TWI601855B - 沉積氮化鋁層的方法 - Google Patents

Description

沉積氮化鋁層的方法

本說明書中記載了一種沉積氮化鋁層的方法。

以氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN)為基底的半導體被應用在各種裝置中，如發光二極體、雷射二極體、光伏太陽能電池以及功率裝置(如高電子遷移率電晶體)。

發光二極體(LED)的基本結構符合一pn半導體二極體以至於它們顯示出類似的特性。不同之處在使用於LED的半導體材料。因為非發光二極體是由矽，或有時鍺或硒所製造，然而用於LED的半導體材料是III-V族的半導體，通常是鎵化合物。

如果電壓在正向方向上施加，則電子從LED的n型摻雜遷移到p型摻雜側而發射光。發射的光的波長，並且因此它的顏色，取決於形成pn交聯材料的帶隙能量。在矽或鍺二極體中，電子和電洞以非輻射躍遷的方式重新結合，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直接帶隙能量。

LED通常建構在n型基板上，具有連接到沉積在其表面上的p型層的電極。而P型基板較少見，但也可以被使用。一些商用的LED，特別是氮化鎵/氮化銦鎵，是使用矽基板。

氮化鎵和矽基板之間的大晶格不匹配可以藉著使用多重生 長步驟以適應晶格應變，使高品質的氮化鎵薄膜可以生長。

由於氮化鋁和矽基板之間具有較小的晶格不匹配，中間磊晶生長的氮化鋁層可被沉積在基板上且用來作為可以生長氮化鎵的模板。因此，氮化鋁緩衝層的使用可以被用來繞過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)所需要的具有挑戰性的成核步驟，以在各種基板上生長氮化鎵，例如矽。

美國專利US6,391,748 B1公開了一種磊晶膜的形成方法能夠以分子束磊晶生長的方法製造一氮化鋁層於一矽基板上。該氮化鋁層最初是藉由將矽基板以背景氨處理，接著反复替換1)無氨的鋁以及2無鋁的氨。當矽結構的表面被充分地覆蓋有氮化鋁之後，該晶圓被進一步進行同時施加氨和鋁的流體，以繼續該磊晶生長的步驟。此過程最小化非晶氮化矽(SiN_x)的形成，是由於背景氮在分子束磊晶生長裝置中的等級而在該基板上的表面所形成的化合物。非晶氮化矽表面自由度對於形成高品質的氮化鋁是必要的。

然而，重複的提供交替的流體是非常耗費時間的，且建立分子束磊晶生長所需的超高真空需要非常高的努力。為了達到目標的壓力，小於10^-12大氣壓，每一次需要幾個真空幫浦和一段長時間來抽空。此外，只每小時僅有大約1微米的成長。

因此，需要一個進一步的方法，藉其可以沉積一氮化鋁層在矽基板上。

本發明提供了一種在矽基板上沉積氮化鋁半導體層的方法，包括：提供一矽的基板；將該基板放置在真空室中；以蝕刻調整該基 板的表面，並提供一調整過的表面；加熱該基板至一溫度T₁；以一濺鍍方法在一氬氣氛圍下沉積一鋁膜到該基材之該調整過的表面上；以及以一濺鍍方法在一氮氣及氬氣的氛圍下沉積一磊晶的氮化鋁層在該鋁膜上。

蝕刻提供一個調整過的表面的步驟以及沉積一鋁膜在該調整過的表面上的步驟的結合已經被發現可以促進一個實質上鋁末端(Al-terminated)的矽基材的形成。一種可能的機制是在於，蝕刻步驟之後一鋁末端調整過的結構可以促進一氮面極性(N-polarity)的氮化鋁半導體層沉積在此鋁末端的基板表面之上，藉其可提供此特徵。

在一個實施例中，對基板表面的調整的步驟包括：在真空下以電漿軟蝕刻該表面。電漿軟蝕刻可以包括：加熱該基板到一溫度T₂，導入氬氣到該真空室，以及使該基板之該調整過的表面受電漿處理。溫度T₂可在35℃到70℃的範圍內，例如50℃。在一個實施例中，電漿軟蝕刻的步驟是在2 x 10^-4毫巴至8 x 10^-4毫巴的壓力下以包括氬離子的射頻電漿進行。舉例來說，一50瓦的射頻功率可以被使用。

該電漿軟蝕刻進行的溫度T₂可以小於該鋁膜被沉積在基板的溫度T₁。T₁可以在650℃至800℃的範圍內。

在一個實施例中，該矽基板是一種<111>的矽基板。它已經表示了該矽基板的<111>取向可以用於促進六方晶系氮化鋁的磊晶生長。

在一個實施例中，該基板表面的調整的步驟可以用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化學蝕刻。

在蝕刻之後，該調整過的矽表面可以是無天然氧化物的。該蝕刻的步驟可以包括：優先從基板移除化學鍵結的氧以在矽基板上提供一 實質上為矽末端(Si-terminated)的表面。

在一個實施例中，該方法進一步包括：在該基板上流動氬氣，同時該基板被加熱至溫度T₁。例如，這個步驟可有助於防止污染物在鋁膜沉積到該調整過的表面之前累積於其上。

本文所描述的任一實施例的方法可以在多腔室系統進行，例如集束型製造設備(cluster tool)。在這種情況下，該調整表面的步驟可以在第一真空室進行，而該鋁膜和氮化鋁薄膜層的沉積的步驟則可以在不同的第二真空室進行。該基板可以在該第一和第二腔室之間經由同樣在真空下的一轉運室被轉運。

調整後，該方法可以進一步包括：降低該真空室中的壓力。這可以用來清潔真空室。在該腔室中的壓力也可以在調整之前和/或沉積之前被降低以清潔該真空室。

該濺鍍步驟可以是一射頻磁控濺鍍，直流電源濺鍍或脈衝直流電源濺鍍。

在一個實施例中，該鋁膜是以直流電源濺設沉積到該基板之該調整過的表面上。靶材可以是一鋁靶，且處理氣體可以包括氬氣。在從鋁靶進行直流電源濺鍍的情況下，一直流電源可以被用作該靶材的電源。在一個實施例中，100瓦的直流電源係被使用於濺鍍該鋁膜到該調整過的表面上。

在一個實施例中，該氮化鋁層藉由反應性濺鍍沉積到該鋁膜上。靶材可以是一鋁靶，且處理氣體可以包括氮氣和可選擇的氬氣。處理氣體中的氮與該鋁靶移出或濺出的鋁反應，從而形成一氮化鋁層於該鋁膜 之上。在從導電靶材反應性濺鍍的情況下，一直流電源可以被使用作為該靶材的電源。在一個實施例中，一1.0千瓦至3千瓦的直流電源用於濺鍍該氮化鋁層於該調整過的表面上。

在一個實施例中，該氮化鋁層是以射頻濺鍍沉積在鋁膜上。如果靶材是不導電的，也可以使用射頻濺鍍。例如，靶材可以包括沉積到鋁膜上的氮化鋁。在此實施例中，該處理氣體可以是一惰性氣體如氬氣。

沉積氮化鋁層之後，該基板可以被主動冷卻。主動冷卻可被用來幫助減少基板上的熱應力，同時基板也冷卻下來。

實施例現在將參考附圖來做說明。

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鋁膜以及一氮化鋁層的裝置圖。

一個示例性的方法用於製造一磊晶生長的氮化鋁層於一矽基板上包括：提供一種<111>矽基板，並提供一種在真空環境下電漿軟蝕刻此矽基板的至少一個表面。可選擇的，在該電漿軟蝕刻之後，已被清潔的該基板表面可被暴露於氮氣中。一鋁膜在氬氣氛圍中被濺鍍，同時保持該基板在高於650℃的溫度。之後，一氮化鋁層被濺鍍在鋁膜上。

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14，一個共用傳輸模組15以及一乘載鎖定裝置16，提供通往周圍的一介面。這種共用傳輸模組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用傳輸模組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。該些處理站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矽基板，另一處理站12則用於在該調整過的表面上以濺鍍沉積一鋁膜以及隨後在該鋁膜上以反應性濺鍍沉積該氮化鋁層。

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，用於在該矽基板的電漿軟蝕刻以及形成一調整過的表面，該表面可以是無天然氧化物的。

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，而該表面是不具有天然氧化物的結構。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，和一個脈衝直流電源，以使該鋁膜以直流電源濺鍍沉積。第2圖顯示了該處理站12的細節。

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。

以沉積在鋁膜上的基板24，在真空室20泵出，基板24被加熱到工藝溫度，例如770℃的加熱器23。在加熱基板24氬氣的工藝氣體可被允許流進真空室20和直流電源被施加到使鋁從靶22濺鍍靶22上的經處理的表面25形成的鋁膜在基板24上。

為了沉積鋁膜在基板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770℃。該基板24加熱期間，氬氣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濺射出來形成一鋁膜在該基板24的該調整過的表面25上。

為了沉積氮化鋁層於該鋁膜上，真空室20被抽真空。其後，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，與該氮處理氣體反應後，在該基板24的該調整過的表面25上形成氮化鋁層。

一個示例性的方法包括一6英寸的<111>矽基板在一獨立處理室中的單基板處理。該<111>矽基板被導入到半導體製造設備中並轉移到一個配置用來執行蝕刻步驟的處理站。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，抽真空的時間例如為10秒，並在同時該基 板的溫度被調節到一溫度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毫巴的狀況。一基板表面以氬離子的射頻電漿進行軟蝕刻。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運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，該清潔過且加熱的表面被暴露於一含氫的氣體中，例如氨氣。可選擇地，一例如為15sccm的氬氣流可以使用於加熱期間。該氬氣被導入並達成穩定，例如為5秒左右。一薄的鋁膜被沉積，同時控制氬氣的流量。氬氣的流量可以是35sccm。濺鍍可以使用直流電源進行，例如100瓦持續4秒的直流電源對於一厚度約為0.9奈米的薄層可能就足夠了。

然後，處理環境被抽真空以除去不需要的氣體和此處理步驟之殘餘物，例如60秒。

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30sccm。濺鍍可以使用直流電源進行，例如1.25 千瓦持續470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0.2奈米/秒(nm/s)。

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。

氮化鋁層的沉積可以藉由射頻濺鍍來進行且可以用不同的射頻功率的濺鍍來形成。

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氣暴露，因此往往不適合磁控濺鍍。然而，氮的電漿蝕刻可能因為矽基板內的離子撞擊而促使氮的群集，以及/或一非晶形的氮氧化物的形成。以氨磁控濺鍍氮化的一個限制可能是，由於一個額外的步驟，使得沉積過程複雜化。

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

Claims (19)

1. 一種在矽基板上沉積氮化鋁層的方法，其包含步驟如下：提供一矽的基板；將該基板放置在真空室中；以蝕刻調整該基板的表面，並提供一調整過的表面；加熱該基板至一溫度T₁；以一濺鍍方法在一氬氣氛圍下沉積一鋁膜到該基材之該調整過的表面上；以及以一濺鍍方法在一氮氣及氬氣的氛圍下沉積一磊晶的氮化鋁層在該鋁膜上，其中調整該基板的表面的步驟包括：在真空中以電漿軟蝕刻該表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該電漿軟蝕刻的步驟包括：加熱該基板到一溫度T₂，導入氬氣到該真空室，以及使該基板之該調整過的表面受電漿處理。
3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中T₂為35℃至70℃。
4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該電漿軟蝕刻是在2×10^-4毫巴至8×10^-4毫巴的壓力下以包括氬離子的射頻電漿進行。
5. 如申請專利範圍第2至4項中之任一項所述的方法，其中該溫度T₂<該溫度T₁。
6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中提供該矽的基板的步驟包括：提供一<111>的矽基板。
7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中調整該基板的表面的步驟包括：化學蝕刻該表面。
8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該蝕刻的步驟包括：優先從 該基板去除化學鍵結的氧。
9. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中在該鋁膜沉積後的該表面主要為鋁末端。
10. 如申請專利範圍第1項所述的方法，在該調整的步驟之後進一步包括：使該調整過的表面在該真空室中受一含氫的氣體處理。
11. 該方法如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該溫度T₁的範圍是介於650℃至800℃。
12. 如申請專利範圍第1項所述的方法，進一步包括：在該基板上流動氬氣，同時該基板被加熱至該溫度T₁。
13. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該調整的步驟是在一第一真空室執行，且該沉積的步驟是在一第二真空室中執行。
14. 如申請專利範圍第1項所述的方法，進一步包括：在該調整的步驟後降低在該真空室中的壓力。
15. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該氮化鋁薄膜藉由反應性濺鍍被沉積到該基板之該調整過的表面上。
16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中約100瓦的直流電源係被用於濺鍍該鋁膜到該調整過的表面。
17. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該氮化鋁層藉由反應性濺鍍被沉積到該鋁膜上。
18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中約1.0至3千瓦的直流電源被用於濺鍍該氮化鋁層到該鋁膜上。
19. 如申請專利範圍第1項所述的方法，進一步包括：在沉積該氮化鋁層的步驟之後主動冷卻該基板。