Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden
insbesondere kristalliner Schichten auf insbesondere
kristallinen Substraten in einer Prozesskammer eines
CVD-Reaktors, wobei zumindest ein erstes und ein zwei
tes Reaktionsgas durch voneinander getrennte Zuleitun
gen in jeweils eine Gasaustrittszone in einer Eingangs
zone der Prozesskammer geleitet werden, wobei die Gas
austrittszonen zwischen dem Prozesskammerboden und der
Prozesskammerdecke übereinander liegen und unterschied
liche Höhen haben, wobei das erste Reaktionsgas gegebe
nenfalls zusammen mit einem Trägergas aus der dem
Prozesskammerboden benachbarten Gasaustrittszone strömt
und wobei zumindestens dem aus der vom Prozesskammer
boden entfernt liegenden Gasaustrittszone strömenden
zweiten Reaktionsgas ein Trägergas beigemischt ist und
die Strömungsparameter so gewählt sind, dass sich das
zweite Reaktionsgas im Wesentlichen nur in der Eingangs
zone pyrolytisch zerlegt und die Zerlegungsprodukte in
einer stromabwärts der Eingangszone angeordneten
Depositionszone quer zur Stromrichtung der Gase zu
einem auf dem Prozesskammerboden angeordneten Substrat
diffundieren und dort zusammen mit Zerlegungsprodukten
des ersten Reaktionsgases zu einer Schicht kondensie
ren.
Ein Verfahren dieser Art zeigt beispielsweise die
DE 198 55 637, mittels welchem binäre, ternäre und
quaternäre Verbindungshalbleiter wie beispielsweise
Galliumarsenit, Indiumphosphit, Aluminiumgalliumarsenit,
Indiumgalliumarsenitphosphit oder dergleichen
hergestellt werden können.
Bei dem bekannten Verfahren werden die Verfahrensparame
ter so eingestellt, dass die metallorganischen Reakti
onsgase, die durch die zweite Gasaustrittszone, welche
vom Prozesskammerboden entfernt ist, in die Pro
zesskammer strömen sich in einer an die Gasaustrittszo
ne unmittelbar anschließenden Einlasszonen nahezu voll
ständig zerlegen. Die Zerlegungsprodukte werden dann
mittels des zwischen Prozesskammerdecke und
Prozesskammerboden fließenden Gasstromes weitertranspor
tiert in eine Depositionszone, in welcher ein oder
mehrere Substrate liegen. Die bekannte Vorrichtung
besitzt einen zylindersymmetrischen Aufbau, bei dem die
Gaszuleitungen im Zentrum angeordnet sind und der Gas
strom in Radialrichtung nach außen erfolgt. Die Substra
te liegen dort satellitenförmig auf drehangetriebenen
Substrathaltern. Um eine möglichst homogene Schichtdic
ke und Schichtzusammensetzung zu erhalten sind die
Prozessparameter so gewählt, dass die Gasphasenverar
mung der metallorganischen Komponenten über der De
positionszone im Wesentlichen linear verläuft. Mit
zunehmender Entfernung vom Mittelpunkt soll der Partial
druck der Zerlegungsprodukte der metallorganischen
Komponenten linear abnehmen, so dass als Folge der
Rotation der Substrathalter insgesamt eine homogene
Schicht abgeschieden wird. Diese Randbedingungen erfor
dern ein bestimmtes Verhältnis zwischen Länge der De
positionszone und Prozesskammerhöhe, die durch den Ab
stand zwischen Prozesskammerboden und Prozesskam
merdecke definiert ist. Die Strömungsgeschwindigkeit
muss so eingestellt werden, dass sich die metallorgani
schen Komponenten im Wesentlichen ausschließlich in der
Eingangszone zerlegen. Gleichzeitig muss vermieden
werden, dass sich in der Eingangszone die Reaktionsgase
untereinander mischen, um Adduktbildung und/oder Querre
aktionen zu vermeiden. Technologisch wird dieses Pro
blem bei Reprozesskammern mit kleiner Depositionszonen
länge dadurch gelöst, dass die unmittelbar oberhalb des
Reaktorbodens angeordnete Gasaustrittszone für die
Metallhydride eine geringe Höhe (beispielsweise nur 1 cm)
besitzt. Bei kleinen Reaktoren, bei denen beispiels
weise die Depositionszone etwa 10 cm lang ist, lassen
sich durch Wahl der Strömungsparameter Bedingungen
einstellen, bei denen sich die metallorganischen Kompo
nenten nahezu ausschließlich in der Eingangszone zerle
gen und in der Verarmungszone die Abnahme des Partial
druckes der Zerlegungskorprodukte der metallorganischen
Verbindungen nahezu linear über die Länge verläuft.
Die wirtschaftliche Fertigung von Halbleiterschichten
mit einem derartigen Verfahren erfordert weiter, dass
die Verarmung der Gasphase am Ende der Depositionszone
möglichst groß ist. Idealer Weise sollte dort der Par
tialdruck des metallorganischen Zerlegungsproduktes
gleich Null sein. Bei einer Prozessführung mit mehreren
metallorganischen Komponenten sollen diese Bedingungen
für jede metallorganische Komponente gelten.
Eine Vergrößerung der Länge der Depositionszone hat
deshalb nicht nur die Notwendigkeit zur Folge, auch die
Prozesskammerhöhe zu vergrößern, sondern auch die Höhe
der Gasaustrittszone für das zweite Reaktionsgas und
überproportional den daraus strömenden Gasstrom. Die
damit anhergehende erheblich vergrößerte Strömungsge
schwindigkeit hat zur Folge, dass sich die metallorgani
schen Komponenten nicht vollständig in der Gaseinlasszone
zerlegen und das durch parasitäres Wachstum an der
Decke der Prozesskammer die Partialdrücke der metallor
ganischen Zerlegungsprodukte nicht linear abfällt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass auch bei
längeren Depositionszonen die Zerlegung der metallorga
nischen Zerlegungsprodukte im Wesentlichen nur in der
Eingangszone stattfindet und die Partialdrücke der
Zerlegungsprodukte (Verarmung) in der Gasphase über der
Depositionszone im Wesentlichen einen linearen Verlauf
behält.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen
angegebene Erfindung.
Der Anspruch 1 sieht zunächst und im Wesentlichen vor,
dass die kinematische Viskosität des dem zweiten Reakti
onsgas beigemischten Trägergases insbesondere durch
Mischung, von zwei sich in Ihrer kinematischen Viskosi
tät stark unterscheidenden Gase, derart eingestellt
wird, das der Quotient der Reynolds-Zahlen in den bei
den Gasaustrittszonen bei im Wesentlichen annähernd
gleichgroßen mittleren Gasgeschwindigkeiten annähernd
eins ist. Zufolge dieser Verfahrensführung ist gewähr
leistet, dass das Temperaturprofil in der von dem
Prozesskammerboden her beheitzten Prozesskammer nur
unwesentlich durch das dem zweiten Reaktionsgas beige
mischte Trägergas beeinflusst wird, so dass die Zerle
gung der metallorganischen Komponenten im Wesentlichen
ausschließlich in der Eingangszone stattfindet. Die
dadurch reduzierte Strömungsgeschwindigkeit hat im
Bereich der Depositionszone zur Folge, dass die Zerle
gungsprodukte derart aus der Gasphase in Richtung des
Substrates diffundieren, dass die Verarmung dort einen
linearen Verlauf hat und zum Ende der Depositionszone
derart hoch ist, dass eine Effiziens von mindestens
50% erzielbar ist. Die Prozessführung ermöglicht es,
dass die Höhe der dem zweiten Reaktionsgas zugeordneten
Gasaustrittszone mindestens doppelt, insbesondere minde
stens viermal, bevorzugt fünfmal so groß ist, wie die
Höhe der dem ersten Reaktionsgas zugeordneten ersten
Gasaustrittszone. Zur Einstellung der kinematischen
Viskosität des Trägergases können zwei oder mehrere
Innert-Gase, beispielsweise Edelgase oder Wasserstoff
oder Stickstoff miteinander gemischt werden. Bevorzugt
wird dem zweiten Reaktionsgas eine Mischung aus Wasser
stoff und Stickstoff beigemischt. Es ist aber auch
möglich, ausschließlich Stickstoff als Trägergas für
das zweite Reaktionsgas zu verwenden. Gegenüber Wasser
stoff erhöht sich dadurch bei gleichbleibender mittle
rer Gasgeschwindigkeit die Reynolds-Zahl um den Faktor
7, so dass mit einem siebenfach geringeren Volumenstrom
das Verfahren geführt werden kann. Bevorzugt wird ein
Mischungsverhältnis von 1 : 1 verwendet.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens, wobei die Summe der Längen
von Eingangszone und Depositionszone größer 35 cm, die
Summe der Höhen der Gasaustrittszonen mindestens 4 cm,
Länge der Depositionszone mindestens 20 cm und das
Verhältnis von der Höhe der zweiten Gasaustrittszone
zur Höhe der ersten Gasaustrittszone größer 4 sind.
In die Gaszuleitung für die entfernt vom Boden liegende
Gasaustrittszone münden mindestens zwei Trägergaszulei
tungen. Jede der beiden Trägergaszuleitungen ist mit
einem Gasflussregler, bevorzugt einem Massenflussregler
versehen, so dass sich unterschiedliche Trägergase in
frei einstellbarem Mischungsverhältnis der Gasaustritts
zone zuleiten lassen.
Zur Lösung der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe
ist alternativ vorgesehen, die Höhen der Gasaustrittszo
nen insbesondere durch die Wahl eines geeigneten Gasaus
trittsflansches derart einzustellen, dass der Quotient
der Reynolds-Zahlen in den beiden Gasaustrittszonen bei
im Wesentlichen annähernd gleich großen mittleren Gasge
schwindigkeiten annähernd eins ist. Die Einstellung der
Höhen kann mittels der besagten Gasaustrittsflansche
erfolgen. Diese können verschiedenartig und insbesonde
re verschieden lang ausgestaltet sein. Je nach dem,
welche Prozessparameter in einem Beschichtungsprozess
eingestellt werden, wird ein geeigneter Gasaustritts
flansch verwendet. Es ist aber auch möglich, den Gasaus
trittsflansch höhenverstellbar zu gestalten, so dass
die Anpassung der Reynolds-Zahlen während des Prozesses
erfolgen kann. Alternativ dazu kann auch vorgesehen
sein, dass die obere Begrenzungswand der entfernt vom
Prozesskammerboden liegenden Gasaustrittszone auf einem
Kragen des Gasaustrittsflansches zu verlagert werden
kann, um so die Öffnungsweite zu beeinflussen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand beigefügter Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Schnittdarstellung eine Hälf
te einer Prozesskammer eines zylindersymmetri
schen Reaktors,
Fig. 2 den Partialdruckverlauf zweier metallorgani
scher Zerlegungsprodukte über den Radius der
Prozesskammer,
Fig. 3 in schematischer Darstellung den Prozesskam
merboden in der Draufsicht,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin
dung, bei dem die Höhen der Gasaustrittszonen
eingestellt werden können,
Fig. 5 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 mit
veränderten Höhen, und
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin
dung, bei welchem die Höhen einstellbar sind.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht
aus einer Prozesskammer 1, welche einen Prozesskam
merboden 2 besitzt, welche aus Graphit besteht und
welcher von unten insbesondere mittels Hochfrequenz
beheizbar ist. Oberhalb des Prozesskammerbodens 2 befin
det sich mit Abstand zur selben eine Prozesskammerdecke
3, welche ebenfalls aus Graphit besteht aber bevorzugt
unbeheizt ist. Die Prozesskammer 1 hat eine zylinderför
mige Symmetrie. Prozesskammerboden 2 und
Prozesskammerdecke 3 sind kreisscheibenförmig.
In das Zentrum der Prozesskammer 1 ragen zwei getrennte
Zuleitungen 6, 7 für Reaktionsgase G1, G2 und Trägerga
se T1 und T2. Die beiden Zuleitungen 6, 7 münden in
Gasaustrittszonen 8, 9 die übereinanderliegend zwischen
Prozesskammerboden und Prozesskammerdecke 3 angeordnet
sind. Die Höhe H1 der ersten Gasaustrittszone 8 kann
etwa 1 cm betragen. Diese Gasaustrittszone 8 befindet
sich unmittelbar oberhalb des Prozesskammerbodens 2.
Oberhalb der ersten Gasaustrittszone 8 befindet sich,
von dieser getrennt eine zweite Gasaustrittszone 9,
deren Höhe H2 etwa vier bis fünfmal so groß ist, wie
die Höhe H1 der ersten Gasaustrittszone 8. Durch die
erste Gasaustrittszone 8 fließt ein Hydrid, insbesonde
re ein Metallhydrid wie zum Beispiel Arsin oder Phos
phin gegebenenfalls zusammen mit einem Trägergas, wel
ches bevorzugt Wasserstoff ist.
Durch die zweite Gasaustrittszone 9 fließt Trimethylin
dium und/oder Trimethylgallium zusammen mit einem Trä
gergas T2, welches sich vom Trägergas T1 zumindest
hinsichtlich der kinematischen Viskosität unterschei
det. Das Trägergas T2 ist im Ausführungsbeispiel eine
Mischung zwischen einem Trägergas T2' und T2", wobei
hier eine Mischung von Wasserstoff und Stickstoff vorge
sehen ist.
Die Flüsse der Reaktionsgase und der Trägergase werden
geregelt. Hierzu befinden sich in den Gaszuleitungen
bekannte, in den Zeichnungen nicht dargestellte Massen
flussregler. In die Zuleitung 7 münden mindestens zwei
Trägergaszuleitungen. Eine Trägergaszuleitung dient der
Beimischung von Stickstoff. Die andere Trägergaszulei
tung dient der Beimischung von Wasserstoff. Beide Zulei
tungen besitzen einen Massenflussregler, so dass das
Mischungsverhältnis von Wasserstoff zu Stickstoff belie
big voreinstellbar ist.
Die Höhe der Prozesskammer 1 (H1 + H2) beträgt etwa
4,5 cm. Der Radius der Prozesskammer 1 entspricht der
Summe der Längen der Eingangszone E und der
Depositionszone D. Letztere beträgt zwanzig Zentimeter,
so dass der Radius zwischen 35 und 40 cm liegt.
Aus der Höhe H1 beziehungsweise der Höhe H2 und den
Gasvolumenströmen durch die beiden Gasaustrittszonen 8,
9 lässt sich eine mittlere Gasgeschwindigkeit bestimmen.
Die Verfahrensparameter sind dann optimal, wenn
die mittlere Gasgeschwindigkeit in der ersten Gasaus
trittszone etwa derjenigen der zweiten Gasaustrittszone
entspricht. Das Mischungsverhältnis von T2' und T2"
ist so gewählt, dass die Reynolds-Zahlen R1 und R2 in
der ersten beziehungsweise zweiten Gasaustrittszone
annähernd gleich sind. Gegebenenfalls kann dies dadurch
erfolgen, dass als Trägergas T2 ausschließlich Stick
stoff verwendet wird.
Die Volumenströme werden so gewählt, dass die Zerlegung
der mit dem zweiten Trägergas T2 durch die zweite Gas
austrittszone 9 strömenden metallorganischen Komponen
ten sich im Wesentlichen innerhalb der Eingangszone E
vollständig zerlegen, wobei hier die Beimischung von
Stickstoff als Trägergas den Vorteil hat, dass insge
samt die Diffusion in der Gasphase vermindert ist, so
dass auch der Adduktbildung und/oder Querreaktionen
zwischen den Hydriden und den metallorganischen Kompo
nenten entgegen gewirkt ist.
In Fig. 2 sind schematisch die Partialdruckverläufe
von metallorganischen Zerlegungsprodukten als P1 und P2
dargestellt. Die Parzialdrücke P1 und P2 nehmen über
die Länge der Depositionszone D linear ab und erreichen
am Ende der Depositionszone ein Minimum, welches weni
ger als 10 Prozent des Maximums entspricht. Die Verfah
rensparameter sind optimal, wenn der Verlauf der Par
tialdruckkurve nicht nur linear ist, sondern das Ver
hältnis der am Anfang der Depositionszone D liegenden
Maxima etwa gleich ist zu dem Verhältnis der am Ende
der Depositionszone liegenden Minima der beiden Partial
drücke.
Da das Mischungsverhältnis der beiden Trägergaskomponen
ten TV und T2" auch einen Einfluss auf die Diffusions
fähigkeit der metallorganischen Zerlegungsprodukte in
der Gasphase hat, bewirkt die Angleichung der beiden
Reynolds-Zahlen R1 und R2 auch eine Beeinflussung des
in Fig. 2 mit DIF bezeichneten Transportes der Zerle
gungsprodukte aus der Gasphase zum Substrat 5 in Quer
richtung zur Strömungstransportrichtung KONV.
In Varianten der Erfindung, die in den Fig. 4 bis 6
dargestellt sind, wird die Reynolds-Zahl in den beiden
Gasaustrittszonen 8, 9 durch eine Variation der geome
trischen Bedingungen variiert. Dies erfolgt durch die
Einstellung der Höhen H1 und H2. Bei dem in den Fig.
4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der
Gasaustrittsflansch 5 in Höhenrichtung verstellt wer
den. Dadurch ändert sich die Höhenlage des horizontalen
Flanschkragens 11 des Gasaustrittsflansches 10. Durch
diesen ringscheibenartigen Flanschkragen 11 werden die
beiden Gasaustrittszonen 8, 9 voneinander getrennt. Der
Gasaustrittsflansch 10 kann auch aus einem austauschba
ren Quarzteil bestehen, welches an einer Verbindungs
stelle 12 mit einem Zuleitungsrohr verbunden ist.
Bei dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbei
spiel erfolgt die Variation der Höhe H2 der entfernt
vom Prozesskammerboden 2 liegenden Gasaustrittszone 9
bei in einer festen Position gehaltenem Gasaustritts
flansch 10. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die
obere Begrenzung der Gasaustrittszone 9 von einem dick
wandigen Rohr 13 gebildet, welches in Richtung des Dop
pelpfeiles verlagert werden kann, um so das Höhenmaß H2
zu beeinflussen.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswe
sentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit
auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten
Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) voll
inhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale
dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung
mit aufzunehmen.