CN110088876A - 在化学气相沉积***中对于外延生长结构的厚度均匀性控制 - Google Patents

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Abstract

本文中描述用于改进晶片上的外延生长膜或层的总体厚度控制及径向厚度轮廓的***及方法。在若干实施例中，使用对径向内部区域及径向外部区域处的厚度的连续原位测量来控制对应前体及/或稀释气体流率。可使用白光反射测量术通过反应器外壳中的视口来进行此类测量。

Description

在化学气相沉积***中对于外延生长结构的厚度均匀性控制
技术领域
实施例涉及分解气态化合物而不将表面材料的反应产物留在涂层中的化学气相沉积(CVD)***。更特定来说，实施例涉及适于制造或处理半导体或固态装置或其部分的工艺及设备。
背景技术
化学气相沉积(CVD)为可用于使所要物体外延生长的工艺。可在CVD工艺中使用的制造装备的当前生产线的实例包含由纽约普莱恩维尤的维易科精密仪器公司制造的MOCVD***的及系列。
控制若干个工艺参数，例如温度、压力及气体流率，以实现所要晶体生长。使用变化的材料及工艺参数来使不同层生长。举例来说，由例如III-V族半导体的化合物半导体形成的装置通常通过使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)使化合物半导体的连续层生长而形成。在此工艺中，将晶片暴露于气体组合，所述气体组合通常包含作为III族金属的源的金属有机化合物且还包含V族元素(举例来说，砷或磷)的源，当使晶片维持在升高温度时所述气体组合在晶片的表面上方流动。一般来说，金属有机化合物及V族源与不作为(举例来说)氮或氢而明显地参与反应的载体气体相组合。III-V族半导体的一个实例为：氮化镓(GaN)，其可通过镓与氮的反应而形成；氮化铝(AlN)，其可通过铝与氮的反应而形成；或氮化铝镓(AlGa1-xNx，其中0≤x≤1)，其可通过铝、镓及氮的反应而形成。这些材料在由适合衬底制成的晶片上形成半导体层。含有镓、铝及氮(举例来说)的前体与载体气体可由经配置以跨越衬底的生长表面尽可能均匀地分布气体的气体注入器(也称作莲蓬头)所引入。可在当前***及方法内形成且分析由II族、IV族、V族及VI族元素形成的其它半导体层(例如SiN、TiN、InGaN、GaAs及类似者)。由前述各项形成的半导体层可未经掺杂、经p掺杂(举例来说，具有硼、铝、氮、镓、镁及铟)或经n掺杂(举例来说，具有磷、砷及碳)。
在沉积前体气体及相关化合物期间通常使晶片维持在大约500℃到1200℃的温度。然而，在低得多的温度(通常为200℃或更低)下将所述前体气体引入到室。因此，当前体气体接近晶片时，其温度大幅增加。取决于在正在构造中的特定晶片的沉积中使用的前体气体，可以介于输入气体的温度与晶片的温度之间的中间温度发生前体气体的热解。此热解促进前体气体的相互作用及晶体结构的生长。此晶体结构外延生长，直到达到所要厚度为止。
在MOCVD处理室中，半导体晶片可作为单个晶片生长于基座(也称作晶片载体)上。或者，在所谓的“批式”处理室中，使薄膜层在放置在晶片载体的袋形区中的多个晶片上生长，以提供其表面到反应器室内的大气的均匀暴露以用于沉积半导体材料。旋转速度通常为大约1,000RPM。基座通常由例如石墨的高度导热材料机械加工出来，且通常涂覆有例如碳化矽的材料的保护层。
在使各种外延或半导体层在晶片上生长时，前体与载体气流沿着增加的温度梯度大体向下(也就是说，垂直)到达晶片载体的表面直到其达到热解温度为止，然后冲击正在生长的晶片表面。为最大化装置合格率，外延层的厚度必须跨越晶片的整个区为尽可能均匀的。另外，厚度必须可跨越若干运行及***而重复。常规地，此通过检查先前运行的结果且使用现有实验数据(敏感度曲线)来调整气体流量而实现。依据此数据，操作者可尝试在下一运行中改进均匀性或实现目标厚度。重复此工艺直到均匀性及目标厚度被判断为“足够良好”或尽可能地良好，此时处方为“锁定的”且未来均匀性变化取决于***的可重复性。在其它类型的MOCVD***中，前体与载体气流还可平行于晶片载体的表面，而且使一或多种前体与载体气体向下(垂直)流动到晶片载体的表面同时使其它前体与载体气体水平流动到晶片载体的表面。
为了控制在晶片上生长的外延层的绝对厚度，可控制表面处的前体气体浓度以及表面处的温度。可通过独立地调制反应器的径向内部部分或径向外部部分处的前体与稀释流量(例如通过使各种注入器以不同速率或前体气体组合物来操作)而控制沉积跨越晶片载体的半径的径向均匀性。在此实施例中，此独立控制可使用出自于气体注入器中的在直径上设置的流入口(通常与***的视口对准且此后称作“视口流量”)的前体或稀释流量控制来实现。调制来自旋转***中的直径流入口的流量可在中心产生比外半径大的响应。举例来说，通过在单晶片***中使用此流量控制技术，生长在晶片上的层的径向内部部分可具有不同于晶片上的层的径向外部部分的层厚度。同样地，在批式***中，袋形区的径向内部环可使具有与在外部袋形区中生长的那些层不同的层厚度的层生长。
基于对流率或组合物的改变而对晶片上的层厚度的均匀性改进的程度在具有多个晶片的批式反应器中受限制。为了进行任何校正，有必要收集关于已生长的每一层的厚度的有用数据。常规地，此通过以下操作来实现：将晶片从反应器室移除且通过使用例如光谱反射测量术及椭圆偏振术的膜厚度测量技术而测量层厚度。然而，解析个别薄层厚度由于技术限制而极其困难。时常地，所有层的总厚度为非原位测量可提供的仅有可靠信息。使用白色光源的原位光谱反射测量术提供个别层厚度，因为其实时测量厚度变化。例如原位离散波长反射测量术或椭圆偏振术的其它技术同样也可用于确定厚度。
调谐可通过手动调整***(例如双旋钮流量控制)来完成。在第4,980,204号美国专利中描述一个此类控制***。如本文中所描述，操作者可调整源材料气体以形成具有所要厚度及组合物的半导体层。控制可修改穿过一系列可调整或可控制通气管中的每一者的气体流率。
基于跨越外延生长层的个别测量而进行的手动调整可用于控制总外延层厚度。然而，无法通过此手动调整来校正外延生长层中的非均匀性。如果使用例如第4,980,204号美国专利中所描述的那些调整的调整来校正非均匀性，那么此可导致径向厚度轮廓的伴随而生的非所要改变。如果厚度不同于预定目标，那么流率可针对下一晶片或批次运行在反应器室的内部部分及外部部分处变化。由于生长非均匀性以及调谐旋钮使用两者的轴对称性质，单晶片反应器常规地提供调谐每一晶片上的层厚度的更好能力。常规地使用的调谐旋钮的实例为可单独改变穿过中心注入器的流量的差分流注入或可单独改变去往径向外部喷嘴的流量的差分流注入器。当独立地改变时这些改变也必然导致沿着晶片的径向轮廓厚度的改变，如上文所描述。
另外，可增强特定物质的流率或层持续时间以改变总体厚度或生长速率。与对流率的改变一样，改变浓度可改变总体生长速率且因此改变层厚度。
因此，这些工具已常规地用于在数个校准运行内调谐厚度直到产生可接受厚度轮廓以及绝对厚度为止。
因此期望提供能够消除在常规***中调谐厚度均匀性所需要的手动迭代的***。还期望消除此调谐的定性性质且在运行内自动调整均匀性以减少或消除具有不可接受厚度变化的“零星运行”。进一步期望改进运行间及***间可重复性。
发明内容
可通过连续地调整反应器中的流分布的***来控制晶片上的外延生长层的厚度轮廓。
根据实施例，一种方法控制外延生长层的厚度轮廓。所述方法包含：提供反应器，所述反应器包括控制器、径向内部气体注入器及径向外部气体注入器。所述方法还包含：在所述控制器处确定至少两个前体及/或稀释气体流率，其中第一前体及/或稀释气体流率与所述径向内部气体注入器相关联，且第二前体及/或稀释气体流率与所述径向外部气体注入器相关联。基于所述所确定的至少两个前体及/或稀释气体流率而在所述径向内部气体注入器及所述径向外部气体注入器中的每一者处供应前体及/或稀释气体以使所述层生长。所述方法包含：经由布置在所述反应器中的光学透明视口用白色光源照射所述层的径向内部轨道且照射所述层的径向外部轨道。所述方法包含：检测来自所述白色光源的反射离开所述层的所述径向内部轨道及所述层的径向外部部分中的每一者的照射；及基于所述所检测到的照射而修改所述至少两个前体及/或稀释气体流率中的至少一者的所述气体流率。
根据另一实施例，一种用于化学气相沉积的***包含反应器。所述反应器具有：密封外壳，其具有光学透明视口；径向内部气体注入器，其经配置以递送第一前体及/或稀释气体；及径向外部气体注入器，其经配置以递送第二前体及/或稀释气体。与所述光学透明视口连通的光学***包含：白色光源，其经布置以将光引导穿过所述视口且朝向晶片及/或层堆叠的径向内部部分及所述晶片及/或层堆叠的径向外部部分两者。检测器***经配置以接收从所述晶片的所述径向内部部分反射的所述光及从所述晶片的所述径向外部部分反射的所述光。控制器经配置以基于从所述晶片的所述径向内部部分反射的所述所检测光及从所述晶片的所述径向外部部分反射的所述所检测光而调整第一前体及/或稀释气体流率及第二前体及/或稀释气体流率中的至少一者。
根据另一实施例，通过一工艺制成晶片。所述工艺包含：提供反应器，所述反应器包括控制器、界定径向内部区带的径向内部气体注入器及界定径向外部区带的径向外部气体注入器。所述方法进一步包含：在所述控制器处确定至少两个前体及/或稀释气体流率，其中第一前体及/或稀释气体流率与所述径向内部区带相关联且第二前体及/或稀释气体流率与所述径向外部区带相关联。所述方法进一步包含：在所述径向内部注入器及所述径向外部注入器处供应所述前体及/或稀释气体；及使层在所述晶片上外延生长，其中所述层具有在所述径向内部区带处的径向内部部分及在所述径向外部区带处的径向外部部分。所述方法进一步包含：经由所述反应器中的光学透明视口用白色光源照射所述层的所述径向内部部分及所述层的所述径向外部部分。所述方法进一步包含：检测来自所述白色光源的反射离开所述径向内部部分及所述径向外部部分中的每一者的照射；及基于所述所检测到的照射而修改所述至少两个前体及/或稀释气体流率。所述方法进一步包含：确定所述层何时具有预定厚度及径向均匀性；及重复以上步骤，直到已产生带有具有预定厚度及径向均匀性的层的所述晶片为止。
以上内容并不打算描述本发明的每一所图解说明实施例及每个实施方案。以下详细描述及权利要求书更特定地示范这些实施例。
附图说明
可考虑以下详细描述而更全面地理解实施例，其中：
图1A是根据实施例的化学气相沉积反应器室的横截面透视图。
图1B是根据实施例的化学气相沉积反应器室的横截面视图。
图2是根据实施例的基座的平面图，其描绘测量区带。
图3A是使用现有技术测量及校正技术制成的晶片及其上的若干层的等高线图。
图3B是根据实施例制成的晶片及其上的若干层的等高线图。
图3C是根据实施例制成的晶片及其上的若干层的等高线图。
图4A到4C描绘根据实施例的用于在晶片上形成若干层的方法。
图5是描绘晶片上的层(包含根据实施例制成的那些)的厚度轮廓的图表。
虽然实施例易做出各种修改及替代形式，但已在图式中以实例方式展示且将详细地描述其特定细节。然而，应理解，不打算将本发明限制于所描述的特定实施例。相反地，打算涵盖归属于如由随附权利要求书界定的本发明精神及范围内的所有修改、等效内容及替代方案。
具体实施方式
在若干实施例中，可在沉积期间原位监测且控制化学气相沉积(CVD)***的厚度及均匀性以消除浪费校准运行，且改进总体厚度及径向厚度轮廓均匀性。
在单晶片实施例中，两个光学检测器经定位以测量基座上的外延生长厚度。所述光学检测器针对所述基座的两个不同径向位置。基于这两个径向位置处的所检测厚度，修改引入到CVD反应器室的前体气体的浓度及/或流率。这些修改增强跨越晶片的厚度均匀性，且增加晶片及在其上生长的层的总厚度的精确度。此外，可增加在此类晶片上生长的层的运行间均匀性。根据实施例，检测器可经布置以使用在许多常规反应室上构造的视口且使用光学计量装置来原位测量已生长及正在生长膜的厚度。
在使外延膜生长时，可在单晶片旋转***中在晶片上的两个半径中的每一者处进行原位厚度测量。基于这两个测量，将调整在晶片的中心处的“中心”气体流量以调谐均匀性。此调整可应用于下一运行或可连续地应用于进行中的运行。或者，可相对地调整其它流量以产生“径向调谐效应”。在外延生长期间可以规律间隔或甚至连续地进行这些测量，以阻止非均匀的生长或错误绝对厚度。
对于AlGaN层，举例来说，改变流量会改变厚度均匀性以及组合物的均匀性(也就是说，所生长材料中的铝与镓比率)两者。流量如何影响组合物的以分析方式或以实验方式确定的模型可经开发且经纳入为了实现厚度均匀性而进行的流量调整中。可针对任一层的均匀性而开发类似响应模型。
图1A图解说明根据本发明的一个实施例的化学气相沉积设备。反应室10界定处理环境空间。气体注入器12布置在室的一端处。具有气体注入器12的所述端在本文中称为反应室10的“顶部”端。在正常重力参考系中，室的此端通常但未必安置在室的顶部处。因此，如本文中所使用的向下方向是指远离气体注入器12的方向；然而，向上方向是指在室内朝向气体注入器12的方向，而不管这些方向是否与重力向上及向下方向对准。类似地，在本文中参考反应室10及气体注入器12的参考系描述元件的“顶部”及“底部”表面。
气体注入器12连接到前体气体源14以用于供应将在晶片处理工艺中使用的处理气体，例如载体气体及反应性气体，例如金属有机化合物及V族金属的源。气体注入器12经布置以接收各种气体且大体在向下方向上引导处理气体流。气体注入器12合意地还连接到冷却剂***16，冷却剂***16经布置以使接近于气体注入器12的液体循环以便在操作期间将气体注入器12维持在所要温度。可提供类似冷却剂布置(未展示)以用于冷却反应室10的壁。反应室10还配备有排气***18，排气***18经布置以将废气从室10的内部移除以便准许气体从气体注入器12在向下方向上连续流动。
主轴20布置在室10内，使得主轴20的中央轴线在向上及向下方向上延伸，如图1A中所展示。主轴20通过併入有轴承及密封件的常规旋转贯穿装置22安装到室10，使得主轴20可在维持主轴20与反应室10的壁之间的密封的同时旋转。在替代实施例中，代替主轴，可使用圆柱形缸驱动件。
主轴/缸驱动件20在其顶部端处(也就是说，在主轴20的最靠近于气体注入器12的端处)耦合到基座24。在若干实施例中，基座24可为适于以可释放方式啮合晶片载体的晶片载体保持机构。主轴20可连接到例如电动机驱动的旋转驱动机构，所述旋转驱动机构经布置以使主轴20以所要速度旋转从而同样地致使基座24旋转。
基座24具有围绕中央轴线25布置的大体圆形横截面。在图1A中所展示的实施例中，反应器室10、气体注入器12、冷却剂***16、主轴20、基座24及加热元件26各自经布置使得其关于中央轴线25对称。基座24为在其上面层可外延生长于晶片上的装置。
加热元件26安装在室10内且在基座24下面环绕主轴20。在常规MOCVD工艺中，致动加热元件26，且旋转驱动机构操作以使主轴20及因此基座24以所要速度转动。通常，使主轴20以从大约50转/分钟到1500转/分钟的旋转速度旋转。可致动前体气体源14以通过气体注入器12供应气体。所述气体向下朝向基座24通过、在基座24的顶部表面28上方且围绕放置在顶部表面28上的晶片的***，然后经载运到排气***18。因此，安装于基座24上的晶片的顶部表面暴露于包含由处理气体供应***14供应的各种前体气体的混合物的处理气体。最通常地，顶部表面处的处理气体主要由载体气体构成。在典型化学气相沉积工艺中，载体气体可为氮，且因此晶片载体的顶部表面处的处理气体主要由氮以及一些量的反应气体分量构成。
加热元件26主要通过辐射热传递而将热传递到基座24。在替代实施例中，通过某一其它机制(例如感应热传递)对基座24进行加热可为可能的。施加到基座24的热向上流动穿过基座24的主体到达其顶部表面28。热从顶部表面28辐射到室10的冷却器元件，例如(举例来说)辐射到处理室的壁且辐射到气体注入器12。热还从晶片载体24的顶部表面28及晶片的顶部表面传递到在这些表面上方通过的处理气体。
图1B图解说明根据本发明的另一实施例的化学气相沉积设备100的替代实施例。然而，图1A描绘多晶片反应器***，图1B描绘单晶片反应器***。
反应器室140界定与为上文在图1A中所论述的反应器室10所提供的处理环境空间类似的处理环境空间。气体注入器104构造且定位在图1B的室140中的方式与气体注入器12布置在图1A中的室10中的方式类似。与先前关于图1A所描述的气体注入器12一样，气体注入器104连接到前体气体源(未展示)以用于供应将在晶片处理工艺中使用的处理气体，例如载体气体及反应性气体，例如金属有机化合物及V族金属的源。类似于图1A的气体注入器12，气体注入器104合意地连接到冷却剂***(未展示)以使接近于气体注入器104的液体循环以便使气体注入器104维持在所要温度。可提供类似冷却剂布置(未展示)以用于冷却反应室140的壁。反应室140还配备有排气***(未展示)，所述排气***布置在室140的底部处以将废气从室140的内部移除以便准许气体从气体注入器104在向下方向上连续流动。
缸驱动组合件120布置在室140内，使得安装到缸驱动组合件120的基座110的中央轴线在向上及向下方向上延伸。缸驱动组合件120通过常规贯穿装置(未展示)安装到室140，使得在缸驱动组合件120与室140的壁之间维持密封。通过缸驱动电动机122使缸驱动组合件120旋转。
基座110耦合到缸驱动组合件120的顶部端，使得基座110的顶部表面最靠近于气体注入器104。基座110可为固持单个晶片106的单晶片载体保持***或可支撑多个晶片。
基座110具有围绕中央轴线布置的大体圆形横截面，且室140、加热器130及气体注入器104还经布置以使得其关于同一中央轴线对称。
加热器130安装在室140内且在基座110下面。在常规MOCVD工艺中，致动加热器130，且缸驱动电动机122操作以使缸组合件120以所要速度旋转。在若干实施例中，使缸驱动组合件以从大约50转/分钟到大约1500转/分钟的旋转速度旋转。可致动前体气体源以通过气体注入器104供应气体。所述气体向下朝向基座110通过且跨越晶片106的表面流动且然后经载运到排气***。因此，晶片106的顶部表面暴露于包含由处理气体供应***供应的各种前体气体的混合物的处理气体。在若干实施例中，顶部表面处的处理气体主要由载体气体构成。在化学气相沉积工艺的一个实施例中，载体气体可为氮，且因此晶片载体的顶部表面处的处理气体主要由氮以及一些量的反应气体分量构成。
加热器130经配置以主要通过辐射热传递而将热传递到基座110。在替代实施例中，通过某一其它机制(例如感应热传递)对基座110进行加热可为可能的。施加到基座110的热向上流动穿过基座110的主体到达其顶部表面。热从基座110的顶部表面辐射到室140的冷却器元件，例如(举例来说)辐射到室140的壁且辐射到气体注入器104。热还从基座110的顶部表面及晶片106的顶部表面传递到在这些表面上方通过的处理气体。
窗口或视口(图1A中的物项30；图1B中的物项300)布置在反应器外壳10或反应器140的顶部表面中，所述窗口或视口维持密封以阻止前体气体进入同时允许对反应器室的光学测量。如下文更详细地描述，与视口30或300连通的本文中所描述的***可用于在两个或两个以上径向位置处进行对在晶片上生长的半导体层的厚度的测量。这些数据可用于对半导体层的厚度及径向轮廓进行实时校正。
当使外延膜生长时，可在单晶片旋转***(举例来说，图1B中所展示的***)中在晶片上的两个半径处进行原位厚度测量。基于这两个测量，可调整晶片的中心处的“中心”或“视口”气体流量以调谐均匀性。此调整可应用于下一运行或可连续地应用于进行中的运行。或者，可相对地调整其它流量以产生径向调谐效应。
对于AlGaN层，举例来说，独立地改变径向内部及外部前体气体输入的流率会改变厚度均匀性。另外，当内部及外部流量变化时组合物的均匀性(也就是说，所生长材料中的铝与镓比率)也改变。在若干实施例中，可开发流量如何影响组合物的以分析方式或以实验方式确定的模型，且彼模型可用于计算对那些流率的恰当调整以维持组合物同时实现厚度均匀性。可针对具有不同组合物或厚度的其它层的均匀性开发类似响应模型。
图2是晶片的顶部表面228的平面图。顶部表面228关于中央轴线225径向地定中心。顶部表面228与先前关于图1所描述的顶部表面28相似，且中央轴线225与中央轴线25相似。顶部表面228经配置以在反应器室中围绕中央轴线225旋转，暴露于前体气体以促进其上的外延生长。
目标区域(内部目标222I及外部目标222O)从中央轴线225径向向外布置。在图2中所展示的实施例中，内部目标222I及外部目标222O在从中央轴线225径向向外延伸的线上彼此对准。在替代实施例中，目标222I及222O可布置在各种位置中的任一者处，只要其在彼此不同的径向位置处即可。在额外实施例中，两个以上目标可布置在顶部表面228上。
内部目标222I与内部轨道224I相关联。同样地，外部目标222O与外部轨道224O相关联。这些轨道224I及224O为在顶部表面228围绕中央轴线225的旋转期间分别通过目标222I及222O的顶部表面228的部分。内部目标222I及外部目标222O为经引导朝向顶部表面228的光的目标。举例来说，在一个实施例中，光源可布置在图1的反应器室10外侧，其中光经引导穿过窗口30朝向内部目标222I及外部目标222O。在一个实施例中，光可为“白光”或全光谱。基于所反射光的光谱，可确定内部目标222I及外部目标222O中的每一者处的厚度。
基于原位厚度测量，测量的某一组合(举例来说，平均化或平滑化)可用于确定是否实现目标厚度。目标可通过以下方式来实现：调整反应剂的流量以改变生长速率或在达到目标厚度之后旋即完全结束生长(也就是说，移动到下一处方步骤)。
另外，基于两个半径厚度测量，可相对于总流量独立地控制中心注入器或视口流量以实现在径向方向上的厚度轮廓均匀性。在另一实施例中，可存在两个以上半径的厚度测量。在其它实施例中，可基于应用而控制中心流量以产生所要非均匀轮廓。
在若干实施例中，可使用用以测量厚层(例如C-GaN或AlGaN缓冲层)的生长的常规反射计实施用于产生所要厚度的均匀层的此方法。在若干实施例中，白光光谱反射计可测量薄层，例如传统高电子迁移率晶体管(HEMT)装置(举例来说)中的AlGaN势垒。
此外，在开环***中，可确定新前体流率以更新用于前体或稀释气体流量的处方。举例来说，在若干实施例中，可添加特定次要化学物质以计及由于***所采取的厚度控制措施而导致的任何组合物转变。此外，在若干实施例中，多个层可积累，彼此上下地外延生长，且各种层可具有不同化学组合物。在一些***中，厚度控制机制(例如本文中所描述的那些厚度控制机制)可用于确定应何时变更处方以便开始使后续层在已达到其预定所要最终厚度的较早层的顶部上生长。
在若干实施例中，可实施闭环控制***，所述闭环控制***增加中心稀释流量以便稀释前体以用于减小中心厚度或者减少中心稀释流量以用于增加中心厚度。在若干实施例中，可执行一系列实验以测量对中心流量的调整的效应。流率或浓度的这些改变以及对均匀性及厚度的所得影响可被观察到且存储于数据库中以预测需要何种调整来实现均匀性的所要改变。在若干实施例中，实验结果可用于验证可在不运行更多实验的情况下进一步增强数据库的厚度均匀性的建模。
图3A展示使用常规外延生长工艺进行的层的厚度分布。在此实施例中，层厚度在中心显著较高，且随着距晶片的中心的半径距离增加而减小。通常，在常规***中，可测量如此的非均匀层厚度且可修改例如中心流率及/或浓度或径向外部流率及/或浓度的工艺条件以增加均匀性。做出此类改变可采取多个工艺运行，且还可影响总厚度。因此，其可进行多次尝试以产生既为所要厚度也跨越整个径向轮廓为均匀地厚的层或层堆叠。
图3B及3C是根据实施例的两个外延生长层的厚度图式。不仅厚度彼此一致，而且厚度的标准偏差为相当低的。因此，在图3A及3B的实施例中，既存在层内厚度均匀性，也存在图3B及3C中所展示的两个层的厚度的运行间均匀性。在图5处展示一个外延生长层的厚度轮廓的一个横截面的图形描绘。
图4A是用于检测如上文所描述的所反射光以根据预定层厚度及材料分布设定处方或流率的***400A的示意图。
***400A包含将处方加载到经配置以修改各种前体的流量的控制器407中。如上文所描述，在若干实施例中，控制器407可修改径向内部流动路径、径向外部流动路径或两者的流率或气体组合物。
光源401引导白光穿过视口403进入反应器室404。以此方式经引导的光照射在晶片406上生长的外延层405。经照射晶片使光往回反射穿过视口403进入检测器402。基于对所反射光的测量，控制器407调整去往反应器室404的一或多个流量。
应理解，虽然图4A的***400A是简化示意图，但可做出各种其它替代方案或变化形式。举例来说，光源401及检测器402可装纳在如所展示的单个组合件中，或可为分开的。此外，在若干实施例中，可使用各种视口形状及位置以及任何数目个额外光源或检测器来检测层405在其它位置处的特性。
在若干实施例中，控制器407可基于在检测器402处所感测到的所反射光及针对所要厚度及/或径向厚度均匀性的初始输入而以自动化方式调整到反应器室404的流量。在替代实施例中，控制器407还可考虑在外延生长工艺的开始提供的使用者输入，例如所要最终厚度、均匀性或材料组合物轮廓。在又额外实施例中，***400A可采用在外延生长期间提供的同时使用者控制。在又额外实施例(包含其中多个层生长于具有一或多个室的共同***中的那些实施例)中，来自各种层的所检测反射可彼此组合使用以修改每一个别晶片处的流率。举例来说，在其中一些层比其它层生长得快的批式反应器中，可减少前体气体流量或可改变前体气体的组合物以阻止所述批次具有非均匀厚度。
图4B及4C是展示根据实施例的用于控制外延生长层的厚度及均匀性的迭代连续工艺400B及400C的流程图。
图4B描绘工艺400B，工艺400B是用于操作例如图4A的***400A的***的一种方法。根据工艺400B，基于从反应器412中的层的反射率而进行径向内部厚度测量410及径向外部厚度测量411，如先前关于图3及4A所描述。彼两个测量之间的差经确定以发送到控制器413，控制器413修改由使用者经由处方414提供的气体流量。去往反应器412的新气体流量可导致层的生长速率的改变，以改变总体厚度或改变层的径向厚度轮廓。
图4C描绘工艺400C，其中对在反应器421中生长的层进行平均厚度测量420。与将使层生长的预定总时间(如处方423中所规定)组合使用厚度的测量及那些测量的增加速率来预测最终厚度422。控制器424修改在处方423处提供的气体流量，且那些经修改气体流量改变层在反应器421中生长的速率。通过迭代地调整这些流量，控制器424实现由处方423设定的最终厚度，即使总生长时间不同于原始估计/输入。
图5描绘根据实施例的来自四个不同晶片的层厚度。在每一线中，操作者尝试制成具有径向均匀厚度的3.8μm层厚度。
前两个晶片与层厚度线500A及500B相关联，且使用常规技术来制成。也就是说，与层厚度线500A相关联的晶片首先经制成，且在径向内部部分处具有极高厚度。由于此位准的膜厚度变化，晶片不适合使用。因此，操作者增加稀释气体的径向内部流率以使前体稀释且减小径向内部厚度。
尽管径向内部部分在此调整之后经制成为较薄，如线500B中所展示，但层的总体厚度还由于调整而在两次运行之间减小。此外，调整将径向内部厚度稍微过校正，从而导致晶片的径向内部部分处的低压槽而非峰值。再次，晶片上的此层可能并非足够平滑的，或其可能并非足够厚的，而不能使用或出售。
使用来自白色光源的连续反馈及反射率测量进行经展示为502A及502B的两次运行。由于可连续地监测以此方式生长的层的厚度，因此总体厚度的准确度得以显著改进，且在每一情形中靠近于3.8μm。此外，由于可在运行期间测量且校正径向厚度的变化，因此厚度的径向均匀性与常规地产生的层相比较得以显著改进。在不使用与流率的生产后测量及调整(如基于由线500A及500B描绘的使用常规***进行的第一运行所需要)相关联的时间及资源的情况下，以此方式处理的两个层对于使用或出售是可接受的。
在若干实施例中，总体厚度均匀性可经改进为比通过常规方法可获得的总体厚度均匀性更佳。举例来说，常规方法可具有范围为高达HEMT堆叠的1％变异系数(CV)的厚度的批次均匀性。使用本文中所描述的方法及***，厚度均匀性可在特定晶片上且在总体批次内在不具有手动干预的情况下经改进为小于0.6％CV偏差。在额外实施例中，跨越批次的总体厚度均匀性可在不进行手动干预的情况下经改进为小于0.3％CV。
此外，在包含AlGaN层的HEMT堆叠中，典型厚度要求介于20nm与40nm之间，其中变化为1nm或更小。常规***在不具有高位准的手动干预及/或超出此规格的零星运行的情况下无法实现此厚度。
在替代实施例中，可产生各种其它厚度、材料或层。在一些实施例中，可产生彼此上下地堆叠的多个层，且可控制每一层的总体厚度及径向轮廓。
已在本文中描述***、装置及方法的各种实施例。这些实施例仅以实例方式给出且不打算限制本发明的范围。此外，应了解，已经描述的实施例的各种特征可以各种方式组合以产生众多额外实施例。此外，虽然已描述供与所揭示实施例一起使用的各种材料、尺寸、形状、配置及位置等，但可在不超出本发明的范围的情况下利用除所揭示的那些材料、尺寸、形状、配置及位置以外的其它材料、尺寸、形状、配置及位置。
所属领域的技术人员将认识到，实施例可包括比上文所描述的任何一个个别实施例中所图解说明少的特征。本文中所描述的实施例不打算为可组合本发明的各种特征的方式的详尽呈现。因此，实施例并非特征的互相排斥组合；而是，替代实施例可包括选自不同个别实施例的不同个别特征的组合，如所属领域的技术人员所理解。此外，除非另有所述，否则可在其它实施例中实施关于一个实施例所描述的元件，即使当未在此类实施例中描述所述元件时。尽管独立项可在权利要求书中是指与一或多个其它权利要求的特定组合，但其它实施例还可包含独立项与每一其它独立项的标的物的组合或者一或多个特征与其它非独立或独立项的组合。除非陈述特定组合并非既定的，否则本文中提出此类组合。此外，还打算将一独立项的特征包含在任何其它独立项中，即使此独立项不直接依附于所述独立项。

Claims (19)

1.一种用于控制外延生长层的厚度轮廓的方法，所述方法包括：
提供反应器，所述反应器包括控制器、径向内部气体注入器及径向外部气体注入器；
在所述控制器处确定至少两个前体及/或稀释气体流率，其中，
第一前体及/或稀释气体流率与所述径向内部气体注入器相关联；且
第二前体及/或稀释气体流率与所述径向外部气体注入器相关联；
基于所述所确定的至少两个前体及/或稀释气体流率而在所述径向内部气体注入器及所述径向外部气体注入器中的每一者处供应前体及/或稀释气体以使所述层生长；
经由布置在所述反应器中的光学透明视口用白色光源照射所述层的径向内部轨道且照射所述层的径向外部轨道；
检测来自所述白色光源的反射离开所述层的所述径向内部轨道及所述层的径向外部部分中的每一者的照射；及
基于所述所检测到的照射而修改所述至少两个前体及/或稀释气体流率中的至少一者的所述气体流率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述所检测到的照射指示所述层的厚度。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括确定所述层在所述径向内部轨道处及在所述径向外部轨道处的所述厚度。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括独立地修改所述第一前体及/或稀释气体流率及所述第二前体及/或稀释气体流率以增强所述层的径向厚度均匀性。
5.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括在所述层具有预定最终厚度时停止所述层的所述生长。
6.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括调整所述至少两个前体及/或稀释气体流率以实现所述层的预定最终厚度或所要生长速率。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括更新由所述控制器使用以基于所述所检测到的照射而确定所述至少两个前体及/或稀释气体流率的处方。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述经更新处方对应于具有不同于所述层的材料组合物且在所述层上外延生长的第二层。
9.一种用于化学气相沉积的***，所述***包括：
反应器，其具有：
密封外壳，其具有光学透明视口；
径向内部气体注入器，其经配置以递送第一前体及/或稀释气体；及
径向外部气体注入器，其经配置以递送第二前体及/或稀释气体；
光学***，其与所述光学透明视口连通，所述光学***包括：
白色光源，其经布置以将光引导穿过所述视口且朝向晶片的径向内部部分及所述晶片的径向外部部分两者；
检测器***，其经配置以接收从所述晶片的所述径向内部部分反射的所述光及从所述晶片的所述径向外部部分反射的所述光；及
控制器，其经配置以基于从所述晶片的所述径向内部部分反射的所述所检测光及从所述晶片的所述径向外部部分反射的所述所检测光而调整第一前体及/或稀释气体流率及第二前体及/或稀释气体流率中的至少一者。
10.根据权利要求9所述的***，其中所述检测器***包括经布置以接收从所述晶片的所述径向内部部分及所述晶片的所述径向外部部分两者反射的光的单个检测器。
11.根据权利要求9所述的***，其中所述检测器***包括经布置以接收从所述晶片的所述径向内部部分反射的光的第一检测器及经布置以接收从所述晶片的所述径向外部部分反射的光的第二检测器。
12.根据权利要求9所述的***，其中所述检测器***经配置以确定所述晶片上的外延生长层在所述径向内部部分及所述径向外部部分中的每一者处的厚度。
13.根据权利要求12所述的***，其中所述控制器经配置以基于所述外延生长层在所述径向内部部分及所述径向外部部分中的每一者处的所述所确定厚度而调整所述第一前体及/或稀释气体流率及所述第二前体及/或稀释气体流率中的至少一者以产生具有基本上均匀厚度的层。
14.根据权利要求12所述的***，其中所述控制器经配置以基于所述晶片上的所述外延生长层在所述径向内部部分及所述径向外部部分中的每一者处的所述所确定厚度而调整所述第一前体及/或稀释气体流率及所述第二前体及/或稀释气体流率中的所述至少一者以产生具有所要总厚度的最终晶片。
15.根据权利要求12所述的***，其中所述检测器***基于随波长而变的反射率而确定所述厚度。
16.根据权利要求9所述的***，其中所述控制器经配置以在所述层的外延生长期间连续地调整所述第一前体及/或稀释气体流率及所述第二前体及/或稀释气体流率中的至少一者。
17.一种晶片，其通过如下工艺制成：
提供反应器，所述反应器包括控制器、界定径向内部区带的径向内部气体注入器及界定径向外部区带的径向外部气体注入器；
在所述控制器处确定至少两个前体及/或稀释气体流率，其中
第一前体及/或稀释气体流率与所述径向内部区带相关联；且
第二前体及/或稀释气体流率与所述径向外部区带相关联；
在所述径向内部注入器及所述径向外部注入器处供应前体及/或稀释气体；
使层在所述晶片上外延生长，其中所述层具有在所述径向内部区带处的径向内部部分及在所述径向外部区带处的径向外部部分；
经由所述反应器中的光学透明视口用白色光源照射所述层的所述径向内部部分及所述层的所述径向外部部分；
检测来自所述白色光源的反射离开所述径向内部部分及所述径向外部部分中的每一者的照射；
基于所述所检测到的照射而修改所述至少两个前体及/或稀释气体流率；
确定所述层何时具有预定厚度及径向均匀性；及
重复以上步骤，直到已产生带有具有预定厚度及径向均匀性的层的所述晶片为止。
18.根据权利要求17所述的晶片，其中所述层具有选自由以下各项组成的群组的组合物：
AlGa1-xNx，其中0≤x≤1，
GaN，
AlN，及
前述各项的未经掺杂层、经p掺杂层及经n掺杂层，以及其混合物。
19.根据权利要求17所述的晶片，其中所述外延生长层包括多个层，且其中所述多个层内的至少两个层包含彼此不同的材料组合物。
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