CN104067374B - 多个互补气体分配组件 - Google Patents

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Abstract

本文描述根据一个实施例的具有多个气体分配组件的示例性设备。在一个实施例中，该设备包括两个或更多个气体分配组件。每一气体分配组件具有孔，通过所述孔将至少一种工艺气体引入至处理腔室。两个或更多个气体分配组件可被设计为具有互补的特征径向膜生长速率分布。

Description

多个互补气体分配组件
相关申请
本申请要求享有于2011年10月20日提交的临时申请第61/549,694号和于2012年10月11日提交的实用申请第13/649,488号的权益，所述申请两者以引用的方式并入本文。本申请涉及以下共同拥有的公开为US2010/0258049的申请编号第12/637,019号，该申请于2009年12月14日提交且发明名称为“HVPE Chamber Hardware(HVPE腔室硬件)”。
按照美国能源部与应用材料公司(Applied Materials,inc.)之间编号为DE-EE0003331的合同，美国政府拥有本发明中的权利。
领域
本公开内容涉及耦接至处理腔室的多个互补侧壁气体分配组件。
背景
III族氮化物(诸如GaN、AlN和AlGaN合金)在光电子(例如固态发光)、激光二极管和高功率电子的制造中是非常重要的材料。用于沉积III族氮化物膜的一种方法是氢化物气相外延法(HVPE)。在传统的HVPE中，气态卤化氢或卤素与III族金属反应以产生金属卤化物，该金属卤化物随后与氮前驱物反应以形成III族金属氮化物。反应通常涉及一种或更多种金属氯化物与氨(NH3)之间的高温气相反应。HVPE与其它沉积方法相比具有显著优点。这些优点包括高膜生长速率、优良的材料特征、灵活的生长条件、良好的可再现性、硬件的简单性和低所有权成本。然而，HVPE的一个难题在于实现III族氮化物膜的良好的腔室内厚度均匀性。
概述
本文描述用于沉积半导体膜于基板上的示例性设备。在一个实施例中，处理设备(例如，氢化物气相外延设备)包括具有至少一个腔室壁的腔室和附接于至少一个腔室壁的两个或更多个气体分配组件。每一气体分配组件耦接至一个或更多个气源且每一气体分配组件具有孔，一种或更多种气体通过所述孔流入腔室并发生反应以沉积半导体膜。
在一实施例中，设备包括多个气体分配组件。每一气体分配组件包括第一气体通道和第二气体通道。每一气体分配组件适于被耦接至处理腔室。第二气体通道的每一者包括孔以将一种或更多种工艺气体引入到处理腔室。
附图简要说明
在随附附图的各图中以实例但并非限制性地说明本公开内容的各实施例，其中：
图1是根据一个实施例的处理设备(例如，HVPE设备)的示意性截面侧视图。
图2图示根据一个实施例的包括两个侧壁气体分配组件的设备。
图3是根据一个实施例图示设置在处理设备内的两个侧壁气体分配组件的处理设备的截面侧视图。
图4a图示根据一个实施例具有孔直径440的孔446的侧壁气体分配组件的部分气体通道454。
图4b图示根据一个实施例具有两个侧壁气体分配组件450、460的处理设备400(例如，HVPE设备、热壁化学气相沉积设备)。
图5a、图5b和图5c是根据一个实施例与具有不同孔特征的侧壁气体分配组件对应的不同径向膜厚度分布的图表。
图6是根据一个实施例与具有不同孔特征的侧壁气体分配组件对应的不同径向膜厚度分布的图表。
图7a、图7b和图7c是根据一个实施例与通过气体分配喷淋头的不同气体流动速率对应的不同径向膜厚度分布的图表。
图8是根据一个实施例与通过侧壁气体分配组件的一个侧壁气体分配组件的不同工艺气体流动速率对应的不同径向膜厚度分布的图表。
图9a和图9b是根据一个实施例由互补侧壁气体分配组件产生的互补膜厚度分布的图表。
图10a图示根据一个实施例产生边缘快速线性膜生长速率分布的侧壁气体分配组件的俯视图。
图10b图示根据一个实施例可由侧壁气体分配组件1050产生的膜厚度分布中的4个不同的高斯峰值1020、1022、1024、1026。
图11是根据一个实施例图示处理方法(例如，HVPE处理方法、热壁化学气相沉积方法)的流程图。
图12示意性图示根据一个实施例的群集工具的实体结构。
图13图示根据一个实施例的装置的截面图。
图14图示计算机系统1500的示例性形式的机器的图形表示，在该计算机系统1500内可执行用于使机器执行本文所论述的方法的任一或更多的指令集。
具体描述
在以下描述中，阐述大量细节。然而本领域技术人员将明白可在无这些具体细节的情况下实践本发明。在一些实例中，以方块图形式而非详细地图示已知方法和装置，以免模糊本发明。整个此说明书中对“一实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定特征结构、结构、功能或特征被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个此说明书中不同地方出现的用语“在一实施例中”未必指本发明的相同实施例。此外，在一个或更多个实施例中以任一适合的方式组合特定特征结构、结构、功能或特征。举例而言，只要第一实施例与第二实施例不为互斥，即可组合此两个实施例。
在一个实施例中，公开用于以改良的厚度均匀性沉积膜于基板上的处理设备(例如，氢化物气相外延设备、热壁化学气相沉积设备)。设备包括具有至少一个腔室壁的腔室和附接于至少一个腔室壁的两个或更多个侧壁气体分配组件。每一气体分配组件耦接至至少一个工艺气体源且每一气体分配组件具有孔，通过所述孔将至少一种工艺气体引入至腔室。通过氢化物气相外延法(HVPE)沉积膜的先前方法使用仅有一个侧壁气体分配组件的处理设备。仅有一个侧壁气体分配组件的处理设备的缺陷之一是整个基座上的不良的径向膜生长速率均匀性。每个侧壁气体分配组件具有在获得所期望的膜性质的工艺窗口内的特定工艺条件下产生的特征径向膜生长速率分布。特定侧壁气体分配组件的特征径向膜生长速率分布通常具有在基座的中心较快(中心快速的)或在基座的边缘较快(边缘快速的)的生长速率的不均匀性。仅有一个侧壁气体分配组件的处理设备也受非灵活性和受限可调性的困扰，因为由于侧壁气体分配组件上的孔共享相同的侧壁气体分配组件而造成所述孔全部承受相同的气体供应压力。无论孔的大小和取向或孔的数目如何，自侧壁气体分配组件上的孔的每一个排出的气体自动地均衡至相同的速度。
在具有两个或更多个侧壁气体分配组件的一个实施例中，每一侧壁气体分配组件可被设计为具有不同但互补的特征径向膜生长速率分布。具有互补特征径向膜生长速率分布的两个或更多个侧壁气体分配组件可一起产生在整个基座上近乎均匀的净特征径向膜生长速率分布。举例而言，腔室可具有两个侧壁气体分配组件，其中每一侧壁气体分配组件具有线性但方向相反(即，一个中心快速和另一个边缘快速)的特征径向膜生长速率分布。在这种情况下，可通过同时或依次操作两个侧壁气体分配组件获得均匀的膜生长速率分布。整个基座上的膜生长速率均匀性的改良改良沉积在基板上的膜的腔室内厚度均匀性，此提高总生产成品率。
图1是在一个实施例中处理设备100(例如，HVPE设备、热壁化学气相沉积设备)的示意性截面视图。设备100包括具有至少一个腔室壁108的腔室102并且设备100由盖104封闭。设备包括集成系统控制器161或被连通地耦接至系统控制器。气体分配喷淋头106设置在腔室102的一端，且基座114设置在腔室102的另一端。基座114可为可旋转的。将来自一个或更多个气源110的一种或更多种工艺气体通过气体分配喷淋头106输送至腔室102。在一个实施例中，气源110可包括含氮化合物(例如，氮气、氧化亚氮、氨、联氨、二酰亚胺、叠氮酸等)。在一个实施例中，也可通过气体分配喷淋头106或通过腔室102的壁108引进惰性气体(例如，氦、氩、双原子氮等)。能源112(诸如加热器)可设置在气源110与气体分配喷淋头106之间。能源112可分解来自气源110的气体使得来自含氮气体的氮更具反应性。
两个侧壁气体分配组件150和160耦接至至少一个腔室壁108且设置在气体分配喷淋头106与基座114之间。在替代实施例中，腔室可包括两个以上的侧壁气体分配组件。组件150包括气体通道152，所述气体通道152耦接至另一气体通道154，所述气体通道154具有孔146。组件160包括气体通道162，所述气体通道162耦接至另一气体通道164，所述气体通道164具有孔148。每一侧壁气体分配组件耦接至一个或更多个气源且具有孔146、148，可通过孔146、148将气体引入至腔室102。在一个实施例中，第一侧壁气体分配组件150耦接至一个或更多个前驱物源118(例如，Ga、Al等)且可将一种或更多种含前驱物的气体(例如，金属卤化物、GaCl、GaCl3、AlCl、AlCl3、AlBr3、AlI、AlI3等)引入至腔室102。第二气体分配组件160耦接至一个或更多个气源120且可将一种或更多种惰性气体(例如，氦、氩、双原子氮等)引入至腔室102。在另一实施例中，每一侧壁气体分配组件可耦接至前驱物源、反应性气体源或惰性气体源的任一者或组合。两个或更多个侧壁气体分配组件可各自将来自不同的源的不同的气体引入至腔室。两个或更多个侧壁气体分配组件也可各自将来自相同的源的相同的气体引入至腔室。
前驱物源可为独立的反应容器，在该反应容器中可引入反应性气体(例如，含卤素的气体、Cl2、HCl、Br2、HBr、I2、HI等)以与前驱物(例如，Ga、Al等)反应以形成含前驱物的气体(例如，金属卤化物、GaCl、GaCl3、AlCl、AlCl3、AlBr3、AlI、AlI3等)，通过一个或更多个侧壁气体分配组件将所述含前驱物的气体输送至腔室。前驱物可以是固态或液态。可通过使反应性气体通过腔室124迂回通过电阻加热器122以增加反应性气体的温度来提高反应性气体与前驱物的反应性。
在一实施例中，为与来自源110的气体反应，可自一个或更多个前驱物源118输送前驱物材料。一个或更多个前驱物源118可包括诸如镓和铝的前驱物。应了解虽然将参照两种前驱物，但是如上所论述，可输送更多或更少种前驱物。在一个实施例中，前驱物包括以液态存在于前驱物源118中的镓。在另一实施例中，前驱物包括以固态存在于前驱物源118中的铝。在一个实施例中，铝前驱物可以是固体、粉末形态。可通过使反应性气体流动遍及和/或穿过前驱物源118中的前驱物而将前驱物输送至腔室102。在一个实施例中，反应性气体可包括含氯气体(诸如双原子氯)。含氯气体可与前驱物源(诸如镓或铝)反应以形成氯化物。在一个实施例中，一个或更个源118可包括共晶材料和所述共晶材料的合金。在另一实施例中，可布置HVPE设备100以处理掺杂的源以及至少一个本征源以控制掺杂剂浓度。
为了提高含氯气体与前驱物反应的效率，含氯气体可视情况迂回通过腔室124中的舟皿(boat)区域并用电阻加热器122加热该含氯气体。通过增加含氯气体迂回通过腔室124的驻留时间(residence time)，可控制含氯气体的温度。通过增加含氯气体的温度，氯可与前驱物更快速地反应。换言之，温度是氯与前驱物之间的反应的催化剂。
为了增加前驱物的反应性，可在视情况任选的舟皿130或132中由腔室124内的电阻加热器122加热前驱物。举例而言，在一个实施例中，可将镓前驱物加热至在约750摄氏度至约850摄氏度之间的一温度。随后可经由舟皿130和气体分配组件150将氯化物反应产物输送至腔室102。反应性氯化物产物首先进入气体通道152，其中该反应性氯化物产物均匀地分配在气体通道152内。气体通道152连接至另一气体通道154。氯化物反应产物在已均匀地分配在气体通道152内后进入气体通道154。氯化物反应产物然后进入腔室102，在腔室102中该氯化物反应产物与含氮气体混合以在被设置在基座114上的基板116上形成氮化物层。在一个实施例中，基座114可包含碳化硅。例如氮化物层可包含氮化镓或氮化铝。通过排气管126排出其它反应产物(诸如氮和氯)。
在一实施例中，可经由舟皿132和气体分配组件160将氯化物反应产物输送至腔室102。反应性氯化物产物首先进入气体通道162，其中该反应性氯化物产物均匀地分配在气体通道162内。气体通道162连接至另一气体通道164。氯化物反应产物在已均匀地分配在气体通道162内后进入气体通道164。氯化物反应产物然后进入腔室102，在腔室102中该氯化物反应产物与含氮气体混合以在被设置在基座114上的基板116上形成氮化物层。也可将一个或更多个气源120输送进气体分配组件150和160的任一者。
回头参阅图1，腔室102可具有可能导致浮力效应的热梯度。举例而言，以约450℃与约550℃之间的一温度通过气体分配喷淋头106引入基于氮的气体(nitrogen basedgas)。腔室壁108可具有约600℃至约700℃的一温度。基座116可具有约1050℃至约1150℃的一温度。因此，腔室102内的温度差可允许气体在被加热时在腔室102内上升且随后在被冷却时下沉。气体的上升与下沉可使氮气与氯化物气体混合。另外，浮力效应将减少由于混合而沉积在壁108上的氮化镓或氮化铝的量。
通过用设置在基座114下方的灯模块128加热基座114来完成处理腔室102的加热。在沉积期间，灯模块128是处理腔室102的主要热源。虽然图示和描述为灯模块128，但应了解可使用其它热源。可通过使用嵌入腔室102的壁108内的加热器133完成处理腔室102的额外加热。嵌入壁108中的加热器133在沉积工艺期间可提供即使有但也非常少的热。热电偶可用于测量处理腔室内侧的温度。来自热电偶的输出可反馈至控制器，该控制器基于热电偶的读数控制加热器133的加热。举例而言，若腔室温度太低，则将接通加热器133。若腔室温度太高，则将关闭加热器133。另外，可控制来自加热器133的加热量以自加热器133提供低热量。
在沉积工艺之后，正常情况下自处理腔室102取出一个或更多个基板116。关闭灯模块128。在无来自灯模块128的热的情况下，可快速冷却腔室102。工艺气体可冷凝和沉积在腔室的壁108上。沉积物可具有不同于壁108自身的热膨胀系数且因此可由于热膨胀而剥落。为避免不希望的剥落，可接通嵌入在腔室壁108内的加热器133以控制热膨胀并使腔室102维持处于期望的腔室温度。加热器133的控制可再次基于来自热电偶的实时反馈。一旦关闭灯模块128，则可接通加热器133或使腔室102的温度维持在期望的温度以使腔室壁108上的沉积物不会剥落并且污染基板或落在基座114上，并产生不平的基座114表面。通过使腔室壁108维持在高温中，诸如氯的清洁气体在清洁来自腔室壁108的沉积物中可能为更有效的。
在一个实施例中，每一侧壁气体分配组件可包括两个或更多个气体通道。图2图示根据一个实施例包括两个侧壁气体分配组件210和220的设备200的实例。每一侧壁气体分配组件可包括两个气体通道。侧壁气体分配组件210具有气体通道212，所述气体通道212经由一个或更多个连接器230耦接至另一气体通道214。侧壁气体分配组件220具有气体通道222，所述气体通道222经由一个或更多个连接器232耦接至另一气体通道224。气体通道212、214、222和224可各自为圆环形状的管件。气体通道212可经由入口270耦接至一个或更多个气源且可经由耦接至舟皿(例如，舟皿130)的入口271耦接反应产物。气体通道222可经由入口280耦接至一个或更多个气源且可经由耦接至舟皿(例如，舟皿132)的入口281耦接反应产物。可布置一个或更多个连接器230、232以实质上均衡被耦接气体通道之间的气体流动。在一个实施例中，连接器可以是实质上相同的。在另一实施例中，至少一个连接器可不同于至少一个其它连接器。连接器可均匀地分配在被耦接的气体通道之间。在另一实施例中，连接器可非均匀地分配在被耦接的气体通道之间。来自一个或更多个气源的一种或更多种工艺气体可流入气体通道212和222且均匀地分配在气体通道212和222内。在工艺气体已经被均匀地分配在气体通道212和222内之后，工艺气体可经由各自的连接器230和232自各自的气体通道212和222进入气体通道214和224。工艺气体然后可经由气体通道214和224上的孔246和248进入腔室。
附图中图3图示根据一个实施例具有沿基座314上方的腔室壁308设置的两个侧壁气体分配组件350、360的处理设备300(例如，HVPE设备100、热壁化学气相沉积设备)。侧壁气体分配组件350包括气体通道352，所述气体通道352耦接至另一气体通道354。另一侧壁气体分配组件360包括气体通道362，所述气体通道362耦接至另一气体通道364。气体通道352和362附接于至少一个腔室壁308且气体通道352和362设置在气体通道354和364上方。气体通道364与基座314之间的距离320基于腔室的尺寸而变化。在一个实施例中，距离320的范围可为从186.9mm至201.5mm。来自侧壁气体分配组件350和360的工艺气体可通过气体通道354和364的孔346和348流入腔室302。在一个实施例中，孔346和348可在各自的气体通道354和364上均匀地分配。在另一实施例中，孔346和348可在气体通道354和364上非均匀地分配。
侧壁气体分配组件上的每一孔可具有多个孔特征。一个孔特征可包括孔直径。图4a图示根据一个实施例具有孔直径440的孔446的侧壁气体分配组件的部分气体通道454。孔直径可限制流动穿过孔进入腔室的工艺气体的速度。在一个实施例中，一个或更多个侧壁气体分配组件的孔可全部具有相同的孔直径。在另一实施例中，一个或更多个侧壁气体分配组件的孔可具有数个不同的孔直径。另一孔特征可包括孔取向。孔取向可以指定角度引导来自侧壁气体分配组件450和460的工艺气体进入腔室402并流动朝向基座414。图4b图示根据一个实施例具有两个侧壁气体分配组件450和460的处理设备(例如，HVPE设备、热壁化学气相沉积设备)的处理腔室402。侧壁气体分配组件的孔446和448具有以相对于基准线430的角度420和422引导工艺气体410和412流动进入腔室402的孔取向，所述基准线430垂直于基座414。在一个实施例中，一个或更多个侧壁气体分配组件的孔可全部具有以相同的角度引导工艺气体的相同孔取向。在另一实施例中，一个或更多个侧壁气体分配组件的孔可具有以数个不同角度引导工艺气体的不同的孔取向。
每一侧壁气体分配组件可具有不同数目的孔且可具有不同孔特征组合的孔。举例而言，一个或更多个侧壁气体分配组件可具有48个孔而相同腔室中的一个或更多个其它侧壁气体分配组件可具有60个孔。一个或更多个侧壁气体分配组件可具有孔直径为1.2mm的孔，而相同的腔室中一个或更多个其它侧壁气体分配组件可具有孔直径为1.5mm的孔。一个或更多个侧壁气体分配组件与孔在其中以不同的角度引导工艺气体的一个或更多个其它侧壁气体分配组件相比可具有不同孔取向的孔。
参阅图1，自侧壁气体分配组件150和160引出的一种或更多种工艺气体可与来自气体分配喷淋头106的含氮气体反应以在由基座114支撑的一个或更多个基板116上形成膜(例如，GaN、AlN、AlGaN等)。经由排气管126排出其它反应产物(诸如氮和氯)。基板116可以是任何适合的单晶基板，可在基板116上形成膜(诸如氮化镓(GaN)单晶膜)。适合的基板116的实例可包括蓝宝石(Al2O3)基板、碳化硅(SiC)基板、钻石上硅(Silicon On Diamond；SOD)基板、石英(SiO2)基板、玻璃基板、氧化锌(ZnO)基板、氧化镁(MgO)基板和氧化铝锂(LiAlO2)基板。
沉积在整个基座上具有均匀厚度分布的膜的步骤要求处理设备具有整个基座上的均匀径向膜生长速率分布。侧壁气体分配组件的径向膜生长速率分布可很大程度上取决于侧壁气体分配组件的孔特征。特定言之，孔引导工艺气体进入腔室的孔取向和角度可极大地影响整个基座上的膜生长速率分布。图5a、图5b和图5c图示根据一个实施例通过以不同的孔取向使气体流动穿过至少一个侧壁气体分配组件所沉积的膜在整个基座上的径向厚度分布。在图5a中产生厚度分布的侧壁气体分配组件具有以90度角度420(即，与基座平行)引导工艺气体进入腔室的48个孔。图5a中的线性径向膜厚度分布自基座的边缘至中心近似线性地增加并表现膜沉积期间的源空乏机制(source depletion mechanism)，该源空乏机制与工艺气体在平行于基座的方向上的主要再循环流有关。在图5b和图5c中，使用除在图5a中使用的侧壁气体分配组件之外的第二侧壁气体分配组件实现不同的径向厚度分布。用于图5b的第二侧壁气体分配组件具有以15度角度引导工艺气体的48个孔。在图5c中，第二侧壁气体分配组件具有60个孔，其中一半的孔以15度角度引导工艺气体且另一半的孔以30度角度引导工艺气体。图5b和图5c的径向膜厚度分布中所图示的峰值510、520、530表现存在另一膜生长机制，该另一膜生长机制与工艺气体直接喷射在基座表面上有关。在来自图5b和图5c的径向膜厚度分布中的峰值510、520和530的每一者对应于特定角度，以该特定的角度由孔引导工艺气体朝向基座表面。峰值510和520对应于15度角度而峰值530对应于30度角度。每一峰值遵循高斯分布。
峰值的相对高度可取决于以角度的每一者引导气体的孔的相对数目。图6图示根据一个实施例以15度角度对30度角度引导气体的孔的不同的比例，对应于不同的侧壁气体分配组件的不同的径向膜厚度分布。产生径向膜厚度分布610的侧壁气体分配组件与产生径向厚度分布620的侧壁气体分配组件相比，具有更大的以30度角度对15度角度引导工艺气体的孔的比例。增大以30度角度引导工艺气体的孔的比例增加与15度角度峰值630相比的30度角度峰值640的相对高度。
也可通过调整经由气体分配喷淋头106的气体流动速率来调节径向膜厚度分布。图7a、图7b和图7c图示根据一个实施例，与侧壁气体分配组件相关的径向膜厚度分布如何在维持含氮气体与惰性气体的定比时随经由气体分配喷淋头106的含氮气体和惰性气体的流动速率的增大而改变。当经由气体分配喷淋头的气体流动速率自图7a中的27标准公升/分钟(slm)增大至图7b中的32slm再增大至图7c中的40slm时，更加接近基座的边缘的峰值702、704、706的高度相对于更加接近基座的中心的峰值712、714、716而增大。图7a、图7b和图7c表现与由侧壁气体分配组件上的孔朝基座的边缘喷射工艺气体相关联的膜生长速率随通过气体分配喷淋头的气体流动速率增大而增大。
也可通过调整经由侧壁气体分配组件的气体流动速率条件可调径向膜厚度分布。图8图示根据一个实施例如在图5c中由相同的侧壁气体分配组件产生的整个基座上的径向膜厚度分布802、812、822、832和842的分布图。图8图示增大经由第二气体分配组件的双原子氮流动速率将增大总膜生长速率并增大相对于峰值806、816、826、836、846的峰值804、814、824、834、844的高度，峰值806、816、826、836、846更加接近基座的边缘(15度角度)，峰值804、814、824、834、844更加接近基座的中心(30度角度)。对应于径向膜厚度分布802、812、822、832、842的经由第二侧壁气体分配组件的双原子氮流动速率分别为12slm、16slm、20slm、23.4slm、26slm。图8图示增大经由侧壁气体分配组件的气体流动速率将相对于对应于以15度角度喷射工艺气体的膜生长速率增大对应于以30度角度喷射工艺气体的膜生长速率。
侧壁气体分配组件的孔特征可被设计为使由一个侧壁气体分配组件产生的膜生长速率分布补充由一个或更多个其它侧壁气体分配组件产生的膜生长速率分布。用于所有侧壁气体分配组件的所得的组合膜生长速率分布可在整个基座上为近似均匀的。举例而言，腔室可包括两个侧壁气体分配组件，其中一个侧壁气体分配组件可具有产生类似于图9a的中心快速的膜生长速率分布的孔特征且另一侧壁气体分配组件可具有产生类似于图9b的互补的边缘快速的膜生长速率分布的孔特征。来自操作两个侧壁气体分配组件的净组合膜生长速率分布随后在整个基座上可为近似均匀的。
在一个实施例中，处理设备可包括具有类似于图9a和图9b的互补膜生长速率分布的两个侧壁气体分配组件。一个侧壁气体分配组件可具有48个均匀分布的孔，所述48个孔具有1.5mm的孔直径且具有以90度角度引导工艺气体以产生中心快速的线性膜生长速率分布的孔取向。如图10a中根据一个实施例所图示，另一个侧壁气体分配组件1050可具有60个均匀分布的孔，所述60个孔具有1.2mm的孔直径且具有以四个不同的角度引导工艺气体的四个不同的孔取向。图10a图示在一个实施例中可产生图9b中的边缘快速的线性膜生长速率分布的孔取向的组合。根据一个实施例，图10a中的侧壁气体分配组件1050具有以11.5度角度、17度角度、23度角度和30度角度引导工艺气体的4个不同的孔取向。侧壁气体分配组件1050具有以11.5度角度引导工艺气体的18个孔、以17度角度引导工艺气体的15个孔、以23度角度引导工艺气体的15个孔，以及以30度角度引导工艺气体的12个孔。侧壁分配组件1050上的孔具有根据序列1002的孔取向。工艺气体自孔沿对应于不同的孔取向的不同的路径1004朝基座1014流动。图10b图示根据一个实施例可由如上所论述具四个不同的孔取向的侧壁气体分配组件1050产生的膜厚度分布中的4个不同的高斯峰值1020、1022、1024、1026。4个高斯峰值可重叠以形成自基座1014的边缘至中心降低的线性膜厚度分布1028。以下表格表示由如上所述具两个互补侧壁气体分配组件的处理设备实现的基板内膜厚度均匀性。基于以下表格中的结果，由上述两个互补侧壁气体分配组件产生的期望的腔室内1西格玛(sigma)的膜厚均匀性为1.5％。
基座上的基板的径向位置 1西格玛％均匀性
外部 2.26
中部 1.47
内部 1.71
图11是图示用于使用处理腔室(例如，HVPE腔室、热壁化学气相沉积腔室)沉积膜的计算机实施的方法的流程图。可通过可包括硬件(例如，电路、专用逻辑、可编程逻辑、微码等)、软件(诸如在处理装置上执行的指令)或以上的组合的处理逻辑来执行方法。在一个实施例中，结合处理设备通过处理逻辑执行计算机实施的方法100的一些或全部操作。或者，手动执行一个或更多个操作。
在一个实施例中，在方块1102处将一个或更多个基板插入处理腔室(例如，HVPE处理腔室、热壁化学气相沉积设备)。基板可由基座支撑。可接通灯模块以加热基板并相应地加热腔室。可自气源将含氮反应性气体引入至处理腔室。含氮气体可通过诸如气体加热器的能源以使含氮气体处于更具反应状态。含氮气体然后通过腔室盖和气体分配喷淋头。
可经由两个或更多个侧壁气体分配组件将一种或更多种工艺气体(例如，金属卤化物、GaCl、GaCl3、AlCl、AlCl3、AlBr3、AlI、AlI3、双原子氮、氦、氩等)引入至处理腔室。举例而言，可在方块1104处将第一工艺气体引入至第一侧壁气体分配组件，所述第一侧壁气体分配组件包括第一气体通道和第二气体通道。可在方块1106处将第二工艺气体引入至第二侧壁气体分配组件，所述第二侧壁气体分配组件包括第三气体通道和第四气体通道。第一和第二气体分配组件各自适于被耦接至处理腔室。在一个实施例中，第二气体通道和第四气体通道各自包括孔以将第一和第二工艺气体分别引入到处理腔室。
可独立地控制且可在不同条件下操作处理设备中的侧壁气体分配组件的每一者。可在任一时间或通过在处理期间改变穿过每一侧壁气体分配组件的工艺气体流来操作侧壁气体分配组件的一小组(subset)。可在不同时间将一种或更多种工艺气体顺序地经由每一侧壁气体分配组件引入至处理腔室。或者，可经由侧壁气体分配组件的同时操作在同一时间将一种或更多种工艺气体引入到处理腔室。由侧壁气体分配组件引入的工艺气体可以是反应性气体或惰性气体的一者或组合。由于腔室内的热梯度，可通过在处理腔室内的上升与下沉来互混工艺气体与含氮气体，且工艺气体与含氮气体一起反应以形成沉积在一个或更多个基板上的膜(例如，GaN、AlN、AlGaN)。气态反应可产生气态副产物(诸如氯化物和含氮化合物)，可经由排气管将所述副产物排出。
虽然论述了通过气体分配喷淋头引入含氮气体且通过侧壁气体分配组件输送一种或更多种其它工艺气体，但应了解可反转气体引入的位置。尽管如此，若通过喷淋头引入其它工艺气体(例如，金属卤化物、GaCl、GaCl3、AlCl、AlCl3、AlBr3、AlI、AlI3、双原子氮、氦、氩等)，则可加热喷淋头以增加工艺气体的反应性。
另外，沉积工艺可涉及将薄膜(例如，AlN、含铝的III族氮化物)沉积为一个或更多个基板116上的种晶层，随后沉积另一后续膜(例如，p-GaN、n-GaN、u-GaN、AlN、AlGaN)。可将种晶层和后续膜两者在同一处理腔室内沉积。此后，可移除基板并将基板置入可在其中沉积又一层的MOCVD处理腔室。在某些实施例中，可消除种晶层。HVPE设备100和MOCVD设备可用于包括群集工具的处理系统中，该群集工具适于处理基板并分析对基板执行的处理的结果。
在一个实施例中，在图12中示意性图示群集工具的实体结构。可首先在腔室中提供一个或更多个基板以形成Ⅲ族氮化物层，然后将一个或更多个基板移动到工具内的不同的腔室用于后续处理。在一个实施例中，群集工具1600包括一个HVPE腔室1602和多个MOCVD腔室1603a和1603b，所述一个HVPE腔室1602和多个MOCVD腔室1603a和1603b根据本文描述的实施例连接至传递腔室1606用于制造化合氮化物半导体器件。虽然图示一个HVPE腔室1602和两个MOCVD腔室1603a和1603b，但应了解一个或更多个MOCVD腔室与一个或更多个HVPE腔室的任一组合也可与传递腔室1606耦接。举例而言，在一个实施例中，群集工具1600可包括3个MOCVD腔室。也应了解，虽然图示群集工具，但也可使用线性处理系统执行本文所述的实施例。
在一个实施例中，额外腔室1604与传递腔室1606耦接。额外腔室1604可为MOCVD腔室、HVPE腔室、计量腔室、脱气腔室、取向腔室、冷却腔室、预处理/预清洁腔室、后退火腔室或类似腔室。在一个实施例中，传递腔室1606是具有用于处理腔室安装的六个位置的六边的形状和六角形的形状。在另一实施例中，传递腔室1606可具有其它形状且可具有具相应数目的处理腔室安装位置的五个、七个、八个或更多个边。
HVPE腔室1602适于执行HVPE工艺，在该HVPE工艺中气态金属卤化物用于在加热的基板上外延生长化合氮化物半导体材料层。HVPE腔室1602包括腔室主体1614、化学品输送模块1618和电气模块1622，将基板放置在腔室主体1614中以使基板经受处理，将气体前驱物自化学品输送模块1618输送至腔室主体1614，电气模块1622包括用于群集工具1600的HVPE腔室的电气系统。在一个实施例中，HVPE腔室1602可类似于图7描述的HVPE设备600。
每一MOCVD腔室1603a、1603b包括形成处理区域的腔室主体1612a、1612b、化学品输送模块1616a、1616b和用于每一MOCVD腔室1603a、1603b的电气模块1620a、1620b，将基板放置在该处理区域中以使基板经受处理，将诸如前驱物、净化气体和清洁气体的气体自化学品输送模块1616a、1616b输送至腔室主体1612a、1612b，电气模块1620a、1620b包括用于群集工具1600的每一MOCVD腔室的电气系统。每一MOCVD腔室1603a、1603b适于执行CVD工艺，在所述CVD工艺中金属有机的前驱物(例如，TMG、TMA)与金属氢化物元素反应以形成化合氮化物半导体材料层。
群集工具1600进一步包括收纳在传递腔室1606中的机器人组件1607、与传递腔室1606耦接的负载锁定腔室1608、与传递腔室1606耦接的用于存储基板的批量负载锁定腔室1609。群集工具1600进一步包括与负载锁定腔室1608耦接的用于装载基板的载入站1610。机器人组件1607是可操作以在负载锁定腔室1608、批量负载锁定腔室1609、HVPE腔室1602和MOCVD腔室1603a、1603b之间拾取并传递基板。在一个实施例中，装载站1610是自动装载站，该自动装载站被构造为将基板自盒(cassettes)装载至基板载体或直接装载至负载锁定腔室1608，并将基板自基板载体或自负载锁定腔室1608卸载至盒。
传递腔室1606在处理期间可保持在真空和/或低于大气压的压力下。可调节传递腔室1606的真空度以匹配相应处理腔室的真空度。在一个实施例中，传递腔室1606维持用于基板传递的具有大于90％N2的环境。在另一实施例中，传递腔室1606维持用于基板传递的高纯度NH3的环境。在一个实施例中，在具有大于90％NH3的环境中传递基板。在另一实施例中，传递腔室1606维持用于基板传递的高纯度H2的环境。在一个实施例中，在具有大于90％H2的环境中传递基板。
群集工具1600进一步包括控制活动和操作参数的系统控制器1660。系统控制器1660包括计算机处理器和耦接至处理器的计算机可读取存储器。处理器执行系统控制软件(诸如存储在存储器中的计算机程序)。
在一个实施例中，处理腔室1602、1603a、1603b或1604之一被构造为在形成装置结构之前形成Ⅲ族氮化物层。然后将沉积在基板上的Ⅲ族氮化物层或数个Ⅲ族氮化物层传递至一个或更多个沉积腔室以沉积用于形成装置结构的后续层。该结构允许传递在包括在真空下、存在经选择的气体且在经限定的温度条件以及诸如此类的经限定的周围环境中实现。群集工具包括执行用于形成电子装置的各个处理操作的多个腔室的模块化系统。群集工具可以是本领域中已知的任一平台，该平台能够适应性地同时控制多个处理模块。示范性实施例包括均可购自美国加州圣克拉拉市的应用材料公司(Applied Materials,Inc.)的OpusTMAdvantEdgeTM系统或CenturaTM系统。
对于单个腔室处理，依次产生不同组合物的层作为执行在单个腔室内的生长配方的不同的操作。对于多个腔室处理，在一系列的独立腔室中生长III-V或Ⅱ-Ⅵ结构层。举例而言，可在第一腔室中生长无掺杂的/nGaN层，在第二腔室中生长MQW结构，以及在第三腔室中生长pGaN层。
图13图示根据一个实施例的功率电子装置的截面图。功率电子装置1200可包括N型区1210(例如，电极)、离子注入区1212和1214、外延层1216(例如，4微米厚的N型GaN外延层)、缓冲层(例如，2微米厚的N+GaN缓冲层)、基板1220(例如，N+本体GaN基板、硅基板)和欧姆接触(例如，Ti/Al/Ni/Au)。装置1200可包括设置在GaN基板或硅基板上的一个或更多个GaN层。装置(例如，功率IC、功率二极管、功率晶闸管、功率MOSFET、IGBT、GaN HEMT晶体管)可用于功率电子电路和模块中的开关或整流器。
图14图示计算机系统1500的示例性形式的机器的图形表示，在该计算机系统1500内可执行用于使机器执行本文所论述的方法的任一或更多的指令集。机器可以是系统控制器(例如，161)的组成部分或耦接至系统控制器。在替代性实施例中，机器可连接(例如，网络连接)至局域网络(LAN)、内部网络、外部网络或因特网中的其它机器。机器可操作为客户端-服务器网络环境中的服务器或客户端机器，或作为对等(peer-to-peer)(或分布式)网络环境中的对等机器。机器可以是个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、移动电话、网络(web)用具、服务器、网络路由器、交换器或桥接器，或能够执行指定由任一机器所采取的动作的指令集(连续的或以其它方式)的该机器。此外，虽然仅图示单个机器，但术语“机器”也应看作包括机器(例如，计算机)的任一集合，所述机器(例如，计算机)个别地或共同地执行指令集(或多个指令集)以执行本文所论述的方法的任一或更多者。
示例性计算机系统1500包括处理器1502、主存储器1504(例如，只读存储器(ROM)、闪存存储器、诸如同步DRAM(SDRAM)或Rambus DRAM(RDRAM)等的动态随机存取存储器(DRAM)等)、静态存储器1506(例如，闪存存储器、静态随机存取存储器(SRAM)等)和二级存储器1518(例如，数据储存装置)，所述装置经由总线1530彼此通信。
处理器1502表示一个或更多个通用处理装置(诸如微处理器、中央处理单元或类似处理装置)。更特定而言之，处理器1502可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、实施其它指令集的处理器，或实施指令集的组合的处理器。处理器1502也可以是一种或更多种特殊用途处理装置(诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器或类似特殊用途处理装置)。处理器1502被配置为执行用于执行本文所论述的操作(例如，ICM操作)的处理逻辑1526。
计算机系统1500进一步可包括网络接口装置1508。计算机系统1500也可包括视频显示单元1510(例如，液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT))、字母数字输入装置1512(例如，键盘)、光标控制装置1514(例如，鼠标)，和信号产生装置1516(例如，扬声器)。
二级存储器1518可包括机器可读取存储介质(或更特定地为计算机可读取存储介质)1531，具体化本文描述的方法或功能的任一或更多者的一个或更多个指令集(例如，软件1522)存储在该机器可读取存储介质1531上。软件1522在由计算机系统1500执行期间也可完全地或至少部分地驻留在主存储器1504内和/或处理装置1502内，主存储器1504和处理装置1502也组成机器可读取存储介质。可经由网络接口装置1508在网络1520中进一步传输或接收软件1522。
虽然在示范性实施例中将机器可读取存储介质1531图示为单个媒体，但术语“机器可读取存储介质”应看作包括单个介质或存储一个或更多个指令集的多个媒体(例如，集中式或分布式数据库和/或相关的高速缓存和服务器)。术语“机器可读取存储介质”也应看作包括能够存储或编码由机器执行或使机器执行本发明的方法的任一或更多者的指令集的之任一介质。术语“机器可读取存储介质”因此应看作包括(但不局限于)固态存储器和光学的和磁性介质。
应了解以上描述旨在说明而非限制。许多其它实施例在本领域技术人员在阅读和理解以上描述后将是显而易见的。虽然已参阅特定示范性实施例描述本公开内容，但将认识到本发明不限制于所描述的实施例，而是可经由修改和变更来实践本发明。因此，说明书和附图应以说明性意义而非限制性意义来考虑。

Claims (19)

1.一种包括气体分配组件的处理设备，所述包括气体分配组件的处理设备包括：
第一气体分配组件，所述第一气体分配组件包括用于将第一工艺气体引入至第二气体通道的第一气体通道，所述第二气体通道将所述第一工艺气体引入至处理腔室；和
第二气体分配组件，所述第二气体分配组件包括用于将第二工艺气体引入至第四气体通道的第三气体通道，所述第四气体通道将所述第二工艺气体引入至所述处理腔室，其中所述第一气体分配组件和所述第二气体分配组件各自适于被耦接至处理腔室的至少一个腔室壁，其中所述第二气体通道和所述第四气体通道各自包括将所述第一工艺气体和第二工艺气体引入至所述处理腔室的多个孔，其中所述第一气体通道在所述处理腔室内位于在所述第二气体通道上方的第一高度处并且形状为第一环形，所述第二气体通道形状为第二环形，用于在所述处理腔室内位于不同的第二高度处均匀地分布所述第一工艺气体，其中所述第三气体通道位于所述处理腔室内在所述第一高度的第一气体通道下方并且在所述第二高度的第二气体通道上方的第三不同的高度处。
2.如权利要求1所述的包括气体分配组件的处理设备，其中所述第一气体通道耦接至所述第二气体通道且所述第三气体通道耦接至所述第四气体通道。
3.如权利要求1所述的包括气体分配组件的处理设备，其中所述第一气体分配组件具有与所述第二气体分配组件不同的孔的数目。
4.如权利要求2所述的包括气体分配组件的处理设备，其中所述第一气体分配组件的所述孔具有不同于所述第二气体分配组件的所述孔的孔直径。
5.如权利要求2所述的包括气体分配组件的处理设备，其中所述第一气体分配组件和所述第二气体分配组件的所述孔具有以多个不同的角度引导工艺气体进入所述处理腔室的孔取向。
6.如权利要求1所述的包括气体分配组件的处理设备，所述设备进一步包括：
第三气体分配组件，所述第三气体分配组件包括第五气体通道和第六气体通道。
7.如权利要求2所述的包括气体分配组件的处理设备，其中第一气体分配组件的所述孔具有以平行于基座的角度引导工艺气体进入所述处理腔室的孔取向，且其中所述第二气体分配组件的所述孔具有以多个不同的角度引导工艺气体进入所述腔室的孔取向。
8.如权利要求2所述的包括气体分配组件的处理设备，其中在工艺沉积期间每一气体分配组件具有径向生长速率分布，所述径向生长速率分布取决于每一各自的气体分配组件的孔的孔特征。
9.如权利要求8所述的包括气体分配组件的处理设备，其中由所述气体分配组件的每一气体分配组件产生的所述径向生长速率分布彼此互补以产生净均匀径向生长速率分布。
10.如权利要求1所述的包括气体分配组件的处理设备，其中每一气体分配组件适于被耦接至所述处理腔室的腔室壁。
11.一种采用侧壁气体分配组件的处理方法，所述采用侧壁气体分配组件的处理方法包括以下步骤：
将第一工艺气体引入至第一侧壁气体分配组件，所述第一侧壁气体分配组件包括第一气体通道和第二气体通道；和
将第二工艺气体引入至第二侧壁气体分配组件，所述第二侧壁气体分配组件包括第三气体通道和第四气体通道，其中所述第一侧壁气体分配组件和所述第二侧壁气体分配组件各自适于被耦接至处理腔室的至少一个腔室壁，其中所述第二气体通道和所述第四气体通道各自包括将所述第一工艺气体和所述第二工艺气体分别引入至所述处理腔室的多个孔，其中所述第一侧壁气体分配组件具有拥有在靠近所述处理腔室的基座的中心较快的生长速率的第一特征径向膜生长速率分布，并且所述第二侧壁气体分配组件具有拥有在靠近基座的边缘较快的生长速率的第二特征径向膜生长速率分布，以彼此互补以产生净均匀径向生长速率分布。
12.如权利要求11所述的采用侧壁气体分配组件的处理方法，其中所述第一侧壁气体分配组件将所述第一工艺气体引入至所述处理腔室，随后所述第二侧壁气体分配组件将所述第二工艺气体引入至所述处理腔室。
13.如权利要求11所述的采用侧壁气体分配组件的处理方法，其中所述第一侧壁气体分配组件和所述第二侧壁气体分配组件将工艺气体同时引入至所述腔室。
14.如权利要求11所述的采用侧壁气体分配组件的处理方法，其中所述第一工艺气体包含反应性气体且所述第二工艺气体包含惰性气体。
15.如权利要求11所述的采用侧壁气体分配组件的处理方法，其中每一侧壁气体分配组件产生所述处理腔室的整个基座上的生长速率分布，所述生长速率分布取决于每一侧壁气体分配组件的孔特征。
16.如权利要求15所述的采用侧壁气体分配组件的处理方法，所述方法进一步包括以下步骤：在处理期间旋转所述基座，其中每一侧壁气体分配组件的所得的所述生长速率分布具有一定的径向对称且其中每一侧壁气体分配组件的所述生长速率分布彼此互补以产生整个所述基座上的净均匀生长速率分布。
17.一种包括侧壁气体分配组件的处理设备，所述包括侧壁气体分配组件的处理设备包括：
第一侧壁气体分配组件，所述第一侧壁气体分配组件包括多个第一孔，所述多个第一孔将一种或更多种工艺气体引入至处理腔室；和
第二侧壁气体分配组件，所述第二侧壁气体分配组件包括多个第二孔，所述多个第二孔将一种或更多种工艺气体引入至所述处理腔室，其中所述第一侧壁气体分配组件和所述第二侧壁气体分配组件各自适于被耦接至所述处理腔室的至少一个腔室壁，其中所述第一侧壁气体分配组件具有拥有在靠近所述处理腔室的基座的中心较快的生长速率的第一特征径向膜生长速率分布，并且所述第二侧壁气体分配组件具有拥有在靠近基座的边缘较快的生长速率的第二特征径向膜生长速率分布，以彼此互补以产生净均匀径向生长速率分布。
18.如权利要求17所述的包括侧壁气体分配组件的处理设备，其中所述第一侧壁气体分配组件的所述多个第一孔具有与所述第二侧壁气体分配组件的所述多个第二孔不同的孔的数目。
19.如权利要求17所述的包括侧壁气体分配组件的处理设备，其中在工艺沉积期间每一侧壁气体分配组件具有径向生长速率分布，所述径向生长速率分布取决于每一各自的侧壁气体分配组件的孔的所述孔特征。
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