用于減少薄膜中雜質(zhì)的裝置和方法
【專利摘要】描述了等離子體發(fā)生器，其使用部分的PBN襯里，相對于使用完全的PBN襯里不僅在膜形成的過程中使得高能氣體組分的損失最小化，而且減少了引入到生長膜中的硼雜質(zhì)的水平。還描述了這種等離子體發(fā)生器在成膜裝置和成膜方法中的使用。
【專利說明】
用于減少薄膜中雜質(zhì)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于減少雜質(zhì)的裝置和方法，特別是通過使用等離子體的CVD工藝而在膜中生長的硼。
【背景技術(shù)】
[0002]對本文中【背景技術(shù)】的任何參考不應(yīng)解釋為承認這樣的現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成在澳大利亞或其它地方的公知常識。
[0003]含金屬的膜，例如氮化鎵(GaN)膜在一系列裝置中有應(yīng)用，從發(fā)光二極管(LED)到紫外線檢測器再到晶體管器件。
[0004]這些膜通常由以下技術(shù)制作，包括分子束外延(MBE)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)和遠程等離子體增強化學氣相沉積(RPECVD或RPCVD)。RPCVD已用來在比MOCVD更低的溫度下產(chǎn)生高品質(zhì)的膜，這往往涉及大約100tC至1200°C的生長溫度，從而降低了設(shè)備成本，并允許使用用于膜沉積的溫度敏感優(yōu)選基板(substrate)。
[0005]RPCVD使用原料氣，例如氮氣來產(chǎn)生等離子體，以與金屬有機試劑反應(yīng)，并在基板上沉積所需材料。在該技術(shù)中，很重要的是保持適宜高能活性氣體組分(species)的一致水平，該適宜高能活性氣體組分從是等離子體管的等離子體產(chǎn)生區(qū)域提供給反應(yīng)或生長室。
[0006]可減少該高能活性氣體組分的一種途徑是通過在其中產(chǎn)生等離子體的等離子體管的壁上的表面復(fù)合，也可能通過在向生長室運送活性氣體組分的容器壁上的表面復(fù)合。這種表面復(fù)合例如是氮氣的原子或分子復(fù)合，其降低了可用于與有機金屬試劑反應(yīng)的活性原子或分子氮種類的數(shù)目。
[0007]由于這個原因，可能有用的是由具有用于要生成的特定活性氣體組分的低固有表面復(fù)合特性的材料來構(gòu)造等離子體管。熱解氮化硼(PBN)是當產(chǎn)生氮等離子體時用于此目的的有用材料。然而，PBN是相對昂貴的材料并且是難以加工成所需的規(guī)格，所以等離子體發(fā)生器的制造成本因包含PBN等離子體管而顯著提高。另外，本發(fā)明人已經(jīng)注意到PBN管壁的濺射將作為雜質(zhì)的顯著水平的硼引入到了生長膜中。這降低了膜的質(zhì)量和其對某些設(shè)備用途的適配性，并且是這種方法的顯著缺點。
[0008]提供等離子發(fā)生器將是有用的，由于表面復(fù)合其允許活性物質(zhì)的損失減少，但其無助于雜質(zhì)摻入生長膜中而超出可接受的商業(yè)水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009 ]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了等離子體發(fā)生器，包括:
[0010](a)等離子體管，具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口；
[0011](b)臨近等離子體管的電離源，以限定等離子體管的第一區(qū)域并將該區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分；以及
[0012](C)熱解氮化硼襯里，為在其第二區(qū)域內(nèi)的等離子體管的內(nèi)壁安裝襯里(lining)，
[0013]其中，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的20 %。
[0014]在一個實施方式中，熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的10%。
[0015]在進一步的實施方式中，熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的5%。
[0016]在一個實施方式中，熱解氮化硼襯里不延伸到第一區(qū)域中，使得它不為等離子體管的一部分內(nèi)表面安裝襯里，該一部分內(nèi)表面鄰近所述電離源。
[0017]在一個實施方式中，等離子體管的氣體入口或鄰近所述第一端部的等離子體管的一部分相對于所述等離子體管的剩余部分收縮。
[0018]適當?shù)?，該收縮采取的形式為氣體入口和/或等離子體管的第一區(qū)域的至少一部分相對于所述等離子體管的第二區(qū)域的直徑是直徑減小的區(qū)域。
[0019]在一個實施方式中，等離子體發(fā)生器是用于形成膜的裝置的組成部分。該裝置可以是用于在基板上沉積第III族金屬氮化物膜。該裝置可以是用于使用等離子體作為反應(yīng)物形成膜的裝置。在一個實施方式中，該裝置是RPCVD裝置，所以等離子體發(fā)生器可以是RPCVD等離子體發(fā)生器。
[0020]合適地，該裝置還可包括生長室，其包括VA族等離子體入口、IIIA族試劑入口以及適于支撐一個或多個基板的基板支架。
[0021]在一個實施方式中，本發(fā)明在于用于在基板上沉積第III族金屬氮化物膜的裝置，該裝置包括:
[0022](a)等離子體發(fā)生器，以由氮源產(chǎn)生氮等離子體，該等離子體發(fā)生器包括
[0023](i)等離子體管，具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口；
[0024]( ? )臨近等離子體管的電離源，以限定等離子管的第一區(qū)域并將該區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分；
[0025](m)熱解氮化硼襯里，位于鄰近在其第二區(qū)域內(nèi)的所述等離子體管的內(nèi)壁，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的20%;
[0026](b)生長室，在其中反應(yīng)試劑，其包括具有由氮等離子體衍生的活性氮組分的第III族金屬，以便在基板上沉積第III族金屬氮化物；以及
[0027](c)在生長室上的等離子體入口，以便氮等離子體從等離子體發(fā)生器通入到生長室中。
[0028]在一個實施方式中，該裝置是RPCVD裝置。
[0029]在一個實施方式中，噴頭位于RPCVD裝置的等離子體發(fā)生器和生長室之間。
[0030]在一個實施方式中，熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的10%。
[0031]在進一步的實施方式中，熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的5%。
[0032]在一個實施方式中，熱解氮化硼襯里不延伸到第一區(qū)域中，使得它不為等離子體管的一部分內(nèi)表面安裝襯里，該一部分內(nèi)表面鄰近所述電離源。當熱解氮化硼襯里不延伸到第一區(qū)域中時，熱解氮化硼襯里和電離源之間的間距可以是如前面描述的用于等離子體發(fā)生器的任何距離。
[0033]適當?shù)兀袡C金屬試劑從該噴頭釋放到生長室中。
[0034]該噴頭可設(shè)置有貫穿其的至少一個孔，離開等離子體管的等離子出口的等離子體可穿過它進入生長室。
[0035]在一個實施方式中，該至少一個孔設(shè)置有熱解氮化硼護套或涂層。
[0036]優(yōu)選地，該至少一個孔為多個孔，并且多數(shù)孔設(shè)置有熱解氮化硼護套。在一個實施方式中，基本上所有的孔設(shè)置有熱解氮化硼護套。
[0037]在一個實施方式中，等離子體腔由該噴頭的上表面、至少一個側(cè)壁和頂部限定，噴頭的上表面與所述等離子體發(fā)生器的等離子出口相對，通過頂部該等離子體發(fā)生器的等離子體出口打開。
[0038]合適地，該噴頭的上表面和至少一個側(cè)壁覆蓋有熱解氮化硼。
[0039]在一個實施方式中，等離子體腔的所有表面都襯有一個或多個熱解氮化硼襯里，其可以是與等離子體發(fā)生器的熱解氮化硼襯里分離的或連續(xù)的。
[0040]根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了產(chǎn)生等離子體的方法，包括以下步驟:
[0041](a)提供包括等離子體管的等離子體發(fā)生器，該等離子體管具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口，臨近等離子體管的電離源，以限定等離子管的第一區(qū)域并將該區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分，以及熱解氮化硼襯里，位于鄰近在其第二區(qū)域內(nèi)的所述等離子體管的內(nèi)壁，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的20%;
[0042 ] (b)通過該氣體入口提供原料氣；以及
[0043](C)將該氣體暴露于該第一區(qū)域內(nèi)的電磁場，由此產(chǎn)生等離子體。
[0044]等離子體發(fā)生器的各種組件可以是在第一方面的任何實施方式中所描述的，包括用于在基板上沉積第III族金屬氮化物膜的裝置的實施方式。
[0045]在第三方面，本發(fā)明在于由第二方面的方法制造的第III族金屬膜。該膜可以是第III族金屬氮化物膜。在一個實施方式中，所述膜是GaN膜。
[0046]在第四方面，本發(fā)明在于在半導體器件中使用第三方面的第III族金屬膜。該膜可以為第三方面中所描述的。
[0047]本發(fā)明的各種特征和實施方式，在上文各個部分涉及的，酌情適用于其它部分。因此，一個部分中的特定特征可酌情與其它部分的特定特征相結(jié)合。所描述的用于第一方面的壓力、氣體流量和各種裝置組件性質(zhì)的這些條件同樣適用于第二方面，并被認為已列舉完全涉及該方面。
[0048]本發(fā)明進一步的特征和優(yōu)點將從下面的詳細描述中變得顯而易見。
【附圖說明】
[0049]為了可容易地理解本發(fā)明并付諸實際效果，現(xiàn)在將通過示例的方式參考附圖來描述優(yōu)選的實施方式，其中:
[0050]圖1示出了當使用具有部分PBN襯里的等離子體管時用于在基板上沉積金屬氮化物膜的裝置的一個實施方式的立體剖視圖；
[0051]圖2是用于在圖1的基板上沉積金屬氮化物膜的裝置的立體剖視圖，但使用的是收縮氣體入口；以及
[0052]圖3是在GaN膜中發(fā)現(xiàn)的作為雜質(zhì)的硼水平的S頂S圖形分析，該GaN膜用完整的I3BN襯里、與RF線圈間隔開1mm的部分PBN襯里以及與RF線圈間隔開20mm的部分PBN襯里制得。
【具體實施方式】
[0053]本發(fā)明的前提是至少部分地基于以下發(fā)現(xiàn)，即硼作為雜質(zhì)不希望摻入到由RPCVD生長的膜中，可顯著減少，同時仍然從等離子體管中的PBN襯里的低表面復(fù)合特性受益，其也被稱為等離子體發(fā)生器的反應(yīng)管，如果襯里的位置使得它在等離子體管的區(qū)域中不是任何大的程度，該區(qū)域被RF線圈包圍或緊鄰所述RF線圈。RF線圈從PBN襯里直到某個點增加的距離提供了在硼雜質(zhì)減少方面的進一步收獲。
[0054]在本專利說明書中，形容詞例如第一和第二、左和右、前和后、頂部和底部等僅用于從另一元件或方法步驟定義一個元件或方法步驟，而不一定需要由該形容詞描述的特定相對位置或順序。術(shù)語“包括”、“包含”、“包括”、“包括”或類似術(shù)語意在指非排他性的包括，以使得包括一系列元素的方法、系統(tǒng)或裝置并不只是包括那些元素，而可能包括未列出的其它元素。
[0055]除非另外定義，本文使用的所有技術(shù)和科學術(shù)語具有如將由本發(fā)明所屬的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。
[0056]盡管本文中使用術(shù)語“等離子體”來討論由等離子體產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)的氣體的電離所形成的組分，和該氣體穿過等離子體管、等離子體腔、噴頭并進入RPCVD裝置的反應(yīng)或生長室，但應(yīng)當理解的是，帶電的氣體組分可在從等離子體發(fā)生區(qū)域到生長室的此行程中很大程度上熄滅，因此對這些區(qū)域中的“等離子”的引用將被理解為也稱為活性氣體組分。
[0057]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了等離子體發(fā)生器，包括:
[0058](a)等離子體管，具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口；
[0059](b)臨近等離子體管的電離源，以限定等離子體管的第一區(qū)域并將該區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分；以及
[0060](C)熱解氮化硼襯里，為在其第二區(qū)域內(nèi)的等離子體管的內(nèi)壁安裝襯里，
[0061]其中，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的20 %。
[0062]所謂的“所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的20%”意為PBN襯里將在很大程度上駐留在第二區(qū)域中，但是延伸超出并進入到第一區(qū)域中，只在有限的延伸區(qū)域中臨近電離源。在本實施方式中延伸到第一區(qū)域中的距離是所述第一區(qū)域長度的20% (所述第一區(qū)域是具有與其緊鄰的電離源的等離子體管的部分)，其中所述長度是在操作中在氣體/等離子體組分通過等離子體管的行進方向上進行測量的。如果電離源整體上臨近等離子體管，則第一區(qū)域的長度將與電離源的長度一樣，例如RF線圈。僅以舉例的方式，如果在氣體/等離子體組分行進方向上第一區(qū)域的長度為5cm，則熱解氮化硼襯里不會延伸到第一區(qū)域中，與電離源重疊至多10mm，那距離為5cm的20%。
[0063]盡管是優(yōu)選的，以獲得最佳效果，但發(fā)明人發(fā)現(xiàn)PBN襯里和電離源之間沒有重疊則高能氣體組分的復(fù)合可顯著減少，而當存在相對小的重疊時，例如如上定義的20%或更低，硼雜質(zhì)可保持在可管理的水平。
[0064]在一個實施方式中，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的10%。
[0065]在進一步的實施方式中，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的5%。
[0066]在一個實施方式中，熱解氮化硼襯里不延伸到第一區(qū)域中，使得它不為等離子體管的一部分內(nèi)表面安裝襯里，該一部分內(nèi)表面鄰近所述電離源。這是優(yōu)選的實施方式，其中所述PBN襯里和電離源不重疊，或者以另一種方式放置它，其中保持了所述PBN襯里和電離源之間的間隔。
[0067]參考不為等離子體管的內(nèi)表面安裝襯里的PBN襯里，該內(nèi)表面‘鄰近’所述電離源，意味著PBN襯里和RF線圈沿等離子體管的長度軸線不在任何點上重疊，該長度軸線也可定義為氣體/等離子行進通過等離子體管的方向。
[0068]在一個實施方式中，熱解氮化硼襯里在以距離電離源的下端大于Omm至約10mm的距離開始。電離源的下端可定義為電離源的點或表面，它最接近PBN襯里。例如，當電離源是RF線圈時，則PBN襯里從該源開始的距離從最低線圈的下側(cè)測量，其最靠近PBN襯里。替代地，但實現(xiàn)的效果相同，所述電離源的下端可定義為電離源的最后點的水平，行進氣體或等離子體將在操作中在離開等離子體管之前在其行進方向上通過。在下面的段落中提到的間距涉及這點和PBN襯里的第一個點之間的距離，操作時在其行進方向上等離子體遇到PBN襯里的該第一個點。
[0069]在一個實施方式中，其中所述熱解氮化硼襯里不延伸到第一區(qū)域中，熱解氮化硼襯里和電離源之間的間距為大于Omm至約100mm。優(yōu)選地，熱解氮化硼襯里和電離源之間的間距為約5至約100mm。在一個實施方式中，熱解氮化硼襯里和電離源之間的間距為約10至75mm。在進一步的實施方式中，熱解氮化硼襯里和電離源之間的間距為約15至50mm。在又一個進一步的實施方式中，熱解氮化硼襯里和電離源之間的間距為約20至約30mm。這些范圍包括并且可選自大于Omm至100mm、大于Omm至90mm、大于Omm至80mm、大于Omm至70mm、大于Omm 至 60mm、大于 Omm 至 50mm、大于 Omm 至 40mm、大于 Omm 至 30mm、I 至 100mm、I 至 90mm、I 至80mm、1牽70mm、1牽f1mm、1牽50mm、1牽40mm、1牽30mm、2牽100mm、2牽90mm、2牽80mm、2牽70mm、2牽BOmm、2牽 50mm、2牽 40mm和 2 牽 30mm、5 牽1OOmm、5牽 90mm、5牽 80mm、5 牽 7 Omm、5牽 f1mm、5牽50mm、5 至40mm和5 至 30mm、10 至 100mm、10 至 90mm、10 至 80mm、10 至 70mm、10 至 60mm、10 至 50mm、1 O牽40mm和1 O牽30mm、20牽1OOmm、20牽90mm、20牽80mm、20牽70mm、20牽f1mm、20牽50mm、20至40mm和20至30mm、30至100mm、30至90mm、30至80mm、30至70mm和30至60mm、40至100mm、40至90mm、40至80mm、40至70mm和40至60mm，以及約 10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm和I OOmm的單個值。
[0070]PBN襯里可從上述定義的點延伸到基本上鄰近等離子體出口，或在兩者之間的任何點的端部上。
[0071]本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如上面描述的，維持電離源的下端和PBN襯里的開始之間的分離提供了摻入到生長膜(多個膜)中的硼水平的顯著降低，同時令人驚訝地提供了在高能組分復(fù)合中的有益降低。不希望受任何假設(shè)的特定理論的束縛，而據(jù)信發(fā)生了硼原子從PBN襯里的噴射，這是由于在與活性等離子體組分，例如活性氮等離子體組分接觸時的濺射或蝕刻，該濺射或蝕刻的程度直接在由電離源所包含的等離子體形成區(qū)域中大大增加。因此，降低了 PBN襯里遠離該區(qū)域，或者甚至提高了電離源更遠地位于PBN襯里上面，導致更少的硼從襯里噴射?；诒绢I(lǐng)域中的理解，PBN襯里的位置與由電離源所包含的等離子體管的區(qū)域分離將會期望減少膜的質(zhì)量，這是由于增加了在等離子體管的非PBN襯里部分上發(fā)生的活性氮組分的表面復(fù)合的數(shù)量，但令人驚訝的已發(fā)現(xiàn)高品質(zhì)的膜仍可在相同的工藝條件下形成，因為利用了PBN襯里，其覆蓋了整個等離子體管，或至少存在臨近電離源，S卩，不需要增加氣體流速或電離源功率以補償活性等離子體組分的任何損失。此處提及的“部分PBN襯里”將被理解為涉及一種裝置，從而使用在襯里和電離源之間的這種分離。
[0072]優(yōu)選地，熱解氮化硼襯里是可移除的襯里。去除襯里并用新的PBN襯里更換它的能力在操作中具有顯著優(yōu)點。首先，它提供了靈活性，因為不使用襯里可實現(xiàn)過程運行，為了比較起見，或者如果基本上無硼的膜是理想的。其次，當現(xiàn)有的PBN襯里磨損或損壞時它能夠容易地以最小的停機時間來更換，并避免了更換整個等離子體管的費用，因為如果PBN是永久涂層將會是需要的。
[0073]合適地，熱解氮化硼襯里的厚度范圍為0.6mm至1.3mm。優(yōu)選地，熱解氮化硼襯里的厚度范圍為0.7mm至1.1mm。甚至更優(yōu)選地，熱解氮化硼襯里的厚度范圍為0.75mm至0.9mm，例如為約0.8mm。
[0074]這些范圍包括0.6臟至1.2臟、0.6臟至1.1臟、0.6至1.Ctoim、0.6臟至0.9臟和0.6至0.8mm、0.7至1.2mm、0.7至1.1mm、0.7至丨JI.0mm、0.7mm至0.9mm和0.7至0.85mm，以及約0.6mm、0.7mm、0.8mm.0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm和1.3mm的單個值。
[0075]在某些實施方式中，等離子體管由選自包含氮化鋁、石英和氧化鋁的組中的材料形成。這種材料也形成了等離子體管的第一區(qū)域的內(nèi)表面，該PBN襯里將抵靠該內(nèi)表面。這意味著與電離源相鄰的等離子體管的區(qū)域，在本文中稱為第一區(qū)域，將具有由這些材料而不是PBN形成的內(nèi)表面，所以在與內(nèi)表面碰撞時等離子體將與這些材料中的一個有碰撞。在等離子體管的第二區(qū)域中，因為等離子體管的該區(qū)域具有位于臨近其內(nèi)壁(多個壁)/表面的PBN襯里，在與等離子管的內(nèi)表面碰撞時等離子體活性組分將與PBN碰撞，從而減少表面復(fù)合的發(fā)生率，并因此減少活性等離子體組分的損失。
[0076]在優(yōu)選的實施方式中，電離源是射頻(RF)源或微波源。
[0077]優(yōu)選地，所述電離源是RF線圈的形式。而本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它電離源將在本文中進一步引用，特別是相對于附圖和實施例，將會是RF線圈作為電離源。鑒于本文的教導，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠為本發(fā)明應(yīng)用標準的修改，僅用以結(jié)合其它電離源。
[0078]在一個實施方式中，等離子體發(fā)生器是RPCVD等離子體發(fā)生器。RPCVD需要生長條件，這與那些在替代性生長過程中需要的顯著不同，并且可影響等離子體產(chǎn)生過程。例如，分子束外延(MBE)生長條件非常不同于RPCVD的那些，特別在生長壓力和氣體流量方面。MBE生長是在低得多的生長壓力(小于1E-4托)下進行，并使用相對低的等離子體氣流(?幾個sccm)，而RPCVD在高得多的壓力(?幾托)下操作，并使用高得多的氣流(幾百到幾千seem)。因為這些差別，RPCVD生長過程、腔室部件、等離子體產(chǎn)生和它的遞送不能與MBE的那些直接比較。
[0079][在一個實施方式中，本發(fā)明在于用于在基板上沉積第III族金屬氮化物膜的裝置，該裝置包括:
[0080](a)等離子體發(fā)生器，以由氮源產(chǎn)生氮等離子體，該等離子體發(fā)生器包括
[0081](i)等離子體管，具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口；
[0082]( ? )臨近等離子體管的電離源，以限定等離子管的第一區(qū)域并將該區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分；
[0083](m)熱解氮化硼襯里，位于鄰近在其第二區(qū)域內(nèi)的所述等離子體管的內(nèi)壁，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的20%;
[0084](b)生長室，在其中反應(yīng)試劑，其包括具有由氮等離子體衍生的活性氮組分的第III族金屬，以便在基板上沉積第III族金屬氮化物；以及
[0085](c)在生長室上的等離子體入口，以便氮等離子體從等離子體發(fā)生器通入到生長室中。
[0086]在一個實施方式中，該裝置是RPCVD裝置。
[0087]適當?shù)?，該生長室包括VA族等離子體入口、IIIA族試劑入口以及適于支撐一個或多個基板的基板支架。優(yōu)選地，該氣體是氮氣，所以VA族等離子體是氮等離子體，包括活性氮組分。適當?shù)兀入x子體管氣體入口是氮氣入口，并且等離子體出口是氮等離子體出口。
[0088]適當?shù)?，IIIA族試劑是IIIA金屬有機試劑。該試劑可與本發(fā)明的裝置和方法使用，并因此可形成的膜的性質(zhì)沒有特別限制。雖然本文討論的實施方式通常采用氮等離子體和金屬有機物(通常是含鎵金屬有機物，例如三甲基鎵或三乙基鎵)作為試劑，本發(fā)明的實用性并不局限于此。
[0089]在本文中對氣體流量和等離子體的另外參考將涉及氮，并且對金屬有機試劑的參考將是三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)，從而導致產(chǎn)生GaN膜。
[0090]在一個實施方式中，在生長室中的生長壓力為約I至約10托，優(yōu)選為約1.5至約6托，更優(yōu)選為約2至約5托，例如約2.5、3.0、3.5或4.0托。
[0091]存在的范圍包括I至9托、I至8托、I至7托、I至6托、I至5托、I至4托、2至9托、2至8托、2至7托、2至6托、2至5托和2至4托。
[0092]通過氣體入口的氣體流動速率轉(zhuǎn)換為等離子體，將隨著沉積區(qū)域的增加或基板數(shù)量的增加而增加。合適的示例性流動速率可為約50sccm至約5000sccm，優(yōu)選為約500sccm至4000sccm，更優(yōu)選為約100sccm至約3000sccm，例如為約2500sccm。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，所要求的精確流速將取決于許多因素，例如生長室、沉積區(qū)域的尺寸和在其上進行膜生長的基板晶片的數(shù)量。例如，假定類似的腔室配置(即，腔室高度、幾何形狀等)，如果晶片的數(shù)量或生長面積加倍，則流量也應(yīng)加倍，用于固定的生長速度和類似的膜性能。上述流量范圍可適合于使用例如七個2英寸晶片的裝置，在該晶片上發(fā)生膜沉積。
[0093]圖1示出了當使用具有部分PBN襯里的等離子體管時用于在基板上沉積金屬氮化物膜的裝置的一個實施方式的立體剖視圖。
[0094]該裝置100是RPCVD裝置，并且包括等離子體發(fā)生器200、噴頭300、等離子體腔400和生長室500。等離子體發(fā)生器200包括等離子體管205，其在所示的實施方式中是圓柱形的。等離子體管205優(yōu)選地由氮化鋁構(gòu)成，而石英和氧化鋁也將是合適的。等離子體管205具有PBN襯里210，臨近在本文中稱為第二區(qū)域的其內(nèi)表面的一部分。等離子體管在形成第一端部的其上部區(qū)域上加蓋，氣體入口 215打開通到該第一端部中。雖然圖中未示出，氣體入口 215將連接氣體供應(yīng)，例如氮氣供應(yīng)。在等離子體管205的下部區(qū)域或第二端部，有等離子出口 220，在所示的實施方式中簡單地是等離子體管205的開口端，而且可采取若干形式，例如收縮區(qū)或偏濾器(partial filter)，以集中和控制離開的等離子體組分。這樣的等離子體出口設(shè)計是本領(lǐng)域公知的。等離子體管205的一部分，在本文中稱為第一區(qū)域，緊鄰或由RF線圈225包圍，以將該區(qū)域暴露于電磁場，并形成等離子體發(fā)生區(qū)域。應(yīng)該理解的是，PBN襯里210不延伸到第一區(qū)域中，使得它不為等離子體管205的內(nèi)表面的一部分安裝襯里，該內(nèi)表面垂直排列或緊鄰RF線圈225。即，在RF線圈225的下端230和PBN襯里210的開始之間有垂直空間間隔。這兩種組件的這種分離，以及這兩個相對位置或點，提供了利用降低的硼摻入制造的良好品質(zhì)膜的本文所討論的優(yōu)點。應(yīng)該理解的是，在所有情況下，該分離可能不是垂直分離，即，等離子體管可水平地坐落于正確的裝置內(nèi)，但分離的原則仍然存在。
[0095]噴頭300具有上表面305，其設(shè)置有一系列的孔。示出了多個等離子體孔310，其允許活性氮等離子體從等離子出口 220通過等離子體腔而進入生長室500。
[0096]在一個實施方式中，等離子體孔310設(shè)置有熱解氮化硼護套或涂層。優(yōu)選地，大多數(shù)，更優(yōu)選地是基本上所有的等離子體孔310設(shè)置有熱解氮化硼護套。此PBN護套將有助于減少活性氮原子的表面復(fù)合數(shù)量，該復(fù)合在通過噴頭300的期間發(fā)生。
[0097]噴頭300上設(shè)置有在其內(nèi)部的金屬有機物傳遞通道315。這些通道315在形成在噴頭300的下側(cè)的多個點處打開，進入生長室500用于在其中傳遞三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)。額外的孔320形成在噴頭300的上表面上并貫穿它。這些結(jié)合在頂部等離子體腔410頂部上的視野端口，允許操作原位分析設(shè)備通過該噴頭300并進入到生長室500中，例如高溫計來監(jiān)測溫度或膜厚測試系統(tǒng)來監(jiān)測膜厚度。
[0098]在一個實施方式中，等離子體腔400，其將包括使用中的活性氣體組分，由噴頭300的上表面、至少一個壁或側(cè)壁405和頂部410限定，噴頭300的上表面與等離子發(fā)生器的等離子出口相對，通過頂部該等離子體發(fā)生器200的等離子出口 220打開。合適地，該噴頭300的上表面305和至少一個側(cè)壁405覆蓋有熱解氮化硼。在一個實施方式中，等離子體腔400的所有表面都涂覆或覆蓋有鋁或PBN，其可以是與等離子體發(fā)生器200的PBN襯里210分離的或連續(xù)的。除了鋁和PBN，也可選擇具有減少活性等離子體組分的表面復(fù)合的能力的其它材料來用于涂覆或覆蓋上述表面。
[0099]生長室500是本領(lǐng)域中公知的標準設(shè)計。它包括基板支架505在其上定位有大量的基板510?；逯Ъ?05可以是轉(zhuǎn)臺設(shè)計，因此可在整個沉積過程中高速旋轉(zhuǎn)。經(jīng)由出口(在圖中未示出)去除廢物。
[0100]圖2是用于在圖1的基板上沉積金屬氮化物膜的裝置的立體剖視圖，但使用的是收縮氣體入口215或其延伸。圖2的實施方式基本上類似于圖1的，具有一種附加組件，因此僅在下面對相關(guān)部分進行討論。然而，將被理解的是，關(guān)于圖1中作出的評論也同樣適用于圖2。
[0101]在所示的實施方式中，等離子體管的氣體入口215或等離子體管205的靠近第一端部的一部分是相對于等離子體管205中的剩余部分收縮的。在圖2所示的實施方式中，插入件600位于等離子體管205的的上部區(qū)域中，并設(shè)置有貫穿它的孔605，在使用中與氣體入口215對準。這將導致受限制的氣流引入到臨近RF線圈225的等離子體管205的第一區(qū)域中用于產(chǎn)生等離子體。由于氣體的速度和強加于流路上的幾何形狀，氣體將通過等離子體管205的第一區(qū)域，與等離子體管205的壁有最小接觸。這是特別有利的實施方式，活性氮原子的任何損失在很大程度上受流量控制最小化，以防止發(fā)生表面碰撞，這是由于等離子體管205的壁在第一區(qū)域內(nèi)復(fù)合，其中沒有PBN襯里可用來降低這種機制。減小的表面碰撞也可降低硼在PBN襯里上的濺射效應(yīng)，從而可導致使用該收縮的幾何形狀降低在生長的GaN膜中的硼雜質(zhì)。因此，第一端部的收縮是一種機制，可與本文所述的PBN襯里協(xié)同工作，以產(chǎn)生最佳結(jié)果O
[0102]如所討論的，合適地是該收縮采取的形式為氣體入口215或等離子體管205相對于所述等離子體管205的第二區(qū)域的直徑是直徑減小的區(qū)域。然而，可理解的是通過等離子體生成區(qū)域相對于在第二區(qū)域中的其允許流量而收縮氣流的任何裝置可達到同樣的效果。
[0103]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了產(chǎn)生等離子體的方法，包括以下步驟:
[0104](a)提供包括等離子體管的等離子體發(fā)生器，該等離子體管具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口，臨近等離子體管的電離源，以限定等離子管的第一區(qū)域并將該區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分，以及熱解氮化硼襯里，位于鄰近在其第二區(qū)域內(nèi)的所述等離子體管的內(nèi)壁，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的20%;
[0105](b)通過該氣體入口提供原料氣；以及
[0106](C)將該氣體暴露于該第一區(qū)域內(nèi)的電磁場，由此產(chǎn)生等離子體。
[0107]在一個實施方式中，氣體選自氮氣、氫氣、氨氣、氦氣或任何惰性氣體。優(yōu)選地，該氣體是氮氣。
[0108]使用關(guān)于第一方面以及圖1和2所描述的等離子體發(fā)生器來實現(xiàn)該方法。因此提出用于第一方面的所有工藝條件和裝置以及等離子體發(fā)生器組件也同樣適用于第二方面，并將被視為完全相同的描述。
[0109]實驗
[0110]綜述
[0111]在下面的實驗中，其中采用三種不同的PBN襯里布置，以在RPCVD條件下生長GaN膜。在每一種情況下使用完全相同的工藝條件，因此唯一的變量是定位和PBN襯里的相對長度。
[0112]工藝條件
[0113]RPCVD膜在3.5托、1600sccm氫的金屬有機物注射器流量下生長。三乙基鎵(TEG)在1208(3011的流量下用作有機金屬試劑。等離子體氮流量為25008(30]1。使用在13.5610^下工作的2.0KW的射頻源來產(chǎn)生等離子體。生長的進行不需要在等離子體源和晶片之間的任何噴頭。所得的生長率為0.6μπιΛ。
[0114]對于實驗運行，使用完全的標準PBN襯里來進行一次運行，其覆蓋了AIN等離子體管(在圖3中標記為運行‘959硼’)的整個長度。進一步的實驗采用部分PBN襯里，具有RF線圈的下側(cè)或下端與PBN襯里的頂部或開始之間的距離設(shè)定為1mm(在圖3中標記為運行‘1050硼’)。最后，實驗也可使用部分PBN襯里來進行，但是RF線圈的下部區(qū)域和最接近下部區(qū)域的PBN襯里的點之間的距離設(shè)定為20mm。這是通過采用以1050運行的RF線圈和相對于PBN襯里進一步將其提高1mm來實現(xiàn)的。在圖3中這個實驗運行標記為運行‘1052硼’。
[0115]結(jié)果
[0116]圖3是在GaN膜中發(fā)現(xiàn)的作為雜質(zhì)的硼水平的SMS圖形分析，該GaN膜在三個實驗條件中制得，在PBN長度和相對于RF線圈的端部定位的方面，如上所述?？汕宄乜闯?，使用本發(fā)明的裝置和方法，即RF線圈的下端與部分的PBN襯里逐漸間隔開，在生長的GaN膜中的硼原子的濃度顯著地少于在完全相同的條件下但是完全的PBN襯里覆蓋所有的等離子體管的內(nèi)表面的生長的GaN膜中的硼原子濃度。
[0117]具體地，使用完全的TON襯里產(chǎn)生的GaN膜(在圖3中0.5μπι深度的最上線)所包含的硼雜質(zhì)水平顯著地比其它兩個運行要高。純度水平中的這種差異會影響具有減少的硼的膜質(zhì)量的理想結(jié)果。采用在PBN襯里和RF線圈之間的20mm間距的運行1052表明，作為雜質(zhì)的硼的較低水平在相對于運行1050的最后膜中具有1mm的間距。因此，在一定程度上，襯里和線圈之間的間距增加是可取的。采用部分的PBN襯里(運行1050和1052)的兩種膜是另有高質(zhì)量的并適用于典型的GaN膜應(yīng)用。
[0118]該SMS分析表明分離電離源和PBN襯里，如前面所述和在圖1和2中所示，提供了令人驚訝的摻入到生長膜中的硼水平的減少程度。因為硼雜質(zhì)可對膜質(zhì)量產(chǎn)生負面影響，因此性能、該控制級別對于極其高品質(zhì)的膜是非常可取的。
[0119]出于說明的目的，為相關(guān)技術(shù)中的普通技術(shù)人員提供了本發(fā)明的各種實施方式的上述描述。它并非旨在是窮盡的或?qū)⒈景l(fā)明限制到所公開的單個實施方式。如上所述，本發(fā)明的許多替代方案和變型將對上述教導的本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。本專利說明書旨在涵蓋本發(fā)明的所有替代方案、修改和變化。
【主權(quán)項】
1.一種等離子體發(fā)生器，包括: (a)等離子體管，具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口； (b)臨近等離子體管的第一區(qū)域的電離源，以將此區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分；以及 (C)熱解氮化硼襯里，為在其第二區(qū)域內(nèi)的等離子體管的內(nèi)壁安裝襯里， 其中，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，所述距離大于第一區(qū)域長度的20 %。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體發(fā)生器，其中熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，所述距離大于第一區(qū)域長度的10%。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子體發(fā)生器，其中熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，該距離大于第一區(qū)域長度的5%。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中所述熱解氮化硼襯里不延伸到第一區(qū)域中，使得它不為等離子體管的一部分內(nèi)表面安裝襯里，所述一部分內(nèi)表面鄰近所述電離源。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中所述熱解氮化硼襯里與電離源的距離間隔大于Omm至約I OOmm。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中所述間隔為約2mm至約80mm ο7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中所述間隔為約5mm至約60mm ο8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中所述熱解氮化硼襯里是可去除的襯里。9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中所述電離源是RF線圈的形式。10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中所述等離子體發(fā)生器是RPCVD等離子體發(fā)生器。11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中所述氣體入口是氮氣入□ O12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的等離子體發(fā)生器，其中等離子體管的氣體入口或鄰近第一端部的等離子體管的一部分是相對于等離子體管的其余部分收縮的。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的等離子體發(fā)生器，其中收縮采取的形式為氣體入口和/或等離子體管的第一區(qū)域的至少一部分相對于所述等離子體管的第二區(qū)域的直徑是直徑減小的區(qū)域。14.一種用于在基板上沉積第III族金屬氮化物膜的裝置，所述裝置包括: (a)等離子體發(fā)生器，以由氮源產(chǎn)生氮等離子體，等離子體發(fā)生器包括: (i)等離子體管，具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口； (? )臨近等離子體管的電離源，以限定等離子管的第一區(qū)域并將此區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分； (m)熱解氮化硼襯里，位于鄰近在其第二區(qū)域內(nèi)的所述等離子體管的內(nèi)壁，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，所述距離大于第一區(qū)域長度的20%; (b)生長室，在其中反應(yīng)試劑，其包括具有由氮等離子體衍生的活性氮組分的第III族金屬，以便在基板上沉積第III族金屬氮化物；以及 (C)在生長室上的等離子體入口，以便氮等離子體從等離子體發(fā)生器通入到生長室中。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述裝置是RPCVD裝置。16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的裝置，其中所述熱解氮化硼襯里不延伸到第一區(qū)域中，使得它不為等離子體管的一部分內(nèi)表面安裝襯里，所述一部分內(nèi)表面鄰近所述電離源。17.根據(jù)權(quán)利要求14-16中任一項所述的裝置，其中等離子體發(fā)生器是如權(quán)利要求1-13中任一項所述的。18.根據(jù)權(quán)利要求14-17中任一項所述的裝置，還包括位于所述等離子體發(fā)生器和生長室之間的噴頭。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述噴頭包括至少一個貫穿它的孔，通過該孔離開等離子體管的等離子出口的等離子體可穿過進入生長室中。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中至少一個孔設(shè)置有熱解氮化硼護套或涂層。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中至少一個孔為多個孔，其中大部分孔設(shè)置有熱解氮化硼護套。22.根據(jù)權(quán)利要求14-21中任一項所述的裝置，還包括由噴頭的上表面、至少一個側(cè)壁和頂部限定的等離子體腔，噴頭的上表面與等離子體發(fā)生器的等離子出口相對，通過頂部等離子體發(fā)生器的等離子出口打開。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中至少所述噴頭的上表面和至少一個側(cè)壁上安裝有熱解氮化硼的襯里。24.一種產(chǎn)生等離子體的方法，包括以下步驟: (a)提供包括等離子體管的等離子體發(fā)生器，所述等離子體管具有形成在等離子體管的第一端部的氣體入口和形成在等離子管的第二端部的等離子出口，臨近等離子體管的電離源，以限定等離子管的第一區(qū)域并將此區(qū)域暴露給電磁場來產(chǎn)生活性等離子體組分，以及熱解氮化硼襯里，位于鄰近在其第二區(qū)域內(nèi)的所述等離子體管的內(nèi)壁，所述熱解氮化硼襯里延伸到第一區(qū)域中不超過一定距離，所述距離大于第一區(qū)域長度的20%; (b)通過氣體入口提供原料氣；以及 (c)將氣體暴露于此第一區(qū)域內(nèi)的電磁場，由此產(chǎn)生等離子體。25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中在生長室中的生長壓力為約I至約10托。26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的方法，當使用如權(quán)利要求1-13中任一項所述的等離子體發(fā)生器或如權(quán)利要求14-23中任一項所述的裝置時進行所述方法。
【文檔編號】C23C16/00GK105917748SQ201580004759
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月15日
【發(fā)明人】伊恩·曼, 薩蒂亞納拉楊·巴瑞克, 瑪麗·汪德比爾特-富蓋, 喬?！げ祭? 保羅·鄧尼根
【申請人】蓋列姆企業(yè)私人有限公司