使用大气压等离子体准备步骤的外延生长的制作方法

要求美国临时申请62/205,938的优先权，其通过引用并入本文。

背景技术：

本申请涉及外延生长，具体涉及在由不同材料组成的单晶衬底上单晶半导体层的外延生长(“异质外延沉积”)。

请注意，下面讨论的观点可能反映了从已公开的发明中获得的后见之明，不一定被认为是现有技术。

半导体加工的基本步骤之一是沉积薄层材料。外延是特殊情况，其中在使新材料以与衬底相同的取向延续相同的晶格的条件下，将晶体材料沉积在单晶衬底上。

增加的材料具有与衬底不同组成的特定情况有时被称为异质外延沉积。当外延材料的晶格常数等于衬底材料的晶格常数时，异质外延沉积最容易：否则在材料中将会出现应变(拉伸或压缩)。然而，完美的晶格匹配通常是不可能的。

分子束外延(“MBE”)是外延沉积工艺的一个例子。在此工艺中，衬底保持在非常高的真空下，并且通常被加热(例如，到几百摄氏度)。使源原子或源分子非常缓慢地释放以撞击暴露的衬底，从而实现缓慢的晶体生长。

外延沉积也可以在气相下进行。这种工艺使用各种源气体，并且通常实现远远更快的晶体生长。在液相或固相下外延生长也是可能的。

一项具体的挑战是在外延沉积之前准备衬底。外延沉积工艺要求进入的原子(“被吸附原子”)优先被吸引到晶体衬底的暴露表面中的晶格空位，从而随着晶体生长，使衬底的晶格得以延续。问题是偏离被吸附原子完美对准的任何偏差都可能引发孪晶或缺陷，从而削弱外延层的性能。一旦引发缺陷或孪晶区域，其就可以随着生长面移动而传播。

生长晶体的每一层的对准由就在其前的晶格层限定。这使晶体材料得以生长，但是这也使现有表面中的缺陷随着晶体生长得以传播到新材料中。换句话说，新沉积的每层由晶体材料的表面层而不是块状晶体限定，新沉积的每层生长到表面层上。

这在传统的生长过程中并不是一个大难题，但其指明缺点的一个来源：生长必须在某个阶段开始，并且在该阶段必须存在可用的良好晶格表面，以便新生长的层自身对准。在开发外延生长工艺方面已经投入了大量精力，但是(取决于衬底材料)外延沉积的引发仍然可能是缺陷的重要来源。

通常使用CMP(化学机械抛光)步骤来提供原子级有序的晶格表面。

本申请涉及固体晶体衬底表面的准备以及在该衬底上半导体层的外延生长。在衬底(例如，在GaSb衬底上生长的InGaAs)上生长的外延层(Epi层)的质量取决于在衬底表面处原子晶格的完美性，以及在该表面上没有干扰物质，例如氧、碳、烃类、H2O、OH和其他物质，这些物质会破坏作为衬底原子晶格的延伸的Epi层原子结构的均一生长。

在为Epi生长准备衬底时标准工业实践包括许多典型的步骤：

1.对衬底进行化学机械抛光以产生洁净的、有序的、无晶格异常的晶体表面；

2.抛光后用有机溶剂和酸清洗衬底表面以去除来自抛光过程的任何残留物；

3.一般在炉子中在高纯度氧存在下，在准备好的表面上生长设想的氧化物；

4.将氧化的衬底晶片存储以便随后在密封容器中使用；

5.(可选地)清洁衬底的表面以去除由于存储包装的除气而积聚在表面上的有机污染物；

6.将晶片放入具有高真空能力的外延生长机中；

7.在高真空下将晶片加热至非常高的温度以解吸有机污染物以及生长的氧化物层(来自步骤3)；

8.外延层的生长。

上面的步骤1使用研磨浆料、研磨垫、酸溶液和抛光垫以逐渐从晶片去除锯切损伤，并最终产生光滑表面，在衬底的当前表面上在原子晶格中具有高晶体规则性。

上面的步骤2必须从衬底表面除去所有研磨化合物和抛光化学品的痕迹，而不破坏或损伤衬底表面上的原始晶格。这是非常困难的，并且通常使用专用溶剂和酸洗液，消耗大量的这些溶剂和酸，然后必须根据日益严格的环境法规对其进行处理。采取极其谨慎的措施尽可能多地去除研磨和抛光残留物，而不对原始表面结晶度造成任何破坏。由于表面不允许被任何机械装置接触，因此完全去除所有残留物是非常困难的。一些衬底制造商已经尝试真空等离子体清洁以去除最终残留物，但这种类型的等离子体系统中的原子撞击损害了表面晶格结构，从而破坏了整个表面准备过程。另外，任何需要衬底进出真空室的工艺都会减缓清洗工艺的吞吐量。需要一种快速除去所有抛光残留物的方法，其无需接触衬底表面，无需缓慢的真空处理，也不以任何方式轰击或损坏表面。

上述步骤3引起衬底表面上的氧化物保护层的生长，其执行许多功能：

a)消耗一些表面晶格原子，其中可能仍然包含来自清洁过程(上述步骤2)的一些损伤或晶体不规则性。

b)在氧化层的底部产生新的原始半导体表面。

c)氧化物防止原始晶体表面在储存和/或运输衬底期间吸收氧气、碳、烃类、H2O、OH等。

d)氧化物必须具有在高真空Epi沉积设备中一经加热就完全解吸的组成。

这种氧化物表面保护方案具有许多缺点和挑战：

a)生长的氧化物层具有与下面的半导体晶格不同的晶格常数，由此就在临界界面处使应力进入半导体。这可能导致位错、滑移和其他晶体晶格破坏，这对随后的Epi生长是不利的。

b)典型的Epi衬底是化合物半导体，例如GaSb。阳离子(在该示例中为镓)的氧化速率通常不同于阴离子(在该示例中为锑)的氧化速率，因此生长的氧化物通常是非化学计量的、不完美的和有应变的。这产生应力，可能吸收不需要的物质例如碳；并且在预沉积高温去除氧化物期间解吸不均匀。

c)在一些化合物半导体方案中，阴离子或阳离子的某些氧化态需要非常高的解吸温度(不适宜的)。

如下所述，本申请提供了一种保护原始晶体表面的方法，其不破坏表面晶格，不使表面晶格应变，均一有效地钝化表面晶格的悬空键，使得它们不会吸收不需要的物质，并且在Epi沉积系统中在适度加热下均一且完全地解吸，由此留下原始晶体表面以在其上生长外延层。

如果衬底在一个位置生产，在另一位置使用(通常是这种情况)，则需要上述步骤4和5，Epi衬底晶片通常以单独的聚合物容器存储和运输。已知这些容器将有机组分释放到晶片表面上。一些Epi增长实验室假设这些有机物将随着晶片在高真空沉积设备中被加热而解吸。但是，其他组织认识到这些有机物会在其高真空泵送系统中产生问题，并降低所需的平均系统间清洗时间(mean-time-between-system-cleans)。这些实验室通常使用溶剂冲洗衬底以除去这些外来的有机残留物。然而，在不完美的环境中进行湿溶剂清洗的过程可能会将其他污染物引入衬底表面，最终进入高真空沉积设备。另外，这些溶剂必须以环境友好的方式进行处理，因此产生显著的额外成本。需要一种方法，在Epi衬底进入Epi生长系统之前从Epi衬底去除所有有机污染物，而不会引入新的污染物，不会损坏表面，也无需使用昂贵且环境不良的溶剂。

上述步骤7(在Epi沉积设备内解吸氧化物保护膜)通常是常规Epi衬底表面准备中最关键的步骤。所有的氧化物必须从衬底表面均一被解吸，以便露出原始晶体衬底表面，Epi膜将在其上生长。如果存在来自抛光过程的任何残留污染物，来自大气暴露或包装除气处理的任何残留有机污染物，或存在任何非化学计量氧化物或任何高温氧化物，生长在衬底上的Epi膜将包含缺陷，该缺陷最终可能导致装置缺陷并在后续半导体制造工艺中产生损失。需要一种保护原始晶体表面的方法，其不破坏表面晶格，不使表面晶格应变，均一有效地钝化表面晶格的悬空键，使得它们不会吸收不需要的物质，并且在Epi沉积系统中在适度加热下均一且完全地解吸，由此留下原始晶体表面以在其上生长外延层。

请注意，下面讨论的观点可能反映了从已公开的发明获得的后见之明，不一定被认为是现有技术。

使用大气压等离子体准备步骤的外延生长

本申请描述了用于形成外延结构的新方法，特别是在外延层的沉积开始之前用于表面准备的新方法。在一类实施例中，本申请教导使用来自大气压等离子体的下游反应性成分作为为随后的外延层生长提供最佳表面条件的方法。

本申请公开了多个发明，每个发明都被认为是新颖且非显而易见的。另外，这些发明的各种组合具有各种协同作用，并且它们本身被认为是独立新颖且非显而易见的。因此，应该理解，并非本申请中描述的所有特征都是本文描述的各种创新概念中的任一项的部分。

附图说明

将参考附图来描述所公开的发明，附图示出了重要的示例实施例并且通过引用并入本说明书中，其中：

图1示意性地示出了将来自大气压等离子体头部的下游反应性残留物施加到衬底，预备沉积外延薄膜。

图2示出了在处理过程中Epi衬底的横截面，包括存在于衬底表面上的氧化、有机污染和其他外来物质。

图3示出了具有钝化层的外延衬底。

图4示出了在本公开的优选实施例中使用的大气压等离子体系统的一个示例实施例。

图5A、5B和5C示出了在外延生长之前衬底制备的一个示例实施例中的连续步骤。

图6A、6B和6C示出了在一个示例还原过程中去除有机污染物的示例性步骤。

图7A、7B和7C示出了在一个示例氧化过程中用氧自由基代替有机污染物的示例性步骤。

图8A、8B和8C示出了一个示例还原和钝化过程中的示例性步骤。

具体实施方式

将具体参考本公开的优选实施例(作为示例而非限制)来描述本申请的许多创新教导。本申请描述了几项发明，下面的任何陈述通常都不应被视为限制权利要求。

除其他创新之外，本申请还教导了一种方法，其利用大气压等离子体的下游反应性残留物以利用简单装置为预Epi表面准备提供多个优点。通过采用气体的还原化学组合，例如氦气与氢气，在等离子体头部内部在大气压等离子体区域中产生的下游反应性氢自由基离开头部孔并撞击衬底表面。四个重要的表面准备过程同时进行：

1.从衬底表面除去碳(有机残留物)，而没有机械地损坏衬底。

2.从衬底表面除去氧而没有机械地损坏衬底。

3.从衬底表面除去其他外来物质，例如H2O、OH、氮、硫、卤化物等，而没有机械地损坏衬底。

4.在去除上述物质后留下的悬空键产生高度活化的原始衬底表面，为化学作用作好准备。

如果衬底能够被直接平移到Epi生长设备中，则不需要进一步的表面准备。Epi生长不受氧化物、碳或其他表面阻塞物质阻碍地进行，并且可以省略解吸钝化层的正常中间步骤。

如果衬底要被存储以便随后使用或运输，则大气压等离子体头部的化学性质从还原化学性质迅速变为氧化化学性质(例如氦气与氧气或氦气与氮气)，纯的受控的氧化物或氮化物膜可以在原始表面上生长。这种生长的表面钝化的纯度由大气压等离子体中使用的气体的纯度以及衬底不必经受这种钝化膜生长通常需要的处理或真空室污染的事实来确保。生长的膜的能量学以及相应的化学计量和厚度受控于大气压等离子体参数，例如气体流量、射频功率、扫描速率、孔口和衬底之间的间隙等。一旦以这种方式进行保护，晶片就可以被存储和/或运输以供以后或远处使用。

在进入Epi生长系统之前，可以使用大气压等离子体通过上述步骤再次清洁(如果需要则钝化)晶片，以确保没有来自包装或大气暴露的残留物。再次，Epi操作员可以选择将原始的未钝化衬底放入Epi设备中，然后直接生长；或者操作员可以使用大气压等离子体来生长氧化物或氮化物钝化层，然后正好在Epi生长之前在Epi系统内部解吸氧化物或氮化物钝化层。

图1示意性地示出了将来自大气压等离子体头部的下游反应性残留物施加到衬底。相对于下游气流，对衬底进行扫描，因此使衬底受到在大气压等离子体头部内部在等离子体区域中产生的下游反应性物质的均匀处理。在该图中还示出了由于工艺气体流出等离子体头部出口孔，然后横向位于等离子体头部的底表面和衬底之间而产生的大气排出区域。

图2示出了Epi衬底的横截面，包括存在于衬底表面上的氧化、有机污染物和其他外来物质。当从右向左扫描衬底时，表面膜(一个或多个)受到存在于等离子体下游中的化学反应性自由基的影响，并且被反应掉，留下原始未损坏的准备好进行外延的表面；或准备好生长受控钝化层，如图3所示。

本公开的方法的一些显著特征如下。(但是，应该理解，寻求保护的具体发明仅由本公开的权利要求书限定，并且不一定由以下任何一点限定)：

1.选择大气压等离子体源以提供下游残留物，从而在衬底表面上进行化学修饰，允许该过程在室内环境条件下进行，从而消除由真空室、气体泵送系统和气体密封室等造成的费用和时间限制。

2.选择远程电介质阻挡放电类型的大气压等离子体，使得在等离子体头部内部在远程等离子体区域中产生的所有高能物质(例如离子或热电子)在下游气体离开头部孔并撞击衬底表面之前进行重新结合。下游中缺乏高能量组分使得能够生产原始的、未受损的晶格，在其上生长外延层或表面钝化层。

3.选择特定的还原气体混合物以实现通过产生相应元素的挥发性物质来有效地去除氧、碳和其他污染物。使用惰性气体例如氦气、氖气、氩气等提供三个功能：首先，作为载气以将还原气体(例如氢气)稀释成不可燃且非爆炸性混合物；其次，提供一种使稳定等离子体得以有效产生的射频吸收介质；第三，提供以长寿命量子亚稳态形式存储能量的亚稳态高能原子，然后这种量子能量在接触时被转移到衬底表面，并因此提供额外的原子激发以激活表面化学反应。加入还原气体，例如氢气，在下游提供氢自由基，该氢自由基与衬底表面上的氧、碳、烃类、氮、羟基和其它物质反应，从而形成在工艺气流中从衬底表面扫除的挥发性物质。亚稳态激发和还原自由基的结合非常有效地从表面上去除各种污染物，而没有对下面的表面结晶度造成任何物理损伤。

4.选择特定的钝化气体混合物以使衬底得以受控地氧化(或氮化等)，从而保护新产生的原始半导体晶格不受污染物和物理损害的影响。使用惰性气体例如氦气、氖气、氩气、氪气或氙气提供三个功能：(1)作为载气以将钝化气体(即氧气)稀释成不可燃且非爆炸性混合物；(2)提供一种使自由基得以在等离子体内有效产生的射频吸收介质；以及(3)提供以长寿命亚稳量子态形式存储能量的亚稳态高能原子，从而提供额外的原子激发以激活表面化学反应。向等离子体中加入氧气、氮气或其他气体，以提供反应性下游自由基，该自由基易于与衬底表面的悬空键结合，从而为那些悬空键产生氧化物、氮化物、氧氮化物或其他原子级封端。

5.选择有利的气体流量比、总流量、射频功率水平、扫描速度以及头部与衬底之间的间隙，使反应性物质的密度、亚稳态物质的密度和表面温度得以优化，从而为期望的表面反应类型产生期望的化学-能量状态。

下面更详细地描述上述每个显著的方法特征。

大气压等离子体源的使用：

图1示出了大气压等离子体源(1)，其提供化学自由基(即单原子氢)和亚稳态惰性气体原子(即氦的亚稳量子态)(5)的便利来源以执行表面改性，而不需要昂贵的真空室、泵送系统和工艺气体密封室。高纯度气体向下流过该等离子体源主体，通过辉光放电等离子体区域，在其中产生气体的受激态物质。等离子体区域中产生的长寿命自由基从等离子体区域向下游流动，并流出位于等离子体头部的底面的线性孔口。在等离子体头部的底面和下面的衬底之间通常保持1毫米的狭窄间隙，从而当气体流出孔口时，工艺气体填充头部和衬底之间的空间，并产生从等离子体孔口向各个方向流动的工艺气体层流。这迫使所有大气离开该区，创造出一个只有工艺气体填充的无大气工艺区。这为真空室创造了一个类似的环境，但不必用耗时且昂贵的真空泵送设备来泵送该区域。

选择远程介质阻挡放电型大气压等离子体源

介质阻挡放电(DBD)低温大气压等离子体源(例如由SET-NA公司提供的Ontos7等离子体源)将较高能量的等离子体区域限制在等离子体源的内部，从而没有等离子体直接与衬底接触。当气流(2)流出等离子体区域(3)并离开等离子体源底部的孔口(4)时，所有高能量组分例如离子、热电子和动态轰击物质都由于在大气压力条件下发生的高速粒子碰撞而失去它们的能量。这确保被处理的衬底(6)不会因高能粒子的轰击(例如通常发生在真空等离子体系统中)而遭受表面损伤。另外，因为大气压等离子体源下游的反应性残留物没有显著的动能，所以它们不会损害处理中的衬底的直接表面的原子晶格结构。被称为“介质阻挡放电”(DBD)大气压等离子体的特定类型的大气压等离子体消除了通常与较简单的电弧放电或电晕放电大气压等离子体相关的高温电弧。DBD大气压等离子体独特地适合于Epi衬底的低能量准备，其中较高温度和直接暴露于电弧放电是不允许的。另外，电弧放电和电晕放电可将电极材料溅射到下游气流中，然后该气流可能污染衬底而带有不需要的外来材料。因此，下游DBD大气压等离子体独特地适合用于此应用。

选择特定还原气体混合物

如前所述，下游气流中剩余的活性物质是长寿命的单原子还原原子(即氢自由基H·)和亚稳量子激发的载气原子(即受激氦态He*)。这些物质在化学上和能量上能够与表面上的氧、碳和其他原子反应，以产生这些原子的挥发性化合物，从而将它们从衬底表面去除。还原气体与载气的比例对表面准备过程的效率很重要。载气流量影响气体通过等离子体区域时可用于吸收能量的时间。较高的流量降低了等离子体区域中气体的温升，并因此降低了衬底上的热负荷。选择哪种气体用作载体非常重要。必须考虑气体在等离子体区域周围的高电场中将如何发生作用，例如在室压条件下使气体离子化所需的击穿电压，以及一旦等离子体点燃时维持等离子体放电所需的维持电压。其他考虑因素包括气体的热导率和热质量。另一个非常重要的因素是可以在气体中形成的亚稳态能量状态的性质。例如，氦形成约20eV量子能的亚稳态，而氩形成约10eV量子能的亚稳态。氦亚稳态物质的较高能量“含量”使氦成为激活需要较高能量的表面反应(例如还原金属氧化物)的理想选择。然而，如果特定表面反应只需要较低能量的亚稳态物质，则可以为节约成本而使用氩气。

氢气通常优选作为还原气体，不过其他还原气体例如NH3也可以任选地但并非优选地使用。

适当选择特定的钝化气体混合物

应该选择钝化气体以适应正在准备的具体衬底。在某些情况下，氧气是一个良好的选择，其中衬底材料的氧化物可以容易地在Epi生长系统内在升高的温度下被解吸。在其他情况下，可以考虑氮气以将表面金属原子还原成金属氮化物。其他还原气体，包括例如硫，在某些情况下可能是有益的。含卤素的气体也可以用于形成金属卤化物。

含硫的其它还原气体，例如，在某些情况下可能是有益的。含卤化物的气体也可以用于形成金属卤化物。通过使氧气和氮气流过大气压等离子体源而形成的氧氮化物也可能用于某些衬底的钝化。

这些钝化层中的任何一个大大降低了外来的氧、碳等附着到衬底表面的能力。实际上，这起到了原子层钝化的作用。由于该层非常薄且非常纯净，因此通过在Epi设备中施加热量，它很容易(并且均匀地)从衬底表面解吸。

选择适当的扫描速度和间隙

使用大气压等离子体头部对表面进行化学改性的一个重要因素是从化学反应区域排除室内空气。图1显示了穿过等离子体头部内部的气体之后如何离开等离子体头部的底面中的孔口，并且在衬底和等离子体头部的底面之间横向流动。这种横向流动不断地从在等离子体头部正下方的反应区域中清除室内空气。没有室内空气(主要是氧气和氮气)，使得还原化学物质能够保持足够高的密度，以在衬底表面上进行还原化学反应。任何侵入反应区域中的室内空气都会降低下游自由基反应的效率。选择适当的扫描参数和间隙参数对于实现衬底上下游反应性残留物的最大效应是必需的。扫描速率取决于吞吐量与衬底加热与过程反应时间与大气排除动力学的平衡。出于吞吐量的考虑，显然需要更高的扫描速度。由于与流出等离子体头部的热激发气体进行热交换，较高的扫描速度也使衬底的加热最小化。然而，在较高的扫描速度下，可供室内空气从反应区域排出的时间较少，因此反应速度降低。类似地，如果等离子体头部与衬底之间的间隙太大，则更多的室内空气将保留在反应区域中。但是，如果该间隙太小，则可能发生对衬底的额外加热，使得衬底表面在随着扫描继续而离开排出区域时仍然保持温热。这可能导致刚刚被还原的表面的再氧化。多变量设计的实验确定了产生最佳结果的一系列间隙和扫描速度。典型的扫描速度从1mm/秒高达15mm/秒，取决于需要去除多少有机物和氧化物。等离子体头部底面和衬底顶面之间的典型间隙间距在0.5mm和1.5mm之间，取决于镀覆基底材料的扫描速度和再氧化速率。

现在将描述一些值得注意的关注点。但是，应该再次指出的是，受保护的发明的范围仅由授权的权利要求限定，而不是由下面给出的具体实施例限定。

在优选实施例中，用于衬底准备的大气压等离子体由Ontos大气压等离子体单元提供，如在例如图4中所见。这提供下游活性自由基，条件为：

○冷却气体(<100℃)，

○没有离子，也没有热电子。

○层流不包括来自工艺区域的大气。

○包含的等离子体区域

○接地电极

○室内环境

○电介质衬里

○射频电极通常以13.56Mhz驱动，约80W。

○在该实施例中，最大射频功率为120W，但典型的工作功率为60-100W。

使用四个MFC(质量流量控制器)将无毒气体输送到具有25mm宽工艺区域的专用大气压等离子体头部。辉光放电型等离子体完全包含在头部内。请注意，该实施方式是：

·兼容还原和氧化化学。

·简单、有效且安全的方法

·简单的方法-无真空室。

·快速-几分钟内完成

·对装置和人员而言安全

·无电弧放电、离子、轰击、再沉积或碎裂颗粒。

混合物的惰性气体组分不仅钝化，而且为反应位置提供重要的能量输送。氦(优选实施例中的“载体”气体)具有在19.8eV和20.6eV的两个亚稳态能级(2¹S和2³S)。一旦电子被激发到此状态(通过RF等离子体)，它只能通过与其他原子的物理碰撞而衰变回基态。这在气相中偶尔发生，但随着亚稳态氦原子He^m与衬底表面接触而激烈发生。该接触将量子能直接转移到表面原子，并为表面化学反应提供额外的活化能量。这与在反应离子蚀刻中发生的表面活化有些类似，除了存在基本上零动能转移，因此对衬底产生零动力学(轰击)损害。这对于准备敏感半导体结构的表面是非常理想的。

图5A、5B和5C示出了在外延生长之前衬底准备的一个示例实施例中的连续步骤。在该实施例中，存在亚稳态高能氦原子He^m，以及提供还原化学作用的激发氢原子H*。激发氢原子H*试图结合到表面氧原子，该表面氧原子与晶格的金属(或其它)原子结合。当亚稳态高能氦原子He^m向金属-氧键提供能量时，氢-氧键占优势，氧气可以以H2O形式在汽相中流出。此时，如图5C所示，衬底原子处于高活性状态，具有悬空键。氧化物可以从(例如)In、Sn、Ni、Cu、Sb、Ag、Au等被还原。

图6A、6B和6C示出了使用还原化学法去除有机污染物的一种示例方法中的示例性步骤。在此，还原性下游大气包括亚稳态高能氦原子He^m以及活化的氢自由基H*。氢自由基键合到表面碳原子，而亚稳态高能氦原子He^m提供能量来破坏碳-金属键。如图6C所示，这导致高活性表面。

图7A、7B和7C示出了在一种示例氧化方法中用氧自由基去除有机污染物的示例性步骤。在图7C中，需注意悬空键被单层氧钝化。

图8A、8B和8C示出了另一种示例方法中的示例性步骤，其中表面原子被钝化以及脱氧。这里来自等离子体的气流包括活化的氮原子N*以及亚稳态高能氦He^m和氢自由基H*。结果是不仅已去除了氧和有机物而且还被氮化物键钝化的表面。

第一准备实施例

本申请的第一优选实施例如下：

1.待准备的衬底：锑化镓(GaSb)

2.大气压等离子体源：具有25mm孔口和射频功率＝100W的SETNA Ontos7介质阻挡放电远程等离子体头部。

3.气体流动参数：氦气＝10标准升/分钟(SLPM)，氢气＝0.10SLPM。

4.扫描参数：扫描速度＝1mm/sec，等离子体头部与衬底之间的间隙＝1mm，在晶片表面上光栅扫描，相邻扫描之间的重叠＝0mm，在晶片上扫描1-4个来回，取决于有机和/或氧化物污染的程度。

第二准备实施例

本申请的第二优选实施例如下：

1.与第一优选实施例相同的过程，具体为：

2.大气压等离子体源：具有25mm孔口和射频功率＝80W的SETNA Ontos7介质阻挡放电远程等离子体头部。

3.气体流动参数：氦气＝10标准升/分钟(SLPM)，氧气＝0.10SLPM。

4.扫描参数：扫描速度＝3mm/sec，等离子体头部与衬底之间的间隙＝1mm，在晶片表面上光栅扫描，相邻扫描之间的重叠＝0mm。

5.单程扫描。

外延生长

以上详细描述了准备和钝化步骤。在制备外延结构的完整工艺中使用这些步骤的优点是重要的：值得注意的是，改进了产率，改进了吞吐量，降低了设备成本，减少了化学酸和溶剂的使用，并且稍微减少了对高技能技术人员的需要。

本公开的方法对于化合物半导体衬底而言特别重要(由于非化学计量生长的问题)，但不仅适用于这些衬底。

本公开的方法对于半导体衬底是有利的，但也可应用于其他类型的衬底。设想到本公开的创新可以任选地适应于单晶衬底，例如蓝宝石、BaSrTiO3，甚至适应于单晶导体。

应该理解，本发明不应限于上述实施例，而是可以在本发明的范围内以各种形式实施。对工艺参数诸如等离子体头部制造商、射频功率、气体组成、气流比率、气体流量、扫描速度、间隙和程数可以可行地进行变化，以实现本发明范围内的相同工艺目标。

有助于示出变型和实施方式的额外的一般背景可以在US 8,567,658中找到，其通过引用并入本文。

可以在以下美国专利申请中找到有助于示出变型和实施方式的额外的一般背景，以及可以与下面要求保护的发明协同实施的一些特征。所有这些申请与本申请具有至少一些共同所有权、共同悬而未决性(co-pendency)和发明权，并且所有这些申请以及直接或间接并入其中的任何材料通过引用并入本文：13/781,927、14/052,867、62/078,598和PCT/US13/28530。

优点

在各种实施例中，本公开的创新提供了至少以下优点中的一个或多个。然而，并非所有这些优点都是从本公开的每一项创新中产生的，并且此优点列表并不限制各种要求保护的发明。

·为外延半导体生长节省成本；

·为化合物半导体衬底上外延生长节省成本；

·改善外延半导体生长的晶体质量，并且更一致地实现此质量；

·改善化合物半导体衬底上外延生长的晶体质量，并且更一致地实现此质量；

·减少所需的酸和溶剂而节省成本。

·改善外延半导体生长的晶体质量，并且更一致地实现此质量；

·改善化合物半导体衬底上外延生长的晶体质量，并且更一致地实现此质量；

·与在改进质量的epi上制造的后续装置更高的产率和性能相关的节省成本。

·减少环境影响和处置酸和溶剂废物的成本。

·钝化使得衬底清理和外延生长之间实现更长的等待时间。

根据一些但不一定是所有实施例，提供了：在CMP之后且在外延生长步骤之前，通过大气压等离子体对衬底进行准备，所述大气压等离子体不仅包括还原化学物质，还包括化学惰性载气的亚稳态。这会去除残留物、氧化物和/或污染物。任选地，氮气钝化也在大气条件下进行，以钝化衬底表面，以便之后的外延生长。

根据一些但不一定是所有实施例，提供了：一种用于在晶体衬底上外延生长晶体薄膜的方法，该方法包括步骤：a)在晶体衬底上形成原子级有序的晶体表面；b)使包含惰性气体的活化亚稳态以及一种或多种不稳定反应性化学物质的活化气体混合物流动通过辉光放电并在大气压力下向下游流到晶体衬底的表面上，从而从有序的晶体表面除去残留物和/或氧化物而不干扰晶体表面的原子顺序；c)将晶体衬底封闭在未向大气开放的反应容器中，并将晶体材料层沉积在有序的晶体表面上，作为衬底结晶度的晶体延伸。

根据一些但不一定是所有实施例，提供了：一种用于在晶体衬底上外延生长晶体薄膜的方法，该方法包括步骤：a)在晶体衬底上形成原子级有序的晶体表面；b)使包含惰性气体的活化亚稳态以及一种或多种不稳定还原化学物质的活化气体混合物流动通过辉光放电并在大气压力下向下游通过孔口流到晶体衬底的表面上，从而从有序的晶体表面除去残留物和/或氧化物而不干扰晶体表面的原子顺序；其中在所述活化气体混合物离开所述辉光放电之后，所述衬底表面的所有部分在小于两毫秒内暴露于所述活化气体混合物；c)将晶体衬底封闭在未向大气开放的反应容器中，并将晶体材料层沉积在有序的晶体表面上，作为衬底结晶度的晶体延伸。

根据一些但不一定是所有实施例，提供了：一种用于在晶体衬底上高真空外延生长晶体薄膜的方法，该方法包括步骤：a)在晶体衬底上形成原子级有序的晶体表面；b)使包含惰性气体的活化亚稳态以及一种或多种不稳定反应性化学物质的活化气体混合物流动通过辉光放电并在大气压力下向下游流到晶体衬底的表面上，从而从有序的晶体表面除去残留物和/或氧化物而不干扰晶体表面的原子顺序；c)将晶体衬底封闭在未向大气开放的反应容器中，并且将反应室抽空至小于10^-5托的压力，并且在真空下加热晶体衬底以从有序的晶体表面解吸材料，并在有序的晶体表面上沉积晶体材料层，作为衬底结晶度的晶体延伸。

根据一些但不一定是所有实施例，提供了：一种用于在晶体衬底上外延生长晶体薄膜的方法，该方法包括步骤：a)在晶体衬底上形成原子级有序的晶体表面；b)使包含惰性气体的活化亚稳态以及一种或多种不稳定还原化学物质的活化气体混合物流动通过辉光放电并在大气压力下向下游通过孔口流到晶体衬底的表面上，从而从有序的晶体表面除去残留物和/或氧化物而不干扰晶体表面的原子顺序；扫描喷口和晶体衬底的相对位置，从而在所述活化气体混合物离开所述辉光放电之后，所述衬底表面的所有部分在小于两毫秒内暴露于所述活化气体混合物；c)将晶体衬底封闭在未向大气开放的反应容器中，并将晶体材料层沉积在有序的晶体表面上，作为衬底结晶度的晶体延伸。

修改和变型

如本领域技术人员可认识到，本申请中描述的创新概念可以在很大范围的应用中进行修改和变型，并且相应地，专利主题的范围不受限于任何具体给出的示例性教导。旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有这种替代、修改和变型。

举一个例子，其他亚稳态高能物质可以任选地替代氦。氖和氩都具有亚稳态高能状态，尽管它们的能量比氦低。

举另一个例子，本公开的发明特别有利于准备用于外延生长的II-VI衬底。合适的材料可以包括CdZnTe、ZnS、CdTe，甚至HgCdTe。

再举另一个例子，所描述的衬底准备步骤不必仅应用于原始衬底。相反，这些步骤可以应用于外延结构，可能在一些加工之后，为进一步的外延生长步骤做准备。

受激态和亚稳态原子的寿命是不同的，但都短。例如，在上述实施例中使用的条件下，亚稳态氦原子He^m通常会从孔口移动几厘米，氧自由基可能会移动几毫米，氢自由基移动略微更少，氮自由基移动约一厘米。但是，此距离可以通过调节来源气体流量和/或等离子体驱动功率来改变。

氮钝化通常可以在预MBE加热条件下解吸-例如，在350-400℃附近，或者可能低至250℃。

还需注意的是，本公开的发明不仅可适用于正常厚度的外延层，而且可适用于ALE(原子层外延)，用于沉积一个或几个单层。

本申请中的描述都不应被理解为意味着任何特定的要素、步骤或功能是必须包含在权利要求范围内的必要要素：专利主题的范围仅由授权的权利要求定义。此外，这些权利要求都无意援引35USC第112条第6款，除非确切的词语“用于……的装置”后面跟着一个分词。

所提交的权利要求旨在尽可能全面，并且没有主题被有意地撤回、捐献或放弃。