可变温度材料生长阶段及薄膜生长的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及薄膜以及利用物理气相沉积技术形成所述薄膜的方法。更具体而言，本发明涉及形成可用作半导体材料中的缓冲层的薄膜。
【背景技术】
[0002]薄膜沉积技术用于在底层衬底(underlying substrate)上形成薄膜。存在多种形式的薄膜沉积技术，包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积以及其他。电子半导体器件常利用薄膜沉积技术制造。例如，发光二极管(light-emitting d1des, LED)通常包括多个沉积在衬底上的结晶II1-V族半导体材料的薄层。当在LED之间施加电势时，电子在多层材料之间迀移，引起激发光。
[0003]常见的LED衬底材料为蓝宝石，其为一种氧化铝的结晶材料。在第二相异材料的表面上生长第一材料的结晶薄膜，称为异质磊晶(印itaxy)，可能是困难的且通常需要其他材料的中间层，所述其他材料与第一材料和第二材料的结合都很好。例如，基于氮化物的电子和光电器件(如氮化镓LED)通常藉由高温金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在蓝宝石衬底上以异质嘉晶的方式生长。然而，在监宝石和GaN之间存在16%的晶格失配，如果氣化镓(GaN)直接沉积在蓝宝石衬底上，蓝宝石/GaN介面的压缩应变的累积导致周期性的GaN晶体位错，随之造成超过11Vcm2的缺陷密度。在这样的缺陷水平下，器件的性质(如光发射效率)会非常差。此外，整个晶圆上的缺陷密度均匀性影响亮度的均匀性，且因此影响分级产率(binning yield)。
[0004]为改善这些挑战，生产商已开发了成核以及缓冲预层，其通常为低温MOCVD-GaN(LT-GaN)，由?0.5um低密度GaN成核层和?2_3um未掺杂的GaN缓冲层组成。低温成核产生缺陷表面，其随后在可变温度以及压力下通过多个耗时的处理工艺步骤修复。这些修复步骤强烈地影响扩散进入剩余的LED结构中的缺陷数量。LT-GaN成核以及缓冲减小随后的n-GaN层的位错密度至约109/cm2，但需要最多三个小时来生长以及退火，且占全部嘉晶制造成本的约25 %。该缓冲层用于减小异质嘉晶诱导缺陷100X以上，如
S.Y.Karpov and Y.N.Makarov, ^Dislocat1n Effect on Light Emiss1n Efficiency inGallium Nitride”，Applied Physics Letters 81, 4721 (2002)所报道。
[0005]LT-GaN缓冲层的一种已知的替代形式是AlN缓冲层，通常由化学气相沉积(CVD)方法沉积。CVD生长可提供高磊晶膜，但据报道其与表面粗糙度相关，而表面粗糙度对器件的性能不利。此外，CVD膜中的缺陷密度仍限制器件效能。Cuomo，美国专利第6692568号，以及Hanawa，美国公开专利第2009/02897270号探讨了通常在高温下利用物理气相沉积(PVD)工艺制造高质量AlN缓冲层，以诱导磊晶生长。一些优点是PVD工具具有较低的拥有成本，且PVD工艺相对易于控制且不需要使用或产生有害气体。此外已发现，相较于在LT-GaN缓冲层上生长GaN，在PVD-AIN缓冲层上的GaN生长的缺陷密度可减少至1/3至1/2。
[0006]然而，PVD AlN异质嘉晶沉积在蓝宝石以及其他衬底上的一个冋题是尚膜应力。在需要升高沉积温度以实现某些膜特性时，该应力被复合。较高的膜应力引起衬底上的应变及弯曲(bow)。此膜应力以及晶圆弯曲对该材料可能需要来制备相关器件的膜性质及任何随后处理造成消极影响。如果晶圆过度地弯曲，控制晶圆温度更为困难。在加工期间的抛光工艺如CMP或通过接触光刻进行图案化会受到晶圆弯曲影响。当膜沉积在弯曲或应变的晶圆上时，可观察到膜分层、裂纹和缺陷密度的增大。如果晶圆弯曲超过某些参数，背面金属化、接合以及晶圆薄化工艺是不可能的。当市售氮化物器件制造商将衬底的尺寸从100-150毫米增大至200毫米或更大以减小器件成本时，这些问题变得更加严重。
[0007]在低温下沉积的PVD-AlN膜已被广泛地使用于其他应用十多年，最值得注意的是作为FBAR压电谐振材料，且关于其生长形态的技术知识的量是广泛地，并不直接针对缓冲层的应用。在 L.La Spina, et al, "Characterizat1n of PVD Aluminum Nitridefor Heat Spreading in RF 1C，s，，，http: / / ectm.ew1.tudelft.nl/pub Ii cat 1ns pdf/documentll24.pdf, P乂及.V.V.Felmetsger et al, ^Innovative technique for tailoringintrinsic stress in reactively sputtered piezoelectric aluminum nitridefilms，”JVST A, Vol.27, 417 (2009)中探讨了以设定的应力、颗粒尺寸、柱密度以及晶体取向来沉积PVD-AlN膜。然而，这种膜通常是多晶或非晶的，并不适合作为氮基器件的缓冲层。
[0008]因此，需要薄膜层及制备所述薄膜层的高产率方法，其解决一个或多个上述讨论的缺陷且适合作为氮基器件的缓冲层。
【发明内容】
[0009]本发明的实施方案涉及在物理气相沉积系统的连续工艺中在衬底上制备材料的薄膜的方法，其中在具有低于第一温度的第一较低温度期的可变温度生长阶段沉积材料，在第一期结束时，随着温度升高，在高于第二温度的第二较高温度期连续沉积材料，其中所述第二温度高于所述第一温度至少50°C或更高。
[0010]根据本发明的一个实施方案，第一温度低于约600°C，第二温度高于约800°C。在本发明的实施方案中，在沉积材料时，依序地加热衬底至低于第一温度的温度，接着加热至高于第二温度的温度。材料沉积可以是连续的，或可在第一期与第二期之间的时间期间减慢或停止。
[0011]根据本发明的实施方案，第一温度可以实质上为室温，且此阶段的持续时间可以少于30秒以沉积厚度小于90埃的沉积材料。第二期的持续时间大于100秒且沉积材料的厚度小于约600埃。
[0012]已发现，根据本发明的概念形成的薄膜是低应力缓冲层，使底层衬底与沉积在缓冲层上的另外的薄膜层之间形成低应力介面。
[0013]通过阅读以下结合附图对示例性实施方案的详细描述，本发明的各个其他特征和优势对于本领域技术人员来说更加明显。
【附图说明】
[0014]附图并入本申请文件中并构成申请文件的一部分，附图显示了本发明的实施方案，结合以上对于本发明的一般性描述以及以下对实施方案的详细描述，来解释本发明的原理。
[0015]图1的示意图显示了用于根据本发明的概念用于在衬底上形成薄膜的物理气相沉积溅射系统的特征。
[0016]图2的示意图显示了在材料生长阶段的第一期后薄膜层在衬底上的生长。
[0017]图3的示意图显示了在材料生长阶段的第一期和第二期后薄膜在衬底上的生长。
[0018]图4A的图表为测量的膜应力与第一期中生长的膜的厚度的关系，且图4B与图4C的图表为X射线衍射峰值宽度与第一期中生长的膜的厚度的关系。
[0019]图5A为由现有工艺制备的蓝宝石上的PVD产生的AlN层的TEM影像，在蓝宝石-AlN介面呈现出中断的波纹图案，图5B为根据本发明制备的蓝宝石上的PVD产生的AlN层的TEM影像，在蓝宝石-AlN介面呈现出中断较少的波纹图案，且图5C为只利用第一期所制备的蓝宝石上的PVD产生的AlN层的TEM影像。
具体实施方案
[0020]首先参考图1，图1显示了物理气相沉积(physical vapor deposit1n, PVD)派射系统且一般由标号10表示。根据本发明的概念，PVD溅射系统10用于在衬底上产生材料的薄膜。然而，应理解的是，PVD溅射系统10只是例示性的，本文中的教示也可应用于其他PVD系统中。
[0021]PVD溅射系统10 —般包括沉积室12。提供真空栗14以控制沉积室12内的压力(真空或其他)。提供衬底载体16以在沉积室12内支撑衬底18。如实施方案所不，衬底载体16为旋转载体，其在沉积室12内旋转衬底18。PVD溅射系统还包括溅射靶20，其提供材料源从溅射靶20溅射开且沉积至衬底18上。将材料沉积至衬底18上通常被称为“生长”。如实施方案所示，溅射靶20为磁控管壳。还提供供应系统22以传送一种或多种气体至沉积室12。还提供加热元件24以调节沉积室12内的衬底18的温度。例如，加热元件24可以是电阻加热器，包括于限定沉积室12的壁中，衬底载体16中，或在任何适当的位置。还提供温度传感器26以检测PVD溅射系统10内的各温度，如衬底18、衬底载体16以及沉积室12内的温度。提供控制器28以控制PVD溅射系统的所有方面，包括沉积室12内的压力，PVD溅射系统10的各个部件的温度，控制PVD溅射系统10以开始或停止沉积材料至衬底18上，以及其他与制备薄膜相关的特征。PVD溅射系统10可根据本领域的公知方法而启动，且根据以下概念操作以在衬底18上制备薄膜。
[0022]具体地，在可变温度材料生长阶段期间，操作PVD溅射系统10以在衬底18上制备材料的薄膜。在可变温度材料生长阶段期间，衬底18的温度可变。利用加热元件24可改变温度，且利用温度传感器26监测衬底18的温度。控制器28监控温度传感器26且控制加热元件24以使衬底18及沉积室12内达到适当温度。
[0023]可变温度材料生长阶段包括至少两个生长期，其中在这两个生长期之间，沉积室12内的某些条件变化很大。
[0024]在第一期，在低于第一温度下操作PVD溅射系统10，且材料沉积至衬底18上。在第二期，在高于第二温度下操作PV