TW202128273A - 氣體注入系統、及將材料沉積於反應室內之基板表面上的方法 - Google Patents

氣體注入系統、及將材料沉積於反應室內之基板表面上的方法 Download PDF

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亞歷山卓 迪摩斯
彼德 威斯壯
卡列布 密斯金
阿米爾 凱巴夫法拉
阿里 莫巴萊吉
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荷蘭商Asm Ip私人控股有限公司
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Abstract

本發明揭示一種氣體注入系統,一種包括氣體注入系統之反應器系統,以及使用氣體注入系統及反應器系統之方法。氣體注入系統可用於氣相反應器系統中,以獨立地監測及控制耦接至反應室之氣體注入系統之複數個通道中的氣體流動速率。

Description

氣體注入系統及包含此系統的反應器系統
本揭示大致上係關於氣相反應器及系統。更特定而言,本揭示係關於用來將氣體引入至反應室的氣體注入系統,關於包括氣體注入系統之反應器及反應器系統,及關於其等之使用方法。
可將諸如化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)、電漿增強化學氣相沉積(plasma-enhanced CVD,PECVD)、及原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)反應器之氣相反應器用於各種應用,包括於基板表面上沉積及蝕刻材料及/或清潔基板表面。例如,氣相反應器可用以沉積及/或蝕刻基板上的層,以形成半導體裝置、平板顯示裝置、光伏打裝置(photovoltaic devices)、微機電系統(microelectromechanical systems,MEMS)、及類似者。
典型的氣相反應器系統包括一反應器,反應器包括一反應室、流體耦接至反應室之一或多個前驅物及/或反應物氣體源、流體耦接至反應室之一或多個載體及/或吹掃氣體源、將氣體(例如,前驅物/反應物氣體及/或載體/吹掃氣體)遞送至反應室之一氣體注入系統、及流體耦接至反應室之一排氣源。
一般而言,希望跨越基板之表面具有均勻膜性質(例如,膜厚度及膜組成)及/或對於膜性質的任何期望變化進行控制。隨著形成於基板表面上之特徵尺寸的減小,控制諸如膜厚度、組成、及電阻率之膜性質變得愈來愈重要。此外,可能希望獨立地調整膜性質;例如,獨立地調整使用氣相反應器沉積之層(諸如使用此等反應器生長之磊晶層)中之膜厚度均勻度及/或組成。因此,需要容許期望地控制及操控導致期望膜性質之參數之氣體注入系統、包括氣體注入系統之反應器系統、及使用氣體注入及反應器系統之方法。
本節提出之任何討論,包括問題及解決方案之討論,僅為了提供本揭示背景之目的而包括在本揭示中,且不應視為承認討論之任何或全部內容在完成本發明時已知或以其他方式構成先前技術。
提供本發明內容來以簡化形式介紹一系列概念。這些概念在下文之本揭示的實例實施例之實施方式中係進一步地詳述。本發明內容並非意欲必然地鑑別所主張標的之關鍵特徵或基本特徵,亦非意欲用以限制所主張標的的範疇。
本揭示內容之各種實施例係關於氣體注入系統,包括氣體注入系統之反應器系統,及使用氣體注入系統及反應器系統之方法。儘管本揭示之各種實施例解決先前氣體注入系統及反應器系統之缺點的方式更詳細地論述於下文,但一般而言,本揭示之各種實施例提供可提供跨越基板表面之膜厚度及/或膜組成之改良控制的氣體注入系統。如更詳細陳述於下文,本揭示之實例可尤其有用於在基板表面上形成摻雜的磊晶層。例示性的系統及方法可容許微調至反應室及/或基板表面之前驅物及摻雜劑流動速率,以容許形成具有期望厚度及/或組成均勻度及/或變化的膜。舉例來說,在一些情況中,可能希望形成具有期望組成變化的膜,而非形成具有跨越基板表面之均勻組成的膜。
根據揭示內容之例示性實施例,一種氣體注入系統包括第一氣體歧管,其包括第一氣體入口及複數個第一氣體出口;第二氣體歧管,其包括第二氣體入口及複數個第二氣體出口;複數個第一氣體閥,其中第一氣體出口中之各者耦接至第一氣體閥之至少一者;及複數個第二氣體閥,其中第二氣體出口中之各者耦接至第二氣體閥之至少一者。第一氣體人口可接收包含第一前驅物及摻雜劑之第一氣體。第二氣體入口可接收包含第一前驅物或第二前驅物及蝕刻劑之第二氣體。根據本揭示之一些實例,第二氣體包括第一前驅物。第一前驅物之化學式及第二前驅物之化學式可包含相同元素中的一或多者或全部。氣體注入系統可更包括耦接至第一前驅物源及第一氣體人口的第一流量控制器及耦接至第一前驅物源及第二氣體入口的第二流量控制器。
根據揭示內容之額外實施例,一種氣體注入系統包括第一氣體歧管,其包括第一氣體入口及複數個第一氣體出口;第二氣體歧管,其包括第二氣體入口及複數個第二氣體出口;複數個第一氣體閥,其中第一氣體出口中之各者耦接至第一氣體閥之至少一者;及複數個第二氣體閥,其中第二氣體出口中之各者耦接至第二氣體閥之至少一者,其中第一氣體入口接收包含蝕刻劑及摻雜劑的第一氣體。第二氣體入口可接收包含前驅物之第二氣體。第一及/或第二氣體可包括載體氣體。氣體注入系統可包括流量控制器以控制載體氣體至第一及/或第二氣體人口之流動速率。
根據揭示內容之額外例示性實施例,氣相反應器系統包括一或多個如本文中所描述之氣體注入系統。例示性的系統亦可包括耦接至反應室的排氣(例如,真空)源,流體耦接至一或多個第一氣體通道的第一氣體源,及流體耦接至一或多個第二氣體通道的第二氣體源。例示性的系統亦可包括額外的氣體及/或排氣源。
根據本揭示之又額外的例示性實施例,提供一種方法。例示性的方法包括使用如文中所述之氣體注入系統及/或反應器系統將材料沉積於基板表面上。例示性的方法可包括自動調整耦接至一或多個第一氣體出口之一或多個閥、及/或自動調整耦接至一或多個第二氣體出口之一或多個閥。例示性方法亦可包括以下步驟:提供來自第一氣體源之第一氣體、及來自第二氣體源之第二氣體中之一或多者的不對稱設置,以例如,調整(例如,獨立地)膜性質,諸如跨越基板表面(包括基板之邊緣區域)之膜厚度、膜厚度均勻度、及膜組成等等。根據一些實例,方法包括使基座在約每分鐘60轉(rotations per minute)至約每分鐘30轉、或約每分鐘30轉至約每分鐘15轉、或約每分鐘15轉至約每分鐘5轉的旋轉速度下旋轉的步驟。
熟悉此技術人士將從已參照隨附圖式之某些實施例的下列詳細描述輕易明白這些及其他實施例;本發明並未受限於任何已揭示的特定實施例。
下文所提供之例示性實施例的描述僅係例示性且僅係意欲用於說明之目的;下列描述並非意欲限制本揭示或申請專利範圍之範疇。此外,詳述具有所述特徵之多個實施例不意欲排除具有額外特徵之其他實施例、或納入所述特徵之不同組合的其他實施例。
本揭示內容大致係關於氣體注入系統,包括氣體注入系統之反應器及反應器系統,以及使用氣體注入系統及反應器系統之方法。可使用如文中所述之氣體注入系統、反應器、及包括氣體注入系統之反應器系統來加工基板,諸如半導體晶圓。舉實例而言,本文所述之系統可用以在基板表面上形成或生長磊晶層(例如,雙成分(two-component)及/或摻雜半導體層)。可進一步使用例示性的系統來提供對基板表面的蝕刻化學。舉例來說,例示性的系統可於沉積(例如,生長)製程期間提供兩種或更多種氣體之混合物(例如,文中總稱為混合物或簡稱為氣體或第一氣體或第二氣體)。舉例來說,第一氣體可包括第一前驅物及/或摻雜劑、及第二氣體可包括第一前驅物及/或第二前驅物及/或蝕刻劑、或第一氣體可包括蝕刻劑及/或摻雜劑、及第二氣體可包括前驅物。蝕刻劑可用來促進期望的膜沉積、及/或相對於上覆(overlying)基板之第二材料/表面之膜沉積促進上覆基板表面上之第一材料/表面之膜的選擇性沉積。文中描述的例示性氣體注入系統、反應器系統、及方法,可尤其有用於形成具有相當高摻雜劑濃度(例如,大於約30%、約20%或約10%)的膜。
如更詳細說明於下文,使用如文中所述之例示性氣體注入系統係有利的,因其容許獨立計量及控制流動通過氣體注入系統之各種通道,及繼而至反應室之輸入位點(input sites)的氣體(例如,氣體混合物)。氣體流動之獨立控制可繼而容許獨立調整使用包括氣體注入系統之反應器系統所形成之膜的膜性質。舉例來說,可使用例示性氣體注入系統來獨立地調整,例如,基板上之磊晶形成層的摻雜劑濃度分佈及膜厚度(或厚度均勻度)。另外或替代地,可使用例示性氣體注入系統來補償原本可能由於原本可能在反應器系統之反應室內發生之基板表面上之特徵、或其組合而發生的氣體流量變化、耗損率變化(depletion rate variations)、自摻雜(auto doping,)、摻雜劑分佈變化(variations in dopant profiles)。例如,可使用在不同輸入位點的獨立氣體流量控制來補償、或減輕不期望的邊緣效應(例如,減輕邊緣垂捲(edge roll-down),即減小朝向基板邊緣的層厚度增加速率)、及/或旋轉基板的不期望效應,否則其可能會導致不期望的不均勻度、或一或多個膜性質的其他特性。例示性的氣體注入系統可放大至任何期望的通道數目,且可配合氣體混合物使用,同時維持流動速率的期望精確度及控制(例如,獨立於氣體混合物的組成)。另外,若需要,本揭示內容之例示性氣體注入系統可用於相當高的氣體流動速率(例如,通過各通道的大於每分鐘5標準公升的氮氣)及/或可於相當高(例如,接近大氣)壓力下操作。文中所述之系統及方法的此等及其他特徵可尤其有用於在基板上沉積高品質的磊晶層。
如本文所使用,術語前驅物及/或反應物可指一或多種氣體/蒸氣,其參與一化學反應或從其衍生出參與一反應之氣相物質。化學反應可在氣相中及/或氣相與基板表面及/或基板表面上的物種之間發生。
如本文所使用,基板可指具有材料可沉積於其上之表面的任何材料。基板可包括諸如矽(例如,單晶矽)的塊材(bulk material)或可包括上覆於塊材的一或多個層。進一步地,基板可包括各種形貌(topologies),諸如形成在基板之一層的至少一部分之內或之上的溝槽、通孔、線、及類似者。
如本文所使用,術語磊晶層(epitaxial layer)可指在下伏(underlying)實質單晶基板或層上之實質單晶層。
如本文中所使用,術語化學氣相沉積可指任何製程,其中基板係暴露至一或多個氣相前驅物,其等在基板表面上起反應及/或分解,以產生所欲沉積。
如本文所使用,術語膜及/或層可指任何連續或不連續的結構及材料,諸如藉由本文所揭示之方法沉積之材料。例如,膜及/或層可包括二維材料、三維材料、奈米粒子、或甚至部分或完整分子層、或部分或完整原子層、或原子及/或分子團簇(clusters)。膜或層可包含具有針孔(pinholes)的材料或層,其可係至少部分連續的。
如文中所使用,術語結構可指如文中所述之基板,及/或包括一或多個上覆基板之層,諸如一或多個根據如文中所述之方法形成之層的基板。
進一步地,在本揭示中,變數之任兩個數字可構成變數之可工作範圍,且所指示之任何範圍可包括或排除端點。此外,所指示的變數之任何數值(不管此數值是否以「約」來指示)可指精確值或近似值並包括等效值,且可指平均值、中間值、代表值、多數值、或類似者。進一步地,在本揭示中,於一些實施例中,用語「包括(including)」、「由…構成(constituted by)」、及「具有(having)」係獨立地指「一般或廣泛地包含(typically or broadly comprising)」、「包含(comprising)」、「基本上由…組成(consisting essentially of)」、或「由…組成(consisting of)」。在本發明中,於一些實施例中,任何已定義之意義未必排除尋常及慣例意義。
現在轉到圖式,第1圖繪示例示性反應器系統100。反應器系統100可用於各種應用,諸如,比方說,化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積、清潔製程、蝕刻製程等等。雖然例示性實施例在下文係連同磊晶反應器系統描述,但除非另外陳述,否則實施例及本發明並未因此受限。
在所繪示之實例中,反應器系統100包括可選之基板處置系統102、反應室104、氣體注入系統106、及設置於反應室104與基板處置系統102之間之可選的壁108。系統100亦可包括第一氣體源112、第二氣體源114、排氣源110、及基座或基板支撐件116。雖然被繪示為具有兩個氣體源112、114,但反應器系統100可包括任何適宜數目的氣體源。此外,反應器系統100可包括任何適當數目的反應室104,其可各自耦接至氣體注入系統106。在反應器系統100包括多個反應室的情況中,各氣體注入系統可耦接至相同氣體源112、114或不同氣體源。
氣體源112、114可包括用來傳遞至反應室104之化合物或化合物之組合。舉例來說,氣體源112、114可包括一或多種前驅物、一或多種摻雜劑源、一或多種蝕刻劑之各種組合、及氣體混合物,包括一或多種前驅物、摻雜劑源、及/或蝕刻劑與一或多種載體氣體之混合物。
舉例來說,第一氣體源112可包括蝕刻劑及摻雜劑源。第二氣體源114可包括前驅物。或者,第一氣體源112可包括蝕刻劑及摻雜劑源;第二氣體源114可包括前驅物。作為另一實例,第一氣體源112可包括第一前驅物、第二前驅物、及/或蝕刻劑,及第二氣體源114可包括第一前驅物及/或蝕刻劑。包含於第一氣體源112及第二氣體源114中之蝕刻劑可係相同化合物。在各種實施例中,第一氣體源112及第二氣體源114可具有至少一種共同成分(例如,前驅物、蝕刻劑等)。
例示性的蝕刻劑可包括鹵化物,諸如含氯氣體。例示性的含氯氣體包括選自由氯化氫、氯氣、及其類似物組成之群的一或多種氣體。
例示性的前驅物包括含矽前驅物,諸如三氯矽烷(trichlorosilane)、二氯矽烷(dichlorosilane)、矽烷(silane)、二矽烷(disilane)、三矽烷(trisilane)、四氯化矽(silicon tetrachloride)、及其類似物,及/或含鍺前驅物,諸如鍺烷(GeH4 )、二鍺烷(Ge2 H6 )、三鍺烷(Ge3 H8 )、及其類似物。
例示性的摻雜劑源包括包含砷(As)、磷(P)、碳(C)、鍺(Ge)、及硼(B)中之一或多者的氣體。舉例來說,摻雜劑源可包括鍺烷(germane)、二硼烷(diborane)、膦(phosphine)、胂(arsine)、三氯化磷(phosphorus trichloride)。文中描述之氣體注入系統、反應器系統、及方法可尤其有用於形成p型摻雜膜,諸如包含矽、矽鍺、或其類似物的p型摻雜膜。
載體氣體可係或包括一或多種惰性氣體及/或氫氣。例示性的載體氣體包括選自由氫氣、氮氣、氬氣、氦氣或其類似物組成之群的一或多種氣體。
當第一氣體包括第一前驅物及摻雜劑源時,第一氣體可包括體積百分比約30至約5或體積百分比約15至約5之第一前驅物及/或體積百分比約15至約5或體積百分比約10至約5之摻雜劑源。第一氣體源亦可包括體積百分比約75至約95或體積百分比約85至約90之載體氣體。
當第一氣體包括蝕刻劑及摻雜劑源時,第一氣體可包括體積百分比約25至約5、體積百分比約20至約5、或體積百分比約15至約5之蝕刻劑及/或體積百分比約25至約5、體積百分比約20至約5、或體積百分比約15至約5之摻雜劑源。第一氣體源亦可包括體積百分比約60至約95、體積百分比約70至約90、或體積百分比約75至約8之載體氣體。
當第二氣體包括第一前驅物及/或第二前驅物及蝕刻劑時,第一氣體可包括體積百分比約0至約20或體積百分比約5至約15之第一及/或第二前驅物及/或體積百分比約0至約7或體積百分比約2至約5之蝕刻劑。第二氣體源亦可包括體積百分比約75至約95或體積百分比約85至約95之載體氣體。
當第二氣體包括前驅物時,第一氣體可包括體積百分比約5至約20或體積百分比約5至約15之前驅物。第二氣體源亦可包括體積百分比約75至約95或體積百分比約85至約95之載體氣體。
反應器系統100可包括任何適宜數目的反應室104及基板處置系統102。反應器系統100之反應室104可係或包括,例如,交叉流(cross flow)、冷壁磊晶反應室(cold wall epitaxial reaction chamber)。
基座或基板支撐件116可包括一或多個加熱器118,以將基板120(例如)加熱至約500攝氏度至約600攝氏度、約600攝氏度至約700攝氏度、或約700攝氏度至約800攝氏度之溫度。基座或基板支撐件116亦可配置以於加工期間旋轉。根據本揭示之實例,基座或基板支撐件116於約每分鐘60轉至約每分鐘30轉、約每分鐘30轉至約每分鐘15轉、或約每分鐘15轉至約每分鐘5轉的速度下旋轉。
在反應器系統100之操作期間,基板120(諸如半導體晶圓)係從例如基板處置系統102轉移至反應室104。一旦基板120轉移至反應室104,來自第一及第二氣體源112、114之一或多個氣體(諸如前驅物、摻雜劑、載體氣體、蝕刻劑、及/或吹掃氣體)即經由氣體注入系統106引入反應室104中。如更詳細陳述於下文,氣體注入系統106可用以在基板處理期間計量及控制一或多個氣體自第一氣體源112及第二氣體源114的氣體流量,並提供此類氣體的所欲流至反應室104內的多個位點。
第2圖示意性地繪示根據揭示內容之例示性實施例適合使用作為氣體注入系統106之氣體注入系統200。氣體注入系統200包括耦接至第一氣體源203(其可與氣體源112相同或相似)之第一氣體供應管線202,及耦接至第二氣體源205(其可與氣體源114相同或相似)之第二氣體供應管線204。當提到氣體注入系統200之氣體管線及流體組件時,術語耦接係指流體耦接,且除非另外陳述,否則管線或組件無需直接地流體耦接,而是氣體注入系統200可包括其他介入元件(intervening element),諸如連接器、閥、錶(meters)等等。
氣體注入系統200包括:第一氣體歧管206,其經由第一氣體入口215耦接至第一氣體供應管線202;及第二氣體歧管208,其經由第二氣體入口217耦接至第二氣體供應管線204。第一氣體歧管206包括複數個第一氣體出口210-218。類似地,第二氣體歧管208包括複數個第二氣體出口220-228。第一氣體歧管206及第二氣體歧管208係配置以自一或多個氣體管線(例如,第一及第二氣體管線202、204)接收氣體、及將氣體分佈至一或多個通道(其分別部分地由第一氣體出口208-218及第二氣體出口220-228所界定)中。在所繪示之實例中,來自第一氣體源203及第二氣體源205之第一及第二氣流各被分至五個氣體通道中。雖然被繪示為各具有五個第一氣體出口208-218及第二氣體出口220-228,但根據本揭示內容之氣體注入系統可包括對應於各別氣體之通道數目之任何適宜數目的第一、第二、及/或其他氣體出口。舉例來說,例示性的系統可針對各氣體包括,例如,約1個-10個通道或包括5個、6個、7個、9個或更多個通道。如繪示,第一氣體歧管206及/或第二氣體歧管208可包括迴路配置,以利於均勻的流動分佈通過氣體通道。另外或替代地,第一氣體歧管206及/或第二氣體歧管208可相對於氣體管線202、204具有相當大的直徑,例如,第一氣體歧管206及/或第二氣體歧管208之直徑可較管線202及/或管線204之直徑大2倍、3倍、4倍、或5倍。在所繪示之實例中,第一氣體通道及第二氣體通道係彼此交替相鄰。然而,情況並非必須如此。
如前所指,第一氣體源203及/或第二氣體源205可係兩種或更多種氣體之混合物。在此情況中,一或多種氣體(其繼而可包括或不包括氣體混合物)可自其他源(未繪示)經由流量控制器207-213供應至第一氣體源203及/或第二氣體源205。當位於流量控制器207-213上游之源氣體並非氣體混合物時,流量控制器207-209可適當地為質量流量控制器。舉實例來說,流量控制器207-213中之一或多者可控制載體氣體至第一氣體源203及/或第二氣體源205之流動速率。流量控制器207-213可耦接至氣體源302-308,更詳細地描述於下文。
氣體注入系統200額外包括耦接至第一及第二氣體出口210-228之複數個流量感測器230-248。在所繪示之實例中,各第一及第二氣體出口210-228耦接至單個流量感測器230-248。然而,在某些情況下,可能想要具有某些未耦接到一流量感測器的氣體出口、及/或具有某些耦接到一個以上流量感測器的氣體出口。
可使用流量感測器230-248來監測氣體混合物之流動速率及向使用者提供各通道之即時及/或歷史流動速率資訊,例如,使用圖形使用者介面。另外或替代地,流量感測器230-248可耦接至控制器(例如,控制器294)及耦接至氣體閥250-268,以提供通過氣體閥250-268之受控的氣體流量比。藉由在每個氣體通道中安置至少一流量感測器230-248,可測量及控制氣體通過每個通道的流量比(例如,相對流動速率),而與氣體組成無關。例示性的流量感測器230-248可係或包括各種流量感測器,例如,熱質量流量感測器(thermal mass flow sensors)、基於壓降的流量感測器等等。
氣體閥250-268可容許控制通過一或多個氣體出口210-228之氣體流量(例如,可個別地控制通過氣體出口210-228之各流動速率,或可控制氣體出口群組,諸如耦接至第一氣體歧管206及第一氣體源203、或耦接至第二氣體歧管208及第二氣體源205的所有氣體出口)。氣體閥250-268可包括用來計量氣體流量的任何適宜裝置。根據本揭示之各種實施例,氣體閥250-268各包括比例閥,諸如電磁閥(solenoid valves)、氣動閥、或壓電閥。可選擇具有相當高(例如,0.021-0.14)流量係數(flow coefficient)(Cv)的閥來降低下游的阻流(chocking downstream)。氣體閥250-268可理想地在閉環控制(closed-loop control)下操作,但亦可係能夠(例如,額外地)在開環控制(open-loop control)下操作。
流量感測器230-248及氣體閥250-268起初可形成,例如,質量流量控制器(例如,現成的質量流量控制器)的部分,其中閥的控制功能經控制器294置換。舉例來說,流量計230及氣體閥250可形成設定來以開環模式操作的質量流量控制器270或係其之部分,且其中控制器294提供閥250-268的閉環控制。流量感測器232-248及氣體閥252-268可類似地形成質量流量控制器272-288或係其之部分。此配置容許以標準反應器配置實施及/或使用可容易取得的質量流量控制器及流量感測器及閥。
氣體閥250-268可經由凸緣292耦接至反應室290。可使用額外的管線(例如,管件)及適當的連接器來將氣體閥250-268耦接至凸緣292。例示性凸緣292包括凸緣氣體通道以維持通道直至各別氣體離開進入反應室290中為止;一例示性的凸緣氣體通道310繪示於第3圖。凸緣氣體通道可包括擴張區域312、314及終止於凸緣之相對側且彼此相鄰的各別出口316、318。舉例來說,對應於第一氣流的第一氣體通道可終止於凸緣293的第一側296及對應於第二氣流的第二氣體通道可終止於凸緣292的第二側298。
氣體注入系統200可視情況包括水分樣本面板(moisture sample panel)。水分樣本面板可包括,例如,一或多個壓力感應器、氣動閥、及/或限制器(restrictors)。一例示性的水分樣本面板揭示於2018年6月4日提出申請之美國申請案序號15/997,445,標題為「氣體分佈系統及包括該系統之反應器系統 (GAS DISTRIBUTION SYSTEM AND REACTOR SYSTEM INCLUDING SAME)」中,以其內容不與本揭示相衝突之程度,將其相關內容以引用的方式併入本文。
反應室290可由(例如)石英形成。於基板加工期間反應室290內之例示性操作壓力可在(例如)約0.5毫托(mTorr)至約780托(Torr)之範圍內。舉例來說,壓力可在約2毫托至約780托之範圍內。根據本揭示之例示性實施例,系統200可於各通道內於此壓力範圍內提供期望、穩定、獨立的流量控制。
控制器294可配置以執行如本文所述之各種功能及/或步驟。控制器294可包括一或多個微處理器、記憶體元件、及/或開關以執行各種功能。雖然繪示為單一單元,但控制器294可替代地包含多個裝置。舉實例來說,控制器294可用來控制氣體自第一氣體源203及/或第二氣體源205於複數個氣體通道中之流動,其可(例如)於各別的第一或第二氣體出口之間跨越,視情況通過凸緣292,及視情況至反應室290。控制器294可配置以使用,例如,相同的硬體提供開環及/或閉環流量控制。特定而言,控制器294可配置以於耦接至各別源的各通道中提供各別氣體(例如,來自第一氣體源203或第二氣體源205)之總流量的期望比率。根據揭示內容之各種實例,控制器294包括比例積分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器,其容許獨立、閉環控制文中描述之各種可控制閥,包括氣體閥250-268。利用比例積分微分閉環控制,系統200可將一或多個(例如,所有)氣體通道中之流量動態調整至設定點及/或當於氣體源之間切換及/或當操作壓力相當高(例如,接近大氣壓)時提供氣體至反應室290之穩定(尤其起始的)流動速率。閉環控制允許自動及穩定控制在諸如記述於文中之相當多樣的壓力範圍內通過各通道的流動速率。閉環控制進一步允許無工具匹配的控制,此通常係傳統系統所需。舉例來說,使用比例積分微分控制,可選擇各控制閥的起始設定點。然後可結合控制器294之比例積分微分控制器使用來自耦接至可控制閥之各流量感測器之輸出的流量比反饋,來控制各控制閥的期望設定點(即流量比)。
文中描述之系統及方法改良使用此系統及/或方法沉積之膜內之摻雜劑的濃度分佈。根據本揭示之實例,自基板中心至邊緣之摻雜劑的濃度不均勻度變化小於10%,小於7.5%,及小於6%,即使摻雜劑具有相當高濃度亦然。
如前所指,根據本揭示之至少一實施例,第一氣體入口202可接收包含第一前驅物及摻雜劑源的第一氣體,及第二氣體入口204可接收包含第一前驅物或第二前驅物及蝕刻劑之第二氣體。在此情況,氣體源302可包括如文中所述之前驅物,氣體源304可包括如文中所述之摻雜劑源,氣體源306可係或包括氣體源302或另一(例如,第二)前驅物氣體源,及氣體源308可包括蝕刻劑。第4圖繪示共用氣體源302之一實例。流量控制器207及211耦接至共用氣體源302。當氣體源302及306係相同/共用的源時,第一氣體源203與第二氣體源205之間的氣體比率可自,例如,約0.8至約0.9、約0.9至約1.0、或約1.0至約1.3變化。
根據本揭示之其他實例,第一氣體入口215可接收包含蝕刻劑及摻雜劑源之第一氣體,及第二氣體入口217可接收包含前驅物之第二氣體。在此情況,氣體源302可包括如文中所述之蝕刻劑,氣體源304可包括如文中所述之摻雜劑源,氣體源306可包括如文中所述之前驅物源,及氣體源308可包括載體氣體。在此情況,載體氣體及前驅物氣體之流動速率可各自獨立地控制,以對所沉積的膜組成提供額外的控制。
在各種實施例中,文中之系統及方法可對朝向基板邊緣之膜減輕不期望的效應(例如,邊緣垂捲),以及改良膜中的期望鍺濃度。舉例來說,在基板加工期間包括第一氣體及第二氣體兩者共同的化合物(例如,於來自第一氣體源203之第一氣體與來自第二氣體源205之第二氣體之間具有共同的前驅物及/或蝕刻劑)可達成有利的結果。作為再一實例,第一氣體源203及第二氣體源205皆可包含氯化氫及/或鍺烷及將其傳遞至反應室290。
參照表1及第5A圖到第5C圖,描述本揭示的四個實例,其中將包含各種成分之氣體輸送通過反應器系統的第一氣體源及第二氣體源(例如,第2圖中顯示的第一氣體源203及第二氣體源205),將其彼此相比。在數據組512、522所描述的實例中,第一氣體及第二氣體不具有共同成分,而在另三個實驗中,第一氣體包含與第二氣體共同的成分。數據組512及522顯示於所有三個圖表500、550、及600中。各圖表中之頂部圖(頂部圖510、560、及610)顯示沉積於基板上之矽鍺層中之鍺含量成基板上位置之函數(x軸上之「0」位置指示基板之中點,及沿x軸在任一方向中移動指示自基板中心朝向基板邊緣移動)。各圖表中之底部圖(底部圖520、570、及620)顯示沉積於基板上之矽鍺層的厚度成基板上位置之函數(與頂部圖相同的x軸單位)。 1
數據組 氣體 氣體 流量 氣體源 通過氣體出口之流量比
512, 522 GeH4 , SiH4   第一 30 9 22 9 30
HCl   第二 15.5 23 23 23 15.5
514, 524 GeH4 , SiH4 , HCl 59% 第一 30 9 22 9 30
HCl 41% 第二 1 1 96 1 1
564, 574 GeH4 , SiH4 , HCl 59% 第一 30 9 22 9 30
HCl 41% 第二 1 1 96 1 1
614, 624 GeH4 , SiH4 , HCl 58.30% 第一 30 9 22 9 30
GeH4 41.70% 第二 48.5 1 1 1 48.5
如表1所示,數據組512及522顯示使包含鍺烷 (GeH4 ) 及矽烷(SiH4 ) 之第一氣體通過第一氣體源流動,及使包含氯化氫(HCl)之第二氣體通過第二氣體源流動至反應室的結果。表1之「氣體流量」欄指示由第一氣體及第二氣體之各者構成之總氣體流量(總氣體流量係第一氣體流量及第二氣體流量之總和)的百分比。舉例來說,就數據組514及524而言,第一氣體與第二氣體之間的總氣體流量包含59%第一氣體及41%第二氣體。此外,在此等實例中,第一及第二氣體源各具有五個氣體出口(例如,第2圖中顯示的氣體出口210-228)。因此,「通過氣體出口之流量比」欄及子欄指示流動通過各氣體出口之各氣體的百分比。例如,就數據組512、522之第一氣體而言,30%之第一氣體流動通過兩個最外部氣體出口(即最靠近基板邊緣之氣體出口)之各者,9%之第一氣體流動通過兩個內部氣體出口之各者,及22%之第一氣體流動通過中心氣體出口。類似地,就數據組512、522之第二氣體而言,15.5%之第二氣體流動通過兩個最外部氣體出口(即最靠近基板邊緣之氣體出口)之各者,23%之第二氣體流動通過兩個內部氣體出口之各者,及23%之第二氣體流動通過中心氣體出口。氣體通過如文中所論述之氣體源中之任何氣體出口之流動速率及/或流動量可獨立地或結合其他氣體出口(例如,經由各別氣體閥250-268,如第2圖所示)來調整。
如可由數據組512看出來,矽鍺層中之鍺含量自距基板中心約85毫米之相當恆定的鍺含量開始逐漸增加。矽鍺層中之更期望的鍺含量配置可係自基板中心跨出(spanning out)儘可能長地在基板上相當恆定,然後在接近基板邊緣處陡增(因此在接近基板邊緣陡增之前跨越基板之較大面積於矽鍺層中具有更一致的鍺含量)。如可由數據組522看出來(及由窗口528、578、及628所強調的),矽鍺層厚度朝基板之邊緣增加,然後當層厚度之增加速率減小時逐漸減小(即邊緣垂捲)。此矽鍺層之厚度型態可較朝基板邊緣持續增加且不減小的層厚度不理想。
分別於表1及第5A圖及第5B圖中顯示之圖表500及550、及數據組514、524及564、574描述使包含鍺烷、矽烷、及氯化氫之第一氣體通過第一氣體源流動,及使包含氯化氫之第二氣體通過第二氣體源流動至反應室的結果。因此,第一氣體及第二氣體皆包含氯化氫。通過各氣體出口之流量百分比及流量比示於表1之各別欄位中。產生數據組514、524之實例包含具有55%頂部/45%底部之頂部偏壓功率比的矽控整流器(silicon controlled rectifier,SCR),同時產生數據組564、574之實例包含具有42%頂部/58%底部之底部偏壓功率比的矽控整流器。如可通過數據組514及564看出來,所得矽鍺層中之鍺含量自距基板中心約110毫米之相當恆定的鍺含量開始逐漸增加。因此,於第一及第二氣體兩者中包括共同化合物(例如,蝕刻劑,諸如氯化氫)較數據組512所示者跨越基板之較大面積於矽鍺層中產生更一致的鍺含量。如可藉由數據組524及574看出來(及由窗口528及578強調),矽鍺層厚度朝基板之邊緣持續增加而不減小(即無邊緣垂捲)。因此,提供此等第一及第二氣體(兩者共用至少一種化合物(例如,氯化氫))較數據組522中所示者產生所得矽鍺層的更理想特性。
表1及第6圖中所示之圖表600及數據組614、624描述使包含鍺烷、矽烷、及氯化氫之第一氣體通過第一氣體源流動,及使包含鍺烷之第二氣體通過第二氣體源流動至反應室的結果。因此,第一氣體及第二氣體皆包含鍺烷。通過各氣體出口之流量百分比及流量比示於表1之各別欄位中。如可藉由數據組614看出來,所得矽鍺層中之鍺含量自距基板中心約120毫米之相當恆定的鍺含量開始逐漸增加。因此,於第一及第二氣體兩者中包括共同化合物(例如,前驅物,諸如鍺烷)較數據組512所示者跨越基板之較大面積於矽鍺層中產生更一致的鍺含量。如可藉由數據組624看出來(及由窗口628所強調的),矽鍺層厚度朝基板之邊緣持續增加而不減小(即無邊緣垂捲)。因此,提供此等第一及第二氣體(兩者共用至少一種化合物(例如,鍺烷))較數據組522中所示者產生所得矽鍺層的更理想特性。
雖然本文提出本揭示之例示性實施例,應理解本揭示並未因此受限。舉例而言,儘管結合各種特定配置來描述氣體注入及反應器系統,但揭示內容未必受限於此等實例。在不偏離本揭示之精神及範疇的情況下,可對本文提出的系統及方法作出各種修改、變化、及增強。
本揭示之主題包括本文中所揭示之各種系統、組件、及配置、以及其他特徵、功能、動作、及/或性質的所有新穎及非顯而易見的組合及子組合以及其等之任何及所有均等物。
100:反應器系統 102:基板處置系統 104:反應室 106:氣體注入系統 108:壁 110:排氣源 112:第一氣體源 114:第二氣體源 116:基座或基板支撐件 118:加熱器 120:基板 200:氣體注入系統 202:第一氣體供應管線 203:第一氣體源 204:第二氣體供應管線 205:第二氣體源 206:第一氣體歧管 207:流量控制器 208:第二氣體歧管 209:流量控制器 210:第一氣體出口 211:流量控制器 212:第一氣體出口 213:流量控制器 214:第一氣體出口 215:第一氣體入口 216:第一氣體出口 217:第二氣體入口 218:第一氣體出口 220:第二氣體出口 222:第二氣體出口 224:第二氣體出口 226:第二氣體出口 228:第二氣體出口 230:流量感測器,流量計 232:流量感測器 234:流量感測器 236:流量感測器 238:流量感測器 240:流量感測器 242:流量感測器 244:流量感測器 246:流量感測器 248:流量感測器 250:氣體閥 252:氣體閥 254:氣體閥 256:氣體閥 258:氣體閥 260:氣體閥 262:氣體閥 264:氣體閥 266:氣體閥 268:氣體閥 270:質量流量控制器 272:質量流量控制器 274:質量流量控制器 276:質量流量控制器 278:質量流量控制器 280:質量流量控制器 282:質量流量控制器 284:質量流量控制器 286:質量流量控制器 288:質量流量控制器 290:反應室 292:凸緣 294:控制器 296:第一側 298:第二側 302:氣體源 304:氣體源 306:氣體源 308:氣體源 310:凸緣氣體通道 312:擴張區域 314:擴張區域 316:出口 318:出口 500:圖表 510:頂部圖 512:數據組 514:數據組 520:底部圖 522:數據組 524:數據組 528:窗口 550:圖表 560:頂部圖 564:數據組 570:底部圖 574:數據組 578:窗口 600:圖表 610:頂部圖 614:數據組 620:底部圖 624:數據組 628:窗口
當結合下列說明圖式考慮時,可藉由參照實施方式及申請專利範圍而得到對本揭示之例示性實施例的更完整了解。 第1圖繪示根據本揭示內容之至少一例示性實施例之反應器系統。 第2圖示意性地繪示根據揭示內容之至少一例示性實施例之氣體注入系統。 第3圖繪示根據本揭示內容之至少一例示性實施例之凸緣的橫剖面圖。 第4圖示意性地繪示根據本揭示之至少一例示性實施例的反應器系統之一部分。 第5A圖及第5B圖繪示描繪根據本揭示之至少一例示性實施例沉積於基板上之矽鍺層之特性的圖表。 第6圖繪示描繪根據本揭示之至少一例示性實施例沉積於基板上之另一矽鍺層之特性的圖表。
應理解,圖式中之元件係為了簡單及清楚起見而繪示,且未必按比例繪製。例如,可相對於其他元件誇大圖式中之一些元件的尺寸,以幫助提升對本揭示之已說明實施例的了解。
100:反應器系統
102:基板處置系統
104:反應室
106:氣體注入系統
108:壁
110:排氣源
112:第一氣體源
114:第二氣體源
116:基座或基板支撐件
118:加熱器
120:基板

Claims (21)

  1. 一種氣體注入系統,包括: 一第一氣體歧管,包括一第一氣體入口以及複數個第一氣體出口; 一第二氣體歧管,包括一第二氣體入口以及複數個第二氣體出口; 複數個第一氣體閥,其中該等第一氣體出口中之每一者耦接至該等第一氣體閥之至少一者;以及 複數個第二氣體閥,其中該等第二氣體出口中之每一者耦接至該等第二氣體閥之至少一者, 其中該第一氣體入口接收包括一第一前驅物及一摻雜劑源的一第一氣體,以及 其中該第二氣體入口接收包括該第一前驅物或一第二前驅物及一蝕刻劑之一第二氣體。
  2. 如請求項1之氣體注入系統,其中該第二氣體包括該第一前驅物。
  3. 如請求項2之氣體注入系統,更包括耦接至一第一前驅物源及該第一氣體人口的一第一流量控制器以及耦接至該第一前驅物源及該第二氣體入口的一第二流量控制器。
  4. 如請求項1之氣體注入系統,其中該第一前驅物之一化學式及該第二前驅物之一化學式包括一或多種相同元素。
  5. 如請求項1之氣體注入系統,其中該第一前驅物係選自由三氯矽烷、二氯矽烷、矽烷、二矽烷、三矽烷、及四氯化矽所組成之群。
  6. 如請求項1之氣體注入系統,其中該摻雜劑係選自由鍺烷、二硼烷、膦、胂、及三氯化磷所組成之群。
  7. 如請求項1之氣體注入系統,其中該蝕刻劑包括氯化氫。
  8. 一種氣體注入系統,包括: 一第一氣體歧管,包括一第一氣體入口以及複數個第一氣體出口; 一第二氣體歧管,包括一第二氣體入口以及複數個第二氣體出口; 複數個第一氣體閥,其中該等第一氣體出口中之每一者耦接至該等第一氣體閥之至少一者;以及 複數個第二氣體閥,其中該等第二氣體出口中之每一者耦接至該等第二氣體閥之至少一者, 其中該第一氣體入口接收包括一蝕刻劑及一摻雜劑源的一第一氣體,及 其中該第二氣體入口接收包括一前驅物之一第二氣體。
  9. 如請求項8之氣體注入系統,其中該第二氣體更包括一載體氣體。
  10. 如請求項8之氣體注入系統,其中該第一氣體更包括一載體氣體。
  11. 如請求項9之氣體注入系統,更包括用來控制該載體氣體之一流動速率的一流量控制器。
  12. 如請求項9之氣體注入系統,其中該載體氣體係選自由氮氣、氫氣、及氦氣所組成之群。
  13. 如請求項8之氣體注入系統,其中該前驅物係選自由三氯矽烷、二氯矽烷、矽烷、二矽烷、三矽烷、四氯化矽所組成之群。
  14. 如請求項8之氣體注入系統,其中該摻雜劑係選自由鍺烷、二硼烷、膦、胂、三氯化磷所組成之群。
  15. 一種反應器系統,包括如請求項1之氣體注入系統。
  16. 如請求項15之反應器系統,更包括一基座,其中該基座在約每分鐘60轉至約每分鐘30轉、約每分鐘30轉至約每分鐘15轉、或約每分鐘15轉至約每分鐘5轉的一旋轉速度下旋轉。
  17. 一種將材料沉積於一反應室內之一基板表面上的方法,其使用如請求項1之氣體注入系統。
  18. 如請求項17之方法,更包括使一基座在約每分鐘60轉至約每分鐘30轉、約每分鐘30轉至約每分鐘15轉、或約每分鐘15轉至約每分鐘5轉的一旋轉速度下旋轉的一步驟。
  19. 如請求項17之方法,其中一基座之一溫度係500攝氏度至約600攝氏度、約600攝氏度至約700攝氏度、或約700攝氏度至約800攝氏度。
  20. 如請求項17之方法,其中該反應室中之一壓力係介於約2毫托至約780托之間。
  21. 如請求項17之方法,其中該第一氣體及該第二氣體包括一共同成分。
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