專利名稱：一種化學氣相沉積裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術領域，是指為了高效率、高穩(wěn)定地生長復雜的半導體外延 材料而設計制造的一種化學氣相沉積裝置，通過將復雜的結(jié)構(gòu)分解生長，實現(xiàn)單項工藝的 最大優(yōu)化和高度重復，特別是適用于生長LED結(jié)構(gòu)、LD結(jié)構(gòu)、PD結(jié)構(gòu)等包含η型層、有源層、 P型層等可能互相影響的半導體復雜外延結(jié)構(gòu)。
背景技術：
半導體材料是生產(chǎn)半導體器件必需的材料，是半導體器件應用中的基礎，它決定 和支撐著整個半導體電子產(chǎn)品的水平和發(fā)展。目前半導體材料中最重要的一種就是半導體 外延材料，它通常包括很多層有襯底材料、緩沖層(η型、ρ型或者本征半導體材料)、有源 區(qū)、接觸層(P型或者η型)，其應用范圍包括微電子、光電子器件電路，如LED、LD、PD、IC等 等。制備半導體外延材料的方法種類很多，其中MOCVD方法是目前產(chǎn)業(yè)界制備化合物外延 材料尤其是光電子材料的主要手段。MOCVD方法相對于其他方法如MBE、LPE、PLD等具有生長效率較高、控制精度更好、 成本相對較低的優(yōu)勢，是當前產(chǎn)業(yè)上普遍采用的方法。但是當前MOCVD設備仍然存在一些 的弱點，例如當前的MOCVD都是單室生長復雜結(jié)構(gòu)，生長周期較長，不利于進一步提高生產(chǎn) 效率；η、ρ同室生長，背景摻雜可能互相影響，不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定重復性。這些弱點的存在 使得MOCVD技術難度較大，工藝可重復性差，生產(chǎn)效率難以進一步提高。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有每爐一次生長數(shù)十片到近百片的外延片，實際的生產(chǎn)能力依然受 到很大限制，單爐生長的時間使得實際生產(chǎn)效率不高，例如氮化物LED外延生長一般在6小 時以上，每天生產(chǎn)的量不可能很多；同時單純擴大每爐生長片數(shù)使得設備制造、使用和維護 變得越來越困難。例如曾經(jīng)報道的95片2”的GaAs MOCVD外延爐使用量并不高，而當前氮 化物MOCVD外延爐最大的也就Veeco的45片2英寸機和Aixtron的42片2英寸機。隨著對半導體外延材料需求的增加，尤其是對于量大面廣的LD、LED等光電子外 延材料的需求增加，采用新的設備設計以進一步增加產(chǎn)能、降低成本顯得非常重要，本發(fā)明 正式針對此提出一種新型的化學氣相沉積裝置設計方案，尤其適用于MOCVD擴大產(chǎn)能和增 強工藝的重復穩(wěn)定性，降低工藝門檻。本發(fā)明以前的化學氣相沉積裝置尤其是MOCVD裝置存在都是使用單室生長復雜結(jié)構(gòu)，包括緩沖層、η型接觸層、有源層、ρ型接觸層等，生長周期較長，往往需要數(shù)小時以上 生長1爐，而各個廠家也主要是通過多片系統(tǒng)的逐步擴大來實現(xiàn)產(chǎn)能提高和成本降低，該 方向已經(jīng)遇到明顯的瓶頸，進一步擴大產(chǎn)能難度逐漸增大，難于進一步提高生產(chǎn)效率和降 低生長成本；η型材料和P型材料同室生長，由于半導體材料對于摻雜的敏感性，在生長完 某種類型的材料后背景濃度的變化將直接影響下一種類型材料的生長，而且此過程與特定 的生長歷史相關，可控性將很差，嚴重影響設備的重復可靠性，使得人為因素在材料生長中 的作用凸顯，導致材料生長的因人而異、因時而異，不利于工藝的推廣因而不利于生產(chǎn)的穩(wěn) 定重復實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種化學氣相沉積裝置，通過在一種裝置內(nèi) 搭建多個反應室，不同反應室生長不同的材料結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)越來越復雜的半導體外延材料 的高可靠性、低成本、高效率生長。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種化學氣相沉積裝置，該裝置包括多個獨立的 生長室，該多個獨立的生長室位于一箱體之內(nèi)，使用機械臂進行樣品的傳遞，分別用于η型 層外延材料的生長、多量子阱有源層的生長，以及P型層外延材料等不同生長工藝的材料 生長。上述方案中，該多個獨立的生長室的數(shù)量為3 8個。上述方案中，該多個獨立的生長室中的每個生長室都設有獨立的加熱源、獨立的 氣體原材料管路、獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，以便為專門的外延材料提供更為穩(wěn)定和優(yōu)化的生長工 藝。上述方案中，所述用于η型層外延材料生長的生長室，僅配備生長η型材料所需的 源材料、加溫設施以及監(jiān)控設施。上述方案中，所述η型層外延材料生長室配備的源材料，是根據(jù)η型材料特定的生 長要求為有機源或者鹵化物，以及固態(tài)、氣態(tài)或者液態(tài)源；加溫設施和監(jiān)控設施都可簡化為 滿足結(jié)構(gòu)材料對于η型層的最低要求設置。上述方案中，所述用于多量子阱有源層生長的生長室，僅配備生長有源層所需的 源材料、加溫設施以及監(jiān)控設施。上述方案中，配備的源材料滿足有源層的擴展需求，加溫設施保證有源層的均勻 性和一致性，監(jiān)控設施同樣設置為滿足材料性能最大化和最好的均勻性。上述方案中，所述用于ρ型層外延材料生長的生長室，僅配備生長高質(zhì)量P型材料 所需的源材料、加溫設施以及監(jiān)控設施。上述方案中，配備的源材料可配置為獲得最佳的ρ型材料，加溫設施和監(jiān)控設施 可簡化為滿足結(jié)構(gòu)材料對于P型層的最低要求設置。上述方案中，該裝置還包括一箱體，該箱體為矩形殼體，多個獨立的生長室位于箱體之內(nèi)；一機械臂，該機械臂位于箱體底面的中部，多個獨立的生長室環(huán)繞于機械臂的周圍。(三)有益效果本發(fā)明提供的化學氣相沉積裝置，解決了現(xiàn)有化學氣相沉積尤其是MOCVD裝置單 反應室一次生長結(jié)構(gòu)材料導致的工藝復雜、工藝設備負責，受到影響因素較多，工藝可重復 性差，可推廣性差，同時工藝周期長，生產(chǎn)效率低下等問題。使用獨立的反應室生長相對獨 立的材料，可以更好的保證材料的穩(wěn)定性、生長的重復性，并可以更好的優(yōu)化單項工藝使得 各種的材料性能最優(yōu)、生長效率最高、成本最低；各個反應室相互獨立可以避免單一反應室 材料性能相互影響，避免生長工藝受工藝設備、工藝人員和工藝歷史影響等不利因素。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和特征作進一步的詳細描述，其中圖1是本發(fā)明提供的多反應室化學氣相沉積裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。為了實現(xiàn)半導體外延材料的高可靠性、低成本、高效率 生長，我們設計了一種化學 氣相沉積裝置，在該裝置內(nèi)搭建多個反應室，不同反應室生長不同的材料結(jié)構(gòu)。以圖1為例，本發(fā)明設計的化學氣相沉積裝置包括三個獨立的反應室，其中反應 室11專用于η型層外延材料的生長(獨立η型層外延材料生長室)，反應室12專用于有源 層生長(獨立有源層生長室)，反應室13專用于ρ型層外延材料的生長(獨立ρ型層外延 材料生長室)。獨立η型層外延材料生長室11只配備必要的生長η型材料所需的源材料、加溫設 施以及監(jiān)控設施。配備的源材料根據(jù)η型材料特定的生長要求選擇有機源或者鹵化物；力口 溫設施和監(jiān)控設施簡化為滿足結(jié)構(gòu)材料15對于η型層的最低要求設置。獨立有源層生長室12如多量子阱生長室只配備必要的生長有源層所需的源材 料、加溫設施以及監(jiān)控設施。配備足夠的源材料以保證有源層的復雜性，加溫設施設計為足 以保證有源層的均勻性和一致性，監(jiān)控設施也設置為滿足材料16性能最優(yōu)和均勻性最佳。獨立ρ型層外延材料生長室13配備必要的生長高質(zhì)量ρ型材料所需的源材料、力口 溫設施以及監(jiān)控設施。配備的源材料保證獲得最佳的P型材料，加溫設施和監(jiān)控設施簡化 為滿足結(jié)構(gòu)材料17對于P型層的最低要求設置。化學氣相沉積裝置的各個獨立生長室放置于一個公共的潔凈環(huán)境10 (手套箱、潔 凈間或者特定的公共潔凈腔體)中，通過自動或者手動機械手14在各個生長室之間相互傳 遞，以保證樣品傳遞過程中不造成二次污染，同時通過機械手減少人為造成的沾污。機械手14是手動、半自動或者全自動的，可手動或者根據(jù)程序自動將外延片在各 個反應室之間進行傳遞。為了滿足工藝需要如樣品溫度保持到一定溫度以上和節(jié)約較低溫 度時樣品的降溫時間，機械手可以承受一定的溫度能在一定的溫度下將襯底在各個獨立生 長室之間傳遞。下面以異質(zhì)外延生長GaN LED為例來具體介紹該裝置的實現(xiàn)。用于GaN LED生長的化學氣相沉積裝置包括三個獨立的反應室，其中一個反應室 用于η型GaN緩沖層的生長，一個反應室用于有源層多量子阱的生長，一個反應室用于ρ型 層外延材料的生長。η型GaN緩沖層外延生長室只配備必要的生長η型材料所需的源材料、加溫設施以 及監(jiān)控設施。配備的源材料包括氨氣、η型摻雜劑SiH4和Ga源，Ga源使用TMGa或者GaCl3 等Ga的鹵化物，為了獲得足夠的晶體質(zhì)量，需要η行GaN具有一定的厚度，一次無論使用哪 種Ga源，都需要保證足夠快是生長速率以保證在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量的GaN膜。 由于GaCl3和氨氣的反應速度更快，故更適合高效率的生產(chǎn)，可以將原來2個小時以上生長時間縮短到1小時以內(nèi)甚至更短時間。由于后端結(jié)構(gòu)的生長主要需要η型襯底具有平整的表面，因此對于加溫設施和監(jiān)控設施的需求就簡化為形成足夠平整的表面，可以通過激光 干涉儀的振蕩曲線來控制表面平整度，而對于均勻性的要求就降低很多。同時不會受到Mg 記憶效應的影響。有源層多量子阱生長室配備生長多量子阱所需的源材料、加溫設施以及監(jiān)控設 施。配備足夠的源材料包括TEGa、TMIn、氨氣、摻雜劑SiH4等，加溫設施和監(jiān)控設施都設計 為盡量保證多量子阱發(fā)光的均勻性和一致性，可以添加更多的加熱裝置、使用更好的導熱 層以及設置更多的表面監(jiān)控設施來實時檢測材料的均勻性。同時不會受到Mg記憶效應的影響。ρ型GaN層外延材料生長室配備必要的生長高質(zhì)量ρ型GaN所需的源材料、加溫設 施以及監(jiān)控設施。配備的源材料包括In/Al/Ga/Mg等有機源、氨氣，以及用于激活Mg摻雜 P型GaN的氧氣等以便獲得最佳的ρ型GaN材料，加溫設施和監(jiān)控設施簡化為滿足GaN LED 對于ρ型GaN的要求?？梢栽跔t體內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的ρ型摻雜環(huán)境，實現(xiàn)ρ型工藝的高重復性。該GaN LED化學氣相沉積裝置的三個獨立生長室放置于一個公共的手套箱內(nèi)，通 過機械手可以在三個生長室之間相互傳遞，同時可以將生長好的GaN LED取出放置到指定 地點。在生產(chǎn)效率方面，以單爐目前最大的MOCVD設備，Veeco的45片2英寸GaN LED MOCVD,約需要6小時生長1爐，每天可以生長4爐，合計1天可以生產(chǎn)180片2因此GaN LED 外延片；我們設計一個三生長室，每室21片2英寸的M0CVD，通過優(yōu)化η型層、多量子阱層、 P型曾的生長，按照約1小時可以分別生長1爐，每天就可以分別生長24爐也即生長24爐 21片2英寸GaN LED，合計每天生產(chǎn)504片2英寸GaN LED外延片，生產(chǎn)效率提高至2. 8倍。根據(jù)以上描述，本發(fā)明采用多個獨立反應室，從而區(qū)別于已有的化學氣相沉積裝 置如M0CVD，幾個獨立反應室分別用于生長半導體外延材料的不同結(jié)構(gòu)層，該裝置可以避 免現(xiàn)有化學氣相沉積系統(tǒng)單反應室一次性生長結(jié)構(gòu)材料導致的工藝復雜，受到影響因素較 多，工藝可重復性差，可推廣性差，同時工藝周期長，生產(chǎn)效率低下等問題，是未來提高化學 氣相沉積生產(chǎn)效率和實現(xiàn)工藝穩(wěn)定可靠的可行解決之道。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種化學氣相沉積裝置，其特征在于，該裝置包括多個獨立的生長室，該多個獨立的生長室位于一箱體之內(nèi)，使用機械臂進行樣品的傳遞，分別用于n型層外延材料的生長、多量子阱有源層的生長，以及p型層外延材料等不同生長工藝的材料生長。
2.根據(jù)權利要求1所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，該多個獨立的生長室的數(shù) 量為3 8個。
3.根據(jù)權利要求1所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，該多個獨立的生長室中的 每個生長室都設有獨立的加熱源、獨立的氣體原材料管路、獨立的監(jiān)控系 統(tǒng)，以便為專門的 外延材料提供更為穩(wěn)定和優(yōu)化的生長工藝。
4.根據(jù)權利要求1所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所述用于η型層外延材料生 長的生長室，僅配備生長η型材料所需的源材料、加溫設施以及監(jiān)控設施。
5.根據(jù)權利要求4所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所述η型層外延材料生長室 配備的源材料，是根據(jù)η型材料特定的生長要求為有機源或者鹵化物，以及固態(tài)、氣態(tài)或者 液態(tài)源；加溫設施和監(jiān)控設施都可簡化為滿足結(jié)構(gòu)材料對于η型層的最低要求設置。
6.根據(jù)權利要求1所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所述用于多量子阱有源層 生長的生長室，僅配備生長有源層所需的源材料、加溫設施以及監(jiān)控設施。
7.根據(jù)權利要求6所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，配備的源材料滿足有源層 的擴展需求，加溫設施保證有源層的均勻性和一致性，監(jiān)控設施同樣設置為滿足材料性能 最大化和最好的均勻性。
8.根據(jù)權利要求1所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，所述用于ρ型層外延材料生 長的生長室，僅配備生長高質(zhì)量P型材料所需的源材料、加溫設施以及監(jiān)控設施。
9.根據(jù)權利要求8所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，配備的源材料可配置為獲 得最佳的P型材料，加溫設施和監(jiān)控設施可簡化為滿足結(jié)構(gòu)材料對于P型層的最低要求設 置。
10.根據(jù)權利要求1所述的化學氣相沉積裝置，其特征在于，該裝置還包括一箱體，該箱體為矩形殼體，多個獨立的生長室位于箱體之內(nèi)；一機械臂，該機械臂位于箱體底面的中部，多個獨立的生長室環(huán)繞于機械臂的周圍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種化學氣相沉積裝置，該裝置包括多個獨立的生長室，該多個獨立的生長室位于一箱體之內(nèi)，使用機械臂進行樣品的傳遞，分別用于n型層外延材料的生長、多量子阱有源層的生長，以及p型層外延材料等不同生長工藝的材料生長。利用本發(fā)明，解決了現(xiàn)有化學氣相沉積尤其是MOCVD裝置單反應室一次生長結(jié)構(gòu)材料導致的化學氣相沉積裝置復雜、沉積工藝復雜，受到影響因素較多，工藝可重復性差，可推廣性差，同時工藝周期長，生產(chǎn)效率低下等問題。
文檔編號H01L21/205GK101819925SQ20101016250
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權日2010年4月28日
發(fā)明者冉軍學, 曾一平, 李晉閩, 梁勇, 段瑞飛, 王軍喜, 羊建坤, 胡國新, 路紅喜 申請人:中國科學院半導體研究所