JP2016518697A - GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスおよび電子デバイス用の酸素制御したPVDAlNバッファ - Google Patents

GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスおよび電子デバイス用の酸素制御したPVDAlNバッファ Download PDF

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Abstract

GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスおよび電子デバイス用の、酸素制御したPVD AlNバッファについて記載される。GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスおよび電子デバイス用のPVD AlNバッファを、酸素制御した形で形成する方法についても記載される。一例では、GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイス用の窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を形成する方法が、基板の上にAlN層を反応性スパッタリングすることであって、物理的気相堆積(PVD)チャンバ内に収納されたアルミニウム含有ターゲットを、窒素含有ガスまたは窒素含有ガスをベースとするプラズマと反応させることを包含する、反応性スパッタリングすることを包含する。方法はさらに、AlN層に酸素を混入させることを包含する。【選択図】図2B

Description

関連出願の相互参照
本願は、その内容全体をここに参照により本明細書に組み込む、2013年3月14日出願の、米国仮出願第61/785,128号の利益を主張する。
本発明の実施形態は、III族窒化物材料の分野に関し、詳細には、物理的気相堆積(PVD)により形成した窒化アルミニウム緩衝層を備えた、窒化ガリウムベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイスの製造に関する。
半導体産業および関連の、例えば発光ダイオード(LED)の産業において、III−V族材料の果たす役目はますます増え続けている。多くの場合、III−V族材料を、欠陥または亀裂を形成せずに、異種基板上に成長または堆積させること(ヘテロエピタキシとして知られる)は困難である。例えば、選択された膜、例として窒化ガリウム膜の、高品質の表面を維持することは、連続して製造された材料層からなる積層体を用いる多くの適用例において簡単なことではない。基板とデバイス層との間に1層または複数層の緩衝層を含めることが、1つの手法となっている。しかし、III−V族材料はしばしば、プロセス条件の影響を受けやすく、製造プロセスの特定の期間においてそのような条件を回避するために注意を払わなければならない。しかし、影響を受けやすいIII−V族膜が、損傷を与える潜在的な条件と交わるのを回避することは、多くの適用例において簡単なことではない。
本発明の1つまたは複数の実施形態は、物理的気相堆積(PVD)により形成した窒化アルミニウム緩衝層を対象とする。
一実施形態では、GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイス用の窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を形成する方法が、基板の上にAlN層を反応性スパッタリングすることであって、物理的気相堆積(PVD)チャンバ内に収納されたアルミニウム含有ターゲットを、窒素含有ガスまたは窒素含有ガスをベースとするプラズマと反応させることを包含する、反応性スパッタリングすることを包含する。方法はさらに、AlN層に酸素を混入させることを包含する。
別の実施形態では、GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイス用の材料積層体が、基板と、基板の上に配設された窒化アルミニウム(AlN)緩衝層とを含む。AlN層は、およそ1×1018〜1×1023cm−3の範囲内の酸素濃度を有する。
別の実施形態では、発光ダイオード(LED)デバイスが、基板と、基板の上に配設された窒化アルミニウム(AlN)緩衝層とを含む。AlN層は、およそ1×1018〜1×1023cm−3の範囲内の酸素濃度を有する。
別の実施形態では、GaNベースの電子デバイスが、基板と、基板の上に配設された窒化アルミニウム(AlN)緩衝層とを含む。AlN層は、およそ1×1018〜1×1023cm−3の範囲内の酸素濃度を含む。
別の実施形態では、GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイス用の窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を形成するためのチャンバが、高温下における1×10−7torr以下の高い基礎真空および低い上昇速度を可能にする、ポンピングシステムおよびチャンバ冷却設計を含む。チャンバは、一定したターゲット浸食、およびキャリアにわたる、ウエハ内での、またウエハ相互間の、AlN膜の均一な堆積を可能にするように構成された、全面浸食マグネトロンカソードも含む。チャンバは、均一なAlN組成物が得られるように、チャンバ内での酸素(O)含有ガスを含むプロセスガスの均一な分配を可能にするように構成された、プロセスキットおよびガス流設計も含む。
本発明の1つまたは複数の実施形態による、ベンチマーククラスタツールの概略図、ベンチマークLED構造、およびベンチマーク時間対堆積プロットを示す図である。 本発明の一実施形態による、クラスタツールの概略図と、対応する、LED構造の製造に関する温度対時間プロットとを示す図である。 本発明の一実施形態による、発光ダイオード(LED)構造と、対応する時間対堆積プロットとを示す図である。 本発明の一実施形態による、PVDチャンバ用のプロセスキットの断面図である。 本発明の一実施形態による、PVDチャンバ用のプロセスキットの断面図である。 本発明の一実施形態による、PVDチャンバ用のプロセスキットの断面図である。 本発明の一実施形態による、PVDチャンバ用の電力送達源の断面図である。 本発明の一実施形態による、III族窒化物材料の製造に適したMOCVDチャンバの概略断面図である。 本発明の一実施形態による、III族窒化物材料の製造に適したHVPEチャンバの概略断面図である。 本発明の一実施形態による、例示的なコンピュータシステムのブロック図である。
物理的気相堆積(PVD)により形成した窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を備えた、窒化ガリウムベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイスの製造について記載する。以下の記載においては、本発明の実施形態の完全な理解をもたらすために、プロセスチャンバ構成や材料の型(regime)など、多くの具体的な詳細が明記される。本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細がなくても実践できることが、当業者には明らかとなろう。他の場合には、本発明の実施形態を不必要に曖昧にしないために、具体的なダイオード構成など、周知の特徴は詳細に記載されない。さらに、図中に示すさまざまな実施形態は、図的表現であり、必ずしも一定の比率で描かれていないことを理解されたい。さらに、他の編成および構成が、本明細書の実施形態において明示的に開示されないことがあるが、これらは、それでもなお本発明の趣旨および範囲内にあるものと見なされる。
1つまたは複数の実施形態が、窒化ガリウム(GaN)ベースのオプトエレクトロニックデバイスおよび電子デバイス用の、酸素制御した物理的気相堆積(PVD)ベースの窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を対象とする。実施形態は、PVD AlN膜上への層の形成に用いられる有機金属化学気相堆積(MOCVD)プロセスも含むことができる。実施形態は、発光ダイオード(LED)またはパワーデバイスを対象とすることができる。1つまたは複数の実施形態に対応する特徴は、サファイア基板、パターン化サファイア基板、Si基板、XRD、ウエハの反り、膜応力、および転位を含むまたは暗に含むことがある。
PVD AlNは、サファイア基板やシリコン基板などの異種基板上に成長させた、GaNベースのLEDおよびパワーデバイス用の緩衝層として用いることができる。PVD AlN層を用いることで、AlNバッファの上面に成長させる窒化ガリウム(GaN)層の材料品質を改善することができる。改善されたGaNを用いて、改善されたデバイス性能(例えば、LEDの場合には、輝度、IQE、デバイス漏れ電流、およびESD、またパワーデバイスの場合には、より高い降伏電圧)、ならびに信頼性を得ることができる。
背景について述べると、サファイア基板上へのGaNの典型的なMOCVD成長において、PVD AlNバッファを用いると、基板予備焼成の操作、低温GaNバッファ、および温度ランピングの大部分をなくすことができ、また成長が速くより薄いデバイス層を可能にすることができる。全体として、サイクル時間を1〜3時間節減することによって、処理時間を短縮することができる。シリコン上にGaNを成長させる場合、ガリウムの攻撃からシリコン基板を保護するためにAlN層が必要となるが、PVD AlNにより、エピタキシャルプロセスとチャンバ洗浄時間を合わせて約3〜6時間節減することができる。そのようなプロセス時間の短縮は、システムのスループットを大きく向上させることができる。したがって、本発明の実施形態によれば、PVD AlNの結晶品質が、その上面に成長させるGaNの材料品質に直接影響を及ぼす。
したがって、本明細書に記載するように、本発明の1つまたは複数の実施形態は、優れたGaN特性を再現的に導き出すAlN緩衝層を得るための、プロセスの詳細、システム、チャンバ、およびハードウェア構成を提供する。
より具体的には、本明細書に記載する本発明の実施形態は、AlN堆積の前、AlN堆積中、またはAlN堆積後に、酸素含有ガスを導入することにより、AlN層に酸素をドーピングして、化学結合、結晶構造、粒径および粒形、ならびに/あるいはAlN/基板界面、AlNバルク膜、およびAlN表面のモルフォロジを含む特性を変更することを包含する。そのような一実施形態では、酸素濃度のみならず、(例えばAlN形成用の)対応するPVDチャンバへの酸素キャリア導入の時期および持続時間も、後に形成する、AlN上に堆積させるGaN層の品質に影響を与える。
一実施形態では、開始基板が平面であるか、それともパターン化されているか(例えばサファイアの場合)に応じて、適用可能な変数が変わる。酸素の濃度、流量、導入時期、および他のパラメータ(例えば温度、厚さなど)が最適化されると、非常に高品質のAlN膜を成長させることが可能になる。例えば、具体的な一実施形態では、XRD(002)FWHM<15秒角および表面粗さ<2nm(二乗平均平方根)を有するAlN膜を堆積させることができる。その結果、特定の一実施形態では、そのような緩衝層を備えた異種基板上にGaNを成長させることにより、転位密度が大いに低下し、XRD FWHMがより狭くなる(例えば(002)<100秒角、(102)<150秒角)。具体的な一実施形態では、転位密度は、およそ5×10欠陥/cm未満である。一実施形態では、(002)に関するXRD FWHMが、およそ50〜250秒角の範囲内である。一実施形態では、(102)に関するXRD FWHMが、およそ70〜250秒角の範囲内である。本発明の実施形態は、高堆積速度と、AlNの界面、バルク、および表面の特性を均一に変更して、確実に同じ高品質のGaNがウエハ内で、またウエハからウエハへと得られるようにすることを可能にする、温度およびガス組成の高精度の制御とを可能にする、最適化されたハードウェアも対象とする。
LEDまたはパワーデバイスの一製造方法は、基板と、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはドープ窒化ガリウムからなるデバイス層との間に、窒化ガリウムの緩衝層を形成することを含むことができる。本明細書に記載する実施形態では、そのような窒化ガリウム緩衝層の代わりに窒化アルミニウム緩衝層が、基板と、アンドープ窒化ガリウムおよびドープ窒化ガリウムからなるデバイス層との間に用いられる。窒化アルミニウム層は、PVDプロセスにおけるスパッタ堆積によって形成することができる。これは、典型的に有機金属化学気相堆積(MOCVD)チャンバ、分子線エピタキシ(MBE)チャンバ、またはハイドライド気相エピタキシ(HVPE)チャンバ内で行われる、これまでのIII族窒化物緩衝層の製造とは異なっている。窒化アルミニウム層は、PVDチャンバ内に収納された窒化アルミニウムターゲットから、非反応性スパッタリングによって形成してもよく、別法として、PVDチャンバ内に収納されたアルミニウムターゲットを、窒素含有ガスまたは窒素含有ガスをベースとするプラズマと反応させることによる、反応性スパッタリングによって形成してもよい。
1つまたは複数の実施形態によれば、GaNベースのデバイス用のPVD AlN緩衝層に関するプロセス条件が、本明細書に記載される。本明細書に記載される実施形態のうちの1つまたは複数は、LEDまたはパワーデバイスの製造に用いられるマルチチャンバ製造ツール内で、より高いスループットを可能にすることができる。また、窒化ガリウム緩衝層ではなく、PVDにより形成した窒化アルミニウム層を含めることによって、アンドープ窒化ガリウムおよびドープ窒化ガリウムからなるデバイス層を全体的に薄化することができる。特定の例では、アンドープ部分を薄化することも、全くなくしてしまうこともできる。さらに、サファイア基板などの受取り基板の予備スパッタ洗浄を、窒化アルミニウム層の堆積に用いられるのと同じPVD堆積チャンバ内で行うことができる。さらに、PVD窒化アルミニウム層は摂氏300度未満の温度で形成することができるので、LEDまたはパワーデバイスの製造の全体的なサーマルバジェットを低減させることができる。対照的に、典型的な窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムのMOCVD緩衝層は、摂氏500〜600度の間で形成される。本明細書に記載する実施形態のうちの1つまたは複数は、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型ドープ窒化ガリウムなどの材料について、より速い堆積速度、例えば2倍の成長速度を可能にすることができる。より速い速度を達成することができるのは、いくつかの実施形態では、アンドープ窒化ガリウム層および/またはn型ドープ窒化ガリウム層が、上にアンドープ窒化ガリウム層および/またはn型ドープ窒化ガリウム層を成長させるための改善された結晶配向およびモルフォロジの関係をもたらすことのできる窒化アルミニウム(AlN)緩衝層上に形成されるからである。本明細書に記載する実施形態のうちの1つまたは複数は、PVDにより形成した窒化アルミニウム緩衝層上に窒化ガリウムを形成することによって、窒化ガリウム結晶品質の改善を可能にすることができる。
本発明の実施形態は、現在説明しているシステムおよび方法論の研究中に開発したベンチマークシステムまたはベンチマーク方法論に勝る改善をもたらすことができる。例えば、図1は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、ベンチマーククラスタツールの概略図、ベンチマークLED構造、およびベンチマーク時間対堆積プロットを示す。
図1を参照すると、ベンチマーククラスタツール100は、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ102(MOCVD1:u−GaN/n−GaN)、多重量子井戸(MQW)MOCVD反応チャンバ104(MOCVD2:MQW)、ならびにp型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ106(MOCVD3:p−GaN)を含む。ベンチマーククラスタツール100は、ロードロック108、キャリアカセット110、ならびに大量用途向けにオプションの更なるアンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ112も含むことができ、その全てが図1に図示されている。
ベンチマークLED構造120は、その多くがIII−V材料を含む、さまざまな材料層からなる積層体を含む。例えば、ベンチマークLED構造120は、シリコンまたはサファイア基板122(基板:サファイア、Si)、20ナノメートルの厚さの緩衝層124(LTバッファ)、およびおよそ4ミクロンの厚さのアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層126(u−GaN/n−GaN)を含む。緩衝層124は、比較的低い処理温度で形成された窒化ガリウム層とすることができる。緩衝層124およびアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層126は、ベンチマーククラスタツール100のアンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ102内で形成される。ベンチマークLED構造120は、30〜500ナノメートルの範囲内の厚さを有するMQW構造128も含む。MQW構造128は、ベンチマーククラスタツール100のMQW MOCVD反応チャンバ104内で形成される。ベンチマークLED構造120は、およそ20ナノメートルの厚さのp型窒化ガリウムアルミニウム層130(p−AlGaN)、および50〜200ナノメートルの範囲内の厚さを有するp型窒化ガリウム層132(p−GaN)も含む。p型窒化ガリウムアルミニウム層130およびp型窒化ガリウム層132は、ベンチマーククラスタツール100のp型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ106内で形成される。
ベンチマーク時間対堆積プロット140は、ベンチマーククラスタツール100内でのチャンバの使われ方を表す。MQW MOCVD反応チャンバ104内でのMQW構造128の形成には、およそ2時間の成長時間がかかる。また、p型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ106内でのp型窒化ガリウムアルミニウム層130およびp型窒化ガリウム層132の形成には、およそ1時間の成長時間がかかる。その一方で、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ102内での緩衝層124およびアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層126の形成には、およそ3.5時間の成長時間がかかる。チャンバ102のチャンバ洗浄に、追加でおよそ1時間必要となる場合がある。したがって、全体的に、ベンチマーククラスタツール100内でベンチマークLED構造120を製造するためのサイクル時間は、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ102の、およそ4.5時間のサイクル時間によって決まる。洗浄時間は、そうする必要はないが、停止時間と、加えて洗浄時間と、その上に回復時間とを含む場合があることを理解されたい。どのチャンバの使用と使用との間にも洗浄が行われるとは限らない可能性があるので、上記は平均を表している場合があることも理解されたい。
図1に関連して記載した、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ102内での緩衝層124およびアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層126の形成に特定される、LED材料堆積に関するベンチマークタイミングシーケンスについて、以下に提供する。例えば、およそ3.5時間の成長時間は、10分間のサファイア基板の高温トリートメント、5分間の緩衝層の低温形成、10分間のバッファのアニーリング操作、30分間の成長回復操作、2時間のアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層形成操作、ならびに30分間の温度勾配および安定化操作(例えば温度勾配2〜3℃/s)に分けられる。
図1に関連して記載したベンチマークシステムおよびベンチマーク方法論に関して、このベンチマーク手法の結果、LEDの各機能層の時間フローがアンバランスとなり得る。例えば、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ102内での、緩衝層124およびアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層126の形成は、3.5時間であり、MQW MOCVD反応チャンバ104内でのMQW構造128の形成は、2時間であり、p型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ106内でのp型窒化ガリウムアルミニウム層130およびp型窒化ガリウム層132の形成は、1時間である。さらに、上で言及したように、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ102内でのランとランとの間に、追加のおよそ1時間のチャンバ洗浄(場合によってはポンプダウン時間を含む)が必要となる場合がある。そのような追加のチャンバ洗浄は、基板の汚染を回避するために必要となり得る。したがって、構造120を3つのMOCVDチャンバを使って漸進的に成長させる結果、MQW MOCVD反応チャンバ104およびp型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ106について大幅なアイドル時間が生じて、システム100の全体的なスループットが低下する。
本発明の一態様では、LED構造またはパワーデバイス構造を製造するためのクラスタシステムのスループットを、上述したMOCVD材料成長の能力または操作のうちの1つ、またはそのうちの1つの一部をPVDスパッタリング堆積の能力または操作と置き換えることによって、改善することができる。例えば、図2Aは、本発明の一実施形態による、クラスタツールの概略図と、対応する、LED構造の製造に関する温度対時間プロットとを示す。図2Bは、本発明の一実施形態による、LED構造と、対応する時間対堆積プロットとを示す。
図2Aを参照すると、クラスタツール200は、PVD窒化アルミニウムスパッタチャンバ202(PVD AlN)、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ204(MOCVD1:u−GaN/n−GaN)、多重量子井戸(MQW)MOCVD反応チャンバ206(MOCVD2:MQW)、ならびにp型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ208(MOCVD3:p−GaN)を含む。クラスタツール200は、ロードロック210、キャリアカセット212、および移送チャンバ214も含むことができ、その全てが図2Aに図示されている。
したがって、本発明の一実施形態によれば、マルチチャンバシステムが、金属アルミニウムまたは化合物のアルミニウムのターゲットを有するPVDチャンバ、およびアンドープ窒化ガリウムまたはn型窒化ガリウム、あるいはその両方を堆積させるように適合されたチャンバを含む。一実施形態では、PVDチャンバのターゲットが窒化アルミニウムからなる。そのような実施形態では、ターゲットが、堆積させたいものと同じ材料からなるので、反応性スパッタリングを用いる必要がない。しかし、一代替実施形態では、アルミニウムからなるターゲットが用いられ、窒化アルミニウムが、アルミニウムターゲットから窒素源によって、または窒素源の存在下で、反応的にスパッタリングされる。一実施形態では、図2Aに図示されるように、アンドープ窒化ガリウムまたはn型窒化ガリウムを堆積させるように適合されたチャンバが、MOCVDチャンバである。しかし、一代替実施形態では、アンドープ窒化ガリウムまたはn型窒化ガリウムを堆積させるように適合されたチャンバが、ハイドライド気相エピタキシ(HVPE)チャンバである。一実施形態では、図2Aに図示されるように、PVDチャンバおよびアンドープ窒化ガリウムまたはn型窒化ガリウムを堆積させるように適合されたチャンバが、クラスタツール編成内に含まれる。しかし、一代替実施形態では、PVDチャンバおよびアンドープ窒化ガリウムまたはn型窒化ガリウムを堆積させるように適合されたチャンバが、インラインツール編成内に含まれる。本明細書に記載する、PVDをベースとする堆積プロセスは、標準的な室温に近い温度で行っても、より高い温度で行ってもよい。
図2Bを参照すると、LED構造220は、その多くがIII−V材料を含む、さまざまな材料層からなる積層体を含む。例えば、LED構造220は、シリコンまたはサファイア基板222(基板:サファイア、Si)、およびおよそ10〜200ナノメートルの範囲内の厚さを有する窒化アルミニウム層224(AlN)を含む。窒化アルミニウム層224は、クラスタツール200のPVD窒化アルミニウムスパッタチャンバ202内で、スパッタ堆積によって形成される。LED構造220は、およそ4ミクロンの厚さのアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層またはn型窒化ガリウム単体層226(n−GaN)も含む。アンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層またはn型窒化ガリウム単体層226は、クラスタツール200のアンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ204内で形成される。LED構造220は、30〜500ナノメートルの範囲内の厚さを有するMQW構造228も含む。MQW構造228は、クラスタツール200のMQW MOCVD反応チャンバ206内で形成される。一実施形態では、MQW構造228は、InGaN井戸/GaNバリア材料層の1つまたは複数の電界対からなる。LED構造220は、およそ20ナノメートルの厚さのp型窒化ガリウムアルミニウム層230(p−AlGaN)、および50〜200ナノメートルの範囲内の厚さを有するp型窒化ガリウム層232(p−GaN)も含む。p型窒化ガリウムアルミニウム層230およびp型窒化ガリウム層232は、クラスタツール200のp型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ208内で形成される。上記の厚さまたは厚さ範囲が、例示的な実施形態であること、ならびに他の適切な厚さまたは厚さ範囲も、本発明の実施形態の趣旨および範囲内にあると見なされることを理解されたい。
時間対堆積プロット240は、クラスタツール200内でのチャンバの使われ方を表す。MQW MOCVD反応チャンバ206内でのMQW構造228の形成には、およそ2時間の成長時間がかかる。p型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ208内でのp型窒化ガリウムアルミニウム層230およびp型窒化ガリウム層232の形成には、およそ1時間の成長時間がかかる。また、本発明の一実施形態によれば、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ204内でのアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層またはn型窒化ガリウム単体層226の形成には、およそ2時間しか成長時間がかからない。チャンバ204のチャンバ洗浄に、追加でおよそ1時間必要となる場合がある。しかし、洗浄時間は、停止時間と、加えて洗浄時間と、その上に回復時間とを含む場合があることを理解されたい。どのチャンバの使用と使用との間にも洗浄が行われるとは限らない可能性があるので、上記は平均を表している場合があることも理解されたい。
したがって、窒化ガリウム層126の形成に用いられるMOCVDチャンバ内で、図1の緩衝層124などの緩衝層を形成するのではなく、代わりに窒化アルミニウム緩衝層224が含められ、別のチャンバ内、具体的にはPVD窒化アルミニウムスパッタチャンバ202内で形成される。(およそ400torrからおよそ10−8torrまでの)ポンプ時間を除くと、AlNの成長はおよそ5分の持続時間にわたり得るが、MOCVDチャンバ1とは別のチャンバ内で形成することにより、クラスタツール200のスループットが高くなる。例えば、全体的に、クラスタツール200内でLED構造200を製造するためのサイクル時間は、この場合もやはりアンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ204のサイクル時間によって決まり、このサイクル時間は、4.5時間のベンチマークシステムに対し、およそ3時間に短縮されている。したがって、構造220を、3つのMOCVDチャンバの他に1つのPVDチャンバも使って漸進的に成長させる結果、MQW MOCVD反応チャンバ206およびp型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ208について、アイドル時間がずっと短くなって、システム200の全体的なスループットが改善する。例えば、一実施形態では、ツールスループットが1日当たりおよそ5.3回のランから、1日当たりおよそ8回のランに改善されて、およそ50%のスループットの改善が実証されている。
再度図2Aを参照すると、クラスタツール200内でのLED構造の製造に関する代表的な温度対時間プロット250が提供されている。プロット250の領域252は、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ204内で形成される、アンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層またはn型窒化ガリウム単体層226の形成に特定される。この領域では、ただ1つの温度勾配(およそ摂氏1100度からおよそ摂氏400度までの下降)が必要である。そのような単一勾配事象要件は、上述した、アンドープ窒化ガリウムおよび/またはn型窒化ガリウムMOCVD反応チャンバ102内での、緩衝層124およびアンドープ窒化ガリウム/n型窒化ガリウム複合層126の形成に関するタイミングシーケンスとは、全く対照的である。その場合、チャンバは、基板トリートメントのために高温から開始し、緩衝層製造のために温度が下降し、窒化ガリウム堆積のために温度が再び上昇し、最後に安定化のために再度下降する。しかし、どちらの場合にも、プロット250のMQWおよびp−GaNの形成に特定される領域254および256は、ほとんど同じとなることに留意されたい。一実施形態では、プロット250の領域258を参照すると、PVDにより形成する窒化アルミニウムに関する温度対時間プロットは、およそ摂氏20〜1200度の範囲内の高温(HT)プロセスまたは低温(LT)プロセスのいずれかを取り入れることができる。
クラスタツール200に関するスループットの改善の他に、PVDチャンバに3つのMOCVDチャンバを加えたツール編成には更なる利点があり得る。例えば、第1のMOCVDチャンバに送達する必要のある反応ガスがより少なくなり得るので、コスト節減を達成することができる。PVDチャンバのエンジニアリングおよび設計は、ベンチマーククラスタツール100のチャンバ102と同様に緩衝層とデバイス層の双方に専用となっているMOCVDチャンバの構成時間および複雑さに比べて、単純となり得る。上記のプロセスにより、デバイス層226のアンドープ窒化ガリウム部分について厚さの低減が可能になる場合、より単純な全面的エッチバックプロセスを行うことができる。これもまた、サイクル時間を短縮すると同時に、材料および運転コストの節減を可能にすることができる。また、窒化ガリウム緩衝層の代わりに窒化アルミニウム緩衝層を用いることによって、LEDデバイスやパワーデバイスなどのデバイスの活性層内に欠陥がある状態の低減を達成することができる。
したがって、本発明の一実施形態によれば、マルチチャンバシステムが、窒化アルミニウムターゲットを有するPVDチャンバ、およびアンドープ窒化ガリウムまたはn型窒化ガリウムを堆積させるための第1のMOCVDチャンバを含む。マルチチャンバシステムは、多重量子井戸(MQW)構造を堆積させるための第2のMOCVDチャンバ、およびp型窒化アルミニウムガリウムもしくはp型窒化ガリウム、またはその両方を堆積させるための第3のMOCVDチャンバも含む。一実施形態では、窒化アルミニウムターゲットを有するPVDチャンバは、窒化アルミニウムを非反応性スパッタリングするためのものである。具体的なそのような一実施形態では、PVDチャンバは、窒化アルミニウムをおよそ摂氏20〜200度の範囲内の低温またはわずかに高い温度で非反応性スパッタリングするためのものである。別の具体的なそのような実施形態では、PVDチャンバは、窒化アルミニウムをおよそ摂氏200〜1200度の範囲内の高温で非反応性スパッタリングするためのものである。一代替実施形態では、PVDチャンバは、アルミニウムターゲットを窒素含有ガスまたは窒素含有ガスを原料とするプラズマを使って反応性スパッタリングするためのものである。
堆積温度に関わらず、LED構造220内に含めるのに適した、PVDにより堆積させた窒化アルミニウム層を、必要な材料特性(例えば適切な欠陥密度、結晶粒径、結晶配向など)を得るために、およそ摂氏400〜1400度の範囲内の、例えば約摂氏900度の高温に、ある時点で暴露することが必要になる場合があり得る。本発明の一実施形態によれば、PVDにより堆積させた窒化アルミニウム層に対して、窒化アルミニウム層上に更なる層を製造する前に、急速熱処理(RTP:rapid thermal processing)プロセスが行われる。その場合、上述したLED構造200に関する製造プロセスに、RTPチャンバを何らかの形で関連付けることができる。一実施形態では、PVDチャンバおよび3つのMOCVDチャンバを含むクラスタツールやインラインツールなどのツールが、RTPチャンバも含む。しかし、一代替実施形態では、RTPプロセスがPVDチャンバ内で行われる。別の代替実施形態では、上述したLED構造220に関する製造プロセスに、レーザアニーリング能力が関連付けられる。
次いで、本発明の一態様では、物理的気相堆積(PVD)窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を形成するためのプロセス条件について記載される。そのような緩衝層は、例えばGaNベースのデバイス内に含めることができる。一実施形態では、ある特定の特色および特性を備えたAlNの堆積用に、パラメトリックプロセスウインドウが提供される。
発光ダイオード(LED)の製造の場合、プロセスは、典型的には、有機金属化学気相堆積(MOCVD)による基板上への低温緩衝層の形成を含む。MOCVDによる緩衝層の堆積の後に、典型的には、活性デバイス層、例えばアンドープGaN層、Siドープn型GaN層、MQW GaN層、およびMgドープp型GaN層の形成が続く。基板予備焼成は通常、(例えばおよそ摂氏1050度を上回る)高温で行われる。対照的に、緩衝層の堆積は通常、(例えばおよそ摂氏500〜600度の範囲内の)低温で行われる。そのプロセスは、合計のMOCVDプロセス時間のおよそ10〜30%の割合を占めることがある。MOCVDのスループットは、緩衝層をエクスシトゥで(ex−situ)堆積させることにより向上させることができる。したがって、一実施形態では、以下により詳細に記載するように、PVDによって形成される、エクスシトゥで堆積させるAlN緩衝層について記載される。一実施形態では、PVDプロセスは、別のチャンバ内で行われる。
一実施形態では、GaNデバイスの製造で用いるのに適したAlNバッファを備えた基板(テンプレート)を形成するための、プロセス条件が提供される。そのような一実施形態では、PVD AlNバッファの酸素制御した堆積が行われる。
一実施形態では、AlN緩衝層が、PVDチャンバ内に収納されたアルミニウム含有ターゲットを、窒素含有ガスまたは窒素含有ガスをベースとするプラズマと反応させることによる反応性スパッタリングによって形成される。一実施形態では、酸素の混入も行われる。例示的な一実施形態では、次の操作および条件のうちの1つもしくは複数(またはその組合せ)が、酸素混入に用いられる。(1)これらに限定されないが、O、HO、CO、CO、NO、NO、O、またはその組合せなどの酸素含有ガスのPVDチャンバへの流入、(2)チャンバ、プロセスキット、およびターゲットを、吸着した酸素で予め調整することができるように、かつ/またはチャンバ、プロセスキット、およびターゲットが、AlN/基板界面、AlNバルク膜内、およびAlN表面に混入してAlN表面を高品質のGaNの成長に適したものにする、最適な量の酸素を有することができるように、堆積のためにプラズマがオンになる前、オンになっている間、および/またはオンになった後の酸素含有ガスの流入、ならびに(3)酸素含有ガス流の量、導入時期、および持続時間が、AlNと異種基板との間、AlN膜内、およびAlN表面のその均一な変更界面を確保するように、正確に制御される。特定の一実施形態では、AlN膜に混入する酸素(O)の量が、およそ1×1018〜1×1023原子/cmの範囲内である。一実施形態では、AlN堆積が上で行われる基板が、これらに限定されないが、サファイア、Si、SiC、Siオンダイヤモンド、ZnO、LiAlO、MgO、GaAs、銅、W等のようなものである。基板は、平坦でも、予めパターン化されていてもよい。
一実施形態では、PVD AlN緩衝層の酸素制御した堆積に最適化されたハードウェアが、次の構成のうちの1つまたは複数を含む。(1)高温下、例えば摂氏350度以上における、高い基礎真空(例えば1×10−7torr以下)およびある圧力上昇速度(例えば2,500ntorr/分以下)での少ない真空漏れを協同して可能にする、ポンピングシステム、すなわちチャンバ真空統合設計と、チャンバ冷却設計、(2)一貫したターゲット浸食、および試料キャリアにわたる、ウエハ内での、またウエハ相互間の、AlN膜の均一な堆積を確実なものにするための、全面浸食マグネトロンカソード、(3)最適なAlN組成物を均一に得ることができるように、チャンバ内でのO含有ガスを含むプロセスガスの均一な分配を確実なものにする、プロセスキットおよびガス流設計、(4)ウエハの速く均一な昇温を確実なものにする、バイアス可能な高温静電チャック、ならびに(5)最適な量の酸素を、堆積させるAlN膜に均一に混入して、上面での高品質のGaNの成長を確実なものにすることができるように、酸素をドープしたAlターゲットの装備(例えば、一実施形態では、アルミニウムターゲットにおよそ1ppm〜10,000ppmの範囲内の酸素濃度がドープされる)。一実施形態では、チャンバペースティングプロセスが利用され、これにより、プロセスキットおよびターゲットの調整が均一かつ十分に確実になり、またペースティングサイクル間で再現可能なPVD AlN特性がもたらされる。そのような一実施形態では、ペースティングサイクルの数が1度のランにつき1回からターゲットまたはプロセスキットの寿命につき1回まで、さまざまに異なることができることを理解されたい。上記の態様のうちの1つまたは複数が以下に、図3A〜図3Dに関連して記載される。
そのような一実施形態では、上記の条件およびハードウェアを用いて、高品質のAlNの堆積が、ランからランに、ウエハからウエハおよびウエハ内の高均一性に、再現可能に達成される。そのAlNの上面には、XRD(002)FWHM<100秒角および/またはXRD(102)FWHM<150秒角を有する、高品質のGaNを成長させることができ、このプロセスは、証明された再現可能性を有する。具体的な一実施形態では、GaNは、およそ5×10欠陥/cm未満の転位密度を有する。一実施形態では、(002)に関するXRD FWHMが、およそ50〜250秒角の範囲内である。一実施形態では、(102)に関するXRD FWHMが、およそ70〜250秒角の範囲内である。一実施形態では、上述した独自のハードウェアおよびプロセスが、AlNおよびGaNの並外れて高い品質、ならびに高いスループットおよび再現可能性を叶える。
3つのMOCVDチャンバに加えてPVDチャンバを収納するのに適した、ツールプラットフォームの例示的な実施形態は、どちらもSanta Clara、CAのApplied Materials,Inc.から商業的に入手可能な、Opus(商標)AdvantEdge(商標)システムまたはCentura(商標)システムを含む。本発明の実施形態はさらに、マルチチャンバ型処理プラットフォームの構成要素として、統合的計測(IM:integrated metrology)チャンバを含む。IMチャンバは、本明細書に記載したような、複数にセグメント化されたスパッタプロセスやエピタキシャル成長プロセスなどの、統合的堆積プロセスの適応制御ができるようにするための制御信号をもたらすことができる。IMチャンバは、厚さ、粗さ、組成などのさまざまな膜特性を測定するのに適した計測装置を含むことができ、さらに、クリティカルディメンション(CD)、側壁角(SWA)、特徴部高さ(HT)などの格子パラメータを、真空下で自動化された形で特徴付ける能力があってよい。その例には、これらに限定されないが、反射光測定やスキャトロメトリのような光学的技法がある。特に有利な実施形態では、開始材料中に形成された格子の属性が、スパッタおよび/またはエピタキシャル成長が進行するときにモニタされる、真空内光CD(OCD)技法が採用される。他の実施形態では、計測操作が、別のIMチャンバ内ではなく、プロセスチャンバ内で、例えばプロセスチャンバ内でインシトゥで行われる。
クラスタツール200などのマルチチャンバ型処理プラットフォームはさらに、オプションの基板アライナチャンバ、ならびにカセットを保持するロードロックチャンバを含むことができ、これらのチャンバは、ロボットハンドラを含む移送チャンバに結合される。本発明の一実施形態では、マルチチャンバ型処理プラットフォーム200の適応制御が、コントローラによって実現される。コントローラは、工業環境においてさまざまなサブプロセッサおよびサブコントローラを制御するために用いることのできる、任意の形の汎用データ処理システムのうちの1つとすることができる。一般に、コントローラは、一般的な構成要素の中でもとりわけメモリおよび入出力(I/O)回路と通信する、中央処理装置(CPU)を含む。一例として、コントローラは、本明細書に記載する方法/プロセスのいずれかに関する操作のうちの1つまたは複数を行っても、その他の方法でその操作のうちの1つまたは複数を開始してもよい。そのような操作を行うかつ/または開始する任意のコンピュータプログラムコードは、コンピュータプログラムプロダクトとして具現化することができる。本明細書に記載する各コンピュータプログラムプロダクトは、コンピュータによって読み取ることの可能な媒体(例えばフロッピーディスク、コンパクトディスク、DVD、ハードドライブ、ランダムアクセスメモリなど)によって担持することができる。
本明細書において企図されるプロセスおよびツール構成に適したPVDチャンバには、Santa Clara、CAのApplied Materials,Inc.から商業的に入手可能な、Applied Materials Endura(登録商標)Impulse(商標)PVDシステムがあり得る。Endura PVDシステムは、優れたエレクトロマイグレーション耐性および表面モルフォロジ、ならびに低い所有コストおよびシステムの高信頼性を実現している。その中で行われるPVDプロセスは、そのように、必要な圧力で、また堆積させる化学種の方向性のある流れをプロセスキャビティ内に作り出す適切なターゲット−ウエハ間距離で、成すことができる。インラインシステムと適合性のある、やはりSanta Clara、CAのApplied Materials,Inc.から商業的に入手可能なARISTOチャンバなどのチャンバは、自動化されたローディングおよびアンローディング能力、ならびに磁気的なキャリア輸送システムを提供して、サイクル時間の大幅な短縮を成し得ている。やはりSanta Clara、CAのApplied Materials,Inc.から商業的に入手可能なAKT−PiVot 55KV PVDシステムは、スパッタリング堆積用の垂直プラットフォームを有する。AKT−PiVotシステムのモジュールアーキテクチャは、サイクル時間を大幅に速くし、また生産効率を最大限にするための多種多様な構成を可能にしている。これまでのインラインシステムとは異なり、AKT−PiVotの並列処理能力は、それぞれの膜層についてプロセス時間が異なることによって生じるボトルネックを解消する。また、このシステムのクラスタ様の編成が、個々のモジュールのメンテナンス中にも連続運転ができるようにしている。回転カソード技術が含まれていることにより、従来型のシステムに比べてほぼ3倍高いターゲットの利用率が可能になっている。PiVotシステムの堆積モジュールは、他のシステムの場合には同じ結果を達成するために最大50枚の基板が必要となるのとは違い、たった1枚の基板を用いたターゲット調整を可能にする、プレスパッタユニットを特徴としている。
本発明の一態様では、適切なプロセスキットを設計することが、PVDプロセスチャンバにおけるパルスDCまたはRFチャンバ機能性にとって重要となり得る。一例として、図3A〜図3Cは、本発明の一実施形態による、PVDチャンバ用のプロセスキットの断面図を示す。図3Dは、本発明の一実施形態による、PVDチャンバ用の電力送達源の断面図を示す。
図3A〜図3Cを参照すると、PVDチャンバ用のプロセスキット300は、上側アダプタ302、下側アダプタ304、下側シールド306、およびDTESC308を備えた、第1の部分(図3A)を含む。PVDチャンバ用のプロセスキット300は、ターゲット310、暗部シールド312、およびAlスペーサ314を備えた、第2の部分(図3B)も含む。PVDチャンバ用のプロセスキット300は、カバーリング316および堆積リング318を備えた、第3の部分(図3C)も含む。
図3Dを参照すると、PVDチャンバ用の電力送達源350は、RF整合部352、およびRF供給部354を含む。材料源(source)分配プレート356(例えばアルミニウム源分配プレート)および接地シールド358(例えばアルミニウム金属薄板)、ならびに金属ハウジング360およびリング磁石362も含まれる。電力送達源350は、DCフィルタボックス364およびDC供給部366も含む。上部プレート368および分配プレート370、ならびに拡張ブロック372、シャフト374、およびターゲット376も含まれる。
上述したMOCVDチャンバ204、206、または208のうちの1つまたは複数として用いるのに適している可能性のあるMOCVD堆積チャンバの一例が示されており、その一例について図4を参照して記載する。図4は、本発明の一実施形態による、MOCVDチャンバの概略断面図である。
図4に示す装置4100は、チャンバ4102、ガス供給システム4125、遠隔プラズマ源4126、および真空システム4112を含む。チャンバ4102は、処理容積4108を取り囲むチャンバ本体4103を含む。処理容積4108の一端にシャワーヘッドアセンブリ4104が配設されており、処理容積4108の他端に基板キャリア4114が配設されている。下側容積4110の一端に下側ドーム4119が配設されており、下側容積4110の他端に基板キャリア4114が配設されている。基板キャリア4114は、プロセス位置に示されているが、より下側の位置に移動させることができ、そこでは例えば、基板4140をロードまたはアンロードすることができる。基板キャリア4114の周縁部を取り囲んで排気リング420を配設して、下側容積4110内で堆積が起こらないようにするのを助け、また、排気ガスをチャンバ4102から排気口4109に向かわせるのを助けることができる。下側ドーム4119は、高純度石英などの透明な材料から作製して、基板4140を放射加熱するために光が通過できるようにすることができる。放射加熱は、下側ドーム4119の下に配設された複数の内側ランプ4121Aおよび外側ランプ4121Bによって実現することができ、リフレクタ4166を用いて、内側ランプ4121Aおよび外側ランプ4121Bによってもたらされる放射エネルギーへのチャンバ4102の暴露を制御するのを助けることができる。基板4140のより細かな温度制御のために、追加のランプからなるリングを用いることもできる。
基板キャリア4114は、1つまたは複数の凹部4116を含むことができ、1つまたは複数の基板4140を処理中にその中に配設することができる。基板キャリア4114は、6つ以上の基板4140を搬送することができる。一実施形態では、基板キャリア4114は、8つの基板4140を搬送する。より多くのまたはより少ない基板4140を基板キャリア4114に載せて搬送できることを理解されたい。典型的な基板4140には、サファイア、炭化ケイ素(SiC)、シリコン、または窒化ガリウム(GaN)があり得る。ガラス基板4140など、他のタイプの基板4140を処理できることを理解されたい。基板4140のサイズは、直径50mm〜100mm以上の範囲とすることができる。基板キャリア4114のサイズは、200mm〜750mmの範囲とすることができる。基板キャリア4114は、SiCまたはSiCで被覆したグラファイトを含む、さまざまな材料から形成することができる。チャンバ4102内で、本明細書に記載するプロセスに従って、他のサイズの基板4140を処理できることを理解されたい。シャワーヘッドアセンブリ4104は、これまでのMOCVDチャンバ内でよりも多数の基板4140および/または大きな基板4140にわたる、より均一な堆積ができるようにし、これにより、基板4140当たりのスループットを高め、かつ処理コストを下げることができる。
基板キャリア4114は、処理中に軸の周りで回転することができる。一実施形態では、基板キャリア4114は、約2RPM〜約100RPMで回転させることができる。別の実施形態では、基板キャリア4114は、約30RPMで回転させることができる。基板キャリア4114の回転は、基板4140を均一に加熱し、処理ガスを各基板4140に均一に暴露させる助けとなる。
複数の内側ランプ4121Aおよび外側ランプ4121Bを、同心円または同心ゾーン(図示せず)として配置することができ、各ランプゾーンには別々に給電することができる。一実施形態では、高温計(図示せず)など、1つまたは複数の温度センサをシャワーヘッドアセンブリ4104内に配設して、基板4140および基板キャリア4114の温度を測定することができ、温度データは、コントローラ(図示せず)に送出することができ、コントローラは、基板キャリア4114全体にわたって所定の温度プロファイルを維持するように、別々のランプゾーンに対する電力を調整することができる。別の実施形態では、別々のランプゾーンに対する電力を、前駆体流または前駆体濃度の不均一性を補償するように調整することができる。例えば、前駆体濃度が、基板キャリア4114の領域内の外側ランプゾーン付近でより低い場合、その領域内の前駆体の欠乏を補償するのを助けるように、外側ランプゾーンに対する電力を調整することができる。
内側ランプ4121Aおよび外側ランプ4121Bは、基板4140を約摂氏400度〜約摂氏1200度の温度まで加熱することができる。本発明は、内側ランプ4121Aおよび外側ランプ4121Bからなる配列の使用に限られないことを理解されたい。任意の適切な加熱源を利用して、チャンバ4102およびその中の基板4140に適切な温度が十分に加えられることを確実にすることができる。例えば、別の実施形態では、加熱源は、基板キャリア4114と熱的に接触する抵抗発熱体(図示せず)を含むことができる。
ガス供給システム4125は、複数のガス源を含むことができ、または、ラン中のプロセスによっては、材料源の一部がガスではなく液体源であることがあり、その場合、ガス供給システムは、液体噴射システムまたは他の手段(例えばバブラ)を含んで、液体を蒸気にすることができる。次いで、その蒸気をキャリアガスと混合してから、チャンバ4102に送達することができる。前駆体ガス、キャリアガス、パージガス、洗浄/エッチングガス、またはその他などのさまざまなガスを、ガス供給システム4125から別々の供給ライン4131、4132、および4133に供給して、シャワーヘッドアセンブリ4104に至らせることができる。供給ライン4131、4132、および4133は、各ライン内のガス流をモニタし、調節または遮断するために、遮断バルブおよびマスフローコントローラまたは他のタイプのコントローラを含むことができる。
導管4129が、遠隔プラズマ源4126から洗浄/エッチングガスを受領することができる。遠隔プラズマ源4126は、ガス供給システム4125から供給ライン4124を経由してガスを受領することができ、シャワーヘッドアセンブリ4104と遠隔プラズマ源4126との間には、バルブ4130を配設することができる。バルブ4130を開いて、洗浄および/もしくはエッチングガス、または洗浄および/もしくはエッチング用プラズマが、プラズマ用の導管として機能するように適合させることのできる供給ライン4133を経由して、シャワーヘッドアセンブリ4104に流入できるようにすることができる。別の実施形態では、装置4100が遠隔プラズマ源4126を含まないことがあり、したがって洗浄/エッチングガスを、非プラズマ洗浄および/またはエッチング用のガス供給システム4125から、代替の供給ライン構成を用いて、シャワーヘッドアセンブリ4104に送達することができる。
遠隔プラズマ源4126は、チャンバ4102の洗浄および/または基板4140のエッチング用に適合された、高周波プラズマ源またはマイクロ波プラズマ源とすることができる。洗浄および/またはエッチングガスを遠隔プラズマ源4126に供給ライン4124経由で供給して、プラズマ化学種を生成することができ、そのプラズマ化学種を、導管4129および供給ライン4133経由で送出して、シャワーヘッドアセンブリ4104を通じてチャンバ4102内に分散させることができる。洗浄用途向けのガスには、フッ素、塩素、または他の反応性元素があり得る。
別の実施形態では、前駆体ガスを遠隔プラズマ源4126に供給して、プラズマ化学種を生成することができるように、ガス供給システム4125および遠隔プラズマ源4126を適切に適合させることができ、そのプラズマ化学種を、シャワーヘッドアセンブリ4104を通じて送出して、基板4140上に例えばIII−V族膜などのCVD層を堆積させることができる。一般に、物質の一状態であるプラズマは、電気エネルギーまたは電磁波(例えば高周波の波、マイクロ波)をプロセスガス(例えば前駆体ガス)に送達して、プロセスガスを少なくとも部分的に絶縁破壊させ、これにより、イオン、電子、中性粒子(例えばラジカル)などのプラズマ化学種を形成することによって、作り出される。一例では、プラズマがプラズマ源4126の内部領域内に、約100ギガヘルツ(GHz)未満の周波数の送達電磁エネルギーによって作り出される。別の例では、プラズマ源4126が、約162メガヘルツ(MHz)の周波数など、約0.4キロヘルツ(kHz)から約200メガヘルツ(MHz)の間の周波数の電磁エネルギーを、約4キロワット(kW)未満の電力レベルで送達するように構成される。形成されたプラズマは、前駆体ガスの形成および活性を強化し、したがって、活性化されたガスが堆積プロセス中に基板の表面に到達して迅速に反応し、これにより、改善された物理的特性および電気的特性を有する層を形成することができると考えられている。
パージガス(例えば窒素)をチャンバ4102内に、シャワーヘッドアセンブリ4104から、かつ/または基板キャリア4114の下でチャンバ本体4103の底部付近に配設された送込口もしくは送込管(図示せず)から、送達することができる。パージガスは、チャンバ4102の下側容積4110に入り、上向きに流れて基板キャリア4114および排気リング420を通り過ぎ、環状排気チャネル4105の周りに配設された複数の排気口4109に入る。排気導管4106が、環状排気チャネル4105を、真空ポンプ(図示せず)を含む真空システム4112に接続する。チャンバ4102の圧力は、排気ガスが環状排気チャネル4105から抜き出される速度を制御するバルブシステム4107を用いて、制御することができる。
上述した、チャンバ204の代替実施形態の(または他のチャンバの代替実施形態の)HVPEチャンバ204として用いるのに適している可能性のあるHVPE堆積チャンバの一例が示されており、その一例について図5を参照して記載する。図5は、本発明の一実施形態による、III族窒化物材料の製造に適したHVPEチャンバ500の概略断面図である。
装置500は、リッド504によって密閉されたチャンバ502を含む。第1のガス源510からの処理ガスが、ガス分配シャワーヘッド506を通って、チャンバ502に送達される。一実施形態では、ガス源510は窒素含有化合物を含む。別の実施形態では、ガス源510はアンモニアを含む。一実施形態では、ヘリウムや二原子窒素などの不活性ガスも、ガス分配シャワーヘッド506を通って、またはチャンバ502の壁508を通って、導入される。ガス源510とガス分配シャワーヘッド506との間に、エネルギー源512を配設することができる。一実施形態では、エネルギー源512はヒータを含む。エネルギー源512は、窒素含有ガスの窒素がより反応性に富むように、ガス源510からのアンモニアなどのガスを分解することができる。
第1の材料源510からのガスと反応すべく、前駆体材料を1つまたは複数の第2の材料源518から送達することができる。前駆体は、前駆体源518内で前駆体の上および/または中に反応性ガスを流すことによって、チャンバ502に送達することができる。一実施形態では、反応性ガスは、二原子塩素などの塩素含有ガスを含む。塩素含有ガスは、前駆体源と反応して、塩化物を形成することができる。塩素含有ガスが前駆体と反応する効率を高めるために、塩素含有ガスは、チャンバ532内のボートエリアの中を蛇行し、抵抗ヒータ520で加熱することができる。塩素含有ガスがチャンバ532の中を蛇行する滞留時間を増やすことによって、塩素含有ガスの温度を制御することができる。塩素含有ガスの温度を高めることによって、塩素は前駆体とより速く反応することができる。換言すれば、温度が、塩素と前駆体との反応に対する触媒となる。
前駆体の反応性を高めるために、前駆体を第2のチャンバ532内部のボート内で抵抗ヒータ520によって加熱することができる。次いで、塩化物反応生成物をチャンバ502に送達することができる。反応性塩化物生成物はまず、管522に入り、管522内で一様に分散する。管522は、別の管524に接続されている。塩化物反応生成物は、第1の管522内で一様に分散された後、第2の管524に入る。次いで、塩化物反応生成物はチャンバ502に入り、そこで窒素含有ガスと混合して、サセプタ514上に配設された基板516上に窒化物層を形成する。一実施形態では、サセプタ514は炭化ケイ素を含む。窒化物層は、例えばn型窒化ガリウムを含むことができる。窒素や塩素など、他の反応生成物が、排気部526を通って排気される。
LEDおよび関連デバイスは、例えばIII−V族膜、特にIII族窒化物膜の層から製造することができる。本発明のいくつかの実施形態は、窒化ガリウム(GaN)層を、専用のMOCVDチャンバ内でなど、製造ツールの専用チャンバ内で形成することに関連する。本発明のいくつかの実施形態では、GaNは二元のGaN膜であるが、他の実施形態では、GaNは三元膜(例えばInGaN、AlGaN)であり、または四元膜(例えばInAlGaN)である。少なくともいくつかの実施形態では、III族窒化物材料層は、エピタキシャルに形成される。III族窒化物材料層は、基板上に、または基板上に配設された緩衝層上に、直接形成することができる。企図される他の実施形態は、PVDにより形成した緩衝層、例えばPVDにより形成した窒化アルミニウム上に直接堆積させる、p型ドープ窒化ガリウム層を含む。
本発明の実施形態は、上述の選択された基板上への層の形成に限定されないことを理解されたい。他の実施形態は、任意の適切な非パターン化またはパターン化単結晶基板の使用を含むことができ、その上に高品質窒化アルミニウム層を、例えば非反応性PVD手法でスパッタ堆積させることができる。基板は、これらに限定されないが、サファイア(Al)基板、シリコン(Si)基板、炭化ケイ素(SiC)基板、シリコンオンダイヤモンド(SOD)基板、石英(SiO)基板、ガラス基板、酸化亜鉛(ZnO)基板、酸化マグネシウム(MgO)基板、および酸化リチウムアルミニウム(LiAlO)基板などのものとすることができる。マスキングやエッチングなど、任意の周知の方法を利用して、平面基板からポストなどの特徴部を形成し、これにより、パターン化基板を作り出すことができる。しかし、具体的な一実施形態では、パターン化サファイア基板(PSS)が(0001)配向で用いられる。パターン化サファイア基板は、新世代の固体照明デバイスの製造に極めて有用な光抽出効率を高めるので、ある特定のタイプのLEDの製作で用いるのに好ましい場合がある。基板選択基準には、欠陥の形成を緩和するための格子整合、および熱応力を緩和するための熱膨張率(CTE)の整合の係数を含むことができる。
上述したように、III族窒化物膜はドープすることができる。III族窒化物膜は、これらに限定されないが、Mg、Be、Ca、Sr、または任意のI族元素もしくは2つの価電子を有するII族元素などの、任意のp型ドーパントを用いてp型ドープすることができる。III族窒化物膜は、1×1016〜1×1020原子/cmの間の導電性レベルまでp型ドープすることができる。III族窒化物膜は、これらに限定されないが、シリコンもしくは酸素、または任意の適切なIV族元素もしくはVI族元素など、任意のn型ドーパントを用いてn型ドープすることができる。III族窒化物膜は、1×1016〜1×1020原子/cmの間の導電性レベルまでn型ドープすることができる。
上記のプロセスは、クラスタツール内の、または2つ以上のチャンバを備えた他のツール、例えばLEDの層を製造するための専用のチャンバを有するように構築されたインラインツール内の、専用のチャンバ内で行えることを理解されたい。本発明の実施形態は、LEDの製造に限定される必要がないことも理解されたい。例えば、別の実施形態では、これらに限定されないが、電界効果トランジスタ(FET)デバイスやパワーデバイスなどの、LEDデバイス以外のデバイスを、本明細書に記載する手法によって製造することができる。そのような実施形態では、層からなる構造の上面にp型材料が必要ない場合がある。そうではなく、n型材料またはアンドープ材料を、p型層の代わりに用いることができる。堆積および/または熱アニールのさまざまな組合せなど、複数の操作を、単一のプロセスチャンバ内で行えることも理解されたい。
本発明の実施形態は、本発明によるプロセスを行うようにコンピュータシステム(または他の電子デバイス)をプログラムするために用いることのできる命令が記憶された、マシン読取り可能媒体を含むことのできる、コンピュータプログラムプロダクト、すなわちソフトウェアとして提供することができる。マシン読取り可能媒体は、マシン(例えばコンピュータ)によって読み取ることの可能な形の情報を記憶または伝送するための任意のメカニズムを含む。例えば、マシン読取り可能(例えばコンピュータ読取り可能)媒体には、マシン(例えばコンピュータ)読取り可能ストレージ媒体(例えばリードオンリーメモリ(「ROM」)、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、磁気ディスクストレージ媒体、光ストレージ媒体、フラッシュメモリデバイスなど)、マシン(例えばコンピュータ)読取り可能伝送媒体(電気的伝搬信号、光学的伝搬信号、音響的伝搬信号、または他の形の伝搬信号(例えば赤外線信号、デジタル信号など))などがある。
図6は、コンピュータシステム600という例示的な形をとるマシンの概略図を示し、このマシン内では、本明細書で論じた方法論のうちのいずれか1つまたは複数をマシンに行わせるための命令セットを実行することができる。代替実施形態では、このマシンを、ローカルエリアネットワーク(LAN)、イントラネット、エクストラネット、またはインターネット内の他のマシンに接続する(例えばネットワーク接続する)ことができる。マシンは、クライアント−サーバネットワーク環境においてはサーバもしくはクライアントマシンとしての役割で、またはピアツーピア(もしくは分散型)ネットワーク環境においてはピアマシンとして、動作することができる。マシンは、パーソナルコンピュータ(PC:personal computer)、タブレットPC、セットトップボックス(STB)、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、セルラー電話、ウエブ機器、サーバ、ネットワークルータ、スイッチもしくはブリッジ、またはそのマシンがとるべきアクションを指定する(連続した、もしくはその他の形の)命令セットを実行する能力がある任意のマシンとすることができる。さらに、単一のマシンしか示していないが、「マシン」という用語は、本明細書で論じた方法論のうちのいずれか1つまたは複数を行うための命令セット(または複数の命令セット)を、個々にまたは共同で実行する、マシン(例えばコンピュータ)の任意の集合を含むものとも解釈することとする。一実施形態では、コンピュータシステム600は、上述の図1、図2A、図3A、図4、または図5に関連して記載した装置用のコンピューティングデバイスを用いるのに適している。
例示的なコンピュータシステム600は、プロセッサ602、メインメモリ604(例えばリードオンリーメモリ(ROM)、フラッシュメモリ、シンクロナスDRAM(SDRAM)やラムバスDRAM(RDRAM)などのダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)など)、スタティックメモリ606(例えばフラッシュメモリ、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)など)、および二次メモリ618(例えばデータストレージデバイス)を含み、これらはバス630を経由して互いに通信する。
プロセッサ602は、マイクロプロセッサ、中央処理装置などのような1つまたは複数の汎用処理デバイスに相当する。より詳細には、プロセッサ602は、複雑命令セットコンピューティング(CISC)マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピューティング(RISC)マイクロプロセッサ、超長命令語(VLIW)マイクロプロセッサ、他の命令セットを実施するプロセッサ、または命令セットの組合せを実施するプロセッサとすることができる。プロセッサ602は、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、デジタル信号プロセッサ(DSP)、ネットワークプロセッサなどのような、1つまたは複数の特殊目的の処理デバイスとすることもできる。プロセッサ602は、本明細書で論じた操作を行うための処理論理回路626を実行するように構成される。
コンピュータシステム600はさらに、ネットワークインターフェースデバイス608を含むこともできる。コンピュータシステム600は、ビデオディスプレイユニット610(例えば液晶ディスプレイ(LCD)または陰極線管(CRT))、英数字入力デバイス612(例えばキーボード)、カーソル制御デバイス614(例えばマウス)、および信号生成デバイス616(例えばスピーカ)を含むこともできる。
二次メモリ618は、本明細書に記載する方法論または機能のうちのいずれか1つまたは複数を具現化する1つまたは複数の命令セット(例えばソフトウェア622)が記憶された、マシンアクセス可能ストレージ媒体(またはより具体的にはコンピュータ読取り可能ストレージ媒体)631を含むことができる。ソフトウェア622は、コンピュータシステム600によるその実行中に、メインメモリ604内および/またはプロセッサ602内に完全にまたは少なくとも部分的に常駐することもでき、メインメモリ604およびプロセッサ602も、マシン読取り可能ストレージ媒体である。ソフトウェア622はさらに、ネットワークインターフェースデバイス608経由でネットワーク620を介して送信または受信することができる。
マシンアクセス可能ストレージ媒体631は、例示的な一実施形態では、単一の媒体であることが示されているが、「マシン読取り可能ストレージ媒体」という用語は、1つまたは複数の命令セットを記憶する、単一の媒体または複数の媒体(例えば、集中型または分散型データベース、ならびに/あるいは関連するキャッシュおよびサーバ)を含むものと解釈すべきである。「マシン読取り可能ストレージ媒体」という用語は、マシンによって実行するための、マシンに本発明の方法論のうちのいずれか1つまたは複数を行わせる命令セットを、記憶または符号化する能力がある、任意の媒体を含むものとも解釈することとする。したがって、「マシン読取り可能ストレージ媒体」という用語は、これらに限定されないが、固体メモリ、ならびに光学媒体および磁気媒体を含むものと解釈することとする。
本発明の一実施形態によれば、GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスおよび電子デバイス用のPVD AlNバッファを酸素制御した形で形成する方法を、データ処理システムに行わせる命令が、非一時的なマシンアクセス可能ストレージ媒体に記憶される。
かくして、GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスおよび電子デバイス用の、酸素制御したPVD AlNバッファが開示された。

Claims (25)

  1. GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイス用の窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を形成する方法であって、
    基板の上にAlN層を反応性スパッタリングすることであって、物理的気相堆積(PVD)チャンバ内に収納されたアルミニウム含有ターゲットを、窒素含有ガスまたは窒素含有ガスをベースとするプラズマと反応させることを備える、反応性スパッタリングすること、および
    前記AlN層に酸素を混入させること
    を備える方法。
  2. 前記酸素を混入させることが、O、HO、CO、CO、NO、NO、O、およびその組合せからなる群から選択された酸素含有ガスの前記PVDチャンバへの流入によって行われる、請求項1に記載の方法。
  3. 前記酸素を混入させることが、前記アルミニウム含有ターゲットを前記窒素含有ガスまたは窒素含有ガスをベースとする前記プラズマと反応させる前の、酸素含有ガスの流入によって行われる、請求項1に記載の方法。
  4. 前記酸素を混入させることが、前記アルミニウム含有ターゲットを前記窒素含有ガスまたは窒素含有ガスをベースとする前記プラズマと反応させている間の、酸素含有ガスの流入によって行われる、請求項1に記載の方法。
  5. 前記酸素を混入させることが、前記アルミニウム含有ターゲットを前記窒素含有ガスまたは窒素含有ガスをベースとする前記プラズマと反応させた後の、酸素含有ガスの流入によって行われる、請求項1に記載の方法。
  6. 前記AlN層に酸素を混入させることが、前記AlN層に、およそ1×1018〜1×1023cm−3の範囲内の酸素濃度を混入させることを備える、請求項1に記載の方法。
  7. 基板と、
    前記基板の上に配設された窒化アルミニウム(AlN)緩衝層であって、およそ1×1018〜1×1023cm−3の範囲内の酸素濃度を備えるAlN層と
    を備える、GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイス用の材料積層体。
  8. 前記酸素の一部が、AlN/基板界面に含まれる、請求項7に記載の材料積層体。
  9. 前記酸素の一部が、前記AlN緩衝層の最も外側の表面に含まれる、請求項7に記載の材料積層体。
  10. 前記AlN緩衝層上に配設された高品質のGaN層であって、XRD(002)FWHM<100秒角およびXRD(102)FWHM<150秒角を有する、高品質のGaN層
    をさらに備える、請求項7に記載の材料積層体。
  11. 前記基板が、サファイア、Si、SiC、Siオンダイヤモンド、ZnO、LiAlO、MgO、GaAs、銅、およびWからなる群から選択される、請求項7に記載の材料積層体。
  12. 基板と、
    前記基板の上に配設された窒化アルミニウム(AlN)緩衝層であって、およそ1×1018〜1×1023cm−3の範囲内の酸素濃度を備えるAlN層と
    を備える、発光ダイオード(LED)デバイス。
  13. 前記酸素の一部が、AlN/基板界面に含まれる、請求項12に記載のLEDデバイス。
  14. 前記酸素の一部が、前記AlN緩衝層の最も外側の表面に含まれる、請求項12に記載のLEDデバイス。
  15. 前記AlN緩衝層上に配設された高品質のGaN層であって、XRD(002)FWHM<100秒角およびXRD(102)FWHM<150秒角を有する、高品質のGaN層
    をさらに備える、請求項12に記載のLEDデバイス。
  16. 基板と、
    前記基板の上に配設された窒化アルミニウム(AlN)緩衝層であって、およそ1×1018〜1×1023cm−3の範囲内の酸素濃度を備えるAlN層と
    を備える、GaNベースの電子デバイス。
  17. 電界効果トランジスタ(FET)およびパワーデバイスからなる群から選択されたものである、請求項16に記載のGaNベースの電子デバイス。
  18. 前記酸素の一部が、AlN/基板界面に含まれる、請求項16に記載のGaNベースの電子デバイス。
  19. 前記酸素の一部が、前記AlN緩衝層の最も外側の表面に含まれる、請求項16に記載のGaNベースの電子デバイス。
  20. 前記AlN緩衝層上に配設された高品質のGaN層であって、XRD(002)FWHM<100秒角およびXRD(102)FWHM<150秒角を有する、高品質のGaN層
    をさらに備える、請求項16に記載のGaNベースの電子デバイス。
  21. GaNベースのオプトエレクトロニックデバイスまたは電子デバイス用の窒化アルミニウム(AlN)緩衝層を形成するためのチャンバであって、
    高温下における1×10−7torr以下の高い基礎真空および低い上昇速度を可能にする、ポンピングシステムおよびチャンバ冷却設計と、
    一貫したターゲット浸食、およびキャリアにわたる、ウエハ内での、またウエハ相互間の、AlN膜の均一な堆積を可能にするように構成された、全面浸食マグネトロンカソードと、
    均一なAlN組成物が得られるように、前記チャンバ内でのO含有ガスを含むプロセスガスの均一な分配を可能にするように構成された、プロセスキットおよびガス流設計と
    を備える、チャンバ。
  22. ウエハの速く均一な昇温を可能にするように構成された、バイアス可能な高温静電チャック
    をさらに備える、請求項21に記載のチャンバ。
  23. 酸素をドープしたAlターゲット
    をさらに備える、請求項21に記載のチャンバ。
  24. 前記チャンバ真空上昇速度が、2,500ntorr/分以下である、請求項21に記載のチャンバ。
  25. 前記高温が、およそ摂氏350度以上である、請求項21に記載のチャンバ。
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