本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料生長設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于在襯底上生長電子器件的外延生長設(shè)備，尤其涉及一種用于生長電子器件的復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備及生長方法。

背景技術(shù)：

近年來，第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料氮化鎵及其III/V系列氮化物在照明及電子工業(yè)領(lǐng)域取得了卓越的成就。由于氮化鎵材料優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其得到了廣泛的應(yīng)用。例如，藍(lán)寶石襯底上氮化鎵基發(fā)光二極管已經(jīng)在照明領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有研究還表明氮化鎵在太陽能電池、紫外探測器、激光器、電子器件等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用。

目前，以氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體的材料生長設(shè)備大多利用金屬有機(jī)氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)，MOCVD應(yīng)用于氮化鎵、氮化鋁、鋁鎵氮、銦鎵氮等系列，表現(xiàn)出突出的外延性能，為第三代半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體的外延生長主要以異質(zhì)外延生長的方式，雖然在異質(zhì)生長過程利用了插入層、應(yīng)力緩沖層、超晶格、組分摻雜漸變等技術(shù)，但其生長的器件仍存在異質(zhì)生長出現(xiàn)的殘余應(yīng)力大、晶格失配、晶體質(zhì)量稍差的缺點(diǎn)，限制了氮化鎵系列的器件在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是高端氮化鎵器件的應(yīng)用。異質(zhì)外延的器件性能主要是制約于器件材料的晶體質(zhì)量、殘余應(yīng)力等因素，而金屬有機(jī)氣相沉積的外延方式?jīng)Q定了異質(zhì)襯底的初始緩沖層的晶體質(zhì)量等方面的性能比較差，主要因?yàn)榫Ц袷浜蜔崤蛎浵禂?shù)失配等原因。而初始緩沖層的材料性能對后端生長的材料與器件性能有直接決定性的影響，例如在硅襯底上生長氮化鋁緩沖層的晶體質(zhì)量比較差，以致進(jìn)一步影響后端的氮化鎵層的晶體質(zhì)量，制約了電子器件性能的提高。因此，生長高質(zhì)量的緩沖層是提高異質(zhì)外延的器件性能的根本途徑之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于生長電子器件的復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備，包括物理沉積腔室和化學(xué)沉積反應(yīng)室，可解決現(xiàn)有技術(shù)中金屬有機(jī)氣相沉積設(shè)備生長緩沖層晶體質(zhì)量較差，位錯(cuò)密度較高的問題。

本發(fā)明的原理是：本發(fā)明提供主要用于生長電子器件的復(fù)合反應(yīng)室外延沉積設(shè)備，該復(fù)合反應(yīng)室外延沉積設(shè)備包括物理沉積腔室(又稱為物理反應(yīng)室或物理反應(yīng)腔室)和化學(xué)沉積 反應(yīng)室(又稱為化學(xué)反應(yīng)室或化學(xué)反應(yīng)腔室)，兩個(gè)反應(yīng)腔室通過中轉(zhuǎn)室和機(jī)械手進(jìn)行相互連接；物理沉積腔室和化學(xué)沉積反應(yīng)室是兩個(gè)沉積原理不同的反應(yīng)腔室，該設(shè)備集合了物理和化學(xué)的外延沉積原理，充分利用了兩種不同原理的沉積優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合反應(yīng)室的設(shè)計(jì)方案一方面為利用物理反應(yīng)室沉積異質(zhì)外延所需的緩沖層和過渡層，另一方面是利用中轉(zhuǎn)室傳輸?shù)交瘜W(xué)反應(yīng)室沉積器件結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明利用了物理沉積方式在異質(zhì)襯底上沉積緩沖層晶體質(zhì)量等性能較好的優(yōu)勢，其克服反應(yīng)化學(xué)沉積方法生長緩沖層和過渡層的材料性能較差的缺點(diǎn)，在設(shè)備方面為異質(zhì)襯底構(gòu)造優(yōu)異性能的電子器件提供了一條可行性途徑。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種用于生長電子器件的復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備，該復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備包括物理沉積反應(yīng)腔室3和化學(xué)沉積反應(yīng)腔室1；兩個(gè)反應(yīng)腔室均設(shè)有源材料輸送管道及冷卻水管道11和31、蓋板12和32、控制器和樣品托盤，并通過中轉(zhuǎn)室2進(jìn)行相互連接，用于傳輸樣品。

針對上述復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備，進(jìn)一步地：

化學(xué)沉積反應(yīng)腔室1主要用于以金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)或等離子體化學(xué)汽相淀積(PCVD)等方法，化學(xué)反應(yīng)腔室能進(jìn)行獨(dú)立的材料生長。在本發(fā)明實(shí)施例中，化學(xué)沉積反應(yīng)腔室為金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)反應(yīng)室13。

物理沉積反應(yīng)腔室3主要用于以電子束蒸發(fā)、磁控濺射、熱蒸鍍、分子束外延、脈沖激光熔射沉積等物理沉積方法生長電子器件，物理沉積反應(yīng)腔室能進(jìn)行獨(dú)立的材料生長。在本發(fā)明實(shí)施例中，物理沉積反應(yīng)腔室為磁控濺射反應(yīng)室33。

中轉(zhuǎn)室設(shè)有機(jī)械手22，兩個(gè)反應(yīng)腔室之間利用機(jī)械手22進(jìn)行置于樣品托盤中的樣品的相互傳輸；兩個(gè)反應(yīng)腔室之間還可利用皮帶通過中轉(zhuǎn)室進(jìn)行樣品的相互傳輸。中轉(zhuǎn)室還配備壓力控制部件，包括閥門和控制面板；中轉(zhuǎn)室的兩端通過閥門將中轉(zhuǎn)室與反應(yīng)腔室相互隔開，閥門可以通過中轉(zhuǎn)室的控制面板進(jìn)行開與關(guān)。中轉(zhuǎn)室的閥門包括連接中轉(zhuǎn)室2與化學(xué)沉積反應(yīng)腔室的閥門21和連接中轉(zhuǎn)室與物理沉積反應(yīng)腔室的閥門23。中轉(zhuǎn)室的控制部件可與兩個(gè)反應(yīng)腔室的控制器集成為集成控制模塊。中轉(zhuǎn)室的控制部件與兩個(gè)反應(yīng)腔室的控制器均通過集成控制模塊進(jìn)行電氣控制。兩個(gè)反應(yīng)腔室的工藝參數(shù)和操作中轉(zhuǎn)室等設(shè)備控制的功能可由相互獨(dú)立或者集成的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)控制。

本發(fā)明還提供一種利用上述復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備生長電子器件的外延生長方法，在本發(fā)明實(shí)施例中，首先通過物理沉積反應(yīng)腔室3進(jìn)行沉積緩沖層，然后利用化學(xué)沉積反應(yīng)腔室1進(jìn)行材料器件生長，具體包括如下步驟：

1)首先在物理沉積反應(yīng)腔室3中的樣品托盤放入所需的襯底41，通過控制器設(shè)定相應(yīng)的工藝參數(shù)，物理外延沉積緩沖層42；

2)外延生長完畢后，通過中轉(zhuǎn)室2的壓力控制部件控制使得中轉(zhuǎn)室的壓力與物理沉積反應(yīng)腔室的壓力相等，打開中轉(zhuǎn)室與物理沉積反應(yīng)腔室之間的閥門23，利用中轉(zhuǎn)室的機(jī)械手22把物理沉積反應(yīng)腔室3中的樣品或者樣品托盤一起轉(zhuǎn)輸?shù)街修D(zhuǎn)室2，關(guān)閉中轉(zhuǎn)室2與物理沉積反應(yīng)腔室3之間的閥門23；

3)接著通過中轉(zhuǎn)室2的壓力控制部件控制使得中轉(zhuǎn)室2的壓力與化學(xué)沉積反應(yīng)腔室1的壓力相等，打開中轉(zhuǎn)室2與化學(xué)沉積反應(yīng)腔室1之間的閥門21，通過機(jī)械手22把樣品或者樣品托盤轉(zhuǎn)輸?shù)交瘜W(xué)沉積反應(yīng)腔室1，關(guān)閉中轉(zhuǎn)室2與化學(xué)沉積反應(yīng)腔室1的閥門21；

4)最后，設(shè)定相應(yīng)的工藝參數(shù)，化學(xué)外延沉積材料器件5，從而完成電子器件的外延生長。

針對上述利用復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備生長電子器件的方法，進(jìn)一步地，

兩反應(yīng)室的工藝條件分別獨(dú)立控制，其控制模塊可相互獨(dú)立或者集成化。兩反應(yīng)腔室可共用氣源，或者兩反應(yīng)腔室的原材料可以相互獨(dú)立或共同使用。

在外延生長電子器件時(shí)，所述復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備具備從物理沉積反應(yīng)腔室到化學(xué)沉積反應(yīng)腔室進(jìn)行順序傳輸樣品的功能，或者反之；也就是說，可根據(jù)實(shí)際生長工藝的需要，復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備既可實(shí)現(xiàn)從物理沉積反應(yīng)腔室到化學(xué)沉積反應(yīng)腔室的沉積，也可實(shí)現(xiàn)先利用化學(xué)沉積反應(yīng)腔室進(jìn)行沉積然后再利用物理沉積反應(yīng)腔室進(jìn)行沉積。在實(shí)際生長過程中，本發(fā)明提供的復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備可適應(yīng)兩個(gè)反應(yīng)腔室相互循環(huán)地進(jìn)行周期反復(fù)的外延生長材料過程。在本發(fā)明實(shí)施例中，步驟4)中化學(xué)外延沉積材料器件5具體為在氮化鋁緩沖層上生長一層摻鋁的鎵化氮過渡層，接著生長本征氮化鎵層，最后生長一層摻鋁鎵氮的勢壘層，從而完成利用復(fù)合反應(yīng)室連續(xù)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的氮化鋁緩沖層和高性能的電子器件外延生長。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供一種用于生長電子器件的復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備和利用該復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備生長電子器件的方法。本發(fā)明技術(shù)方案利用物理反應(yīng)室沉積外延的種子層、緩沖層、過渡插入層等，接著利用化學(xué)反應(yīng)室進(jìn)行器件構(gòu)造的外延方法，其充分利用了化學(xué)沉積和物理沉積的優(yōu)點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)外延生長材料器件設(shè)備原理的單一性；即利用了物理沉積方式在異質(zhì)襯底上沉積緩沖層晶體質(zhì)量等性能較好的優(yōu)勢，克服反應(yīng)化學(xué)沉積方法生長緩沖層和過渡層的 材料性能較差的缺點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際生長工藝的需要，復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)從物理反應(yīng)室到化學(xué)反應(yīng)室的沉積，也可實(shí)現(xiàn)先利用化學(xué)反應(yīng)室進(jìn)行沉積然后再利用物理反應(yīng)室進(jìn)行沉積。因?yàn)楸景l(fā)明在同一設(shè)備中，通過高潔凈度中轉(zhuǎn)室中轉(zhuǎn)兩種不同反應(yīng)室的沉積材料，可以有效的避免傳送過程中的污染問題，同時(shí)能解決現(xiàn)有技術(shù)中金屬有機(jī)氣相沉積設(shè)備生長緩沖層晶體質(zhì)量較差、位錯(cuò)密度較高的問題，大大提高器件襯底的晶體質(zhì)量，提高電子器件的綜合性能，為異質(zhì)襯底構(gòu)造優(yōu)異性能的電子器件提供了更為適用的外延設(shè)備，有利于器件的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖；

圖1～圖3中，

1—化學(xué)沉積反應(yīng)腔室；11—化學(xué)沉積反應(yīng)腔室的源材料輸送管道及冷卻水管道；12—化學(xué)沉積反應(yīng)腔室的蓋板；13—金屬有機(jī)氣相沉積系統(tǒng)MOCVD；2—中轉(zhuǎn)室；21—連接中轉(zhuǎn)室與化學(xué)沉積反應(yīng)腔室的閥門；22—中轉(zhuǎn)室的機(jī)械手；23—連接中轉(zhuǎn)室與物理沉積反應(yīng)腔室的閥門，3—物理沉積反應(yīng)腔室；31—物理沉積反應(yīng)腔室的源材料輸送管道及冷卻水管道；32—物理沉積反應(yīng)腔室的蓋板；33—磁控濺射沉積設(shè)備。

圖4為本發(fā)明為實(shí)施例利用復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備外延生長金屬有機(jī)氣相沉積的電子器件組成材料示意圖；

其中，4—磁控濺射沉積的氮化鋁緩沖層，即層42；5—金屬有機(jī)氣相沉積的電子器件，包括層43～45；41—Si；42—AlN；43—Al_xGa_1-xN；44—GaN；45—Al_0.25Ga_0.75N。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

圖1為本發(fā)明提供的復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備結(jié)構(gòu)的俯視圖；其中，1為化學(xué)反應(yīng)腔室；11為化學(xué)反應(yīng)腔室的源材料輸送管道及冷卻水管道；12為化學(xué)反應(yīng)腔室的蓋板；2為中轉(zhuǎn)室；21為連接中轉(zhuǎn)室與化學(xué)反應(yīng)室的閥門；22為中轉(zhuǎn)室的機(jī)械手；23為連接中轉(zhuǎn)室與物理反應(yīng)室的閥門，3為物理反應(yīng)腔室；31為物理反應(yīng)腔室的源材料輸送管道及冷卻水管道；32為物理反應(yīng)腔室的蓋板。該復(fù)合反應(yīng)室外延設(shè)備包 括物理沉積腔室和化學(xué)沉積反應(yīng)室，物理沉積腔室和化學(xué)沉積反應(yīng)室是兩個(gè)本質(zhì)不同的反應(yīng)腔室，反應(yīng)腔室設(shè)有控制器和樣品托盤，并通過中轉(zhuǎn)室進(jìn)行相互連接；中轉(zhuǎn)室設(shè)有機(jī)械手，兩個(gè)反應(yīng)腔室之間利用機(jī)械手進(jìn)行置于樣品托盤中的樣品的相互傳輸。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖；選擇金屬有機(jī)氣相沉積和磁控濺射沉積為復(fù)合反應(yīng)室的組成部分。如圖3所示，化學(xué)反應(yīng)腔室13為金屬有機(jī)氣相沉積系統(tǒng)MOCVD，物理反應(yīng)腔室33為磁控濺射沉積設(shè)備，本實(shí)施例選擇以硅襯底上生長電子器件為生長材料來說明設(shè)備的運(yùn)行流程。圖4為本發(fā)明為實(shí)施例利用復(fù)合反應(yīng)室沉積設(shè)備外延生長金屬有機(jī)氣相沉積的電子器件組成材料示意圖。

首先，硅襯底清洗干凈后放入復(fù)合反應(yīng)室的磁控濺射沉積反應(yīng)腔室33中，設(shè)定工藝條件參數(shù)，在硅襯底Si 41上濺射沉積一層30nm的氮化鋁緩沖層AlN 42，接著調(diào)控使得中轉(zhuǎn)室2的壓力與濺射沉積反應(yīng)腔室33的壓力相等，打開中轉(zhuǎn)室2與濺射沉積反應(yīng)腔室33的連接閥門23，利用中轉(zhuǎn)室2的機(jī)械手臂22把樣品與托盤一起傳輸?shù)街修D(zhuǎn)室2，關(guān)閉中轉(zhuǎn)室2與濺射沉積反應(yīng)腔室33的連接閥門23，設(shè)置中轉(zhuǎn)室2的壓力與金屬有機(jī)氣相沉積腔室13的壓力相同，打開中轉(zhuǎn)室2與金屬有機(jī)氣相沉積腔室13的連接閥門21，利用中轉(zhuǎn)室2的機(jī)械手臂22把樣品與托盤一起傳輸?shù)浇饘儆袡C(jī)氣相沉積腔室13，最后設(shè)定金屬有機(jī)氣相沉積腔室13的工藝條件，在氮化鋁緩沖層AlN 42上生長一層700nm摻鋁的鎵化氮過渡層Al_xGa_1-xN 43，接著生長2um本征氮化鎵層GaN 44，最后生長一層25nm的摻鋁鎵氮的勢壘層Al_0.25Ga_0.75N 45，從而完成利用復(fù)合反應(yīng)室連續(xù)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的氮化鋁緩沖層和高性能的電子器件外延生長，為電子器件進(jìn)一步實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

需要注意的是，以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的部分實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。