[发明专利]化学气相沉积装置及化学气相沉积方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用以形成半导体材料的系统及方法，尤其涉及一种用以形成半导体材料的化学气相沉积系统及方法，本发明虽以应用于形成三族元素的氮化物材料(Group-III nitride materials)为例，但应可理解本发明具有更广泛的应用范围。

背景技术

有机金属化学气相沉积(Metal-organic chemical vapor deposition；MOCVD)已广泛地使用于制作具有第三族/第五族材料(例如：氮化铝(aluminum nitride)、氮化镓(gallium nitride)、及/或氮化铟(indium nitride))的磊晶层。有机金属化学气相沉积装置往往具有容易使用以及适用于大量制造等等特性。通常，三族元素的氮化物材料由一或多种第三族有机金属(metal organic；MO)气体与一或多种第五族气体所形成。其中，第三族有机金属气体亦可包括有三甲基镓(TMGa)(例如：trimethylgallium((CH₃)₃Ga))、三乙基镓(TEGa)(例如：triethylgallium((C₂H₆)₃Ga))、三甲基铝(TMAl)(例如：trimethylaluminum((CH₃)₃Al))及/或三甲基铟(TMIn)(例如：trimethylindium((CH₃)₃In))。而第五族气体亦可包括有氨(例如：NH₃)。

有机金属化学气相沉积(MOCVD)所形成的磊晶层亦可使用于制作发光二极管(Light Emitting Diodes；LEDs)上。使用有机金属化学气相沉积(MOCVD)所制作出的发光二极管，其质量将会因为各种因素而受到影响，例如：在反应腔中流体的稳定度或均匀度、在基板表面上流体的均匀度及/或温度控制的精确度。上述因素将会影响到有机金属化学气相沉积(MOCVD)所形成的磊晶层，进而影响到所制作出的发光二极管的质量。

有机金属化学气相沉积(MOCVD)装置使用于成长磊晶结构，例如：磊晶堆栈层结构。磊晶堆栈层结构包括在不同的三族元素的氮化物材料之间的异质接面，例如：在一氮化镓(GaN)及氮化铟镓(InGaN)之间的一接面。为了形成堆栈层结构，异质接面的组成必须大幅改变。一般使用在半导体晶体层(例如：三族元素的氮化物材料)上的气相沉积装置是通过有机金属化学气相沉积(MOCVD)进行气相成长，其气相沉积装置往往不包括可以稳定提供一第三族或第五族元素源的管路系统。

为了解决一般气相沉积装置中的管路系统的问题，一排放/流入(vent/run)管路系统已经被开发出来。该管路系统提出一机制，其机制可使一气源持续流向一气相沉积区域且亦可对于供应的气体实时地进行切换(例如：参考晶体生长期刊第68册(公元1984年)第412-421页及第466-473页内容；参考Isamu Akasaki所编辑的III-V ZOKU KAGOBUTSU HANDOTAI其公开于公元1994年5月20日Baifukan第一版第68-70页上，两文件将纳为之后的参考)。在一排放/流入(vent/run)管路系统中，不论气体是否必须用在这预期的晶体层的气相成长上，一排放(vent)管线(如排气管线)都会不断地预先提供一气源至一气相沉积区域的外部以保持一气体的固定流量。一流入(run)管线(如气源供应管线)直接连接至气相沉积区域，以提供该预期的晶体层的区域气相成长时所需的气源。气源的流向亦可从排放管线(vent line)切换至流入管线(run line)。该排放/流入(vent/run)管路系统借由增设该不断可通过气源的排放管线(vent line)，以不同于一般只有一气源供应管线(如run line)的管路系统。

在三族元素的氮化物材料的有机金属化学气相沉积(MOCVD)期间，氨气常用以提供氮原子。氨的解离效率(dissociation efficiency)主要取决于温度，在较高的温度下氨的解离效率越高。举例来说：在800℃时，氨的解离效率仅约10%，而在900℃时，氨的解离效率则提高至20%。相较之下，第三族有机金属气体通常在一较低温度下(如300℃-400℃)即可以开始解离。