DE10305729A1

DE10305729A1 - RTCVD-Verfahren und -Reaktor mit verbesserter Gleichmäßigkeit der Beschichtung und Stufenabdeckung

Info

Publication number: DE10305729A1
Application number: DE10305729A
Authority: DE
Inventors: Ashima B Chakravarti; Oleg Gluschenkov; Irene Mcstay
Original assignee: Infineon Technologies AG; International Business Machines Corp
Current assignee: Qimonda AG; International Business Machines Corp
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2003-08-28
Also published as: US6576565B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (110) und ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe mit nicht-planarer Struktur (114). Die Halbleiterscheibe (114) wird in einer Kammer (111) positioniert, in die reaktive Gase (132) eingebracht werden. Die Gase (132) und die Halbleiterscheibe (114) werden erwärmt, wobei die Temperatur des Gases (132) in der Prozesskammer und in der Umgebung der Oberfläche der Halbleiterscheibe (114) unter der Temperatur der Oberfläche der Halbleiterscheibe (114) liegt. Die Abscheidung einer Schicht auf der Halbleiterscheibe (114) erfolgt mithilfe des CVD-Verfahrens. Unter Verwendung eines Gaskühlers kann während der Erwärmung der Halbleiterscheibe (114) die Temperatur des reaktiven Gases (132) gesenkt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung integrierter Schaltungen im Allgemeinen und insbesondere die gleichmäßige Abscheidung von Schichten auf dreidimensionalen (3D-)Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis.
Halbleitervorrichtungen werden in einer Vielzahl elektronischer Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel in PCs und Mobiltelefonen. Die Abscheidung einer dünnen Schicht auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ist ein verbreiteter Verfahrensschritt bei der Verarbeitung von Halbleitern. Ein typisches Verfahren hierfür ist die Mischung chemischer Gase in einer Abscheidungskammer, die das Halbleitersubstrat enthält. Üblicherweise wird die chemische Reaktion der Gase auf der Oberfläche des Substrates, auf welchem die dünne Schicht abgeschieden wird, durch Erwärmung ausgelöst.
In elektronischen Systemen werden Halbleiterspeicher häufig zur Speicherung von Daten eingesetzt. Hierbei ist der dynamische Halbleiterspeicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) weit verbreitet. Ein DRAM-Speicher enthält in der Regel Millionen oder Milliarden separater DRAM-Zellen, wobei jede Zelle ein Datenbit speichert. Typischerweise enthält eine DRAM- Speicherzelle einen Auswahl-Feldeffekttransistor und einen Speicherkondensator. Der Auswahl-Feldeffekttransistor ermöglicht den Transfer von Datenladungen zum und vom Speicherkondensator bei Lese- und Schreibvorgängen. Darüber hinaus werden die Datenladungen auf dem Speicherkondensator regelmäßig durch Refresh-Vorgang aufgefrischt. Die Halbleiterindustrie wird von dem generellen Bestreben geleitet, die Größe von Speicherbausteinen auf integrierten Schaltungen zu reduzieren. Miniaturisierung ist daher unerlässlich, wenn es darum geht, die wachsende Dichte an Schaltungen auf modernen Halbleiterbausteinen auszuführen.
Das Bestreben, ein immer höheres Niveau der Schaltungsintegration zu erreichen, hat zur dreidimensionalen Ausgestaltungen geführt. Wenn die Bauelemente aufeinander gestapelt werden, kann pro Flächeneinheit eines Speicherchips eine höhere Anzahl von Bauelementen untergebracht werden. Beispielsweise ist in DRAM- und eDRAM-("embedded" DRAM)Speicherzellen die Verwendung von Grabenkondensatoren anstelle von Flächenkondensatoren zur Verringerung der benötigten Chipfläche weit verbreitet.
Die Herstellung eines 3D-Zellenkondensators erfolgt hauptsächlich durch das Einbetten eines tiefen Grabens in ein Siliziumsubstrat, das Ausbilden einer ersten Elektrode, gefolgt von dem Abscheiden einer dünnen, gleichmäßigen Schicht im Graben, sowie der Auffüllung des Grabens mit dotiertem polykristallinen Silizium (Polysilizium), wodurch die zweite Kondensatorelektrode gebildet wird. Für eine durchgängige 3D- Skalierung der Speicherzelle sind schmale tiefe Gräben erforderlich, deren Aspektverhältnis (d. h. das Verhältnis der Grabentiefe zur Breite der Grabenöffnung) mindestens 10 : 1 beträgt.
In manchen Fällen werden flaschenförmige Gräben ausgebildet, um die Grabenfläche bei gleichbleibender Breite der Öffnung zu erhöhen. Bei 3D-Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis ist das Auffüllen mit Polysilizium besonders schwierig. Da sich an der Oberseite der Halbleiterscheibe mehr Polysilizium anlagert als an den Seiten der Gräben, kommt es im oberen Teil der Gräben zu ungleichmäßigem Polysiliziumanhäufungen, sogenannten "bread loafs", und zu Polysiliziumabschnürungen, wodurch im unteren Teil der Gräben Hohlräume entstehen. Es besteht deshalb ein kontinuierlicher Bedarf an Werkzeugen, die ein gleichmäßiges Aufbringen von Material auf 3D- Strukturen mit hohem Aspektverhältnis ermöglichen.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die eine Verbesserung der gleichmäßigen Schichtaufbringung zum Ziel haben. Es ist bekannt, dass eine Reihe physikalischer Parameter die Gleichmäßigkeit einer aufgebrachten Schicht beeinflussen. In dem Nachschlagewerk zur Verfahrenstechnik "Silicon Processing for the VLSI Era, Volume I - Process Technology" von S. Wolf und R.N. Tauber, 2. Auflage, Lattice Press, Sunset Beach, Kalifornien, 2000, wird auf den Seiten 194 bis 198 die gleichmäßige Aufbringung dünner Schichten erläutert. In Wolfet al. ist angegeben, dass drei physikalische Parameter maßgeblich zur Steuerung der Gleichmäßigkeit aufgebrachter dünner Schichten sind: die Migration adsorbierter Atome, die Reemission von Radikalen und Molekülen sowie die mittlere freie Weglänge des im Prozessgases.
Die Migration adsorbierter Atome bezieht sich auf den Transport adsorbierter Moleküle auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe vor der endgültigen Bindung bzw. Chemisorption. Je höher die Mobilität der adsorbierten Atome ist, desto länger können sich die Moleküle über die Oberfläche der Mikrostruktur bewegen und desto gleichmäßiger ist die dünne Schicht. Der Begriff Reemission beschreibt den aufgrund eines geringen Haftkoeffizienten verursachten Molekulartransport durch mehrfachen Oberflächenaufprall. Prallt ein aktives Molekül wiederholt von der Oberfläche der Mikrostruktur ab, kann es einen entfernten Winkel der Mikrostruktur leichter erreichen. Daher ist die Reemissionsrate umso höher, je niedriger der Haftkoeffizient ist, und umso gleichmäßiger ist auch die dünne Schicht. Die mittlere freie Molekularweglänge im Prozessgas bestimmt den Transport aktiver Chemikalien zu verschiedenen Teilen der Mikrostruktur während der Gasphase. Ist die mittlere freie Weglänge wesentlich größer als alle Dimensionen einer Mikrostruktur, so bewegen sich aktive Moleküle auf gerader Linie und ohne in der Gasphase zu streuen auf der Mikrostruktur.
Für die gewünschte Anwendung muss der Anteil der Reemission sowie der Migration adsorbierter Atome hoch genug sein, um den geometrischen Abschattungseffekt zu überwinden. Ist die mittlere freie Weglänge wesentlich kleiner als die Mikrostruktur, so unterliegen die aktiven Gasmoleküle während der Gasphase einer Streuung auf der Mikrostruktur. In diesem Zusammenhang ist der Fluss der aktiven Chemikalien durch den Einfallswinkel bestimmt. Je größer der Einfallswinkel, desto höher ist der Fluss.
Beispielsweise hat eine obere Ecke eines Grabens einen Winkelbereich von 0 bis 270° im Vergleich von nur 0 bis 90° an der unteren Ecke des Grabens. Bei niedriger Migration von adsorbierten Atomen wäre die Schicht an der oberen Ecke dicker, was zu einer Abschnürung führen würde.
Im Standardwerk von Wolfet al. ist auch eine Auswahl von Verarbeitungsparametern zum Verringern bzw. Eliminieren ungleichmäßiger Schichtabscheidung angegeben. Gemäß diesen Ausführungen kann die Mobilität der adsorbierten Atome (a) durch Erhöhung der Substrattemperatur und (b) Bereitstellung energiereicher Partikel (z. B. Ionen, Elektronen, Photonen usw.) während der Abscheidung erhöht werden. Zudem ist bekannt, dass die Mobilität der adsorbierten Atome durch Oberflächenabdeckung mit aktiven Chemikalien beeinflusst werden kann. Im Allgemeinen kann ein geringerer Partialdruck einer Chemikalie zu einer geringeren Oberflächenabdeckung durch die Chemikalie führen. Allerdings kann die Mobilität der adsorbierten Atome durch die Oberflächenabdeckung in Abhängigkeit von der eingesetzten Chemikalie entweder ansteigen oder abnehmen. Folglich kann durch Änderung des Drucks oder des Partialdrucks die Mobilität der adsorbierten Atome verändert werden. Im Standardwerk von Wolfet al. ist außerdem beschrieben, dass die Reemissionsrate durch den Einsatz einer aktiven Chemikalie mit niedrigem Haftkoeffizienten erhöht werden kann.
Beispielsweise wird die Abscheidung von Polysilizium auf Strukturen mit hohem Aspektverhältnis in der Regel bei geringem Druck und relativ hohen Temperaturen durchgeführt. Um eine relativ geringe Anlagerungsrate zu erreichen, werden typischerweise Drücke im Bereich von 0,2 bis 1 Torr ausgewählt. Die mittlere freie Weglänge beträgt etwa 2 mm bis 400 µm. Dabei ist die mittlere freie Weglänge wesentlich größer als eine typische Mikrostruktur, die sich beispielsweise im Bereich von 100 nm bis 10 µm bewegt. Ein Temperaturbereich von typischerweise 600 bis 700°C sorgt für eine akzeptable Oberflächenmobilität und eine gute Reemissionsrate. Die Anlagerungsrate liegt in der Regel bei 0,5 bis 5 Angström pro Minute. Der ausschlaggebende Faktor für eine gleichmäßige Abscheidung der Polysiliziumschicht ist die geringe Anlagerungsrate im Vergleich zur Reemissionsrate, zur Migration adsorbierter Atome und zum Transport von Chemikalien während der Gasphase.
Das Auffüllen der Gräben mit Polysilizium wird in der Regel in vertikal ausgerichteten Öfen durchgeführt. Hierbei handelt es sich um Reaktoren, in denen bis zu 200 Substrate auf einmal bearbeitet werden können. Aufgrund der hohen Beschickungsrate kann ein vertikaler Ofen für Verfahren mit niedriger Anlagerungsrate verwendet werden. Durch die Bearbeitungsprozesse in den Öfen können üblicherweise sehr gleichmäßige Beschichtungen erzielt werden. Allerdings können sich im mittleren oder unteren Teil der Gräben kleine Risse bilden. Dieser unerwünschte Effekt tritt insbesondere bei Gräben mit hohem Aspektverhältnis auf.
Ein weiteres Ziel bei der Herstellung von Halbleitern ist die Flexibilisierung von Fertigungsstraßen, um die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Produkte zu ermöglichen. Die Verringerung der Bearbeitungszeit bei der gleichzeitigen Bearbeitung mehrerer Produkte kann beispielsweise durch ein kleineres Fertigungslos, vorzugsweise durch die Herstellung einzelner Halbleiterscheiben, erreicht werden. Zudem besteht im Bereich der Mikrofabrikation mittlerweile das Bestreben, weniger Wärmeenergie aufzuwenden und große Substrate zu verarbeiten.
Ein neuartiger CVD-Reaktor, der als schneller thermischer Reaktor bezeichnet wird, scheint diese Anforderungen zu erfüllen. Ein schneller thermischer CVD-(RTCVD - rapid thermal CVD)-Reaktor ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung von jeweils einer einzelnen Halbleiterscheibe. Um eine wettbewerbsfähige Durchsatz zu erzielen, sollte ein RTCVD-Reaktor im Vergleich zu einem Ofen mit hoher Beschickungskapazität eine wesentlich höhere Beschichtungsrate aufweisen. Die Anlagerungsrate sollte vorzugsweise 10 bis 20 Angström pro Sekunde betragen. Vorrichtungen zur Bearbeitung einzelner Halbleiterscheiben verfügen außerdem über ein kleines Kammervolumen. Die Halbleiterscheiben werden mithilfe von Lampen oder mittels Widerstandsheizung von Suszeptoren erreicht. Das Prozessgas wird entweder über die Kammerwandung oder über einen oberhalb der Halbleiterscheibe angebrachten Zerstäuberkopf zugeleitet. Der Gasauslass befindet sich in der Kammerwandung. Eine hohe Anlagerungsrate, geringes Volumen und der geringe Abstand zwischen Heizquelle und Halbleiterscheibe stellen eine große Herausforderung dar.
Beispielsweise wird die Polysiliziumabscheidung mit einem Druck von 120 bis 200 Torr durchgeführt. Die mittlere freie Weglänge beträgt 1 bis 4 µm, was der Größe einer typischen Mikrostruktur entspricht. Die Temperatur im RTCVD-Reaktor liegt in der Regel bei 600 bis 700°C und die Anlagerungsrate beträgt 5 bis 20 Angström pro Sekunde. Aufgrund der hohen Anlagerungsrate im Vergleich zur Reemissionsrate, der Migration adsorbierter Atome und dem Transport von Chemikalien in der Gasphase besteht beim RTCVD-Verfahren die Gefahr einer ungleichmäßigen Beschichtung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die für eine Vergleichmäßigung der Beschichtung sorgen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 17 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung zeigt ein neuartiges Verfahren zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit von Beschichtungen im RTCVD- Verfahren. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erfordert zur gleichmäßigeren Abscheidung einer Schicht auf der Halbleiterscheibe keine Veränderung der Substrattemperatur, des Kammerdrucks, der chemischen Vorstufe oder der Schichtanlagerung.
Darüber hinaus wird ein verbesserter RTCVD-Reaktor beschrieben. Der Reaktor stellt eine Einrichtung zur Steuerung der Gleichmäßigkeit in einem Abscheidungsverfahren, unabhängig von anderen Prozessparametern, wie beispielsweise der Substrattemperatur, des Kammerdrucks, der chemischen Vorstufe oder der Schichtanlagerung, zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterscheibe. Dabei wird eine Halbleiterscheibe bereitgestellt, die nicht-planare Strukturen mit einer dreidimensionalen Oberfläche aufweist. Die Halbleiterscheibe wird in einer Kammer positioniert, in die reaktive Gase geleitet werden. Die Gase und die Halbleiterscheibe werden erwärmt, wobei die Gastemperatur in der Kammer und in der Umgebung der Oberfläche der Halbleiterscheibe mehr als 20% unter der Temperatur der Oberfläche der Halbleiterscheibe selbst liegt. Mithilfe des CVD-Verfahrens wird eine Schicht auf der Halbleiterscheibe abgeschieden. Die Erfindung beschreibt außerdem eine gemäß diesem Verfahren bearbeitete Halbleiterscheibe.
Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zum Abscheiden einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe beschrieben. Diese Vorrichtung umfasst eine Kammer, ein an die Kammer angeschlossenes Gaszuleitungssystem mit Mengendurchflussreglern für mindestens ein reaktives Gas und mindestens ein neutrales Gas, sowie eine in der Kammer angebrachte Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen einer Halbleiterscheibe. Die Vorrichtung umfasst zudem ein Heizelement zum Erwärmen der Halbleiterscheibe auf eine vorgegebene Temperatur, eine Einrichtung zum Überwachen und Steuern der Temperatur der Halbleiterscheibe und einen an die Kammer angeschlossenen Gasauslass, der an eine Pumpe gekoppelt ist. Die Vorrichtung verfügt weiterhin über eine Einrichtung zum Überwachen und Steuern des Gasdrucks in der Kammer und eine einen Gaskühler umfassende Aufnahmeeinrichtung zum Kühlen mindestens eines reaktiven Gases vor dessen Eintritt in die Kammer, wobei der Gaskühler ein primäres Kühlmittel enthält.
Zu den Vorteilen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehört ein Verfahren zur Abscheidung von Schichten auf Halbleiterscheiben, bei dem sich auch in Gräben mit hohem Aspektverhältnis keine Risse bilden. Die Gleichmäßigkeit der auf der Halbleiterscheibe abgeschiedenen Schicht wird gemäß den Ausführungsformen der Erfindung dadurch verbessert, dass die Halbleiterscheibe und die Gasgemische in der Kammer wesentlich mehr unterhalb als oberhalb der Halbleiterscheibe erwärmt werden. Das von Abscheidungsverfahren und -vorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannte Problem des "bread loafing" wird durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten RTCVD-Reaktors, der die Temperatur des Prozessgases unabhängig von der Temperatur des Substrats steuert. Der Temperaturunterschied zwischen Gas und Substrat ist ein ausschlaggebender Parameter bei der Steuerung der Gleichmäßigkeit des Abscheidungsprozesses.
Im folgenden werden die Merkmale der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Kammer zur Durchführung des RTCVD-Verfahrens mit einer einzelnen Halbleiterscheibe;
Fig. 2 ein Diagramm, das die typische Verteilung der Leistung zwischen den oberen und den unteren Lampen der Kammer von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Halbleiterscheibe mit während dem CVD-Verfahren entstandenem, sogenanntem "bread loafing" und Hohlraumbildung im unteren Teil der Gräben;
Fig. 4 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die unteren Lampen etwa 70 bis 100% und die oberen Lampen etwa 0 bis 30% der Wärmeenergie für das CVD-Verfahren liefern;
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bearbeiteten Halbleiterscheibe, die im Gegensatz zu den Halbleiterscheibe aus dem Stand der Technik weder Hohlräume noch "bread loafing" aufweisen;
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der ein Gaskühler und ein Gaszuleitungssystem seitlich an der Prozesskammer angebracht sind;
Fig. 7 eine Detailansicht der Ausführungsform nach Fig. 6;
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem sogenannten "chuck-heated"-Reaktor, d. h. ein Reaktor mit geheiztem Waferhalter, der einen Gas-Zerstäuberkopf und einen eingebetteten Gaskühler umfasst; und
Fig. 9 eine Detailansicht der Ausführungsform nach Fig. 8.
Gleiche Nummerierungen und Symbole in verschiedenen Figuren beziehen sich auf gleiche Bauteile, sofern nicht anders angegeben. Die Zeichnungen dienen zur Darstellung der relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsform und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu.
Die am 29. Juni 2001 von Gluschenkov et al. eingereichte US- Patentanmeldung 09/895,378 mit dem Titel "Verfahren zum Reduzieren des Microloading-Effekts in einem CVD-Reaktor", auf die in der vorliegenden Anmeldung Bezug genommen wird, befasst sich mit dem Microloading-Effekt in einem RTCVD- Reaktor. Von Gluschenkov et al. wird dargelegt, dass eine hohe Anlagerungsrate einen RTCVD-Reaktor empfänglich für den Microloading-Effekt macht. Außerdem wird beschrieben, dass sich der Microloading-Effekt aufgrund der unterschiedlichen Dimensionen wesentlich von dem Phänomen der Gleichmäßigkeit unterscheidet. Laut Gluschenkov et al. liegt der typische Maßstab für den Microloading-Effekt immer über 30 µm, während sich das Phänomen der Gleichmäßigkeit auf eine Mikrostrukturgröße von weniger als 10 µm bezieht. Folglich offenbart Gluschenkov et al. kein Verfahren zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit von in RTCVD-Reaktoren abgeschiedenen Schichten.
Ausgehend vom Stand der Technik wäre es offensichtlich, zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit bei einem RTCVD-Abscheidungsprozess mit hoher Anlagerungsrate eine höhere Anlagerungsrate bei einer höheren Substrattemperatur einzusetzen. Jedoch wird die für einen Abscheidungsprozess ausgewählte Temperatur in der Regel von den erforderlichen Schichteigenschaften bestimmt. Bei einer hohen Abscheidungstemperatur entspricht beispielsweise die Körnung des Polysiliziums der Größe der Grabenöffnung, was zu einer ungleichmäßigen Auffüllung des Grabens führt. Aufgrund der erforderlichen Schichtparameter besteht daher nur ein kleiner Spielraum bei der Wahl der Substrattemperatur. Folglich ist die Anpassung der Substrattemperatur nicht immer geeignet, um die Gleichmäßigkeit der Beschichtung zu verbessern.
Andere Verfahren zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit, wie zum Beispiel die Einbringung energiereicher Partikel, stoßen ebenfalls an ihre Grenzen. Zum einen wird bei einem solchen Ansatz der Aufbau der Prozesskammer wesentlich komplizierter und damit auch kostenintensiver. Darüber hinaus können die energiereichen Partikel die abgeschiedene Schicht beschädigen und damit ihre Qualität beeinträchtigen.
Daher besteht auf diesem Gebiet die Nachfrage nach einem Abscheidungsverfahren für Mikrostrukturen mit hohen Aspektverhältnis, das die Gleichmäßigkeit der RTCVD-Abscheidung verbessert und große Risse in der Grabenfüllung eliminiert.
Darüber hinaus besteht das Bedürfnis nach einem verbesserten RTCVD-Reaktor, der über die Mittel verfügt, die Gleichmäßigkeit des Abscheidungsprozesses zu steuern, ohne dabei die Schichteigenschaften zu beeinträchtigen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lösen diese Aufgaben durch die Bereitstellung eines Abscheidungsverfahrens mit verbesserter Gleichmäßigkeit, wobei Risse und Hohlräume vermieden werden. Die Gleichmäßigkeit des Abscheidungsverfahrens kann erfindungsgemäß ohne Beeinträchtigung der Schichteigenschaften gesteuert werden.
Im Folgenden werden eine Vorrichtung und ein Abscheidungsverfahren aus dem Stand der Technik erläutert. Darüber hinaus werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und einige ihrer Vorteile diskutiert. In den Querschnittsdarstellungen der Halbleiterscheiben ist jeweils nur ein Graben gezeigt. Die gezeigten Halbleiterbausteine können jedoch eine Vielzahl von Gräben, sowie auch andere Merkmale und Bauteile einer Speicherzelle umfassen.
Fig. 1 zeigt eine RTCVD-Vorrichtung 10 nach dem Stand der Technik. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Polysilizium- Prozesskammer, die für die RTCVD-Verarbeitung einzelner Halbleiterscheiben 14 verwendet wird. Anstatt mehrere Halbleiterscheiben 14 gleichzeitig zu bearbeiten, wie dies bei anderen Abscheidungsvorrichtungen üblich ist, wird hier nur eine einzelne Halbleiterscheibe 14 bearbeitet.
Die Halbleiterscheibe 14 wird auf einer Aufnahmeeinrichtung 12 positioniert. Die Aufnahmeeinrichtung kann eine Reihe von Stiften umfassen, die dafür geeignet sind, die Halbleiterscheibe 14 während des Abscheidungsprozesses in Position zu halten. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Vorrichtung 10 eine Kammer mit einer durchsichtigen oberen Kuppel 22 und einer durchsichtigen unteren Kuppel 24. Alternativ kann die Kammer allerdings auch einteilig ausgebildet sein. Die oberen Lampen 18 und die unteren Lampen 20 befinden sich außerhalb der Kuppeln oberhalb und unterhalb der Halbleiterscheibe 14, wie dargestellt. Um während des Abscheidungsvorgangs die Temperatur festzustellen, kann ein Pyrometer 16 an die Halbleiterscheibe 14 angeschlossen sein. Die Kammer umfasst eine Einlassöffnung 28, durch die die für den Abscheidungsvorgang erforderlichen Chemikalien und Gase zugeleitet und dispergiert werden können. Darüber hinaus verfügt die Kammer über einen Auslass 30, durch den die in die Kammer eingeführten Chemikalien und Gase ausgestoßen werden können.
Während des Abscheidungsverfahrens werden bestimmte Chemikalien 32 über die Oberfläche der Halbleiterscheibe geleitet, während die Kammer mithilfe der Lampen 18 und 20 erwärmt wird. Eine außerhalb der Kammer angebrachte Anpassungseinrichtung 26 ist darauf ausgerichtet, die verschiedenen Parameter während des Abscheidungsverfahrens anzupassen. Die Anpassungseinrichtung 26 kann beispielsweise einen Knopf enthalten, mit dem die Substrattemperatur verändert, mehr reaktives Gas zugeführt oder der Druck reguliert werden kann. Die Strahlung der Lampen 18, 20 dringt durch die durchsichtigen Kuppeln 22, 24 in die Kammer. In der Kammer erwärmt die Strahlung sowohl das Substrat der Halbleiterscheibe 14, als auch das Prozessgas. Aufgrund der hohen Wärme umfasst das Lampengehäuse oft (wahlweise) eine Wasserkühlung.
Fig. 2 zeigt die Leistungsverteilung der oberen und unteren Lampen 18, 20 einer typischen RTCVD-Vorrichtung 10 aus dem Stand der Technik. Die Gesamtleistung, z. B. 12 kW, wird in der Regel zwischen der oberen Lampe 18 und der unteren Lampe 20 aufgeteilt, wobei die obere Lampe 18 55% Prozent der Leistung produziert (z. B. 6,6 kW) und die untere Lampe 20 45% (z. B. 5,4 kW). Die Einwirkung der Wärmeleistung auf die Halbleiterscheibe 14 kann auch auf der gesamten Oberfläche der Halbleiterscheibe variiert werden: So können für die oberen Lampen 18 beispielsweise näher am inneren Bereich der Halbleiterscheibe 14 angeordneten Lampen 40% der Leistung und die Lampen am äußeren Bereich der Halbleiterscheibe 14 60% der Leistung liefern. Ebenso können für die unteren Lampen 20 die näher am Mittelpunkt der Halbleiterscheibe 14 gelegenen Lampen 40% der Leitung und die äußeren Lampen 60% der Leistung abgeben. Die Leistungsverteilung zwischen den Lampenzonen dient zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit beim Abscheidungsverfahren.
Bei Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 10 und der in Fig. 2 gezeigten Leistungsverteilung besteht bei der CVD-Abscheidung einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe 14 - die Merkmale mit hohen Aspektverhältnis wie z. B. Gräben 48 enthält, wie in Fig. 3 dargestellt - im abgeschiedenen Material die Neigung zum "bread loafing" und zur Bildung von Hohlräumen 52 im unteren Teil der Gräben 48.
Fig. 3 zeigt eine Halbleiterscheibe 14 mit einem Substrat 42 und einer darauf aufgebrachten Nitridlage 44. In die Halbleiterscheibe 14 wurden tiefe Gräben 48 eingebracht. Zuvor wurde eine erste Kondensatorelektrode, eine sogenannte "buried plate" (nicht gezeigt) im unteren Bereich der Gräben 48 beispielsweise durch ein Gasphasen-Dotierverfahren hergestellt. Auf der Halbleiterscheibe 14 wurde eine dünne Nitridschicht 46 aufgebracht, die gleichmäßig die Oberfläche der Halbleiterscheibe 14, beispielsweise die Nitridlage 44, ebenso wie die Seitenwände und den Boden der Gräben 48 beschichtet.
Ein Halbleitermaterial 50, das z. B. Polysilizium umfassen kann, wird in der in Fig. 1 gezeigten RTCVD-Vorrichtung 10 auf der Halbleiterscheibe 14 abgeschieden, wobei die in Fig. 2 gezeigte Leistungsverteilung zwischen den oberen und den unteren Lampen verwendet wird. Wird nun das Polysilizium 50 in die Gräben 48 abgeschieden, so lagert sich mehr Material 50 im oberen als im unteren Bereich der Gräben 48 an. Der daraus resultierende Effekt wird üblicherweise als "bread loafing" bezeichnet. Hierbei schließt sich der obere Teil des Grabens 48, während im unteren Teil Hohlräume 52 verbleiben. Die Bildung dieser Hohlräume ist ein unerwünschter Effekt. Darüber hinaus kann das sogenannte "bread loafing" nicht verhindert werden, indem man den Kammerdruck, die Substrattemperatur oder die Anlagerungsrate der Schicht 50 innerhalb der akzeptierten, von der Produktionsleistung und der Schichtqualität bestimmten Grenzen verändert. Aus diesem Grunde ergibt sich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen aufgrund der hohen Anlagerungsrate im RTCVD-Reaktor und dem hohen Aspektverhältnis der Gräben 48 ein im Wesentlichen ungleichmäßiger Abscheidungsprozess.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessern die Gleichmäßigkeit im RTCVD-Verfahren. Auf diese Weise können Halbleiterscheiben hergestellt werden, die Gräben mit hohem Aspektverhältnis aufweisen und bei denen sich keine Hohlräume in der durch das CVD-Verfahren abgeschiedenen Schicht bilden. In dem hier beschriebenen neuartigen Verfahren führt die Erwärmung der Halbleiterscheibe und des Gasgemisches zu einer Verbesserung der Gleichmäßigkeit bei der CVD- Abscheidung.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 kann zur RTCVD-Bearbeitung einzelner Halbleiterscheiben verwendet werden. Alternativ kann die Vorrichtung 100 so ausgerichtet sein, dass sie beispielsweise eine Vielzahl von Halbleiterscheiben gleichzeitig bearbeitet. Eine Halbleiterscheibe 114 wird auf einer Aufnahmeeinrichtung 112 positioniert, die vorzugsweise eine Reihe von Stiften aufweist, um die Halbleiterscheibe 114 während dem Abscheidungsvorgang in Position zu halten. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Kammer 111 mit einer oberen Kuppel 122 und einer unteren Kuppel 124. Alternativ kann die Kammer 111 auch einteilig ausgebildet sein.
Wie dargestellt sind eine erste Energiequelle 118 und eine zweite Energiequelle 120 oberhalb der Aufnahmevorrichtung 112 in der oberen Kuppel 122 bzw. unterhalb der Aufnahmevorrichtung 112 in der unteren Kuppel 124 der Kammer angebracht. Die erste Energiequelle 118 wird hier auch als "obere Lampe" bezeichnet. Die erste Energiequelle 118 umfasst vorzugsweise eine Strahlungsenergie-Quelle, wie z. B. RTP-(rapid thermal processing - schnelles thermisches Verfahren)Lampen. Beispielsweise kann die erste Energiequelle 118 als Quartz- Halogen-Lampe mit einem Glühdraht aus Wolfram ausgebildet sein. Alternativ kann die erste Energiequelle 118 auch aus Widerstandsheizelementen bestehen. Weiterhin kann die erste Energiequelle 118 beispielsweise eine Vielzahl von Glühbirnen oder Lampen enthalten.
Entsprechend wird die zweite Energiequelle 120 hier auch als "untere Lampen" bezeichnet. Die zweite Energiequelle 120 umfasst vorzugsweise eine Strahlungsenergie-Quelle, wie z. B. RTP-Lampen. Beispielsweise kann die zweite Energiequelle 120 als Quartz-Halogen-Lampe mit einem Glühdraht aus Wolfram ausgebildet sein. Alternativ kann die zweite Energiequelle 120 z. B. auch aus Widerstandsheizelementen bestehen. Weiterhin kann die erste Energiequelle 118 beispielsweise eine Vielzahl von Glühbirnen oder Lampen enthalten.
Zur Bestimmung der Temperatur während des Abscheidungsvorgangs kann beispielsweise ein Pyrometer 116 an die Halbleiterscheibe 114 gekoppelt sein. Die Kammer umfasst eine Einlassöffnung 128, über die für den Abscheidungsvorgang erforderliche Chemikalien und Gase in die Kammer geleitet und zerstäubt werden können. Die Kammer umfasst außerdem einen Gasauslass 130, durch den die Chemikalien und Gase ausgestoßen werden können.
Während des CVD-Verfahrens werden Chemikalien 132 über die Oberfläche der Halbleiterscheibe 114 geleitet, während die Kammer mithilfe der Energiequellen 118 und 120 erwärmt wird. Die Chemikalien 132 umfassen z. B. reaktive Gase sowie Quell- und Trägergase, die die auf der Halbleiterscheibe 14 abzuscheidenden Materialien enthalten. Eine außerhalb der Kammer angebrachte Anpassungseinrichtung 160 ist darauf ausgerichtet, die Leistungsverteilung zwischen der ersten und der zweiten Energiequelle 118, 120 anzupassen. Die Anpassungseinrichtung 160 ermöglicht eine variable Leistungsverteilung der Strahlungsenergie der ersten und zweiten Energiequelle 118, 120.
In einer Ausführungsform ist die Anpassungseinrichtung 160 auf eine unabhängige Anpassung der Leistung der ersten und der zweiten Energiequelle 118, 120 ausgerichtet. In einer weiteren Ausführungsform ist die Anpassungseinrichtung 160 so ausgeführt, dass eine Erhöhung der Leistung der ersten Energiequelle 118 eine Verminderung der Leistung der zweiten Energiequelle 120 zur Folge hat. Analog dazu wird durch eine Verminderung der Leistung der ersten Energiequelle 118 die Leistung der zweiten Energiequelle 120 erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die unteren Lampen 120 so ausgeführt, dass sie während des RTCVD- Verfahrens 70 bis 100% der Temperatur liefern, die der Halbleiterscheibe 114 während dem Abscheidungsprozess zugeführt wird, während die oberen Lampen 118 0 bis 30% der Temperatur bereitstellen. Mithilfe der Anpassungseinrichtung 160 kann die Leistung der Lampen 118 und 120 angepasst werden. Beispielsweise können die oberen Lampen 118 so eingestellt werden, dass sie 5% der Energie liefern, während die unteren Lampen 95% der Energie bereitstellen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Vorrichtung und das Verfahren so ausgeführt, dass die Halbleiterscheibe 114 und die Chemikalien 132 in der Kammer z. B. auf eine Temperatur zwischen ca. 500 bis 1100°C erhitzt werden.
Zur Abscheidung einer Schicht 150 auf einer Halbleiterscheibe 114 wird die Halbleiterscheibe 114 in der Kammer 111 positioniert. Anschließend werden reaktive Gase 132 in die Kammer 111 geleitet. Die Gase 132 und die Halbleiterscheibe 114 werden erhitzt, wobei die Temperatur der Gase 132 in der Umgebung der Oberfläche der Halbleiterscheibe 114 unter der Temperatur der Oberfläche der Halbleiterscheibe 114 liegt. Eine Schicht 150 (siehe Fig. 5) wird mittels CVD-Verfahren auf der Halbleiterscheibe 114 aufgebracht.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Schicht 150 ohne die Bildung von Rissen und Hohlräumen aufgebracht, was zeigt, dass die Verteilung der Strahlungsenergie die Gleichmäßigkeit beim Abscheidungsprozess beeinflusst. Folglich stellt ein Verändern der Verteilung der Strahlungsenergie eine effektive Methode dar, um die Gleichmäßigkeit bei der Abscheidung zu verbessern. Ein Vorteil der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass keine Veränderung der Substrattemperatur, des Kammerdrucks, der chemischen Vorstufe oder der Schichtanlagerung erforderlich ist.
Eine derart ungewöhnliche Korrelation zwischen der Verteilung der Strahlungsenergie und der Gleichmäßigkeit des Abscheidungsprozess beruht physikalisch auf der Art und Weise, in der das Prozessgas erwärmt wird. Zwar wird die Substrattemperatur nicht von der Verteilung der Strahlungsleistung zwischen den oberen und den unteren Lampen beeinflusst, die Temperatur des Prozessgases jedoch schon. Im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist die Temperatur des Prozessgases niedriger, da der Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Substrat relativ langsam vor sich geht. Dem steht eine schnelle Heizleistung der Strahler gegenüber. Wird die intensive Strahlungsquelle vom oberen Teil des Reaktors entfernt, so wird das Prozessgas nicht schnell genug erwärmt. Im erfindungsgemäßen Verfahren wurden der Vorgang der Substraterwärmung und der Erwärmung des Prozessgases erfolgreich voneinander getrennt. Daher ist jedes beliebige Verfahren zur unabhängigen Steuerung der Prozessgas- und der Substrattemperatur ein wirksames Mittel zur Steuerung der Gleichmäßigkeit des Abscheidungsvorgangs.
Bei verschiedenen Temperaturen von Prozessgas und Halbleiterscheibe kommt es in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der Halbleiterscheibe zu einem starken Temperaturgefälle im Gas. Diese Temperaturänderung des Gases ist ebenfalls für die beobachtete Verbesserung der Gleichmäßigkeit verantwortlich.
Durch die Steuerung des Temperaturgefälles kann die örtliche Zusammensetzung des Gasgemisches kontrolliert werden. Dies dient wiederum zur Steuerung lokaler Verarbeitungsbedingungen. Durch eine Änderung der Leistungsverteilung zwischen den unteren und den oberen Lampen 118, 120 in der Kammer 111 kann beispielsweise eine gleichmäßigere Abscheidung von SiH₄ im gesamten Graben 148 erreicht werden. Alternativ dazu kann SiH₄ auch in größeren Mengen im unteren Teil eines Grabens 148 abgelagert werden, wodurch die unerwünschte Bildung von Hohlräumen, wie die Querschnittsdarstellung der Halbleiterscheibe 114 in Fig. 5 zeigt, minimiert, reduziert oder eliminiert werden kann. Außerdem kann ein kühleres Gas Gasphasenreaktionen in der Kammer 111 vermindern. Dadurch wird die Produktion hoch-reaktiver Radikale mit hohem Haftkoeffizienten unterdrückt, was wiederum zur Verminderung oder Eliminierung unerwünschter Hohlraumbildungen führt, wie in der Querschnittsdarstellung der Halbleiterscheibe 114 in Fig. 5 gezeigt ist.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kommt es durch die Anpassung und Steuerung der Gastemperatur und des Temperaturgefälles im Gas in den Gräben 148 einer Halbleiterscheibe 114 zu einer verminderten Abscheidung auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe 114 im Vergleich zu einer vermehrten Anlagerung an den Seitenwänden des Grabens 148. Dies führt zu einer homogenen Auffüllung des Grabens 148 ohne Hohlräume.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient ein neuartiger RTCVD-Reaktor zur weiteren Verbesserung der Gleichmäßigkeit. Dieser Reaktor ist in Fig. 7 gezeigt. Die Vorrichtung 200 kann zur RTCVD-Bearbeitung von einzelnen Halbleiterscheiben verwendet werden. Alternativ kann die Vorrichtung 200 beispielsweise auch auf eine gleichzeitige Bearbeitung einer Vielzahl von Halbleiterscheiben ausgerichtet sein.
Eine Halbleiterscheibe 114 kann auf eine Aufnahmeeinrichtung 112 aufgelegt werden, die eine Vielzahl von Stiften umfasst, um die Halbleiterscheibe 114 während dem Abscheidungsvorgang in Position zu halten. Die Vorrichtung 200 umfasst eine Kammer mit einer oberen Kuppel 122 und einer unteren Kuppel 124. Alternativ kann die Kammer auch einteilig ausgebildet sein.
Wie dargestellt sind eine erste Energiequelle 118 und eine zweite Energiequelle 120 oberhalb der Aufnahmevorrichtung 112 in der oberen Kuppel 122 bzw. unterhalb der Aufnahmevorrichtung 112 in der unteren Kuppel 124 der Kammer angebracht. Die erste Energiequelle 118 wird hier auch als "obere Lampe" bezeichnet. Die erste Energiequelle 118 umfasst vorzugsweise eine Strahlungsenergie-Quelle, wie z. B. RTP-Lampen. Beispielsweise kann die erste Energiequelle 118 als Quartz- Halogen-Lampe mit einem Glühdraht aus Wolfram ausgebildet sein. Alternativ kann die erste Energiequelle 118 auch Widerstandsheizelemente umfassen. Weiterhin kann die erste Energiequelle 118 beispielsweise eine Vielzahl von Glühbirnen oder Lampen enthalten.
Entsprechend wird die zweite Energiequelle 120 hier auch als "untere Lampen" bezeichnet. Die zweite Energiequelle 120 umfasst vorzugsweise eine Strahlungsenergie-Quelle, wie z. B. RTP-Lampen. Beispielsweise kann die zweite Energiequelle 120 als Quartz-Halogen-Lampe mit einem Glühdraht aus Wolfram ausgebildet sein. Alternativ kann die zweite Energiequelle 120 z. B. auch aus Widerstandsheizelementen bestehen. Weiterhin kann die erste Energiequelle 118 beispielsweise eine Vielzahl von Glühbirnen oder Lampen enthalten.
Zur Bestimmung der Temperatur während des Abscheidungsvorgangs kann beispielsweise ein Pyrometer 116 an die Halbleiterscheibe 114 gekoppelt sein. Die Kammer umfasst eine Einlassöffnung 128, über die für den Abscheidungsvorgang erforderliche Chemikalien und Gase in die Kammer geleitet und zerstäubt werden können. Die Kammer umfasst außerdem einen Gasauslass 130, durch den die Chemikalien und Gase ausgestoßen werden können.
In einer anderen Konfiguration macht die erste Energiequelle einem Gaseinlass 128 Platz. Die Gaseinlassöffnung 128 befindet sich oberhalb der Halbleiterscheibe 114 und wird auch als Zerstäuberkopf bezeichnet. Die Gase werden zunächst ins Innere des Zerstäuberkopfes geleitet, wo sie vermischt werden. Der Druckunterschied leitet das Gas durch eine Reihe von Löchern in die RTCVD-Kammer. Die Leitungseigenschaften der Löcher können verschieden ausgebildet sein, um eine gleichmäßige Verteilung der chemischen Gase in der Kammer zu gewährleisten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich in der Gaszuführleitung des Reaktors ein Kühlsystem, welches das Prozessgas vor Einführung in die Kammer kühlt. Das Kühlsystem umfasst einen Gaskühler, sowie Einrichtungen zur Überwachung und Steuerung der Gastemperatur. Wird kühleres Gas, dessen Temperatur beispielsweise unter Raumtemperatur liegt, durch den Gaseinlass geführt, so ist auch das Gas in der Prozesskammer und in der Umgebung der Halbleiterscheibe kühler. Dadurch wird das Temperaturgefälle verstärkt und jede Art von Gasphasenreaktion vermindert.
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem an der Seite der Prozesskammer 211 angebrachtem Gaskühler 262 und Gaszuführsystem 264. Der Gaskühler 262 nutzt das Fließen und/oder die Kondensation eines Kühlmittels, um die Temperatur eines Kühlelements des Kühlers 262 zu senken. Zwischen dem zugeführten Gas und der Außenfläche des Kühlelements kommt es zu einem Wärmetausch, wobei die Außenfläche des Kühlelements so groß wie möglich gestaltet ist, um eine hohe Kühlwirkung zu erreichen. In dem Kühler 262 können verschiedene Kühlmittel eingesetzt werden, wie z. B. ein metallisches Gehäuse mit kaltem Wasser oder z. B. flüssiger Stickstoff oder Helium. Der Kühler 262 kann auch thermoelektrische Elemente umfassen, in denen der elektrische Strom teilweise in einen ein bestimmtes Temperaturgefälle unterstützenden Wärmefluss umgewandelt wird.
Fig. 7 zeigt eine Detailansicht der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform. Hier wurde ein Gaskühler 262 in das Gaszuführsystem des Reaktors eingebaut. Eine Halbleiterscheibe 214 liegt auf einer Aufnahmevorrichtung 112 auf, die eine Vielzahl von Stiften zur Positionierung der Halbleiterscheibe 114 während des Abscheidungsvorgangs umfassen kann. Die Vorrichtung 210 umfasst eine Kammer 211 mit einer durchsichtigen oberen Kuppel 222 und einer durchsichtigen unteren Kuppel 224. Die Kammer 211 kann jedoch auch einteilig ausgebildet sein.
Die oberen Lampen 218 und die unteren Lampen 220 sind, wie dargestellt, außerhalb der Kuppeln oberhalb der Halbleiterscheibe 214 und unterhalb der Halbleiterscheibe 214 angebracht. Zur Bestimmung der Temperatur während des Abscheidungsvorgangs kann beispielsweise ein Pyrometer 216 in die Halbleiterscheibe 214 gekoppelt sein. Die Kammer umfasst eine Einlassöffnung 228, über die die für den Abscheidungsvorgang erforderlichen Chemikalien und Gase in die Kammer geleitet und zerstäubt werden können. Der Durchfluss der Gase wird durch einzelne Mengendurchflussregler (Mass Flow Controller MFC) MFC1 und MFC2 gesteuert. Dadurch kann eine genau vorgegebene Durchflussrate von Gasmolekülen in der Kammer erreicht werden. Die Kammer umfasst außerdem einen Gasauslass 230, durch den die Chemikalien und Gase ausgestoßen werden können. Während des Abscheidungsvorgangs werden bestimmte Chemikalien 232 über die Oberfläche der Halbleiterscheibe 214 geleitet, während die Kammer mithilfe der Lampen 218 und 220 erwärmt wird. Die Strahlung der Lampen 218, 220 dringt durch die durchsichtigen Kuppeln 222, 224 in die Kammer ein. In der Kammer 211 erwärmt die Strahlung sowohl das Substrat der Halbleiterscheibe 214, als auch das Prozessgas. Erfindungsgemäß liegt insbesondere in der Umgebung der Oberfläche der Halbleiterscheibe 214 die Gastemperatur beträchtlich unter der Temperatur auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe 114. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Halbleiterscheibe mit wesentlich mehr Wärme von den unteren Lampen 220 als von den oberen Lampen 218 versorgt wird, während das Gas 232 im Gaskühler 262 gekühlt wird.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform 310 der vorliegenden Erfindung mit einem sogenannten "chuck-heated reactor", der einen Zerstäuberkopf 366 mit einem eingebetteten Gaskühler 368 enthält. Fig. 9 ist eine Detailansicht der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform. Die Halbleiterscheibe 314 wird von einem Scheibenträger 370 mit eingebauter Heizvorrichtung in der Kammer 311 in Position gehalten. Der Scheibenträger 370kann an eine Energieversorgungseinrichtung 374 gekoppelt sein, die die in den Scheibenträger 370 eingebaute Heizvorrichtung mit Energie versorgt. Eine Vielzahl von Gasen wird über ein Gaszuführsystem mit entsprechenden Mengendurchflussreglern MFC im Zerstäuberkopf 366 in die Kammer geleitet. Wenn das Gasgemisch über die Öffnungen 372 des Zerstäuberkopfes 366 in die Prozesskammer geleitet wird, kühlt der Gaskühler 368 das Gasgemisch.
Die Vorrichtung kann eine Steuereinrichtung 376 zur Steuerung der Substrattemperatur der Halbleiterscheibe 314 umfassen. An die Vorrichtung kann auch eine Gasreinigungsanlage 378 mit einem entsprechendem Mengendurchflussregler MFC angeschlossen sein.
Ist das primäre Kühlmittel für den Gaskühler 262, 368 kaltes Wasser, so kann die Vorrichtung 210, 310 so ausgeführt sein, dass das Gas vor Eintritt in die Kammer 211, 311 auf eine Temperatur unter Raumtemperatur gekühlt wird. Ist das primäre Kühlmittel im Gaskühler 262, 368 hingegen flüssiger Stickstoff, so kann die Vorrichtung 210, 310 so ausgeführt sein, dass das Gas vor Eintritt in die Kammer 211, 311 auf eine Temperatur gekühlt wird, die unter einem Bereich von 200 bis 80 Kelvin, gleichzeitig jedoch über dem Punkt liegt, an dem irgendeines der Prozessgase vom flüssigen Zustand in den Gaszustand übergeht.
Optional kann der Kühler 262, 368 als primäres Kühlelement beispielsweise ein thermoelektrisches Element enthalten. Der Gaskühler 262, 368 kann außerdem auf der Kondensation eines Kühlmittels in die flüssige Phase basieren. Weiterhin kann der Gaskühler 262, 368 auf adiabatischer Ausdehnung des Prozessgases in die Kammer beruhen.
Die Aufnahmevorrichtung 112, 212 oder das Scheibenträger 370 können derart ausgeführt sein, dass die Halbleiterscheibe 114, 214, 314 mit einer Geschwindigkeit von 0 bis 1000 U/min gedreht wird. Darüber hinaus kann die Vorrichtung 110, 210, 310 beispielsweise eine Transferkammer für die Halbleiterscheiben, eine Lastenarretierungseinheit oder eine Kammer zum Kühlen der Halbleiterscheiben umfassen (nicht gezeigt).
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen integrierte Abscheidungssysteme, die mindestens eine Vorrichtung 110, 210, 310 und mindestens eine der folgenden Prozesskammern enthalten: CVD-Kammer, PVD-Kammer oder Kathodenzerstäubungs-Kammer (das sogenannte "Sputtering"), RTP- Kammer, RIE-(reaktives Ionenätzen)-Kammer, Reinigungkammer, oder Kombinationen davon. Das integrierte Abscheidungssystem ist vorzugsweise so ausgeführt, dass die Schicht auf der Halbleiterscheibe abgeschieden wird, während sich die Halbleiterscheibe in einem Vakuum befindet, wobei die Halbleiterscheibe von einer in die andere Kammer transferiert werden kann, ohne dabei das Vakuum zu unterbrechen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier im Zusammenhang mit einem DRAM-Speicher beschrieben. Allerdings können sie auch in ferroelektrischen Halbleiterspeichern mit wahlfreiem Zugriff (FRAM), in magnetischen Halbleiterspeichern mit wahlfreiem Zugriff (MRAM), anderen Speicherbausteinen und anderen Halbleiterbausteinen Anwendung finden, insbesondere in Halbleiterbausteinen, in denen Merkmale mit hohem Aspektverhältnis vorliegen. Die Ausführungsformen der Erfindung erlauben bei Aspektverhältnissen von beispielsweise 5 : 1, 50 : 1, 100 : 1 und mehr eine Hohlraum-freie Auffüllung mit CVD-Materialien.
Die Abscheidung von Halbleitermaterial wurde in einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt, jedoch kann auch die Abscheidung von leitenden und isolierenden Schichten im Sinne der erfindungsgemäßen Ausführungsformen erfolgen. Auch die Abscheidung von amorphem Silizium, hitzebeständigem Metall, Siliziden, anderen Metallen, Oxiden und Nitriden kann mithilfe des RTCVD-Verfahrens erfolgen, während gleichzeitig, wie hier beschrieben, die Temperatur des Prozessgases und/oder das Temperaturgefälle im Prozessgas in der Umgebung der Halbleiterscheibe zur Optimierung der Gleichmäßigkeit der Abscheidung verändert und gesteuert wird.
Wird beispielsweise Polysilizium 150 auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe 114 abgeschieden, so können als Chemikalien 132 z. B. SiH₄, ASH₃, PH₃, B₂H₆, H₂, oder eine Kombination davon verwendet werden. Alternativ können beispielsweise Disilan, Dichlorosilan, Hexasilan oder andere siliziumhaltige Gase verwendet werden. Dabei kann die aktive Komponente des Gases weniger als 1% der Zusammensetzung des Gases ausmachen. Bei der Abscheidung von Wolfram können als Chemikalien 132 z. B. WF₆, WCl₆, W(CO)₆ oder eine Kombination aus diesen verwendet werden. Bei der Abscheidung von SiO₂ können als Chemikalien 132 z. B. SiH₄, N₂O, O₂, NO oder eine Kombination aus diesen verwendet werden.
Zu den Vorteilen der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehört die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur gleichmäßigen Abscheidung von Schichten auf einer Halbleiterscheibe. Solche gleichmäßigen Abscheidungsverfahren haben beispielsweise eine Riss-freie Auffüllung von Gräben mit hohem Aspektverhältnis auf einer Halbleiterscheibe zur Folge. Erfindungsgemäß wird ein gleichmäßigerer Schichtauftrag auf einer Halbleiterscheibe dadurch verbessert, indem die Halbleiterscheibe und das Gasgemisch in der Prozesskammer derart erwärmt werden, dass eine Steuerung der Gastemperatur und des Temperaturgefälles im Prozessgas in der Umgebung der Oberfläche der Halbleiterscheibe ermöglicht wird. Die im RTCVD-Verfahren auftretenden Probleme des sogenannten "bread loafing" und der Bildung von Hohlräumen werden durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermindert.
Obwohl die Erfindung anhand der dargestellten Ausführungsform beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht als Beschränkung verstanden werden. Ein Fachmann kann unter Bezugnahme auf die Beschreibung verschiedenste Modifikationen in Kombination mit den dargestellten, als auch mit anderen Ausführungsformen der Erfindung vornehmen. Darüber hinaus kann der Fachmann die Abfolge der Verfahrensschritte im Sinne und im Umfang der Erfindung verändern. Solche Modifikationen oder Ausführungsformen sollen daher gemäß den beigefügten Ansprüchen erfolgen. Darüber hinaus soll sich der Umfang der erfindungsgemäßen Ausführungsformen nicht auf die speziellen Ausführungsformen von hier beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen, Herstellungsverfahren, Zusammensetzungen von Substanzen, Mittel, Methoden und Arbeitschritten beschränken. Folglich gehören solche Verfahren, Vorrichtungen, Herstellungsverfahren, Zusammensetzungen, Mittel, Methoden und Arbeitschritte zum Umfang der beigefügten Patentansprüche. Bezugszeichenliste 10 RTCVD-Vorrichtung aus Stand der Technik
12 Aufnahmeeinrichtung
14 Halbleiterscheibe
16 Pyrometer
18 obere Lampen
20 untere Lampen
22 obere Kuppel
24 untere Kuppel
26 Anpassungseinrichtung
28 Einlassöffnung
30 Auslass
32 Chemikalien
42 Substrat
44 Nitridlage
48 Gräben
50 Halbleitermaterial
52 Hohlräume
100 Vorrichtung
111 Kammer
112 Aufnahmeeinrichtung
114 Halbleiterscheibe
116 Pyrometer
128 Einlassöffnung
130 Auslass
132 Chemikalien
148 Graben
150 Schicht
160 Anpassungseinrichtung
200 Vorrichtung
211 Kammer
212 Aufnahmeeinrichtung
214 Halbleiterscheibe
216 Pyrometer
218 obere Lampe
220 untere Lampe
222 obere Kuppel
224 untere Kuppel
228 Einlassöffnung
230 Gasauslass
232 Gas
262 Gaskühler
264 Gaseinspritzsystem
311 Kammer
314 Halbleiterscheibe
366 Verteilerkopf
368 eingebetteter Gaskühler
370 Spannfutter
372 Öffnungen
374 Energieversorgungseinrichtung

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterscheibe (14, 114, 214), umfassend die folgenden Schritte:

- Bereitstellen einer Halbleiterscheibe (14, 114, 214), die nicht-planare Strukturen mit einer dreidimensionalen Oberfläche aufweist;

- Positionieren der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) in einer Kammer (111, 211);

- Einbringen eines reaktiven Gases (32, 132, 232) in die Kammer (111, 211);

- Erwärmen des Gases (32, 132, 232) und der Halbleiterscheibe (14, 114, 214), wobei die Temperatur des Gases in der Kammer (111, 211) und in der Umgebung der Oberfläche der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) mehr als 20% unter der Temperatur der Oberfläche der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) liegt; und

- Abscheiden einer Schicht auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) unter Verwendung des CVD-Verfahrens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Gases (32, 132, 232) und der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) die folgenden Schritte umfasst:

- Einbringen einer ersten Energiequelle (18, 118, 218) in die Kammer (111, 211) oberhalb der Halbleiterscheibe (14, 114, 214);

- Einbringen einer zweiten Energiequelle (20, 120, 220) in die Kammer (111, 211) unterhalb der Halbleiterscheibe (14, 114, 214); und

- Erwärmen der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) mithilfe der zweiten (20, 120, 220) und der ersten Energiequelle (18, 118, 218), wobei die zweite Energiequelle (20, 120, 220) wesentlich mehr Energie abgibt als die erste Energiequelle (18, 118, 218).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) zu 0 bis 30% von der ersten Energiequelle (18, 118, 218) und zu 70 bis 100% von der zweiten Energiequelle (18, 118, 218) erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der jeweils von der von der ersten (18, 118, 218) bzw. der zweiten Energiequelle (18, 118, 218) aufgewandte Prozentsatz an Energie angepasst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) Gräben (48, 148) mit einem Aspektverhältnis von mindestens 5 : 1 umfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) Gräben (48, 148) mit einem Aspektverhältnis von mindestens 50 : 1 umfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) auf eine Temperatur von etwa 500 bis 1100°C erhitzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbleiterschicht, eine Isolatorschicht oder eine leitenden Schicht auf der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) abgeschieden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polysiliziumschicht auf der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) abgeschieden wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen einer Schicht die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) SiH₄, AsH₃, H₂ oder einer Kombination davon ausgesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (18, 118, 218) und die zweite Energiequelle (20, 120, 220) RTP-(rapid thermal processing)-Lampen umfassen.

12. Halbleiterscheibe, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bearbeitet wurde.

13. Halbleiterscheibe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) eine Speichervorrichtung umfasst.

14. Halbleiterscheibe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung einen dynamischen Halbleiterspeicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) umfasst.

15. Halbleiterscheibe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) Gräben (48, 148) mit einem Aspektverhältnis von mindestens 5 : 1 umfasst.

16. Halbleiterscheibe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) Gräben (48, 148) mit einem Aspektverhältnis von mindestens 50 : 1 umfasst.

17. Vorrichtung (100, 200) zum Abscheiden einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe (14, 114, 214), umfassend:
eine Kammer (111, 211, 311);
ein an die Kammer (111, 211, 311) angeschlossenes Gaszuleitungssystem (128, 228) mit Mengendurchflussreglern (MFC) für mindestens ein reaktives Gas und mindestens ein neutrales Gas;
eine in der Kammer angebrachte Aufnahmeeinrichtung (112, 212) zum Aufnehmen einer Halbleiterscheibe (14, 114, 214);
Heizelement zum Erhitzen der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) auf eine vorgegebene Temperatur;
eine Einrichtung zum Überwachen und Steuern der Temperatur der Halbleiterscheibe (14, 114, 214);
einen an die Kammer angeschlossenen Gasauslass (130, 230), der an eine Pumpe gekoppelt ist;
eine Einrichtung zum Überwachen und Steuern des Gasdrucks in der Kammer; und
eine einen Gaskühler (262) umfassende Aufnahmeeinrichtung (112, 212) zum Kühlen mindestens eines reaktiven Gases vor dessen Eintritt in die Kammer (111, 211, 311), wobei der Gaskühler (262) ein primäres Kühlmittel enthält.

18. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassungseinrichtung (26, 160) zum Anpassen der Temperatur des Gaskühlers (262) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100, 200) dahingehend ausgelegt ist, eine Halbleiterscheibe (14, 114, 214) auf eine Temperatur von 500 bis 1100°C zu erhitzen.

20. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Kühlmittel im Gaskühler (262) kaltes Wasser umfasst.

21. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas vor Eintritt in die Kammer (111, 211, 311) auf eine Temperatur unter Raumtemperatur abgekühlt wird.

22. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Kühlmittel im Gaskühler (262) flüssigen Stickstoff umfasst.

23. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Kühlmittel im Gaskühler (262) durch ein thermoelektrisches Element bereitgestellt wird.

24. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler (262) auf der Kondensation eines Kühlmittels in die flüssige Phase basiert.

25. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler (262) auf adiabatischer Ausdehnung des Prozessgases in die Kammer basiert.

26. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aufnahmeeinrichtung (112, 212) für die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) mit einer Geschwindigkeit von 0 bis 1000 U/min dreht.

27. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Transferkammer für die Halbleiterscheiben (14, 114, 214) vorgesehen ist.

28. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lastenarretierungseinheit vorgesehen ist.

29. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kammer zum Kühlen der Halbleiterscheiben (14, 114, 214) vorgesehen ist.

30. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsquelle zum Abscheiden einer Halbleiterschicht, einer Isolatorschicht oder einer leitenden Schicht ausgelegt ist.

31. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaszuleitungssystem einen oberhalb der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) angebrachten Zerstäuberkopf (366) enthält.

32. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuberkopf (366) den Gaskühler umfasst.

33. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsquelle zum Abscheiden Polysilizium ausgelegt ist.

34. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsquelle SiH₄, ASH₃, PH₃, B₂H₆, H₂, oder eine Kombination davon umfasst.

35. Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung zur Erhitzung der Halbleiterscheibe (14, 114, 214) RTP-Lampen und/oder Widerstandsheizelemente enthält.

36. Integriertes Abscheidungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 17, sowie eine oder mehrere der folgenden Prozesskammern vorgesehen sind: CVD-Kammer, PVD-Kammer, RTP-Kammer, RIE-(reaktives Ionenätzen)-Kammer, Reinigungkammer, oder Kombinationen davon.

37. Integriertes Abscheidungssystem nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht auf einer Halbleiterscheibe (14, 114, 214) abgeschieden wird, während sich die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) in einem Vakuum befindet, und dass die Halbleiterscheibe (14, 114, 214) von einer in die andere Kammer transferiert werden kann, ohne dabei das Vakuum zu unterbrechen.