[发明专利]用于制造半导体材料薄片的分子束外延装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造半导体材料薄片/晶片的分子束外延装置。

背景技术

外延的氮化镓(GaN)半导体表现出非常令人感兴趣的半导体特性以便用于高功率和高频率的应用，例如高亮度LED或射频晶体管。

可通过两种主要技术实现GaN薄层的外延，即分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。

在分子束外延技术的情况中，在喷射室(effusion cell)内从熔融的金属中蒸发(挥发、升华)出元素或化合物的原子或分子(例如镓)，并可通过由等离子源裂化氮分子或从来自气体注射器的气态氨而供应氮元素，所述气态氨在基片的表面处通过热激发而化学分解。

分子束外延装置通常包括在其中引入待涂覆的基片的装载隔室、在其中使基片脱水的隔室、在其中执行基片的脱氧操作的隔室、生长室以及抽吸生长室的残余成分的抽吸装置。

基片(例如硅)被引入生长室，在所述生长室内实现了约10^-8帕的真空。基片在约300℃至1100℃之间的温度下被加热。随后，气态先质/前体(例如氨)被注入生长室，喷射室内的金属被加热从而蒸发。气态氨与蒸发的金属在基片的表面处反应以形成GaN的外延层。

在生长过程期间未裂化的氨的一部分被截留在低温面板上，所述低温面板覆盖生长室的侧壁的内表面并包围加工区域。

由于：

-在注射步骤期间所用的氨的压力在10^-5至10^-2帕之间，

-生长室的内壁的温度约为室温，

-与生长室的容积相比这些壁的大的面积，以及

-氨在固体上约75至125kJ/mol(千焦/摩尔)的吸附/解吸附能，

氨分子易于吸附在生长室壁上，并以几分钟到几小时的时间常数解吸附，所述生长室壁通常恰当地处于室温。

这导致当氨的注射停止时在系统内氨的不可忽略的蒸气压和流量。在并不需要氨时，这种残余的氨会扰乱在生长室内进行的其它过程。

例如，当使用硅基片时，在基片的加热期间氨压力的重要背景使得基片的表面氮化，将硅转化为氮化硅并因此影响了其电学特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种分子束外延装置，所述装置使得当不需要气态先质时能够将生长室内的气态先质压力有效降低至限制压力以下。该限制压力对应于可限制或避免生长过程被先质干扰的气态先质压力。

为此，本发明涉及一种用于制造半导体材料薄片的分子束外延装置，所述薄片包括由一层材料覆盖的基片，所述装置还包括：

-包围加工区域的生长室，所述生长室包括侧壁、底壁和上壁，每个壁具有内表面，

-至少具有侧部的主低温面板，所述侧部覆盖所述侧壁的内表面，

-能够支承所述基片的样品保持件，所述样品保持件包括加热装置，

-能够使元素或化合物的原子或分子蒸发的至少一个喷射室，

-能够将气态先质注入生长室的气体注射器，所述气态先质的一部分能够与蒸发的元素或化合物的原子或分子在基片的表面上反应以形成覆层，

-连接至生长室并能够提供高真空性能的抽吸装置。

根据本发明，分子束外延装置包括隔离罩，所述隔离罩至少覆盖生长室壁的内表面并且包括冷部和热部，所述冷部具有低于或等于气态先质的熔点的温度T_min，所述热部具有高于或等于某一温度的温度T_max，在所述某一温度下气态先质在所述热部上的解吸附率比所述气态先质的吸附率至少高1000倍。

冷部的温度T_min足够低以截留气态先质并不将它释放。热部的温度T_max足够高以便避免气态先质固着在热部。

本发明允许为加工区域屏蔽气态先质，这减少或消除了当不需要气态先质时对过程的干扰，所述气态先质从生长室壁解吸附，所述生长室壁通常处于室温(通常为不包含在T_min与T_max之间的范围内的温度)。本发明允许限制气态先质(例如氨)的残余蒸气压力进入生长室。避免了对基片、喷射室、气体注射器以及压力计的污染。

根据各个实施例，本发明还涉及以下特征，可以单独地或在所有技术可行的组合中考虑以下特征：

-喷射室能够使第三主族的元素或化合物的原子或分子蒸发，气体注射器能够注射包括第五主族的元素的气态先质，

-基片是硅基片，喷射室能够使镓蒸发，并且气体注射器能够注射气态氨，