[发明专利]基于ICP的化合物半导体的外延生长装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜生长设备技术领域，具体涉及一种电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）的化合物半导体的低温外延生长装置及方法。

背景技术

以GaN、SiC为代表的新型化合物半导体材料近十几年来在国际上备受重视，在紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、探测器，以及高频高温大功率电子器件等方面有着重要而广泛的应用。

为了获得良好的器件性能，要求化合物半导体薄膜尽可能处于单晶状态。目前化合物半导体的外延生长方法主要有分子束外延（MBE）和金属有机物化学气相外延（MOVPE）。由于MBE具有真空条件要求苛刻、生长速率慢的缺点，目前普遍采用MOVPE进行化合物半导体外延生长的商业化生产。

在化合物半导体的MOVPE生长过程中，要求反应物以层流的方式扩散到衬底表面，在衬底表面发生裂解、化合和迁移等反应，从而形成化合物半导体单晶薄膜。现有的MOVPE，反应物裂解、化合、迁移所需的能量主要通过衬底加热的方式获得，由于反应气体存在较强的化学键，且反应物粒子在衬底表面迁移需要一定的能量，从而要求外延过程中衬底具有极高的温度。以MOVPE外延生长GaN为例，反应物一般为Ga(CH₃)₃和NH₃，Ga(CH₃)₃的裂解温度约500℃，NH₃的裂解温度约为700℃，再考虑GaN在衬底表面的迁移，一般外延生长温度接近1000℃。如果采用Ga(CH₃)₃和N₂进行外延，由于N₂化学键更强，需要更高的生长温度。

高温外延虽然能实现性能良好的光电子器件，如LED，但也存在很多问题。首先，衬底材料和尺寸受限。由于耐高温及晶格匹配的要求，目前能用于化合物半导体外延生长的衬底只能是少数几种单晶衬底，比如用于生长GaN基半导体的Al₂O₃、Si，用于生长GaAs基半导体的GaAs，用于生长SiC半导体的SiC、Si等，这些单晶衬底成本较高、尺寸受限，很难直接进行化合物半导体的大面积外延生长。而可用于大面积薄膜衬底的衬底，如玻璃、塑料等，都很难再高温条件下稳定工作。其次，由于衬底和外延薄膜的热膨胀系数往往存在一定的差异，外延温度越高，半导体薄膜的应力就越大，直接影响器件的性能。再次，一般希望沉积对应的化学反应只在衬底表面进行，尽量减少衬底表面以外的预反应，而在高温条件下，很难控制反应气体在衬底表面以外的预反应。

针对MOVPE高温生长带来的问题，人们提出了等离子体增强MOVPE（PE-MOVPE）的想法，希望通过低温等离子体预先裂解反应物，提高反应物原子的势能，达到降低化合物半导体外延生长的目的。产生低温等离子体的常用方法有：电容耦合等离子体（CCP）、电感耦合等离子体（ICP）、电子回旋共振等离子体（ECR）。CCP反应室简单，但等离子体密度和能量无法独立调节。ECR的等离子体密度高，能量转换率高，已有的PE-MOVPE主要采用ECR的方式产生等离子体。但是ECR固有的模式跳变特性，使其难以用于大面积的薄膜沉积。ICP可以产生与ECR可比拟的等离子体密度，同时具有较好的等离子体均匀性，能在很大的气压范围内运行，在非外延生长的薄膜沉积中获得了广泛的应用。

反应物气体产生等离子体后，正离子、亚稳态原子分子以及中性原子均能用来生成化合物半导体，但其中的正离子以及高能的中性粒子会对衬底造成轰击，从而影响化合物半导体的结晶特性。以PEMOVPE生长GaN为例，反应气体采用Ga(CH₃)₃和N₂，氮等离子体中包含氮离子、氮原子、氮分子，原则上都可以参与GaN的生成，但氮离子以及高能中性粒子（如氮原子、氮分子）会对衬底造成轰击、Ga去吸附、GaN分解和点缺陷等问题。因此，为了提高低温外延生长的化合物半导体的结晶质量，必须设法降低到达衬底处的正离子密度以及高能的中性粒子密度，同时使低能活性粒子能尽量多的到达衬底参与反应。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述外延温度高的技术问题。

为此，本发明的一个目的在于提出一种外延温度地、薄膜质量好的基于等离子体的化合物半导体的低温外延生长装置。

本发明的另一个目的在于提出一种外延温度地、薄膜质量好的基于等离子体的化合物半导体的低温外延生长方法。