一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，本發(fā)明提供的反應(yīng)器由擋板、進(jìn)氣管道、倒梯形圓臺(tái)、出氣孔、含金屬前驅(qū)物輸出管道、以及外壁組成；通過設(shè)置擋板將反應(yīng)器分為上層空間和下層空間，通過在進(jìn)氣管道頂部設(shè)置開口，從而預(yù)留部分鹵化物氣體或者鹵素氣體在反應(yīng)器的上層空間，使之與從下層空間逃逸到上層空間的金屬源蒸汽反應(yīng)，從而有效防止金屬源混入到反應(yīng)前驅(qū)物中，極大地提高了外延生長的晶體質(zhì)量與產(chǎn)品良率；同時(shí)，通過設(shè)置進(jìn)氣管道的內(nèi)側(cè)壁開口、擋板、倒梯形圓臺(tái)和出氣孔，通過改變鹵化物或鹵素氣體的流動(dòng)方向及流程，增加了鹵化物或鹵素氣體在下層空間的滯留時(shí)間，提高了與金屬源的接觸機(jī)會(huì)，使得鹵化物或鹵素氣體轉(zhuǎn)化為含金屬前驅(qū)物的效率對(duì)金屬源液面的高度不再敏感，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)外延生長速率與晶體質(zhì)量的穩(wěn)定可控，有利于氮化物單晶材料的規(guī)?；a(chǎn)。
【專利說明】
一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料設(shè)備領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]III族氮化物半導(dǎo)體材料(例如GaN，AlN)及其化合物具有禁帶寬度大、高熱導(dǎo)、耐高壓和耐腐蝕等優(yōu)異性能，在高溫、高頻、高功率電子器件及高亮度大功率LED/LD方面有著巨大的應(yīng)用前景。化學(xué)氣相沉積法(CVD，包括MOCVD和HVPE)是目前外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料的主要方法。尤其是氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)，由于生長速率快、工藝簡單，已經(jīng)成為單晶GaN材料生長的主流方法。在HVPE技術(shù)中鹵化物氣體或者鹵素氣體(例如HCl或者Cl2)與III族金屬源(例如金屬鎵)在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)生成含金屬前驅(qū)物(例如GaCl)，之后被載氣輸運(yùn)到襯底表面和氨氣反應(yīng)生成氮化物半導(dǎo)體材料。
[0003]現(xiàn)階段HVPE系統(tǒng)中的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)普遍存在外延生長速度隨著金屬源的消耗而逐漸變慢、從而導(dǎo)致工藝的重復(fù)可靠性差的問題，具體表現(xiàn)為器皿內(nèi)液態(tài)金屬源的量不同時(shí)(表現(xiàn)為液態(tài)金屬源的液面高度不同)，在相同的工藝條件下得到的生長厚度和厚度的均勻性都會(huì)有顯著差別。其根本原因是現(xiàn)階段HVPE系統(tǒng)的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不能保證當(dāng)金屬源液面處于不同高度時(shí)鹵化物氣體或者鹵素氣體轉(zhuǎn)化為含金屬前驅(qū)物的概率基本一致，從而不能保證流場的一致。由此導(dǎo)致用HVPE技術(shù)生長的III族氮化物單晶材料的一致性較差、合格率偏低，嚴(yán)重阻礙HVPE技術(shù)用于大規(guī)模的生產(chǎn)。同時(shí)，少量未轉(zhuǎn)化的金屬源蒸汽會(huì)隨著載氣輸運(yùn)到生長區(qū)域或襯底表面，形成多晶而干擾晶體生長，使外延晶體中出現(xiàn)微裂紋或晶格畸變，極大降低了晶體生長的質(zhì)量與產(chǎn)品良率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種用于氫化物氣相外延(HVPE)晶體生長工藝中鹵化物或者鹵素氣體與金屬源反應(yīng)的反應(yīng)器。
[0005]本發(fā)明提供的反應(yīng)器包括:擋板101，上層空間102，下層空間103，進(jìn)氣管道104，外側(cè)壁開口 105，內(nèi)側(cè)壁開口 106，倒梯形圓臺(tái)107，第一出氣孔201，第二出氣孔112，輸出管道111以及反應(yīng)器外壁108。
[0006]所述擋板101，將反應(yīng)器分為上層空間102和下層空間103 ;下層空間的底部稍微傾斜，以便液態(tài)金屬源易向下段中心集聚；
[0007]所述進(jìn)氣管道104，是從上層空間一直延伸到下層空間的底部，其上端和外部HVPE系統(tǒng)的鹵化物氣體源或者鹵素氣體源及載氣源相連通；所述載氣可以是氫氣、氮?dú)饣蚴菤錃夂偷獨(dú)獾幕旌蠚怏w；所述鹵化物氣體為HCl、HBr、HI中的一種，所述鹵素氣體為Cl2、Br2, 12中的一種，用來可清洗反應(yīng)器內(nèi)部；進(jìn)氣管道數(shù)目及其內(nèi)徑的大小可以依據(jù)工藝的需求來決定，可以是一條或多條；
[0008]所述外側(cè)壁開口 105，位于進(jìn)氣管道104上段與反應(yīng)器上層空間102的上段相鄰處，其開口朝向反應(yīng)器外壁，其形狀可以是但不限于半圓形、正方形；
[0009]所述內(nèi)側(cè)壁開口 106，位于下層空間103中(即進(jìn)氣管道104下段)，其開口朝向倒梯形圓臺(tái)107，其形狀為豎直縫隙狀；
[0010]所述倒梯形圓臺(tái)107，位于反應(yīng)器中央，在擋板和下層空間底部之間，為中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的倒梯形圓臺(tái)，圓臺(tái)的上圓面的直徑要比下圓面的直徑大，以確保圓臺(tái)的母線和金屬源液面的夾角小于90度；
[0011]所述金屬源113，是通過進(jìn)氣管道104被注入到下層空間103，在其下段中心集聚；所述金屬源可以是鎵、銦、鋁，或者基于特殊應(yīng)用需求所選擇的特殊金屬；
[0012]所述第一出氣孔201，設(shè)在擋板101上；鹵化物氣體或鹵素氣體、金屬源反應(yīng)后載氣和含金屬前驅(qū)物，通過第一出氣孔流進(jìn)上層空間102，之后通過第二出氣孔112，流入位于倒梯形圓臺(tái)中心的輸出管道111的上端入口，從其下端出口流出反應(yīng)器后到達(dá)襯底表面；第一出氣孔201數(shù)量可以是一個(gè)或者多個(gè)，其形狀可以是但不限于圓形、正方形、菱形。
[0013]本發(fā)明所述的反應(yīng)器外壁的形狀，依據(jù)和外部HVPE系統(tǒng)連接或者空間排布的需要，可以設(shè)計(jì)成所需要的形狀，如圓柱體、正方體、長方體。
[0014]本發(fā)明所述的反應(yīng)器的材料，可以用各種耐高溫及抗鹵化物或鹵素氣體腐蝕的材料，比如高純石英；反應(yīng)器的體積、上層空間和下層空間的體積比可以依據(jù)工藝的要求來決定。
[0015]本發(fā)明所述的反應(yīng)器，其工作溫度，在800K到1400K之間。
[0016]本發(fā)明提供的反應(yīng)器，因在進(jìn)氣管道下層空間內(nèi)側(cè)壁設(shè)有縫隙開口、以及倒梯形的對(duì)稱圓臺(tái)，延長了鹵化物或鹵素氣體在反應(yīng)器下層空間內(nèi)的滯留時(shí)間，從而確保無論金屬源液面處于什么高度，鹵化物或鹵素氣體基本上轉(zhuǎn)化為含金屬前驅(qū)物，確保轉(zhuǎn)化率的穩(wěn)定，從而確保外延生長速度的穩(wěn)定。同時(shí)，本發(fā)明還在進(jìn)氣管道頂部設(shè)有外側(cè)壁開口，從而分流出部分鹵化物或鹵素氣體，使之與被載氣帶出來的鎵蒸汽(金屬源蒸汽)反應(yīng)，提高晶體生長的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0018]圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的透視俯視圖。
[0019]圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的剖面圖(X方向)。
[0020]圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的剖面圖(y方向)。
[0021]圖中標(biāo)注說明:
[0022]100:反應(yīng)器，101:擋板，102:[反應(yīng)器]上層空間，103:[反應(yīng)器]下層空間，104:進(jìn)氣管道，105:[進(jìn)氣管道頂部的]外側(cè)壁開口，106:[進(jìn)氣管道的]內(nèi)側(cè)壁開口，107:倒梯形圓臺(tái)，108:反應(yīng)器外壁，109:鹵化物氣體，110:含金屬前驅(qū)物氣體，111:[含金屬前驅(qū)物氣體]輸出管道，112:第二出氣孔，113:金屬源，201:第一出氣孔。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、設(shè)備特征及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下主要結(jié)合圖
3、圖4，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處描述的實(shí)施例較為具體，并不限制本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本發(fā)明提供的用于氣相外延的反應(yīng)器100(如圖2、圖3、圖4所示)包括:擋板101、進(jìn)氣管道104、倒梯形圓臺(tái)107、第一出氣孔201、第二出氣孔112、含金屬前驅(qū)物輸出管道111，以及反應(yīng)器外壁108 ；
[0026]擋板101把反應(yīng)器分為上層空間102和下層空間103 ;在擋板101上設(shè)有對(duì)稱分布的兩個(gè)圓形第一出氣孔201 ;鹵化物氣體或者鹵素氣體與金屬源反應(yīng)生成含金屬前驅(qū)物110，通過出氣孔201流進(jìn)上層空間102 ;兩個(gè)進(jìn)氣管道104從上層空間102 —直延伸到下層空間103的底部。進(jìn)氣管道104內(nèi)徑的大小可以依據(jù)工藝的需求來決定；進(jìn)氣管道104和外部氣源相連接，金屬源113通過進(jìn)氣管道104被注入到下層空間103，因下層空間103的底面稍微向下傾斜以利于液態(tài)金屬源易向其下段中心集聚；鹵化物或鹵素氣體109通過進(jìn)氣管道104進(jìn)入下層空間103和金屬源113化學(xué)反應(yīng)，生成氣態(tài)含金屬前驅(qū)物110 ;進(jìn)氣管道104上段與上層空間102上段相鄰段設(shè)有其開口朝向反應(yīng)器外壁的外側(cè)壁開口 105 ;進(jìn)氣管道104下段與下層空間103相鄰段，設(shè)有其開口朝向倒梯形圓臺(tái)107的豎直縫隙狀內(nèi)側(cè)壁開口 106 ;鹵化物氣體或鹵素氣體從外部氣源達(dá)到進(jìn)氣管道后，其中一小部分氣體，從進(jìn)氣管道頂部的外側(cè)壁開口 105進(jìn)入反應(yīng)器100的上層空間102，用來與被載氣帶出來的鎵蒸汽(金屬源蒸汽)反應(yīng)，生成含金屬前驅(qū)物源氣體110后，通過第二出氣孔112進(jìn)入含金屬前驅(qū)物輸運(yùn)管道111，最后達(dá)到襯底表面與氨氣反應(yīng)生成氮化物單晶材料；而其中大部分氣體，進(jìn)入到下層空間與金屬鎵113化學(xué)反應(yīng)，生成含金屬前驅(qū)物源氣體110，從進(jìn)氣管道的內(nèi)側(cè)壁開口 106溢出，先通過第一出氣孔201，后通過第二出氣孔112，進(jìn)入含金屬前驅(qū)物輸運(yùn)管道111，最后達(dá)到襯底表面與氨氣反應(yīng)生成氮化物單晶材料；
[0027]在擋板101和下層空間103底部之間，有中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的倒梯形圓臺(tái)107，其上圓面的直徑大于下圓面的直徑，以確保倒梯形圓臺(tái)107的母線和金屬源液面的夾角小于90度(最佳角度為65度到75度之間)，這樣一來，從內(nèi)側(cè)壁開口 106流出的未反應(yīng)的鹵化物或鹵素氣體，會(huì)被倒梯形圓臺(tái)107的斜表面反射返回到金屬源液面，可以有效延長鹵化物氣體或鹵素氣體在下層空間的滯留時(shí)間，從而提高其與金屬源的反應(yīng)生產(chǎn)含金屬前驅(qū)物源氣體的轉(zhuǎn)化率；
[0028]含金屬前驅(qū)物氣體輸出管道111，位于倒梯形圓臺(tái)107的中心，載氣和含金屬前驅(qū)物氣體110，則從輸出管道111上段入口流入，從其下段出口流出到達(dá)襯底表面；
[0029]在本實(shí)施例中，載氣可以是氫氣、氮?dú)饣蛘呤菤錃夂偷獨(dú)獾幕旌蠚怏w。
[0030]本發(fā)明提供用于氣相外延的反應(yīng)器有如下優(yōu)點(diǎn):
[0031]1、通過設(shè)置進(jìn)氣管道的內(nèi)側(cè)壁開口、擋板、倒梯形圓臺(tái)和第一出氣孔，有效改變鹵化物或鹵素氣體的流動(dòng)方向及流程，增加了鹵化物或鹵素氣體和金屬源液面接觸的機(jī)會(huì)，大大降低了鹵化物或鹵素氣體轉(zhuǎn)化為含金屬前驅(qū)物的轉(zhuǎn)化效率對(duì)金屬源液面的高度敏感性，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的穩(wěn)定，有利于規(guī)?；a(chǎn)；
[0032]2、在進(jìn)氣管道頂部設(shè)置外側(cè)壁開口，以預(yù)留部分鹵化物氣體或鹵素氣體在上層空間，與從下層空間逃逸到上層空間的金屬源反應(yīng)，從而有效防止金屬源蒸氣混入到反應(yīng)前驅(qū)物中，極大地提高了外延生長的晶體質(zhì)量與產(chǎn)品良率；
[0033]3、在對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行清洗時(shí)，通過從進(jìn)氣管道104通入鹵化物或鹵素氣體，從外側(cè)壁開口 105流出的鹵化物或鹵素氣體可以清洗上層空間102，從內(nèi)側(cè)壁開口 106流出的鹵化物或鹵素氣體可以清洗下層空間103，從而有利于反應(yīng)器的清洗，由于外側(cè)壁開口 105朝向外壁，使清洗效果更佳。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述反應(yīng)器包括:擋板(101)，上層空間(102)，下層空間(103)(在其底部放置液態(tài)金屬源(113))，進(jìn)氣管道(104)，外側(cè)壁開口(105)，內(nèi)側(cè)壁開口(106)，倒梯形圓臺(tái)(107)，第一出氣孔(201)，第二出氣孔(112)，輸出管道(111)以及反應(yīng)器外壁(108)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述進(jìn)氣管道(104)，是從上層空間一直延伸到下層空間的底部，其上端和外部HVPE系統(tǒng)的齒化物氣體源或者齒素氣體源及載氣源相連通；所述載氣可以是氫氣、氮?dú)饣蚴菤錃夂偷獨(dú)獾幕旌蠚怏w；所述鹵化物氣體為HCl、HBr、HI中的一種，所述鹵素氣體為Cl2、Br2, I2中的一種，均可用來清洗反應(yīng)器內(nèi)部。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述外側(cè)壁開口(105)，位于進(jìn)氣管道(104)上段與反應(yīng)器上層空間(102)的上段相鄰處，其開口朝向反應(yīng)器外壁，其形狀可以是但不限于半圓形、正方形；所述內(nèi)側(cè)壁開口(106)，位于下層空間(103)中(即進(jìn)氣管道(104)下段)，其開口朝向倒梯形圓臺(tái)(107)，其形狀為豎直縫隙狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述倒梯形圓臺(tái)(107)，位于反應(yīng)器中央，在擋板和下層空間底部之間，為中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的倒梯形圓臺(tái)，圓臺(tái)的上圓面的直徑要比下圓面的直徑大，以確保圓臺(tái)的母線和金屬源液面的夾角小于90度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述液態(tài)金屬源(113)，是通過進(jìn)氣管道(104)被注入到下層空間(103)，在其下段中心集聚；所述金屬源可以是鎵、鋁、銦或者基于特殊應(yīng)用需求所選擇的特殊金屬。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述第一出氣孔(201)，設(shè)在擋板(101)上；鹵化物氣體或鹵素氣體、金屬源反應(yīng)后載氣和含金屬前驅(qū)物，通過第一出氣孔流進(jìn)上層空間(102)，之后通過第二出氣孔(112)，流入輸出管道(111)的上端入口，從其下端出口流出反應(yīng)器后到達(dá)襯底表面；第一出氣孔數(shù)量可以是一個(gè)或者多個(gè)，其形狀可以是但不限于圓形、正方形、菱形。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述反應(yīng)器的外壁的形狀，依據(jù)和外部HVPE系統(tǒng)連接或空間排布的需要，可以設(shè)計(jì)成所需要的形狀，如圓柱體、正方體、長方體。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述反應(yīng)器的材料，可以用各種耐高溫及抗鹵化物或鹵素氣體腐蝕的材料，比如高純石英。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氣相外延生長半導(dǎo)體單晶材料的反應(yīng)器，其特征在于:所述反應(yīng)器的工作溫度，在800K到1400K之間。
【文檔編號(hào)】C30B25/08GK105986314SQ201510060950
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月5日
【發(fā)明人】何進(jìn)密, 劉南柳, 李文輝, 張國義
【申請(qǐng)人】東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司