TWI484063B - 化學氣相沉積流動入口元件及方法 - Google Patents

化學氣相沉積流動入口元件及方法 Download PDF

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TWI484063B
TWI484063B TW102119218A TW102119218A TWI484063B TW I484063 B TWI484063 B TW I484063B TW 102119218 A TW102119218 A TW 102119218A TW 102119218 A TW102119218 A TW 102119218A TW I484063 B TWI484063 B TW I484063B
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Veeco Instr Inc
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Description

化學氣相沉積流動入口元件及方法
本發明係關於化學氣相沉積方法及裝置。
化學氣相沉積涉及將一種或多種含化學物之氣體引導至基板(通常為平坦晶圓)之表面上，使得化學物在表面上發生反應並形成沉積。例如，化合物半導體可藉由半導體材料在結晶晶圓上之磊晶生長而形成。稱為III-V半導體之半導體通常使用III族金屬(諸如鎵、銦、鋁及其組合)來源及V族元素來源(諸如一種或多種V族元素之一種或多種氫化物，諸如NH3 、AsH3 或PH3 或諸如四甲基銻之Sb金屬有機物)而形成。在此等製程中，該等氣體在諸如藍寶石晶圓之晶圓表面互相反應，以形成通式為InX GaY AlZ NA AsB PC SbD 之III-V族化合物，其中X+Y+Z=約1，且A+B+C+D=約1，且X、Y、Z、A、B、C及D之各者可在0與1之間。在一些實例中，可用鉍代替一些或所有之其他III族金屬。
在通常稱為「鹵化物」或「氯化物」製程之特定製程中，III族金屬源係該或該等金屬之揮發性鹵化物，最常見的為諸如GaCl2 之氯化物。在通常稱為金屬有機化學氣相沉積或「MOCVD」之另一製程中，III族金屬源係III族金屬之有機化合物，例如烷基金屬。
化學氣相沉積法中已廣泛使用之一種裝置形式包含圓盤狀晶圓載體，該晶圓載體安裝於反應室內以用於繞一垂直軸旋轉。晶圓係固 持於載體中使得晶圓表面在腔室內面向上游方向。在載體繞軸旋轉時，從載體上游之一流動入口元件將反應氣體引入腔室中。流動氣體宜以層狀塞流之形式向下游朝載體及晶圓行進。當氣體接近正旋轉之載體時，黏性阻力推動氣體繞軸旋轉，使得在載體表面附近之邊界區域中，氣體繞軸流動並向外朝載體之周邊流動。當氣體在載體之外部邊緣上方流動時，氣體向下朝安置於載體下方之排氣埠流動。最常見的是利用一連串不同之氣體組成及(在一些情況下)不同之晶圓溫度來執行此製程，以沉積形成所要之半導體器件所需之具有不同組成的複數層半導體。僅舉例而言，在形成發光二極體(「LED」)及二極體雷射時，可藉由沉積具有不同比例之Ga及In之III-V半導體層而形成多重量子井(「MQW」)。每一層各可為數量級為數十埃之厚度，即，數個原子層。
此類裝置可提供反應性氣體在載體表面上方及在晶圓表面上方穩定而有序地流動，使得載體上之所有晶圓及各個晶圓之所有區域係暴露於大體上均勻之條件。此繼而促進材料在晶圓上均勻沉積。此類均勻性很重要，因為即使是沉積於一晶圓上之材料層的組成及厚度之較小差異亦可影響所得器件之性質。
迄今在此項技術中已投入大量努力於開發用於此類裝置之流動入口元件。流動入口元件通常具有用於將反應性氣體分散於尺寸約等於晶圓載體之一作用、氣體流出區域上方的若干入口。有一些此等流動入口元件載送諸如V族氫化物之混合物的第一反應性氣體，而其他入口元件則載送諸如烷基金屬與載體氣體之混合物的第二反應性氣體。此等入口可形成為平行於旋轉軸延伸之管道，該等入口分佈於流動入口元件之面向下或下游之表面上。迄今在此項技術中已投入大量努力於將該等入口配置成對稱模式。通常以一模式提供第一氣體入口，該模式係相對於晶圓載體之旋轉軸徑向對稱或具有在旋轉軸處彼 此交叉之至少兩個垂直對稱平面。以類似對稱之模式提供第二氣體入口，交替散布有第一氣體入口。該流動入口元件通常併入複雜之通道結構以用於將氣體發送至該等管狀入口。此外，由於晶圓通常維持在例如約500℃至約1200℃之高溫下，因此流動入口元件必須備有冷卻劑通道。該等冷卻劑通道載送循環水流或其他液體，且因此維持流動入口元件之溫度相對較低，以便限制或排除氣體之過早反應。例如，如美國專利申請公開案第20060021574 A1號所揭示，流動入口元件可具有用於排出不含反應物之載體氣流的額外結構，該案之揭示內容以引用的方式併入本文中。
當反應性氣流處於流動入口元件附近時，載體氣流使該等氣體彼此隔離。該等氣體在遠離流動入口元件之前不會彼此混合。此外，排出載體氣流限制或防止反應性氣體在從流動入口元件離開時發生循環。因此，反應性氣體不會在流動入口元件上形成非所要沉積。例如，如美國專利申請公開案第20080173735 A1號所揭示，藉由提供刀片狀擴散器可降低所排出之氣體在流動入口元件附近之循環，該等刀片狀擴擴散器自流動入口元件之表面向下游突出以引導氣流，該案之揭示內容以引用的方式併入本文中。
通常，該等入口經建構及配置以在流動入口元件之整個作用區域內(即，配置該等入口之整個區域)提供遠離流動入口元件之均勻流速。在一些情況下，用於特定氣體之氣體入口可分割為兩個或以上區域，例如，在旋轉軸附近之第一區域及遠離該軸之第二區域。該兩個區域可具有分離之氣體通道，使得在兩個區域中可獨立地控制第一氣體之流速。例如，在一常見配置中，用於第一氣體(諸如V族氫化物)之入口係配置成覆蓋流動入口表面之大部分的陣列，而用於第二氣體(諸如III族烷基)之入口係配置成大體上關於中心軸徑向延伸的一個或多個窄條文。在此一系統中，遠離軸安置之條文的一部分供應第二氣 體至晶圓載體具有相對較大面積之環形部分，而同一條文在軸附近之部分供應氣體至晶圓載體具有較小面積之環形部分。為提供每單位面積之晶圓載體相等之第二氣體通量，通常劃分第二氣體入口以沿條文提供每單位長度不相等之排出速率。例如，在軸附近之入口可供應有具有相對較低之第二氣體濃度的氣體混合物，而遠離軸之入口可供應有較高濃度之氣體混合物。此類劃分增加系統之複雜性。
儘管存在所有此等發展，仍需要進一步之改良。
本發明之一態樣提供一種化學氣相沉積反應器。根據本發明之此態樣的反應器宜包含具有上游及下游方向之一反應室，且亦宜包含一載體支撐件，該載體支撐件經調適以在該反應室內將一晶圓載體支撐在一載體位置，以繞沿向上游及下游方向延伸之一軸旋轉。根據本發明之此態樣的反應器較佳地具有安裝於該載體位置之腔室上游的一流動入口元件，該入口元件具有沿彼此垂直且垂直於下游方向的X及Y水平方向延伸之一氣體配送表面。
該流動入口元件宜具有用於排出氣體至該腔室中的複數個長形氣體入口，該等長形氣體入口沿X水平方向彼此平行地延伸且橫跨該氣體配送表面。該等長形入口宜延伸橫跨反應器之一Y方向中心平面，且可延伸橫跨氣體配送表面之主要部分。例如，該等長形入口可大體上覆蓋整個氣體配送表面，或可覆蓋約等於晶圓載體之面積的區域。該等長形氣體入口較佳地包含用於排出第一反應性氣體之複數個第一氣體入口、及用於排出第二反應性氣體之複數個第二氣體入口，該等第一入口係在Y水平方向上彼此間隔，該等第二氣體入口係在Y水平方向上彼此間隔且交替散布有該等第一氣體入口。
流動入口元件可安置成相對於沿X水平方向延伸之反應器中心平面未對稱的模式。該模式可相對於此中心平面反對稱。即，對安置於 距離X方向中心平面之一側正Y距離處的任何第一氣體入口，在距離X方向中心平面之相反側對應之負Y距離處安置一第二氣體入口。
本發明之其他態樣提供氣相沉積法及用於氣相沉積反應器之流動入口元件。
10‧‧‧反應室
11‧‧‧內表面
12‧‧‧心軸
13‧‧‧錐形區段
14‧‧‧晶圓載體
15‧‧‧加熱器
16‧‧‧中心軸
17‧‧‧箍狀區段
18‧‧‧晶圓
19‧‧‧排氣系統
20‧‧‧晶圓表面
22‧‧‧流動入口元件
24‧‧‧表面
26‧‧‧第二反應性氣體源
30‧‧‧第一反應性氣體源
32‧‧‧載體氣體源
33‧‧‧冷卻劑循環器件
40‧‧‧頂板
42‧‧‧下游表面
44‧‧‧歧管
46‧‧‧內部擋板
48‧‧‧第一氣體區段
50‧‧‧第二氣體區段
52‧‧‧中心平面
54‧‧‧冷卻劑入口區段
56‧‧‧冷卻劑出口區段
60‧‧‧氣體配送板
62‧‧‧氣體配送室/載體氣體空間
64、64a‧‧‧第一氣體配送元件
66、66a‧‧‧第二氣體配送元件
68‧‧‧上游壁
70‧‧‧側壁
72‧‧‧下游壁
74‧‧‧內部鑽孔
76‧‧‧狹槽
78‧‧‧擴散器
80‧‧‧區段
82‧‧‧冷卻劑通道
84‧‧‧通路/入口
86‧‧‧下游壁
88‧‧‧孔
90‧‧‧擴散器
92‧‧‧入口埠
94‧‧‧側壁
96‧‧‧上游壁
98‧‧‧內部鑽孔
100‧‧‧冷卻劑通路
102‧‧‧焊縫
104‧‧‧入口開口/基底開口
108‧‧‧中心平面
111‧‧‧第一反應性氣流
113‧‧‧第二反應性氣流
115‧‧‧載體氣流
120‧‧‧標記
204‧‧‧基底入口
240‧‧‧頂板
260‧‧‧氣體配送板
262‧‧‧氣體空間
266‧‧‧氣體配送元件
274‧‧‧額外入口
286‧‧‧管狀體
287‧‧‧孔
288‧‧‧擴散器
289‧‧‧冷卻劑通路
290‧‧‧基底入口
292‧‧‧氣體空間
300‧‧‧多孔網版
360‧‧‧複合板
362‧‧‧入口
366‧‧‧氣體配送元件
367‧‧‧冷卻通道
464‧‧‧第一氣體入口
466‧‧‧第二氣體入口
564‧‧‧氣體入口
566‧‧‧氣體入口
601‧‧‧模式
603‧‧‧部分
605‧‧‧部分
606‧‧‧第二反應性氣體入口
710‧‧‧反應室
716‧‧‧中心軸
722‧‧‧流動入口元件
764‧‧‧第一氣體入口
766‧‧‧第二氣體入口
768‧‧‧第三氣體入口
圖1係描繪根據本發明之一實施例的沉積裝置之概略性截面圖；圖2係用於圖1之裝置的一組件之概略性平面圖；圖3係沿圖2之線3-3取得之概略性截面圖；圖4係描繪圖2及圖3之元件中的特定結構之概略性部分截面透視圖；圖5係圖4所示之結構的一部分之放大尺度的概略性部分截面圖；圖6係類似於圖5但描繪圖4所示結構之另一部分的視圖；圖7、圖8及圖9係利用圖1至圖6之裝置達成之晶圓載體上的氣體配送之概略性表示；圖10係類似於圖4但描繪根據本發明之另一實施例的裝置部分之視圖；圖11係類似於圖4但描繪根據本發明之另一實施例的裝置之另一視圖；圖12係類似於圖1但描繪根據本發明之另一實施例的裝置部分之視圖；圖13係用於本發明之另一實施例的一組件之概略性截面圖；及圖14、圖15及圖16係用於本發明之其他實施例的組件之概略性截面圖。
根據本發明之一實施例的一反應器(圖1)包含具有若干壁之一反應室10，該等壁之內表面11大體上為繞一中心軸16旋轉之表面的形 式。反應器壁可包含與反應器上游端相鄰的一錐形區段13，且亦可包含一可移動之箍狀區段17。在腔室中安裝一心軸12用於繞軸16旋轉。在心軸上安裝一圓盤狀晶圓載體14。該晶圓載體14經配置以固持一個或多個基板(諸如晶圓18)，使得該等晶圓之表面20面向沿該軸之上游方向U。可移動之壁區段17形成一擋門，當系統處於如顯示之操作條件時，該擋門繞晶圓載體14延伸。該擋門可軸向移動以敞開用於載入及卸載系統之一埠。晶圓載體14通常係可拆開地安裝於心軸上，使得該系統可藉由移除一晶圓載體而卸載及藉由插入一新的晶圓載體而重新載入。
在反應器內部提供諸如電阻加熱器之一加熱器15，以用於加熱晶圓載體及晶圓。又，將一排氣系統19連接至反應室之下游端。
該裝置之前述特徵可類似於紐約Plainview之Veeco Instruments,Inc.在商標「TurboDisc」及「Ganzilla」下售賣之反應器中使用的特徵。
在反應室之上游端設置一流動入口元件22。流動入口元件之下游表面24面向下游方向，朝向晶圓載體及晶圓。流動入口元件係連接至第一反應性氣體源30，諸如V族氫化物，通常為與載體氣體(諸如N2 或H2 )之摻合物。流動入口元件亦連接至第二反應性氣體源26，諸如烷基金屬，亦通常為與載體氣體之摻合物。另外，流動入口元件係連接至諸如N2 或H2 之載體氣體源32(未與任何反應性氣體摻合)，且連接至冷卻劑循環器件33。
最佳如圖2及圖3所見，流動入口元件22包含：具有面向下游之表面42的一頂板40，及自下游表面42向下游突出之一環形歧管44。歧管44由內部擋板46(圖2)再分割為第一氣體區段48及第二氣體區段50。第一氣體區段48及第二氣體區段50大致位於一中心平面52之相對側上，該中心平面52延伸穿過且併入反應器之軸16。第一氣體區段48連接至第一反應性氣體源30，而第二氣體區段50連接至第二反應性氣體源 26(圖1)。可經由向下延伸穿過頂板40之鑽孔建立此等連接。在氣體歧管44之下游提供一環形冷卻劑通道。該冷卻劑通道經再分割為：安置於中心平面52之一側上的一冷卻劑入口區段54，及安置於中心平面52之另一側上的一冷卻劑出口區段56。
冷卻劑入口及出口區段係藉由延伸穿過歧管區段48及50之導管(未顯示)而連接至冷卻劑循環裝置33(圖1)。
在頂板40之下游安置一氣體配送板60，使得板60與40協作地界定兩者之間的一氣體配送室60。氣體配送室60與載體氣體源32(圖1)連通，但未與歧管之第一氣體區段或第二氣體區段連通。
最佳如圖4所見，板60係由彼此平行地延伸之諸多長形管狀氣體配送元件64及66組成。長形元件64及66之延長方向通常稱為「+X」方向。此方向係垂直於上游及下游方向且垂直於腔室之軸16(圖1)的一方向。該等長形元件沿「+Y」方向彼此偏移，「+Y」方向亦垂直於軸16且垂直於+X方向。
由於軸16通常(雖然非必須的)沿豎直之參考重力平面垂直延伸，因此垂直於軸16之方向(包含X及Y方向)在本文中係稱為「水平」方向。又，垂直於該軸之平面在本文中係稱為水平平面。因此，頂板40及配送板60兩者沿水平平面延伸。又，以笛卡爾座標系統之習知方式，相對於+X方向之水平方向在本文中稱為-X方向，而相對於+Y方向之水平方向在本文中稱為-Y方向。平行於軸16之上游方向U及下游方向D構成笛卡爾座標系統之第三方向或Z方向。
管狀元件64在本文中稱為第一氣體配送元件。因此如圖5所見，各個第一氣體配送元件併入一般呈矩形之管狀體，該管狀體具有一實心上游壁68、實心側壁70及一下游壁72。壁68、70及72協作地界定一內部鑽孔74。下游壁72具有屬延伸穿過該壁之長形狹槽76形式的一開口。狹槽76沿第一氣體元件64縱向(沿X方向)延伸。
一長形擴散器78係安裝於下游壁72上，並沿第一氣體配送元件64縱向延伸。擴散器78一般為三稜柱之形式。該擴散器係由兩個區段80形成，各個區段併入在擴散器中縱向(即，沿X方向)延伸之一通路82。兩個區段80係背靠背地安裝於管狀元件之下游壁72上。就整體而言，擴散器78一般為長形三稜柱之形式。擴散器在Y方向之寬度或尺寸隨著在下游方向D遠離管狀元件之距離增加而減小。一通路或額外之氣體入口84從管狀元件至遠離管狀元件之擴散器邊緣(即，擴散器之下游邊緣)延伸穿過擴散器78。通路或入口84係由擴散器之兩個背靠背三角形區段80界定之一長形狹槽的形式。通路84與狹槽76連通，且因此沿第一氣體配送元件64之長度與該管狀元件之內部鑽孔74連通。
元件66在本文中稱為第二氣體配送元件，其等與第一氣體配送元件64相同，除了各個第二氣體配送元件(圖6)之下游壁86具有沿該元件之長度配置的一系列孔88，而非第一氣體配送元件之狹槽76。又，各個第二氣體配送元件之擴散器90具有一系列小型管狀入口埠92，在圖6中可見一個埠延伸穿過擴散器並與孔88連通。各個通路或入口埠92在擴散器90之下游邊緣為敞開。再者，各個管狀元件具有上游壁96及側壁94，使得下游壁86與其他壁94及96協作地界定在該元件內縱向延伸之內部鑽孔98。再者，各個擴散器具有冷卻劑通路100，其亦縱向延伸。沿元件66之長度設置之諸多個別入口92協作地界定一長形入口。因此，如在此揭示內容中所使用，參考一長形入口應理解為包括諸如元件64之狹槽76的長形單一狹槽，且亦包括由配置成一列之複數個個別入口形成之一長形入口。
如圖4所見，第一氣體配送元件64及第二氣體配送元件66係並行地配置，且藉由在相互鄰近之元件的側壁94與70之間延伸的焊縫102而在機械上彼此附接。該等元件之上游壁96與68協作地界定板60之一上游表面，而下游壁72與86協作地界定該板之下游表面。焊縫102僅配 置於沿該等元件之長度的若干間隔位置處。因此，在相鄰之氣體配送元件64與66之間的狹槽狀入口開口104(在本文中稱為「基底」入口)從該板之上游表面至該板之其下游表面延伸穿過該板。氣體配送板60之上游表面面對板60與頂板40之間的空間62。
最佳如圖2及圖3所見，複合板60係安裝至歧管44，並延伸完全橫跨由歧管所封圍之圓形區域。因此，板60完全佔據在本文中稱為流動入口元件之作用或氣體流出區域的一圓形區域。此圓形區域係與軸16共軸。第一氣體配送元件64及第二氣體配送元件66沿X水平方向延伸，亦即，沿平行於中心平面108(其亦沿X方向延伸)之方向延伸。第一氣體配送元件64及第二氣體配送元件66在第一氣體區段48與第二氣體區段50之間實體地延伸，且例如藉由焊縫在機械上連接至該兩個區段。然而，第一氣體配送元件64之內部鑽孔僅與第一氣體區段48連通，而第二氣體配送元件66之內部鑽孔僅與第二氣體區段50連通。併入擴散器78、90中之冷卻劑通道82、100(圖5及圖6)在兩端處敞開，並連接至冷卻劑入口區段54與冷卻劑出口區段56(圖3)。
最佳如圖2所見，個別氣體配送元件64及66之各者沿X方向延伸橫跨垂直於X方向延伸的中心平面52。由該等個別氣體配送元件界定之長形元件亦延伸橫跨中心平面52。在此實施例中，各個氣體配送元件、及由各個氣體元件界定之長形入口延伸大體上橫跨流動入口元件之作用氣體配送區域的整個跨度。第一氣體配送元件64及第二氣體配送元件66係未相對於沿X方向延伸之中心平面108對稱地配置。反之，第一氣體配送元件64及第二氣體配送元件66係相對於中心平面108配置成反對稱或負對稱模式。亦即，對於配置於離中心平面108正或+Y差距處的各個第一氣體配送元件64，在距離中心平面108對應之-Y差距處配置有一第二氣體配送元件66。例如，第一氣體配送元件64a係安置於距離中心平面108距離+Ya 處。第二氣體配送元件66a則安置於距離相同之 中心平面相等量值之對應負距離-Ya 處。與各個氣體配送元件之距離係量測為與由此元件界定之入口的縱向中心線(例如，狹槽狀入口84(圖6)之縱向中心線或孔92之列(圖6)的縱向中心線)之距離。在圖2之描繪中，為清楚起見省略氣體配送元件之間的空間或基底氣體入口104。
在操作中，第一反應性氣體(諸如氨或其他V族氫化物與諸如H2 、N2 或兩者之一種或多種載體氣體摻合之混合物)係通過歧管之第一氣體區段48供應，並行進至第一氣體配送元件64之縱向鑽孔74(圖5)中。第一反應性氣體因此以氣體之一系列長形、簾狀氣流111(圖4)從由第一氣體配送元件64及相關擴散器78界定之入口34中瀉出。類似地，第二反應性氣體(諸如烷基金屬與載體氣體之摻合物)係通過歧管之第二氣體區段50(圖2)供應，並行進穿過第二氣體配送元件66之內部鑽孔98(圖6)。第二氣體因此以氣流113(圖4)之諸列從由第二氣體配送元件66及相關擴散器界定之入口92中瀉出。此等氣流113列係穿插於第一氣體之氣流111之間。諸如H2 、N2 或其混合物之載體氣體被引入載體氣體空間62中，且行進穿過界定於構成該板之氣體配送元件64與66之間的空間或基底開口104。因此氣體載體以簾狀氣流115瀉出，該氣流115係穿插於各個第一反應性氣流111與相鄰列之第二反應性氣流113之間。氣流向下游行進至晶圓載體14與晶圓18附近，其中該等氣流係藉由晶圓載體與晶圓之旋轉運動而席捲為旋轉流。第一反應性氣體與第二反應性氣體在晶圓上彼此反應以形成作為(例如)III-V半導體之沉積。
當第一反應性氣體與第二反應性氣體在流動入口元件附近並以大體上層狀、有序之流動從流動入口元件向下游流動時，該兩種氣體保持彼此大體上分離。若干因素有助於此作用。擴散器90與76界定在其等之間的一般成V形之通道，該等通道係安置於基底入口104之下游。通道隨著向下游離基底入口104之距離增加而沿Y方向逐漸拓寬。 此促進載體氣流115以有序方式傳播，使得在擴散器76與90之下游邊緣處主要為大體上呈層狀之載體氣流。第一反應性氣流111與第二反應性氣流113在該等擴散器之下游邊緣處被引入此流動體系中，且因此趨向於以一類似有序之層狀流而流動。此外，載體氣體流115提供第一反應性氣流111與第二反應性氣流113之間的大體上完全之隔離。換言之，在橫斷上游至下游軸16之水平平面內的路徑將阻斷載體氣流115之一者，該路徑自第二反應性氣流113之一者延伸至一相鄰之第一反應性氣流111。對在限定於流動入口元件之作用區域內的水平平面(即，存在氣體入口之區域)中繪製的任何曲線，此係正確的。第一反應性氣體與第二反應性氣體之間的此大體上完全之隔離使該等氣體之間的過早反應減至最少。
第一氣流與第二氣流並非相對於沿X方向延伸之中心平面108成對稱。若晶圓載體與晶圓處於靜態，則此將導致晶圓載體與晶圓非均勻地暴露於第一反應性氣體與第二反應性氣體。例如，如圖7所示意性地描繪，顯示一晶圓載體14，為說明之目的在該載體上設置指向+X方向(在圖7中為指向右)之一標記120。若晶圓載體保持在此定向，則顯示為暗條紋之區域將受第一反應性氣體之明顯撞擊，而顯示為亮條紋之區域將受第二反應性氣體之較明顯撞擊。圖8中顯示相同模式，但是使晶圓載體14繞中心軸16旋轉180°，使得指示符120指向相反方向或-X方向。圖8中之亮條紋與暗條紋模式係與圖7之模式相反。因此，當晶圓載體旋轉時，在晶圓載體之一個定向中明顯暴露於第一氣體之區域將在晶圓載體之相反定向中明顯暴露於第二氣體。隨著晶圓載體連續旋轉，暴露模式變得均勻，如圖9所示。
在此配置中，沿長形第一氣體配送元件64之一者(圖2)的各個單位長度供應第一氣體至晶圓載體上相同尺寸之區域。同樣地，沿長形第二氣體配送元件66之一者(圖2)的各個單位長度供應第二氣體至晶圓 載體上相同尺寸之區域。因此，若所有第一氣體配送元件64經配置為沿其等之整個長度提供每單位長度相同之第一氣體質量流速，且所有第二氣體配送元件66經配置為沿其等之整個長度提供每單位長度相同之質量流速，則可在晶圓載體上提供第一氣體及第二氣體之大體上均勻的通量。每單位長度之第一氣體質量流速在各個長形狹槽84(圖5)之整個長度上宜為均勻的。又，第二氣體之質量流速在由一列離散入口埠92(圖6)所界定之各個長形入口的整個長度上宜為均勻的。無需提供具有第一氣體之每單位長度不同體積流速或不同濃度的多個第一氣體入口區域，亦無需提供具有第二氣體之每單位長度不同體積流速或不同濃度的多個第二氣體入口區域。此明顯簡化該系統之構造及操作。此外，無需通常用於提供氣體入口之均勻陣列的複雜結構即可提供此類簡化。為確保質量流速沿各個入口元件64或66之長度為均勻的，相比於從鑽孔穿過入口84及92之流阻，沿元件之長度穿過鑽孔74或98之流阻宜較小。
應瞭解圖7及圖8所示之撞擊模式係僅為說明而提供之示意性模式。在實際實務中，向下游流動之氣體自行席捲為繞軸之旋轉運動。氣體之旋轉運動趨向於使在晶圓載體之任何給定旋轉位置處暴露於該等氣體之模式比圖7及圖8所示之模式更加均勻。
前文所討論之結構及操作方法可用於基本上為任何尺寸之反應室。該結構可按比例擴大為相對較大之尺寸，例如為具有約600 mm或更大之晶圓載體且具有約相同直徑或更大之作用、氣體流出區域的流動入口元件之反應室。此外，可容易地製造流動入口元件。
可採用前文所討論之結構的諸多變動及組合。在前文所討論之配置的一變體中，第一氣體配送元件64可用於供應載體氣流，而基底入口104可用於供應第一反應性氣體，且第二氣體配送元件可用於供應第二反應性氣體。在其他變體中，可使用兩種以上之反應性氣體。例如， 氣體配送元件可包含一般為彼此平行地延伸之第一、第二及第三氣體配送元件。
在圖10所示之另一變體中，在流動入口元件之氣體配送板260與頂板240之間的氣體空間262係連接至第一反應性氣體(例如，氨)源，使得通過該板之氣體配送元件之間的基底入口204瀉出之氣流係第一反應性氣流111。在此實施例中，構成板260之所有氣體配送元件266係以與前文所討論之第二氣體配送元件66相同之方式組態。因此，第二反應性氣流113在所有擴散器之邊緣處從額外入口274瀉出。在其他變體中，所有流動入口元件經組態具有狹縫狀入口，諸如前文所討論之第一氣體配送元件64中所使用之入口。即使在未使用分離載體氣流以提供第一氣體與第二氣體之間的分離之情況下，在由擴散器促進之第一反應性氣體111之平滑層狀流中的第二反應性氣體113在擴散器之尖端射出，此提供防止氣體循環及非所要之副產品在第一入口元件上沉積的良好保證。
在另一實施例中(圖11)，各個氣體配送元件包含一管狀體286，該管狀體286界定一長形氣體入口，該長形氣體入口係在該管狀體之下游面敞開的一列孔287之形式。各個長形氣體配送元件具有安裝於管狀體之下游面的兩個擴散器288，使得兩個擴散器位於長形入口元件之相對側上。再者，氣體配送元件係彼此附接但又彼此間隔，以便界定其等之間的基底入口290。在此實施例中，由氣體配送元件中之該等列之孔287界定的入口、及基底入口290在管狀體286之下游表面對反應室敞開，使得所有入口之開口係安置於同一平面內。在此配置中，一擴散器288係安置於由氣體配送元件界定之各個入口287與相鄰之基底入口290之間。再者，由氣體配送元件形成之頂板240與複合板之間的氣體空間292係連接至第一氣體源，而氣體配送元件係連接至第二氣體源，使得第一氣流111從基底入口290瀉出，而第二氣流113從由氣體配送元 件界定之入口287瀉出。亦在此實施例中，由擴散器促進之平滑層狀流抑制循環及沉積成形。亦在此實施例中，擴散器宜具有冷卻劑通路289。在其他變體中，由氣體配送元件界定之長形入口之一些或所有可為狹槽而非孔之列。再者，氣體可包含除第一氣體及第二氣體外之載體氣體。
在另一變體中，可省略安裝於氣體配送板之下游表面上的擴散器。在另一變體中，可在除入口處外之複合板的下游表面上方設置一多孔網版。在另一配置中(圖12)，管狀氣體配送元件366係以鄰接方式彼此並行地安裝並例如藉由焊縫緊固在一起。在此配置中，無基底入口延伸穿過由氣體配送元件366形成之氣體配送板。多孔網版300係安裝於板360之下游，且多個氣體配送入口之入口362係具有向下游延伸穿過網版之短管。可引入載體氣體與複合板360與網版300之間的空間363中，使得載體氣體流經該網版，並圍繞從入口362瀉出之反應性氣流之各者。在此實施例中冷卻通道367可設置於個別氣體配送元件之底表面上。
在前文所討論之實施例中，氣體配送板係由分離之長形氣體配送元件彼此結合在一起而形成。然而，氣體配送板亦可由界定類似於前文所討論之長形入口的一個或多個單一板而形成。
在前文所討論之實施例中，長形氣體入口係筆直的。然而，此非必須的。例如，在圖13之實施例中，由實線示意性地表示之各個長形第一氣體入口464以鋸齒形模式延伸。因此，各個此類入口大體上沿X方向延伸，在Y方向具有較小之偏差。由虛線示意性地表示之各個長形第二氣體入口466以類似之鋸齒形模式延伸。基底入口(未顯示)亦可具有一類似之鋸齒形組態。亦在此配置中，第一氣體入口與第二氣體入口大體上彼此平行地延伸。然而，各個長形氣體入口仍大體上沿X方向延伸。換言之，在一氣體入口沿X方向之任何實質範圍Ex內，此 入口沿Y方向之範圍Ey相對於Ex較小。在另一變體中(圖14)，長形氣體入口564及566係弧線形式而非直線。再者，氣體入口一般沿X方向延伸。
在前文所討論之實施例中，各個長形元件沿其整個長度提供每單位長度相同之質量流速。在一變體中，每單位長度之反應性氣體質量流速可沿長形氣體入口之長度而逐漸改變。例如，此可發生於如下情況中：一特定長形氣體配送元件僅在一端接收氣體混合物，且沿其長度對流動具有可感知之阻力。圖15示意性地描繪一第一反應性氣體從此一長形元件流動之撞擊模式601。在此情況下，來自特定入口之反應性氣體的質量流速在+X方向上沿入口之長度逐漸減小。因此，晶圓載體上受氣體撞擊之區域的寬度係顯示為沿+X方向減小。在圖15之配置中，第二反應性氣體入口606具有沿相反、-X方向減小之質量流速。晶圓繞中心軸旋轉將消除撞擊模式中之差異。例如，晶圓與撞擊模式601之部分603對齊的部分在晶圓載體旋轉一半時將與部分605對齊。在另一配置中，第一氣體入口之交替者可具有沿相反之X方向減少的質量流速且因此所致之撞擊模式。第二氣體入口可具有類似之配置。
在前文所討論之實施例中，第一氣體入口與第二氣體入口係以相同數量設置，且以1：1之交替順序沿Y方向配置。然而，此非必須的。例如，可於各對第二氣體入口之間提供兩個、三個或以上之長形第一氣體入口。
又，並非必須以相對於沿X方向延伸之中心平面精確反對稱的配置來放置長形氣體入口。可使用偏離此配置，直至包含對稱配置之配置。又，在前文所討論之實施例中，界定長形氣體入口之板包含長形管狀氣體配送元件。然而，可由其他結構提供長形氣體配送元件，例如具有與該等入口連通之適當氣體配送通道或腔室之一個或多個單一板。
根據本發明之另一實施例的一化學氣相沉積裝置(圖16)包含：一反應室710，其一般為繞一中心軸716旋轉之中空體的形式。如在前文參考圖1所討論之實施例中，該裝置包含諸如心軸之一支撐件(未顯示)，該支撐件經調適以支撐一晶圓載體(未顯示)以用於繞中心軸716旋轉。在此實施例中，流動入口元件722界定：在圖16中由實現示意性地表示之第一氣體入口764，及由虛線示意性地表示之第二氣體入口766。第一氣體入口係連接至第一反應性氣體源，例如含III族元素之氣體混合物；而第二氣體入口係連接至與第一氣體反應之第二氣體源，諸如含V組元素之氣體混合物。該等氣體入口亦包含在圖16中示意性地顯示為點線之第三氣體入口768。第三氣體入口係連接至載體氣體源，該載體氣體在腔室內之主要條件下大體上不與第一氣體及第二氣體反應。
第一氣體入口僅在離中心軸716具有第一半徑R1 的氣體配送表面區域內延伸。換言之，第一氣體入口延伸至離中心軸第一半徑R1 處。第二氣體入口延伸至離中心軸第二半徑R2 處，在此實施例中第二半徑R2 係等於第一半徑R1 。第三氣體入口延伸至第三半徑R3 ，第三半徑R3 係大於第一半徑及第二半徑，且因此大於R1 及R2 。在所描繪之特定實例中，半徑R3 係等於或僅略小於反應室在氣體配送表面處的內徑。第一半徑R1 及第二半徑R2 可約等於晶圓載體之半徑。
在操作中，從第一氣體入口及第二氣體入口瀉出之氣體將向下游(在圖16中，沿軸716朝向觀看者之方向)行進至晶圓載體，且參與化學氣相沉積反應或載送於載體上之晶圓的其他處理。在第一半徑R1 及第二半徑R2 內之區域中，從第三氣體入口瀉出之載體氣體在第一氣流與第二氣流之間向下游行進，並對自流動入口元件至晶圓之至少部分距離維持此等氣流之間的分離，如前文所討論。在由第一氣體入口及第二氣體入口所佔據的區域外部之間隙區域G中，從第三氣體入口瀉出 之載體氣體形成一簾，該簾使第一反應性氣體及第二反應性氣體保持與腔室710之壁隔離。此使在腔室壁上之反應產物沉積減至最少。特定言之，在流動入口元件722結合反應器壁之腔室上游端可發生氣體再循環。利用圖16所示之配置，任何再循環氣體基本上將係由載體氣體組成，且因此將不會趨向於在反應器壁或流動入口元件上形成沉積物。
此外，在間隙區域G中省略第一入口及第二入口將降低第一反應物氣體及第二反應物氣體之所需總流量，以維持朝向晶圓載體之反應物的給定通量。換言之，若在間隙區域G中提供第一反應性氣體及第二反應性氣體，則其等將僅僅繞晶圓載體之外部行進，而不會撞擊晶圓。避免此類浪費可降低該製程中使用之反應物氣體的成本，且亦減少浪費之反應物氣體的排出。
可改變圖16所示之配置。例如，第一半徑R1 與第二半徑R2 可彼此不同。此等半徑之一者可與第三半徑R3 一般大或甚至大於第三半徑R3 。在此一配置中，鄰近反應器壁之氣簾將包含載體氣體及僅一種反應物氣體。此簾將仍可有效地抑制腔室壁上之沉積。並非必須在第一氣體入口及第二氣體入口之間提供第三氣體入口。例如，可僅在間隙區域G中提供第三氣體入口。又，圖16所示之氣體入口係配置成平行列，但亦可使用其他組態。例如，第一氣體入口可為「場」或連續區域之形式，而第二氣體入口可為一個或多個徑向列之形式。
在不脫離本發明下可利用前文所討論之特徵的此等及其他變動與組合，因此較佳實施例之前述說明應視為僅為說明而非限制本發明。
工業應用
例如，在製造半導體器件時應用本發明。
10‧‧‧反應室
11‧‧‧內表面
12‧‧‧心軸
13‧‧‧錐形區段
14‧‧‧晶圓載體
15‧‧‧加熱器
16‧‧‧中心軸
17‧‧‧箍狀區段
18‧‧‧晶圓
19‧‧‧排氣系統
20‧‧‧晶圓表面
22‧‧‧流動入口元件
24‧‧‧表面
26‧‧‧第二反應性氣體源
30‧‧‧第一反應性氣體源
32‧‧‧載體氣體源
33‧‧‧冷卻劑循環器件

Claims (18)

  1. 一種化學氣相沉積反應器，其包括：(a)反應室，其具有上游及下游方向；(b)載體支撐件，其經調適以在該反應室內將晶圓載體支撐在載體位置，以繞沿向上游及下游方向延伸之軸旋轉；(c)流動入口元件，其安裝於該載體位置上游之腔室，該入口元件具有沿彼此垂直且垂直於該下游方向的X及Y水平方向延伸之氣體配送表面，該流動入口元件具有用於排出氣體至該腔室中的複數個長形氣體入口，該等長形氣體入口沿該X水平方向彼此平行地延伸且橫跨該氣體配送表面，且延伸橫跨該反應器之Y方向中心平面，該等長形氣體入口包含用於排出第一反應性氣體之複數個第一氣體入口及用於排出第二反應性氣體之複數個第二氣體入口，該等第一氣體入口係在該Y水平方向上彼此隔開，該等第二氣體入口係在該Y水平方向上彼此隔開且交替散布有該等第一氣體入口。
  2. 如請求項1之反應器，其中該等長形氣體入口係配置成一模式，該模式延伸遍及該入口元件之該氣體配送表面的主要部分。
  3. 如請求項1之反應器，其中該等第一及第二氣體入口係配置成一模式，該模式相對於沿該X水平方向延伸之反應器的中心平面未對稱。
  4. 如請求項3之反應器，其中該等第一及第二氣體入口係配置成一模式，該模式係相對於沿該X水平方向延伸之該中心平面成反對稱，使得對於安置於距離X方向中心平面之一側正Y距離處的任何第一氣體入口，在距離該X方向中心平面之相反側之對應負Y距離處安置一第二氣體入口。
  5. 一種流動入口元件，其具有面向下游方向且沿彼此垂直及垂直於該下游方向的X及Y水平方向延伸之氣體配送表面，該流動入口元件具有用於排出氣體至該腔室中的複數個長形氣體入口，該等長形氣體入口沿該X水平方向彼此平行地延伸，該等長形氣體入口係經配置成延伸遍及該氣體配送表面之主要部分的一模式；該等長形氣體入口包含用於排出第一反應性氣體之複數個第一氣體入口及用於排出第二反應性氣體之複數個第二氣體入口，該等第一氣體入口在該8Y水平方向上彼此隔開，該等第二氣體入口在該Y水平方向上彼此隔開且交替散布有該等第一氣體入口。
  6. 一種用於化學氣相沉積反應器之流動入口元件，該流動入口元件包括複數個長形元件，該等長形元件彼此平行地延伸且在機械上彼此附接，使得該等長形元件協作地界定具有上游及下游側之板，該板具有在相鄰之該等長形元件之間自該上游側延伸至該下游側的若干基底入口開口，該流動入口元件進一步包括一結構，該結構界定該板上游之一個或多個氣體空間且與該等基底入口開口連通。
  7. 如請求項6之流動入口元件，其中該等長形元件之至少一些為管狀，各個管狀元件界定一個或多個氣體配送通道。
  8. 如請求項6之流動入口元件，其進一步包括與該等氣體配送通道連通之若干額外氣體入口，該等額外氣體入口向該板之下游側敞開。
  9. 如請求項7之流動入口元件，其進一步包括長形擴散器，該等長形擴散器沿至少一些該等管狀元件延伸且從此等管狀元件向下游突出，該等額外氣體入口之至少一些延伸穿過該等擴散器。
  10. 如請求項7之流動入口元件，其進一步包括一個或多個歧管，該一個或多個歧管在該等管狀元件之端處連接至該等管狀元件且 與該等氣體配送通道連通。
  11. 一種化學氣相沉積反應器，其包括：(a)反應室，其具有上游及下游方向；(b)載體支撐件，其經調適以在該反應室內將晶圓載體支撐在一載體位置，以繞沿向上游及下游方向延伸之軸旋轉；(c)流動入口元件，其安裝於該載體位置上游之腔室，該入口元件具有沿垂直於該下游方向的水平方向延伸之氣體配送表面，該流動入口元件具有用於排出氣體至該腔室中的複數個長形氣體入口，該等長形氣體入口沿水平方向之第一者彼此平行地延伸，該等長形氣體入口包含用於排出第一反應性氣體之複數個第一氣體入口、用於排出第二反應性氣體之複數個第二氣體入口、及用於排出載體氣體之複數個第三氣體入口，該載體氣體大體上不含該等第一及第二反應性氣體且大體上不與該等第一及第二反應性氣體發生反應，該等氣體入口在垂直於第一水平方向之水平方向之第二者上彼此隔開，且彼此穿插，使得該等第一及第二氣體入口之至少一些構成若干相鄰入口對，且該等第三氣體入口之至少一些係安置於該等對之至少一些的該等第一與第二氣體入口之間。
  12. 如請求項11之反應器，其中第三氣體入口安置於該等相鄰第一及第二氣體入口對之每一者的第一與第二氣體入口之間。
  13. 如請求項11之反應器，其中該流動入口元件包含沿該第一水平方向延伸且從該等第三氣體入口向下游突出的若干長形擴散器，且其中該等第一及第二氣體入口係安置於該等擴散器上。
  14. 一種化學氣相沉積方法，其包括如下步驟：(a)在反應室內維持固持一個或多個晶圓之晶圓載體，使得該等晶圓之表面面向上游方向； (b)繞沿向上游及下游方向延伸之軸旋轉該晶圓載體；及(c)從沿橫斷該軸之第一水平方向彼此平行地延伸之複數個長形氣體入口向下游朝該晶圓載體排出複數種氣體，執行該排出步驟使得第一及第二反應性氣流從該等長形入口之個別入口排出，且使得大體上不含該等第一及第二反應性氣體及大體上不與該等第一及第二反應性氣體反應之載體氣體從該等反應性入口之其他入口排出，且使得該等載體氣流之至少一些於相鄰的第一與第二載體氣流之間排出。
  15. 如請求項14之方法，其中該第一反應性氣體包含一種或多種III族金屬之一個或多個來源，且該第二反應性氣體包含一種或多種V族元素之一個或多個來源。
  16. 一種化學氣相沉積反應器，其包括：(a)反應室，其具有上游及下游方向；(b)載體支撐件，其經調適以在該反應室內將晶圓載體支撐在載體位置，以繞沿向上游及下游方向延伸之軸旋轉；(c)流動入口元件，其安裝於該載體位置上游之腔室，該入口元件具有沿垂直於該下游方向的水平方向延伸之氣體配送表面，該流動入口元件具有用於排出第一反應性氣體之複數個第一氣體入口、用於排出第二反應性氣體之複數個第二氣體入口、及用於排出載體氣體之複數個第三氣體入口，該載體氣體大體上不含該等第一及第二反應性氣體且大體上不與該等第一及第二反應性氣體發生反應，該等第一、第二及第三氣體入口分別延伸至距離該軸第一、第二及第三徑向距離處，該第三徑向距離大於該等第一及第二徑向距離之至少一者。
  17. 如請求項16之反應器，其中該等第一及第二徑向距離大體上彼此 相等。
  18. 一種化學氣相沉積方法，其包括：(a)繞一軸旋轉載送基板之圓盤狀固持器，同時維持基板之表面大體上垂直於該軸且面向沿該軸之上游方向；且，在旋轉步驟期間，(b)沿平行於該軸之下游方向朝該等基板排出互相反應之第一及第二氣體作為分別延伸至距離該軸第一及第二徑向距離處之第一及第二組氣流，及同時沿該下游方向排出大體上不與該等第一及第二氣體反應之第三氣體作為延伸至距離該軸第三徑向距離處之第三組氣流，該第三徑向距離係大於該等第一及第二徑向距離之至少一者。
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