[发明专利]具有多个进口的化学气相沉积反应器

说明书

相关申请

本专利申请是2003年7月15日提交的同时另案待审专利申请 (co-pending patent application)系列号10/621,049标题为化学气相沉积反应 器(CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR)的部分接续专利申请 (continuation-in-part(CIP)patent application)，其全部内容在此明确地引作 参考。

技术领域

本发明总体上涉及化学气相沉积(CVD)反应器，例如用于III-V族半 导体外延的CVD反应器。特别是，本发明涉及的CVD反应器构造成提供层 流的反应气体，而减少不希望的反应物的损耗，以便实现增强沉积均匀性。

背景技术

III-V族化合物的金属有机化学气相沉积(MOCVD)是利用周期表III 族有机化金属和周期表V族氢化物之间的化学反应的薄膜沉积工艺。III族 有机金属和V族氢化物的各种组合是可能的。

该工艺通常用在半导体器件的制造中，例如发光二极管(LED)。该工 艺通常发生在化学气相沉积(CVD)反应器中。CVD反应器的设计是半导 体制造中取得要求的高质量膜的关键因素。

通常，高质量膜的气体流动动力学有利于层流。与对流相反，层流要求 实现高生长性和均匀性。几种商品化的反应器设计适合提供大规模的层生长 条件，即高生产率。这些设计包括转盘反应器(RDR-rotating disk reactor)、 行星旋转反应器(PRR-planetary rotating reactor)和紧配合喷淋头 (CCS-close-coupled showerhead)。

然而，这样的当前反应器存在内在不足，而减损了它们的全部希望，特 别是对于高压和/或高温CVD工艺。这样的现有反应器通常在低压和相对低 温(例如30托和700℃)下运行良好。因此，它们通常适合于生长GaAs、 InP基化合物。

然而，当生长III族氮基化合物(例如GaN、AIN、InN、AlGaN和InGaN) 时，使用这样的现有反应器存在着变得很重要的因素。与GsAs或者InP基 材料不同，III族氮化物优选生长在基本上更高的压力和温度(通常大于500 托和大于1000℃)下。当在高压力和温度下采用上述的反应器设计时，自然 产生严重的热对流。这样的热对流与生长工艺产生不希望的干扰，从而降低 了效率和产量。

当气相多半为氨(ammonia)时该情形变坏。氨通常用作III族氮化物 MOCVD工艺中的氮源。氨比氢粘得多。当环境气体包含高百分比的氨时， 比GsAs或InP基MOCVD生长的情况下环境气体多半为氢时更容易产生热 对流。对于生长高质量的薄膜来说，热对流是有害的，这是因为在生长室中 难于控制由于反应物气体的持续存在而产生的复杂化学反应。这自然导致降 低生长效率和不良的膜均匀性。

根据当前的实践，典型地利用大的气流速度，以便抑制不希望的热对流。 在III族氮化物的生长中，通过增加环境气体流速来实现，其中该气体典型 地为氨与氢或氮的混合物。因此，造成高的氨气消耗，特别是在高生长压力 条件下。该氨气的高消耗导致相应的高成本。

在GaN生长的当前MOCVD工艺中，气相中的源化学品之间的反应是 另一个重要问题。该反应也产生在其它III族氮化物的生长中，例如AlGaN 和InGaN。气相反应通常是不希望的。然而，在III族氮化物MOCVD工艺 中是不能避免的，这是因为该反应是剧烈的和快速的。

当III族烷基(例如三甲基镓(trimethylgallium)、三甲基铟 (trimethylindium)、三甲基铝(trimethylaluminum))遇到氨时，几乎立即产 生反应，导致不希望的加合物的形成。

通常，当所有的源气体进入生长室后发生这些反应时，所产生的加合物 将参与在实际的生长工艺中。然而，如果该些反应发生在气体进入生长室之 前或前后，则所产生的加合物将有机会粘附到固体表面。如果发生这种情况， 则粘合到表面的加合物将作为聚集中心，并且越来越多的加合物将依次趋于 聚集。该工艺将最终耗尽气源，因此使得生长工艺不希望地在批次之间 (between runs)变化和/或将阻塞气体进入。

III族氮生长的有效反应器设计不能避免气相反应，而更适合控制反应， 从而不产生这样的不希望的情形。