TWI358461B - - Google Patents

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1358461 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種於反應室中一或多個尤其是晶體基 板上沉積尤其是晶體薄膜之裝置，該反應室具一蓋板及與 其相對用於承載基板的加熱底板，包括一進氣機構，其具 垂直上下設置的進氣區，以分別輸入至少一第一氣態材料 及一第二氣態材料，該材料各與一載氣一起由水平方向流 入反應室，該氣流在一直接連接進氣機構的流入區均勻 化，並使至少部分材料預解離，其解離產物在連接流入區 的成長區由於氣流逐漸貧化而沉積在基板上。 本發明尚有關一種於反應室中一或多個尤其是晶體基 板上沉積尤其是晶體薄膜之方法，該反應室具一蓋板及與 其相對用於承載基板的加熱底板，其將至少一第一氣態材 料及一第二氣態材料經一進氣機構垂直上下設置的進氣區 而輸入反應室中，該材料各與一載氣一起由水平方向流入 反應室，該氣流在一直接連接進氣機構的流入區均勻化， 並使至少部分材料預解離，其解離產物在連接流入區的成 長區由於氣流逐漸貧化而沉積在基板上。 【先前技術】 專利 D E 1 0 0 4 3 6 0 1 A 1曾提出此種裝置及方法，其使 用一圓形對稱的裝置在I I I - V族半導體基板上沉積I I I - V 族半導體薄膜。該裝置具一水平方向延伸的反應室，反應 室底板由一加熱基板載板構成，基板載板上放置複數個環 繞基板載板中心所排列的基板座，每一基板座上可放置一 5 3 ] 2XP/發明說明書(補件)/94-04/93137874 1358461 或數個基板。基板座被驅動旋轉，與反應室底板相對的反 應室蓋板亦可被加熱，蓋板中心設有一進氣機構伸入反應 室中。進氣機構伸入反應室的部分被以水冷卻。進氣機構 具兩垂直上下設置的進氣區，接近底板的進氣區位在進氣 機構的底板與一頂面之間，其在中心有一開口 ，一氫化物 與一載氣一起由該開口流出，此氫化物可為氫化砷、氫化 磷或氨。該進氣區上方為另一進氣區，其同樣將一氣態材 料與一載氣輸入反應室中，該氣態材料可為TMGa,TMIn或 其他金屬有機化合物。 典型製程條件下由接近反應室底板之進氣區流入的第 一材料氣流大於由第二進氣區流入的氣流甚多。由第一進 氣區流入材料的濃度亦遠高於由第二進氣區流入的材料， 使得第一進氣區流入氣體不僅流速遠高於第二進氣區流入 氣體，其密度差異亦極大。 部分材料在緊鄰進氣機構的流入區熱解，氣流及氣相亦 在此區均勻化，兩材料需充分混合，連接流入區下游側的 成長區中放置基板。反應物（尤其是I I I族成分）的氣相濃 度隨與進氣機構距離的增大而遞減，故成長率亦隨與進氣 機構距離的增大而降低。如專利D E 1 0 0 5 7 1 3 4 A 1所述為 使成長均勻故使基板座旋轉。 流入區與成長區界限的位置係由成長率最高值決定。該 最高值大致出現在氣相與氣流預解離及均勻化結束時，以 及限制成長的 II I族材料穿過高濃度氣流擴散出流入區 時*最南值應出現在成長區前方不遠處的流動方向上。如 6 312XP/發明說明書(補件)/94-(M/93137874 1358461 欲提高習知裝置之效能，則需同時進行多個基板的塗佈， 故成長區的尺寸需增大，同時亦需提高材料的供應量。流 入反應室的材料氣流增大時，流入區與成長區的界限則會 朝遠離進氣機構的方向移動。此流入區的增大由於其中所 產生有害的加成物而為不利的，且成長率最高值不應在成 長區中，以確保基板薄膜的成長均勻。此外，流入區增大 會使得成長區缩小或反應室整體結構增大，使後者對成本 不利。 【發明内容】 本發明目的在於提供一種使反應室有效面積增大的對 策，且該增大不會縮減基板座上基板排列密度。 該目的係由申請專利範圍所述之本發明達成。 如申請專利範圍第1項所述，進氣機構增設一流入兩材 料中任一材料的進氣區，以減少流入區的水平寬度。如申 請專利範圍第2項所述，兩材料中一材料由兩進氣區流入 反應室中而減少流入區的水平寬度。第一材料優先由鄰接 反應室底板的進氣區及增設的進氣區流入。該增設之進氣 區可鄰接反應室蓋板。如此使得進氣區共有三個，其中： 由兩外進氣區，即鄰接蓋板及底板的進氣區流入 V族成 分，即氫化物；由中間並可設壓力屏障的進氣區流入 III 族成分，該成分優先為金屬有機化合物，其溶於一載氣， 例如氮或氫中。本發明裝置或方法輸入反應室的第一材料 濃度可高於第二材料100至5000倍，本發明裝置可具一加 熱底板，蓋板可加熱或不加熱，本發明較佳係使用一具加 312XP/發明說明書(補件)/94-04/93丨37874 1358461 熱底板及不加熱蓋板的暖壁反應器。此外，鄰接底板及蓋 板的進氣區垂直高度可小於中間進氣區的垂直高度，鄰接 底板及蓋板的進氣區垂直高度總和亦可小於中間進氣區的 垂直高度，外進氣區的氣體流速可高於中間進氣區的氣體 流速，反應器可具專利DE 100 43601 A1所述被驅動旋轉 的基板載板 '該基板載板上可設行星式壤繞基板載板中心 所排列的基板座，其中總共有六個基板座，為圓形包圍圓 形流入區。成長區為圓環形，每一基板座上放置七個基板， 如此可達到高排列密度。進氣機構可如習知技術使用水冷 卻，以使反應氣體在流入反應室時被急遽增溫。進氣機構 每一進氣區可分開輸入氣體，並設個別的質流控制器及閥 門，流入金屬有機成分的中間進氣區尤其可設一壓力屏 障，該壓力屏障可由多孔材料構成，如此可避免回流。進 氣機構可具一般的旋轉對稱形狀，如專利D E 1 0 0 6 4 9 4 1 A 1 所述。基板載板被加熱，如使用熱輻射及/或熱傳導，底板 的加熱熱源可由紅外線產生，亦可使用電阻加熱。 以下將依據所附圖式詳細說明本發明一實施例。 【實施方式】 實施例顯示一旋轉對稱之反應器，氣體被輸入中心而由 周邊排出。本發明亦有關一種管形反應器，氣體由一側輸 入由另一側排出。 本發明重要特徵為一進氣機構5，其設置於氣體輸入反 應室，亦即圓形對稱反應室1的中心。進氣機構5具三個 垂直上下設置的進氣區6, 7, 8，其位在反應室1蓋板2 8 312ΧΡ/發明說明書(補件)/94-04/93137874 1358461 與底板3之間。 實施例中底板3係以適當方式主動加熱，底板2因 底板3的輻射及熱傳導而破間接加熱。加熱底板3的 由紅外線產生，但亦可以專利D E 1 0 0 4 3 6 0 1 A 1所述 產生熱，亦即高頻加熱。 實施例中反應氣體係由中心朝向周邊流過反應室1 積I I I - V族半導體時，氫化物型態之V族成分由緊鄰蓋 及底板3的進氣區6,8輸入，尤其是輸入？113,人51^或 位在外進氣區6及8之間的中間進氣區7則輸入一 有機III族成分，此處尤其是TMG或TMI或一 A1化合 符號1 1為一由多孔透氣材料構成的圓形壓力屏障 族成分與其載氣通過該壓力屏障。由外進氣區6及8 反應室1的氣體密度及質流高於由中間進氣區8流入 體。流入進氣區6, 8的氣體可不受進氣區7之氣流左 被調整。 符號1 2, 1 3為隔板，其分隔由進氣區6, 7, 8流 應室的氣體。當然亦可設管或通道等導流件使進氣區丨 8的氣體彼此分開由一氣體供應裝置輸送入反應器中 圖2EZ代表流入區。由進氣區6及8及/或7流入 室的反應成分在該流入區混合，其通常係藉擴散。到 2虛線所示流入區界限時，達到足夠混合。到達此界 反應室中的氣流曲線亦均勻化。熱解的成分，尤其是 氣區6及8流入反應室1的難解離氫化物，亦在到達 限時部分熱解。流入區EZ的徑向寬度宜小，以使成分 312XP/發明說明書(補件)/94-04/93137874 加熱 熱可 方式 。沉 板2 NH3。 金屬 物。 。I I I 流入 的氣 右而 入反 i，7, 〇 反應 達圖 限時 由進 此界 不產 9 1358461 生加成物。 圖2實線曲線代表成長率與至反應室1中心徑向距離的 關係。成長率r最高值1 0出現在靠近流入區E Z界限處。 在徑向外側連接流入區EZ的成長區GZ中成長率r隨徑向 距離R的增加下降。此成長率下降被圖3所示圓盤形基板 座9繞其軸的旋轉補償。基板座9可設在一氣墊上，如專 利D E 1 0 0 4 3 6 0 1 A1所述，而被一氣流驅動旋轉。為使基 板4上的薄膜厚度一致，亦可使由反應室1底板所構成的 基板載板3繞反應室抽旋轉。 如圖3所示，各基板座4的直徑可使七個2吋基板緊密 放置在其上。基板載板3承載六個基板座，其環繞基板載 板中心均勻分佈。 圖2虛線曲線代表習知技術成長率r與至反應室1中心 徑向距離R的關係，其使用專利D E 1 0 0 4 3 6 0 1 A1所述之 進氣機構。增設輸入V族成分之進氣區8可使出現成長率 r最高值的徑向距離R較小。 進氣區6及8的垂直高度較佳係相同，且每時間單位流 經進氣區的氣流量較佳亦相同。進氣區6及8的高度小於 中間進氣區7的高度。尤其是進氣區6及8高度的總和小 於中間進氣區7。

習知裝置（DE 1 0 0 4 3 6 0 1 A1 )之模式計算顯示，密度 不同且由進氣區流入反應室之氣流流速差異大時，在流入 區EZ蓋板下方會產生一環形渦流。觀察得知，一氣體由鄰 接蓋板2的進氣區8流入時可避免此渦流，而在流入區EZ 10 312XP/發明說明書(補件)/94-04/93137874 1358461

m EZ 流入區 GZ 成長區 r 成長率 R 徑向距離 312XP/發明說明書(補件)/94-04/93 ] 37874 12

Claims (1)

1358461 ° 9 20Π 替換本 年月曰修正替換頁 100 Q n q 十、申請專利範圍： 1. 一種於反應室中一或多個基板上沉積晶體薄膜之裝 置，該反應室（1)包含有蓋板（2)、及垂直地相對置於該蓋 板且承載著基板（4)的加熱底板（3);該裝置包含： 進氣機構（5)，實質上位在反應室之中心，形成有垂 直上下設置的進氣區（6 , 7 , 8 )，用以分別地至少輸入 第一氣態材料及第二氣態材料； 底部進氣區（6)，鄰接於反應室之底板（3)，用以使第 一材料流入反應室； 頂部進氣區（8)，鄰接於反應室之蓋板（2)，用以使第 一材料流入反應室； 中間進氣區（7)，位於頂部進氣區與底部進氣區之 間，用以使第二材料流入反應室； 單一的氫化物供應部，連接至底部和頂部進氣區（6，8) 二者，而該氫化物即為第一材料； 金屬有機化合物供應部，連接至中間進氣區（7 )，而 該金屬有機化合物即為第二材料；以及 至少一個基板座（9 )，配置於進氣機構周圍，其係圍 繞其軸心而旋轉驅動，且載置有一或多個基板； 其中，該等材料各自與一載氣一起由水平方向流入反應 室（1 );在直接鄰接於進氣機構（5 )的流入區（E Z)中，其氣 流被均勻化，且其材料至少部分地被預解離；其材料之解 離產物在鄰接於流入區（E Z )的成長區（G Z )中，由於氣流逐 漸貧化而沉積在基板（4)上。 13 93137874 1358461 - 年月日修正替換頁 10Q. 9 - 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，第一材料為 A s Η 3。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，第一材料為ΡΗ3。 4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，第一材料為Ν Η 3。 5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，第一材料之解 離產物為V族或V I族元素，以及，第二材料之解離產物為 III族或II族元素。 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，第一和第二材 料至少其中之一係各自藉由一載氣而經由所屬的進氣區（6 7， 8 )以送入反應室（1 )。 7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，第一材料係以 - 高於第二材料100至5000倍、或1000至5000倍的濃度， 輸入至反應室。 8 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中，底部進氣區（6 ) 或頂部進氣區（8)之垂直高度，小於中間進氣區（7)之垂直 1¾度。 9 .如申請專利範圍第8項之裝置，其中，底部及頂部進 氣區（6，8 )兩者高度之總和，小於中間進氣區（7 )之高度。 1 0 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中，反應室（1 )之 構成為基板載板的底板（3 )係被加熱。 1 1 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中，反應室（1 )為 軸向對稱。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之裝置，其中，基板載板（3 ) 係圍繞著反應室（1 )之中心而旋轉。 14 93137874 1358461 --- 年月曰修正替換頁 t〇〇 Q Q-Q- 1 3 .如申請專利範圍第1 1項之裝置，其中，複數個圓形 的基板座（9)以圓周方向上彼此相鄰排列方式放置在基板 載板（3)上，且其上放置有一或多個基板（4)。 14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，各基板座（9) 上係放置有七個圓形基板（4)，而且，六個以上的基板座（9) 係以均勻的圓周分佈而彼此緊密排列在基板載板（3 )上。 15. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，最高成長率 之區域（1 0 )係出現在流入區（E Z )之邊界區域中，而徑向地 位於環形的成長區（G Z )内。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項之裝置.，其中，流入區（E Z ) 之直徑係小於成長區（G Z )之徑向寬度。 - 1 7 . —種於反應室中一或多個基板上沉積晶體薄膜之方 . 法，該反應室（1 )包含有蓋板（2 )、及垂直地相對置於該蓋 板且讓基板（4 )放置於其上的加熱底板（3 );該方法包含以 下步驟： 將進氣機構（5 )實質上定位在反應室之中心，用以將至 少第一氣態材料及第二氣態材料，經由垂直上下設置於該 進氣機構上的進氣區（6, 7， 8)，而輸入至反應室； 以旋轉對稱方式將一或多個基板（4 )排列於該進氣機構 (5 )周圍； 經由鄰接於反應室之底板的底部進氣區（6)、及鄰接於 反應室之蓋板的頂部進氣區（8 )，使該第一氣態材料流入； 其中，該第一材料為氫化物，且其中，該第一氣態材料係 由單一的供應部，經由底部進氣區（6)及頂部進氣區（8)而 15 93137874 年 月 日修正替換頁 100 9 .OlO- ; 以 及 位於 底 部 進 氣 區 (6)與 頂 部 進 氣 區 (8) 之 間 的 中 間 (7)， 使 .該 :第 二 氣 ,態材料 -流 入； 其 中 j 該 第 二 材 料 為 機化 合 物 > ，該 等 材 料 各 與一載 氣 一 起 由 水 平 方 向 流 入 反 應 在直接鄰接於進氣機構（: 5) 的 流 入 區 (EZ) 中 1 其 氣 勻化 9 且 其 材 料 至少部 分 地 被 預 解 離 » 其 材 料 之 解 在鄰 接 於 流 入 (EZ)的 成 長 區 (GZ) 中 由 於 氣 流 逐 1358461 被輸入 經由 進氣區 金屬有. 其中 室⑴； 流被均 離產物-漸貧化· 其中 (EZ)之： - 1 8 ·如 A s Η 3 ° 1 9 ·如 ΡΗ3 ° 2 0 .如 ΝΗ3 ° 2 1 ·如 解離產4 為 I I I ；! 2 2.如 材料至ί (6，7， 23 ·如 而沉積在基板（4 )上；以及 ，輸入該等材料之諸步驟被施作而減少了流入區 Κ平寬度。 申請專利範圍第1 7項之方法，其中，第一材料為 申請專利範圍第1 7項之方法，其中，第一材料為 申請專利範圍第1 7項之方法，其中，第一材料為 申請專利範圍第17項之方法，其中，第一材料之 5?為V族或V I族元素，以及，第二材料之解離產物 或I I族元素。 申請專利範圍第17項之方法，其中，第一和第二 ，其中之一係各自藉由一載氣而經由所屬的進氣區 8 )以送入反應室（1 )。 申請專利範圍第1 7項之方法，其中，第一材料係 93137874 16 年 月 曰修正替換頁 100 9, ΠΏ — 1358461 以 於第二材料 100 至 5000 倍 、 或 100 0至 5 0 0 0倍的濃度， m 入 至反應室‘ 0 24 .如申 請專 利 範圍第 17 項 之 方 法， 其 中， 底部進 氣 區 (6 )或頂部 進氣 區 (8)之垂 直 高 度 ，小於 中間 丨進 氣區（7) 之 垂 直 高 度。 25 .如申 請專 利 範圍第 24 項 之 方 法， 其 中， 底部及 頂 部 進氣區（6, 8)兩者高度之總和，小於中間進氣區（7)之高 度。 26.如申請專利範圍第17項之方法，其中，反應室（1) 之構成為基板載板的底板（3 )係被加熱。 2 7.如申請專利範圍第1 7項之方法，其中，反應室（1 ) 為軸向對稱。 2 8.如申請專利範圍第2 7項之方法，其中，基板載板（3 ) 係圍繞著反應室（1 )之中心而旋轉。 2 9.如申請專利範圍第2 7項之方法，其中，複數個圓形 的基板座（9 )以圓周方向上彼此相鄰排列方式放置在基板 載板（3)上，且其上放置有一或多個基板（4)。 3 0 .如申請專利範圍第2 9項之方法，其中，各基板座（9) 上係放置有七個圓形基板（4)，而且，六個以上的基板座（9) 係以均勻的圓周分佈而彼此緊密排列在基板載板（3)上。 3 1 .如申請專利範圍第1 7項之方法，其中，最高成長率 之區域（10)係出現在流入區（EZ)之邊界區域中，而徑向地 位於環形的成長區（GZ)内。 3 2 .如申請專利範圍第3 1項之方法，其中，流入區（E Z ) 17 93137874 1358461 之直徑係小於成長區（G Z )之徑向寬度。 93137874 18 1358461 十^一、圖式： 年 月 曰修正替換頁 ion 9, 09 93137874 19 1358461

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