料。
图6图示根据本发明实施例的氮化镓(GaN)类发光二极管(LED)的剖面图，所述LED形成在金属化衬底上。
具体描述
在此描述氮化镓类发光二极管(LED)的制造，所述LED具有物理气相沉积(PVD)形成的氮化铝缓冲层。在随后的描述中，提出许多特定细节(诸如处理腔室的配置方式与材料的必须条件(regime))以使读者透彻地理解本发明的实施例。对于此技术领域中的技术人员而言，将明了无须所述特定细节即可实行本发明的实施例。在其它实例中，不详细描述众所熟知的特征结构(诸如特定的二极管配置方式)，以不至于非必要地混淆了本发明的实施例。再者，应理解在图中所示的各实施例为说明性质的示意图，且在图中所示的各实施例不必然按照比例尺绘制。此外，可能不会在此于实施例中明确公开其它布置与配置方式，但仍应将所述布置与配置方式视为落入本发明的精神与范围内。
LED的制造方法可包括在衬底与无掺杂及/或掺杂的氮化镓的器件层之间形成氮化镓缓冲层。在此述的实施例中，在衬底与无掺杂及掺杂的氮化镓的器件层之间使用氮化铝缓冲层取代此类氮化镓缓冲层。氮化铝层可以通过PVD工艺中的溅射沉积形成。此举与一般在金属有机化学气相沉积(MOCVD)腔室或氢化物气相外延(HVPE)腔室中执行的三族氮化物缓冲层的制造呈现对比。氮化铝层可以通过从安置(house)在PVD腔室中的氮化铝靶非反应性溅射形成，或者氮化铝层是可以通过反应性溅射形成，所述反应性溅射是来自安置在PVD腔室中且与氮类气体或等离子体反应的铝靶。
此述的一或多个实施例可实现用于LED制造上的多腔室制造工具中更高的产量。同样，通过包括PVD形成的氮化铝层而非氮化镓缓冲层，无掺杂与掺杂的氮化镓器件层可以在整体上可薄化。特殊实例中，可薄化无掺杂的部分或完全消除无掺杂的部分。再者，可以在与用于沉积氮化铝层相同的PVD沉积腔室中执行接收衬底(诸如蓝宝石衬底)的初步溅射清洁。此外，LED制造的总热预算可降低，因为PVD氮化铝层可在低于300℃的温度形成。相较之下，一般的氮化镓缓冲层在500℃至600℃之间形成。此述的一或多个实施例可对于诸如无掺杂及/或n型掺杂的氮化镓之类的材料实现较快的沉积速率(例如两倍的生长速率)。因为在一些实施例中无掺杂及/或n型掺杂的氮化镓层是形成在氮化铝(AlN)缓冲层上，因此可实现较快的速率，所述氮化铝(AlN)缓冲层可提供正确的晶体定向与形态的关系，以便在所述氮化铝缓冲层上生长无掺杂及/或n型掺杂的氮化镓层。此述的一或多个实施例可实现消除氧化物移除操作，因为许多所述的操作是在组合工具中原位执行。此述的一或多个实施例可以通过在PVD形成的氮化铝缓冲层上形成氮化镓而实现氮化镓结晶质量的改善。
在此与一或多个实施例有所关联而描述的是用于制造具有PVD形成的氮化铝缓冲层的氮化镓类LED的系统。一个实施例中，多腔室系统包括PVD腔室，所述PVD腔室具有由金属铝或铝化合物构成的靶。所述多腔室系统也包括适于沉积无掺杂或n型的氮化镓(或前述两种氮化镓)的腔室以及用于其它器件层(诸如多量子阱层与p型掺杂的氮化镓层)的腔室。
还在此与一或多个实施例有所关联而描述的是制造具有PVD形成的氮化铝缓冲层的氮化镓类LED的方法。一个实施例中，一种制造LED结构的方法包括以下步骤：在多腔室系统的PVD腔室中于衬底上方形成氮化铝层。所述方法也包括以下步骤：在所述多腔室系统的第二腔室中在所述氮化铝层上形成无掺杂或n型的氮化镓层。
本发明的实施例可提供在当前描述的系统与方法的研究期间开发的基准系统或方法方面的改善。例如图1图示根据本发明一或多个实施例的基准组合工具示意图、基准LED结构以及基准时间与沉积关系图。
参看图1，基准组合工具100包括无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室102(MOCVD1：u-GaN/n-GaN)、多量子阱(MQW)MOCVD反应腔室104(MOCVD2：MQW)，以及p型氮化镓MOCVD反应腔室106(MOCVD3：p-GaN)。所述基准组合工具100也可包括装载锁定腔室108、载具盒110，与视情况任选的额外无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室112，所述反应腔室112用于高容量的应用，所有这些腔室都图示于图1中。
基准LED结构120包括各材料层的层叠，所述材料层中多数材料层包括三五族材料。例如，基准LED结构120包括：硅或蓝宝石衬底122(衬底：蓝宝石、硅)、20纳米厚的缓冲层124(LT缓冲物)，与大约4微米厚的无掺杂/n型氮化镓组合层126(u-GaN/n-GaN)。缓冲层124可以是在相对低的处理温度下形成的氮化镓层。缓冲层124与无掺杂/n型氮化镓组合层126是在基准组合工具100的无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室102中形成。基准LED结构120也包括MQW结构128，所述MQW结构128的厚度范围是30-500纳米。MQW结构128是在基准组合工具100的MQW MOCVD反应腔室104中形成。基准LED结构120也包括大约20纳米厚的p型氮化铝镓层130(p-AlGaN)与p型氮化镓层132(p-GaN)，所述p型氮化镓层132的厚度范围是50-200纳米。p型氮化铝镓层130与p型氮化镓层132是在基准组合工具100的p型氮化镓MOCVD反应腔室106中形成。
基准的时间与沉积关系图140呈现基准组合工具100中腔室的使用。在MQW MOCVD反应腔室104中形成MQW结构128需约2小时的生长时间。并且，在p型氮化镓MOCVD反应腔室106中形成p型氮化铝镓层130与p型氮化镓层132需约1小时的生长时间。同时，在无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室102中形成缓冲层124与无掺杂/n型氮化镓组合层126需约3.5小时的生长时间。可需要额外的约1小时供腔室102进行腔室清洁。因此，整体而言，在基准组合工具100中制造基准LED结构120的循环时间是由无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室102的循环时间所决定，此循环时间大约是4.5小时。应理解，清洁时间可以包括(但不必然包括)用于关闭的时间、加上清洁的时间、再加上复原的时间。也应理解前述的时间可代表平均时间，因为可以不在每一次使用腔室之间执行清洁。
于下文中提供用于LED材料沉积的基准时序，如与图1相关所述，而用于LED材料沉积的基准时序是特别针对在无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室102中缓冲层124与无掺杂/n型氮化镓组合层126的形成。例如，大约3.5小时的生长时间被分成10分钟的高温处理蓝宝石衬底、5分钟的低温形成缓冲层、10分钟的缓冲退火操作、30分钟的生长复原操作、2小时的无掺杂/n型氮化镓组合层形成操作，以及30分钟的温度斜线变化(ramp)与稳定化操作(例如温度斜率为2-3℃/s)。
参照与图1相关所述的基准系统与方法，基准途径可能造成在LED的每一功能层上的不平衡的时间流动。例如，在无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室102中缓冲层124与无掺杂/n型氮化镓组合层126的形成是3.5小时，在MQW MOCVD反应腔室104中的MQW结构128的形成是2小时，而在p型氮化镓MOCVD反应腔室106中的p型氮化铝镓层130与p型氮化镓层132的形成是1小时。再者，如前文所提及，在无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室102中的运作之间可能需要额外的大约1小时的腔室清洁(可能包括抽吸降压(pump-down)时间)。可能需要此额外的腔室清洁以避免腔室污染。就此而言，以三个MOCVD腔室进行的结构120的逐步生长造成MQW MOCVD反应腔室104与p型氮化镓MOCVD反应腔室106显著的闲置时间，而减少系统100的整体产量。
在本发明的一方面中，用于制造LED结构的组合系统的产量可通过以下方式改善：以PVD溅射沉积能力或操作取代上述MOCVD材料生长能力或操作中一个或一个的一部分。例如，图2A图示根据本发明实施例的组合工具示意图与相对应的用于LED结构制造的温度与时间关系曲线图。图2B图示根据本发明实施例的LED结构与相对应的时间与沉积关系图。
参看图2A，组合工具200包括：PVD氮化铝溅射腔室202(PVD AlN)、无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室204(MOCVD1：u-GaN/n-GaN)、多量子阱(MQW)MOCVD反应腔室206(MOCVD2：MQW)，以及p型氮化镓MOCVD反应腔室208(MOCVD3：p-GaN)。所述组合工具200也可包括装载锁定腔室210、载具盒212和传送腔室214，所有这些腔室都图示于图2A中。
因此，根据本发明的实施例，多腔室系统包括PVD腔室，所述PVD腔室具有金属铝或复合铝(compound aluminum)的靶；且所述多腔室系统还包括适于沉积无掺杂及/或n型氮化镓(或前述两种氮化镓)的腔室。一个实施例中，PVD腔室的靶是由氮化铝构成。此实施例中，不需要使用反应性溅射，因为靶是由与期望用于沉积的材料相同的材料所构成。但是，在替代性实施例中，使用铝构成的靶，且氮化铝是通过氮源(或在氮源的存在下)从铝靶反应性溅射。一个实施例中，适于沉积无掺杂或n型氮化镓的腔室是MOCVD腔室，如图2A所示。然而，在替代性实施例中，适于沉积无掺杂或n型氮化镓的腔室是氢化物气相外延(HVPE)腔室。一个实施例中，PVD腔室与适于沉积无掺杂或n型氮化镓的腔室被包含在组合工具的布置中，如图2A所示。然而，在替代性实施例中，PVD腔室与适于沉积无掺杂或n型氮化镓的腔室被包含在沿线(in-line)工具的布置中。如在此所述，以PVD为基础的沉积工艺可在接近标准室温的温度下执行，或者所述沉积工艺可在更高的温度下执行。
参看图2B，LED结构220包括各材料层层叠，所述材料层中多数材料层包括三五族材料。例如，LED结构220包括硅或蓝宝石衬底222(衬底：蓝宝石、硅)与氮化铝层224(AlN)，所述氮化铝层224厚度大约在10-200纳米范围中。氮化铝层224是在组合工具200的PVD氮化铝溅射腔室202中通过溅射沉积形成。所述LED结构220也包括大约4微米厚的无掺杂/n型氮化镓组合层或只有n型氮化镓的层226(n-GaN)。所述无掺杂/n型氮化镓组合层或只有n型氮化镓的层226是在组合工具200的无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室204中形成。所述LED结构220也包括MQW结构228，所述MQW结构228的厚度范围是30-500纳米。MQW结构228是在组合工具200的MQW MOCVD反应腔室206中形成。一个实施例中，MQW结构228是由一个或多个场对(field pair)的InGaN阱/GaN阻挡材料层所构成。所述LED结构220也包括大约20纳米厚的p型氮化铝镓层230(p-AlGaN)与p型氮化镓层232(p-GaN)，所述p型氮化镓层232的厚度范围是50-200纳米。p型氮化铝镓层230与p型氮化镓层232是在组合工具200的p型氮化镓MOCVD反应腔室208中形成。应理解前述的厚度或厚度范围仅是示例性的实施例，且应理解其它适合的厚度或厚度范围也会被视为落入本发明的实施例的精神与范围之内。
时间与沉积关系图240呈现组合工具200中腔室的使用。在MQW MOCVD反应腔室206中形成MQW结构228需约2小时的生长时间。在p型氮化镓MOCVD反应腔室208中形成p型氮化铝镓层230与p型氮化镓层232需约1小时的生长时间。并且，根据本发明的实施例，在无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室204中形成无掺杂/n型氮化镓组合层或只有n型氮化镓的层226仅需约2小时的生长时间。可需要额外的约1小时供腔室204进行腔室清洁。但是，应理解，清洁时间可以包括用于关闭的时间、加上清洁的时间、再加上复原的时间。也应理解前述的时间可代表平均时间，因为可以不在每一次使用腔室之间执行清洁。
因此，不在用于形成氮化镓层126的MOCVD腔室中形成缓冲层(诸如图1中的缓冲层124)，反而包含氮化铝缓冲层224，并且在另一腔室中(特别是在PVD氮化铝溅射腔室202中)形成所述氮化铝缓冲层224。尽管AlN生长可为大约5分钟的时间(此时间排除了从大约400托至约10-8托的抽吸时间)，在与MOCVD腔室1分开的腔室中进行的形成步骤增加了组合工具200的产量。例如，整体而言，在组合工具200中制造LED结构220的循环时间再次是由无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室204的循环时间所主宰，相较于基准系统的4.5小时，此循环时间减少到大约3小时。就此而言，以一个PVD腔室加上三个MOCVD腔室进行结构220的逐步生长造成MQW MOCVD反应腔室206与p型氮化镓MOCVD反应腔室208有少得多的闲置时间，因而改善系统200的整体产量。例如，在一个实施例中，工具产量从每天约5.3个操作提高到每天约8个操作，如此显示了约50％的产量改善。
再度参看图2A，提供在组合工具200中LED结构制造上的代表性温度与时间关系曲线图250。曲线图250的区域252是专指在无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室204中无掺杂/n型氮化镓组合层或只有n型氮化镓的层226的形成。在此区域中，只需要一次温度斜线变化(从大约1100℃斜线下降至大约400℃)。所述单一斜线变化事件的需求与在前述无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室102中形成缓冲层124及无掺杂/n型氮化镓组合层126的时序形成鲜明对比。在所述实例中，腔室于高温下开始以用于衬底处理，腔室在用于缓冲层制造的温度中斜线下降，腔室在用于氮化镓沉积的温度中往回斜线上升，而最终再度下降以用于稳定化。然而，应注意在这两个实例中，曲线图250中专指MQW及p-GaN的形成的区域254与256大约相同。在实施例中，参看曲线图250的区域258，PVD形成的氮化铝的温度与时间关系曲线图可涵盖高温(HT)或低温(LT)工艺，这两个工艺大约是在20℃至1200℃的范围内。
除了组合工具200的产量改善之外，还可有对PVD腔室加上三个MOCVD腔室工具的布置的额外益处。例如，可实现成本的节省，因为可需较少反应气体被传送到第一MOCVD腔室。相较于专用于缓冲层与器件层两者的MOCVD腔室(如基准组合工具100的腔室102)的组装时间与复杂度，PVD腔室工程与设计可较为简单。在前述工艺能使器件层226的无掺杂氮化镓部分的厚度减少的实例中，可执行更简单的彻底回蚀(etch-back)工艺。此举也可实现节省材料与操作成本，同时减少循环时间。同样，通过使用氮化铝缓冲层取代氮化镓缓冲层，可获得在器件(诸如LED器件)的有源层(active layer)中减少缺陷度。
因此，根据本发明的实施例，多腔室系统包括PVD腔室和第一MOCVD腔室，所述PVD腔室具有氮化铝靶，所述第一MOCVD腔室用以沉积无掺杂或n型的氮化镓的。所述多腔室系统还包括第二MOCVD腔室与第三MOCVD腔室，所述第二MOCVD腔室用以沉积多量子阱(MQW)结构，而所述第三MOCVD腔室用以沉积p型氮化铝镓或p型氮化镓(或前述两种氮化镓)。在一个实施例中，具有氮化铝靶的PVD腔室是用于非反应性溅射氮化铝。在特定的此类实施例中，所述PVD腔室是用于在低温或稍微升高的温度下(范围大约是20-200℃)非反应性溅射氮化铝。另一特定的此类实施例中，所述PVD腔室是用于在高温(范围大约是200-1200℃)下非反应性溅射氮化铝。
可能有这样的实例：不管沉积温度如何，适合包含在LED结构220中的PVD沉积氮化铝层在某点时可能需要暴露至大约范围在400-1400℃(例如约900℃)的高温，以获得必要的材料性质(例如，适当的缺陷密度、晶粒尺寸、晶体定向等)。根据本发明的实施例，在氮化铝层上制造额外层之前，在PVD沉积的氮化铝层上执行快速热处理(RTP)工艺。RTP腔室可随后以某种方式与上述用于LED结构220的制造工艺相关连。在一个实施例中，诸如包括PVD腔室与三个MOCVD腔室的组合工具或沿线(in-line)工具之类的工具还包括RTP腔室。然而，在替代性实施例中，RTP工艺是在PVD腔室中执行。在另一替代性实施例中，激光退火能力是与前述用于LED结构220的制造工艺相关联。
本发明的另一方面中，提供制造氮化镓类LED的方法，所述LED具有PVD形成的氮化铝缓冲层。例如，图3是流程图300，所述流程图300表示根据本发明实施例的制造具有PVD形成的氮化铝缓冲层的氮化镓类光LED的方法。
参看流程图300的操作302，一种方法包括在PVD腔室中于衬底上方形成氮化铝层。例如，可在诸如组合工具200的腔室202这样的腔室中形成氮化铝层。在一个实施例中，形成氮化铝层的步骤包括从安置在PVD腔室中的氮化铝靶溅射。一个实施例中，形成氮化铝层的步骤包括在低的衬底温度至稍微升高的衬底温度下执行所述形成步骤，所述衬底温度大约是在20-200℃的范围内。在一个实施例中，形成氮化铝层的步骤包括在高的衬底温度下执行所述形成步骤，所述衬底温度大约是在200-1200℃的范围内。
参看流程图300的操作304，所述方法包括在所述氮化铝层上形成无掺杂或n型氮化镓层。例如，可在诸如组合工具200的腔室204这样的腔室中形成无掺杂或n型氮化镓层。在一个实施例中，形成无掺杂或n型氮化镓层的步骤包括在MOCVD腔室中执行所述形成步骤。在一个实施例中，形成无掺杂或n型氮化镓层的步骤包括在HVPE腔室中执行所述形成步骤。在一个实施例中，所述方法进一步包括：在所述氮化铝层上形成无掺杂或n型氮化镓层之前，在RTP腔室中退火所述氮化铝层。
参看流程图300的操作306，所述方法还包括在所述无掺杂或n型氮化镓层上方形成MQW结构。例如，MQW结构可以在诸如组合工具200的腔室206这样的腔室中形成。在一个实施例中，MQW结构是由一个或多个场对的InGaN阱/GaN阻挡材料层所构成。
参看流程图300的操作308，所述方法进一步包括在所述MQW结构上方形成p型氮化铝镓或p型氮化镓层。例如，所述p型氮化铝镓或p型氮化镓层可在诸如组合工具200的腔室208这样的腔室中形成。
适合用于安置PVD腔室与三个MOCVD腔室的示例性工具平台实施例包括OpusTMAdvantEdgeTM系统或CenturaTM系统，所述两个系统都可购自美国加州Santa Clara的应用材料公司。本发明的实施例进一步包括集成度量(integrated metrology(IM))腔室，所述IM腔室作为多腔室的处理平台的部件。所述IM腔室可提供控制信号，以容许适当地控制集成沉积工艺，所述沉积工艺是诸如上文中与图3相关所述的多段溅射或外延生长工艺。所述IM腔室可包括度量设备，所述度量设备适合测量膜的各种性质(诸如厚度、粗糙度、组成)，且所述IM腔室可进一步能够以自动的方式在真空下特征化光栅参数，所述光栅参数诸如临界尺寸(critical dimension(CD))、侧壁角度(SWA)、特征结构高度(HT)。实例包括(但不限于)类似反射仪与散射仪的光学技术。在特别有利的实施例中，运用真空中的光学CD(OCD)技术，其中形成在起始材料中的光栅属性随着溅射及/或外延生长进行而受到监视。在其它实施例中，度量操作是在处理腔室中执行(例如，在处理腔室中原位执行)而非在分开的IM腔室中执行。
多腔室处理平台(诸如组合工具200)可进一步包括视情况任选的衬底对准腔室以及固持卡盒的装载锁定腔室，所述装载锁定腔室耦接包括机械式搬运器的传送腔室。在本发明的一个实施例中，由控制器提供对多腔室处理平台200的适当控制。所述控制器可以是通用数据处理系统的任何形式之一，所述系统可用在工业设施中以控制各种子处理器子控制器。大体而言，除其它常用部件之外，控制器特别包括中央处理单元(CPU)，CPU与存储器及输入/输出(I/O)电路通讯。举例而言，控制器可执行或另外启动此述的任一方法/工艺的一或多个操作，所述方法/工艺包括与流程图300相关所述的方法。执行及/或启动此类操作的任一计算机程序代码可实体化成计算机程序产品。每一此述的计算机程序产品可由计算机可读的媒体搭载，所述媒体例如为软盘、光盘、DVD、硬盘、随机存取存储器等。
在此考虑的用于工艺与工具配置方式的合适的PVD腔室可包括Endura PVD系统，所述系统可购自美国加州Santa Clara的应用材料公司。Endura PVD系统提供卓越的电子迁移阻力与表面形态，也提供了低操作成本与高度的系统可靠性。可在所需的压力及适合的靶至晶圆的距离下如此完成在此执行的PVD工艺，所述适合的靶至晶圆的距离建立了沉积物种在处理腔室中方向性的通量。与沿线系统兼容的腔室(诸如ARISTO腔室，也可购自美国加州Santa Clara的应用材料公司)提供自动化的装载与卸载能力以及磁性载具传输系统，而得以显著地减少循环时间。AKT-PiVot 55KV PVD系统(也可购自美国加州SantaClara的应用材料公司)具有垂直平台以供溅射沉积。AKT-PiVot系统的模块构造履行显著更快的循环时间并且AKT-PiVot系统的模块构造实现多种配置方式以使生产效率最大化。不像传统的沿线系统，AKT-PiVot的平行处理能力消除了每一膜层的不同工艺时间所引发的瓶颈。所述系统的类似组合的布置也容许在各个模块维修期间连续操作。所包含的旋转阴极技术实现相较传统系统高了近三倍的靶利用性。PiVot系统的沉积模块特征结构在于预溅射单元，所述预溅射单元实现了仅使用一个衬底进行靶调节，而非高达50个衬底(此举是欲获得相同结果的其它系统所需的)。
MOCVD沉积腔室的实例图示于图4，并且针对图4描述所述MOCVD腔室的实例，所述MOCVD适合用作为前述的MOCVD腔室204、206或208的一或多个。图4是根据本发明实施例的MOCVD腔室的示意剖面视图。可适于实施本发明的示例性系统与腔室描述于美国专利申请案第11/404,516号(于2006年4月14日提出申请)与第11/429,022号(于2006年5月5日提出申请)中，这两个申请案以全文形式并入做为参考。
图4中所示的设备4100包括腔室4102、气体传送系统4125、远程等离子体源4126，与真空系统4112。腔室4102包括腔室主体4103，所述腔室主体4103包围处理空间4108。喷头组件4104配置在处理空间4108的一端处，而衬底载具4114配置在处理空间4108的另一端处。下圆顶4119配置在下部空间4110的一端处，而衬底载具4114配置在下部空间4110的另一端处。图中图示衬底载具4114位于处理位置，但所述衬底载具4114可以移动到下方的位置，在所述下方的位置处，例如可装载与卸载衬底4140。排放环4120可配置在衬底载具4114的周边周围，以助于防止沉积发生在下部空间4110，并且还帮助从腔室4102引导排放气体至排放口4109。下圆顶4119可由透明材料制成(诸如高纯度石英)，以使光得以通过而用于辐射加热衬底4140。辐射加热可由多个内侧灯4121A与外侧灯4121B提供，所述内侧灯4121A与外侧灯4121B配置在下圆顶4119下方，且反射器4166可用于帮助控制腔室4102对辐射能(由内侧灯4121A与外侧灯4121B提供)的暴露。也可使用额外的灯环进行更细微的衬底4140的温度控制。
衬底载具4114可包括一或多个凹部4116，一或多个衬底4140可在处理期间配置在所述凹部4116内。衬底载具4114可搭载六或更多个衬底4140。在一个实施例中，衬底载具4114搭载八个衬底4140。应理解在衬底载具4114上可搭载更多或更少衬底4140。一般的衬底4140可包括蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅，或氮化镓(GaN)。应理解可处理其余类型的衬底4140(诸如玻璃衬底4140)。衬底4140的尺寸在直径上可有从50mm至100mm(或更大)的范围。衬底载具4114的尺寸范围可从200mm至750mm。衬底载具4114可由多种材料形成，所述材料包括SiC或涂覆SiC的石墨。应理解其它尺寸的衬底4140可在腔室4102内根据此述的工艺受到处理。喷头组件4104可容许遍及比传统MOCVD腔室更多的衬底4140及/或更大的衬底4140上有更均匀的沉积，因而增加产量并且减少每一衬底4140的处理成本。
衬底载具4114可在处理期间绕轴旋转。一个实施例中，衬底载具4114可以约2RPM至约100RPM旋转。另一实施例中，衬底载具4114可以约30RPM旋转。旋转衬底载具4114有助于对衬底4140提供均匀的加热以及有助于将处理气体均匀地暴露至每一衬底4140。
多个内侧灯4121A与外侧灯4121B可排列成同心圆或同心区域(图中未示)，并且可分别对每一灯区域供电。一个实施例中，一或多个温度传感器(诸如高温计，图中未示)可配置在喷头组件4104内，以测量衬底4140与衬底载具4114的温度，而温度数据可被发送到控制器(图中未示)，所述控制器可调整对分别灯区域的功率，以维持横越衬底载具4114上的预定温度分布曲线(temperature profile)。另一实施例中，可调整至分别的灯区域的功率，以补偿前驱物流动或前驱物浓度的不均匀。例如，倘若前驱物浓度在衬底载具4114接近外侧灯区域的区域中较低，则可调整至外侧灯区域的功率以帮助补偿在此区域中的前驱物匮乏。
内侧灯4121A与外侧灯4121B可将衬底4140加热到一温度，所述温度约400℃至约1200℃。应理解，本发明不限于使用内侧灯4121A与外侧灯4121B的阵列。可利用任何适合的加热源，以确保合适的温度适当地施加到腔室4102与腔室中的衬底4140。例如，另一实施例中，加热源可包括电阻式加热元件(图中未示)，所述加热元件与衬底载具4114热接触。
气体传送系统4125可包括多个气体源，或者取决于运行的工艺，一些供应源可以是液体源而非气体源，在此实例中，气体传送系统可以包括液体注入系统或其它气化液体的工具(例如起泡器)。蒸气随后可在传送到腔室4102之前与载气混合。可从气体传送系统4125供应不同的气体(诸如前驱物气体、载气、净化气体、清洁/蚀刻气体或其它气体)至分别的供应线路4131、4132及4133至喷头组件4104。供应线路4131、4132及4133可包括关闭阀与质量流量控制器或其它类型的控制器，以监视及调节或关闭每一线路中的气流。
导管4129可接收来自远程等离子体源4126的清洁/蚀刻气体。远程等离子体源4126可经由供应线路4124接收来自气体传送系统4125的气体，且阀4130可以配置在喷头组件4104与远程等离子体源4126之间。可开启阀4130以使清洁及/或蚀刻气体或等离子体得以经由供应线路4133流进喷头器件4104，所述供应线路4133可适于作用为供等离子体所用的导管。另一实施例中，设备4100可不包括远程等离子体源4126，而可使用交替的供应线路配置方式将清洁/蚀刻气体从气体传送系统4125传送至喷头器件4104，所述气体传送系统4125用于非等离子体式清洁及/或蚀刻。
远程等离子体源4126可以是适于腔室4102腔室清洁及/或衬底4140蚀刻的射频或微波等离子体源。可经由供应线路4124供应清洁及/或蚀刻气体至远程等离子体源4126，以产生等离子体物种，所述等离子体物种可经由导管4129与供应线路4133发送，以通过喷头组件4104分散进入腔室4102。用于清洁应用的气体可包括氯、氟，或其它反应性元素。
另一实施例中，气体传送系统4125与远程等离子体源4126可适当地配接，使得前驱物气体可被供应到远程等离子体源4126以产生等离子体物种，随后可通过喷头组件4104发送所述等离子体物种以在例如衬底4140上沉积CVD层(诸如三五族膜)。
净化气体(例如氮气)可从喷头组件4104及/或从进入口或管(图中未示)被传送进入腔室4102，所述进入口或管配置在衬底载具4114下方且位于接近腔室主体4103底部处。净化气体进入腔室4102的下部空间4110并且净化气体向上流动通过衬底载具4114与排放环4120而进入多个排放口4109，所述排放口4109配置在环状排放通道4105周围。排放导管4106将环状排放通道4105连接到真空系统4112，所述真空系统4112包括真空泵(图中未示)。可使用阀系统4107控制腔室4102的压力，所述阀系统控制排放气体由环状排放通道4106抽出的速率。
HVPE沉积腔室的实例图标于图5中，并且针对图5对所述腔室加以描述，所述HVPE沉积腔室可适合用作为上文所述的腔室204的替代实施例的HVPE腔室204。图5是根据本发明实施例的适合用于制造三族氮化物材料的HVPE腔室500的示意剖面图。
设备500包括腔室502，所述腔室被盖504所封闭。来自第一气体源510的处理气体通过气体分配喷头506被传送到腔室502。在一个实施例中，气体源510包括含氮化合物。另一实施例中，气体源510包括氨气。一个实施例中，也通过气体分配喷头506或通过腔室502的壁508导入氦气或双原子氮之类的惰气。能量源512可配置在气体源510与气体分配喷头506之间。一个实施例中，能量源512包括加热器。能量源512可将来自气体源510的气体(诸如氨气)裂解，使得来自含氮气体的氮更加具有反应性。
为了与来自第一供应源510的气体反应，可从一或多个第二供应源518传送前驱物材料。可通过使反应性气体流于前驱物源518中的前驱物上方及/或使反应性气体流过前驱物源518中的前驱物，而将前驱物传送到腔室502。一个实施例中，反应性气体包括诸如双原子氯之类的含氯气体。含氯气体可与前驱物源反应而形成氯化物。为了增加含氯气体与前驱物反应的效率，含氯气体可蛇行穿过腔室532的舟区域并且以电阻式加热器520加热所述含氯气体。通过增加含氯气体蛇行通过腔室532的滞留时间，而可控制含氯气体的温度。通过增加含氯气体的温度，氯可与前驱物反应得更快。换言之，温度是氯气与前驱物之间的反应的催化剂。
为了增加前驱物的反应性，可在第二腔室532内于舟中由电阻式加热器520加热所述前驱物。氯化反应产物可随后被传送到腔室502。反应性的氯化产物首先进入管522，在该处，氯化产物均匀地在管522内分配。管522连接到另一管524。氯化反应产物在已均匀地于第一管522内分配之后进入第二管524。氯化反应产物随后进入腔室502，在该处，所述氯化反应产物与含氮气体混合而在衬底516上形成氮化物层，所述衬底配置在基座514上。一个实施例中，基座514包括碳化硅。所述氮化物层可包括例如n型氮化镓。其它的反应产物(诸如氮与氯)通过排放器526排放。
前述的途径与多腔室布置不限于单一PVD沉积操作或单一PVD沉积腔室。例如，在PVD氮化铝形成之前，可形成PVD钨膜以有效地提供金属化衬底。例如，图6图示根据本发明实施例的氮化镓(GaN)类的发光二极管(LED)的剖面图，所述LED形成在金属化衬底上。
参看图6，LED结构600包括各材料层层叠，所述材料层中多数材料层包括三五族材料。例如，LED结构600包括：硅或蓝宝石衬底602(衬底：蓝宝石、硅)与大约10-200纳米厚的钨层604(PVD-W)。所述LED结构600也包括薄的(例如低于约25纳米)氮化铝层606(例如PVDAlN)。可通过在组合工具200的PVD氮化铝溅射腔室202中的低温或高温溅射沉积形成氮化铝层224。LED结构600也包括大约4微米厚的无掺杂/n型氮化镓组合层或只有n型氮化镓的层608(n-GaN)。所述无掺杂/n型氮化镓组合层或只有n型氮化镓的层608可在组合工具200的无掺杂及/或n型氮化镓MOCVD反应腔室204中形成。也可包含MQW结构610，所述MQW结构610的厚度范围是150-300纳米。MQW结构610可以是在组合工具200的MQW MOCVD反应腔室206中形成。一个实施例中，MQW结构610是由一个或多个场对的InGaN阱/GaN阻挡材料层所构成。所述LED结构600也包括大约20纳米厚的p型氮化铝镓层612(p-AlGaN)与p型氮化镓层614(p-GaN)，所述p型氮化镓层614的厚度范围是50-200纳米。p型氮化铝镓层612与p型氮化镓层614可以是在组合工具200的p型氮化镓MOCVD反应腔室208中形成。应理解前述的厚度或厚度范围仅是示例性的实施例，且应理解其它适合的厚度或厚度范围也会被视为落入本发明的实施例的精神与范围之内。
实施例中，钨层604是通过PVD工艺形成，所述PVD工艺有别于用以形成氮化铝层606的PVD工艺。例如在一个实施例中，与流程图300相关所述的方法进一步包括：在形成氮化铝层之前，在具有钨靶的第二PVD腔室中于衬底上方形成钨(W)层。一个实施例中，与多腔室系统200相关所述的可能的系统(沿线或组合)的一或多个进一步包括具有钨(W)靶的第二PVD腔室，所述钨靶安置于所述第二PVD腔室中。在替代的实施例中，单一PVD腔室安置了氮化铝靶与钨靶两者。在一个此类实施例中，单一PVD腔室用于依序沉积钨层604与氮化铝层606两者。
通过在接收衬底与PVD铝层之间包含金属层(诸如PVD沉积的钨层)，可缓解或消除任何另外存在的应变(此应变是氮化铝层与接收衬底的接近所致)。同样，尽管在前述说明书内文中已考虑硅衬底的实施例，包含这种钨中间层可进一步改善硅衬底与在衬底上处理的三五族材料的兼容性。其它益处可与处理的促成相关。例如，湿式蚀刻钨(此蚀刻对三五族材料层及对硅和蓝宝石衬底具有选择性)的相对便利性可使此类层叠的图案化与转移更易于达成。
LED与相关器件可由例如三五族膜的层制造，尤其是三族氮化物膜。本发明的一些实施例涉及在制造工具的专用腔室中(例如在专用的MOCVD腔室中)形成氮化镓(GaN)层。在本发明的一些实施例中，GaN是二元GaN膜，但在其它实施例中，GaN是三元膜(例如InGaN、AlGaN)或是四元膜(例如InAlGaN)。在至少一些实施例中，三族氮化物材料层是以外延式形成。所述三族氮化物材料层可以直接在衬底上形成或是在衬底上配置的缓冲层上形成。其它考虑的实施例包括p型掺杂氮化镓层，所述p型掺杂氮化镓层直接沉积在PVD形成的缓冲层(例如PVD形成的氮化铝)上。
应理解，本发明的实施并不限于在上述选择的衬底上形成层。其它实施例可包括使用任何适合的无图案化或图案化单晶衬底，在所述衬底上可溅射沉积(例如，以非反应性PVD途径)高质量氮化铝层。所述衬底可以是诸如(但不限于)蓝宝石(Al2O3)衬底、硅(Si)衬底、碳化硅(SiC)衬底、钻石上覆硅(SOD)衬底、石英(SiO2)衬底、玻璃衬底、氧化锌(ZnO)衬底、氧化镁(MgO)衬底，与氧化锂铝(LiAlO2)衬底。任何众所熟知的方法(诸如掩模法与蚀刻法)可以用于由平面的衬底形成特征结构(例如柱状物)而产生图案化衬底。但是，在特定实施例中，是使用具有(0001)定向的图案化蓝宝石衬底(PSS)。图案化蓝宝石衬底可以在制造LED的使用上是理想的，因为所述图案化蓝宝石衬底增加光提取(light extraction)效率，光提取效率在新一代的固态发光器件的制造中相当实用。衬底选择的必须条件可包括晶格的匹配(以缓解缺陷形成)与热膨胀系数(CTE)的匹配(以缓解热应力)。
如前文所述，可对三族氮化物膜进行掺杂。可以使用任何p型掺杂剂对三族氮化物膜进行p型掺杂，所述p型掺杂剂是诸如(但不限于)Mg、Be、Ca、Sr，或有两个价电子的任何一族元素或二族元素。三族氮化物膜可以被p型掺杂至1x1016个原子/cm3至1x1020个原子/cm3(每立方厘米原子数)的导电率等级。可以使用任何n型掺杂剂对三族氮化物膜进行n型掺杂，所述n型掺杂剂是诸如(但不限于)硅或氧，或任何适合的四族元素或六族元素。三族氮化物膜可以被n型掺杂至1x1016个原子/cm3至1x1020个原子/cm3的导电率等级。
应理解前述工艺可以在组合工具(或具有超过一个腔室的其它工具，例如经布置具有用于制造LED层的专用腔室的沿线工具)内专用的腔室中执行。也应理解，本发明的实施例不需限制在LED的制造。例如，另一实施例中，可通过此述的途径制造LED器件之外的器件，诸如(但不限于)场效晶体管(FET)器件。在这类实施例中，可不需在层结构的顶部上有p型材料。相反地，可使用n型或无掺杂材料取代p型层。也应理解，多个操作(诸如沉积及/或热退火的各组合)可在单一处理腔室中执行。
因此，已经公开具有PVD形成的氮化铝缓冲层的氮化镓类LED的制造。根据本发明的实施例，多腔室系统包括PVD腔室，所述PVD腔室具有由包括铝的材料构成的靶。在所述多腔室系统中也包括适于沉积无掺杂或n型氮化镓(或这两种氮化镓)的腔室。一个实施例中，PVD腔室的靶由氮化铝构成。一个实施例中，适于沉积无掺杂或n型氮化镓的腔室是MOCVD腔室。一个实施例中，PVD腔室与适于沉积无掺杂或n型氮化镓的腔室包含在组合工具或沿线工具的布置中。

Claims (11)

1.一种制造发光二极管结构的方法，所述方法包含以下步骤：
在多腔室系统的第一物理气相沉积腔室中在硅或蓝宝石衬底上方形成钨层，所述第一物理气相沉积腔室具有钨靶；
在所述多腔室系统的第二物理气相沉积腔室中在所述钨层上方形成氮化铝层，其中形成所述氮化铝层包括在范围在从20℃至低于200℃的衬底温度从安置于所述第二物理气相沉积腔室中的氮化铝靶非反应性溅射；以及
在所述多腔室系统的第三腔室中在所述氮化铝层上形成无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层。
2.如权利要求1的方法，其中在所述第三腔室中形成所述无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层的步骤包含以下步骤：在第一金属有机化学气相沉积腔室中形成。
3.如权利要求2的方法，所述方法进一步包含以下步骤：
在所述多腔室系统的第二金属有机化学气相沉积腔室中在所述无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层上方形成多量子阱结构；以及
在所述多腔室系统的第三金属有机化学气相沉积腔室中在所述多量子阱结构上方形成p型的氮化铝镓层或p型的氮化镓层。
4.如权利要求1的方法，所述方法进一步包含以下步骤：
在所述氮化铝层上形成所述无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层之前，在快速热处理腔室中退火所述氮化铝层。
5.一种制造发光二极管(LED)结构的方法，所述方法包含以下步骤：
在多腔室系统的第一物理气相沉积(PVD)腔室中在硅或蓝宝石衬底上方形成钨(W)层，所述第一物理气相沉积(PVD)腔室具有钨靶；
在所述多腔室系统的第二PVD腔室中在所述钨(W)层上方形成氮化铝层；和
在所述多腔室系统的第三腔室中在所述氮化铝层上形成无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层。
6.如权利要求5的方法，其中在所述第三腔室中形成所述无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层的步骤包含以下步骤：在第一金属有机化学气相沉积(MOCVD)腔室中形成。
7.如权利要求6的方法，所述方法进一步包含以下步骤：
在所述多腔室系统的第二MOCVD腔室中在所述无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层上方形成多量子阱(MQW)结构；以及
在所述多腔室系统的第三MOCVD腔室中在所述多量子阱(MQW)结构上方形成p型的氮化铝镓层或p型的氮化镓层。
8.如权利要求5的方法，其中在所述第三腔室中形成所述无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层的步骤包含以下步骤：在氢化物气相外延(HVPE)腔室中形成。
9.如权利要求5的方法，其中形成所述氮化铝层的步骤包含以下步骤：在范围在20℃至200℃的衬底温度下形成。
10.如权利要求5的方法，其中形成所述氮化铝层的步骤包含以下步骤：在范围在200℃至1200℃的衬底温度下形成。
11.如权利要求5的方法，所述方法进一步包含以下步骤：
在所述氮化铝层上形成所述无掺杂的氮化镓层或n型的氮化镓层之前，在快速热处理(RTP)腔室中退火所述氮化铝层。
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