Способ подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов iii группы и устройство для его осуществления - RU2673515C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способам химического нанесения покрытий путем разложения газообразных соединений, в частности к способам введения газов в реакционную камеру. Изобретение относится также к средствам для подачи газов в реакционную камеру, предусматривающих регулирование потоков реакционноспособных газов.

Для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы в реактор подают аммиак и пары металлорганических соединений в потоке несущего газа. Реакционноспособными газами, образующими нитриды металлов III группы являются металлоорганические соединения и аммиак.

Известен способ подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы на кристаллических подложках (Патент US6972050 «Method for depositing in particular crystalline layers, and device for carrying out the method», filled May 15, 2003, date of patent Dec. 06, 2005), включающий подачу в реактор двух реакционноспособных газов, каждый из которых смешан с несущим газом. В известном способе для подачи в реактор каждой из смесей содержащей реакционноспособный газ предусмотрен отдельный ввод, причем эти вводы расположены друг над другом между основанием и крышкой реактора; эти вводы имеют различное поперечное сечение. В качестве реакционноспособного газа, подаваемого через ввод, расположенный ближе к основанию реактора, используются гидриды V группы, а в качестве реакционноспособного газа, который подается через ввод, расположенный ближе к крышке реактора используются металлорганические соединения III группы, в качестве несущих газов - азот, водород и их смеси.

Условия подачи реакционноспособного газа через ввод расположенный ближе к крышке реактора в известном способе выбираются таким образом, что газ пиролитически разлагается во входной зоне не достигнув подложек, и продукты этого разложения диффундируют к подложкам поперек потока, подаваемого через ввод расположенный ближе к основанию реактора, на котором расположены подложки, соединяются на подложках с продуктами пиролиза газа, подаваемого через вход, расположенный ближе к основанию реактора, в результате чего происходит формирование кристаллического слоя.

Необходимым условием реализации известного способа является подбор кинематической вязкости несущего газа, подаваемого через ввод расположенный ближе к крышке реактора, путем смешивания двух газов с разными кинематическими вязкостями, для обеспечения необходимого соотношения чисел Рейнольдса для газовых потоков, протекающих через изолированные вводы.

Известный способ позволяет выращивать полупроводниковые соединения - арсениды и фосфиды металлов третьей группы. Однако, при выращивании многослойных эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов третьей группы использование известного способа имеет существенные ограничения. В частности, большой диапазон соотношений реакционноспособных газов и несущих газов, необходимый для выращивания различных нитридов металлов третьей группы, входящих в состав многослойных эпитаксиальных структур, не позволяет в ряде случаев обеспечить необходимое соотношение чисел Рейнольдса для газовых потоков, протекающих через изолированные вводы. Невыполнение указанного соотношения приводит к возникновению в реакторе вихревых потоков, которые снижают качество выращиваемых структур, их однородность по площади, и оказывают отрицательное влияние на воспроизводимость технологического процесса. Кроме того, необходимость подбора кинематической вязкости несущего газа, путем смешивания двух газов, кинематические вязкости которых существенно отличаются друг от друга, понижает рентабельность технологического процесса. В частности, при выращивании GaN, AlN и AlGaN необходимо к водороду - самому легкому из возможных несущих газов, обеспечивающему самый высокий коэффициент диффузии продуктов пиролиза металлоорганических соединений, добавлять газ с большей молекулярной массой (например, азот). Это приводит к снижению коэффициента диффузии продуктов пиролиза металлоорганических соединений, что понижает эффективность их диффузионного транспорта к подложке, понижая скорость роста и тем самым - понижая рентабельность процесса. При выращивании слоев InGaN в реактор недопустимо подавать водород. Это означает, что для подбора кинематической вязкости несущего газа, необходимо использовать дорогостоящий гелий, что также снижает рентабельность процесса.

Кроме того, при выращивании эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы скорость роста эпитаксиальных слоев, а значит и производительность оборудования, ограничена паразитными реакциями в газовой фазе между металлорганическими соединениями и аммиаком. Известный способ не позволяет их предотвратить. Аммиак имеет более высокий коэффициент диффузии, чем пары металлоорганических соединений. Поэтому диффузия аммиака из области его входа в реактор в область входа в реактор металлоорганических соединений происходит быстрее, чем встречная диффузия металлорганических соединений в область вблизи подложек. В результате, в реакторе возникает область с повышенной концентрацией смеси металлорганических соединений с аммиаком, что повышает интенсивность этих паразитных реакций, снижая скорость роста. Эффективное подавление влияния паразитных реакций на процесс роста возможно при существенном уменьшении времени прохождения газовой смеси через горячую область реактора за счет существенного увеличения потоков газов, подаваемых в реактор. Однако, в известном способе при этом происходят следующие нежелательные процессы:

- во-первых, при высокой скорости газового потока нарушается первое условие известного способа: металлорганические соединения не успевают пиролитически разложиться во входной зоне реактора;

- во-вторых, при высокой скорости потока газов через реактор продукты пиролитического разложения металлоорганических соединений не успевают продиффундировать через близкий к подложкам слой газа, состоящий преимущественно из смеси несущего газа с аммиаком, что понижает скорость роста по сравнению с теоретически достижимой и приводит к существенному снижению эффективности использования дорогостоящих металлоорганических соединений, большая часть продуктов пиролитического разложения которых покидает реактор неиспользованной. Указанные нежелательные процессы существенно снижают рентабельность известного способа и оборудования для его использования.

Повышение рентабельности процесса выращивания эпитаксиальных структур может быть достигнуто за счет использования способа осаждения, предусматривающего подачу в реактор паров металлорганических соединений в смеси с несущим газом через ввод, расположенный у основания реактора на котором располагаются подложки (Заявка US 2007031991 «Method for depositing compounds on a substrate by means of metalorganic chemical vapor deposition», filled Feb. 20, 2004, published Feb. 08, 2007). Также как и в способе, рассмотренном выше, необходимое соотношение чисел Рейнольдса для газовых потоков, протекающих через изолированные вводы, не может быть обеспечено, что сопровождается возникновением вихревых потоков. Известный способ позволяет подавить быстрое формирование поликристаллических депозитов на потолке реактора, однако поликристаллические депозиты с высокой скоростью образуются на основании реактора перед подложками, что также нежелательно.

Известен также способ подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы, включающий подачу в реактор, по крайней мере, двух потоков реакционноспособных газов, по крайне мере один из которых смешивают с несущим газом (Патент US 8980000 «Density-matching alkyl push flow for vertical flow rotating disk reactors», filled Oct. 6, 2006, date of patent Mar. 17, 2015) - прототип.

Для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы известный способ предусматривает подачу в реактор через разные вводы паров различных реакционноспособных газов содержащих металлы третьей группы в смеси с разными несущими газами. При этом способ предусматривает, что как минимум один из несущих газов формируется путем смешивания двух газов с разными плотностями. Способ также предусматривает подбор параметров газовых смесей, подаваемых в реактор через разные вводы путем регулирования расходов газовых смесей и состава несущего газа таким образом, что на входе в реактор их линейные скорости и плотности оказываются равными, что позволяет избежать формирования вихрей в реакторе и достичь высокой однородности параметров процесса осаждения.

Однако для получения многослойных эпитаксиальных структур с заданными характеристиками, также как и в известном способе, рассмотренном выше, сказывается необходимость использования газов с большим разбросом параметров при достаточно широких диапазонах их количественных соотношений. Также же, как и в способе, рассмотренном выше, для выращивания слоев InGaN требуется использование дорогостоящего гелия, а для выращивания GaN, AlN или AlGaN для выполнения требований способа в части одновременного равенства скоростей и плотностей в качестве несущего газа, подаваемого совместно с металлорганическими соединениями, необходимо использовать азот или благородный газ в высокой молекулярной массой, что снижает эффективность диффузии продуктов пиролиза металлорганических соединений к подложкам через обедненный слой и приводит к снижению скорости роста и эффективности использования дорогостоящих металлорганических соединений.

Кроме того, при использовании известного способа в реакторе возникают области с повышенной концентрацией металлоорганических соединений, диффузионное проникновение аммиака в которые способствует ускорению паразитных реакций в газовой фазе. Чтобы получить многослойные эпитаксиальные структуры с заданными характеристиками для получения различных слоев требуются различные потоки реакционноспособных газов и четкое выполнение условий проведения технологического процесса. Даже при незначительных отклонениях от заданных параметров образуются вихревые потоки, отрицательно влияющие на параметры выращиваемого слоя.

Известно устройство для подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы (Патент US 6972050 «Method for depositing in particular crystalline layers, and device for carrying out the method», filled May 15, 2003, date of patent Dec. 06, 2005). Устройство включает два ввода для подачи в реактор реакционноспособных газов. Вводы расположены друг над другом между основанием и крышкой реактора и имеют различные поперечные сечения. Для регулирования соотношения поперечных сечений вводов в устройстве могут быть предусмотрены сменные элементы или система механического изменения соотношения поперечных сечений вводов. Однако и в том и в другом случае невозможно обеспечить диапазон условий проведения процесса, необходимый для получений многослойных эпитаксиальных структур с заданными характеристиками из-за недостаточно гибкой и оперативной регулировки и невозможности одновременного обеспечения всех заданных условий проведения процесса, что в частности связано с тем, что конструкцией устройства предусмотрен пиролиз металлоорганических соединений до достижения ими подложки. Кроме того, наличие подвижных элементов в системе подачи газов в реактор отрицательно влияет на воспроизводимость эпитаксиального процесса вследствие неизбежных погрешностей возникающих в процессе перемещения и усложняет конструкцию системы инжекции газов в реактор.

Известно также устройство для подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов третьей группы содержащее, по меньшей мере, два ввода для подачи реакционноспособных газов и систему инжекции газов в реактор (Патент US 8980000 «Density-matching alkyl push flow for vertical flow rotating disk reactors», filled Oct. 6, 2006, date of patent Mar. 17, 2015) - прототип.

Система инжекции газов в реактор в известном устройстве включает большое количество вводов. К каждому из вводов, для подачи реакционноспособного газа подключены как минимум три регулятора расхода газа: для подачи двух различных несущих газов с различной плотностью и самого реакционноспособного газа. Каждый регулятор расхода газа имеет ошибку регулирования, и чем больше количество таких регуляторов используется в устройстве, тем выше может оказаться суммарная ошибка, которая усугубляется в процессе постоянного изменения параметров подаваемых в реактор газовых потоков, необходимых для получения многослойных эпитаксиальных структур и их заданные характеристики не могут быть обеспечены.

Анализ недостатков рассмотренных выше способов и устройств, влияющих на характеристики многослойных эпитаксиальных структур на основе металлов III группы показал, что причиной этих недостатков является раздельный ввод в реактор паров металлоорганических соединений металлов третьей группы и аммиака, необходимость сложного регулирования параметров газовых потоков подаваемых в реактор, что усложняет оборудование, сопровождается нежелательными явлениями внутри реактора и не позволяет осуществлять четкую и гибкую и оперативную регулировку параметров процесса.

Задачей создания изобретения является обеспечение возможности получения многослойных эпитаксиальных структур с заданными параметрами на основе нитридов металлов III при одновременном повышении производительности и рентабельности процесса эпитаксиального выращивания.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы, включающем подачу в реактор, по крайней мере, двух потоков реакционноспособных газов, по крайне мере один из которых смешивают с несущим газом, перед подачей в реактор потоки газов направляют в соединенную с реактором смесительную камеру, стенки которой и зону соединения камеры с реактором предварительно нагревают до температуры 40÷400°C, смешивают, а затем подают в реактор в условиях ламинарного потока.

В качестве одного из реакционноспособных газов - источника металлов III группы - целесообразно использовать триметилалюминий, триметилиндий, триметилгаллий, триэтилгаллий или их смеси, а в качестве реакционноспособного газа - источника азота - аммиак.

В качестве несущего газа целесообразно использовать водород.

При некоторых условиях в качестве несущего газа целесообразно использовать смесь азота с водородом с содержанием азота не более 5%.

В качестве несущего газа в некоторых случаях целесообразно использовать азот.

Поставленная задача также решается за счет того, что в устройстве для подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов третьей группы содержащем, по меньшей мере, два ввода для подачи реакционноспособных газов и систему инжекции газов в реактор, система инжекции газов в реактор выполнена в форме, по крайней мере, одной смесительной камеры для приготовления газовой смеси и формирователя потока, выполненного с возможностью подачи газов в реактор в условиях ламинарного потока, соединяющего смесительную камеру с входом в реактор, смесительная камера и формирователь потока снабжены средствами поддержания заданной температуры, при этом внутренний объем камеры удовлетворяет соотношению:

где: V - внутренний объем смесительной камеры, см³;

Q - полный суммарный расход газа через камеру, см³/с, при стандартных условиях;

P_st/P - отношение давления при стандартных условиях (Р=10⁵ Па, Т=273,15 К) к максимальному давлению в смесительной камере;

T/T_st - отношение минимальной температуры в смесительной камере к температуре при стандартных условиях (Р=10⁵ Па, Т=273,15 К).

В соответствии с предлагаемым изобретением перед подачей в реактор все потоки газов (реакционноспособных и несущих) направляют в соединенную с реактором смесительную камеру. В этом случае не возникает необходимости выравнивать скорости и плотности газов в различных газовых вводах за счет смешивания нескольких типов несущих газов с различной плотностью. В смесительной камере газы смешивают, а затем, подают в реактор в условиях ламинарного потока. Такой способ подачи позволяет устранить главную проблему, возникающую при использовании всех известных способов - формирование вихрей в реакторе образующихся в процессе раздельной подачи в реактор различных газов по различным газовым вводам. В смесительной камере формируется газовая смесь с едиными заданными параметрами (плотность, расход, химический состав). При последующей подаче этой смеси в реактор в нем не возникает областей с разной плотностью газа. Причем, это преимущество реализуется при любом соотношении расходов различных реакционноспособных газов и несущего газа и при любом типе несущего газа. Тем самым создается возможность введения в реактор газовой смеси, оптимальной по составу для протекания процесса эпитаксиального роста, и отсутствует необходимость введения в реактор дополнительных потоков несущих газов с исключительной целью - выровнять плотности газов в различных газовых вводах.

Поскольку перемешанные в смесительной камере потоки газов подают в реактор в условиях ламинарного потока, на любом отрезке от смесительной камеры до подложек, расположенных в реакторе исключается формирование вихрей, наличие которых приводит к неоднородности свойств выращиваемой структуры по площади. За счет исключения вихревых потоков, кроме того, повышается резкость интерфейсов выращиваемой многослойной эпитаксиальной структуры, поскольку любой вихрь является аккумулятором реакционноспособных газов, задерживает часть подаваемых газов в своем объеме и медленно выделяет их обратно в остальной объем реактора.

В предлагаемом способе стенки смесительной камеры, в которой происходит смешение всех газов, которые затем подаются в реактор и зону соединения камеры с реактором перед подачей в нее потоков газов нагревают.

Это обусловлено тем, что при смешивании аммиака с парами металлорганических соединений при комнатной температуре между ними происходят химические реакции с образованием молекул аддуктов. Сами по себе аддукты также являются реакционноспособными газами, однако при комнатной температуре, из-за низкого равновесного давления их паров, происходит их конденсация на стенках смесительной камеры.

Нагрев смесительной камеры и зоны соединения камеры с реактором позволяет исключить следующие нежелательные явления:

- поступление в реактор реакционноспособных газов, в количестве меньшем, чем требуется из-за конденсации аддуктов, что отрицательно сказывается на характеристиках свойств выращиваемой эпитаксиальной структуры,

- при выращивании многослойных эпитаксиальных структур с заданными характеристиками, состоящими из нескольких слоев нитридов металлов III группы разного состава, после прекращения подачи какого-либо реакционноспособного газа происходит медленное испарение соответствующего аддукта со стенок объема, в котором происходило смешивание, и этот аддукт потоком несущего газа доставляется в реактор, где выступает в качестве источника материала, который в данный момент растить уже не требуется; в результате нарушается необходимая последовательность слоев, что приводит к ухудшению свойств выращиваемой структуры,

- сужение проходного сечения зоны смесительной камеры и зоны соединения при длительной конденсации паров аддуктов на стенках.

При условии, что температура стенок смесительной камеры и зоны соединения составляет 400°C и выше на них будет происходить реакции синтеза того вещества, которое планируется выращивать в реакторе на подложке, что снижает производительность и рентабельность процесса.

При температуре стенок смесительной камеры 40°C и ниже начинается процесс конденсации аддуктов на стенках смесительной камеры, в результате чего, кроме указанных выше недостатков, увеличение скорости роста при увеличении концентрации металлоорганических соединений непропорционально мало, что с одной стороны отрицательно сказывается на производительности и рентабельности процесса, а в ряде случаев не удается получить заданные характеристики слоев эпитаксиальных структур.

В качестве одного из реакционноспособных газов - источников металлов III группы целесообразно использовать триметилалюминий, триметилиндий, триметилгаллий, триэтилгаллий или их смеси, а в качестве реакционноспособного газа - источника азота - аммиак. Как показали эксперименты, химические свойства этих газов позволяют избежать осаждения продуктов их низкотемпературных реакций на стенках смесительной камеры при ее температуре в интервале 40-400°C, и таким образом, предотвратить развитие нежелательных высокотемпературных химических реакций в указанном температурном интервале. Кроме того, эти соединения широко используются в технологии эпитаксиального выращивания нитридов металлов третьей группы, доступны, относительно недороги по сравнению с другими возможными реакционноспособными газами.

В качестве несущих газов могут быть использованы азот, водород или смесь азота с водородом в любой пропорции, требуемой для обеспечения протекания необходимых химических реакций на поверхности растущего слоя.

В процессе выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы осуществляется перенос к нагретым подложкам смеси реакционноспособных газов потоком несущего газа. При этом производительность процесса зависит от скорости эпитаксиального роста, определяемой скоростью доставки молекул металлов третьей группы, зависящей от коэффициента диффузии этих молекул в несущем газе. Самый высокий коэффициент диффузии достигается при использовании водорода, имеющего самую малую молекулярную массу. Поскольку предлагаемый способ предусматривает смешивание подаваемых в реактор газовых смесей в смесительной камере и параметры процесса не зависят от параметров отдельных газовых смесей, при выращивании эпитаксиальных слоев GaN, AlN, AlGaN, в соответствии с предлагаемым способом целесообразно использовать в качестве несущего газа водород, который обеспечивает самую высокую скорость роста. При этом присутствие в составе несущего газа незначительного количества другого газа (например, азота) допустимо и обусловлено конкретными параметрами технологического процесса. Экспериментально установлено, что в случае использования в качестве несущего газа смеси азота с водородом, при увеличении в составе смеси азота более 5% наблюдается снижение скорости роста. Поскольку при выращивании индий-содержащих слоев нитридов металлов третьей группы (InGaN, InAlN, InGaAlN) присутствие водорода в реакторе недопустимо, целесообразно использовать азот как самый дешевый из несущих газов, которые могут использоваться.

При некоторых условиях при выращивании эпитаксиальных слоев нитридов металлов третьей группы для протекания необходимых химических реакций на поверхности растущего слоя в реакторе должны присутствовать и водород, и азот. В этом случае в качестве несущего газа следует использовать азот-водородную смесь в необходимой пропорции. Предлагаемое устройство позволяет использовать в качестве несущего газа азот-водородные смеси в любой пропорции без возникновения нежелательных вихрей в реакторе.

В предлагаемом устройстве система инжекции газов в реактор выполнена в форме, по крайней мере, одной смесительной камеры для приготовления газовой смеси и формирователя потока, выполненного с возможностью подачи газов в реактор в условиях ламинарного потока, соединяющего смесительную камеру с входом в реактор.

В смесительной камере формируется однородная газовая смесь, подаваемая дальше в реактор через формирователь потока, форма и размеры которого обеспечивают возможность подавать эту однородную газовую смесь в реактор в условиях ламинарного потока. В результате, при любом соотношении массовых расходов несущего газа и аммиака, а также при любом составе несущего газа в реакторе не возникает вихрей и других неоднородностей, связанных с различием в линейных скоростях или плотностях вводимых в реактор газов.

При выращивании многослойных эпитаксиальных структур нитридов металлов третьей группы необходимо обеспечить резкость границ между отдельными слоями, образующими многослойную эпитаксиальную структуру, на уровне 1 моноатомного слоя (~ 0,25 нм). В противном случае выращиваемая структура не будет обладать необходимыми свойствами. При выращивании различных слоев нитридов металлов третьей группы в реактор необходимо подавать различные реакционноспособные газы. Соответственно, при формировании границ между этими слоями необходимо производить смену состава газовой смеси в реакторе, причем смена состава должна происходить за время, не превосходящее время выращивания одного моноатомного слоя, так как минимально возможная толщина переходной области между различными слоями определяется по формуле

где d - минимально допустимая толщина переходной области между различными слоями, нм;

V - скорость роста кристаллического слоя, нм/с;

τ - время смены состава газовой смеси.

В соответствии с предлагаемым изобретением газы перед подачей в реактор смешиваются в смесительной камере, которая при этом является дополнительным объемом, снижающим резкость смены состава газовой смеси. Для обеспечения необходимой резкости смены потоков объем смесительной камеры должен удовлетворять соотношению

где: V - внутренний объем камеры, см³;

Q - полный суммарный расход газа через камеру, выраженный в см³/с, при стандартных условиях;

P_st/P - отношение давления при стандартных условиях (Р=10⁵ Па, Т=273,15 К) к максимальному давлению в смесительной камере, равному давлению в реакторе во время эпитаксиального процесса;

T/T_st - отношение минимальной температуры в смесительной камере к температуре при стандартных условиях (Р=10⁵ Па, Т=273,15 К).

При выполнении такого соотношения через смесительную камеру за одну секунду будет протекать объем газа, превосходящий объем смесительной камеры. Поэтому, переходной процесс смены состава газовой смеси, покидающей смесительную камеру, за 3 секунды завершиться на 95%, что обеспечит необходимую резкость смены состава смеси реакционноспособных газов, подаваемых в реактор. При большем объеме смесительной камеры изменение состава газовой смеси на выходе из смесительной камеры будет более медленным, и для обеспечения необходимой резкости границ между различными слоями нитридов металлов третьей группы, образующих многослойную эпитаксиальную структуру, необходимо уменьшать скорость ее выращивания, что увеличит время выращивания необходимой структуры, тем самым понизив рентабельность процесса.

В предлагаемом устройстве смесительная камера и формирователь потока снабжены средствами поддержания заданной температуры, которая в соответствии с предлагаемым способом составляет 40°C÷400°C, что необходимо для исключения нежелательных процессов внутри смесительной камеры и формирователя потока.

Способ и устройство для подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы поясняется чертежами и графиками:

ФИГ. 1 - Система инжекции газов в реактор вид сбоку;

ФИГ. 2 - Система инжекции газов в реактор вид сверху;

ФИГ. 3 - Распределение скорости роста твердого раствора AlGaN по поверхности вращающейся подложки в горизонтальном реакторе;

ФИГ.4 - Распределение скорости роста твердого раствора AlGaN по поверхности невращающейся подложки в горизонтальном реакторе;

ФИГ. 5 - Распределение состава твердого раствора AlGaN по поверхности вращающейся подложки в горизонтальном реакторе;

ФИГ. 6 - Распределение состава твердого раствора AlGaN по поверхности невращающейся подложки в горизонтальном реакторе;

ФИГ. 7 - Кривая рентгеновской дифракции от эпитаксиальной структуры на основе нитридов металлов III группы на подложке карбида кремния.

ФИГ. 8 - Карта распределения по площади подложки диаметром 100 мм слоевого сопротивления проводящего канала эпитаксиальной структуры на основе нитридов металлов III группы.

Предлагаемое устройство для подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов третьей группы содержит, по крайней мере, два ввода 1 и 2 для подачи реакционноспособных газов в систему инжекции газов в реактор. Система инжекции газов в реактор содержит, по крайней мере, одну смесительную камеру 3 для приготовления газовой смеси и формирователь потока 4, соединяющий смесительную камеру с входом в реактор 5, в котором установлен держатель подложки 6 с, по крайней мере, одной размещенной на нем подложкой и нагреватель подложки 7. Смесительная камера и формирователь потока снабжены средствами поддержания заданной температуры 8. В частном случае выполнения устройства система инжекции газов в реактор может содержать несколько камер, например, состоять из пяти камер 9, 10, 11, 12, 13, каждая из которых соединена с одним из формирователей потока 14, 15, 16, 17, 18, соединяющих камеры с входом в реактор.

Предлагаемое устройство может применяться для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов третьей группы методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOVPE или MOCVD) в сочетании с реакторами различной геометрии: горизонтальными, планетарными, вертикальными.

Предлагаемое устройство может также применяться в сочетании с реакторами, имеющими несколько зон инжекции реакционноспособных газов, через которые вводятся различающиеся по величине потоки реакционноспособных газов для компенсации присущей таким реакторам неоднородности скорости роста по площади держателя подложки. В этом случае предлагаемое устройство должно иметь несколько смесительных камер, соединяющихся с реактором через индивидуальные формирователи потока или общий формирователь потока. Во время роста отдельных эпитаксиальных слоев, образующих многослойную структуру, точные значения концентрации реакционноспособных газов в этих камерах может различаться для обеспечения необходимой однородности скорости роста по площади держателя подложки.

Предлагаемое устройство может также применяться в сочетании с реакторами, имеющими дополнительные зоны ввода продувочных газов (водород, азот, аммиак или их смеси), предназначение которых - подавление присущих таким реакторам нежелательных неоднородностей или паразитного осаждения материала на элементах конструкции реактора.

Способ и устройство для подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов третьей группы были опробованы в процессе эпитаксиального выращивания твердого раствора Al_xGa_1-xN в горизонтальном реакторе шириной 145 мм, высотой 20 мм, с расстоянием от области ввода газов в реактор до центра держателя подложки 150 мм, с одной подложкой диаметром 100 мм. Система инжекции газов в реактор состояла из смесительной камеры 3, соединенной с входом в реактор 5 с помощью формирователя потока 4. Характеристики потоков реакционноспособных газов выбирались из условия получения x≈0.14.

Характеристики процессов выращивания эпитаксиального слоя с использованием смесительной камеры и с использованием раздельных вводов для подачи в реактор реакционноспособных газов представлены в таблице 1.

На основании анализа результатов приведенных в Таблице 1 и на ФИГ. 3, ФИГ. 4, ФИГ. 5 и ФИГ. 6. можно сделать вывод, что использование предлагаемого способа и устройства для выращивания эпитаксиальных структур позволяет увеличить скорость роста на 40% при одновременном уменьшении расхода триметилгаллия на 25%, что свидетельствует о повышении рентабельности и производительности процесса. Как следует из ФИГ. 4, при использовании предлагаемого способа и устройства скорость роста эпитаксиального слоя по направлению вдоль оси реактора изменяется мало, при этом она снижается по мере удаления от входа в реактор, что свидетельствует о высокой степени утилизации триметилгаллия. В то же время, при использовании раздельных вводов происходит понижение концентрации триметилгаллия вблизи подложки, что приводит к существенной неоднородности скорости роста вдоль оси реактора, при этом скорость роста минимальна вблизи инжектора и нарастает по мере отдалению от него. Последнее означает, что значительная часть триметилгаллия не используется в процессе синтеза эпитаксиального слоя и покидает реактор неиспользованной, что приводит к низкой рентабельности процесса.

Как следует из ФИГ. 5 и ФИГ. 6, при использовании предлагаемого способа и устройства достигается большая однородность мольной доли AlN в эпитаксиальном слое AlGaN по площади подложки.

С использованием того же реактора предлагаемые способ и устройство были также опробованы в процессе выращивания многослойной эпитаксиальной структуры транзистора с высокой подвижностью электронов на основе нитридов металлов третьей группы на подложке карбида кремния диаметром 100 мм.

Состав структуры транзистора в порядке следования, начиная от подложки:

1. Буферный слой Al_0.35Ga_0.65N толщиной 0.2 мкм;

2. Буферный слой GaN толщиной 2.4 мкм;

3. Канальный слой GaN толщиной 0.4 мкм;

4. Барьерный слой AlN толщиной 0,75 нм;

5. Барьерный слой Al_0.25Ga_0.75N толщиной 21 нм.

Для подачи в реактор газов была использована система инжекции газов, включающая смесительную камеру 3 для приготовления газовой смеси и формирователь потока 4, соединяющий смесительную камеру с входом в реактор и обеспечивающий подачу газов в реактор в условиях ламинарного потока. Смесительная камера и формирователь потока были нагреты до температуры 150°C с помощью нагревателя 8.

В процессе выращивании многослойных эпитаксиальных структур необходимо производить смену химического состава подаваемой в реактор смеси несущего газа и реакционноспособных газов достаточно резко, чтобы обеспечить резкость границ между отдельными слоями, образующими многослойную структуру, на уровне 1 слоя атомов (~ 0,25 нм). При практически используемых скоростях роста это означает, что необходимо, чтобы для всех условий роста, используемых в технологическом процессе выращивания многослойной структуры, выполнялось условие,

где V - внутренний объем смесительной камеры, см³;

Q - полный суммарный расход газа через камеру, см³/с, при стандартных условиях;

P_st/P - отношение давления при стандартных условиях к максимальному давлению в смесительной камере;

T/T_st - отношение минимальной температуры в смесительной камере к температуре при стандартных условиях.

При выполнении данного условия по истечении 5 секунд с момента изменения химического состава газов, подаваемых в смесительную камеру, произойдет изменение состава газовой смеси на выходе из смесительной камеры более чем на 99%, что можно считать полной сменой состава.

Объем смесительной камеры 3 составлял 60 см³. В таблице 2 приведены значения величины

Условия проведения и результаты проведенного эксперимента представлены в Таблице 3.

Продолжительность технологического процесса (исключая разогрев и охлаждение реактора, длительность которых не зависит от способа подачи газов в реактор) составила 35.5 минут. Это в несколько раз меньше, чем при использовании известных методов и устройств, что подтверждает высокую производительность предлагаемого способа, и устройства для его осуществления.

На основании анализа данных, представленных в таблице 3 можно сделать вывод, что процесс выращивания эпитаксиальных структур успешно протекает в широком диапазоне давлений (100-800 mbar), при существенно различающихся суммарных расходах газов, протекающих через реактор (13-35 slm). Можно также отметить, что процесс эффективно протекает как при использовании в качестве несущего газа исключительно водорода (слои 1-3), так и при использовании смеси азота и водорода с преобладанием азота (слои 4, 5, для которых присутствие азота в реакторе необходимо исходя из особенностей химических процессов на поверхности).

Толщина и состав эпитаксиальных слоев структуры были определены по данным высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии.

Кривая рентгеновской дифракции от полученной эпитаксиальной структуры представлена на ФИГ. 7. Хорошее совпадение положения максимумов и формы экспериментальной кривой (сплошная линия) с положениями максимумов и формой расчетной кривой (пунктирная линия, сдвинута вверх по вертикальной оси для наглядности) показывает, что полученные параметры слоев, в частности толщина и химический состав отдельных эпитаксиальных слоев, в выращенной структуре практически совпадают с расчетными данными.

Высокая однородность полученной структуры по площади подложки подтверждена путем измерения слоевого сопротивления проводящего канала полученной эпитаксиальной структуры транзистора с высокой подвижностью электронов. Карта распределения по площади подложки диаметром 100 мм слоевого сопротивления проводящего канала эпитаксиальной структуры транзистора представлена на ФИГ. 8. Крайне малая величина неоднородности (2 Ом/кв.) по сравнению со средним значением (323 Ом/кв.) соответствует относительной неоднородности 0.6%, что подтверждает возможность выращивания однородных по площади многослойных эпитаксиальных структур с помощью предлагаемого метода и устройства.

Реферат

Изобретение относится к технологии химического нанесения покрытий путем разложения газообразных соединений, в частности к способам введения газов в реакционную камеру. Способ подачи газов в реактор для выращивания эпитаксиальных структур на основе нитридов металлов III группы включает подачу в реактор 5 по крайней мере двух потоков реакционноспособных газов через вводы 1, 2, по крайней мере один из которых смешивают с несущим газом, при этом в качестве источников металлов третьей группы используют триметилалюминий, триметилиндий, триметилгаллий, триэтилгаллий, или их смеси, а в качестве источника азота - аммиак, при этом перед подачей в реактор 5 потоки газов 1, 2 направляют в по крайней мере одну соединенную с реактором 5 смесительную камеру 3 для приготовления газовой смеси, после чего полученную смесь газов направляют в реактор 5 через формирователь потока 4, выполненный с возможностью подачи газов в реактор 5 в условиях ламинарного потока, причем стенки камеры 3 и формирователь потока 4 нагревают и поддерживают при температуре 40÷400°C, при этом внутренний объем смесительной камеры 3 удовлетворяет соотношению V

Формула