金属氮化物的高压氮气退火工艺制造技术

一种形成p型导电率范围介于约0.0001Ω?cm至约100Ω?cm之间的金属氮化物的工艺，所述工艺包括：将生长后金属氮化物置于退火容器中；抽空环境气体以提供真空；向所述抽空容器添加包含氮物种的超压氮气，从而所述超压氮气的压力比大气压力更高；加热所述金属氮化物至足以使所述氮物种扩散至金属氮化物中的温度；并且使所述金属氮化物退火至少1小时以形成退火金属氮化物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本公开提供了一种使III-V族金属氮化物晶体、晶片、外延层和外延膜退火以减少氮空位的工艺。具体而言，本公开提供了一种在高温高压环境中进行所述III-V族金属氮化物的缓慢退火的工艺。【专利说明】金属氮化物的高压氮气退火工艺相关申请案的交叉引用本申请要求2011年6月28日提交的标题为“Process for High-PressureNitrogen Annealing of Metal Nitrides”的美国专利申请N0.13/171，042 的权益,其据此完全通过引用整体并入。专利
本公开涉及一种减少金属氮化物中的氮空位的工艺。具体而言，本公开涉及用于通过在高温高压环境中生长后退火，减少金属氮化物化合物的大块晶体、晶片、外延层和外延膜中的氮空位，产生氮空位密度减小而P型导电率升高的缓慢退火工艺。背景金属氮化物外延层和膜是许多现代电子设备的基础，例如发光二极管(LED)和功率晶体管。氮空位(VN)是影响金属氮化物中原子间化学键的点缺陷并且是由金属氮化物生产和生长期间氮的缺乏而形成。已经证实缺陷是金属氮化物组合物(包括用作半导体的金属氮化物组合物)中正(P型)导电率弱的重要因素。通常，氮空位在半导体材料中的形成能最低并且可分别作为单或三电子给体(VN1+)和(VN3+)。P型导电率弱导致内电阻高并且限制金属氮化物半导体材料的效率和性能。因此，期望通过减少氮空位(VNi+和/或VN3+)提高金属氮化物半导体材料的P型导电率。已知由于氮气的蒸汽压高并且分解NH3的效率低，所以在金属氮化物中易于产生氮空位。在生长过程中，金属氮化物常常无意掺杂了氮空位。从而，因为氮空位影响了金属氮化物的电学和光学特性，所以削弱了长成组合物的质量。氮空位有助于金属氮化物的负(η型)导电率。η型导电率指与半导体中在功能上与负电荷等效的给体电子相关的导电率。减小η型导电率优势的努力包括为材料掺杂以增大材料的P型导电率。更具体地，向金属氮化物中并入P型掺杂剂以试图抵消或“中和”生长杂质和/或缺陷，包括氮空位的影响。然而，P型掺杂也通过自动补偿机制产生氮空位(VN1+和/或VN3+)。在金属氮化物的晶格结构中氮空位极具活动性。因此，通过使氮原子扩散至金属氮化物晶格中并且将氮空位挤出晶格的退火工艺，可能减小金属氮化物中氮空位的密度。高温退火已经在改善金属氮化物的晶体结构和导电性质量上展示出希望。然而，一些材料，包括II1-V族金属氮化物(例如,氮化铝、氮化镓和氮化铟)将在快速热退火下分解，其中压力范围从真空至近似大气压力。因此，需要可监测和调节的缓慢高温高压(HTHP)退火工艺，以确保发生晶体松弛和空间运动，无显著氮分解。专利技术概述本公开涉及一种形成P型导电率增大的金属氮化物的缓慢、生长后工艺。一方面，所述工艺包括将生长后金属氮化物置于包括退火容器的退火装置中。然后从退火容器中抽空环境气体以在退火容器中产生真空。在退火容器中产生高于近似大气压力的氮气超压。通常将退火容器加热至足以使氮物种扩散至金属氮化物中的温度。然后使金属氮化物退火I小时或更长，以减小材料中的氮空位密度。通常在范围从600°C至2900°C的温度和高于760托(?I个标准大气压(ATM))的压力下，使金属氮化物退火1-100小时。关键的是，所述工艺使用热和超压一段时间以生产P型导电率增大的金属氮化物。一方面，在范围从1000°C至2400 V的温度和范围从3800托至10100托的压力下，使金属氮化物退火1-48小时。因此，通过氮空位的密度减小和P型导电率升高可辨别所得金属氮化物，有介于近似0.0001 Ω -cm至近似100 Ω -cm的电阻率为证。另一方面，在2200°C温度和7000托压力下，使II1-V族金属氮化物退火至少24小时。所得II1-V族金属氮化物的氮空位浓度降低且P型导电率升高，有约0.0001 Ω-Cm至约ΙΟΟΩ-cm的电阻率为证。氮空位浓度的确切降低和P型导电率的升高取决于退火的金属氮化物、P型掺杂的水平和使用的P型搀杂物。可用退火装置进行退火工艺。退火装置包括具有限定容纳生长后II1-V族金属氮化物的内部空间的外壳的退火容器。退火装置还包括在退火容器中维持所需温度的加热系统和为退火容器提供氮物种的氮气源。所述装置进一步包括产生近真空以从退火容器内清除环境气体的真空系统和为退火容器提供氮物种恒定超压的压力控制系统。退火装置还包括监测和控制退火装置的各个系统的反馈控制系统。附图简述图1是根据本公开实施方案的缓慢退火工艺的流程图。图2是描绘了进行根据本公开实施方案的缓慢退火工艺的退火装置的方框图。图3是用于根据本公开实施方案的缓慢退火工艺的退火容器的方框图。专利技术详述本公开的工艺提供了提高金属氮化物的P型导电率的缓慢方法。如本文所使用的金属氮化物指金属氮化物晶体、晶片、外延层或膜，或基本上由金属氮化物化合物组成的其它组合物。如本文所使用的缓慢指大于一个半小时的持续时间。所述方法包括于富氮环境中在高于大气压力的压力下，加热金属氮化物(包括衬底或衬底上生长的外延层)至少I小时。缓慢高温高压(HTHP)退火工艺促进氮气扩散至晶锭、晶片、外延层和/或外延膜中，从而生成含浓度降低的氮空位的金属氮化物。氮气向金属氮化物的扩散有效增加了金属氮化物中氮物种的浓度。氮物种浓度增加使氮化物中氮原子的化学计量比增大。因此，氮空位的减少通过减小由空位、空间和金属氮化物中的其它瑕疵引起的空穴捕获作用提高了 P型导电率。缓慢退火工艺提高了通常用于制造半导体的掺杂金属氮化物的正(P型)导电率。缓慢退火对提高二元、三元和四元II1-V族金属氮化物(包括呈AXBl-XN形式的金属氮化物)的P型导电率特别有用，其中A和/或B为II1-V族元素，例如但不限于B、Al、Ga或In。在缓慢退火工艺之后，根据退火的金属氮化物、掺杂水平和使用的掺杂物，金属氮化物的P型导电率将升高，有电阻率降低范围介于近似0.0001至ΙΟΟΩ-cm为证。P型导电率指与半导体材料中的空穴相关的导电率。在半导体材料中，空穴指原子的另外满充电子壳层中的空轨道。在施加的电场和/或磁场中，空穴起正电荷e+的作用。可通过掺杂产生空穴。例如，用在最外壳层中具有少于3个电子的原子(例如Mg或Ca)取代金属氮化物中的III族金属原子(例如Al)在材料中产生空穴。通过从材料晶体结构缺乏的一个或多个原子鉴定空位。类似地，空间是两个或更多个空位的群集。空位含有额外的非束缚电子。因此，为抵消空位，必须向金属氮化物的每个氮空位并入在最外壳层中具有少于3个电子的P型掺杂物原子。通常通过向半导体材料添加某些类型的原子以便增加自由电荷载体的数量的掺杂工艺生产P型半导体材料。当添加掺杂剂时，掺杂剂从半导体材料的原子接受了弱束缚外层电子。电子留下的电子空位为空穴。进行P型掺杂以产生许许多多的空穴并因此增加功能正电荷的数量。例如，当使用镁和/或铍作为掺杂剂时，从II1-V族金属氮化物晶格中天然存在的4个共价键移除至少一个电子。因此，掺杂剂可从相邻原子的共价键接受电子，从而形成起正点电荷作用的空穴。当添加足够大量的掺杂剂时，空穴数量大大超过电子。因此，在P型掺杂半导体材料中空穴变成多数载体，而电子变成少数载体。在缓慢HTHP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成p型导电率范围介于约0.0001Ω?cm至约100Ω?cm之间的金属氮化物的工艺，所述工艺包括：将生长后金属氮化物置于退火容器中；抽空环境气体以提供真空；向所述抽空容器添加包含氮物种的超压氮气，从而所述超压氮气的压力比大气压力更高；加热所述金属氮化物至足以使所述氮物种扩散至金属氮化物中的温度；并且使所述金属氮化物退火至少1小时以形成退火金属氮化物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·施密特，
申请(专利权)人：氮化物处理股份有限公司，
类型：
国别省市：