[發(fā)明專利]通過原子層沉積形成半導(dǎo)體材料的系統(tǒng)和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110271991.3
• 申請日: 2011-09-14
• 公開（公告）號: CN102446715A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: C·J·維克霍溫
• 申請（專利權(quán)）人: 硅絕緣體技術(shù)有限公司
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;C23C16/30;H01L33/00
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 丁香蘭;龐東成

相關(guān)申請的交叉引用

本申請的主題涉及于2009年3月3日以Arena等的名義遞交的美國專利申請第61/157,112號的主題，并涉及于2010年9月30日以Ronald?T.Bertran，Jr.的名義遞交的名稱為“Thermalizing?Gas?Injectors?for?Generating?Increased?Precursor?Gas，Material?Deposition?Systems?Including?Such?Injectors，and?Related?Methods”的美國專利申請第12/894,724號的主題，通過援引將以上各申請的全部內(nèi)容完整并入本說明書中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施方式一般涉及用于在襯底上沉積材料的系統(tǒng)以及制作和使用所述系統(tǒng)的方法。更具體而言，本發(fā)明的實(shí)施方式涉及在襯底上沉積III-V族半導(dǎo)體材料的原子層沉積(ALD)法以及制作和使用所述系統(tǒng)的方法。

背景技術(shù)

III-V族半導(dǎo)體材料正因在電子和光電應(yīng)用中的使用而迅速發(fā)展。許多III-V族半導(dǎo)體材料具有直接帶隙，這使它們特別可用于制造光電器件，如發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。特定的III-V族半導(dǎo)體材料，如氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)及其合金(通常稱作III族氮化物)，作為用于制造短波LED和LD(包括發(fā)射藍(lán)光和紫外發(fā)光光電器件)的重要材料而出現(xiàn)。寬帶隙的III族氮化物也因III族氮化物在高電流水平、高擊穿電壓和高溫下工作的能力而可用于高頻和高功率電子器件。

一種廣泛使用的用于沉積III-V族半導(dǎo)體材料的工藝在本領(lǐng)域中稱作金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。在MOCVD工藝中，襯底在反應(yīng)室中暴露于一種或多種氣態(tài)前體，其以使III-V族材料外延沉積在襯底表面上的方式反應(yīng)、分解或者既反應(yīng)又分解。MOCVD工藝通常用于通過將含有III族元素的前體(即，III族元素前體)和含有V族元素的前體(即，V族元素前體)引入容納襯底的反應(yīng)室中而沉積III-V族半導(dǎo)體材料。這使得在前體(即，III族元素前體和V族元素前體)在暴露于襯底表面之前即發(fā)生混合。

利用MOCVD工藝沉積III-V族半導(dǎo)體材料涉及襯底表面處的生長速率與氣相中化合物的形成之間的平衡。具體而言，III族元素前體與V族元素前體的混合可導(dǎo)致顆粒的形成，所述顆粒消耗了原本用于在適宜的生長襯底上形成III-V族半導(dǎo)體材料的這些前體。在MOCVD工藝中可用前體的消耗導(dǎo)致難以控制III-V族半導(dǎo)體材料生長速率、厚度和組成，特別是在大反應(yīng)室中時。利用MOCVD工藝形成的III-V族半導(dǎo)體材料的厚度和組成的變化可能對具有特定發(fā)射波長的器件(如波長特定的LED)的生產(chǎn)能力和成品率具有負(fù)面影響。此外，利用MOCVD工藝形成的III-V族半導(dǎo)體材料的沉積速率通常很低，因而降低了生產(chǎn)能力并增加了單位晶片的成本。

原子層沉積(ALD)是用于沉積保形材料并具有原子尺度的厚度控制的工藝。ALD可用于沉積III-V族半導(dǎo)體材料。ALD是包括使用至少兩種試劑或前體的多步、自限制工藝。通常，將第一前體引入容納襯底的反應(yīng)器中并使其吸附在襯底表面上。多余的前體可以通過利用例如吹掃氣抽吸和吹掃反應(yīng)器而除去。然后將第二前體引入反應(yīng)器中并使其與吸附的材料反應(yīng)而在襯底上形成材料的保形層或膜。在選定的生長條件下，沉積反應(yīng)在以下方面可以是自限制的：一旦最初吸附的材料與第二前體完全反應(yīng)則反應(yīng)終止。多余的前體再次通過抽吸和吹掃反應(yīng)器而除去。可重復(fù)該工藝以形成另一材料層，循環(huán)次數(shù)決定沉積膜的總厚度。

與通過常規(guī)MOCVD工藝形成的III-V族半導(dǎo)體材料相比，利用ALD工藝形成的III-V族半導(dǎo)體材料可以具有更高的結(jié)晶品質(zhì)。ALD工藝可使并入沉積的結(jié)晶材料中的前體得到更好控制，因此可使由通過所述ALD工藝形成的結(jié)晶材料(例如，III-V族半導(dǎo)體材料)的組成得到更好控制。III-V族半導(dǎo)體材料的組成的這種嚴(yán)格控制會對發(fā)光器件帶來以下結(jié)果，例如可確保在單個生長襯底上制造的發(fā)光器件之間和在不同生長襯底的發(fā)光器件之間獲得一致的發(fā)射波長。

然而，通過傳統(tǒng)ALD工藝制備的III-V族半導(dǎo)體材料的生長速率與MOCVD的生長速率相比較低。因此，借助于傳統(tǒng)ALD的III-V族半導(dǎo)體材料的高生產(chǎn)能力要求加載尺寸增大，這使得將多余前體和吹掃氣吹掃出反應(yīng)器變得困難。因此，當(dāng)前可用的ALD反應(yīng)器通常針對單晶片加工而構(gòu)造，導(dǎo)致通過ALD獲得III-V族半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)能力較低且單位晶片的成本較高。