二维半导体材料化学气相沉积方法及其装置与流程

1.本发明与半导体的制造有关，特别是指一种二维半导体材料化学气相沉积方法及其装置。


背景技术：

2.在面对激烈的市场竞争下，且为求满足终端消费性电子产品便于携带性，追求轻、薄、短、小的需求进行开发，因此，电子产品所使用的晶片的尺寸是业者研发的重点，以期将晶片的面积作妥善的运用同时提高功能性。为符合晶片多功能的需求，目前研发以积层型三维晶片(monolithic 3-dimensional integrated circuits，m3d-ic)技术制作ic晶片，即透过于工艺中堆叠不同功能层电路技术使ic晶片具有更高的晶体管密度或更多的功能层，以提升单位面积的电路功能，达成未来超过摩尔定律(more than moore)的目标。
3.然而，习知的ic的各功能层通常使用三维半导体材料制造，如硅、锗或是硅锗，其单晶成长温度相当高(si》1000℃、ge》800℃)，如欲整合至未来的积层型3d-ic中，由于下层功能层已具备金属电极及电路，后续上层的通道材料成长温度必须低于500℃，因此传统使用的晶体管通道材料如硅、锗或是硅锗，其成长温度及热预算将无法满足需求。另外，如果这些三维半导体的厚度维缩达《10nm，其载子迁移率将低于10cm2/vs，无法满足未来m3d-ic功能要求。近来有研究将二维半导体材料整合至m3d-ic中，因为在超薄晶体管通道(《10nm)仍可维持高载子迁移率(》100cm2/vs)，可取代硅、锗或是硅锗。因此二维半导体在m3d-ic应用领域深具潜力。
4.二维半导体材料可透过金属氧化物化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition；mocvd)的工艺设备来成长薄膜，其通常须使温度加热至800℃以上，若欲得到较佳的晶格结构以及较少缺陷，其加热的温度甚至须要高达950℃。但是，于3d-ic在制造第二层以上的功能层时，上述的高温将可能损坏第一层的金属层，或造成劣化硅化物、发生掺杂扩散等问题。因此，如何以较低温度将二维半导体材料整合至3d-ic中进行晶片的制造，将是所要面对的关键挑战。


技术实现要素：

5.本发明的一目的在于提供一种二维半导体材料化学气相沉积方法及其装置，可在较低的温度下于基板上形成二维半导体材料层，且不致令基板上原有的金属层损坏或变质，兼具节省能源与降低成本的功效。
6.为了达成上述目的，本发明的二维半导体材料化学气相沉积装置包含有一反应腔、至少一导气管以及一基板承载装置，该反应腔具有至少一入气口，该导气管位于该反应腔内且与该入气口连通，该导气管呈弯曲迂回状且具有一出气口，该基板承载装置位于该反应腔内且邻近该导气管的出气口，借此，本发明的二维半导体材料化学气相沉积方法可执行以下三个主要的步骤：步骤(a)，将反应腔抽气至真空并加热至250℃～650℃，该反应腔中具有至少一导气管；步骤(b)，将气态二维半导体材料前躯物通入该导气管中，该导气
管呈弯曲迂回状，使该气态二维半导体材料前躯物能在该导气管中有充分时间受热而裂解为离子态二维半导体材料前躯物，并由该导气管的出气口进入该反应腔；以及步骤(c)，该离子态二维半导体材料前躯物于该反应腔中进行反应，并于一基板上生成一二维半导体材料层。
7.本发明通过呈弯曲迂回状的该导气管，让该气态二维半导体材料具有充分时间进行热裂解反应生成离子态二维半导体材料前躯物，即可在低于习知化学气相沉积方法的温度下，于该基板上形成二维半导体材料层，可避免因过高的温度所致的基板的金属层损坏、硅化物劣化以及掺杂扩散等问题，兼具节省能源与降低成本的功效。
附图说明
8.图1为本发明一较佳实施例所提供的二维半导体材料化学气相沉积装置的立体结构图；
9.图2为图1中沿a-a剖线的剖视图；
10.图3为本发明的另一较佳实施例的二维半导体材料化学气相沉积装置的剖视图。
11.【符号说明】
12.10 二维半导体材料化学气相沉积装置
13.11 反应腔
14.12、12
’ꢀ
导气管
15.13 基板承载装置
16.14、14
’ꢀ
入气口
17.15、15
’ꢀ
出气口
18.16、16
’ꢀ
喷嘴
19.161 气孔
20.17 控压阀
21.2 基板
具体实施方式
22.以下通过二较佳实施例配合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。如图1以及图2所示，是本发明一较佳实施例的二维半导体材料化学气相沉积装置10，其包括一反应腔11、二导气管12、12’以及一基板承载装置13，其中，该反应腔11具有二入气口14、14’，该二导气管12、12’位于该反应腔11内且分别与各该入气口14、14’连通，各该导气管12、12’呈弯曲迂回状且分别具有一出气口15、15’，该基板承载装置13用以承载至少一基板2(于本实施例中可同时承载四个基板2)且位于该反应腔11内并邻近各该导气管12、12’的出气口15、15’。本发明的二维半导体材料化学气相沉积方法是通过前述的装置10以执行包括以下的三主要的步骤，详述如下。
23.步骤(a)，将该反应腔11抽气至真空并加热至250℃～650℃，使该反应腔11中的该些导气管12、12’的温度提升至可供气态二维半导体材料前躯物产生热裂解的温度，于本实施例中温度为500℃，反应腔11内的真空度是可小于4x10
–6torr，或于其他需求下的真空度，以确保在未注入该气态二维半导体材料前，该反应腔11以及各该导气管12、12’内不具有气
体物质或仅残存相当稀少的其他气体杂质，以于后续步骤中，将该气态二维半导体材料前躯物导入该些导气管12、12’时，不致混杂其他物质，以确保热裂解或化学气相沉积等工艺不致受到其他物质的影响。
24.该反应腔11相对各该入气口14、14’的另一侧可设置一控压阀17，并连接一抽气泵浦(图未示)，透过该控压阀17对该反应腔11进行抽气，以控制该反应腔11内的气压。
25.步骤(b)，将二气态二维半导体材料前躯物经由该二入气口14、14’通入各该导气管12、12’中，由于各该导气管12、12’呈弯曲迂回状，使该二气态二维半导体材料前躯物能在各该导气管12、12’中有充分时间受热而裂解为离子态二维半导体材料前躯物，并由各该导气管12、12’的出气口15、15’进入该反应腔11。
26.于本实施例中，各该导气管12、12’是为螺旋状(如图2所示)，据以延长该二气态二维半导体材料前躯物于各该导气管12、12’内流动的路径长度，并可增加该二气态二维半导体材料前躯物于各该导气管12、12’中受热进行裂解的时间，确保该二气态二维半导体材料前躯物可于该二导气管12、12’内有充分时间受热而裂解，并完全裂解为离子态二维半导体材料前躯物，再经由该二出气口15、15’进入该反应腔11。
27.于本实施例中，该气态二维半导体材料前躯物为金属化合物与硫属化合物，其中，可分别将该金属化合物与硫属化合物分别通入不同的该导气管12、12’中，具体而言，该金属化合物可为六氟化钨(wf6)，而该硫属化合物可为硫化氢(h2s)，使得wf6以及h2s分别于各该导气管12、12’内热裂解成离子态半导体材料前驱物，包括w
+
与s-。
28.另外，本发明还可配合加热该反应腔11的温度高低，而对应配置各该导气管12、12’的总长度(即气态二维半导体材料流经各该导气管12、12’的路径长度)，例如，各该导气管12、12’于该反应腔11的加热温度为250℃时的总长度大于各该导气管12、12’于该反应腔11的加热温度为650℃时的总长度，借此，即便加热的温度未及于习知方法的800℃或950℃，仍可达到使该气态二维半导体材料充分热裂解的功效。
29.步骤(c)，该离子态二维半导体材料前躯物于该反应腔11中进行反应，并于一基板2上生成一二维半导体材料层。
30.该反应腔11中的该基板承载装置13是用以承载该基板2，其中，该基板承载装置13是可为晶舟，另外，所承载的基板2上是可已形成金属层。如图2所示，于本实施例中，可使该基板承载装置13同时承载四个基板2，俾于该离子态二维半导体材料前躯物自该出气口15、15’散布于该反应腔11内时，使该离子态二维半导体材料前躯物(w
+
与s-)于各该基板2上反应而生成该二维半导体材料层。于本实施例中，该二维半导体材料层为硫属金属化合物，如二硫化钨(ws2)。
31.具体而言，于进行二维半导体材料的化学气相沉积的工艺中，使wf6以及h2s经热裂解，且于该反应腔中反应后，于该基板21上形成二维半导体材料层，其反应式如下所示。
32.wf6+h2+2h2s+δh1→
ws2+6hf
33.详言之，如下列wf6的热裂解的反应式所示，于图2上方的该导气管12中同时导入wf6以及h2，使wf6经热裂解而产生w
+
的离子态二维半导体材料前躯物。
34.wf6+h2+δh2→w+
+6f-+2h
+
35.再如下列h2s的热裂解的反应式所示，另于下方的该导气管12’中导入h2s，使h2s经热裂解而产生s-的离子态二维半导体材料前躯物。
36.2h2s+δh3→
4h
+
+2s-37.进而于下列两反应化学式中，使得该离子态二维半导体材料前躯物的w
+
与s-扩散至各该基板2，经反应后于各该基板2上形成ws2的二维半导体材料层，此外，f-与h
+
结合形成hf的副产物。
38.6f-+6h
+
→
6hf+δh439.w
+
+s-→
ws2+δh540.上述利用各该气态二维半导体材料前躯物经热裂解而于各该板21上形成该二维半导体材料层的过程中，其热量变化的关系式如下所示。本发明就是分别提供前驱物裂解能量δh2+δh3，如此可大幅降低成长二维材料所需的反应热δh1进而降低成长温度。
41.δh1＝δh2+δh
3-δh
4-δh542.通过上述设计，本发明所提供的二维半导体材料化学气相沉积方法及其装置，透过于该二维半导体材料化学气相沉积装置10中设置呈螺旋状的该导气管12、12’，使得该气态二维半导体材料前躯物于该导气管12、12’中的行经路径变长，因而可增加该气态二维半导体材料前躯物位于该导气管12、12’中进行热裂解的时间，据此，可降低习知化学气相沉积方法的加热温度(800℃～950℃)，使得该气态二维半导体材料前躯物于该导气管12中充分裂解成该离子态二维半导体材料前躯物后，自该导气管12导出，即可使得该离子态二维半导体材料前躯物经反应后于该基板2上形成二维半导体材料层，且可避免因加热温度过高而造成该基板2的金属层损坏、硅化物劣化或掺杂扩散等问题，更可借以达到节省能源的功效，同时可降低该反应腔11的温度，加快工艺以降低成本。
43.基于本发明的设计精神，本发明的二维半导体材料化学气相沉积方法及其装置可有其他变化，例如：于该气态二维半导体材料前躯物中，该金属化合物除六氟化钨(wf6)外，亦可采用六羰基钨(w(co)6)、三氧化钨(wo3)、六氟化钼(mof6)、六羰基钼(mo(co)6)、三氧化钼(moo3)、三甲基铟(tm-in)、三甲基锡(tm-sn)、三甲基镓(tm-ga)、三甲基钛(tm-ti)、氯铂酸(h2ptcl6)、硝酸四氨合铂(pt(nh3)4(no3)2)、四氟化锆(zrf4)或四氟化铪(hff4)，该硫属化合物除硫化氢(h2s)外，亦可为硒化氢(h2se)，但不以此为限；据此，于所形成的该二维半导体材料层中，该硫属金属化合物除ws2外，亦可为二硒化钨(wse2)、二硫化钼(mos2)、二硒化钼(mose2)、二硫化钛(tis2)、二硒化钛(tise2)、硒化铟(inse)、三硒化二铟(in2se3)、二硫化锡(sns2)、硒化锡(snse)、硒化镓(gase)、硫化镓(gas)、硒化铂(ptse2)、硫化铂(pts2)、硒化铪(hfse2)、硫化铪(hfs2)、硒化锆(zrse2)、硫化锆(zrs2)等二元化合物、或硫化钨钼(mows2)、硒化钨钼(mowse2)、硒硫化钼(mosse)、硒硫化钨(wsse)等三元化合物；于步骤(a)中的加热温度可为300℃～500℃，视不同的前躯物而定；又，本发明的该反应腔11是可不设置该控压阀17。
44.另外，如图3所示，其是本发明另一较佳实施例的二维半导体材料化学气相沉积装置的剖视图，该二维半导体材料化学气相沉积装置10可具有喷嘴16设于该导气管12的该出气口15，再者，该喷嘴16是可具有多个气孔161，据此，本发明可通过该喷嘴16将该离子态二维半导体前躯物均匀散布至该反应腔11中。
45.此外，复如图3所示，本发明的该导气管12的数量可依需要增减，例如仅具有一组该导气管12，或多于二组的该导气管12。该基板承载装置13的型态、可承载基板数量均无限制。综上所述，举凡此等可轻易思及的结构变化，均应为本发明申请专利范围所涵盖。