專利名稱：Hvpe噴頭設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例一般涉及例如發(fā)光二極管(LEDs)的器件的制造，更具 體地，涉及用于氫化物氣相外延(HVPE)沉積的噴頭設(shè)計。
背景技術(shù)：
正在發(fā)現(xiàn)ni族氮化物半導(dǎo)體對于例如短波長發(fā)光二極管(LEDs)、激光 二極管(LDs)，以及包括高功率、高頻、高溫晶體管和集成電路的電子器件等的各種半導(dǎo)體器件的發(fā)展和制造更加重要。用于沉積m族氮化物的一種方法是氫化物氣相外延(HVPE)沉積方法。在HVPE中，鹵化物與III族金 屬反應(yīng)以形成含金屬前驅(qū)物(例如，金屬氯化物)。該含金屬前驅(qū)物隨后與含氮氣體反應(yīng)以形成m族金屬氮化物。當(dāng)對LEDs、 LDs、晶體管和集成電路的需求增加時，III族金屬氮化物的 沉積效率變得更加重要。對能夠?qū)⒛ぞ鶆虺练e在大襯底或多層襯底上的具有 高沉積率的沉積裝置和工藝存在全面的需求。另外，期望均勻的前驅(qū)物混合 使襯底上的膜的質(zhì)量一致化。因此，對于改進(jìn)的HVPE沉積方法和HVPE裝 置存在技術(shù)上的需求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明一般涉及用于諸如氫化物氣相外延(HVPE)的沉積工藝中的氣 體傳輸?shù)姆椒ê脱b置。一個實施例提供了在一個或多個襯底上形成金屬氮化物的方法。該方法一般包括經(jīng)一個或多個襯底之上的第一組通路引入含金屬前驅(qū)物氣體，經(jīng)一個或多個襯底之上的第二組通路引入含氮前驅(qū)物氣體，其中第一組通路散 布在第二組通路之間，以及在第一和第二組通路之上朝向所述一個或多個襯 底引入惰性氣體以限制含金屬前驅(qū)物氣體和含氮前驅(qū)物氣體在第一和第二 組通路處或其附近反應(yīng)。一個實施例提供了在一個或多個襯底上形成金屬氮化物的方法。該方法 一般包括經(jīng)一個或多個襯底之上的一組通路引入含金屬前驅(qū)物氣體以及在 該組通路之上引入含氮前驅(qū)物氣體，從而該含氮前驅(qū)物氣體在該組通路之間 朝向所述一個或多個襯底流動。一個實施例提供了用于氫化物氣相外延腔的氣體傳輸裝置。該裝置一般 包括連接到含金屬前驅(qū)物氣體源的第一氣體入口，與該第一氣體入口分開 的第二氣體入口，該第二氣體入口連接到含氮前驅(qū)物氣體源，以及與所述第 一和第二氣體入口分開的一個或多個第三氣體入口 ，該第三氣體入口適于將 氣體沿基本垂直于至少一個襯底的表面的方向引入該腔。一個實施例提供了用于氫化物氣相外延腔的氣體傳輸裝置。該裝置一般 包括連接到含金屬前驅(qū)物氣體源的第一氣體入口以及與該第一氣體入口分 開的第二氣體入口，該第二氣體入口連接到含氮前驅(qū)物氣體源，其中該第二 氣體入口適于將氣體沿基本垂直于至少一個襯底的表面的方向弓I入該腔。


可以結(jié)合在所附權(quán)利要求中描述的實施例得到以上簡要概括的方法，該 方法可以得到本發(fā)明的上述特征并可以被詳細(xì)理解。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的沉積腔的剖面圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴頭組件的剖面透視側(cè)視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴頭組件的俯視剖面圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴頭組件的透視剖面圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴頭組件的氣體通路部件的透視圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴頭組件的頂板部件的透視圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴頭組件的剖面透視側(cè)視圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴頭組件的蒸發(fā)皿(boat)部件的透視圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴頭組件的氣體通路部件的透視圖。 為了容易理解，盡可能采用相同的附圖標(biāo)記以指代圖中公共的相同部件。預(yù)期一個實施例的部件和特征可以有益地結(jié)合進(jìn)其它實施例而不必進(jìn)一然而，要注意的是，附圖僅僅描述了本發(fā)明的示例性實施例，由此不應(yīng) 認(rèn)為是對發(fā)明范圍的限制，因為本發(fā)明允許其它等效實施例。
具體實施方式
本發(fā)明一般提供了用于諸如氫化物氣相外延(HVPE)沉積的沉積工藝 的方法和裝置。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于實現(xiàn)本發(fā)明的HVPE腔 的示意性剖面圖。在美國專利申請Nos.l 1/411,672和11/404,516中描述了適 于實現(xiàn)本發(fā)明的示例性腔，通過參考的方式將它們兩個全文引入。圖1中的裝置100包括圍繞處理部108的腔體102。噴頭組件104設(shè) 置在該處理部108的一端，并且襯底載體11設(shè)置在該處理部108的另一端。 該襯底載體114可包括在處理期間可將一個或多個襯底設(shè)置于其中的一個或 多個凹槽116。該襯底載體114裝載六個或多個襯底。在一個實施例中，該 襯底載體114裝載八個襯底?？梢岳斫獾氖?，在該襯底載體114上可以裝載 更多或更少的襯底。典型的襯底可以是藍(lán)寶石、SiC或硅。襯底尺寸可以為 50mm-100mm或更大的直徑。該襯底載體尺寸可以為200mm-500mm。該襯 底載體可以由各種材料形成，包括SiC或涂有SiC的石墨。可以理解的是， 該襯底可以由藍(lán)寶石、SiC、 GaN、硅、石英、GaAs、 A1N或玻璃構(gòu)成?？?以理解的是，可以在裝置100中并根據(jù)上述工藝處理其它尺寸的襯底。如上 所述，相比于在傳統(tǒng)HVPE腔中，該噴頭組件可以允許更多襯底或更大襯底 上的更均勻的沉積，從而降低了成本。在處理期間，該襯底載體114可以圍 繞其中心軸旋轉(zhuǎn)。在一個實施例中，所述襯底可以在襯底載體114中獨立旋 轉(zhuǎn)。該襯底載體114可以旋轉(zhuǎn)。在一個實施例中，該襯底載體114可以約 2RPM至約100RPM旋轉(zhuǎn)。在另一個實施例中，該襯底載體114可以約30RPM 旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)該襯底載體114有助于提供該處理氣體對每個襯底的均勻曝光。在該襯底載體114之下設(shè)置多個燈130a、 130b。對于多個應(yīng)用，典型燈 配置可以包括該襯底之上(未示出)和之下(未示出)的燈組。 一個實施例 從側(cè)邊并入燈。在某些實施例中，多個燈可以同心圓設(shè)置。例如，燈BOb 的內(nèi)部陣列可包括8個燈，以及燈130a的外部陣列包括12個燈。在本發(fā)明 的一個實施例中，每個燈130a、 130b是單獨供電的。在另一個實施例中，燈130a、 130b的陣列可以位于噴頭組件104之上或之內(nèi)?？梢岳斫獾氖?， 多個燈的其它配置和其它數(shù)量是可能的。燈130a、 130b的陣列可以選擇性 的供電以加熱該襯底載體114的內(nèi)部和外部區(qū)域。在一個實施例中，對作為 內(nèi)部陣列和外部陣列的燈130a、 130b集中供電，其中頂部和底部陣列不是 集中供電就是獨立供電。在又一實施例中，分開的燈或加熱部件可以設(shè)置在 該源蒸發(fā)皿280上方和/或下方?？梢岳斫獾氖?，本發(fā)明不限于燈陣列的應(yīng)用。 可以利用任何適合的熱源以確保將適當(dāng)?shù)臏囟瘸浞值貞?yīng)用到處理腔、其中的 襯底、以及金屬源。例如，可預(yù)期的是可以利用快速熱處理燈系統(tǒng)，例如美 國專利公開No.2006/0018639Al中所說明的，通過參考的方式引入其全文。對一個或多個燈130a、 130b供電以加熱襯底和源蒸發(fā)皿280。燈可以將 該襯底加熱到約900攝氏度至約1200攝氏度。在另一個實施例中，該燈130a、 130b將源蒸發(fā)皿280中的阱820中的金屬源保持在約350攝氏度至約900 攝氏度。在阱820中可以設(shè)置溫差電偶以在處理期間測量金屬源溫度。由溫 差電偶測量的溫度可以反饋到調(diào)節(jié)由加熱燈130a、 130b提供的熱的控制器， 從而必要的話可以控制或調(diào)節(jié)阱820中的金屬源的溫度。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的處理期間，前驅(qū)物氣體106從噴頭組件104 流向襯底表面。該前驅(qū)物氣體106在襯底表面或附近的反應(yīng)可以將包括GaN、 A1N、和InN的各種金屬氮化物層沉積在該襯底上。也可以將多層金屬用于 "組合物膜"的沉積，例如AlGaN和/或InGaN。將處理部108保持在約 760Torr至約100Torr的壓力下。在一個實施例中，將處理部108保持在約 450Torr至約760Torr的壓力下。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖2是圖1的HVPE腔的剖面透視圖。源蒸 發(fā)皿280圍繞該腔體102。金屬源填充該源蒸發(fā)皿280的阱820。在一個實 施例中，該金屬源包括任何合適的金屬源，例如鎵、鋁、或銦，以及基于特 殊應(yīng)用需求所選擇的特殊金屬。鹵化物或鹵素氣體流經(jīng)該源蒸發(fā)皿280的阱 820中的金屬源之上的通道810，并與金屬源反應(yīng)以形成氣態(tài)含金屬前驅(qū)物。 在一個實施例中，HCL與液態(tài)鎵反應(yīng)以形成氣態(tài)GaCl。在另一個實施例中， C12與液態(tài)鎵反應(yīng)以形成GaCl和GaC13。本發(fā)明的另外實施例利用其它卣化 物或鹵素來獲得含金屬氣相前驅(qū)物。合適的氫化物包括具有組合物HX (例 如，X=C1、 Br、和I)的那些材料，并且合適的鹵素包括C12、 Br、和12。對于鹵化物，非平衡反應(yīng)式為HX (氣體)+M (液態(tài)金屬)->MX (氣體)+H (氣體)其中，X=C1、 Br、和I并且M二Ga、 Al或In。對于卣素，該公式為Z (氣體)+M (液態(tài)金屬)->MZ (氣體)其中，X二C12、 Br、和I2并且M二Ga、 Al、 In。以下，包含氣態(tài)金屬 的物質(zhì)將指"含金屬前驅(qū)物"(例如，金屬氯化物)。通過第一組氣體通路，例如管道251，將來自源蒸發(fā)皿280中的反應(yīng)的 含金屬前驅(qū)物氣體216引入該處理部108?？梢岳斫獾氖?，含金屬前驅(qū)物氣 體216可以由源而不是源蒸發(fā)皿280產(chǎn)生。通過第二組通路，例如管道252， 將含氮氣體226引入處理部108。當(dāng)將多個管道的配置顯示為合適的氣體分 布結(jié)構(gòu)的示例以及應(yīng)用在一些實施例中時，設(shè)計為如這里所述提供氣體分布 的不同類型通路的各種其它類型的配置也可以應(yīng)用于其它實施例。如下面更 詳細(xì)的說明，通路的這種配置的示例包括具有(作為多個通路)形成在板中 的氣體分布通道的氣體分布結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，該含氮氣體包括氨。含金屬前驅(qū)物氣體216和含氮氣 體226可以在襯底的表面或其附近反應(yīng)，并且將金屬氮化物沉積到該襯底上。 該金屬氮化物可以約1微米/小時至約60微米/小時的速度沉積到該襯底上。 在一個實施例中，該沉積速度為約15微米/小時至約25微米/小時。在一個實施例中，通過板260，將惰性氣體206引入到處理部108中。 通過使惰性氣體206在含金屬前驅(qū)物氣體216與含氮氣體226之間流動，該 含金屬前驅(qū)物氣體216和含氮氣體226可彼此不接觸并且過早的反應(yīng)以沉積 在不期望的表面上。在一個實施例中，該惰性氣體206包括氫氣、氮氣、氦 氣、氬氣或其組合。在另一個實施例中，用氨氣代替該惰性氣體206。在一 個實施例中，以約lslm至約15slm的速度將該含氮氣體226提供給處理部。 在另一個實施例中，該含氮氣體226與載氣同向流動。該載氣可以包括氮氣 或氫氣或惰性氣體。在一個實施例中，該含氮氣體226與載氣同向流動，以 約Oslm至約15slm的速度提供該載氣。對于鹵化物或鹵素的典型流速為 5-100sccm，但可包括等于5slm的流速。用于鹵化物/卣素氣體的載氣可以是 O.l-lOslm，并且包括之前列出的惰性氣體。由0-10slm的惰性氣體進(jìn)行該鹵 化物/鹵素/載氣混合物的額外稀釋。惰性氣體206的流速是5-40slm。處理壓力在100-1000torr之間變化。典型的襯底溫度是500-1200。C 。該惰性氣體206、含金屬前驅(qū)物氣體216、和含氮氣體226可通過排氣裝置236離開處理部108，排氣裝置236分布在處理部108的周圍。排氣裝置236這樣分布可以提供均勻氣流通過該襯底的表面。如圖3和圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，氣體管道251和氣體管道252可以分散布置。獨立于氣體管道252中的含氮氣體226的流速，可以控制氣體管道251中的含金屬前驅(qū)物氣體216的流速。獨立控制的、交替的氣體管道有助于通過襯底表面的每種氣體的更加均勻的分布，這提供了更好的沉積均勻性。另外，含金屬前驅(qū)物氣體216和含氮氣體226之間的反應(yīng)的程度依賴于 兩種氣體接觸的時間。通過將氣體管道251和氣體管道252設(shè)置為平行于襯 底表面，含金屬前驅(qū)物氣體216和含氮氣體226將在距離氣體管道251和氣 體管道252相等距離的點同時接觸，并且由此將在襯底表面上的所有點反應(yīng) 到相同程度。結(jié)果，利用更大直徑的襯底能夠?qū)崿F(xiàn)沉積均勻性。明顯的是， 襯底表面與氣體管道251和氣體管道252之間距離的變化將支配含金屬前驅(qū) 物氣體216和含氮氣體226反應(yīng)的程度。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例， 在沉積期間，可以改變處理部108的尺寸。同樣，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施 例，氣體管道251與襯底表面之間的距離可以不同于氣體管道252與襯底表 面之間的距離。另外，氣體管道251和氣體管道252之間的間隔也可以防止 含金屬前驅(qū)物氣體和含氮前驅(qū)物氣體之間的反應(yīng)以及在管道251和管道252 或其附近的不必要的沉積。如下所述，惰性氣體也可以在管道251和管道252 之間流動以幫助保持前驅(qū)物氣體之間的間隔。在本發(fā)明的一個實施例中，在板260中可以形成測量觀察點310。在處 理期間，這為發(fā)光測量裝置提供到處理部108的入口。通過對比反射波長與 發(fā)射波長，由干涉計確定膜沉積到襯底上的速度，以實現(xiàn)測量。也可以通過 高溫計測量襯底溫度來實現(xiàn)測量。應(yīng)理解的是，測量觀察點310可以對通常 結(jié)合HVPE使用的任何發(fā)光測量裝置提供入口 。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過構(gòu)造如圖5所示的管道，實現(xiàn)氣體管道 251和氣體管道252的分散。每組管道一定包括連接端口 253，其連接到單 一主管道257，其也連接到多分支管道259。所述多分支管道259中的每個具有管道側(cè)邊的多個氣體端口 255，該管道一般面對襯底載體144。氣體管 道251的連接端口 253可構(gòu)造為設(shè)置在氣體管道252的連接端口 253與處理 部108之間。然后，氣體管道251的主管道257設(shè)置在氣體管道252的主管 道257與處理部108之間。氣體管道252的每個分支管道259可包含與主管 道257鄰近連接的"S"彎曲258，從而氣體管道252的分支管道259的長度 平行于并與氣體管道251的分支管道259排列在一起。類似地，根據(jù)下面討 論的本發(fā)明的另一個實施例，通過構(gòu)造如圖9所示的多個管道，實現(xiàn)氣體管 道251和氣體管道252的分散?？梢岳斫獾氖牵种Ч艿?59的數(shù)量以及由 此相鄰分支管道之間的間隔可以變化。相鄰分支管道259之間的更大的距離 可以減少多個管道的表面上的過早沉積。也可以通過增加相鄰管道之間的間 隔物來減少過早沉積。該間隔物可以垂直于襯底表面設(shè)置，或者可以將該間 隔物彎曲以引導(dǎo)氣流。在本發(fā)明的一個實施例中，該氣體端口 255可形成為 與含氮氣體226成一角度來引導(dǎo)含金屬前驅(qū)物氣體216。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖6顯示了板260。如前所述，經(jīng)分布在板 260表面的多個氣體端口 255，將惰性氣體206引入處理部108。根據(jù)本發(fā)明 的一個實施例，板260的凹口 267容納氣體管道252的主管道257的位置。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，惰性氣體206在氣體管道251的分支管道259與 氣體管道252的分支管道259之間流動，從而保持含金屬前驅(qū)物氣體216氣 流與含氮氣體226的分離，直到該氣體到達(dá)襯底表面。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如圖7所示，經(jīng)板260將含氮氣體226引入 處理部108。根據(jù)該實施例，由氣體管道251的額外分支管道259代替氣體 管道252的分支管道259。從而經(jīng)氣體管道252將含金屬前驅(qū)物氣體引入處 理部108。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖8顯示了源蒸發(fā)皿280的部件。該蒸發(fā)皿 由覆蓋底部(圖8B)的頂部(圖8A)構(gòu)成。結(jié)合該兩個部分制造由阱820 上的通道810構(gòu)成的環(huán)狀槽。如前所述，含氯氣體811流經(jīng)通道810并且可 與阱820中的金屬源反應(yīng)以產(chǎn)生含金屬前驅(qū)物氣體813。根據(jù)本發(fā)明的一個 實施例，經(jīng)氣體管道251將含金屬前驅(qū)物氣體813引入處理部108作為該含 金屬前驅(qū)物氣體216。在本發(fā)明的另一個實施例中，在圖8C所示的稀釋端口中用惰性氣體812稀釋含金屬前驅(qū)物氣體813?？蛇x擇的，在進(jìn)入通道810之前，將惰性氣體 812加入到含氯氣體811中。另外，可以發(fā)生兩個稀釋即，在進(jìn)入通道810 之前將惰性氣體812加入到含氯氣體8U中，以及在通道810的出口加入額 外的惰性氣體812。然后經(jīng)氣體管道251將該稀釋的含金屬前驅(qū)物氣體引入 處理部108作為該含金屬前驅(qū)物氣體216。該含氯氣體811在金屬源上的滯 留時間直接正比于通道810的長度。更長的滯留時間產(chǎn)生了該含金屬前驅(qū)物 氣體216的更高的交換效率。因此，通過用源蒸發(fā)皿280包圍腔體102，可 以構(gòu)造更長的通道810，導(dǎo)致該含金屬前驅(qū)物氣體216的更高的交換效率。 構(gòu)成通道810的頂部(圖8A)或底部(圖8B)的典型直徑是10-12英寸。 通道810的長度是頂部(圖8A)或底部(圖8B)的外圍并且在30-40英寸。 圖9顯示了本發(fā)明的另一個實施例。在該實施例中，改裝氣體管道251 和氣體管道252的主管道257以適應(yīng)處理部108的周長。通過將主管道257 移至該周長，氣體端口 255的密度在襯底表面上會變得更均勻?？梢岳斫獾?是，利用板260的補(bǔ)充改裝，主管道257和分支管道259的另一種設(shè)置是可 能的。本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的是，可以對上述實施例進(jìn)行各種改變，這仍然在 本發(fā)明的范圍之內(nèi)。作為示例，作為內(nèi)部蒸發(fā)皿的替換(或附加)， 一些實 施例可以利用設(shè)置在腔之外的蒸發(fā)皿。對于這些實施例，分離熱源和/或熱氣 體線路可以用于將前驅(qū)物從外部蒸發(fā)皿移至該腔中。對于一些實施例， 一些類型的機(jī)構(gòu)可以用于待重新充滿(例如，用液態(tài) 金屬)設(shè)于腔中的所有蒸發(fā)皿而不必打開該腔。例如，采用注射器和活塞(例 如，類似于大尺寸注射器)的某種類型的裝置可以設(shè)于該蒸發(fā)皿之上，從而 用液態(tài)金屬重新充滿該蒸發(fā)皿而不必打開該腔。對于一些實施例，從連接到內(nèi)部蒸發(fā)皿的外部大型柑鍋將內(nèi)部蒸發(fā)皿填 滿。用分離加熱和溫控系統(tǒng)加熱(例如，電阻性或經(jīng)燈)該坩鍋。可以通過 各種技術(shù)將該坩鍋用于"供給"該蒸發(fā)皿，例如，操作者打開和關(guān)閉手動閥 門的批處理，或通過工藝控制電子裝置和質(zhì)量流控制器。對于一些實施例，瞬間蒸餾技術(shù)可以應(yīng)用于將金屬前驅(qū)物傳送到該腔。 例如，經(jīng)由液體注射器輸送瞬間蒸餾金屬前驅(qū)物以將少量金屬注射到該氣流 中。對于一些實施例，溫度控制的某些形式可以用于將前驅(qū)物氣體保持在最 佳操作溫度。例如，蒸發(fā)皿(內(nèi)部或外部)可以直接接觸地裝配有溫度傳感 器(例如，溫度電偶)，以決定蒸發(fā)皿中的前驅(qū)物的溫度。該溫度傳感器可 以連接到自動反饋溫度控制。作為對于直接接觸溫度傳感器的可選擇性，遠(yuǎn) 程高溫測定法可以應(yīng)用于監(jiān)控蒸發(fā)皿的溫度。對于外部蒸發(fā)皿設(shè)計，可以采用各種不同類型的噴頭設(shè)計(例如，上面 所述的)。該噴頭可以由適合的材料制成，該材料可以經(jīng)受住極端溫度(例如，等于1000。C)，例如SiC或石英或涂有SiC的石墨。如上所述，經(jīng)溫度電偶或遠(yuǎn)程高溫測定法可監(jiān)測管道溫度。對于一些實施例，當(dāng)有必要實現(xiàn)各種目的時，調(diào)整從腔的頂端和底部設(shè) 置的燈組以調(diào)節(jié)管道溫度。該些目的可包括減小管道上的沉積，在沉積工藝 期間保持恒定溫度，并且確保不超過最大溫度范圍(以便于減少由熱壓引起 的損傷)。圖5A-圖5B、圖6、圖8A-圖8C和圖9A-圖犯中顯示的部件可以由任 何適合的材料構(gòu)成，例如，SiC、涂有SiC的石墨、和/或石英，并且可以具 有任何合適的物理尺寸。例如，對于一些實施例，圖5A-圖5B和圖9A-圖 9B中顯示的該噴頭管道可以具有l(wèi)-10mm的厚度(例如，在某些應(yīng)用中 2mm)。還可以防止來自化學(xué)蝕刻和/或腐蝕的損傷的方式來構(gòu)造多個管道。例 如，所述多個管道可以包括例如SiC的某種類型的覆蓋物或減小來自化學(xué)蝕 刻和腐蝕的某些其它覆蓋物。作為可選擇的，或另外的，通過與蝕刻和腐蝕 屏蔽開的隔離部分來圍繞該多個管道。對于一些實施例，當(dāng)分支管道可為SiC時，主管道(例如，中心管道)可以是石英。在一些應(yīng)用中，存在形成在多個管道上的沉積的風(fēng)險，例如通過阻塞氣 體端口影響性能。對于一些實施例，為了防止或減小沉積，將某種阻隔物(例 如，擋板或板)放置于多個管道之間。這些阻隔物可以設(shè)計成可移除的和可 容易替換的，從而便于維護(hù)和修理。對于一些實施例，當(dāng)在此說明采用分支管道的噴頭設(shè)計時，可以用設(shè)計 成實現(xiàn)相似功能的不同類型的構(gòu)造來代替該管道構(gòu)造。作為示例，對于一些 實施例，傳輸通道和孔可以鉆入單片板，在氣體與主腔隔離和傳輸進(jìn)該主腔的方面，該板提供與管道相似的功能?？蛇x擇的，除了單片，分配板可以通 過多層部分構(gòu)造，該多層部分能以某些方式密接在一起或安裝(例如，結(jié)合、 焊接或蒸鍍)。對于其它實施例，可形成涂有SiC的固體石墨管道，并且隨后移除該石 墨以保留一系列通道和孔。對于一些實施例，可以用其中形成有孔的各種形 狀(例如，橢圓形、圓形、矩形或正方形)的清潔的或不透明的石英板構(gòu)成噴頭?？梢詫⒑线m的尺寸化的管材(例如，具有2mmlDX4mmOD)熔化為 用于氣體傳輸?shù)陌?。對于一些實施例，各種部件可以由不相似的材料形成。在某些情況下， 進(jìn)行測量以確保部件密封安全和防止漏氣。作為示例，對于一些實施例，擋 圈用于將石英管道安全密封進(jìn)金屬部分，從而防止漏氣。該擋圈可由任何合 適的材料形成，例如，允許由不同數(shù)量導(dǎo)致該部分延伸和緊縮的不相同部分 的熱膨脹不同，其導(dǎo)致該部分或漏氣的損傷。如上所述(例如，參見圖2)，鹵化物和卣素氣體用于沉積工藝中。另 外，前述鹵化物和鹵素用作用于反應(yīng)器的原位清洗的蝕刻劑氣體。該清洗過 程可包括使鹵化物或鹵素氣體(有或沒有惰性載氣)流入該腔中。在100-1200 "C的溫度下，蝕刻劑氣體可以移除來自反應(yīng)器墻壁和表面的沉積物。蝕刻劑 氣體的流速在l-20slm變化并且惰性載氣的流速在0-20slm變化。相應(yīng)的壓 力可在lOO-lOOOtorr變化，并且腔溫度可在20-1200。C變化。此外，前述鹵化物和鹵素氣體可用于襯底的預(yù)處理工藝，例如，促進(jìn)高 質(zhì)量膜生長。 一個實施例可包括使鹵化物或卣素氣體經(jīng)管道251或經(jīng)板260 流入該腔中而不流經(jīng)蒸發(fā)皿280。惰性載氣和/或稀釋氣體可與鹵化物或鹵素 氣體合成。同時NH3或相似的含氮前驅(qū)物可以流經(jīng)管道252。預(yù)處理的其它 實施例可包括僅使具有或不具有惰性氣體的含氮前驅(qū)物流動。另外的實施例 可以包括一系列兩個或多個不連續(xù)的步驟，對于持續(xù)時間、氣體、流速、溫 度和壓力，每個所述步驟是不同的。對于鹵化物或鹵素的典型流速是 50-1000sccm，但是包括等于5slm的流速。用于鹵化物/鹵素氣體的載氣可以 是l-40slm，并且包括以前列出的惰性氣體。鹵化物/鹵素載氣混合物的額外 稀釋可以用0-10slm流速的惰性氣體發(fā)生。NH3的流速在l-30slm之間并且 典型的比蝕刻劑氣體流速快。處理壓力可在100-1000torr之間變化。典型的襯底溫度范圍是500-1200°C。另外，產(chǎn)生C12等離子體用于清洗/沉積工藝。進(jìn)一歩，在此說明的腔可 作為美國專利申請序列號11/404,516中所述的多腔系統(tǒng)的一部分，在此通過 引用引入其全文。如在此說明的，包括遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器作為腔硬件的一 部分，能應(yīng)用于這里所述的HVPE腔。用于在申請中所述的沉積和清洗工藝 的氣體線路和工藝控制硬件/軟件也可以應(yīng)用于在此所述的HVPE腔。對于一 些實施例，含氯氣體或等離子體可以在頂板之上傳輸，例如圖6所示，或經(jīng) 傳輸含Ga前驅(qū)物的管道傳輸。可以采用的等離子體類型不限于氯，而可以 包括粉糠劑、碘酒、溴。用于產(chǎn)生等離子體的源氣可以是卣素，例如C12、 Br、 12，或者包含7A族元素的氣體，例如NF3。雖然前述的內(nèi)容關(guān)注于本發(fā)明的實施例，但是可以設(shè)計本發(fā)明的其它和 進(jìn)一步的實施例而不偏離它的基本范圍，并且其范圍由隨后的權(quán)利要求書確 定。
權(quán)利要求
1、一種在一個或多個襯底上形成金屬氮化物的方法，包括經(jīng)所述一個或多個襯底上方的第一組通路，引入一個或多個含金屬前驅(qū)物氣體；經(jīng)所述一個或多個襯底上方的第二組通路，引入含氮前驅(qū)物氣體，其中所述第一組通路分散于所述第二組通路中；以及在所述第一和第二組通路上方向所述一個或多個襯底引入惰性氣體以限制所述含金屬前驅(qū)物氣體和含氮前驅(qū)物氣體在所述第一和第二組通路處或其附近反應(yīng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二組通路 中的每一個通路包括中空主管道；一個或多個中空分支管道，液態(tài)連接到所述主管道并基本平行于所述一 個或多個襯底的表面設(shè)置；以及多個氣體端口，形成在所述分支管道中，從而所述分支管道中的氣體向 所述一個或多個襯底方向離開所述分支管道。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于每個所述主管道位于二等分襯底載體的表面的線之上，該襯底載體支撐 所述一個或多個襯底；以及每個分支管道從所述主管道以及從該主管道兩側(cè)伸出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于每個所述主管道位于描述襯底載體表面的周長的一半的弧形之上，該襯 底載體支撐所述一個或多個襯底；以及每個所述分支管道通過所述襯底載體的表面從^f述主管道伸出，該襯底 載體支撐所述一個或多個襯底。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使鹵化物或鹵素氣體流經(jīng)設(shè)置在襯底載體的表面周邊的環(huán)形蒸發(fā)皿，該 襯底載體支撐所述一個或多個襯底，所述蒸發(fā)皿包含選自由鎵、鋁和銦構(gòu)成 的組群的至少一種金屬，在此形成含金屬前驅(qū)物氣體；以及經(jīng)所述一個或多個襯底上方的第一組通路，引入含金屬前驅(qū)物氣體。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一歩包括在將所述鹵化物或鹵素氣體引入所述環(huán)狀蒸發(fā)皿中之前，用惰性氣體稀 釋所述鹵化物或鹵素氣體；以及使所述稀釋的鹵化物或鹵素氣體流經(jīng)所述環(huán)狀蒸發(fā)皿。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括-在將所述一個或多個含金屬前驅(qū)物氣體引入所述第一組通路中之前，用 惰性氣體稀釋所述一個或多個含金屬前驅(qū)物氣體；以及使所述稀釋的一個或多個含金屬前驅(qū)物氣體流經(jīng)所述一個或多個襯底 上方的第一組通路。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括在將所述鹵化物或鹵素氣體引入所述環(huán)狀蒸發(fā)皿中之前，用惰性氣體稀 釋所述鹵化物或鹵素氣體；使所述稀釋的鹵化物或鹵素氣體流經(jīng)所述環(huán)狀蒸發(fā)皿；在將所述一個或多個含金屬前驅(qū)物氣體弓I入所述第一組通路中之前，用 惰性氣體稀釋所述一個或多個含金屬前驅(qū)物氣體；以及使所述稀釋的一個或多個含金屬前驅(qū)物氣體流經(jīng)所述一個或多個襯底 上方的第一組通路。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述含氮前驅(qū)物氣體包括 NH3，并且含金屬氣體包括GaCl，其中所述GaCl由液態(tài)鎵和氣態(tài)HC1形成。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述含氮前驅(qū)物氣體包括 NH3，含金屬氣體包括GaCl，其中所述GaCl由液態(tài)鎵和氣態(tài)C12形成。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述含氮前驅(qū)物氣體包括 NH3，并且該含金屬氣體由包含Ga、 Al或In的至少一種的液態(tài)金屬形成， 并且鹵化物包括HC1、 Hbr、 ffl中的至少一種，或者鹵素包括C12、 Br、 12 中的至少一種。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)引入所述一種或多種含金屬前驅(qū)物氣體和所述含氮前驅(qū)物氣體時，旋 轉(zhuǎn)所述一個或多個襯底中的至少一個。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括經(jīng)所述第一和第二組通路中的至少一個，通過引入鹵化物HC1、 Hbr、 HI中的至少一種或者包括C12、 Br、 I的鹵素中的至少一種，執(zhí)行清洗工藝。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括由包括C12、 Br、 12、 NF3中的至少一個的源氣體以及包含一個或多個 7A族元素的另一種氣體產(chǎn)生等離子體；以及將所產(chǎn)生的等離子體用于清洗工藝和沉積工藝中的至少一個。
15、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括 監(jiān)視所述蒸發(fā)皿中的前驅(qū)物的溫度；以及基于所述蒸發(fā)皿中的所述前驅(qū)物的監(jiān)視溫度控制所述蒸發(fā)皿中的溫度。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使鹵化物或鹵素氣體流經(jīng)延伸至包括所述襯底的處理腔的環(huán)狀蒸發(fā)皿， 以形成含金屬前驅(qū)物氣體，所述蒸發(fā)皿在此包含選自由鎵、鋁和銦組成的組 群中所選的至少一個金屬；以及將所述含金屬前驅(qū)物氣體引入所述第一組通路以形成所述含金屬前驅(qū) 物氣體。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括 監(jiān)視所述蒸發(fā)皿中的前驅(qū)物的溫度；以及基于所述蒸發(fā)皿中的所述前驅(qū)物的監(jiān)視溫度控制所述蒸發(fā)皿中的溫度。
18、 一種在一個或多個襯底上形成金屬氮化物的方法，包括 經(jīng)所述一個或多個襯底上方的第一組通路，引入一個或多個含金屬前驅(qū)物氣體；以及在所述通路組上方引入含氮前驅(qū)物氣體，從而所述含氮前驅(qū)物氣體在所 述通路組之間流向所述一個或多個襯底。
19、 權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括排除所述含金屬前驅(qū)物氣體、所述含氮前驅(qū)物氣體中的至少一種，并使 其反應(yīng)產(chǎn)物快速離開所述一個或多個襯底的表面中心。
20、 一種用于氫化物氣相外延腔的氣體傳輸裝置，包括 第一組通路，提供含金屬前驅(qū)物氣流；第二組通路，提供含氮前驅(qū)物氣流；以及一個或多個氣體入口，在所述第一和第二組通路上方，用于經(jīng)所述第一 和第二組通路引導(dǎo)氣體以促進(jìn)所述含金屬前驅(qū)物氣流和所述含氮前驅(qū)物氣 流之間在所述第一和第二組通路處或其附近的分離。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于所述第一和第二組通路中的每一個包括中空主管道，位于所述至少一個襯底的表面上方；一個或多個中空分支管道，液態(tài)連接到所述主管道并設(shè)置于所述至少一 個襯底的表面上方并基本平行于所述至少一個襯底的表面；以及多個氣體端口，形成在所述分支管道中，從而所述分支管道中的氣體向 所述至少一個襯底方向離開所述分支管道；其中，所述第二氣體入口的分支管道分散于所述第一氣體入口的分支管道。
22、 權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所述中空主管道和中空分支 管道由不同材料構(gòu)成。
23、 權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所述氣體入口中的至少一個 包括板，設(shè)置于所述第一和第二氣體入口上方并基本平行于所述第一和第二 氣體入口；以及多個氣體端口，形成在所述板中，從而所述氣體在所述第一和第二組通 路的分支管道之間流向所述至少一個襯底的表面。
24、 權(quán)利要求23所述的裝置，進(jìn)一步包括觀察孔，形成在所述板中并連接到一個或多個光檢測器件。
25、 權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于 所述分支管道中的每一個從所述主管道及其兩側(cè)伸出。
26、 權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于 所述主管道中的每一個沿由主管道形成的弧形設(shè)置；以及 所述分支管道中的每一個穿過所述腔延伸，從所述主管伸出道。
27、 權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于從源傳輸出所述含金屬前驅(qū) 物氣體包括位于源蒸發(fā)皿和所述第一組通路之間的稀釋端口 。
28、 權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于所述含金屬前驅(qū)物氣體包括: 環(huán)狀設(shè)置于所述腔的周長周圍的源蒸發(fā)皿，所述蒸發(fā)皿包含選自由鎵、鋁和銦組成的組群中的至少一種。
29、 權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于所述第一和第二組通路中的 至少一個形成在分布板中，該分布板具有形成于此的多個前驅(qū)物傳輸通道， 用于保持所述含金屬前驅(qū)物氣體和所述含氮前驅(qū)物氣體之間的間隔。
30、 權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于所述分布板至少部分由石英 材料構(gòu)造。
31、 權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于所述第一和第二組通路中的 至少一個包括具有多個分布通道中的至少一個以及形成于其中的多個孔的多個石墨 管道。
32、 權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于所述石墨管道涂有SiC。
33、 一種用于氫化物氣相外延腔的氣體傳輸裝置，包括第一氣體入口，連接到含金屬前驅(qū)物氣體源；以及第二氣體入口，與所述第一氣體入口分開，所述第二氣體入口與含氮前 驅(qū)物氣體源連接，其中所述第二氣體入口適于在基本垂直于所述至少一個襯 底的表面的方向?qū)怏w引入所述腔中。
34、 權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于所述第一氣體入口包括位于所述至少一個襯底的表面上方的中空主通 道，連接到所述主通道并位于所述至少一個襯底的表面上方并基本平行于所 述至少一個襯底的表面的一個或多個中空分支管道，以及形成在所述分支管 道中的多個氣體端口，從而所述分支管道中的氣體向著所述至少一個襯底的方向離開所述分支管道； 以及所述第二氣體入口包括位于所述第一氣體入口上方并基本平行于所述 第一氣體入口的板以及形成在所述板中的多個氣體端口 ，從而氣體在所述第 一氣體入口的所述分支管道之間流向所述至少一個襯底的表面。
35、 權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于所述含金屬前驅(qū)物氣體源包括源蒸發(fā)皿，環(huán)狀圍繞所述腔的周長設(shè)置，所述蒸發(fā)皿包含由鎵、鋁和銦 所組成的組群中的至少一種；以及稀釋端口，設(shè)置在所述源蒸發(fā)皿和所述第一氣體入口之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氫化物氣相外延(HVPE)噴頭設(shè)計，更具體地提供一種可以用于沉積工藝中的方法和裝置，例如金屬氮化物膜的HVPE沉積。第一組通路可引入含金屬前驅(qū)物氣體。第二組通路可提供含氮前驅(qū)物氣體。分散所述第一和第二組通路以分開所述含金屬前驅(qū)物氣體和所述含氮前驅(qū)物氣體直到它們到達(dá)襯底。惰性氣體還可流經(jīng)所述通道以幫助保持間距和限制所述通路處或其附近的反應(yīng)，從而防止所述通路上的不需要的沉積。
文檔編號C23C16/448GK101328579SQ20071016535
公開日2008年12月24日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月24日
發(fā)明者亞歷山大·塔姆, 奧爾加·克里萊克, 尤里·梅爾尼克, 布賴恩·H·羅伯斯, 桑迪普·尼杰霍安, 羅納德·史蒂文斯, 肯里克·T·喬伊, 薩姆埃德霍·阿卡賴亞, 雅各布·格雷森 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司