CN105441904A - 气体喷淋装置、化学气相沉积装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种气体喷淋装置、化学气相沉积装置和方法，气体喷淋装置包括：喷淋头，喷淋头包括中心区和包围中心区的外围区，喷淋头的中心区和外围区具有平行排列的若干第二喷淋口，第二喷淋口用于输出第二气体，相邻第二喷淋口之间具有第一喷淋口，第一喷淋口包括位于中心区的第一子喷淋口、以及位于外围区的第二子喷淋口，第一子喷淋口和第二子喷淋口相互隔离，第一子喷淋口用于输出第一气体，第二子喷淋口用于输出第二气体；与第一子喷淋口连接的第一气体通道；与第二喷淋口和第二子喷淋口连接的第二气体通道。采用气体喷淋装置的化学气相沉积装置的成膜质量改善。

Description

气体喷淋装置、化学气相沉积装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种气体喷淋装置、化学气相沉积装置和方法。

背景技术

化学气相沉积(Chemicalvapordeposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，其通过化学气相沉积装置得以实现。具体地，CVD装置通过进气装置将反应气体通入反应室中，并控制反应室的压强、温度等反应条件，使得反应气体发生反应，从而完成沉积工艺步骤。

金属有机化学气相沉积(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，MOCVD)装置主要用于III-V族化合物、II-VI族化合物或合金的薄层单晶功能结构材料的制备，例如氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等。随着所述功能结构材料的应用范围不断扩大，金属有机化学气相沉积装置已经成为一种重要的化学气相沉积装置。金属有机化学气相沉积一般以II族或III族金属有机源、以及VI族或V族氢化物源作为反应气体，用氢气或氮气作为载气，以热分解反应方式在基板上进行气相外延生长，从而生长各种II-VI化合物半导体、III-V族化合物半导体、以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

然而，以现有的金属有机化学气相沉积装置形成的薄膜质量不佳，因此需要通过改进金属有机化学气相沉积装置，来促进装置的成膜质量。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种气体喷淋装置、化学气相沉积装置和方法，采用所述气体喷淋装置的化学气相沉积装置成膜质量改善。

为解决上述问题，本发明提供一种气体喷淋装置，包括：

喷淋头，所述喷淋头底面喷气区域包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述喷淋头的中心区和外围区具有平行排列的若干第二喷淋口，所述第二喷淋口用于输出第二气体，相邻第二喷淋口之间具有第一喷淋口，所述第一喷淋口和第二喷淋口相互交替分布，所述第一喷淋口包括位于中心区的第一子喷淋口、以及位于外围区的第二子喷淋口，所述第一子喷淋口和第二子喷淋口相互隔离，所述第一子喷淋口用于输出第一气体，所述第二子喷淋口用于输出第二气体，所述第一气体和第二气体之间能够发生成膜反应；

与第一子喷淋口连接的第一气体通道，所述第一气体自所述第一气体通道通过，并从第一子喷淋口输出；

与第二喷淋口和第二子喷淋口连接的第二气体通道，所述第二气体通道与第一气体通道相互隔离，所述第二气体自所述第二气体通道通过，并从第二喷淋口和第二子喷淋口输出。

可选的，所述第二喷淋口的尺寸大于第一喷淋口的尺寸。

可选的，所述第一喷淋口和第二喷淋口为条形气槽。

可选的，所述第一喷淋口的条形宽度小于第二喷淋口的条形宽度；所述第一子喷淋口的条形宽度与第二子喷淋口的条形宽度相同。

可选的，所述第一喷淋口由若干呈直线形排列的第一气孔组成，所述第二喷淋口由若干呈直线形排列的第二气孔组成。

可选的，所述第一气孔的直径小于第二气孔的直径；构成第一子喷淋口的第一气孔直径与构成第二子喷淋口的第一气孔直径相同。

可选的，在所述第一喷淋口中，第一子喷淋口与第二子喷淋口之间的距离为1毫米～3毫米。

可选的，所述中心区的半径比外围区的半径小5毫米～30毫米。

可选的，所述第一喷淋口的中心轴到相邻第二喷淋口的中心轴距离为10毫米～15毫米。

相应的，本发明还提供一种化学气相沉积装置，其特征在于，包括：

反应腔；

位于反应腔底部的基座，所述基座能够绕轴线旋转，所述基座具有晶圆区，所述晶圆区表面用于放置晶圆；

位于反应腔底部的排气通道；

如上述任一项所述的气体喷淋装置，所述气体喷淋装置位于所述反应腔顶部，其中：

所述第一喷淋口和第二喷淋口朝向所述基座，用于将第一气体和第二气体向气体喷淋装置到基座之间的空间输送；

所述第一气体通道与反应腔外部连通，第一气体自反应腔外部输入第一气体通道；

所述第二气体通道与反应腔外部连通，第二气体自反应腔外部输入第二气体通道。

可选的，所述第一气体包括三族元素或五族元素，所述第二气体为含氮气体、含氢气体、含氧气体中的一种或多种。

可选的，所述第二气体为单种气体，所述第二气体为氮气、氢气、氧气或氨气。

可选的，所述第二气体由多种气体混合，所述第二气体包括氮气和氢气的混合气体，或氮气、氢气和氨气的混合气体。

可选的，所述第二气体还包括惰性气体。

可选的，当第一气体中具有三族元素时，第一气体中不具有五族元素，当第一气体中具有五族元素时，第一气体中不具有三族元素，所述三族元素和五族元素交替自所述第一子喷淋口输出。

可选的，所述基座的晶圆区边缘大于中心区的边缘、小于外围区的边缘。

可选的，还包括：位于所述气体喷淋装置和基座周围的气体限流环，所述气体限流环包围气体喷淋装置和基座之间的空间区域；位于基座底部的加热器，用于对基座加热。

相应的，本发明还提供一种采用如上述任一项所述的化学气相沉积装置进行化学气相沉积的方法，其特征在于，包括：

在基座的晶圆区表面放置晶圆；

自反应腔外部向第一气体通道通入第一气体，使第一气体自第一子喷淋口向基座表面方向输出；

自反应腔外部向第二气体通道通入第二气体，使第二气体自第二喷淋口和第二子喷淋口向基座表面方向输出，其中：

喷淋头中心区的第二喷淋口所输出的第二气体、和第一子喷淋口所输出的第一气体在喷淋装置和基座之间的空间混合，并在晶圆表面反应形成薄膜；

喷淋头外围区的第二喷淋口和第二子喷淋口所输出的第二气体形成气体帘幕，所述气体帘幕包围喷淋头中心区到基座表面之间的空间。

可选的，所述第二子喷淋口输出的第二气体流速是所述第一子喷淋口输出的第一气体流速的85％～115％。

可选的，所述第二喷淋口输出第二气体的流速大于第一子喷淋口输出第一气体的流速。

相应的，本发明还提供一种气体喷淋装置，其特征在于，包括：

喷淋头，所述喷淋头底面喷气区域包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述喷淋头底面喷气区域还包括连通到第一气体源的第一进气区和连通到第二气体源的第二进气区，

所述第一进气区包括多个第一进气口，所述第一进气区包括多条位于喷淋头底面中心区且平行排布的第一进气带，

所述第二进气区包括多个第二进气口，所述第二进气区包括位于喷淋头底面外围区且环绕在所述中心区外围的环状进气带，还包括位于喷淋头底面中心区的多条平行排布的第二进气带，所述第二进气带和所述第一进气带交替排布。

相应的，本发明还提供一种化学气相沉积装置，其特征在于，包括：

反应腔；

位于反应腔底部的基座，所述基座能够绕轴线旋转，所述基座具有晶圆区，所述晶圆区表面用于放置晶圆；

位于反应腔底部的排气通道；

喷淋头；

所述喷淋头底面喷气区域包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述外围区包括多个第二进气口，所述中心区包括多个第一进气口和第二进气口，

所述喷淋头还包括第一气体通道和第二气体通道，所述第一气体通道连通第一气体源，所述第二气体通道连通第二气体源，

所述第一气体通道下方连通到所述中心区的多个第一进气口；

所述第二气体通道下方连通到所述中心区的多个第二进气口和外围区的第二进气口。

可选的，在所述喷淋头的中心区，所述第一进气口和第二进气口呈网格状交替分布；或者，在所述喷淋头的中心区，所述第一进气口和第二进气口为若干组口径不同的同轴进气管，所述第一气体和第二气体所述口径不同的同轴进气管中通入反应腔。

可选的，所述第一气体源提供包括三族元素或五族元素的气体，所述第二气体源提供含氮气体、含氢气体、含氧气体中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的气体喷淋装置中，喷淋头包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述中心区和外围区具有平行排列的若干第二喷淋口；而相邻第二喷淋口之间的第一喷淋口包括位于中心区的第一子喷淋口、以及位于外围区的第二子喷淋口。由于所述第一子喷淋口用于输出第一气体，而所述第二喷淋口和第二子喷淋口用于输出第二气体，因此，所述喷淋头的外围区能够仅输出第二气体。自所述外围区输出的第二气体能够在喷淋头中心区输出的第一气体和第二气体周围形成气帘，所述气帘包围中心区输出的用于反应的第一气体和第二气体，从而将中心区输出的第一气体和第二气体与外部相互隔离，从而保证了参与反应的第一气体和第二气体纯净，且使得第一气体和第二气体的气流稳定。

进一步，所述第二气体为单种气体，所述第二气体为氮气、氢气、氧气或氨气，所述单种气体化学性质稳定，在高温环境下，不会发生自分解反应，因此，所述喷淋头的外围区输出所述单种气体时，所产生的气体帘幕性质稳定，对于中心区输出的第一气体和第二气体的保护能力更强。

进一步，所述第二气体由多种气体混合，所述第二气体包括氮气和氢气的混合气体，或氮气、氢气和氨气的混合气体，所述多种混合气体之间化学状态稳定，在高温环境下，不会发生化学反应，因此，所述喷淋头的外围区输出所述多种混合气体时，所产生的气体帘幕性质稳定，对于中心区输出的第一气体和第二气体的保护能力更强。

本发明的化学气相沉积装置中，气体喷淋装置位于所述反应腔顶部，所述第一喷淋口和第二喷淋口朝向所述基座，用于将第一气体和第二气体向气体喷淋装置到基座之间的空间输送。由于所述喷淋头的外围区能够仅输出第二气体，且自所述外围区输出的第二气体能够在喷淋头中心区输出的第一气体和第二气体周围形成气帘，因此，所述气帘能够将中心区输出的用于反应的第一气体和第二气体、与反应腔的内侧壁相互隔离，从而避免第一气体和第二气体在反应腔的内侧壁表面发生不完全反应，并形成附着于反应腔内侧壁表面质地疏松的灰状副产物。因此，所述化学气相沉积装置所形成的薄膜内杂质含量减少。而且，由于避免了第一气体和第二气体形成额外副产物的额外消耗，使得第一气体的利用率提高，从而减少了化学气相沉积装置的运行成本。再次，由于避免了反应腔内侧壁表面形成副产物，降低了反应腔的黑度和吸热能力，使得靠近反应腔内侧壁的气流稳定。因此，所述化学气相沉积装置的成膜质量改善。

进一步，所述基座的晶圆区边缘大于中心区的边缘、小于外围区的边缘。喷淋头中心区输出的第一气体和第二气体能够完全输送至晶圆区上的晶圆表面、并受热反应成膜。而且，由于喷淋头的外围区输出的使第二气体，所述第二气体能够与中心区输出的第一气体反应，因此，位于晶圆区与喷淋头外围区对应的边缘区域上的晶圆表面也能够形成质量良好的薄膜，从而在晶圆区上的晶圆表面形成的薄膜整体厚度均匀、质量良好。

本发明的化学气相沉积方法中，基座晶圆区的表面放置晶圆，喷淋头中心区的第二喷淋口输出第二气体，第一子喷淋口输出的第一气体，所述第一气体和第二气体在喷淋装置和基座之间的空间混合，并且在晶圆表面反应形成薄膜。而喷淋头外围区的第二喷淋口和第二子喷淋口输出的第二气体，且外围区输出的第二气体能够形成气体帘幕，而所述气体帘幕能够包围喷淋头中心区到基座表面之间的空间。由于所述气帘能够将反应腔的内侧壁与中心区输出的第一气体和第二气体相互隔离，从而能够避免第一气体和第二气体在反应腔的内侧壁表面生成副产物。因此，能够使形成于晶圆表面的薄膜质量改善、厚度均匀。

进一步，所述第二子喷淋口输出的第二气体流速是所述第一子喷淋口输出的第一气体流速的85％～115％。所述第二子喷淋口和第一子喷淋口之间输出的气体流速接近，从而能够避免因第二子喷淋口和第一子喷淋口之间输出的气体流速差异过大而引起热对流涡旋，从而保证了反应腔内的气体流动稳定。

附图说明

图1是发明实施例的一种金属有机化学气相沉积装置的剖面结构示意图；

图2至图5是本发明实施例的气体喷淋装置的结构示意图；

图6是本发明实施例的化学气相沉积装置的结构示意图；

图7是本发明另一实施例的化学气相沉积装置中，喷淋头底面中心区的局部区域示意图；

图8是本发明另一实施例的化学气相沉积装置中，喷淋头底面中心区的局部区域示意图；

图9是本发明实施例的化学气相沉积过程的流程示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，以现有的金属有机化学气相沉积装置形成的薄膜质量不佳。

经过研究发现，请参考图1，图1是发明实施例的一种金属有机化学气相沉积装置的剖面结构示意图，包括：

反应腔100；

位于反应腔100内的基座101，所述基座101能够绕中心轴旋转，所述基座101表面用于放置待处理晶圆，所述基座101底部就有加热装置103，用于加热置于基座101上的晶圆；

位于所述反应腔100顶部的喷淋组件104，所述喷淋组件104与所述基座101相对设置，所述喷淋组件104内具有相互隔离的第一气体腔105和第二气体腔106，所述喷淋组件104朝向基座101的表面具有第一喷淋口141和第二喷淋口142，所述第一喷淋口141和第二喷淋口142为相互平行排列、且相互间隔设置，所述第一喷淋口141与第一气体腔105连通，所述第二喷淋口142与第二气体腔106连通，所述第一气体腔105具有与外部连通的第一输气通道107，所述第二气体腔106具有与外部连通的第二输气通道108。

此外，在其它实施例中，为了限制至第一喷淋口141和第二喷淋口142输出的气体气流，还能够在基座101和喷淋组件104周围设置气体限流环，所述气体限流环包围于基座101、喷淋组件104、以及基座101和喷淋组件104之间的空间区域周围。

由于金属有机气相沉积工艺采用III族金属有机源气体和V族氢化物源气体进行反应、并在晶圆表面成膜，或采用II族金属有机源气体和VI族氢化物源气体进行反应、并在晶圆表面成膜，因此，所述第一喷淋口141和第二喷淋口142分别用于输出III族金属有机源气体和V族氢化物源气体、或者II族金属有机源气体和VI族氢化物源气体。

然而，第一喷淋口141和第二喷淋口142输出的气体在接触到晶圆表面之前，容易接触到反应腔100内侧壁，并且会在反应腔100内侧壁的区域A表面反应生成副产物。而且，由于反应腔100内侧壁表面的温度低于置于基座101上的晶圆表面温度，导致第一喷淋口141和第二喷淋口142输出的气体反应不完全，附着于反应腔100内侧壁区域A表面的副产物为疏松的灰状物质。

由于所述灰状物质质地疏松，因此随着第一喷淋口141和第二喷淋口142输出的气体气流的冲击散落，并被气流带入反应腔100内部，并落在晶圆表面，破坏晶圆表面的成膜质量。

其次，所述灰状物质附着于反应腔100内侧壁表面，使反应腔100内侧壁的黑度增强，则所述反应腔100侧壁容易吸热，导致所述反应腔100侧壁的温度提高，从而破坏靠近反应腔100侧壁的气体流动，容易导致气体在靠近反应腔100侧壁的区域内产生热对流涡旋，气体容易回流至基座101中心的晶圆表面，致使晶圆表面的成膜均匀性下降。

再次，第一喷淋口141和第二喷淋口142输出的气体在反应腔100内侧壁的区域A表面生成了副产物，使得第一喷淋口141和第二喷淋口142输出的气体被消耗，因此，所述第一喷淋口141和第二喷淋口142输出的用于成膜反应的气体利用率下降，增加了金属有机化学沉积工艺的成本。

为了解决上述问题，本发明一实施例提出了在气体喷淋头外围增设一圈独立控制的气体进气口，通过这种包围在喷淋头外围的进气口向反应腔100输入净化气体(如惰性气体Ar)，这些净化气体垂直向下高速流动能够防止反应产生的颗粒聚集到反应腔100侧壁形成灰状物质，还能一定程度抑制基座101边缘区域产生涡流。但是这种边缘增加进气结构的方式会需要额外设置一套独立的流量调节装的进气口，成本较高。同时由于净化气体不参与反应，在向下扩散过程中会稀释边缘区域的反应气体浓度，进而影响反应速度的均一性。

本发明提出一种气体喷淋装置和化学气相沉积装置。其中，在气体喷淋装置中，喷淋头包括中心区和包围所述中心区的外围区，将用于成膜反应的气体中，不易发生自分解反应、或者不易发生化学反应的第二气体自喷淋头的外围区向反应腔内部输出，能够在喷淋头中心区输出的用于成膜反应的第一气体和第二气体周围，产生以第二气体构成的气帘，以隔离能够将反应腔的侧壁与能够发生反应的第一气体和第二气体相互隔离，从而避免了在反应腔侧壁表面形成质地疏松的灰状物质副产物。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图2至图5是本发明实施例的气体喷淋装置的结构示意图。

请参考图2、图3和图4，图3是图2沿BB’方向的剖面结构示意图，图4是图2沿CC’方向的剖面结构示意图，所述气体喷淋装置包括：

喷淋头200，所述喷淋头200底面喷气区域包括中心区210和包围所述中心区210的外围区220，所述喷淋头的中心区210和外围区220具有平行排列的若干第二喷淋口230，所述第二喷淋口230用于输出第二气体，相邻第二喷淋口230之间具有第一喷淋口240，所述第一喷淋口240和第二喷淋口230相互交替分布，所述第一喷淋口240包括位于中心区210的第一子喷淋口241、以及位于外围区220的第二子喷淋口242，所述第一子喷淋口241和第二子喷淋口242相互隔离，所述第一子喷淋口241用于输出第一气体，所述第二子喷淋口242用于输出第二气体，所述第一气体和第二气体之间能够发生成膜反应；

与第一子喷淋口241连接的第一气体通道251，所述第一气体自所述第一气体通道251通过，并从第一子喷淋口241输出；

与第二喷淋口230和第二子喷淋口242连接的第二气体通道252，所述第二气体通道252与第一气体通道251相互隔离，所述第二气体自所述第二气体通道252通过，并从第二喷淋口230和第二子喷淋口242输出。

以下将对本实施例的气体喷淋装置进行详细说明。

所述气体喷淋装置能够作为化学气相沉积装置的喷淋装置，本实施例中，所述气体喷淋装置作为金属有机化学气相沉积装置的喷淋装置。在其它实施例中，所述气体喷淋装置还能够用于作为其它化学气相沉积装置的喷淋装置，例如低压化学气相沉积装置、等离子体增强化学气相沉积装置等。

所述喷淋头200用于输出第一气体和第二气体，所述喷淋头200朝向化学气相沉积装置中的基座，使得第一气体和第二气体向所述基座表面输送，从而在置于基座上的晶圆表面形成薄膜。本实施例中，所述喷淋头200朝向基座的形状为圆形；在其它实施例中，所述喷淋头朝向基座的形状还能够为正方形、多边形、或任意能够配合化学气相沉积装置的形状。

所述第一气体和第二气体之间均用于参与成膜反应，所述第一气体自位于中心区210的第一子喷淋口241输出，第二气体自第二喷淋口230和第二子喷淋口242输出。由于所述第一喷淋口240和第二喷淋口230平行排列、且交替分布，即所述第一子喷淋口241与第二喷淋口230平行排列、且交替分布，因此所述第一子喷淋口241输出的第一气体、与第二喷淋口230输出的第二气体能够充分混合，并能够在晶圆表面充分反应，从而形成密度和厚度均匀的薄膜。

本实施例中，所述第一喷淋口240的中心轴到相邻第二喷淋口230的中心轴距离为10毫米～15毫米。所述第一喷淋口240的中心轴到相邻第二喷淋口230的中心轴距离较小，使得第一喷淋口240输出的第一气体与第二喷淋口230输出的第二气体能够充分混合，从而使第一气体和第二气体在晶圆表面能够充分反应，使所形成的薄膜均匀致密。

在本实施例中，由于所述气体喷淋装置作为金属有机化学气相沉积装置的喷淋装置，因此，所述第一气体包括三族元素或五族元素；所述第二气体为含氮气体、含氢气体、含氧气体中的一种或多种；含有三族元素的气体和含有五族元素的气体、与所述含氮气体、含氢气体或含氧气体能够在高温环境下发生反应，并形成金属有机材料薄膜。

由于在形成金属有机材料的化学反应过程中，对第二气体的需求量大于对第一气体的需求量，因此，所述第二喷淋口230的尺寸大于第一喷淋口240的尺寸。

在本实施例中，所述第一喷淋口240和第二喷淋口230为条形气槽。而所述第二喷淋口230的条形宽度大于第一喷淋口240的条形宽度，使得第二气体的输出量较大，相应的，使得第二喷淋口230输出第二气体时的通量较小，从而能够避免因第一气体和第二气体的通量差异过大而引起气流涡旋，继而避免所形成的薄膜均匀性变差。其次，所述第一子喷淋口241的条形宽度与第二子喷淋口242的条形宽度相同。

在另一实施例中，请参考图5，所述第一喷淋口由若干呈直线形排列的第一气孔243组成，所述第二喷淋口由若干呈直线形排列的第二气孔231组成。其中，所述第一气孔243的直径小于第二气孔231的直径；位于中心区210的第一气孔243直径与位于外围区220的第一气孔243直径相同，所述中心区210的第一气孔用于构成第一子喷淋口，位于外围区220的第一气孔243用于构成第二子喷淋口。

所述喷淋头200具有中心区210和包围中心区210的外围区220，且所述喷淋头200的外围区220仅输出第二气体，而喷淋头200的中心区210输出第一气体和第二气体的混合气体，因此，外围区220输出的第二气体能够形成气体帘幕，且所述气体帘幕包围中心区210输出的第一气体和第二气体的混合气体，中心区210输出的第一气体和第二气体的混合气体用于在高温的晶圆表面反应生成薄膜，而外围区220输出的第二气体所形成的气体帘幕能够将中心区210输出的混合气体与外部环境或装置相互隔离，从而保证了中心区210输出的第一气体和第二气体纯净，使得成膜质量改善。

具体的，所述喷淋头200具有若干平行排列的第二喷淋口230，而第二喷淋口230之间具有第一喷淋口240，使所述第二喷淋口230和第二喷淋口240交替分布，因此，在若干第二喷淋口230和若干第一喷淋口240中，排列于边缘的均为第二喷淋口230，且排列于边缘的第二喷淋口230位于外围区220内，而其它若干第二喷淋口230贯穿所述中心区210，且两端位于外围区220内。其次，所述第一喷淋口240的第一子喷淋口241位于中心区210内，第二子喷淋口242位于外围区220内。由于第二喷淋口230和第二子喷淋口242均输出第二气体，因此能够使外围区220输出的气体仅为第二气体，并形成气体帘幕。

在所述第一喷淋口240中，第一子喷淋口241与第二子喷淋口242之间相互隔离，使得所述第一喷淋口240能够输出的第二气体和第一气体相互隔离。而且，第一子喷淋口241与第二子喷淋口242之间的距离为1毫米～3毫米，由于相邻第一子喷淋口241与第二子喷淋口242之间的距离较小，从而能够避免第二气体和第一气体之间因距离过大而发生气流紊乱的问题，以此防止热对流涡旋的产生。

本实施例中，所述中心区210的半径比外围区220的半径小5毫米～30毫米。所述外围区220与中心区210的半径差决定了外围区220输出的第二气体的气体帘幕的厚度，继而决定了外围区220输出的第二气体对中心区210输出的混合气体的隔离能力。

在一实施例中，所述第二气体为单种气体，所述第二气体为氮气、氢气、氧气或氨气，所述单种气体化学性质稳定，在高温环境下不会发生自分解反应。当喷淋头200的外围区220输出所述单种气体时，所形成的第二气体的气体帘幕性质稳定，对于隔离和保护中心区210输出的第一气体和第二气体的能力较强。

在另一实施例中，所述第二气体由多种气体混合，所述第二气体包括氮气和氢气的混合气体，或氮气、氢气和氨气的混合气体，所述混合气体的化学性质稳定，所述多种气体在高温环境下不会发生化学反应。当喷淋头200的外围区220输出所述混合气体时，所形成的第二气体的气体帘幕性质稳定，对于隔离和保护中心区210输出的第一气体和第二气体的能力较强。

此外，所述第二气体还能够包括惰性气体，所述惰性气体作为载气，能够用于均匀分散上述单种气体或多种混合气体，并且使输出的第二气体的通量满足工艺需求。

本实施例中，所述第一子喷淋口241用于输出第一气体，且所述第一气体包括三族元素或五族元素。所述含有三族元素的气体和含有五族元素的气体依次交替自第一子喷淋口241输出，当第一气体中具有三族元素时，第一气体中不具有五族元素，当第一气体中具有五族元素时，第一气体中不具有三族元素，从而使所述含有三族元素的气体和含有五族元素的气体能够与第二气体反应成膜。此外，所述第一气体还能够包括载气，所述载气能够为惰性气体或其它不参与成膜反应的气体。

具体的，与第一子喷淋口241连通的第一气体通道251分别与三族气体源和五族气体源连通，并且通过控制系统的调控，能够使三族气体源和五族气体源连通依次交替向第一气体通道251输送含有三族元素的气体和含有五族元素的气体，从而实现自第一子喷淋口241依次交替输出含有三族元素的气体和含有五族元素的气体。

请继续参考图3和图4，由于第一子喷淋口241用于输出第一气体，因此所述第一子喷淋口241与第一气体通道251连通，所述第一气体通道251用于通入第一气体，使得第一气体能够从第一子喷淋口241输出。由于第二喷淋口230和第二子喷淋口242均用于输出第二气体，因此所述第二喷淋口230和第二子喷淋口242均与第二气体通道252连接，所述第二气体通道252用于通入第二气体，使得第二气体能够从第二喷淋口230和第二子喷淋口242输出。

在本实施例的气体喷淋装置中，所述第二气体通道252与第一气体通道251之间相互隔离。由于所述喷淋头仅需要输出第一气体和第二气体，因此所述气体喷淋装置中仅需要设置第一气体通道251和第二气体通道252，使得所述气体喷淋装置的结构简单，且结构尺寸也能够缩小，而所述气体喷淋装置的制造成本也能够相应降低。

本实施例中，喷淋头包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述中心区和外围区具有平行排列的若干第二喷淋口；而相邻第二喷淋口之间的第一喷淋口包括位于中心区的第一子喷淋口、以及位于外围区的第二子喷淋口。由于所述第一子喷淋口用于输出第一气体，而所述第二喷淋口和第二子喷淋口用于输出第二气体，因此，所述喷淋头的外围区能够仅输出第二气体。自所述外围区输出的第二气体能够在喷淋头中心区输出的第一气体和第二气体周围形成气帘，所述气帘包围中心区输出的用于反应的第一气体和第二气体，从而将中心区输出的第一气体和第二气体与外部相互隔离，从而保证了参与反应的第一气体和第二气体纯净，且使得第一气体和第二气体的气流稳定。

本发明的实施例还提供了一种气体喷淋装置的结构，包括：

喷淋头，所述喷淋头底面喷气区域包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述喷淋头底面喷气区域还包括连通到第一气体源的第一进气区和连通到第二气体源的第二进气区，

所述第一进气区包括多个第一进气口，所述第一进气区包括多条位于喷淋头底面中心区且平行排布的第一进气带，

所述第二进气区包括多个第二进气口，所述第二进气区包括位于喷淋头底面外围区且环绕在所述中心区外围的环状进气带，还包括位于喷淋头底面中心区的多条平行排布的第二进气带，所述第二进气带和所述第一进气带交替排布。

相应的，本发明的实施例还提供一种采用上述气体喷淋装置的化学气相沉积装置，图6是本发明实施例的化学气相沉积装置的结构示意图。

请参考图6，所述化学气相沉积装置包括：

反应腔300；

位于反应腔300底部的基座310，所述基座310能够绕轴线旋转，所述基座310具有晶圆区，所述晶圆区表面用于放置晶圆；

位于反应腔300底部的排气通道320；

气体喷淋装置330，所述气体喷淋装置330位于所述反应腔300顶部，所述气体喷淋装置330如图2至图5所示，其中：

所述第一喷淋口240(如图2所示)和第二喷淋口230(如图2所示)朝向所述基座310，用于将第一气体和第二气体向气体喷淋装置330到基座310之间的空间输送；

所述第一气体通道与反应腔300外部连通，第一气体自反应腔外部输入第一气体通道；

所述第二气体通道与反应腔300外部连通，第二气体自反应腔外部输入第二气体通道。

以下将对本实施例的化学气相沉积装置进行详细说明。

本实施例中，所述化学气相沉积装置为金属有机气相沉积装置。在其它实施例中，所述化学气相沉积装置还能够为其它化学气相沉积装置。

请在图6的基础上，结合图2至图5，在所述气体喷淋装置300中，朝向基座310的喷淋头200具有中心区210、以及包围中心区210的外围区220。其中，中心区210的第一子喷淋口241用于输出第一气体，中心区210的第二喷淋口230用于输出第二气体，中心区210输出的第一气体和第二气体用于在高温的晶圆表面进行化学反应、并形成薄膜。外围区220的第二喷淋口230和第二子喷淋口242用于输出第二气体，所述外围区220输出的第二气体能够在喷淋头220的中心区210至基座310的区域空间周围形成气体帘幕。所述气体帘幕能够将中心区210输出的第一气体和第二气体与反应腔300的侧壁之间相互隔离，从而能够避免中心区210输出的第一气体和第二气体的混合气体在接触到晶圆表面之前，在反应腔300的内侧壁表面发生反应并形成副产物。因此，反应腔300的内侧壁表面能够保持洁净，降低了反应腔300内侧壁表面的黑度和吸热能力，避免反应腔300侧壁与反应腔300内部的温度差过大，从而保证了靠近反应腔300内侧壁的气体流动稳定，以此避免气体发生热对流涡旋。

而且，由于中心区210输出的第一气体和第二气体不会在接触到晶圆表面之前，在反应腔300内侧壁表面形成副产物，从而减少了中心区210输出的第一气体和第二气体的额外消耗，使得第一气体和第二气体的利用率提高。本实施例中，所述第一气体包括三族元素或五族元素，所述第一气体的成本较高，减少第一气体的消耗，使得本实施例的化学气相沉积装置的运行成本降低。

本实施例中，所述基座310能够绕中心轴旋转，使得气体喷淋装置330输出的气体能够均匀分布于基座310晶圆区311上的晶圆表面。所述气体喷淋装置330的中心轴与基座310的中心轴重合，而基座310的晶圆区311半径大于喷淋头200中心区210的半径、小于外围区220的半径，使所述基座310的晶圆区311边缘处于中心区210的边缘和外围区220的边缘之间的对应区域内。所述喷淋头200中心区210输出的第一气体和第二气体能够完全输送到置于晶圆区311上的晶圆表面，并完全用于成膜。同时，由于外围区220输出第二气体，而所述第二气体能够与第一气体反应，因此，所述第二气体除了形成用于隔离的气体帘幕之外，还能够用于补充中心区210输出的第二气体，并且在处于晶圆区311边缘的晶圆表面与第一气体反应成膜，使得圆区311上的晶圆表面能够形成整体厚度均匀且质量良好的薄膜。

所述气体喷淋装置330到基座310表面的距离为50毫米～100毫米。所述气体喷淋装置330到基座310表面的距离与喷淋头200的第一喷淋口240和第二喷淋口230之间的距离有关，所述气体喷淋装置330到基座310表面的距离越小，所述第一喷淋口240的中心轴到相邻第二喷淋口230的中心轴距离越小，以此保证第一喷淋口240输出的气体与第二喷淋口230输出的气体在接触到晶圆表面之前能够充分混合。

在本实施例中，所述化学气相沉积装置还包括：位于基座310底部的加热器311，用于对基座310表面的晶圆加热，使得第一气体和第二气体能够在晶圆表面受热发生化学反应已形成薄膜。

在另一实施例中，还包括：位于所述气体喷淋装置330和基座310周围的气体限流环，所述气体限流环包围气体喷淋装置330和基座310之间的空间区域，所述气体限流环用于控制气体喷淋装置330和基座310之间的空间内气体的流动，避免在反应腔300内产生热对流涡旋。

本实施例中，气体喷淋装置位于所述反应腔顶部，所述第一喷淋口和第二喷淋口朝向所述基座，用于将第一气体和第二气体向气体喷淋装置到基座之间的空间输送。由于所述喷淋头的外围区能够仅输出第二气体，且自所述外围区输出的第二气体能够在喷淋头中心区输出的第一气体和第二气体周围形成气帘，因此，所述气帘能够将中心区输出的用于反应的第一气体和第二气体、与反应腔的内侧壁相互隔离，从而避免第一气体和第二气体在反应腔的内侧壁表面发生不完全反应，并形成附着于反应腔内侧壁表面质地疏松的灰状副产物。因此，所述化学气相沉积装置所形成的薄膜内杂质含量减少。而且，由于避免了第一气体和第二气体形成额外副产物的额外消耗，使得第一气体的利用率提高，从而减少了化学气相沉积装置的运行成本。再次，由于避免了反应腔内侧壁表面形成副产物，降低了反应腔的黑度和吸热能力，使得靠近反应腔内侧壁的气流稳定。因此，所述化学气相沉积装置的成膜质量改善。

本发明的实施例还提供一种化学气相沉积装置的结构，包括：

反应腔；

位于反应腔底部的基座，所述基座能够绕轴线旋转，所述基座具有晶圆区，所述晶圆区表面用于放置晶圆；

位于反应腔底部的排气通道；

喷淋头；

所述喷淋头底面喷气区域包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述外围区包括多个第二进气口，所述中心区包括多个第一进气口和第二进气口，

所述喷淋头还包括第一气体通道和第二气体通道，所述第一气体通道连通第一气体源，所述第二气体通道连通第二气体源，

所述第一气体通道下方连通到所述中心区的多个第一进气口；

所述第二气体通道下方连通到所述中心区的多个第二进气口和外围区的第二进气口。

其中，所述第一气体源提供包括三族元素或五族元素的气体，所述第二气体源提供含氮气体、含氢气体、含氧气体中的一种或多种。

在一实施例中，在所述喷淋头400的中心区410，所述第一进气口411和第二进气口412呈网格状交替分布，如图7所示，图7是喷淋头底面的局部区域示意图。

在另一实施例中，在所述喷淋头400的中心区410，所述第一进气口411和第二进气口412为若干组口径不同的同轴进气管，所述第一气体和第二气体所述口径不同的同轴进气管中通入反应腔，如图8所示，图8是喷淋头底面的局部区域示意图。

本实施例利用不容易热分解的第二气体自气体喷淋头底面的外围区进气，从外围区喷出的第二气体形成一层气帘，防止气帘幕内部第一气体和第二气体混合反应后生成的产物吸附到反应腔内侧壁形成污染物。气体喷淋头中心区用于输出第一气体和第二气体的混合气体，所述第一气体和第二气体分别自相互交替且隔离的多个第一进气口和第二进气口输出，保证第一气体和第二气体向下流动到离基座较近距离才发生反应。

在本发明的实施例中，中心区输出的混合气体除了如前述实施例中所述，第一气体和第二气体通过互相隔离的条形气槽通入反应腔外，也可以是如本实施例所述，第一进气口和第二进气口形成网格状交替分布。或者，所述第一气体和第二气体从若干组口径不同的同轴进气管中通入反应腔。上述实施例，均能实现两种反应气体在中心区域的良好混合。

本实施例提出的气体喷淋头底面包括位于中心区，用于实现两种反应气体的良好混合，在中心区外围具有包括第二气体进气口的外围区。相对于现有技术额外添加单独的气体源和气体输送通道，并从气体喷淋头边缘区域通入净化气体的技术方案，本发明无需额外的气体流量控制系统，也无需额外的管道连接到净化气体源，只需稍微修改喷淋头中第一气体腔105(如图1所示)、第二气体腔106(如图1所示)的连通结构就能实现本实施例防止在反应腔侧壁沉积污染物的目的，同时还不会影响基座上方反应气体分布的均一性。

相应的，本发明的实施例还提供一种采用上述化学气相沉积装置进行化学气相沉积的方法，图9是本发明实施例的化学气相沉积过程的流程示意图，包括：

步骤S11，在基座的晶圆区表面放置晶圆；

步骤S12，自反应腔外部向第一气体通道通入第一气体，使第一气体自第一子喷淋口向基座表面方向输出；

步骤S13，自反应腔外部向第二气体通道通入第二气体，使第二气体自第二喷淋口和第二子喷淋口向基座表面方向输出，其中：喷淋头中心区的第二喷淋口所输出的第二气体、和第一子喷淋口所输出的第一气体在喷淋装置和基座之间的空间混合，并在晶圆表面反应形成薄膜；喷淋头外围区的第二喷淋口和第二子喷淋口所输出的第二气体形成气体帘幕，所述气体帘幕包围喷淋头中心区到基座表面之间的空间。

本实施例中，所述步骤S12与步骤S13同时进行，从而向反应腔300内同时输出第一气体和第二气体。

其中，所述第二子喷淋口242(如图2所示)输出的第二气体流速是所述第一子喷淋口241(如图2所示)输出的第一气体流速的85％～115％。由于相邻第一子喷淋口241与第二子喷淋口242之间的距离较小，当所述第二子喷淋口242输出的第二气体流速、与第一子喷淋口241输出的第一气体流速接近时，能够防止所述第一气体和第二气体因流速差异而产生气流涡旋，从而保证了晶圆表面的成膜质量良好。

本实施例中，所述化学气相沉积方法为金属有机气相沉积工艺，所述第二气体为含氮气体、含氢气体、含氧气体中的一种或多种，所述第一气体包括三族元素或五族元素，而所述第二气体的需求量大于第一气体的需求量，因此，所述第二喷淋口230输出第二气体的流速大于第一子喷淋口241输出第一气体的流速，使得反应腔300内的第二气体含量大于第一气体含量。

本实施例中，基座晶圆区的表面放置晶圆，喷淋头中心区的第二喷淋口输出第二气体，第一子喷淋口输出的第一气体，所述第一气体和第二气体在喷淋装置和基座之间的空间混合，并且在晶圆表面反应形成薄膜。而喷淋头外围区的第二喷淋口和第二子喷淋口输出的第二气体，且外围区输出的第二气体能够形成气体帘幕，而所述气体帘幕能够包围喷淋头中心区到基座表面之间的空间。由于所述气帘能够将反应腔的内侧壁与中心区输出的第一气体和第二气体相互隔离，从而能够避免第一气体和第二气体在反应腔的内侧壁表面生成副产物。因此，能够使形成于晶圆表面的薄膜质量改善、厚度均匀。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (24)

1.一种气体喷淋装置，其特征在于，包括：

喷淋头，所述喷淋头底面喷气区域包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述喷淋头的中心区和外围区具有平行排列的若干第二喷淋口，所述第二喷淋口用于输出第二气体，相邻第二喷淋口之间具有第一喷淋口，所述第一喷淋口和第二喷淋口相互交替分布，所述第一喷淋口包括位于中心区的第一子喷淋口、以及位于外围区的第二子喷淋口，所述第一子喷淋口和第二子喷淋口相互隔离，所述第一子喷淋口用于输出第一气体，所述第二子喷淋口用于输出第二气体，所述第一气体和第二气体之间能够发生成膜反应；

与第一子喷淋口连接的第一气体通道，所述第一气体自所述第一气体通道通过，并从第一子喷淋口输出；

与第二喷淋口和第二子喷淋口连接的第二气体通道，所述第二气体通道与第一气体通道相互隔离，所述第二气体自所述第二气体通道通过，并从第二喷淋口和第二子喷淋口输出。

2.如权利要求1所述的气体喷淋装置，其特征在于，所述第二喷淋口的尺寸大于第一喷淋口的尺寸。

3.如权利要求2所述的气体喷淋装置，其特征在于，所述第一喷淋口和第二喷淋口为条形气槽。

4.如权利要求3所述的气体喷淋装置，其特征在于，所述第一喷淋口的条形宽度小于第二喷淋口的条形宽度；所述第一子喷淋口的条形宽度与第二子喷淋口的条形宽度相同。

5.如权利要求2所述的气体喷淋装置，其特征在于，所述第一喷淋口由若干呈直线形排列的第一气孔组成，所述第二喷淋口由若干呈直线形排列的第二气孔组成。

6.如权利要求5所述的气体喷淋装置，其特征在于，所述第一气孔的直径小于第二气孔的直径；构成第一子喷淋口的第一气孔直径与构成第二子喷淋口的第一气孔直径相同。

7.如权利要求1所述的气体喷淋装置，其特征在于，在所述第一喷淋口中，第一子喷淋口与第二子喷淋口之间的距离为1毫米～3毫米。

8.如权利要求1所述的气体喷淋装置，其特征在于，所述中心区的半径比外围区的半径小5毫米～30毫米。

9.如权利要求1所述的气体喷淋装置，其特征在于，所述第一喷淋口的中心轴到相邻第二喷淋口的中心轴距离为10毫米～15毫米。

10.一种化学气相沉积装置，其特征在于，包括：

反应腔；

位于反应腔底部的基座，所述基座能够绕轴线旋转，所述基座具有晶圆区，所述晶圆区表面用于放置晶圆；

位于反应腔底部的排气通道；

如权利要求1至9任一项所述的气体喷淋装置，所述气体喷淋装置位于所述反应腔顶部，其中：

所述第一喷淋口和第二喷淋口朝向所述基座，用于将第一气体和第二气体向气体喷淋装置到基座之间的空间输送；

所述第一气体通道与反应腔外部连通，第一气体自反应腔外部输入第一气体通道；

所述第二气体通道与反应腔外部连通，第二气体反应腔外部输入第二气体通道。

11.如权利要求10所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一气体包括三族元素或五族元素，所述第二气体为含氮气体、含氢气体、含氧气体中的一种或多种。

12.如权利要求11所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第二气体为单种气体，所述第二气体为氮气、氢气、氧气或氨气。

13.如权利要求11所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第二气体由多种气体混合，所述第二气体包括氮气和氢气的混合气体，或氮气、氢气和氨气的混合气体。

14.如权利要求13所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第二气体还包括惰性气体。

15.如权利要求11所述的化学气相沉积装置，其特征在于，当第一气体中具有三族元素时，第一气体中不具有五族元素，当第一气体中具有五族元素时，第一气体中不具有三族元素，所述三族元素和五族元素交替自所述第一子喷淋口输出。

16.如权利要求10所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述基座的晶圆区边缘大于中心区的边缘、小于外围区的边缘。

17.如权利要求10所述的化学气相沉积装置，其特征在于，还包括：位于所述气体喷淋装置和基座周围的气体限流环，所述气体限流环包围气体喷淋装置和基座之间的空间区域；位于基座底部的加热器，用于对基座加热。

18.一种采用如权利要求10至17任一项所述的化学气相沉积装置进行化学气相沉积的方法，其特征在于，包括：

在基座的晶圆区表面放置晶圆；

自反应腔外部向第一气体通道通入第一气体，使第一气体自第一子喷淋口向基座表面方向输出；

自反应腔外部向第二气体通道通入第二气体，使第二气体自第二喷淋口和第二子喷淋口向基座表面方向输出，其中：

喷淋头中心区的第二喷淋口所输出的第二气体、和第一子喷淋口所输出的第一气体在喷淋装置和基座之间的空间混合，并在晶圆表面反应形成薄膜；

喷淋头外围区的第二喷淋口和第二子喷淋口所输出的第二气体形成气体帘幕，所述气体帘幕包围喷淋头中心区到基座表面之间的空间。

19.如权利要求18所述的化学气相沉积的方法，其特征在于，所述第二子喷淋口输出的第二气体流速是所述第一子喷淋口输出的第一气体流速的85％～115％。

20.如权利要求18所述的化学气相沉积的方法，其特征在于，所述第二喷淋口输出第二气体的流速大于第一子喷淋口输出第一气体的流速。

21.一种气体喷淋装置，其特征在于，包括：

喷淋头，所述喷淋头底面喷气区域包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述喷淋头底面喷气区域还包括连通到第一气体源的第一进气区和连通到第二气体源的第二进气区，

所述第一进气区包括多个第一进气口，所述第一进气区包括多条位于喷淋头底面中心区且平行排布的第一进气带，

所述第二进气区包括多个第二进气口，所述第二进气区包括位于喷淋头底面外围区且环绕在所述中心区外围的环状进气带，还包括位于喷淋头底面中心区的多条平行排布的第二进气带，所述第二进气带和所述第一进气带交替排布。

22.一种化学气相沉积装置，其特征在于，包括：

反应腔；

位于反应腔底部的基座，所述基座能够绕轴线旋转，所述基座具有晶圆区，所述晶圆区表面用于放置晶圆；

位于反应腔底部的排气通道；

喷淋头；

所述喷淋头底面喷气区域包括中心区和包围所述中心区的外围区，所述外围区包括多个第二进气口，所述中心区包括多个第一进气口和第二进气口，

所述喷淋头还包括第一气体通道和第二气体通道，所述第一气体通道连通第一气体源，所述第二气体通道连通第二气体源，

所述第一气体通道下方连通到所述中心区的多个第一进气口；

所述第二气体通道下方连通到所述中心区的多个第二进气口和外围区的第二进气口。

23.如权利要求22所述的化学气相沉积装置，其特征在于，在所述喷淋头的中心区，所述第一进气口和第二进气口呈网格状交替分布；或者，在所述喷淋头的中心区，所述第一进气口和第二进气口为若干组口径不同的同轴进气管，所述第一气体和第二气体所述口径不同的同轴进气管中通入反应腔。

24.如权利要求22所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一气体源提供包括三族元素或五族元素的气体，所述第二气体源提供含氮气体、含氢气体、含氧气体中的一种或多种。