一种氮化物外延装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种低成本、稳定、高效地生长氮化物外延材料而设计制造的一种氮化物外延装置与方法，其用于将复杂的多层结构分解，在独立的腔室中分别生长，实现单项工艺的最大优化和高度重复；引入使用溅射法外延AlN缓冲层，其生长温度低，沉积速度快，增加腔室使用效率等优势。特别适用于在Si衬底上外延氮化物多层结构的高效率生产。
【背景技术】
[0002]以GaN为代表的III族氮化物半导体材料是典型的第三代半导体材料。Si基氮化物可应用于超高频器件、智能电网中的高功率传输电力电子器件、高精度化学传感器等。超高频器件是制造卫星通信、雷达器件和手机基站放大器的关键；其高耐热性使之可制成传输大功率的小器件，同时耐高电压和高电流，适合智能电网中的高功率传输；氮化物材料具备相对较高的电子迀移率的同时具备较高化学惰性，可应用于高精度化学传感器；此外AlN材料热传导性良好，介电常数高，热膨胀系数与Si匹配具有很高的表面声速与很强的压电效应且热稳定性好，在压电器件领域存在良好的应用前景。氮化物半导体器件在国防，民生，商业等领域存在巨大的需求并将在未来发挥愈加重要的作用。
[0003]氮化物外延生长研宄一直是其应用过程中的关键问题，如何在合适的衬底上外延高质量的氮化物薄膜是制作有效器件的基础。Si衬底具备较好的导电性与导热性，晶体质量高，可获得大尺寸晶片，成本低廉，易于掺杂，便于集成等优势；但是存在晶格失配和热失配较大的劣势，同时直接外延存在Ga的回熔刻蚀等问题。克服在异质衬底上外延氮化物材料问题的关键在于寻找合适的缓冲层技术。其中AlN在晶格常数，热胀系数非常契合Si衬底和蓝宝石衬底上氮化物外延缓冲层应用，且具备较高的热导率，有利于高功率器件的应用。衬底材料和缓冲层技术决定着材料外延、芯片制造、封装应用的技术发展方向，不同的衬底要求的工艺不尽相同，其成本和效果也存在差别。对于氮化物异质外延，现在生产中一般采用的在蓝宝石衬底上使用MOCVD两步法生长获得的GaN外延层，但使用蓝宝石衬底外延薄膜制作器件也难以与主流的Si基集成技术相兼容。同时MOCVD设备仍然存在一些的弱点，例如当前的MOCVD都是单室生长复杂结构，单片生长周期较长，不利于进一步提高生产效率；多层结构同室生长，背景掺杂可能互相影响，不利于生产的稳定重复性，Si衬底上外延氮化物生长温度高，热应力大。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种可应用于Si衬底的氮化物外延装置及方法，通过在一套装置内搭建多个独立腔室，分别使用溅射法在Si衬底上沉积AlN缓冲层，之后使用MOCVD方法生长氮化物外延层。不同反应室生长不同的材料结构，并根据需要设计腔室数量与功能，以实现Si衬底上复杂多层氮化物外延材料的低成本，高可靠性，高产出生长。
[0005]为实现上述目的，本发明提供的一种氮化物外延装置，包括真空腔室、溅射腔室和至少一个外延生长腔室；所述溅射腔室和至少一个外延生长腔室位于所述真空腔室内，所述溅射腔室用于在衬底上生长缓冲层，所述至少一个外延生长腔室用于在生长了缓冲层的衬底上外延生长氮化物。
[0006]本发明还提高了一种利用如上所述的氮化物外延装置进行氮化物外延的方法，其包括:
[0007]利用单独的溅射腔室在外延衬底上溅射缓冲层；
[0008]利用机械手将溅射腔室内的衬底外延片移动到所述至少一个外延生长腔室中，进行氮化物的外延生长。
[0009]本发明可解决现有单腔室MOCVD设备一次在Si衬底上生长氮化物材料生长缓冲层温度高，热应力大导致外延工艺复杂，可靠性差，生长周期长，生产效率低下等问题。使用溅射法沉积AlN缓冲层具备生长温度低，沉积速度快，增加MOCVD腔室利用率等优势；独立的MOCVD腔室分解生长多层结构材料，可以更好的保证工艺的可靠性；并可通过针对所生长材料对腔室进行优化设计减少设备成本；同时避免在同一腔室中生长多层不同材料带来的相互影响等不利因素。适用于产业化大规模生产。
[0010]相比于传统的MOCVD方法，在Si衬底溅射外延AlN缓冲层的设备相对简单，成本低廉，生长温度低，速度快，且避免了在高温下沉积AlN缓冲层Si衬底不稳定带来的一系列问题。同时多腔室结构也有利于针对不同外延层设计的工艺优化，增加工艺的可靠性与可重复性，同时增加腔室的利用率，显著提高设备产出。
【附图说明】
[0011]图1是本发明中氮化物外延装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合以在Si衬底上异质外延微米量级GaN外延层为具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0013]图1示出了本发明提出的一种氮化物外延装置，其包括:
[0014]真空腔体101，其为具有一定真空度的密闭洁净腔体，可以为手套间或其他具备真空的清洁腔体；真空腔体101联通了溅射腔室104和多个MOCVD外延腔室105、……、107 ；溅射腔室104，其位于真空腔体101内，用于在衬底上生长AlN缓冲层；所述溅射腔室104配备衬底加热设备、衬底托盘加热装置、高真空机组、离子源等，高纯氮气、氩气通过相应气路系统进入溅射腔室；且其中具有配备高纯氩气、氮气源与相应气路系统、真空除氧与衬底托盘吸附气体脱附装置旨在尽量减少腔室中存在的氧污染；所述溅射腔室104根据采用的工艺方法与配备的离子源类型可采用反应磁控溅射，反应离子束溅射等溅射方法；所述衬底可以是Si衬底，也可以是蓝宝石或玻璃衬底；
[0015]通过调节溅射功率，溅射压强，衬底温度，氮气分压，衬底偏压，靶基距等工艺参数，调节沉积速率与溅射粒子表面迀移率间的大小关系实现在Si衬底上沉积具备良好取向质量、表面形貌与应力情况的AlN缓冲层薄膜；并且根据优化的AlN薄膜溅射工艺参数可对溅射腔室104进行专门优化设计，如固定靶基距、简化气路、选取满足要求的加热装置与功率源的等方法简化结构，节约成本；由于溅射工