CN102260861A - 化学气相沉积的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种化学气相沉积装置，其具有在所述化学气相沉积装置的顶部上的等离子体发生器，以将工艺反应气体分解成自由基并将该自由基通过喷头供给到反应室内。根据本发明的一个示例性实施方案，所述化学气相沉积装置包括：容纳晶片的反应室，在所述反应室中通过第一反应气体和第二反应气体的反应在所述晶片上进行化学气相沉积；等离子体室，在所述等离子体室中所述第二反应气体通过等离子体发生器被转变成等离子态；和安装在所述反应室顶部上的喷头，其将从所述等离子体室引入的所述第一反应气体和所述第二反应气体在不使所述第一反应气体和所述第二反应气体相互接触的情况下排放到所述反应室。

Description

化学气相沉积的装置和方法
技术领域
本发明涉及化学气相沉积的装置和方法。更具体而言，本发明涉及一种化学气相沉积装置以及利用它的化学气相沉积方法，该化学气相沉积装置具有在所述化学气相沉积装置的反应室顶部上的等离子体发生器，以将工艺反应气体分解成自由基并将所述工艺反应气体通过喷头供给到反应室内。
背景技术
在半导体工艺中，将期望材料沉积到晶片上的薄膜沉积工艺通常分为物理气相沉积(PVD)法和化学气相沉积(CVD)法。在此处，CVD法是向反应室供给工艺气体并通过利用热或等离子体将化学反应后的工艺气体沉积到晶片上的方法。同时，金属有机化学气相沉积法是使用有机金属化合物作为前体并向反应室提供有机金属化合物作为载气，然后在加热的晶片表面上生长有机金属化合物薄膜的方法。
图1是用于描述已知普通化学气相沉积装置的示意图。
参照图1，已知的CVD装置包括反应室100、喷头200和晶片托架300，进行沉积工艺的反应室100内部被密封，喷头200向反应室100的反应空间供给反应气体，晶片W定位在晶片托架300上。
喷头200设置有多个反应气体供给孔220，用于将由反应气体入口120注入的反应气体供给到反应室100的反应空间。在一些情况下，喷头200填充有多孔材料来代替反应气体供给孔220。晶片W定位在衬底托架300上，具有大尺寸的单个晶片或多个晶片W定位在晶片托架300上。支撑杆320设置在晶片托架300的下部中心处以支撑晶片托架300。气体排放构件140设置在反应室100的底部或侧面上，以将反应室100中的反应气体排放到外部。
同时，CVD系统，尤其是MOCVD系统通常用于生产发光二极管。在MOCVD系统中，当使用诸如三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)的MO前体作为第一反应气体，使用NH3作为第二反应气体，并且将第一反应气体和第二反应气体供给到反应室时，反应气体分解或相互作用，使得已反应的或分解的产物沉积在设置在反应室中的晶片表面上以形成层。
然而，在这种反应中，TMG或TMG在相对低的温度下容易分解成Ga，相反，为了分解NH3通常需要接近1000℃的高工艺温度，并且甚至是在高工艺温度下NH3通常也不分解。因此，应当供给与TMG或TEG的供给量相比大量的NH3。
因此，在现有技术中，由于高工艺温度，该装置的运行成本高，并且与TMG或TEG相比应当供给过量的NH3。结果，材料成本也高。
此外，由于反应室中的高工艺温度所引起的热，晶片和其他辅助材料也受到损伤。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种化学气相沉积装置，其具有在所述化学气相沉积装置的反应室顶部上的等离子体发生器，以将工艺反应气体分解成自由基并将所述自由基通过喷头供给到反应室内。
此外，本发明的一个目的是提供一种化学气相沉积方法，其通过利用所述化学气相沉积装置的所述反应室顶部上的等离子体发生器对反应气体进行等离子体处理，并通过喷头将经过等离子体处理的反应气体供给到反应室以使所述经过等离子体处理的反应气体沉积到反应室中的晶片顶部上。
因此，本发明的一个目的是提供一种能够降低工艺温度并减少反应气体供给量的化学气相沉积装置。
本发明的一个示例性实施方案提供一种化学气相沉积装置，其包括：容纳晶片的反应室，在所述反应室中通过第一反应气体和第二反应气体的反应在所述晶片上进行化学气相沉积；等离子体室，在所述等离子体室中所述第二反应气体通过等离子体发生器而转变成等离子态；和安装在所述反应室顶部上的喷头，其将所述第一反应气体和从所述等离子体室引入的所述第二反应气体在不使所述第一反应气体和所述第二反应气体相互接触的情况下排放到所述反应室。
在该情况下，所述喷头可包括：将所述第一反应气体引入其中的第一反应气体室；多个第一反应气体通道，其允许所述第一反应气体室与所述反应室相互连通并且所述第一反应气体流过其中；和多个第二反应气体通道，其允许所述等离子体室与所述反应室相互连通并且所述第二反应气体流过其中。
此外，所述第一反应气体室设置在所述等离子体室和所述反应室之间，并且所述第二反应气体通道穿过所述第一反应气体室。更优选的是，所述喷头还包括冷却室，所述第一反应气体通道和所述第二反应气体通道穿过所述冷却室。
同时，所述第一反应气体可以是三甲基镓(TMG)、三乙基镓(TEG)或任意其他有机金属化合物，所述第二反应气体可以是氮(N2)、氨(NH3)或任意其他水合物。
此外，所述等离子体发生器包括：微波发生器；将由所述微波发生器产生的微波辐照到所述等离子体室的微波导板；和管状的多个波导，其将由所述微波发生器产生的微波传送到所述微波导板，其中所述多个波导在板状的所述微波导板中布置为相互平行地彼此间隔开。
在该情况下，所述微波导板由石英或Pyrex制成。
此外，所述等离子体发生器可以包括：射频(RF)电源；和RF线圈，其通过接收来自所述RF电源的电功率产生电场和磁场以将所述电场和磁场引至所述等离子体室。
本发明的另一示例性实施方案提供一种化学气相沉积方法，其包括：将第一反应气体引入第一反应气体室中；将第二反应气体引导等离子体室中并且通过利用等离子体发生器将所述引入的第二反应气体转变成等离子态；和在不使所述第一反应气体和所述第二反应气体相互接触的情况下将所述第一反应气体和所述第二反应气体通过喷头引入反应室的上部。
在该情况下，所述第一反应气体和所述第二反应气体可以通过在所述喷头中形成的且不互相干扰的第一反应气体通道和第二反应气体通道引入所述反应室中，并且所述第二反应气体通道的直径和长度之比优选等于或大于10。
此外，所述第二反应气体通过如下方式变成等离子态：使微波发生器产生微波；使多个波导将由所述微波发生器产生的所述微波传送到微波导板；和使所述微波导板将由所述波导传送的所述微波辐照到所述等离子体室，其中所述多个波导在所述微波导板中布置为相互平行地间隔开。
根据本发明的所述示例性实施方案，将由水合物如NH3组成的反应气体预处理成等离子态并且供给到反应室，由此相比现有技术显著降低工艺温度，并且节省装置的运行成本，防止晶片和其他辅助设备被热损坏。
此外，根据本发明的示例性实施方案，将变成等离子态的反应气体供给到反应室以能够在比现有技术量少的情况下进行处理，由此节省材料成本。
而且，根据本发明的示例性实施方案，由处于等离子态的反应气体产生的电子和离子型自由基穿过喷头以被中和，使得可以防止晶片和沉积层被电子损伤。
附图说明
图1是用于描述已知普通化学气相沉积装置的示意图；
图2是根据本发明一个示例性实施方案的化学气相沉积装置的截面视图；
图3是根据本发明一个示例性实施方案的化学气相沉积装置的喷头的部分放大图；
图4是根据本发明一个示例性实施方案的化学气相沉积装置的等离子体发生器的平面视图；
图5是根据本发明另一示例性实施方案的化学气相沉积装置的截面视图；和
图6是根据本发明另一示例性实施方案的化学气相沉积装置的等离子体发生器的平面视图。
具体实施方式
在下文，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方案。首先，应当注意，在给每个附图的元件指定附图标记时，相同的附图标记指相同的元件，尽管相同的附图标记是在不同的附图中显示的。此外，在描述本发明时，将不详细描述公知的功能或结构，因为它们可能不必要地干扰对本发明的理解。
图2是根据本发明一个示例性实施方案的化学气相沉积装置的截面视图，图3是根据本发明一个示例性实施方案的化学气相沉积装置的喷头的部分放大图；并且图4是根据本发明一个示例性实施方案的化学气相沉积装置的等离子体发生器的平面视图。
根据本发明所述示例性实施方案的化学气相沉积装置包括反应室10、喷头20、等离子体室30和等离子体发生器40，反应气体在反应室10中相互反应并且由该反应引起的沉积过程在反应室10中进行，喷头20将反应气体供给到反应室10的反应空间，等离子体室30设置在喷头20的顶部上以储存处于等离子态的反应气体，等离子体发生器40设置在等离子体室30顶部上以将等离子体室30中的反应气体变为等离子态。
反应室10包括容纳于其中的晶片W，并且是其中使通过第一反应气体和第二反应气体的反应产生的物质化学气相沉积到晶片W上的反应空间。晶片W安装在晶片托架14上。至少一个晶片W安装在晶片托架14上。当安装多个晶片W时，优选多个晶片W均匀布置或绕晶片托架14的中心轴相互对称。支撑晶片托架14的支撑杆16设置在晶片托架14下方。支撑杆16可以配置为通过附加的晶片托架驱动电动机(未显示)转动。以工艺温度加热晶片托架14的加热器(未显示)设置在晶片托架14下方。气体排放构件12设置在反应室10下方，并且将反应室10中的反应气体排放到反应室10的外部。
同时，在所述示例性实施方案中，通过喷头20将作为第一反应气体的三甲基镓(TMG)和作为第二反应气体60的NH3(其在等离子体室30中变成等离子态)引入反应室10中，然后使其相互反应，并且将其配置为沉积在晶片W上。
在所述示例性实施方案中，尽管使用TMG作为第一反应气体，但是本发明不限于此，三乙基镓(TEG)、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMAL)、二乙基锌(DEZn)等也可用作第一反应气体，此外，可以使用其他烷基金属物质，即其他有机金属化合物。
此外，在所述示例性实施方案中，尽管使用NH3作为第二反应气体，但是可以使用其他预定水合物，例如N2、PH3、AsH3或不对称二甲肼(UDMH)。
喷头20设置在等离子体室30和反应室10之间以防止第一反应气体和第二反应气体相互接触，并且将各反应气体供给到反应室10。
参照图2和图3，在喷头20顶部上形成第一反应气体室23，并且在第一反应气体室23的一侧形成一个或更多个第一反应气体入口25。此外，用于使第一反应气体室23和反应室10相互连通的第一反应气体通道21和用于使等离子体室30和反应室10相互连通的第二反应气体通道22为多个，并且彼此隔开。也就是说，第一反应气体室23和反应室10通过多个第一反应气体通道21相互连接，等离子体室30和反应室10通过多个第二反应气体通道22相互连接。在该情况下，第二反应气体通道22穿过第一反应气体室23，然而，第二反应气体通道22不与第一反应气体室23连通，而是与反应室10直接相连。在该情况下，第一反应气体通道21和第二反应气体通道22设置为互不干扰。
此外，在第一反应气体室23下方形成冷却室24，因此，第一反应气体通道21和第二反应气体通道22配置为穿过冷却室24。第一反应气体通道21和第二反应气体通道22穿过冷却室24，但是不与冷却室24连通，第一反应气体50和第二反应气体60不与冷却室24中流动的冷却材料70接触。
通过第一反应气体入口25引入第一反应气体室23中的第一反应气体50流过第一反应气体通道21以引入反应室10中，并且第二反应气体通过第二反应气体入口32引入等离子体室30中。然后，变成等离子态的第二反应气体流过第二反应气体通道22以被引入反应室10中。在该情况下，由于第一反应气体通道21和第二反应气体通道22设置为互不干扰，所以第一反应气体50和第二反应气体60直到被引入反应室10中才相互接触。
在冷却室24的一侧形成一个或更多个冷却材料入口26，在冷却室24的另一侧形成一个或更多个冷却材料出口27。因此，引入诸如水、油等的冷却材料并使其流动，其冷却第一反应气体通道21和第二反应气体通道22，然后被排出。
在等离子体室30的一侧上设置一个或更多个第二反应气体入口32，通过第二反应气体入口32引入的第二反应气体60被引入等离子体室30中。引入等离子体室30中的第二反应气体60通过等离子体发生器40转变成等离子态，然后通过喷头20移至反应室10，由此作为离子型存在。
等离子体发生器40将等离子体室30中的第二反应气体60转变成等离子态，以由第二反应气体60产生自由基。参考图4，等离子体发生器40包括产生微波的微波发生器42、将由微波发生器42产生的微波辐照到等离子体室30的微波导板44和将由微波发生器42产生的微波传送到微波导板44的多个波导46。在通过等离子体发生器40将微波供给到等离子体室30时，等离子体室30中的第二反应气体60变成等离子态、产生离子型自由基和自由电子。
作为产生微波(将第二反应气体60转变成等离子态的能源)的装置的微波发生器42产生微波，并且将所产生的微波发送到多个波导46中的每一个。
多个波导46形成为管状，并且每个波导46被制成与微波发生器42相连以将从微波发生器42震荡出来的微波传送到微波导板44。
微波导板44优选为石英板或Pyrex板。它们引导从等离子体发生器40震荡出来的微波以将微波均匀地辐照到等离子体室。为此，在该示例性实施方案中，微波导板44形成为矩形板状，并且波导46布置为在微波导板44中相互平行地彼此间隔开。
与示例性实施方案不同，波导46的结构可以具有螺旋形状，并且在该情况下，容纳波导46的微波导板44的形状变成与其对应的形状。
同时，可以不使用微波，而是使用其他频率如MF、HF、RF、VHF和UHF来产生等离子体。
图5示出根据本发明另一示例性实施方案的通过利用RF产生等离子体的化学气相沉积装置的结构，图6示出通过RF产生等离子体。
参考图5和6，等离子体发生器包括RF电源和RF线圈82，RF电源可包括RF发生器86和RF匹配88，RF线圈82与RF电源连接。RF线圈82设置在陶瓷板84上，并且与等离子体室30电绝缘。
RF线圈82安装在等离子体室30顶部附近，以通过从RF电源接收RF功率来产生电场和存储磁场。由RF线圈82产生的电场和存储磁场被引至等离子体室30以激发等离子体室30中的第二反应气体60，从而将其转变成等离子态。
在示例性实施方案中，RF线圈82形成为螺旋形状并且设置在陶瓷板84上。陶瓷板84用于使RF线圈82和等离子体室30相互电绝缘。因此，在示例性实施方案中，陶瓷板84用作绝缘构件，但是在其他示例性实施方案中，可以使用石英板，并且可以使用能够使RF线圈82和等离子体室30相互电绝缘的其他构件。
本发明最大的特点在于将反应气体预处理成等离子态，然后将反应气体通过喷头20供给到反应室10的上部以与另一反应气体反应，结果，能够容易地进行沉积，甚至在低工艺温度下也是如此。然而，当反应气体变成等离子态时，反应气体被离子化以不仅产生具有正电荷的自由基，而且产生具有负电荷的自由电子。在将电子直接引入反应室10中时，电子与晶片和沉积层碰撞，结果，晶片和沉积层可能因为电子的电荷而受损。然而，在本发明的示例性实施方案中，当反应气体被转变成等离子态时产生的电子在穿过喷头20的第二反应气体通道22的同时与具有正电荷的N+自由基碰撞并吸收，结果，存在被引入反应室10中的电子的量显著减少的效果。
换言之，供给到反应室10的NH3在等离子体室30中变成等离子态，并且分解成离子型自由基和电子。由NH3产生的电子在穿过喷头的同时与离子型氮自由基N+碰撞并吸收，以产生中性自由基[N]。结果，供给到反应室10的电子数目显著减少。
下面将描述用于该操作的配置。用于电子在1mTorr压力下穿过圆柱体的同时与具有正电荷的自由基碰撞一次的圆柱形通道的直径和长度之比约为5。该比例与压力成反比。一般的MOCVD工艺在约10Torr(＝104mTorr)的压力下进行。因此，在一般的MOCVD工艺中，用于电子与具有正电荷的自由基相互碰撞一次的圆柱形通道的直径和长度之比约为5×10-4。在所述示例性实施方案中，第二反应气体通道22的直径D和长度L分别为600μm和6mm。因此，第二反应气体通道22的直径和长度之比为10。因此，在示例性实施方案中，可以预计电子在穿过第二反应气体通道22时将与具有正电荷的自由基碰撞10/(5×10-4)＝2×104次。
根据上述环境下的实验结果，当等离子体室30中的第二反应气体处60于等离子态时[N]自由基的浓度为1010/cm3，而反应室10中的[N]自由基的浓度为1012～14/cm3。也就是说，第二反应气体60在等离子体室30中被转变成等离子态，从而产生浓度为1010/cm3的[N]自由基。因此，当[N]自由基穿过喷头20的第二反应气体通道22时，自由电子与N+自由基碰撞并吸收以中和离子，由此引起等离子体室30中的[N]自由基浓度和反应室10中的[N]自由基浓度之差。这样，与等离子体室30和反应室10之间的[N]自由基浓度差一样多的电子在穿过喷头20时吸收N+自由基，结果，引入反应室10的电子的浓度降低同样多，由此防止晶片W和沉积层被电子损伤。
根据本发明的一个示例性实施方案，化学气相沉积装置，尤其是金属有机化学气相沉积(MOCVD)装置将在高温下分解的反应气体预处理成等离子态，并且将反应气体均匀地供给到反应室中以有效地进行化学气相沉积过程。因此，工业适用性非常高。
已经举例说明了本发明的精神。本领域的技术人员将理解，可以做出各种修改方案、变化方案和替代方案，而不脱离本发明的实质特点。本发明的范围不限于示例性的实施方案和附图。本发明的保护范围必须由所附权利要求限定，并且其应当限定为与其等同范围内的所有精神都包含在本发明的所附权利要求内。

Claims (12)

1.一种化学气相沉积装置，包括：
容纳晶片的反应室，在所述反应室中通过第一反应气体和第二反应气体的反应在所述晶片上进行化学气相沉积；
等离子体室，在所述等离子体室中通过等离子体发生器使所述第二反应气体转变成等离子态；和
安装在所述反应室顶部上的喷头，在不使所述第一反应气体和所述第二反应气体相互接触的情况下所述喷头将所述第一反应气体和从所述等离子体室引入的所述第二反应气体排放到所述反应室。
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中所述喷头包括：
第一反应气体室，所述第一反应气体引入该第一反应气体室中；
多个第一反应气体通道，其使得所述第一反应气体室与所述反应室相互连通并且所述第一反应气体流过其中；和
多个第二反应气体通道，其使得所述等离子体室与所述反应室相互连通并且所述第二反应气体流过其中。
3.根据权利要求2所述的化学气相沉积装置，其中所述第一反应气体室设置在所述等离子体室和所述反应室之间，并且所述第二反应气体通道穿过所述第一反应气体室。
4.根据权利要求3所述的化学气相沉积装置，其中所述喷头还包括冷却室，所述第一反应气体通道和所述第二反应气体通道穿过所述冷却室。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的化学气相沉积装置，其中所述第一反应气体为选自三甲基镓(TMG)、三乙基镓(TEG)和任意其他有机金属化合物中的至少一种。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的化学气相沉积装置，其中所述第二反应气体是选自氮(N2)、氨(NH3)和任意其他水合物中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中所述等离子体发生器包括：
微波发生器；
微波导板，其将由所述微波发生器产生的微波辐照到所述等离子体室；和
具有管状的多个波导，其将由所述微波发生器产生的微波传送到所述微波导板，
其中所述多个波导在具有板状的所述微波导板中布置为相互平行地彼此间隔开。
8.根据权利要求7所述的化学气相沉积装置，其中所述微波导板由石英或Pyrex制成。
9.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中所述等离子体发生器包括：
射频(RF)电源；和
RF线圈，其通过接收来自所述RF电源的电功率产生电场和磁场以将所述电场和磁场导出至所述等离子体室。
10.一种化学气相沉积方法，其包括：
将第一反应气体引入第一反应气体室中；
将第二反应气体引入等离子体室中并且通过利用等离子体发生器将所述引入的第二反应气体转变成等离子态；和
在不使所述第一反应气体和所述第二反应气体相互接触的情况下将所述第一反应气体和所述第二反应气体通过喷头引入所述反应室的上部。
11.根据权利要求10所述的化学气相沉积方法，其中所述第一反应气体和所述第二反应气体通过在所述喷头中形成的且不互相干扰的第一反应气体通道和第二反应气体通道引入所述反应室中。
12.根据权利要求10所述的化学气相沉积方法，其中所述第二反应气体通过如下方式变成所述等离子态：
使微波发生器产生微波；
使多个波导将由所述微波发生器产生的所述微波传送到微波导板；和
使所述微波导板将由所述波导传送的所述微波辐照到所述等离子体室，
其中所述多个波导在所述微波导板中布置为相互平行地彼此间隔开。
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