JP6507211B2 - Ｐｖｄにより形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースのｌｅｄの製造 - Google Patents

Ｐｖｄにより形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースのｌｅｄの製造 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年１２月１６日出願の米国仮特許出願第６１／４２４，００６号の利益を主張する２０１１年２月２８日出願の米国特許出願第１３／０３６，２７３号の利益を主張するものであり、上記特許文献の内容全体を本明細書に参照により組み込む。
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）により形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造に関する。
ＩＩＩ−Ｖ族材料は、半導体産業、および発光ダイオード（ＬＥＤ）などの関連産業において、ますます重要な役割を果たしている。しばしば、欠陥または亀裂を生じずに、ＩＩＩ−Ｖ族材料を異種の基板の上で成長または堆積させる（ヘテロエピタキシとして知られている）ことは難しい。例えば、選択フィルム、例えば窒化ガリウムフィルムの高品質表面保護は、順次に製造される材料層のスタックを使用する多くの用途において簡単ではない。基板とデバイス層の間に１つまたは複数の緩衝層を含むことが、一手法となっている。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そのような条件を回避するように配慮しなければならない。しかし、敏感なＩＩＩ−Ｖ族フィルムと、損傷をもたらす可能性がある条件との相互作用を回避することも、多くの用途において簡単ではない。
本発明の実施形態は、物理的気相堆積（ＰＶＤ）により形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造に関する。
一実施形態では、マルチチャンバシステムが、アルミニウムから構成されたターゲットを有する物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバを含む。また、チャンバが含まれ、アンドープ窒化ガリウムもしくはｎ型窒化ガリウムまたはそれら両方を堆積するように適合される。
別の実施形態では、マルチチャンバシステムが、アルミニウムから構成されたターゲットを有する物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバを含む。また、第１の有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）チャンバが含まれ、このチャンバは、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するためのものである。また、第２のＭＯＣＶＤチャンバが含まれ、このチャンバは、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を堆積するためのものである。また、第３のＭＯＣＶＤチャンバが含まれ、このチャンバは、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れら両方を堆積するためのものである。
別の実施形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を製造する方法が、マルチチャンバシステムの物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバ内で、基板の上に窒化アルミニウム層を形成することを含む。マルチチャンバシステムの第２のチャンバ内で、窒化アルミニウム層上にアンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層が形成される。
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、ＬＥＤ構造の製造に関するクラスタツールの概略図と、対応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により形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースのＬＥＤを製造する方法における操作を表す流れ図である。 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、金属被覆された基板上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図である。
物理的気相堆積（ＰＶＤ）により形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造を述べる。以下の説明では、本発明の実施形態を完全に理解できるように、プロセスチャンバ構成および材料レジームなど、いくつかの具体的な詳細を記載する。これらの具体的な詳細を伴わなくても本発明の実施形態を実施することができることは、当業者には明らかであろう。また、本発明の実施形態を不要に曖昧にしないように、特定のダイオード構成などよく知られているフィーチャは詳述しない。さらに、図面に示される様々な実施形態は、例示的に表したものであり、必ずしも縮尺通りには描かれていないことを理解されたい。さらに、本明細書における実施形態では明示的に開示されないことがあるが、他の配置および構成も本発明の精神および範囲内にあるものとみなされる。
ＬＥＤ製造法は、基板と、アンドープおよび／またはドープ窒化ガリウムの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。本明細書で述べる実施形態では、そのような窒化ガリウム緩衝層の代わりに、基板と、アンドープおよびドープ窒化ガリウムのデバイス層との間で窒化アルミニウム緩衝層が使用される。窒化アルミニウム層は、ＰＶＤプロセスにおいてスパッタ堆積によって形成することができる。これは、典型的には有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）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ＩＩＩ族窒化物緩衝層の形成とは対照的である。窒化アルミニウム層は、ＰＶＤチャンバ内に収容された窒化アルミニウムターゲットからの非反応性スパッタリングによって形成することができ、あるいは、ＰＶＤチャンバ内に収容され、窒素ベースのガスまたはプラズマと反応させられるアルミニウムターゲットからの反応性スパッタリングによって形成することができる。
本明細書で述べる実施形態の１つまたは複数は、ＬＥＤ製造に使用されるマルチチャンバ製造ツールにおいて、より高いスループットを実現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により形成される窒化アルミニウム層を含むことによって、アンドープおよびドープ窒化ガリウムのデバイス層を全体的に薄くすることができる。特定の例では、アンドープ部分を薄くする、または完全になくすことができる。さらに、窒化アルミニウム層を堆積するために使用されるのと同じＰＶＤ堆積チャンバ内で、サファイア基板など受取り基板の予備スパッタ洗浄を行うことができる。さらに、ＰＶＤによる窒化アルミニウム層は、３００℃未満の温度で形成することができるので、ＬＥＤ製造の全体のサーマルバジェットを減少させることができる。対照的に、典型的な窒化ガリウム緩衝層は、５００〜６００℃の間で形成される。本明細書で述べる実施形態の１つまたは複数は、より速い堆積速度、例えば、アンドープおよび／またはｎ型ドープ窒化ガリウムなどの材料に関する成長速度の２倍の堆積速度を実現可能にすることができる。より速い速度を実現することができる理由は、いくつかの実施形態では、アンドープおよび／またはｎ型ドープ窒化ガリウム層を上で成長させるための適正な結晶配向および形態学的関係を提供することができる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）緩衝層上にアンドープおよび／またはｎ型ドープ窒化ガリウム層が形成されるからである。本明細書で述べる実施形態の１つまたは複数は、説明する操作の多くがクラスタツール内でインシトゥで行われるので、酸化物除去操作をなくすことを実現可能にすることができる。本明細書で述べる実施形態の１つまたは複数は、ＰＶＤにより形成される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、窒化ガリウム結晶の品質の改良を実現可能にすることができる。
本明細書における１つまたは複数の実施形態に関連して、ＰＶＤにより形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースのＬＥＤを製造するためのシステムを述べる。一実施形態では、マルチチャンバシステムは、金属アルミニウムまたはアルミニウム化合物から構成されるターゲットを有するＰＶＤチャンバを含む。また、マルチチャンバシステムは、アンドープ窒化ガリウムもしくはｎ型窒化ガリウムまたはそれら両方を堆積するように適合されたチャンバ、および多重量子井戸層やｐ型ドープ窒化ガリウム層など他のデバイス層のためのチャンバを含む。
また、本明細書における１つまたは複数の実施形態に関連して、ＰＶＤにより形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースのＬＥＤを製造する方法を述べる。一実施形態では、ＬＥＤ構造を製造する方法は、マルチチャンバシステムのＰＶＤチャンバ内で基板の上に窒化アルミニウム層を形成することを含む。また、この方法は、マルチチャンバシステムの第２のチャンバ内で、窒化アルミニウム層の上にアンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成することを含む。
本発明の実施形態は、本明細書で述べるシステムおよび方法の研究中に開発されたベンチマークシステムまたは方法に勝る改良を提供することができる。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）と、多重量子井戸（ＭＱＷ）ＭＯＣＶＤ反応チャンバ１０４（ＭＯＣＶＤ２：ＭＱＷ）と、ｐ型窒化ガリウムＭＯＣＶＤ反応チャンバ１０６（ＭＯＣＶＤ３：ｐ−ＧａＮ）とを含む。また、ベンチマーククラスタツール１００は、ロードロック１０８と、キャリアカセット１１０と、高電圧用途のための任意選択のさらなるドープおよび／またはｎ型窒化ガリウムＭＯＣＶＤ反応チャンバ１１２とを含むこともでき、それらはすべて図１に示されている。
ベンチマークＬＥＤ構造１２０は、様々な材料層のスタックを含み、層の多くは、ＩＩＩ−Ｖ族材料を含む。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）と、厚さ２０ナノメートルの緩衝層１２４（ＬＴ障壁）と、厚さ約４ミクロンのアンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層１２６（ｕ−ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ）とを含む。緩衝層１２４は、比較的低い処理温度で形成される窒化ガリウム層でよい。緩衝層１２４とアンドープ／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。また、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を含む。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。また、ベンチマークＬＥＤ構造１２０は、厚さ約２０ナノメートルのｐ型窒化ガリウムアルミニウム層１３０（ｐ−ＡｌＧａＮ）と、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）とを含む。ｐ型窒化ガリウムアルミニウム層１３０と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内でのチャンバ使用を表す。ＭＱＷ ＭＯＣＶＤ反応チャンバ１０４内でのＭＱＷ構造１２８の形成は、約２時間の成長時間を有する。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とｐ型窒化ガリウム層１３２の形成は、約１時間の成長時間を有する。また、アンドープおよび／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とアンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層１２６の形成は、約３．５時間の成長時間を有する。チャンバ１０２のチャンバ洗浄のために、さらに約１時間必要となることがある。したがって、全体として、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、アンドープおよび／またはｎ型窒化ガリウムＭＯＣＶＤ反応チャンバ１０２のサイクル時間によって決定され、これは約４．５時間である。洗浄時間は、必ずしもそうではないが、停止のための時間と、洗浄時間と、回復時間とを含むこともあることを理解されたい。また、チャンバ使用の合間に洗浄が必ず行われるわけではないこともあるので、上記の値は平均を表すこともあることを理解されたい。
図１に関連して述べたアンドープおよび／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とアンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層１２６の形成に特有の、ＬＥＤ材料堆積のためのベンチマークタイミングシーケンスを以下に提供する。例えば、約３．５時間の成長時間は、１０分間のサファイア基板の高温処理と、５分間の緩衝層の低温形成と、１０分間の障壁アニーリング操作と、３０分間の成長回復操作と、２時間のアンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層形成操作と、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℃／秒）とに分けられる。
図１に関連して述べたベンチマークシステムおよび方法を参照すると、ベンチマーク手法は、ＬＥＤの各機能層に関して均衡の取れていないタイムフローを生じることがある。例えば、アンドープおよび／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とアンドープ／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とｐ型窒化ガリウム層１３２の形成は１時間である。さらに、上述したように、アンドープおよび／またはｎ型窒化ガリウムＭＯＣＶＤ反応チャンバ１０２内での行程の間に、さらに約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）が必要とされることがある。そのような追加のチャンバ洗浄は、基板汚染を避けるために必要とされることがある。したがって、３つのＭＯＣＶＤチャンバを用いた構造１２０の漸進的な成長は、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に関してかなりの遊休時間を生じ、システム１００の全体的なスループットを減少させる。
本発明の一態様では、ＬＥＤ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は、上述したＭＯＣＶＤ材料成長機能または操作の１つまたはその一部を、ＰＶＤスパッタリング堆積機能または操作で置き換えることによって改良することができる。例えば、図２Ａは、本発明の一実施形態による、ＬＥＤ構造の製造に関するクラスタツールの概略図と、対応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）と、アンドープおよび／またはｎ型窒化ガリウムＭＯＣＶＤ反応チャンバ２０４（ＭＯＣＶＤ１：ｕ−ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ）と、多重量子井戸（ＭＱＷ）ＭＯＣＶＤ反応チャンバ２０６（ＭＯＣＶＤ２：ＭＱＷ）と、ｐ型窒化ガリウムＭＯＣＶＤ反応チャンバ２０８（ＭＯＣＶＤ３：ｐ−ＧａＮ）とを含む。また、クラスタツール２００は、ロードロック２１０と、キャリアカセット２１２と、移送チャンバ２１４とを含むこともでき、それらはすべて図２Ａに示されている。
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は、金属アルミニウムまたはアルミニウム化合物のターゲットを有するＰＶＤチャンバと、アンドープ窒化ガリウムおよび／またはｎ型窒化ガリウムまたはそれら両方を堆積するように適合されたチャンバとを含む。一実施形態では、ＰＶＤチャンバのターゲットは、窒化アルミニウムから構成される。そのような実施形態では、堆積したい材料と同じ材料からターゲットが構成されているので、反応性スパッタリングを使用する必要はない。しかし、代替実施形態では、アルミニウムから構成されるターゲットが使用され、その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、窒化アルミニウムの反応性スパッタリングが行われる。一実施形態では、図２Ａに示されるように、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するように適合されたチャンバは、ＭＯＣＶＤチャンバである。しかし、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するように適合されたチャンバは、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に示されるように、ＰＶＤチャンバと、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するように適合されたチャンバとが、クラスタツール構成内に含まれる。しかし、代替実施形態では、ＰＶＤチャンバと、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するように適合されたチャンバとが、インラインツール構成内に含まれる。本明細書で述べるＰＶＤに基づく堆積プロセスは、標準室温に近い温度で行われることがあり、またはより高温で行われることもある。
図２Ｂを参照すると、ＬＥＤ構造２２０は、様々な材料層のスタックを含み、層の多くは、ＩＩＩ−Ｖ族材料を含む。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）と、約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）とを含む。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。また、ＬＥＤ構造２２０は、厚さ約４ミクロンのアンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層またはｎ型窒化ガリウム単層２２６（ｎ−ＧａＮ）を含む。アンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層またはｎ型窒化ガリウム単層２２６は、クラスタツール２００のアンドープおよび／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。また、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を含む。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つまたは複数の磁場対から構成される。また、ＬＥＤ構造２２０は、厚さ約２０ナノメートルのｐ型窒化ガリウムアルミニウム層２３０（ｐ−ＡｌＧａＮ）と、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）とを含む。ｐ型窒化ガリウムアルミニウム層２３０と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は例示的実施形態であり、他の適切な厚さまたは厚さ範囲も本発明の実施形態の精神および範囲内にあるものとみ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内でのチャンバ使用を表す。ＭＱＷ ＭＯＣＶＤ反応チャンバ２０６内でのＭＱＷ構造２２８の形成は、約２時間の成長時間を有する。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とｐ型窒化ガリウム層２３２の形成は、約１時間の成長時間を有する。さらに、本発明の一実施形態によれば、アンドープおよび／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／ｎ型窒化ガリウム複合層またはｎ型窒化ガリウム単層２２６の形成は、わずか約２時間の成長時間を有する。チャンバ２０４のチャンバ洗浄のために、さらに約１時間必要となることがある。しかし、洗浄時間は、停止のための時間と、洗浄時間と、回復時間とを含むこともあることを理解されたい。また、洗浄は、チャンバ使用の合間に必ず行われるわけではないこともあるので、上記の値は平均を表すこともあることを理解されたい。
したがって、窒化ガリウム層１２６を形成するために使用される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が含まれ、この層は、別のチャンバ内で、特にＰＣＶ窒化アルミニウムスパッタチャンバ２０２内で形成される。ＡｌＮの成長は、（約４００トルから約１０−８トルへの）ポンプ時間を除いて約５分間かかることがあるが、ＭＯＣＶＤチャンバ１とは別のチャンバ内での形成により、クラスタツール２００のスループットが増加する。例えば、全体として、クラスタツール２００内でＬＥＤ構造２２０を製造するためのサイクル時間は、ここでも、アンドープおよび／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定され、これは、ベンチマークシステムでの４．５時間に対して、約３時間に短縮される。したがって、３つのＭＯＣＶＤチャンバに加えて１つのＰＶＤチャンバを用いた構造２２０の漸進的な成長は、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に関する遊休時間をはるかに短くし、システム２００の全体のスループットを改良する。例えば、一実施形態では、ツールスループットは、１日当たり約５．３回の行程から、１日当たり約８回の行程に改良され、約５０％のスループット改良を示す。
再び図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が提供される。プロット２５０の領域２５２は、アンドープおよび／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／ｎ型窒化ガリウム複合層またはｎ型窒化ガリウム単層２２６の形成に特有のものである。この領域内では、ただ１つの温度勾配（約１１００℃から約４００℃への低下）が必要とされる。そのような単一勾配事象要件は、上述したようなアンドープおよび／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とアンドープ／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異なる。緩衝層１２４とアンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層１２６の形成の場合には、チャンバは、基板処理のための高温で始まり、緩衝層製造のための温度に低下し、窒化ガリウム堆積のための温度に再び上昇し、最後に、安定化のために再び低下する。しかし、ＭＱＷおよびｐ−ＧａＮの形成に特有のプロット２５０の領域２５４および２５６は、どちらの場合にもほぼ同じであ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により形成される窒化アルミニウムに関する温度対時間のプロットは、約２０〜１２００℃の範囲内での高温（ＨＴ）プロセスまたは低温（ＬＴ）プロセスを含むことができる。
クラスタツール２００に関するスループット改良に加えて、１つのＰＶＤチャンバと３つのＭＯＣＶＤチャンバとを備えるツール構成にはさらなる利益が存在することがある。例えば、第１のＭＯＣＶＤチャンバに送達する必要がある反応ガスがより少量であるので、コスト節約が実現される。ＰＶＤチャンバ技術および設計は、ベンチマーククラスタツール１００のチャンバ１０２のような、緩衝層とデバイス層の両方に専用のＭＯＣＶＤチャンバに関する設定時間および複雑さに比べて単純であることがある。上記のプロセスが、デバイス層２２６のアンドープ窒化ガリウム部分に関する厚さ減少を実現可能にする場合、より単純な全面的な（ｄｏｗｎ−ｔｈｅ−ｌｉｎｅ）エッチバックプロセスを実施することができる。また、このプロセスは、サイクル時間を短縮しながら、材料および動作コストの節約を実現可能にすることもできる。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使用することによって、ＬＥＤデバイスなどのデバイスの活性層の欠陥の減少を実現することができる。
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は、窒化アルミニウムターゲットを有するＰＶＤチャンバと、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するための第１のＭＯＣＶＤチャンバとを含む。また、マルチチャンバシステムは、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を堆積するための第２のＭＯＣＶＤチャンバと、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れら両方を堆積するための第３のＭＯＣＶＤチャンバとを含む。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、窒化アルミニウムの非反応性スパッタリング用のものである。特定のそのような実施形態では、ＰＶＤチャンバは、約２０〜２００℃の範囲内の低い温度またはわずかに高い温度での窒化アルミニウムの非反応性スパッタリング用のものである。別の特定のそのような実施形態では、ＰＶＤチャンバは、約２００〜１２００℃の範囲内の高温での窒化アルミニウムの非反応性スパッタリング用のものである。
堆積温度に関係なく、所要の材料特性（例えば、適切な欠陥密度、結晶粒径、結晶配向など）を実現するために、ＬＥＤ構造２２０内に含むのに適した、ＰＶＤにより堆積された窒化アルミニウム層を、ある時点で４００〜１４００℃の範囲内、例えば約９００℃の高温にさらすことが必要となることもあり得る。本発明の一実施形態によれば、窒化アルミニウム層の上に追加の層を製造する前に、ＰＶＤにより堆積された窒化アルミニウム層に対して高速熱処理（ＲＴＰ）プロセスが行われる。このとき、ＲＴＰチャンバは、ＬＥＤ構造２２０に関する上述した製造プロセスに何らかの形で関連付けられることがある。一実施形態では、ＰＶＤチャンバと３つのＭＯＣＶＤチャンバとを含むクラスタツールまたは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、代替実施形態では、ＲＴＰプロセスはＰＶＤチャンバ内で行われる。別の代替実施形態では、ＬＥＤ構造２２０に関する上述した製造プロセスに、レーザアニーリング機能が関連付けられる。
本発明の別の態様では、ＰＶＤにより形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースのＬＥＤを製造する方法が提供される。例えば、図３は、本発明の一実施形態による、ＰＶＤにより形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースの発光ＬＥＤを製造する方法における操作を表す流れ図３００である。
流れ図３００の操作３０２を参照すると、方法は、ＰＶＤチャンバ内で基板の上に窒化アルミニウム層を形成することを含む。例えば、窒化アルミニウム層は、クラスタツール２００のチャンバ２０２などのチャンバ内で形成することができる。一実施形態では、窒化アルミニウム層を形成することは、ＰＶＤチャンバ内に収容された窒化アルミニウムターゲットからスパッタリングすることを含む。一実施形態では、窒化アルミニウム層を形成することは、約２０〜２００℃の範囲内の低い基板温度からわずかに高い基板温度で形成を行うことを含む。一実施形態では、窒化アルミニウム層を形成することは、約２００〜１２００℃の範囲内の高い基板温度で形成を行うことを含む。
流れ図３００の操作３０４を参照すると、この方法は、窒化アルミニウム層の上にアンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成することを含む。例えば、アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層は、クラスタツール２００のチャンバ２０４などのチャンバ内で形成することができる。一実施形態では、アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成することは、ＭＯＣＶＤチャンバ内で形成を行うことを含む。一実施形態では、アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成することは、ＨＶＰＥチャンバ内で形成を行うことを含む。一実施形態では、この方法はさらに、窒化アルミニウム層の上にアンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成する前に、ＲＴＰチャンバ内で窒化アルミニウム層をアニーリングすることを含む。
流れ図３００の操作３０６を参照すると、この方法は、アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層の上にＭＱＷ構造を形成することも含む。例えば、ＭＱＷ構造は、クラスタツール２００のチャンバ２０６などのチャンバ内で形成することができる。一実施形態では、ＭＱＷ構造は、ＩｎＧａＮ井戸／ＧａＮバリア材料層の１つまたは複数の磁場対から構成される。
流れ図３００の操作３０８を参照すると、この方法は、さらに、ＭＱＷ構造の上にｐ型窒化アルミニウムガリウムまたはｐ型窒化ガリウムの層を形成することを含む。例えば、ｐ型窒化アルミニウムガリウムまたはｐ型窒化ガリウムの層は、クラスタツール２００のチャンバ２０８などのチャンバ内で形成することができる。
３つのＭＯＣＶＤチャンバと共に１つのＰＶＤチャンバを収容するのに適したツールプラットフォームの例示的実施形態は、Ｏｐｕｓ（登録商標）ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ（登録商標）システムまたはＣｅｎｔｕｒａ（登録商標）システムを含み、どちらもＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ）から市販されている。本発明の実施形態は、さらに、マルチチャンバ処理プラットフォームの一構成要素として、統合計測（ＩＭ）チャンバを含む。ＩＭチャンバは、図３に関連して上述した複数セグメント化されたスパッタまたはエピタキシャル成長プロセスなど、統合堆積プロセスの適応制御を可能にするために制御信号を提供することができる。ＩＭチャンバは、厚さ、粗さ、組成など様々なフィルム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、限界寸法（ＣＤ）、側壁角度（ＳＷＡ）、フィーチャ高さ（ＨＴ）などの格子パラメータを真空下で自動で特徴付けることが可能であることもある。限定はしないが、例として、リフレクトメトリやスキャトロメトリなどの光学技法が挙げられる。特に有利な実施形態では、真空光学ＣＤ（ＯＣＤ）技法が採用され、この技法では、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、開始材料に形成された格子の属性が監視される。他の実施形態では、計測操作は、別個の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処理プラットフォームは、さらに、任意選択の基板アライナチャンバと、カセットを保持するロードロックチャンバとを含むことがあり、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、マルチチャンバ処理プラットフォーム２００の適応制御は、制御装置によって提供される。制御装置は、様々なサブプロセスおよびサブコントローラを制御するための工業環境で使用することができる汎用データ処理システムの任意の形態の１つでよい。一般に、制御装置は、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、制御装置は、流れ図３００に関連して述べた方法を含めた本明細書で述べる任意の方法／プロセスの操作の１つまたは複数を実施する、または何らかの形で開始することができる。そのような操作を実施および／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。本明細書で述べる各コンピュータプログラムプロダクトは、コンピュータ可読媒体（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。
本明細書で企図されるプロセスおよびツール構成に適したＰＶＤチャンバとしては、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ）から市販されているＥｎｄｕｒａ ＰＶＤシステムを挙げることができる。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形態を提供し、また、維持費が安く、システム信頼性が高い。本明細書で実施されるＰＶＤプロセスは、所要の圧力で、また、プロセスキャビティ内で堆積される種の指向性の流れを生み出す適切なターゲットとウエハの間の距離で行うことができる。やはりＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ）から市販されているＡＲＩＳＴＯチャンバなどのインラインシステムと適合性があるチャンバは、自動装荷および除荷機能と、磁気的キャリア輸送システムとを提供し、かなり短縮されたサイクル時間を可能にする。やはりＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ）から市販されているＡＫＴ−ＰｉＶｏｔ ５５ＫＶ ＰＶＤシステムは、スパッタリング堆積用の縦型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、かなり速いサイクル時間を提供し、また多様な構成を実現可能にして、製造効率を最大にする。従来のインラインシステムとは異なり、ＡＫＴ−ＰｉＶｏｔの並列処理機能は、各フィルム層に関する異なるプロセス時間によって引き起こされる障害をなくす。また、システムのクラスタ状の構成が、個々のモジュールの保守中にも連続的な操作を可能にする。含まれるロータリカソード技術が、従来のシステムに比べて約３倍のターゲット利用を可能にする。ＰｉＶｏｔシステムの堆積モジュールは、事前スパッタユニットを特徴とし、事前スパッタユニットは、同じ結果を実現するために他のシステムで必要とされる最大５０枚の基板に対して、ただ１つの基板を使用してターゲット調整を実現可能にする。
上述したＭＯＣＶＤチャンバ２０４、２０６、または２０８の１つまたは複数として使用するのに適していることがあるＭＯＣＶＤ堆積チャンバの一例が、図４に示されており、図４を参照しながら説明する。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。本発明を実施するように適合させることができる例示的なシステムおよびチャンバは、２００６年４月１４日出願の米国特許出願第１１／４０４，５１６号、および２００６年５月５日出願の米国特許出願第１１／４２９，０２２号に記載されており、どちらの特許文献も全体を参照により組み込む。
図４に示される装置４１００は、チャンバ４１０２と、ガスデリバリシステム４１２５と、遠隔プラズマ源４１２６と、真空システム４１１２とを含む。チャンバ４１０２は、処理体積４１０８を取り囲むチャンバ本体４１０３を含む。シャワーヘッドアセンブリ４１０４が、処理体積４１０８の一端に設置され、基板キャリア４１１４が、処理体積４１０８の他端に設置される。下側ドーム４１１９が、下側体積４１１０の一端に設置され、基板キャリア４１１４が、下側体積４１１０の他端に設置される。基板キャリア４１１４は、プロセス位置で図示されているが、例えば基板４１４０を装荷または除荷することができる下側位置に移動させることができる。下側体積４１１０内で堆積が生じるのを防止する一助となるように、また、チャンバ４１０２から排気口４１０９に排気ガスを送る一助となるように、基板キャリア４１１４の周縁に巡らせて排気リング４１２０を設置させることができる。下側ドーム４１１９は、高純度水晶などの透明材料からなることがあり、基板４１４０の放射加熱のために光が通過できるようにする。放射加熱は、下側ドーム４１１９の下に設置された複数の内側ランプ４１２１Ａおよび外側ランプ４１２１Ｂによって提供することができ、反射器４１６６を使用して、内側および外側ランプ４１２１Ａ、４１２１Ｂによって提供される放射エネルギーへのチャンバ４１０２の露出の制御を補助することができる。また、基板４１４０のより精密な温度制御のために、ランプの追加のリングを使用することもできる。
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、凹部４１１６内に、１つまたは複数の基板４１４０を処理中に設置することができる。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。より多数、またはより少数の基板４１４０を基板キャリア４１１４上で搬送することもできることを理解されたい。典型的な基板４１４０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）を含むことがある。ガラス基板４１４０など他のタイプの基板４１４０を処理することもできることを理解されたい。基板４１４０のサイズは、直径５０ｍｍ〜１００ｍｍ以上でよい。基板キャリア４１１４は、２００ｍｍ〜７５０ｍｍの範囲内でよい。基板キャリア４１１４は、ＳｉＣまたはＳｉＣ被覆黒鉛を含めた様々な材料から形成することができる。チャンバ４１０２の内部で、本明細書で述べるプロセスに従って、他のサイズの基板４１４０を処理することも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、従来のＭＯＣＶＤチャンバよりも多数の基板４１４０および／または大きい基板４１４０にわたってより均一な堆積を可能にすることができ、それにより、スループットを高め、基板４１４０当たりの処理コストを減少させる。
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から約１００ＲＰＭで回転することができる。別の実施形態では、基板キャリア４１１４は、約３０ＲＰＭで回転することができる。基板キャリア４１１４の回転は、基板４１４０の均一な加熱、および各基板４１４０に対する処理ガスの均一な露出の一助となる。
複数の内側および外側ランプ４１２１Ａ、４１２１Ｂを同心円または同心区域（図示せず）内に配置することができ、各ランプ区域に個別に電力供給することができる。一実施形態では、基板４１４０および基板キャリア４１１４の温度を測定するために、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の内部に設置することができ、温度データは、制御装置（図示せず）に送信することができ、制御装置は、個々のランプ区域への電力を調節して、基板キャリア４１１４にわたって所定の温度プロファイルを維持することができる。別の実施形態では、個々のランプ区域への電力は、前駆体の流れまたは前駆体濃度の不均一性を補償するように調節することができる。例えば、外側ランプ区域の近くの基板キャリア４１１４の領域内で前駆体濃度が低い場合、この領域内での前駆体の枯渇を補償する一助となるように外側ランプ区域への電力を調節することができる。
内側ランプ４１２１Ａおよび外側ランプ４１２１Ｂは、基板４１４０を約４００℃〜約１２００℃の温度に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のアレイの使用に限定されないことを理解されたい。チャンバ４１０２およびチャンバ４１０２内部の基板４１４０に適切な温度が適切に加えられることを保証するために、任意の適切な加熱源を利用することができる。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加熱要素（図示せず）を含むことができる。
ガスデリバリシステム４１２５は複数のガス源を含むことがあり、または、実行されるプロセスによっては、発生源のいくつかはガス源ではなく液体源でよく、その場合、ガスデリバリシステムは、液体を気化させるために液体注入システムまたは他の手段（例えばバブラ）を含むことがある。次いで、蒸気をキャリアガスと混合させてから、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／エッチングガスなど様々なガスを、ガスデリバリシステム４１２５から、シャワーヘッドアセンブリ４１０４への個別の供給ライン４１３１、４１３２、および４１３３に供給することができる。供給ライン４１３１、４１３２、および４１３３は、各ラインでのガスの流れを監視および調整または遮断するために、遮断弁およびマスフローコントローラまたは他のタイプの制御装置を含むことができる。
導管４１２９は、遠隔プラズマ源４１２６から洗浄／エッチングガスを受け取ることができる。遠隔プラズマ源４１２６は、ガスデリバリシステム４１２５から供給ライン４１２４を通してガスを受け取ることができ、シャワーヘッドアセンブリ４１０４と遠隔プラズマ源４１２６の間にはバルブ４１３０を設置することができる。バルブ４１３０は、プラズマ用の導管として働くように適合させることができる供給ライン４１３３を通してシャワーヘッドアセンブリ４１０４内に洗浄／エッチングガスまたはプラズマを流すために開放することができる。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、洗浄／エッチングガスは、非プラズマ洗浄および／またはエッチング用のガスデリバリシステム４１２５から、シャワーヘッドアセンブリ４１０４への代替の供給ライン構成を使用して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のエッチングに適合された高周波またはマイクロ波プラズマ源でよい。洗浄および／またはエッチングガスを、供給ライン４１２４を通して遠隔プラズマ源４１２６に供給して、プラズマ種を生成することができ、そのプラズマ種を、導管４１２９および供給ライン４１３３を通して送って、シャワーヘッドアセンブリ４１０４を通してチャンバ４１０２内に分散させることができる。洗浄用途のためのガスは、フッ素、塩素、または他の反応性元素を含むことがある。
別の実施形態では、ガスデリバリシステム４１２５および遠隔プラズマ源４１２６は、前駆体ガスを遠隔プラズマ源４１２６に供給してプラズマ種を生成することができるように適切に適合させることができ、そのプラズマ種を、シャワーヘッドアセンブリ４１０４を通して送って、基板４１４０上に例えばＩＩＩ−Ｖ族フィルムなどのＣＶＤ層を堆積することができる。
パージガス（例えば窒素）は、シャワーヘッドアセンブリ４１０４から、および／または基板キャリア４１１４の下およびチャンバ本体４１０３の底部の近くに設置された入口または管（図示せず）から、チャンバ４１０２内に送達することができる。パージガスは、チャンバ４１０２の下側体積４１１０に入り、基板キャリア４１１４および排気リング４１２０を通って上方向に流れ、環状排気チャネル４１０５の周りに設置された複数の排気口４１０９内に流れる。排気導管４１０６は、環状排気チャネル４１０５を真空システム４１１２に接続し、真空システム４１１２は、真空ポンプ（図示せず）を含む。チャンバ４１０２の圧力は、バルブシステム４１０７を使用して制御することができ、バルブシステム４１０７は、排気ガスが環状排気チャネル４１０５から引き出される流量を制御する。
上述したチャンバ２０４の代替実施形態のＨＶＰＥチャンバ２０４として使用するのに適していることがあるＨＶＰＥ堆積チャンバの一例が、図５に示されており、図５を参照しながら説明する。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、蓋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、ガス分散シャワーヘッド５０６を通してチャンバ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不活性ガスも、ガス分散シャワーヘッド５０６またはチャンバ５０２の壁５０８を通して導入される。ガス源５１０とガス分散シャワーヘッド５０６の間にエネルギー源５１２を設置することができる。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、窒素含有ガスからの窒素がより高い反応性をもつように、アンモニアなどガス源５１０からのガスを分解することができる。
第１のガス源５１０からのガスと反応させるために、前駆体材料を、１つまたは複数の第２の前駆体ガス源５１８から送達することができる。前駆体は、前駆体源５１８内の前駆体の上に、および／または前駆体を通して反応性ガスを流すことによって、チャンバ５０２に送達させることができる。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、塩化物を生成することができる。前駆体と反応する塩素含有ガスの効果を高めるために、塩素含有ガスは、チャンバ５３２内のボート領域を蛇行して通ることがあり、抵抗加熱器５２０によって加熱されることがある。塩素含有ガスがチャンバ５３２を通して蛇行される滞留時間を延ばすことによって、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、より迅速に前駆体と反応することができる。すなわち、温度は、塩素と前駆体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、第２のチャンバ５３２内部の抵抗加熱器５２０によってボート内で前駆体を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の内部で一様に分散する。管５２２は、別の管５２４に接続される。塩化物反応生成物は、第１の管５２２の内部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、チャンバ５０２内で窒素含有ガスと混ざり、サセプタ５１４の上に設置された基板５１６の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ある。窒素や塩素など他の反応生成物は、排気口５２６を通して排気される。
上述した手法およびマルチチャンバ構成は、単一のＰＶＤ堆積操作または単一のＰＶＤ堆積チャンバに限定されない。例えば、ＰＶＤ窒化アルミニウムの形成前に、ＰＶＤタングステンフィルムを形成して、金属被覆された基板を効果的に提供することができる。例えば、図６は、本発明の一実施形態による、金属被覆された基板上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図を示す。
図６を参照すると、ＬＥＤ構造６００は、様々な材料層のスタックを含み、層の多くが、ＩＩＩ−Ｖ族材料を含む。例えば、ＬＥＤ構造６００は、シリコンまたはサファイア基板６０２（基板：サファイア、Ｓｉ）と、厚さ約１０〜２００ナノメートルのタングステン層６０４（ＰＶＤ−Ｗ）とを含む。また、ＬＥＤ構造６００は、薄い、例えば約２５ナノメートル未満の窒化アルミニウム層６０６（例えば、ＰＶＤ 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内での低温または高温スパッタ堆積によって形成することができる。また、ＬＥＤ構造６００は、厚さ約４ミクロンのアンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層またはｎ型窒化ガリウム単層６０８（ｎ−ＧａＮ）を含む。アンドープ／ｎ型窒化ガリウム複合層またはｎ型窒化ガリウム単層６０８は、クラスタツール２００のアンドープおよび／またはｎ型窒化ガリウムＭＯＣＶＤ反応チャンバ２０４内で形成することができる。１５０〜３００ナノメートルの範囲内の厚さを有するＭＱＷ構造６１０も含まれる。ＭＱＷ構造６１０は、クラスタツール２００のＭＱＷ ＭＯＣＶＤ反応チャンバ２０６内で形成することができる。一実施形態では、ＭＱＷ構造６１０は、ＩｎＧａＮ井戸／ＧａＮバリア材料層の１つまたは複数の磁場対から構成される。また、ＬＥＤ構造６００は、厚さ約２０ナノメートルのｐ型窒化ガリウムアルミニウム層６１２（ｐ−ＡｌＧａＮ）と、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６１４（ｐ−ＧａＮ）とを含む。ｐ型窒化ガリウムアルミニウム層６１２とｐ型窒化ガリウム層６１４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内で形成することができる。上記の厚さまたは厚さ範囲は例示的実施形態であり、他の適切な厚さまたは厚さ範囲も本発明の実施形態の精神および範囲内にあるものとみなされることを理解されたい。
一実施形態では、タングステン層６０４は、窒化アルミニウム層６０６を形成するために使用されるＰＶＤプロセスとは異なるＰＶＤプロセスによって形成される。例えば、一実施形態では、流れ図３００に関連して説明する方法が、さらに、窒化アルミニウム層を形成する前に、タングステンターゲットを有する第２のＰＶＤチャンバ内で基板の上にタングステン（Ｗ）層を形成することを含む。一実施形態では、マルチチャンバシステム２００に関連して述べた使用可能なシステム（インラインまたはクラスタ）の１つまたは複数が、さらに、タングステン（Ｗ）ターゲットが内部に収容された第２のＰＶＤチャンバを含む。代替実施形態では、単一のＰＶＤチャンバが、窒化アルミニウムターゲットとタングステンターゲットの両方を収容する。１つのそのような実施形態では、単一のＰＶＤチャンバを使用して、タングステン層６０４と窒化アルミニウム層６０６との両方を順次に堆積する。
受取り基板とＰＶＤアルミニウム層の間に、ＰＶＤにより堆積されるタングステン層などの金属層を含むことによって、通常であれば窒化アルミニウム層と受取り基板が近接することにより生じる歪を緩和する、またはなくすことができる。また、上の説明ではシリコン基板実施形態が容易に想定されるが、そのようなタングステン中間層を含むことは、シリコン基板上でのＩＩＩ−Ｖ族材料の処理に対するシリコン基板の適合性をさらに改良することができる。他の利益は、処理性に関するものであり得る。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族材料層、ならびにシリコンおよびサファイア基板に対して選択性のあるタングステンを比較的容易にウェットエッチングすることができることにより、そのようなスタックのパターン形成および移送をより行いやすくすることができる。
ＬＥＤおよび関連のデバイスは、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族フィルム、特にＩＩＩ族窒化物フィルム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、専用のＭＯＣＶＤチャンバ内など、製造ツールの専用チャンバ内で窒化ガリウム（ＧａＮ）層を形成することに関する。本発明のいくつかの実施形態では、ＧａＮは、二元化合物ＧａＮフィルムであるが、他の実施形態では、ＧａＮは、三元化合物フィルム（例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ）または四元化合物フィルム（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、エピタキシャル成長によって形成される。ＩＩＩ族窒化物材料層は、基板上に直接形成されることがあり、または、基板上に設けられた緩衝層の上に形成されることがある。他の企図される実施形態は、ＰＶＤにより形成される緩衝層、例えばＰＶＤにより形成される窒化アルミニウムの上に直接堆積されたｐ型ドープ窒化ガリウム層を含む。
本発明の実施形態は、上述した選択基板上で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、パターン形成されていない、またはパターン形成された任意の適切な単結晶基板の使用を含むことができ、例えば非反応性ＰＶＤ手法で、基板上に高品質の窒化アルミニウム層をスパッタ堆積することができる。基板は、限定はしないが、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）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、水晶（ＳｉＯ２）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、およびリチウムアルミニウムオキシド（ＬｉＡｌＯ２）基板などの１つでよい。マスキングやエッチングなど任意のよく知られている方法を利用して、平坦な基板からポストなどのフィーチャを形成して、パターン形成された基板を作成することができる。しかし、特定の実施形態では、パターン形成されたサファイア基板（ＰＳＳ）が、（０００１）の配向で使用される。パターン形成されたサファイア基板は、光抽出効率を高めるので、ＬＥＤの製造中に使用するのに理想的なものとなり得る。そのような光抽出効率の向上は、新世代の固体発光デバイスの製造に非常に有用である。基板選択基準は、欠陥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）整合を含むことができる。
上述したように、ＩＩＩ族窒化物フィルムをドーピングすることができる。ＩＩＩ族窒化物フィルムは、限定はしないが、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、または２つの価電子を有する任意のＩ族またはＩＩ族の元素など、任意のｐ型ドーパントを使用してｐ型ドーピングすることができる。ＩＩＩ族窒化物フィルムは、１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の間の導電性レベルにｐ型ドーピングすることができる。ＩＩＩ族窒化物フィルムは、限定はしないが、ケイ素もしくは酸素、または任意の適切なＩＶ族もしくはＶＩ族元素など、任意のｎ型ドーパントを使用してｎ型ドーピングすることができる。ＩＩＩ族窒化物フィルムは、１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の間の導電性レベルにｎ型ドーピングすることができる。
上記のプロセスは、クラスタツール、または複数のチャンバを有する他のツール、例えばＬＥＤの層を製造するための専用チャンバを有するように構成されたインラインツールの内部の、専用チャンバ内で行うことができることを理解されたい。また、本発明の実施形態をＬＥＤの製造に限定する必要はないことを理解されたい。例えば、別の実施形態では、限定はしないが電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイスなど、ＬＥＤデバイス以外のデバイスを、本明細書で述べ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、層の基板の上にｐ型材料が必要ないことがある。ｐ型層の代わりに、ｎ型またはアンドープ材料を使用することもできる。また、堆積および／または熱的アニーリングの様々な組合せなど複数の操作を、単一のプロセスチャンバで行うことができることを理解されたい。
以上、ＰＶＤにより形成される窒化アルミニウム緩衝層を有する窒化ガリウムベースのＬＥＤの製造を開示した。本発明の一実施形態によれば、マルチチャンバシステムは、アルミニウムを含む材料から構成されるターゲットを有するＰＶＤチャンバを含む。アンドープ窒化ガリウムもしくはｎ型窒化ガリウムまたはそれら両方を堆積するように適合されたチャンバも、マルチチャンバシステム内に含まれる。一実施形態では、ＰＶＤチャンバのターゲットは、窒化アルミニウムから構成される。一実施形態では、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するように適合されたチャンバは、ＭＯＣＶＤチャンバである。一実施形態では、ＰＶＤチャンバと、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するように適合されたチャンバとが、クラスタツール構成またはインラインツール構成内に含まれる。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
アルミニウムを含むターゲットを有する物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバと、
アンドープ窒化ガリウムもしくはｎ型窒化ガリウムまたはそれら両方を堆積するように適合されたチャンバと
を備えたマルチチャンバシステム。
（態様２）
前記ＰＶＤチャンバの前記ターゲットが窒化アルミニウムを含む、態様１に記載のシステム。
（態様３）
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するように適合された前記チャンバが、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）チャンバを備えている、態様１に記載のシステム。
（態様４）
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するように適合された前記チャンバが、ハイドライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）チャンバを備えている、態様１に記載のシステム。
（態様５）
前記ＰＶＤチャンバと、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するように適合された前記チャンバとが、クラスタツール構成内に含まれている、態様１に記載のシステム。
（態様６）
前記ＰＶＤチャンバと、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するように適合された前記チャンバとが、インラインツール構成内に含まれている、態様１に記載のシステム。
（態様７）
高速熱処理（ＲＴＰ）チャンバまたはレーザアニーリングチャンバ
をさらに備えている、態様１に記載のシステム。
（態様８）
発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を製造する方法であって、前記方法は、
マルチチャンバシステムの物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバ内で、基板の上に窒化アルミニウム層を形成すること、および
前記マルチチャンバシステムの第２のチャンバ内で、窒化アルミニウム層の上にアンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成すること
を含む方法。
（態様９）
前記窒化アルミニウム層を形成することが、前記ＰＶＤチャンバ内に収容された窒化アルミニウムターゲットからのスパッタリングを含む、態様８に記載の方法。
（態様１０）
前記第２のチャンバ内で前記アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成することが、第１の有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）チャンバ内で形成することを含む、態様８に記載の方法。
（態様１１）
前記マルチチャンバシステムの第２のＭＯＣＶＤチャンバ内で、前記アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層の上に多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を形成すること、および
前記マルチチャンバシステムの第３のＭＯＣＶＤチャンバ内で、前記ＭＱＷ構造の上にｐ型窒化アルミニウムガリウムまたはｐ型窒化ガリウムの層を形成すること
をさらに含む、態様１０に記載の方法。
（態様１２）
前記窒化アルミニウム層を形成することが、約２０〜２００℃の範囲内の基板温度で形成することを含む、態様８に記載の方法。
（態様１３）
前記窒化アルミニウム層を形成することが、約２０〜１２００℃の範囲内の基板温度で形成することを含む、態様８に記載の方法。
（態様１４）
前記窒化アルミニウム層の上に前記アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成する前に、高速熱処理（ＲＴＰ）チャンバ内で前記窒化アルミニウム層をアニーリングすること
をさらに含む、態様８に記載の方法。
（態様１５）
前記窒化アルミニウム層を形成する前に、タングステンターゲットを有する第２のＰＶＤチャンバ内で前記基板の上にタングステン（Ｗ）層を形成すること
をさらに含む、態様８に記載の方法。

Claims (8)

  1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を製造する方法であって、前記方法は、
    タングステンターゲットを有する、マルチチャンバシステムの第１の物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバ内で、基板の上にタングステン（Ｗ）層を形成することと、
    前記マルチチャンバシステムの第２の物理的気相堆積（ＰＶＤ）チャンバ内で、前記タングステン（Ｗ）層の上に窒化アルミニウム層を形成することと、
    前記マルチチャンバシステムの第３のチャンバ内で、前記窒化アルミニウム層の上にアンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成することと
    を含む方法。
  2. 前記第３のチャンバ内で前記アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成することが、第１の有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）チャンバ内で形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記マルチチャンバシステムの第２のＭＯＣＶＤチャンバ内で、前記アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層の上に多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を形成すること、および
    前記マルチチャンバシステムの第３のＭＯＣＶＤチャンバ内で、前記ＭＱＷ構造の上にｐ型窒化アルミニウムガリウムまたはｐ型窒化ガリウムの層を形成すること
    をさらに含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記第３のチャンバ内でアンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムを形成することが、ハイドライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）チャンバ内で形成することである、請求項１に記載の方法。
  5. 前記窒化アルミニウム層を形成することが、約２０〜２００℃の範囲内の基板温度で形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記窒化アルミニウム層を形成することが、約２００〜１２００℃の範囲内の基板温度で形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記窒化アルミニウム層の上に前記アンドープ窒化ガリウムまたはｎ型窒化ガリウムの層を形成する前に、高速熱処理（ＲＴＰ）チャンバ内で前記窒化アルミニウム層をアニーリングすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記窒化アルミニウム層を形成することが前記第２のＰＶＤチャンバ内に収容された窒化アルミニウムターゲットからの非反応性スパッタリングを含む、請求項１に記載の方法。
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