CN1392595A - 化学汽相淀积设备和化学汽相淀积方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种制备半导体膜的化学汽相淀积设备,所述的设备包括装有以下设备的卧式反应管:支承衬底的基座、加热衬底的加热器、使送入反应管的配料气体的进料方向基本上与衬底平行的方式配置的配料气体引入段以及反应气体排出段,以及在面对衬底的反应管壁上还有加压气体引入段,其中在配料气体气路的上游侧加压气体气路的至少一部分的结构是这样的,以致从加压气体引入段的所述部分提供的加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。在这里还公开了一种使用所述设备的化学汽相淀积方法。从而甚至在大型衬底进行化学汽相淀积或多件衬底同时进行化学汽相淀积的情况下或在高温下,也可制得有良好结晶度的均匀半导体膜。

Description

化学汽相淀积设备和化学汽相淀积方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备半导体膜的化学汽相淀积设备和一种用于制备半导体膜的化学汽相淀积方法。更具体地说,本发明涉及这样一种化学汽相淀积设备和化学汽相淀积方法:通过从配料气体送入反应管的进料方向基本上与衬底平行的方式配置的卧式反应管的气体引入段将配料气体引入到衬底上,使具有良好均匀性和结晶性的半导体膜在已加热的衬底上有效地进行汽相外延生长。
背景技术
近年来,氮化镓系列化合物半导体例如作为发光二极管或激光二极管元件的需求主要在光通信领域迅速增长。作为一种制造氮化镓系列化合物半导体的方法,这样一种化学汽相淀积方法通常是已知的:使用有机金属气体例如三甲基镓、三甲基铟或三甲基铝等作为第III族金属源和氨作为氮源,通过汽相外延生长在精心放置在反应管中的青玉等衬底的表面上生成氮化镓系列化合物的半导体膜。
同时,作为一种生产氮化镓系列化合物半导体的设备,有这样一种包含卧式反应管的化学汽相淀积设备,它包含支承衬底的基座、加热衬底的加热器、使送入反应管的配料气体的进料方向与衬底平行的方式配置的配料气体引入段以及反应气体排放段。在有这种卧式反应管的化学汽相淀积设备中,采用这样一种化学汽相淀积方法:用以下步骤通过汽相外延生长在衬底的表面上生成半导体膜:将衬底放在反应管中的基座上;在用加热器加热衬底后,沿平行于衬底的方向送入含配料的气体。在这样一卧式反应管中,存在这样一些问题:不能得到均匀的和良好结晶度的半导体膜;或者由于在衬底周围的热对流引起的配料气体扩散和不能有效达到衬底,汽相外延生长的生长速率滞后。但是,近年来,通过在面对衬底的反应管壁上装备加压气体引入段以及通过竖直朝向反应管内的衬底送入不影响载气等反应的加压气体,开发了改变配料气体朝衬底方向流向的化学汽相淀积设备或化学汽相淀积方法。
据报导,根据这一技术,通过按配料气体的种类和流速适当控制加压气体的流速以及衬底的加热温度等制得有良好结晶度的半导体膜。但遗憾的是,根据所述的化学汽相淀积设备或所述的化学汽相淀积方法,存在许多种不利情况,因为垂直送入气流,即含配料的气体和加压气体在衬底上彼此混合,有易于产生气流扰动的倾向,加压气流的控制困难。
例如,在大型衬底上进行汽相外延生长或在多件衬底上同时进行汽相外延生长的情况中,难以在宽的衬底区域内送入均匀密度的配料气体。此外,在用上述三甲基镓、三甲基铟或三甲基铝作为配料进行汽相外延生长的情况中,因为作为衬底的加热温度,1000℃或更高的高温是必要的,在衬底上产生复杂的气流,也使气流难以控制。
发明内容
所以,本发明的一个目的是提供这样一种使用卧式反应管的化学汽相淀积设备或化学汽相淀积方法,甚至在大型衬底上进行汽相外延生长(epitaxy)或在多件衬底上进行同时汽相外延生长的情况下,或通过调节高温进行汽相外延生长的情况下,能有效地使具有良好均匀性和结晶度的半导体膜在衬底上进行汽相外延生长。
为了达到所述的目的,由于本发明人积极地反复研究,已发现通过在配料气体气路的上游侧朝配料气体气路下游侧斜下方向或水平方向送入至少一部分从加压气体引入段提供的加压气体,可减轻含配料的气体和加压气体在衬底上混合产生的气流扰动。本发明在这些发现的基础上完成。也就是说,本发明提供这样一种制备半导体膜的化学汽相淀积设备,所述的设备包括这样一卧式反应管,它装有用于支承衬底的基座、用于加热衬底的加热器、使送入反应管的配料气体的进料方向与衬底基本上平行的方式配置的配料气体引入段以及反应气体排放段,此外在面对衬底的反应管壁上还有加压气体引入段,其中在配料气体气路上游侧至少一部分加压气体引入段的结构是这样的,以致由加压气体引入段的所述部分提供的加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。
此外,本发明还提供这样一种在衬底上制备半导体膜的化学汽相淀积方法,所述的方法包括以下步骤:在卧式反应管中的基座上安装衬底,用加热器加热衬底、以送入反应管的气体进料方向基本上平行于衬底的方式送入含配料的气体以及从面对衬底的反应管壁上的加压气体引入段送入加压气体,所述方法的特征在于,在配料气体气路的上游侧将至少一部分从加压气体引入段提供的加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。
附图说明
图1为说明本发明化学汽相淀积设备的一实施方案的垂直剖面图;
图2为用于将加压气体斜下方向或水平方向送入的加压气体引入段结构的垂直剖面图;
图3为用于将加压气体斜下方向或水平方向送入的加压气体引入段和用于将加压气体朝衬底向下送入的加压气体引入段分布实施例的平面图。
具体实施方式
本发明用于制备半导体膜的化学汽相淀积设备和化学汽相淀积方法通过以下步骤来进行半导体膜的汽相外延生长:将衬底支承在卧式反应管内的基座上,用加热器加热衬底,以送入反应管的气体进料方向基本上与衬底平行的方式送入含有配料的气体以及从面对衬底的反应管壁上的加压气体引入段送入加压气体。
本发明的化学汽相淀积设备结构的特征在于,在配料气体气路的上游侧至少一部分加压气体引入段是这样的,以致从加压气体引入段的所述部分提供的加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。
此外,本发明的化学汽相淀积方法的特征在于,在配料气体气路的上游侧,从加压气体引入段提供的至少一部分加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。
在本发明用于制备半导体膜的化学汽相淀积设备和化学汽相淀积方法中,对于衬底的种类、尺寸和数量或对配料气体的种类、流速等没有任何特别的限制。但是,就衬底来说,特别是在直径为4英寸或更大的大型衬底进行汽相外延生长的情况下或在6件衬底同时进行汽相外延生长的情况下等,从能够减少在宽的衬底区域内由于热对流产生的气体扰动或配料气体扩散的观点看,本发明所提供的优点将被充分认识到。衬底的典型例子是青玉、SiC和大块氮化镓等。
此外,就配料气体的种类来说,特别是需要在1000℃或更高的衬底加热温度下进行汽相外延生长的情况下,从能够在宽的衬底区域内减少热对流产生的气体扰动或配料气体扩散的观点看,本发明所提供的优点将被充分认识到。
应用这些配料气体的化学汽相淀积方法的典型例子是使用三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝或三乙基铝作为第III族金属源和使用氨、单甲基肼、二甲基肼、叔丁基肼或三甲基胺作为氮源的氮化镓系列化合物半导体的汽相外延生长。
将参考图1-3进一步详细描述本发明的化学汽相淀积设备,它们不限制本发明的范围。
图1为说明本发明化学汽相淀积设备的一个实施方案的垂直剖面图。正如图1所示,本发明的化学汽相淀积设备包含装有以下设备的卧式反应管1:衬底2、用于支承和旋转衬底的基座3、用于加热衬底的加热器4、使送入反应管的配料气体的进料方向与衬底基本上平行的方式配置的配料气体引入段5以及反应气体排放段6,同时在面对衬底的反应管壁上还装有加压气体引入段7,以及在配料气体气路的上游侧加压气体引入段7的至少一部分9的结构是这样的,以致将加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。
在本发明的化学汽相淀积设备中,将加压气体引入段7配置到这样一位置,在那里含配料气体的气体接受从加热器产生的热作用。所以,虽然视含配料气体的气体流速、加热器的位置、汽相外延生长的温度、卧式反应管的尺寸和形状等而定,加压气体引入段7的位置不能无条件地限制,但通常这样配置它的位置,以致加压气体引入段的中心在相应于基座中心的位置12的附近。此外,加压气体引入段的轮廓或截面通常为圆形或椭圆形,其截面积为基座表面积的0.5-5倍左右。
根据本发明,通过使用卧式反应管来进行半导体膜的汽相外延生长的情况下,虽然希望将加压气体从加压气体引入段送入反应管,但当加压气体的流速较小的时候,担心防止在衬底周围由热对流产生的配料气体的扩散的作用会减弱,以及当加压气体的流速较大时,担心对衬底上半导体膜的汽相外延生长产生坏的影响。但是,根据本发明,因为在配料气体气路的上游侧由加压气体引入段提供的加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入,有可能通过消除上述担心有效地进行具有良好均匀性和结晶度的半导体膜的汽相外延生长。
图2为本发明用于将加压气体朝配料气体气路的下游侧的斜下方向或水平方向送入的加压气体引入段9的结构的垂直剖面图。在本发明中,虽然对该设备的结构等或用于斜下方向或水平方向送入加压气体的加压气体引入段的供气开口没有特别地限制,但设备13连接到供气开口,例如在图2(A)和2(B)中说明的,或采用如图2(C)中所示的供气开口结构。
此外,就气体引入段9来说,对于所有的气体供气开口来说,不必都有提供斜下方向或水平方向加压气体的结构,例如正如图2(D)中所示,可能配置带有向下朝向衬底送入加压气体的结构的气体供气开口。
图3为说明本发明带有使加压气体斜下方向或水平方向送入的供气开口的加压气体引入段的分布例子的平面图。在图3中,配料气体的流向为从左到右。在本发明的化学汽相淀积设备中,上述供气开口的结构可为图3(A)中所示的带斜线的半圆形区域,它等分加压气体引入段的上流侧和下流侧,以及例如可为图3(B)中所示的带斜线的弧形区域,图3(C)中所示的带斜线的扇形区域,图3(D)中所示带斜线的凸透镜形区域或图3(E)中所示带斜线的新月形区域。
此外,正如图3(F)所示,也可采用加压气体朝下游侧的送入方向逐渐地或连续地从水平方向向竖直方向变化的分布。也可采用逐渐地或连续地改变所述供气开口对加压气体引入段整个面积比的分布。通过上述的配置,加压气体从配料气体气路的上游侧到下游侧的送入方向可从水平方向平滑地变化到竖直方向。
此外,在本发明的化学汽相淀积设备中,就斜下方向或水平方向送入加压气体的加压气体引入段9来说,如图1所示,通常相邻配置将加压气体向下朝向衬底送入的加压气体引入段8,但是不限于此,加压气体引入段9可与加压气体引入段8分开配置,例如在配料气体气路上游1-5厘米处。
另外,在本发明的化学汽相淀积设备中,作为加压气体引入段的结构材料,虽然没有任何特别的限制,但通常使用带有微孔的多孔石英板,因为配料气体的分解产物或反应产物难以沉积。至于微孔的尺寸,虽然没有特别的限制,但通常为0.1至3毫米、更希望0.3至2毫米,因为在直径较大的情况下,担心影响配料气体的均匀流出,而另一方面,在直径太小的情况下,由于压降增加,因而不能得到所需的气体流量。
在本发明中,配料气体引入段的结构可采用有一个配料气体引入隔板的供气开口结构的化学汽相淀积设备或采用分隔成有隔板或喷管的上气体气路和下气体气路结构的化学汽相淀积设备。分隔成有隔板或喷管的上气体气路和下气体气路结构的典型例子是带有用于提供含有三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝或三乙基铝的气体的配料气体引入段的上气体气路和带有用于提供氨、单甲基肼、二甲基肼、叔丁基肼或三甲基胺的下气体气路的化学汽相淀积设备。
其次,将详细描述本发明的化学汽相淀积方法。本发明提供了这样一种在衬底上制备半导体膜的化学汽相淀积方法,所述的方法包括以下步骤:以送入反应管的进料方向基本上与衬底平行的方式送入含配料的气体;以及从面向衬底的反应管壁上的加压气体引入段送入加压气体,所述方法的特征在于,在配料气体气路的上游侧,从加压气体引入段提供的至少一部分加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。在本发明的化学汽相淀积方法中,虽然从加压气体引入段送入的加压气体的流速经调整,以便减少在衬底附近由热对流产生的配料气体的扩散,而同时不对半导体膜在衬底上的汽相外延生长产生坏影响,但优选进行这样来控制,以便使从加压气体引入段提供的含配料气体的气体在不改变方向的条件下通过衬底。
所以,虽然加压气体的进料方向和流速通常不受限制,因为它们与加热器的位置、汽相外延生长的温度、卧式反应管的尺寸或形状等有关,但是一般来说,在配料气体气路的上游侧中加压气体的平均进料方向对配料气体气路的方向倾斜15-75度,而衬底每相同表面积的加压气体的平均流速优选为含配料的气体流速的1/30至1/3、更希望1/10至1/4。
至于所述的衬底的表面积,规定为在化学汽相淀积下衬底棱边表面表示的最外轮廓的轨迹围绕的面积。此外,至于在本发明的化学汽相淀积方法中使用的加压气体,没有特别的限制,只要对汽相外延生长反应没有影响就行,可使用惰性气体,例如氦、氩等,或者氢、氮等。
在本发明的化学汽相淀积方法中,为了有效地进行半导体膜在衬底上均匀的汽相外延生长,衬底的旋转是希望的。此外,本发明的化学汽相淀积方法可广泛应用于从相对低的温度(约600℃)作为衬底的最高加热温度到相对高的温度(1000℃或更高)的温度范围下的化学汽相淀积。在本发明的化学汽相淀积方法中,卧式反应管中的内压可为常压、减压或压缩状态,例如0.1MPa/cm2G。
在本发明中,配料气体指在晶体生长时作为晶体构成元素进入晶体的元素提供源的气体。视要生长的半导体膜的种类而定,配料气体的种类是不同的。通常使用金属氢化物例如胂、膦、硅烷等;有机金属化合物例如三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝等;氨;肼;烷基胺等。此外,作为含配料气体的气体,还可使用用气体例如氢、氦、氩、氮等稀释配料气体后的气体。
根据本发明的化学汽相淀积设备和化学汽相淀积方法,在使用卧式反应管的汽相外延生长中,甚至在大型衬底上进行汽相外延生长或在多件衬底上同时进行汽相外延生长的情况下,或者在高温下通过调整进行汽相外延生长的情况下,都有可能有效地使具有良好均匀性和结晶度的半导体膜在衬底上进行汽相外延生长。
熟悉本专业的技术人员还应认识到,上面的描述是本发明的一个优选实施方案,以及在不违背本发明的精神实质和范围的条件下可作出各种变化和改变。
在以下的实施例中描述了具体说明本发明的几个优选实施方案;但是应当认识到,本发明不限于这些具体的实施方案。
实施例1
[化学汽相淀积设备的准备]
准备了主要由类似图1所示的化学汽相淀积设备结构的由石英制成的卧式反应管组成的化学汽相淀积设备。该设备的内部尺寸为宽280毫米(加压气体引入段)、高20毫米和长1500毫米。基座和加热器为外径260毫米的圆形,在基座的中心安装有一件衬底以及基座的四周安装有5件间隔相同距离的衬底,总计6件衬底,直径2英寸,用于同时处理。
此外,以图2(B)所示的弧形部分水平送入加压气体的方式组装的带有圆形轮廓的加压气体引入段使用石英玻璃烧结体制备。弧形部分的面积为整个加压气体引入段的1/10。
此外,调整每单位面积加压气体引入段的加压气体进料量,使每一点相等。此外,加压气体引入段的微孔部分的面积为衬底面积的2倍。
[化学汽相淀积实验]
使用上述设备,用以下步骤在直径为2英寸的青玉衬底上进行GaN的晶体生长。将青玉衬底固定在基座上,用氢气置换反应管内的物料以后,同时从配料气体引入段的上气体气路送入65升/分氢气,通过将衬底加热到1150℃使衬底热处理10分钟,同时通过加压气体引入段的微孔送入20升/分的氢气。
随后,将衬底的温度降到500℃,一直到它稳定为止。然后从配料气体引入段的下气体气路送入氨和氢的混合气(氨40升/分、氢10升/分),而从配料气体引入段的上气体气路送入含三甲基镓的氢气(三甲基镓240微摩尔/分、氢50升/分)。50升/分氮气通过加压气体引入段同时送入,而GaN的低温汽相外延生长进行5分钟。
在低温生长层生成以后,停止送入三甲基镓并将温度升至1100℃,一直到它稳定为止。然后再次从配料气体引入段的上气体气路送入含有三甲基镓的氢气(三甲基镓240微摩尔/分、氢50升/分),顺序从微孔送入50升/分氮气,从而使GaN的汽相外延生长进行60分钟。制备过程中,基座以12转/分旋转,而衬底以36转/分旋转。用这一方法使汽相外延生长重复5次。
[GaN膜的评价等]
在汽相外延生长结束后,观察是否有固体物质粘附到面向衬底的反应管壁上。因此不考虑固体物质的粘附。接着取出衬底,测量GaN膜的厚度分布,并评价厚度的均匀性。因为在外延生长过程中衬底自动旋转,所以从衬底中心向边缘的方向测量膜厚的分布。
对基座中心的1件衬底和基座四周的5件衬底测量的膜厚和变化范围列入表1。此外,为了评价生长膜的结晶质量和电特性,关于6件衬底的X射线衍射((002)面的半值宽)和空穴测量(迁移性)的结果也列入表1。
在这里,有关基座四周衬底的数值为5件衬底的平均值,在实施例2和以下的实施例中采用同样的规定。
实施例2
用石英玻璃烧结体制成有实施例1相同结构的化学汽相淀积设备,不同的是,以图2(D)所示的凸透镜形部分水平送入加压气体的方式组装的带圆形轮廓的加压气体引入段取代原加压气体引入段。凸透镜形部分的形状为与带有加压气体引入段的外周边中心的加压气体引入段有相同尺寸的圆形轨迹和加压气体引入段的周边围绕的形状。凸透镜形部分的面积为整个加压气体引入段面积的1/10。
按实施例1相同的方式进行汽相外延生长实验和GaN膜的评价,不同的是使用这一实施例的化学汽相淀积设备。结果列入表1。
实施例3
使用石英玻璃烧结体制成有实施例1相同结构的化学汽相淀积设备,不同的是以弧形部分为实施例1两倍以对水平方向倾斜45度送入加压气体的方式组装的带圆形轮廓的加压气体引入段取代原加压气体引入段。按实施例1相同的方式进行汽相外延生长实验和GaN膜的评价等,不同的是使用这一实施例的化学汽相淀积设备。结果列入表1。
实施例4
用石英玻璃烧结体制作有实施例1相同结构的化学汽相淀积设备,不同的是如图2(F)所示从上游侧至下游侧加压气体的进料方向逐渐从水平方向变化到竖直方向的方式组装的带圆形轮廓的加压气体引入段取代原加压气体引入段。加压气体的进料方向相对于水平方向倾斜60度或30度,而引入段的面积都为整个加压气体引入段面积的1/10。
按实施例1相同的方式进行汽相外延生长实验和GaN膜的评价等,不同的是使用这一实施例的化学汽相淀积设备。结果列入表1。
对比例1
使用石英玻璃烧结体制作有实施例1相同结构的化学汽相淀积设备,不同的是用加压气体全部向下朝向衬底送入的方式组装的带圆形轮廓的加压气体引入段取代原加压气体引入段。按实施例1相同的方式进行汽相外延生长实验和GaN膜的评价等,不同的是使用这一对比例的化学汽相淀积设备。结果列入表1。
                        表1-1
加压气体引入段的形状 加压气体的进料方向 衬底的位置    膜厚(微米)
实施例1   图2(B) 水平方向     中心     1.24
  (1/10)     周围     1.15
实施例2   图2(D) 水平方向     中心     1.23
  (1/10)     周围     1.31
实施例3   图2(B) 45度     中心     1.13
  (1/5)     周围     1.09
实施例4   图2(F)     30度60度     中心     1.32
  (1/5)     周围     1.26
对比例1 竖直方向     中心     0.93
    周围     0.86
                            表1-2
厚度变化范围(%) X射线衍射的半值宽   空穴性(cm2) 固体的粘附
实施例1     1     318     204
    2     309     207
实施例2     1     280     209
    1     272     202
实施例3     2     321     192
    1     326     201
实施例4     1     271     215
    1     277     213
对比例1     2     350     183
    2     366     188
在表1中,在“加压气体引入段的形状”列括号中的数字表示斜下方向或水平方向送入加压气体的部分面积与整个面积的比率。
从上述结果可以得出,根据本发明的化学汽相淀积设备和化学汽相淀积方法,在不受衬底位置影响的条件下在需要1000℃或更高的高温的GaN汽相外延生长中,不管衬底是在基座的中心部分或者在基座的周围部分,都制得均匀的和优良电特性的GaN膜。

Claims (10)

1.一种制备半导体膜的化学汽相淀积设备,所述的设备包含一装有以下设备的卧式反应管:用于支承衬底的基座;用于加热衬底的加热器;使送入反应管的配料气体的进料方向基本上与衬底平行的方式配置的配料气体引入段;以及反应气体排出段,以及在面对衬底的反应管壁上还有加压气体引入段,其中在配料气体气路的上游侧至少一部分加压气体引入段的结构是这样的,以致从加压气体引入段的所述部分提供的加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。
2.根据权利要求1的化学汽相淀积设备,其中所述加压气体引入段的轮廓为圆形或椭圆形。
3.根据权利要求1的化学汽相淀积设备,其中所述的至少一部分加压气体引入段的结构为半圆形、弧形、扇形、凸透镜形或新月形。
4.根据权利要求1的化学汽相淀积设备,其中设备为在基座上安装有多件衬底的设备。
5.根据权利要求1的化学汽相淀积设备,其中设备为在基座上安装有直径为4英寸(约101.6毫米)或更大的大型衬底的设备。
6.根据权利要求1的化学汽相淀积设备,其中设备为在配料气体引入段中的气体气路分隔成有隔板或喷管的上气体气路和下气体气路的设备。
7.根据权利要求6的化学汽相淀积设备,其中配料气体引入段中的上气体气路为用于提供含三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝或三乙基铝的气体的气路,而配料气体引入段中的下气体气路为用于提供氨、单甲基肼、二甲基肼、叔丁基肼或三甲基胺的气路。
8.一种在衬底上制备半导体膜的化学汽相淀积方法,所述的方法包括以下步骤:将衬底安装在卧式反应管中的基座上,用加热器加热衬底,以送入反应管的气体的进料方向基本上平行于衬底的方式送入含配料的气体以及从面对衬底的反应管壁上的加压气体引入段送入加压气体,其特征在于,在配料气体气路的上游侧从加压气体引入段提供的至少一部分加压气体以斜下方向或水平方向朝配料气体气路的下游侧送入。
9.根据权利要求8的化学汽相淀积方法,其中所述衬底的最高加热温度为1000℃或更高。
10.根据权利要求8的化学汽相淀积方法,其中通过使用三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟、三甲基铝或三乙基铝作为第III族金属源和使用氨、单甲基肼、二甲基肼、叔丁基肼或三甲基胺作为氮源,使氮化镓化合物半导体进行化学汽相淀积。
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