化学气相生长装置的制作方法
本发明涉及化学气相生长装置，具体地，涉及具有多个子反应室的化学气相生长装置，每个子反应室具有一个控温上部加热元件和与其他子反应室共用的控温下部加热元件，其中，每个控温上部加热元件包括多个控温的恒温上部加热单元。控温下部加热元件用于提供用于膜生长的衬底温度，并且每个子反应室中的控温上部加热元件与控温下部加热元件一起在每个独立子反应室中形成3d(径向和横向)温度分布。
背景技术：
化学气相沉积(chemicalvapordeposition,cvd)装置通常用于制造不同类型的材料，例如绝缘体、导体和半导体。cvd装置已被用于制造各种消费电子产品、光学装置和各种功能的工业元件。在2017年，全球功率ic产业年产值约为350亿美元，mems产业约为130亿美元，并且光电产业(包括led发光二极管和照明器)约为210亿美元。cvd生长技术的主要优势在于其可用于批量生产高品质薄膜的适用性和多样性，从而大大降低了制造成本，并因此带来了工业的繁荣。
化学气相沉积为一种用于制造薄膜的方法，其中，将前驱体和/或载流气体馈入反应室中，在气流中进行气相化学反应，再经由扩散机制穿过热边界层到达生长界面，进行气/固相间的表面化学反应，进而在衬底上形成薄膜。对于cvd薄膜生长，温度毫无疑问为最重要的生长参数之一。为了制造高质量的薄膜，在常规cvd的薄膜制程中衬底温度必须要够高，以满足前驱体的热裂解的需求，并且同时必须满足沉积温度的需求，亦即足以克服表面化学反应的障碍的沉积温度。然而，太高或太低的温度皆会损害沉积薄膜的品质。因为这将导致产生大量的结构、点缺陷和/或造成沉积薄膜的分解。显然，在常规cvd系统中单一衬底温度必须同时满足上述两者不同的需求并非易事。目前，有几种可用于材料生长的主要cvd技术，包括(1)冷壁式cvd系统(cold-wallcvdsystem,cwcvd)，(2)热壁式cvd系统(hot-wallcvdsystem,hwcvd)，(3)热梯度cvd系统(temperaturegradientcvdsystem,tgcvd)，以及(4)多子反应室cvd系统(multiplesub-chambercvdsystem,mscvd)。
当沉积多元化合物时，必须使用多种前驱体。通常，这些前驱体具有不同的热裂解温度，且各自合适的裂解温度范围不太可能彼此完美地重叠，在很多的情况下还具有显着温度需求差异。例如,用于sige二元化合物的sih4和geh4的裂解温度需求分别是1150℃和830℃；用于sic二元化合物的sih4和c3h8的裂解温度需求分别是的1150℃和900℃；以及用于ingan三元化合物的ga(ch3)3和in(ch3)3的裂解温度需求分别是的937℃和500℃。对于这些薄膜材料生长，仅仅配备衬底温度的cvd反应器显然不能满足各种前驱体的不同裂解需求，更遑论满足多元化合物表面化学反应的最适温度需求。这无可避免地导致生长窗口变窄，并且往往无法获得这些材料的最佳薄膜质量。
美国专利号us3293074在1966年公开了一种冷壁式cvd系统(cold-wallcvdsystem,cwcvd)，其特征在于仅具有一个加热元件。在该专利中，设置在衬底下方的加热元件(在本发明中称为下部加热元件)为反应室的唯一热源，它提供了用于生长薄膜的必要温度(或称衬底温度)和裂解前驱体所需的热能。在生长过程中，前驱体在热边界层中进行分解和/或聚合反应，产生活性中间体。活性中间体透过扩散效应接近衬底、吸附在表面上并进行最终表面反应步骤以将薄膜沉积在衬底上。由于cwcvd的设计较为简单，该系统已被广泛用于工业界制造各种电子和光电子器件、高速器件、金氧半场效应晶体管等元件。
1985年的美国专利号us4533820公开了一种等温热壁式cvd系统。不同于cwcvd系统(hot-wallcvdsystem,hwcvd)，hwcvd系统为一种由加热装置加热的烤箱型反应器，例如由加热线圈围绕反应器的加热装置。该加热装置均匀地加热包括衬底(基座)在内的整个反应室，以提供薄膜生长所需的衬底温度和裂解温度。在该构造中，反应室整体温度约略和衬底温度相同。与冷壁式cvd(cwcvd)相较，在较高温度下运行的hwcvd特别适用于生长前驱体较难裂解的高热稳定性薄膜，例如sic、tic、tio2、sio2和sin的膜，这主要可归因于该种薄膜所使用的前躯体可在基板上方的高温反应区获得令人满意的热裂解反应。
热梯度cvd系统(temperaturegradientcvdsystem,tgcvd)为由1998年的美国专利号us5759263公开的另一种类型的cvd系统，该cvd系统包括设置在反应室下部的下部加热元件、放置于其上的衬底，以及设置在反应室上部的上部加热元件。这两者加热元件温度皆能独立控制。上、下部加热元件之间的温差提供了衬底上方沉积区的垂直温度分布。在这种类型的反应器中，通常上部加热元件的设定温度较下部加热元件的温度为高。显然，在反应室中使用高温上部加热元件提高了气相中的前躯体温度，提升了它们的热裂解效率。因此，tgcvd往往用于制造至少一种主要前驱体难以于气相中有效热裂解的薄膜成长。
1994年的美国专利号us5281274和1998年的美国专利号us5730802公开了另一种类型的cvd系统，在本文中称为多个子反应室cvd系统(multiplesub-chambercvdsystem,mscvd)。该反应器基本构造源自冷壁式cvd，并且更进一步借由隔板被分割成多个子反应室。该专利中公开的反应器仅仅配置一个加热元件，即反应室中的衬底加热元件。衬底被放置在由衬底加热元件加热的基座上。在一种沉积模式中，阳离子源、载气、阴离子源和载气依序被馈送入它们各自的子反应室中。基座的旋转允许每个衬底能够进入不同的子反应室中，以实现逐层生长模式。当每层的厚度被精确地控制到一个原子层厚度时，该沉积模式即变成所谓的原子层生长模式(atomiclayerepitaxy,ale)。也就是说，该技术特征在于原子级厚度可控性和优异的厚度均匀性，使其特别适用于在尖端的ic产业中制备纳米级高质量的薄膜结构，例如10nm级半导体膜、种子层、金属互连线、高介电常数闸极层和阻障层等。
尽管如此，上述各种cvd系统使用过程中各有不同限制。其基本限制为可用前驱体的限制以及生长薄膜种类的限制。cwcvd系统的局限性是由于其唯一的加热元件必须同时提供用于生长薄膜的衬底温度，以及提供气相和气固相间前驱体和中间体热裂解所需热能的需求。因此，cwcvd系统适用于生长热稳定性高并且其前驱体相对容易裂解的材料薄膜。相对地，如果前驱体的裂解温度过高并且生长的薄膜的热稳定性不高，则尽管提高衬底温度可以提升前驱体的裂解效率，但是往往会导致膜本身的分解/升华，导致大量的空穴和缺陷的产生，不利于制造高质量的薄膜材料。
hwcvd系统将整个反应室加热到给定温度，该给定温度通常设定于高温，主要目的在于有效裂解前驱体。这种系统特别适用于制备前驱体难以裂解且材料又具高热稳定性的薄膜。使用hwcvd系统生长膜的主要先决条件之一在于所选择的前躯体在高温下不得有气相副反应产生(sidereactions)。因为如果它确实发生的话，它会在气相中产生不可忽略的纳米或微米级颗粒，造成前驱体的大量消耗。而且，当这些颗粒嵌入薄膜时，无疑地将造成薄膜质量的严重劣化。
与hwcvd不同的是，tgcvd系统具有上下两种独立控温的加热元件。操作tgcvd系统较好的方式是「热顶冷底」的沉积模式,即上部加热元件的温度高于下部加热元件的温度的沉积模式。对于大多数情况而言，上部加热元件的温度被设定在高到足以在气相中有效裂解前驱体，同时衬底温度被设定在足以克服表面反应能障，维持薄膜生长的适当温度，且该衬底温度又低于薄膜分解温度以避免沉积膜的挥发。然而，这种cvd系统并不能适用于所有多元化合物的薄膜生长。这是因为所使用的前躯体越多，发生副反应的机会就越高。一旦副反应产生，不管是源自于前驱体自身或前驱体彼此之间交互作用产生，它们将不可避免地引起链式反应，并引起大量前驱体损耗，从而不利于薄膜的生长。
mscvd系统较常使用的成长模式是原子层薄膜成长模式(ale)，在此模式中，阳离子前驱体、载气、阴离子前驱体、载气依序被分别馈入不同的子反应室中。藉由下部加热元件的旋转,衬底将依序地暴露在不同前驱体子反应室，完成周期式的薄膜成长模式。一旦前驱体的莫耳流量、曝露时间和衬底温度控制得宜时，自限生长机制开始主导，原子层外延生长模式即得以实现。使用mscvd系统的原子层外延成长技术的明显优点在于能够在大面积上生长原子尺度精确性的高均匀薄膜，并且最重要的是又具有令人满意的薄膜质量。尽管如此，ale被认为仅适用于少数特定的材料，通常是单一元素或二元化合物的薄膜材料。其前题是，这些材料的前躯体热裂解反应过程必须简单，不存在任何副反应，并且具有自限生长机制的薄膜窗口。尽管如此，以mscvd系统进行多元化合物的ale生长仍是是一项艰巨的工作。多元化合物是由多个二元化物依不同比例所组成。在沉积期间，多个阳离子和阴离子前驱体被分别馈入它们各自的子反应室中，并期盼各自的二元化合物皆能适当地在衬底上以各自的ale模式成长。然而衬底温度仅能设定在一个固定温度，这唯一的衬底温度除了必须满足所有前驱体的热裂解需求外，还要同时满足多元化合物中各个二元化合物自限生长条件的要求，使得多元化合物原子层生长面临挑战。由于这些原因，一般人认为，常规的mscvd技术还没被认可足以适用于以原子层生长模式制备多元化合物，特别是高质量多元化合物的薄膜生长。
技术实现要素：
为解决习知常规cvd装置生长薄膜的问题和限制，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”提出了一种包括控温上、下部加热元件的化学气相生长装置，其中，多个载体盘放置在下部加热元件上，每个载体盘上放置多个用于薄膜沉积的衬底；设置多个隔板以将反应室分成多个子反应室。每个单独的子反应室包括其放置于子反应室上部的上部加热元件，该上部加热元件是由多个独立控温上部加热单元所组成；一个进气装置，该进气装置不仅提供载流气体流入，还包括提供至少一种前驱体流入该子反应室的的渠道。
在制膜期间，旋转下部加热元件得以将载体盘上的多个衬底传送到不同的子反应室以用于生长含有不同化学成分的不同薄膜。以下为本发明所揭露的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”的一些实施方式，以使得本发明的目的、技术内容、特征和成果更易于理解。
在一个实施例中，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”包括具有设定在不同温度的上部加热元件的多个子反应室，有利于满足不同前驱体不同热裂解温度的需求。在制膜期间，将分别具有不同热裂解温度的前躯体馈入不同的子反应室。每个子反应室的上部加热元件皆可依据通入前驱体的热裂解温度要求，调节至该前驱体热裂解最适的优化温度。在此优化条件下，沉积期间中每种前驱体皆能有效地裂解成活性中间体或活性原子，从而防止因裂解不全所导致的前躯体杂质直接进入薄膜。因此，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”可以显着地降低前驱体的杂质因分解不全而嵌入薄膜之中，从而有利于制造高质量的薄膜材料。
在另一个实施例中，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”得因通入前驱体裂解温度的需求，设定其子反应室上部加热元件的温度分布，因而可以在低温的环境下生长高质量的薄膜。在本发明中，因为每个子反应室中上部加热元件的多个加热单元的温度皆可独立控制。因此，这些子反应室中的前躯体可以在其各自优化的热裂解温度下进行热裂解反应，裂解成薄膜成长所需的活性中间体、分子或原子。因此，由下部加热元件加热的衬底温度仅需满足薄膜成长表面化学反应的能量需求，不再需要肩负所有前驱体热裂解反应的能量需求。因此，与常规cvd反应器相比，衬底温度可以进一步或明显地调降。由上所述，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”生长薄膜时与常规的cwcvd系统相较，具有显着的区别，其中，后者的衬底的温度必须同时满足多个前驱体裂解温度的要求，通常操作的温度也较高。因此，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”因每个子反应室具有特定的上部加热元件的温度分布设定，有助于提升所通入前驱体的裂解效率，故得以于较低的衬底温度下制造薄膜。
在又一个实施例中，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”因每个子反应室的上部加热元件不同温度的设定，能够降低或完全地杜绝气相副反应。例如，将彼此之间可能产生副反应的两种或多种前驱体分别馈入不同的子反应室中，则这些前驱体在输送至衬底之前，彼此之间的相互碰撞得以大幅地降低或完全避免。因此，习见常规cvd反应器中常见的前躯体之间因气相相互作用所产生的副反应得以显着地摒除，这种效应特别是在高温、高压(>100托耳)生长环境下，对比更为强烈。因此，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”因每个子反应室的上部加热元件的温度可以个别设定，不仅可以大幅减少副反应的发生，亦可以提升前驱体的使用效率，并改善薄膜的质量。
在又一个实施例中，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”因每个子反应室的控温上部加热元件可以设定成不同的温度分布，能够改变前驱体的化学反应路径，因而改变薄膜的沉积反应路径。在此发明装置中，每个子反应室的上部加热元件具有多个独立控温的上部加热单元。在制备薄膜期间，给定的衬底温度下，在每个子反应室内我们可以借由调控每个上部加热单元的温度，给予上部加热元件底部表面的温度变化，因而导致该子反应室不管是沿着气流流向的轴向方向或者是垂直气流方向的垂直面上温度分布的不同，亦即三维的温度分布。由于温度为化学反应的重要因素；因此三维温度分布的变化当然可以改变前驱体的化学反应路径，从而改变薄膜沉积反应的路径。
在另外的实施例中，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”，对于特定的薄膜，特别是针对多元化合物的薄膜将带来更好原子层沉积(ale)成长的机会。ale技术是一种周期成长薄膜的制备技术，每个周期可进一步分为多个元素沉积时段以及之间清除(purging)时段。在给定的元素时段(elementinterval)内，只有一种元素的前躯体被馈入至特定的子反应室中。在此时段中，前驱体本身或其活性中间体透过自限生长机制，在衬底上形成一层原子层的薄膜。在历经一个完整周期后，衬底上将形成一组多元化合物的薄膜沉积层。然而，原子层沉积技术的成功主要取决于薄膜制备的生长参数是否能够满足“自限生长机制”的基本要求，通常其制造窗口并不宽广。“自限生长机制”第一个先决条件是前驱体是否可以转化为适合ale生长活性中间体或原子状态；第二个先决条件是单一的衬底温度是否能够满足多元化合物中所有二元化合物各自“自限生长机制”的需求。当本发明的化学气相生长装置用于进行ale的薄膜生长时，由于每个子反应室仅允许一种元素的前躯体馈入，且其上部加热元件表面的温度分布，是配合第一个先决条件而调整，即配合该前驱体转化成合适的活性中间体而进行温度的调整。和习知反应器相较，本发明所述的装置，其中的衬底温度仅需满足多元化合物中所有二元化合物各自“自限生长机制”需求，即可实现多元化合物的ale薄膜制备。因此，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”具有更多的能力及机会来实现高质量的多元化合物的ald薄膜成长。
附图说明
本发明通过以下给出的描述和附图进行说明，所述附图仅以图示的方式给出，因此不限制本发明，并且其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的示意性示出化学气相生长装置的截面图；
图2a示出了根据本发明的一个实施例的化学气相生长装置的局部横截面；
图2b示出了根据本发明的另一个实施例的化学气相生长装置的局部横截面；
图2c示出了根据本发明的另一个实施例的化学气相生长装置的局部横截面；
图3示出了根据本发明的一个实施例的示意性示出化学气相生长装置的截面图；以及
图4示出了根据本发明的另一个实施例的化学气相生长装置的局部横截面。
具体实施方式
以下实施例用于进一步说明本发明的化学气相生长装置的特性。然而，实施例中提及的薄膜只是为了方便地解释本发明，而不是为了限制本发明的范围。
参考图1，本发明的化学气相生长装置100包括下部加热元件30，其中，多个载体盘31被布置在下部加热元件30上，并且其中，每个载体盘31承载多个沉积薄膜的衬底32；多个隔板40被布置在下部加热元件上方的位置处以将反应室分成多个子反应室ss。每个子反应室ss还包括上部加热元件20，该上部加热元件20由多个热绝缘体41分开的独立控温上部加热单元21、22和23组成。上部加热元件20被布置在下部加热元件30的上方，两者的间隙形成高温反应区rz。化学气相生长装置还包括进气装置10,允许至少一种前驱体流入个别的子反应室ss中。
下部加热元件30可以相对于其中心轴线l1旋转；每个载体盘31亦可以相对于其中心轴线l2旋转。在下部加热元件30绕中心轴线l1进行顺时针或逆时针旋转时，其上承载有衬底32的载体盘31被移动到不同的子反应室ss。当载体盘31亦进行旋转时，薄膜得以均匀地沉积在衬底32上。
在该实施例中，上部加热元件20中的上部加热单元具有扇形形状并且下部加热元件30具有圆形形状。上部加热元件20与下部加热元件30之间的间隙距离可以被调节至特定的数值，以满足最佳的薄膜生长条件。子反应室两侧的相邻隔板40亦可依生长要求调节彼此之间的夹角，最佳的角度介于10至180度的范围内。
参考图2a，在该实施例中，在一个沉积过程中，下部加热元件30被设定在第一温度，在特定的子反应室的上部加热元件20，其上部加热单元21、22和23均设定为相同的第二温度，由此该子反应室的高温反应区rz在沿着气流流动的径轴方向的横向垂直面上具有几乎相似的温度梯度分布。在另一个沉积过程中，下部加热元件30提供第一温度；在特定的子反应室的上部加热元件20，其加热单元21、22和23分别设定为第二温度、第三温度和第四温度，由此在该子反应室ss中的高温反应区rz在沿着气流流动的径轴方向的不同的横向垂直面上具有不同的温度梯度分布，形成该子反应室特定的3d温度变化。
本发明的化学气相生长装置100包括进气装置10和出气装置50。出气装置50和进气装置10可根据需要设置在不同的位置。在如图2a所示的一个实施例中，进气装置10被布置在化学气相生长装置100的中心，并且出气装置50亦被布置在化学气相生长装置100的中心，通过该出气装置50排出来自生长装置外围的废气。此外，如图2b和2c所示，上述的化学气相生长装置的出气装置50亦可设置于装置的外围。在又一实施例中，如图3所示，进气装置10被布置在化学气相生长装置200的外围，而出气装置50被布置在化学气相生长装置200的中心。
在另外的实施例中，每一个上部加热元件和下部加热元件包括至少一个接触式加热装置和/或至少一个非接触式加热装置。接触式加热装置可以为灯丝加热装置或陶瓷加热装置。非接触式加热装置可以为高频电磁感应加热装置、紫外线加热装置、可见光管灯或红外管灯。
在又一个实施例中，本发明的化学气相生长装置还包括冷却装置，该冷却装置可以被布置在上部加热元件20、下部加热元件30、子反应室彼此之间的隔板40，或者上部加热单元21、22和23之间的热绝缘体41中或其附近区域。在又一个实施例中，多个隔板40和热绝缘体41为中空结构，中间通入冷却流体，以调节温度。在又一个实施例中，多个隔板40和热绝缘体41为实心结构。在又一个实施例中，设置在相邻的子反应室之间的多个隔板40可为矩形、直角梯形或斜边被弯曲形状代替的直角梯形，其中，该隔板的尺寸参数可以被调节至适宜数值，以满足生长要求。在又一个实施例中，本发明的化学气相生长装置每个子反应空还包括气体分离器70，如图2a、图2b、图2c和图4所示。该气体分离器70被设置在进气装置10相邻区域，子反应室的前部，并得以将各前驱体和/或载流气体的流动路径分开；其中，从装置的顶部看，分离器的部件可以与上部加热元件或下部加热元件的部件部份重叠。
下面给出了描述如何使用本发明的化学气相生长装置制造薄膜的实施例。在一个实施例中，通过使用该装置来制造sige异质结构双载子晶体管(sigeheterojunctionbipolartransistor,sigehbt)的核心结构来说明本发明。对于200ghzsigehbt，其基极通常具有固相组成约25％ge和75％si与约25nm的厚度，而射极和集极通常由si制成。
相反地，当使用本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”来制造上述sigehbt的基极时，因应临界厚度的需求，尽管由下部加热元件30提供的衬底温度不得不被设定在600℃或更低的温度，但我们却可借由子反应室ss上部加热元件20够高的温度设定，有效裂解geh4和sih4前驱体。例如，我们可以将sih4子反应室的上部加热元件20设定在1145℃，并且geh4子反应室的上部加热元件20设定在850℃。在此条件下，大部份的前躯体将转化为薄膜成长所需的活性分子，例如sihx和gehx(x＝0-2)。由于衬底温度免除了裂解前驱体的使命，仅需提供表面薄膜成长的能量，其工作温度因而得以进一步地降低。由上例可知，使用本发明的化学气相生长装置制备薄膜，能够在较低的衬底温度制备薄膜，这可归因于本装置在每个子反应室设置上部加热元件20所致，该上部加热元件因较高的工作温度，得以有效裂解各个前驱体。
在另一个实施例中，通过使用本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”生长algan薄膜来举例说明本发明。algan薄膜通常用作gan光电子和电子器件中的高能隙层或阻挡层。生长algan薄膜较常使用的前躯体为ga(ch3)3、al(ch3)3和nh3。举例而言，以低压200mbar的常规cvd制备algan薄膜时，al(ch3)3和nh3同时被馈入相同反应室中。因为他们属于路易斯酸碱对(lewisacid-basepair)，一旦混合在一起，al(ch3)3和nh3瞬即聚合成气相的加合物al(ch3)3：nh3。这些加合物进一步裂解为al(ch3)2：nh2[dmal-nh2]中间体，借由扩散机制扩散至衬底表面，然后进行表面化学反应，完成algan薄膜中的aln组成生长。除了正常的薄膜沉积反应外，中间体al(ch3)2：nh2亦容易彼此聚合，形成[al(ch3)2-nh2]2和[al(ch3)2-nh2]3纳米颗粒产物。这样的副反应产物的产生将导致前驱体耗竭，增加制程的不确定性，并降低薄膜质量，这尤以在高温高压制备环境下，更为明显。
与常规的cvd生长不同，本发明的化学气相生长装置制备algan薄膜时，可以将al(ch3)3和nh3分别馈入各自的子反应室中，避免了它们在沉积之前的气相碰撞，亦即避免了副反应发生。由此可知，本发明可以有效减少薄膜沉积中的副反应，并同时提高前驱体的使用效率。
参考图2a，在另一个实施例中，本发明所述的“具有多个子反应室的化学气相生长装置”，其子反应室上部加热元件20的上部加热单元(21、22、23)得借由不同的温度设定形成3d温度分布。我们仍以algan薄膜生长作为实施例。假设al(ch3)3和nh3被同时馈入相同的子反应室ss中，但在通入衬底上方之前被子反应室的分离器70分隔。al(ch3)3在上部气体通道中流动，而nh3在下部气体通道中流动。在沉积期间，该子反应室ss靠近进气装置的上部加热单元21可以被调节在～350℃的温度，但其他上部加热单元22和23保持在更高的工作温度。从反应室顶部看去，假设分离器70和加热单元21高度重叠，输入的al(ch3)3在分隔的上部通道因～350℃温度作用，几乎完全裂解成al(ch3)2或al(ch3)中间体。al(ch3)2及al(ch3)与nh3在高温反应区rz混合时，因气相中已无al(ch3)3分子，整个制程反应并不会产生al(ch3)3：nh3加合物，这避免了随后的[al(ch3)2-nh2]2和[al(ch3)2-nh2]3纳米颗粒副反应的产生。由上述讨论可知，使用本发明的化学气相生长装置制备薄膜，因各个子反应室中的三维温度得依制程需求设定，该设定可以改变气相中的化学反应途径，避免副反应的产生，有利于薄膜沉积。
在纳米尺度的先进制程下，薄膜的顺应性(conformity)和均匀性(uniformity)愈属重要，特别是针对三维(3d)器件更属重要。为了满足上述制程需求，业界通常使用原子层沉积(ald)技术制造上述元件薄膜结构。就以16nmsige鳍式场效应晶体管(finfet)制程为例，其中al2o3绝缘层必须具有低漏电流和高电阻的薄膜特性。当以常规的ald制备该薄膜时，衬底温度通常被设定在约300℃。如此低温的设定是为了避免热伤害，破坏了之前步骤所成长的器件结构与电学特性。然而，该衬底温度(300℃)不仅低于前驱体a1(ch3)3初阶起始裂解温度(350℃)(裂解成第一中间体a1(ch3)2)，并且远低于最后完全裂解的起始裂解温度(530℃)(裂解成元素态al)。换句话说，在300℃的衬底温度下，大部分al(ch3)3前驱体并未在气相中裂解。这些未裂解的前躯体不可避免地将前驱体中的杂质(例如c原子和h原子)融入薄膜，导致在ale生长的al2o3薄膜中具有0.5％重度掺杂约的c。这种高碳浓度会造成al2o3绝缘层高漏电流的不良特性，大幅降低了制备器件的性能。
若以本发明的化学气相生长装置以ale技术制备上述晶体管al2o3绝缘层，将可获得更高质量的绝缘层。在制程中，我们将al(ch3)3、h2o前驱体分别馈入不同的子反应室。透过上部加热元件20适宜的温度和/或温度分布设定，各个al(ch3)3和h2o反应物皆可以在其所属的子反应室中充分裂解。例如，在衬底温度约为300℃条件下，可以将al(ch3)3子反应室的上部加热元件20加热到530℃以上的温度，如650℃，在该温度下，al(ch3)3将裂解成活性al原子，这些活性原子最后到达衬底表面，完成薄膜的成长。这些完全裂解的al前驱体，可以减少沉积期间的空间阻却效应(sterichindranceeffect)，因而有利于ald“自限生长机制”的实现。由于al(ch3)3前驱体几乎完全热解，因此本发明可以有效地防止前驱体中的杂质(例如c原子)进入薄膜，al2o3层的薄膜质量因而得以提升。
总之，本发明的化学气相生长装置包括具有上部加热元件的多个子反应室，其中，各个子反应室的温度分布可以被独立地控制，以允许具有不同裂解温度的前躯体皆得以在较适当的温度环境下进行裂解反应。此外，常规cvd装置在制备薄膜时常见的副反应现象，特别是在高压和高温环境下，亦可以借由本发明所述cvd装置制备该薄膜时，将易于彼此交互反应的前躯体馈入不同子反应室，大幅降低或避免副反应的产生。此外，由于本发明的化学气相生长装置的每个子反应室具有多个上部加热单元，该上部加热单元的温度可以独立调控，由此产生径向和横向垂直面的三维温度分布，因此不仅可以提高前驱体的裂解效率，而且可以改变反应路线，这在大多数情况下有利于高质量薄膜的生长。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！