專利名稱：具有前驅物源的噴頭設計的制作方法
技術領域：
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)沉積的噴頭設計。
背景技術：
正在發(fā)現(xiàn)III族氮化物半導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族金屬反應以形成含金屬前驅物(例如，金屬氯化物)。該 含金屬前驅物隨后與含氮氣體反應以形成III族金屬氮化物。當對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。對能夠將膜均勻沉積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，期望均勻的前驅物混合使襯底上的膜的質(zhì)量一致化。因此，對 于改進的HVPE沉積方法和HVPE裝置存在技術上的需求。

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。一個實施例提供了一種在一個或多個襯底上形成金屬氮化物層的方法，包括在 至少部分由處理腔的表面限定的處理部中放置一個或多個襯底；在該處理部中放置所述一 個或多個襯底之前，使用加熱源加熱該處理腔的表面；在將所述一個或多個襯底暴露于氮 前驅物氣體和金屬鹵化物氣體之前，使用一個或多個燈加熱放置在該處理部中的一個或多 個襯底；將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 源包括選自由鎵、鋁和銦構成的組群中的元素；以及將所述一個或多個襯底暴露于該氮前 驅物氣體和金屬鹵化物氣體以在所述一個或多個襯底的表面上形成金屬氮化物層?！獋€實施例提供了一種在一個或多個襯底上形成含金屬氮化物層的方法，包括 在至少部分由處理腔的表面限定的處理部中放置一個或多個襯底；使用加熱源加熱該處理 腔的表面；使用一個或多個燈加熱放置在該處理部中的一個或多個襯底；將鋁源暴露于包 含氯(Cl2)的第一處理氣體以形成金屬前驅物氣體；將設置在處理部內(nèi)的所述一個或多個 襯底暴露于一部分形成的所述金屬前驅物氣體和氮前驅物氣體以在所述一個或多個襯底 上形成含氮化鋁層；將液態(tài)鎵源暴露于包含氯(Cl2)的第二處理氣體以形成鎵前驅物氣體； 以及將所述一個或多個襯底暴露于一部分形成的所述鎵前驅物氣體和氮前驅物氣體以在 所述一個或多個襯底上形成含氮化鎵層。
一個實施例提供了一種配置成在一個或多個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；在該處理部中設置的基座，其中該基座配置成容納襯底 載體，在沉積金屬氮化物層期間在該襯底載體上設置有一個或多個襯底；加熱源，其包括設 置用于向該基座傳熱的一個或多個燈；具有槽的安瓿，其配置成保留金屬源，其中該槽與該 處理部流體連通；以及商素氣體源，其與該槽流體連通，其中該商素氣體源配置成將包含氯 (Cl2)的鹵素氣體傳輸?shù)皆摬邸Ｒ粋€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物氣體和含 氮前驅物氣體在第一和第二組通路處或其附近反應。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物氣體以及在該組通路之上引入含 氮前驅物氣體，從而該含氮前驅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引入該腔。


可以結合在所附權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5A-5B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視圖。圖8A-8C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9A-9B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10示出本發(fā)明的一個實施例，其中惰性氣體可以在包含固態(tài)或液態(tài)III族三氯 化物的安瓿上流動。
圖11示出本發(fā)明的一個實施例，其中含氮前驅物氣體和含金屬前驅物氣體可以在噴頭組件內(nèi)混合。為了容易理解，盡可能采用相同的附圖標記以指代圖中公共的相同部件。預期一 個實施例的部件和特征可以有益地結合進其它實施例而不必進一步重復。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，由此不應認為是對發(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. 11/411,672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設置在該處 理部108的一端，并且襯底載體11設置在該處理部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?？梢栽谝r底載體114的下方設置基座。該基座可由允許對襯底進行 溫度監(jiān)控的導熱材料(例如，碳化硅)制成。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?？梢岳斫獾?是，該襯底可以由藍寶石、SiC、GaN、硅、石英、GaAs、AlN或玻璃構成。可以理解的是，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。在一個實施例中，所述襯底可以在襯底載體114 中獨立旋轉。該襯底載體114可以旋轉。在一個實施例中，該襯底載體114可以約2RPM至約 100RPM旋轉。在另一個實施例中，該襯底載體114可以約30RPM旋轉。旋轉該襯底載體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之下設置多個燈130a、130b。對于多個應用，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。一個實施例從側邊并入燈。在某些實 施例中，多個燈可以同心圓設置。例如，燈130b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)。可以理解的是，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置在該源蒸發(fā)皿280上方和/或下方。可以理解的是，本發(fā)明不限 于燈陣列的應用?？梢岳萌魏芜m合的熱源以確保將適當?shù)臏囟瘸浞值貞玫教幚砬弧⑵?中的襯底、以及金屬源。例如，可預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. 2006/0018639A1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，前驅物氣體106從噴頭組件104流向襯 底表面。該前驅物氣體106在襯底表面或附近的反應可以將包括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，并與金屬源反應以形成氣 態(tài)含金屬前驅物。在一個實施例中，HCL與液態(tài)鎵反應以形成氣態(tài)GaCl。在另一個實施例 中，C12與液態(tài)鎵反應以形成GaCl和GaC13。本發(fā)明的另外實施例利用其它鹵化物或鹵素 來獲得含金屬氣相前驅物。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。對于鹵化物，非平衡反應式為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中的反應的含金屬前驅 物氣體216引入該處理部108?？梢岳斫獾氖?，含金屬前驅物氣體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。當將多 個管道的配置顯示為合適的氣體分布結構的示例以及應用在一些實施例中時，設計為如這 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用于其它實施例。如 下面更詳細的說明，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構。在一個實施例中，該含氮氣體包括氨。含金屬前驅物氣體216和含氮氣體226可 以在襯底的表面或其附近反應，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在含金屬前驅物氣體216與含氮氣體226之間流動，該含金屬前驅物氣體216和含 氮氣體226可彼此不接觸并且過早的反應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Islm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-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，含金屬前驅物氣體216和含氮氣體226之間的反應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設置為平行于襯底表面，含金屬前驅物 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到相同程度。結果，利用更大直徑的襯底能夠實現(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 含金屬前驅物氣體216和含氮氣體226反應的程度。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物氣體和含氮前驅物氣體之間的反應 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。應理 解的是，測量觀察點310可以對通常結合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可構造為設置在氣體管道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。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置，或者可以將該間隔物彎曲以引導氣流。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成一角度來弓I導含金屬 前驅物氣體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 屬前驅物氣體216氣流與含氮氣體226的分離，直到該氣體到達襯底表面。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)構成。結合該兩個部分制造由阱820上的通道810構成的環(huán)狀 槽。如前所述，含氯氣體811流經(jīng)通道810并且可與阱820中的金屬源反應以產(chǎn)生含金屬 前驅物氣體813。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，經(jīng)氣體管道251將含金屬前驅物氣體813引入 處理部108作為該含金屬前驅物氣體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 屬前驅物氣體813?？蛇x擇的，在進入通道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 屬前驅物氣體引入處理部108作為該含金屬前驅物氣體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，可以構造更長的通道810，導 致該含金屬前驅物氣體216的更高的交換效率。構成通道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?？梢岳斫獾氖?，利用板260的補充改裝，主管道257和 分支管道259的另一種設置是可能的。本領域技術人員公知的是，可以對上述實施例進行各種改變，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，一些類型的機構可以用于待重新充滿(例如，用液態(tài)金屬)設于 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。可以通過各種技術將該坩鍋用于 “供給”該蒸發(fā)皿，例如，操作者打開和關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，瞬間蒸餾技術可以應用于將金屬前驅物傳送到該腔。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，遠程高溫測定法可以應用于監(jiān)控蒸發(fā)皿的溫度。對于外部蒸發(fā)皿設計，可以采用各種不同類型的噴頭設計(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)溫度電偶或遠程高溫測定法可監(jiān)測管道溫度。對于一些實施例，當有必要實現(xiàn)各種目的時，調(diào)整從腔的頂端和底部設置的燈組 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9B中顯示的部件可以由任何適合的材 料構成，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I-IOmm的 厚度(例如，在某些應用中2mm)。還可以防止來自化學蝕刻和/或腐蝕的損傷的方式來構造多個管道。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。在一些應用中，存在形成在多個管道上的沉積的風險，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。這些阻隔物可以設計成可移除的和可容易替換的，從而便于維護和修理。對于一些實施例，當在此說明采用分支管道的噴頭設計時，可以用設計成實現(xiàn)相 似功能的不同類型的構造來代替該管道構造。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，分配板可以通過多層部分構造，該多層部分能以某些方式密接在一起或 安裝(例如，結合、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)陌濉τ谝恍嵤├?，各種部件可以由不相似的材料形成。在某些情況下，進行測量以 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)量導致 該部分延伸和緊縮的不相同部分的熱膨脹不同，其導致該部分或漏氣的損傷。
如上所述(例如，參見圖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處理工藝，例如，促進高質(zhì)量膜生 長。一個實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NH3或相似的含氮前 驅物可以流經(jīng)管道252。預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。進一步，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，包括遠程等離子體發(fā)生器作為腔硬件的一部分，能應用于這里所述的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 氟、碘、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。不使用源蒸發(fā)皿而引入的含金屬前驅物氣體盡管在上述實施例中含金屬前驅物氣體通過在源蒸發(fā)皿中通過混合鹵化物或鹵 素氣體與金屬源而形成，但是含金屬前驅物氣體也可以不使用源蒸發(fā)皿而形成。本發(fā)明的 這些實施例可以不需要源蒸發(fā)皿280，由此簡化生產(chǎn)，同時保持金屬氮化物在襯底表面上的 沉積均勻性以及限制在不期望表面上的沉積。例如，圖10示出本發(fā)明的一個實施例，其中惰性氣體可以在包含固態(tài)或液態(tài)III 族三氯化物1002(例如GaC13)的安瓿1000上流動。可以加熱安瓿以蒸發(fā)與惰性載氣結合 的III族三氯化物1004，從而生成含金屬前驅物氣體1051。然后，經(jīng)由第一組氣體管道251 將含金屬前驅物氣體提供至處理部108。可以通過第二組氣體管道252將含氮前驅物氣體 引入處理部108。在一些實施例中，含氮前驅物氣體可以包含氨。雖然可以在50攝氏度至150攝氏度之間蒸發(fā)GaC13，但是蒸發(fā)GaC13的典型溫度 是100攝氏度。在一些實施例中，III族三氯化物可由III族三碘化物或III族三溴化合 物替代。在這些實施例中，可在50攝氏度至250攝氏度之間蒸發(fā)物質(zhì)。在分布到處理部之前混合含金屬前驅物氣體與氨盡管在上述實施例中前驅物氣體通過分離的管道傳輸?shù)教幚聿?08，其中金屬氮 化物形成在襯底表面處或附近，但是可以在處理部內(nèi)、在處理部之外而一小部分在處理部之內(nèi)、或完全在處理部之外允許在50攝氏度至550攝氏度之間進行溫度控制的混合區(qū)域內(nèi) 混合含金屬前驅物氣體與含氮前驅物氣體，處理部如圖1中的整個裝置所限定。本發(fā)明的 這些實施例可以(1)提高混合均勻性以及(2)簡化設計同時(3)最小化在表面上不需要的 沉積和前驅物損耗。例如，圖11示出本發(fā)明的一個實施例，其中含氮前驅物氣體226和含金屬前驅物 氣體216緊接在進入主管道257之前，可以在噴頭組件104內(nèi)的熱混合區(qū)域1100中混合。 在一些實施例中，含氮氣體可以包括氨。在一些實施例中，熱混合區(qū)域可以是含氮前驅物氣 體和含金屬前驅物氣體源與噴頭之間的任何地方。為了使熱腔1100保持在預定溫度，例如 保持在50攝氏度至550攝氏度之間的溫度范圍內(nèi)，可以包括溫度監(jiān)控部件。盡管在圖11中僅示出噴頭管道的一個實施例，但是本領域技術人員將理解在本 發(fā)明的范圍內(nèi)可以進行各種修改。在圖5B、圖6、圖9A和圖9B中可以看到這些修改的實例。雖然上述范圍內(nèi)的任何溫度已滿足，但是理想的混合區(qū)域可保持在425攝氏度。 應注意為了將表面暴露在混合前驅物氣體的所有部分設定并保持在例如50攝氏度至550 攝氏度范圍內(nèi)的預定溫度，對于GaC13理想地保持在約425攝氏度，可以使用溫度控制部 件。對于這些實施例，這些控制部件允許對暴露于前驅物氣體的各種區(qū)域共同或獨立控制。 這些區(qū)域例如包括可以在處理部 之內(nèi)或之外(以及或許在腔之外)的混合區(qū)域、腔部分 (例如，噴頭部件)、以及襯底處或附近的區(qū)域(例如，在基座處或附近)。對于為了前驅物 傳輸而使用安瓿的實施例，還可以共同或獨立控制安瓶溫度。例如，可以使用多個燈130a、130b來保持期望的溫度范圍。在某些實施例中，多個 燈可以同心圓設置。例如，燈130b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。在一些實施例中， 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。應理解本發(fā)明不限于燈陣列的使用。盡管以類似于混合區(qū)域的加熱方式來加熱包含一個或多個襯底的處理部，但是處 理部的加熱可以獨立于混合區(qū)域的加熱。在一些實施例中，用于加熱處理部的加熱裝置可 以是用于加熱襯底的相同加熱裝置。襯底和基座理想地可由多個燈加熱到1050攝氏度。盡管上述實施例提及使用加熱燈來保持溫度，但是可以利用任何適當?shù)募訜嵩磥?確保對處理腔、噴頭和氣態(tài)前驅物充分應用適當?shù)臏囟?。除了這里上述的前驅物，噴頭組件104可以使用其他前驅物。例如，還可以使用具 有通式MX3的前驅物(例如，GaC13)，其中M是III族元素(例如，鎵、鋁或銦)，X是VII族 元素(例如，溴、氯或碘)。氣體傳輸系統(tǒng)125的部件(例如，起泡器、供應線)可以適當?shù)?適于將MX3前驅物傳輸至噴頭組件104。雖然前述的內(nèi)容關注于本發(fā)明的實施例，但是可以設計本發(fā)明的其它和進一步的 實施例而不偏離它的基本范圍，并且其范圍由隨后的權利要求書確定。
權利要求
一種在一個或多個襯底上形成金屬氮化物層的方法，包括在至少部分由處理腔的表面限定的處理部中放置一個或多個襯底；在該處理部中放置所述一個或多個襯底之前，使用加熱源加熱該處理腔的表面；在將所述一個或多個襯底暴露于氮前驅物氣體和金屬鹵化物氣體之前，使用一個或多個燈加熱放置在該處理部中的一個或多個襯底；將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，其中該金屬源包括選自由鎵、鋁和銦構成的組群中的元素；以及將所述一個或多個襯底暴露于該氮前驅物氣體和金屬鹵化物氣體以在所述一個或多個襯底的表面上形成金屬氮化物層。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，加熱該處理腔的表面包括在該處理部中放置所 述一個或多個襯底之前，將該表面加熱到約50攝氏度至約550攝氏度之間的溫度，并且加熱放置在該處理部中的一個或多個襯底包括將所述一個或多個襯底加熱到約500 攝氏度至約1200攝氏度之間的溫度。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，該加熱源包括一個或多個燈的至少一個。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，該金屬源包括鎵。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，在將該金屬源暴露于該第一處理氣體之前，在安 瓿中將所述鎵加熱到約50攝氏度至250攝氏度之間的溫度。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，加熱所述一個或多個襯底還包括將所述一個或 多個襯底加熱到約900攝氏度至約1200攝氏度之間的溫度，并且將所述一個或多個襯底暴露于該金屬商化物氣體和氮前驅物氣體還包括在該處理部 中建立約lOOTorr至約760Torr之間的壓力。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括在襯底載體上設置至少兩個襯底；以及將所述至少兩個襯底暴露于該金屬商化物氣體和氮前驅物氣體以形成金屬氮化物層 還包括以約2rpm至約lOOrpm旋轉該襯底載體。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括將第二金屬源暴露于包含氯(Cl2)的第二處理氣體以形成第二金屬鹵化物氣體，其中 該第二金屬源包含選自由鎵、鋁和銦構成的組群中的元素，并且該金屬源中的元素與該第 二金屬源中的元素不同；以及將所述一個或多個襯底暴露于該氮前驅物氣體和金屬商化物氣體還包括將所述一個 或多個襯底暴露于氮前驅物氣體、該金屬鹵化物氣體和該第二金屬鹵化物氣體以在所述一 個或多個襯底的表面上形成該金屬氮化物層。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，該氮前驅物氣體包括氨。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個襯底包括選自由藍寶石、硅和 氮化鋁構成的組群中的材料。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，將所述一個或多個襯底暴露還包括使用前驅物氣體分布結構將所述金屬鹵化物氣體傳輸至所述一個或多個襯底的表面；以及使用氮前驅物氣體分布結構將所述氮前驅物氣體傳輸至所述一個或多個襯底的表面。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述氮前驅物氣體分布結構設置成與所述一 個或多個襯底的表面保持一定距離并配置成引導所述氮前驅物氣體朝向所述一個或多個 襯底，并且所述前驅物氣體分布結構設置在所述氮前驅物氣體分布結構與所述一個或多個 襯底的表面之間。
13.—種在一個或多個襯底上形成含金屬氮化物層的方法，包括 在至少部分由處理腔的表面限定的處理部中放置一個或多個襯底； 使用加熱源加熱該處理腔的表面；使用一個或多個燈加熱放置在該處理部中的一個或多個襯底； 將鋁源暴露于包含氯(Cl2)的第一處理氣體以形成金屬前驅物氣體； 將設置在處理部內(nèi)的所述一個或多個襯底暴露于一部分形成的所述金屬前驅物氣體 和氮前驅物氣體以在所述一個或多個襯底上形成含氮化鋁層；將液態(tài)鎵源暴露于包含氯(Cl2)的第二處理氣體以形成鎵前驅物氣體；以及 將所述一個或多個襯底暴露于一部分形成的所述鎵前驅物氣體和氮前驅物氣體以在 所述一個或多個襯底上形成含氮化鎵層。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，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。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，加熱該處理腔的表面包括在該處理部中放置 所述一個或多個襯底之前，將該表面加熱到約50攝氏度至約550攝氏度之間的溫度，并且加熱放置在該處理部中的一個或多個襯底包括將所述一個或多個襯底加熱到約500 攝氏度至約1200攝氏度之間的溫度。
16.一種配置成在一個或多個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；在該處理部中設置的基座，其中該基座配置成容納襯底載體，在沉積金屬氮化物層期 間在該襯底載體上設置有一個或多個襯底；加熱源，其包括設置用于向該基座傳熱的一個或多個燈； 具有槽的安瓿，其配置成保留金屬源，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包含氯(Cl2)的鹵素氣體 傳輸?shù)皆摬邸?br> 17.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，還包括一個或多個加熱元件，其配置成將該安瓿的槽加熱到約50攝氏度至150攝氏度之間的溫度。
18.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，其中，該金屬源包括鎵、鋁或銦。
19.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，進一步包括第一氣體分布結構，其與該處理部流體連通，并且該商素氣體源配置成通過該第一氣 體分布結構將鹵素氣體傳輸至該處理部；以及第二氣體分布結構，其配置成將金屬商化物氣體傳輸至該處理部，并且該商素氣體源 配置成將鹵素氣體傳輸至該槽以形成金屬鹵化物氣體。
20.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，其中，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。
21.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，進一步包括 旋轉器件，其配置成在處理期間旋轉該襯底載體。
22.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，其中，該基座由包括碳化硅的材料形成。
23.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，進一步包括具有形成在其中的多個端口的頂板，所述端口與該處理部流體連通；以及 氮氣源，其配置成通過所述端口傳輸含氮氣體，并且將其傳輸至該處理部。
24.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，進一步包括具有形成在其中的多個端口的頂板，所述端口與該處理部流體連通；以及 鹵素氣體源，其配置成通過所述端口傳輸鹵素氣體，并且將其傳輸至該處理部。
25.根據(jù)權利要求16所述的襯底處理腔，其中，該處理腔包括圍繞該處理部的一個或 多個壁，以及配置成加熱所述一個或多個壁的第二加熱源。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有前驅物源的噴頭設計，更具體地提供一種可以用于沉積工藝中的方法和裝置。一種在一個或多個襯底上形成金屬氮化物層的方法，包括在至少部分由處理腔的表面限定的處理部中放置一個或多個襯底；在該處理部中放置所述一個或多個襯底之前，使用加熱源加熱該處理腔的表面；在將所述一個或多個襯底暴露于氮前驅物氣體和金屬鹵化物氣體之前，使用一個或多個燈加熱放置在該處理部中的一個或多個襯底；將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，其中該金屬源包括選自由鎵、鋁和銦構成的組群中的元素；以及將一個或多個襯底暴露于該氮前驅物氣體和金屬鹵化物氣體以在一個或多個襯底的表面上形成金屬氮化物層。
文檔編號C23C16/34GK101831629SQ20101018010
公開日2010年9月15日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權日2007年10月26日
發(fā)明者奧爾加·克里萊克, 尤里·梅爾尼克, 桑迪普·尼杰霍安, 洛里·D·華盛頓, 雅各布·格雷森 申請人:應用材料股份有限公司