TWI248473B - Chemical vapor deposition unit - Google Patents

Description

1248473 八 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發 明特徵的化學式 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種化學蒸汽沈積單元， ^ 、 且/、特徵係關於用以 在基貝之整舰域上形成均勻_的化學蒸汽沈積單元， 由使不同峨舰在基質表面上平穩汽化私—料。、9 【先前技術】 θ 相關技術之敘述 -般’半導體係經由包含在基質（作為原材料）上架構電路、 得稷進仃擴散處理、攝影處理、爛處理及_處理之製程而製 ，_處理為—_膜蒸汽沈積於 離子沈積、金屬沈積等。 射料’有化學沈積、 1248473 盂屬有機化學$汽沈積（化學蒸汽沈積方法其中—種）為藉 =使用熱解及再反應而於加熱基#上形成細之方法。於金屬有 機化學蒸汽沈射，健糾丨族元素氣體與氨組射人反應器中 並進行熱解及化學反應，以使於基f上長成氮化物_。金屬有 機化學蒸汽沈積S為其能夠容易產生薄膜層，而且維護費低、價 格低廉、以及其專-且精確的可控雛*被廣泛使用。 如圖1所不’智知化學蒸汽沈積單元包括絕緣的反應室⑺（保 持在真空下）、安裝於反應室中之接受容(其中放置基質P)'、、 及用以注射㈣氣體而在置於接受容上之基質p上形成薄膜 的氣體注射器30。 ' 氣體庄射③30包括用於;^射第—氣體Μ之第—氣體注射管、 用於注射第二氣體G2之第二氣體注射管、及形成個別、獨立之通 道的通道，例如由橫式隔板33、_35 (自該圖式上方起算）形 成之第氣體通道36、第一氣體通道37與冷卻劑通道％。 為使第一與第二氣體G1鏡沿著_之通道36及37注射，該 管型第-與第二氣體注射管31與_長度並不相同。隔板犯係安 置於第-與第二諸注射#31魏之_使能區隔進人上方第一 氣體通道36及下方第二氣體通道37之通道。 注射表面35a及接受容器20之表面（作為第一與第二氣體注射 g 31人32之’i射面）平坦’且其係經定位成制具有均等的空隙。 冷卻劑通安置於第二_通道37之下面，且個別之氣體注射 1248473 管31與32穿透入冷卻劑通道38甲。 根據習知化學蒸汽沈積單元，第一與第二氣體G1與G2流經個 別之通道36及37 (由隔板33區隔開），並透過第一與第二氣體注 射管31與32注射於欲以接受容器2〇旋轉之基質P上。同時，將基質 P加熱’與第一及第二氣體G1及G2進行熱解及再反應，以使能在基 質P上形成薄膜。另一方面，流經冷卻劑通道38之冷卻劑則調節注 射器30之溫度。 如上所述，因為化學蒸汽沈積係以第一及第二氣體以及⑵在 經加熱之接受容器20上進行熱解並於基質p上互相再反應的方式 於基質P上長成薄膜，故氣體之流速、密度及溫度皆密切相關。 而且，在薄膜成長階段，氣體呈現多層狀氣流，薄膜成長速 度會隨著反應性氣體之流速增加，以及反應性氣體之密度（混合 比值）越大而增加。 因為必須調控上述因素，故習知化學蒸汽沈積單元具有下列 缺點。 由於氣體注射表面35a與接受容器2〇之表面間具有空隙，且因 =係於注射表面35a處鋪每單位面積含職量之氣親及⑵，故 第一氣體G1通過基質p接近接受容器2〇中央區域21之密度增加，而 使基質P上相當於中央區額處之厚度亦增加，因此薄膜的厚度並 不均勻。 若欲使接受容器20旋轉以達均句厚度，則於接受容中央 1248473 區域之相對速度較接受容獅外域處之相對逮度慢。相對速 度間之差㈣藉由接受容·之每分鐘回槪而加糊整。調整 基質p上之_成長率（接近中央區域21處）使其近似於基質？上 面對接受容器20外側區域之成長率，如此可獲得均勻厚度。然而， 從氣體注射表面35a中央區域注入之第一及第二氣體，會在 無基質P存在之巾姐域21處進行反應，而促制產物產生。副產 物會與氣流-起通過接受容·上之基fp。副產物干擾在基質p 上進仃之沈積作用’而結果損害到細之均勻厚度及品質，如此 可能製造出具有劣質的半導體裝置。反之，本發明可藉由使用僅 在中央區域21蹄第二氣體之噴管（參見圖2及3) *消除中央區 域21處的副產物。 而且，因為接受容器2〇必須在其加熱期間旋轉，故難以直接 對接叉容器20之中央區域21直接加熱。雖然係藉由使用接受容器 材料之導熱性使接受容㈣加熱，中央區域21之溫度仍較其外側 區域低。換言之，在通過接受容器2〇中央區域21之基質p上難以完 成薄獏蒸汽沈積。結果造成反應氣體的浪費。 於是，可藉由調整所注射氣體之密度及接受容器2〇每分鐘之 回轉數，而使在其下能令習知用於化學蒸汽沈積獲得均勻薄膜之 條件最適化。然而’由於在中央區域處會產生副產物，故對於可 最適化薄膜均勻性及薄膜品質仍有限制。再者，為達增加高品質 薄膜產量之目的，當於單—製程中在數十個基計上長成薄膜時， 1248473 可能獲得均㈣膜。然❿，因為副產物會隨著氣體量增加而增加， 故幾乎不可能使半導體達到高產量及高品質。 反之，根據本發明之氣體注射器係將一種氣體從其中央部份 '左入以使能去除接受容器2〇中央區域處的副產物。因此，可獲得 高品質薄膜。 而且，因為注射表面34與接受容器2〇之表面平坦，故被注射 向接受容右巾·域之氣體呈現停滯流。因此，在基質上之 1氣體受到干擾不呈❹層流，而使得已反縣體不料積在 基質p上。相反地’本發明之氣體注射器（參見圖4)及接受容器 ^見圖5)使接受容腳中央區域處之停滯流減至最少，而贱 流此增加遍及接受容器20的整個區域。 圖7a及7b娜說_由習知化料汽沈鮮元進行暮汽沈 積得之賴的厚纽波訊麟。_式巾，_平均厚度為。 3. 057 μιτι，取小厚度為2. 991 μηΊ ’而最大厚度為3她_，因 此期間有頗大的差異。同時，厚度之標準偏差質敏u%，此對於 製造商業_而言實在太差。t視察波錄據時，最小為 价7 nm ’最大波長細.〇咖，而波長之標準偏差值為3 67ι哪。 ===㈣自，嫩叫响膜厚度無法 【發明内容】 因此，本發明已根據上述問題，且其作為本發明之 而提供-卿舰偷，㈣供…她注射^ 1248473 種氣體之負濟、、太 物並增 籍由僅本-種化學蒸汽沈積料，其能约 同氣體門/反應性c體，而減低通過基質整個區域之不 _•度差異（混合比值）以改善_厚度均勾性。 藉由去另—項標的係提供—種化學蒸汽沈積單元，其能夠 、、主射哭^^進行反應處⑷卩，從化學蒸汽沈積單元之氣體 ^时中央槽至接受容器中央部位的區域）所產生之停滞氣 "，而在遍及基質整健域產生Μ狀氣流。 ⑨根據本發明之一項標的，上述及其他目的可藉由明之另一項 ^的係提供-種其包括與外界絕緣並保持在真空下之反應室、可 走轉也安搞反應室中且其上放置至少—個基質之接受容器、及 靖器，包括獨立成形之第_與第二氣體通道與用以將個別第一 與第二氣體注射於接受容器上之第—與第二氣體注射管（於分別 的出處與個別氣體通道連通），該注射器獨立地注射不同氣體 之化學蒸汽沈積單元而達成H雜（對應於接受容器之中 央部份）僅裝置有第m射管，以使僅第二氣體（其為第一 與第二氣體中之非-反應性載體氣體）被注射至接受容器之中央區 域。 根據本發明之另一項標的，係提供一種化學蒸汽沈積單元， 其包括與外界絕緣並保持在真空下之反應室、可旋轉地安裝於反 1248473

室中之贼容器（其上放置至少—個基質）、及注射器，包括 成形之第與第一氣體通道及用以將個別第一與第二氣俨、、主 '接又Μ上之第—與第二氣體注射管（於分別的出σ處與個 哭礼體通遏連通），該注射器獨立地注射不同氣體，其中該注射 -進-步包括與第二氣體通it連通之氣體注射氣體注射部 栽體乳體（僅第二氣體，其為第—與第二氣體中的非—反應性載體 ^體）被注駐接受容器之中央區域。—種化學蒸汽沈積單元f -包括與外界絕緣並鱗在真空下之反應室、可旋轉地安普於反 應室中之接受容器（其上放置至少—個基f)、及注射^包括 蜀立成m第二氣體通道及用以將個別第— 射―上之第一與第二氣體注射管(於分別的出：個 ^氣體通道連通）’該注射器獨立地注射不同氣體，其中該注射 為進-步包括與第二氣體通道連通之氣體注射部，以使僅第二氣

體一(其為-種第-與第二氣體中之非—反應性載體氣體）被注射至 接受容器之中央區域。 土地可進纟在第二氣體通道與氣體注射部之間形成具 有截面積大於其他區域之第二氣體區域。 【實施方式】 本發明特徵在於，供形成薄膜於基f上之不同氣體，可形成 具有均勻薄度之細’而不論該歸放置於接受容紅的位置， 並且可改善產物之品f。必須被滿足以達成本發明之條件列示如 下。 12 1248473 (1)必須然副產物存在，該副產物係由第一氣體與第二氣體 之間在接受容器中央處的反應所產生，並且會干擾基質上之 务沈積。 當裝置之容量及/或體積增加時，接受容器之直徑及所使 用基質數1：亦同時增加。必财善成紐錄織質上之薄 膜的均勻性。而且，放置於接受器中央區域上之基質品質必 、不^與放置於接文為外部區域上之基質品質不同。此意 ^，必須從接受H中央區域除去副產物，_處由於接受容 器之結構_無法於低溫長膜，必需從氣·射器中央 ^戍以外之區域捕反紐氣體H若域體流過接受 谷為之中央區域則會有所謂的”空隙體積，，（其中殘留氣體） 若/主射入先如製程中之氣體擴散到其中必須使用各種 反應性氣體（例如摻雜劑氣體）之製程中（即使僅達幾秒鐘）， 則雜散會影響後續的製程。若姐射至放置於接受容器外 側區域上之以上的氣體相同之具反舰氣體，係以習知方 j注射於放置在接受容器中央區域上之受質上，則於中央 又貝上所長成之薄膜的產量與品質，會由於厚度差異及副產 物形成而受損害。 。此二題可藉由去除其中殘留有氣體之空隙體積而獲解 決換D之’僅令載體氣體（不直接於受質上進行反應者） 流過放置於接找上技f。 〜 J248473 (2)減少由於接受容器旋轉所產生之停滯流，以使氣流快速 流通且使層狀流通暢。 若不同氣體同時從接受容器中央區域射出並流出接受容 器外，則不同氣體會在滯留區域内與該反應所產生之副產物 碰撞。因此，可能造成平滑的層狀氣流而使位於基質内部區 域之薄膜厚度與位於基質外部區域之薄膜厚度產生極大差 異。此為一項重要因素，因為薄膜厚度之均一性會決定半導 體裝置的品質及生產性。 根據本發明具體實施態樣之化學蒸汽沈積單元滿足上述條 件，其能夠在放置於接受容器整個區域上之受質上均勻地形成薄 膜’而不娜X貝疋放置於接f容II之巾央區域或是接受容器之周 圍區域，以下將作詳盡描述。 具體實施態樣1 如圖2所示，根據本發明第一具體實施態樣之化學蒸汽沈 積單凡包括反應室1〇〇 (與外界絕緣並保持於真空下）、接受 谷态200 (其安裝於反應室中，而該處放置至少，個基質）、 以及供注射不同氣體以在放置於接受容器200上之基質p上形 成薄膜的氣體注射器30〇。 。亥氣體注射器3〇〇包括獨立地由隔板31〇、32〇與33〇 (依 序裝置於自_式之上方至下方）形成之第―氣體通道34〇: 第二氣體通道350與冷卻劑通道、供注射第一氣體Gi之氣 14 1248473 體注射官370、及供注射第二氣體G2之氣體注射管38〇。 為使第一與第二氣體及G2能沿著分別的通道340與350 注射，遂使管型之第一與第二氣體注射管37〇及38〇具有不同 的個別長度，且其上方人π係、對應於第—與第二氣體通道34〇 及350。 於此具體實施態樣中，為僅使第二氣體G2注射至接受容 器200之中央區域21〇,遂將對應於中央區域21〇之區域僅裝備 有第二氣體注射管380。換言之，第—氣體注射管係安裝於接 受谷為200除了中央區域21〇以外的任何區域上。 根據本發明此具體實施態樣之化學蒸汽沈積單元的操作 方法描述如下。 供應入第一氣體通道34〇中之第一氣體G1係經由第一氣 體注射管37G注射於接受容器上，而供應入第二氣體通道 350中之第二氣體⑵係經由第二氣體注射管38〇注射於接受容 器200上。此時，因為該二種氣體G1與G2直到通過分別之注射 官370及前仍彼此分開，故不同鐘GmG2可能相互產生 反應的機率極低。通過分別之注射管37〇及38〇之第一氣體gi 與第二氣魏係在通職轉式接受容㈣㈣分別地被熱 解，並與經熱解之原子重組，而使氣體G1與G2經蒸汽-沈積於 基貝P上。同時，所注射之氣體G1與G2通過置於旋轉式接受容 器200上之基質p。此日夸，第一氣體G1與第二氣體⑵在遍及整 15 1248473 個基質p區域上具有均一密度（混合比值）並彼此反應，然後 排出接受容器200外。結果，於基質P上產生一層均勻的薄膜。 於藉由不同類氣體G1與G2進行薄膜蒸汽沈積方法期間， 因為相當於接受容器200之中央區域210之區域僅裝備第二氣 體注射管380，故僅有第二氣體G2存在該中央區域21〇内。因 此’氣體G1與G2之間不會發生任何反應。第二氣體a佔據一 處其中儲存有第二氣體G2之空間，並於接受容器2〇〇之外部區 域與第一氣體G1接觸，同時排出接受容器2〇〇外。此時，第二 氣體G2與第一氣體G1反應並沈積於基質p上。因此，遍及多數 個放置於接党容器2〇〇上之基質p的氣體（具有密度：第一與 第二氣體G1及G2之混合比值）不會濃縮於一端，而是均勻地 分佈遍及整個區域，且在接受容器2〇〇之中央區域21〇處不發 生反應。 具體實施態樣2 根據本具體實施態樣之化學蒸汽沈積單元具有實質上與 第一具體實施態樣相同的結構。然而，用於本具體實施態樣 方法較弟一具體貫施態樣之方法簡單，且亦藉由減少 乳體注射管數量（位於中央區域者）而減少供製造圖2所示氣 體左射态之氣體注射管與隔板的接合點。此可減少所製得下 位貨物注射器之數量。 如圖3所示，於此具體實施態樣中，僅將第二氣體G2注射 16 1248473 至接叉谷态200之中央區域21〇,使該中央區域2i〇處無任何反 應。藉此，用以分隔第二氣體通道35〇與冷卻劑通道3⑼之第 一隔板320 ’為使在放置於接受容器2〇〇整個區域之基質p上能 均勻地沈積薄膜，故具有由上觀之相當於接受容器2⑽中央區 域之環-形中央部份。換言之，第二隔板32〇包括水平部321 及垂直部322，而該垂直部322係形成於相當於接受容器2〇〇 中央區域210之中央部份。第二隔板32Q可為—種其中係將垂 直部322下端完整地與第三隔板33〇接合之整體結構。 口此於第二1^板330之中央部份（為對應於第二隔板320 中央及接文容器200中央區域21〇之中央部份）處，安裝具有 注射孔咖之第二氣體帥部33卜崎祕崎第二氣體 G2。第二隔板320内側與第二氣體通道35〇連通並以第二氣體 區域390定界。 於使用不職體G1與G2進行_蒸汽沈積方法期間，部 :載體氣體（亦即，第二氣體G2)經由第二氣體區域39〇流向 第二氣體注射部331之注射孔331a。此時，因為僅有第二氣體 ㈣氣體注射器注射出’故氣騎銳間不發組何反應。 第二氣體G2爾-處其中儲存有第二氣體G2之空間，並於排 出較容器200外同時與第一氣體G1接觸。此時，第二氣體⑵ 與弟—氣體G1反應並沈積於基f卩上。因此，遍及多數個放置 於接雙容器2GG上之基質p的氣體（具有密度：第—與第二氣 1248473 體G1及G2之混合比值）不會濃縮於一端，而是均勻地分佈遍 及整個區域，且在接受容器200之中央區域210處不發生反應。 具體實施態樣3 如圖4所示，根據本具體實施態樣之化學蒸汽沈積單元實 質上與第-具體實施態樣之化學蒸汽沈積單^的結構相同。· 而弟一氣體/主射部331具有弧-形，朝向接受容器20Q突 出，以使經由第二氣體注射部331之注射孔331a注射之第二氣 體G2能夠被流暢地注射出。 ^ 根據本具體實施態樣，通過第二氣體區域39〇之第二氣體 G2經由朝向接受容器200周緣側面成形之注射孔331而被引導 h /爪向接文谷為200之周緣側面。因此，可使未使用之反應空間 及停滯流減至最少，如此可促進氣體流動。 具體實施態樣4 如圖5所示，根據本具體實施態樣之化學蒸汽沈積單元實 質上與第二具體實絲樣之化學蒸汽沈鮮元的結構相同，_ 且進一步包括一個導引部220。該導引部220係形成於對應至 第二氣體注射部331之接受容器200中央區域處，並引導經由 氣體注射部331注射出之第二氣體G2的流向。 該導引部220作用在於移除經由氣體注射部331注射出之 第二氣體G2的提滯流，以使被注射於接受容器2〇〇上之第一與 第-氣體G1及G2呈現遍及整倾域之層狀氣流。軸圖5列示 18 1248473 :種凸面型導⑽22G，但料部22G之形狀並不限定於凸面 f而可制任何有助於第二氣體啦動之形狀。 糾’雖财具體版紐之導嫌難描賴於第二 具版貝^樣中，但是導引部22G亦可藉由修改其結構及/或 形狀而應用於第—及第三具體實施態樣中。 圖6級_福_據本發料财财絲樣之化學 f沈積單元所得成長於毅上之_的厚歧波訊數 她於圖7明示藉由習知化學蒸汽沈積單元所長成之薄 _厚度，藉由根據本伽各職體實_#之化學蒸汽沈 積早凡所長成之薄膜的平均厚度為3.綱微米，增加& _。 相較於圖㈣稍㈣知化學蒸汽沈積單摘長成之薄膜的 厚度’藉由根據本發明各別具體實施態樣之化學蒸汽沈積單 凡所長成之薄膜的標準偏差為請9微米，改 ^增加之厚度成長率可減少為達均等厚度薄膜之氣體消耗 里。如波長PL數據所呈現者，本發明之波長標準偏差為 Ul7nm，改善率為614% ’相較於圖几列示藉由習知化學蒸 ^沈積單元所長成之_的波長標準·值。此結果顯示， 當薄膜均勻地遍及該基質之整個區域均勻地成長時，其波長 疋均—的。換言之，其證實可增進基質的生產性。 士上所述’根據本發明之化學蒸汽沈積單元，可壓制發生於 疑轉中接X谷&中央區域内之反應，如此薄膜能夠均勻地被蒸汽— 1248473 沈積於放置遍佈接受容器整個區域之基質上。表1及2列示藉由根 據本發明各·體實施態樣之化學蒸汽沈積單元所長成之薄膜的 波長PL數據與薄膜厚度。於表丨中，相較於習知化學蒸汽沈積單元 中之厚度及厚度標準偏差值，本發明之厚度增加& 〇8%，且厚度標 準偏差值減少44. 5%。此意味薄膜之厚度成長率增加可使所注射之 原料量減少約8%。 表1 習知單元 本發明 改善率 平均厚度（微米） 3.057 3. 304 8. 08% 標準偏差值％ 2.11 1· 17 —----1 44. 5% 於表2中，相較於習知化學蒸汽沈積單元中之波長標準偏差 值，於本發明化學蒸汽沈積單元中之波長標準偏差值改善以 此意味可藉此增進基質之生產性，以致能長成高品質薄膜。而且， 因為只有小量副產物產生，故欲將副產物去除以進行下一製程之 所需時間減少，如此可增進產量。 表2 習知單元 ^本發明 改善率 才示準偏差值％ 2. 11 1· 17^^ 44.5% 20 •1248473 “表2顯示薄膜一次可於十個基質上長成，且遍及全部基質之 薄膜厚度均—性’能夠大量製造高品質薄膜。 雖然W上已為例舉說明之目的揭林發明之雛具體實施態 樣白於该項技勢人士應瞭解可在不偏離本發明如所附屬申請專 利範圍中揭示之範圍及精神τ進行各種修飾、添加及取代。 【圖式簡單說明】

本《明之此等及/或其他標的與優點將以下述具體實施態樣 (結合所附之圖式）而彰顯並更容易明瞭，其中： 圖1為例舉說明習知化學蒸汽沈積單元之概略圖； 。圖2為例舉說明根據本發明第一具體實施態樣之化學蒸汽沈 積單元之概略結構圖； π圖3為例舉·根據本發日⑽二具财施祕德學蒸汽沈 積單元之概略結構圖； ⑽圖4為例舉說明根據本發明第三具體實施態樣之化學蒸汽沈 積單元之概略結構圖；

圖5為例舉制根縣㈣細具體實施祕之化學蒸汽沈 積單元之概略結構圖； ’ 圖6a及6b為例舉藉由說明根據本發明具體實施態樣之化學基 汽沈積單元所得成長於«上之_的厚度及紐l數據；，、、、 圖7a及7b為例舉藉由習知化學蒸汽沈積單元所得成長於基質 上之薄膜的厚度及波長PL數據； 21 1248473 【主要元件符號說明】 容器 2 反應室 10 接受容器 20 中央區域 21 注射器 30 第一氣體 G1 第二氣體 G2 第一氣體注射管31 第二氣體注射管32 橫式隔板33、 34 與 35 注射表面 35a 第一氣體通道 36 第二氣體通道 37 冷卻劑通道 38 基質 P 注射表面 34 反應室 100 接受容器 200 中央區域 210 導引部 220 氣體注射器 300 1248473 第一隔板 310 第二隔板 320 水平部 321 垂直部 322 第三隔板 330 注射孔 331a 第二氣體注射部331 第一氣體通道340 第二氣體通道350 通道 360 第一氣體注射管370 第二氣體注射管380 第二氣體區域390

Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： * l觀¥洛錢積單元，其包含：與外界絕緣並保持在真 %之反應至’可旋轉地安裝於反應室中且其上放置至少一個基 ;及注射器，包括獨立成形m氣體通道、 二;:於分別的出σ處與個職體通道連通㈣以將個別第一與 :::體/主射於接受容器上之第一與第二氣體注射管，該注射器 體，其中—部份（對應於接受容器之中央部份) 體;^反=注射管’以_二氣體（其騎—與第二氣 中之非-反應性載體氣體）被注射於接受容器之中央區域。 * 2.-種化學統沈積單元，其包含：與外界絕緣並保持在直 =之反魅：較”，其上放置至少—健質 安 室^及注射器，包括獨立成形之第—與 :體=的出口處與個別氣體通道連通而用以將個別第—血 第-乳體注射於接受容器上之第—與第二氣體注射管，兮^ 獨立地注射不同氣體，其中該注射器進—步包㈣= 連通之氣體注射部，以域體氣體（鄕二缝，體通逼 二氣體㈣非紐驗）無射轉受㉑H區 3.根據巾請專纖_2項之化學蒸汽沈積 5 注射部_向較容技凸碰形細料二_ 党容器的外面。 爾。。又置该接 1根據申請專利範圍第2或3項之化學蒸汽 — 該第二氣體通道與氣體;綺部之間 時70 ’其中在 形成—個具有截面積較 24 1248473 其他區域大之第二氣體區域。 5.根據申請專利範圍第4項之化學蒸汽沈積單元，其中該對應 於氣體注射部之接受容器進一步形成具有供引導從該氣體注射部 注射出之第二氣體流動的導引器。

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