TWI502629B - 增進ｉｉｉ族氮化物緩衝層之生長的方法 - Google Patents

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Description

增進III族氮化物緩衝層之生長的方法
本申請案主張於2011年5月20日提出申請之美國專利臨時申請案第61/488,676號以及於2012年5月10日提出申請之美國專利申請案第13/469,050號的權益，該等案件的內容以引用方式併入本文中。
本申請案主張於2011年5月20日提出申請之美國專利臨時申請案第61/488,675號以及於2012年5月10日提出申請之美國專利申請案第13/469,050號的權益，該等案件的內容以引用方式併入本文中。
本發明的實施例係關於處理系統中之增進的半導體III族氮化物緩衝層生長方法。
由於含鋁(Al)III-V族化合物半導體被用來製造許多電子元件，因此含鋁(Al)III-V族化合物半導體具有顯著的價值。III族氮化物GaN、AlN及AlGaN合金是極為重要的材料而廣泛用在光電子學(如，固態發光)及高功率電子等應用中。金屬-有機氣相磊晶(metal-organic vapor phase epitaxy；MOVPE)為主要的沉積方法，但氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy；HVPE)為III族氮化物的替代性磊晶生長方法。一般而言，HVPE製程涉及一或多種的金屬鹵化物與氫化物的反應。就III族氮化物材料的生長來說，典型使用金屬氯化物及氨(NH3 )。
在AlN HVPE製程中使用三鹵化鋁(aluminum trihalide)的挑戰之一在於，均質反應及作為均質反應的結果之氣 相中之AlN顆粒形成。已顯示，伴隨著AlN膜的形成，會於氣相中形成某些顆粒。用於AlN顆粒形成的整體一次性操作均質反應與用於異質反應者相同，但中間反應路徑將會不同。通常很難藉由實驗來判斷均質反應所涉及之反應中間產物的身分。一般而言，若三鹵化鋁與NH3 彼此相遇時，可能會出現AlRx -NHx 型態(其中x=1至3，且R=Cl、Br或I)的加合物化合物作為氣相反應的結果。也可能同步形成寡聚物形式。氣相中的大量單體及高階寡聚物最終將在反應器腔室中產生AlN的小型懸浮顆粒。
當三氯化鋁(AlCl3 )與NH3 混合時，二者即刻反應而於氣相中產生AlN奈米顆粒。就AlN顆粒形成之整體一次性操作均質反應如下。
AlCl3 (g)+NH3 (g)=AlN(顆粒)+3HCl(g) (1)
過早在低溫下預混合氣體、沉積腔室的大容積，以及低的總體氣流可顯著增加反應器中之AlN奈米顆粒的標稱滯留時間(nominal residence time)。結果將使AlN顆粒的尺寸增加。AlCl3 的高滯留時間及高分壓可導致氣相中產生可見的AlN粉末。
可在大氣的熱壁式HVPE反應器中的AlCl3 -NH3 -Ar系統內直接觀察到AlN顆粒，而無須藉由先前方式的任何額外的光學工具(如原位雷射光散射)。在生長製程期間，懸浮微粒存在於反應器中。懸浮微粒看起來像是窄的薄霧帶，位在距離反應器壁2至3mm處。
可根據由另一個先前方式所建議的模型，來解釋在HVPE製程中之AlN粉末的均質形成。氣相反應如下：AlR3 (g)+NH3 (g)=AlR3 -NH3 (s) (2)
AlR3 -NH3 (s)=AlR2 -NH2 (s)+HR(g) (3)
AlR2 -NH2 (s)=AlR-NH(s)+HR(g) (4)
AlR-NH(s)=AlN(s)+HR(g) (5) 其中R=Cl、Br或I。
因此，AlN奈米顆粒(AlN粉末)代表氣相化學反應鍊的終產物。
使用AlCl3 及NH3 ，作為起源物種(parent species)，另一種方式將氮化鋁沉積在由預混合區(460℃)、升溫區(自460℃至反應溫度)、反應區(自700至1100℃的恆定溫度範圍)及顆粒收集區(600℃)所構成的反應器中。此方式建議化學氣相沉積製程起始於當AlCl3 與NH3 在反應器的預混合區中混合時，加合物分子(adduct molecule)，AlCl3 -(NH3 )x 的形成。這些加合物分子在氣相中形成叢集和AlN顆粒。基材上之AlN層的產生速率及氣相中之AlN顆粒的產生速率各自於AlCl3 -NH3 -He系統中決定。已發現到，尺寸範圍自0.8nm(700℃)至0.5nm(1100℃)之AlN叢集的形成，是AlN快速生長的關鍵製程。
然而，均質製程及形成於氣相中的AlN顆粒可對異質AlN層沉積造成負面影響。負面影響包括沉積速率及產率的下降，以及不佳的厚度均勻度。
在氣相中形成的顆粒可能是膜中的巨型汙染物及其它結構缺陷的來源。表面粗糙度也可取決於寄生均質反應。
因此，AlN顆粒在表面反應(落在AlN磊晶層的表面上)中的參與重度取決於腔室設計和製程條件，即，溫度、物種濃度、氣體速度及整體壓力。AlCl3 -NH3 HVPE系統中的均質氣相反應阻礙了優質磊晶AlN膜的生長。
茲揭露以先進多重緩衝層技術生長高結晶品質的III族氮化物磊晶層的方法。於一實施例中，本發明之方法包括在氫化物氣相磊晶處理系統的處理腔室中提供合適的基材。該方法包括藉由將氨氣流入處理腔室之生長區，流入一或多種的含金屬鹵化物前驅物(其中至少一者為含鹵化鋁前驅物)至生長區，且同時將額外的鹵化氫或鹵素氣體流入處理腔室的生長區，以形成含鋁III族氮化物緩衝層。流入生長區內的額外鹵化氫或鹵素氣體可於緩衝層沉積期間抑制均質顆粒形成。含鋁低溫緩衝層(如，AlN、AlGaN)及含鋁高溫緩衝層(如，AlN、AlGaN)的某些實施例可用來增進後續生長的III族氮化物磊晶層之結晶品質及型態。
在下方的描述中係提出眾多的細節。然而，明顯可見， 對於熟悉該技術領域之人士，在沒有該些特定細節時，亦能實施本發明。在部分實例中，已知的方法及元件係以方塊圖表示，而非詳細示出，以避免對本揭露內容造成混淆。在本說明書中提及「一實施例」時意指參照該實施例所述之特定的特徵、結構、功能或特性被包含在本發明的至少一個實施例中。因此，在本說明書的各處中出現詞語「在一實施例中」時，並不必然參照到本發明的相同實施例。進一步，可在一或多個的實施例中以任何適當的方式結合特定的特徵、結構、功能或特性。舉例而言，第一實施例可與第二實施例結合，只要這兩個實施例非互斥。
在一個實施例中，茲揭露一種藉由氫化物氣相磊晶(HVPE)生長含鋁III族氮化物半導體磊晶層之改良的方法。在一個實施例中，藉由將氨氣及含鹵化鋁前驅物(或至少一種含鹵化鋁前驅物)流入處理腔室的生長區來形成AlN層(或含Al的III族氮化物層)，並同時將鹵化氫或鹵素氣體流入處理腔室的生長區。流入生長區的鹵化氫或鹵素氣體可抑制AlN(或含Al的III族氮化物)顆粒之均質形成。舉例而言，可以大量的三氯化鋁(AlCl3 )氣體及氨氣在合適的基材上製造AlN層。該方法利用額外的Cl2 氣體來抑制AlN層的氫化物氣相磊晶期間之AlN顆粒均質形成。藉由在沉積操作期間將Cl2 氣體引入處理腔室中來抑制AlN的均質形成，本質上增進了生長於合適的基材上之磊晶層的結晶品質及型態。由於抑制均 質形成的結果，AlN的沉積速率變得更高，產品產率增加，並增進了厚度均勻性。在一替代的實施例中，可於AlN層(或含Al的III族氮化物層)沉積期間，使用另一種鹵素氣體(如，溴(Br2 )氣、碘(I2 )氣)來抑制均質顆粒形成。
在一個實施例中，該方法也使含Al之III族氮化物化合物半導體緩衝層(起始層、成核位點)能生長於合適的基材上供後續高品質GaN(或III族氮化物半導體)沉積所用。
藉由HVPE生長AlN及AlGaN層並抑制AlN(或AlGaN)均質形成的先前方式使用HCl作為活性氣體。習用的AlN HVPE製程(涉及以三氯化鋁及氨作為活性氣體)始於加合物分子的形成，加合物分子於氣相中形成叢集和AlN顆粒。在沉積操作期間將HCl氣體引入腔室中可抑制加合物分子、叢集和AlN顆粒的均質形成。抑制機制包括：在HCl分子吸附於均質物種的表面上之後，均質物種的抑制及溶解。
相較於使用HCl的傳統抑制，使用Cl2 來抑制AlN(或AlGaN)均質形成因效能較高之故而具有顯著的優點。HCl與Cl2 的鍵結能量分別為431kJ/mol與243kJ/mol。相較於H-Cl鍵結，Cl-Cl鍵結為弱鍵結。因此，相對於HCl分解來說，更快速的Cl2 分解可對增加溶解率有所貢獻。抑制機制包括當Cl2 分子吸附於均質物種的表面上之後，均質物種的抑制及溶解。
就磊晶的AlN(或含鋁III族氮化物半導體化合物)而言，此額外的Cl2 氣體也可作為蝕刻劑。為了消除蝕刻之負面影響的可能性，須就各種反應器設計來界定沉積的最佳Cl2 部分濃度及溫度。
本揭露內容可用於在合適的基材上沉積含鋁III族氮化物緩衝層(起始層)期間，以供後續高品質磊晶GaN(或III族氮化物半導體)生長所用。本揭露內容揭露了生長AlN(或含Al的III族氮化物)緩衝層的方法，該方法使用額外的鹵化氫或鹵素氣體於緩衝層沉積操作期間抑制均質顆粒形成。於此方法所沉積的AlN緩衝層上生長之GaN層的結晶品質比得上(若沒有超越的話)文獻所報導的藉由MOCVD或HVPE所生長之最高品質GaN層。
在一個實施例中，用於緩衝層沉積操作的平均沉積時間並不很長(如，將近數分鐘)，因此均質抑制的功效變得較不關鍵。在這樣的例子中，可使用額外的HCl氣體來替代Cl2 氣體。本揭露內容揭露了生長AlN緩衝層(起始層、成核層)的方法，該方法使用額外的HCl氣體於緩衝層沉積操作期間抑制均質顆粒形成。這些緩衝層可用於後續高品質GaN(或III族氮化物半導體)的生長。在一替代的實施例中，可於緩衝層沉積操作期間使用另一種鹵化氫氣體(如，溴化氫(HBr)氣體、碘化氫(HI)氣體)來抑制均質顆粒形成。
在一個實施例中，藉由將氨氣及含鹵化鋁前驅物流入處理腔室的生長區，且同時將鹵化氫或鹵素氣體流入處 理腔室的生長區內，來形成AlN緩衝層，其中流入生長區內的鹵化氫或鹵素氣體可抑制AlN顆粒的均質形成。對本揭露內容的成效而言為關鍵的是，於停止鹵化氫或鹵素氣體(在形成AlN緩衝層結束時)的同時，停止進入處理腔室(或處理腔室的生長區)的含鋁前驅物流。在沒有鹵化氫或鹵素氣體的情況下存在的含鹵化鋁前驅物流將立即導致顆粒形成。然而，在停止鹵化氫或鹵素氣體的同時停止含鋁前驅物流受限於源自鹵化鋁氣體形成(通常是金屬Al與HCl或Cl2 在反應器上游的分離區(separate zone)中反應)的難度。在一個實施例中，在停止含鹵化鋁前驅物流的同時使鹵素氣體及氨持續流入處理腔室的生長區內達某時間段。在關閉含金屬鹵化物前驅物流之後，額外的鹵化氫或鹵素氣體持續流入生長區內達某時間段(如，0至5分鐘)，以消除可能的顆粒產生。必須就個別的腔室設計來根據實驗界定所述的某時間段(延遲時間)。
第1圖為流程圖，該流程圖繪示根據一個實施例用以增進具低溫(如，低於900℃、500至800℃、600至700℃等溫度)含鋁緩衝層之高品質III族氮化物磊晶層(如，GaN層)生長之方法的流程圖。該方法包括於合適的基材(如，藍寶石、SiC、Si、AlN)上生長原位低溫含鋁(如，AlN、AlGaN)緩衝層(或起始層，或成核層)。以抑制均質顆粒形成的方式生長含鋁緩衝層。接著，於HVPE處理系統中發生後續高溫III族氮化物(如，GaN) 沉積。
在一個實施例中，於方塊102提供用於III族氮化物層(如，GaN、AlN、AlGaN)生長的基材(如，含氧化鋁基材、藍寶石基材、(0001)藍寶石基材)。於方塊104將基材載入HVPE處理系統。接著，於方塊106，在處理系統中建立起始製程條件。這些製程條件可包括設定壓力(如，50至800Torr、400至500Torr)、設定含氮材料(如，氮氣、氧化亞氮(nitrous oxide)、氨、聯氨(hydrazine)、二醯亞胺(diimide)、疊氮酸(hydrazoic acid)，等)的流速(如，每分鐘2至10標準公升(SLM)、2至4SLM)，並接著使基材載體溫度斜線變化至第一溫度(如，高於900℃、950至1050℃等溫度)。一旦溫度達到設定點，於方塊108，基材處在氮化(nitridization)下達某時間段(如，5至15分鐘)。在氮化之後，於方塊110，將基材載體冷卻至第二溫度(如，低於900℃、500至800℃、600至700℃等溫度)。當達到溫度設定點時，於方塊114，開始低溫含鋁III族氮化物緩衝層(如，AlN、AlGaN)沉積。緩衝層生長的同時可藉由將鹵素氣體(如，額外的氯氣)流至生長區來抑制均質顆粒形成(如，AlN、AlGaN)。或者，鹵化氫(如，氯化氫(HCl))氣體流入生長區以抑制均質顆粒形成。用於緩衝層沉積的製程條件可包括於方塊114將一或多種的金屬鹵化物前驅物(如，至少一種含鹵化鋁前驅物(如，AlCl3 、AlCl、AlBr、AlBr3 、AlI、AlI3 、GaCl、GaCl3 等))伴隨著載氣流入HVPE系統 的生長區內。可藉由使氯氣(Cl2 )以某流速及時間段(如，10至150sccm達30秒鐘至5分鐘)流向位在分離區(沉積區的上游)中之金屬源(如，鋁源)，來形成氯化鋁前驅物。或者，可使鹵化氫(如，HCl)氣體以某流速及時間段(如，20至300sccm達30秒鐘至5分鐘)流過Al源，以形成氯化鋁前驅物。Al源可為固態，且該Al源之溫度為自200℃至Al熔點溫度(如，約660℃)。Al源可為液態，且該Al源之溫度高於Al熔點溫度。在另一個實施例中，也可使用液態Ga源，以在沉積區上游之分離區中形成氯化鎵前驅物(如，GaCl、GaCl3 )。
於方塊116，在將金屬鹵化物前驅物引入生長區內的同時或幾乎同時(如，0至1分鐘之前)，將鹵素氣體(如，氯(Cl2 )氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)流引至生長區(如，200至1100sccm、400至900sccm)。於方塊118，在關閉金屬鹵化物前驅物流之後，可使鹵素氣體或鹵化氫氣體流維持流動達某時間段(如，0至5分鐘)。藉由生長區中的氨、一或多種的金屬鹵化物前驅物與鹵素氣體或鹵化氫氣體之反應，可沉積緩衝層。舉例而言，藉由生長區中的氨、含鹵化鋁前驅物(如，AlCl3 、AlCl、AlBr3 、AlBr)與氯氣(或氯化氫氣體)之反應，可沉積AlN緩衝層。或者，藉由生長區中的氨、含鹵化鋁前驅物(如，AlCl3 、AlCl、AlBr3 、AlBr)、含鹵化鎵前驅物(如，GaCl、GaCl3 )與額外的氯氣(或氯化氫氣體)之反應，可沉積AlGaN緩衝層。生長區中的額外氯氣(或氯化氫氣體)可 於緩衝層沉積操作期間抑制均質顆粒形成。
於方塊120，在關閉鹵素氣體或鹵化氫氣體流之後，開始使基材載體溫度斜線變化至第三溫度(如，高於900℃、980至1080℃等溫度)。於此操作期間，將氨氣流切換為1至22SLM。於方塊122，一旦基材載體溫度到達第三溫度，將引入的氯(Cl2 )氣流以某流速(如，50至400sccm)流過金屬源(如，Ga源)，用於III族氮化物生長(如，GaN生長)。於方塊124，在3至30分鐘的沉積之後，當期望的GaN厚度達成時，阻斷流過金屬源的氯氣流，並冷卻基材載體，同時流入氨氣來保存III族氮化物層。在一替代的實施例中，可用氯化氫(HCl)氣體流取代方塊122之操作的氯(Cl2 )氣流。
在一個實施例中，GaN層在垂直的28×2吋容量之Ga-Al-Cl2 -NH3 -N2 HVPE系統中沉積於原位低溫AlN緩衝層上。在分離的Al及Ga源區中，Cl2 與金屬(Al及Ga)反應，以分別形成AlCl3 及GaCl。可藉由N2 來傳輸氯化物，且氯化物在生長區中與氨混合。可使用上文所述之製程條件，以介於10與15μm/hr之間的生長速率，可於(0001)藍寶石基材上生長1.5μm及3μm厚的GaN膜。GaN層的粗糙度落在2至3nm的範圍。藉由X-光繞射來研究層品質。使用反射(002)及(102)的FWHM來判斷GaN層的傾斜(tilt)及扭轉(twist)結構。就1.5μm厚的GaN層而言，(002)及(102)反射之ω-掃描搖擺曲線(rocking curve)的FWHM分別在70至250角秒(arcsec) 及350至600角秒的範圍內。就2.5μm厚的GaN層而言，(002)及(102)反射之ω-掃描搖擺曲線的FWHM分別在130至300角秒及300至500角秒的範圍內。
第2圖為流程圖，該流程圖繪示根據一個實施例用以增進具高溫(如，900℃或更高)含鋁緩衝層之高品質III族氮化物磊晶層(如，GaN層)生長的方法。該方法包括於合適的基材(如，藍寶石、SiC、Si、AlN)上生長原位高溫含鋁緩衝層(如，AlN緩衝層)或起始層，或成核層。以抑制均質顆粒形成的方式生長含鋁緩衝層。接著，於HVPE處理系統中發生後續高溫III族氮化物(如，GaN)沉積。
在一個實施例中，可沉積高溫緩衝層或起始層或成核層(如，AlN緩衝層、AlGaN緩衝層)以增進後續高品質III族氮化物磊晶層(如，GaN)沉積。於方塊202，提供用於III族氮化物層生長之基材(如，含氧化鋁基材、藍寶石基材、(0001)藍寶石基材)。於方塊204將基材載入HVPE反應器。接著，於方塊206，在處理系統中建立起始製程條件。這些製程條件可包括設定壓力(如，50至800Torr、400至500Torr)、設定含氮材料(如，氮氣、氧化亞氮、氨、聯氨、二醯亞胺、疊氮酸，等)流為1至15SLM，並接著將基材載體斜線變化至第一溫度(如，高於或等於900℃、950至1050℃等溫度)。於方塊208，一旦溫度達到設定點，基材處在氮化下達某時間段(如，2至15分鐘)，且氨氣流被設定為某流速(如，2至12 SLM)。
於方塊210，在氮化之後，基材載體溫度斜線變化(上升或下降)至第二溫度(如，大於或等於900℃、930至1050℃等溫度)。在一個實施例中，第一溫度等於第二溫度。於方塊212，當達到溫度設定點時，開始高溫含鋁III族氮化物緩衝層(如，AlN、AlGaN)沉積。在緩衝層生長的同時，藉由使額外的氯(Cl2 )流至生長區來抑制均質顆粒形成。或者，氯化氫(HCl)氣體流入生長區內以抑制均質顆粒形成。用於緩衝層沉積的製程條件可包括於方塊212將一或多種的金屬鹵化物前驅物(如，至少一種含鹵化鋁前驅物(如，AlCl3 、AlCl、AlBr、AlBr3 、AlI、AlI3 、GaCl、GaCl3 等))伴隨著載氣流入HVPE系統的生長區內。可藉由使氯氣(Cl2 )以某流速及時間段(如，10至150sccm達30秒鐘至5分鐘)流向位在生長區上游的分離區(反應器的Al源區)中之鋁源，來形成氯化鋁前驅物。或者，可使HCl氣體以某流速及時間段(如，20至300sccm達30秒鐘至5分鐘)流過Al源，以形成氯化鋁前驅物。Al源可為固態，且該Al源之溫度為自200℃至Al熔點溫度(如，約660℃)。Al源可為液態，且該Al源之溫度高於Al熔點溫度。在另一個實施例中，可使用位在反應器上游之分離區(反應器的Ga源區)中的液態Ga源來形成氯化鎵前驅物(如，GaCl、GaCl3 )。
於方塊214，在將金屬鹵化物前驅物引入生長區內的同時或幾乎同時(如，0至1分鐘之前)，將鹵素氣體(如， 氯(Cl2 )氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)流引至生長區(如，200至1100sccm、400至900sccm)。於方塊216，在關閉金屬鹵化物前驅物流之後，可使鹵素氣體或鹵化氫氣體流維持流動達某時間段(如，0至5分鐘)。藉由生長區中的氨、一或多種的金屬鹵化物前驅物與鹵素氣體或鹵化氫氣體之反應，可沉積緩衝層。舉例而言，藉由生長區中的氨、鹵化鋁前驅物與氯氣(或氯化氫氣體)之反應，可沉積AlN緩衝層。舉例而言，藉由生長區中的氨、鹵化鋁前驅物、鹵化鎵前驅物與氯氣(或氯化氫氣體)之反應，可沉積AlGaN緩衝層。生長區中的鹵素氣體(如，氯(Cl2 )氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)可於緩衝層沉積操作期間抑制均質顆粒形成。
於方塊217，在關閉鹵素氣體或鹵化氫氣體且緩衝層形成完成之後，使基材載體的溫度斜線變化至第三溫度(如，高於900℃、980至1080℃等溫度)。於方塊218，一旦載體溫度到達第三溫度，切換氨氣流為某流速(如，2至20SLM、2至4SLM)。
於方塊220，具緩衝層的基材進行第二次氮化達某時間段(如，10分鐘)。於方塊222，在氮化之後，將載體溫度斜線變化至第四溫度(如，900℃或更高、980至1080℃等溫度)。於此操作期間，將氨氣流切換為1至22SLM。於方塊224，一旦基材載體溫度到達第四溫度，將氯(Cl2 )氣流以某流速(如，50至400sccm)引入流過金屬源(如，Ga源)，用於III族氮化物生長(如，GaN生長)。 在3至30分鐘的沉積之後，當期望的GaN厚度達成時，阻斷流過金屬源的氯氣流，並冷卻基材載體，同時流入氨氣來保存III族氮化物層。在一替代的實施例中，可以氯化氫(HCl)流取代方塊224之操作的氯(Cl2 )流。
在一個實施例中，使用上文所述之製程條件，以介於12與60μm/hr之間的生長速率，可生長5μm厚的GaN層。GaN層的粗糙度落在2至3nm的範圍。藉由X-光繞射來研究層品質。使用反射(002)及(102)的FWHM來判斷GaN層的傾斜及扭轉結構。就5μm厚的GaN層而言，(002)及(102)反射之ω-掃描搖擺曲線的FWHM分別在200至300角秒及280至380角秒的範圍內。
第3A圖繪示1微米×1微米之藍寶石基材表面的AFM影像300。第3B至3F圖繪示根據一個實施例之額外Cl2 流對沉積於藍寶石基材上之高溫AlN緩衝層的表面型態的影響。這些高溫AlN緩衝層是藉由生長區中之氨(NH3 )氣、三氯化鋁(AlCl3 )氣體與額外的氯(Cl2 )氣之反應而沉積。生長區中額外的氯氣可於緩衝層沉積操作期間抑制均質顆粒形成。可藉由在反應器的Al源區中於約550℃下的Cl2 與固態Al丸粒(pellet)之反應，產生三氯化鋁，並以N2 載氣將三氯化鋁輸送至沉積腔室。第3B圖繪示於生長區中沒有額外Cl2 流的情況下所沉積之AlN緩衝層的AFM影像310。第3C圖繪示於生長區有100sccm之額外Cl2 流的情況下所沉積之AlN緩衝層的AFM影像320。第3D圖繪示於生長區有300sccm之額外Cl2 流的 情況下所沉積之AlN緩衝層的AFM影像330。第3E圖繪示於生長區有500sccm之額外Cl2 流的情況下所沉積之AlN緩衝層的AFM影像340。第3F圖繪示於生長區有800sccm之額外Cl2 流的情況下所沉積之AlN緩衝層的AFM影像350。較高流速的Cl2 使AlN緩衝層變得較厚。隨著AlN緩衝層的厚度增加，表面變得較粗糙。
第4圖繪示根據一個實施例於AlN沉積操作期間，在不同流速之額外Cl2 下，沉積於藍寶石基材上之高溫AlN緩衝層的均方根粗糙度(Rms)(以奈米計)。可忽略在沒有額外Cl2 的情況下之AlN沉積。顯示於第3A圖中之藍寶石基材的Rms值為0.146nm，而顯示於第3B圖中，沒有額外Cl2 之AlN的Rms值為0.204nm。較高流速的Cl2 使AlN緩衝層變得較厚。隨著AlN緩衝層的厚度增加，表面變得較粗糙。
本揭露書所描述的伴隨均質顆粒形成抑制的多個緩衝層技術可一起使用而形成多重緩衝層技術。舉例而言，低溫緩衝層(例如，AlN、AlGaN)與高溫緩衝層(例如，AlN、AlGaN)的某些組合可用來增進III族氮化物材料的結晶品質及型態。多重緩衝層技術也可降低或微調後續沉積之層及最終元件結構中的應力。緩衝層可沉積於基材上，或緩衝層可沉積於另一個緩衝層的表面上。可加入額外的緩衝層作為III族氮化物層(例如，GaN、AlGaN、AlN)中的夾層。
第5A至5F圖繪示根據一個實施例供HVPE系統於藍 寶石結構上沉積GaN所用之多重緩衝層的位置之數個實例。繪示於第5A圖中的元件500包括藍寶石基材502、高溫AlN緩衝層504、GaN層506、低溫AlN緩衝層508及GaN層509。繪示於第5B圖中的元件510包括藍寶石基材512、低溫AlN緩衝層514、GaN層516、低溫AlN緩衝層518及GaN層519。繪示於第5C圖中的元件520包括藍寶石基材522、低溫AlN緩衝層524、高溫AlGaN緩衝層526及GaN層528。繪示於第5D圖中的元件530包括藍寶石基材532、低溫AlN緩衝層534、高溫AlN緩衝層536及GaN層538。繪示於第5E圖中的元件540包括藍寶石基材542、高溫AlN緩衝層544、高溫AlGaN緩衝層546及GaN層548。繪示於第5F圖中的元件550包括藍寶石基材552、低溫AlN緩衝層554、高溫AlN緩衝層556、高溫AlGaN緩衝層558及GaN層559。
在一個實施例中，元件500、510、520、530、540及550可包括以HVPE系統或MOCVD系統所沉積之額外的層。舉例而言，額外的層(用以產生III族氮化物元件結構)可包括InGaN MQW、p-型AlGaN及p-型GaN。額外的層可包括n-型AlGaN、InGaN、InGaN/GaN MQW、GaN、p-型AlGaN及p-型GaN。在其它實施例中，可用矽基材、SiC基材、氧化鋰鋁、氧化鋰鎵、氧化鋅、GaN、AlN、石英、玻璃、GaAs、尖晶石、前述物質的任何組合、前述物質的任何混合物或前述物質的任何合金來取代藍寶石基材。
就單一腔室製程而言，可在單一腔室內執行不同的生長配方之操作，以依序生長不同成分的層。就多腔室製程而言，可在一系列獨立的腔室中生長III族氮化物元件結構(如，LED、LD)中的層。舉例而言，可於第一腔室中生長無摻雜的/nGaN層或繪示於第5A至5F圖中的層，於第二腔室中生長MQW結構，並於第三腔室中生長p-型GaN層或p-型AlGaN。
第6A至6B圖繪示根據一個實施例(如，第5C及5D圖所繪示)，以在HVPE系統中生長於合適基材(如，含氧化鋁基材、藍寶石基材、(0001)藍寶石基材)上的多重緩衝層增進高品質III族氮化物(如，GaN、AlN、AlGaN)薄層之生長的方法。該方法包括在基材上生長原位低溫含鋁III族氮化物起始層(如，AlN起始層、AlGaN起始層)。接著，於起始層上生長原位高溫含鋁III族氮化物緩衝層(如，AlN緩衝層、AlGaN緩衝層)。後續，於HVPE系統中發生高溫高品質GaN沉積。在多重緩衝層生長的同時抑制均質顆粒形成。
於方塊602，提供用於III族氮化物(如，GaN、AlN、AlGaN)生長的基材(如，藍寶石基材)。於方塊604，將基材載體上的基材載入HVPE系統。接著，於方塊606，建立供系統所用之起始製程條件。製程條件可包括設定壓力(如，50至800Torr、400至450Torr)、設定含氮材料(如，氮氣、氧化亞氮、氨、聯氨、二醯亞胺、疊氮酸，等)為某流速(如，2至10SLM、2至4SLM)，並使基材 載體溫度斜線變化至第一溫度(如，高於900℃、950至1050℃等溫度)。於方塊608，一旦溫度達到設定點，基材處在氮化下達某時間段(如，5至15分鐘)。於方塊610，在氮化之後，將基材載體冷卻至第二溫度(如，低於900℃、500至800℃、600至700℃等溫度)，以進行低溫沉積。
於方塊612，當達到溫度設定點時，開始低溫含鋁III族氮化物緩衝層(如，AlN、AlGaN)沉積。起始層生長的同時可藉由將鹵素氣體(如，額外的氯)或鹵化氫(如，額外的HCl氣體)流至生長區，以抑制均質顆粒形成(如，AlN、AlGaN)。用於緩衝層沉積的製程條件可包括於方塊612將一或多種的金屬鹵化物前驅物(如，至少一種含鹵化鋁前驅物(如，AlCl3 、AlCl、AlBr、AlBr3 、AlI、AlI3 、GaCl、GaCl3 等))伴隨著載氣流入HVPE系統的生長區內。可藉由使氯氣(Cl2 )以某流速及時間段(如，10至150sccm達30秒鐘至5分鐘)流向位在分離區(沉積區的上游)中之金屬源(如，鋁源)，來形成氯化鋁前驅物。或者，可使HCl氣體以某流速及時間段(如，20至300sccm達30秒鐘至5分鐘)流過Al源，以形成氯化鋁前驅物。Al源可為固態，且該Al源之溫度為自200℃至Al熔點溫度(如，約660℃)。Al源可為液態，且該Al源之溫度高於Al熔點溫度。在另一個實施例中，也可使用液態Ga源，以在沉積區上游之分離區中形成氯化鎵前驅物(如，GaCl、GaCl3 )。
於方塊616，在將金屬鹵化物前驅物引入生長區內的同時或幾乎同時(如，0至1分鐘之前)，將鹵素氣體(如，氯(Cl2 )氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)流引至生長區(如，200至1100sccm、400至900sccm)。於方塊618，在關閉金屬鹵化物前驅物流之後，可維持鹵素氣體或鹵化氫氣體流達某時間段(如，0至5分鐘)。藉由生長區中的氨、一或多種的金屬鹵化物前驅物與鹵素氣體或鹵化氫氣體之反應，可沉積起始層或緩衝層。
於方塊620，在關閉鹵素氣體或鹵化氫氣體流之後，開始使基材載體的溫度斜線變化至第三溫度(如，高於900℃、980至1080℃等溫度)。於此操作期間，將氨氣流切換為1至12SLM。於方塊624，一旦基材載體溫度到達第三溫度，接著開始高溫含鋁III族氮化物緩衝層(如，AlN、AlGaN)沉積。生長高溫緩衝層，同時藉由將鹵素氣體或鹵化氫氣體流至生長區來抑制均質顆粒形成(如，AlN、AlGaN)。用於高溫緩衝層沉積的製程條件可包括於方塊624將一或多種的金屬鹵化物前驅物(如，至少一種含鹵化鋁前驅物(如，AlCl3 、AlCl、AlBr、AlBr3 、AlI、AlI3 、GaCl、GaCl3 等))伴隨著載氣流入HVPE系統的生長區內。可藉由使氯氣(Cl2 )以某流速及時間段(如，10至150sccm達30秒鐘至5分鐘)流向位在分離區(沉積區的上游)中之金屬源(如，鋁源)，來形成氯化鋁前驅物。或者，可使HCl氣體以某流速及時間段(如，20至300sccm達30秒鐘至5分鐘)流過Al源，以形成氯化鋁 前驅物。Al源可為固態，且該Al源之溫度為自200℃至Al熔點溫度(如，約660℃)。Al源可為液態，且該Al源之溫度高於Al熔點溫度。在另一個實施例中，也可使用液態Ga源，以在沉積區上游之分離區中形成氯化鎵前驅物(如，GaCl、GaCl3 )。
於方塊626，在將金屬鹵化物前驅物引入生長區內的同時或幾乎同時(如，0至1分鐘之前)，將鹵素氣體(如，氯(Cl2 )氣)或鹵化氫氣體(如，氯化氫(HCl)氣體)流引至生長區(如，200至1100sccm、400至900sccm)。於方塊628，在關閉金屬鹵化物前驅物流之後，可維持鹵素氣體或鹵化氫氣體流達某時間段(如，0至5分鐘)。藉由生長區中的氨、一或多種的金屬鹵化物前驅物與鹵素氣體或鹵化氫氣體之反應，可沉積高溫緩衝層。
於方塊630，在關閉鹵素氣體或鹵化氫氣體流且緩衝層形成完成之後，使基材載體的溫度斜線變化至第四溫度(如，高於900℃、980至1080℃等溫度)。於方塊632，一旦載體溫度到達第四溫度，接著將氨氣流切換為某流速(如，2至20SLM、2至4SLM)。
於方塊634，具緩衝層的基材進行第二次氮化達某時間段(如，10分鐘)。於方塊636，在氮化之後，將載體溫度斜線變化至第五溫度(如，900℃或更高、980至1080℃等溫度)。於此操作期間，將氨氣流切換為1至22SLM。於方塊638，一旦基材載體溫度到達第五溫度，將引入的氯(Cl2 )氣流以某流速(如，50至400sccm)流過金 屬源(如，Ga源)，用於III族氮化物生長(如，GaN生長)。在3至30分鐘的沉積之後，當期望的GaN厚度達成時，阻斷流過金屬源的氯氣流，並冷卻基材載體，同時流入氨氣來保存III族氮化物層。在一替代的實施例中，可以氯化氫(HCl)流取代方塊638之操作的氯(Cl2 )流。
根據本揭露內容生長於藍寶石基材上之GaN層(伴隨著沉積的含鋁III族氮化物緩衝層與均質顆粒形成抑制)的結晶品質，至少可比得上且很可能超越文獻所報導的藉由MOCVD及HVPE所生長之最高品質GaN膜。就根據本揭露內容而生長於(0001)藍寶石上並結合低溫AlN及高溫AlN緩衝層(根據第5D圖的概況)之5至6μm厚的GaN膜而言，在軸(on-axis)(002)尖峰的X-光搖擺曲線測量的典型半高全寬(full widths at half-maximum；FWHM)為90至130角秒；而離軸(off-axis)(102)尖峰的X-光搖擺曲線測量的典型半高全寬為230至280角秒。
第7A圖繪示根據一個實施例在HVPE系統中沉積於(0001)藍寶石基材上之4.8μm的GaN之在軸(002)尖峰的X-光搖擺曲線，且第7B圖繪示該4.8μm的GaN之離軸(102)尖峰的X-光搖擺曲線。GaN可根據本揭露內容伴隨著低溫AlN緩衝層及高溫AlN緩衝層的組合(根據第5D圖的概況)而沉積，在低溫AlN緩衝層及高溫AlN緩衝層生長時藉由流入額外的氯(Cl2 )氣來抑制均質顆粒形成。在HVPE系統中，低溫AlN緩衝層沉積於(0001)藍寶石基材上。
反應器條件將根據反應器型態及設計而改變。上文就第1、2及6A至6B圖所述的三個方法僅顯示已發現對伴隨著均質形成抑制的III族氮化物緩衝層(該緩衝層含鋁)生長及後續高品質III族氮化物磊晶層沉積有利的三組條件。其它條件也可能有利於這樣的生長。
可注意到，第1、2及6A至6B圖中的操作可依需求省略或增加額外的操作。用於氮化、AlN緩衝層沉積、AlGaN緩衝層沉積及GaN沉積操作的腔室壓力可能相異。在生長製程中的其它操作也可能變化。已發現，基材的氮化及含鋁III族氮化物緩衝層的氮化可增進某些高品質III族氮化物磊晶層的表面型態，並增進其它層的結晶品質。然而，對任何特定生長技術而言，此舉可能是或不是必要的。
可於此申請案中使用任何載氣。典型的載氣為氮(N2 )、氫(H2 )、氬(Ar)或氦(He)，或該等氣體的任何組合。
在一個實施例中，本揭露內容之含Al的III族氮化物緩衝層可供任何氮化物合金成分及任何數量的層或該等氮化物合金成分及層之組合的後續生長所用，例如，III族氮化物薄層可包括具有化學式Gan Alx Iny Bz N之(Ga、Al、In、B)N半導體的合金成分，其中0≦n≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1，且n+x+y+z=1。
經常將諸如Zn、Fe、Si、Ge及Mg等摻質摻雜進入氮化物層。併入該等摻質及未具體列出之其它摻質可相容於此揭露內容的實施方式。
可用於本發明的實施例之結構性基材包括，但不限於，矽(Si)、碳化矽(SiC)、藍寶石或其它形式的氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鋰鋁(LiAlO2 )、氧化鋰鎵(LiGaO2 )、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、石英、玻璃、砷化鎵(GaAs)、尖晶石(MgAl2 O4 )、前述物質的任何組合、前述物質的任何混合物或前述物質的任何合金。本揭露內容可用於任何定向之AlN(或含鋁III族氮化物半導體)的沉積，如，半極性、非極性和極性。因此，可使用不同定向的基材。也可用來自基材的結晶面之故意斜切(miscut)來增進基材上之氮化物層的結晶品質及型態。故意斜切可用來起始氮化物層的2D生長模式沉積。
本揭露內容也可用於以具有不同圖案幾何學的任何經圖案化基材來沉積III族氮化物層。在一個實施例中，經圖案化的基材為(0001)經圖案化的藍寶石基材(patterned sapphire substrate；PSS)。因為經圖案化藍寶石基材可增加光萃取效率(light extraction efficiency)，因此對於製造LED及LD來說可能非常有用。使用PSS的另一個益處為可能的GaN結晶品質的增進。
所有CVD磊晶方法(其中任何鹵化鋁及氨以任何加合物(鹵化鋁的氨複合物)的形式存在，或任何鹵化鋁及氨分別輸送且僅在沉積操作期間混合以產生(多個)含鋁III族氮化物半導體層)可被認為是含Al的HVPE製程。本揭露內容有關於含Al的HVPE製程。
含鹵化鋁的前驅物可位於HVPE反應器之特別反應器 區中，或含鹵化鋁的前驅物可包含於起泡器(bubbler)(如，蒸發器(evaporator))內部，起泡器可藉由輸送管線連接至HVPE反應器。可將含鹵化鋁的前驅物維持於恆定的溫度下，以提供足夠的鹵化鋁蒸氣壓，鹵化鋁可藉由載氣攜帶進入預混合區或沉積區中。
可藉由位在特定反應器區中的Al與鹵素氣體或鹵化氫氣體之化學反應來產生鹵化鋁。可使用選自Cl2 、Br2 、I2 所組成之群組中之任何鹵素或鹵素的組合與Al反應，以產生單鹵化鋁(aluminum monohalide)或三鹵化鋁。可使用選自HCl、HBr、HI所組成之群組中之任何鹵化氫或鹵化氫的組合與Al反應，以產生單鹵化鋁或三鹵化鋁。
用於AlN(或含鋁III族氮化物半導體結晶)沉積之生長參數的通用大綱為介於10Torr與1000Torr之間的壓力，及介於400℃與1400℃之間的溫度。用於含鋁III族氮化物半導體化合物(如，AlN)沉積之反應器條件可根據個別反應器的設計及鹵化鋁源的型態(如，AlCl3 、AlCl3 -NH3 、AlBr3 或(AlCl3 )-nNH3 、AlCl)而變化。
第8圖為HVPE裝置800的概要剖面圖，HVPE裝置800可用以沉積使用本文所述之製程而形成的III族氮化物層(如，GaN、AlN、AlGaN、AlON)。HVPE裝置800包括由蓋體804圍住的腔室802。腔室802及蓋體804界定處理區(或生長區)807。噴頭806設置於處理區807的上方區域中。承座814設置於處理區807中而與噴頭 806相對。承座814經配置以於處理期間支撐複數個基材815於承座814上。在一個實施例中，基材815設置於基材載體816上，基材載體816由承座814支撐。承座814可由馬達880所轉動，且承座814可由多種材料所形成，包括SiC或經SiC塗佈之石墨。
在一個實施例中，HVPE裝置800包括加熱組件828，該加熱組件828配置來加熱承座814上的基材815。在一個實施例中，腔室底部802A由石英製成，且加熱組件828為設置於腔室底部802A下方的燈泡組件，以透過石英腔室底部802A加熱基材815。在一個實施例中，加熱組件828包括燈泡陣列，燈泡陣列經分配以提供均勻的溫度分布遍及基材、基材載體及/或承座。
HVPE裝置800更包括設置於腔室802的側壁808內部之前驅物供應管道822、824。管道822及824流體連通處理區807及入口管821，入口管821可見於前驅物源模組832中。噴頭806流體連通處理區807及第一氣體源810。處理區807經過出口826流體連通排放裝置851。
HVPE裝置800更包括埋設於腔室802的壁808內之加熱器830。若有需要的話，埋設於壁808內之加熱器830可於沉積製程期間提供額外的熱。可使用熱電耦(thermocouple)來測量處理腔室內的溫度。可將來自熱電耦的輸出回饋至控制器841，控制器841可基於來自熱電耦(未繪示)的讀數，藉由調整輸送至加熱器830(如， 電阻式加熱元件)的功率來控制腔室802的壁之溫度。舉例而言，若腔室過冷，加熱器830將被啟動。若腔室過熱，加熱器830將被關閉。此外，加熱器830所提供的總熱量可受到控制，以最小化加熱器830所提供的總熱量。
來自第一氣體源810的處理氣體透過氣體分配噴頭806輸送至處理區807。在一個實施例中，第一氣體源810為氨氣源。在一個實施例中，第一氣體源810經配置以輸送包括氨或氮的氣體。在一個實施例中，也可透過氣體分配噴頭806或透過設置於腔室802之側壁808上的管道824引入惰性氣體(如，He、Ar、N2 )。在一個實施例中，可透過設置於腔室802之側壁808上的管道824引入氯氣。能量源812可設置於第一氣體源810與氣體分配噴頭806之間。在一個實施例中，能量源812可包括加熱器或遠端RF電漿源。
源模組832包括連接至源舟(source boat)的井834A之鹵素或鹵化氫氣體源818，以及連接至井834A之惰性氣體源834。諸如鋁、鎵或銦等源材料823可設置於井834A中。加熱源820圍繞源舟。入口管821經過管道822、824將井834A連接至處理區807。
在一個實施例中，於處理期間，自鹵素氣體源818將鹵素氣體(如，Cl2 、Br2 或I2 )輸送至源舟的井834A，以產生金屬鹵化物前驅物氣體。在一個實施例中，於處理期間，自鹵化氫氣體源818將鹵化氫氣體(如，HCl、HBr 或HI)輸送至源舟的井834A，以產生金屬鹵化物前驅物氣體。鹵素氣體或鹵化氫氣體與固態或液態源材料823的交互作用容許形成金屬鹵化物前驅物。在一個實施例中，金屬鹵化物氣體為III族金屬鹵化物氣體，如氯化鎵(如，GaCl、GaCl3 )、氯化銦(如，InCl3 )或氯化鋁(如，AlCl3 、AlCl)。可藉加熱源820來加熱源舟，以加熱源材料823，並容許形成金屬鹵化物前驅物。接著透過入口管821將金屬鹵化物前驅物輸送至HVPE裝置800的處理區807。在一個實施例中，自惰性氣體源834所輸送的惰性氣體(如，Ar、He、N2 )被用來將井834A中所形成的金屬鹵化物前驅物透過入口管821及管道822及824攜帶或推送至HVPE裝置800的處理區807。可透過噴頭806將氨氣(NH3 )引入處理區807，同時也將金屬鹵化物前驅物提供至處理區807，使得III族氮化物層可形成於設置在處理區807中之基材815的表面上。
在另一個實施例中，首先可在一個腔室中提供一或多個基材，以形成含鋁的III族氮化物層，並接著移至工具內之不同腔室，以進行後續處理。第9圖為可用於根據本揭露內容之一個實施例的製程中之叢集工具1600。叢集工具1600經配置以形成氮化物化合物結構。
在一個實施例中，叢集工具1600包括連接至傳送腔室1606的一個HVPE腔室1602及多個MOCVD腔室1603a及1603b，用以根據本文描述的實施例製造化合物氮化物半導體元件。儘管圖中顯示一個HVPE腔室1602及兩 個MOCVD腔室1603a及1603b，應了解到也可將一或多個的MOCVD腔室與一或多個的HVPE腔室之任何組合耦接至傳送腔室1606。舉例而言，在一個實施例中，叢集工具1600可包括3個MOCVD腔室。也應瞭解的是，儘管圖中顯示叢集工具，也可使用線性處理系統來進行本文所述之實施例。
在一個實施例中，額外腔室1604耦接傳送腔室1606。額外腔室1604可為MOCVD腔室、HVPE腔室、測量腔室、除氣腔室、定向腔室、冷卻腔室、預處理/預清潔腔室、後-退火腔室或類似腔室。在一個實施例中，傳送腔室1606為具有六個側邊的六角形狀，並具有用於安裝製程腔室的六個位置。在另一個實施例中，傳送腔室1606可具有其它形狀，並具有五個、七個、八個或更多個側邊，並具有對應數量的製程腔室安裝位置。
HVPE腔室1602適於進行HVPE製程，其中使用氣態金屬鹵化物於經過加熱的基材上磊晶生長化合物氮化物半導體材料層。HVPE腔室1602包括腔室主體1614，基材置於腔室主體1614中以進行處理；化學輸送模組1618，來自化學輸送模組1618的氣體前驅物被輸送至腔室主體1614；以及電子模組1622，包括供叢集工具1600的HVPE腔室所用之電子系統。在一個實施例中，HVPE腔室1602類似第7圖所描述之HVPE裝置600。
各MOCVD腔室1603a、1603b包括腔室主體1612a、1612b形成處理區域，基材放置於處理區域中以進行處 理，諸如前驅物、淨化氣體及清潔氣體等氣體自化學輸送模組1616a、1616b輸送至腔室主體1612a、1612b，以及供各MOCVD腔室1603a、1603b所用之電子模組1620a、1620b，電子模組1620a、1620b包括電子系統供叢集工具1600的各MOCVD腔室所用。各MOCVD腔室1603a、1603b適於進行CVD製程，金屬有機前驅物(如，TMG、TMA)在CVD製程中與金屬氫化物元素反應，以形成化合物氮化物半導體材料層。
叢集工具1600更包括位在傳送腔室1606內之機器人組件1607，負載鎖定腔室1608耦接傳送腔室1606，用於存放基材的批次負載鎖定腔室1609耦接傳送腔室1606。叢集工具1600更包括用以載入基材之負載站1610，負載站1610耦接負載鎖定腔室1608。可操作機器人組件1607來拾起並於負載鎖定腔室1608、批次負載鎖定腔室1609、HVPE腔室1602及MOCVD腔室1603a、1603b之間傳送基材。在一個實施例中，負載站1610為自動化負載站，該自動化負載站經配置以自卡匣將基材載入至基材載體，或直接將基材載入至負載鎖定腔室1608，並自基材載體或自負載鎖定腔室1608將基材卸載至卡匣。
在製程期間，可將傳送腔室1606維持在真空下及/或在低於大氣壓下。可調整傳送腔室1606的真空程度以匹配對應處理腔室的真空程度。在一個實施例中，傳送腔室1606維持具有高於90%的N2 之環境用於基材傳送。 在另一個實施例中，傳送腔室1606維持高純度NH3 之環境用於基材傳送。在一個實施例中，在具有高於90%的NH3 之環境中傳送基材。在另一個實施例中，傳送腔室1606維持高純度H2 之環境用於基材傳送。在一個實施例中，在具有高於90%的H2 之環境中傳送基材。
叢集工具1600更包括系統控制器1660，系統控制器1660控制活動及操作參數。系統控制器1660包括電腦處理器及耦接該處理器之電腦可讀記憶體。處理器執行系統控制軟體，如儲存於記憶體中之電腦程式。
在一個實施例中，處理腔室1602、1603a、1603b或1604中之一個處理腔室經配置以在形成元件結構之前，根據上文所述之方法形成含鋁的III族氮化物層。接著將根據上文所述之方法沉積於基材上之含鋁的III族氮化物層或數個III族氮化物層傳送至一或多個的沉積腔室，以沉積後續層，後續層可供形成LED或LD結構所用。在一個實施例中，可在HVPE處理腔室1602中，將含鋁III族氮化物緩衝層沉積於基材上，及/或以III族氮化物層(如，無摻雜的GaN層、n-型摻雜的GaN層)覆蓋含鋁III族氮化物緩衝層，接著將含鋁III族氮化物緩衝層移動至MOCVD處理腔室1603a或/及1603b，以形成供元件結構(如，n-型摻雜的GaN層、AlGaN層、MQW結構、p-型摻雜的AlGaN層、p-型摻雜的GaN層)所用之III族氮化物層。在另一個實施例中，可於HVPE處理腔室1602中將含鋁III族氮化物緩衝層沉積於基材上， 接著將含鋁III族氮化物緩衝層移動至MOCVD處理腔室1603a或/及1603b，以形成後續層，後續層可供元件結構所用。
第10圖繪示根據一個實施例之功率電子元件的剖面圖。功率電子元件1200可包括N型區域1210(例如，電極)、經離子佈植區域1212及1214、磊晶層1216(例如，厚度4微米的N型GaN磊晶層)、緩衝層1218(例如，厚度2微米的N+ GaN緩衝層)、基材1220(例如，N+塊狀GaN基材、矽基材)，及歐姆接點1230(例如，Ti/Al/Ni/Au)。元件1200可包括沉積於GaN基材或矽基材上之一或多個GaN層。該元件(例如，功率IC、功率二極體、功率閘流體、功率MOSFET、IGBT、GaN HEMT電晶體)可供功率電子電路及模組中的開關或整流器所用。
應瞭解上方的說明係意欲作為說明性的，而非具限制性。在閱讀並瞭解上方說明之後，許多的其他實施例對於熟悉該技術領域之人士將變得明顯。儘管已參照特定範例實施例描述本揭露內容，可意識到本發明並不限於所描述的實施例，而可經修飾及變化來實施本發明。因此，應將說明書及圖式視為示例而非限制。
102~124‧‧‧步驟
202~224‧‧‧步驟
300、310、320、330、340、350‧‧‧AFM影像
500、510、520、530、540、550‧‧‧元件
502、512、522、532、542、552‧‧‧藍寶石基材
504、536、544、556‧‧‧高溫AlN緩衝層
506、516、509、519、528、538、548、559‧‧‧GaN層
508、514、518、524、534、554‧‧‧低溫AlN緩衝層
526、546、558‧‧‧高溫AlGaN緩衝層
602~638‧‧‧步驟
800‧‧‧HVPE裝置
802‧‧‧腔室
802A‧‧‧腔室底部
804‧‧‧蓋體
806‧‧‧噴頭
807‧‧‧處理區/生長區
808‧‧‧側壁
810‧‧‧第一氣體源
812‧‧‧能量源
814‧‧‧承座
815‧‧‧基材
816‧‧‧基材載體
818‧‧‧鹵素氣體源
820‧‧‧加熱源
821‧‧‧入口管
822、824‧‧‧管道
823‧‧‧源材料
826‧‧‧出口
828‧‧‧加熱組件
830‧‧‧加熱器
832‧‧‧源模組
834‧‧‧惰性氣體源
834A‧‧‧井
841‧‧‧控制器
851‧‧‧排放裝置
880‧‧‧馬達
1600‧‧‧叢集工具
1602‧‧‧HVPE腔室
1603A、1603B‧‧‧MOCVD腔室
1604‧‧‧額外腔室
1606‧‧‧傳送腔室
1607‧‧‧機器人組件
1608‧‧‧負載鎖定腔室
1609‧‧‧批次負載鎖定腔室
1610‧‧‧負載站
1612A、1612B‧‧‧腔室主體
1614‧‧‧腔室主體
1616A、1616B‧‧‧化學輸送模組
1618‧‧‧化學輸送模組
1620A、1620B‧‧‧電子模組
1622‧‧‧電子模組
1660‧‧‧系統控制器
1200‧‧‧功率電子元件
1210‧‧‧N型區域
1212、1214‧‧‧經離子佈植區域
1216‧‧‧磊晶層
1218‧‧‧緩衝層
1220‧‧‧基材
1230‧‧‧歐姆接點
本發明之實施例係藉由示例方式而非限制方式，以在伴隨之圖式中說明，該些圖式為： 第1圖為繪示根據一個實施例用以增進具低溫緩衝層之高品質III族氮化物膜(如，GaN薄膜)生長之方法的流程圖；第2圖為繪示根據一個實施例之用以增進具高溫緩衝層之高品質III族氮化物膜(如，GaN薄膜)生長之方法的流程圖；第3A圖繪示1微米×1微米之藍寶石基材表面的AFM影像300；第3B至3F圖繪示根據一個實施例之額外Cl2 流對沉積於藍寶石基材上之高溫AlN緩衝層的表面型態的影響；第4圖繪示根據一個實施例於AlN沉積操作期間，在不同流速之額外Cl2 下，沉積於藍寶石基材上之高溫AlN緩衝層的均方根粗糙度(Rms)(以奈米計)；第5A至5F圖繪示根據一個實施例供HVPE系統於藍寶石結構上沉積GaN所用之多重緩衝層的位置之數個實例；第6A至6B圖繪示根據一個實施例之用以在HVPE系統中以生長的多重緩衝層增進高品質III族氮化物(如，GaN、AlGaN)層之生長的方法；第7A圖繪示根據一個實施例沉積於(0001)藍寶石基材上之4.8μm的GaN之在軸(on-axis)(002)尖峰的X-光搖擺曲線，且第7B圖繪示根據一個實施例沉積於(0001)藍寶石基材上之4.8μm的GaN之離軸(off-axis)(102)尖峰 的X-光搖擺曲線；第8圖繪示根據一個實施例的HVPE裝置；第9圖概要地繪示一個實施例中之叢集工具的物理結構；以及第10圖繪示根據一個實施例之元件的剖面圖。
602~638‧‧‧步驟

Claims (17)

  1. 一種於一氫化物氣相磊晶處理系統之一處理腔室中沉積多重緩衝層的方法，包含下列步驟：於該氫化物氣相磊晶處理系統之該處理腔室中提供一基材；藉由下列步驟形成含鋁的一第一III族氮化物緩衝層：將氨氣流入該處理腔室之一生長區，流入一或多種含金屬鹵化物前驅物，該一或多種含金屬鹵化物前驅物包括至少一種含鹵化鋁前驅物，以及同時將鹵素氣體或鹵化氫氣體流入該生長區；以及藉由下列步驟於該第一緩衝層上形成含鋁的一第二III族氮化物緩衝層：將氨氣流入該處理腔室之一生長區，流入一或多種含金屬鹵化物前驅物，該一或多種含金屬鹵化物前驅物包括至少一種含鹵化鋁前驅物，以及同時將鹵素氣體或鹵化氫氣體流入該生長區，其中該第一III族氮化物緩衝層係在接近500至800℃之一溫度下形成的氮化鋁(AlN)層，該第二III族氮化物緩衝層係在900℃或更高之一溫度下形成的氮化鋁(AlN) 層。
  2. 如請求項1所述之方法，更包含下列步驟：於該等緩衝層上形成一III族氮化物層，其中該第一III族氮化物緩衝層包含一起始層或一成核層。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該III族氮化物層係藉由使該至少一種含金屬鹵化物前驅物與氨氣反應所形成。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該含鹵化鋁前驅物包含一氯化鋁氣體，其中該鹵化氫氣體包含一氯化氫(HCl)氣體。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該鹵素氣體包含一氯(Cl2 )氣。
  6. 如請求項1所述之方法，其中流入該生長區之該鹵素氣體或鹵化氫氣體抑制顆粒的均質形成。
  7. 如請求項1所述之方法，更包含下列步驟：停止全部含金屬鹵化物前驅物流，同時將該鹵素氣體或鹵化氫氣體及氨氣持續流入該處理腔室之該生長區達一時間段。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該一或多種的含金屬鹵化物前驅物包含三氯化鋁(AlCl3 )前驅物、單氯化鋁(aluminum monochloride)(AlCl)前驅物、三溴化鋁(AlBr3 )前驅物、單氯化鎵(GaCl)前驅物及三氯化鎵(GaCl3 )前驅物中之至少一者。
  9. 如請求項1所述之方法，更包含下列步驟：藉由下列步驟於該第二緩衝層上形成含鋁的一第三III族氮化物緩衝層：將氨氣流入該處理腔室之一生長區，流入包括至少一種含鹵化鋁前驅物之一或多種含金屬鹵化物前驅物，以及同時將鹵素氣體或鹵化氫氣體流入該生長區；以及於該第三緩衝層上形成一III族氮化物層。
  10. 一種於一處理腔室中沉積多重緩衝層的方法，包含下列步驟：於一處理腔室中提供一基材；藉由下列步驟形成含鋁的一第一III族氮化物緩衝層：將氨氣流入該處理腔室之一生長區，流入一或多種含金屬鹵化物前驅物，以及同時將鹵素氣體或鹵化氫氣體流入該生長區；於該第一緩衝層上形成一第一III族氮化物層； 藉由下列步驟於該第一III族氮化物層上形成含鋁的一第二III族氮化物緩衝層：將氨氣流入該處理腔室之一生長區，流入一或多種含金屬鹵化物前驅物，以及同時將鹵素氣體或鹵化氫氣體流入該生長區；以及於含鋁的該第二III族氮化物緩衝層上形成一第二III族氮化物層，其中該第一III族氮化物緩衝層係在接近500至800℃之一溫度下形成的氮化鋁(AlN)層，該第二III族氮化物緩衝層係在900℃或更高之一溫度下形成的氮化鋁(AlN)層。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該第一及第二III族氮化物層係藉由使該至少一種含金屬鹵化物前驅物與氨氣反應所形成。
  12. 如請求項10所述之方法，其中該一或多種含金屬鹵化物前驅物包括至少一種含鹵化鋁前驅物，其中該鹵化氫氣體係一氯化氫(HCl)氣體。
  13. 如請求項10所述之方法，其中該鹵素氣體係一氯(Cl2 )氣。
  14. 如請求項10所述之方法，其中流入該生長區之該鹵 素氣體或鹵化氫氣體抑制顆粒的均質形成。
  15. 如請求項10所述之方法，其中該基材係藍寶石基材。
  16. 如請求項10所述之方法，更包含下列步驟：停止全部含金屬鹵化物前驅物流，同時將該鹵素氣體或鹵化氫氣體及氨氣持續流入該處理腔室之該生長區達一時間段。
  17. 如請求項10所述之方法，其中該一或多種含金屬鹵化物前驅物包含三氯化鋁(AlCl3 )前驅物、單氯化鋁(AlCl)前驅物、三溴化鋁(AlBr3 )前驅物、單氯化鎵(GaCl)前驅物及三氯化鎵(GaCl3 )前驅物中之至少一者。
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