基于icp的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置及方法，該裝置包括：真空反應(yīng)腔；樣品臺，樣品臺位于真空反應(yīng)腔的底部；ICP激發(fā)單元，ICP激發(fā)單元位于真空反應(yīng)腔的頂部；具有第一進氣口的第一氣路，用于向真空反應(yīng)腔通入第一氣態(tài)反應(yīng)源；具有第二進氣口的第二氣路，用于向真空反應(yīng)腔通入第二氣態(tài)反應(yīng)源；其中，ICP激發(fā)單元用于激發(fā)第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，樣品臺可加熱以將第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源熱裂解，以進行外延生長。本發(fā)明的外延生長裝置及方法具有生長溫度低、薄膜質(zhì)量好的優(yōu)點。
【專利說明】基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜生長設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma, ICP)的化合物半導(dǎo)體的低溫外延生長裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以GaN、SiC為代表的新型化合物半導(dǎo)體材料近十幾年來在國際上備受重視，在紫外/藍光/綠光發(fā)光二極管、激光器、探測器，以及高頻高溫大功率電子器件等方面有著重要而廣泛的應(yīng)用。
[0003]為了獲得良好的器件性能，要求化合物半導(dǎo)體薄膜盡可能處于單晶狀態(tài)。目前化合物半導(dǎo)體的外延生長方法主要有分子束外延(MBE)和金屬有機物化學(xué)氣相外延(M0VPE)。由于MBE具有真空條件要求苛刻、生長速率慢的缺點，目前普遍采用MOVPE進行化合物半導(dǎo)體外延生長的商業(yè)化生產(chǎn)。
[0004]在化合物半導(dǎo)體的MOVPE生長過程中，要求反應(yīng)物以層流的方式擴散 到襯底表面，在襯底表面發(fā)生裂解、化合和遷移等反應(yīng)，從而形成化合物半導(dǎo)體單晶薄膜。現(xiàn)有的M0VPE，反應(yīng)物裂解、化合、遷移所需的能量主要通過襯底加熱的方式獲得，由于反應(yīng)氣體存在較強的化學(xué)鍵，且反應(yīng)物粒子在襯底表面遷移需要一定的能量，從而要求外延過程中襯底具有極高的溫度。以MOVPE外延生長GaN為例，反應(yīng)物一般為Ga(CH3)3和NH3, Ga(CH3)3的裂解溫度約500°C，NH3的裂解溫度約為700°C，再考慮GaN在襯底表面的遷移，一般外延生長溫度接近1000°C。如果采用Ga(CH3) 3和N2進行外延，由于N2化學(xué)鍵更強，需要更高的生長溫度。
[0005]高溫外延雖然能實現(xiàn)性能良好的光電子器件，如LED，但也存在很多問題。首先，襯底材料和尺寸受限。由于耐高溫及晶格匹配的要求，目前能用于化合物半導(dǎo)體外延生長的襯底只能是少數(shù)幾種單晶襯底，比如用于生長GaN基半導(dǎo)體的A1203、Si，用于生長GaAs基半導(dǎo)體的GaAs，用于生長SiC半導(dǎo)體的SiC、Si等，這些單晶襯底成本較高、尺寸受限，很難直接進行化合物半導(dǎo)體的大面積外延生長。而可用于大面積薄膜襯底的襯底，如玻璃、塑料等，都很難再高溫條件下穩(wěn)定工作。其次，由于襯底和外延薄膜的熱膨脹系數(shù)往往存在一定的差異，外延溫度越高，半導(dǎo)體薄膜的應(yīng)力就越大，直接影響器件的性能。再次，一般希望沉積對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)只在襯底表面進行，盡量減少襯底表面以外的預(yù)反應(yīng)，而在高溫條件下，很難控制反應(yīng)氣體在襯底表面以外的預(yù)反應(yīng)。
[0006]針對MOVPE高溫生長帶來的問題，人們提出了等離子體增強MOVPE (PE-M0VPE)的想法，希望通過低溫等離子體預(yù)先裂解反應(yīng)物，提高反應(yīng)物原子的勢能，達到降低化合物半導(dǎo)體外延生長的目的。產(chǎn)生低溫等離子體的常用方法有:電容耦合等離子體(CCP)、電感耦合等離子體(ICP)、電子回旋共振等離子體(ECR)。CCP反應(yīng)室簡單，但等離子體密度和能量無法獨立調(diào)節(jié)。ECR的等離子體密度高，能量轉(zhuǎn)換率高，已有的PE-MOVPE主要采用ECR的方式產(chǎn)生等離子體。但是ECR固有的模式跳變特性，使其難以用于大面積的薄膜沉積。ICP可以產(chǎn)生與ECR可比擬的等離子體密度，同時具有較好的等離子體均勻性，能在很大的氣壓范圍內(nèi)運行，在非外延生長的薄膜沉積中獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0007]反應(yīng)物氣體產(chǎn)生等離子體后，正離子、亞穩(wěn)態(tài)原子分子以及中性原子均能用來生成化合物半導(dǎo)體，但其中的正離子以及高能的中性粒子會對襯底造成轟擊，從而影響化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶特性。以PEM0VPE生長GaN為例，反應(yīng)氣體采用Ga (CH3) 3和N2,氮等離子體中包含氮離子、氮原子、氮分子，原則上都可以參與GaN的生成，但氮離子以及高能中性粒子(如氮原子、氮分子)會對襯底造成轟擊、Ga去吸附、GaN分解和點缺陷等問題。因此，為了提高低溫外延生長的化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶質(zhì)量，必須設(shè)法降低到達襯底處的正離子密度以及高能的中性粒子密度，同時使低能活性粒子能盡量多的到達襯底參與反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述外延溫度高的技術(shù)問題。
[0009]為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種外延溫度地、薄膜質(zhì)量好的基于等離子體的化合物半導(dǎo)體的低溫外延生長裝置。
[0010]本發(fā)明的另一個目的在于提出一種外延溫度地、薄膜質(zhì)量好的基于等離子體的化合物半導(dǎo)體的低溫外延生長方法。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，可以包括:真空反應(yīng)腔；樣品臺，所述樣品臺位于所述真空反應(yīng)腔的底部；ICP激發(fā)單元，所述ICP激發(fā)單元位于所述真空反應(yīng)腔的頂部；具有第一進氣口的第一氣路，用于向所述真空反應(yīng)腔通入第一氣態(tài)反應(yīng)源；具有第二進氣口的第二氣路，用于向所述真空反應(yīng)腔通入第二氣態(tài)反應(yīng)源；其中，所述ICP激發(fā)單元用于激發(fā)所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，所述樣品臺可加熱以將所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源熱裂解，以進行外延生長。
[0012]根據(jù)上述本發(fā)明實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置具有生長溫度低、薄膜質(zhì)量好的優(yōu)點。
[0013]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，可以包括以下步驟:將襯底置于真空反應(yīng)腔的底部的樣品臺上；向所述真空反應(yīng)腔分別通入第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源；采用電感應(yīng)耦合激發(fā)等離子體ICP的方式使所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，并且加熱所述襯底至預(yù)設(shè)溫度以使所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源熱裂解，以進行外延生長；將所述襯底從所述真空反應(yīng)腔取出。
[0014]根據(jù)上述本發(fā)明實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法具有生長溫度低、薄膜質(zhì)量好的優(yōu)點。
[0015]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0017]圖1是本發(fā)明一個實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。[0018]圖2是本發(fā)明另一實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明實施例的作為空間隔離裝置的金屬板的示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明另一實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5是本發(fā)明實施例的交替脈沖通入氣態(tài)反應(yīng)源以及ICP激發(fā)單元脈沖工作的時序圖。
[0022]圖6是本發(fā)明另一實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖7是本發(fā)明另一實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖8是本發(fā)明實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法的流程圖?！揪唧w實施方式】
[0025]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0026]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0027]此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0028]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0029]本發(fā)明第一方面提出一種基于ICP的化合物半導(dǎo)體的低溫外延生長裝置，如圖1所示，包括真空反應(yīng)腔10、樣品臺20、ICP激發(fā)單元30、第一氣路40和第二氣路50。
[0030]其中，真空反應(yīng)腔10可以大體呈圓筒狀。真空反應(yīng)腔10中設(shè)有真空泵系統(tǒng)10a，包括機械泵和分子泵，以使真空反應(yīng)腔10在沒有氣體通入時保持高真空或超高真空狀態(tài)、在有氣體通入時保持腔內(nèi)氣壓恒定。
[0031]樣品臺20通常設(shè)在真空反應(yīng)腔10的底部，用于承載襯底?？蛇x地，樣品臺20可以繞中心點旋轉(zhuǎn)，有利于材料生長得更均勻。優(yōu)選地，樣品臺20被構(gòu)造成可以在垂直方向升降。例如，可以調(diào)節(jié)樣品臺20距離真空反應(yīng)腔10的底部基座的距離為1-500毫米。這時可以通過改變樣片臺20和等離子體產(chǎn)生區(qū)域的距離，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體中的活性低能中性原子及分子、帶電和高能粒子到達襯底表面的濃度和能量。
[0032]ICP激發(fā)單元30可以設(shè)置真空反應(yīng)腔10的頂部。ICP激發(fā)單元30主要包括射頻源30a、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)30b、平板線圈30c和石英窗30d。射頻源30a產(chǎn)生的射頻信號(例如13.56MHz的射頻信號)經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)30b加載到平板線圈30c上，然后經(jīng)過石英窗30d以電感耦合的形式耦合到真空反應(yīng)腔10中。
[0033]第一氣路40用于向真空反應(yīng)腔10通入第一氣態(tài)反應(yīng)源。第一氣路40上設(shè)有噴淋頭式的第一進氣口 40a和控制流量的第一質(zhì)量流量控制計(MFCl)40b。第一氣態(tài)反應(yīng)源可以為化學(xué)鍵較強的物質(zhì)，例如氮、氧、碳的氧化物，特別是NH3、N2, C3H8, SiH4或H2O中的一種或多種的組合。
[0034]第二氣路50用于向真空反應(yīng)腔10通入第二氣態(tài)反應(yīng)源，第二氣路50上設(shè)有噴淋頭式的第二進氣口 50a和控制流量的第二質(zhì)量流量控制計(MFC2) 50b。第二氣態(tài)反應(yīng)源可以為化學(xué)鍵較弱的物質(zhì)，例如金屬有機化合物，特別是Ga (CH3) 3、In (CH3) 3、Al (CH3) 3、Zn(CH3)3或Si (CH3)4中一種或多種的組合。
[0035]上述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源發(fā)生反應(yīng)最終得到的外延層可以是GaN、InN、AIN、InGaN、AlGaN、SiC、ZnO等等化合物半導(dǎo)體外延層。
[0036]上述的ICP激發(fā)單元30可以用于激發(fā)第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，其中主要用于激發(fā)第一氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，產(chǎn)生高密度低能量的等離子體，樣品臺20可以用于加熱第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源使其熱裂解，其中主要用于加熱以將第二氣態(tài)反應(yīng)源熱裂解，以進行外延生長。將化學(xué)鍵較強的物質(zhì)通過ICP方式分解、化學(xué)鍵較弱的物質(zhì)通過加熱方式分解，這樣可以降低外延生長所需要的加熱溫度。其中，樣品臺20可以帶有金屬探針，能直接給金屬襯底或者表面沉積有金屬薄膜的襯底通電單獨加熱。樣品臺20可單獨加熱的優(yōu)點在于:真空反應(yīng)腔10的容器壁可以保持低溫狀態(tài)，從而避免第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源發(fā)生預(yù)反應(yīng)，同時也節(jié)約了能耗。
[0037]根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的低溫外延生長裝置，通過ICP方式分解化學(xué)鍵較強的反應(yīng)物、通過加熱方式分解化學(xué)鍵較弱，能夠有效降低外延反應(yīng)的溫度，提高外延薄膜的質(zhì)量。
[0038]需要說明的是，該低溫外延生長裝置還可以配備等離子體觀察窗61、永磁體62、朗繆探針63、膜厚監(jiān)測儀64等設(shè)備。其中永磁體62可以增加等離子體的密度和均勻性。
[0039]在本發(fā)明的一個示例中，還包括空間隔離裝置70，如圖2所示?？臻g隔離裝置70將真空反應(yīng)腔10分為等離子體放電區(qū)A和等離子體下游區(qū)B。其中，空間隔離裝置70濾除等離子體放電區(qū)A中第一氣態(tài)反應(yīng)源的電離分解產(chǎn)物中的正離子和高能中性粒子，允許低能活性粒子進入等離子體下游區(qū)B與第二氣態(tài)反應(yīng)源的熱裂解產(chǎn)物在樣品臺上的襯底表面反應(yīng)以進行外延生長。由于正離子在空間隔離裝置70表面發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，密度極大降低，高能的中性粒子經(jīng)過氣體分子的碰撞能量也有較大下降，而外延生長所需要的亞穩(wěn)態(tài)中性粒子的密度基本不受影響。因此空間隔離裝置70能夠?qū)⒌入x子體放電區(qū)A中對外延生長不利的粒子基本過濾，將對外延生長有利的粒子基本被保留，然后進入到等離子體下游區(qū)B。這樣，通過設(shè)置空間隔離裝置70可以避免正離子和高能中性粒子對襯底產(chǎn)生轟擊，導(dǎo)致外延層質(zhì)量不佳。[0040]可選地，該空間隔離裝置70為水平設(shè)置在真空反應(yīng)腔10內(nèi)的、均布多個濾孔的金屬板，如圖3所示。需要說明的是，盡管圖3示出的是均布圓形濾孔的金屬板，但僅是出于示例的方便而非本發(fā)明的限制，在另一些實施例中也可以為矩形柵格等幾何形狀。該金屬板可以通過絕緣材料(例如石英)制成的支撐腳立于真空反應(yīng)腔10中。優(yōu)選地，該金屬板上可以加載幾伏特到十幾伏特的直流偏壓，此時該金屬板帶正電，能夠利用同電荷相斥原理阻止正離子通過，實現(xiàn)攔截正離子的目的。
[0041]在本發(fā)明的一個示例中，還包括時間隔離裝置80，如圖4所示。時間隔離裝置80將真空反應(yīng)腔10分為等離子體放電區(qū)A和等離子體下游區(qū)B。當(dāng)ICP激發(fā)單元30為工作狀態(tài)時，時間隔離裝置80將等離子體放電區(qū)A和等離子體下游區(qū)B隔離，以將第一氣態(tài)反應(yīng)源的電離分解產(chǎn)物限制在等離子體放電區(qū)A進行自然衰減。當(dāng)ICP激發(fā)單元30為間歇狀態(tài)時，時間隔離裝置80將等離子體放電區(qū)A和等離子體下游區(qū)B連通以使未衰減盡的低能活性粒子進入等離子體下游區(qū)B與第二氣態(tài)反應(yīng)源的熱裂解產(chǎn)物反應(yīng)以進行外延生長。這樣，通過設(shè)置時間隔離裝置80可以避免正離子和高能中性粒子對襯底產(chǎn)生轟擊，導(dǎo)致外延層質(zhì)量不佳。
[0042]可選地，時間隔離裝置80為水平設(shè)置在真空反應(yīng)腔10內(nèi)的、由電場控制開關(guān)或者磁場控制開關(guān)控制開合的閘門。電場控制開關(guān)或者磁場控制開關(guān)具有開關(guān)速度快、抗疲勞性好的優(yōu)點，且容易設(shè)置成與ICP激發(fā)單元的工作頻率同步。
[0043]在外延生長過程中，在同一空間同一時刻通入第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源，容易發(fā)生預(yù)反應(yīng)。
[0044]為減少預(yù)反應(yīng)的發(fā)生，在本發(fā)明的一個實施例中，第一進氣口 40a鄰近ICP激發(fā)單元30，并且第二進氣口 50a鄰近樣品臺20。并且，第一氣路40和第二氣路50被配置成脈沖交替地向真空反應(yīng)腔10分別通入第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源，并且ICP激發(fā)單元30被配置為采用與第一氣路40同步的脈沖工作模式。優(yōu)選地，如圖5所示，通入第一氣態(tài)反應(yīng)源時段和第二氣態(tài)反應(yīng)源時段之間具有一定時間間隔，即一種氣態(tài)反應(yīng)源停止輸入后，過一段時間輸入另一種氣態(tài)反應(yīng)源，這樣避免發(fā)生預(yù)反應(yīng)的效果更好。通常地，交替脈沖通入氣態(tài)反應(yīng)源可以通過設(shè)置第一質(zhì)量流量控制器(MFC1) 40b和第二質(zhì)量流量控制器(MFC2) 50b 實現(xiàn)。
[0045]為減少預(yù)反應(yīng)的發(fā)生，在本發(fā)明的另一個實施例中，如圖6所示，該外延生長裝置還包括垂直隔板90，垂直隔板90將真空反應(yīng)腔10分成彼此隔離的第一腔室101和第二腔室102。其中，第一腔室101與第一氣路40相連，第二腔室102與第二氣路50相連。同時樣品臺20被構(gòu)造為在第一腔室101和第二腔室102之間做周期性移動，以使樣品臺20交替地接觸第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源。該實施例中，第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源可以持續(xù)地通入。需要說明的是，周期性移動可以是圖6中示出的繞中心點轉(zhuǎn)動，也可以是其他往復(fù)平動等形式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要靈活設(shè)計。
[0046]需要說明的是 ，在本發(fā)明的外延生長裝置中，可以通過技術(shù)方案的組合來同時實現(xiàn)“篩選出合適反應(yīng)粒子”和“避免發(fā)生預(yù)反應(yīng)”雙重目的。例如，可以在真空反應(yīng)腔10中設(shè)置垂直隔板90，垂直隔板90將真空反應(yīng)腔10分成彼此隔離的第一腔室101和第二腔室102。同時，第一腔室101和第二腔室102中分別設(shè)置有空間隔離裝置70。該實施例如圖7所示。[0047]本發(fā)明第二方面提出一種基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，如圖8所示，可以包括以下步驟:
[0048]A.將襯底置于真空反應(yīng)腔的底部的樣品臺上；
[0049]B.向真空反應(yīng)腔分別通入第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源；
[0050]C.采用電感應(yīng)耦合激發(fā)等離子體的方式使第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，并且加熱襯底至預(yù)設(shè)溫度以使第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源熱裂解，進行外延生長；
[0051]D.將襯底從真空反應(yīng)腔取出。
[0052]優(yōu)選地，第一氣態(tài)反應(yīng)源的化學(xué)鍵強于所述第二氣態(tài)反應(yīng)源的化學(xué)鍵時，第一氣態(tài)反應(yīng)源主要通過ICP方式電離分解，第二氣態(tài)反應(yīng)源主要通過加熱方式熱裂解。
[0053]根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的低溫外延生長裝置，通過ICP方式分解化學(xué)鍵較強的反應(yīng)物、通過加熱方式分解化學(xué)鍵較弱，能夠有效降低外延反應(yīng)的溫度，提高外延薄膜的質(zhì)量。
[0054]在本發(fā)明的一個示例中，對第一氣態(tài)反應(yīng)源的電離解離產(chǎn)物進行空間隔離操作，即濾除正離子和高能中性粒子，允許低能活性粒子達到襯底表面并與第二氣態(tài)反應(yīng)源的熱裂解產(chǎn)物反應(yīng)以進行外延生長。這樣可以避免正離子和高能中性粒子對襯底產(chǎn)生轟擊，導(dǎo)致外延層質(zhì)量不佳。
[0055]在本發(fā)明的一個示例中，對第一氣態(tài)反應(yīng)源的電離解離產(chǎn)物進行空間隔離操作，即任由正離子和高能中性粒子衰減，允許未衰減的低能活性粒子達到襯底表面并與第二氣態(tài)反應(yīng)源的熱裂解產(chǎn)物反應(yīng)以進行外延生長。這樣可以避免正離子和高能中性粒子對襯底產(chǎn)生轟擊，導(dǎo)致外延層質(zhì)量不佳。
[0056]在本發(fā)明的一個示例中，其特征在于，樣品臺被構(gòu)造成可以在垂直方向升降。這時可以通過改變樣片臺和等離子體產(chǎn)生區(qū)域的距離，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體中的活性低能中性原子及分子、帶電和高能粒子到達襯底表面的濃度和能量。
[0057]在本發(fā)明的一個示例中，脈沖交替地向真空反應(yīng)腔分別通入第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源，并且通入第一氣態(tài)反應(yīng)源的同時也進行電感應(yīng)耦合激發(fā)。這樣可以有效避免第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源發(fā)生預(yù)反應(yīng)。
[0058]在本發(fā)明的一個示例中，該外延生長方法還包括:將真空反應(yīng)腔室在空間上分隔為第一腔室和第二腔室，分別持續(xù)通入第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源，并且將樣品臺在第一腔室和第二腔室之間做周期性移動，以使樣品臺交替地接觸第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源。這樣可以有效避免第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源發(fā)生預(yù)反應(yīng)。
[0059]在本發(fā)明的一個示例中，第一氣態(tài)反應(yīng)源可以為NH3、N2、C3H8或1120中的一種或多種的組合。
[0060]在本發(fā)明的一個示例中，第二氣態(tài)反應(yīng)源可以為Ga(CH3)3、In (CH3) 3、Al (CH3) 3、Zn(CH3)3或SiH4中一種或多種的組合。 [0061]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的外延生長裝置及方法，下面列舉四個實施例進行介紹。
[0062]實施例1
[0063]參照圖1進行說明，在樣品臺20上固定襯底，接著，利用真空泵系統(tǒng)IOa將真空反應(yīng)腔10內(nèi)部的氣體排出，使本底真空度小于或等于10_4mTorr。依靠樣品臺20加熱襯底并使之保持500°C的溫度。然后，向第一進氣口 40a輸入N2,向第二進氣口 50a輸入TMGa，同時通過真空泵系統(tǒng)10a使腔室內(nèi)壓強保持為3T0rr。最后打開ICP激發(fā)單元30，產(chǎn)生氮等離子體，開始GaN的外延生長。
[0064]實施例2
[0065]參照圖1進行說明，在樣品臺20上固定襯底，接著，利用真空泵系統(tǒng)10a將真空反應(yīng)腔10內(nèi)部的氣體排出，使本底真空度小于或等于10_4mTorr。依靠樣品臺20加熱襯底并使之保持500°C的溫度。交替進行以下兩個步驟，開始GaN的外延生長:(a)向第一進氣口40a輸入流量為50sccm的N2,向第二進氣體口 50a輸入TMGa，通過真空泵系統(tǒng)10a使腔室內(nèi)壓強保持為0.1Torr0持續(xù)lmin。(b)關(guān)閉第二進氣口 50a，同時使第一進氣口 40a輸入流量變?yōu)?0SCCm，通過真空泵系統(tǒng)10a使腔室內(nèi)壓強保持為3Torr。打開ICP激發(fā)單元30，產(chǎn)生氮等離子體。持續(xù)lmin。
[0066]實施例3
[0067]參照圖2進行說明，在樣品臺20上固定襯底。接著，利用真空泵系統(tǒng)IOa將真空反應(yīng)腔10內(nèi)部的氣體排出，使本底真空度小于或等于10_3Pa。依靠樣品臺20加熱襯底至530°C，保持20分鐘使其充分出氣。然后將襯底溫度降到500°C，從第一進氣口 40a輸入N2，氣體流量為100~1000sccm;從第二進氣口 50a通入被載氣H2稀釋的Ga(CH3)3, N2和Ga(CH3)3的流量比為100:1~10:1，通過真空泵系統(tǒng)10a使腔室內(nèi)壓強保持為1~100Pa。打開ICP激發(fā)單元30，產(chǎn)生氮等離子體，同時在空間隔離裝置70上加10~100V正電壓，吸收氮離子和高能氮中性粒子，讓低能氮中性粒子和Ga (CH3)3在襯底上反應(yīng)從而外延生長GaN。
[0068]實施例4
[0069]參照圖6進行說明，在樣品臺20上固定襯底。接著，利用真空泵系統(tǒng)10a將真空反應(yīng)腔10內(nèi)部的氣體排出，使本底真空度小于或等于10_3Pa。依靠樣品臺20加熱襯底至430°C，保持20分鐘使其充分出氣。然后，將襯底溫度降到400°C，從第一進氣口 40a輸入N2，氣體流量為100~1000sccm;從第二進氣口 50a通入被載氣H2稀釋的Al (CH3) 3，N2和Al(CH3)3的流量比為100:1~10:1，通過真空泵系統(tǒng)10a使腔室內(nèi)壓強保持為1~100Pa。打開ICP激發(fā)單元30，產(chǎn)生含有氮和鋁活性粒子的等離子體，同時在空間隔離裝置90上加10~100V正電壓。讓樣品臺20以1~1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)，交替暴露在第一腔室101和第二腔室102，吸附活性氮和鋁中性粒子進行AlN的外延生長。
[0070]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0071]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，包括: 真空反應(yīng)腔； 樣品臺，所述樣品臺位于所述真空反應(yīng)腔的底部； ICP激發(fā)單元，所述ICP激發(fā)單元位于所述真空反應(yīng)腔的頂部； 具有第一進氣口的第一氣路，用于向所述真空反應(yīng)腔通入第一氣態(tài)反應(yīng)源； 具有第二進氣口的第二氣路，用于向所述真空反應(yīng)腔通入第二氣態(tài)反應(yīng)源； 其中，所述ICP激發(fā)單元用于激發(fā)所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，所述樣品臺可加熱以將所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源熱裂解，以進行外延生長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，所述第一氣態(tài)反應(yīng)源的化學(xué)鍵強于所述第二氣態(tài)反應(yīng)源的化學(xué)鍵，所述ICP激發(fā)單元主要用于激發(fā)所述第一氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，所述樣品臺可加熱主要用于將所述第二氣態(tài)反應(yīng)源熱分解。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，還包括: 空間隔離裝置，所述空間隔離裝置將所述真空反應(yīng)腔分為等離子體放電區(qū)和等離子體下游區(qū)，其中，所述空間隔離裝置濾除所述等離子體放電區(qū)中所述第一氣態(tài)反應(yīng)源的電離分解產(chǎn)物中的正離子和高能中性粒子，允許低能活性粒子進入所述等離子體下游區(qū)與所述第二氣態(tài)反應(yīng)源的熱裂解產(chǎn)物反應(yīng)以進行外延生長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，所述空間隔離裝置為水平設(shè)置在所述真空反應(yīng)腔體內(nèi)的、均布多個濾孔的金屬板，所述金屬板上加載有直流偏壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，還包括: 時間隔離裝置，所述時間隔離裝置將所述真空反應(yīng)腔分為等離子體放電區(qū)和等離子體下游區(qū)，其中，所述時間隔離裝置被配置為: 當(dāng)所述ICP激發(fā)單元為工作狀態(tài)時，所述時間隔離裝置將所述等離子體放電區(qū)和等離子體下游區(qū)隔離，以將所述第一氣態(tài)反應(yīng)源的電離分解產(chǎn)物限制在所述等離子體放電區(qū)進行自然衰減； 當(dāng)所述ICP激發(fā)單元為間歇狀態(tài)時，所述時間隔離裝置將所述等離子體放電區(qū)和等離子體下游區(qū)連通以使未衰減盡的低能活性粒子進入所述等離子體下游區(qū)與所述第二氣態(tài)反應(yīng)源的熱裂解產(chǎn)物反應(yīng)以進行外延生長。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，所述時間隔離裝置為水平設(shè)置在所述真空反應(yīng)腔內(nèi)的、由電場控制開關(guān)或者磁場控制開關(guān)控制開合的閘門。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，所述第一進氣口鄰近所述ICP激發(fā)單元，并且所述第二進氣口鄰近所述樣品臺，所述第一氣路和所述第二氣路被配置成脈沖交替地向所述真空反應(yīng)腔分別通入所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和所述第二氣態(tài)反應(yīng)源，并且所述ICP激發(fā)單元被配置為采用與所述第一氣路同步的脈沖工作模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，所述真空反應(yīng)腔包括彼此隔離的第一腔室和第二腔室，其中，所述第一腔室與所述第一氣路相連，所述第二腔室與所述第二氣路相連，所述樣品臺被構(gòu)造為在所述第一腔室和第二腔室之間做周期性移動，以使所述樣品臺交替地接觸所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和所述第二氣態(tài)反應(yīng)源。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，所述樣品臺被構(gòu)造成可以在垂直方向升降。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，所述第一氣態(tài)反應(yīng)源為NH3、N2, C3H8, SiH4或H2O中的一種或多種的組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長裝置，其特征在于，所述第二氣態(tài)反應(yīng)源為Ga (CH3) 3、In (CH3) 3、Al (CH3) 3、Zn (CH3) 3或Si (CH3) 4中一種或多種的組合。
12.一種基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，包括以下步驟: 將襯底置于真空反應(yīng)腔的底部的樣品臺上； 向所述真空反應(yīng)腔分別通入第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源； 采用電感應(yīng)耦合激發(fā)等離子體ICP的方式使所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源電離分解，并且加熱所述襯底至預(yù)設(shè)溫度以使所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源熱裂解，進行外延生長； 將所述襯底從所述真空反應(yīng)腔取出。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，所述第一氣態(tài)反應(yīng)源的化學(xué)鍵強于所述第二氣態(tài)反應(yīng)源的化學(xué)鍵，所述第一氣態(tài)反應(yīng)源主要通過ICP方式電離分解，所述第二氣態(tài)反應(yīng)源主要通過加熱方式熱裂解。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，對所述第一氣態(tài)反應(yīng)源的電離解離產(chǎn)物進行空間隔離操作，即濾除正離子和高能中性粒子，允許低能活性粒子達到所述襯底表面并與所述第二氣態(tài)反應(yīng)源的熱裂解產(chǎn)物反應(yīng)以進行外延生長。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，對所述第一氣態(tài)反應(yīng)源的電離解離產(chǎn)物進行空間隔離操作，即任由正離子和高能中性粒子衰減，允許未衰減的低能活性粒子達到所述襯底表面并與所述第二氣態(tài)反應(yīng)源的熱裂解產(chǎn)物反應(yīng)以進行外延生長。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，脈沖交替地向所述真空反應(yīng)腔分別通入所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和所述第二氣態(tài)反應(yīng)源，并且通入所述第一氣態(tài)反應(yīng)源的同時也進行電感應(yīng)耦合激發(fā)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-15所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，還包括: 將所述真空反應(yīng)腔室在空間上分隔為第一腔室和第二腔室，分別持續(xù)通入所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和第二氣態(tài)反應(yīng)源，并且將所述樣品臺在所述第一腔室和第二腔室之間做周期性移動，以使所述樣品臺交替地接觸所述第一氣態(tài)反應(yīng)源和所述第二氣態(tài)反應(yīng)源。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-17所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，所述樣品臺被構(gòu)造成可以在垂直方向升降。
19.根據(jù)權(quán)利要求12-17中所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，所述第一氣態(tài)反應(yīng)源為NH3、N2、C3H8、SiH4或H2O中的一種或多種的組合。
20.根據(jù)權(quán)利要求12-17中所述的基于ICP的化合物半導(dǎo)體的外延生長方法，其特征在于，所述第二氣態(tài)反應(yīng)源為 Ga (CH3) 3、In (CH3) 3、Al (CH3) 3、Zn (CH3) 3 或 Si (CH3) 4 中一種或多種的組合。
【文檔編號】H01L21/205GK103806093SQ201410053424
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】羅毅, 王健, 郝智彪, 汪萊 申請人:清華大學(xué)