[發(fā)明專利]一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)

有效

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• 申請日: 2014-05-10
• 公開（公告）號: CN103981512A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏武;劉鵬;趙紅軍;張俊業(yè);童玉珍;張國義
• 申請（專利權(quán)）人: 東莞市中鎵半導體科技有限公司;北京大學
• 主分類號: C23C16/455
• 分類號: C23C16/455;C23C16/34
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導體材料生長設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種氫化物氣相外延(HVPE)生長Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(薄膜或厚膜)用的可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)。?

背景技術(shù)

隨著Ⅲ-Ⅴ族膜材料在制造與開發(fā)各種半導體器件中的地位日益顯著，其在新型半導體材料行業(yè)中也備受關(guān)注。然而，半導體薄膜或厚膜的制備廣泛采用氣相外延(VPE)技術(shù)，其中的氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)，因生長速度快、生產(chǎn)成本低等特點，常被用于III族氮化物半導體材料生長，尤其是氮化鎵(GaN)厚膜的生長。?

在傳統(tǒng)的HVPE生長系統(tǒng)中，使用加熱的液態(tài)金屬鎵(Ga)與氯化氫(HCl)氣體在高溫下反應(yīng)生成金屬氯化物作為三族氣體，再由該金屬氯化物氣體和非金屬材料的氫化物氣體(如NH₃)反應(yīng)生成半導體材料晶體(如GaN)，通常情況下，所述反應(yīng)氣體中NH₃始終保持充足量，即反應(yīng)腔體中NH₃分布均勻，生成產(chǎn)物的厚度均勻性及質(zhì)量主要取決于金屬氯化物的分布。而目前的垂直結(jié)構(gòu)HVPE設(shè)備通常采用同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)噴頭，即金屬氯化物生成后從位于中心位置的圓柱噴口噴出，其缺陷在于所述噴口位于整個噴頭的中心位置，容易造成金屬氯化物在待生長襯底的上方呈中心濃度高邊緣濃度低的分布，即金屬氯化物的分布均勻性不可控。并且隨著市場需求的增多，HVPE系統(tǒng)必定需要提高產(chǎn)量，隨著襯底數(shù)量及其面積的進一步增大，傳統(tǒng)的噴口結(jié)構(gòu)更加難以保證反應(yīng)物均勻性，導致GaN生長厚度不均勻。例如，在傳統(tǒng)同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)噴頭下，由于金屬氯化物的分布中心濃度高邊緣濃度低，致使GaN生長厚度沿襯底徑向向外呈遞減趨勢，即襯底中心生長得厚，邊緣生長得薄。?

發(fā)明專利CN201310542018X，公開了一種前驅(qū)物流場控制棒，通過在前驅(qū)物GaCl通道中心添加一個具有不同控制端的控制棒，對前驅(qū)物GaCl流場進行干預(yù)，期望改善襯底上方前驅(qū)物的均勻性，但實驗研究發(fā)現(xiàn)：通過引入控制棒后，GaCl前驅(qū)物均勻性有一定程度的改善，但是在噴頭壁面發(fā)生了副反應(yīng)沉積物，影響著?晶體生長質(zhì)量。因此，對于滿足較大有效襯底面積區(qū)域上GaN晶片高質(zhì)量的生長，仍難以克服前驅(qū)物(如GaCl)在襯底上方分布不均勻的難題(此專利CN201310542018X中前驅(qū)物即為反應(yīng)物)。?

為了改善反應(yīng)物在襯底上方徑向分布的均勻性，有必要改進噴頭尤其是金屬氯化物的出氣噴口結(jié)構(gòu)。?

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的主要目的是：提供一種雙通道噴口結(jié)構(gòu)，主要用來控制反應(yīng)物氣體流動趨勢及分布，所述雙通道噴口結(jié)構(gòu)可使反應(yīng)物(GaCl)流場在襯底上方附近的徑向分布更加均勻，有利于襯底上氮化鎵生長厚度均勻。?

為達到上述目的，可通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：目前HVPE生長系統(tǒng)中常采用圓柱對稱的懸掛立式或倒立式反應(yīng)器，GaCl通道位于噴頭的中心位置，呈圓柱形。本發(fā)明在傳統(tǒng)圓柱形GaCl通道的基礎(chǔ)上再設(shè)置另外氣體控制通道，避免反應(yīng)物GaCl在傳統(tǒng)圓柱形單通道下呈單波峰分布的特性，改善GaCl在襯底上方徑向分布的均勻性。?

具體地說，本發(fā)明一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含第一通道、第二通道；所述兩通道同軸心，第二通道位于第一通道的中心；所述第一通道通入氣體為氣相沉積反應(yīng)反應(yīng)物氣體，如GaCl；所述第二通道通入氣體可以是N₂也可以是GaCl與N₂的混合氣體；所述各氣體的流量比例可以任意調(diào)節(jié)；所述反應(yīng)氣體噴出該噴口后可以與其他反應(yīng)氣體(如NH₃)相結(jié)合生成產(chǎn)物。?

所述第一通道，其特征在于，其為等直徑或變直徑圓柱形通道。優(yōu)選的，其外套筒可由兩段組成，上段為圓筒狀，下段為裙體擴展段，下段頂端與上段底端相連處直徑相等；優(yōu)選的，所述第一通道，其外套筒還可由四段構(gòu)成，從上至下依次為第一圓筒、過渡段、第二圓筒、裙體擴展段，各段橫截面逐段擴大，段與段相連處直徑相等。所述第二通道，其特征在于，該通道位于第一通道的中心位置，呈圓柱形，其外套筒圓管長度比第一通道長度稍短；第二通道還可由兩段組成，上段為圓柱形，下段為圓臺形或倒圓臺形，兩段相連處直徑相等。?

以上所述兩種第一通道結(jié)構(gòu)與三種第二通道結(jié)構(gòu)，依據(jù)材料生長工藝及具體需要，可以交叉搭配實用。?

本發(fā)明提出的一種可控反應(yīng)物均勻分布的雙通道噴口結(jié)構(gòu)，能改善反應(yīng)物(如GaCl)在襯底上方附近徑向分布的均勻性，可滿足較大面積上GaN晶體材料的均勻生長之需求。?