TW201237207A - Methods and systems for forming thin films - Google Patents

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201237207 六、發明說明： 【發明所屬气技術領域】 本發明係有關於用於形成薄膜之方法和系統。 高品質之半導性晶體薄膜之生長為具有顯著之工業重 要性之技術’其具有多種微電子和光電子應用，包含發光 二極體和雷射器。目前用於氮化鎵（GaN)、氮化銦（InN)、 和氮化銘（Α1Ν)薄膜、它們之合金和它們之異質結構（本 文也稱為“InGaAlN”）之現有沉積技術為金屬-有機化學 蒸發沉積（“MOCVD”），在該方法中將一基材保持在高 溫下’並將包含该薄膜所含元素之氣體流過並引入到晶圓 表面上正在生長之薄膜中Q在〇3>1之情況下，現有技術可 以包括大約1050°C之生長溫度以及氨（NH3)和III族烷基 前體氣體（例如三甲基鎵、三乙基鎵）之同時使用。 儘管存在多種用於形成InGaAIN薄膜之方法，但是當前 之方法都具有局限。首先，MOCVD所涉及之高之處理溫度 需要複雜之反應器設計，並需要使用耐火材料以及僅僅在 處理體積下在高處理溫度下為惰性之材料。第二，所涉及 之高溫對於InGaAIN之生長而言，會將可行之基材限制在生 長溫度和化學環境下具有化學和機械穩定性之基材，通常 為藍寶石和礙化石夕基材。顯而易見地’較便宜之並且可大 尺寸使用以用於經濟製造之矽基材是較不相容。第三，所 涉及之處理氣體之花費以及它們較低之消耗比（特別是在 氨之情況下）對於低成本地製造1nGaA1N系之裝置是不利。 201237207 第四’使用含碳前體（例如三曱基鎵）可以導致InGaAIN '專膜之蚊污染’這會導致InGaAIN系裝置之電子和光電子性 、 。第五’ MOCVD反應器在含III族和含v族之處理氣 體之間具有大量氣相反應。該氣相反應會導致在反應體積 内4膜材料在所有之表面上形成不理想之沉積，並且生成 不品要之顆粒。該顆粒會導致所製造之裝置之產率較低。 "亥4膜材料在所有之表面上形成不理想之沉積會導致大量 之實踐問題’包含由於塗敷了内部光學探針以及透鏡系統 而降低了生長薄膜之原位光學測量之效力；及當在反應器 2上形成沉積時反應器壁之輻射率改變，從而在多個沉積 迴圈中難以保持恒定之熱環境。這些問題對於MOCVD之所 有變體（包含等離子體增強型MOCVD)以及方法（通常稱 為原子層沉積(ALD)或原子層外延(Ale))而言都是普通。 用於形成InGaAIN薄膜之其他方法包含等離子體輔助 分子束外延（“PAMBE”），其中在高真空下，在加熱之 基材下並同時具有得自氮氣等離子來源之氮自由基（或者 為活化之分子氮、原子氮、單之高離化態氮原子或分子） 流下’蒸發之Ga、In或A1之流被定向。該方法能夠生產高 品質之InGaAIN薄膜和裝置，但是該方法往往會遭遇在生長 溥膜之表面上形成金屬團塊（例如納米至微求級之Ga滴） 之傾向。例如參見“Homoepitaxial growth of GaN under Ga-stable and N-stable conditions by plasma-assisted molecular beam epitaxy”，E.J.Tarsa et al.，J. Appl. Phys 82, 11 (1997) ’其通過引用之方式全部併入本文中。這樣，該 4 201237207 方法可需要仔細地監控’這可固有地導致製造裝置之產率 較低。 用於製造GaN薄膜所使用之其他方法包含氫化物氣相 外延’其中HC1氣體流過加熱之鎵會導致氯化鎵被輸送至基 材上，在此同時暴露於氨會導致GaN薄膜生長。該方法需 要在高溫下使用腐蝕性化學品，這可限定用於反應器設計 之相容性材料。此外，反應之副產物為腐蝕性氣體和固體， 廷可增加廢除和反應器維護之需要。儘管該方法可以以增 加之速率（已經證明每小時幾十至幾百微米，超過了使用 MOCVD通常所達到之速率）生產高品質之㈣薄膜，但是 反應器之设計以及腐蝕性之過程輸入和輸出是缺點。 【潑^月内溶1】 發明概要 於本發明之一個方面，提供了用於形成包含叩々族之 薄膜之方法。用於形成包含111-¥族之薄膜之方法可以使薄 膜污染（如果未除去）最小化，由此提供形成高品質之— III-V族薄膜。 於一個實施例中’用於形成ΠΙ-ν族薄膜之方法包括： 在一第一反應空間中將一基材與一ΙΠ族前體接觸，從而形 成以亞單層覆蓋之一ΙΠ族金屬薄膜；及在一第二反應空間 下將該基材與V族前體接觸，從而形成111-¥族薄膜。 於另一個實施例中，用於在基材上形成III-V族薄臈之 方法包括.將一基材與—m族金屬前體及V族前體進行交替 且連續地接觸，其中該基材在分離之反應空間中與—Ιπ族

S 201237207 金屬前體和一 V族前體接觸，並且其中該基材與一III族金屬 前體接觸形成以亞單層覆蓋之一III族金屬薄膜。 於另一個實施例中，用於在基材上形成III-V族薄膜之 方法包括：在基材上提供III族金屬層，該III組金屬層具有 以預潤濕覆蓋之一種或多種m族金屬；及將該III族金屬層 與V族前體接觸。 於另一個實施例中，用於在基材上形成III-V族薄膜之 方法包括：⑷在一第一反應空間中設置基材；（b)將第一III 族前體和第一V族前體中之一者定向於該第一反應空間 中；（C)將該基材設置在一第二反應空間中；⑷將該第一 III 族前體和該第一V族前體中之另一者定向於該第二反應空 間中；及(e)重複步驟（a)-(d)直到形成預定厚度之一 III族金 屬氮化物薄膜，其中將該第一III族前體定向於該第一反應 空間或者該第二反應空間形成以亞單層覆蓋之一III族金屬 薄膜。於一些實施例中，通過將一基材移動至反應空間中 (例如通過將具有基材之感受器旋轉至反應空間中）來在 該反應空間中設置該基材。於另一個實施例中，通過使反 應空間到達到基材處（例如通過旋轉具有反應空間之反應 室）來在該反應空間中設置該基材。 於另一個實施例中，用於在基材上形成III-V族薄膜之 方法包括：（a)將一基材移動至第一反應空間中；（b)將該基 材在該第一反應空間中與一第一III族前體和第一 V族前體 中之一者接觸；（c)將該基材移動至第二反應空間中；（d)將 該基材與在該第二反應空間中與該第一III族前體和該第一 6 201237207 v族前體中之另-者接觸；及(e)重複步驟⑷_(d)直到形成預 定厚度之-III-V族薄膜’其中將該基材與該第一爪族前體 接觸從而形成以亞單層覆蓋之—m族金屬薄膜。 於-個實施例中，該IH—V族薄膜包含氮化鎵和/或氮化 鎵銦之外延層。於另一個實施例中’㈣族薄膜包含氮化 鋁、氮化紹鎵、氮化鎵、氮化鋼鎵、或氮化紹銦鎵之外延 層。 於本發明之另一個方面，提供了用於形成ΙΠ_ν薄膜之 系統和設備。於一個實施例中，用於將m_v族薄膜沉積在 靶（例如基材）上之設備包含第一反應空間和第二反應空 間’其中該第_反應空間與該第二反應空間流體分離；感 受器，其用於將靶與該第一反應空間和該第二反應空間中 之每個空間相接觸；及控制器，其用於在一第—暴露時將 III族前體定位於該第-反應空間、以及在—第二暴露時將V 族前體定位於該第二反應空間。 於本發明之另-個方面，提供了111-¥族薄膜。於一個 實施例中，提供了在通過原子力顯微鏡（AFM)測量時高 程差之均方根小於或等於大約10納米（nm)之一Ιπ々族薄 膜。於一些實施例中，高程差之均方根可以小於或等於大 約5nm ’或者小於或等於大約2nm 〇該出-乂族薄膜可以具有 至多大約101Q錯位元/cm2之缺陷密度。該⑴…族薄膜之 (0002)或（1 〇 12)x射線反射之ω掃描之半峰全寬可以小於戍 等於大約600弧秒。 於一些實施例中，本文所提供之方法可以用於形成 201237207 III-V族薄膜。於一個實施例中，可以使用本文所提供之方 法形成具有III-V族薄膜之發光二極體（LED)。於另一個實 施例中，可以使用本文所提供之方法形成具有III-V族薄膜 之光伏太陽能電池。於另一個實施例中，可以使用本文所 提供之方法形成具有III-V族薄膜之量子阱異質結構裝置。 於另一個實施例中，可以使用本文所提供之方法形成具有 III-V族薄膜之多量子阱異質結構。 以引用方式併入 本說明書所提及之所有公開、專利和專利申請均以引 用方式併入本文1如同每份早個之公開、專利或專利申請 具體且單獨地以引用方式指出一樣。 圖式簡單說明 本發明之新穎特徵在所附之申請專利範圍書之具體列 出。通過參見列出了示例性實施例之以下發明詳述來更好 地理解本發明之特徵和優點，其中該實施例使用了本發明 之原理，並且附圖如下： 第1圖示出了根據本發明之實施例形成III-V族薄膜之 方法； 第2圖簡要地示出了根據本發明之實施例之、用於將一 個或多個基材週期性地移動通過分離之處理環境之旋轉系 統之截面俯視圖。處理環境A、B、C和D可以為下文中該任 意一種環境，包含III族環境、V族環境、計量學環境或者含 氫物質（例如H2、氫之激發物質）之環境，這些環境形成 了各種組合。多於一個位置可以為給定類型之環境。在第2 8 201237207 圖之示意性實施例中，根據本發明之實施例，該環境為靜 止之，並且該基材旋轉通過在基材載體結構（或者“感受 器”）上之多個環境，其中該基材載體結構園繞中心軸旋 轉； 第3A-3E圖為根據本發明之多個實施例、薄膜沉積系統 之截面俯視簡圖，其中該系統具有用於將一個或多個基材 移動（例如環形移動）通過分離之反應空間之旋轉系統之 多種構造。根據本發明之實施例，第3A圖簡要地示出了包

V 含兩個反應空間之系統；第3B圖簡要地示出了包含三個反 應空間之系統，第3C圖簡要地示出了包含四個反應空間之 系統；第3D圖簡要地示出了包含五個反應空間之系統；及 第3EB1簡要地不出了包含六個反應空間之系統。 第4圖為根據本發明之實施例之、N2氣體之射頻感性偶 聯等離子體激發之光學發射光譜，其中大部分之光躍遷進 入到了用於激發之n2分子之最低之能量帶（大約_至 8〇〇nm發射頻帶’也稱為第-正項級幻。在大約300至 之範圍（也稱為第二正項級數）内強發射之缺乏可以 表示缺缝高料激叙N2分子；及 π τ v第·* ^出了根據本發明之實施例之、在基材上形成有 III-V私溥膜之結構。 【實施冷式】 發明之詳細說a月 儘管本文示 於熟諳技藝人士 出並描述了本發明之多個實施例，但是對 顯而易見地這些實施例僅以實例之方式提 201237207 供。在不脫離本發明之條件下，熟諳技藝人士可以形成多 種變體、變化和取代。應該理解之是在本發明之實施過程 中可以使用本文該本發明之實施例之多個備選方案。 本文所提供之方法和系統能夠形成m-v族薄膜，同時 減少（如果未除去）與當前之系統和方法有關之問題。於 一些實施例中，提供了用於形成m-v族薄膜同時減少（如 果未除去）m-v族薄膜之污染之方法。根據本文所提供之 方法和系統而形成之薄膜可以用於多種應用中，例如光伏 太陽能電池和發光二極體（LED)裝置和系統。 於一些實施例中，提供了用於形成III-V族薄膜之系統 和方法。於一些實施例中，描述時間和空間共同分配之系 統和方法，其中在一第一反應空間將第一前體與基材接 觸，在一第二反應空間將第二前體與該基材接觸，其中該 第二反應空間與該第一反應空間分離。於一個實施例中， 該第一前體為一III族金屬前體，並且將该基材暴露於該III 族金屬前體形成了以亞單層覆蓋之一III族金屬薄膜。於另 一個實施例中，將該基材在相同之反應空間或不同之反應 空間中與一種或多種III族金屬前體接觸，並且該基材暴露 於該一種或多種III族金屬前體可通過將該基材暴露於V族 前體、含氫物質或其他處理（例如光譜法以用於測定薄膜 之品質或組成）而分離。 如本文所用，術語“反應空間”可以指適用於將材料 薄膜或薄膜沉積在或覆蓋在基材上、或者測量該材料薄膜 或薄膜之物理特徵之任何環境。於一個實施例中，反應空 10 201237207 間可以包含室。於另一個實施例中，反應空間可以在具有 多個室之系統中包含室。於另一個實施例中，反應空間可 以在具有多個流體上分離之室之系統中包含室。於另一個 實施例中，系統可以包含多個反應空間，其中每個反應空 間與另一個反應空間流體分離。於另一個實施例中，反應 空間可以適用於在基材上或者在該基材上形成之薄膜（或 者靶）上進行測量。 如本文所用，術語“金屬氮化物”可以指包含一種或 多種金屬、或者一種或多種半導體，以及氣之材料。在某 些實施例中，金屬氮化物（例如金屬氮化物薄膜）可以具 有化學式MxNy，其中“M”是指金屬或半導體，“N”是 指氮，而“X”和“y”為大約0之數。於一些實施例中， “M”可以包含一種或多種金屬和/或半導體。於一些實施 例中，MxNy可以指金屬氮化物，例如III族金屬氮化物（例 如氮化鎵、氮化銦、氮化鋁鎵、氮化銦鎵鋁）。於一些實施 例中，金屬氮化物膜或者薄膜可以包含其他材料，例如化 學摻雜劑。化學摻雜劑可以包含p型摻雜劑（例如鎂、鋅） 以及η型摻雜劑（例如石夕、氧）。 如本文所用，術語“激發之物質”可以指通過對反應 物氣體或蒸氣使用（或偶聯）能量而生成之自由基、離子 和其他激發之（或活化之）物質。於一個實施例中，可以 通過多種方法施加能量，例如紫外線輻射、微波輕射、感 應偶聯以及電容偶聯（例如借助於等離子體發生器）。該等 離子體發生器可以為直流等離子體發生器（即，生成直流 11 201237207 等離子體）或遠端等離子體發生器（即，生成遠端等離子 體）。在缺乏偶聯能量之情況下，等離子體之生成終止。對 於遠端等離子體之生成而言，可以在與反應空間流通（或 者在流體上偶聯）之等離子體發生器中形成特定之蒸汽相 化學品（例如含氮等離子體物質）之等離子體激發物質， 其中該空間具有待處理之基材。於另一個實施例中，可以 通過將氣體物質暴露於熱（或者加熱之）表面或金屬絲來 施加能量，其中該氣體與該加熱之表面或金屬絲之相互作 用會產生氣體之激發（或活化）物質。 如本文所用，術語“含氮物質”可以包含但不限於氮 自由基、氮粒子、以及氮之激發之（或活化之）中性物質。 於一個實施例中，含氮物質之氣體來源可以包含氮不限於 N2、NH3和/或肼。於另一個實施例中，含氮物質之氣體來 源可以包含N2和H2氣體之一混合物。於另一個實施例中， 激發之含氮物質可以通過遠端等離子體之生成或者直流等 離子體之生成來提供。於另一個實施例中，激發之含氮物 質可以通過將含氮物質暴露於熱表面或金屬絲之熱離解來 提供。將能量與N2和H2氣體之一混合物偶聯可以產生激發 之分子NHX，其中“X”為大於或等於1之數。 如本文所用，術語“含氫物質”可以包含但不限於氫 自由基、氫離子和氫（H2)之激發之（或活化之）中性物 質。於一個實施例中，含氫物質包含H2。於另一個實施例 中，含氫物質之氣體來源可以包含但不限於H2、NH3和/或 肼。於另一個實施例中，含氫物質之氣體來源可以包含H2 12 201237207 和n2氣體之一混合物。於另一個實施例中，激發之含氫物 質可以通過遠端等離子體之生成或者直流等離子體之生成 來提供。於另一個實施例中，激發之含氫物質可以通過含 氫物質暴露於熱表面或金屬絲之熱離解來提供。應該理解 之是，激發之含氫物質可以包含中性之含氫物質，例如h2。 如本文所用，術語“吸附”可以指原子或分子在表面 (例如基材表面或者位於或覆蓋在基材上之膜或薄膜之表 面）上之化學或物理附著。 如本文所用，術語“基材”可以指其上膜或薄膜之形 成是所需之任何工件。基材可以包含但不限於矽、二氧化 矽、藍寶石、氧化辞、Sic、AIN、GaN、尖晶石、塗敷之 矽、矽之氧化物、矽碳氧化物、玻璃、氮化鎵、氮化銦、 氮化鋁以及它們之組合（或合金）。 如本文所用，術語“表面”可以指反應空間（或者環 境）與该基材之特徵之間之邊界。 如本文所用，術語“單層”可以指單層原子或分子。 於一個實施例中，單層包含厚度為一個原子層之單原子單 層（ML)。於另一個實施例中，單層包含特定物質在表面 上之最大覆蓋。在這種情況下，表面吸附之物質之所有單 個成員都可以與下方之基材、薄膜或膜之表面形成直接之 物理接觸。如本文所用，術語“亞單層覆蓋”可以指特定 物質在少於一個單原子單層之覆蓋下之層。於一個實施例 中，處於亞單層覆蓋下之特定物質之層可以額外地吸附該 物質或另一種物質。於另一個實施例中，亞單層覆蓋可以 13 201237207 稱為“預潤濕”覆蓋。例如，III族金屬（例如鎵(Ga)、銦(In) 或鋁（A1))之層可以包含在表面上共同覆蓋為大約0.5ML之 Ga、In或A1，這可以相對於Ga、In或A1原子在該表面上之 最大共同覆蓋來提供。於一個實施例中，通過在表面上之 吸附物質之間之吸引和排斥相互作用來測定该表面上物質 之最大覆蓋。於另一個實施例中，在一個單層覆蓋下之物 質之層不能額外地吸附该層中之物質。於另一個實施例 中，在一個單層覆蓋下之特定物質之層可以吸附该層中之 另一種物質。 如本文所用，術語“暴露”可以指壓力（P)和時間（t) 之產物，即，Pxt，其中“P”和“t”分別以托和秒為單位 來提供。例如，將一基材在lxl〇_6托之壓力下在III族金屬前 體中暴露60秒之時間為在lxltr6托x60秒、或者60xl(T6托 *s、或者60朗繆爾（L)之暴露（或劑量）下與一III族金屬 前體接觸。 如本文所用，術語“前體”可以指用於沉積在基材表 面上之具有所關注之物質之液相或蒸汽相化學品。III族金 屬前體可以包含化學化合物，該化合物包^ —種或多種III 族金屬原子，例如Ga、In和A1中之一種或多種。V族前體可 以包含一含有一種或多種V族原子（例如氮、坤和填中之一 種或多種）之化學品。在基材表面與一III族前體或V族前體 之間相互作用時，III族前體或V族前體可以離解，從而在該 基材表面上產生III族化學品（或III族原子之吸附原子）或 V族化學品（V族原子之吸附原子）。 14 201237207 用於形成III-V族薄膜之方法 於本發明之一個方面，用於形成III-V族薄膜之方法包 括：在一第一反應空間中提供基材，將該基材在該第一反 應空間中與一III族金屬前體（本文也稱為“III族前體”） 接觸從而形成III族金屬薄膜，將該基材移動至第二反應空 間中，以及將該基材在一第二反應空間中與V族前體接觸， 由此形成III-V族薄膜。於一個實施例中，在該第一反應空 間中將該基材與該III族前體接觸形成以亞單層覆蓋之一III 族金屬薄膜。 於一些實施例中，在將一基材與V族前體接觸前，將該 基材（該基材上包含III族金屬薄膜）與一含氫物質接觸。 於一個實施例中，含氫物質包含H2。於另一個實施例中， 含氫物質包含氫之激發物質，包含氫之陽離子、氫之陰離 子和氫自由基中之一種或多種。於一個實施例中，氫之激 發物質可以通過遠端等離子體生成或直流等離子體生成來 提供。於另一個實施例中，氫之激發物質可以通過將氏暴 露於熱表面或金屬絲而使得分子氫發生熱離解來提供。 於一個實施例中，將該基材在一第一反應空間中與一 含氫物質接觸。在這種情況下，在將該基材與一含氫物質 接觸前，借助於吹掃和/或泵送來排空該第一反應空間。 於一個實施例中，在將該基材在一第二反應空間與該V 族前體接觸前，將該基材移動至第三反應空間中，並在該 第三反應空間中與一含氫物質接觸。該第三反應空間可以 設置在該第一反應空間和該第二反應空間之間。於另一個 15 201237207 實施例中，將III族金屬薄膜與氫之激發物質接觸可以將多 層III族島減小至單原子高度（或厚度）之島。 於一些實施例中，在該第二反應空間後，將一基材移 動至該第一反應空間中。在其他實施例中，在該第二反應 空間後，將一基材移動至第三反應空間。於一個實施例中， 在一第三反應空間中，將一基材與一III族金屬前體接觸。 於另一個實施例中，在一第三反應空間中，將一基材與一 III族金屬前體接觸，其中該III族金屬前體與在一第一反應 空間中暴露於該基材之一 III族金屬前體不同。於另一個實 施例中，在一第三反應空間後，將一基材移動至一個或多 個額外之反應空間中，以用於分離暴露於III族金屬前體和 一V族前體。於另一個實施例中，在暴露於III族或V族前體 之間，可以將一基材暴露於其他物質中，例如含氫物質， 這可以有助於保持膜之化學計量並減少薄膜之污染。 於一些實施例中，在基材上形成III-V族薄膜後，將該 基材（該基材上包含III-V族薄膜）與一含氫物質接觸。於 另一個實施例中，將一基材在一第二反應空間中與一含氫 物質接觸。在這種情況下，可以在將一基材與一含氫物質 接觸前借助於吹掃和/或泵送來排空第二反應空間。於另一 個實施例中，將一基材移動至第三反應空間中並在該第三 反應空間中與一含氫物質接觸。該第三反應空間可以被設 置在一第一反應空間與一第二反應空間之間。於一個實施 例中，第三反應空間與一第一反應空間和第二反應空間不 同。 16 201237207 本發明之多個實施例之方法可以用於形成m-v族薄 膜，例如包含氮、以及|呂（A1)、嫁（Ga )和銦（In )中之 一者或多者之薄膜。於一個實施例中，提供了用於形成GaN 薄膜之方法。於另一個實施例中，提供了用於形成A1N薄膜 之方法。於另一個實施例中，提供了用於形成InN薄膜之方 法。於另一個實施例中，提供了用於形成AlGaN薄膜之方 法。於另一個實施例中，提供了用於形成AlInN薄膜之方 法。於另一個實施例中，提供了用於形成GalnN薄膜之方 法。於另一個實施例中，提供了用於形成InGaAIN薄膜之方 法。 於一個實施例中，在一第一反應空間中，將一基材與 單一之一III族金屬前體接觸。於另一個實施例中，在一第 一反應空間中，將一基材與多種III族金屬前體接觸，例如 含A卜Ga和In之前體中之一種或多種。於另一個實施例中， 將一基材在分離之反應空間中與不同之一III族金屬前體接 觸。於一個實施例中，在暴露於III金屬前體之間，將一基 材與V族前體接觸。 於一個實施例中，該第一反應空間與該第二反應空間 不同。於另一個實施例中，該第一反應空間在流體上與該 第二反應空間分離。於另一個實施例中，該第一反應空間 和該第二反應空間為分離之壓力受到調節之環境。於另一 個實施例中，得自第一反應空間之氣體被阻止進入第二反 應空間中，並且得自第二反應空間之氣體被阻止進入第一 反應空間中。 17 201237207 於一個實施例中’III-V族薄膜之厚度可以為大約1納米 (nm )至100微米’或者lnm至10微米，或者10nm至 lOOOnm ’或者2〇nm至5〇〇nm。於另一個實施例中，III-V族 薄膜之厚度可以小於大約100微米，或者小於大約10微米， 或者小於大約lOOOnm，或者小於大約5〇〇nrn，或者小於大 約1 OOnm。於另一個實施例中，可以以至少大約i〇nm/小 時’或者至少大約1 〇〇nm/小時，或者至少大約lOOOnm/小 時’或者至少大約5000nm/小時之生長速率形成III-V族薄 膜。於另一個實施例中，可以以低於大約5000nm/小時，或 者低於大約lOOOnm/小時，或者低於大約500nm/小時，或者 低於大約400nm/小時，或者低於大約300nm/小時，或者低 於大約200nm/小時，或者低於大約l〇〇nm/小時之生長速率 形成III-V族薄膜。 參見第1圖，示出了根據本發明之實施例之、用於形成 III-V族薄膜之方法。在一第一步105中，在基材被設置在一 第一反應空間之條件下，將一基材與一III族金屬前體（例 如三甲基鎵）接觸，從而在基材上形成III族金屬薄膜《可 以通過將一基材移動至（例如移動或旋轉具有基材之感受 器）第一反應空間中或者將第一反應空間移動至（例如旋 轉第一反應空間）基材處來將一基材設置在一第一反應空 間中。於一個實施例中，將一基材接觸不超過形成以亞單 層覆蓋之一III族金屬薄膜所需之時間段。於另一個實施例 中，在一第一反應空間中將一基材與一III族金屬前體接觸 形成了厚度小於大約1單層（ml)、或者小於0.95ML、或者 18 201237207 小於0.9ML、或者小於〇 85ML、或者小於〇 8ml、或者小於 0.75ML或者小於〇 7紙、或者小於〇 μ·、或者小於 0.6ML、或者小於㈣胤、或者小於q麗、或者小於 0.45ML、或者小於〇 4ML、或者小於g 35紙、或者小於 OJOML、或者小於〇·、或者小於〇 2狐、或者小於 0.20ML、或者小於〇.15ML、或者小於〇 1〇肌 ' 或者小於 0.05ML之III族金屬層。於另一個實施例中在—第一反 應空間中將-基材與—職金屬前體接觸形成了厚度至多 為大約0.05ML、或者o.iml、或者〇.i5ML、或者0.2ML、 或者0.25ML、或者〇.3ML、或者〇 3狐、或者請紙、或 者〇.45ML、或者〇·、或者〇弓狐、或者〇胤、或者 0.65ML、或者0_70ML、或者〇 7胤、或者〇 8〇ml、或者 0.85ML、或者0.90ML、或者〇.95ML或者1ML之一m族金屬 層。於另一個貫施例中，在—第一反應空間中將一基材與 —III族金屬前體接觸形成以亞單層覆蓋之—m族金屬層。 於一個實施例中，可以選擇m族金屬前體之暴露來提 供在預疋覆蓋下之一III族金屬薄膜。可以通過多種光謹工 具（參見下文）來评估覆蓋，例如乂射線光電子光譜（XPS )。 在取得預定覆蓋之一III族金屬薄膜中，應該理解之是可以 使用試錯法來找到與預定覆蓋相應之一 m族金屬前體之暴 露。例如，在一個系統中，可以測定取得以03河1^覆蓋之一 HI族金屬薄膜需要將一基材（本文中也稱為“靶”）暴露 於大約1L之一III族金屬前體中。 接著，在步驟110中，將一基材設置在一第二反應空間 19 201237207 中。於-些實施例中’可以將—基材移動至第二反應空門 中。在其他實施例中，可以將第二反應空間移動至（例如 旋轉至）該基材l於-個實施财，將—基材移動至第 二反應空間中包含將承載體㈣_反應空間旋轉至第 應空間中。 汉 'f 接著，在步驟ι15中，在基材處於第二反應空間中之條 件下，將該基材（該基材上包含m族金屬薄膜）㈣族前體 接觸’從而形成含m-v族之薄膜。於—個實施例中含出、 族之薄膜包含㈣族物質。於另—個實施例中，在將—基 材與V族前體接觸前’可以將該基材與—含氫物質（例: H2，氫之激發物質）接觸。可以在—第一反應空間中 ' 筹 二反應空間中或者第三反應空間中將—基材與一含氫物屬 接觸。於—個實施例中，在將—基材與—含氫物質接觸前 可以借助於出吹掃和H送排空具有絲材之反應空間{ 於-個實施例中，V族前體包含—含氮物質。於另一個 實施例中，V族前體包含氮之轉子體激發之㈣。於另一 個實施例中’V族前體包含氮之活性中性物質。於另_個實 施例中’V族前體包含氣之活性中性物f，包括具有最低激 發態之分子氣（α3Σ/)之氮類物質。於—個實施例中，將 -基材接觸形成亞單層覆蓋下之—ΙΠ·ν族薄膜所需之時間 段。於另-個實施例中，在一第二反應空間中將—基材與V 族前體接卿成了厚度小於AmML、或者小於G 9紙、 或者小於0.9ML、或者小於0 85ML、或者小於〇觀、或者 小於0.75ML、或者小於〇 7ML、或者小於〇 6胤、或者小 20 201237207 於0.6ML、或者小於〇 55ML、或者小於Q 5ml、或者小於 0.45ML、或者小於〇 4〇ML、或者小於〇J5ML、或者小於 0.3ML、或者小於〇 25ML、或者小於〇 2〇ML、或者小於 0.15ML、或者小於〇1〇ML、或者小於〇 〇5ML之一ιπ ν族 薄膜。於另—個實施例中’在—第二反應空間中將一基材 與V族則體接觸形成了厚度至多為大約〇 〇5ML、或者 0.1ML、或者〇_15ML、或者〇2ML、或者〇25ML、或者 0.3ML、或者〇.35ML、或者0.40ML、或者0.45ML·、或者 0.5ML、或者〇.55ML、或者0.6ML、或者0.65ML·、或者 0.70ML、或者0.75ml、或者〇_8〇ML、或者0.85ML·、或者 0.90ML、或者0.95ML或者1ML之一III-V族金屬薄膜。於另 一個實施例中，在一第二反應空間中將一基材與v族前體接 觸形成以亞單層覆蓋之一 III-V族薄膜。 於一些實施例中’氮之等離子體激發之物質可以包含 通過向N2和H2氣體之一混合物、NH3、N2和NH3之一混合 物、肼（KH4)、和/或&和ΝΛ之一混合物提供能量而形 成之含氮和氫之物質。於一個實施例中，氮之等離子體激 發之物質包含ΝΗΧ，其中“X”為大於或等於丨之數。例如， 氮之等離子體激發之物質可以包含NH、ΝΗ2和ΝΗ3中之— 者或多者，以及此類物質之離子和自由基，例如ΝΗ+、 NH/、NH/。於另一個實施例中，通過向叫和味氣體之_ 混合物提供電感偶聯能量來形成氮之等離子體激發之物 質’其中N2和H2之流動速率之比例為大約〇·5:ι、或者ι:1、 或者2:1、或者3:1、或者4:1、或者5:1。於另一個實施例中， 21 201237207 通過向n2和h2氣體之一混合物提供電感偶聯能量來形成氮 之等離子體激發之物質，其中在該混合物中H2之流動速率 為N2和H2之總流動速率之大約1/3 (或者0.333 )。 於一些實施例中，可以將該基材與一III族和一V族前體 接觸，直到在該基材上形成預定厚度之含III-V族薄膜。 繼續參見第1圖，在步驟120中，將一基材移動至第一 反應空間或第三反應空間中。於一個實施例中，將一基材 移動至第一反應空間中並與一III族金屬前體接觸。於另一 個實施例中，將一基材移動至不同於第一反應空間和第二 反應空間之第三反應空間中。在一第三反應空間中，可以 將一基材與一 III族金屬前體、V族前體或另一種物質接觸。 例如，可以將一基材與蒸汽相化學品接觸，從而有助於除 去在基材上形成之一 III-V族薄膜中之污染物（例如碳）。 於一個實施例中，將一基材移動至連續之反應空間中 (參見下文），直到形成了預定厚度和組成之薄膜。 在一個實施防範中，可以將一基材移動至第一反應空 間中，從而重複步驟105至120，如上文所述。 於一個實施例中，在一第二反應空間後，可以將一基 材移動至包含一種或多種薄膜診斷工具（例如一種或多種 薄膜光譜工具）之一種或多種環境中，從而有助於評估在 基材上形成之薄膜之物理特徵（例如導電率、厚度、遠端 週期性、組成）和/或品質。分光鏡工具可以包含反射-吸收 紅外光譜（RAIRS)、低能電子衍射（LEED)光譜、X射線 光電子光譜（XPS)、俄歇電子光譜（AES)、掃描探針顯微 22 201237207 鏡（STM、AFM )、近邊緣x射線吸收精細結構（NEXAFS )、 光譜反射和透射、單波反射和透射、光學高溫計（單波、 雙波、或者使用光譜輪射度罝學）、發射率儀、橢圓光度法、 表面光散射以及光學偏振測定法。 用於形成III-V族薄膜之系統 於本發明之另一個方面，提供了用於將111-¥族薄膜沉 積在把上之設備。該設備包含第一反應空間和第二反應空 間’其中該第一反應空間與§玄第二反應空間流體分離。該 設備進一步包含用於使靶（或基材）與該第一反應空間和 該第二反應空間中之每個空間接觸之感受器或基材支樓 器。於一個實施例中，該設備包含用於在一第一暴露時將 III族前體定向於該第一反應空間中以及在一第二暴露時將 V族前體定向於該第二反應空間中之控制器（例如參見第2 圖）。於另一個實施例中，該第一暴露用於提供以亞單層（或 者預潤濕）覆蓋之一ΙΠ族金屬之層。 於一些實施例中，可以通過將環境（或者反應空間） 分離來減少用於沉積二元半導體薄膜之多個現有之實施問 題，其中由該環境中將III族金屬原子沉積到基材上，其中 在該環境中，這些吸附之金屬原子被暴露於含V族前體之氣 體中從而形成ΙΠ-V族薄膜或化合物。於一個實施例中，週 期性地在沉積反應空間（或環境）中移動基材從而沉積具 有預定厚度之膜。第2圖為連接之連續處理環境之系統之實 例’該系統可以針對該目之來構建。 於一個實施例中，該技術可以減少含III族和含V族前體 23 201237207 氣體之間之氣相反應，這是因為由於每個單獨之反應空間 之流動和壓力都受到控制，所以III族和一V族前體氣體不會 大量地存在於相同之反應體積中。保持分離之環境可以進 一步使用於將III族吸附原子傳遞至表面上之環境以及分離 之環境（或者反應空間）優化，其中針對表面反應優化V 族前體之傳遞從而形成所需之一III-V化合物。在InGaA1N 薄膜之情況下，ΠΙ族金屬遞送可以優化以用於金屬有機前 體之利用，例如（此處描述鎵之情況；其他m族金屬也類似） 二曱基鎵，二乙基紅，一乙基鎵氯化物，和配合鎵氫化物化 合物，例如二曱基鎵氫化物等；III族材料、氣態m族氣化物 或III族鹵化物之熱蒸發，等等。於一個實施例中，在In(}aA1N 薄膜之情況下’可以針對將活性氮傳遞至晶圓表面上之多 種方法來優化氮化之環境’包含一含氮物質之等離子體激 發或熱離解。 III族和一 V族元素之分離之沉積環境可以在各個單獨 之環境中進行不相容之處理。例如，在III族和一 V族環境中 可以使用不同之氣體流動和泵送速度。此外，由於在V族反 應環境中缺乏III族前體，所以在未受限制之條件下可以使 用用於創建反應性V族物質但損害III族前體之傳遞之機 制，例如通過等離子體激發之電離和離解。 可以通過使用光學發射光譜來表徵N2之多種分子激發 態、。例如參 IThe identification of molecular spectra, R. B. Pearse and A. G. Gaydon，Chapman and Hall, 1976，該文獻 以引用方式全文併入本文。光學發射由較高能量之激發態 24 201237207 躍遷至較低能量之狀態。對於N2分子而言，在大約600納米 (nm)至80〇nm區域（其可以稱為n2發射線之“第一正項 級數”）中之一組躍遷是由這樣之躍遷得到之，該躍遷在 具有大約6電子伏（ev)之最小激發能量之狀態之帶中終 止。這為中性N2分子之激發態之最低内部能量。由n2氣體 之感應偶聯之等離子體激發得到之光學發射光譜示於第4 圖中。這些發射特徵表明在該群體中大部分之激發n2分子 具有大約6eV之内部能量。於一個實施例中，這種n2氣體之 激發可用於InGaAIN薄膜之沉積。 由於分離之一III族和一V族沉積環境，所以in族金屬 吸附原子不同立即與V族原子反應。該技術使得吸附之金屬 原子之表面移動性增加，這會通過在高度配位之低能量位 點處加入到待製備之生長表面中來促進晶體品質之改善。 一般而言該技術會促進二維生長，其中生長在原子臺階邊 緣發生。例如參見 2.6 μηι/hr High-Speed Growth of GaN by RF-Molecular Beam Epitaxy and Improvement of Crystal Quality by Migration Enhanced Epitaxy，” D. Sugihara et al_, Phys. Stat. Sol. (a) 176, 323(1999) ’ 該文獻以引用方式全文 併入本文。於一個實施例中，該技術可以促進二維島之生 長（即，具有一個原子層厚度之島）。於另一個實施例中， 該技術可以徒進三維島之生長（即，具有多個原子層厚度 之島）。 本發明之多個實施例之方法可以使用低於通常在現有 M0CVD中之基材溫度，這是由於金屬吸附原子之表面遷移 25 201237207 得到增加而使得晶體之品質得到改善。例如，Sugihara et al 報導與常規之MOCVD之大約i〇5〇°C相比，用於GaN生長之 溫度為750°C。相對於現有技術而言，處理溫度降低能夠使 用較低成本之基材以及簡化之反應設計。 將III族和一 V族沉積環境分離必須創建其中對於一部 分沉積迴圈而言基材之表面具有過量之一m族原子之情 形。III族金屬，特別是G0〇In，可以在ΙΠ族原子對於形成 所需之一III-V化合物所需之ν族元素之化學計量而言是過 量時，在基材之表面上形成滴。例如參見D Sugiharaetai and Epitaxial Growth of GaN on Sapphire (〇〇〇l) Substrates by Electron Cyclotron Resonance Molecular Beam

Epitaxy，S. H_ Cho et al” jpn. j_ Appl. Phys. 34，L236 (1995)，s玄文獻以引用方式全文併入本文。在處理過程中不 會溶解之並保留在膜上之一m族金屬滴可以損壞光電材料 之性質，並且會與裝置之製造不相容。 本發明之多個實施例之方法能夠通過在各個迴圈過程 中沉積亞單層之一 ϊ Ϊ丨族金屬來減少〗〖j族金屬滴（如果未除 去）之形成。在這種覆蓋下，m族金屬之厚度可以小於潤 濕層之厚度，並且可以抑制金屬滴之形成。此外，亞單層 覆蓋之金屬原子灰減少吸附原子之間之大量之相互作用， 從而減少它們之自散射並增加吸附原子之表面移動性。

於一些實施例中，在基材上形成m_v族薄膜之過程中 可以使用含氫物質。含氫物質可以保持在得自m族和一v 鉍反應環境之分離之環境中，並且可以在Ιπ族環境後、在V 26 201237207 、衣兄後或者這兩種環境後使用。於一個實施例中，可 以將含虱物質在反應空間中與基材、基材上職金屬膜或 III_V族膜接觸’其中該反應空間與具有III族或V族前體之 反應空間分離。於-個實施例中，可以在V族反應空間後依 次使用包含—含氫物質之環境，其巾過1：之-III族原子或 滴將被轉化為一111族鹵化物，例如GaH3。III族鹵化物可以 揮發，並且可以在各週期中除去表面上之滴。這可以使生 長之表面在各沉積週期開始時是化學計量之。於另一個實 施例中，可以在III族反應空間後依次使用包含一含氫物質 之環境，其中氫之激發物質可以將多層m族島減小至單原 子高度（或厚度）之島。 於一個實施例中’將該膜暴露於含氫物質之額外之優 點在於氫之活化物質可以清除（或消去）碳原子和/或烴 基，這是由於在金屬有機前體中存在之烷基所得到之殘餘 污染。例如參見Bornscheuer et al., “Production of Atomic Hydrogen and its Use for the Growth of GaN with Low Carbon Level，” Phys. Stat. Sol. (a) 159, 133(1997)，以及 Kim et al·，“Effect of Hydrogen on GaN Growth by Remote Plasma-Enhanced Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，” Phys. Stat. Sol. (a) 176, 337(1999)，該文獻以 引用方式併入本文。於另一個實施例中，等離子體激發之 含氫物質可以用於清除並除去選自碳、硫和氧中之一種或 多種雜質。這可以有利地減少基材或覆蓋在基材上之薄膜 之其他污染（如果未除去）。 27 201237207 於一些實施例中，可以保留其中薄膜之性質可以原位 測量之額外之環境。在這種環境中，沒有沉積發生並且需 要使光學視口、透鏡系統、分光鏡以及其他埠穩定，而且 可以保持精確之測量。可以在该環境中實施之測量包含但 不限於反射-吸收紅外光譜（RAIRS)、低能電子衍射（LEED) 光譜、X射線光電子光譜（XPS)、俄歇電子光譜（AES)、 掃描探針顯微鏡（STM、AFM)、近邊緣X射線吸收精細結 構（NEXAFS)、光譜反射和透射、單波反射和透射、光學 高溫計（單波、雙波、或者使用光譜輻射度量學）、發射率 儀、橢圓光度法、表面光散射以及光學偏振測定法。由測 量集合得到之薄膜之資料（例如借助于本文所提供之工具 (例如分光計）而得到之那些資料）可以包含厚度、介電常 數、導電率（或電阻率）、光學衰減常數、溫度和放射率。 這些資料可以用於即時閉環控制系統，其中可以促進沉積 環境之多個方面從而將測量參數保持在規定之容差内。這 種排列可以提供薄膜性質之優化、裝置性能之優化、薄膜 沉積參數之優化（例如反應空間壓力、沉積溫度、流動速 率之優化）、運行至運行之重複性、系統至系統之重複性和 匹配、以及製造物品之改善之產率。 圖3描繪了旋轉系統之多個可能構造之簡化圖之多個 實例，其中該系統用於將一個或多個基材週期性地移動通 過分離之處理環境，其中該環境為本文該那些環境中之任 意一種環境。 總之，將用於形成III-V化合物之一III族和一V族沉積 28 201237207 環境分離並且將一基材週期性地移動通過這些分離之環境 可以得到通過相對之低溫處理而不會損害〗u族和一 v族前 體之間之氣相反應之條件下所形成之高品f之晶體出々族 化合物，其中通過在每個週期中使用亞單層覆蓋之金屬吸 附原子來抑制金屬滴之形成。任選地，可以在分離之環境 中暴露激發之含氫物質，從而有助於控制金屬滴之形成和/ 或減少碳污染。任選地，可以在分離之環境中進行薄膜之 原位測量’其中㈣該環境以用㈣量之最佳敎性和重 複性，並且得自這些測量之資料可以用於沉積和氫環境之 即時閉環控制。 < 在本發明之多個實施例中，提供了用於控制和調節 III-V族薄膜之形成之控制器和系統。於—個實施例中，提 供了用於控制多個處理參數之控制系統，其中該參數例如 為基材和/或基材支撐器（或者感受器）之溫度、反應器之 壓力、反應空間之壓力、反應室之壓力'等離子體發生器 之壓力、進入到等離子體發生器中之氡體（例如n2)之流 動速率、進入到反應空間中之氣體（例如金屬有機物質） 之SlL動速率、基材由一個反應空間移動至另一個反應空間 之速率、在薄膜形成過程中基材旋轉之速率、等離子體發 生器之功率（例如直流功率或射頻功率）、以及與反應室流 通之真空系統。該真空系統可以包含多個泵，這些泵被構 造成向反應室提供真空，例如除了前級泵（例如機械泵） 以外，渦輪分子（“渦輪”）泵、低溫泵、離子泵和擴散 泵。 29 201237207 hi-v族薄膜 於本發明之另-個方面，提供了則族薄膜。可以根 據本文所提供之方法職V_膜。m_膜可以包 含選自氮化鎵、氮化銦鎵、氮化紹、氮化銦、氮化紹鋼、 氛化姻鎵銘或它們之組合t之-種或多種材料。 參見第5圖，*出了根據本發明之一個實施例之結構 U戈裝置），該結構（«置）在基材51G上形成有财族 薄膜505。薄膜5〇5是根據本文所提供之任何方法形成之， 例如在第1圖之上下文中所討論之方法。此外，可以使用本 文所提供之任何裝置、設備或系統來形成薄膜5〇5，例如第 2圖之设備或圖3之任何系統。基材51〇可以選自矽、二氧化 石夕藍寶石、氧化鋅、Sic、AIN、GaN、尖晶石、塗敷之 矽、矽之氧化物、矽碳氧化物、玻璃、氮化鎵、氮化銦、 氮化鋁以及它們之組合（或合金）。基材51〇可以為化學摻 雜之基材（例如摻雜之n型或p型）、或者是固有之。 第5圖之裝置可以適用於多種應用中。例如，第5圖之 薄膜505可以用於電子裝置中，例如光伏太陽能電池。ΙΠ_ν 族薄膜505可以用於多種半導體應用或裝置中，例如光電應 用，包含發光二極體（LED)(例如GaN基紫鐳射二極體）； 場效應電晶體（FET )，包含一金屬氧化物半導體FET (MOSFET)和金屬半導體FET (MESFET)裝置；及電晶 體’包含高電子遷移率電晶體（HEMT)。可以根據裝置之 用途選擇III-V族薄獏505和基材510之組成和厚度。 於一些實施例中，根據本文所提供之方法形成之一 30 201237207 III-V族薄膜可以具有至多大約丨〇6錯位w、或者至多大約 107錯位/⑽2'或者至多A _8錯位/em2、或者至多大約1〇9 錯位/cm、或者至多大約1〇10錯位/cm2之缺陷（例如錯位差 排，例如延伸錯位和/或邊緣錯位元元元）密度。於一些實 施例中，iii-v族薄臈之缺陷密度可以為大約1〇6錯位/⑽2至 101()錯位/cm2。 ^於一些實施例中，具有通過原子力顯微鏡（AFM)測 量之★、根據本文所提供之方法形成之_m_v族薄膜（例如 GaN薄膜）尚程差之均方根可以小於或等於大約〇 $納米 (nm )、或者小於鱗於大約丨⑽、或者,!、於或等於大 約Μ1"、或者小於鱗於大約2nm、或者小於或等於大約 Μ1"、或者小於輕於大《⑽、或者小於或等於大約 3·5ηπι、或者小於或科大約“、或者小於或等於大約 m或者小於或等於大約5nm、或者小於或等於大約 6mn、或者小於或等於大約—、或者小於或特大約8⑽、 或者小於或等於大約9nm、或者小於或等於大約1〇舰。 、根據本文所提供之方法形成之―财薄膜之晶體品質 可以通過X射線储測量來探測，例如_2)或⑽冰射線 ，射之ω掃描之半峰全寬。於一些實施例中，根據本文所 提供之方㈣成之_ΙΠ·ν薄膜之(_2)或（MU)晶體學反 射之半峰全寬可以為持或等於秒、或者小於或 等於大，力2师秒、或者小於或等於大約则弧秒、或者小 於或等於大約伽弧秒、或者小於鱗於大觸·秒、或 者小於或等於大約600弧秒。 31 201237207 於一些實施例中，含銦之一m-v族薄膜之銦之分數濃 度可以為ΙηχΖ(ι·χ)Ν( “InZN”），其中“X”為大於0並小於 1之數，“N”為氮，並且“Z”為一III族物種。於一些實 施例中，“X”可以為至多大約0.99、或者至多大約0.9、或 者至多大約0.8、或者至多大約0.7、或者至多大約0.6、或 者至多大約0.5、或者至多大約0.4、或者至多大約0.3、或 者至多大約0.2、或者至多大約0.1。於一些實施例中，InZN 薄膜可以包含發光二極體（LED)異質結構裝置之一個或 多個層。於—些實施例中，InZN薄膜可以包含量子拼異質 結構裝置之一個或多個層。於一些實施例中，InZN薄膜可 以包含多個量子阱異質結構裝置之一個或多個層。 於一些實施例中，根據本文所提供之方法形成之InGaN 薄膜可以具有銦之分數濃度InxGa(1.x)N，其中“X”為大於0 並小於1之數。於一些實施例中，“X”可以為至多大約 0.99、或者至多大約0.9、或者至多大約0.8、或者至多大約 0.7、或者至多大約0.6、或者至多大約0.5、或者至多大約 0.4、或者至多大約0.3、或者至多大約0.2、或者至多大約 0.1。於一些實施例中，InGaN薄膜可以包含發光二極體 (LED)異質結構裝置之一個或多個層。於一些實施例中， InGaN薄膜可以包含量子阱異質結構裝置之一個或多個 層。於一些實施例中，InGaN薄膜可以包含多個量子啡異質 結構裝置之一個或多個層。 32 201237207 實施例 諸如第2圖之系統之類之系統包含沿著圓周彼此相鄰 設置之四個反應空間。被加熱至大約70(TC溫度之基材提供 於第一反應空間中，並且在大約〇·5托之壓力下與三甲基鎵 接觸。首先暴露於三曱基鎵足以形成覆蓋為大約〇 5]^1^之鎵 薄膜。接著，被加熱至大約70(TC溫度之基材旋轉至第二反 應空間中，並在大約〇 5托之壓力下與激發之含氫物質（包 含氫自由基）接觸。通過向％提供大約5〇〇瓦之等離子體功 率來形成激發之含氫物質。接著，被加熱至大約？^^溫度 之基材旋轉至第三反應空間中，並在大約0.5托之壓力下與 N2和％之一混合物接觸。等離子體功率足以生成氮之活性 中性物質，該物質具有最低激發態之分子氮（A3£ /) 〇接 著，被加熱至大約700t溫度之基材旋轉至第四反應空間 中，並在大約0.5托之壓力下與激發之含氫物質（包含氫自 由基和離子）接觸。接著，基材被旋轉至第一反應空間中， 並且重複上述步驟從而提供總厚度為大約4〇〇〇納米 (“nm”）之一III-V族薄膜。 本發明之多個實施例之方法和系統可以與其他系統和 方法組合，或者通過其他系統和方法修改。例如，本發明 之多個實施例之方法和系統可以與以下專利中該方法和系 統組合，或者通過該這些方法和系統修改，其中該專利為： 美國專利No. 6,305,314、美國專利No. 6,451，695、美國專利 No. 6,015,590、美國專利No. 5,366,555、美國專利No. 5,916,365、美國專利 No. 6,342,277、美國專利 No_ 33 201237207 6，197,683、美國專利 No. 7，192,849、美國專利1^〇· 7,537,950、美國專利 No. 7,326,963、美國專利1^〇· 7,491，626、美國專利 No· 6,756,318、美國專利>1〇· 6,001，173、美國專利No.美國專利No. 6,856,005、美國專 利No. 6,869,641、美國專利No. 7,348,606、美國專利No. 6,878,593、美國專利 No. 6,764,888、美國專利 No. 6,690,042、美國專利 No. 4,616,248、美國專利 No. 4,614,96卜美國專利公開No. 2006/0021574、美國專利公開 No. 2007/0141258 ' 美國專利公開No. 2007/0186853、美國 專利公開No. 2007/0215036、美國專利公開No. 2007/02187(H、美國專利公開No. 2008/0173735、美國專利 公開No. 2009/0090984、美國專利公開No. 2010/0210067、 專利合作條約（“PCT”）公開No. WO/2003/04114卜PCT 公開No. WO/2006/034540、和PCT公開No. WO/2010/091470 以及PCT公開No. WO/2010/092482,這些文獻以引用方式全 文併入本文。 由上文所述應該理解之是儘管已經說明和描述了具體 之實施方式，但是可以對其進行多種修改，並且這些修改 也被本發明考慮在内。此外，無意於將本發明限定於本說 明書中提供之具體之實例。儘管已經參照上述說明書描述 了本發明，但是本文該本發明之多個實施例之描述和說曰月 不意味著以限定之含義進行解說。此外，應該理解之是本 發明之所有方面不限於取決於多個條件和變化之、本文所 列之具體描述、構造和相對比例。本發明之多個實施例之 34 201237207 形式和細節之多種修改對於熟諳技藝人士而言是顯而易見 之。因此，應該考慮到本發明還覆蓋了任何此類之修改、 變體和等價物。 L圖式簡單說明3 第1圖示出了根據本發明之實施例形成III-V族薄膜之 方法； 第2圖簡要地示出了根據本發明之實施例之、用於將一 個或多個基材週期性地移動通過分離之處理環境之旋轉系 統之截面俯視圖。處理環境A、B、C和D可以為下文中該任 意一種環境，包含ΙΠ族環境、V族環境、計量學環境或者含 氫物質（例如h2、氫之激發物質）之環境，這些環境形成 了各種組合。多於一個位置可以為給定類型之環境。在第2 圖之示意性實施例中，根據本發明之實施例，該環境為靜 止之，並且該基材旋轉通過在基材載體結構（或者“感受 器”）上之多個環境，其中該基材載體結構圍繞中心軸旋 轉； 第3A-3E圖為根據本發明之多個實施例之、薄膜沉積系 統之截面俯視簡圖，其中該系統具有用於將一個或多個基 材移動（例如環形移動）通過分離之反應空間之旋轉系統 之多種構造。根據本發明之實施例，第3A圖簡要地示出了 包含兩個反應空間之系統；第3B圖簡要地示出了包含三個 反應空間之系統；第3C圖簡要地示出了包含四個反應空間 之系統；第3D圖簡要地示出了包含五個反應空間之系統； 及第3E圖簡要地示出了包含六個反應空間之系統。 35 201237207 第4圖為根據本發明之實施例之、N 2氣體之射頻感性偶 聯等離子體激發之光學發射光譜，其中大部分之光躍遷進 入到了用於激發之N2分子之最低之能量帶（大約600至 800nm發射頻帶，也稱為第一正項級數）。在大約300至 400nm之範圍（也稱為第二正項級數）内強發射之缺乏可以 表示缺乏較高能量激發之N2分子；及 第5圖示出了根據本發明之實施例之、在基材上形成有 III-V族薄膜之結構。 【主要元件符號說明】 105···步驟 110…步驟 115…步驟 120…步驟 505…薄膜 510…基材 36

Claims (1)

1. 201237207 七、申請專利範圍： 1· 一種用於形成ΠΙ_ν族薄膜之方法，包括： 將一基材在—第一反應空間中與一 III族前體接觸，從 而形成以亞單層覆蓋之一 III族金屬薄膜；及 將忒基材在一第二反應空間中與V族前體接觸，由此 形成III-V族薄膜。 其中該第一反應空間與 2.如申請專利範圍第1項之方法 該第二反應空間流體分離。 3·如申請專利範圍第1項之方法 族前體接觸在該基材上形成之該 其中將該基材與該III HI族金屬之非自體限定 ’其中該V族前體包令— 4·如申請專利範圍第1項之方法 含氮物質。

   5.如申請專利範圍第4 之活性中性物質。 37 201237207 6·如申請專利範圍第5項之方法，其中該氮之活性中性物 質包含氮物質，該物質具有最低激發態之分子氮（Α3Σ /)。 7·如申請專利範圍第4項之方法，其中該含氮物f包含N2 和％之一混合物。 8.如申凊專利&圍第4項之方法，其中該含氮物質包含選 自A、NH：S和Μ#*中之一種或多種物質。 9·如申請專利範，W之方法，其中該㈣前體包含一 含乂族分子之等離子體活化之物質。 瓜如申請專利範圍第9項之方法，其中該乂族前體包含 等離子體活化之含氮物質。 U.如申請專利範圍第1項之方法，其中將該基材在該第 二反應«中與該V族前體接觸包括提供—ν族前體和一 含氫物質。 其中該V族前體選自 12.如申請專利範圍第U項之方法 N2、NH3 和 N2H4。 38 201237207 1項之方法，其中該III族前體包含 13.如申請專利範圍第 一含鎵物質。 項之方法，其中該III族前體包含 、鎵（Ga)和銦（In)中之一種或 14.如申請專利範圍第1 選自硼（B)、鋁（A1) 多種物質。 申明專利範圍第1項之方法，其中該m族前體包含 一金屬有機物質。 16.如申凊專利範圍第i.項之方法其中將該基材在該第 一反應空間中與該111族前體接觸形成厚度至多為大約1單 層（ML)之一 ΠΙ族半導體層。 17_如巾請專利範圍第16項之方法，其"該基材在該第 二反應空間中與該V族前體接觸形成厚度小於1ML之一 III-V族薄膜。 18_如申請專利範圍第1項之方法，其中將該基材在該第 一反應空間中與該III族前體接觸形成厚度小於i單層 (ML)之一 in族金屬層。 39 201237207 19.如申請專利範圍第18 單層（ML) 方法Μ㈣基材在該第 二反應空财與該V猶體接_成厚度小於〗 之一 III-V族薄膜。 其中該III-V族薄膜為 其中該III-V族薄膜 2〇·如申請專利範圍第】項之方法 一 III族金屬氮化物薄膜。 21.如申請專利範圍第2〇項之方法 為一氮化鎵薄膜。 22‘如申請專利範圍第1項之方法，進-步包括加熱該基 材’同時形成該ΙΙΙ-ν族薄膜。 23·如申請專利範圍第1項之方法，進-步包括在將該基 材在該第二反應空間中與該V族前體接觸前，㈣m族金 屬薄膜在-第三反應空間中與—含氫物質接觸。 24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該含氮物質選自 氫氣（HO和氫之激發物質。 25. 如中請專利範，1項之方法，進-步包括將該m-v 族4膜在一第二反應空間中與一含氫物質接觸。 40 201237207 &如申請專利範圍帛25項之方法，其中該含氮物質選自 虱氣（H2)和氫之激發物質。 A如申請專利範圍第【項之方法，其中當通過原子力顯 微鏡Ufm)測量時，該ηπ _膜之高程差之均方根小 於或荨於10納米（nm )。 28.如申請專利範圍第27項之方法，其中該高程差之均方 根小於或等於5nm。 29·如申請專利範圍第28項之方法，其中該高程差之均方 根小於或等於2nm。 3〇·如申請專利範圍第W之方法，其中該瓜乂族薄. 缺陷密度為至多大約1〇〗0錯位/cm2。 3!.如申請專利範圍第W之方法，其中該πιλ^薄膜之 _2)或(1G12)X射線反射之_描之半峰全寬小於或等於 大約600弧秒。 A如申請專利範圍第丨項之方法，其中該㈣薄犋包含 InxGa(l_x)N，其巾“x”為大於〇並且小於【之數。 201237207 Μ·如申請專利範圍第32項之方法，其+ “χ，，為至多大 約 0.99。 34. —種根據申請專利範圍1之方法形成之-m-v族薄膜 裝置。 35. —種具有III-V族薄膜之發光二極體（LED)，其中該 薄膜疋根據申請專利範圍丨之方法形成之。 36· _種具有ΙΙΙ·ν族薄狀光伏太陽能電池，其中該薄膜 是根據申請專利範圍1之方法形成之。 37.-種具有III.V族薄膜之量子牌異質結構裝置其中該 薄膜是根據中請專利範圍1之方法形成之。 38·-種具有in_v族薄膜之多量子拼異質結構裝置，其中 該薄膜是根據巾請專利範圍1之方法形成之。 39·如申請專利範圍第34、35、36、37或38項之裝置， “田L過原子力顯微鏡（AFM)測量時，該ΙΠ-ν族薄膜 之向程差之均方根小於或等於1G納米（nm)。 42 201237207 40. 如申請專利範圍第39項之方法，其中該高程差之均方 根小於或等於5nm。 41. 如申請專利範圍第40項之方法，其中該高程差之均方 根小於或等於2nm。 42. 如申請專利範圍第34、35、36、37或38項之裝置， 其中該III-V族薄膜之缺陷密度為至多大約101Q錯位/cm2。 43. 如申請專利範圍34、35、36、37或38項之裝置，其 中該III-V族薄膜之(0002)或（1012)x射線反射之ω掃描之 半峰全寬小於或等於大約600弧秒。 44. 一種用於在基材上形成III-V族薄膜之方法，包括： (a) 將一基材設置在一第一反應空間中； (b) 將該基材在該第一反應空間中與一第一 III族前體 和第一 V族前體中之一者接觸； (c) 將該基材設置在一第二反應空間中； (d) 將該基材在該第二反應空間中與該第一 III族前體 和該第一 V族前體中之另一者接觸；及 43 201237207 (e)重複步驟⑷-(d)直到形成預定厚度之一 m_v族薄 膜， 其中將該基材與該第一 III族前體接觸形成以亞單層 覆蓋之一 III族金屬薄膜。 45.如申請專利範圍第44項之方法，其中該ν族前體包含 一含氮物質。 46.如申請專利範圍第44項之方法，其中該一種或多種冚 族金屬選自删、紹、鎵和銦。 47.如申請專利範圍第44項之方法，其中該m_v族薄膜 為一氮化鎵薄膜》 其中該III-V族薄膜 48·如申請專利範圍第44項之方法 為一氮化銦鎵薄膜。 49·如申請專利範圍第44項之方法，f 万去其中該III-V族薄 為-氮化鋁薄膜、氮化銦薄膜 乳亿站鎵薄膜、或氮化 鎵鋁薄膜。 44 201237207 50. 如申請專利範圍帛44項之方法，其中該出^族薄膜 包含氮化鎵和氮化銦録之外延層。 51. 如申請專利範圍第44項之方法，其中該出^族薄膜 包含氮化㉟、氮化贿、氮化鎵、氮化_、或者氮化銘 姻錄之外延層。 52·如申請專利範圍第44項之方法，進一步包括將該基材 設置在一第三反應空間中，並在將該基材與該^^族前體接 觸前將該III族金屬薄膜與一含氫物質接觸。 53. 如申請專利範圍第52項之方法，其中該含氫物質選自 氫氣（H2)和氫之激發物質。 54. 如申請專利範圍第44項之方法，進一步包括將該基材 設置在一第三反應空間中，以及將該川丨族薄犋與一含氫 物質接觸。 55. 如申請專利範圍* 54項之方法，其中該含氣物質選自 氫氣（H2)和氫之激發物質。 56. —種用於在基材上形成m_v族薄膜之方法，包括： 45 201237207 將一基材與一 in族金屬前體和一 V族前體交替地且連 續地接觸； 其中該基材與該III族金屬前體和該V族前體在分離之 反應空間中接觸，以及 其中將該基材與該III族金屬前體接觸形成以亞單層 覆蓋之一 III族金屬薄膜。 57. —種用於在基材上形成III-V族薄膜之方法，包括： 在基材上提供III族金屬層，該III族金屬層具有以預 潤濕覆蓋之一種或多種III族金屬；及 將該III族金屬層與V族前體接觸。 58. —種用於在靶上沉積III-V族薄膜之設備，包括： 第一反應空間和第二反應空間，該第一反應空間與該 第二反應空間流體分離； 感受器，其用於將該靶與該第一反應空間和該第二反 應空間中之每個空間接觸；及 46 201237207 控制器，其用於在一第一暴露下將III族前體定向於該 第一反應空間中、以及在一第二暴露下將V族前體定向於 該第二反應空間中，該第一暴露用於在該基材上提供以亞 單層覆蓋之一 III族金屬層。 59. 如申請專利範圍第58項之方法，其中該第二暴露用於 提供以亞單層覆蓋之一 III-V族薄膜。 60. 如申請專利範圍第58項之方法，進一步包括與該第一 反應空間和該第二反應空間流體分離之第三反應空間，該 第三反應空間用於將該基材與一含氫物質接觸。 61. 如申請專利範圍第60項之方法，進一步包括與該第一 反應空間、該第二反應空間和該第三反應空間流體分離之 第四反應空間，該第四反應空間用於測量在該靶上形成之 一 III-V族薄膜之一種或多種膜之性質。 62. 如申請專利範圍第58項之方法，進一步包括與該第一 反應空間和該第二反應空間流體分離之第三反應空間，該 47 201237207 第三反應空間用於測量在該靶上形成之一 III-V族薄膜之 一種或多種膜之性質。 63. 如申請專利範圍第58項之方法，其中該感受器可圍繞 著與具有該感受器之平面垂直之軸旋轉。 64. 如申請專利範圍第63項之方法，其中該感受器可沿著 與具有該感受器之平面垂直之軸、在上方位置至下方位置 之間移動。 65. 如申請專利範圍第58項之方法，其中該第一反應空間 和該第二反應空間通過分隔壁分離。 66. 如申請專利範圍第65項之方法，其中該分隔壁由該感 受器之一中心軸轄射延伸。 48