TWI488997B - 以熱化氣體注入器產生增量前驅氣體及以此等注入器進行材料沉積之方法 - Google Patents
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Description
一般而言，本發明之實施例係關於在底材上沉積材料之系統，此等系統之元件，以及製造和使用此等元件及系統之方法。更具體而言，本發明之實施例係關於在底材上沉積三五族半導體材料之化學氣相沉積系統，此等系統之元件，以及製造和使用此等元件及系統之方法。
化學氣相沉積(CVD)為一種用來在底材上沉積固態材料之化學製程，普遍使用於半導體裝置之製造。在化學氣相沉積製程中，一底材曝露在一種或多種試劑氣體下，該些氣體以引起一固態材料在底材表面上沉積的方式進行反應，分解，或兩者皆有。
在習知技術中，一CVD製程之具體類型稱為氣相磊晶(VPE)。在VPE製程中，一底材在反應室內曝露於一種或多種試劑蒸汽下，該些氣體以引起一固態材料在底材表面上磊晶沉積的方式進行反應，分解，或兩者皆有。VPE製程經常用來沉積三五族半導體材料。當一VPE製程中的試劑蒸汽其中之一包括氫化物蒸汽時，該種製程可稱為氫化物氣相磊晶(HVPE)製程。
HVPE製程係用於形成三五族半導體材料，例如氮化鎵(GaN)。在此等製程中，底材上的GaN磊晶生長是由氯化鎵(GaCl)與氨氣(NH3)之間的氣相反應而引起，該氣相反應是在一溫度升高至大約介於500℃及1,000℃之間的反應室內進行。NH3可從一標準的氨氣來源供應之。
在一些方法中，提供GaCl蒸汽的方式是讓氯化氫(HCl)
氣(可從一標準的HCl氣來源供應之)通過加熱的液態鎵(Ga)上方，以便在反應室內原地形成GaCl。液態鎵可以加熱至一大約介於750℃及850°C之間的溫度。GaCl及NH3則可以被導向至一加熱底材，例如一半導體材料之晶圓，的表面(例如其上方)。於2001年1月30日核發予Solomon等人之美國專利6,179,913號揭露了一用於此等系統及方法之氣體注入系統，該專利之完整揭露茲以此述及方式納入本文。
在此等系統中，反應室可能需要對周圍環境開放，以補充液態鎵之來源。此外，在此等系統中，反應室可能無法原地予以清潔。
為解決此等問題，已有人開發出使用一前驅物GaCl3外部來源之方法及系統，將前驅物GaCl3直接注入反應室。此等方法及系統之範例揭示於，舉例而言，美國專利申請公開案號US 2009/0223442 A1中，其係於2009年9月10日以Arena等人之名公開，該專利申請公開之完整揭露茲以此述及方式納入本文。
此概要係為了以簡要形式介紹許多概念，這些概念將於本發明一些示範性實施例之詳細敘述中進一步說明。此概要之目的並非指出申請之專利標的之主要特點或基本特點，亦非用來限制申請專利標的之範圍。
在一些實施例中，本發明包含在一底材上沉積材料之方法，例如一半導體材料。一來源氣體可予以引入一熱化氣體注入器，該來源氣體可在該熱化氣體注入器內被熱分解，而形成一前驅氣體及一副產物。該副產物可以在該熱化氣體注入器內與一液態試劑反應，以形成額外的前驅氣體。該前驅氣體及額外的前驅氣體可以從熱化氣體注入器注入一反應室內的空間，材料便可以在使用該前驅氣體的反應室內被沉積於底材上。
在額外的實施例中，本發明包含將一種或多種氣體注入一沉積系統反應室內之熱化氣體注入器。該些熱化氣體注入器包括一進氣口，一熱化管道，用於容納一液態試劑之一液體容器，及一排氣口。一途徑從該進氣口延伸，通過該熱化管道至該液體容器一內部空間，然後從該
液體容器之內部空間延伸至該排氣口。該熱化管道具有一長度，該長度可以大於該進氣口與該液體容器間的最短距離。
在其他實施例中，本發明包含沉積系統，該些沉積系統包括一反應室及至少一熱化氣體注入器，該熱化氣體注入器係用於將一種或多種氣體注入該反應室。該熱化氣體注入器包括一進氣口，一熱化管道，用於容納一液態試劑之一液體容器，及一排氣口。一途徑從該進氣口延伸，通過該熱化管道至該液體容器一內部空間，然後從該液體容器之內部空間延伸至該排氣口。該熱化管道具有一長度，該長度可以大於該進氣口與該液體容器間的最短距離。
100、600‧‧‧沉積系統
102‧‧‧反應室
104‧‧‧底材支撐構造
106‧‧‧工作件底材
108‧‧‧加熱組件
110‧‧‧驅動主軸
112‧‧‧驅動裝置
114A、114B、114C‧‧‧氣體流入管道
116A、116B、116C‧‧‧氣體端口
117A、117B、117C‧‧‧氣閥
118A、118B、118C‧‧‧氣體分散管道
120‧‧‧開口
124‧‧‧傳熱板
126、204‧‧‧排氣口
128A、128B、128C‧‧‧氣體來源
150A、150B、150C、200、400‧‧‧氣體注入器
202‧‧‧進氣口
206、406‧‧‧熱化管道
212‧‧‧底部壁面
214‧‧‧頂部壁面
216‧‧‧側壁面
210‧‧‧容器
220‧‧‧虛線
222‧‧‧空間
224‧‧‧管狀物
226‧‧‧開口
230‧‧‧排氣管道
300、500‧‧‧熱化氣體注入器
302‧‧‧被動加熱組件
304‧‧‧主動加熱組件
306‧‧‧絕緣套
450‧‧‧外殼
452‧‧‧進氣端口
454‧‧‧排氣端口
502‧‧‧管道
藉由參考以下本發明示範性實施例之詳細說明，可更充分了解本發明，該些實施例圖解於所附圖式內，其中：圖1A為一橫剖面圖，其綱要性地呈現本發明一沉積系統之示範性實施例，該沉積系統包括一反應室及至少一如本文所述之氣體注入器；圖1B為沿著圖1A中的剖面線1B-1B呈現該圖所示反應室之橫剖面示意圖；圖2綱要性地呈現本發明一氣體注入器之示範性實施例，一個或多個該氣體注入器可以用於本發明沉積系統之實施例中，例如圖式1之沉積系統；圖3為圖2之氣體注入器一部分之放大剖視圖；圖4綱要性地呈現本發明一氣體注入器之另一實施例，其與圖2所示者相似，但更包含主動及被動加熱組件；圖5綱要性地呈現本發明一氣體注入器之另一示範性實施例，一個或多個該氣體注入器可以用於本發明沉積系統之實施例中，例如圖式1之沉積系統；圖6綱要性地呈現本發明一氣體注入器之另一實施例，其與圖2所示者相似，但更包含主動及被動加熱組件；圖7綱要性地呈現本發明一氣體注入器之另一實施例，
一個或多個該氣體注入器可以用於將前驅氣體注入本發明之沉積系統實施例內的反應室中，例如圖式1之沉積系統；及圖8綱要性地呈現本發明一沉積系統之另一示範性實施例。
本文所提出之說明並非對任何特定元件，裝置，或系統之實際意見，僅為用來描述本發明實施例之理想化陳述。
本文引用了一些參考資料，為了所有目的，該些參考資料之完整揭露茲以此述及方式納入本文。此外，所引用之參考資料，不論本文如何描述其特點，均不予承認為相對於本發明申請專利標的之習知技術。
本文所用「三五族半導體材料」一詞係指並包含至少主要包括元素週期表中一種或多種IIIA族元素(B，Al，Ga，In及Ti)與一種或多種VA族元素(N，P，As，Sb及Bi)之任何半導體材料。舉例而言，三五族半導體材料包括但不限於GaN，GaP，GaAs，InN，InP，InAs，AlN，AlP，AlAs，InGaN，InGaP，InGaNP，等等。
近來已發展出改良的氣體注入器，以供將前驅物GaCl3自其外部來源注入反應室之方法及系統採用，此等方法及系統如前述之美國專利申請公開案號US 2009/0223442 A1所揭露者。此等氣體注入器之範例揭露於，舉例而言，美國專利申請案號61/157,112內，該專利申請係在2009年3月3日以Arena等人之名提出，該申請之完整揭露茲以此述及方式納入本文。本文所用「氣體」一詞包含氣體(既無獨立形狀，亦無容積之流體)及蒸汽(含有擴散液體或固態物懸浮其中之氣體)，且「氣體」及「蒸汽」兩詞在本文作同義詞使用。
本發明之實施例包括並使用新的氣體注入器，如下文進一步詳細說明者。在一些實施例中，沉積系統100可以包括一CVD反應室，亦可以包括一VPE反應室(例如，一HVPE反應室)。作為非限定性質之範例，沉積系統100可以包括一沉積系統，其如上文提及之美國專利申請公開案號US 2009/0223442 A1所述，或如上文提及之美國專利申請案號
61/157,112所述。參閱圖1A及1B，以下為本發明之沉積系統100一實施例之非限定性質範例，該沉積系統包含一反應室102及一個或多個氣體注入器(如下文進一步詳細說明)。
在以下之沉積系統100(更明確而言，為沉積系統100之反應室102)說明中，「縱向」及「橫向」兩詞係指從圖1A及1B的觀點而言相對於反應室102之方向，其中，縱向係指從圖1A觀點而言之垂直方向，以及延伸至圖1B之平面之方向；橫向或側向則係指分別從圖1A及1B觀點而言水平延伸之方向。橫向亦指延伸「橫越反應器」之方向。
沉積系統100包含反應室102，一用於支撐一個或多個工作件底材106之底材支撐構造104(例如，一承受器)，欲達到在沉積系統100內，於該些工作件底材上進行沉積或以其他方式提供材料。舉例而言，工作件底材106可以包括晶粒或晶圓。沉積系統100更包括加熱組件108(圖1B)，其可以用於選擇性地加熱沉積系統100，以便在沉積製程期間將反應室102內的平均溫度控制在理想的升高溫度內。加熱組件108可以包括，舉例而言，電阻加熱組件或輻射加熱組件。
如圖1B所示，底材支撐構造104可以安裝在一主軸110上，該主軸可以耦合(例如，直接結構耦合，磁力耦合，等等)至一諸如電動馬達之驅動裝置112上，該驅動裝置係用於驅動主軸110之旋轉，進而驅動反應室102內底材支撐構造104之旋轉。
在一些實施例中，反應室102，底材支撐構造104，驅動主軸110，以及反應室102內任何其他元件中的一個或多個，可以至少實質上包括一諸如陶瓷氧化物(例如，二氧化矽(石英)，氧化鋁，氧化鋯，等等)之耐火陶瓷材料，一碳化物(例如，碳化矽，碳化硼，等等)，或一氮化物(例如，氮化矽，氮化硼，等等)。
沉積系統100更包含一用於將一種或多種氣體注入反應室102，以及將氣體從反應室102排出之氣體流量系統。參考圖1A，沉積系統100可以包含三個氣體流入管道114A，114B，114C，其分別自氣體來源128A，128B，128C攜帶氣體。或者，可使用氣閥117A，117B，117C，以便分別透過該些氣體流入管道114A，114B，114C選擇性地控制氣體流
量。
在一些實施例中，該些氣體來源128A，128B，128C至少其中之一可以包括一外部之GaCl3，InCl3，或AlCl3來源，如美國專利申請公開案號US 2009/0223442 A1所述。而GaCl3，InCl3，及AlCl3可以以二聚物之形式存在，例如Ga2Cl6，In2Cl6，及Al2Cl6。因此，該些氣體來源128A，128B，128C至少其中之一可以包括一諸如Ga2Cl6，In2Cl6，或Al2Cl6之二聚物。作為一非限定性質之範例，該些氣體來源128A，128B，128C中的一個或多個可以在每小時大約25公克以上，或甚至每小時大約50公克以上的質量流量(mass flow)下，提供帶有一三族前驅物成分之GaCl3蒸汽。此外，在一些實施例中，該些氣體來源128A，128B，128C中的一個或多個可能有能力維持此一流量達至少500次沉積製程，1,000次沉積製程，2,000次沉積製程，或甚至3,000次沉積製程。
在實施例中，當該些氣體來源128A，128B，128C中的一個或多個為一GaCl3來源，或其包含一GaCl3來源時，該GaCl3來源可以包含一貯存器，貯存器內之液態GaCl3維持在一至少為120℃之溫度(例如約130℃)下，該GaCl3來源亦可以包含提高液態GaCl3蒸發率之物理方法。此等物理方法可以包括，例如，一用於攪拌液態GaCl3之裝置，一用於噴灑液態GaCl3之裝置，一用於使載體氣體快速流過液態GaCl3之裝置，一用於使載體氣體起泡通過液態GaCl3之裝置，一以超音波方式散佈液態GaCl3之俯衝(dive)，例如一壓電裝置，以及諸如此類者。作為一非限定性質之範例，可在液態GaCl3維持在一至少為120℃之溫度下時，使一載體氣體，例如He，N2，H2或Ar，起泡通過該液態GaCl3，如此一來，該來源氣體便可以包含一種或多種載體氣體。
在本發明一些實施例中，GaCl3蒸汽進入該些氣體注入器150A，150B，150C中的一個或多個之通量(flux)可予以控制。例如，在使一載體氣體起泡通過液態GaCl3之實施例中，來自該些氣體來源128A，128B，128C之GaCl3通量，取決於一個或多個因素，包括，舉例而言，GaCl3的溫度，GaCl3上方的壓力，以及起泡通過GaCl3之載體氣體的流量。雖然GaCl3之質量通量(mass flux)原則上可受前述任何參數所
控制，但在一些實施例中，可藉由使用一質量流量控制器變化載體氣體之流量，從而控制GaCl3之質量通量。
在一些實施例中，該些氣體來源128A，128B，128C中的一個或多個可以有能力容納約25公斤以上，或約35公斤以上，或甚至約50公斤以上的GaCl3。例如，GaCl3來源可以有能力容納介於大約50公斤至100公斤之間的GaCl3(例如，介於大約60及70公斤之間)。此外，GaCl3的多個來源可用一分歧管連結起來，使該些氣體來源128A，128B，128C形成單一來源，可從一氣體來源轉換至另一氣體來源，而無需中斷操作及/或沉積系統100之使用。在沉積系統100維持運轉的情況下，用磬的氣體來源可予以移除，並以新的、裝滿的氣體來源替換之。
在一些實施例中，該些氣體流入管道114A，114B，114C的溫度可以控制在介於該些氣體來源128A，128B，128C的溫度與該些氣體注入器150A，150B，150C的溫度之間。該些氣體流入管道114A，114B，114C之溫度，以及相關之質量流量感測器，控制器，及諸如此類的溫度，可以從該些氣體來源128A，128B，128C各自出口處之第一溫度(例如約120℃以上)，逐漸增加至該些氣體注入器150A，150B，150C處之第二溫度(例如約160℃以下)，以避免氣體(例如GaCl3蒸汽)在該些氣體流入管道114A，114B，114C內發生凝結及其他諸如此類的情況。或者，介於各個氣體來源128A，128B，128C與各個氣體注入器150A，150B，150C之間的氣體流入管道114A，114B，114C的長度，可為大約3英呎或更短，亦可為大約2英呎或更短，或甚至為大約1英呎或更短。來源氣體的壓力可使用一個或多個壓力控制系統予以控制。
每一氣體流入管道114A，114B，114C分別延伸至一各自的氣體注入器150A，150B，150C，其各種不同的實施例將於下文中詳細揭露。
在額外的實施例中，沉積系統100可以包含少於三個(例如，一或二個)的氣體流入管道及各自的氣體注入器，或者，沉積系統100可以包含超過三個(例如，四個，五個，等等)的氣體流入管道及各自的氣體注入器。
在圖1A及1B的實施例中，該些氣體注入器150A，150B，150C完全位於反應室102外面。但在其他實施例中，該些氣體注入器150A，150B，150C可以完全配置於反應室102裡面，或該些氣體注入器150A，150B，150C的至少一部分可以局部延伸通過反應室102。
沉積系統100可以更包含三個氣體端口116A，116B，116C，提供反應室102外部及內部間的流體連通。每一氣體端口116A，116B，116C可以穿過反應室102的一個或多個壁面，頂板，或底板，在介於一各自的氣體注入器150A，150B，150C與反應室102內一各自的氣體分散管道118A，118B，118C之間提供流體連通。
反應室102內的該些氣體分散管道118A，118B，118C可以用於將氣體攜至該封閉體內的理想位置，且可以在沿著該些氣體分散管道118A，118B，118C的選定位置處包含開口120。開口120的所在位置及組構，可以讓氣體朝選定方向注入反應室102內部，該選定方向係相對於底材支撐構造104上承載之工作件底材106。
如圖1A及1B所示，該些氣體分散管道118A，118C可以彼此相交，如此一來，兩管道內的氣體便可以在穿過開口120排出前混合在一起。因此，該些氣體分散管道118A，118C所攜帶的氣體，諸如前驅氣體及載體氣體，可以沿縱向流過反應室102(從圖1A觀點而言之垂直方向)，並縱向在反應室102內從開口120處朝著往工作件底材106延伸之方向注出，其注出方向至少實質上平行於工作件底材106之曝露主要上表面。而氣體分散管道118B所攜帶的氣體，諸如前驅氣體及載體氣體，亦可以沿縱向流過反應室102，並縱向通過反應室102，從氣體分散管道118B之開口120處朝著往工作件底材106延伸之方向注出，其注出方向至少實質上平行於工作件底材106之曝露主要上表面。
可使用管道支撐治具，將該些氣體分散管道118A，118B，118C支撐並固持於反應室102的適當位置。
此處該些氣體分散管道118A，118B，118C之具體配置及組構，僅為眾多可用於本發明實施例之配置及組構之一，且本發明之沉積系統100之額外實施例可以在反應室102內具有不同的氣體分散管道組
構及配置。
該些氣體分散管道118A，118B，118C可予以主動加熱，被動加熱，或被動與主動加熱並行。舉例而言，產熱組件(未顯示)可以定置在鄰近該些氣體分散管道118A，118B，118C的至少一部分之處。在一些實施例中，該些氣體分散管道118A，118B，118C係由加熱組件108予以加熱。或者，被動傳熱構造(例如，包含表現類似一黑體之材料之構造)可以安置在鄰近或接近反應室102內該些氣體分散管道118A，118B，118C的至少一部分之處，以改進對該些氣體分散管道118A，118B，118C之熱傳遞。
反應室102內可以提供被動傳熱構造(例如，包含表現類似一黑體之材料之構造)，諸如美國專利申請公開案號US 2009/0214785 A1所揭露者，其係於2009年8月27日以Arena等人之名公開，該專利申請公開之完整揭露茲以此述及方式納入本文。舉例而言，一傳熱板124(在圖1A及1B中以虛線表示)可以定置於反應室102內，該傳熱板124延伸跨越反應室102，並位於底材支撐構造104與由其所支撐的工作件底材106上方。該傳熱板124可藉由吸收來自加熱組件(例如加熱組件108)的熱輻射，協助熱化流至傳熱板124附件之製程氣體，並將所吸收的熱能再輻射至製程氣體。
此種被動傳熱構造可以改進反應室102內部的熱傳遞，且可以改進反應室內溫度的均勻性及一致性。該被動傳熱構造可以包括具備高發射率值(接近完全發射)(黑體材料)之材料，該些材料亦耐得住在沉積系統100內可能遭遇之高溫及腐蝕性環境。此等材料可以包括，例如，氮化鋁(AlN)，碳化矽(SiC)，及碳化硼(B4C)，其具有之發射率值分別為0.98，0.92，及0.92。
氣態副產物，載體氣體，及任何多餘的前驅氣體，可以經由一排氣口126從反應室102排出。
如前所述，圖1A及1B中沉積系統100之該些氣體注入器150A，150B，150C中的一個或多個可以為或包含下文進一步詳述之各種氣體注入器實施例之一。
在一些實施例中，本發明一氣體注入器可以包含一如美國專利申請案號61/157,112所述之熱化氣體注入器，但更包含用於容納一液態試劑之一貯存器，該液態試劑係用來與一來源氣體(或一來源氣體之分解或反應產物)反應。舉例而言，該貯存器可以用於容納一液態金屬或其他元素，例如，液態鎵(Ga)，液態鋁(Al)，或液態銦(In)。在本發明之其他實施例中，該貯存器可用於容納一固態試劑以便與一來源氣體(或一來源氣體之分解或反應產物)反應。舉例而言，該貯存器可以用於容納一種或多種材料之固體體積，例如，固態矽(Si)或固態鎂(Mg)。
圖2為本發明一氣體注入器200一實施例之透視圖。如圖2所示，該氣體注入器200包含一進氣口202，一排氣口204，一熱化管道206，及一容器210。該容器210係用於容納一液態試劑。舉例而言，一液態金屬，例如液態鎵，液態銦，液態鋁，等等，可置於該容器210內。一來源氣體，例如GaCl3，及一種或多種載體氣體(例如，H2)，可供應至該進氣口202。該來源氣體可以從進氣口202流入熱化管道206。熱化管道206可用於將流過該熱化管道206之來源氣體予以加熱一段理想時間(亦即，一滯留時間)，該理想時間可以為以下三者之函數：熱化管道206內流動路徑的截面積，來源氣體通過熱化管道206的流量，及熱化管道206的總長度。如下文所進一步詳細討論，熱化管道206可加以塑形及組構，使其位於接近一個或多個主動或被動加熱組件之處。
此外，熱化管道206可以包含一個或多個彎曲段或轉折，如此一來，熱化管道206所佔據實體空間的長度，會顯著小於熱化管道206內流動路徑的實際長度。換言之，熱化管道206的長度可以大於進氣口202與液體容器210間的最短距離。在一些實施例中，熱化管道206的長度可以至少大約為進氣口202與液體容器210間最短距離的兩倍，三倍，或甚至四倍。舉例而言，熱化管道206可以具有一盤繞組構，如圖2所示，其包含多個大致平行的筆直段，以端對端的方式，由角度延伸至180°的彎曲段連結在一起。
熱化管道206可以包括一管狀物，該管狀物至少實質上包含一耐火材料，例如石英。
在一些實施例中，來源氣體可以在熱化管道206內至少部分分解。例如，在實施例中，當來源氣體包括GaCl3及一包含H2的載體氣體時，該來源氣體可分解以形成氣態的GaCl及氯化氫(HCl)。
該些氣體從熱化管道206流進容器210。圖3為容器210之部分放大剖視圖。如圖3所示，該容器210包含一底部壁面212，一頂部壁面214，及至少一側壁面216。在圖2及圖3之實施例中，該貯存器具有一一般圓柱形狀，因此，底部壁面212及頂部壁面214皆具有一圓形形狀，且至少實質上為平面，而側壁面216至少實質上為圓柱形(例如，圓筒狀)。在本發明的額外實施例中，該貯存器可以為其他幾何外形。底部壁面212，頂部壁面214，及至少一側壁面216共同界定出一空心體，該空心體之內部則界定出一貯存器以容納一液態試劑，例如液態鎵。
空心容器210內部空間的一部分可以裝入一液態試劑。舉例而言，容器210可以裝入一液態試劑至圖3中虛線220所示之高度，如此一來，容器210內的液態試劑上方便有一空位或空間222。從熱化管道206流出的氣體可以注入容器210內液態試劑上方的空間222。作為一非限定性質之範例，從熱化管道206流出的氣體可以流過底部壁面212，然後流入一管狀物224。在一些實施例中，該管狀物224可以包括熱化管道206延伸進容器210的組成部分。管狀物224可以延伸穿過置於液體容器內的液態試劑，到達液態試劑上方的空間222。管狀物224可以包括一九十度的彎曲，如此一來，管狀物224一末端部分便會水平延伸於液態試劑上方。
如圖3所示，可以穿透管狀物224圓柱形側壁，在面對液態試劑表面的一側提供一開口，如此一來，流過管狀物224的氣體便會通過開口226而離開管狀物224。對於離開開口226的氣體，可將之從該開口處往液態試劑表面的方向引導，以促進氣體的一種或多種成分與液態試劑間的反應。例如，在實施例中，當來源氣體包括一諸如H2的載體氣體內所攜帶之GaCl3，且來源氣體已在熱化管道206內分解為包含氣態GaCl及一諸如氯化氫(HCl)之氯化物種時，液體容器內的液態試劑可以包括液態鎵，液態鎵可以與在熱化管道206內產生的氯化氣體(例如，HCl)反應，以形成額外的氣態GaCl。在容器210內液態試劑上方空間222中的
氣體，可以經由一排氣端口228流出該容器。舉例而言，該排氣端口228可以位於容器頂部壁面214處，管狀物224水平延伸部分的上方。排氣端口228可以通向一排氣管道230，該排氣管道的末端可以界定為氣體注入器200的排氣口204。
容器210的各種元件可以至少實質上包括一耐火材料，例如石英。
GaCl可以為一形成GaN之理想前驅氣體。因此，將多餘的氯化物種，例如因GaCl3及H2的熱分解(在採用一包括GaCl3及H2的來源氣體的系統中)而產生的氯化氫氣體(HCl)，轉化成額外的GaCl，便可以避免多餘氯化物對沉積的GaN材料的不利影響，因為氯化物種進入反應室102的量已減少。此等不利影響可能包含，舉例而言，氯原子與氮化鎵晶格結合，及沉積的GaN薄膜發生破裂或脫層。將多餘的氯化氫氣體(HCl)引入反應室可能會使氯化氫對反應室內的GaN起到蝕刻劑的作用，從而降低GaN的生長率或甚至妨礙GaN的生長。此外，讓多餘的氯化物種與液態鎵反應以形成額外的GaCl，可使沉積系統100的效率因此而獲得改進。
圖4呈現一熱化氣體注入器300之另一實施例，該熱化氣體注入器包含圖2之氣體注入器200與主動及被動加熱組件，該些加熱組件係用於加熱氣體注入器200至少熱化管道206和容器210的部分。換言之，至少一個加熱組件可以配置於接近熱化管道206和液體容器210至少其中之一之處，以加熱化氣體注入器200的熱化管道206和容器210至少其中之一。
如圖4所示，熱化氣體注入器300包含一圓柱形被動加熱組件302，其被配置在一大致為圓柱形的空間內，該空間被熱化氣體注入器200的熱化管道206所圍繞。
被動加熱組件302可至少實質上包括具有高發射率值(接近完全發射)(黑體材料)之材料，該些材料亦耐得住在沉積系統100內可能遭遇之高溫及腐蝕性環境。此等材料可以包括，例如，氮化鋁(AlN)，碳化矽(SiC)，及碳化硼(B4C)，其具有之發射率值分別為0.98，
0.92，及0.92。
被動加熱組件302可以為實心或空心。在一些實施例中，被動加熱組件302可以為空心，且一熱電偶可以定置於該被動加熱組件的內部空間以監測並控制溫度。在額外的實施例中，一圓柱形熱電偶可以定置在被動加熱組件302四周，並介於該被動加熱組件302與周圍的熱化管道206之間。
在額外的實施例中，空心圓柱形的被動加熱組件可以配置在熱化管道206的一個或多個筆直段的上方及四周。在此等實施例中，一圓柱形熱電偶可以定置在空心圓柱形被動加熱組件與熱化管道206被該空心圓柱形被動加熱組件包圍的筆直段之間。
熱化氣體注入器300亦可以包含一主動加熱組件304。該主動加熱組件304可以至少部分圍繞著氣體注入器200的熱化管道206及容器210兩者。在一些實施例中，主動加熱組件304可以為一般圓柱形，且可以完全圍繞著熱化管道206及容器210的至少各一部分而延伸，如圖4所示。舉例而言，主動加熱組件304可以包括以下至少其中之一：一電阻加熱組件，一感應加熱組件，及一輻射加熱組件。如圖4所示，一絕緣套306可以至少實質上圍繞著氣體注入器200，被動加熱組件302，及主動加熱組件304，以改進加熱製程的效率，藉由該加熱製程，主動加熱組件304及被動加熱組件302會將熱化管道206(或至少其中所含的氣體)及容器210(或至少其中所含的液態試劑及氣體)予以加熱。
熱化氣體注入器300的主動及被動加熱組件可以有能力將熱化管道206，容器210，及來源氣體加熱至介於大約500℃及1,000ºC之間的溫度。
圖5呈現本發明一氣體注入器400之另一實施例。圖5的氣體注入器400類似於圖2的氣體注入器200，且包含一進氣口202，一排氣口204，一熱化管道406，及一容器210。該容器210可以如有關圖2及3所述者。該熱化管道406實質上類似於圖2的熱化管道206，但熱化管道406係沿著一螺旋路徑(亦即，具有一螺旋組構)延伸，而非如圖2的熱化管道206具有一盤繞組構。
如圖5所示，本發明之實施例亦可以包含一外殼450。該外殼450可以用於圍起並保護至少氣體注入器400中至少熱化管道406及容器210的部分。該外殼450亦可作為一額外的氣體傳導管道，其可以用於，舉例而言，運送沖洗氣體(例如，惰性氣體)。舉例而言，外殼450可以包含一進氣端口452及一排氣端口454，如此一來，一氣體便可流過進氣端口452與排氣端口454之間的外殼450。在本發明的額外實施例中，可將一外殼450提供予圖2的氣體注入器200，圖4的氣體注入器300，或下文所述之任何其他氣體注入器。
繼續參考圖5，在操作中，一諸如GaCl3的來源氣體及一諸如H2的載體氣體，以一通常為每分鐘數百標準立方公分(sccm)的流入流量，經由進氣口202進入氣體注入器400。不過，該流量可以達到每分鐘20或30標準公升(SLM)或更高。氣態前驅物，例如GaCl，則在介於大約500℃及1,000ºC之間的溫度下，經由排氣口204離開氣體注入器400。一惰性沖洗氣體，例如N2或一N2及H2的混合物，以大約為一到五SLM的流入流量，經由進氣端口452進入外殼450，並至少在外殼450的內部維持一超壓力(overpressure)。該惰性沖洗氣體經由排氣端口454離開外殼450。該惰性氣體通過外殼450時亦可予以加熱。
圖6呈現本發明一熱化氣體注入器500之另一實施例，其包含一氣體注入器，該氣體注入器實質上類似於圖5之氣體注入器400，但沒有外殼450。因此，熱化氣體注入器500包含一熱化管道406及一容器210，如本文先前所述者。熱化氣體注入器500更包含一進氣口202及一排氣口204。熱化氣體注入器500更包含主動及被動加熱組件，如先前有關圖4之氣體注入器300所述者。尤其，圖6的氣體注入器500包含先前所述之圓柱形被動加熱組件302，其位在一大致為圓柱形的空間內，該空間被氣體注入器500的螺旋狀熱化管道406所圍繞。熱化氣體注入器500亦可以包含一主動加熱組件304及一絕緣套306，如先前有關圖4所述者。如先前所討論，熱化氣體注入器500的主動及被動加熱組件可以有能力將其熱化管道406及容器210加熱至介於大約500℃及1,000ºC之間的溫度。
再參考圖1A，在本發明的一些實施例中，該些氣體注
入器150A，150B，150C中的兩個或多個可以用於產生一普通的三族金屬前驅物，以便為進入反應室102之該特定三族金屬前驅物提供一增加之流量。每一氣體注入器150A，150B，150C僅能在一最大流量下，供應一三族金屬前驅物及一種或多種載體氣體，該最大流量可以為以下兩者之函數：該氣體注入器的尺寸，及該些氣體來源128A，128B，128C的容量。因此，對於需要相對較大之三族金屬前驅物流入流量的大型反應室102而言，用於供應單一種三族金屬前驅物的氣體注入器數目可予以選定，以便使該些氣體注入器個別流量的總和，可以為三族金屬前驅物進入反應室的理想總流入流量。
在本發明的額外實施例中，該些氣體注入器150A，150B，150C中的兩個或多個可以用於產生不同的三族金屬前驅物，該些前驅物可以用於沉積三族氮化物複合材料，其包含兩種以上不同的三族元素，例如InGaN，AlGaN，InAlGaN，等等。作為非限定性質之範例，第一氣體注入器150A可以用於供應GaCl(經由熱分解GaCl3及H2，以及經由使此種GaCl3及H2熱分解產生之氯化物種與液態鎵反應，將GaCl3及H2轉化為氣態的GaCl)，第三氣體注入器150C可以用於供應InCl(經由熱分解InCl3及N2，以及經由使此種InCl3及N2熱分解產生之氯化物種與液態銦反應，將InCl3及N2轉化為氣態的InCl)，第二氣體注入器150B則可以用於供應氣態氨(NH3)。沉積系統100可以包含任何數目的理想氣體注入器，該數目為提供每一前驅氣體之期望流量所需之氣體注入器數目，而該些前驅氣體則為沉積任何期望之複合三五族半導體材料所需之氣體。
在本發明的其他額外實施例中，該些氣體注入器150A，150B，150C至少其中之一可以用於產生一摻雜劑前驅物(例如，氯化鐵(FeCl)，氯矽烷物種，或氯化鎂物種)，其可以用於將一摻雜劑(例如，鐵，矽，鎂的原子或離子)攜進反應室102。在沉積製程期間，該摻雜劑前驅物可以分解及/或與反應室102內另一底材反應，以便使該摻雜劑與沉積中的三五族半導體材料結合。在此等實施例中，用來注入摻雜劑前驅物的氣體注入器內的摻雜劑前驅物可以不需進行熱分解。例如，該氣體注入器可以包含一貯存器，其係用於容納一固態試劑以便與一來源氣體(或
一來源氣體之分解或反應產物)反應。舉例而言，該貯存器可以用於容納一種或多種材料之固體體積，例如，固態矽(Si)或固態鎂(Mg)。
因此，圖7呈現一氣體注入器500之範例，該氣體注入器可以用於將此等摻雜劑前驅物注入反應室102。氣體注入器500包含一進氣口202，一排氣口204，及一容器210，如先前有關圖2及3所述者。一大致筆直的管道502可以從進氣口202延伸至容器210(取代圖2及3的熱化管道206)。容器210可以用於容納一液態金屬試劑，例如，液態鋁，液態銦，液態鐵，等等。
氣體注入器500亦可以包含主動及/或被動加熱組件，例如先前有關圖4之氣體注入器300所述之主動加熱組件304及絕緣套306。該些主動及/或被動加熱組件可以用於將容器210(或至少該容器內所含的液體)加熱至足以使該容器210內的金屬維持液體狀態之溫度。
一來源氣體，例如氣態的氫氯酸(HCl)，可以從一氣體來源128A，128B，128C供應至進氣口202。該來源氣體可以從進氣口202經過管道502流進容器210內，然後與容器內的液態金屬試劑反應，以形成一前驅氣體(例如，InCl，AlCl，FeCl，等等)。該前驅氣體可以經由排氣口204流出容器210。
相對於沉積系統100其他氣體注入器的流量，氣體經過氣體注入器500的流量可予以選擇性的控制，以便控制所得三五族半導體材料中來自摻雜劑前驅物所沉積之元素的濃度。
如先前所述，圖1A及1B中沉積系統100的該些氣體注入器150A，150B，150C可以完全位於反應室102外面(如圖1A及1B所示)，完全位於反應室102裡面，或該些氣體注入器150A，150B，150C的至少一部分可以局部延伸通過反應室102。圖8呈現本發明一沉積系統600一額外實施例，除了至少氣體注入器150A，150B，150C位於反應室102裡面以外，該沉積系統至少實質上類似於圖1A及1B的沉積系統100。
如上所述，本發明之熱化氣體注入器之實施例可以用於將氣態的三族金屬前驅物注入一反應室內，以便處理三族氮化物化合物。舉例而言，在一些實施例中，本發明之熱化氣體注入器可以藉由熱分解
GaCl3及H2，以及藉由使此種GaCl3及H2熱分解產生之氯化物種(例如，氯化氫(HCl))與液態鎵反應，而將GaCl3及H2轉化為氣態的GaCl，然後將GaCl注入一反應室，以便在一HVPE製程中沉積GaN。
本發明額外之非限定之示範性實施例敘述如下。
實施例1：一種在一底材上沉積半導體材料的方法，該方法包括：將一來源氣體引入一熱化氣體注入器；在該熱化氣體注入器內熱分解該來源氣體，以形成一前驅氣體及一副產物；在該熱化氣體注入器內使該副產物與一液態試劑反應，以形成額外的前驅氣體；將該前驅氣體及該額外前驅氣體從熱化氣體注入器注入一反應室內的空間；以及在該反應室內使用該前驅氣體，將材料沉積在底材上。
實施例2：如實施例1之方法，其中將來源氣體引入熱化氣體注入器包括將一載體氣體與GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一引入該熱化氣體注入器。
實施例3：如實施例2之方法，其中將一載體氣體與GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一引入熱化氣體注入器包括將H2及GaCl3引入熱化氣體注入器。
實施例4：如實施例2之方法，其中在熱化氣體注入器內熱分解來源氣體，以形成前驅氣體及副產物包括將GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一分解，以形成GaCl，InCl，及AlCl至少其中之一與一氯化物種。
實施例5：如實施例4之方法，其中將GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一分解，以形成GaCl，InCl，及AlCl至少其中之一與一氯化物種包括分解GaCl3以形成GaCl及HCl。
實施例6：如實施例5之方法，其中在熱化氣體注入器內使副產物與液態試劑反應，以形成額外的前驅氣體包括使HCl與液態鎵反應，以形成額外的GaCl。
實施例7：如實施例1至6中任何一項之方法，其更包括：將另一來源氣體，其包含InCl3及AlCl3至少其中之一，引入另一熱化氣體注入器；在該另一熱化氣體注入器內熱分解該另一來源氣體，以形成
一前驅氣體，其包含InCl及AlCl至少其中之一與一包含氯之副產物；在該另一熱化氣體注入器內使該包含氯之副產物與一包含液態銦及液態鋁其中之一之液態試劑反應，以形成額外的前驅氣體，其包含額外InCl及額外AlCl至少其中之一；以及將來自該另一熱化氣體注入器之前驅氣體及額外前驅氣體注入該反應室內的空間。
實施例8：如實施例7之方法，其中在反應室內使用前驅氣體將材料沉積在底材上包括沉積InGaN及AlGaN至少其中之一。
實施例9：如實施例4至6中任何一項之方法，其中在熱化氣體注入器內使副產物與液態試劑反應以形成額外的前驅氣體包括使氯化物種與液態鎵，液態銦，及液態鋁至少其中之一反應，以形成額外的GaCl，額外的InCl，及額外的AlCl至少其中之一。
實施例10：如實施例1至9中任何一項之方法，其更包括選擇液態試劑，以包含一液態金屬。
實施例11：如實施例10之方法，其更包括選擇液態試劑，以包含液態鎵，液態銦，及液態鋁至少其中之一。
實施例12：如實施例1至11中任何一項之方法，其更包括：將另一來源氣體引入另一氣體注入器；在該另一氣體注入器內使該另一來源氣體與另一液態試劑反應，以形成一摻雜質前驅氣體；將來自該另一氣體注入器之摻雜質前驅氣體注入該反應室內的空間；以及在該反應室內使用該摻雜質前驅氣體，以對沉積在底材上的材料進行摻雜。
實施例13：如實施例12之方法，其中將另一來源氣體引入另一氣體注入器包括將氣態的HCl引入該另一氣體注入器。
實施例14：如實施例12或13之方法，其更包括選擇另一液態試劑以包含液態鐵，液態銦，及液態鋁至少其中之一。
實施例15：一熱化氣體注入器，其係用於將一種或多種氣體注入一沉積系統之反應室，該熱化氣體注入器包括：一進氣口；一熱化管道；用於容納一液態試劑之一液體容器；一排氣口；以及一途徑，其自進氣口延伸，通過熱化管道至液體容器一內部空間，然後從液體容器之內部空間延伸至排氣口；其中熱化管道具有一長度，該長度大於進氣口與
液體容器間的最短距離。
實施例16：如實施例15之熱化氣體注入器，其更包括液體容器內之液態金屬。
實施例17：如實施例15之熱化氣體注入器，其更包括液體容器內之液態鎵，液態銦，及液態鋁至少其中之一。
實施例18：如實施例15至17中任何一項之熱化氣體注入器，其更包括至少一加熱組件，該加熱組件配置在接近熱化管道及液體容器至少其中之一之處。
實施例19：如實施例18之熱化氣體注入器，其中該至少一加熱組件包括一被動加熱組件，該被動加熱組件至少實質上包含氮化鋁(AlN)，碳化矽(SiC)，及碳化硼(B4C)至少其中之一。
實施例20：如實施例18或19之熱化氣體注入器，其中該至少一加熱組件包括一主動加熱組件。
實施例21：如實施例20之熱化氣體注入器，其中該主動加熱組件包括一電阻加熱組件，一感應加熱組件，及一輻射加熱組件至少其中之一。
實施例22：如實施例15至21中任何一項之熱化氣體注入器，其中熱化管道之長度至少大約為進氣口與液體容器間最短距離的兩倍。
實施例23：如實施例22之熱化氣體注入器，其中熱化管道之長度至少大約為進氣口與液體容器間最短距離的四倍。
實施例24：如實施例15至23中任何一項之熱化氣體注入器，其中熱化管道及液體容器至少其中之一實質上包含石英。
實施例25：一沉積系統，其包括：一反應室；以及至少一熱化氣體注入器，其係用於將一種或多種氣體注入該反應室，該熱化氣體注入器包括：一進氣口；一熱化管道；用於容納一液態試劑之一液體容器；一排氣口；以及一途徑，其自進氣口延伸，通過熱化管道至液體容器一內部空間，然後該液體容器之內部空間延伸至排氣口；其中熱化管道具有一長度，該長度大於進氣口
與液體容器間的最短距離。
實施例26：如實施例25之沉積系統，其中該至少一熱化氣體注入器被配置於反應室外面。
實施例27：如實施例25之沉積系統，其中該至少一熱化氣體注入器至少有部分被配置於反應室裡面。
實施例28：如實施例25至27中任何一項之沉積系統，其更包括：至少一氣體來源；以及至少一氣體流入管道，其係用於將一來源氣體從該氣體來源攜帶至該至少一熱化氣體注入器之進氣口。
實施例29：如實施例28之沉積系統，其中該至少一氣體來源包括GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一之來源。
實施例30：如實施例25至29中任何一項之沉積系統，其更包括該液體容器內之液態金屬。
實施例31：如實施例25至29中任何一項之沉積系統，其更包括該液體容器內之液態鎵，液態銦，及液態鋁至少其中之一。
實施例32：如實施例25至31中任何一項之沉積系統，其更包括至少一加熱組件，該加熱組件被配置在接近熱化管道及液體容器至少其中之一之處。
實施例33：如實施例32之沉積系統，其中該至少一加熱組件包括一被動加熱組件，該被動加熱組件至少實質上包含氮化鋁(AlN)，碳化矽(SiC)，及碳化硼(B4C)至少其中之一。
實施例34：如實施例32或33之沉積系統，其中該至少一加熱組件包括一主動加熱組件。
實施例35：如實施例34之沉積系統，其中該主動加熱組件包括一電阻加熱組件，一感應加熱組件，及一輻射加熱組件至少其中之一。
實施例36：如實施例25至35中任何一項之沉積系統，其中熱化管道之長度至少大約為進氣口與液體容器間最短距離
的兩倍。
實施例37：如實施例25至36中任何一項之沉積系統，其中該至少一熱化氣體注入器包括兩個或多個熱化氣體注入器。
實施例38：如實施例37之沉積系統，其中該些兩個或多個熱化氣體注入器包括：一第一熱化氣體注入器，液態鎵置於該第一熱化氣體注入器之液體容器內；以及一第二熱化氣體注入器，液態銦及液態鋁至少其中之一置於該第二熱化氣體注入器之液體容器內。
實施例39：如實施例38之沉積系統，其更包括：一第一氣體來源，其係用於將GaCl3供應至該第一熱化氣體注入器之進氣口；以及一第二氣體來源，其係用於將InCl3及AlCl3至少其中之一供應至該第二熱化氣體注入器之進氣口。
實施例40：如實施例25至39中任何一項之沉積系統，其更包括：另一氣體注入器，其係用於將一摻雜質前驅氣體注入反應室，該另一氣體注入器包括：一進氣口；一管道；一用於容納一液態摻雜試劑之液體容器；一排氣口；以及一途徑，其自進氣口延伸，通過管道至液體容器一內部空間，然後從液體容器之內部空間延伸至排氣口；以及一氣體來源，其係用於將氣態的HCl供應至該另一氣體注入器之進氣口。
實施例41：如實施例40之沉積系統，其更包括該液體容器內一液態摻雜劑。
實施例42：如實施例41之沉積系統，其中該液態摻雜劑包括液態鐵。
實施例43：如實施例25至42中任何一項之沉積系統，其中熱化管道及液體容器至少其中之一實質上包括石英。
上述之本發明實施例並不會限制本發明之範圍，因為這些實施例僅為本發明實施例之範例，本發明係由所附之專利申請範圍及其法律同等效力所界定。任何相當之實施例均屬於本發明範圍內。對熟悉習知技術者而言，本文所示與所述之修改例，以
及本發明之各種修改例，例如所述組件的替代性有用組合，將變得顯而易見。此等修改例亦均屬於所附之專利申請範圍內。
100‧‧‧沉積系統
102‧‧‧反應室
104‧‧‧底材支撐構造
106‧‧‧工作件底材
114A、114B、114C‧‧‧氣體流入管道
116A、116B、116C‧‧‧氣體端口
117A、117B、117C‧‧‧氣閥
118A、118B、118C‧‧‧氣體分散管道
120‧‧‧開口
124‧‧‧傳熱板
126‧‧‧排氣口
128A、128B、128C‧‧‧氣體來源
150A、150B、150C‧‧‧氣體注入器
Claims (13)
- 一種在一底材上沉積半導體材料之方法，該方法包括：將一來源氣體引入一熱化氣體注入器；在該熱化氣體注入器內熱分解該來源氣體，以形成一前驅氣體及一副產物；在該熱化氣體注入器內使該副產物與一液態試劑反應，以形成額外的前驅氣體；將該前驅氣體及該額外前驅氣體從該熱化氣體注入器注入一反應室內之空間；以及在該反應室內使用該前驅氣體，將材料沉積在底材上。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中將來源氣體引入熱化氣體注入器包括將一載體氣體與GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一引入熱化氣體注入器。
- 如申請專利範圍第2項之方法，其中將一載體氣體與GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一引入熱化氣體注入器包括將H2及GaCl3引入熱化氣體注入器。
- 如申請專利範圍第2項之方法，其中在熱化氣體注入器內熱分解來源氣體，以形成前驅氣體及副產物包括將GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一，以及將H2分解，以形成GaCl，InCl，及AlCl至少其中之一與HCl。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中將GaCl3，InCl3，及AlCl3至少其中之一，以及將H2分解，以形成GaCl，InCl，及AlCl至少其中之一與HCl包括分解GaCl3及H2，以形成GaCl及HCl。
- 如申請專利範圍第5項之方法，其中在熱化氣體注入器內使副產物與液態試劑反應，以形成額外的前驅氣體包括使HCl與液態鎵反應，以形成額外的GaCl。
- 如申請專利範圍第6項之方法，其更包括：將另一來源氣體，其包含InCl3及AlCl3至少其中之一，引入另一熱化氣體注入器； 在該另一熱化氣體注入器內熱分解該另一來源氣體，以形成一前驅氣體，其包含InCl及AlCl至少其中之一與一包含氯之副產物；在該另一熱化氣體注入器內使該包含氯之副產物與一包含液態銦及液態鋁其中之一之液態試劑反應，以形成額外的前驅氣體，該額外前驅氣體包含額外InCl及額外AlCl至少其中之一；以及將來自該另一熱化氣體注入器之前驅氣體及額外前驅氣體注入該反應室內的空間。
- 如申請專利範圍第7項之方法，其中在反應室內使用前驅氣體將材料沉積在底材上包括沉積InGaN及AlGaN至少其中之一。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中在熱化氣體注入器內使副產物與液態試劑反應以形成額外的前驅氣體包括使HCl與液態鎵，液態銦，及液態鋁至少其中之一反應，以形成額外的GaCl，額外的InCl，及額外的AlCl至少其中之一。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括選擇液態試劑以包含一液態金屬。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括選擇液態試劑以包含液態鎵，液態銦，及液態鋁至少其中之一。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括：將另一來源氣體引入另一氣體注入器；在該另一氣體注入器內使該另一來源氣體與另一液態試劑反應，以形成一摻雜質前驅氣體；將來自該另一氣體注入器之摻雜質前驅氣體注入該反應室內的空間；以及在該反應室內使用該摻雜質前驅氣體，以對沉積在底材上的材料進行摻雜。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其中將另一來源氣體引入另一氣體注入器包括將氣態的HCl引入該另一氣體注入器，以及選擇另一液態試劑，以包含液態鐵，液態銦，及液態鋁至少其中之一。
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