JP2012084892A - 窒化化合物半導体構造のエピタキシャル成長 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】III族及び窒素の前駆物質が、第1の処理チャンバに流入されて、熱化学気相堆積プロセスを用いて、基板上に第1の層が堆積される。該基板は、該第1の処理チャンバから第2の処理チャンバへ移送される。II族及び窒素の前駆物質が、該第2の処理チャンバに流入されて、熱化学気相堆積プロセスを用いて該第1の層を覆って第2の層が堆積される。該第1及び第2のIII族前駆物質は、異なるIII族元素を有する。
【選択図】図2C
Description
善は、後に、GaAlAsP及びInGaAlP材料の使用によって可能になった。
いうことの結果として、不十分な発光に悩まされた。
有機金属気相から形成されたAlN又はGaNからなる緩衝層の使用は、格子不整合に適合する際に有効であることが分かっている。Ga−Nベースの構造の生産におけるさらなる改良は、GaNとヘテロ接合を形成するためのAlGaN材料の使用、特に、短波長において有効に光を放射する量子井戸として作用する欠陥の形成を引き起こすInGaNの使用を含んでいた。インジウムリッチな領域は、周囲の材料物質よりも小さいバンドギャップを有し、有効な放射センタを提供するように、該材料物質全域に分布させることができる。
、温度制御システムは、該第1及び第2の処理チャンバ内で、選択された温度を維持する。コントローラは、該ロボット移送システム、該ガス送出システム、該圧力制御システム及び該温度制御システムを制御する。メモリは、該コントローラに結合されており、コンピュータ可読プログラムを有するコンピュータ可読媒体を備える。該コンピュータ可読プログラムは、該クラスタツールを作動させて、窒化化合物半導体構造を製造する命令を含む。
[0018]窒化化合物半導体構造の従来の作製においては、多数のエピタキシャル堆積ステップが、全てのステップが完了するまで、基板をリアクタから出さずに、単一のプロセスリアクタ内で実行される。図1における説明図は、形成することができる構造の一種と、このような構造を製造するのに使用されるステップのシーケンスの両方を示す。この場合、該基板は、Ga−NベースのLED構造100である。該構造は、サファイア(0001)基板104上に製造され、該基板は、ウェーハ洗浄処理手順に従う。適切な洗浄時間は、1050℃において10分であり、加熱及び冷却のために10分程度の追加時間を加
えてもよい。
aN層116は、比較的厚く、約140分を要する、4μm程度の厚さの堆積を伴う。この後には、InGaN多重量子井戸層120の堆積が続き、該量子井戸層は、750℃、約40分で、約750Åの厚さを有するように堆積することができる。p−AlGaN層124は、多重量子井戸層120を覆って堆積され、950℃、約5分間で完了する200Åの層の堆積を伴う。該構造は、約25分間、約1050℃の温度で堆積されるp−GaN接触層128の堆積によって完了することができる。
用したという、より全般的な認識を促した。このような限定は、温度、圧力、前駆物質の相対流量等のパラメータによって決まる、異なる化合物構造の成長に対して、限定されたプロセスウィンドウをもたらす。例えば、GaNの最適な堆積は、必ずしも、InGaNの最適な堆積と同じ条件下で、又は、AlGaNの最適な堆積と同じ条件下で実行される必要はない。
加的な効果を有する。また他の場合においては、周囲環境は、200℃より大きい高温を有してもよく、この周囲環境は、ゲッタリングにとっても、又は、表面の酸化を防ぐためにも有用である。
、該転移層は、好ましくは、どのような化学的汚染物又は構造上の欠陥も、活性化領域及びpn接合から実質的に除去されるのに十分な厚さであるということである。
[0025]図2Aは、個々の堆積ステップを実行することができる個々のチャンバの基本構造を図示する例示的化学気相堆積システム210の単純化した図である。このシステムは、熱処理、準常圧CVD(sub−atmospheric CVD;SACVD)プロセス、ならびにリフロー、押し込み、洗浄、エッチング、堆積及びゲッタリングプロセス等の他のプロセスを実行するのに適している。以下に説明する実施例から明らかなように、場合によっては、別のチャンバへの移送のための除去前に、マルチステッププロセスを、個々のチャンバ内で実行することもできる。該システムの主要な構成要素は、特に、ガ
ス送出システム220からプロセスガス及び他のガスを受け容れる真空チャンバ215と、真空システム225と、リモートプラズマシステム230と、制御システム235とを含む。これらの構成要素及び他の構成要素は、以下で詳細に説明する。該図は、図示のために単一のチャンバからなる構造を示すが、同様の構造を有する多数のチャンバを、該クラスタツールの一部として提供することができ、各チャンバは、製造プロセス全体の異なる態様を実行するように調整されていることは正しく認識されよう。該図に示された、チャンバ処理をサポートする他の構成要素は、該多数のチャンバ間で共有することができる
が、場合によっては、個々のサポート構成要素を各チャンバに対して別々に設けてもよい。
チングプロセス又は洗浄プロセス等のための他の目的のための他の位置に近接した処理位置との間で、制御可能に移動することができる。センタボード(図示せず)は、該ウェーハの位置に関する情報を提供するセンサを含む。
ローコントローラ又は他のタイプのコントローラとを含む。システム210によるプロセスの実行により、該ソースのうちのいくつかは、実際に、ガスではなく液体ソースとすることができる。液体ソースを使用した場合、ガス送出システムは、液体注入システム、又は、該液体を気化する他の適切な機構(例えば、バブラー)を含む。液体からの蒸気は、当業者には理解されているように、通常、キャリアガスと混合される。
向に均一に分配することができる。
3によって制御される。
ンバ215の下に一体的に配置されかつ取付けられている。洗浄用途のための前駆物質ガスは、フッ素、塩素及び/又は他の反応性元素を含んでもよい。また、リモートマイクロ波プラズマシステム230は、層堆積プロセス中に、適切な堆積前駆物質ガスをリモートマイクロ波プラズマシステム230に流入させることにより、CVD層を堆積するように適合させることができる。
せず)も含む。
タバス及び24ビットアドレスバスを有するバス構造も画成する。
タフェースは、CRTモニタ273a及びライトペン273bである。メインフレームユニット275は、CVD装置210のための電気的機能、給排気機能及び他のサポート機能を提供できる。該CVD装置の事例的実施形態に適合する例示的マルチチャンバシステムのメインフレームユニットは、現在、カリフォルニア州のサンタクララにあるAPPLIED MATERIALS,INC.から入手可能なPrecision5000(商標)及びCentura5200(商標)である。
示されたカラーを変化させ、又は、新たなメニュー又はスクリーンを表示し、該ライトペンと該ディスプレイスクリーンとの間の通信を確認する。当業者は容易に理解するであろうが、ユーザが、該プロセッサと情報をやり取りできるようにするために、キーボード、マウス、又は他のポインティング又は通信デバイス等の他の入力デバイスを、ライトペン273bの代わりに、又は該ライトペンに加えて使用してもよい。
ことができる。適切なプログラムコードは、従来のテキストエディタを使用して、単一のファイル又は多数のファイルに入力され、システムメモリ等のコンピュータ可読媒体に格納又は具体化される。
ロセスを実行するのに必要なプロセスパラメータの所定のセットである該プロセスセットは、予め定義されたセット番号によって識別される。プロセスセレクタサブルーチン280は、(i)所望のプロセスチャンバ、及び(ii)該所望のプロセスを実行するためのプロセスチャンバを作動させるのに要するプロセスパラメータの所望のセットを識別する。特定のプロセスを実行するためのプロセスパラメータは、例えば、プロセスガスの組成及び流量、ペデスタル温度、チャンバ壁温度、圧力、及びマグネトロン出力レベル等のプラズマ条件等のプロセス条件に関連する。プロセスセレクタサブルーチン280は、どのプロセス(例えば、堆積、ウェーハ洗浄、チャンバ洗浄、チャンバゲッタリング、リフロー)を、該チャンバ内で、特定の時間に実行するかを制御する。いくつかの実施形態においては、1つ以上のプロセスセレクタサブルーチンがある場合もある。プロセスパラメータは、レシピのかたちでユーザに提供され、該ライトペン又はCRTモニタインタフェースを利用して入力することができる。
るため、プロセスシーケンサーサブルーチン282は、選択されたプロセスを所望のシーケンスでスケジュールするように作動する。好ましくは、プロセスシーケンサーサブルーチン282は、(i)該チャンバが使用されているか否かを判断するために、該プロセスチャンバの動作をモニタリングするステップと、(ii)使用されているチャンバ内で、どのプロセスが実施されているかを判断するステップと、(iii)プロセスチャンバの使用可能性及び実施すべきプロセスの種類に基づいて、所望のプロセスを実行するステップとを実行するプログラムコードを含む。
を制御するプログラムコードを有する。また、チャンバマネージャサブルーチン285は、選択されたセットを実施するのに必要なチャンバコンポーネントの動作を制御する様々なチャンバコンポーネントサブルーチンの実行も制御する。チャンバコンポーネントサブルーチンの実施例は、基板位置決めサブルーチン290、プロセスガス制御サブルーチン291、圧力制御サブルーチン292、ヒータ制御サブルーチン293及びリモートプラズマ制御サブルーチン294である。CVDチャンバの特定の構成により、いくつかの実施形態は、上記のサブルーチンの全てを含むが、他の実施形態は、該上記のサブルーチン
のうちの一部のみを、又は、記載していない他のサブルーチンを含んでもよい。当業者は、該プロセスチャンバ内でどのプロセスを実行すべきかによって、他のチャンバ制御サブルーチンを含めることができることを容易に認識するであろう。マルチチャンバシステムにおいては、追加的なチャンバマネージャサブルーチン286、287が、他のチャンバのアクティビティを制御する。
ラメータに基づいて、どのコンポーネントを作動させる必要があるかを判断するステップと、該モニタリングステップ及び判断ステップに応じて、チャンバコンポーネントサブルーチンの実行を開始するステップとを含む。
バマネージャサブルーチン285から転送される支持高さに関連するプロセスセットパラメータに応じて、ヒータ226の動きを制御する。
等の送出ガスをバブリングするステップ、又は、ヘリウム等のキャリアガスのストリーム中に液体を噴霧又は噴出させる液体注入システムを制御するステップを含むように書かれる。この種のプロセスにバブラーを使用する場合、プロセスガス制御サブルーチン291は、所望のプロセスガス流量を得るために、送出ガスのフロー、該バブラーの圧力、及び該バブラーの温度を調節する。上述したように、該所望のプロセスガス流量は、プロセスパラメータとしてプロセスガス制御サブルーチン291へ移送される。
1つ以上の従来の圧力マノメータを読み取ることによって該チャンバ内の圧力を測定し、該測定した値をターゲット圧力と比較し、格納されている圧力テーブルからのターゲット圧力に対応する「PID」(proportional,integral,and differential)値を得て、該PID値に従って該絞り弁を調節する。代替として、圧力制御サブルーチン292は、該絞り弁を特定のアパーチャーサイズ、すなわち、固定位置に開閉して、該チャンバ内の圧力を調節するように書くことができる。このようにして排気容量を制御することは、圧力制御サブルーチン292のフィードバック制御機能を呼び出さない。
決定することができる。該温度は、格納されている変換テーブル内の対応する温度を調べることにより、又は、4次多項式を使用して該温度を計算することにより、該測定した電圧から得られる。別の実施形態においては、同様のプロセスを、熱電対の代わりに高温計を用いて実行して、較正温度を決定することができる。ヒータ制御サブルーチン293は、該ヒータ温度の上昇及び下降を段階的に制御する能力を含む。該ヒータが、セラミックで囲まれた抵抗性加熱素子を備える実施形態においては、この機能は、該セラミックの熱クラッキングを低減するのに役に立つが、このことは、ランプヒータを使用する実施形態
においては、関心事ではない。また、プロセスの安全性順守を検出するために、組込みフェイルセーフモードを含めることができ、また、該プロセスチャンバが正しく設定されていない場合には、該加熱ユニットの動作を停止させることができる。
[0053]クラスタツールの物理的構造を図3に概略的に図示する。この図において、クラスタツール300は、チャンバ304とステーション308との間で、基板の移送を成し遂げるように適合されたロボット312と共に、3つの処理チャンバ304と、2つの追加的ステーション308とを含む。該構造は、該移送を、選択されたガスの存在下での真空下、規定された温度条件下等を含む規定された周囲環境において成し遂げるようにする。
駆物質は、窒素ソースと、Ga等の第1のIII族元素のためのソースとを含む。例えば、適切な窒素前駆物質はNH3を含み、適切なGa前駆物質は、トリメチルガリウム(「TMG」)を含む。第1のIII族元素は、場合によっては、Al及びGa等の複数の異なるIII族元素を備えてもよく、この場合、Al前駆物質は、トリメチルアルミニウム(「TMA」)とすることができ、別の実施例においては、該複数の異なるIII族元素は、In及びGaを含み、この場合、適切なIn前駆物質は、トリメチルインジウム(「TMI」)とすることができる。N2及び/又はH2等のキャリアガスのフローも含めることができる。
AlInGaN層のような他の組成を含んでもよい。同様に、III1−N層がAlGaNである場合においては、III2−N層は、AlInGaN層上のInGaN層であってもよい。III2−N層の堆積の適切な前駆物質は、III1−N層に使用される前駆物質と同じであってもよく、すなわち、NH3が適切な窒素前駆物質であり、TMGが適切なガリウム前駆物質であり、TMAが適切なアルミニウム前駆物質であり、TMIが適切なインジウム前駆物質である。また、N2及び/又はH2等のキャリアケースも含めることができる。III2−N構造の堆積後、前駆物質のフローは、ブロック452において終了する。
合、活性放出センタを提供する。このような構造の成長は、一般的に、より良好な均一性特性を必要とし、該特性は、作り出される発光性構造における改善された波長均一性によって現れる。ウェーハ均一性を改善するための前駆物質分配の最適化は、成長速度を犠牲にする可能性がある。InGaN多重量子井戸構造に対して、極めて均一な堆積を提供できるように最適化された第2の処理チャンバを有することは、該構造全体の全体的な処理時間に大幅に妥協することなく、均一性の目標を達成できるようにする。
温度 500−1500
圧力 50−1000
TMGフロー 0−50
TMAフロー 0−50
TMIフロー 0−50
PH3フロー 0−1000
AsH3フロー 0−1000
NH3フロー 100−100,000
N2フロー 0−100,000
H2フロー 0−100,000
これまでの説明から明らかなように、プロセスは、どの所定のプロセスにおいても、全ての前駆物質のフローを使用することはできない。例えば、GaNの成長は、一実施形態において、TMG、NH3及びH2のフローを使用することができ、AlGaNの成長は、別の実施形態において、TMA及びTMGの相対的流量を、堆積された層の所望の相対的Al:Ga化学量論を提供できるように選択した状態で、TMG、TMA、NH3及びH2のフローを使用することができ、InGaNの成長は、また別の実施形態において、TMI及びTMGの相対流量を、該堆積された層の所望の相対的In:Ga化学量論を提供できるように選択した状態で、TMG、TMI、NH3、N2及びH2のフローを使用することができる。
特に、該追加的処理チャンバの洗浄サイクルを縮める能力と結合した場合には、全体のスループットが改善される。ある場合においては、この能力は、例えば、10μmに近い厚さのGaNを含むデバイスの場合、他の処理方法に対しては経済的ではない特定の窒化物構造の製造に有利な実現可能性を提供する。
[0064]次の実施例は、図4に関して述べた一般的プロセスを、特定の構造の製造に対してどのように使用することができるかを説明するために記載されている。該実施例は、ここでもまた、その製造が、少なくとも2つの処理チャンバを有するクラスタツールを使用して実行される、図1に図示されたLED構造に言及する。該プロセスの全体像を、図5のフロー図を用いて提供する。簡潔に言うと、最初のGaN層の洗浄及び堆積は、第1の処理チャンバ内で実行され、残りのInGaN、AlGaN及びGaNコンタクト層は、第2の処理チャンバ内で実行される。
れる。この後には、ブロック516において、n−GaN層116の成長が続き、該成長も、この実施例においては、1100℃の温度及び150トールの圧力でTMG、NH3及びN2のフローを使用して実行される。
H2キャリアガスフロー中に供給されるTMG、TMA及びNH3前駆物質を使用するp−AlGaN層の堆積が続く。ブロック532におけるp−GaNコンタクト層の堆積は、1000℃の温度及び200トールの圧力で、TMG、NH3及びN2のフローを使用して実行される。
Claims (21)
- 少なくとも部分的に窒化化合物デバイスを形成するために1以上の基板を処理する方法であって、
窒素及び第1のIII属元素を備える第1の層を、第1の処理チャンバ内に配置された1以上の基板上に堆積させるステップと、
塩素ガスを備える洗浄用前駆物質ガスを前記第1の処理チャンバの処理領域へ送り、これによって上に堆積した前記第1の層の一部を除去するステップとを備える方法。 - 前記第1の層を堆積するステップは、III属前駆物質をガス分配プレートを通して前記1以上の基板へ送るステップを備え、洗浄用前駆物質ガスを送るステップは、前記洗浄用前駆物質ガスを前記ガス分配プレートの表面へ送るステップを備える請求項1に記載の方法。
- 前記ガス分配プレートを前記洗浄用前駆物質ガスを備えるプラズマを生成することによって形成されるプラズマ種にさらすステップを更に備える請求項2に記載の方法。
- 前記洗浄用前駆物質ガスを前記処理領域へ送る前に、前記洗浄用前駆物質ガスを活性化してプラズマ種を形成するステップを更に備える請求項1に記載の方法。
- 第1の層を堆積するステップは、
前記第1の処理チャンバ内に配置された前記1以上の基板をランプを使用して加熱するステップと、
ガリウム含有前駆物質、アルミニウム含有前駆物質、又はインジウム含有前駆物質を備える第1の前駆物質ガスを加熱されたガス分配プレートを通して前記第1の処理チャンバ内へ流すステップと、
アンモニアを前記加熱されたガス分配プレートを通して前記第1の処理チャンバ内へ流すステップとを更に備える請求項1に記載の方法。 - 前記1以上の基板の上及び第2の処理チャンバ内に配置されたガス分配プレートの上に第2の層を堆積するステップとであって、前記第2の処理チャンバは前記第1の処理チャンバに結合され、前記第2の層は窒素及び第2のIII属元素を備えるステップと、
前記第2の処理チャンバ内に配置された前記1以上の基板をランプを使用して加熱するステップと、
塩素ガスを備える洗浄用前駆物質ガスを前記第2の処理チャンバ内に配置された前記ガス分配プレートに送り、これによって上に配置された前記第2の層の一部を除去するステップとを更に備える請求項1に記載の方法。 - 前記洗浄用前駆物質ガスを前記ガス分配プレートへ送る前に、前記第1の処理チャンバの1以上の壁及び前記第1の処理チャンバ内に配置されたガス供給プレートを加熱するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
- 少なくとも部分的に窒化化合物デバイスを形成するために1以上の基板を処理する方法であって、
1以上の基板の表面を、塩素を備えるガスにさらすステップと、
前記表面を前記ガスにさらした後で、前記表面上に窒素及び第1のIII属元素を備える第1の層を堆積するステップとを備える方法。 - ランプを使用して前記1以上の基板を加熱するステップを更に含み、前記1以上の基板はサファイアを備える請求項8に記載の方法。
- 少なくとも部分的に窒化化合物デバイスを形成するために1以上の基板を処理する方法であって、
III属前駆物質を前記1以上の基板の表面に送ることによって、窒素及び第1のIII属元素を備える第1の層を1以上の基板上に堆積させるステップと、
前記1以上の基板を前駆物質ガスから形成されたプラズマ生成種にさらすステップとを備える方法。 - 前記前駆物質ガスは、ガリウム含有前駆物質、アルミニウム含有前駆物質、インジウム含有前駆物質及び塩素ガスを備えるガスの群から選択される請求項10に記載の方法。
- 前記第1の層を堆積するステップは、ガス分配プレートを通してIII属前駆物質を前記1以上の基板へ送るステップを更に備える請求項10に記載の方法。
- 前記1以上の基板を前記第1の処理チャンバから除去するステップと、
前記第1の層を1以上の基板上に堆積した後で、塩素ガスを備える洗浄ガスに前記ガス分配プレートをさらすステップとを更に備える請求項12に記載の方法。 - 前記第1の層を前記1以上の基板上に堆積する前に、前記1以上の基板及び前記ガス分配プレートを塩素ガスにさらすステップを更に備える請求項12に記載の方法。
- 前記1以上の基板及び前記ガス分配プレートをプラズマ生成種にさらす前に、前記第1の処理チャンバの1以上の壁及び前記ガス分配プレートを加熱するステップを更に備える請求項12に記載の方法。
- 少なくとも部分的に窒化化合物デバイスを形成するために1以上の基板を処理する方法であって、
(a)第1処理チャンバの処理領域内に配置された1以上の基板の表面上に、第1のIII属窒化層を堆積するステップであって、前記第1のIII属窒化層を堆積するステップは、ガリウム含有前駆物質及び窒素含有前駆物質を前記1以上の基板の表面に流すステップを備えるステップと、
(b)前記1以上の基板を前記第1の処理チャンバから第2の処理チャンバへ移送するステップと、
(c)前記第2の処理チャンバの処理領域内に配置された前記1以上の基板の上に形成された前記第1のIII属窒化層の上に第2のIII属窒化層を堆積するステップであって、前記第2のIII属窒化層を堆積するステップは、ガリウム含有前駆物質及び窒素含有前駆物質を前記1以上の基板に流すステップを備えるステップと、
(d)少なくとも1以上の基板上で、ステップ(a)、(b)及び(c)を繰り返すステップと、
(e)塩素ガスを備える洗浄用前駆物質ガスを前記第1の処理チャンバの表面に送ることによって、前記第1の処理チャンバの表面上に堆積された前記第1のIII属窒化層の少なくとも一部を除去するステップ、又は塩素ガスを備える洗浄用前駆物質ガスを前記第2の処理チャンバの表面に送ることによって、前記第2の処理チャンバの表面上に堆積された前記第2のIII属窒化層の少なくとも一部を除去するステップとを備える方法。 - 前記第1の処理チャンバの表面上に堆積された前記第1のIII属窒化層の少なくとも一部を除去するステップは、ステップ(a)を実行した後で実行される、又は前記第2の処理チャンバの表面上に堆積された前記第2のIII属窒化層の少なくとも一部を除去するステップは、ステップ(c)又はステップ(d)を実行した後で実行される請求項16に記載の方法。
- 1以上の基板の表面上に前記第1のIII属窒化層を堆積する前に、塩素ガスを備えるガスに前記1以上の基板の表面をさらすステップを更に備える請求項16に記載の方法。
- 窒化化合物半導体構造を製造する方法であって、
第1のIII属前駆物質及び第1の窒素前駆物質を使用して第1の処理チャンバ内で1以上の基板上に第1の層を堆積するステップであって、前記第1の層は窒素及び前記第1のIII属元素を備え、前記第1の層を堆積するステップは、
前記第1のIII属前駆物質又は前記第1の窒素前駆物質を前記1以上の基板に均一に送るために指向された複数の穴を有するガス分配装置を通して、前記第1のIII属前駆物質又は前記窒素前駆物質を送るステップと、
前記1以上の基板を前記ガス分配装置から第1の距離に配置するステップとを更に含むステップと、
前記第1のIII属前駆物質及び前記第1の窒素前駆物質を使用して、前記第1の処理チャンバ内の前記第1の層の上に第2の層を堆積するステップであって、前記第2の層は、窒素及び前記第1のIII属元素を備え、前記第1の層の上に前記第2の層を堆積する前に、前記1以上の基板は前記ガス分配装置から第2の距離へ動かされるステップと、
前記1以上の基板を前記第1の処理チャンバから前記第1の処理チャンバとは異なる第2の処理チャンバへ移送するステップと、
前記第2のIII属前駆物質及び前記第2の窒素前駆物質を使用して、前記第2の処理チャンバ内の前記第2の層の上に第3の層を堆積するステップとを備える方法。 - 前記第1の処理チャンバ内で前記第1の層を堆積又は前記第2の層を堆積しながら、前記1以上の基板と前記ガス分配装置の間の間隔を制御するステップを更に備える請求項19に記載の方法。
- 前記間隔を制御するステップは、
プロセスガス組成、プロセスガス流量、ペデスタル温度、チャンバ壁温度、圧力及びプラズマ条件からなる群から選択される1以上のプロセスパラメータを調整するステップと、
前記1以上のプロセスパラメータを調整するステップの後で、前記1以上の基板を前記ガス分配装置から第1の処理距離から、前記ガス分配装置から第2処理距離まで移動するステップとを更に備える請求項20に記載の方法。
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