专利名称：通过原子层沉积形成半导体材料的系统和方法
技术领域：
本发明的实施方式一般涉及用于在衬底上沉积材料的系统以及制作和使用所述系统的方法。更具体而言，本发明的实施方式涉及在衬底上沉积III-V族半导体材料的原子层沉积(ALD)法以及制作和使用所述系统的方法。
背景技术：
III-V族半导体材料正因在电子和光电应用中的使用而迅速发展。许多III-V族半导体材料具有直接带隙，这使它们特别可用于制造光电器件，如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。特定的III-V族半导体材料，如氮化镓(GaN)、氮化铟(MN)、氮化铝(AlN) 及其合金(通常称作III族氮化物)，作为用于制造短波LED和LD (包括发射蓝光和紫外发光光电器件)的重要材料而出现。宽带隙的III族氮化物也因III族氮化物在高电流水平、高击穿电压和高温下工作的能力而可用于高频和高功率电子器件。一种广泛使用的用于沉积III-V族半导体材料的工艺在本领域中称作金属有机化学气相沉积(MOCVD)。在MOCVD工艺中，衬底在反应室中暴露于一种或多种气态前体，其以使III-V族材料外延沉积在衬底表面上的方式反应、分解或者既反应又分解。MOCVD工艺通常用于通过将含有III族元素的前体(即，III族元素前体)和含有V族元素的前体 (即，V族元素前体)引入容纳衬底的反应室中而沉积III-V族半导体材料。这使得在前体 (即，III族元素前体和V族元素前体)在暴露于衬底表面之前即发生混合。利用MOCVD工艺沉积III-V族半导体材料涉及衬底表面处的生长速率与气相中化合物的形成之间的平衡。具体而言，III族元素前体与V族元素前体的混合可导致颗粒的形成，所述颗粒消耗了原本用于在适宜的生长衬底上形成III-V族半导体材料的这些前体。在MOCVD工艺中可用前体的消耗导致难以控制III-V族半导体材料生长速率、厚度和组成，特别是在大反应室中时。利用MOCVD工艺形成的III-V族半导体材料的厚度和组成的变化可能对具有特定发射波长的器件(如波长特定的LED)的生产能力和成品率具有负面影响。此外，利用MOCVD工艺形成的III-V族半导体材料的沉积速率通常很低，因而降低了生产能力并增加了单位晶片的成本。原子层沉积(ALD)是用于沉积保形材料并具有原子尺度的厚度控制的工艺。ALD 可用于沉积III-V族半导体材料。ALD是包括使用至少两种试剂或前体的多步、自限制工艺。通常，将第一前体引入容纳衬底的反应器中并使其吸附在衬底表面上。多余的前体可以通过利用例如吹扫气抽吸和吹扫反应器而除去。然后将第二前体引入反应器中并使其与吸附的材料反应而在衬底上形成材料的保形层或膜。在选定的生长条件下，沉积反应在以下方面可以是自限制的一旦最初吸附的材料与第二前体完全反应则反应终止。多余的前体再次通过抽吸和吹扫反应器而除去。可重复该工艺以形成另一材料层，循环次数决定沉积膜的总厚度。与通过常规MOCVD工艺形成的III-V族半导体材料相比，利用ALD工艺形成的 III-V族半导体材料可以具有更高的结晶品质。ALD工艺可使并入沉积的结晶材料中的前体得到更好控制，因此可使由通过所述ALD工艺形成的结晶材料(例如，III-V族半导体材料)的组成得到更好控制。III-V族半导体材料的组成的这种严格控制会对发光器件带来以下结果，例如可确保在单个生长衬底上制造的发光器件之间和在不同生长衬底的发光器件之间获得一致的发射波长。然而，通过传统ALD工艺制备的III-V族半导体材料的生长速率与MOCVD的生长速率相比较低。因此，借助于传统ALD的III-V族半导体材料的高生产能力要求加载尺寸增大，这使得将多余前体和吹扫气吹扫出反应器变得困难。因此，当前可用的ALD反应器通常针对单晶片加工而构造，导致通过ALD获得III-V族半导体材料的生产能力较低且单位晶片的成本较高。近来，ALD法和系统已经得到发展，其中，将各前体连续提供在空间上分隔的区域中，并且在将衬底连续移动通过各前体的情况下将各前体引入到衬底。所述工艺在本领域中通常称作“空间ALD”或“S-ALD”。
发明内容
提供此总结是为了以简化形式介绍构思的选择，该构思会在本发明的一些示例性实施方式的以下详细描述中进一步描述。本总结既非旨在确定所要求保护的主题的关键或必要特征，也非意在用于限制所要求保护的主体的范围。在一些实施方式中，本发明包括在衬底上沉积如III-V族半导体材料等材料的方法。III族元素前体和V族元素前体可以被引入多个基本对齐的气体注入器构成的交替的气体注入器中。衬底可以相对于多个基本对齐的气体注入器移动，使得衬底的表面暴露于 III族元素前体和V族元素前体，在衬底表面上形成至少一种III-V族半导体材料。在另外的实施方式中，本发明包括用于形成半导体材料的沉积系统。该沉积系统可以包含歧管，所述歧管包含多个基本对齐的气体注入器和用于使衬底沿歧管长度方向移动的至少一个组件。基本对齐的气体注入器中的至少一个包含入口、热化管道、被构造为在其中容纳液体试剂的液体容器和出口。通道从入口经热化管道延伸至液体容器中的内部空间，并从液体容器中的内部空间延伸到出口。
通过参照以下的本发明的示例性实施方式的详细描述可以更全面地理解本发明， 其如附图中所说明，其中图1是示意性地说明本发明的沉积系统的一个示例性实施方式的截面图，所述沉积系统包含歧管，所述歧管包含如此处所述的至少一个气体注入器；图2示意性地说明了本发明的气体注入器的一个示例性实施方式，在本发明的沉积系统的实施方式(如图1所示的沉积系统)中可使用一个或多个所述气体注入器；图3是图2所示的气体注入器的一部分的放大的局部剖视图；图4示意性地说明了本发明的气体注入器的另一个实施方式，其与图3所示类似， 但还包含主动式和被动式加热元件；图5示意性地说明了本发明的气体注入器的又一个示例性实施方式，在本发明的沉积系统的实施方式(如图1所示的沉积系统)中可使用一个或多个所述气体注入器；图6示意性地说明了本发明的气体注入器的另一个实施方式，其与图5所示类似， 但还包含主动式和被动式加热元件；图7示意性地说明了气体注入器的另一个实施方式，在本发明的沉积系统的实施方式(如图1所示的沉积系统)中可使用一个或多个所述气体注入器来将前体气体注入到衬底上；图8A 8D示意性地说明了可供给至歧管的至少一个注入器中的气体混合物的实施方式的实例；并且图9是示意性地说明本发明的沉积系统和方法的实施方式的实例的流程图。
具体实施例方式此处所提供的说明不意味着是任何具体部件、器件或系统的实际情况，它们仅仅是用于描述本发明的实施方式的理想化的表述。此处引用了许多参考文献，通过援引将其内容完整并入本说明书中用于所有目的。此外，无论在本说明书中如何描述，所引用的参考文献都不应被认为相对于此处所要求保护的主题而言是现有技术。此处所使用的术语“III-V族半导体材料”是指并包括任何的至少主要由元素周期表的IIIA族(B、Al、fei和In)中的一种或多种元素和元素周期表的VA族(N、P、As和Sb)中的一种或多种元素构成的半导体材料。例如，IH-V族半导体材料包括但不限于氮化镓、磷化镓、砷化镓、氮化铟、磷化铟、砷化铟、氮化铝、磷化铝、砷化铝、氮化铟镓、磷化铟镓、砷化铟镓、氮化铝镓、磷化铝镓、砷化铝镓、磷氮化铟镓(indium gallium nitride phosphide)寸。此处所使用的术语“气体”包括气体(不具有独立形状和体积的流体)和蒸汽(包含悬浮于其中的扩散的液体或固体物质的气体)，术语“气体”和“蒸汽”在本说明书中作为同义词使用。此处所使用的术语“ALD生长循环”是指并包括将衬底的表面暴露于第一前体、使第一前体化学吸附到衬底的该表面上、将衬底的该表面暴露于第二前体和表面反应以形成材料层。近来已经开发出利用一种或多种金属卤化物(如三氯化镓(GaCl3)、三氯化铟 (InCl3)和/或三氯化铝(AlCl3))的外部源作为前体的方法和系统。所述方法和系统的实例公开于2009年9月10日以Arena等的名义公布的美国专利申请第US 2009/0223442A1 号公报中，通过援引将该申请的全部内容完整并入本说明书中。此外，近来还开发出用于这些方法和系统的改进的气体注入器。所述气体注入器的实例公开于例如2009年3月3 日以Arena等的名义递交的美国专利申请第61/157，112号和2010年9月30日以Ronald Τ. Bertran, Jr.的名义递交的名禾尔为"Thermalizing Gas Injectors for Generating Increased Precursor Gas, Material Deposition Systems Including Such Injectors, and Related Methods”的美国专利申请第12/894，7 号，通过援引将以上各申请的全部内容完整并入本说明书中。金属卤化物被分类为无机ALD前体。将所述无机金属卤化物前体用于ALD工艺可能比例如有机前体有利，因为无机金属卤化物前体通常更小、更具反应性、热稳定而且通常在沉积的结晶材料中只留下少量配体残余物。少量配体降低了空间位阻的风险，由此降低了每一循环的生长。高热稳定性使得沉积能够在较高温度下进行而不会热分解。本发明的实施方式包括新型气体注入器并将其用于原子层沉积(ALD)工艺，下文中将进一步详细描述。下面参照附图1描述本发明的沉积系统100的一个实施方式的实例， 其包含多个气体注入器102A、102B、102C、102D，例如美国专利申请第61/157，112号或美国专利申请第12/894,7 号中所描述的气体注入器。气体注入器102A、102B、102C、102D各自可被构造为能将源气体转化为一种或多种用在ALD工艺中的前体。沉积系统100可以提供一系列ALD生长循环，各生长循环形成一层III-V族半导体材料。沉积系统100可以由此用于形成多个III-V族半导体材料层，所述半导体材料层各自具有所需的组成和厚度， 从而用于包括例如发光二极管(LED)等的器件结构形成。沉积系统100还可以包含歧管104和组件106，如轨道、传送机或支架等。歧管104 可以包含多个气体柱108，其被构造为通过其中的端口 110接收至少一种气体。气体柱108 可以设置成彼此纵向对齐，从而形成歧管104。歧管104的气体柱108可以以如线形、折叠或蛇形构型等适当构型设置。在一些实施方式中，歧管104被构造为可相对于其上欲沉积或以其他方式提供III-V族半导体材料的一个或多个工件衬底112(例如，一个或多个模具或晶片)如方向箭头103所示移动。在另一些实施方式中，组件106被构造为使工件衬底 112相对于歧管104的气体柱108如方向箭头105所示移动。例如，工件衬底112可以包括模具或晶片。因此气体柱108可以位于组件106上方足够距离处，以使工件衬底112可以移动通过气体柱108与组件106之间的空间。在沉积系统100、更特别是在沉积系统100的歧管104的以下描述中，术语“纵向” 和“横向”用于指如图ι中所示的相对于歧管104和组件106的方向，其中纵向是图1的透视图的水平方向，横向是图1的透视图的竖直方向。纵向也称作“沿歧管长度”或“沿组件长度”延伸的方向。在一些实施方式中，沉积系统100包含用于将一种或多种气体供给至歧管104并将气体从歧管104中除去的气体流动系统。例如，沉积系统100可以包含气体源114A、114B、 114C、114D，它们将气体分别供给至气体注入器102A、102B、102C、102D。例如，气体源114A、114B、114C、114D中的一个或多个可以包含可供给至气体注入器102A、102B、102C、102D的III族元素或V族元素的外部源。III族元素源可以包含镓(Ga) 源、铟(In)源和铝(Al)源中的至少一种。作为非限制性实例，III族元素源可以包含三氯化镓(GaCl3)、三氯化铟(InCl3)和三氯化铝(AlCl3)中的至少一种。包含feiCl3、InCl3或 AlCl3中的至少一种的III族元素源可以是二聚体的形式，例如为G C16、h2Cl6或々12(16。V族元素源可以包含氮(N)源、砷(As)源和/或磷(P)源。作为实例并且不具限制性，V族元素源可以包含氨(NH3)、胂(AsH3)或膦(PH3)中的一种或多种。在一些实施方式中，源气体可以利用一种或多种载气(如氢气(H2)、氦气(He)、氩气(Ar)等)由气体源114A、114B、 114C、114D供给至气体注入器102A、102B、102C、102D中。因此，源气体可以包含一种或多种 III族元素源和一种或多种载气。当源气体由气体源114A、114B、114C、114D通过管道116传送时，源气体可以被加热至足以由源气体产生前体气体的温度。例如，源气体可以包含GaCl3和H2,它们可被加热至足以使三氯化镓在氢气存在下解离为氯化镓(GaCl)和含氯物种(如氯化氢气体(HCl) 和/或氯气(Cl2))的温度。气体源114A、114B、114C、114D 可以供给至气体注入器 102A、102B、102C、102D 中。 气体注入器102A、102B、102C、102D各自可以被构造为产生一种或多种前体并将前体引入工件衬底112。例如，气体注入器102A、102B、102C、102D可以被构造为将前体气体供给到细长的气体柱108，所述气体柱108可被构造为将前体气体以基本垂直于工件衬底112的主表面的方向导向工件衬底112的主表面。由此，在各气体柱108下方的轨道104上的区域代表工件衬底112暴露于前体气体的注入点。气体注入器102A、102B、102C、102D可以各自独立运行，并且可以使相邻注入器 102A、102B、102C、102D以足以防止相邻注入器102A、102B、102C、102D所释放的气体交叉污染的距离隔开。气体注入器102A、102B、102C、102D各自可以被构造为提供足量的气体以使工件衬底112的表面饱和并在工件衬底112的表面上沉积材料层。图1中所示的沉积系统 100的歧管104被绘制为具有四个气体注入器102A、102B、102C、102D ；不过，可以使用任意数量的气体注入器。例如，可以基于材料(例如，III-V族半导体材料)的所需厚度选择用于将前体(例如III族元素前体或IV族元素前体)供给至工件衬底112的气体注入器的数量。在III族元素前体由包含(^(13、^1(13或AlCl3的气体形成的实施方式中，如下文中所将描述的，III族元素前体可以使用气体注入器102A、102B、102C、102D中的至少一个
由气体形成。沉积系统100还包括用以在III-V族半导体材料的沉积过程中保持前体气体的分离的特征。例如，沉积系统100可以包含用于将吹扫气供给至相应气体柱108中的至少一个吹扫气体源118和用于将多余的前体气体从沉积系统100中如方向箭头121所示抽出的排气管120。吹扫气体源118可以包含如氩气(Ar)、氮气(N2)和氦气(He)等吹扫气。吹扫气体源118可用于将吹扫气通过气体柱108递送至工件衬底112。例如，吹扫气体源118 可以将吹扫气供给至设置在两个用于将前体供给至工件衬底112的气体柱108之间的气体柱108中的至少一个。气体柱108也可以用于从工件衬底112的表面除去多余气体(即， 前体气体和吹扫气)。多余气体可以通过气体柱108进入排气管120以从沉积系统100中除去。例如，多余气体可以通过位于被构造为向工件衬底112供给前体气体和吹扫气的各个气体柱108之间的气体柱108之一除去。组件106被构造为支撑工件衬底112，并且在一些实施方式中在各个连续的气体柱108下依次输送工件衬底112。虽然图1显示的是单工件衬底112，但组件106可被构造为支撑任意数量的用于加工的工件衬底112。在一些实施方式中，组件106可以沿歧管104的长度输送工件衬底112。工件衬底112和歧管104可以以使得由相应的气体注入器102A、 102BU02CU02D产生的各前体气体能够使工件衬底112的表面饱和的速度彼此相对移动。 当工件衬底112的表面暴露于各前体时，材料层可以沉积在工件衬底112的表面上。由于工件衬底112相对于气体柱108移动，因此可以实现在工件衬底112表面上形成III-V族半导体材料的多个ALD生长循环。如前所述，沉积系统100的气体注入器102A、102B、102C、102D中的一个或多个可
以是或包含参照图2 7详细描述的气体注入器的各种实施方式中的一种。在一些实施方式中，气体注入器102A、102B、102C、102D可以包含如美国专利申请第61/157，112号中所描述的热化气体注入器，而且还包含被构造为容纳与源气体(或源气体的分解或反应产物) 反应的液体试剂的储存器。例如，储存器可以被构造为容纳液态金属或其他元素，如液态镓、液态铝、液态铟。在一些实施方式中，储存器可以被构造为容纳一种或多种固体材料，如铁、硅、镁。图2是本发明的气体注入器200的一个实施方式的透视图。如图2所示，气体注入器200包含入口 202、出口 204、热化管道206和容器210。容器210被构造为在其中容纳液体试剂。例如，可以将液态金属，如液态镓、液态铟、液态铝等置于容器210内。包含例如GaCl3和H2的源气体可以供给至入口 202。源气体可由入口 202流入热化管道206中。 热化管道206可以被构造为对流过热化管道206的源气体加热所希望的时间(即，滞留时间)，所述时间可以是热化管道206内流路的截面面积、源气体通过热化管道206的流速和热化管道206的总长度的函数。热化管道206可以成型并构造为位于临近一个或多个主动式或被动式加热元件，在下文中将进一步详细讨论。此外，热化管道206可以包含一个或多个曲部或弯部，使得热化管道206所占据的物理空间的长度显著小于通过热化管道206的流路的实际长度。换言之，热化管道206的长度可以长于入口 202与液体容器210之间的最短距离。在一些实施方式中，热化管道206 的长度可以为入口 202与液体容器210之间最短距离的至少约2倍、入口 202与液体容器 210之间最短距离的至少约3倍或者甚至入口 202与液体容器210之间最短距离的至少约 4倍。例如，热化管道206可以具有如图2所示的蛇形构造，其包含多个通常平行的直部，这些直部以端对端方式由以180°角延伸的曲部连接在一起。热化管道206可以包含至少基本由如石英等耐火材料构成的管。在一些实施方式中，源气体在热化管道206中可以至少部分分解。例如，在源气体包含GaCl3和吐的实施方式中，GaCl3可以在吐存在下分解为气态feiCl和含氯气体物种， 如氯化氢气体(HCl)和/或氯气(Cl2)。气体从热化管道206流入容器210中。图3是容器210的放大的局部剖视图。如图3所示，容器210包含底壁212、顶壁214和至少一个侧壁216。在图2和3的实施方式中，该储存器具有大致为圆筒的形状，使得底壁212和顶壁214各自具有圆形形状并且至少基本平坦，并使侧壁216至少基本为圆筒形(例如管状)。底壁212、顶壁214和至少一个侧壁216共同界定了中空体，其内部界定了用于容纳如液态镓等液体试剂的储存器。中空容器210中的内部空间可以部分地填充有液体试剂，如液态镓、液态铟、液态铝等。例如，可以使用液体试剂将容器210填充至图3中虚线220所示的水平，使得在容器210内液体试剂上方存在空隙或空间222。由热化管道206流出的气体可以注入到容器210内液体试剂上方的空间222中。作为非限制性实例，由热化管道206流出的气体可以流过底壁212进入管224。在一些实施方式中，管2 可以包含热化管道206延伸至容器210 中的整合部分。管2M可以延伸通过置于容器210中的液体试剂到达液体试剂上方的空间 222。管2M可以包含九十度弯管，以使管224的端部在液体试剂上方水平延伸。如图3所示，在管2M的面向液体试剂侧可以设置通过其圆筒形侧壁的孔，使得流过管2M的气体将通过孔2 离开管224。离开孔2 的气体可以沿着朝向液体试剂表面的方向由孔导出，从而促进气体的一种或多种成分与液体试剂之间的反应。例如，在源气体包含(^aCl3和如H2等载气并且源气体已分解为包含气态feiCl和含氯气体物种的实施方式中，在热化管道206内，容器210中的液体试剂可以包含液态镓，所述液态镓可与热化管道206中产生的含氯气体物种(例如HCl)反应从而形成另外的气态 feCl。作为另外一种选择，容器210中的液体试剂可以包含液态铟、液态铝，所述液态铟、液态铝可分别与含氯气体物种(例如HCl)反应从而形成hCl、A1C1。在容器210内液体试剂上方的空间222中的气体可以通过出口孔2 流出容器。例如，出口孔2 可以位于在管224的水平延伸部分上方的容器210的顶壁214中。出口孔2 可以通向出口管道230， 出口管道230的末端可以界定气体注入器200的出口 204。容器210的各种部件可以至少基本由如石英等耐火材料构成。feiCl可以是所希望的用于形成GaN的前体气体。因此，通过将产生自(^Cl3(在利用GaCl3作为源气体的系统中)的热分解的多余的含氯气体转化为另外的feCl，可以避免多余的含氯气体物种对于沉积的GaN材料的不利影响，因为引入到工件衬底112(图1)的含氯气体物种的量可以得到降低。所述不利影响可包括例如使氯原子结合至氮化镓晶格中和使沉积的GaN膜破裂或分层。另外，不利影响还可包括例如形成多余氯化氢气体(HCl)。 氯化氢可在沉积系统100中对于沉积的III族氮化物层起到蚀刻剂的作用，从而降低生长速率，甚至阻碍III族氮化物沉积。此外，通过使多余的含氯物种与液态镓反应形成另外的 feiCl，沉积系统100的效率可以得到提高。图4说明的是热化气体注入器300的另一个实施方式，所述热化气体注入器300 包含图2的气体注入器200，及用于至少加热所述气体注入器200的热化管道206和容器 210的主动式和被动式加热部件。换言之，可以临近热化管道206和容器210中的至少一个设置至少一种加热元件，从而加热所述气体注入器200的热化管道206和容器210中的至少一个。如图4所示，热化气体注入器300包含圆柱形被动式加热元件302，所述加热元件 302设置在由气体注入器200的热化管道206包围的基本为圆柱形的空间之内。被动式加热元件302可以至少基本由具有高发射率值(接近一致)的材料(黑体材料)构成，所述材料也能够耐受在沉积系统100中可能遭遇的高温、腐蚀性环境。所述材料可以包括例如氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)和碳化硼出40，它们分别具有0.98、0.92和 0. 92的发射率值。被动式加热元件302可以是实心的或空心的。在一些实施方式中，被动式加热元件302可以是空心的，可以在该被动式加热元件的内部空间中设置热电偶来进行温度监控和控制。在另一些实施方式中，圆柱形热电偶可以设置在被动式加热元件302周围并且在被动式加热元件302与围绕的热化管道206之间。
在另一些实施方式中，中空的圆柱形被动式加热元件可以设置在热化管道206的一个或多个直部的上方和周围。在这种实施方式中，圆柱形热电偶可以设置在中空的圆柱形被动式加热元件与热化管道206由中空的圆柱形被动式加热元件包围的部分之间。热化气体注入器300也可以包含主动式加热元件304。主动式加热元件304可以至少部分地包围气体注入器200的热化管道206和容器210中的每一个。在一些实施方式中，主动式加热元件304可以基本为圆柱形，并且可以完全围绕热化管道206和容器210各自的至少一部分延伸，如图4所示。主动式加热元件304可以包含例如电阻加热元件、感应加热元件和辐射加热元件中的至少一种。保温夹套306可以如图4所示至少基本围绕气体注入器200、被动式加热元件302和主动式加热元件304，以提高加热过程的效率，通过所述加热过程，主动式加热元件304和被动式加热元件302加热热化管道206 (或至少其中容纳的一种或多种气体)和容器310 (或至少其中容纳的液体试剂和一种或多种气体)。热化气体注入器300的主动式和被动式加热元件可以能够将热化管道206、容器 210和源气体加热至约500°C 约1，000°C的温度。图5说明了本发明的气体注入器400的另一个实施方式。图5的气体注入器400 类似于图2的气体注入器200，并包含入口 202、出口 204、热化管道406和容器210。容器 210可以如图2和3中所述。热化管道406基本类似于图2中的热化管道206，不同之处在于，热化管道406沿螺旋路径延伸(即，具有螺旋构型)，而不是具有如图2的热化管道206 所示的蛇形构型。如图5所示，本发明的实施方式也可以包含外壳450。外壳450可以被构造为至少封装和保护气体注入器400的热化管道406和容器210。外壳450也可以充当可用于例如传送吹扫气(例如吹扫气)的其他导气管道。例如，外壳450可以包含入口孔452和出口孔454，以使气体可以流过入口孔452与出口孔妨4之间的外壳450。在本发明的另一些实施方式中，外壳450可以设置在图2的气体注入器200、图4的气体注入器300或下文中所描述的任何其他气体注入器上。继续参照图5，运行时，如(^aCl3和H2等源气体通过入口 202进入气体注入器400， 进入的流速低于100立方厘米/分钟(sccm)、低于50SCCm或者甚至低于lOsccm。但是，流速可以大于20标准升/分钟(SLM)，例如大于或等于30SLM。如(iaCl等气态前体通过出口 204以约500°C 约1，000°C的温度离开气体注入器400。如氮气或者氮气与氢气(H2)的混合物等吹扫气通过入口孔452进入外壳450中，进入的流速约为ISLM 5SLM，并至少在外壳450的内部保持超压。吹扫气通过出口孔妨4离开外壳450。吹扫气在通过外壳450时也可以被加热。图6说明的是热化气体注入器500的另一个实施方式，其包含基本类似于图5中的气体注入器400的气体注入器，但是不具有外壳450。因此，气体注入器500包含如本说明书中上文所述的热化管道406和容器210。气体注入器500还包含入口 202和出口 204。 图5的热化气体注入器还包含主动式和被动式加热元件，如关于图4的气体注入器300所述的那些元件。具体而言，图5的气体注入器400包含先前描述的圆柱形被动式加热元件 302，该加热元件设置在由气体注入器500的螺旋形热化管道406包围的基本为圆柱形的空间中。热化气体注入器500还可以包含主动式加热元件304和保温夹套306，如之前关于图4所述。如前所述，热化气体注入器500的主动式和被动式加热元件可以能够将热化管道406、容器210和源气体加热至约500°C 约1，000°C的温度。图7说明的是可用于将掺杂物前体注入到工件衬底112上的气体注入器500的一个实例。气体注入器500包含如之前关于图2和图3所述的入口 202、出口 204和容器210。 基本上笔直的的管道502可以由入口 202延伸至容器210(代替图2和图3中的热化管道 206)。容器210可以被构造为在其中容纳液体金属试剂，如液态铝、液态铟等。在本发明的一些实施方式中，容器210可以被构造为容纳一种或多种固体材料，如铁、硅或镁等。气体注入器500也可以包含主动式和/或被动式加热元件，如之前关于图4的气体注入器300所述的主动式加热元件304和保温夹套306等。主动式和/或被动式加热元件可以用于将容器210 (或至少其中容纳的液体)加热至足以使容器210中的金属保持为液态的温度。如气态氯化氢、氯气或气态(iaCl等源气体可以由外部气体源提供至入口 202。源气体可以由入口 202流过管道502而到达容器210，在容器210中源气体可以与容器中的金属试剂反应形成前体气体(例如InCl、AlCl、FeCl等)。前体气体可以通过出口 204从容器210中流出。可以选择性地控制相对于通过沉积系统100的其他气体注入器的流速的通过气体注入器500的气体的流速，以控制由掺杂物前体沉积的元素在所获得的III-V族半导体材料中的浓度。如上所述，本发明的热化气体注入器的实施方式可用于将气态III族元素前体和 V族元素前体注入至工件衬底112上，以利用S-ALD工艺沉积III-V族半导体材料。例如， 在一些实施方式中，本发明的热化气体注入器可用于通过GaCl3在氢存在下的热分解和通过由所述(^aCl3的热分解产生的含氯物种(例如HC1、C12)与液态镓的反应而将(^Cl3转化为气态feiCl，并将feiCl注入到工件衬底112上以在ALD工艺中沉积GaN。图8A 8D说明的是管道116和气体注入器102的构造的实例，所述管道116和气体注入器102可用于由源气体产生III族元素前体，所述源气体如方向箭头107所示由气体源114々、1148、114(、1140(图1)从外部提供。例如，III族元素前体可以由包含一种或多种III族元素的气体和一种或多种载气产生，或者通过下述方式产生使如氯化氢(HCl) 蒸汽等气体在经加热的III族元素(即，液态镓、液态铝、液态铟等)上方通过从而形成III 族元素前体气体，如feCl、AlCl或hCl，如关于图3和图7所述。通过如关于图8A 8D所述形成前体气体，前体气体的浓度可以被调整以用于形成具有所需组成的III-V族半导体材料。在一些实施方式中，管道116可以包含多个支管U6A、126B、U6C，它们用于将不同的前体载至或载出注入器102。管道116的支管126A、U6B、126C可以如方向箭头109所示汇聚形成单一气流，所述单一气流可以供至气体柱108(图1)。如图8A中所示，使用注入器102可以形成包含hCl和AlCl中的至少一种和feiCl 的前体混合物。例如，在管道116的第一支管126A中可以将GaCl3转化为(iaCl和含氯气体，而在管道116的第二支管126B中可以将InCl3或AlCl3分别转化为hCl或AlCl。在前体混合物包含feiCl和hCl的实施方式中，可以使用前体混合物在工件衬底112(图1)上形成InGaN、InGaAs和InGaP中的一种或多种。在前体混合物包含feiCl和AlCl的实施方式中，可以使用前体混合物在工件衬底112(图1)上形成AlGaN、AWaAS、AlGaP中的一种或多种。
参照图8B和8C，可以通过下述方式形成两种以上III族元素前体(如feiCl、AlCl、 InCl或i^eCl中的两种以上)使用气体注入器102(如关于图3和7描述的)使来自外部源的(^Cl3通过经加热的III族元素源(例如，铟源或铝源)上方。作为非限制性实例，可以使(^Cl3通过经加热的铟源上方从而形成MCl和feCl，通过经加热的铝源上方从而形成 AlCl和feiCl，或通过经加热的铁源上方从而形成!^Cl和feiCl。可以通过使氯化氢和氯气中的至少一种通过镓源上方形成另外的feci前体。在管道116的第一支管126A中，氯化氢和氯气中的至少一种和feiCl可以利用注入器102(如关于图3和7所描述的)由GaCl3和H2中的一种或多种产生。在管道116的第二支管126B中，可以通过注入器102产生另外的feiCl或另外的III族元素前体。在产生另外的feCl的实施方式中，由(^Cl3、氯化氢或氢气中的至少一种产生的含氯气体可以与镓反应形成另外的feCl。在形成另外的III族元素前体的实施方式中，由GaCl3产生的 feCl、氯化氢或氯气可以与铟、铝或铁中的至少一种反应，形成另外的III族元素前体(即， hCl、AlCl或狗(1)。管道116的第一支管126A和第二支管126B汇聚从而将气体混合。在一些实施方式中，可以向管道116中添加可用于掺杂III-V族半导体材料的其他气体。如图8C所示，供给至管道116的第一支管126A的(^Cl3可以与供给至管道116 的第二支管126B的掺杂物气体混合。适当的掺杂物气体包括但不限于含铁气体、二氯硅烷 (H2SiCl2)、硅烷(SiH4)和四氯化硅(SiCl4)。可选的是，管道116的第三支管126C可用于产生另外的III族元素前体或另外的feCl，如关于图8B所述。在图8D中所示的另外的实施方式中，管道116可以包含支管U6A、126B和U6C， 可以在支管126A、U6B、126C中的至少两个中供给feiCl3、InCl3和AlCl3中的一种以形成包含feiCl3、InCl3和AlCl3中至少两种的混合物的气体。feiCl3、InCl3和AlCl3中至少两种的组合可用于形成三元III族化合物(如InGaN或AlGaN等)和四元III族化合物(如 AUnfeiN 等)。关于图1描述的沉积系统100可用于通过S-ALD形成III-V族半导体材料的方法。 例如，该方法可以利用多个ALD生长循环122、IM来形成III-V族半导体材料，各ALD生长循环包括将工件衬底112暴露于至少一种III族前体和至少一种V族前体。多余的前体和吹扫气可以通过连接于排气管120的气体柱108除去，以避免所述至少一种III族前体与所述至少一种V族前体混合。因此ALD生长循环122、1M各自可以形成特定的III-V族半导体材料层。利用沉积系统100可以进行任何数量的ALD生长循环，以形成所需厚度的特定III-V族半导体材料或形成多个不同的III-V族半导体材料层。在各生长循环中供给至工件衬底112的前体可以进行调整以在工件衬底112上形成所需的III-V族半导体材料或所需的多个不同的III-V族半导体材料层。例如，该方法可用于形成适用于器件层(例如 LED的器件层)的多个包含具有不同组成的III-V族半导体材料的层。组件106和歧管104中的至少一个被构造为引起工件衬底112相对于歧管104的移动。可以使工件衬底112位于组件106上，并使其相对于歧管104移动经过沿歧管104的长度的一系列注入位置(即，在纵向对齐的气体注入器102A、102B、102C、102D各自下方的位置)。在各注入位置，可以使工件衬底112通过位于上方的气体注入器102A、102B、102C、 102D暴露于至少一种III族元素前体或者至少一种V族元素前体，使得III族材料、V族材料或III-V族化合物材料的层沉积在工件衬底112上。气体注入器102A、102B、102C、102D可以程序化来控制前体流速和组成，以形成所需的III-V族半导体材料。III族元素前体可以利用前述的本发明的热化气体注入器的实施方式由III族元素源形成。在一些实施方式中，可以使用气体注入器102A、102B、102C、102D热化feiCl3、 InCl3和AlCl3中的至少一种和一种或多种载气(如H2、N2和Ar)，从而形成III族元素前体 (即feiCl、InCl和A1C1)。在另一些实施方式中，可以使用包含如feiCl3、InCl3和AlCl3等气体的混合物的III族元素源形成三元和四元III-V族半导体材料，如InGaN、InGaAs、MGaP、 AlGaN、AlGaAs和AlGaP。例如，如关于图8A 8D所述，可以在进入气体注入器102A、102B、 102C、102D之前形成气体的混合物。所述混合物可用于在工件衬底112上形成三元和四元 III-V族半导体材料。例如，可以将(^aCl3和InCl3的混合物供给至气体注入器102A、102B、 102C、102D中的一个或多个以在工件衬底112上形成hGaN、InGaAs或hGaP，或将feiCl3和 AlCl3的混合物供给至气体注入器102A、102B、102C、102D以在工件衬底112上形成AlGaN、 AlGaAs或AKiaP。可以调整混合物中气体的比例，以形成具有所需组成的III-V族半导体材料。V族元素前体可以通过热化V族元素源或者通过本领域已知的其他技术(例如等离子体生成技术)形成。例如，可以热化氨(NH3)、胂(AsH3)和膦(PH3)中的至少一种来形成V族元素前体。在本发明的一些实施方式中，可将气体注入器102A、102B、102C、102D中的一个或多个用于生成III族元素前体，如feci、hCl或A1C1，并将工件衬底112的主表面暴露于 III族元素前体。在本发明的另一些实施方式中，可将气体注入器102A、102B、102C、102D中的一个或多个用于生成不同的III族元素前体，所述不同的III族元素前体可用于形成包含两种以上不同III族元素的III族氮化物材料，如InGaN、AWaN和IniUGaN等。作为非限制性实例，可将第一和第三空气注入器102A、102C用于供给(iaCl (通过利用GaCl3的热分解而将GaCl3转化为气态feCl，和通过由所述GaCl3的热分解产生的含氯物种与液态镓的反应)UnCl (通过利用InCl3的热分解而将InCl3转化为气态hCl，和通过由所述^iCl3 的热分解产生的含氯物种与液态铟的反应)和AlCl (通过利用AlCl3的热分解而将AlCl3 转化为气态A1C1，和通过由所述AlCl3的热分解产生的含氯物种与液态铝的反应)中的一种或多种，并将第二和第四气体注入器102B、102D用于供给气态氨(NH3)、气态胂(AsH3)或气态膦(PH3)。气体注入器102A、102B、102C、102D各自可以将足量的前体气体引入至工件衬底112，以在工件衬底112上沉积材料层。沉积系统100可以包含任意数量的气体注入器 102A、102B、102C、102D，以在工件衬底112上沉积所需厚度的III-V族半导体材料或多个不同的III-V族半导体材料层。另外，可以使工件衬底112通过沉积系统100任意次，以获得所需厚度的III-V族半导体材料或多个不同的III-V族半导体材料层。在本发明的另一些实施方式中，可将气体注入器102A、102B、102C、102D中的至少一个用于产生掺杂物前体(例如，氯化铁(FeCl)或包含硅(Si)的气相物种)，所述掺杂物前体可用于将掺杂物(例如，铁原子或离子，或者硅原子或离子)引入至III-V族半导体材料。在沉积工艺中，掺杂物前体可以以使得掺杂物并入所沉积的III-V族半导体材料中的方式分解和/或与其他物质反应。在所述实施方式中，不必在用于注入掺杂物前体的气体注入器中热分解掺杂物前体。作为非限制性实例，ALD生长循环122、1M各自可用于形成具有所需组成的III-V族半导体材料层或各自具有不同组成的多个III-V族半导体材料层。可以执行第一 ALD生长循环122，以沉积第一 III-V族半导体材料层。在使工件衬底112沿歧管104的长度移动通过第一 ALD生长循环122时，工件衬底112可以位于与第一注入器102A相连通的气体柱108下方。第一注入器102A可以通过相应的气体柱108将III族元素前体供给至工件衬底112，并且III族元素可以被吸收在工件衬底112的表面上。多余的气体或III族元素前体可以通过下述方式从工件衬底112上除去通过与排气管120相连的气体柱108从工件衬底112的表面抽吸气体。也可以通过将工件衬底 112的表面暴露于吹扫气而在抽吸过程之间进行吹扫过程。然后可以使工件衬底112相对于歧管104移动至第二注入器102B下方的位置。工件衬底112可以暴露于由第二注入器102B供给的V族元素前体。第二注入器102B可以将足量的V族元素前体引入至工件衬底112，在工件衬底112上，V族元素与利用第一注入器 102A沉积在工件衬底112表面上的III族元素反应，形成第一 III-V族半导体材料层。多余的气体或V族元素前体可以通过如前所述的抽吸与吹扫从工件衬底112上除去。ALD生长循环122可以重复任意次，以增加第一 III-V族半导体材料层的厚度。可以执行另一ALD生长循环124，以沉积具有不同于第一 III-V族半导体材料层的组成的第二 III-V族半导体材料层。在使工件衬底112相对于歧管104移动通过第二 ALD 生长循环IM时，工件衬底112可位于第三注入器102C下方。第三注入器102C可以将III 族元素前体引入至工件衬底112，并且III族元素可以被吸收在工件衬底112的表面上。如前所述，多余的气体或前体可以通过抽吸与吹扫从工件衬底112上除去。除去多余气体后，可以使工件衬底112相对于歧管104移动至第四注入器102D下方的位置。第四注入器102D可将V族元素前体引入至工件衬底112，并且V族元素可以与沉积在工件衬底112表面上的III族元素反应形成第二 III-V族半导体材料层。ALD生长循环IM可以重复任意次，以增加第二 III-V族半导体材料层的厚度。在ALD生长循环122、IM之一中形成的III-V族半导体材料层的厚度取决于所使用的前体和工件衬底112沿歧管104的长度相对移动的速度。可以进行任意次的ALD生长循环122、124，以沉积所需厚度的III-V族半导体材料，或形成具有不同组成的III-V族半导体材料层。通过气体注入器102A、102B、102C、102D引入至工件衬底112的前体的种类可以进行调整以形成所需的III-V族半导体材料或所需的多个III-V族半导体材料层。在形成包含多个III-V族半导体材料层的结构的实施方式中，可以通过进行一次或多次第一 ALD生长循环122而在工件衬底112上形成所需厚度的特定III-V族半导体材料，之后可以进行一次或多次第二ALD生长循环124，以形成所需厚度的另一种不同的III-V族半导体材料。ALD生长循环122、124可以进行调整以控制使用沉积系统100沉积的各层III-V族半导体材料的厚度和组成。工件衬底112与歧管104的相对移动使工件衬底112能够连续、依次暴露于不同的前体，而不会像利用常规CVD系统那样在ALD生长循环之间在反应室中加载和卸载工件衬底112、改变温度、清洁、抽空等。工件衬底112相对于歧管104的相对移动速度可以根据前体的反应时间而改变，以提供III-V族半导体材料的高生长速率。沉积的III-V族半导体材料各自的厚度和组成可以通过沉积系统100中的注入位置(即，在对应于气体注入器 102A、102B、102C、102D的气体柱108各自下方的位置)的数量和在这些注入位置各处引入至工件衬底112的前体类型来确定。因此，沉积系统100使得能够精确控制III-V族半导体材料各自的厚度和组成。沉积系统100可以被构造为可沉积各自具有所需的厚度和组成的III-V族半导体材料层的任意组合。相对于常规沉积系统和方法，沉积系统100和相关方法还提供了 III-V族半导体材料的实质上提高的生产能力，由此降低了制造成本。沉积系统100还使得能够制造包含多个III-V族半导体材料层的结构，如用于III族氮化物类器件(如激光二极管、LED、高频率高功率二极管)的结构等。以下实施例用以更详细地说明本发明的实施方式。不应认为该实施例是对本发明的范围的穷尽或排除。图9是类似图1所示的沉积系统100的流程图，其说明了沉积系统100在形成包含多个不同的III-V族半导体层的结构、特别是多量子阱LED结构的方法中的应用。沉积系统100可用于沉积GaN、InN, AlN和III族氮化物合金。工件衬底112可以包含模板结构， 如在蓝宝石衬底上的η型GaN材料。GaN材料具有约1 μ m 约20 μ m的厚度，并且可以电掺杂有硅以产生η型材料。沉积系统100可用于在工件衬底112的GaN层上形成多个有源层(未示出)。例如，有源层可以形成可构成LED的器件结构的基础。在另一些实施方式中，有源层可以被组成和构造为形成激光二极管、晶体管、太阳能电池、MEMS等。沉积系统100可以保持在约350°C 约750°C的温度和约1000毫托 约7600毫托的压力。作为非限制性实例，气体源可以以约Isccm 约lOOsccm的流速供给。在一些实施方式中，沉积系统100可以包含多个沉积区130A、130B、130C、130D、 130E、130F，这些沉积区各自用于在工件衬底112上形成包含多个层的结构，所述层各自包含具有特定组成的III-V族半导体材料。例如，所述结构可以是LED器件层结构。在形成包含位于掺杂的P型AWaN层和掺杂的ρ型GaN层下方的交替的InGaN和GaN层的结构的实施方式中，沉积系统100可以包含用于沉积InGaN材料的第一和第三沉积区130A、130C、 用于沉积GaN材料的第二和第四沉积区130B、130D、用于沉积掺杂的ρ型AlGaN材料的第五沉积区130Ε和用于沉积掺杂的ρ型GaN材料的第六沉积区130F。随着工件衬底112移动通过沉积系统的区域130A、130B、130C、130D、130E、130F，可以使适当的III族前体和氮前体交替暴露于工件衬底112，从而形成所需的III-V族半导体材料。在一些实施方式中，每一(1)米歧管104可沉积Inm厚度的所需III-V族半导体材料。在组件106包含用于沿歧管104的长度移动工件衬底112的轨道和传送机的实施方式中，轨道可以具有约100米的长度以在足够数量的气体注入器102A、102B、102C、102D下移动工件衬底112，从而形成厚度为IOOnm的III-V族半导体材料，如LED器件层结构等。 沉积系统100可以根据可用空间以各种构造来设置。在沉积系统具有约1000晶片/小时加工速率的实施方式中，轨道可具有约100平方米(m2)的面积，假定器件层结构的传送速率为1000晶片/小时。这对应于面积/有效循环时间/晶片为约0. Im2/晶片/小时，相对于常规CVD反应器的加工速率有实质改善。下面描述本发明的另一些非限制性示例性实施方式。实施方式1 一种沉积半导体材料的方法，所述方法包括使III族元素前体流过多个基本对齐的气体柱中的第一气体柱；使V族元素前体流过所述多个基本对齐的气体柱中的第二气体柱；引起衬底相对于所述多个基本对齐的气体柱的移动；将所述衬底的表面依次暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体以形成III-V族半导体材料。CN
实施方式2 如实施方式1所述的方法，所述方法还包括分解包含至少一种III 族元素的气体以产生所述III族元素前体。实施方式3 如实施方式2所述的方法，其中，分解包含至少一种III族元素的气体以产生所述III族元素前体包括分解(^Cl3UnCl3和AlCl3中的至少一种以形成feCl、 InCl和AlCl中的至少一种和氯。实施方式4 如实施方式3所述的方法，其中，分解feiCl3UnCl3*AlCl3中的至少一种以形成GaCl、InCl和AlCl中的至少一种和氯包括分解(^aCl3以形成feiCl和氯。实施方式5 如实施方式2或实施方式3所述的方法，所述方法还包括将所述氯与液态镓反应以形成另外的feci。实施方式6 如实施方式1 5中任一项所述的方法，所述方法还包括通过将所述衬底的所述表面重复暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体来增加所述III-V 族半导体材料的厚度。实施方式7 如实施方式1 6中任一项所述的方法，所述方法还包括使吹扫气流过位于所述第一气体柱与所述第二气体柱之间的第三气体柱；和将所述衬底暴露于所述吹扫气以从所述衬底的所述表面除去多余的III族元素前体和多余的V族元素前体。实施方式8 如实施方式1 7中任一项所述的方法，其中，将所述衬底的表面依次暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体包括将所述衬底的所述表面暴露于 GaCl, InCl和AlCl中的至少一种以将镓、铟和铝中的至少一种吸收到所述衬底的所述表面；和使吸收在所述衬底的所述表面上的镓、铟和铝中的至少一种暴露于氮、砷和磷中的至少一种。实施方式9 如实施方式1 8中任一项所述的方法，其中，将所述衬底的表面依次暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体以形成III-V族半导体材料包括形成氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、砷化铟镓、磷化铟镓、氮化铝镓、砷化铝镓和磷化铝镓中的至少一种。实施方式10 如实施方式1 9中任一项所述的方法，其中，将所述衬底的表面依次暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体以形成III-V族半导体材料包括形成厚度为约IOOnm的所述III-V族半导体材料。实施方式11 如实施方式1 10中任一项所述的方法，所述方法还包括将所述衬底的表面依次暴露于另一种111族元素前体和另一种V族元素前体以在所述III-V族半导体材料上形成另一种III-V族半导体材料，所述另一种III-V族半导体材料具有与所述 III-V族半导体材料不同的组成。实施方式12 —种沉积半导体材料的方法，所述方法包含在热化气体注入器中热分解至少一种源气体以形成III族元素前体；将所述III族元素前体通过至少一个气体柱导向衬底的表面以使所述至少一种III族元素吸收在所述衬底的表面上；将V族元素前体通过与所述至少一个气体柱基本对齐的至少另一个气体柱导向所述衬底的所述表面以形成III-V族半导体材料。实施方式13 如实施方式12所述的方法，所述方法还包括引起所述衬底相对于所述至少一个气体柱和所述至少另一个气体柱的移动。实施方式14 如实施方式13所述的方法，其中，引起所述衬底相对于所述至少一个气体柱和所述至少另一个气体柱的移动包括引起所述衬底相对于多个气体柱中的所述至少一个气体柱和所述至少另一个气体柱的移动。实施方式15 如实施方式12 14中任一项所述的方法，其中，在热化注入器中热分解至少一种源气体以形成III族元素前体包括在所述热化气体注入器中热分解feiCl3、 InCl3和AlCl3中的至少一种以形成feiCl、InCl和AlCl中的至少一种以及氯气。实施方式16 如实施方式15所述的方法，所述方法还包括将所述氯气与液态镓、 液态铟和液态铝中的至少一种在所述热化气体注入器中反应，以形成另外的feci、InCl和 AlCl中的至少一种。实施方式17 如实施方式15或实施方式16所述的方法，所述方法还包括将所述GaCl与液态铟、液态铝和液态铁中的至少一种在所述热化气体注入器中反应，以形成 InGaClx^AlGaClx 和!^eGaClx 中的至少一种。实施方式18 如实施方式12 17中任一项所述的方法，其中，将所述III族元素前体通过至少一个气体柱导向衬底的表面以使所述至少一种III族元素吸收在所述衬底的表面上包括将feiCl、InCl和AlCl中的至少一种通过所述至少一个气体柱导向衬底的表面以使镓、铟和铝中的至少一种吸收在所述衬底的所述表面上。实施方式19 如实施方式18所述的方法，其中，将feiCl、InCl和AlCl中的至少一种导向衬底的表面包括将所述衬底暴露于feci。实施方式20 如实施方式12 19中任一项所述的方法，其中，将V族元素前体通过至少另一个气体柱导向所述衬底的所述表面包括将氮、砷和磷中的至少一种通过所述至少另一个气体柱导向所述衬底的所述表面。实施方式21 如实施方式12 20中任一项所述的方法，所述方法还包括热化氨、胂和膦中的至少一种以生成所述V族元素前体。实施方式22 如实施方式12 21中任一项所述的方法，所述方法还包括将所述衬底的所述表面暴露于至少一种吹扫气以从所述衬底的所述表面除去所述III族元素前体和所述V族元素前体中的至少一种。实施方式23 —种沉积系统，所述沉积系统包含歧管，所述歧管包含被构造为引导一种或多种气体的多个基本对齐的气体柱，所述基本对齐的气体柱中的至少一个被构造为接收来自热化气体注入器的III族前体气体，所述热化气体注入器包含入口 ；热化管道；被构造为在其中容纳液体试剂的液体容器；出口 ；和通道，所述通道从所述入口经所述热化管道延伸至所述液体容器中的内部空间，并从所述液体容器中的内部空间延伸到所述出口 ；以及用于使衬底相对于所述歧管移动的至少一个组件。实施方式M 如实施方式23所述的沉积系统，其中，所述热化管道具有大于所述入口与所述液体容器之间最短距离的长度。实施方式25 如实施方式23或实施方式M所述的沉积系统，所述沉积系统还包含位于所述液体容器中的至少一种液体III族元素。实施方式沈如实施方式25所述的沉积系统，其中，所述至少一种液体III族元素包含液态镓、液态铟和液态铝中的至少一种。实施方式27 如实施方式23 沈中任一项所述的沉积系统，其中，所述热化管道和所述液体容器中的至少一个至少基本由石英构成。
实施方式观如实施方式23 27中任一项所述的沉积系统，所述沉积系统还包含临近所述热化管道和所述液体容器中的至少一个设置的至少一种加热元件。实施方式四如实施方式23 27中任一项所述的沉积系统，其中，所述至少一种加热元件包含至少基本由氮化铝、碳化硅和碳化硼中的至少一种构成的被动式加热元件。实施方式30 如实施方式23 27中任一项所述的沉积系统，所述沉积系统还包含至少一个气体源；和至少一个气体流入管道，所述至少一个气体流入管道被构造为将源气体由所述气体源运载到至少一个热化气体注入器的入口。实施方式31 如实施方式30所述的沉积系统，其中，所述至少一个气体源包含 GaCl3> InCl3和AlCl3中的至少一种的源。实施方式32 如实施方式23 31中任一项所述的沉积系统，所述沉积系统还包含设置在所述多个气体柱各自之间的至少一个吹扫气喷嘴。实施方式33 如实施方式23 32中任一项所述的沉积系统，其中，与所述至少一个气体柱相邻的另一气体柱被构造为接收至少一种吹扫气。实施方式34 如实施方式23 33中任一项所述的沉积系统，其中，用于使衬底相对于所述歧管移动的所述至少一个组件包括被构造为运送所述衬底通过沿所述歧管的长度的一系列注入位置，所述注入位置各自位于所述多个气体柱中的一个的下方。上述的本发明的实施方式并不限制本发明的范围，因为这些实施方式只是本发明的实施方式的实例，本发明的范围应由所附权利要求及其法律等同物的范围界定。任何等同的实施方式都在本发明的范围之内。实际上，除了本说明书中所显示和描述的实施方式之外，本发明的各种修改(如所述要素的备选可用组合等)将由此描述而对本领域技术人员变得显而易见。所述修改也应落入所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种沉积半导体材料的方法，所述方法包括使III族元素前体流过多个基本对齐的气体柱中的第一气体柱；使V族元素前体流过所述多个基本对齐的气体柱中的第二气体柱；引起衬底相对于所述多个基本对齐的气体柱的移动；和将所述衬底的表面依次暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体，以形成III-V 族半导体材料。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括分解包含至少一种III族元素的气体以产生所述III族元素前体。
3.如权利要求2所述的方法，其中，分解包含至少一种III族元素的气体以产生所述 III族元素前体的步骤包括分解AlCl3中的至少一种以形成fetCl、InCl和 AlCl中的至少一种以及含氯物种。
4.如权利要求3所述的方法，其中，分解feiCl3、InCl3和AlCl3中的至少一种以形成 GaCl, InCl和AlCl中的至少一种以及含氯物种的步骤包括分解^iCl3以形成feiCl和含氯物种。
5.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括将所述含氯物种与液态镓反应以形成另外的feiCl。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述分解feCl3、InCl3和AlCl3中的至少一种以形成feiCl、InCl和AlCl中的至少一种以及含氯物种的步骤包括分解feiCl3、InCl3和AlCl3 中的至少一种以形成GaCl、InCl和AlCl中的至少一种、以及氯化氢和氯气中的至少一种。
7.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过将所述衬底的所述表面重复暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体来增加所述III-V族半导体材料的厚度。
8.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括使吹扫气流过位于所述第一气体柱与所述第二气体柱之间的第三气体柱；和将所述衬底暴露于所述吹扫气以从所述衬底的所述表面除去多余的III族元素前体和多余的V族元素前体。
9.如权利要求1所述的方法，其中，将所述衬底的表面依次暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体的步骤包括将所述衬底的所述表面暴露于feci、InCl和AlCl中的至少一种以将镓、铟和铝中的至少一种吸收到所述衬底的所述表面；和使吸收在所述衬底的所述表面上的镓、铟和铝中的至少一种暴露于氮、砷和磷中的至少一种。
10.如权利要求1所述的方法，其中，将所述衬底的表面依次暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体以形成III-V族半导体材料的步骤包括形成氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟镓、砷化铟镓、磷化铟镓、氮化铝镓、砷化铝镓、磷化铝镓、氮化铝铟镓、砷化铝铟镓和磷化铝铟镓中的至少一种。
11.如权利要求1所述的方法，其中，将所述衬底的表面依次暴露于所述III族元素前体和所述V族元素前体以形成III-V族半导体材料的步骤包括形成厚度小 于约IOOOnm的所述III-V族半导体材料。
12.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述衬底的表面依次暴露于另一种III族元素前体和另一种V族元素前体以在所述III-V族半导体材料上形成另一种III-V 族半导体材料，所述另一种III-V族半导体材料具有与所述III-V族半导体材料不同的组成。
13.一种沉积系统，所述沉积系统包含歧管，所述歧管包含被构造为引导一种或多种气体的多个基本对齐的气体柱，所述多个气体柱中的至少一个被构造为接收来自热化气体注入器的III族前体气体，所述热化气体注入器包含入口 ；热化管道；被构造为在其中容纳液体试剂的液体容器；出口 ；和通道，所述通道从所述入口经所述热化管道延伸至所述液体容器中的内部空间，并从所述液体容器中的内部空间延伸到所述出口 ；以及用于使衬底相对于所述歧管移动的至少一个组件。
14.如权利要求13所述的沉积系统，其中，所述热化管道具有大于所述入口与所述液体容器之间最短距离的长度。
15.如权利要求13所述的沉积系统，所述沉积系统还包含位于所述液体容器中的至少一种液态III族元素，其中，所述至少一种液态III族元素包含液态镓、液态铟和液态铝中的至少一种。
16.如权利要求13所述的沉积系统，所述沉积系统还包含临近所述热化管道和所述液体容器中的至少一个设置的至少一种加热元件。
17.如权利要求13所述的沉积系统，其中，所述至少一种加热元件包含至少基本由氮化铝、碳化硅和碳化硼中的至少一种构成的被动式加热元件。
18.如权利要求13所述的沉积系统，所述沉积系统还包含至少一个气体源；和至少一个气体流入管道，所述至少一个气体流入管道被构造为将源气体由所述气体源运载到至少一个热化气体注入器的入口。
19.如权利要求18所述的沉积系统，其中，所述至少一个气体源包含feiCl3、InCl3和 AlCl3中的至少一种的源和包含氮气和氢气中的至少一种的吹扫气。
20.如权利要求13所述的沉积系统，其中，与所述至少一个气体柱相邻的另一气体柱被构造为接收至少一种吹扫气。
全文摘要
本发明涉及通过原子层沉积形成半导体材料的系统和方法。在衬底上沉积III-V族半导体材料的方法包括通过改变衬底相对于多个气体柱的空间位置依次将III族元素的气态前体和V族元素的气态前体引至该衬底。例如，可以使衬底相对于各自处理不同前体的多个基本对齐的气体柱移动。用于产生这些前体的热化气体注入器可以包含入口、热化管道、被构造为在其中容纳液体试剂的液体容器和出口。用于在衬底表面上形成一种或多种III-V族半导体材料的沉积系统可以包含被构造为将前体经所述多个气体柱引导至衬底的一个或多个这样的热化气体注入器。
文档编号H01L33/00GK102446715SQ20111027199
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月30日
发明者C·J·维克霍温 申请人:硅绝缘体技术有限公司