CN114807902B - 半导体反应装置与反应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体反应装置和方法。半导体反应装置包括真空腔体、载台单元、加热单元、气体分配单元以及进气通道。真空腔体的内部具有反应空间。载台单元设置于反应空间并承载衬底，其中衬底沿第一方向延伸而设置于载台单元的表面上。加热单元设置于真空腔体的外围。气体分配单元设置真空腔体内。进气通道通过气体分配单元与真空腔体的反应空间连通；其中，反应物经由进气通道并通过气体分配单元后，形成沿第二方向进入反应空间的气流，第一方向与第二方向彼此不垂直。
Description
技术领域
本发明涉及一种反应装置，特别涉及一种可应用于进行化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition,CVD)工艺的半导体反应装置与反应方法。
背景技术
在半导体产业中，集成电路或光电元件的应用日新月异，尺寸也日渐微型，而化学气相沉积(CVD)是一种可以用来产生纯度高、性能好的固态材料的化学技术。其中，半导体产业或光电产业使用此技术来沉积不同晶形的材料(单晶、多晶、非晶及磊晶)，而所沉积的材料则涵盖例如钻石、类钻碳(Diamond-like carbon,DLC)、硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、纳米碳管、二氧化硅(SiO2)、硅锗、钨、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的材料。典型的化学气相沉积工艺是将衬底暴露在一种或多种不同的反应前驱物下，在基底表面发生化学反应(沉积)和/或化学分解(蚀刻)来产生待沉积的薄膜。
请参照图1所示，其为公知一种半导体反应装置的示意图。在图1的半导体反应装置1中，衬底W设置于真空腔体11的承载台12上，反应前驱物可利用进气通道13并通过气体分配器14进入真空腔体11内，而加热器15设置在承载台12，以加热衬底W及真空腔体11的反应空间。在衬底W上形成薄膜的工艺中，加热器15可加热而使衬底W与反应空间的温度上升至反应所需温度，当一种或多种反应物由进气通道13进入真空腔体11内的反应空间时，可与衬底W进行化学反应和/或化学分解来产生待沉积的薄膜。
然而，在公知的半导体反应装置1中，由于反应物通过气体分配器14后的气流方向为由上往下，而衬底W在承载台12上的延伸方向为由左至右，故气流的流动方向与衬底W的表面几乎垂直，而且加热器15直接加热衬底W及真空腔体11的反应空间也容易造成反应物的气流流动方向的不稳定，进而使衬底上形成的薄膜的均匀性不佳。
发明内容
本发明的目的为提供一种半导体反应装置与反应方法，相较于公知的工艺来说，本发明可使衬底上形成的薄膜的均匀性较好。
为达上述目的，本发明提出一种半导体反应装置，包括真空腔体、载台单元、加热单元、气体分配单元以及进气通道。真空腔体的内部具有反应空间；载台单元设置于反应空间并承载衬底，其中衬底沿第一方向延伸而设置于载台单元的表面上；加热单元设置于真空腔体的外围；气体分配单元设置真空腔体内；进气通道通过气体分配单元与真空腔体的反应空间连通；其中，反应物经由进气通道并通过气体分配单元后，形成沿第二方向进入反应空间的气流，第一方向与第二方向彼此不垂直。
为达上述目的，本发明提出一种半导体反应装置的反应方法，包括：通过载台单元承载衬底，其中载台单元设置于真空腔体内部的反应空间，且衬底沿第一方向延伸而设置于载台单元的表面上；通过加热单元加热真空腔体，其中加热单元设置于真空腔体的外围；以及使反应物经由进气通道并通过气体分配单元后，形成沿第二方向进入反应空间的气流，其中第一方向与第二方向彼此不垂直，气体分配单元设置真空腔体内，且进气通道通过气体分配单元与真空腔体的反应空间连通。
在一个实施例中，衬底延伸的第一方向与气流流动的第二方向间具有一个夹角，该夹角大于0度、小于等于45度。
在一个实施例中，该夹角大于等于15度、小于等于30度。
在一个实施例中，通过载台单元改变该夹角。
在一个实施例中，通过载台单元的转动带动衬底旋转。
在一个实施例中，加热单元包括多个加热器，这些加热器设置于真空腔体远离反应空间的多个侧边。
在一个实施例中，这些加热器使反应空间沿第二方向形成多个不同温度的区域。
在一个实施例中，这些加热器使反应空间远离气体分配单元的区域的温度高于邻近气体分配单元的区域的温度。
在一个实施例中，半导体反应装置进一步包括排气通道，其与反应空间连通，其中，通过排气通道将反应空间的气体排出。
在一个实施例中，该反应方法进一步包括：通过载台单元改变该夹角。
在一个实施例中，该反应方法进一步包括：使载台单元转动以带动衬底旋转。
在一个实施例中，该反应方法进一步包括：通过加热单元的多个加热器使反应空间沿第二方向形成多个不同温度的区域，其中这些加热器设置于真空腔体远离反应空间的多个侧边。
在一个实施例中，该反应方法进一步包括：通过这些加热器使反应空间远离气体分配单元的区域的温度高于邻近气体分配单元的区域的温度。
在一个实施例中，该反应方法进一步包括：通过排气通道将反应空间的气体排出，其中排气通道与反应空间连通。
承上所述，在本发明的半导体反应装置与反应方法中，通过加热单元设置于真空腔体的外围，且载台单元上的衬底的延伸方向(第一方向)与反应物进入反应空间的气流流动方向(第二方向)彼此不垂直的结构设计，可使反应物的气流方向不受干扰，由此可改善公知技术中，衬底上形成的薄膜均匀性不佳的问题。
附图说明
图1为公知一种半导体反应装置的示意图。
图2为本发明一个实施例的一种半导体反应装置的示意图。
图3为图2的半导体反应装置中，衬底的延伸方向与进入反应空间的反应物的气流流动方向的关系示意图。
图4为图2的半导体反应装置的另一示意图。
图5为本发明一个实施例的半导体反应装置的反应方法的流程步骤示意图。
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明优选实施例的半导体反应装置与反应方法，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。
图2为本发明一个实施例的一种半导体反应装置的示意图，图3为图2的半导体反应装置中，衬底的延伸方向与进入反应空间的反应物的气流流动方向的关系示意图，而图4为图2的半导体反应装置的另一示意图。
请参照图2与图3所示，半导体反应装置2可应用于进行化学气相沉积(CVD)工艺。半导体反应装置2可包括真空腔体21、载台单元22、加热单元23、气体分配单元24以及进气通道25。另外，本实施例的半导体反应装置2进一步可包括排气通道26。
真空腔体21的内部具有反应空间S。于此，反应空间S就是反应物(例如反应前驱物，Precursor)进入真空腔体21后，与衬底W进行化学反应和/或化学分解来产生待沉积薄膜的处理空间。在一些实施例中，真空腔体21可由石英或金属材料制成。在一些实施例中，真空腔体21可具有衬底出入通道(图未绘示)，衬底W可由衬底出入通道进/出真空腔体21。于此，可利用转移机构将衬底W由衬底出入通道转移至真空腔体21且置放在载台单元22上，或是由衬底出入通道将衬底W从载台单元22上转移至真空腔体21之外。在一些实施例中，衬底W可例如为一晶圆(Wafer)，并为可透光或不可透光材料制成，例如蓝宝石(Sapphire)基材、砷化镓(GaAs)基材、或碳化硅(SiC)基材，并不限制。在一些实施例中，衬底W上可具有膜层。
载台单元22设置于真空腔体21内并可承载衬底W。于此，衬底W沿第一方向D1延伸而设置于载台单元22的表面2211上。在本实施例中，载台单元22具有承载台221及与承载台221连接的支撑件222。其中，承载台221的表面2211用以承载衬底W，而支撑件222可由真空腔体21的底部伸入反应空间S内，且其一端连接承载台221。在本实施例中，相对于支撑件222或真空腔体21的底面211来说，由于承载台221为倾斜设置，且其表面2211沿第一方向D1延伸，使得衬底W也沿第一方向D1延伸而设置于载台单元22上。
加热单元23设置于真空腔体21的外围。其中，加热单元23可加热真空腔体21，使衬底W与真空腔体21的反应空间S的温度可以达到化学反应和/或化学分解的工艺所需温度。与公知设置于真空腔体21内的加热器来说(如图1)，本实施例的加热单元23设置于真空腔体21的外围，因此可避免进入反应空间S的反应前驱物或其他气体污染加热单元23。如图2所示，本实施例的加热单元23包括两个加热器231、232，加热器231、232设置于真空腔体21远离反应空间S的侧边。于此，加热器231设置于真空腔体21的上侧边，而加热器232设置于真空腔体21的下侧边。另外，如图4所示，本实施例的加热单元23进一步可包括第三加热器233及第四加热器234，第三加热器233与第四加热器234对应设置于真空腔体21远离反应空间S的左、右两侧边，由此加热真空腔体21的四个侧边，使衬底W和反应空间S的升温效率较快。
本实施例的半导体反应装置2还可通过加热单元23(加热器231、232、233、234)使真空腔体21内的反应空间S沿第二方向D2形成多个不同温度的区域(图2)。在一些实施例中，加热器231、232、233、234可分区段进行加热温度的控制，使反应空间S沿第一方向D1延伸的三个区域A1、A2、A3的反应温度彼此不同。在一些实施例中，三个区域A1、A2、A3的温度控制范围例如可分别如下：区域A1为25～1000℃，区域A2为25～1000℃，区域A3为25～1000°C。在一些实施例中，加热器231、232、233、234使反应空间S远离气体分配单元24的区域的温度高于邻近气体分配单元24的区域的温度(即区域A1温度<区域A2温度<区域A3温度)。通过加热单元23对真空腔体21分区温度控制的设计，可使衬底W上形成的薄膜均匀性更好。
在一些实施例中，当加热器231、232、233、234加热时，可利用例如反射件将射往真空腔体21外侧的热能反射回真空腔体21，反射件例如但不限于为反射镜、反射片或反射膜层，其可将射往真空腔体21外侧的热能再反射回真空腔体21，由此提高加热器231、232、233、234的加热效率。在一些实施例中，为了提高衬底W及反应空间S的升温速率，真空腔体21的材料也可使用辐射可穿透材料，让热辐射可通过以提高衬底W及反应空间S辐射加热的升温速率。
气体分配单元24设置真空腔体21内，且进气通道25通过气体分配单元24与真空腔体21的反应空间S连通。具体来说，本实施例的进气通道25位于真空腔体21的侧壁(例如左侧壁)，使得反应物(如反应前驱物)可由进气通道25进入反应空间S；并且，为了使进入的反应物可均匀分配在反应空间S，本实施例利用气体分配单元24来进行反应物的分配，使进入真空腔体21的反应物可以均匀分配在反应空间S，进而使成膜过程可以更均匀。其中，当反应物经由进气通道25并通过气体分配单元24后，可形成沿第二方向D2进入反应空间S的气流，在此，第一方向D1与第二方向D2彼此不垂直。具体来说，如图2所示，由于衬底W(和承载台221)为倾斜设置，使衬底W沿第一方向D1延伸，且通过气体分配单元24进入反应空间S的反应物气流方向大致为第二方向D2，因此，衬底W延伸的第一方向D1与气流流动的第二方向D2间具有一个夹角θ(图3)，夹角θ大于0度且小于90度。在一些实施例中，夹角θ可大于0度、但小于等于45度；优选的夹角θ可大于等于15度、但小于等于30度。
在一些实施例中，可通过载台单元22改变前述的夹角θ，例如以自动或手动方式使承载台221的表面2211的倾斜角度变大(或变小)，进而使衬底W延伸的第一方向D1与气流流动的第二方向D2间的夹角θ变大(或变小)。在一些实施例中，可利用例如马达(和变速箱)带动载台单元22的支撑件222转动，以通过载台单元22的转动带动衬底W旋转，由此使衬底W上形成的薄膜特性(例如均匀度)更好。在一些实施例中，当载台单元22的带动衬底W在反应空间S旋转时，前述的夹角θ可以改变或不改变，并不限制。此外，本实施例的载台单元22的承载台221的表面2211与第二方向D2间的夹度与前述的夹角θ相同，然并不以此为限，在一些实施例中，承载台221的表面2211与第二方向D2间的夹角也可与前述的夹角θ不同。
排气通道26位于真空腔体21的侧壁，并与反应空间S连通。本实施例的进气通道25与排气通道26分别位于真空腔体21的相反侧。在一些实施例中，可利用排气单元(图未绘示，例如真空泵浦)并通过排气通道26将反应空间S的气体排出。在一些工艺中，加热单元23可加热真空腔体21而使衬底W与反应空间S的温度上升至反应所需温度，而反应物可由进气通道25通过气体分配单元24进入反应空间S，使反应物可与衬底W进行化学反应和/或化学分解，之后再通过排气单元及排气通道26将反应空间S多余的反应物和/或副产物排出。在一些实施例中，在反应物进入反应空间S且进行化学反应和/或化学分解之后，反应空间S内可能还有多余的反应物和/或副产物，可利用不反应物(例如惰性气体，如氮气或氩气)由进气通道25进入反应空间S，并通过排气通道26与排气单元排出，除了可吹扫多余的反应物及副产物外，进一步可控制进入的非反应物的流量来控制衬底W及反应空间S的温度，以提高衬底W及反应空间S的降温速率(例如流量大，降温速率较快)。
承上，在本实施例的半导体反应装置2中，通过加热单元23设置于真空腔体21的外围，且载台单元22上的衬底W的延伸方向(第一方向D1)与反应物进入反应空间S的气流流动方向(第二方向D2)彼此不垂直的结构设计，可使反应物的气流方向不受干扰，由此可改善公知技术中，衬底W上形成的薄膜均匀性不佳的问题。
在薄膜沉积工艺的一个实施例中，衬底W上沉积的薄膜例如可为氮化镓(GaN)层，反应物例如可为含镓化合物(例如三乙基镓，Triethylgallium,(C2H5)3Ga))和氨气(NH3)；在薄膜蚀刻工艺的一个实施例中，例如以氯气蚀刻衬底W上的锗膜层为例，反应物可例如为氯气(Cl2)；在薄膜蚀刻工艺的另一个实施例中，例如以氧化物(例如O2、H2O、或H2O2)蚀刻衬底W上的锗膜层为例，反应物可为氧化物。
请参照图5所示，其为本发明一个实施例的半导体反应装置的反应方法的流程步骤示意图。
本发明还提出一种半导体反应装置的反应方法，其与前述的半导体反应装置2配合应用，半导体反应装置2的具体技术内容已于上述中详述，不再赘述。本发明的反应方法至少可包括以下步骤：通过载台单元承载衬底，其中载台单元设置于真空腔体内部的反应空间，且衬底沿第一方向延伸而设置于载台单元的表面上(步骤S01)；通过加热单元加热真空腔体，其中加热单元设置于真空腔体的外围(步骤S02)；以及，使反应物经由进气通道并通过气体分配单元后，形成沿第二方向进入反应空间的气流，其中第一方向与第二方向彼此不垂直，气体分配单元设置真空腔体内，且进气通道通过气体分配单元与真空腔体的反应空间连通(步骤S03)。
请参照图2至图4并配合图5所示，以说明上述步骤。首先，如图2所示，步骤S01为：通过载台单元22承载衬底W，其中载台单元22设置于真空腔体21内部的反应空间S，且衬底W沿第一方向D1延伸而设置于载台单元22的表面2211上。接着，进行步骤S02：通过加热单元23加热真空腔体21，其中加热单元23设置于真空腔体21的外围。之后，进行步骤S03：使反应物经由进气通道25并通过气体分配单元24后，形成沿第二方向D2进入反应空间S的气流，其中第一方向D1与第二方向D2彼此不垂直，气体分配单元24设置真空腔体21内，且进气通道25通过气体分配单元24与真空腔体21的反应空间S连通。上述的步骤S02、S03的顺序可以相反。
在一些实施例中，如图3所示，衬底W延伸的第一方向D1与气流流动的第二方向D2间具有夹角θ，夹角θ可大于0度、但小于等于45度；优选的夹角θ可大于等于15度、但小于等于30度；如图2所示，在一些实施例中，该反应方法进一步可包括：通过载台单元22改变夹角θ；在一些实施例中，该反应方法进一步可包括：使载台单元22转动以带动衬底W旋转；在一些实施例中，如图2和图4所示，该反应方法进一步可包括：通过加热单元23的多个(四个)加热器231、232、233、234使反应空间S沿第二方向D2形成多个(三个)不同温度的区域(A1、A2、A3)，其中这些加热器231、232、233、234设置于真空腔体21远离反应空间S的多个(四个)侧边；在一些实施例中，该反应方法进一步可包括：通过这些加热器231、232、233、234使反应空间S远离气体分配单元24的区域的温度高于邻近气体分配单元24的区域的温度；在一些实施例中，该反应方法进一步可包括：通过排气通道26将反应空间S的气体排出，其中，排气通道26与反应空间S连通。
此外，半导体反应装置的反应方法的其他技术内容已于上述中详述，在此不再多作说明。
综上所述，在本发明的半导体反应装置与反应方法中，通过加热单元设置于真空腔体的外围，且载台单元上的衬底的延伸方向(第一方向)与反应物进入反应空间的气流流动方向(第二方向)彼此不垂直的结构设计，可使反应物的气流方向不受干扰，由此可改善公知技术中，衬底上形成的薄膜均匀性不佳的问题。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。
Claims (12)
1.一种半导体反应装置，包括：
真空腔体，其内部具有反应空间，所述真空腔体使用辐射可穿透材料；
载台单元，设置在所述反应空间并承载衬底，其中所述载台单元为倾斜及转动设置且其表面沿第一方向延伸，所述衬底沿所述第一方向延伸而设置在所述载台单元的表面上；
加热单元，设置在所述真空腔体的外围；
反射件，将射往所述真空腔体外侧的热能反射回所述真空腔体；
气体分配单元，设置在所述真空腔体内；以及
进气通道，通过所述气体分配单元与所述真空腔体的所述反应空间连通；
其中，反应物经由所述进气通道并通过所述气体分配单元后，形成沿第二方向进入所述反应空间的气流，所述第一方向与所述第二方向彼此不垂直；
所述加热单元包括多个加热器，所述多个加热器设置在所述真空腔体远离所述反应空间的多个侧边，使所述反应空间沿所述第二方向形成多个不同温度的区域，远离所述气体分配单元的区域的温度高于邻近所述气体分配单元的区域的温度。
2.根据权利要求1所述的半导体反应装置，其中所述衬底延伸的所述第一方向与所述气流流动的所述第二方向间具有一个夹角，所述夹角大于0度、小于等于45度。
3.根据权利要求2所述的半导体反应装置，其中所述夹角大于等于15度、小于等于30度。
4.根据权利要求2或3所述的半导体反应装置，其中，通过所述载台单元改变所述夹角。
5.根据权利要求1所述的半导体反应装置，其中，通过所述载台单元的转动带动所述衬底旋转。
6.根据权利要求1所述的半导体反应装置，进一步包括：
排气通道，与所述反应空间连通，其中，通过所述排气通道将所述反应空间的气体排出。
7.一种半导体反应装置的反应方法，包括：
通过载台单元承载衬底，其中所述载台单元设置在真空腔体内部的反应空间，所述载台单元为倾斜及转动设置且其表面沿第一方向延伸，所述衬底沿所述第一方向延伸而设置在所述载台单元的表面上，所述真空腔体使用辐射可穿透材料；
通过加热单元加热所述真空腔体，其中所述加热单元设置在所述真空腔体的外围；
通过反射件将射往所述真空腔体外侧的热能反射回所述真空腔体；以及
使反应物经由进气通道并通过气体分配单元后，形成沿第二方向进入所述反应空间的气流，其中所述第一方向与所述第二方向彼此不垂直，所述气体分配单元设置在所述真空腔体内，且所述进气通道通过所述气体分配单元与所述真空腔体的所述反应空间连通；
通过所述加热单元的多个加热器使所述反应空间沿所述第二方向形成多个不同温度的区域，其中所述多个加热器设置在所述真空腔体远离所述反应空间的多个侧边；
通过所述多个加热器使所述反应空间远离所述气体分配单元的区域的温度高于邻近所述气体分配单元的区域的温度。
8.根据权利要求7所述的反应方法，其中所述衬底延伸的所述第一方向与所述气流流动的所述第二方向间具有一个夹角，所述夹角大于0度、小于等于45度。
9.根据权利要求8所述的反应方法，其中所述夹角大于等于15度、小于等于30度。
10.根据权利要求8或9所述的反应方法，进一步包括：
通过所述载台单元改变所述夹角。
11.根据权利要求7所述的反应方法，进一步包括：
使所述载台单元转动以带动所述衬底旋转。
12.根据权利要求7所述的反应方法，进一步包括：
通过排气通道将所述反应空间的气体排出，其中所述排气通道与所述反应空间连通。
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| TW201740489A (zh) * | 2016-04-22 | 2017-11-16 | 應用材料股份有限公司 | 在化學氣相沉積製程期間的動態晶圓校平、傾斜、旋轉 |
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