TWI575772B - 沉積iii族氮化物半導體薄膜的方法 - Google Patents

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Description

沉積III族氮化物半導體薄膜的方法
本說明書中記載了一種沉積III族氮化物半導體膜的方法。
III族氮化物半導體使用於各種裝置中，如發光二極體，雷射二極體，太陽能光伏電池以及功率裝置如高電子遷移電晶體。
發光二極體(LED)的基本結構符合於一個pn半導體二極體，使他們顯示出可比較的特徵。其差異在於用於LED的半導體材料。非發光二極體的製造是從矽，或有時鍺或硒，而用於LED的半導體材料是一種III-V族半導體材料，通常是一鎵化合物。
如果將電壓施加在一向前方向，則電子遷移從LED的n型摻雜到p型摻雜使其發光。發光的波長及它的顏色取決於形成pn交聯的材料的帶隙能量。在矽或鍺二極體中，電子和電洞藉由非輻射躍遷而重新結合，因此不產生光發射，因為這些是間接帶隙材料。用於LED的材料具有符合近紅外光、可見光或近紫外光的一直接帶隙能量。
LED通常建立在一n型基板，具有電極連接到其表面上沉積的p型層。在P型基板上不太常見，但也可以使用。一些商業化的LED，特別是氮化鎵/氮化銦鎵，都是使用一藍寶石基材。
在氮化鎵和基板之間的大晶格不匹配，如藍寶石、矽、碳化 矽及石英，可以藉著使用多重生長步驟容納晶格應變，使高品質的氮化鎵薄膜的能夠生長。
由於氮化鋁和各種基板之間具有較小的晶格不匹配，一中間磊晶(epitaxially)生長的氮化鋁層可以被沉積在基板上，並作為氮化鎵可以生長的一個模板。因此，氮化鋁緩衝層的使用可以被用來繞過有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)所需要的具有挑戰性的成核步驟，以生長氮化鎵在各種基材上，如藍寶石。
不僅磊晶生長的品質，而且還可以調整III族氮化物薄膜的極性。
US2013/0049065A1公開了一種磊晶膜的形成方法，能夠製造III族氮化物半導體的III族極性薄膜，例如以濺鍍形成具有鋁面極性的氮化鋁膜。氮化鋁薄膜被濺鍍以加熱器加熱至一濺鍍溫度的藍寶石或α-氧化鋁基板上，該基板設置於該加熱器之一預定距離外。
然而，更進一步需要的是，可以製造具有所需的面極性的一種III族氮化物半導體薄膜的方法。
提供一種沉積III族氮化物半導體薄膜在一基板上的方法，其包含提供一藍寶石基板，例如一個<0001>c-平面的藍寶石基板，放置該基板於真空室中；藉由蝕刻調整該基板之一表面，並提供一調整過的表面；將該基板與一加熱器面向該基板的表面之間保持一預定距離；藉由使用加熱器將該基板加熱至一溫度T1，同時該基板保持遠離該加熱器面向該基板的表面；以物理氣相沉積法在該調整過的基板表面沉積一III族氮化物的半導體薄 膜，同時基板保持遠離該加熱器面向該基板的表面且形成磊晶的III族氮化物半導體薄膜，在該基板之該調整過的表面上具有氮面極性(N-face polarity)。
一種結合蝕刻步驟以提供一處理過的表面以及沉積一III族氮化物半導體薄膜在此處理過的表面上，同時該基板不直接物理接觸該加熱器已被發現，以便在III族氮化物半導體薄膜中形成一氮面極性。一種可能的機制，可藉其提供此特徵，可能在於在蝕刻步驟之後一鋁末端(Al-terminated)調整結構的形成，其激勵了沉積在此鋁末端調整表面上的一III族氮化物半導體薄膜中之氮面極性的形成。
例如，對於一些設備，具有鎵面極性(Ga-face polarity)的氮化鎵薄膜是需要的，因為它們表現出比氮面極性層更光滑的表面。獲得鎵面極性的氮化鎵薄膜的一種方法是生長具有氮面極性在基板上的一磊晶的氮化鋁薄膜。此具有氮面極性的氮化鋁薄膜促進了沉積在具有氮面極性的氮化鋁薄膜上的氮化鎵薄膜中鎵面極性的形成。
在一實施例中，該基板之該調整過的表面包括在真空中電漿軟蝕刻該表面。電漿軟蝕刻可以包括加熱該基板至溫度T2，引入氬氣到真空室中，並使基材表面受電漿處理。該溫度T2係可介於35℃至70℃，例如50℃。在一實施例中，該電漿軟蝕刻係以射頻電漿包含氬離子於2x10-4毫巴至8x10-4毫巴的壓力下進行。一50瓦的射頻功率可被使用，舉例來說。
電漿軟蝕刻進行的溫度T2可能會低於該III族氮化物薄膜沉積於該基板的溫度T1。T1可能在介於650℃~800℃的範圍內。
在一實施例中，在電漿軟蝕刻期間，該基板保持遠離該加熱 器面向基板的表面。
在一實施例中，其中該調整基板表面的方法可以化學蝕刻該表面來取代該電漿軟蝕刻或除了電漿軟蝕刻之外額外採用。
在蝕刻之後，該調整過的表面是鋁末端。空調的表面可以是鋁終止。其中該蝕刻可包括優先從該基板移除氧的化學鍵結以提供在該藍寶石基板上的鋁末端表面。
該方法可進一步包括在調整該表面之後，在真空室中以氮氣流處理該調整過的表面。在具有鋁末端的調整過的表面的情況下，該氮氣流可被使用以激勵在鋁末端表面上六方晶系氮化鋁的生長。此六方晶係的氮化鋁可以是單分子層且可用於鼓勵在六方晶系氮化鋁上的氮面氮化鋁的生長。
在一實施例中，該方法進一步包括：流通氬氣(Ar)在基板上同時該基板被加熱至溫度T1。這可能有助於防止污染物的累積，例如，在沉積該氮化鋁層到調整過的表面之前。
本文所描述的實施例中任一項的方法，也可以在多腔室系統中進行，如一個整合式單晶圓製程設備。在這種情況下，調整表面的步驟可以在第一真空室中進行，且沉積該III族氮化物薄膜的步驟可以在第二或不同的真空室中進行。該基板可能在第一和第二真空室之間以一個傳送室被移送，其亦是在真空下。
調整表面後，該方法可以進一步包括降低該真空室中的壓力。這個步驟可被用於清潔真空室。在調整表面之前以及/或沉積之前都可以降低壓力以清潔該真空室。
物理氣相沉積(PVD)步驟可以是濺鍍沉積，例如，射頻磁控濺鍍、直流濺鍍或脈衝直流濺鍍。
在一實施例中，III族氮化物半導體薄膜藉由反應性濺鍍被沉積到該基板之調整過的表面上。靶材可以包括III族元素，例如，可以是鋁靶，處理氣體可包括氮和可選擇性的氬。
處理氣體中的氮與從靶材移除或噴濺出來的鋁反應，以便形成氮化鋁薄膜在該調整過的表面上。在從導電靶材之反應性濺鍍的情況下，一直流電源可被用於為靶材的電源。在一實施例中，具有1.5至3千瓦功率的一直流電源係用以濺鍍該III族氮化物半導體薄膜，如氮化鋁，到該調整過的表面上。
在一實施例中，該III族氮化物半導體薄膜係以射頻濺鍍的方式沉積到該基板之該調整過的表面上。如果靶材是不導電的，也可以使用射頻濺鍍。例如，靶材可能包括要被沉積到該調整過的表面的III族氮化物。在本實施例中，該處理氣體可以是一種如氬氣的惰性氣體。
首先，該III族氮化物薄膜可以藉由在不同的條件下沉積一晶種層至該薄膜殘餘的部分而被沉積。此實施例可以被用來改善調整過的表面的磊晶層或粘附性。在特定實施例中，該方法進一步包括使用反應性濺鍍的方式，在一氮氣/氬氣氛圍中沉積一晶種層於該調整過的表面上，其中氮/氬的比例係大於3，並且在氮氣/氬氣氛圍中沉積該氮化物半導體薄膜於該晶種層上，該氮/氬氣的比例係小於3。
沉積的III族氮化物薄膜後，該基板可以主動冷卻。主動式冷卻有助於基板冷卻下來時減低在基板上的熱應力。
在一實施例中，該方法進一步包括濺鍍另一III族氮化物半導體薄膜在磊晶III族氮化物半導體薄膜上，該另一III族氮化物半導體薄膜具有III族面極性。例如，如果該III族氮化物薄膜是氮化鋁而另一III族氮化物薄膜為氮化鎵，則該氮化鋁薄膜具有氮面極性而該氮化鎵薄膜具有鎵面極性。
下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
10‧‧‧半導體製造設備
11、12、13、14‧‧‧處理站
15‧‧‧共用傳輸模組
16‧‧‧乘載鎖定裝置
17‧‧‧射頻電源
18‧‧‧射頻電漿
20‧‧‧真空室
21‧‧‧標靶支架
22‧‧‧標靶
23‧‧‧加熱器
24‧‧‧基板
25‧‧‧調整過的表面
26‧‧‧氮氣源
27‧‧‧氬氣源
28‧‧‧加熱器元件
29‧‧‧面向基板的表面
30‧‧‧預定距離
31‧‧‧基板後側
32‧‧‧高度調節基板支架
33‧‧‧環
34‧‧‧直流電源
第1圖為一半導體製造的設備，包括幾個獨立的處理站的示意圖。
第2圖是用於在一基板上沉積一III族氮化物半導體薄膜的裝置圖。
第3圖是使用如本發明所述的方法和一對照方法在一藍寶石基板上生長氮化鋁薄膜的示意圖。
一個用於製造藍寶石基板上成長一個氮面極性磊晶的氮化鋁薄膜，舉例來說包括：在真空環境中，以電漿軟蝕刻該藍寶石基板的至少一個表面。可選擇性地，在電漿軟蝕刻之後，該被清潔的基板表面可以暴露於氮氣中。一氮面極性磊晶生長的氮化鋁薄膜是以電漿沉積，例如藉由濺鍍的方式，在氮氣和氬氣的氛圍中，同時保持基板在溫度高於650℃。
以下所描述的方法，也可以在半導體製造設備中執行，其包括連接到一個共同的傳輸模組的幾個獨立的處理站。第1圖顯示了一個適當的半導體製造設備10具有四個獨立的處理站11、12、13以及14，一個共同 的傳輸模組15以及一乘載鎖定裝置16，提供通往周圍的一介面。這種傳輸模組15是一密封環境，較佳的在真空狀態下，包括一個夾持系統，能夠在可評估的承載鎖定裝置16和處理站11、12、13以及14之間轉移該基板。該些處理站11、12、13以及14可具有閥門使其可以從該共同傳輸模組15隔離開來，以避免交叉污染。該些處理站11、12、13以及14，該共用傳輸模組15以及該(等)承載鎖定裝置16的配置方式是本領域已知的整合式單晶圓製程設備。該些處理室11、12、13以及14可以根據執行程序而裝配，並且可以包括提供各種不同的基板處理方法，例如清潔、加熱、照射、沉積、蝕刻等等。
該些處理站11的其中之一係用於調整該藍寶石基板，另一處理站12則用於在該調整過的表面上以反應性濺鍍沉積一III族氮化物半導體薄膜。
該處理站11包括一個射頻電源17，用以產生一射頻電漿18，其包括氬離子，用於在該藍寶石基板的電漿軟蝕刻以及形成一調整過的表面，該表面可為鋁末端。
為了調整該基板的表面，該基板被放置在該處理站11中，該真空室被抽真空且基板溫度提高至50℃左右，舉例來說。一氬氣流被引入且接通射頻電源使得電漿產生在基板的表面，這是用來以電漿軟蝕刻該基板表面並產生調整過的表面，而該表面是鋁末端的結構。然後，將該基板轉移到處理站12。
該處理站12包括一個標靶，例如鋁靶，和一個電源，以使該III族氮化物薄膜以反應性濺鍍沉積。第2圖更詳細說明了該處理站12。
該處理站12包括一真空室20，一標靶支架21支撐一鋁材標靶22以及一加熱器23，該加熱器係設置在該基板24的該調整過的表面25之下。該處理站12進一步包括氮氣源26和氬氣源27，從該處可允許該處理氣體流入到真空室20。該加熱器23包括一加熱器元件28和一面向基板的表面29，其係從該基板24的後側31相隔一預定距離30。該基板24藉由高度調節基板支架32被保持在該預定距離30，該高度調節基板支架32具有一環33用以支持該基板24的後側31的周邊區域。該基板24係直接設置在該標靶22對面。該標靶22與直流電源34連接。
為了沉積氮化鋁薄膜在基板24上，真空室20被抽真空，該基板24以加熱器23加熱到一處理溫度如700℃，同時該基板24從該加熱器23面向基板的表面29相隔開一距離。一旦該基板24達到了該處理溫度，氮氣和氬氣的處理氣體被允許流入該真空室20且該直流電源被施加到標靶22，使鋁從標靶22濺射出來，與氮處理氣體反應在基板24的調整過的表面25上形成氮化鋁層。
第3a圖概略地顯示出氮化鋁生長前未經過電漿清潔的磁控濺鍍氮化鋁的生長，並顯示出其對照方法的結果。該藍寶石基板呈現氧面和鋁面或其混合的極性。此結構和形態下導致多晶氮化鋁薄膜，以及隨後的氮化鎵薄膜的形成，其具有混合極性，即混合的鎵面和氮面極性。
第3b圖概略地顯示出電漿軟蝕刻調整過的一藍寶石基板上的氮化鋁薄膜的成長。在氬電漿軟蝕刻過程中的離子撞擊，可以促進氧原子的優先去除，因此有利於曝露在基板頂面上的鋁原子。換句話說，電漿蝕刻導致鋁末端的藍寶石晶圓形成。其後的氮化，起因於氮氣暴露在高溫 且用於成長氮化鋁薄膜的富有氮原子的電漿可以被用於形成一個過渡性的磊晶氮化鋁的單層，其在藍寶石與氮化鋁薄膜之間具有六方晶系結構，且成長具有一氮面極性的一磊晶氮化鋁薄膜。
此氮面的氮化鋁薄膜促進鎵面極性氮化鎵薄膜形成，其展現了較平滑的表面和品質更好的LED或電源設備的應用，如高電子遷移電晶體。
如本發明的一實施例的方法，包括一6英寸的藍寶石基板在一獨立處理室中的單基板處理。該藍寶石基板被導入到半導體製造設備中並轉移到一個處理站，其被配置以執行蝕刻步驟。該處理環境被抽真空以除去不想要的氣體和之前步驟中的殘餘物，抽真空的時間例如10秒，並在同時該基板的溫度被調整到一溫度T2，例如約50℃。接著引入氬氣，待其壓力及氣體流量穩定，例如，在一個腔室的壓力為5×10-4毫巴。一基板表面以氬離子的射頻電漿軟蝕刻。可能使用的條件是約50瓦持續10至30秒。可選擇地，在軟蝕刻之後，該調整過的表面可能被暴露於氮氣(N2)中，例如，流量20sccm(standard cubic centimeter per minute)持續約20秒。可選擇地，在從蝕刻處理站移出該基板之前，該腔室可被抽真空以清潔所使用的氣體。
以軟蝕刻處理後而具有一調整過的表面的該基板接著被轉移到設置為執行氮化鋁沉積步驟的處理站。該處理室可以是一物理氣相沉積(PVD)/配置有一鋁靶(直徑為300毫米)以及一脈衝式直流電源的濺鍍室。該處理環境被抽真空以除去不想要的氣體和之前步驟中的殘餘物，抽真空的時間例如10秒。該基板被加熱到溫度T1，該溫度T1可以是在650至800℃的範圍內，例如770℃。加熱的持續時間取決於加熱器穩定基板溫度的功率 和時間，可以是100至600秒。可選擇地，一例如為15sccm的氬氣流可以使用於加熱期間。該處理氣體(氬氣和氮氣)被導入並達成穩定，例如為10秒左右。一氮化鋁層被沉積，同時控制氮氣和氬氣的流量。氮氣的流量可以是60sccm且氬氣的流量可以是20sccm。濺鍍可以使用直流電源進行，例如2.5千瓦持續270秒的直流電源對於一厚度為100奈米的鍍層可能就足夠了。因此，在此實施例中的沉積速率約為0.3奈米/秒(nm/s)。
可選擇地，一晶種層可以在氮化鋁層沉積前被沉積。該晶種層以一增加的氮氣/氬氣比值被沉積，例如氮氣/氬氣>>3，氬=0是可能的。可選擇地，該處理室可以被抽真空以清潔殘留的處理氣體。該基板可冷卻，在一段時間內，例如10至300秒，以避免基板過度的熱應力及夾持設備的限制，接著處理過的基板從半導體製造設備移出。
可選擇地，在從處理環境中移出基板之前的主動式冷卻，例如在冷卻站中，可能被執行。在基板上的溫度下降可以調整以避免過度的熱應力。
夾持和轉移步驟可以其他或不同的方式被執行。此外，加熱和冷卻次數是基於使用的硬體部分。它們可以根據各自的能力，允許不同的加熱和冷卻次數，而不偏離其後的基板處理和沉積過程。
氮化鋁層的沉積也可以用不同的射頻功率進行。
某些氮化方法利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)以及分子束磊晶(MBE)沉積系統，它們需要使用氮氣電漿蝕刻或在非常高溫的氨暴露，因此往往不適合磁控濺鍍。但是，氮的電漿蝕刻可能促使氮集團在基板內撞擊，例如藍寶石結構的狀況下在藍寶石基板內，和/或非晶形的氮氧 化物的形成。氨磁控濺鍍氮化的一個限制可能是，由於一個多餘的步驟，使得沉積過程複雜化。
使用在高溫下暴露於富含氮氣的氣體和電漿的方法簡化了氮化程序，因其利用了反應性磁控濺鍍氮化鋁生長所需要的相同的氣體。

Claims (22)

  1. 一種沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其包括下列步驟：提供一藍寶石基板；放置該基板於一真空室中；藉由蝕刻調整該基板之一表面，並提供一調整過的表面；將該基板與一加熱器面向該基板的表面之間保持一預定距離；藉由使用該加熱器將該基板加熱至一溫度T1，同時該基板保持遠離該加熱器面向該基板的表面；以及以物理氣相沉積法在該調整過的基板表面沉積一III族氮化物的半導體薄膜，同時該基板保持遠離該加熱器面向該基板的表面且形成磊晶的III族氮化物半導體薄膜，在該基板之該調整過的表面上具有氮面極性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該調整該基板表面的步驟包括在真空中電漿軟蝕刻該表面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該電漿軟蝕刻包括加熱該基板到溫度T2，引入氬氣到真空室中，並使該基材的表面受電漿處理。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該T2係為35℃至70℃。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該電漿軟蝕刻係以射頻電漿包含氬離子於2x10-4毫巴至8x10-4毫巴的壓力下進行。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該 T2<T1。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中在電漿軟蝕刻期間，該基板保持遠離該加熱器面向該基板的表面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該調整該基板的表面的方法包括化學蝕刻該表面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該蝕刻包括優先從該基板移除氧的化學鍵結。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中在蝕刻之後，該調整過的表面是鋁末端。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，還包括：在調整該表面之後，在真空室中以氮氣流處理該調整過的表面。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該T1介於650℃至800℃的範圍。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，還包括流通氬氣在基板上同時該基板被加熱至溫度T1。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該調整步驟係在一第一真空室中進行且該沉積步驟係在一第二真空室中進行。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，還包括在調整該表面之後，降低該真空室中的壓力。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該III族氮化物半導體薄膜以反應性濺鍍的方式沉積到該基板之該調整過的 表面上。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中1.5至3千瓦的一直流電源係用以濺鍍該III族氮化物半導體薄膜到該調整過的表面。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該III族氮化物半導體薄膜係以射頻濺鍍的方式沉積到該調整過的表面上。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，還包括在一氮氣/氬氣氛圍中沉積一晶種層於該調整過的表面上，其中氮/氬氣的比例係大於3，並且在氮氣/氬氣氛圍中沉積該氮化物半導體薄膜於該晶種層上，該氮/氬氣的比例係小於3。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，還包括在沉積該III族氮化物薄膜之後主動冷卻該基板。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，其中該III族氮化物薄膜是氮化鋁。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之沉積III族氮化物半導體薄膜的方法，還包括在該磊晶III族氮化物半導體薄膜之上進一步濺鍍另一III族氮化物半導體薄膜，該另一III族氮化物半導體薄膜具III族面極性。
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