CN103732791A - 包括反应室内的前体气体炉的沉积系统及相关方法 - Google Patents

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Abstract

沉积系统包括反应室，设置在所述室内用于支撑所述反应室内的基材的基材支撑结构，和用于将一种或多种前体气体注入所述反应室的气体输入系统。所述气体输入系统包括至少部分地设置在所述反应室内的至少一个前体气体炉。沉积材料的方法包括使第一前体气体和第二前体气体分别地流入反应室，使所述第一前体气体流动通过至少一个前体气体流路，所述前体气体流路延伸通过设置在所述反应室内的至少一个前体气体炉，和在所述至少一个前体气体炉内加热所述第一前体气体后，将所述第一前体气体和所述第二前体气体在所述反应室内在基材上方混合。

Description

包括反应室内的前体气体炉的沉积系统及相关方法
技术领域
本发明的实施方案通常涉及在基材上沉积材料的系统，并涉及制造和使用这些系统的方法。更特别地，本发明的实施方案涉及在基材上沉积III-V半导体材料的氢化物气相外延（HVPE）方法，并涉及制造和使用这种系统的方法。
背景技术
化学气相沉积（CVD）是用于在基材上沉积固体材料的化学过程，通常用于半导体设备的制造中。在化学气相沉积过程中，基材暴露至一种或多种试剂气体，所述一种或多种试剂气体以这样的方式反应、分解或同时反应和分解：导致在基材的表面上沉积固体材料。
CVD过程的一个特定类型在本领域内被称为气相外延（VPE）。在VPE过程中，基材在反应室内暴露至一种或多种试剂蒸汽，所述一种或多种试剂蒸汽以这样的方式反应、分解或同时反应和分解：导致在基材的表面上外延沉积固体材料。VPE过程通常用于沉积III-V半导体材料。当VPE过程中的试剂蒸汽之一包括氢化物（或卤化物）蒸汽时，所述过程可以称作氢化物气相外延（HVPE）过程。
HVPE过程用于形成III-V半导体材料，例如氮化镓（GaN）。在这些过程中，GaN在基材上的外延生长由氯化镓（GaCl）和氨（NH3）之间的气相反应产生，所述气相反应在反应室内在约500℃和约1100℃之间的升高的温度下进行。NH3可以得自标准NH3气体源。
在一些方法中，通过使氯化氢（HCl）气体（其可以得自标准HCl气体源）在加热的液体镓（Ga）上方经过以在反应室内原位形成GaCl从而提供GaCl蒸汽。液体镓可以加热至在约750℃和约850℃之间的温度。GaCl和NH3可以对准至加热的基材（如半导体材料的晶片）的表面（例如上方）。于2001年1月30日提交的Solomon等人的美国专利第6,179,913号公开了用于这些系统和方法中的气体注射系统。
在这些系统中，可能需要将反应室打开至大气以补充液体镓源。另外，不可能在这些系统中原位清洗反应室。
为了解决这些问题，已经发展了利用直接注入反应室中的外部GaCl3前体源的方法和系统。这些方法和系统的实例例如公开在于2009年9月10日公开的Arena等人的美国专利申请公开第US2009/0223442A1号中。
发明内容
提供此发明内容以介绍简化形式的概念的选择，这些概念进一步描述于本发明的一些示例性实施方案的如下详细说明中。此发明内容不旨在确认所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
在一些实施方案中，本发明包括沉积系统，所述沉积系统包括至少基本上封闭的反应室；基座，所述基座至少部分地设置在所述反应室内，并被构造成支撑所述反应室内的基材；和气体输入系统，所述气体输入系统用于将一种或多种前体气体注入所述反应室中。所述反应室可以通过顶壁、底壁和至少一个侧壁限定。气体输入系统包括设置在所述反应室内的至少一个前体气体炉。至少一个前体气体流路延伸通过所述至少一个前体气体炉。
在额外的实施方案中，本发明包括沉积半导体材料的方法。所述方法可以通过使用如本文所述的沉积系统的实施方案来进行。例如，本公开的实施方案的一些方法可以包括使III族元素前体气体和V族元素前体气体分别流入反应室，使III族元素前体气体流动通过至少一个前体气体流路，所述至少一个前体气体流路延伸通过设置在所述反应室内的用于加热III族元素前体气体的至少一个前体气体炉，并在所述反应室内的所述至少一个前体气体炉内加热III族元素前体气体之后，将V族元素前体气体和III族元素前体气体在所述反应室内在基材上方混合。基材的表面可以暴露至V族元素前体气体和III族元素前体气体的混合物以在所述基材的表面上形成III-V半导体材料。
附图说明
通过参考显示在附图中的实施方案的如下详细描述可以更完整地理解本公开，其中：
图1为示意地显示本发明的沉积系统的示例性实施方案的剖开立体图，所述沉积系统包括位于反应室的内部区域内的前体气体炉；
图2为显示图1的前体气体炉的横截面侧视图，所述前体气体炉包括多个结合在一起的通常板状结构；
图3为图1和图2的前体气体炉的通常板状结构之一的俯视图；
图4为图1和图2的前体气体炉的立体图；以及
图5为显示与图1类似但包括三个位于反应室的内部区域内的前体气体炉的沉积系统的另一实施方案的平面图的示意图。
具体实施方式
本文呈现的说明不意指任何具体的系统、组件或设备的实际示图，而仅是用于描述本发明的实施方案的理想表示。
如本文中所用的术语“III-V半导体材料”意指并包括至少主要由周期表的IIIA族的一种或多种元素（B、Al、Ga、In和Ti）和周期表的VA族的一种或多种元素（N、P、As、Sb和Bi）组成的任何半导体材料。例如，III-V半导体材料包括但不限于GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AlN、AlP、AlAs、InGaN、InGaP、InGaNP等。
最经已经发展了用于使用注入反应室的GaCl3前体的外部源的方法和系统的改进的气体注射器，例如公开于上述美国专利公开第US2009/0223442A1号中的那些。这些气体注射器的实例公开于例如Arena等人于2009年3月3日提交的美国专利申请序列号61/157,112中。如本文中所用的术语“气体”包括气体（不具备独立的形状或体积的流体）和蒸汽（包含悬浮在其中的扩散的液体或固体物质的气体），术语“气体”和“蒸汽”在本文中作为同义词使用。
本发明的实施方案包括并利用沉积系统，所述沉积系统包括位于反应室内的一个或多个前体气体炉。图1显示沉积系统100，其包括至少基本上封闭的反应室102。在一些实施方案中，沉积系统100可以包括CVD系统，并可以包括VPE沉积系统（例如，HVPE沉积系统）。
反应室102可以通过顶壁104、底壁106和一个或多个侧壁限定。侧壁可以通过沉积系统的组合件的一个或多个组件限定。例如，第一侧壁108A可以包括用于将一种或多种气体注入反应室102的注射组合件110的组件，第二侧壁108B可以包括用于将气体从反应室102排出并用于将基材载入反应室102以及从反应室102卸载基材的排气和装载组合件112的组件。
沉积系统100包括基材支撑结构114（例如基座），所述基材支撑结构114被构造成支撑一个或多个工件基材116，在所述工件基材116上合意地沉积或提供沉积系统100内的材料。例如，工件基材116可以包括模头或晶片。沉积系统100进一步包括加热元件118（图1），其可以用于选择性地加热沉积系统100使得在沉积过程中可以将反应室102内的平均温度控制到所需的升高温度。加热元件118可以包括例如电阻加热元件或辐射加热元件（例如加热灯）。
如图1所示，基材支撑结构114可以安装在轴119上，所述轴119可以联接（例如，直接结构联接、磁力联接等）至驱动设备（未示出），例如电机，所述电机被构造成驱动轴119的旋转并且因此驱动反应室102内基材支撑结构114的旋转。
在一些实施方案中，顶壁104、底壁106、基材支撑结构114、轴119和反应室102内任何其他组件的一个或多个可以至少基本上由耐火陶瓷材料（例如陶瓷氧化物（例如二氧化硅（石英）、氧化铝、氧化锆等）、碳化物（例如碳化硅、碳化硼等）或氮化物（例如氮化硅、氮化硼等））组成。作为非限制性的实例，顶壁104、底壁106、基材支撑结构114和轴119可以包括透明石英，从而使得由加热元件118辐射的热能穿过顶壁104、底壁106、基材支撑结构114和轴119并加热反应室102内的气体。
沉积系统100进一步包括用于将一种或多种气体注入反应室102以及用于将气体从反应室102排出的气体流动系统。继续参考图1，沉积系统100可以包括五个气体流入导管120A-120E，所述五个气体流入导管120A-120E从各自气体源122A-122E运载气体进入注射组合件110。任选地，可以使用气体流动控制设备，例如阀和/或质量流动控制器（未示出）从而选择性地控制气体分别通过气体流入导管120A-120E的流动。
在一些实施方案中，气体源122A-122F的至少一个可以包括GaCl3、InCl3或AlCl3的至少一种的外部源，如美国专利申请公开第US2009/0223442A1号中所述。GaCl3、InCl3和AlCl3可以以二聚物的形式存在，例如分别为Ga2Cl6、In2Cl6和Al2Cl6。由此，气体源122A-122F的至少一个可以包括二聚物，例如Ga2Cl6、In2Cl6或Al2Cl6。
在气体源122A-122E的一个或多个为或包括GaCl3源的实施方案中，GaCl3源包括维持在至少78℃的温度（例如约130℃）下的液体GaCl3的储槽，并可以包括用于增强液体GaCl3的蒸发率的物理装置。这种物理装置可以包括例如被构造成搅拌液体GaCl3的设备、被构造成喷洒液体GaCl3的设备、被构造成使载体气体在液体GaCl3的上方迅速流动的设备、被构造成将载体气体通过液体GaCl3发泡的设备、例如压电设备的被构造成超声分散液体GaCl3的设备等。作为非限定性的实例，载体气体（例如He、N2、H2或Ar）可以通过液体GaCl3发泡，同时液体GaCl3维持在至少78℃的温度下，使得源气体可以包括一种或多种载体气体。
在本发明的一些实施方案中，GaCl3蒸汽通过气体流入导管120A-120E的一个或多个的流量可以控制。例如，在载体气体通过液体GaCl3发泡的一些实施方案中，来自气体源122A-122E的GaCl3流量取决于一个或多个因素，包括例如GaCl3的温度、GaCl3上方的压力和通过GaCl3发泡的载体气体的流动。尽管GaCl3的质量流量原则上能由任何这些参数控制，在一些实施方案中，可以通过使用质量流动控制器改变载体气体的流动来控制GaCl3的质量流量。
在一些实施方案中，气体源122A-122E的一个或多个能够容纳约25kg或更多的GaCl3，约35kg或更多的GaCl3，或甚至约50kg或更多的GaCl3。例如，GaCl3源能够容纳约50和100kg之间（例如约60和70kg之间）的GaCl3。另外，多个GaCl3源可以连接在一起以形成单个气体源122A-122E，所述单个气体源122A-122E使用歧管以允许从一个气体源变换至另一个而不中断沉积系统100的操作和/或使用。空的气体源可以去除并用新的装满的源替换，同时沉积系统100保持操作。
在一些实施方案中，气体流入导管120A-120E的温度可以控制在气体源122A-122E和反应室102之间。气体流入导管120A-120E和相关的质量流动传感器、控制器等的温度可以从各自气体源122A-122E的出口处的第一温度（例如约78°或更高）逐渐增加至进入反应室102的点处的第二温度（例如约150℃或更低）以防止气体（例如GaCl3蒸汽）在气体流入导管120A-120E中冷凝。任选地，在各自气体源122A-122E和反应室102之间的气体流入导管120A-120E的长度可以为约18英尺或更短，约12英尺或更短，或甚至为约6英尺或更短。源气体的压力可以通过使用一个或多个压力控制系统来控制。
在额外的实施方案中，沉积系统100可以包括小于5个（例如1至4个）气体流入导管和各自的气体源，或者沉积系统100可以包括大于5个（例如6个、7个等）气体流入导管和各自的气体源。
气体流入导管120A-120E的一个或多个延伸通过注射组合件110进入反应室102。注射组合件110可以包括一个或多个材料的块，气体流入导管120A-120E通过所述材料的块延伸。一个或多个流体导管111可以延伸通过所述材料的块。可以使得热交换流体流动通过一个或多个流体导管111从而在沉积系统100的操作过程中将通过气体流入导管120A-120E流过注射组合件110的一种或多种气体维持在所需的温度范围内。例如，可能有利的是在沉积系统的操作过程中将通过气体流入导管120A-120E流过注射组合件110的一种或多种气体维持在小于约200℃（150℃）的温度。
气体流入导管120A-120E的一个或多个延伸至设置在反应室102内的前体气体炉130。在一些实施方案中，前体气体炉130可以至少基本上完全地设置在反应室102内。
图2是图1的前体气体炉130的横截面侧视图。图1和图2的实施方案的炉130包括五（5）个通常板状结构132A-132E，所述五（5）个通常板状结构132A-132E附接在一起并且尺寸设置成并被构造成限定一个或多个前体气体流路，所述一个或多个前体气体流路延伸通过限定在通常板状结构132A-132E之间的室中的炉130。通常板状结构132A-132E可以包括例如透明石英从而使得由加热元件118辐射的热能通过结构132A-132E并加热炉130中的一种或多种前体气体。
如图2所示，第一板状结构132A和第二板状结构132B可以联接在一起以限定其之间的室134。在第一板状结构132A上的多个整体脊状突出部136可以将室134细分成一个或多个流路，所述一个或多个流路从进入室134的入口138延伸至离开室134的出口140。
图3是第一板状结构132的俯视图，并显示在所述第一板状结构132上的脊状突出部136和由此限定在室134中的流路。如图3中所示，突出部136限定延伸通过炉130（图2）的流路具有迂回构造的部分。突出部136可以包括替换壁，所述替换壁在突出部136的侧面端部处和突出部136的中心处具有穿过所述替换壁的孔138，如图3中所示。由此，在此构造中，如图3所示，气体可以进入室134接近室134的中心区域，侧面向外流向炉130的侧面，通过在突出部136之一的侧面端部处的孔138，向室134的中心区域返回，并通过在另一突出部136的中心处的另一孔138。重复此流动模式直至气体从入口138在反复地以迂回的方式流动通过室134之后达到板132A的相反侧。
通过使得一种或多种前体气体流动通过延伸通过炉130的流路的此部分，一种或多种前体气体在炉130内的停留时间可以选择性地增加。
再次参考图2，导入室134的入口138可以通过例如管状构件142限定。气体流入导管120A-120E之一（例如气体流入导管120B）可以延伸至管状构件142并与管状构件142联接，如图1中所示。可以使用密封构件144（例如聚合O型环）从而在气体流入导管120B和管状构件142之间形成气密密封。管状构件142可以包括例如不透明石英材料从而防止由加热元件118释放的热能将密封构件144加热至可能引起密封构件144劣化的升高的温度。额外地，通过使用冷却流体流动通过流体导管111从而冷却注射组合件110可以防止过度加热并且因此防止由此造成的密封构件144的劣化。当气体流入导管包括金属或金属合金（例如钢）且管状构件142包括耐火材料例如石英时，通过将密封构件144的温度维持在约200℃以下，使用密封构件144在气体流入导管120A-120E之一和管状构件142之间维持充分的密封。管状构件142和第一板状结构132A可以结合在一起从而形成单一的整体的石英体。
如图2和图3中所示，板状结构132A、132B可以包括互补密封特征147A、147B（例如脊和对应的凹部），所述互补密封特征147A、147B围绕着板状结构132A、132B的边缘延伸并至少基本上密闭地密封板状结构132A、132B之间的室134。由此，防止室134内的气体从室134侧向地流出，并迫使所述气体从室134流动通过出口140（图2）。
任选地，突出部136可以被构造成具有的高度略小于分开突出部136从其延伸的第一板状结构132A的表面152和第二板状结构132B的相反表面154的距离。由此，在突出部136和第二板状结构132B的表面154之间可以设置小间隙。虽然少量气体可能泄漏通过这些间隙，但是此少量泄漏不会不利地影响前体气体分子在室134内的平均停留时间。通过以此方式构造突出部136，可以造成由于用于形成板状结构132A、132B的生产过程中的公差而产生的突出部136的高度变化，使得因疏忽制造而具有过大高度的突出部136通过互补密封特征147A、147B不妨碍板状结构132A、132B之间形成充分密封。
如图2中所示，在板状结构132A、132B之间的室134的出口140导向第三板状结构132C和第四板状结构132D之间的室150的入口148。室150可以被构造成使得其中的一种或多种气体以通常线性的方式从入口148流向室150的出口156。例如，室150可以具有通常为矩形并在入口148和出口156之间具有均匀的尺寸的横截面形状。由此，室150可以被构造成使一种或多种气体的更加层流（与湍流相反）的流动。
板状结构132C、132D可以包括互补密封特征158A、158B（例如脊和对应的凹部），所述互补密封特征158A、158B围绕着板状结构132C、132D的边缘延伸并至少基本上密闭地密封板状结构132C、132D之间的室150。由此，防止室150内的气体从室150侧向地流出，并迫使所述气体从室150流动通过出口156。
出口156可以包括例如细长的孔（例如缝隙），所述细长的孔延伸通过板状结构132D接近所述板状结构132D的接近入口148的端部的相反端部。
通过继续参考图2，板状结构132C、132D之间的室150的出口156导向第四板状结构132D和第五板状结构132E之间的室162的入口160。室162可以被构造成使得其中的一种或多种气体以通常线性的方式从入口160流向室162的出口164。例如，室162可以具有通常为矩形并在入口160和出口164之间具有均匀的尺寸的横截面形状。由此，室162可以被构造成使一种或多种气体（以在前关于室150所述的类似的方式）更加层流（与湍流相反）地流动。
板状结构132D、132E可以包括互补密封特征（例如脊和对应的凹部），所述互补密封特征围绕着板状结构132D、132E的边缘的部分延伸，并在板状结构132D、132E的一侧上全部密封板状结构132D、132E之间的室162。在板状结构132D、132E的相反于入口160的一侧上在板状结构132D、132E之间设置间隙，所述间隙限定室162的出口164。由此，气体通过入口160进入室162，通过室162向出口164流动（同时通过互补密封特征166A、166B防止从室162侧向流出），并通过出口164从室162流出。由室150和室162限定的在炉130内的一个或多个气体流路的部分被构造成将层流赋予流动通过炉130内的一个或多个的流路的一种或多种前体气体，并且减少其中的任何湍流。
出口164被构造成将一种或多种前体气体从炉130输出进入反应室102内的内部区域。图4是炉130的立体图，并显示出口164。如图4所示，出口164可以具有矩形横截面形状，其可以辅助保持从炉130注射出来并进入反应室102内的内部区域的一种或多种前体气体的层流。出口164可以尺寸设置成并被构造成在基材支撑结构114的上表面168的上方以横向方向输出一层流动的前体气体。如图4中所示，在第四通常板状结构132D的端部表面180和第五通常板状结构132E的端部表面182之间的间隙如上所讨论地限定室162的出口164，所述第四通常板状结构132D的端部表面180和第五通常板状结构132E的端部表面182可以具有通常与在基材支撑结构114上支撑的工件基材116的形状相匹配的形状，通过使用从炉130流出的一种或多种前体气体将材料沉积在所述工件基材116上。例如，在工件基材116包括具有通常为圆形形状的边缘的模头或晶片的实施方案中，表面180、182可以具有通常与待处理的工件基材116的外边缘的轮廓相匹配的弓形形状。在这样的构造中，在整个出口164上，在出口164和工件基材116的外边缘之间的距离可以通常为常数。在此构造中，防止从出口164流出的一种或多种前体气体与反应室102内的其他前体气体混合直到他们位于工件基材116的表面的附近（材料通过前体气体待沉积在所述工件基材116上），并避免在沉积系统100的组件上的不希望的材料的沉积。
再次参考图1，通过炉130的前体气体流路（如通过室134、室150和室162限定的）可以具有至少约十二（12）英寸的最小流路距离。在图1至3的示例性实施方案中，八（8）个迂回腿部分的每一个的流路距离为约十二（12）英寸。
另外，沉积系统100可以被构造成使得流动通过通过炉130的一个或多个流路的一种或多种前体气体具有在炉内至少约0.2秒（例如约0.48秒）或甚至数秒或更长的停留时间。
再次参考图1，加热元件118可以包括加热元件118的第一组170和加热元件118的第二组172。加热元件118的第一组170可以位于并被构造成用于将热能赋予炉130并加热其中的前体气体。例如，加热元件118的第一组170可以位于炉130下方的反应室102以下，如图1中所示。在额外的实施方案中，加热元件118的第一组170可以位于炉130上方的反应室102以上，或可以包括位于炉130下方的反应室102以下的加热元件118和位于炉130上方的反应室102以上的加热元件两者。加热元件118的第二组172可以位于并被构造成将热能赋予基材支撑结构114和支撑在其上的任何工件基材。例如，加热元件118的第二组172可以位于基材支撑结构114下方的反应室102以下，如图1中所示。在额外的实施方案中，加热元件118的第二组172可以位于基材支撑结构114上方的反应室102以上，或可以包括位于基材支撑结构114下方的反应室102以下的加热元件118和位于基材支撑结构114上方的反应室102以上的加热元件两者。
加热元件118的第一组170可以通过热反射或热绝缘屏障174与加热元件118的第二组172分离。例如但非限制性地，这样的屏障174可以包括位于加热元件118的第一组170和加热元件118的第二组172之间的镀金金属板。金属板可以定向以允许独立地（通过加热元件118的第一组170）控制炉130的加热并（通过加热元件118的第二组172）控制基材支撑结构114的加热。换言之，屏障174可以位于并定向以减少或防止基材支撑结构114被加热元件118的第一组170加热，并减少或防止炉130被加热元件118的第二组172加热。
加热元件118的第一组170可以包括可以相互独立地控制的多排加热元件118。换言之，由每排加热元件118发射的热能可以被独立地控制。所述排可以横向于通过反应室102的气体的净流方向而定向，所述净流方向为从图1的立体图从左至右延伸的方向。由此，如果需要，可以使用独立控制的加热元件的排从而提供横穿炉130的所选择的热梯度。类似地，加热元件118的第二组172也可以包括可以相互独立地控制的多排加热元件118。由此，如果需要，还可以提供横穿基材支撑结构114的所选择的热梯度。
任选地，被动热传递结构（例如，包括行为类似于黑体的材料的结构）可以位于邻近或接近反应室102内的前体气体炉130的至少一部分以改进向炉130内的前体气体的热传递。
被动热传递结构（例如，包括行为类似于黑体的材料的结构）可以设置在反应室102内，如例如在2009年8月27日公开的Arena等人的美国专利申请公开第2009/0214785A1号中所公开。例如但非限制性地，前体气体炉130可以包括被动热传递板178，其可以位于第二板状结构132B和第三板状结构132C之间，如图2中所示。这样的被动热传递板178可以改进由加热元件118提供至炉130内的前体气体的热传递，并可以改进炉130内的温度的均匀性和一致性。被动热传递板178可以包括具有高发射率值（接近一）（黑体材料）的材料，所述材料还能够经受可能在反应室102内遇到的高温、腐蚀环境。这样的材料可以包括例如氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）和碳化硼（B4C），其分别具有0.98、0.92和0.92的发射率值。由此，被动热传递板178可以吸收由加热元件118发射的热能，并将热能再次发射至炉130和其中的一种或多种前体气体。
继续参考图1，排气和装载组合件112可以包括真空室184，流动通过反应室102的气体被真空抽吸并从反应室102排出。如图1中所示，真空室184可以位于反应室102以下。
排气和装载组合件112可以进一步包括吹扫气帘设备186，所述吹扫气帘设备186被构造和定向成提供流动的吹扫气体的通常平面的帘幕，所述吹扫气体从吹扫气帘设备186流出并流入真空室184。排气和装载组合件112还可以包括闸门188，所述闸门188可以选择性地打开用于从基材支撑结构114装载和/或卸载工件基材116，并选择性地关闭从而通过使用沉积系统100处理工件基材116。通过吹扫气帘设备186发射的吹扫气帘可以减少或防止在沉积过程中材料在闸门188上的寄生沉积。
气态的副产物、载体气体和任何过多的前体气体可以从反应室102通过排气和装载组合件112排出。
图5为显示与图1的沉积系统100类似但包括三个位于反应室102的内部区域内的前体气体炉130A、130B、130C的沉积系统200的另一实施方案的平面图的示意图。由此，前体气体炉130A、130B、130C的每一个可以用于将相同或不同的前体气体注入反应室102。例如单非限制性地，前体气体炉130B可以用于将GaCl3注入反应室102，前体气体炉130A也可以用于将GaCl3注入反应室102，前体气体炉130C也可以用于将GaCl3注入反应室102。如另一实施例，前体气体炉130B可以用于将GaCl3注入反应室102，前体气体炉130A可以用于将InCl3注入反应室102，前体气体炉130C也可以用于将AlCl3注入反应室102。任选地，可以通过使用前体气体炉130B将III族元素前体气体注入反应室102从而沉积III-V半导体材料，前体气体炉130A、130C可以用于注射用于将一种或多种掺杂元素沉积进入III-V半导体材料的一种或多种前体气体。
本文中所述的沉积系统的实施方案（如图1的沉积系统100和图5的沉积系统200）可以将相对大量的高温前体气体引入反应室102，同时维持前体气体在空间上相互分离直至气体位于非常靠近其上将沉积材料的工件基材116，这可以改进利用前体气体的效率。
根据本公开的另外的实施方案，本文中所述的沉积系统的实施方案（如图1的沉积系统100和图5的沉积系统200）可以用于将半导体材料沉积在工件基材116上。
参考图1，可以使III族元素前体气体和V族元素前体气体通过气体流入导管120A-120E的不同导管分别流入反应室102。可以使III族元素前体气体流动通过至少一个前体气体流路，所述至少一个前体气体流路延伸通过设置在反应室102内用于加热III族元素前体气体的前体气体炉130。
在加热炉130内的III族元素前体气体之后，V族元素前体气体和III族元素前体气体可以在反应室102内在工件基材116上方混合在一起。工件基材116的表面可以暴露至V族元素前体气体和III族元素前体气体的混合物以在工件基材116的表面上形成III-V半导体材料。
如在前所述，III族元素前体气体流动通过的流路可以包括至少一个迂回构造（例如，室134内的流路的构造），和被构造成提供III族元素前体气体的层流的至少一部分（例如，室150和室162内的流路的构造）。可以使III族元素前体气体从被构造成提供层流的至少一部分流出并流入炉130外侧的反应室102内的内部区域。III族元素前体气体可以以III族元素前体气体的层的方式在工件基材116的上表面上方以横向方向从炉130流出，如本文在前所述。
III族元素前体气体可以包括GaCl3、InCl3和AlCl3的一种或多种。在这些实施方案中，III族元素前体气体的加热可能造成GaCl3、InCl3和AlCl3的至少一种的分解以形成GaCl、InCl、AlCl和氯化物种（例如HCl）的至少一种。
以下描述本发明的额外的非限定性示例性实施方案。
实施方案1：一种沉积系统，其包括：至少基本上封闭的反应室，所述反应室由顶壁、底壁和至少一个侧壁限定；基座，所述基座至少部分地设置在反应室内并被构造成支撑反应室内的基材；以及用于将一种或多种前体气体注入反应室的气体输入系统，所述气体输入系统包括设置在所述反应室内的至少一个前体气体炉、延伸通过至少一个前体气体炉的至少一个前体气体流路。
实施方案2：实施方案1的沉积系统，其中延伸通过至少一个前体气体炉的所述至少一个前体气体流路包括具有迂回构造的至少一部分。
实施方案3：实施方案1或实施方案2的沉积系统，其中所述至少一个前体气体流路具有被构造成提供流动通过所述至少一个流路的一种或多种前体气体的层流的至少一部分。
实施方案4：实施方案3的沉积系统，其中被构造成提供层流的所述至少一部分包括出口，所述出口被构造成将一种或多种前体气体输出进入所述反应室内的内部区域。
实施方案5：实施方案4的沉积系统，其中所述出口具有矩形横截面形状。
实施方案6：实施方案4的沉积系统，其中所述出口的尺寸设置成并且被构造成在所述基座的上表面上方以横向方向输出流动的前体气体的层。
实施方案7：实施方案1至6的任一种的沉积系统，其中所述至少一个前体气体流路具有至少约十二英寸的最小流路距离。
实施方案8：实施方案1至7的任一种的沉积系统，其中所述沉积系统被构造成使得流动通过所述至少一个前体气体流路的一种或多种前体气体具有至少约0.2秒的在所述至少一个前体气体炉内的停留时间。
实施方案9：实施方案1至8的任一种的沉积系统，其进一步包括至少一个加热元件，所述至少一个加热元件被构造成将热能赋予所述至少一个前体气体炉。
实施方案10：实施方案1至9的任一种的沉积系统，其中所述至少一个前体气体炉包括至少两个通常平面的板，所述至少两个通常平面的板附接在一起并被构造成限定在其之间的所述至少一个前体气体流路的至少一部分。
实施方案11：实施方案1至10的任一种的沉积系统，其中所述至少一个前体气体炉包括两个或多个前体气体炉。
实施方案12：实施方案1至11的任一种的沉积系统，其进一步包括：至少一个前体气体源；和至少一个导管，所述至少一个导管被构造成将来自所述前体气体源的前体气体运载至所述反应室内的所述至少一个前体气体炉。
实施方案13：实施方案12的沉积系统，其中所述至少一个前体气体源包括GaCl3、InCl3和AlCl3的至少一个的源。
实施方案14：一种沉积半导体材料的方法，其包括：使III族元素前体气体和V族元素前体气体分别流入反应室；使III族元素前体气体流动通过至少一个前体气体流路，所述前体气体流路延伸通过设置在所述反应室内的用于加热所述III族元素前体气体的至少一个前体气体炉；在所述反应室内的所述至少一个前体气体炉内加热所述III族元素前体气体之后，将所述V族元素前体气体和所述III族元素前体气体在所述反应室内在基材上方混合；和将所述基材的表面暴露至所述V族元素前体气体和所述III族元素前体气体的混合物从而在所述基材的所述表面上形成III-V半导体材料。
实施方案15：实施方案14的方法，其中加热所述III族元素前体气体包括分解GaCl3、InCl3和AlCl3的至少一种以形成GaCl、InCl、AlCl和氯化物种的至少一种。
实施方案16：实施方案15的方法，其中分解GaCl3、InCl3和AlCl3的至少一种以形成GaCl、InCl、AlCl和氯化物种的至少一种包括分解GaCl3以形成GaCl和氯化物种。
实施方案17：实施方案14至16的任一种的方法，其中所述至少一个前体气体流路包括具有迂回构造的至少一部分，且其中使所述III族元素前体气体通过至少一个前体气体流路流动包括使所述III族元素前体气体流动通过所述至少一个前体气体流路的具有所述迂回构造的所述至少一部分。
实施方案18：实施方案14至17的任一种的方法，其中所述至少一个前体气体流路具有被构造成提供所述III族元素前体气体的层流的至少一部分，且其中使所述III族元素前体气体流动通过至少一个前体气体流路包括使所述III族元素前体气体流动通过被构造成提供所述III族元素前体气体的层流的至少一部分。
实施方案19：实施方案18的方法，其进一步包括使所述III族元素前体气体从被构造成提供所述III族元素前体气体的层流的所述至少一部分流出并进入所述反应室的内部区域。
实施方案20：实施方案19的方法，其中使III族元素前体气体从被构造成提供所述III族元素前体气体的层流的所述至少一部分流出进一步包括形成通常在所述基材的上表面上方以横向方向流动的所述III族元素前体气体的层。
实施方案21：实施方案14至20的任一种的方法，其中使所述III族元素前体气体流动通过延伸通过至少一个前体气体炉的所述至少一个前体气体流路包括使III族元素前体气体流动通过所述至少一个前体气体炉内至少约十二英寸的最小距离。
实施方案22：实施方案14至21的任一种的方法，其中使所述III族元素前体气体流动通过延伸通过至少一个前体气体炉的所述至少一个前体气体流路包括使所述III族元素前体气体在所述至少一个前体气体炉内停留至少约0.2秒。
实施方案23：实施方案14至22的任一种的方法，其进一步包括通过使用至少一个加热元件将热能赋予所述至少一个前体气体炉。
如上所述本发明的实施方案不限制本发明的范围，因为这些实施方案仅是本发明的实施方案的实例，本发明通过所附的权利要求书和具有同等法律效力的文件的范围所限定。任何等效的实施方案旨在落入本发明的范围内。事实上，除了本文中所示和所述的那些，本发明的各种修改，例如所述元件的替代的有用组合，在本说明书的基础上对本领域技术人员来说将是显而易见的。这种改变也旨在落入所附的权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种沉积系统，其包括：
至少基本上封闭的反应室，所述反应室通过顶壁、底壁和至少一个侧壁限定；
基座，所述基座至少部分地设置在所述反应室内并且被构造成支撑所述反应室内的基材；和
气体输入系统，所述气体输入系统用于将一种或多种前体气体注入所述反应室，所述气体输入系统包括设置在所述反应室内的至少一个前体气体炉、延伸通过所述至少一个前体气体炉的至少一个前体气体流路，其中延伸通过所述至少一个前体气体炉的所述至少一个前体气体流路包括具有迂回构造的至少一部分，且其中所述至少一个前体气体流路具有被构造成提供流动通过所述至少一个流路的一种或多种前体气体的层流的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的沉积系统，其中被构造成提供层流的所述至少一部分包括出口，所述出口被构造成将一种或多种前体气体输出进入所述反应室内的内部区域。
3.根据权利要求2所述的沉积系统，其中所述出口具有矩形横截面形状。
4.根据权利要求2所述的沉积系统，其中所述出口的尺寸设置成并且被构造成在所述基座的上表面上方以横向方向输出流动的前体气体的层。
5.根据权利要求1所述的沉积系统，其中所述至少一个前体气体流路具有至少约十二英寸的最小流路距离。
6.根据权利要求1所述的沉积系统，其进一步包括至少一个加热元件，所述加热元件被构造成将热能赋予所述至少一个前体气体炉。
7.根据权利要求1所述的沉积系统，其中所述至少一个前体气体炉包括至少两个通常平面的板，所述板附接在一起并且被构造成在其之间限定所述至少一个前体气体流路的至少一部分。
8.一种沉积半导体材料的方法，其包括：
使III族元素前体气体和V族元素前体气体分别流入反应室；
使III族元素前体气体流动通过至少一个前体气体流路，所述前体气体流路延伸通过设置在所述反应室内的用于加热所述III族元素前体气体的至少一个前体气体炉；其中所述至少一个前体气体流路包括具有迂回构造的至少一部分，且其中使所述III族元素前体气体流动通过至少一个前体气体流路包括使所述III族元素前体气体流动通过具有所述迂回构造的所述至少一个前体气体流路的所述至少一部分，且其中所述至少一个前体气体流路具有被构造成提供所述III族元素前体气体的层流的至少一部分，且其中使所述III族元素前体气体流动通过至少一个前体气体流路包括使所述III族元素前体气体流动通过被构造成提供所述III族元素前体气体的层流的所述至少一部分；
在所述反应室内的所述至少一个前体气体炉内加热所述III族元素前体气体之后，将所述V族元素前体气体和所述III族元素前体气体在所述反应室内在基材上方混合；和
将所述基材的表面暴露至所述V族元素前体气体和所述III族元素前体气体的混合物从而在所述基材的所述表面上形成III-V半导体材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其中加热所述III族元素前体气体包括分解GaCl3、InCl3和AlCl3的至少一种从而形成GaCl、InCl、AlCl和氯化物种的至少一种。
10.根据权利要求9所述的方法，其中分解GaCl3、InCl3和AlCl3的至少一种从而形成GaCl、InCl、AlCl和氯化物种的至少一种包括分解GaCl3从而形成GaCl和氯化物种。
11.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括使所述III族元素前体气体从被构造成提供所述III族元素前体气体的层流的所述至少一部分流出并进入所述反应室内的内部区域。
12.根据权利要求11所述的方法，其中使所述III族元素前体气体从被构造成提供所述III族元素前体气体的层流的所述至少一部分流出进一步包括形成通常在所述基材的所述上表面上方以横向方向流动的所述III族元素前体气体的层。
13.根据权利要求8所述的方法，其中使所述III族元素前体气体流动通过延伸通过至少一个前体气体炉的所述至少一个前体气体流路包括使所述III族元素前体气体在所述至少一个前体气体炉内流动通过至少约十二英寸的最小距离。
14.根据权利要求8所述的方法，其中使所述III族元素前体气体流动通过延伸通过至少一个前体气体炉的所述至少一个前体气体流路包括使所述III族元素前体气体在所述至少一个前体气体炉内停留至少约0.2秒。
15.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括使用至少一个加热元件将热能赋予所述至少一个前体气体炉。
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