專利名稱：Hvpe噴頭設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)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(jì)。
背景技術(shù)：
正在發(fā)現(xiàn)III族氮化物半導(dǎo)體對(duì)于例如短波長(zhǎng)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III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?dú)怏w反應(yīng)以形成III族金屬氮化物。當(dāng)對(duì)LEDs、LDs、晶體管和集成電路的需求增加時(shí)，III族金屬氮化物的沉積效率 變得更加重要。對(duì)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(duì) 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?法和裝置。一個(gè)實(shí)施例提供了一種在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成金屬氮化物層的方法，包括使 金屬源暴露于包含氯(CI2)的第一處理氣體以形成金屬鹵化物氣體，其中該金屬源包含選 自由鎵、鋁和銦構(gòu)成的組群中的元素；以及使一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于氮前驅(qū)物氣體和該金 屬鹵化物氣體以在所述一個(gè)或多個(gè)襯底的表面上形成金屬氮化物層?！獋€(gè)實(shí)施例提供了一種在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成含金屬氮化物層的方法，包括 使鋁源暴露于包含氯(Cl2)的第一處理氣體以形成金屬前驅(qū)物氣體；使設(shè)置在處理腔中的 處理部?jī)?nèi)的一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于一部分形成的所述金屬前驅(qū)物氣體和氮前驅(qū)物氣體以 在所述一個(gè)或多個(gè)襯底上形成含氮化鋁層；使液態(tài)鎵源暴露于包含氯(Cl2)的第二處理氣 體以形成鎵前驅(qū)物氣體；以及使所述一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于一部分形成的所述鎵前驅(qū)物氣 體和氮前驅(qū)物氣體以在所述一個(gè)或多個(gè)襯底上形成含氮化鎵層。一個(gè)實(shí)施例提供了一種在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成金屬氮化物層的方法，包括使 設(shè)置在沉積腔的處理部中的一個(gè)或多個(gè)襯底以及腔部件的表面暴露于金屬鹵化物氣體和 氮前驅(qū)物氣體以在所述一個(gè)或多個(gè)襯底上形成含氮化鎵層；從所述處理部移除所述一個(gè)或 多個(gè)襯底；以及使所述腔部件暴露于包含鹵素氣體的清洗氣體，其中所述清洗氣體適于去 除在該腔部件上形成的至少一部分所述金屬氮化物層。
一個(gè)實(shí)施例提供了一種用于在一個(gè)或多個(gè)襯底上沉積金屬氮化物層的襯底處理 腔，包括限定處理部的處理腔，在該金屬氮化物層沉積期間，在該處理部中設(shè)置一個(gè)或多 個(gè)襯底；具有槽的液態(tài)金屬源蒸發(fā)皿，其配置成保留液態(tài)金屬，其中該槽與該處理部流體 連通；以及鹵素氣體源，其與該槽流體連通，其中該鹵素氣體源配置成將鹵素氣體傳輸?shù)皆摬邸Ｒ粋€(gè)實(shí)施例提供了在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成金屬氮化物的方法。該方法一般包 括經(jīng)一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(gè)實(shí)施例提供了在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成金屬氮化物的方法。該方法一般包 括經(jīng)一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)襯底流動(dòng)。一個(gè)實(shí)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(kāi)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(kāi)的一個(gè)或多個(gè) 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(gè)襯底的表面的方向引入 該腔。一個(gè)實(shí)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(kāi)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(gè)襯底的表面的方向引入該腔。


可以結(jié)合在所附權(quán)利要求中描述的實(shí)施例得到以上簡(jiǎn)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(gè)實(shí)施例的沉積腔的剖面圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)施例的部件和特征可以有益地結(jié)合進(jìn)其它實(shí)施例而不必進(jìn)一步重復(fù)。然而，要注意的是，附圖僅僅描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，由此不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)發(fā) 明范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明允許其它等效實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式本發(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(gè)實(shí)施例的用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的HVPE腔的示意性剖面圖。在美國(guó) 專利申請(qǐng)Nos. 11/411,672和11/404,516中描述了適于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示例性腔，通過(guò)參考 的方式將它們兩個(gè)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(gè)或多個(gè)襯底設(shè)置于其中的一個(gè)或多個(gè)凹槽116。該襯底載體114裝載六 個(gè)或多個(gè)襯底。在一個(gè)實(shí)施例中，該襯底載體114裝載八個(gè)襯底。可以理解的是，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、AlN或玻璃構(gòu)成?？梢岳斫獾氖?，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(gè)實(shí)施例中，所述襯底可以在襯底載體114中獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。該襯底載體114可以旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，該襯底載體114可以約2RPM至約 100RPM旋轉(zhuǎn)。在另一個(gè)實(shí)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(duì)每個(gè)襯底的均勻曝光。在該襯底載體114之下設(shè)置多個(gè)燈130a、130b。對(duì)于多個(gè)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(gè)實(shí)施例從側(cè)邊并入燈。在某些實(shí) 施例中，多個(gè)燈可以同心圓設(shè)置。例如，燈130b的內(nèi)部陣列可包括8個(gè)燈，以及燈130a的 外部陣列包括12個(gè)燈。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)燈130a、130b是單獨(dú)供電的。在另 一個(gè)實(shí)施例中，燈130a、130b的陣列可以位于噴頭組件104之上或之內(nèi)。可以理解的是，多 個(gè)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(gè)實(shí)施例中，對(duì)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(dú)立供電。在又一實(shí)施例中，分開(kāi) 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(guó)專利公開(kāi) No. 2006/0018639A1中所說(shuō)明的，通過(guò)參考的方式引入其全文。對(duì)一個(gè)或多個(gè)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(gè)實(shí)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(cè)量金屬源溫度。由溫差電偶測(cè)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(gè)實(shí)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、AlNdP 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IOOTorr的壓力下。在一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)施例中，HCL與液態(tài)鎵反應(yīng)以形成氣態(tài)GaCl。在另一個(gè)實(shí)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(shí)施例利用其它鹵化物或鹵素 來(lái)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 = Cl、Br、和I)的那 些材料，并且合適的鹵素包括C12、Br、和12。對(duì)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 = Cl、Br、和I并且M = Ga、Al或In。對(duì)于鹵素，該公式為Z (氣體)+M (液態(tài)金屬)-> MZ (氣體)其中，乂 = (12、81~、和12并且11 = 6￡1、41、111。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(guò)第一組氣體通路，例如管道251，將來(lái)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(guò)第二組通路，例如管道252，將含氮?dú)怏w226引入處理部108。當(dāng)將多 個(gè)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(shí)施例中時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)施例。如 下面更詳細(xì)的說(shuō)明，通路的這種配置的示例包括具有(作為多個(gè)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(gè)實(shí)施例中，該含氮?dú)怏w包括氨。含金屬前驅(qū)物氣體216和含氮?dú)怏w226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(shí)至約60微米/小時(shí)的速度沉積到該襯底上。在一個(gè)實(shí)施例中，該沉積速度為 約15微米/小時(shí)至約25微米/小時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)板260，將惰性氣體206引入到處理部108中。通過(guò)使惰性 氣體206在含金屬前驅(qū)物氣體216與含氮?dú)怏w226之間流動(dòng)，該含金屬前驅(qū)物氣體216和含 氮?dú)怏w226可彼此不接觸并且過(guò)早的反應(yīng)以沉積在不期望的表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，該 惰性氣體206包括氫氣、氮?dú)?、氦氣、氬氣或其組合。在另一個(gè)實(shí)施例中，用氨氣代替該惰性 氣體206。在一個(gè)實(shí)施例中，以約Islm至約15slm的速度將該含氮?dú)怏w226提供給處理部。 在另一個(gè)實(shí)施例中，該含氮?dú)怏w226與載氣同向流動(dòng)。該載氣可以包括氮?dú)饣驓錃饣蚨栊?氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，該含氮?dú)怏w226與載氣同向流動(dòng)，以約Oslm至約15slm的速度提 供該載氣。對(duì)于鹵化物或鹵素的典型流速為5-lOOsccm，但可包括等于5slm的流速。用于 鹵化物/鹵素氣體的載氣可以是0. 1-lOslm，并且包括之前列出的惰性氣體。由O-IOslm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IOO-IOOOtorr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?dú)怏w226可通過(guò)排氣裝置236離開(kāi)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(guò)該襯底的表面。 如圖3和圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，氣體管道251和氣體管道252可以 分散布置。獨(dú)立于氣體管道252中的含氮?dú)怏w226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(dú)立控制的、交替的氣體管道有助于通過(guò)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?dú)怏w226之間的反應(yīng)的程度依賴于兩種氣體 接觸的時(shí)間。通過(guò)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?dú)怏w226將在距離氣體管道251和氣體管道252相等距離的點(diǎn)同時(shí)接觸， 并且由此將在襯底表面上的所有點(diǎn)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?dú)怏w226反應(yīng)的程度。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(dòng)以幫助保持前驅(qū)物氣體之間的間隔。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在板260中可以形成測(cè)量觀察點(diǎn)310。在處理期間，這 為發(fā)光測(cè)量裝置提供到處理部108的入口。通過(guò)對(duì)比反射波長(zhǎng)與發(fā)射波長(zhǎng)，由干涉計(jì)確定 膜沉積到襯底上的速度，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。也可以通過(guò)高溫計(jì)測(cè)量襯底溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。應(yīng)理 解的是，測(cè)量觀察點(diǎn)310可以對(duì)通常結(jié)合HVPE使用的任何發(fā)光測(cè)量裝置提供入口。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)構(gòu)造如圖5所示的管道，實(shí)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(gè)具有管道側(cè)邊的多個(gè)氣體端口 255，該管道 一般面對(duì)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(gè)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(zhǎng)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(gè)實(shí)施例，通過(guò)構(gòu)造如 圖9所示的多個(gè)管道，實(shí)現(xiàn)氣體管道251和氣體管道252的分散。可以理解的是，分支管道 259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(gè)管道的表面上的過(guò)早沉積。也可以通過(guò)增加相鄰管道之間的間隔物來(lái)減 少過(guò)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(gè)實(shí)施例中，該氣體端口 255可形成為與含氮?dú)怏w226成一角度來(lái)弓I導(dǎo)含金屬 前驅(qū)物氣體216。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(gè)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(dòng)，從而保持含金屬前驅(qū)物氣體216氣流與含氮?dú)怏w226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(gè)實(shí)施例，如圖7所示，經(jīng)板260將含氮?dú)怏w226引入處理部108。 根據(jù)該實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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。可選擇的，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(gè)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811 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(shí)間直接正比于通道810的長(zhǎng)度。更長(zhǎng)的滯留時(shí)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(guò)用源蒸發(fā)皿280包圍腔體102，可以構(gòu)造更長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)實(shí)施例。在該實(shí)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(zhǎng)。通過(guò)將主管道257移至該周長(zhǎng)，氣體端口 255 的密度在襯底表面上會(huì)變得更均勻。可以理解的是，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(duì)上述實(shí)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(shí)施例可以利用設(shè)置在腔之 外的蒸發(fā)皿。對(duì)于這些實(shí)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(duì)于一些實(shí)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(kāi)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(kāi)該腔。對(duì)于一些實(shí)施例，從連接到內(nèi)部蒸發(fā)皿的外部大型坩鍋將內(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(guò)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(kāi)和關(guān)閉手動(dòng)閥門的批處理，或通過(guò)工藝控制電子裝置和 質(zhì)量流控制器。對(duì)于一些實(shí)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(duì)于一些實(shí)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
10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(dòng)反饋溫度控制。作為對(duì)于直 接接觸溫度傳感器的可選擇性，遠(yuǎn)程高溫測(cè)定法可以應(yīng)用于監(jiān)控蒸發(fā)皿的溫度。對(duì)于外部蒸發(fā)皿設(shè)計(jì)，可以采用各種不同類型的噴頭設(shè)計(jì)(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(cè)定法可監(jiān)測(cè)管道溫度。對(duì)于一些實(shí)施例，當(dāng)有必要實(shí)現(xiàn)各種目的時(shí)，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(guò)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9B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(duì)于一些實(shí)施例，圖5A-圖5B和圖9A-圖9B中顯示的該噴頭管道可以具有I-IOmm的 厚度(例如，在某些應(yīng)用中2mm)。還可以防止來(lái)自化學(xué)蝕刻和/或腐蝕的損傷的方式來(lái)構(gòu)造多個(gè)管道。例如，所述 多個(gè)管道可以包括例如SiC的某種類型的覆蓋物或減小來(lái)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(guò)與蝕刻和腐蝕屏蔽開(kāi)的隔離部分來(lái)圍繞該多個(gè)管 道。對(duì)于一些實(shí)施例，當(dāng)分支管道可為SiC時(shí)，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(gè)管道上的沉積的風(fēng)險(xiǎn)，例如通過(guò)阻塞氣體端口影 響性能。對(duì)于一些實(shí)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(gè)管道之間。這些阻隔物可以設(shè)計(jì)成可移除的和可容易替換的，從而便于維護(hù)和修理。對(duì)于一些實(shí)施例，當(dāng)在此說(shuō)明采用分支管道的噴頭設(shè)計(jì)時(shí)，可以用設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)相 似功能的不同類型的構(gòu)造來(lái)代替該管道構(gòu)造。作為示例，對(duì)于一些實(shí)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?？?選擇的，除了單片，分配板可以通過(guò)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(duì)于其它實(shí)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(duì)于一些實(shí)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2mmIDX4mm0D)熔化為用于氣體傳輸?shù)陌?。?duì)于一些實(shí)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(cè)量以 確保部件密封安全和防止漏氣。作為示例，對(duì)于一些實(shí)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(jiàn)圖2)，鹵化物和鹵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(guò)程可包括使鹵化物或鹵素氣 體(有或沒(méi)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(lái)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IOO-IOOOtorr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(zhǎng)。一個(gè)實(shí)施例可包括使鹵化物或鹵素氣體經(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(shí)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(shí)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(dòng)。另外的實(shí)施例可以包括一系列兩個(gè)或多個(gè)不連續(xù)的步驟，對(duì)于持續(xù)時(shí)間、氣體、 流速、溫度和壓力，每個(gè)所述步驟是不同的。對(duì)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O-IOslm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IOO-IOOOtorr 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)一步，在此說(shuō)明的腔可作為美國(guó) 專利申請(qǐng)序列號(hào)11/404，516中所述的多腔系統(tǒng)的一部分，在此通過(guò)引用引入其全文。如在 此說(shuō)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(qǐng)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(duì)于一些實(shí)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?？梢圆捎玫牡入x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鹵素，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(shí)施例，但是可以設(shè)計(jì)本發(fā)明的其它和進(jìn)一步的 實(shí)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
一種在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成金屬氮化物層的方法，包括使金屬源暴露于包含氯(Cl2)的第一處理氣體以形成金屬鹵化物氣體，其中該金屬源包含選自由鎵、鋁和銦構(gòu)成的組群中的元素；以及使一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于氮前驅(qū)物氣體和該金屬鹵化物氣體以在所述一個(gè)或多個(gè)襯底的表面上形成金屬氮化物層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬源包括鎵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在使所述金屬源暴露于該第一處理氣體 之前，所述鎵被加熱到約350°C至900°C之間的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述使一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于氮前驅(qū)物 氣體和該金屬鹵化物氣體還包括加熱所述一個(gè)或多個(gè)襯底到約900°C至約1200°C之間的 溫度，并且使其中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)襯底的處理部建立約IOOTorr至約760Torr之間的壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使另一金屬源暴露于包含氯(CI2)的第二處理氣體以形成另一金屬鹵化物氣體，其中 該另一金屬源包含選自由鎵、鋁和銦構(gòu)成的組群中的元素，并且該金屬源和該另一金屬源 分別包括的元素不同；以及所述使一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于氮前驅(qū)物氣體和該金屬商化物氣體進(jìn)一步包括使一個(gè) 或多個(gè)襯底暴露于氮前驅(qū)物氣體、該金屬鹵化物氣體和該另一金屬鹵化物氣體以在所述一 個(gè)或多個(gè)襯底的表面上形成該金屬氮化物層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮前驅(qū)物氣體包括氨。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在形成該金屬氮化物層之前，在預(yù)處理工 藝期間使所述一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于包含氯(CI2)的預(yù)處理氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該預(yù)處理氣體還包括氯化鎵或氨。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在形成該金屬氮化物層之前，在預(yù)處理工 藝期間使所述一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于包含氨的預(yù)處理氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)襯底包括選自由藍(lán)寶 石、硅和氮化鋁構(gòu)成的組群中的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)襯底包括兩個(gè)或更多個(gè) 襯底，并且使所述兩個(gè)或更多個(gè)襯底暴露于該金屬鹵化物氣體和該氮前驅(qū)物氣體以形成金 屬氮化物層進(jìn)一步包括以約2rpm至約IOOrpm旋轉(zhuǎn)所述兩個(gè)或更多個(gè)襯底。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述使一個(gè)或多個(gè)襯底暴露進(jìn)一步包括使用前驅(qū)物氣體分布結(jié)構(gòu)將所述金屬鹵化物氣體傳輸至所述一個(gè)或多個(gè)襯底的表面；以及使用氮前驅(qū)物氣體分布結(jié)構(gòu)將所述氮前驅(qū)物氣體傳輸至所述一個(gè)或多個(gè)襯底的表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述氮前驅(qū)物氣體分布結(jié)構(gòu)設(shè)置成與 所述一個(gè)或多個(gè)襯底的表面保持一定距離并配置成引導(dǎo)所述氮前驅(qū)物氣體朝向所述一個(gè) 或多個(gè)襯底，并且所述前驅(qū)物氣體分布結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述氮前驅(qū)物氣體分布結(jié)構(gòu)與所述一個(gè) 或多個(gè)襯底的表面之間。
14.一種在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成含金屬氮化物層的方法，包括2使鋁源暴露于包含氯(Cl2)的第一處理氣體以形成金屬前驅(qū)物氣體； 使設(shè)置在處理腔中的處理部?jī)?nèi)的一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于一部分形成的所述金屬前驅(qū) 物氣體和氮前驅(qū)物氣體以在所述一個(gè)或多個(gè)襯底上形成含氮化鋁層；使液態(tài)鎵源暴露于包含氯(CI2)的第二處理氣體以形成鎵前驅(qū)物氣體；以及 使所述一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于一部分形成的所述鎵前驅(qū)物氣體和氮前驅(qū)物氣體以在 所述一個(gè)或多個(gè)襯底上形成含氮化鎵層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述含氮化鋁層和所述含氮化鎵層在 相同的處理腔內(nèi)形成。
16. 一種在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成金屬氮化物層的方法，包括使設(shè)置在沉積腔的處理部中的一個(gè)或多個(gè)襯底以及腔部件的表面暴露于金屬鹵化物 氣體和氮前驅(qū)物氣體以在所述一個(gè)或多個(gè)襯底上形成含氮化鎵層； 從所述處理部移除所述一個(gè)或多個(gè)襯底；以及使所述腔部件暴露于包含鹵素氣體的清洗氣體，其中所述清洗氣體適于去除在該腔部 件上形成的至少一部分所述金屬氮化物層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述鹵素氣體包括氯(Cl2)氣或氟(F2)氣。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，使所述腔部件暴露于清洗氣體進(jìn)一步 包括加熱所述腔部件到約100°C至約1200°C之間的溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，加熱所述腔部件包括從一個(gè)或多個(gè)燈 向所述腔部件傳輸能量。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述腔部件包括具有形成在其中的多 個(gè)端口的頂板，所述多個(gè)端口配置成接收來(lái)自清洗氣體源的清洗氣體并且將該清洗氣體傳 輸?shù)匠练e腔的處理部。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括將所述清洗氣體通過(guò)第一氣體分布結(jié)構(gòu)傳輸至該處理部；以及 在所述金屬氮化物層形成期間，將金屬商化物氣體通過(guò)第二氣體分布結(jié)構(gòu)傳輸至該處 理部。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述第一氣體分布結(jié)構(gòu)設(shè)置成與所述 一個(gè)或多個(gè)襯底的表面保持一定距離，并且所述第二氣體分布結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第一氣體分 布結(jié)構(gòu)與所述一個(gè)或多個(gè)襯底的表面之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在使所述腔部件暴露于清洗氣體之前， 使用等離子體對(duì)該清洗氣體增加能量。
24.一種用于在一個(gè)或多個(gè)襯底上沉積金屬氮化物層的襯底處理腔，包括限定處理部的處理腔，在該金屬氮化物層沉積期間，在該處理部中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)襯底；具有槽的液態(tài)金屬源蒸發(fā)皿，其配置成保留液態(tài)金屬，其中該槽與該處理部流體連通；以及鹵素氣體源，其與該槽流體連通，其中該鹵素氣體源配置成將鹵素氣體傳輸?shù)皆摬邸?br> 25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的襯底處理腔，其特征在于，所述鹵素氣體源包含氯(Cl2)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的襯底處理腔，進(jìn)一步包括與所述槽連接的惰性氣體源，其 中所述惰性氣體源配置成將惰性氣體傳輸至該槽以使至少一部分形成的金屬商化物氣體 流入該處理部。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的襯底處理腔，進(jìn)一步包括第一氣體分布結(jié)構(gòu)，其與該處理部流體連通，其中該商素氣體源配置成通過(guò)該第一氣 體分布結(jié)構(gòu)將氯(Cl2)氣或氟(F2)氣傳輸至該處理部；以及第二氣體分布結(jié)構(gòu)，其配置成將金屬鹵化物氣體傳輸至該處理部，其中該鹵素氣體源 配置成將鹵素氣體傳輸至該槽以形成金屬鹵化物氣體。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的襯底處理腔，其特征在于，該鹵素氣體源與該處理部流體 連通，并且配置成傳輸包括氯(Cl2)或氟(F2)的鹵素氣體以清洗在該處理部中設(shè)置的腔部 件的表面。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的襯底處理腔，其特征在于，該鹵素氣體源配置成傳輸該鹵 素氣體以清洗在該處理部中設(shè)置的腔部件的表面，并且將該鹵素氣體傳輸至該槽以在其中 形成金屬鹵化物氣體，其中該鹵素氣體包括氯(Cl2)。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的襯底處理腔，進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)襯底加熱元件，其配置成將所述一個(gè)或多個(gè)襯底加熱到約900°C至約 1200°C之間的溫度。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的襯底處理腔，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)襯底加熱元件 是燈。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的襯底處理腔，進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)液態(tài)金屬源蒸發(fā)皿加熱元件，其配置成將該槽加熱到約350°C至約900°C 之間的溫度。
33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的襯底處理腔，進(jìn)一步包括設(shè)置在該處理部中的襯底載體，其中該襯底載體配置成在該金屬氮化物層沉積期間支 撐所述一個(gè)或多個(gè)襯底；以及一個(gè)或多個(gè)第一加熱元件，其配置成加熱該襯底載體到約900°C至約1200°C之間的溫度。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的襯底處理腔，進(jìn)一步包括旋轉(zhuǎn)器件，其配置成在處理期間旋轉(zhuǎn)該襯底載體。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的襯底處理腔，其特征在于，所述襯底載體由包括SiC或石墨 的材料形成。
36.根據(jù)權(quán)利要求24所述的襯底處理腔，進(jìn)一步包括具有形成在其中的多個(gè)端口的頂板，所述端口與該處理部流體連通；以及氮?dú)庠?，其配置成通過(guò)所述端口傳輸含氮?dú)怏w，并且將其傳輸至該處理部。
37.根據(jù)權(quán)利要求24所述的襯底處理腔，進(jìn)一步包括具有形成在其中的多個(gè)端口的頂板，所述端口與該處理部流體連通；以及鹵素氣體源，其配置成通過(guò)所述端口傳輸鹵素氣體，并且將其傳輸至該處理部。
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(jì)，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。一種在一個(gè)或多個(gè)襯底上形成金屬氮化物層的方法，包括使金屬源暴露于包含氯(Cl2)的第一處理氣體以形成金屬鹵化物氣體，其中該金屬源包含選自由鎵、鋁和銦構(gòu)成的組群中的元素；以及使一個(gè)或多個(gè)襯底暴露于氮前驅(qū)物氣體和該金屬鹵化物氣體以在所述一個(gè)或多個(gè)襯底的表面上形成金屬氮化物層。
文檔編號(hào)C23C16/34GK101914759SQ20101017113
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)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(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司