專利名稱：一種獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體技術領域，是指為了生長氮化物薄膜、厚膜或者單 晶襯底材料而設計制造的一種方便易用、可控性強、可靠性和重復性高的
氫化物氣相外延裝置(HVPE)，具體地說是一種獨立供應金屬鹵化物的氫 化物氣相外延裝置。
背景技術：
氮化物多元系材料的光譜從0.7ev到6.2ev，可以用于帶間發光，顏色 覆蓋從紅外到紫外波長，不僅在光電子應用方面，如藍光、綠光、紫外光 發光二極管(LED)、短波長激光二極管(LD)，紫外探測器、布拉格反射 波導等方面獲得了重要的應用和發展，而且在微電子應用方面也得到了廣 泛的關注，可以制作高溫、高頻和大功率器件，如高電子遷移率晶體管 (HEMT)、異質結雙極晶體管(HBT)等。氮化鎵(GaN)材料作為第三 代半導體材料代表之一，具有直接帶隙、寬禁帶、高飽和電子漂移速度、 高擊穿電場和高熱導率、優異的物理化學穩定性等優異性能。尤其是近些 年來發光二極管照明迅猛發展，氮化物系的LED大量應用于顯示器、照明、 指示燈、廣告牌、交通燈等，在農業中作為加速光合成光源，在醫療中作 為診斷和治療的工具。但是目前，氮化物材料生長面臨的最大的問題是缺
少同質襯底，采用傳統的單晶生長方法很難生長出體單晶；使用異質襯底， 如藍寶石、碳化硅等存在著由于晶格失配和熱失配帶來的外延材料缺陷密 度大等的問題。而利用氫化物氣相外延的方法具有高生長速率，高結晶質 量，高均勻性生長和低的設備成本和運行成本，能夠實現氮化物材料的厚 膜生長，可以生長出具有襯底厚度的氮化物材料，也稱之為氮化物自支撐 襯底。
本發明以前有關用于氮化物單晶襯底制備的氫化物氣相外延裝置存 在金屬源置于反應管內部，導致整個反應爐的設計復雜，金屬鹵化物的 反應效率不易控制而且隨著金屬源的消耗有較大變化，金屬鹵化物的實際 消耗量無法精確控制；此外更換或者補充金屬源時必須暴露整個反應室到 大氣中，影響反應室的潔凈程度，也使得整個操作非常復雜，增加了設備 維護的時間，降低了生產效率，使得氮化物襯底的成本居高不下。
發明內容
本發明的目的是提供一種獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置。
為實現上述目的，本發明提供的獨立供應金屬卣化物的氫化物氣相外 延裝置，包括一金屬鹵化物供應爐和一氫化物氣相外延爐；其中
金屬鹵化物供應爐外部設有加熱裝置，該供應爐設有通氣管道，通入 鹵族氫化物或者鹵族元素等反應氣體或者氮氣、氦氣、氬氣、氫氣等載氣;
該供應爐內部放置金屬鎵、銦、鋁、鐵、鎂中的一種或多種，使卣族 氫化物或者鹵族元素與供應爐內的金屬反應生成金屬鹵化物的反應氣體，
或者直接放置經過提純的金屬鹵化物；
該供應爐設有反應氣體/載氣通道，生成或者直接的金屬鹵化物通過載 氣攜帶后進入氫化物氣相外延爐進行氮化物材料的生長
氫化物氣相外爐延生長室包括有-
一外延生長室
一襯底裝置設于外延生長室內，襯底裝置在外延生長室外部接有調速 馬達，以控制襯底裝置的轉速；
反應氣體管道通過外延生長室的密封盤進入外延生長室，載氣攜帶反 應氣體通過該反應氣體管道進入外延生長室內，并流動到襯底上進行反應 生長氮化物薄膜、厚膜或者單晶襯底；
一加熱裝置，環繞于外延生長室外-
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，其中，外延生長 室為石英材料。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，其中，外延生長 室外的加熱裝置為多溫區加熱，溫區數目為1至3個，加熱方式為電阻加熱 或者射頻感應加熱，每個溫區獨立控制。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，其中，襯底裝置 釆用橡膠圈加真空油脂密封或磁流體密封，轉速為10-500轉/分鐘。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，其中，載氣為氮 氣、氦氣、氫氣、氬氣或者其混合氣體。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，其中，反應氣體 中可以加入一種或者多種金屬有機源或者摻雜劑流動到襯底上進行反應， 實現類似于MOCVD的裝置。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，其中，摻雜劑可 以為SiH4或者Mg的有機源如Cp2Mg或者Fe的有機物如Cp2Fe。
本發明解決了現有氫化物氣相外延爐金屬源置于反應管內部，整個反 應爐的設計復雜，金屬鹵化物的反應效率不易控制且隨金屬源的消耗有較 大變化，金屬鹵化物的實際消耗量無法精確控制；更換或者補充金屬源時 必須暴露整個反應室到大氣中，影響反應室的潔凈程度，操作復雜等問題， 進一步簡化生長氮化物薄膜、厚膜或者單晶襯底的氫化物氣相外延爐，降 低了設備維護的時間，提高生產效率，從而降低氮化物襯底的生成成本
圖1是本發明的獨立金屬鹵化物源爐設計示意圖2是本發明的實施例一的示意圖3是本發明的實施例二的示意圖4是本發明的實施例三的示意圖5是本發明的實施例四的示意圖6是本發明的實施例五的示意圖7是本發明的實施例六的示意圖8是本發明的實施例七的示意圖。
具體實施例方式
本發明的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，包括獨立金屬 鹵化物供應爐和氫化物氣相外延爐，其中氫化物氣相外延爐又包括外延 生長室、生長室加熱裝置、襯底旋轉裝置和氣體管道等。
所述的一種獨立供應金屬鹵化物的金屬鹵化物反應爐，其所述的金屬
反應源可以單獨作為一個源爐進行反應，通過鎵(Ga)、銦(In)、鋁(Al)、 鐵(Fe)、鎂(Mg)等不同金屬源和鹵族氫化物包括HC1、 HBr或者HI等或 者鹵族元素如Cl2、 12等反應生成相應的金屬鹵化物或者直接裝入提純的相 應金屬鹵化物， 一種或者多種金屬鹵化物通過載氣攜帶通入氫化物氣相外 延爐的生長室用于生長氮化物材料。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，外延生長室一般 為耐高溫耐腐蝕的石英等材料。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，外延生長室加熱 裝置可以為多溫區加熱，溫區數目可以為1至3個，加熱方式為電阻加熱或 者射頻感應加熱，每個溫區可以獨立控制。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，襯底裝置可以具 有旋轉功能，采用橡膠圈加真空油脂密封、磁流體密封或者其它方式密封， 旋轉由可調速馬達控制，直接帶動襯底裝置或者通過齒輪等傳動帶動襯底 裝置，轉速為10-500轉/分鐘可調。
所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，載氣可以采用不 同的氣體，包括氮氣(N2)、氦氣(He)、氫氣(H2)、氬氣(Ar)等及其 混合氣體，載氣攜帶反應氣體包括氨氣(NH3)以及一種或者多種金屬鹵 化物氣體，同時可以加入一種或者多種金屬有機源(MO)或者摻雜劑如 SiH4等進入反應室，流動到襯底上進行反應，可以通過改變氣體的空間分
布和混合時間長短等來減少氣相反應的發生，同時有效增加氣體在襯底上
的均勻沉積，也可以方便地實現和MOCVD的集成。
實現本發明所采取的技術措施主要為采用獨立的金屬鹵化物供應爐， 從而降低了氫化物氣相外延爐的復雜程度，減小體積，降低設備成本；增 加金屬鹵化物的可控性和穩定性，使得在整個生長過程中都可以保持氮化 物反應的完全可控；由于使用了獨立的金屬鹵化物源，可以方便地和 MOCVD結合，制備出更高質量的氮化物薄膜、厚膜或者單晶襯底材料； 降低了更換或者添加金屬源材料的復雜程度，增加了氫化物氣相外延爐的
生長周期，減少了用于維護的時間，提高了生產率，降低氮化物薄膜、厚 膜或者單晶襯底的生產成本。
為進一步說明本發明的內容，以下結合具體實施例和附圖對本發明作 詳細的描述
獨立金屬鹵化物源爐
如圖1所示，為本發明的獨立金屬鹵化物供應爐示意圖。
獨立金屬鹵化物供應爐IO外部設有加熱裝置11 ，該供應爐設有通氣管
道12,通入鹵族氫化物或者鹵族元素等反應氣體或者氮氣、氦氣、氬氣、
氫氣等載氣；
獨立金屬鹵化物供應爐10內部放置金屬鎵、銦、鋁、鐵、鎂中的一種 或多種，使鹵族氫化物或者鹵族元素與反應爐內的金屬反應生成金屬離化 物的反應氣體。
獨立金屬鹵化反應爐10上部設有一反應氣體通道13，生成的反應氣體 或者提純的金屬鹵化物通過載氣攜帶進入氫化物氣相外延爐進行氮化物
材料的生長。
獨立金屬鹵化供應爐可以使用不同的材料比如石英或者金屬，可以選
擇合適的加熱器比如電阻或者射頻感應加熱，將載有高純金屬鎵(Ga)、 銦(In)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鎂(Mg)等的容器放置于爐內，通入鹵族 氫化物如HC1、 HBr或者HI甚至鹵族元素如Cl2、 8&或者12等在適當的溫度 下反應生成需要的金屬鹵化物如GaCl或者AlCl3等，或者直接放置提純的 金屬鹵化物。反應氣體可以通過鹵族氫化物或者鹵族元素與金屬反應后通 過載氣攜帶進入氫化物氣相外延爐進行氮化物材料的生長(如圖la所示)； 也可以直接通過載氣攜帶金屬鹵化物作為單獨的金屬鹵化物源使用(如圖 lb所示)，后一種方式可以避開鹵族氫化物對于氫化物氣相外延爐可能的 腐蝕。
實施例一
如圖2所示，是本發明的裝置實施例一的結構示意圖，金屬鹵化物供 應爐獨立于氫化物氣相外延爐。該裝置可以增加一個真空泵，進行低壓到 常壓的生長，同時可以增加副產物過濾裝置、尾氣收集處理裝置和自動控 制系統。該裝置由外延生長室l、加熱裝置2、上下底盤31和32、襯底裝置 4、調速馬達5、反應氣體管道6組成。其中，外延生長室l為豎直設置，加 熱系統2環繞外延生長室1外加熱，外延生長室1上下端面裝有底盤31進行 密封；襯底裝置4由外延生長室1上方進入，襯底8放置方式為面朝下；襯 底裝置4在生長室外部接有調速馬達5;反應氣體管道6通過生長室下端面 的底盤32進入反應室。
以生長AlGaN材料為例，本發明的生長工藝流程是由生長室加熱裝
置2加熱外延生長室1;加熱裝置2可以分為多溫區加熱，襯底8處溫度為 800-1200'C;載氣攜帶金屬鹵化物反應器生成的GaCl和AlCl3以適當比例和 NH3通過外延生長室1底部反應氣體管道6進入生長室；GaCl、 A1C1^NH3 混合并在襯底上反應生成需要的AlGaN材料；生長時，調速馬達5控制襯 底裝置4旋轉。
本例釆用垂直結構同時襯底面向下放置，可以利用垂直結構氣流和熱 場均勻性好，襯底面向下避免氣相反應物沾污的優點。 實施例二
本例采用垂直結構同時襯底面向上放置，可以利用垂直結構氣流和熱 場均勻性好，襯底面向上放置方便容易的優點。 實施例三
本例釆用水平結構同時襯底面垂直于氣流方向，可以利用水平爐操作 簡單，襯底表面沒有氣相耗盡和氣相反應物沾污，同時又容易實現旋轉的 優點。
實施例四
本例采用水平結構同時襯底面水平向上，可以利用水平爐操作簡單， 襯底放置方便容易的優點。
本實例并沒有畫出旋轉裝置，但是這并不表示本裝置不可以使用旋轉 裝置，只是由于旋轉裝置更為復雜，可能需要傳動或者其它方式的旋轉， 而且為了進一步增加均勻性，往往在這里增加專門設計的旋轉裝置。
實施例五
本例采用水平結構同時襯底面傾斜，可以利用水平爐操作簡單，部分
克服襯底表面氣相耗盡的優點。 實施例六
本例釆用水平結構同時襯底面水平向下，可以利用水平爐操作簡單， 襯底表面避免氣相反應物沾污的優點。 實施例七
本例釆用水平結構同時襯底面傾斜向下，可以利用水平爐操作簡單， 襯底表面避免氣相反應物沾污和減小氣相耗盡的優點。
根據以上描述，本發明采用獨立金屬鹵化物反應爐，從而區別于已有
的氫化物氣相外延爐，并具備和MOCVD集成更加容易的特性。采用如上 氫化物氣相外延裝置可以避免現有氫化物氣相外延爐設備復雜，操作困 難，氣體穩定性差和流量難于精確控制的缺點，為提高氮化物薄膜、厚膜 或者單晶襯底材料的生長效率，降低生長成本提供了一條可行的解決之道。
權利要求
1. 一種獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，包括一金屬鹵化物供應爐和一氫化物氣相外延爐；其中金屬鹵化物供應爐外部設有加熱裝置，該供應爐設有通氣管道，通入鹵族氫化物或者鹵族元素等反應氣體或者氮氣、氦氣、氬氣、氫氣等載氣；該供應爐內部放置金屬鎵、銦、鋁、鐵、鎂中的一種或多種，使鹵族氫化物或者鹵族元素與供應爐內的金屬反應生成金屬鹵化物的反應氣體，或者直接放置經過提純的金屬鹵化物；該供應爐設有反應氣體/載氣通道，生成或者直接的金屬鹵化物通過載氣攜帶后進入氫化物氣相外延爐進行氮化物材料的生長；氫化物氣相外爐延生長室包括有；一外延生長室；一襯底裝置設于外延生長室內，襯底裝置在外延生長室外部接有調速馬達，以控制襯底裝置的轉速；反應氣體管道通過外延生長室的密封盤進入外延生長室，載氣攜帶反應氣體通過該反應氣體管道進入外延生長室內，并流動到襯底上進行反應生長氮化物薄膜、厚膜或者單晶襯底；一加熱裝置，環繞于外延生長室外。
2、 根據權利要求l所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝 置，其中，外延生長室為石英材料。
3、 根據權利要求l所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，其中，外延生長室外的加熱裝置為多溫區加熱，溫區數目為1至3個， 加熱方式為電阻加熱或者射頻感應加熱，每個溫區獨立控制。
4、 根據權利要求l所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝 置，其中，襯底裝置采用橡膠圈加真空油脂密封或磁流體密封，轉速為 10-500轉/分鐘。
5、 根據權利要求1所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝 置，其中，載氣為氮氣、氦氣、氫氣、氬氣或者其混合氣體。
6、 根據權利要求1所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝 置，其中，反應氣體中加入一種或者多種金屬有機源或者摻雜劑流動到襯 底上進行反應。
7、 根據權利要求1所述的獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝 置，其中，摻雜劑為SiH4或者Mg的有機源如Cp2Mg或者Fe的有機物如 Cp2Fe。
全文摘要
一種獨立供應金屬鹵化物的氫化物氣相外延裝置，其中金屬鹵化物供應爐外部設有加熱裝置，該供應爐設有通氣管道；該供應爐內部放置金屬鎵、銦、鋁、鐵、鎂中的一種或多種或者經過提純的金屬鹵化物；該供應爐設有反應氣體/載氣通道，生成或者直接的金屬鹵化物通過載氣攜帶進入氫化物氣相外延爐進行氮化物材料的生長；氫化物氣相外爐延生長室包括有；一外延生長室；一襯底裝置設于外延生長室內，襯底裝置在外延生長室外部接有調速馬達；反應氣體管道通過外延生長室的密封盤進入外延生長室，載氣攜帶反應氣體通過該反應氣體管道進入外延生長室內，并流動到襯底上進行反應生長氮化物單晶襯底；一加熱裝置，環繞于外延生長室外。
文檔編號C30B25/00GK101205626SQ200610165539
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月21日 優先權日2006年12月21日
發明者曾一平, 李晉閩, 段瑞飛, 王軍喜 申請人:中國科學院半導體研究所