TWI502096B - 用於化學氣相沉積的反應裝置及反應製程 - Google Patents

Description

用於化學氣相沉積的反應裝置及反應製程

本發明是有關於一種反應裝置，且特別是有關於一種用於化學氣相沉積的反應裝置及反應製程。

在半導體元件之製程中，常見的製程包括擴散、離子植入、沉積、蝕刻以及清洗等，尤其是在沉積製程中更是需要應用大量的反應氣體，例如TMGa、NH3或H2等，這些反應氣體在反應室內反應，除了一部分的氣體在基板(例如晶圓)上生成反應物之外，其餘未反應的氣體便形成廢氣，必須排出於反應室之外。

以化學氣相沉積使用的反應器為例，反應氣體主要是由基板上方的進料口提供，進料口垂直朝向基板的表面，以使反應氣體由支撐基板的托盤(susceptor)中央向外流動，並在基板的表面上生成反應物，而未反應的氣體則由托盤的外側流向托盤下方的出料口，以排出於反應室。此種以上方進料、下方出料的流道設計的反應器，其缺點是：反應氣體的流向是由托盤的中 央往圓周方向流動，造成反應氣體的濃度(concentration)與質量流率(mass flow)沿著流動方向同時下降，導致生成物在托盤中央的沉積速率大於在托盤周圍區域的沉積速率，有待進一步改善。

本發明係有關於一種用於化學氣相沉積的反應裝置及反應製程，以解決傳統氣相沉積所面臨的問題，進而提高氣相沉積的均勻性。

根據本發明之一方面，提出一種用於化學氣相沉積的反應裝置，包括一反應室、一托盤、一進氣管單元以及一排氣管。托盤配置於反應室中。進氣管單元包括至少一進料口，此進料口水平朝向托盤的周圍區域，以輸入至少一反應氣體至反應室，此至少一反應氣體被引導由托盤的周圍區域沿著其表面移動至托盤的中央。排氣管包括一出料口，出料口的位置對應於托盤的中央，以將流動至托盤的中央的反應氣體排出於反應室。

根據本發明之一方面，提出一種氣相有機金屬磊晶反應製程，用於一反應器以進行化學氣相沉積，所形成的反應產物為III/V族化合物半導體，進料方式為氣相進料，進料來源包括有機金屬化合物，包括：TMGa(Trimethylgallium)、TMAl(Trimethylaluminum)、TMIn(Trimethylindium)、Cp2Mg(Bis(cyclopentadienyl)magnesium)及DIPTe(Diisopropyltelluride)其中之一；以及氫化物氣體，包括：砷化氫(AsH3)、磷化氫(PH3)、氮化氫(NH3)及矽乙烷(Si2H6)其中之一，其中該反應器的進料口 水平朝向托盤的周圍區域，以輸入至少一反應氣體至反應室，該至少一反應氣體被引導由該托盤的周圍區域沿著其表面移動至該托盤的中央；該反應器的排氣管包括一出料口，該出料口的位置對應於該托盤的中央，以將流動至該托盤的中央的氣體排出於該反應室。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

11‧‧‧生成物

12‧‧‧托盤

100‧‧‧氣相沉積的反應裝置

102‧‧‧基板

101‧‧‧反應裝置

110‧‧‧反應室

111‧‧‧上側壁

112‧‧‧下側壁

113‧‧‧周圍側壁

120‧‧‧托盤

121‧‧‧表面

122‧‧‧轉軸

124‧‧‧驅動器

126‧‧‧加熱器

130‧‧‧進氣管單元

130-1、130-2‧‧‧進氣管單元

131‧‧‧進料口

131-1‧‧‧第一反應氣體進料口

131-2‧‧‧第二反應氣體進料口

130A‧‧‧同心圓陣列的進氣管單元

130B‧‧‧圓孔陣列的進氣管單元

130C‧‧‧方孔陣列的進氣管單元

130D‧‧‧狹縫陣列的進氣管單元

140‧‧‧排氣管

141‧‧‧出料口

150‧‧‧抽氣裝置

G‧‧‧反應氣體

G1‧‧‧第一反應氣體

G2‧‧‧第二反應氣體

C‧‧‧中央

S‧‧‧周圍區域

A‧‧‧擴散面積

第1A圖為反應氣體由托盤的中央往周圍區域移動的示意圖。

第1B圖為反應氣體的擴散面積沿著移動的方向不斷擴大的示意圖。

第1C圖為傳統中央進料的設計造成反應氣體的濃度及質量流率同時下降的示意圖。

第2A圖為反應氣體由托盤的周圍區域往中央移動的示意圖。

第2B圖為反應氣體的擴散面積沿著移動的方向不斷縮小的示意圖。

第2C圖為改變進料的方向使得反應氣體的質量流率增加的示意圖。

第3圖為依照一實施例之用於氣相沉積的反應裝置的示意圖。

第4圖為依照另一實施例之用於氣相沉積的反應裝置的示意圖。

第5A及5B圖分別為依照一實施例之用於氣相沉積的反應裝置的示意圖。

第6A及6B圖分別為單一進氣管單元或多組進氣管單元排列於反應室周圍的示意圖。

第7A~7D圖為不同形式之進料口的排列方式。

第8A~8C圖為流體模擬分析的示意圖。

第9圖為流體模擬分析結果的比較圖。

本實施例之用於氣相沉積的反應裝置，係將反應氣體的流向由托盤的周圍區域往托盤的中央移動，以解決習知的流道設計造成生成物在托盤中央的沉積速率大於在托盤周圍區域的沉積速率。請參照第1A~1C圖，其中第1A圖繪示反應氣體G由托盤12的中央C往周圍區域S移動的示意圖，第1B圖繪示反應氣體G的擴散面積A沿著移動的方向不斷擴大的示意圖，第1C圖為傳統中央進料的設計造成反應氣體G的濃度及質量流率同時下降的示意圖。在第1A圖中，在托盤12的中央C附近，反應氣體G的濃度較高，但隨著反應的生成物11沉積，反應氣體G的濃度也隨之降低，使得沉積速率不一致，而造成不均勻鍍膜厚度產生的差異。在第1B圖中，中央進料的反應氣體G的擴散面積A增加，反應氣體G的質量流率隨之降低，也會進一步造成生成物11在托盤中央C的沉積速率大於在托盤周圍區域S的沉積速率。由上述可知，中央C進料而周圍出料的流道設計無法提高氣相沉積的均勻性。

請參照第2A~2C圖，其中第2A圖繪示反應氣體G由托盤120的周圍區域S往中央C移動的示意圖，第2B圖繪示反應氣體G的擴散面積A沿著移動的方向不斷縮小的示意圖，第2C圖為改變進料的方向使得反應氣體G的質量流率增加的示意圖。在第2A圖中，在托盤120的周圍區域S附近，反應氣體G的濃度較高，但隨著反應的生成物11沉積，反應氣體G的濃度也隨之降低，但在第2B圖中，反應氣體G往中央C移動，使得擴散面積A縮小，反應氣體G的質量流率隨之增加，以彌補反應氣體G的濃度不斷降低的情形，故不會造成沉積速率不一致，而可避免不均勻鍍膜厚度產生的差異。由上述可知，改為周圍進料而中央出料的流道設計可提高氣相沉積的均勻性。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第3及4圖，其中第3圖繪示依照一實施例之用於氣相沉積的反應裝置100的示意圖，第4圖繪示依照另一實施例之用於氣相沉積的反應裝置101的示意圖。此二實施例之差異在於出料口141的位置不同。

在第3圖中，反應裝置100包括一反應室110、一托盤120、一進氣管單元130以及一排氣管140。托盤120配置於反應室110中，以使基板102(例如矽基板或磊晶用半導體基板如氧化鋅、碳化矽、砷化鎵或是藍寶石氧化鋁基板等)承載於托盤120的一表面121。托盤120例如是石墨或是碳化矽鍍膜之石磨托盤，可藉由下方的加熱器126提供熱源加熱基板102，以使基板102達到工作溫度，例如800~1100℃。此外，基板102 亦可在常溫下進行，不需加熱。

另外，托盤120的中央C設有一轉軸122，轉軸122連接一驅動器124，以驅動托盤120，並控制托盤120的轉速，例如150~800rpm。當進行氣相沉積時，承載基板102的托盤120會在反應時旋轉，以提高氣相沉積的均勻性。

以製作半導體磊晶薄膜的化學氣相沉積為例，基板為2吋或6吋的晶圓，反應氣體G例如為TMGa(三甲基鎵)及NH3(氨氣)，載體例如是H2(氫氣)，轉軸122的轉速控制在300rpm以上，例如400~800rpm，托盤120的溫度800度左右，反應氣體G的進料溫度約為25度，反應室110的操作壓力約為500托爾。在反應室110中，TMGa的進料速率為每分鐘0.9公升(1/m),NH3的進料速度225 l/m，與TMGa同時進入反應室110的H2進料速度為22.5 l/m，與NH3同時進入反應室110的H2進料速度為63 l/m。轉軸122周圍可包覆具有溫度控制功能的水套，溫度可控制在5~95度。

請同時參照第3圖與第6圖，進氣管單元130包括多個進料口131，此些進料口131水平朝向托盤120的周圍區域，以輸入至少一反應氣體G至反應室110。此外，排氣管140的端部具有一出料口141，出料口141的位置對應於托盤120的中央，用以將未反應的氣體排出於反應室110。以製作半導體磊晶薄膜的化學氣相沉積為例，反應氣體例如為TMGa(三甲基鎵)及NH3(氨氣)，透過載體(例如H2)傳送並經由進料口131進入反應室110中，並在基板102的表面121上沉積生成物GaN(氮化鎵)，而未反應的氣體及副產物則流向托盤120中央上方的出料口 141，以排出於反應室110。另外，若以SiH4(矽烷)做為反應氣體，則可在基板102的表面121上沉積多晶矽或摻雜多晶矽等磊晶結構。

本實施例之反應裝置100可應用在有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)、常壓化學氣相沉積(APCVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、微波電漿輔助化學氣相沉積(MPCVD)、快速熱化學氣相沉積(RTCVD)等領域中，但亦可應用在物理氣相沉積的領域中。

請參照第4圖，本實施例與第3圖的不同之處在於：反應裝置101的排氣管140並非設置在托盤120的中央上方，而是設置在托盤120的中央下方。也就是說，排氣管140例如可以配置於轉軸122內，並經由轉軸122延伸至托盤120的中央，使得出料口141位在托盤120的中央，並顯露於托盤120的表面121。因此，如第3及4圖所示，無論排氣管140設置在托盤120的上方或下方，只要能引導反應氣體G往托盤120的中央移動即可。

由此可知，上述第3及4圖所示之二實施例藉由引導至少一反應氣體G由托盤120的周圍區域S沿著托盤120的表面121移動至托盤120的中央，使一生成物11沉積於基板102上。之後，再藉由出料口141將流動至托盤120的中央的未反應的氣體排出於反應室110。

在上述二實施例中，反應室110具有一上側壁111以及一下側壁112，反應室110的一周圍側壁113連接於上側壁111與下側壁112之間。在第3圖中，排氣管140由反應器的上 側壁111連接至反應室110中。在第4圖中，排氣管140由反應器的下側壁112連接至反應室110中。此外，在第3及4圖中，進氣管單元130皆由反應室110的周圍側壁113連接至反應室110中，以供應至少一反應氣體G。反應氣體G的類型可為單一氣體或由多個氣體組成。上述的進氣管單元130的配置方式僅為一範例，不限定其實施方式，只要進料口131水平朝向托盤120的周圍區域即可。

接著，請參照第5A及5B圖，其分別繪示依照一實施例之用於氣相沉積的反應裝置的示意圖。在本實施例中，排氣管140連接至一抽氣裝置150，例如是真空幫浦或抽風機。抽氣裝置150可於排氣管140內形成一負壓，例如500托爾，使反應室110內的反應氣體往托盤120(參見第3及4圖)的中央移動，並進入排氣管140的出料口。

由於反應氣體G生成固態反應物之後，使得反應氣體G在出料口141附近的濃度小於在此些進料口131附近的濃度，因而在本實施例中利用抽氣裝置150可使反應氣體G在出料口141附近的流速大於在此些進料口131附近的流速，以提高出料口141附近的質量流率。當反應氣體G的質量流率隨之增加時，將有助於彌補因反應氣體G的濃度降低而造成沉積厚度不均勻的情形。

請參照第6A及6B圖，其分別繪示單一進氣管單元或多組進氣管單元排列於反應室110周圍的示意圖。反應室110例如為圓筒狀或其他對稱結構。托盤120配置於反應室110中，而出料口141的位置對應於托盤120的中央C。多個基板102排 列在托盤120的周圍區域S，並可繞著托盤120的中央C旋轉。在第6A圖中，進氣管單元為單側進料之一進氣管單元130，位於反應室110之一側，以輸入至少一反應氣體G。在第6B圖中，進氣管單元為多側進料之多組進氣管單元130-1及130-2，每一組進氣管單元成對地配置於反應室110周圍的二相對側壁，以輸入一第一反應氣體G1與一第二反應氣體G2至反應室110中。

在第6B圖中，每一組進氣管包括至少一第一反應氣體進料口131-1與至少一第二反應氣體進料口131-2。例如是：III族反應氣體進料口與V族反應氣體進料口。III族反應氣體可為有機金屬化合物，例如：TMGa(Trimethylgallium)、TMAl(Trimethylaluminum)、TMIn(Trimethylindium)、Cp2Mg(Bis(cyclopentadienyl)magnesium)、DIPTe(Diisopropyltelluride)等其中之一。V族反應氣體可為氫化物氣體，例如：砷化氫(AsH3)、磷化氫(PH3)、氮化氫(NH3)及矽乙烷(Si2H6)等其中之一。

進料時，有機金屬化合物由攜帶氣體(例如)輸送入反應器，氫化物氣體與攜帶氣體混合後進入反應器，如第6B圖所示。磊晶反應的壓力可於低壓(10-100Torr)至常壓，托盤溫度為500-1200℃。利用上述的反應氣體於磊晶基材上生成的反應產物，可為III/V族化合物半導體，包括氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、砷化鎵鋁(AlGaAs)、磷化鋁銦鎵(AlGaInP)、氮化銦鎵(InGaN)等。

請參照第7A~7D圖，以下介紹進料口的排列方式。在第7A圖中，第一反應氣體進料口131-1與第二反應氣體 進料口131-2以多個同心圓排列，以形成一組同心圓陣列的進氣管單元130A。在第7B圖中，第一反應氣體進料口131-1與第二反應氣體進料口131-2以多個獨立的圓孔交錯排列，以形成一組圓孔陣列的進氣管單元130B。在第7C圖中，第一反應氣體進料口131-1與第二反應氣體進料口131-2以多個柵欄狀的方孔交錯排列，以形成一組方孔陣列的進氣管單元130C。在第7D圖中，第一反應氣體進料口131-1與第二反應氣體進料口131-2以多個長條狀的狹縫交錯排列，以形成一組狹縫陣列的進氣管單元130D。

因此，無論是以同心圓排列或是交錯排列，各個進料口所提供的反應氣體均能在反應室110內充分混合，以提高氣相沉積的反應效率。

另外，進料口131的高度位置也會影響氣相沉積的均勻性及沉積速度。進料口131的高度位置可高於或等於托盤120的高度位置，例如：在第3及4圖中，當此些進料口131的最低處位置不低於托盤120的最高處位置(在第3及4圖中指托盤的表面121)時，可避免不均勻鍍膜厚度產生的差異。以下針對進料口131的高度位置太高或太低進行流體模擬分析，以得到適宜的進料口131高度位置。

請參照第8A~8C圖，其繪示流體模擬分析的示意圖。在第8A圖中，當進料口131的高度位置遠低於托盤120的最低處位置時，一部分反應氣體G集中在托盤120的下方，另一部分反應氣體G由托盤120的周圍向上移動至托盤120的上方，再由出料口141排出反應室。在第8B圖中，當進料口131 的高度位置略低於托盤120的最低處位置時，一部分反應氣體G集中在托盤120的下方，另一部分反應氣體G由托盤120的周圍向上移動至托盤120的上方，再由出料口141排出反應室。在第8C圖中，當進料口131的最低處位置高於托盤120的最高處位置時，少數反應氣體G由托盤120的周圍向下移動至托盤120的下方，大部分反應氣體G集中在托盤120的上方，再由出料口141排出反應室。

上述三種流體模擬分析的結果以圖表比對的方式繪示於第9圖中，其中縱軸表示反應氣體的沉積速度，橫軸表示距離出料口的水平位置。請參照第9圖，曲線1為第8A圖的模擬結果，平均沉積速度1.76μm/hr，鍍膜的厚度差異1.14%。曲線2為第8B圖的模擬結果，平均沉積速度1.72 μm/hr，鍍膜的厚度差異0.54%。曲線3為第8C圖的模擬結果，平均沉積速度1.87 μm/hr，鍍膜的厚度差異3.38%。

由上述分析可知，進料口131的高度位置會影響氣相沉積的均勻性及沉積速度。因此，若要提高氣相沉積的均勻性，可選擇適當的進料口131的高度位置，例如：進料口131的高度最低位置接近於托盤120的高度最高位置時，由流體模擬結果可知，鍍膜的厚度差異可達到較小值。

上述實施例所揭露之用於氣相沉積的反應裝置，改為周圍進料而中央出料的流道設計，以利用反應氣體的流動方向上的質量流率增加，來彌補反應消耗而造成反應氣體的濃度下降，進而提高氣相沉積的均勻性、沉積速度及反應氣體的利用率。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其 並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧用於化學氣相沉積的反應裝置

102‧‧‧基板

110‧‧‧反應室

111‧‧‧上側壁

112‧‧‧下側壁

113‧‧‧周圍側壁

120‧‧‧托盤

121‧‧‧表面

122‧‧‧轉軸

124‧‧‧驅動器

126‧‧‧加熱器

130‧‧‧進氣管單元

131‧‧‧進料口

140‧‧‧排氣管

141‧‧‧出料口

G‧‧‧反應氣體

Claims (16)

1. 一種用於化學氣相沉積的反應裝置，包括：一反應室；一托盤，配置於該反應室中；一進氣管單元，包括至少一個進料口，該進料口水平朝向該托盤的周圍區域，以輸入至少一反應氣體至該反應室，該至少一反應氣體被引導由該托盤的周圍區域沿著其表面移動至該托盤的中央；以及一排氣管，包括一出料口，該出料口的位置對應於該托盤的中央，以將流動至該托盤的中央的氣體排出於該反應室。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該反應室具有一上側壁以及一下側壁，該反應室的一周圍側壁連接於該上側壁與該下側壁之間，而該進氣管單元由該反應室的該周圍側壁連接至該反應室中。
3. 如申請專利範圍第2項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該排氣管由該反應器的該上側壁或該下側壁連接至該反應室中。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該托盤可以旋轉，該托盤的中央設有一轉軸，用以驅動該托盤。
5. 如申請專利範圍第4項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該排氣管配置於該轉軸內，並經由該轉軸延伸至該托 盤的中央。
6. 如申請專利範圍第5項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該出料口位在該托盤的中央，並顯露於該托盤的中央。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該進料口包括複數個第一反應氣體進料口與複數個第二反應氣體進料口，該些第一與第二反應氣體進料口彼此交錯排列或以同心圓排列，其中交錯排列的形式包括以獨立的圓孔交錯排列、以柵欄狀的方孔交錯排列或以長條狀的狹縫交錯排列。
8. 如申請專利範圍第1項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該進氣管單元為單側進料之進氣管單元或多側進料之多組進氣管單元，且每一組進氣管單元成對地配置於該反應室周圍的二相對側壁。
9. 如申請專利範圍第1項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該些進料口的高度最低位置不低於托盤的最高高度位置。
10. 如申請專利範圍第1項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，更包括一抽氣裝置，連接該排氣管，該抽氣裝置於該排氣管內形成一負壓，使該反應室內的該至少一反應氣體往該托盤的中央移動，其中該至少一反應氣體在該出料口附近的濃度小於在該些進料口附近的濃度，且該至少一反應氣體在該出料口附近的流速大於在該些進料口附近的流速。
11. 如申請專利範圍第1項所述之用於化學氣相沉積的反應 裝置，該進氣管單元包括二組進料口，一組為III族反應氣體進料口，一組為V族反應氣體進料口。
12. 如申請專利範圍第11項所述之用於化學氣相沉積的反應裝置，其中該托盤下方設置一加熱裝置，用以加熱該托盤。
13. 一種氣相有機金屬磊晶反應製程，用於一反應器以進行化學氣相沉積，其步驟為：進料方式為氣相進料，進料來源包括有機金屬化合物，包括：TMGa(Trimethylgallium)、TMAl(Trimethylaluminum)、TMIn(Trimethylindium)、Cp2Mg(Bis(cyclopentadienyl)magnesium)及DIPTe(Diisopropyltelluride)其中之一；以及氫化物氣體，包括：砷化氫(AsH3)、磷化氫(PH3)、氮化氫(NH3)及矽乙烷(Si2H6)其中之一；至少一反應氣體進入一進料口後進入一反應室，該進料口水平朝向一托盤的周圍區域；該至少一反應氣體被引導由該托盤的周圍區域沿著其表面移動至該托盤的中央；該至少一反應氣體流動至該托盤中央並反應後，由一位置對應於該托盤的中央的出料口作為該反應器的排氣管，將該至少一反應氣體排出，該反應器所形成的反應產物為III/V族化合物半導體。
14. 如申請專利範圍第13項所述之反應製程，其中進料時有機金屬化合物由一攜帶氣體(Carrier Gas)輸送入該反應器，氫化物 氣體與該攜帶氣體混合後進入該反應器，該攜帶氣體為氫氣。
15. 如申請專利範圍第13項所述之反應製程，其中該進料口包括二組進料口，一組為III族反應氣體進料口，一組為V族反應氣體進料口，該二組進料口彼此交錯排列或以同心圓排列。
16. 一種用於化學氣相沉積的反應裝置，包括：一反應室；一托盤，配置於該反應室中；一進氣管單元，包括至少二個進料口，該至少二進料口水平朝向該托盤的至少二周圍區域，以輸入至少一反應氣體至該反應室，該至少一反應氣體被引導由該托盤的該至少二周圍區域沿著其表面移動至該托盤的中央；以及一排氣管，包括一出料口，該出料口的位置對應於該托盤的中央，以將流動至該托盤的中央的氣體排出於該反應室。