TWI494461B - 包括在反應室內之前驅氣體爐的沉積系統及相關方法 - Google Patents

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Description

包括在反應室內之前驅氣體爐的沉積系統及相關方法
本發明之實施例概言之係關於用於在基板上沉積材料之系統及製造及使用該等系統之方法。更特定而言，本發明之實施例係關於用於在基板上沉積III-V半導體材料之氫化物氣相磊晶(HVPE)方法及製造及使用該等系統之方法。
化學氣相沉積(CVD)係用於在基板上沉積固體材料之化學製程，且常用於製造半導體裝置。在化學氣相沉積製程中，將基板暴露於一或多種試劑氣體，該等試劑氣體發生反應、分解或發生反應並分解從而將固體材料沉積於基板表面上。
一種特定類型之CVD製程在業內稱為氣相磊晶(VPE)。在VPE製程中，在反應室中將基板暴露於一或多種試劑蒸氣，該等試劑蒸氣發生反應、分解或發生反應並分解從而將固體材料磊晶沉積於基板表面上。VPE製程通常用於沉積III-V半導體材料。在VPE製程中之一種試劑蒸氣包含氫化物(或鹵化物)蒸氣時，該製程可稱為氫化物氣相磊晶(HVPE)製程。
使用HVPE製程來形成III-V半導體材料，例如氮化鎵(GaN)。在該等製程中，基板上之GaN磊晶生長係由氯化鎵(GaCl)與氨(NH3 )之間之氣相反應引起，該氣相反應係在介於約500℃與約1,100℃之間之升高溫度下於反應室內實施。可自NH3 氣體之標準源供應NH3 。
在一些方法中，藉由在經加熱液體鎵(Ga)上方通過氯化氫(HCl)氣體(其可自HCl氣體之標準源供應)以在反應室內原位形成GaCl來提供GaCl蒸氣。可將液體鎵加熱至介於約750℃與約850℃之間之溫度。可將GaCl及NH3 引導至(例如，上方)經加熱基板(例如半導體材料之晶圓)之表面。2001年1月30日頒予Solomon等人之美國專利第6,179,913號揭示用於該等系統及方法中之氣體注入系統。
在該等系統中，可能需要向大氣打開反應室補充液體鎵之來源。另外，不可能在該等系統中原位清洗反應室。
為解決該等問題，已研發利用GaCl3 前驅物之外部源(直接注入反應室中)之方法及系統。該等方法及系統之實例揭示於(例如)2009年9月10日以Arena等人之名義公開之美國專利申請公開案第US 2009/0223442 A1號中。
提供此概述以引入對於簡化形式之概念之選擇，在下文本發明一些實例性實施例之詳細說明中進一步闡述該等概念。此概述並不意欲鑑別所申請標的物之關鍵特徵或重要特徵，亦並不意欲用於限制所申請標的物之範圍。
在一些實施例中，本發明包括沉積系統，其包含至少實質上封閉之反應室、至少部分地佈置於反應室內且經組態以支撐反應室內之基板之基座及用於將一或多種前驅氣體注入反應室中之氣體輸入系統。反應室可由頂部壁、底部壁及至少一個側壁界定。氣體輸入系統包括至少一個佈置於反應室內之前驅氣體爐。至少一個前驅氣體流動路徑延 伸通過至少一個前驅氣體爐。
在其他實施例中，本發明包括沉積半導體材料之方法。該等方法可使用如本文所闡述之沉積系統之實施例來實施。舉例而言，揭示內容之實施例一些方法可包括：使第III族元素前驅氣體及第V族元素前驅氣體單獨流入反應室中，使第III族元素前驅氣體流經至少一個延伸通過至少一個佈置於反應室內之前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑以加熱第III族元素前驅氣體，及在反應室內之至少一個前驅氣體爐內加熱第III族元素前驅氣體之後在基板上方於反應室內混合第V族元素前驅氣體及第III族元素前驅氣體。可將基板表面暴露於第V族元素前驅氣體及第III族元素前驅氣體之混合物以在基板表面上形成III-V半導體材料。
可藉由參照實例性實施例之下列詳細說明來更全面地理解本揭示內容，在附圖中圖解說明該等實例性實施例。
本文中所呈現之圖解說明並非意欲作為任一特定系統、組件或裝置之實際視圖，而僅僅係用於闡述本發明實施例之理想化表示。
如本文中所使用，術語「III-V半導體材料」意指且包括至少主要由來自週期表之第IIIA族中一或一種元素(B、Al、Ga、In及Ti)及來自週期表之第VA族中一或一種元素(N、P、As、Sb及Bi)構成之任一半導體材料。舉例而言，III-V半導體材料包括但不限於GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AlN、AlP、AlAs、InGaN、InGaP、InGaNP 等。
最近已研發用於利用注入反應室中GaCl3 前驅物之外部源之方法及系統中的改良之氣體注入器，例如彼等揭示於上述美國專利申請公開案第US 2009/0223442 A1號中者。該等氣體注入器之實例揭示於(例如)2009年3月3日以Arena等人之名義提出申請之美國專利申請案第61/157,112號中。如本文中所使用，術語「氣體」包括氣體(並不具有獨立形狀或體積之流體)及蒸氣(包括懸浮於其中之擴散液體或固體物質之氣體)，且術語「氣體」及「蒸氣」在本文中可同義使用。
本發明之實施例包括且利用包括一或多個位於反應室內之前驅氣體爐之沉積系統。圖1圖解說明沉積系統100，其包括至少實質上封閉之反應室102。在一些實施例中，沉積系統100可包含CVD系統，且可包含VPE沉積系統(例如，HVPE沉積系統)。
反應室102可由頂部壁104、底部壁106及一或多個側壁界定。側壁可由沉積系統之子總成之一或多個組件界定。舉例而言，第一側壁108A可包含用於將一或多種氣體注入反應室102中之注入子總成110之組件，且第二側壁108B可包含用於自反應室102排放氣體且用於將基板裝載至反應室102中並自反應室102卸載基板之排放及裝載子總成112之組件。
沉積系統100包括經組態以支撐一或多個工件基板116之基板支撐結構114(例如，基座)，期望在該基板支撐結構 上沉積或以其他方式提供沉積系統100內之材料。舉例而言，工件基板116可包含晶粒或晶圓。沉積系統100進一步包括加熱元件118(圖1)，可使用該等加熱元件選擇性加熱沉積系統100，從而可在沉積製程期間將反應室102內之平均溫度控制於期望之升高溫度內。加熱元件118可包含(例如)電阻加熱元件或輻射加熱元件(例如，加熱燈)。
如圖1中所展示，基板支撐結構114可安裝於轉軸119上，該轉軸可耦合(例如，直接結構耦合、磁性耦合等)至經組態以驅動轉軸119及由此反應室102內之基板支撐結構114之旋轉之驅動裝置(未展示，例如電動馬達)。
在一些實施例中，頂部壁104、底部壁106、基板支撐結構114、轉軸119及反應室102內之任一其他組件中之一或多者可至少實質上由耐火陶瓷材料構成，該耐火陶瓷材料係(例如)陶瓷氧化物(例如，二氧化矽(石英)、氧化鋁、氧化鋯等)、碳化物(例如，碳化矽、碳化硼等)或氮化物(例如，氮化矽、氮化硼等)。根據一非限制性實例，頂部壁104、底部壁106、基板支撐結構114及轉軸119可包含透明石英以使得由加熱元件118輻射之熱能通過該等區域並加熱反應室102內之氣體。
沉積系統100進一步包括用於將一或多種氣體注入反應室102中並將來自反應室102之氣體排出之氣流系統。繼續參照圖1，沉積系統100可包括5個氣體流入導管120A-120E，該等氣體流入導管攜載來自各別氣體源122A-122E並進入注入子總成110中之氣體。視情況，可使用氣流控 制裝置(例如閥門及/或質量流量控制器(未展示))來選擇性控制分別通過氣體流入導管120A-120E之氣流。
在一些實施例中，氣體源122A-122F中之至少一者可包含GaCl3 、InCl3 或AlCl3 中之至少一者之外部源，如美國專利申請公開案第US 2009/0223442 A1號中所闡述。GaCl3 、InCl3 及AlCl3 可分別以二聚體(例如，Ga2 Cl6 、In2 Cl6 及Al2 Cl6 之形式存在)。因此，氣體源122A-122F中之至少一者可包含諸如Ga2 Cl6 、In2 Cl6 或Al2 Cl6 等二聚體。
在氣體源122A-122E中之一或多者係或包括GaCl3 源之實施例中，GaCl3 源包括維持於至少78℃(例如，大約130℃)之溫度下之液體GaCl3 之儲存器，且可包括用於增強液體GaCl3 之蒸發速率之物理構件。該物理構件可包括(例如)經組態以攪動液體GaCl3 之裝置、經組態以噴霧液體GaCl3 之裝置、經組態以使載氣快速流經液體GaCl3 上方之裝置、經組態以使載氣鼓泡通過液體GaCl3 之裝置、經組態以超音波方式分散液體GaCl3 及諸如此類之裝置(例如壓電裝置)。根據一非限制性實例，可使載氣(例如He、N2 、H2 或Ar)鼓泡通過液體GaCl3 ，同時將液體GaCl3 維持於至少78℃之溫度下，從而源氣體可包括一或多種載氣。
在本發明之一些實施例中，可控制通過氣體流入導管120A-120E中之一或多者之GaCl3 蒸氣之通量。舉例而言，在使載氣鼓泡通過液體GaCl3 之實施例中，來自氣體源122A-122E之GaCl3 通量取決於一或多個因素，包括(例如)GaCl3 之溫度、GaCl3 上方之壓力及鼓泡通過GaCl3 之載 氣之流量。儘管原則上可藉由該等參數中之任一者來控制GaCl3 之質量通量，但在一些實施例中，可藉由使用質量流量控制器改變載氣之流量來控制GaCl3 之質量通量。
在一些實施例中，氣體源122A-122E中之一或多者可能夠容納約25 kg或更多GaCl3 、約35 kg或更多GaCl3 或甚至約50 kg或更多GaCl3 。舉例而言，GaCl3 源可能夠容納介於約50 kg與100 kg之間之GaCl3 (例如，介於約60 kg與70 kg之間)。另外，可使用歧管將多個GaCl3 源連接至一起以形成氣體源122A-122E中之單一源以允許自一個氣體源切換至另一氣體源而不會中斷沉積系統100之操作及/或使用。可去除空氣體源並替換為新的全滿源，同時沉積系統100保持操作狀態。
在一些實施例中，可將氣體流入導管120A-120E之溫度控制於氣體源122A-122E與反應室102之間。氣體流入導管120A-120E及相關質量流量感測器、控制器及諸如此類之溫度可自各別氣體源122A-122E之排出口處之第一溫度(例如，約78℃或更高)逐漸增加至反應室102進入點處的第二溫度(例如，約150℃或更小)，從而防止氣體(例如，GaCl3 蒸氣)在氣體流入導管120A-120E中凝結。視情況，各別氣體源122A-122E與反應室102間之氣體流入導管120A-120E之長度可為約18英尺或更小、約12英尺或更小或甚至約6英尺或更小。可使用一或多個壓力控制系統來控制源氣體之壓力。
在其他實施例中，沉積系統100可包括小於5(例如，1- 4)個氣體流入導管及各別氣體源，或沉積系統100可包括大於5(例如，6、7等)個氣體流入導管及各別氣體源。
氣體流入導管120A-120E中之一或多者經由注入子總成110延伸至反應室102中。注入子總成110可包含一或多個氣體流入導管120A-120E延伸通過之材料段。一或多個流體導管111可延伸通過材料段。可驅使熱交換流體流經一或多個流體導管111以在沉積系統100之操作期間將藉助氣體流入導管120A-120E流經注入子總成110之一或多種氣體維持於期望溫度範圍內。舉例而言，可能期望在沉積系統之操作期間將藉助氣體流入導管120A-120E流經注入子總成110之一或多種氣體維持於小於約200℃(150℃)之溫度下。
氣體流入導管120A-120E中之一或多者延伸至佈置於反應室102內之前驅氣體爐130中。在一些實施例中，前驅氣體爐130可至少實質上完全佈置於反應室102內。
圖2係圖1之前驅氣體爐130之剖面側視圖。圖1及2之實施例之爐130包含五(5)個大致為板型之結構132A-132E，該等大致為板型之結構附接至一起且經定尺寸及經組態以在通常為板型之結構132A-132E之間界定之室中界定一或多個延伸通過爐130的前驅氣體流動路徑。大致為板型之結構132A-132E可包含(例如)透明石英以使得由加熱元件118輻射之熱能通過結構132A-132E並加熱爐130中之一或多種前驅氣體。
如圖2中所展示，第一板型結構132A及第二板型結構 132B可耦合至一起以界定其間之室134。第一板型結構132A上之複數個整體隆脊型突出136可將室134再分成一或多個自室134之入口138延伸至室134之出口140的流動路徑。
圖3係第一板型結構132之俯視平面視圖且圖解說明上面之隆脊型突出136及由此在室134中所界定之流動路徑。如圖3中所展示，突出136界定延伸通過爐130(圖2)之具有蛇形組態之流動路徑區段。突出136可包含在突出136之橫向末端處及突出136之中心處具有開孔138之交替壁，如圖3中所展示。因此，在此組態中，如圖3中所展示，氣體可在鄰近室134之中心區域處進入室134中，橫向向外朝向爐130之橫向側流動，通過突出136中之一者之橫向末端處之開孔138，朝向室134之中心區域返回，並通過另一突出136之中心處之另一開孔138。重複此流動模式直至氣體自入口138在以蛇形方式來回流經室134之後到達板132A之相對側為止。
藉由使一或多種前驅氣體流經延伸通過爐130之此流動路徑區段，可選擇性增加爐130內一或多種前驅氣體之滯留時間。
再次參照圖2，引導至室134之入口138可由(例如)管狀部件142界定。氣體流入導管120A-120E中之一者(例如氣體流入導管120B)可延伸至管狀部件142並與其耦合，如圖1中所展示。可使用密封部件144(例如聚合O形環)氣體流入導管1201B與管狀部件142之間形成氣密密封。管狀部件 142可包含(例如)不透明石英材料以防止自加熱元件118發射之熱能將密封部件144加熱至導緻密封部件144降格之升高溫度。另外，使用通過流體導管111之冷卻流體流冷卻注入子總成110可防止密封部件144之過度加熱及最終降格。藉由將密封部件144之溫度維持於約200℃以下，在氣體流入導管120A-120E包含金屬或金屬合金(例如，鋼)且管狀部件142包含耐火材料(例如石英)時，可使用密封部件144在氣體流入導管120A-120E中之一者與管狀部件142之間維持適當密封。管狀部件142及第一板型結構132A可結合至一起以形成單一整體石英體。
如圖2及3中所展示，板型結構132A、132B可包括互補密封特徵147A、147B(例如，隆脊及相應凹陷)，該等互補密封特徵在板型結構132A、132B之周邊附近延伸並至少實質上氣密密封板型結構132A、132B之間之室134。因此，防止室134內之氣體自室134橫向流出，且迫使該等氣體自室134流經出口140(圖2)。
視情況，突出136可經組態以使其高度略小於第一板型結構132A之表面152(突出136自其延伸)與第二板型結構132B之相對表面154之間隔距離。因此，可在突出136與第二板型結構132B之表面154之間提供小間隙。儘管極少量氣體可經由該等間隙洩漏，但此少量洩漏不會不利地影響前驅氣體分子在室134內之平均滯留時間。藉由以此方式組態突出136，可解釋由用於形成板型結構132A、132B之製造製程中之公差引起之突出136的高度變化，從而無意 製造而具有過量高度之突出136並不防止藉由互補密封特徵147A、147B在板型結構132A、132B之間形成適當密封。
如圖2中所展示，板型結構132A、132B間之室134之出口140引向第三板型結構132C與第四板型結構132D間之室150的入口148。室150可經組態從而其中之一或多種氣體在室150中以大致線性方式自入口148朝向出口156流動。舉例而言，室150在入口148與出口156之間可具有大致為矩形且大小均勻之剖面形狀。因此，室150可經組態以使一或多種氣體以更具層性而非紊流之形式流動。
板型結構132C、132D可包括互補密封特徵158A、158B(例如，隆脊及相應凹陷)，該等互補密封特徵在板型結構132C、132D之周邊附近延伸並至少實質上氣密密封板型結構132C、132D之間之室150。因此，防止室150內之氣體自室150橫向流出，且迫使該等氣體自室150流經出口156。
出口156可包含(例如)細長開孔(例如，狹縫)，該細長開孔延伸通過板型結構132D且鄰近板型結構中與鄰近入口148之末端相對之末端。
繼續參照圖2，板型結構132C、132D間之室150之出口156引向第四板型結構132D與第五板型結構132E間之室162之入口160。室162可經組態從而其中之一或多種氣體在室162中以大致線性方式自入口160朝向出口164流動。舉例而言，室162在入口160與出口164之間可具有大致為 矩形且大小均勻之剖面形狀。因此，室162可經組態以使一或多種氣體以更具層性而非紊流之形式流動，此方式類似於先前參照室150所闡述。
板型結構132D、132E可幾乎在板型結構132D、132E之一側上包括互補密封特徵(例如，隆脊及相應凹陷)，該等互補密封特徵在板型結構132D、132E之周邊之一部分附近延伸並密封板型結構132D、132E之間的室162。在相對於入口160之一側於板型結構132D、132E之間提供間隙，該間隙界定室162之出口164。因此，氣體經由入口160進入室162，朝向出口164流經室162(而藉由互補密封特徵166A、166B防止自室162橫向流出)，並經由出口164自室162流出。爐130內藉由室150及室162界定之一或多個氣體流動路徑之區段經組態以賦予被驅使流經爐130內之一或多個流動路徑的一或多種前驅氣體層流，並減小其中之任何紊流。
出口164經組態以將一或多種前驅氣體自爐130輸出至反應室102內之內部區域中。圖4係爐130之透視圖，且圖解說明出口164。如圖4中所展示，出口164可具有矩形剖面形狀，此可有助於保持自爐130注出並進入反應室102內之內部區域中之一或多種前驅氣體之層流。出口164可經定尺寸及經組態以在基板支撐結構114之上表面168上方於橫向方向中輸出流動前驅氣體之片層。如圖4中所展示，第四大致為板型之結構132D之末端表面180及第五大致為板型之結構132E之末端表面182(其間之間隙界定室162之出 口164，如先前論述)之形狀可大致匹配工件基板116的形狀，該工件基板支撐於基板支撐結構114上且擬使用自爐130流出之一或多種前驅氣體在上面沉積材料。舉例而言，在工件基板116包含具有大致圓形周邊之晶粒或晶圓之實施例中，表面180、182可具有通常匹配擬處理工件基板116之外周邊特徵之弓形形狀。在此一組態中，出口164及工件基板116之外邊緣之間之距離可跨越出口164大致恆定。在此組態中，防止自出口164流出之一或多種前驅氣體與反應室102內之其他前驅氣體混合直至其位於工件基板116之表面(擬藉由前驅氣體在上面沉積材料)附近為止，並避免材料在沉積系統100之組件上之不期望沉積。
再次參照圖1，如經由室134、室150及室162所界定通過爐130之前驅氣體流動路徑之最小流動路徑距離可為至少約十二(12)英吋。在圖1-3之實例性實施例中，對於八(8)個蛇形分支區段中之每一者而言，流動路徑距離為約十二(12)英吋。
另外，沉積系統100可經組態從而一或多種被驅使流經一或多個通過爐130之流動路徑之前驅氣體在爐內之滯留時間為至少約0.2秒(例如，約0.48秒)或甚至數秒或更多。
再次參照圖1，加熱元件118可包含加熱元件118之第一群170及加熱元件118之第二群172。加熱元件118之第一群170可經定位及組態以賦予爐130熱能並加熱其中之前驅氣體。舉例而言，加熱元件118之第一群170可位於爐130下之反應室102下方，如圖1中所展示。在其他實施例中，加 熱元件118之第一群170可位於爐130上之反應室102上方，或可包括位於爐130下之反應室102下方之加熱元件118及位於爐130上之反應室102上方之加熱元件二者。加熱元件118之第二群172可經定位及組態以賦予基板支撐結構114及上面支撐之任一工件基板熱能。舉例而言，加熱元件118之第二群172可位於基板支撐結構114下之反應室102下方，如圖1中所展示。在其他實施例中，加熱元件118之第二群172可位於基板支撐結構114上之反應室102上方，或可包括位於基板支撐結構114下之反應室102下方之加熱元件118及位於基板支撐結構114上之反應室102上方之加熱元件二者。
加熱元件118之第一群170可藉由熱反射或熱絕緣障壁174與加熱元件118之第二群172分離。舉例而言且並不加以限制，此一障壁174可包含位於加熱元件118之第一群170與加熱元件118之第二群172之間的鍍金金屬板。該金屬板可經定向以容許獨立地控制爐130之加熱(藉由加熱元件118之第一群170)及基板支撐結構114之加熱(藉由加熱元件118之第二群172)。換言之，障壁174可經定位及定向以減小或防止藉由加熱元件118之第一群170來加熱基板支撐結構114，並減小或防止藉由加熱元件118之第二群172來加熱爐130。
加熱元件118之第一群170可包含複數列可彼此獨立地控制之加熱元件118。換言之，可獨立地控制由每一列加熱元件118所發射之熱能。該等列可橫向於通過反應室102之 氣體淨流方向(其係在圖1之透視圖中自左向右延伸之方向)進行定向。因此，若期望，則可使用加熱元件118之獨立控制列來提供爐130中之選擇之梯度。類似地，加熱元件118之第二群172亦可包含複數列可彼此獨立地控制之加熱元件118。因此，若期望，則亦可在基板支撐結構114中提供選擇之熱梯度。
視情況，被動式熱轉移結構(例如，包含具有類似於黑體之行為之材料之結構)可毗鄰或鄰近反應室102內前驅氣體爐130之至少一部分進行定位以改良至爐130內前驅氣體之熱轉移。
被動式熱轉移結構(例如，包含具有類似於黑體之行為之材料之結構)可提供於反應室102內，如(例如)在2009年8月27日以Arena等人之名義公開之美國專利申請公開案第US 2009/0214785 A1號中所揭示。舉例而言且並不加以限制，前驅氣體爐130可包括被動式熱轉移板178，其可位於第二板型結構132B與第三板型結構132C之間，如圖2中所展示。此一被動式熱轉移板178可改良由加熱元件118所提供之熱至爐130內之前驅氣體之轉移，且可改良爐130內之溫度之均勻性及一致性。被動式熱轉移板178可包含高發射率值(接近於一)之材料(黑體材料)，其亦能夠承受可在反應室102內遇到之高溫腐蝕性環境。該等材料可包括(例如)發射率值分別為0.98、0.92及0.92之氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)及碳化硼(B4 C)。因此，被動式熱轉移板178可吸收由加熱元件118所發射之熱能，且將熱能再發射至爐130及 其中之一或多種前驅氣體中。
繼續參照圖1，排放及裝載子總成112可包含真空室184，流經反應室102之氣體在該真空室中由真空汲取並自反應室102排放。如圖1中所展示，真空室184可位於反應室102下方。
排放及裝載子總成112可進一步包含吹掃氣體幕裝置186，其組態及定向以提供自吹掃氣體幕裝置186流出並流入真空室184中之流動吹掃氣體之大致平面幕。排放及裝載子總成112亦可包括閘188，其可選擇性打開以用於自基板支撐結構114裝載及/或卸載工件基板116，且選擇性閉合以使用沉積系統100處理工件基板116。由吹掃氣體幕裝置186所發射之吹掃氣體幕可減小或防止在沉積製程期間材料在閘188上發生寄生沉積。
氣態副產物、載氣及任一過量前驅氣體可經由排放及裝載子總成112自反應室102排出。
圖5係圖解說明沉積系統200之另一實施例之平面視圖之示意圖，該沉積系統類似於圖1之沉積系統100，但包括三個位於反應室102之內部區域內之前驅氣體爐130A、130B、130C。因此，前驅氣體爐130A、130B、130C中之每一者皆可用於向反應室102中注入相同或不同前驅氣體。舉例而言且並不加以限制，前驅氣體爐130B可用於將GaCl3 注入反應室102中，前驅氣體爐130A亦可用於將GaCl3 注入反應室102中，且前驅氣體爐130C亦可用於將GaCl3 注入反應室102中。根據另一實例，可使用前驅氣體 爐130B將GaCl3 注入反應室102中，可使用前驅氣體爐130A將InCl3 注入反應室102中，且可使用前驅氣體爐130C將AlCl3 注入反應室102中。視情況，可使用前驅氣體爐130B將第III族元素前驅氣體注入反應室102中以用於沉積III-V半導體材料，且可使用前驅氣體爐130A、130C注入一或多種用於將一或多種摻雜劑元素沉積至III-V半導體材料中之前驅氣體。
如本文所闡述之沉積系統(例如圖1之沉積系統100及圖5之沉積系統200)之實施例可使得能夠將相對較大量高溫前驅氣體引入反應室102中，同時維持前驅氣體在空間上彼此分離直至氣體位於緊鄰在上面沉積材料之工件基板116處為止，此可改良前驅氣體之利用效率。
根據本揭示內容之其他實施例，可使用如本文所闡述之沉積系統(例如圖1之沉積系統100及圖5之沉積系統200)之實施例在工件基板116上沉積半導體材料。
參照圖1，可驅使第III族元素前驅氣體及第V族元素前驅氣體單獨經由氣體流入導管120A-120E中之不同導管流入反應室102中。可驅使第III族元素前驅氣體流經至少一個延伸通過佈置於反應室102內之前驅氣體爐130之前驅氣體流動路徑以加熱第III族元素前驅氣體。
在爐130內加熱第III族元素前驅氣體之後，可在工件基板116上方於反應室102內將第V族元素前驅氣體及第III族元素前驅氣體混合至一起。可將工件基板116之表面暴露於第V族元素前驅氣體及第III族元素前驅氣體之混合物以 在工件基板116之表面上形成III-V半導體材料。
如先前所提及，第III族元素前驅氣體被驅使流經之流動路徑可包括至少一個蛇形組態(例如，室134內之流動路徑之組態)及至少一個經組態以提供第III族元素前驅氣體之層流之區段(例如，室150及室162內之流動路徑之組態)。可驅使第III族元素前驅氣體自至少一個經組態以提供層流之區段流出並流入爐130外側反應室102內之內部區域中。第III族元素前驅氣體可自爐130以在工件基板116上之上表面上方於橫向方向中之第III族元素前驅氣體之片層形式流出，如本文先前所述。
第III族元素前驅氣體可包含中GaCl3 、InCl3 及AlCl3 之一或多者。在該等實施例中，加熱第III族元素前驅氣體可分解GaCl3 、InCl3 及AlCl3 中之至少一者以形成GaCl、InCl、AlCl中之至少一者及氯化物質(例如，HCl)。
本發明之其他非限制性實例性實施例闡述於下文中。
實施例1：一種沉積系統，其包含：至少實質上封閉之反應室，其由頂部壁、底部壁及至少一個側壁界定；基座，其至少部分地佈置於反應室內且經組態以支撐反應室內之基板；及氣體輸入系統，其係用於將一或多種前驅氣體注入反應室中，該氣體輸入系統包含至少一個佈置於反應室內之前驅氣體爐、至少一個延伸通過至少一個前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑。
實施例2：如實施例1之沉積系統，其中至少一個延伸通過至少一個前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑包括至少一個 具有蛇形組態之區段。
實施例3：如實施例1或實施例2之沉積系統，其中至少一個前驅氣體流動路徑具有至少一個經組態以提供一或多種被驅使流經至少一個流動路徑之前驅氣體之層流之區段。
實施例4：如實施例3之沉積系統，其中至少一個經組態以提供層流之區段包括經組態以將一或多種前驅氣體輸出至反應室內之內部區域中之出口。
實施例5：如實施例4之沉積系統，其中出口具有矩形剖面形狀。
實施例6：如實施例4之沉積系統，其中出口經定尺寸及經組態以在基座之上表面上方於橫向方向中輸出流動前驅氣體之片層。
實施例7：如實施例1至6中任一項之沉積系統，其中至少一個前驅氣體流動路徑之最小流動路徑距離為至少約十二英吋。
實施例8：如實施例1至7中任一項之沉積系統，其中沉積系統經組態從而一或多種被驅使流經至少一個前驅氣體流動路徑之前驅氣體在至少一個前驅氣體爐內之滯留時間為至少約0.2秒。
實施例9：如實施例1至8中任一項之沉積系統，其進一步包含至少一個經組態以賦予至少一個前驅氣體爐熱能之加熱元件。
實施例10：如實施例1至9中任一項之沉積系統，其中至 少一個前驅氣體爐包含至少兩個附接至一起且經組態以界定其間至少一個前驅氣體流動路徑之至少一部分之大致平面板。
實施例11：如實施例1至10中任一項之沉積系統，其中至少一個前驅氣體爐包含兩個或更多個前驅氣體爐。
實施例12：如實施例1至11中任一項之沉積系統，其進一步包含：至少一個前驅氣體源；及至少一個經組態以將前驅氣體自前驅氣體源攜載至反應室內之至少一個前驅氣體爐中之導管。
實施例13：如實施例12之沉積系統，其中至少一個前驅氣體源包含GaCl3 、InCl3 及AlCl3 中之至少一者之源。
實施例14：一種沉積半導體材料之方法，其包含：使第III族元素前驅氣體及第V族元素前驅氣體單獨流入反應室中，使第III族元素前驅氣體流經至少一個延伸通過至少一個佈置於反應室內之前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑以加熱第III族元素前驅氣體，在反應室內之至少一個前驅氣體爐內加熱第III族元素前驅氣體之後在基板上方於反應室內混合第V族元素前驅氣體及第III族元素前驅氣體；及將基板表面暴露於第V族元素前驅氣體及第III族元素前驅氣體之混合物以在基板表面上形成III-V半導體材料。
實施例15：如實施例14之方法，其中加熱第III族元素前驅氣體包含分解GaCl3 、InCl3 及AlCl3 中之至少一者以形成GaCl、InCl及AlCl中之至少一者及氯化物質。
實施例16：如實施例15之方法，其中分解GaCl3 、InCl3 及AlCl3 中之至少一者以形成GaCl、InCl及AlCl中之至少一者及氯化物質包含分解GaCl3 以形成GaCl及氯化物質。
實施例17：如實施例14至16中任一項之方法，其中至少一個前驅氣體流動路徑包括至少一個具有蛇形組態之區段，且其中使第III族元素前驅氣體流經至少一個前驅氣體流動路徑包含使第III族元素前驅氣體流經至少一個具有蛇形組態之至少一個前驅氣體流動路徑之區段。
實施例18：如實施例14至17中任一項之方法，其中至少一個前驅氣體流動路徑具有至少一個經組態以提供第III族元素前驅氣體之層流之區段，且其中使第III族元素前驅氣體流經至少一個前驅氣體流動路徑包含使第III族元素前驅氣體流經至少一個經組態以提供第III族元素前驅氣體之層流之區段。
實施例19：如實施例18之方法，其進一步包含使第III族元素前驅氣體自至少一個經組態以提供第III族元素前驅氣體之層流之區段流出並流入反應室內之內部區域中。
實施例20：如實施例19之方法，其中使第III族元素前驅氣體自至少一個經組態以提供第III族元素前驅氣體之層流之區段流出進一步包含在基板上表面上方形成通常於橫向方向中流動之第III族元素前驅氣體的片層。
實施例21：如實施例14至20中任一項之方法，其中使第III族元素前驅氣體流經至少一個延伸通過至少一個前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑包含使第III族元素前驅氣體在至少一個前驅氣體爐內流經至少約十二英吋之最小距離。
實施例22：如實施例14至21中任一項之方法，其中使第III族元素前驅氣體流經至少一個延伸通過至少一個前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑包含使第III族元素前驅氣體在至少一個前驅氣體爐內滯留至少約0.2秒。
實施例23：如實施例14至22中任一項之方法，其進一步包含使用至少一個加熱元件賦予至少一個前驅氣體爐熱能。
上述本發明實施例並不限制本發明範圍，此乃因該等實施例僅係本發明實施例之實例，本發明係由由隨附申請專利範圍之範圍及其合法等效物界定。任何等效實施例皆意欲屬於本發明範圍內。實際上，除彼等展示及闡述於本文中者外，彼等熟習此項技術者自本說明將明瞭本發明之各種修改(例如所闡述要素之替代有用組合)。該等修改亦意欲屬於隨附申請專利範圍之範圍內。
100‧‧‧沉積系統
102‧‧‧反應室
104‧‧‧頂部壁
106‧‧‧底部壁
108A‧‧‧第一側壁
108B‧‧‧第二側壁
110‧‧‧注入子總成
111‧‧‧流體導管
112‧‧‧排放及裝載子總成
114‧‧‧基板支撐結構
116‧‧‧工件基板
118‧‧‧加熱元件
119‧‧‧轉軸
120A‧‧‧氣體流入導管
120B‧‧‧氣體流入導管
120C‧‧‧氣體流入導管
120D‧‧‧氣體流入導管
120E‧‧‧氣體流入導管
122A‧‧‧氣體源
122B‧‧‧氣體源
122C‧‧‧氣體源
122D‧‧‧氣體源
122E‧‧‧氣體源
130‧‧‧前驅氣體爐
130A‧‧‧前驅氣體爐
130B‧‧‧前驅氣體爐
130C‧‧‧前驅氣體爐
132A‧‧‧第一板型結構
132B‧‧‧第二板型結構
132C‧‧‧第三板型結構
132D‧‧‧第四板型結構
132E‧‧‧第五板型結構
134‧‧‧室
136‧‧‧整體隆脊型突出
138‧‧‧入口
140‧‧‧出口
142‧‧‧管狀部件
144‧‧‧密封部件
147A‧‧‧密封特徵
147B‧‧‧密封特徵
148‧‧‧入口
150‧‧‧室
156‧‧‧出口
160‧‧‧入口
162‧‧‧室
164‧‧‧出口
168‧‧‧上表面
170‧‧‧第一群
172‧‧‧第二群
174‧‧‧熱反射或熱絕緣障壁
178‧‧‧被動式熱轉移板
180‧‧‧末端表面
182‧‧‧末端表面
184‧‧‧真空室
186‧‧‧吹掃氣體幕裝置
188‧‧‧閘
200‧‧‧沉積系統
圖1係示意性圖解說明本發明沉積系統之一實例性實施例之剖視透視圖，該沉積系統包括位於反應室之內部區域內之前驅氣體爐；圖2係圖解說明圖1之前驅氣體爐之剖面側視圖，該前驅氣體爐包括複數個結合至一起之大致為板型之結構；圖3係圖1及2之前驅氣體爐之一個大致為板型之結構之俯視平面視圖；圖4係圖1及2之前驅氣體爐之透視圖；且圖5係圖解說明沉積系統之另一實施例之平面視圖之示 意圖，該沉積系統類似於圖1但包括三個位於反應室之內部區域內之前驅氣體爐。
100‧‧‧沉積系統
102‧‧‧反應室
104‧‧‧頂部壁
106‧‧‧底部壁
108A‧‧‧第一側壁
108B‧‧‧第二側壁
110‧‧‧注入子總成
111‧‧‧流體導管
112‧‧‧排放及裝載子總成
114‧‧‧基板支撐結構
116‧‧‧工件基板
118‧‧‧加熱元件
119‧‧‧轉軸
120A‧‧‧氣體流入導管
120B‧‧‧氣體流入導管
120C‧‧‧氣體流入導管
120D‧‧‧氣體流入導管
120E‧‧‧氣體流入導管
122A‧‧‧氣體源
122B‧‧‧氣體源
122C‧‧‧氣體源
122D‧‧‧氣體源
122E‧‧‧氣體源
130‧‧‧前驅氣體爐
168‧‧‧上表面
170‧‧‧第一群
172‧‧‧第二群
174‧‧‧熱反射或熱絕緣障壁
184‧‧‧真空室
186‧‧‧吹掃氣體幕裝置
188‧‧‧閘

Claims (13)

  1. 一種沉積系統，其包含：至少實質上封閉之反應室，其由頂部壁、底部壁及至少一個側壁界定；基座，其至少部分地佈置於該反應室內且經組態以支撐該反應室內之基板；及氣體輸入系統，其用於將一或多種前驅氣體注入該反應室中，該氣體輸入系統包含至少一個佈置於該反應室內之前驅氣體爐、至少一個延伸通過該至少一個前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑，其中該至少一個延伸通過該至少一個前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑包括至少一個具有蛇形組態之區段，且其中該至少一個前驅氣體流動路徑具有至少一個經組態以提供一或多種被驅使流經該至少一個流動路徑之前驅氣體之層流之區段，其中該至少一個經組態以提供層流之區段包括經組態以將一或多種前驅氣體輸出至該反應室內之內部區域中之出口。
  2. 如請求項1之沉積系統，其中該出口具有矩形剖面形狀。
  3. 如請求項1之沉積系統，其中該出口經定尺寸及經組態以在該基座之上表面上方於橫向方向中輸出流動前驅氣體之片層。
  4. 如請求項1之沉積系統，其中該至少一個前驅氣體流動路徑之最小流動路徑距離為至少約十二英吋。
  5. 如請求項1之沉積系統，其進一步包含至少一個經組態 以賦予該至少一個前驅氣體爐熱能之加熱元件。
  6. 如請求項1之沉積系統，其中該至少一個前驅氣體爐包含至少兩個大致為平面之板，該等板附接至一起且經組態以界定其間之該至少一個前驅氣體流動路徑之至少一部分。
  7. 一種沉積半導體材料之方法，其包含：使第III族元素前驅氣體及第V族元素前驅氣體單獨流入反應室中；使該第III族元素前驅氣體流經至少一個延伸通過至少一個佈置於該反應室內之前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑以加熱該第III族元素前驅氣體；其中該至少一個前驅氣體流動路徑包括至少一個具有蛇形組態之區段，且其中使該第III族元素前驅氣體流經至少一個前驅氣體流動路徑包含使該第III族元素前驅氣體流經該至少一個前驅氣體流動路徑中之該至少一個具有該蛇形組態之區段，且其中該至少一個前驅氣體流動路徑具有至少一個經組態以提供該第III族元素前驅氣體之層流之區段，且其中使該第III族元素前驅氣體流經該至少一個前驅氣體流動路徑包含使該第III族元素前驅氣體流經該至少一個經組態以提供該第III族元素前驅氣體之層流之區段；使該第III族元素前驅氣體自至少一個經組態以提供該第III族元素前驅氣體之層流之區段流出並流入該反應室內之內部區域中；在該反應室內之該至少一個前驅氣體爐內加熱該第III 族元素前驅氣體之後，在基板上方於該反應室內混合該第V族元素前驅氣體及該第III族元素前驅氣體；及將該基板之表面暴露於該第V族元素前驅氣體及該第III族元素前驅氣體之混合物以在該基板之該表面上形成III-V半導體材料。
  8. 如請求項7之方法，其中加熱該第III族元素前驅氣體包含分解GaCl3 、InCl3 及AlCl3 中之至少一者以形成GaCl、InCl及AlCl中之至少一者及氯化物質。
  9. 如請求項8之方法，其中分解GaCl3 、InCl3 及AlCl3 中之至少一者以形成GaCl、InCl及AlCl中之至少一者及氯化物質包含分解GaCl3 以形成GaCl及氯化物質。
  10. 如請求項7之方法，其中使該第III族元素前驅氣體自該至少一個經組態以提供該第III族元素前驅氣體之層流之區段流出進一步包含在該基板上表面上方形成通常於橫向方向中流動之該第III族元素前驅氣體的片層。
  11. 如請求項7之方法，其中使該第III族元素前驅氣體流經該至少一個延伸通過至少一個前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑包含使該第III族元素前驅氣體在該至少一個前驅氣體爐內流經至少約十二英吋之最小距離。
  12. 如請求項7之方法，其中使該第III族元素前驅氣體流經該至少一個延伸通過至少一個前驅氣體爐之前驅氣體流動路徑包含使該第III族元素前驅氣體在該至少一個前驅氣體爐內滯留至少約0.2秒。
  13. 如請求項7之方法，其進一步包含使用至少一個加熱元件賦予該至少一個前驅氣體爐熱能。
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