TWI336733B - Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von halbleiterschichten mit zwei prozessgasen, von denen das eine vorkonditioniert ist - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von halbleiterschichten mit zwei prozessgasen, von denen das eine vorkonditioniert ist Download PDF

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Description

1336733 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 · 本發明係關於一種在一反應器之反應室中至少一置於 基板座的基板上沉積出至少一薄膜，尤其是半導體薄膜， 之方法，該薄膜至少由兩種化學計量比例受控（固定或可 變）的成分組成，其各構成一第一及一第二反應氣體而被 輸入反應器中，在該反應器中反應氣體因輸入能量而化學 解離，部分解離產物則構成薄膜，其中具低熱激活能的第 一反應氣體決定薄膜的成長率，具高熱激活能的第二反應 氣體量過剩且被補充輸入能量而預處理，第一反應氣體經 一進氣機構與基板座相對的面上分佈的複數開孔而流向基 板座。 本發明尚關於一種進行此種方法之裝置，其包括一設在 一反應器中之反應室，該反應室中設一基板座，其上至少 放置一基板；一加熱裝置，以將基板座加熱至反應溫度； 一進氣機構，其與基板座相對，用於將第一反應氣體輸入 反應室中，在基板座相對的面上具複數開孔而使第一反應 氣體流出；一預處理裝置，其對輸入反應室之第二反應氣 體進行預處理。 【先前技術】 製造發光二極體，尤其是綠色、藍色及白色發光二極體 係使用C V D系統，尤其是Μ 0 C V D系統。製造白色發光二極 體時，使氮化物沉積在一半導體表面。目前所使用之製造 法係將一第一及第二反應氣體，例如TMG或ΝΗ3，輸入反 5 312/發明說明書(補件)/93-07/93丨09908 1336733 應室中，反應氣體在該處解離或彼此反應，生成反應或解 離產物而沉積在一基板表面。習用方法之成本高昂，因氫 化氮等材料費用高於金屬烷基，例如T M G。Ν Η 3、Ρ Η 3或A s Η 輸入反應室的濃度需高於金屬烷基。雖然氫化物售價比炫 基低，但由於消耗量大，故消耗成本約相同。該高消耗量 係由於氫化物的熱激活能高於金屬烷基的熱激活能所致。 為促使反應氣體解離，專利U S 4 , 5 3 9，0 6 8在進氣機構 與基板座之間注入一電漿。 專利U S 3，7 5 7，7 3 3亦將一電漿輸入反應室中。 專利U S 6，2 8 9 , 8 4 2 Β 1提出一種以Μ 0 C V D系統沉積半導 體薄膜之方法，其使反應氣體經一蓮蓬頭而輸入反應室中。 專利J Ρ 0 8 - 1 6 7 5 9 6亦提出一種電漿預處理。 專利W 0 0 1 / 4 6 4 9 8使烷基與氫化物分開輸入。 【發明内容】 習知發光二極體製造方法由於成本因素而無法被廣泛 使用，故本發明之目的在於使流明/成本比例大幅提升。 本發明改善了光輸出與製造成本的關係，其使第二反應 氣體與第一反應氣體分開輸入反應室中，並在進入反應室 前被預處理。解離產物從基板座邊緣直接經基板座上方進 入反應室中，並在擴散交界層中平行於基板座表面擴散。 進行此方法之本發明裝置特徵在於，預處理裝置設在基板 座邊緣。基板座較佳為環形，並可環繞其中心點旋轉。環 形（内部空間）中心處設置預處理裝置。但亦可將反應室 設作線形或漏斗形，該處基板座較佳為矩形或梯形。基板 312/發明說明書(補件)/93-07/93109908 1336733 座前方設置預處理裝置。第一反應氣體（金屬烷基），較佳 為三甲基鎵，經複數個開孔而被輸送入反應室中。該開孔 設在一與基板座直接相對的面上。氣體流入方向垂直於基 板座表面。氣體溢流方向垂直於氣體流入方向而平行於基 板表面，亦即平行於壁。此壁由一蓮蓬頭狀進氣機構構成。 平行於基板座表面的氣體溢流方向上進氣機構前後方的反 應室頂部尚設有其他開孔，一攜帶氣體例如氫或氮由該開 孔流入反應室中。該攜帶氣體氣流配合由進氣機構開礼流 出的攜帶氣體，使得基板座上方的流動/擴散交界層為最扁 平。該流動/擴散交界層應儘可能在反應室下半部。經預處 理的第二反應氣體以游離基形態被噴入反應室流動/擴散 交界層中。為產生游離基，預處理裝置優先具一電漿產生 器、一加熱燈絲或一催化裝置或上述之組合，以將第二反 應氣體力〇熱至高溫解離的溫度。 第一反應氣體的進氣機構開孔彼此極為靠近，以使由開 孔喷出的氣體喷柱不會分開到達基板座，而可將與其垂直 進入的第二反應氣體推擠向基板座。如此第二反應氣體材 料的使用可大為減少。具低熱機活能之第一反應氣體的濃 度曲線扁平且在基板座整個長度上保持不變，游離基的濃 度曲線則朝氣體溢流方向遞減。但可確保游離基濃度始终 大於基板上方之第一反應氣體濃度。如此使得第二反應氣 體解離產物的量始終為過剩.。成長率係由第一反應氣體決 定。供給過剩的解離第二反應氣體使得沉積薄膜之瑕疵點 E P D極少。瑕疵點集中度較佳在1 0 1 1 c m _2以下。由於瑕疵 7 3丨2/發明說明書(補件)/93-07/9310卯08 1336733 點極少，故成長率可高於習知技術，尤其是高於5 本發明之第二反應氣體可是一氫化物，尤其是氫化 化磷、銨或UDMH。該氣體可在預處理裝置中被幾乎 及/或催化解離成游離基。因此，輸入預處理裝置之 應氣體的質流量只需略高於輸入進氣機構之第一反 的質流量。第一反應氣體例如TMG的典型質流量例 SCCI11。輸入預處理裝置之第二反應氣體的質流量約 倍。尚可將一質流量高出甚多的攜帶氣體輸入進氣 中，其在此處為氮或氫，質流量可約達3 0 s 1 ηι。由 反應氣體在預處理裝置中幾乎完全解離，基板表面 之氣相中的第二反應氣體解離產物仍多於解離或未 第一反應氣體，例如TMG, TMI或其他金屬烷基。反 的範圍增大，可在4 0 0 ° C至1 6 0 0 ° C之間。熱預處理 應氣體對反應室中溫度曲線的影響由於其質流量及 而可被忽略。重要的是，預處理氫化物的擴散垂直於 蓮蓬頭噴出的烷基氣流。與烷基氣流一起由蓮蓬頭 攜帶氣體因流體動力而將預處理氫化物推擠向磊晶 由進氣機構輸出大量的攜帶氣流使得進氣機構表面 化物被高度稀釋，故寄生附著在進氣機構上的反應 顯< 1。如此使得反應室的清洗間隔可較習知技術長 明可使氫化物質流量相對於習知技術減少1 0 0倍。 積薄膜的瑕疵點密度使得所製得的發光二極體（G a N 較高，亦即光輸出較高。 以下將依據附圖詳細說明本發明之實施例。 312/發明説明勸補件)/93-07/93109908 μ m / h ° 神、氫 完全熱 第二反 應氣體 如為3 為其三 機構 於第二 正上方 解離之 應溫度 第二反 熱容低 由CCS 喷出的 表面 。 處的鼓 平衡明 。本發 同時沉 )電流 8 1336733 【實施方式】 圖1所示反應器具一未示出之殼體，反應器殼體内部設 置一加熱裝置13，其可將一基板座4加熱至反應溫度。基 板座4上放置一基板，基板上欲沉積一薄膜。亦可在基板 座4上放置複數個基板5。 基板座4上方為一反應室2，該反應室的上方為一進氣 機構3。進氣機構3有一氣體流出面1 8，其平行於基板座 4表面2 0。氣體流出面1 8以習知方式設有氣體噴入孔6。 該氣體噴入孔6分佈於氣體流出面1 8，可使氣體嘖入反應 室中而在反應室高度中心點的下方產生一朝向基板座4的 均勻氣流場。流動/擴散交界層1 2的上方則有一溢流氣流 1 6，其垂直於氣體流入方向1 1。 氣體喷入孔6的逆流方向上設有其他氣體喷入孔7，氣 體噴入孔6順流方向上亦設有其他氣體噴入孔8。由進氣 機構氣體噴入扎6流入一 N 2或Η 2攜帶氣體以及一 T M G (三 曱基鎵）或ΤΜΙ (三曱基銦）第一反應氣體，由與氣體喷 入孔6相鄰的氣體噴入孔7、8則只流入攜帶氣體氮或氫， 以使基板座上方之流動/擴散交界層1 2的邊緣部分亦平行 於基板座表面2 0。 圖6所示實施例俯視圖中基板座4具一矩形表面。圖1 反應室則朝溢流方向1 6增寬。反應室在整個基板座部分的 溢流方向1 6上具相同的载面。 圖3所示反應器亦具上述特徵。但圖1及2所示反應器 之基板座4為梯形，圖3所示反應器之基板座4則為環形。 9 3丨2/發明說明韵拙件)/93-〇7/93109908 1336733 該環形基板座4上放置多個基板5。基板座4可被驅動旋 轉。基板座4上的基板亦可以習知方式被驅動旋轉。基板 座4的加熱使用高頻加熱器或熱輻射。 本發明重要的是，由蓮蓬頭狀的進氣機構3只有烷基與 一攜帶氣體流入反應室2。氫化物例如NH3、PH3或AsH3則 經一氫化物輸入管路1 5被輸入一預處理裝置9中。圖1 及2所示實施例中預處理裝置9設在溢流方向1 6上基板座 一邊緣1 9旁。圖3所示實施例中預處理裝置9只顯示出一 半，其設在環形基板座4環形内部空間的中心。氫化物輪 入管路1 5則由下方通到預處理裝置。 圖7所示實施例的基板座4 一樣設作環形。 此處預處理裝置9產生的游離基亦由基板座邊緣1 9噴 出。不同於圖3所示實施例，由外緣噴出使得對基板表面 產生一壓縮的擴散，如此而補償了貧化曲線。 圖式中預處理裝置9只象徵性被顯示。預處理裝置9可 是一電漿產生器，但較佳為一氫化物熱解裝置。其可以是 一 「熱線（Η 〇 t w i r e )」裝置，該裝置具可加熱至高溫的加 熱燈絲而可將氫化物解離成游離基。氫化物幾乎完全解離 成游離基。 實施'例中在蕷處理裝置9以銨製成的氮基N +經一流出道 1 0而流入反應室2中。流出道1 0具一噴孔，而將氮基直 接喷到反應室基板座4表面20上方，尤其是擴散交界層。 此處流出道1 0的喷孔在基板座邊蝝1 9。如此產生一 N +氣 流，其平行於基板座表面2 0而垂直於氣體噴柱1 1 (氣體 10 3丨2/發明說明S(補件)/93-07/93109908 1336733 流入方向）。氣體喷柱1 1將氮基擴散氣流推擠向基板5表 面。 圖3所示實施例中容置預處理裝置9的殼體為圓筒形， 其由一有蓋的中空圓柱體構成。圖1及2所示實施例中流 出道1 0為漏斗狀。 圖4所示另一反應器1之反應室2明顯高於圖1至3所 示實施例之反應室。此處同樣設作環形的基板座4轉速較 高。如此使得基板5表面上方的流動/擴散交界層1 2被拉 扁。故容置預處理裝置9的殼體不設蓋子。但亦可視反應 參數而設一蓋子。由流出道1 0向上流出的游離基被流出道 1 0正上方的氣流偏轉成垂直於氣體噴柱1 1而平行於基板 座表面2 0。 圖5顯示由流出道1 0所流出氮基N +濃度與基板表面上 方氣相中鎵濃度的關係。該氮基量過剩且氮基濃度1 7朝主 氣流方向1 6遞減。但N + / G a比在整個長度（圖1及2 )或 整個半徑上（圖3及4) >1。 在典型反應溫度，如 400、 500、 600、 700、 800、 900、 1000、 1100、 1200、 1300、 1400、 1500、 1600°C 及其中間 或更高溫度下，流入反應室2之三曱基鎵的質流量為2至 1 0 s c c m。由輸入管路1 5被輸入預處理裝置9之N Η 3的質流 量只略高於TMG質流量，尤其是其2至3倍。由氣體噴入 孔6、7、8流入的攜帶氣體（Η 2、Ν 2)則為兩反應氣體質流 量的1 0 0 0倍。 本發明亦可使用兩種以上反應氣體。尤其除了三甲基鎵
II 312/發明說明書(補件)/93-07/93丨09908 1336733 外亦可將三曱基銦或TMAL或DcpMg輸入反應室2中。同樣 地亦可輸入其他烷基。此外，亦可使用其他任何氫化物例 如UDMH取代NH3、PH3及/或AsH3或與其一起輸入反應室 中。該氫化物亦較佳以上述方法進行預處理。 氫化物可濃縮或與一攜帶氣體一起被輸入預處理裝置9 中。較佳的是使氫化物與極少量攜帶氣體一起輸入，以使 預處理氣體的稀釋為最低。預處理裝置中的溫度可高於或 低於反應室中的反應溫度。 在本發明一未示出的實施例中，基板座本身被驅動旋 轉。該驅動旋轉可藉助一氣墊。基板座4較佳係以行星式 設置在一載板上。 圖8所示實施例將兩種不同的烷基輸入反應室中。其被 輸入進氣機構3兩分離室21、22中。該兩分離室21、22 各具分開的氣體噴入孔6 '、6 ”，以使氣體流入反應室中。 如此可避免各金屬坑基提早產生反應。此種分離室的細節 可參閱專利U S 5 , 8 7 1 , 5 8 6。 圖9所示實施例使烷基在一分開的預處理裝置23中進 行一預處理。此處氫化物亦在預處理裝置9中被預處理。 氫化物輸入管路15由上方通到預處理裝置。預處理裝置9 約為反應室的高度。此處游離基亦經由流出道1 0噴入，其 位在基板座4邊緣。游離基直接噴入擴散交界層。 烷基預處理裝置23位在反應室頂部的蓮蓬頭處。經預 處理的反應氣體與一攜帶氣體如上所述由氣體噴入孔流入 反應室中。預處理裝置23可是一冷卻裝置。冷卻可使用冷 12 312/發明說明書(補件)/93·〇7/93109908 1336733 卻液或其他方式，例如氣流或散熱。熱可藉一可調整的氣 隙而被排出。 所有 揭 示 特 徵 本 身 皆 具 有 發 明 性 質 0 本 發 明 揭示之特徵 完全包 含 於 本 案 之 中 請 專 利 範 圍 中 〇 【圖式 簡 單 說 明 ] 圖1 係 具 漏 斗 狀 反 應 室 之 隧 道 式 反 應 器 示 意 圖。 圖2 係 圖 1 反 應 器 基 板 座 俯 視 圖 〇 圖3 係 環 形 反 應 器 之 徑 向 截 面 圖 0 圖4 係 環 形 反 應 器 之 截 面 圖 〇 圖5 係 基 板 表 面 主 氣 流 方 向 之 游 離 基 濃 度 〇 圖6 係 圖 2 反 應 器 之 另 — 實 施 例 〇 圖Ί 係 圖 3 反 應 器 之 另 一 實 施 例 〇 圖8 係 反 應 器 另 — 實 施 例 〇 圖9 係 反 應 器 另 — 實 施 例 之 示 意 圖 〇 (元 件符號說明） 1 反 應 器 2 反 應 室 3 進 氣 機 構 4 基 板 座 5 基 板 6 氣 體 噴 入 孔 6' ' 6 " 氣 體 噴 入 孔 7 氣 體 噴 入 孔 8 氣 體 喷 入 孔 312/發明說明書(補件)/93-07/93109908 13 1336733 9 預處理裝置 10 流出道 11 氣體流入方向，氣體噴柱 12 流動/擴散交界層 13 加熱裝置 15 輸入管路 1 6 溢流方向，主氣流方向 17 濃度
18 氣體流出面 19 邊緣 2 0 表面 2 1 分離室 22 分離室 2 3 預處理裝置
3丨2/發明說明書(補件)/93-07/93109908 14

Claims (1)

1336733 拾、申請專利範圍： 1 · 一種在一反應器（1 )之反應室（2 )中至少一置 座（4 )的基板（5 )上沉積出至少一薄膜尤其是半導 方法，該薄膜至少由兩種具固定化學計量比例的 成，其各構成一第一及一第二反應氣體而被輸入石 中，在該反應器中反應氣體因輸入能量而化學解 解離產物則構成薄膜，其中具低熱激活能的第一 決定薄膜的成長率，具高熱激活能的第二反應氣 且被獨立輸入能量而預處理，第一反應氣體經一 (3 )與基板座（4 )相對的面（1 8 )上分佈的複數開孔 方向（1 1 )流向基板座（4 )，其特徵為：第二反應氣 反應室（2 )前被預處理，且從基板座（4 )邊緣（1 9 ) 板座上方進入反應室（2)中，並平行於基板座表3 動。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，第二 是一氫化物，尤其是NH3、PH3或AsH3。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，第二 被熱及/或催化預處理。 4 .如申請專利範圍第1項之方法，其中，第二 被一電漿預處理。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，第二 預處理所產生輸入反應室的游離基質流量只需略 反應室（2 )的第一反應氣體質流量。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，反應 312/發明說明書(柿件)/93-07/93109908 於基板 體薄膜之 成分組 l應器（1 ) 離，部分 反應氣體 體量過剩 進氣機構 (6 )而以 體在進入 直接經基 ](2 0 )流 反應氣體 反應氣體 反應氣體 反應氣體 南於輸入 室（2)中 15 1336733^ 基板表面上方預處理所產生游離基與第一反應氣體的比在 反應室（2 )整個長度或整個半徑上> 1。 7.如申請專利範圍第1項之方法，其中，氫化物解離產 物的供應量可得到成長率高於5 μιη/h的高品質沉積薄膜。 8 .如申請專利範圍第1項之方法，其中，瑕疵點密度（E P D e t c h p i t d e n s i t y )小於 1 0 11 c ιιΓ 2，小於 1 0 9 c m —2，小於 ]Ο 8 c id '2 ° 9.如申請專利範圍第1項之方法，其中，反應溫度在 400°C 至 1600°C 之間，尤其是 500°C 至 1200°C。 1 0.如申請專利範圍第1項之方法，其中，預處理第二 反應氣體由一流動/擴散交界層（1 2 )擴散於反應室。 1 1 .如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中，流動/擴散 交界層在反應室（2 )高度中心點的下方。 1 2.如申請專利範圍第1 0項之方法，其中，流動/擴散 交界層（1 2 )被主氣流方向（1 6 )上進氣機構（3 )開孔（6 )前後 方的開孔（7， 8 )所流出的攜帶氣體調節。 1 3.如申請專利範圍第1項之方法，其中，第一反應氣 體是 TMG、TMI、TEG、TMAL、DcpMg、DEZn 或其他金屬烧基。 1 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中，與第一反應 氣體一起由進氣機構（3 )被輸入反應室（2 )的攜帶氣體將預 處理第二反應氣體推擠向基板座表面（2 0 )。 1 5 · —種進行上述各項申請專利範圍中任一項或多項所 述方法之裝置，其包括一設在一反應器（1)中之反應室 (2 )，該反應室（2 )中設一基板座（〇，其上至少放置一基板 10 3丨2/發明說明® (補件)/93-07/93109908 1336733 (5 ); —加熱裝置（1 3 )，以將基板座（4 )加熱至反應溫度； —進氣機構（3 )，其與基板座（4 )相對，用於將第一反應氣 體輸入反應室中，在基板座（4 )相對的面（1 8 )上具複數開孔 (6 )而使第一反應氣體流出；一預處理裝置（9 )，其對輸入 反應室（2 )之第二反應氣體進行預處理，其特徵為：預處理 裝置（9 )設在基板座邊緣（1 9 )，第二反應氣體直接輸入基板 座（4 )正上方並垂直於第一反應氣體流入方向（1 1 )而平行 於基板座表面（2 0 )。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，基板座為環 形，預處理裝置（9 )設置在環形中空空間中。 1 7.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，基板座（4 ) 為梯形，預處理裝置（9 )設置在梯形的窄邊。 1 8.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，主氣流方向 (16)上基板座（4)上方之反應室截面積為恆定。 1 9.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，進氣機構為 蓮篷頭狀，尤其是有密封蓋的蓮蓬頭，反應室高度尤其為 10 m m 至 7 5 in m。 2 0 .如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，主氣流方向 上（]6 )進氣機構（3 )開孔（6 )前後方設有開孔（7、8 )，一攜 帶氣體由該開孔垂直於主氣流方向（1 6 )流入反應室（2 )中 以調節流動/擴散交界層（1 2 )。 2 ].如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，預處理裝置 (9 )具一電漿產生器。 2 2 ·如申請專利範圍第I 5項之裝置，其中，預處理裝置 17 3丨2/發明說明SK補件V93-07/931 〇9908 1336733 (9 )具一加熱器，尤其是加熱燈絲。 2 3.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，反應室高度 >75 mm，基板座（4)旋轉速度>100至1000 rpm。 2 4.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，游離基由一 環形基板座（4 )外緣噴入。 2 5 .如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，金屬烷基經 具兩室（2 1、2 2 )之進氣機構（3 )由分開的氣體噴入孔（6 1、 6 ")嘖入。 2 6.如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中，進氣機構（3 ) 設有一金屬烷基預處理裝置（23)。 18 312/發明說明書(補件)/93·07/93109908
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