CN104334775B - 沉积系统的气体注入组件、包括这种组件的沉积系统和相关方法 - Google Patents

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Abstract

遮挡式注入器包括气体注入口、内侧壁和用于引导气体流过遮挡式注入器的至少两个隆起部。隆起部中的每个从毗邻气体注入口中的孔的位置向着遮挡式注入器的气体出口延伸并且设置在内侧壁之间。沉积系统包括具有发散地延伸的内侧壁的底座、气体注入口、盖和至少两个发散地延伸的隆起部，这些隆起部用于引导气流过至少部分由底座的内侧壁和盖的底表面限定的空间的中央区域。在基板上形成材料的方法包括使前体流过此遮挡式注入器并且引导前体的一部分流过具有至少两个隆起部的遮挡式注入器的中央区域。

Description

沉积系统的气体注入组件、包括这种组件的沉积系统和相关 方法
技术领域
本公开涉及用于将气体注入沉积系统的化学沉积腔室中的气体注入组件(诸如，包括注入口、底座和盖的遮挡式注入器(visor injector))、包括这种组件的系统，以及使用这种组件和系统在基板上形成材料的方法。
背景技术
半导体结构是在制造半导体器件的过程中使用或形成的结构。半导体器件包括例如电信号处理器、电子存储器件、光活性器件(例如，发光二极管(LED)、光伏(PV)器件等)和微机电(MEM)器件。这种结构和材料经常包括一种或多种半导体材料(例如，硅、锗、碳化硅、III-V族半导体材料等)，并且可包括集成电路的至少一部分。
由元素周期表上的III族和V族中的元素的组合形成的半导体材料被称为III-V族半导体材料。示例III-V半导体材料包括诸如氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟(InN)和氮化铟镓(InGaN)的III族氮化物材料。氢化物气相外延(HVPE)是用于在基板上形成(例如，生长)III族氮化物材料的化学气相沉积(CVD)技术。
在用于形成GaN的示例HVPE工艺中，包含碳化硅(SiC)或氧化铝(Al2O3，经常被称为“蓝宝石”)的基板布置在化学沉积腔室中并且加热至升高的温度。氯化镓(例如，GaCl、GaCl3)和氨(NH3)的化学前体在腔室内混合并且发生反应，形成GaN，GaN在基板上外延生长以形成GaN层。诸如，当通过使盐酸(HCl)蒸汽在熔融镓上流动来形成氯化镓时，可在腔室内形成前体中的一种或多种(即，原位)，或者可在注入腔室内之前形成前体中的一种或多种(即，非原位)。
在现有已知的构造中，可通过具有发散的内侧壁的大体平坦的气体注入器(经常被称为“遮挡”或“遮挡式注入器”)将前体氯化镓注入腔室中。可通过多口注入器将前体NH3注入腔室中。在注入腔室中后，最初通过延伸至靠近基板边缘的位置的遮挡式注入器的盖分离这些前体。当前体到达盖的端部时，前体混合并且发生反应，以在基板上形成GaN材料的层。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化形式介绍构思的选择。将在以下本公开的示例实施方式的具体实施方式中，进一步详细描述这些构思。本发明内容不旨在指明要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制要求保护的主题的范围。
在一些实施方式中，本公开包括一种遮挡式注入器，该遮挡式注入器包括气体注入口，气体注入口包括主体、贯穿所述主体延伸的孔以及毗邻所述孔的后壁。遮挡式注入器还包括：内侧壁，这些内侧壁从所述后壁向着所述遮挡式注入器的气体出口延伸；至少两个隆起部，所述至少两个隆起部用于引导气流流过所述遮挡式注入器。所述至少两个隆起部均从毗邻所述孔的位置向着所述气体出口延伸。所述至少两个隆起部设置在所述内侧壁之间。
在一些实施方式中，本公开包括一种沉积系统。该沉积系统包括：具有发散地延伸的内侧壁的底座、毗邻内侧壁的紧密接近的端部的气体注入口以及设置在底座上和气体注入口上的盖。该沉积系统还包括至少两个发散地延伸的隆起部，这些隆起部用于引导气体通过至少部分地由底座的内侧壁和盖的底表面限定的空间的中央区域。
在一些实施方式中，本公开包括一种在基板上形成材料的方法。根据此方法，使第一前体气体流过包括气体注入口、底座和盖的遮挡式注入器。引导所述第一前体气体的一部分流过所述遮挡式注入器的中央区域，其中，在所述气体注入口的内侧壁之间形成有所述气体注入口的至少两个隆起部。该方法还包括使所述第一前体气体流出所述遮挡式注入器并且向着毗邻所述遮挡式注入器设置的基板流动。
附图说明
虽然本说明书以具体指出和明确要求保护什么被视为本发明实施方式的权利要求书为结束，但更具结合附图进行阅读的对本公开实施方式的某些示例的描述，可更容易确定本公开的实施方式的优点，其中：
图1是化学沉积腔室的实施方式的简化部分立体图，其示出基于计算机模型和模拟计算的、经过遮挡式注入器通过化学沉积腔室并且到基板上的气流；
图2示出由计算机模型和模拟产生的图表，该图表表明在沉积工艺期间图1的基板上的前体的质量分数；
图3是由计算机模型和模拟产生的曲线图，该曲线图表明在沉积工艺期间图1的基板上的平均前体质量分数；
图4A至图4C示出根据本公开的实施方式的气体注入口的各种视图；
图4A示出根据本公开的实施方式的气体注入口的顶部平面图；
图4B示出通过图4A的剖面线4B-4B截取的气体注入口的剖视图；
图4C示出图4A和图4B的气体注入口的立体图；
图5是包括图4A的气体注入口、盖和底座的根据本公开的实施方式的遮挡式注入器的分解立体图；
图6示出为了清晰起见被去除了盖的图5的遮挡式注入器的顶视图；
图7示出通过图5的遮挡式注入器的气流；
图8示出由计算机模型和模拟产生的图表，该图表表明在沉积工艺期间在前体流过图5的遮挡式注入器之后基板上的前体的质量分数；
图9是由计算机模型和模拟产生的曲线图，该曲线图表明在沉积工艺期间图8的基板上的平均前体质量分数；
图10A至图10E示出根据本公开的另一个实施方式的盖的各种视图；
图10A是根据本发明的实施方式的盖的顶部平面图；
图10B是图10A的盖的底部平面图；
图10C是图10A和图10B的盖底部的一部分的平面图；
图10D是沿着图10C的剖面线10D-10D截取的图10A至图10C的盖的局部剖视图；
图10E是图10A至图10D的盖的立体图；
图11A示出包括底座、图4A的气体注入口和图10A的盖的根据本公开的实施方式的遮挡式注入器；
图11B示出为了清晰起见被去除了盖的一些部分的图11A的遮挡式注入器；
图12示出通过图11A的遮挡式注入器的气流的模型；
图13示出由计算机模型和模拟产生的图表，该图表表明在前体流过图11A的遮挡式注入器之后基板上的前体的质量分数；以及
图14示出由计算机模型和模拟产生的曲线图，该曲线图表明基板上的平均前体质量分数。
具体实施方式
本文呈现的图示不意味着是任何特定材料、结构或期间的实际视图，而只是用于描述本公开的实施方式的理想表现方式。
如本文使用的，关于给定参数、性质或条件的术语“基本上”意指本领域的普通技术人员将理解给定参数、性质或条件满足在一定变化程度内(诸如，可接受的制造公差内)达到的程度。
如本文使用的，使用诸如“第一”、“第二”、“前”、“后”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“相对”等任何相关术语是为了清晰且方便地理解本公开和附图并且没有暗示或取决于任何特定偏好、取向或次序，除非上下文另外清楚地指示。
如本文使用的，术语“气体”意指并且包括既没有自主的形状又没有自主的体积的流体。气体包括蒸汽。因此，当本文中使用术语“气体”时，它可被解释为“气体或蒸汽”的含义。
如本文使用的，短语“氯化镓”意指并且包括一氯化镓(GaCl)和三氯化镓(GaCl3)中的一种或多种。例如，氯化镓可以基本上由GaCl组成，基本上由GaCl3组成，或者基本上由GaCl和GaCl3二者组成。
本公开包括可用于使气体向着基板流动诸如以在基板表面上沉积或以其它方式形成材料(例如，半导体材料、III-V族半导体材料等)的结构和方法。在具体实施方式中，本公开涉及遮挡式注入器及其组件(例如，气体注入口、底座和盖)、使用这种遮挡式注入器的沉积系统，使用这种遮挡式注入器在基板上沉积或以其它方式形成半导体材料的方法和使气体流过这种遮挡式注入器的方法。遮挡式注入器的气体注入口、底座和盖中的一个或多个可包括用于引导气体流过遮挡式注入器的一个或多个隆起部。以下，进一步详细公开这种结构和方法的示例。
图1示出沉积系统的腔室100(例如，HVPE沉积腔室)并且包括大体代表流过腔室100的气体的计算流体动力学(CFD)模型。示出了气流线102，其代表从气体注入口104开始，穿过底座106，流到基板108上并且流入腔室100的其它部分中的氯化镓(例如，CaCl、CaCl3)。为了清晰起见，从图1中去除了设置在气体注入口104和底座106上的盖，尽管该模型是基于此盖存在于腔室100中的假设而产生的。另外，在假设氨(NH3)正从多口注入器112流过腔室100的前提下产生图1的模型，尽管为了清晰起见在图1中没有表现出这种流动。
尽管本公开描述了在腔室100中流动氯化镓和NH3以在基板108上形成GaN，但本公开还可应用于流动其它气体，诸如以形成除了GaN外的材料。事实上，本领域的普通技术人员将认识到，本公开的结构和方法以及其组件和元件可用于涉及使一种或多种气体流入并且通过沉积腔室的许多应用中。
如图1中所示，腔室100是大体矩形腔室，其中，氯化镓和NH3发生反应，在腔室100内大体居中设置的基板108上形成GaN材料。气态氯化镓可通过气体注入口104注入腔室100中。氯化镓可流出气体注入口104并且通过底座106，其中，发散的内侧壁110将氯化镓流体分散到基板108上。另外，气态NH3可通过多口注入器112被注入腔室100中。氯化镓和NH3在本文中可被统称为前体。另外，诸如N2、H2、SiH4、HCl等的一种或多种吹扫气体可与前体一起注入腔室100中，尽管这种吹扫气体没有直接参与形成GaN材料的反应。前体中的一者或两者可在注入腔室100中之前被加热。在2010年2月17日提交的、名称为“GAS INJECTORS FORCVD SYSTEMS WITH THE SAME(气体注入器及带有气体注入器的CVD系统)”的国际公开No.WO 2010/101715A1中公开了在注入腔室100中之前加热氯化镓前体的一种方法，该国际公开的全部内容以引用方式并入本文中。前体可被预加热至大约500℃以上。在一些实施方式中，前体可被预加热至大约650℃以上，诸如大约700℃和大约800℃之间。在被加热之前，氯化镓前体可基本上由三氯化镓(CaCl3)构成。在加热和/或注入化学沉积腔室中后，CaCl3中的至少一部分可热分解成例如一氯化镓(GaCl)和其它副产物。因此，在化学沉积腔室中，氯化镓前体可基本上由GaCL构成，尽管还会存在一些CaCl3。另外，基板108还可在注入前体之前被加热至大约500℃以上。在一些实施方式中，基板108可被预加热至大约900℃和大约1000℃之间的温度。
基板108可包含上面可形成(例如，生长、外延生长、沉积等)GaN或另一种所需材料的任何材料(例如，另一种III-V族半导体材料)。例如，基板108可包含碳化硅(SiC)和氧化铝(Al2O3，经常被称为“蓝宝石”)。基板108可以是上面将要形成GaN的单个的所谓“晶圆”材料，或者它可以是用于保持上面将要形成GaN的材料的多个小基板的基座(例如，涂布有SiC的石墨基座)。
气体注入口104和底座106的构造可致使氯化镓中绝大部分沿着底座106的内侧壁110流动，从而在底座106的中央留下其中只有相对少量的氯化镓流动的区域114，在本文中被称为“死区(dead zone)”。此死区114可促成例如氯化镓的再循环116的区域。氯化镓的再循环116可促成基板108上的不均匀氯化镓流动分布。例如，在底座106中存在死区114可促成基板108的中央部分上的氯化镓流相对较重的集中，如图1中所示，这会造成基板108的中央部分中的GaN材料厚度增大。另外，氯化镓的再循环会降低通过腔体100的气流以及在基板108上形成GaN材料的过程的可控性和可预测性。
图2示出代表在图1的腔室100操作期间基板108的表面上的氯化镓质量分数的图表(由CFD模型产生的)。图2中示出的轮廓代表具有不同氯化镓质量分数范围的区域118A至118J之间的边界，当从图2的立体图观察时，这些范围是从右到左减小的。因此，最右边区域118A可代表相对最高的氯化镓质量分数范围，相邻区域118B可代表相对第二高的氯化镓质量分数范围，依此类推。最左边区域118J可代表相对最低的氯化镓质量分数范围。
图3示出表明NH3和氯化镓的平均前体质量分数随着距离基板108中央的位置的变化而变化的曲线图。基板108可在HVPE工艺期间旋转，以提高基板108上形成GaN材料的均匀度。因此，通过对基板108上不同位置的前体质量分数数据求平均以估计旋转基板108上的前体质量分数，产生图3的曲线图。
参照图2和图3并结合图1，死区114和氯化镓的再循环116可能会导致基板108上的氯化镓的相对不均匀的质量分数。氯化镓质量的不均匀可与基板108上不均匀形成GaN相关联。如图3中所示，基板108的中央(即，在图形位置零米(0m))和外边缘(即，在图形位置-0.1m和0.1m)可表现出相对高的氯化镓质量分数，而基板108的中央和外边缘之间的区域可表现出相对低的氯化镓质量分数。因此，该模型表明在作为模型基础的条件下正在基板108上形成的GaN在基板108的中央和外边缘处相对厚而在中央和外边缘之间的区域中相对薄。
图4A至图4C示出根据本公开的气体注入口124的各种视图。孔126可贯穿气体注入口124的主体延伸，气态氯化镓流过该主体，诸如，当在图4A的立体图中观察时在出页面的方向上，当在图4B的立体图中观察时在从右向左的方向上。在一些实施方式中，孔126可贯穿气体注入口124的主体延伸，使得气体注入口124的后壁128至少基本上与孔126相切。另外，孔126可至少基本上居中地位于气体注入口124的内侧壁130之间，内侧壁130从后壁128向着正面132发散地延伸。气体注入口124还可包括设置在内侧壁130之间的隆起部134，隆起部134可从毗邻孔126的位置向着正面132发散地延伸。隆起部134中的每个可具有外侧第一面136和内侧第二面138。
至少气体注入口124的影响气流的那些部分(例如，孔126、后壁128、内侧壁130、隆起部134)可基本上关于对称轴A对称地定位，对称轴A居中地贯穿气体注入口124，从后壁128延伸到正面132。如图4A中所示，隆起部134中的每个可至少基本上居中地设置在邻近的内侧壁130和对称轴A之间。
尽管气体注入口124的各种元件的大小、尺寸、形状和构造都可以经过修改，诸如用于流动不同气体，用于流动不同温度的气体，用于以不同速率流动气体，用于在不同大小的基板上形成材料等，但将针对气体注入口124的一个实施方式描述示例尺寸，这个实施方式适于气态氯化镓以足够温度和速率流过气体注入口124，与NH3发生反应，以在基板上形成GaN材料。
根据一个实施方式，如图4A中所示，例如，后壁128可在大体平行于正面132的方向上延伸，达到大约0.125英寸(0.32cm)和大约0.75英寸(1.91cm)之间(诸如，大约0.472英寸(1.20cm))的长度B。例如，平行于对称轴A并且垂直于后壁128的从后壁128到正面132的距离C可在大约0.5英寸(1.27cm)和大约2.0英寸(5.08cm)之间，诸如，大约0.855英寸(2.17cm)。例如，内侧壁130中的每个可按相对于对称轴A成大约十五度(15°)和大约四十五度(45°)之间(诸如，大约三十度(30°))的角度D从后壁128延伸到正面132。例如，后壁128和内侧壁130中的每个之间的交叉线可以大约0英寸(0cm)(即，锐角拐角)和大约0.25英寸(0.64cm)之间的半径E(诸如，大约0.04英寸(0.10cm))弯曲。例如，孔126的中央和正面132之间的平行于对称轴A的距离F可在大约0.25英寸(0.64cm)和大约1.9英寸(4.83cm)之间，诸如，大约0.7英寸(1.78cm)。例如，隆起部134中的每个可按相对于对称轴A成大约零度(0°)(即，平行于对称轴A)和大约四十五度(45°)之间(诸如，大约十四点五度(14.5°))的角度G从毗邻孔126的位置向着正面132延伸。例如，对称轴A和各隆起部134的外侧第一面136的毗邻孔126的那个端部之间的距离H可在大约0.1英寸(0.25cm)和大约0.75英寸(1.91cm)之间，诸如，大约0.25英寸(0.64cm)。例如，对称轴A和各隆起部134的外侧第一面136的在正面132上的那个端部之间的距离J可在大约0.1英寸(0.25cm)和大约1.75英寸(4.45cm)之间，诸如，大约0.36英寸(0.91cm)。例如，隆起部134的平行于对称轴A截取的长度K可在大约0.4英寸(1.02cm)和大约1.9英寸(4.83cm)之间，诸如，大约0.569英寸(1.45cm)。例如，各隆起部134在其外侧第一面136和内侧第二面138之间的宽度L在大约0.01英寸(0.03cm)和大约0.125英寸(0.32cm)之间，诸如，大约0.039英寸(0.10cm)。
如图4B中所示，例如，孔126的直径M可在大约0.2英寸(0.51cm)和大约0.5英寸(1.27cm)之间，诸如，大约0.31英寸(0.79cm)。例如，后壁128、内侧壁130和隆起部134中的每个可从气体注入口124的主表面突出的高度N是大约0.02英寸(0.05cm)和大约0.125英寸(0.32cm)之间，诸如，大约0.05英寸(0.13cm)。气体注入口124的其它部分可以是与底座和/或盖组装的任何传统形状和尺寸。例如，气体注入口124的外表面可具有与底座的腔体互补的形状和大小，使得气体注入口124可至少部分安置在腔体内。
尽管气体注入口124的内侧壁130和隆起部134被示出是基本上线性的，但本公开不受此限制。例如，可代替地，内侧壁130和隆起部134中的一个或多个可沿着弯曲路径或沿着阶梯状路径延伸。
气体注入口124可由任何材料形成，该材料可在气体注入口124将要在操作期间经受的条件(例如，化学试剂、温度、流速、压力等)下充分保持其形状。另外，气体注入口124的材料可被选定成抑制与流过其中的气体(例如，前体)的反应。以举例的方式而非限制，气体注入口124可由金属、陶瓷和聚合物中的一种或多种形成。在一些实施方式中，例如，气体注入口124可至少基本上由石英(诸如，被火焰磨光的透明熔融石英)构成。在一些实施方式中，气体注入口124可包含SiC材料。例如，气体注入口124可在安装到化学沉积腔室内之前被用10％氢氟(HF)酸溶液之后再用蒸馏水和/或去离子水冲洗进行清洁，以减少腔体中的污染物。
参照图5，气体注入口124可如假想线所指示地与底座106和盖140组装在一起，以形成供安装在化学沉积腔室内的遮挡式注入器。盖140可被确定大小并且构造成互补地装配到底座106和气体注入口124上。图6示出组装后的气体注入口124和底座106的顶视图，为了清晰起见去除了盖140。底座106和盖140中的每个可包含金属、陶瓷和聚合物中的一种或多种。在一些实施方式中，底座106和盖140中的一者或两者可包含石英材料。在一些实施方式中，底座106和盖140中的一者或两者可包含SiC材料。
尽管遮挡式注入器在图5中被示出为包括被组装在一起以形成遮挡式注入器的分开形成的底座106、盖140和气体注入口124，但本公开不受此限制。例如，底座106、盖140和气体注入口124中的任何两个或全部三个可被形成为整体。在一些实施方式中，底座106和气体注入口124可以是整体的部分。在其它实施方式中，盖140和气体注入口124可以是整体的部分。
参照图5和图6，底座106可包括内侧壁110，内侧壁110从毗邻气体注入口124的位置发散地延伸到毗邻在HVPE工艺期间上面将要形成例如GaN的基板108的位置。底座106的内侧壁130可按与气体注入口124的内侧壁130(图4A)的延伸角度D(图4A)至少基本上相同的相对于对称轴P的角度(诸如，相对于对称轴P成大约30°)延伸。对称轴P可在内侧壁110之间的中间延伸。凹陷142可沿着底座106的内侧壁110中的每个形成，以将盖140的特征部设置在凹陷142，如以下参照图10A至图10E的盖160更详细说明的。在一些实施方式中，底座106的内侧壁110可与气体注入口124的内侧壁130在至少基本上近似的方向上延伸，底座106的内侧壁110可与气体注入口124的内侧壁130是连续的。在其它实施方式中，底座106的内侧壁110可与气体主入口124的内侧壁130在不同的方向上延伸。在一些实施方式中，底座106的内侧壁110可沿着弯曲(例如，凹进或凸出)路径或阶梯状路径延伸。
至少基本上平坦的表面144可在底座106的内侧壁110之间延伸。底座106还可包括沿着底座106的弯曲端边缘从内侧壁110中的一个延伸到另一个的唇缘146。唇缘146可至少部分限定底座106的气体出口。可选地，底座106可包括一个或多个通道148，可通过通道148将其它气体(例如，诸如H2、N2、SiH4、HCl等的吹扫气体)引入腔室中。
图7示出通过图5的遮挡式注入器的气流的CFD模型。为了清晰起见，只示出了气体注入部分124和底座106中的气体沿着其流动的部分，图7中未示出盖140。气体(例如，氯化镓)可通过气体注入口124的孔126注入，进入表面144、内侧壁130和111以及盖140(图5)之间的容积中。因为内侧壁130和110的发散导致气体膨胀所通过的空间的容积，气体的速率会降低，气体可从气体注入口124处相对窄的流动分散成在唇缘146上的相对较宽的流动。
如图7中所示，相比于其中气体注入口104不包括任何隆起部134的图1中示出的流动，流出孔126的气体可被隆起部134以更均匀的方式导向底座106的唇缘146。隆起部134可因此通过将气体导向底座106的中央区域来减小和/或消除图1中示出的死区114。尽管在通过组装后的气体注入口124、底座106和盖140(图5)的流动中出现一些气体再循环150，但这种气体再循环150会比图1中示出的气体再循环116少。另外，在图7中的唇缘146上退出底座106的气体可比退出图1中的底座106的气体相对更均匀地分布。
图8示出代表由于氯化镓流过包括气体注入口124、底座106和盖140的遮挡式注入器造成的基板108表面上的氯化镓质量分数的CFD模型。图8中示出的轮廓代表具有不同氯化镓质量分数范围的区域152A至152J之间的边界，当从图8的立体图观察时，这些范围是从右到左减小的。因此，区域152A可代表相对最高的氯化镓质量分数范围，相邻区域152B可代表相对第二高的氯化镓质量分数范围，依此类推。最左边区域152J可代表相对最低的氯化镓质量分数范围。如通过比较图8的图表与图2的图表可看出的，图8的图表中的轮廓线表现出在基板上在垂直上下方向(从图的立体图来看)上移动的横向左右方向上的偏差小。
图9示出表明NH3和氯化镓的平均前体质量分数随着距离基板108中央的位置的变化而变化的曲线图，其原因在于，使氯化镓流过包括气体注入口124、底座106和盖140的遮挡式注入器。基板108可在HVPE工艺期间旋转，以提高基板108上形成GaN材料的均匀度。因此，通过对基板108上不同位置的前体质量分数数据求平均以估计旋转基板108上的前体质量分数，产生图9的曲线图。
参照图8和图9并结合图7，相比于图1至图3中示出和建模的实施方式，包括隆起部134的气体注入口124可引导氯化镓流过其中，使其更均匀地分布在基板108上。氯化镓质量分数的改善的均匀度可与基板108上形成GaN材料的改善的均匀度相关联。比较图9的曲线图与图3的曲线图，相比于氯化镓被引导通过气体注入口104(图1)时，当氯化镓被引导通过气体注入口124(图7)时，基板108上的平均氯化镓质量分数会相对更均匀。因此，在基板108上由流过气体注入口124和底座106的前体氯化镓形成的GaN材料的厚度可在基板108上具有改善的均匀度。例如，使用现有已知隔板注入器形成的平均厚度约为5μm的GaN材料可具有平均厚度的大约20％的层厚度的标准偏差。相比之下，根据本公开形成的平均厚度约为5μm的GaN材料可具有平均厚度的大约10％的层厚度的标准偏差。
在一些实施方式中，本公开还包括在基板上形成材料(例如，半导体材料，诸如III-V族半导体材料)的方法。再参照图4A至图7，气体注入口124、底座106和盖140可被如上所述地组装并且设置在与图1中示出的腔室100类似的化学沉积腔室内。基板108(在图6中用虚线示出)可毗邻气体注入口124、底座106和盖140设置。基板108可在腔室内旋转。基板108可被加热至诸如大约500℃以上的升高温度。在一些实施方式中，基板108可被预加热至大约900℃和大约1000℃之间的温度。
第一前体气体(例如，气态氯化镓)可流过气体注入口124中的孔126，进入气体注入口124和设置在气体注入口124上方的盖140之间的空间中。可通过提供气体注入口124的发散的内侧壁130来减小第一前体气体的速率。第一前体气体可因隆起部134中的一个或多个被引导通过气体注入口124，隆起部134发散地从毗邻孔126的位置延伸至毗邻气体注入口124的正面132。隆起部134中的一个可在内侧壁130的第一内侧壁和对称轴A之间大体居中地设置，隆起部134中的另一个可在内侧壁130的第二内侧壁和对称轴A之间大体居中地设置。第一前体气体的一部分可被引导成在第一内侧壁130和相邻隆起部134之间流动，第一前体气体的另一部分可被引导成在隆起部134之间流动，第一前体气体的又一部分可被引导成在第二内侧壁130和相邻隆起部134之间流动。引导第一气体前体通过气体注入口124可导致引导第一气体前体流过组装后的气体注入口124、盖140和底座106的中央区域。以上，描述第一前体气体可流过的气体注入口124及其组件的另外特性(例如，大小、形状、材料、角度等)的示例细节。
在第一前体气体流过气体注入口124之后，第一前体气体可从气体注入口124起，在底座106和盖140之间流动，流向基板108。另外，可通过提供底座106的发散的内侧壁110来减小第一前体气体的速率。第一前体气体可被引导到沿着底座106的完全端边缘设置的唇缘146上，退出包括气体注入口124、底座106和盖140的遮挡式注入器。第一前体气体接着可流到基板108上。
第二前体气体(例如，气态NH3)可诸如通过以上参照图1描述的多口注入器112被注入腔室中，在第一前体气体的对面并且大体在与第一前体气体的流动相同的方向上沿着盖140的主表面流动。可选地，一种或多种吹扫气体(例如，H2、N2、SiH4、HCl等)也可诸如通过底座106(图5和图6)的通道148在腔室中流动，如上所述。第一前体气体、第二前体气体和吹扫气体中的一个或多个可在进入腔室之前、在进入腔室时和/或在进入腔室之后被加热。例如，第一前体气体、第二前体气体和吹扫气体中的一个或多个可被预加热至大约500℃以上的温度。在一些实施方式中，第一前体气体、第二前体气体和吹扫气体中的一个或多个可被预加热至大约650℃以上，诸如，在大约700℃和大约800℃之间。
在第一前体气体退出包括气体注入口124、底座106和盖140的遮挡式注入器之后，并且在第二前体气体到达盖140毗邻基板108的端部之后，第一前体气体和第二前体气体可被混合，发生反应并且在基板108上形成(例如，生长、外延生长、沉积等)材料。形成在基板108上的材料可以是半导体材料，包括得自第一前体气体的至少一个原子(例如，Ga)和得自第二前体气体的至少一个原子(例如，N)的化合物(例如，III族氮化物化合物，例如，GaN化合物)。第一前体气体和第二前体气体中没有在基板108上形成材料的那些部分(例如，Cl和H，诸如，以HCl的形式)可与吹扫气体一起流出腔室。使用具有隆起部134的气体注入口124以所描述方式引导第一前体气体流动可使得在基板108上能够形成厚度均匀度改善的材料。
图10A至图10E示出本公开的盖160的另一个实施方式的各种视图。以与图5中示出的盖140类似的方式，盖160可被确定大小并且被构造成互补地装配到底座106和气体注入口124上。如图10A至图10C中所示，盖160可至少基本上关于对称轴Q对称。参照图10A至图10E，盖160可包括顶部主表面162和与顶部主表面162相对的底部主表面164。顶部主表面162可以至少基本上是平坦的。盖160的气体出口面166可基本上是半圆形和凹形的，用于在操作期间部分限定基板108，使其毗邻气体出口面166设置。因此，盖160任一侧的前体气体(例如，氯化镓和NH3)可通过盖160至少基本上彼此隔离，直到前体气体到达毗邻基板108的边缘的位置，如图10A中的虚线所示。
如图10B至图10E中所示，盖160的底部主表面164可包括从其突出的许多特征。突出部168可被确定大小和形状，以便当与气体注入口124组装在一起时(图5和图6)设置在气体注入口124上方，诸如，以至少部分装配在气体注入口124所处的底座106中的腔体内部。发散肋170可从突出部168延伸到气体出口面166并且可被确定大小和形状，以便当与底座106的内侧壁110组装在一起时(图5和图6)沿着底座106的内侧壁110延伸。如上所述，底座106可包括沿着其内侧壁110形成的凹陷142(图5)。盖160的发散肋170的至少一部分在与底座106的凹陷142中的一个组装在一起时可设置在这个凹陷142内部。如图10B至图10E中所示，发散肋170可从盖160的底部主表面164突出，达到至少与突出部168基本上相同的程度。
斜坡式气体出口表面172可与底部主表面164成一定角度地延伸到盖160的气体出口面166，达到与发散肋170从底部主表面164突出基本上相同的高度。隆起部174可发散地从突出部168向着气体出口面166延伸。隆起部174可从盖160的底部主表面164突出，达到比突出部168(如图10D和图10E中所示)更大的程度。隆起部174中的每个可在相邻发散肋170和对称轴Q之间至少基本上居中地设置。各隆起部174毗邻突出部168的端部可被设置成，当与气体注入口124(图4A和图4C)的正面132上的气体注入口124的隆起部134的端部组装在一起时毗邻这些端部。例如，盖160的隆起部174可被构造成至少基本上是共线的并且当与气体注入口124的隆起部134组装在一起时与隆起部134是连续的。
尽管盖160的各种元件的大小、尺寸、形状和构造经过修改，诸如用于流动不同气体，用于流动不同温度的气体，用于以不同速率流动气体，用于在不同大小的基板108上形成材料等，但将针对盖160的一个实施方式描述示例尺寸，这个实施方式适于气态氯化镓以足够温度和速率流动，与NH3发生反应，以在基板上形成GaN。
据一个实施方式，如图10A中所示，例如，盖160的气体出口面166的半径R可在大约4英寸(10.16cm)和大约6.5英寸(16.51cm)之间，诸如，大约4.5英寸(11.43cm)。
如图10B中所示，例如，突出部168的第一宽度S可在大约1英寸(2.54cm)和大约3英寸(7.62cm)之间，诸如，大约1.650英寸(4.19cm)。例如，垂直于第一宽度S的第二宽度T可在大约0.6英寸(1.52cm)和大约2.5英寸(6.35cm)之间，诸如，大约0.925英寸(2.35cm)。例如，盖160的与气体出口面166相对的那侧的突出部168的拐角的半径U可在大约零英寸(0cm)(即，锐角拐角)和大约0.25英寸(0.64cm)之间，诸如，大约0.13英寸(0.33cm)。发散肋170可从突出部168的拐角起至少基本上连续地延伸。例如，在发散肋170中的每个和突出部168之间的交叉线处，突出部168的边缘和发散肋170之间的内径V可在大约零英寸(0cm)(即，锐角拐角)和大约0.5英寸(1.27cm)之间，诸如，大约0.25英寸(0.64cm)。例如，发散肋170中的每个可按大约十五度(15°)和大约四十五度(45°)之间(诸如，大约29.3°)的角度X从突出部168延伸到气体窗口面166。例如，发散肋170中的每个的横向宽度Y可在大约0.5英寸(0.13cm)和大约0.25英寸(0.64cm)之间，诸如，大约0.095英寸(0.24cm)。例如，各发散肋170毗邻盖160的气体出口面166的端部的外表面和对称轴Q之间的距离Z可在大约2英寸(5.08cm)和大约4英寸(10.16cm)之间，诸如，大约3.10英寸(7.87cm)。例如，斜坡式气体出口表面172与底部主表面164交叉的边缘的半径AA可在大约4.2英寸(10.67cm)和大约7英寸(17.78cm)之间，诸如，大约4.850英寸(12.32cm)。
如图10C中所示，例如隆起部174毗邻突出部168的端部之间的内部距离AB可在约0.2英寸(0.51cm)和大约3.5英寸(8.89cm)之间，诸如，大约0.72英寸(1.83cm)。例如，隆起部174中的每个的平行于对称轴Q截取的长度AC可在约1英寸(2.54cm)和大约3英寸(7.67cm)之间，诸如，大约1.97英寸(5.00cm)。例如，隆起部174中的每个的横向宽度AD可在大约0.01英寸(0.03cm)和大约0.125英寸(0.32cm)之间，诸如，大约0.039英寸(0.10cm)。例如，对称轴Q和各隆起部174之间的角度AE可在大约零度(0°)(即，平行于对称轴Q)和大约四十五度(45°)之间，诸如，大约十四点五度(14.5°)。
如图10D中所示，例如，盖160在顶部主表面162和底部主表面164之间的厚度AF可在大约0.05英寸(0.13cm)和大约0.375英寸(0.95cm)之间，诸如，大约0.25英寸(0.25cm)。例如，突出部168和发散肋170可从底部主表面164突出的距离AG可在大约0.02英寸(0.05cm)和大约0.125英寸(0.32cm)之间，诸如，大约0.045英寸(0.11cm)。例如，隆起部174可从底部主表面164突出的距离AH可在大约0.02英寸(0.05cm)和大约0.25英寸(0.64cm)之间，诸如，大约0.145英寸(0.37cm)。例如，盖160与气体出口面166(图10E)相对的端面和突出部168与气体出口面166相对的端部之间的距离AJ可在大约0.25英寸(0.64cm)和大约1英寸(2.54cm)之间，诸如，大约0.520英寸(1.32cm)。例如，斜坡式气体出口表面172的平行于底部主表面164截取的并且从与底部主表面164的交叉处延伸到盖160的气体出口面166的宽度AK在大约0.2英寸(0.51cm)和大约0.5英寸(1.27cm)之间，诸如，大约0.350英寸(0.89cm)。例如，斜坡式气体出口表面172可按大约两度(2°)和大约十五度(15°)之间(诸如，大约七度(7°))的角度AL从底部主表面164延伸到气体出口面166。
盖160可由任何材料形成，该材料可在盖160在操作期间将经受的条件(例如，化学试剂、温度、流速、压力等)下充分保持其形状。另外，盖160的材料可被选定成抑制与抵着和/或沿着盖160流动的气体(例如，前体)的反应。以举例的方式而非限制，盖160可由金属、陶瓷和聚合物中的一种或多种形成。在一些实施方式中，例如，盖160可包含石英材料，诸如，被火焰磨光的透明熔融石英。盖160可在安装到化学沉积腔室内之前被用10％HF酸溶液之后再用蒸馏水和/或去离子水冲洗进行清洁，以减少腔体中的污染物。
如图11A和图11B中所示，底座106、气体注入口124和盖160可被组装在一起。在图11A中，气体注入口124和底座106的部分以及盖160的特征被用虚线示出，因为在图11A的立体图中，这些组件和特征设置在盖160下方。在图11B中，盖160中除了隆起部174之外的部分被去除，以更清楚地示出气体(例如，气态氯化镓)可流动通过的区域。如图11A和图11B中所示，当底座106、气体注入口124和盖160被组装在一起时，气体注入口124的隆起部134可与盖160的隆起部174至少基本上对齐并且与之是连续的。
尽管遮挡式注入器在图11A和图11B中被示出为包括被组装在一起形成遮挡式注入器的分开形成的底座106、盖160和气体注入口124，但本公开不受此限制。例如，底座106、盖160和气体注入口124中的任何两个或全部三个可被形成为整体，基本上如以上参照图5的底座106、盖140和气体注入口124描述的。
图12示出通过组装后的气体注入口124、底座106和盖160(图11A和图11B)气流的CFD模型。为了清晰起见，在图12中只示出气体注入口124、底座106和盖160中的气体沿着其流动的部分。参照图12，气体(例如，氯化镓)可通过气体注入口124的孔126注入，进入表面144、内侧壁130和111和盖160(图11A和图11B)之间的容积中。因为由于内侧壁130和110的发散导致气体膨胀，所以气体的速率会降低，气体可从气体注入口124处相对窄的流动分散成在唇缘146上的相对较宽的流动。
如图12中所示，相比于其中气体注入口104不包括任何隆起部的图1中示出的流动，流出孔126的气体可被气体注入口124的隆起部134以更均匀的方式导向底座106的唇缘146。另外，从气体注入口124流向唇缘146(并最终流向毗邻唇缘146设置的基板)的气体可进一步被盖160(图11A和图11B)的隆起部174引导和分布。隆起部134和174可因此通过将气体导向底座106的中央区域来减小和/或消除图1中示出的死区114。图12的CFD模型示出在隆起部174和底部106的内侧壁110之间，在通过底座106的流中会出现一些气体再循环176。尽管气体再循环176可比图7中示出的气体再循环有所增加，但这种气体再循环176会比图1中示出的气体再循环116少。另外，即使可沿着隆起部174出现一些再循环176，在图12中的唇缘146上退出底座106的气体可比退出图1中的底座106的气体相对更均匀地分布。
图13示出代表由于氯化镓流过包括气体注入口124、底座106和盖160的遮挡式注入器造成的基板108表面上的氯化镓质量分数的CFD模型。图13中示出的轮廓代表具有不同氯化镓质量分数范围的区域178A至178J之间的边界，当从图13的立体图观察时，这些范围是从右到左减小的。因此，区域178A可代表相对最高的氯化镓质量分数范围，相邻区域178B可代表相对第二高的氯化镓质量分数范围，依此类推。最左边区域178J可代表相对最低的氯化镓质量分数范围。如通过比较图13的图表与图2的图表可看出的，图13的图表中的轮廓线表现出在基板上在垂直上下方向(从图的立体图来看)上移动的横向左右方向上的偏差小。
图14示出表明NH3和GaCl3的平均前体质量分数随着距离基板108中央的位置的变化而变化的曲线图，该曲线图是通过使氯化镓流过包括气体注入口124、底座106和盖160的遮挡式注入器得到的。基板108可在HVPE工艺期间旋转，以提高基板108上形成GaN材料的均匀度。因此，通过对基板108上不同位置的前体质量分数数据求平均以估计旋转基板108上的前体质量分数，产生图14的曲线图。
参照图13和图14并结合图12，相比于图1至图3中示出和建模的实施方式，包括隆起部134的气体注入口124和包括隆起部174的盖160(图11A和图11B)可引导氯化镓流过其中，使其更均匀地分布在基板108上。氯化镓质量分数的改善的均匀度可与基板108上形成GaN材料的改善的均匀度相关联。比较图14的曲线图与图3的曲线图，相比于氯化镓被引导通过气体注入口104(图1)时，当氯化镓被引导通过组装后的气体注入口124、盖160和底座106时，基板108上的平均氯化镓质量分数会相对更均匀。因此，在基板108上由流过组装后的气体注入口124、盖160和底座106的前体氯化镓形成的GaN材料的厚度可在基板108上具有改善的均匀度。
尽管具有隆起部174的盖160在图11A至图12中被示出为与具有隆起部134的气体注入口124结合在一起使用，但本公开不受此限制。例如，在一些实施方式中，具有隆起部174的盖160可与底座106和没有任何隆起部的气体注入口104组装在一起。
另外，尽管以上已经参照图4A至图4C将气体注入口124描述为包括从其延伸的隆起部134并且以上已经参照图10B至图10E将盖160描述为包括从其底表面164突出的隆起部174，但本公开不受此限制。举例来说，被描述为从气体注入口124延伸的隆起部134可另选地从图10B至图10E中示出的盖160的突出部168延伸。又如，被描述为从盖160突出的隆起部174可另选地从底部106的表面144突出(图5至图7)。
在一些实施方式中，本公开包括在基板上形成材料(例如，半导体材料，诸如III-V族半导体材料)的另外的方法。再参照图10至图12，气体注入口124、底座106和盖160可如上所述地组装并且被设置在与图1的腔体100类似的化学沉积腔室内。基板108(在图10A中用虚线示出)可毗邻组装后的气体注入口124、底座106和盖160设置。基板108可在腔室内旋转。基板108可被加热至诸如大约500℃以上的升高温度。在一些实施方式中，基板108可被预加热至大约900℃和大约1000℃之间的温度。
第一前体气体(例如，气态氯化镓)可流过气体注入口124中的孔126，进入气体注入口124和设置在气体注入口124上方的盖140之间的空间中，基本上如以上参照图4A至图7描述的。另选地，第一前体气体可流过没有任何隆起部的气体注入口，诸如，图1中示出的气体注入口104。
在第一前体气体流过气体注入口124之后，第一前体气体可从气体注入口124起，在底座106和盖160之间流动，流向基板108。第一前体气体可通过隆起部174中的一个或多个被引导通过底座106，隆起部174发散地沿着盖160从毗邻气体注入口124的位置向着盖160的气体出口面166延伸。隆起部174中的一个可在发散肋170中的第一发散肋和盖160的对称轴Q之间大体居中地设置。隆起部134中的另一个可在发散肋170中的第二发散肋和盖160的对称轴Q之间大体居中地设置。第一前体气体的一部分可被引导成在底座106的第一内侧壁110和相邻隆起部174之间流动，第一前体气体的另一部分可被引导成在隆起部174之间流动，第一前体气体的又一部分可被引导成在底部106的第二内侧壁130和相邻隆起部174之间流动。第一前体气体可被引导成在沿着底部106的弯曲端边缘设置的唇缘146和盖160的斜坡式气体出口表面172之间流动，以退出包括气体注入口124、底座106和盖160的遮挡式注入器。以上，描述第一前体气体可沿着其流动的盖160及其组件的另外特性(例如，大小、形状、材料、角度等)的示例细节。第一前体气体接着可流到基板108上。
基本上如以上描述的，第二前体气体可在第一前体气体的对面并且大体在与第一前体气体的流动相同的方向上沿着盖160(图10A和图10D)的顶部主表面162流动，第一前体气体和第二前体气体可被混合，发生反应并且在基板108上形成材料。使用具有隆起部174的盖160以所描述方式引导第一前体气体流动可使得在基板108上能够形成厚度均匀度改善的材料。
再参照图4A至图7，本公开的遮挡式注入器可包括大体平坦的空间，该空间至少部分由沿着底部106的弯曲端边缘发散地从气体注入口124的孔126向着唇缘146延伸的内侧壁110、130、底部106的至少基本上平坦表面144、盖140的表面限定。隆起部134可设置在该空间内，以发散地从毗邻气体注入口124的孔126的位置向着唇部146延伸。如以上说明的，隆起部134中的每个可设置在遮挡式注入器中的空间内，至少基本上居中地在相邻内侧壁110、130和在相对内侧壁110、130之间的中间延伸的对称轴之间。隆起部134可被确定大小和位置，以引导和分布流过遮挡式注入器的气体，诸如，以将气体的一部分向着遮挡式注入器中的空间的中央区域引导。再参照图10B至图12，本公开的遮挡式注入器中的空间可另选地和/或另外地至少部分由盖160的底部主表面164限定。盖160的隆起部174可设置在该空间内，作为气体注入口124的补充或替代。隆起部174可发散地延伸通过该空间并且可被确定大小并且被设置成引导和分布流过遮挡式注入器的气体，诸如，以将气体的一部分向着遮挡式注入器中的该空间的中央区域引导。
以上描述的本公开的示例实施方式不限制本发明的范围，因为这些实施方式仅仅是由所附权利要求书及其法律上的等同物限定的本发明的实施方式的示例。任何等同的实施方式意图在本发明的范围内。事实上，根据描述，对于本领域的普通技术人员，诸如所描述元件的替代可用组合的本公开的各种修改形式(除了本文中示出和描述的修改形式之外)会变得清楚。这种修改形式和实施方式还意图落入所附权利要求书的范围内。

Claims (11)

1.一种遮挡式注入器，该遮挡式注入器包括：
气体注入口，该气体注入口包括主体、贯穿所述主体延伸的孔以及毗邻所述孔的后壁；
内侧壁，这些内侧壁从所述后壁向着所述遮挡式注入器的气体出口延伸；以及
两个隆起部，所述两个隆起部用于引导气流流过所述遮挡式注入器，所述两个隆起部均从毗邻所述孔的位置向着所述气体出口延伸，所述两个隆起部被设置在所述内侧壁之间，
其中，所述内侧壁从所述后壁向着所述气体出口发散地延伸，
其中，所述两个隆起部从毗邻所述孔的所述位置发散地延伸到所述气体注入口的正面，
其中，所述孔、所述后壁、所述内侧壁和所述两个隆起部关于对称轴对称，并且
其中，所述两个隆起部中的各隆起部居中地设置在所述内侧壁中的邻近的内侧壁和所述对称轴之间。
2.根据权利要求1所述的遮挡式注入器，其中，所述两个隆起部中的各隆起部以相对于所述对称轴成零度(0°)和四十五度(45°)之间的角度从毗邻所述孔的所述位置向着所述气体出口延伸。
3.根据权利要求1所述的遮挡式注入器，其中，所述后壁与所述孔相切。
4.根据权利要求1所述的遮挡式注入器，其中，所述气体注入口由石英构成。
5.根据权利要求1所述的遮挡式注入器，所述遮挡式注入器还包括底座和盖。
6.根据权利要求5所述的遮挡式注入器，其中，所述气体注入口、所述底座和所述盖中的至少两者被形成为整体。
7.一种在基板上形成材料的方法，该方法包括：
使第一前体气体流过遮挡式注入器，该遮挡式注入器包括气体注入口、底座和盖；
引导所述第一前体气体的一部分流过所述遮挡式注入器的中央区域，其中，在所述气体注入口的内侧壁之间形成有所述气体注入口的两个隆起部；以及
使所述第一前体气体流出所述遮挡式注入器并且向着毗邻所述遮挡式注入器设置的基板流动，
其中，所述两个隆起部关于对称轴对称，发散地从毗邻所述气体注入口的位置向着所述盖的气体出口侧延伸，并且
其中，所述两个隆起部中的各隆起部居中地设置在所述内侧壁中的邻近的内侧壁和所述对称轴之间。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
使第二前体气体在所述第一前体气体的对面沿着所述盖的主表面流动；以及
使所述第一前体气体和所述第二前体气体发生反应以在所述基板上形成材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
使第一前体气体流过遮挡式注入器包括：引导氯化镓穿过所述遮挡式注入器；
使第二前体气体在所述第一前体气体的对面沿着所述盖的主表面流动包括：使氨沿着所述盖的所述主表面流动；并且
使所述第一前体气体和所述第二前体气体发生反应以在所述基板上形成材料包括：在所述基板上外延地生长氮化镓材料。
10.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：引导所述第一前体气体的所述一部分流过所述遮挡式注入器的所述中央区域，其中，在所述盖的表面上形成有两个附加的隆起部，并且所述两个附加的隆起部从毗邻所述气体注入口的位置向着所述盖的气体出口侧延伸。
11.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：在使所述第一前体气体流过所述遮挡式注入器之前，将所述第一前体气体加热至五百摄氏度(500℃)以上的温度。
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