专利名称：形成半导体材料的系统与方法
技术领域：
本发明是有关于一种用以形成半导体材料的方法和系统，且特别是有关于一种用以形成半导体材料的反应系统(reaction system)和其相关方法。虽然本发明以应用于形成第三族氮化物材料(Group-Ill nitride materials)为例,但应了解本发明具有更广泛的应用性。
背景技术：
有机金属化学气相沉积(Metal-OrganicChemical Vapor Deposition, MOCVD)己广泛地应用于制作具第三族氮化物材料(例如氮化招(aluminum nitride)、氮化镓(gallium nitride)和 / 或氮化铟(indium nitride))的嘉晶层(epitaxial layer)。一般来说，有机金属化学气相沉积系统具有容易使用以及适用于大量制造等特性。通常第三族氮化物材料由至少一第三族有机金属(Metal Organic, MO)气体以及至少一第五族 (Group-V)气体所形成。其中，上述第三族有机金属气体包含三甲基镓TMG(例如TMGa，tr imethy Igal I ium 且 / 或(CH3) 3Ga)、三甲基招 TMA (例如trimethyl aluminum 且 / 或(CH3)3A1)、且/或三甲基铟TMI (例如trimethylindium且/或(CH3)3In)。再者，上述第五族气体包含氨(例如NH3)。氨气主要是用来提供氮原子,而氨的解离效率(dissociation efficiency)主要取决于温度；也就是，在较高的温度下氨的解离效率愈高。举例来说，在800°C时，氨的解离效率仅约在10%，而在900°C时，氨的解离效率则提高到20%。而第三族有机金属气体在相对较低的温度下(例如300°C -400°C )，即开始解离。一旦氨气与第三族有机金属气体解离后，固态的第三族氮化物材料即可形成。在形成第三族氮化物材料过程中，为了避免第三族氮化物材料过早或过晚的形成，必须精确地对这些气体加热与传输。举例来说，第三族氮化物材料必须避免沉积于有机金属化学气相沉积系统内不相关的部件表面上，也不应随着其它副产品而排出有机金属化学气相沉积系统。相反地，第三族氮化物材料应该形成于基板(substrate)表面上(例如晶圆(wafer)表面)，如此才可降低清理费用以及反应材料的消耗。此外，对于不同的第三族氮化物材料(例如氮化镓和氮化铟)，其用以形成磊晶层的成长条件亦有显著的不同。举例来说，氮化镓的较佳成长温度高于1000°C，而氮化铟的较佳成长温度则低于650°c。再者,在形成氮化铟镓(indium-gallium nitride)的过程中，为了降低氮化铟间铟原子与氮原子间的解离，其成长温度必须限制在相对较低的温度下。然而在此相对较低的成长温度下，为了给化学反应提供足够的氮原子，必须提供大量的氨。通常，氮化铟其所消耗的氮是数倍于氮化镓或氮化铝其所消耗的氮。仅管提高氨气的分压可提高氮原子供应量，但是在如此高的分压下，将造成磊晶层表面的不均匀以及制造成本的提闻。因此，改进用以形成第三族氮化物材料的技术实属必要。
发明内容
本发明是有关于一种用以形成半导体材料的方法和系统，且特别是有关于一种用以形成半导体材料的反应系统和其相关方法。虽然本发明以应用于形成第三族氮化物材料为例，但应了解本发明具有更广泛的应用性。本发明提出一种形成半导体材料的系统，包括承座部件、喷气部件、至少一基板固定座以及中央部件。承座部件围绕中央轴旋转，而喷气部件设置于承座部件上方但不直接接触承座部件。基板固定座设置于承座部件上，可围绕中央轴以及与其固定座轴旋转。系统进一步包括至少一个第一输入口、至少一个第二输入口以及至少一个第三输入口。第一输入口形成于中央部件内；第三输入口形成于喷气部件内，且第三输入口与中央部件的距离较远于第二输入口与中央部件的距离。第一输入口以第一流率将第一气体喷出中央部件；第二输入口以第二流率提供第二气体；第三输入口以第三流率将第三气体由喷气部件朝承座部件喷出。系统可设定为分别调整第二流率与第三流率。本发明另外提供一种形成半导体材料的方法，包括·提供用以形成半导体材料的系统，该系统包括中央部件，承座部件与喷气部件，该喷气部件设置于该承座部件上方但不直接接触该承座部件，该系统更包括形成于该中央部件内的至少一个第一输入口，至少一个第二输入口以及形成于该喷气部件内的至少一个第三输入口，且该第三输入口与该中央部件的距离较远于该第二输入口与该中央部件的距离； 选择流经该第一输入口、该第二输入口以及该第三输入口至少其中之一的氨气的流率；选择第一流率和第二流率，其中第三族有机金属气体流经该第二输入口的流率为第一流率，该第三族有机金属气体流经该第三输入口的流率为第二流率，该第一流率与该第二流率之和等于第二流率；当该第三族有机金属气体仅流经该第二输入口时，至少根据与该氨气流率相关的信息，以第一距离函数得出该第三族氮化物材料的第一成长率；当该第三族有机金属气体仅流经该第三输入口时，至少根据与该氨气流率相关的信息，以第二距离函数得出该第三族氮化物材料的第二成长率；以及经由相加该第一成长率与该第二成长率，以第三距离函数得出该第三族氮化物材料的第三成长率，其中，该第三成长率相对应于该第二输入口的该第一流率与该第三输入口的该第二流率。本发明另外提供一种形成半导体材料的方法，包括提供用以形成半导体材料的系统，该系统包括中央部件，承座部件，喷气部件与设置于该承座部件上的至少一个基板固定座，该喷气部件设置于该承座部件上方但不直接接触该承座部件，该系统更包括形成于该中央部件内的至少一个第一输入口，至少一个第二输入口与形成于该喷气部件内的至少一个第三输入口，且该第三输入口与该中央部件的距离较远于该第二输入口与该中央部件的距离；选择流经该第一输入口、该第二输入口与该第三输入口至少其中之一的氨气的流率；当第三族有机金属气体仅以第一流率流经该第二输入口时，至少根据该氨气流率相关的信息，以第一距离函数得出该第三族氮化物材料的第一成长率；当该第三族有机金属气体仅以该第一流率流经该第三输入口时，至少根据该氨气流率相关的信息，以第二距离函数得出该第三族氮化物材料的第二成长率；选择第二流率和第三流率，其中该第三族有机金属气体流经该第二输入口的流率为第二流率，该第三族有机金属气体流经该第三输入口的流率为第三流率，该第二流率与该第三流率之和等于该第一流率；以及根据与该第二成长率和该第三成长率相关的信息，经由权重相加该第一成长率与该第二成长率，以一第三距离函数得出该第三族氮化物材料的一第三成长率。综上所述，经由本发明的反应系统，有机金属气相沉积可在较少消耗气体(例如氨气)情况下被执行。再者，在形成第三族氮化物材料(例如氮化铝、氮化镓和/或氮化铟)中，本发明的反应系统亦可降低成本及改进有机金属气相沉积流程。
图1A、1B是本发明一个实施例的一种用以形成第三族氮化物材料的反应系统示意图。图2是本发明一个实施例的一种利用反应系统以调整第三族氮化物材料的成长率分布的方法流程图。图3是本发明一个实施例的反应系统的温度分布不意图。图4是本发明一个实施例在围绕承座轴旋转但不围绕固定座轴旋转的情况下，氮化镓的成长率对径向距离的函数示意图。图5是本发明一个实施例在同时围绕承座轴与固定座轴旋转的情况下，氮化镓的成长率对径向距离的函数示意图。图6是经由本发明的迭加法与常用的二维计算所得出的氮化镓成长率的比较示意图。
具体实施例方式为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的化学气相沉积装置的具体实施方式
、结构、特征及功效，详细说明如后。本发明是有关于一种用以形成半导体材料的方法和系统，且特别是有关于一种用以形成半导体材料的反应系统(reaction system)和其相关方法。虽然本发明以应用于形成第三族氮化物材料(Group-Ill nitride materials)为例,但应了解本发明具有更广泛的应用性。图IA与图IB是本发明一个实施例的一种用以形成至少一第三族氮化物材料的反应系统示意图。图IA与图IB所示的反应系统仅为示例，而并非限定本发明的申请专利范围，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。其中，图IA其所绘示为反应系统100的侧面图，图IB其所绘示为反应系统100的平面视图。反应系统100包括喷气部件(showerhead component) 110、承座(susceptor) 120、输入P (inlet) 101 104、至少一个基板固定座(substrate holder) 130、至少一个加热装置(heating device) 124、输出口 (outlet) 140 以及中央部件(central component) 150。再者，中央部件150、喷气部件110、承座120以及基板固定座130 (设置于承座120上)形成反应腔室(reaction chamber) 160。再者,每一基板固定座130用于承载至少一基板122(例如晶圆(wafer))。虽然反应系统100由上述多个部件所组成，然而任何熟悉此技艺者亦可对其作适当的替换、修改或变化。在本实施例中，输入口 101形成于中央部件150内，且以大致平行于喷气部件110的表面112的方向提供至少一种气体。也就是，至少一种气体于邻近反应腔室160中央流向(例如向上流动)反应腔室160，再经由输入口 101喷出至反应腔室160内。输入口102 104形成于喷气部件110内，且以大致垂直于表面112的方向提供至少一种气体。表I其所绘示为根据本实施例输入口 101 104其可提供的不同种类的气体。表I
输入口101102103104
~~ NH3N2, H2, N2, H2, N2, H2,
且/或TMG 且/或NH3 且/或TMG在本实施例中，承座120可围绕承座轴(susceptor axis) 128 (例如中央轴)旋转，且每一基板固定座130可围绕其所对应的固定座轴(holder axis) 126旋转。基板固定座130可随着承座120围绕承座轴128旋转的同时围绕其所对应的固定座轴126旋转。在同一基板固定座130上的基板122围绕同一固定座轴126旋转。根据本实施例，围绕着承座轴128，每一输入口 101 104以及输出口 140具有环形结构。基板固定座130可以一个或一个以上，图中以八个基板固定座130为例，这些基板固定座130围绕承座轴128均匀设置。每一个基板固定座130可承载多个基板122，图中以七个基板122为例。在图IA与图IB中，符号么、8、(、0^、6、!1、1、1、1^1^与0根据不同实施例其在反应系统100中代表不冋的长度。在本实施例中 A代表承座轴128与输入口 102的内侧间的距离；B代表承座轴128与输入口 103的内侧间的距离；C代表承座轴128与输入口 104的内侧间的距离；D代表承座轴128与输入口 104的外侧间的距离；E代表承座轴128与输入口 101间的距离；F代表承座轴128与输出口 140的内侧间的距离；G代表承座轴128与输出口 140的外侧间的距离；H代表喷气部件110的表面112与承座120的上表面114间的距离；I代表输入口 101的高度；J代表喷气部件110的表面112与输出口 140间的距离；L代表承座轴128与基板固定座130的外侧间的距离；
M代表承座轴128与基板固定座130的内侧间的距离；N代表承座轴128与加热装置124的内侧间的距离；O代表承座轴128与加热装置124的外侧间的距离。此外，L减去M即为基板固定座130的直径。反应腔室160的高度H等于或小于20mm或者等于或小于15mm。输 入口 101的高度I小于喷气部件110的表面112与承座120的上表面114间的距离H。表2其所绘示为根据本实施例上述符号其实际的量度大小。表 权利要求
1.一种形成半导体材料的系统，其特征在于该系统包括 承座部件具有中央轴，该承座部件可围绕该中央轴旋转； 喷气部件，设置于该承座部件上方但不直接接触该承座部件； 至少一个基板固定座，设置于该承座部件上，可围绕该中央轴及其固定座轴旋转； 中央部件； 至少一个第一输入口，形成于该中央部件内； 至少一个第二输入口；以及 至少一个第三输入口，形成于该喷气部件内，且该第三输入口与该中央部件的距离较远于该第二输入口与该中央部件的距离； 其中，该第一输入口以第一流率将第一气体喷出该中央部件；该第二输入口以第二流率提供第二气体；该第三输入口以第三流率将第三气体由该喷气部件朝该承座部件喷出； 其中，该系统可设定为分别调整该第二流率与该第三流率。
2.如权利要求I所述的系统更包括反应腔室，其特征在于该反应腔室至少由该中央部件，该承座部件与该喷气部件所形成。
3.如权利要求I所述的系统更包括至少一个输出口。
4.如权利要求I所述的系统更包括至少一个第四输入口，形成于该喷气部件中，其特征在于该第四输入口与该中央部件的距离较远于该第二输入口与该中央部件的距离，但较近于该第三输入口与该中央部件的距离。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于该第四输入口以第四流率将第四气体由该喷气部件朝该承座部件流喷出。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于该第二气体至少包括第一反应气体，且该第一反应气体不包括在该第四气体内；该第三气体至少包括第二反应气体，且该第二反应气不包括在该第四气体内。
7.如权利要求6所述的系统,其特征在于该第一反应气体与该第二反应气体相同。
8.如权利要求I所述的系统，其特征在于该第一气体包括氨气；该第二气体包括有机金属气体；该第三气体包括该有机金属气体。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于该有机金属气体为由包含有三甲基镓，三甲基铝与三甲基铟的群组中选出。
10.如权利要求I所述的系统更包括至少加热装置，其特征在于该加热装置设置于该基板固定座下方，且较该基板固定座更延伸靠近于该中央部件。
11.如权利要求I所述的系统，其特征在于该系统执行化学气相沉积以形成该至少一材料。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于该材料包括第三族氮化物材料。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于该第三族氮化物材料由包含有氮化铝，氮化镓与氮化铟的群组中选出。
14.如权利要求I所述的系统，其特征在于该第二输入口形成于该喷气部件内且以该第二流率将该第二气体由该喷气部件朝该承座部件喷出。
15.如权利要求I所述的系统，其特征在于该第二输入口形成于该中央部件内且以该第二流率将该第二气体由该中央部件喷出。
16.—种形成半导体材料的方法，包括 提供用以形成半导体材料的系统，该系统包括中央部件，承座部件与喷气部件，该喷气部件设置于该承座部件上方但不直接接触该承座部件，该系统更包括形成于该中央部件内的至少一个第一输入口，至少一个第二输入口以及形成于该喷气部件内的至少一个第三输入口，且该第三输入口与该中央部件的距离较远于该第二输入口与该中央部件的距离； 选择流经该第一输入口、该第二输入口以及该第三输入口至少其中之一的氨气的流率； 选择第一流率和第二流率，其中第三族有机金属气体流经该第二输入口的流率为第一流率，该第三族有机金属气体流经该第三输入口的流率为第二流率，该第一流率与该第二流率之和等于第二流率； 当该第三族有机金属气体仅流经该第二输入口时，至少根据与该氨气流率相关的信息，以第一距离函数得出该第三族氮化物材料的第一成长率； 当该第三族有机金属气体仅流经该第三输入口时，至少根据与该氨气流率相关的信息，以第二距离函数得出该第三族氮化物材料的第二成长率；以及 经由相加该第一成长率与该第二成长率，以第三距尚函数得出该第三族氮化物材料的第三成长率,其中，该第三成长率相对应于该第二输入口的该第一流率与该第三输入口的该第二流率。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于以第一距离函数得出该第三族氮化物材料的第一成长率的步骤包括 当该第三族有机金属气体仅以该第三流率流经该第二输入口时，至少根据与该氨气流率相关的信息，以第四距离函数得出该第三族氮化物材料的第四成长率；以及 将该第四成长率乘上第一比例，其中该第一比例等于该第一流率除以该第三流率。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于以第二距离函数得出该第三族氮化物材料的第二成长率的步骤包括 当该第三族有机金属气体仅以该第三流率流经该第三输入口时，至少根据与该氨气流率相关的信息，以第五距离函数得出该第三族氮化物材料的第五成长率；以及 将该第五成长率乘上第二比例，其中该第二比例等于该第二流率除以该第三流率。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于该方法更包括处理该第三距离函数所代表的该第三族氮化物材料的该第三成长率相关的信息；以及决定该第三成长率是否满足至少一个预定条件。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于该预定条件与该第三成长率是否均匀有关。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于当该第三成长率不满足该预定条件时，更包括 选择该第三族有机金属气体流经该第二输入口的第四流率以及该第三族有机金属气体流经该第三输入口的第五流率，其中该第四流率与该第五流率之和等于该第三流率；以及 以第四距离函数得出该第三族氮化物材料的第四成长率。
22.如权利要求16所述的方法，其特征在于当该第三成长率满足该预定条件时，至少根据该第一流率与该第二流率相关的信息，执行该第三族氮化物材料的化学气相沉积。
23.如权利要求16所述的方法，其特征在于该第三族氮化物材料由包含有氮化铝，氮化镓与氮化铟的群组中选出。
24.如权利要求16所述的方法，其特征在于该第三族有机金属气体由包含有三甲基镓，三甲基铝与三甲基铟的群组中选出。
25.—种形成半导体材料的方法，包括 提供用以形成半导体材料的系统，该系统包括中央部件，承座部件，喷气部件与设置于该承座部件上的至少一个基板固定座，该喷气部件设置于该承座部件上方但不直接接触该承座部件，该系统更包括形成于该中央部件内的至少一个第一输入口，至少一个第二输入口与形成于该喷气部件内的至少一个第三输入口，且该第三输入口与该中央部件的距离较远于该第二输入口与该中央部件的距离； 选择流经该第一输入口、该第二输入口与该第三输入口至少其中之一的氨气的流率； 当第三族有机金属气体仅以第一流率流经该第二输入口时，至少根据该氨气流率相关的信息，以第一距离函数得出该第三族氮化物材料的第一成长率； 当该第三族有机金属气体仅以该第一流率流经该第三输入口时，至少根据该氨气流率相关的信息，以第二距离函数得出该第三族氮化物材料的第二成长率； 选择第二流率和第三流率，其中该第三族有机金属气体流经该第二输入口的流率为第二流率，该第三族有机金属气体流经该第三输入口的流率为第三流率，该第二流率与该第三流率之和等于该第一流率；以及 根据与该第二成长率和该第三成长率相关的信息，经由权重相加该第一成长率与该第二成长率，以一第三距离函数得出该第三族氮化物材料的一第三成长率。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于以第三距离函数得出该第三族氮化物材料的第三成长率的步骤包括 将该第一成长率乘上一第一比例后，与该第二成长率乘上一第二比例相加以得出该第三成长率；其中，该第一比例等于该第二流率除以该第一流率，该第二比例等于该第三流率除以该第一流率。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于该方法还包括处理该第三距离函数所代表的该第三族氮化物材料的该第三成长率相关的信息；以及决定该第三成长率是否满足至少一预定条件。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于该预定条件与该第三成长率于该基板固定座上是否均匀有关。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于当该第三成长率不满足该预定条件时，更包括 选择该第三族有机金属气体流经该第二输入口的一第四流率以及该第三族有机金属气体流经该第三输入口的一第五流率，其中该第四流率与该第五流率之和等于该第一流率；以及 根据与该第四流率与该第五流率相关的信息，经由权重相加该第一成长率与该第二成长率，以一第四距离函数得出该第三族氮化物材料的一第四成长率。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于当该第三成长率满足该预定条件时，至少根据该第二流率与该第三流率相关的信息，执行该第三族氮化物材料的化学气相沉积。
31.如权利要求25所述的方法，其特征在于该第三族氮化物材料由包含有氮化铝，氮化镓与氮化铟的群组中选出。
32.如权利要求25所述的方法，其特征在于该第三族有机金属气体由包含有三甲基镓，三甲基铝与三甲基铟的群组中选出。
全文摘要
一种用以形成半导体材料的系统与方法。系统包括承座部件、喷气部件、至少一基板固定座以及中央部件。承座部件旋转于中央轴而喷气部件设置于承座部件上方但不直接接触承座部件。基板固定座设置于承座部件上，可围绕中央轴以及与其相对应的固定座轴旋转。系统还包括至少一个第一输入口、至少一个第二输入口以及至少一个第三输入口。第一输入口形成于中央部件内；第三输入口形成于喷气部件内，且第三输入口与中央部件的距离较远于第二输入口与中央部件的距离。
文档编号C23C16/455GK102828168SQ20111025188
公开日2012年12月19日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年6月16日
发明者刘恒, 叶夫根弗拉基米罗维奇雅科夫列夫 申请人:绿种子能源科技股份有限公司