[发明专利]CVD反应器中气态前体的热化

说明书

技术领域

本发明涉及半导体加工领域，并提供了通过促进前体气体在其反应之前更有效地热化来改进半导体材料化学气相沉积(CVD)的设备和方法。

背景技术

化学气相沉积(CVD)反应器中气态前体在反应之前的温度是在所需位置获得有效沉积(例如，在预期基片上进行预期半导体材料的有效沉积)的一个重要参数。

例如，设想通过卤化物(或氢化物)气相外延(HVPE)法进行GaN的生长。某些HVPE法使CVD反应室中的气态GaCl₃直接与气态NH₃反应生成沉积在基片上的GaN和排出反应室的NH₄Cl。但是，该直接反应只在前体气体温度约900℃～930℃及以上的情况下有效进行，因为(据认为)在较低温度时，该前体气体没有充分地直接分解为反应性物质，因此不能快速反应。另外，在较低温度，GaCl₃和NH₃可形成无反应性的不合需要的加合物，如GaCl₃:NH₃。因此，未充分热化的大部分前体气体仅仅是被浪费；它们穿过反应器，并未经反应或以无反应性加合物的形式排出排气口。相似的效应也出现在通过HVPE和其他方法进行其他III族-N化合物半导体的CVD生长中，而且更常见于III族-V族化合物半导体的生长中。

另外，在III族-V族化合物的大规模生产(HVM)中，未充分热化的前体的浪费可能更多，并且当寻求更快的生长速率时，浪费掉的部分可能增加。这可能是因为：更快的生长速率需要更快的前体流速，更快的流速则减少了预期基片附近的反应可用的时间，而减少的反应时间降低了受反应速率限制的生长过程的效率。

但是，问题已经阻碍了实现前体气体的充分热化，尤其在III族-V族化合物的HVM的情况中，其中必须将腐蚀性的前体气体热化至高温。首先，不能在进入反应室前充分热化前体气体。常用的前体气体在高温可快速腐蚀常用于已知气体传输系统中的材料，而且所述腐蚀可进一步导致传输管道中的颗粒形成/沉积、降低反应器洁净度和最终造成管道堵塞等。但是，在气体传输系统中使用诸如石英、石墨、碳化硅等抗腐蚀材料，将使其造价非常昂贵。

另外，也不能在前体气体进入反应室后在已知的CVD反应器内实现前体气体的充分热化。尤其在GaN(和其他III族-V族化合物)的HVM的情况中，前体气体的流动可能出乎寻常的高，如超过50slm(标准升分钟)。在这样的高流速时，前体气体移动穿过反应器中的高温区太快，而无法在越过生长基片之前能充分热化。

例如US 6,325,858中描述了在CVD反应室内部使用的平板辐射吸收性材料。该专利公开了置于作为其上倾向于发生有害沉积的“吸收(getter)”板的基座下游的碳化硅(SiC)板的应用。该专利也公开了使用SiC板与石英反应室壁接触以便加热该室壁而且由此限制有害沉积。Dauelsberg等(Journal of Crystal Growth 298 418(2007))描述了一种用于GaN生长用MOCVD(金属有机CVD)法中所使用的标准喷头气体注射器类型的穿孔式盖板，据称该盖板会提高温度。

因此，虽然对在III族-V族化合物、尤其是GaN的HVM中采用的前体气体的适当热化非常重要，但是现有技术中没有充分给出关于如何实现所述热化的教导(发明人意识到这点)。

发明内容

本发明一般性地包括对受热化学气相沉积(CVD)反应器、尤其是生产半导体材料的CVD反应器的改进。除了此类反应室内常见的常规部件之外，在结构上或排列方式上在反应室内部进行改进，特别是用于在前体气体在反应器内的基片上发生反应前和进行反应期间提高向流动的前体气体的传热。在没有本发明的传热结构体时，热量可透过反应室壁而传递至流动气体，而且因为对于流动气体而言，CVD室壁与本发明的传热结构体相比更加在外围布置，所以所述传热的效率小于本发明改进的传热效率。

提高的传热促进了反应前和反应中前体气体的热化的改善，因此提高了前体气体之间的预期反应的效率，而同时限制了可生成无反应性的络合物或物质的不合需要的反应。如果所述络合物或物质确实形成，改进的热化作用可促使该络合物或物质分解成为之前的前体形态。因此，本发明提供了更为快速的半导体材料的生长，提高了前体的利用效率，并限制了不合需要的络合物或物质并入生长外延层(growing epilayer)。次要优点可包括减少或限制半导体材料在例如反应室壁上的不必要沉积，或减少或限制反应前体或反应副产物的不合需要的凝聚。