CN1387233A - 制造ⅲ－ⅴ族化合物半导体的方法和系统及ⅲ－ⅴ族化合物半导体 - Google Patents

制造ⅲ－ⅴ族化合物半导体的方法和系统及ⅲ－ⅴ族化合物半导体 Download PDF

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Abstract

在利用MOCVD制造化合物半导体的半导体制造系统中,引入装置用于将从原料气供应单元提供的原料气引导到放置在反应炉中的半导体衬底的表面,引入装置的主体被构成为空腔装置的形式,以形成用于将以指定方向传导原料气的原料气引导通路,同时,它由许多小孔构成,并且原料气引导通路中的原料气以垂直于所述指定方向的方向从小孔中喷射出来,从而将半导体衬底浸泡在引入装置以这种方式喷射出来的流量均匀的原料气流之中。此外,在喷嘴装置的内侧和外侧之间产生的压力差使从喷嘴装置喷射出来的原料气以均匀的流速在衬底的整个表面流动。多种原料气被单独引导到衬底附近,吹气将多种原料气吹向衬底,以利于所需的薄膜晶体。

Description

制造III-V族化合物半导体的方法和系统 及III-V族化合物半导体
技术领域
本发明涉及用于制造III-V族化合物半导体的方法和系统以及III-V族化合物半导体，所述方法和系统能够使汽相淀积形成的薄膜化合物半导体的晶体生长层具有均匀的厚度。
技术背景
在制造各种化合物半导体器件时，通常的方法是使用半导体单晶片，它是通过利用氢化物VPE(汽相外延)工艺、金属有机物化学汽相淀积MOCVD工艺、或其它类似的工艺在衬底上连续地堆叠所需的单晶层而形成的，其中氢化物VPE工艺利用V族原料中诸如AsH3或PH3等氢化合物生长晶体外延层，金属有机物化学汽相淀积MOCVD工艺靠热分解金属有机络合物来生长外延晶体层。
例如，大部分常规的使用MOCVD工艺的半导体制造系统通过单一供应口向MOCVD反应炉中提供原料气。在这种常规技术中，从供应口向置于反应炉中用于生长单晶薄膜层的衬底供气的步骤是使原料气沿反应炉中衬底的上升方向经过一个相对较长的距离以得到具有足够均匀的流速和原料浓度的原料气层流。
另一方面，也开发出了能缩短衬底和原料供应口之间距离的反应炉，这种炉中使用多孔平板作为供应口，并将衬底放在多孔平板的对面。
但是，在上述的常规结构中，为了实现具有均匀流速和所需浓度的原料气层流，需要让原料气在相当长的距离上接触高温的反应炉的炉壁。这样就带来了一系列的问题，例如晶体的纯度会降低，因为从炉壁吸收的热会使原料过早分解，还有原料使用效率下降。
更有甚者，由于向反应炉供气是经由反应炉中适当形成的单一进口，这样导入的原料气由于流路的不均匀性容易形成不平衡的流动。这从而引起各种问题，包括外延汽相淀积在半导体衬底上形成的外延晶体层厚度不均匀。另外，当采用多孔平板类型的供应口时，由于实质上不可能调节原料供应速度，因此保证沉积膜的厚度足够均匀是困难的。
例如在利用半导体单晶片制造LED器件的情况下，外延晶体层的均匀厚度对减小利用晶片制造的LED中波长和功率特性的分散度至关重要。但是，由于沉积层的这种不均匀性，在整个半导体单晶片上形成具有相同特性的LED是困难的。这样会增加成本，因为必须设置例如检查所制造的LED特性并将它们按特定用途分类的工序。
在使用所述各种不同的外延汽相淀积工艺形成所需的化合物半导体单晶层时，其外延晶体层的质量强烈地影响最终半导体器件的特性。
为了使整个衬底上形成的外延晶体层的厚度均匀，关键点是必须使供给反应炉的原料气的流速在整个衬底表面上均匀一致。但要做到此点是困难的，因为炉中安装在基座上的衬底，被例如高频感应加热控制维持在所需的生长温度。因为这一温度很高，至少在600℃左右，引入到反应炉中的原料气流被热扰动。因此要在衬底表面达到均匀一致的气流是极度困难的。尤其是在涉及生长温度高达1000℃或更高的高温制程中，这一点特别明显，例如在制造GaN系LED的晶片时的情形就是如此。
在将单独供应的原料气混合起来在衬底上形成需要的混合晶体沉积的情形下，为了制造III-V族半导体单晶片，连续地在半导体或其它合适的衬底上堆叠所需要的单晶薄膜层，晶片的制造采用氢化物汽相外延(HVPE)、金属有机物化学汽相淀积(MOCVD)、或其它类似的工艺，其中所述HVPE工艺利用V族原料中诸如AsH3或PH3等氢化合物生长外延晶体层，所述MOCVD工艺靠热分解金属有机络合物生长外延晶体层。
当用上述方法之一制造基于GaN的III-V族化合物半导体单晶片(例如，InGaAlN晶片)时，将预先控制到适当温度的衬底置于反应炉中，将用于掺杂的III族原料气，V族原料气和II族原料气从外部供气源引入到反应炉内，这些原料气的混合体被引导到衬底上面，以在衬底上形成所需的晶体生长。
但是，众所周知，当用前述的HVPE或MOCVD方式制作III-V族化合物半导体时，反应炉中的高温(700℃-1100℃)会引起V族物质和由III族和/或II族原料构成的金属有机络合物之间到达衬底之前发生副作用。例如III族原料三甲基铟(TMIn)和V族原料膦(PH3)之间以及III族原料三甲基镓(TMGa)和V族原料氨(NH3)之间的过早分解会引起副作用。
在形成由GaN晶体和AlN晶体组成的混晶的情况下如所述方式在不同的III-V族化合物半导体之间产生副作用，形成的晶体薄膜的合成物与预期的化合物不相称，因为作为AlN物质提供的三甲基铝和作为掺杂物提供的双乙基环戊二烯镁(EtCp)2Mg)被副作用消耗了。另外，晶体沉积率明显减小的问题也会出现。更有甚者，当副作用发生时，副作用的产物作为晶核在衬底上导致异常粒子生长。由于这种异常生长会降低晶体质量，因此要确定衬底上的薄膜晶体层稳定和有效生长的条件变得十分困难，从而又引出其它问题。
另外，由于副作用降低晶体沉积的速度，形成的晶体薄膜变薄。而副作用的产物会大量地沉积在反应炉上游侧。这样会增加反应炉的维护成本，因为需要更多时间和人力去频繁地清除这些沉积。
当例如需要制作高质量的薄膜晶体层时，采用的一种常规方法是通过按照需要向反应炉内分别供应原料气，在薄膜晶体沉积以前抑制副作用的发生。
但是，当不同种类的原料气被分别供应给半导体或其它衬底时，所提供的原料气的混合程度不够。这样会导致多种不方便，例如所需合成物的薄膜晶体不能沉积到预定厚度。例如在沉积基于GaN的薄膜晶体时，原料气不充分的混合当然降低了沉积速度，另外还会致使混晶中Al、In和其它除Ga以外的III族元素的含量降低，以及，在增加作为掺杂物的II族元素时，降低了晶体沉积速度和/或降低了II族元素结合的效率。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种化合物半导体制造系统和化合物半导体制造方法，这种方法和系统克服了所述先有技术的各种问题，并提供具有高质量半导体薄膜层的化合物半导体。
本发明的另一个目的是提供化合物半导体制造系统和制造化合物半导体的方法，这种系统和方法能向衬底提供形成高品质的半导体薄膜层的原料气。
本发明的另一个目的是提供化合物半导体制造系统和制造化合物半导体的方法，这种系统和方法能向衬底提供不发生非平衡流的原料气。
本发明的另一个目的是提供化合物半导体制造系统和制造化合物半导体的方法，这种系统和方法能向衬底提供不发生过早分解的原料气。
本发明的另一个目的是提供化合物半导体制造系统和制造化合物半导体的方法，这种系统和方法能以使各种原料气充分混合的方式向衬底提供原料气。
本发明的另一个目的是提供化合物半导体制造系统和制造化合物半导体的方法，这种系统和方法能在保证多种气体充分混合的情况下向衬底提供多原料气的均匀流。
为了克服上述问题，开展了一系列针对原料气供应系统的深入研究。基于这些研究所获得的结果，发明人发现，通过改进原料供应，以建立一个不同于先有技术的原料供应系统，能解决这些问题。本发明由此而实现。
本发明通过提供用MOCVD工艺制造半导体化合物的半导体制造系统克服了先有技术的各种不足，其中引入装置用于将从外部提供的原料气引导到放置在反应炉中的半导体衬底的表面，该引入装置由空腔装置组成，原料气在这个空腔装置中被引导到垂直于气流流动的方向上，并且均匀地从这个垂直方向上喷射出来，从而将半导体衬底浸泡在引入装置喷射出来的流量均匀的原料气流之中。
本发明的第一方面提供了一种化合物半导体制造系统，它装备了原料气供应单元和反应炉，所述反应炉从所述原料气供应单元接受原料气并通过金属有机物的热分解在半导体衬底上形成薄膜晶体层，该半导体制造系统的特征在于其中包括：在反应炉中提供的引入装置，用于向半导体衬底表面传递从所述原料气供应单元接收的原料气，其中引入装置包含一个中空通道，用来将从原料气供应单元传送来的原料气引导到指定的第一方向上；以及一个喷气嘴，用来将来自中空通道的原料气喷射到所述第二方向，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向，半导体衬底被浸泡在从喷气嘴射出的原料气流中。
根据上述用于制造化合物半导体的化合物半导体制造系统，由适当空腔装置构成的引入装置的使用能保证从构成喷气嘴的一个/多个孔射出的原料气被供应到半导体衬底，所述空腔装置中的一个/多个孔排列为条状或环状。因此，通过将衬底浸泡于喷嘴射出的原料气之中来影响晶体的生长，可以获得高度均匀的晶体生长。所述引入装置很容易由冷却装置进行冷却。由于这种方式能够使原料气供应口比常规系统更接近晶体生长现场，因此原料气的温度可被控制并且与先有技术相比，原料气能够以更新的状态被送到晶体生长现场从而提高了晶体的纯度并改善了原料使用效率。
本发明的另一方面提供了一种化合物半导体制造系统，它装备有反应炉和原料气供应单元，它通过使用安装在反应炉中的喷嘴单元将所述原料气供应单元来的原料气泻放到置于反应炉中的衬底上，从而能够采用外延汽相淀积工艺制造化合物半导体。该半导体制造系统的特征在于，在喷嘴单元的喷气嘴装置的内侧和外侧之间产生压力差。根据上述的制造系统，喷嘴单元的喷气嘴装置的内侧和外侧之间产生的压力差被用来向置于反应炉内的衬底表面引入原料气，使得喷嘴单元喷出的原料气以均匀的流速流过衬底表面。
本发明的又一方面提供一种制造III-V族化合物半导体的方法，该方法将多种原料气送入到反应炉内，反应炉中装有要在其上形成薄膜晶体层的衬底，以及通过氢化物汽相外延或金属有机物热分解等工艺在衬底上沉积出薄膜晶体层，这种方法的特征在于其中包括：单独地引导多种原料气到衬底附近，利用单独引导到反应炉中的吹气来混合出现在衬底附近的多种原料气，然后将混合原料气吹向衬底的步骤。
由于多种原料气是被分别引导到衬底附近的，因此它们到达衬底附近时一直保持着一种适当的状态，没有过早分解以及在到达衬底前发生副反应。用这种方法到达衬底附近的多种原料气被所述吹气吹向衬底，所以，它们在这一时刻第一次混合并与衬底表面接触。因此，所需薄膜晶体能很好地沉积在衬底表面。
本发明的再一方面提供了一种制造III-V族化合物半导体的系统，这种系统适合于引入多种原料气到反应炉中，该反应炉中设置有衬底，在衬底上用氢化物汽相外延或金属有机物热分解工艺形成薄膜晶体层，这种系统的特征在于其中包括：反应炉中提供的一个引入装置和在引入装置的输出口处提供的一个吹气装置，所述引入装置向反应炉中引入多种原料气，并分别引导它们到达衬底附近，它也被用于将反应炉外部所提供的吹气引导到衬底附近，所述吹气装置用来在从引入装置出来的多种原料气被混合后将所述吹气吹向所述多种原料气，以将它们吹向衬底。
以下参考附图对最佳实施例的详细描述，将会帮助更好地理解本发明，它的其它一些目的和优点也会更加明显。
附图说明
图1示意的是作为本发明的一个实施例的半导体制造系统的原理图。
图2是图1中反应炉的细节的局部放大图。
图3是图2中的喷嘴单元的放大透视图。
图4示意了利用挡板来产生压力差的压差产生机制的结构的截面图。
图5示意了提供多级多孔板的结构的示例的截面图。
图6示意了采用图1中的半导体制造系统制造的发光二极管器件的结构的截面图。
图7示意了衬底面内的位置和所制造的如图6所示的发光器件的亮度之间的关系。
图8中的原理图示意了本发明的另一个实施例的半导体制造系统。
图9是图8所示引入装置的放大透视图。
图10是图9中沿A-A线的截面图。
图11示意了图8所示引入装置的一种修改的透视图。
图12中的原理图示意了本发明的另一个实施例的半导体制造系统。
图13是图12所示引入装置的放大透视图。
图14显示了根据本发明制造的实例以及比较实例中测量到的晶片膜厚度分布的结果。
图15显示了根据本发明制造的另一实例中测量到的晶片膜厚度分布的结果。
图16显示了根据本发明制造的另一实例中测量到的晶片膜厚度分布的结果。
图17示意了根据本发明制造的发光二极管的光功率分布测量结果。
图18示意了作为本发明的又一实施例的半导体制造系统的原理图。
图19是图18的基座的正视图。
图20是能处理多片衬底的基座的正视图。
图21示意的是当使用本发明的气体供应方法时，GaN层的沉积速度是如何改善的。
图22示意的是当使用本发明的气体供应方法时，GaN层的合成是如何改善的。
图23示意的是当使用本发明的气体供应方法时，掺镁的GaN层的衬底板上的均匀厚度。
图24示意的是没有使用本发明的气体供应方法时，掺镁的GaN层的衬底板上的不均匀的厚度和沉积速率的下降。
具体实施方式
图1示意的是作为本发明的一个实施例的半导体制造系统的原理图。半导体制造系统1是用于制造适当的化合物半导体晶片、例如基于GaN的III-V族化合物(如InGaAlN)半导体，或基于GaAs的III-V族化合物半导体晶片的系统。它装备有反应炉2和给反应炉2提供原料气的原料气供应单元3。
反应炉2包含主体21，以及主体21中的基座22，其中基座22上设置有衬底S。基座22被设置在主体21之外表21A上的高频感应加热线圈23所加热，给线圈提供的加热电流来自于加热电源(未示出)。高频感应加热线圈23将设置在基座22上的衬底S加热到需要的温度。
原料气供应单元3装备有原料气供应管线31，用于将汽态原料输送到主体21的进气口21B。被用作载气的氢气以恒压从氢气供给源(未示出)送入原料气供应管线31的输入端31A。原料气供应管线31上连接有起泡器32、33、34，这些起泡器将用于衬底S上的汽相淀积的原料汽化，并将这些汽化原料送入原料气供应管线31。
起泡器32的温度由恒温槽32A进行调节。由质量流量控制器32B控制流速的氢气经管路32C注入到起泡器32中所包含的原料A，以泡化进而汽化原料A。起泡器32和原料气供应管线31之间通过断流阀32D上的管路32F和与之串连的流速控制阀32E互相连接。当断流阀被打开时，由起泡器中形成的汽态原料A和作为载气的氢气形成的混合气体以可调流速被注入到原料气供应管线31。
装备有另一断流阀32G的排气管线32H被连接在充有指定压力的氮气的排气管线35和断流阀32D与流速控制阀32E的连接点之间。当断流阀32D被关闭时，从流量控制阀32E来的原料气逸入到废气管线35。断流阀32D、32G的开通与闭合受过程控制单元(未示出)的控制，以保证在一个闭合时另一个开通。这种机制可以实现在指定的时间从流量控制阀32E向原料气供应管线31供应指定时限的气体。
用于汽化原料B和C的起泡器33、34在结构上和起泡器32相同。起泡器33、34的部件对应于起泡器32的部件32A-32H，它们分别被编号为33A-33H和34A-34H，同时不再对它们进行解释。
起泡器32、33、34中按前述方法产生的每种原料气被相关的流量  控制阀控制，以指定的压力送出。生成每层薄膜所需要的原料气量可以在需要的时间通过控制断流阀32D、32G、33D、33G、34D、34G的开通和相关断流阀32D、33D、34D的开/关注入到主体21。原料气被传送到主体21。原料气在被送入主体21后立即在衬底S的表面附近开始热分解，以引起衬底上的外延晶体生长。
图2是示意图1所示反应炉的结构细节的放大图。主体21具有双层结构，并采用水冷方式。具体地说，通过位于主体21顶部的冷却剂供应口21D提供的冷却剂冷却主体21的整个外表面，并从冷却剂泻放口21E排出。
衬底S靠衬底支架24被安装在基座22上。在如图2所示的结构中，每次只能处理一片衬底。但是，该基座22可以被更换成另一种能用相同安装方法安置多片衬底的基座。供应口21B被连接到喷嘴单元25，该单元用来将从原料气供应单元3送来的原料气引导进入主体21内，并用均匀流速向衬底S的整个表面供气，以形成外延晶体层。
如图3所示，喷嘴单元25包含引导原料气的原料气管装置26和位于原料气管装置26下游端的环形空腔喷嘴装置27。喷嘴装置27的下盘27A是一个开有许多相对较小直径的孔28的多孔板。
由于这种结构，原料气流经原料气管装置26，在下盘27A上的孔28处被节流，所以在喷嘴装置27的内侧和外侧之间产生了压力差。由于所有圆孔28处排出的原料气的流出压力基本一样，因此置于基座22上的衬底处的原料气流是均匀的。因此，衬底S上形成的外延晶体层的厚度在衬底S的整个表面上基本上是相同的。
在图3所示的结构中，喷嘴单元27的下盘27A中通过形成多个小孔28配置的多孔板被用于在喷嘴装置27的内侧和外侧之间产生原料气中的压差。但是，也可以用其它一些装置建立这种压差。
图4示意了通过在喷嘴单元25中的原料气流道中提供挡板，从而在喷嘴单元25的内侧和外侧之间产生所需的压差的配置。在这种压力差产生装置中，多层挡片29交替地布置在原料气管装置26中，布置的方法如图所示。这种结构靠对喷嘴单元25内部原料气流施加流体阻力来产生所需的压差。放置了多层挡板29时，进口管装置26的出口26A中排出的原料气可以直接提供给衬底S的表面。合适的喷嘴装置上可以提供出口26A，以将原料气传递到衬底S的表面。
利用挡板29的压力差产生装置和利用喷嘴装置27的下盘27A上形成的多孔板的压力差产生装置可以结合起来使用。
在图3所示的结构中，通过在喷嘴装置27的下盘27A中形成许多小孔28得到的多孔板被用来在喷嘴单元27的内侧和外侧之间产生原料气压力差。在喷嘴装置27的底部，可以采用2个或多个这种类型的多孔板。
图5示意了具有多个这种类型的多孔板的喷嘴装置的配置的例子。图5所示的喷嘴装置30具有外底部装置30A，其中有形成多孔板的数个相对较小尺寸的小孔31，同时喷嘴装置30中还提供了与外底部装置30A分离的内底部装置30B。内底部装置30B上有数个小孔32，小孔32相对于外底部装置30A上小空31有一个偏移量，从而不会与它们对齐。与只提供一级的情况相比，第二级多孔板的提供增加了压力差并将流速的均匀性提高到了一个更高的水平。
喷嘴单元25中所提供的用于产生压力差的装置可使原料气以均匀流速传递到衬底S的整个表面，这一点反过来又保证衬底S的整个表面上形成的外延晶体层在衬底S的整个表面上的均匀一致。因此，利用半导体单晶片制造的LED或其它半导体器件为几乎没有分散性的相同器件，其中所述半导体单晶片是通过在衬底S上连续地形成所需的外延晶体层的方式制得的。因此，就LED器件而言，亮度和波长的一致性得到了保证，并且这些特性中的不规则性可以被有效的抑制。
[实例]
用之前所述的半导体制造系统1制造发光器件。发光器件具有如图6所示的结构。在图中，51是衬底，52是GaN缓冲层，53是硅掺杂的高温GaN层，54是硅掺杂的低温GaN层，55是InGaN层，56是AlGaN层，57是镁掺杂的GaN层，58是P极，以及59是n极。III-V族化合物半导体是用金属有机物化学汽相淀积法制作的。
用氮稀释的硅烷(SiH4)被用来作硅掺杂中的n型杂质，同时甲基-环-戊-烯-镁((C2H5C5H4)2Mg；在下文中被称为(EtCp)2Mg)、被用来作镁掺杂中的P型杂质。
将C面研磨到为镜面光洁度的蓝宝石用有机溶剂清洗后被用作衬底51。采用能处理单片两英寸衬底的基座并在膜沉积期间一直使其旋转。反应炉的喷嘴上装备了如图5所示的两极多孔板，以产生压力差和建立均匀气流。
首先反应炉和衬底用将氢气作为载气的1100℃气体氯化氢进行清洁，清洁完毕时，TMG和氨被送到温度为550℃的衬底上，以形成厚度为50nm(毫微米)的GaN缓冲层52。
衬底的温度提升到1040℃同时三甲基镓((CH3)3Ga；在此以后有时被简称为TMG)，氨和硅烷等气体被送来生长GaN层53至3μm厚。对GaN层进行硅掺杂，以形成浓度为1×1018/cm3的n型载流子。在相同的温度下生长一层厚度为150nm的非掺杂GaN层(未示出)。硅掺杂层和非掺杂层的沉积速度为50nm/min。
衬底的温度降至775℃，将载气换为氮气，三乙基镓((C2H5)3Ga；在下文中有时简称为TEG)、氨和硅烷气被送来生长硅掺杂的GaN层54到17nm厚。然后，TEG、三甲基铟((CH3)3IN；在下文中有时简称为TMI)和氨被送来沉积InGaN层55、即发光层到3nm的厚度。所述GaN和InGaN层沉积重复四次。
TEG、三甲基铝((CH3)3Al；在下文中有时被称为TMA)和氨被送来沉积AlGaN层56，即保护层到6nm的厚度。
曾经被拿掉的衬底重新送回反应炉中并用镁掺杂的AlGaN层进行沉积，即保护层、到44nm的厚度。然后将衬底的温度上升到1060℃，并且通过供应TMG、(EtCp)2Mg和氨进行镁掺杂的GaN层57的沉积，到200nm的厚度。
从反应炉中取出以前述方式制造出来的III-V族化合物半导体样品，并将之放置在800℃的氨中退火20分钟，使得掺镁的GaN层成为低阻值的P型层。如是得到的样品用常规制程用电极形成，以得到发光二极管(LED)。镍-金合金用来制作P极58，铝用作n极59。当给LED通上正向电流时，它发出发射波长为460nm的清晰光线。在20mA应用电流下，基片中心的亮度为0.7cd。在图7中被标示为符号A所示，发光亮度在衬底面内表现出极好的均匀性。
(比对实例1)
以同样的方式重复前述的实例，只除了喷嘴单元的多孔挡板的开孔直径做得很大，以致于不能建立大的压力差，并且衬底不旋转。
制造出发光二极管，并且给LED加上正向电流。如图7中符号B所示，发光强度在衬底表面表现出不均匀的分布。
图8示意了本发明的实施例的半导体制造系统的原理图。半导体制造系统60是用于制造适当的化合物半导体，比如基于GaN的III-V族化合物(如InGaAlN)半导体或基于GaAs的III-V族化合物半导体晶片。它装备有反应炉61和用来给反应炉61提供原料气的原料气供应单元62。
反应炉61包括由石英管等构成的主体63，以及其上可以放置衬底S的基座64。基座64由安装在主体63中的诸如高频感应加热线圈或红外线灯的基座加热单元65进行加热。基座加热单元65将置于基座64上的衬底S加热到所需的温度。
原料气供应单位62是一个常规结构的单元，用来向反应炉61提供它通过MOCVD工艺在衬底S上形成单晶薄膜层所需的原料气。从原料气供应单元62来的原料气通过原料气供应管线66送到主体63中提供的进口67，用于接收原料气。
在主体63内，提供的引入装置68被连接到进口67，用来将送到进口67的原料气按上述方式以每单位长度均匀地数量输送到衬底S的表面。从引入装置68来的原料气在主体63内以Y方向流通，用过的原料气从反应炉61送到废气处理器69进行处理，处理后的气体经排气口70排放到大气中。
引入装置68将参考图9和10进行详细的讨论。引入装置68包括主体71，它由一个空心的条状装置组成。主体71的内腔被隔板72、73沿着主体71内的长度方向划分成三个部分，继而形成上冷却剂通道74，下冷却剂通道75以及原料气引导通路76(中空导路)。
参考编号77表示用于从进口67向主体71传导原料气的管道装置。它的一端77A连到主体71，以便和主体71的原料气引导通路76相通，它的另一端77B连接进口67。因此，从进口67供应到主体63的原料气经由管道装置77送到主体71中的原料气引导通路76。
为了使按所述方式传送到原料气引导通路76的原料气能够从引入装置68的主体71均匀地喷向衬底S，主体71的前壁71A上有许多小孔78，这些小孔将原料气引导通路76和外部连通。这些小孔78按指定间距沿着主体71的轴向(箭头X所示意的方向)分布。在本实施例中，小孔78的形式是规则间隔的圆形截形的的精密通孔。用所述方式供应到主体71的原料气引导通路76中的原料气，在原料气引导通路76中沿X方向流动，再从这些小孔78中以垂直于X的方向，即Y方向，喷射出来，并供应到衬底S上。小孔78的数量和间距都是规定的，以保证用于衬底S上进行膜沉积的原料气量，即从小孔78喷射出来的原料气量在衬底的X方向上的单位长度上是均匀的。只有这样，衬底S才能均匀地浸泡在引入装置68的小孔78喷射的原料气之中。
从冷却剂供应单元98供出的冷却剂在上冷却剂通道74和下冷却剂通道75内循环，从而构成用于控制主体71的温度的冷却系统。
在本实施例中，从冷却剂供应单元98来的冷却剂经由管路98A送入上冷却剂通道74，以及经过上冷却剂通道74的冷却剂通过另一个管路98B送到下冷却剂通道75。然后，经过下冷却剂通道的冷却剂通过管路98C送回冷却剂供应单元98，同时在冷却剂流经热交换器(未示出)使其温度下降以后，所述冷却剂再一次被送道上冷却剂通道74。这种结构能有效地防止原料气引导通路76中的原料气被基座加热单元65加热到一个高的温度时伴随产生的过早分解和其它缺点。
当半导体制造系统60按所述的方式构成时，引入装置68保证从原料气供应单元62来的原料气在X方向上以每单位长度上均匀量传送到衬底S的表面。所以，衬底S浸泡在均匀的原料气流中，保证了衬底S的表面上有高度均匀的晶体生长。另外，由于引入装置68可以利用冷却剂冷却引入的气体的事实，原料气的温度可以被冷却/控制，从而气体在从进口67到小孔78传送时不会被过早分解。由于原料气因此能够以比以前的更新的状态被送到衬底上的晶体生长现场，不仅是衬底上形成的晶体纯度被大大增加，而且原料的利用效率也获得了改进。
热分解用过的原料气经由主体63的排气口79通过排气管线80传送到废气处理器69。
在前述的实施例中，用于喷射原料气的小孔78采用孔的形式，即精密通孔。但小孔78不限于这种形式。一种具体的可用于替代通孔的形式是一种相当窄的窄缝的形式。当小孔78采用孔(通孔)形式时，通孔的尺寸、间距、方向等可被选择为调整调整主体71供出的原料气流的一致性的参数。
此外，排列通孔的方法可以从前述的沿X方向分布的单排排列更改为二行或更多行的排列。
图11示意了一种引入装置82的修改型式，其中原料气喷嘴的形式是缝隙形的孔81。在这种情况下，孔81的缝隙宽度W在X方向不必是一致的。孔81的缝隙宽度W可以大致定义成它在X方向上位置的某种函数，以便将主体71供出的原料气流均匀化。另外，缝隙的数量也没有必要是一个，也可以是二个或多个。
无论喷气的孔是通孔还是狭缝，孔78或孔81都可以实现为一种由里向外逐渐变宽的截面形状，或与之相反，由里向外逐渐变窄；以保持由里向外的恒定宽度，它在里外之间是突起的，或与之相反，在里外都较宽，在中间较窄。另外，通孔型孔78和缝型孔81可以混合配置以起到喷嘴的功用。
当孔78采用通孔形式时，孔可以是各种形状，例如圆形、三角形或方形。但是，如图9所示，从通孔可以用较好的精度来形成这一点考虑，圆形小孔是最可取的。决定通孔的直径时，可以综合考虑原料气的粘度和其它特性以及需要供应的原料气量等因素。尽管通孔的实际直径依赖于原料气的种类和流速，但在圆形通孔的情况下，其内径可取的是0.01mm至5mm。但通孔的内径小于0.01mm时，无法实现足够的加工精度。当它大于5mm时，通过通孔供应的原料气很难在X方向保持均匀。考虑到所述这些条件，通孔的内径最可取的是在0.1mm到2mm，最最可取的是在0.5mm到1mm。
当喷嘴采用缝形孔81时，缝宽W的决定应该考虑诸如原料气流速的粘度和其它特性这样一些因素。尽管实际的缝宽W取决于原料气的种类和流速，它更可取的是在0.01mm到5mm。当缝宽度小于0.01mm时，无法实现足够的加工精度。当它大于5mm时，从主体71供应的原料气难以在X方向上保持均匀。考虑到所述这些条件，缝宽W最好在0.1mm到2mm，最最好的值是0.5mm到1mm。
在前述实施例中，从引入装置向反应炉供应的原料气只经过了一组小孔。但是作为另一种方案，可以在引入装置内形成一组或多组额外的孔，让原料气经过这二组或多组孔进入反应炉。通过多组孔传送原料气的结构更容易实现均匀的原料气流。
尽管上面对各种类型的喷气嘴结构中的每一种都进行了讨论，但是用来形成用于喷射原料气的孔78、81的方法可以选自于诸如常规的激光切割、超声波切割、电子束切割、钻孔等方法。在形成一个/多个孔之后，最好能通过电解抛光、机械化学抛光等方法抛光孔78、81的切割面，因为平滑的切割面可以抑制杂质进入原料气中，原料气与孔板78、81的内壁发生反应，以及其它的这种反作用。
在某些情形下，原料中的成分相互会起反应，在这种情况下，不同的原料成分的传送应在没有被混合时尽可能的接近衬底S。当采用引入装置68时，可以很容易地分别为各个原料成分提供引入装置。用这种方法，不同的原料气能容易地在没有混合的情况下传送到非常接近于衬底。因此，具有本发明各项优点的半导体制造系统能被实现。
图12示意了本发明的另一个实施例。图12所示的半导体制造系统90与图8所示的半导体制造系统相似，除了它的反应炉91与反应炉61有不同的结构。所以图12中只给出了反应炉91，其它组件都被省略了。
反应炉91是垂直结构型，其中衬底S基本上被垂直地置于主体92中配备的基座93上。主体92采用双层壁结构，并且是水冷方式的。具体地说，通过位于主体92底部的冷却剂供应口92A供应的冷却剂冷却主体92的整个外表面，并且从位于主体92上部的冷却剂排放口92B排出。图12示意了多片衬底以均匀的间距安放在基座93上的例子。
引入装置94被连接到主体92的进口92C上。引入装置94引导来自于原料气供应单元62、经原料供应管线66注入到主体92之中的原料气，并以单位长度均匀的气量将原料气沿着基座93的外表面供应道衬底S的表面，以在衬底S上形成外延晶体层。
如图13所详示的，引入装置94包括一个腔型环状主体95和用于将经进口92C的原料气传导到主体95的管道装置96。管道装置96由方型管道材料构成，并且有一进口端96A连接到进口92C。在它的出口侧装备有四个以90度间隔方向分布的出口支管96B-96E。四个出口支管96B-96E被连接到主体95的环形后壁95A上，以连通在管道装置96中形成的环形空腔(未示出)，以形成一个中空导路进行X方向的原料气传导。管道装置96将从进口92C传递到主体95的原料气传送到主体95，原料气在主体95的环形方向中相隔90度方向进入主体95。
管路装置96的截面形状没有必要一定是方形的，它可在各种合适的形状中适当的选择。出口支管的数目没有必要是四个，可以选择任何适当数量的出口支管并将它们连接到进口主体95。另外，尽管在图8和12所示的实施例中引入装置68、94和相关的反应炉61、91是分开制造的，但是引入装置68、94也可以和反应炉61、91集成在一起制造，作为反应炉的外壳的一部分。
为了保障用所述方式进入主体95的原料气均匀地从主体95喷向衬底S，主体95的环状前壁95B由多个小孔97形成，用于在垂直于X方向的Y方向上向外部排放出现在主体95内空腔中的原料气。多个小孔97在主体95的轴向(用箭头X表示的方向)上在预定间距以通孔的形式提供。在本实施例中，小孔97的形式是规则间隔的圆形截面的精密通孔。用前述方法向主体95提供的原料气由管路装置96中的环形空腔导引到环形方向(X方向)，继而从孔97沿着衬底S的表面向下(在Y方向上)传递，换句话说，原料气以基本上垂直于主体95中的原料气流的方向的方向(Y方向)从主体95排放出来。
小孔97的形式是在环形前壁95B的环形方向按规则间距排列的精密通孔。孔的数量和间距是规定的，从而保证为在衬底S上膜沉积所提供的原料气量，即从孔97喷射出的原料气量在主体95的环形方向上的每一片衬底的单位长度上是均匀的。衬底S与主体95的孔97平行对齐。所以，衬底S能够浸泡在从引入装置94的主体95喷射出来的原料气中。
由于半导体制造系统90是按上述方法构造的，引入装置94能保证来自原料气供应单元62来的原料气以单位长度的均匀气量输送到衬底S的表面。衬底S与引入装置94的小孔97平行对齐的衬底S被浸泡在均匀的原料气流中，从而保障衬底S的表面上高度均匀的晶体生长。跟引入装置68类似，引入装置94也被配置成能用冷却剂冷却原料气，所以原料气的温度可以被冷却/控制，从而原料气在从进口92C流动到孔97中不会发生过早分解。由于这种结构能保证送到衬底上的晶体成长现场的原料气比先有技术中的进行处于更加新鲜的状态，这不仅能明显地增强衬底S上形成的晶体的纯度，也能改善原料的使用效率。
热分解用过的废气经排气管线80从主体92的排气口92D排放到废气处理器69。
下面将对有关根据本发明配置的半导体制造系统的情况的实例进行描述，以在蓝宝石衬底上形成外延晶体薄膜层以及在GaAs衬底上形成外延晶体薄膜层。
(实例2)
在图12中所示的半导体制造系统90中放置数片50mm直径的蓝宝石衬底并将所需原料气从引入装置94的小孔97供应到蓝宝石衬底上。生长温度设定到550℃。利用三甲基镓(TMG)和氨、用氢作为载气，沉积出厚度为50nm的氮化镓(GaN)缓冲层。
停止供应TMG，温度提升到1060℃，恢复供应TMG以生长GaN。在沉积完成后立即停止TMG的供应并且开始冷却。衬底在生长过程中转动和旋转。当温度达到600℃时，也停止氨的供应。在完全冷却后，反应炉中的气体用氮置换，同时取出衬底。所有衬底表现出镜面。测量衬底上沉积的膜的厚度并评估其均匀性。结果显示在图14中。
图14中的水平坐标表示从蓝宝石衬底中心到边缘的距离，并且该图显示出蓝宝石衬底上外延晶体生长层上表现出的从中心到边缘的厚度变化中膜厚度的正规化分布。
(例3)
图8示意了半导体制造系统60的反应炉61中所设的预先沉积了GaN的蓝宝石衬底，在已有的GaN层上生长了另一层GaN层。第二层CaN层的生长利用了TMG和氨，其中将氢气作为载气。半导体制造系统1每次只能处理一片衬底。在第二层GaN层沉积的过程中，蓝宝石衬底一直转动。当沉积完成以后，评估新长出部分的厚度均匀性。结果显示在图14中。
(对比实例2)
为了和实例2和3作比较，用常规系统在蓝宝石衬底上生长GaN层。为此，去掉实例3所用的系统中的引入装置68，系统被配置为直接从上面向蓝宝石衬底吹送原料气。蓝宝石衬底被水平设置在基座上。在其它方面，配置和生长条件跟实例2是相同的。评估所获得的GaN层的厚度的均匀性。结果显示在图14中。
从图14中显示的测试结果可以看出，利用根据本发明配置的半导体制造系统制造出来的外延薄膜生长层的厚度均匀性明显的优于常规系统制造出生长层(对比实例2)。
(实例4)
在图12中所示的半导体制造系统90中设置的数片150mm直径的衬底上生长外延薄膜层。将氢气用作载气，用TMG、TMA(三甲基砷)和AsH3作为原料。在670℃温度的条件下，在各个GaAs衬底上生长出厚度为50nm的AlGaAs层(Al：0.5)，在此之后，供应TMG和砷来沉积GaAs层在完全冷却后，反应炉91中的气体被置换为氮气，并且移出GaAs衬底。在每片GaAs衬底上的部分区域形成光阻材料保护膜，并且仅仅将GaAs层的暴露部分用柠檬酸腐蚀掉。再用丙酮去除光阻材料，用接触阶梯式量规测量对应于GaAs层部分台阶的高度。结果显示在图15中。图15中的水平轴表示衬底上从边缘到中心的距离。从图15可以看出，获得了良好面内均匀性。
(实例5)
使用实例4中采用的半导体制造系统，在150mm直径的GaAs衬底上生长组合厚度为1050nm的GaAs和AlGaAs层状结构。在该层上再生长出一层13nm厚的InGaAs单量子阱层(single quantum welllayer)(ln：0.15)和组合厚度为152nm的GaAs和AlGaAs层状结构。冷却后，反应炉91中的气体被置换为氮气，并取出GaAs衬底。测量所制样品的荧光光谱，发现从InGaAs量子阱中发出的光具有984nm的中心谱长，峰值波长在整个衬底面上的标准偏差为0.75nm。
(实例6)
使用实例4中采用的半导体制造系统，用TMG、TMI(三甲基铟)和膦作原料，在一个150mm直径、650℃的GaAs衬底上生长250nm的InGaP层。接着用TMG和砷生长24nm的GaAs层。冷却后，反应炉91中的气体被置换为氮气，移出GaAs衬底。用X射线衍射法测量晶格常数，并评估铟成分在InGaP层上的面内分布。结果显示在图16中。从图16可以看出，铟成分获得了良好的面内均匀度。
(实例7)
使用实例2中采用的系统，利用5次重复3nm厚的InGaN和15nm厚的GaN形成多量子阱，在2英寸蓝宝石衬底上的n型GaN上依次生长AlGaN层和P型GaN层。用获得的外延衬底制作发光二极管。在20mA的驱动电流下，按衬底直径方向测量光功率。结果示意在图17中。从图17中可以看出，发光功率的分布高度一致，即使在边缘地区也是如此。
如前所述，根据本发明，由条形或环形的适当空腔装置组成的引入装置以及提供的喷气嘴能使供给半导体衬底的原料气在单位长度上有均匀的气量。因此，通过影响置于喷嘴所提供的气流包围下的衬底上的晶片生长，能得到高度均匀的晶体生长。由于引入装置很容易被冷却，并且原料气供应口可以安装到比常规技术更接近晶体生长的地方，因此到达晶体生长点的原料气比以前更新鲜，从而增加了晶体纯度并改善了原料的使用效率。
图18中原理图描述的是作为本发明的一个实施例的半导体制造系统。半导体制造系统101是用来制造适当的化合物半导体晶片，例如基于GaN的III-V族族化合物(如InGaAlN)半导体或基于GaAs的III-V族族化合物半导体晶片的系统。它装配有反应炉102和向反应炉102供气的原料气供应单元103。
原料气供应单元103的构成本质上和图1所示的单元3是一样的，但单元103有一点不同于单元3：每种气体在没有混合的情况下被送入反应炉102。但是，由于原料气供应单元在各种原料气没有被混合的情况下将它们供应给反应炉102是已知的，因此图18中没有表示出原料气供应单元103的细节。
反应炉102包括主单元104，主单元104内提供的级105以及安装在级105上的基座106，同时衬底S通过支架107附在基座106上(参见图19)。衬底S被设置在基座106之内或之外的某种适当的热源(未示出)经过基座106而加热，因而衬底可以被维持在所需的温度上。可以通过红外加热器或电阻加热器进行加热。它也可以通过高频发生器在基座中产生感应电流来加热。
图18所示的系统一次只能处理一片衬底S。但是，如图20所示，可以通过采用与用于单衬底的基座一样的基座106，只除了将之构造成多面体，多面体的面数与可以附着的衬底S的数量相同。因此，可以附着的衬底数量没有限制，可以采用保证安装适当数量的衬底S的结构。支架107上可以提供旋转机构。此外，当采用多面体基座时，可以在级105上装备转动机构，以将基座作为一个整体围绕多面体的中心转动。
主体104具有两重壁体结构，并且采用水冷方式。具体地说，通过在主体104上部提供的冷却剂供应口108所提供的冷却剂冷却主体104的全部或部分外壁，并从冷却剂排放口109排放出来。在图18中，冷却剂经过的通道用剖面线标识。
在主体104的顶部设置了一个入口110，用来从原料气供应单元103把不同的气体供应到主体104内。原料气供应单元103和入口110用供应管线111连接。
供应管线111的内部是由多条独立通道构成的。原料气供应单元103供出的II族原料气A，III族原料气B，V族原料气C和吹气D是经供应管线111中的分离通道单独地供应到入口110。当采用IV族杂质时，它可以跟其它原料气分开的方式输送到入口110，或也可以在原料气供应单元103和入口110之间跟III族原料气混合在一起输送。当不采用II族杂质时，诸如氢气或氮气的气体经由II族原料气A的供应管线传送。
引入装置112设置在主体104内，用来以前述方式将单独供应给入口110的三种或多种气体分别输送到衬底S的附近，同时维持它们彼此互相隔离。
引入装置112包括管路部分113和吹气混合部分114。管路部分113的构造跟供应管线111的构造相似。它将从入口110接收到的三种或多种气体向前传送到吹气混合部分114，同时保持它们彼此相互分离。因此，管路部分113的内部可以分成多个通道。
为吹气混合部分114提供了圆柱形外壳装置114A。安装在外壳装置114A中的隔板114B在外壳装置114A中形成一个通道空间，用于将管路部分113出来的原料气引导到衬底S的附近。外壳装置114A和隔板114B形成的通道空间被适当的安装了建立四条通路115、116、117、118的分隔排列的分隔器114C、114D、114E。II族原料气C经由通路115输送，III族原料气B经由通路116输送，II族原料气A经由通路117输送，以及吹气D经由最外层的通路118输送。
通路115、116、117、118的吹气口115A、116A、117A、118A位于略高衬底S的位置处。III族原料气B和V族原料气C以分层气流的方式吹向衬底S。
在通路118的吹气口118A处安装有多孔板119。多孔板119上的穿孔指上衬底S的上游的区域。因此，从通路118出来的吹气D通过多孔板119以淋浴的方式吹向衬底S上游的区域。
III族原料气B和V族原料气C以分层的形式流过多孔板119和衬底S之间，当II族元素杂质被导入时，II族原料气和这两种原料气一起流动，同时也在它自己的分层上。从多孔板119吹出来的淋浴状的吹气D首先在这个时候和III族原料气B和V族原料气C进行混合，并且有效地将III族原料气B和V族原料气C的混合气吹向衬底S的表面。
在本实施例中，外壳装置114A的末端延伸到衬底S的下面。因此，由于外壳装置114A包围整个反应区域，由吹气D混合的III族原料气B和V族原料气C有效地接触衬底S的表面，从而保证所需薄膜晶体的有效沉积。
由于上述结构，II族原料气A、III族原料气B和V族原料气C一直到它们到达衬底附近之前，都没有发生副作用。所以，在衬底的表面可以形成所需具有指定成分和厚度的薄膜晶体。用过的气体从排气口120排出，并在废气处理器(未示出)中进行处理。
由于使用吹气D以所述方式分别向衬底S供应原料气，即II族原料气A、III族原料气B和V族原料气C，因此，单独供应的II族原料气A、III族原料气B和V族原料气C在它们即将抵达衬底S之前才被吹气D混合。这样能保证沉积速度的改善，并且也能增强基于GaN的混晶中除了Ga以外的Al、In和其它III族元素的含量。此外，在进行II族元素掺杂时，可以在不降低沉积速度的前提下，提高杂质的结合效率。
本发明现在将结合工作实例进一步解释。但本发明决不限于这些实例。
以下提出的III-V族化合物半导体是用图18所示的半导体制造系统采用有机金属化学汽相淀积法生长的。
双-乙基-环-戊-烯-镁((C2H5C5H4)2Mg；在下文中有时简称为(EtCp)2Mg)被用来在镁掺杂时作P型杂质。
(实例8)
将C面被研磨为镜面光洁度的蓝宝石用有机溶剂清洗后用作衬底。采用能处理单片两英寸衬底的基座，它在整个膜沉积期间旋转。反应炉和衬底首先在1100℃下通过送入氯化氢气体进行清洗，其中氢气是载气。清洁完毕后，三甲基镓((CH3)3Ga；在下文中有时被简称为TMG)和氨气被送到温度为550℃的衬底上，以形成厚度为50nm的GaN缓冲层。衬底的温度被提升到1040℃，供应TMG和氨气，以将GaN层生长到3μm的厚度。沉积速度为50nm/min。
衬底温度下降到750℃，载气切换为氮气，供应三乙基镓((C2H5)3Ga；在下文中有时简称为TEG)和氨气以生长GaN层。
从反应炉中移出衬底。测量膜的厚度并确定沉积速度。如图21中符号A所示，在总流量为30slm时的沉积速度为60nm/min，这里的沉积速度针对所供原料TEG的量进行了标准化。
(对比实例3)
以相同方式重复实例8，只除了不用图18所示的多孔板119。
在750℃下生长GaN层，再将衬底移出反应炉。测量膜的厚度并确定沉积速度。如图21中符号B所示，在总流量为30slm时，沉积速度为20nm/min，它只有使用多孔板时的沉积速度的1/3。如同在实例8中一样，沉积速度针对对所供原料TEG进行了标准化。
(实例9)
将C面被研磨为镜面光洁度的蓝宝石用有机溶剂清洗后用作衬底。采用能处理单片两英寸衬底的基座，它在整个膜沉积期间旋转。反应炉和衬底首先在1100℃下通过送入氯化氢气体进行清洗，其中氢气是载气。完成清洁后，三甲基镓和氨气被送到温度为550℃的衬底上，以形成厚度为50nm的GaN缓冲层。衬底的温度被提升到1040℃，供应TMG和氨气，以将GaN层生长到大约3μm的厚度。沉积速度为50nm/min。
衬底的温度降到750℃，载气切换为氮气，供应TEG、TMA和氨气生长AlXGa1-XN层一小时。
控制TMA和TEG的量，以生长三层具有不同Al和Ga含量比的AlXGa1-XN层。
衬底从反应炉中移出后，对每一片衬底用X射线衍射法检查Al含量。如图22中的符号A所示，衬底的AlXGa1-XN层的铝含量随着TMA供应量成正比地增加。
(对比实例4)
除了不采用图18中所示的多孔板119外，以相同方式重复实例9。
生长完AlXGa1-XN层以后，从反应炉中移出各个衬底，用X射线衍射法检查Al的含量。如图22中的符号B所示，尽管TME的供应量增加，衬底的AlXGa1-XN层的铝含量基本上维持不变。
(实例10)
将C面被研磨为镜面光洁度的蓝宝石用有机溶剂清洗后用作衬底。采用能处理单片两英寸衬底的基座，它在整个膜沉积期间旋转。反应炉和衬底首先在1100℃下通过送入氯化氢气体进行清洗，其中氢气是载气。完成清洁后，三甲基镓和氨气被送到温度为550℃的衬底上，以形成厚度为50nm的GaN缓冲层。
衬底的温度被提升到1040℃，供应TMG和氨气，以将GaN层生长到大约3μm的厚度。沉积速度为50nm/min。
然后供应TMG、(EtCp)2Mg和氨气，以生长掺杂Mg的GaN层一小时。供应的(EtCp)2Mg是用(EtCp)2Mg起泡器中维持在30℃的600ml/min的起泡氢气进行汽化。
按前述方式处理后的衬底被移出反应炉，并对镁掺杂的GaN层的厚度进行测量。如图23所示，Mg掺杂为1×1019/cm3的3μm厚的GaN层均匀地沉积在整个衬底面内。
(对比实例5)
除了不采用图18中所示的多孔板119外，以相同方式重复实例10。
从反应炉中移出生长了镁掺杂GaN层的衬底，测量该层的厚度。如图24所示，沉积速度在衬底面上的变化为在衬底中间部位的厚度0.7μm和在外围的1.5μm之间。沉积速度只有实例10的1/2或更少。所述GaN层掺杂了1×1019/cm3的镁。
在本发明中，由于吹气被用来将单独供应的原料气吹向衬底，因此多种单独供应的气体在刚刚要到达衬底之前进行混合并跟衬底表面有良好的接触。这样保障了沉积速度的提高，也提高了III族元素在基于GaN的混晶中的含量。它也改善了掺杂元素的结合效率。

Claims (30)

1.一种半导体制造系统，它装备了反应炉和原料气供应单元，并且它能够通过利用安装在反应炉中的喷嘴单元将来自所述原料气供应单元的原料气排放到所述反应炉中安装的衬底的表面，从而利用外延汽相淀积工艺制造化合物半导体，
所述半导体制造系统的特征在于：
在所述喷嘴单元的原料气喷嘴装置的内侧和外侧之间产生压力差。
2.如权利要求1所述的半导体制造系统，其特征在于通过在所述喷嘴单元中安装压差产生装置来产生所述压力差。
3.如权利要求2所述的半导体制造系统，其特征在于提供多级所述压差产生装置。
4.如权利要求2或3所述的半导体制造系统，其特征在于所述压差产生装置是安装在所述喷嘴单元的原料气喷嘴装置附近的至少一个多孔板。
5.如权利要求1所述的半导体制造系统，其特征在于为所述反应炉提供冷却系统以冷却所述反应炉的外壁部分。
6.如权利要求2所述的半导体制造系统，其特征在于通过在所述喷嘴单元中安装至少一个挡板构成所述压差产生装置。
7.如权利要求6所述的半导体制造系统，其特征在于在所述喷嘴单元的所述进口喷嘴装置附近安装多孔板。
8.如权利要求6或7所述的半导体制造系统，其特征在于为所述反应炉提供冷却系统以冷却所述反应炉的外壁部分。
9.一种半导体制造系统，它装备了原料气供应单元和反应炉，所述反应炉从所述原料气供应单元接收原料气并通过金属有机物的热分解在半导体衬底上形成薄膜晶体层，
所述半导体制造系统的特征在于其中包括：
在所述反应炉中提供的引入装置，用于向半导体衬底的表面传递从所述原料气供应单元接收的原料气，其中引入装置包含一个中空通道，用来将来自原料气供应单元的原料气引导到指定的第一方向上；以及一个喷气嘴，用来以第二方向喷射来自中空通道的原料气，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向，
所述半导体衬底被浸泡在从喷气嘴射出的原料气流中。
10.如权利要求9所述的半导体制造系统，其特征在于所述引入装置上提供了由所述中空通道和所述喷气嘴构成的条形空腔装置。
11.如权利要求9或10所述的半导体制造系统，其特征在于所述喷气嘴由沿所述第一方向间隔开的多个孔构成。
12.如权利要求11所述的半导体制造系统，其特征在于所述多个孔的间隔是这样设置的、使得从所述多个孔喷射出来的原料气形成的所述气流在所述半导体衬底上是均匀的。
13.如权利要求11所述的半导体制造系统，其特征在于所述孔的形式为通孔。
14.如权利要求9或10所述的半导体制造系统，其特征在于所述喷气嘴由在所述第一方向上延伸的缝隙构成。
15.如权利要求9所述的半导体制造系统，其特征在于所述引入装置内部由至少一条冷却剂通道构成，以传递用于冷却的流经所述中空通道的冷却剂。
16.如权利要求15所述的半导体制造系统，其特征在于在靠近所述中空通道的地方提供至少一条冷却剂通道。
17.如权利要求16所述的半导体制造系统，其特征在于在靠近所述中空通道的地方的相对侧提供两条冷却剂通道。
18.如权利要求9所述的半导体制造系统，其特征在于所述引入装置上提供了由所述中空通道和所述喷气嘴构成的环状空腔装置。
19.如权利要求18所述的半导体制造系统，其特征在于所述喷气嘴由沿所述第一方向间隔开的多个孔构成。
20.如权利要求18或19所述的半导体制造系统，其特征在于所述孔的形式为通孔。
21.如权利要求19所述的半导体制造系统，其特征在于所述多个孔的间隔是这样设置的、使得从所述多个孔喷射出来的原料气形成的所述气流在所述半导体衬底上是均匀的。
22.一种利用权利要求9、10、15、16、18、19或21中的任何一个所述的半导体制造系统的用于制造化合物半导体的化合物半导体制造系统。
23.一种通过将多种原料气引入到反应炉内的制造III-V族化合物半导体的方法，其中在所述反应炉上装有要在其上形成薄膜晶体层的衬底，以及通过氢化物汽相外延或金属有机物热分解工艺在衬底上沉积出薄膜晶体层，所述方法的特征在于其中包括单独地将多种原料气引进到衬底附近并利用单独引导到所述反应炉中的吹气来混合出现在所述衬底附近的所述多种原料气，然后将所述混合原料气吹向所述衬底的步骤。
24.一种制造III-V族化合物半导体的系统，所述系统适合于引入多种原料气到反应炉中，所述反应炉中设置有衬底，在所述衬底上用氢化物汽相外延或金属有机物热分解工艺形成薄膜晶体层，所述系统的特征在于其中包括：在所述反应炉中提供的引入装置和在引入装置的出口处提供的吹气装置，所述引入装置向所述反应炉中引入所述多种原料气，并分别引导它们到达所述衬底附近，它也被用于将所述反应炉外部所提供的吹气引导到所述衬底附近，所述吹气装置用来在从引入装置出来的多种原料气被混合后将所述吹气吹向所述多种原料气，以将它们吹向所述衬底。
25.如权利要求24所述的制造III-V族化合物半导体的系统，其特征在于吹气装置是多孔板。
26.如权利要求24或25所述的制造III-V族化合物半导体的系统，其特征在于还包括用于利用冷却剂冷却所述反应炉的外壁部分的冷却系统。
27.如权利要求24所述的制造III-V族化合物半导体的系统，其特征在于所述引入装置将传递到所述衬底附近的所述多种原料气分层。
28.利用权利要求23所述的制造III-V族化合物半导体的方法制造的III-V族化合物半导体。
29.利用权利要求24或27所述的制造III-V族化合物半导体的系统制造的III-V族化合物半导体。
30.利用权利要求26所述的制造III-V族化合物半导体的系统制造的III-V族化合物半导体。
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