DE112010003931T5 - Epitaxialkammer mit Kreuzströmung - Google Patents

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Nyi Oo Myo
Kevin Joseph Bautista
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Harpreet Singh Juneja
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Abstract

Im vorliegenden Dokument werden Verfahren und Vorrichtungen zum Verarbeiten eines Substrats bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen enthält eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Substrats eine Prozesskammer, in der ein Substratträger angeordnet ist, um eine Verarbeitungsoberfläche eines Substrats in einer gewünschten Position innerhalb der Prozesskammer zu stützen; eine erste Einlassöffnung zum Einleiten eines ersten Prozessgases über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats in einer ersten Richtung; eine zweite Einlassöffnung zum Einleiten eines zweiten Prozessgases über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, wobei ein Azimutwinkel, zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung mit Bezug auf eine Mittelachse des Substratsträgers gemessen, maximal etwa 145 Grad beträgt; und eine Auslassöffnung, die gegenüber der ersten Einlassöffnung angeordnet ist, um das erste und das zweite Prozessgas aus der Prozesskammer abzulassen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Verarbeiten eines Substrats.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • In einigen Prozessen, wie zum Beispiel der epitaxialen Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat, können Prozessgase in derselben Richtung über eine Substratoberfläche geleitet werden. Zum Beispiel können das eine oder die mehreren Prozessgase über eine Substratoberfläche zwischen einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, die an gegenüberliegenden Enden einer Prozesskammer angeordnet sind, geleitet werden, um eine Epitaxialschicht auf der Substratoberfläche aufwachsen zu lassen.
  • Es gilt unter Fachleuten als allgemein anerkannt, dass die Temperatur die bei weitem einflussreichste Variable für das Steuern der Filmdicke ist. Von daher wird versucht, über die Temperatursteuerung des Substrats und/oder der Prozessumgebung die auf dem Substrat abgeschiedene Filmdicke zu steuern.
  • Die Erfinder stellen im vorliegenden Text verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Verarbeiten von Substraten bereit.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Im vorliegenden Text werden Verfahren und Vorrichtungen zum Verarbeiten eines Substrats beschrieben. In einigen Ausführungsformen enthält eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Substrats eine Prozesskammer, in der ein Substratträger angeordnet ist, um eine Verarbeitungsoberfläche eines Substrats in einer gewünschten Position innerhalb der Prozesskammer zu stützen; eine erste Einlassöffnung zum Einleiten eines ersten Prozessgases über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats in einer ersten Richtung; eine zweite Einlassöffnung zum Einleiten eines zweiten Prozessgases über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, wobei ein Azimutwinkel, zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung mit Bezug auf eine Mittelachse des Substratsträgers gemessen, maximal etwa 145 Grad beträgt; und eine Auslassöffnung, die gegenüber der ersten Einlassöffnung angeordnet ist, um das erste und das zweite Prozessgas aus der Prozesskammer abzulassen.
  • In einigen Ausführungsformen enthält ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einem Substrat das Einleiten eines ersten Prozessgases über eine Verarbeitungsoberfläche eines Substrats in einer ersten Richtung; das Einleiten eines zweiten Prozessgases über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, wobei ein Azimutwinkel, zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung mit Bezug auf eine Mittelachse des Substrats gemessen, maximal etwa 145 Grad beträgt; und Abscheiden einer Schicht auf dem Substrat, die mindestens teilweise aus einer Strömungswechselwirkung des ersten und des zweiten Prozessgases auf dem Substrat entsteht. Weitere Ausführungsformen und Varianten werden unten in der detaillierten Beschreibung offenbart.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die oben in Kurzfassung dargelegt wurden und unten ausführlicher besprochen werden, können anhand der veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, besser verstanden werden. Es ist jedoch anzumerken, dass die beiliegenden Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen dieser Erfindung veranschaulichen und darum nicht so verstanden werden dürfen, als würden sie den Geltungsbereich der Erfindung einschränken, da sich die Erfindung auch für andere, gleichermaßen wirkungsvolle Ausführungsformen eignen könnte.
  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Prozesskammer gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • 2A zeigt eine schematische Draufsicht einer Prozesskammer gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • 2B zeigt eine Einlassöffnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • 2C zeigt eine schematische Seitenansicht einer Prozesskammer gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einem Substrat gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine auf einem Substrat abgeschiedene Schicht gemäß dem in 3 gezeigten Verfahren.
  • Um das Verstehen zu erleichtern, wurden nach Möglichkeit identische Bezugszahlen zum Bezeichnen identischer Elemente verwendet, die in den Figuren mehrfach vorkommen. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu und können im Interesse einer übersichtlicheren Darstellung vereinfacht sein. Es wird in Betracht gezogen, dass Elemente und Merkmale einer Ausführungsform vorteilhaft in andere Ausführungsformen integriert werden können, ohne dass darauf noch einmal ausdrücklich hingewiesen wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im vorliegenden Text werden Verfahren und Vorrichtungen zum Abscheiden einer Schicht auf einem Substrat offenbart. Die Erfinder haben beobachtet, dass in herkömmlichen Prozessen nach wie vor unerwünschte Ungleichmäßigkeiten bei der Dicke und/oder Zusammensetzung von auf einer Substratoberfläche aufgewachsenen Epitaxialschichten auftreten können. Die Erfinder haben des Weiteren beobachtet, dass solche Ungleichmäßigkeiten in Dicke und Zusammensetzung bei kleineren kritischen Abmessungen und/oder höheren Graden inhaltlicher Beladung noch unerwünschter werden können. Ausführungsformen der im vorliegenden Text offenbarten erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen können vorteilhafterweise Ungleichmäßigkeiten in der Dicke und/oder Zusammensetzung von abgeschiedenen Schichten beseitigen, indem sie eine Strömungswechselwirkung zwischen Prozessgasen, die für die Abscheidung verwendet werden, hervorrufen. Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen reduzieren des Weiteren das Entstehen von Defekten oder Partikeln in der abgeschiedenen Schicht, erlauben das Abstimmen von Dicke und/oder Zusammensetzung und/oder der Kristallinität der abgeschiedenen Schicht an die konkreten Erfordernisse.
  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Prozesskammer 100 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Prozesskammer 100 kann aus einer handelsüblichen Prozesskammer modifiziert sein, wie zum Beispiel dem RP EPI®-Reaktor von der Firma Applied Materials, Inc. aus Santa Clara, Kalifornien, oder einer beliebigen geeigneten Halbleiter-Prozesskammer, die für die Durchführung epitaxialer Siliziumabscheidungsprozesse geeignet ist. Die Prozesskammer 100 kann für die Durchführung epitaxialer Siliziumabscheidungsprozesse geeignet sein, wie oben besprochen, und umfasst zur Veranschaulichung einen Kammerkorpus 110 und eine erste Einlassöffnung 114, eine zweite Einlassöffnung 170 und eine Auslassöffnung 118, die um einen Substratträger 124 herum angeordnet sind. Die erste Einlassöffnung 114 und die Auslassöffnung 118 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Substratsträgers 124 angeordnet. Die zweite Einlassöffnung 170 ist mit Bezug auf die erste Einlassöffnung 114 dafür konfiguriert, ein zweites Prozessgas in einem Winkel zu einem ersten Prozessgas, das durch die erste Einlassöffnung 114 eingeleitet wird, einzuleiten. Die zweite Einlassöffnung 170 und die erste Einlassöffnung 114 können um einen Azimutwinkel 202 von maximal etwa 145 Grad auf jeder Seite der Kammer voneinander getrennt sein, was unten mit Bezug auf 2A beschrieben wird, die eine Draufsicht der Prozesskammer 100 veranschaulicht. Die Prozesskammer 100 enthält des Weiteren Unterstützungssysteme 130 und eine Steuereinheit 140, was weiter unten noch ausführlicher besprochen wird.
  • Der Kammerkorpus 110 enthält allgemein einen oberen Abschnitt 102, einen unteren Abschnitt 104 und ein Gehäuse 120. Der obere Abschnitt 102 ist auf dem unteren Abschnitt 104 angeordnet und enthält einen Deckel 106, einen Klemmring 108, eine Auskleidung 116, eine Grundplatte 112, eine oder mehrere obere Lampen 136 und eine oder mehrere untere Lampen 138, und ein oberes Pyrometer 156. In einer Ausführungsform hat der Deckel 106 einen domartigen Formfaktor, aber es kommen auch Deckel mit anderen Formfaktoren in Frage (beispielsweise flache oder umgekehrt gekrümmte Deckel). Der untere Abschnitt 104 ist mit einer ersten Einlassöffnung 114, einer zweiten Einlassöffnung 170 und einer Auslassöffnung 118 gekoppelt und umfasst eine Grundplattenbaugruppe 121, einen unteren Dom 132, den Substratträger 124, einen Vorwärmring 122, eine Substrathebebaugruppe 160, einen Substratträgerbaugruppe 164, eine oder mehrere obere Lampen 152 und eine oder mehrere untere Lampen 154, und ein unteres Pyrometer 158. Obgleich der Begriff „Ring” verwendet wird, um bestimmte Komponenten der Prozesskammer zu beschreiben, wie zum Beispiel den Vorwärmring 122, wird in Betracht gezogen, dass die Form dieser Komponenten nicht kreisrund zu sein braucht und dass jede Form in Frage kommt, einschließlich beispielsweise Rechtecke, Vielecke, Ovals und dergleichen.
  • 2A zeigt eine schematische Draufsicht der Kammer 100. Wie veranschaulicht, sind die erste Einlassöffnung 114, die zweite Einlassöffnung 170 und die Auslassöffnung 118 um den Substratträger 124 herum angeordnet. Die Auslassöffnung 118 kann auf einer Seite des Substratsträgers 124 angeordnet sein, die der ersten Einlassöffnung 114 gegenüberliegt (beispielsweise sind die Auslassöffnung 118 und die erste Einlassöffnung 114 allgemein aufeinander ausgerichtet). Die zweite Einlassöffnung 170 kann um den Substratträger 124 herum angeordnet sein und braucht in einigen Ausführungsformen (wie gezeigt) weder der Auslassöffnung 118 noch der ersten Einlassöffnung 114 gegenüber zu liegen. Jedoch ist die Positionierung der zweiten Einlassöffnung 170 in 2A lediglich beispielhaft, und andere Positionen um den Substratträger 124 sind ebenfalls möglich, wie unten besprochen wird.
  • Die erste Einlassöffnung 114 ist dafür konfiguriert, ein erstes Prozessgas über eine Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 in einer ersten Richtung 208 einzuleiten. Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Begriff „Prozessgas” sowohl ein einzelnes Gas als auch ein Gemisch aus mehreren Gasen. Des Weiteren kann im Sinne des vorliegenden Textes der Begriff „Richtung” als eine Richtung verstanden werden, in der ein Prozessgas eine Einlassöffnung verlässt. In einigen Ausführungsformen verläuft die erste Richtung 208 parallel zur Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 und ist allgemein auf die gegenüberliegende Auslassöffnung 118 gerichtet.
  • Die erste Einlassöffnung 114 kann eine einzelne Öffnung umfassen, durch die das erste Prozessgas eingeleitet wird (nicht gezeigt), oder kann mehrere sekundäre Einlässe 210 umfassen. In einigen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der sekundären Einlässe 210 in der ersten Mehrzahl maximal etwa 5 Einlässe, obgleich auch mehr oder weniger sekundäre Einlässe vorhanden sein können (zum Beispiel einer oder mehrere). Jeder sekundäre Einlass 210 kann das erste Prozessgas heranführen, bei dem es sich beispielsweise um ein Gemisch aus mehreren Prozessgasen handeln kann. Alternativ können ein oder mehrere sekundäre Einlässe 210 ein oder mehrere Prozessgase heranführen, die sich von mindestens einem weiteren sekundären Einlass 210 unterscheiden. In einigen Ausführungsformen können sich die Prozessgase nach dem Verlassen der ersten Einlassöffnung 114 im Wesentlichen gleichmäßig vermischen und so das erste Prozessgas bilden. In einigen Ausführungsformen brauchen sich die Prozessgase nach dem Verlassen der ersten Einlassöffnung 114 allgemein nicht miteinander zu vermischen, so dass das erste Prozessgas eine gewollt ungleichmäßige Zusammensetzung hat. Strömungsrate, Prozessgaszusammensetzung und dergleichen an jedem sekundären Einlass 210 können unabhängig gesteuert werden. In einigen Ausführungsformen können sich einige der sekundären Einlässe 210 während der Verarbeitung im Leerlauf befinden oder gepulst werden, zum Beispiel um eine gewünschte Strömungswechselwirkung mit einem zweiten Prozessgas, das durch die zweite Einlassöffnung 170 herangeführt wird, zu erreichen, wie unten besprochen wird. Des Weiteren kann in Ausführungsformen, wo die erste Einlassöffnung 114 eine einzelne Öffnung umfasst, die einzelne Öffnung aus den gleichen Gründen gepulst werden, die oben besprochen wurden.
  • Die zweite Einlassöffnung 170 kann im Wesentlichen ähnlich aufgebaut sein wie die erste Einlassöffnung 114. Die zweite Einlassöffnung 170 ist dafür konfiguriert, ein zweites Prozessgas in einer zweiten Richtung 212 einzuleiten, die von der ersten Richtung 208 verschieden ist. Die zweite Einlassöffnung 170 kann eine einzelne Öffnung umfassen (wie schematisch in 1 gezeigt). Alternativ kann die zweite Einlassöffnung 170 mehrere zweite sekundäre Einlässe 214 umfassen. Jeder sekundäre Einlass 214 kann das zweite Prozessgas heranführen, bei dem es sich zum Beispiel um ein Gemisch aus mehreren Prozessgasen handeln kann. Alternativ können ein oder mehrere sekundäre Einlässe 214 ein oder mehrere Prozessgase heranführen, die sich von mindestens einem weiteren sekundären Einlass 214 unterscheiden. In einigen Ausführungsformen können sich die Prozessgase nach dem Verlassen der zweiten Einlassöffnung 170 im Wesentlichen gleichmäßig vermischen und so das zweite Prozessgas bilden. In einigen Ausführungsformen brauchen sich die Prozessgase nach dem Verlassen der zweiten Einlassöffnung 170 allgemein nicht miteinander zu vermischen, so dass das zweite Prozessgas eine gewollt ungleichmäßige Zusammensetzung hat. Strömungsrate, Prozessgaszusammensetzung und dergleichen an jedem sekundären Einlass 210 können unabhängig gesteuert werden. In einigen Ausführungsformen kann sich die zweite Einlassöffnung 170, oder können sich einige oder alle der sekundären Einlässe 214, während der Verarbeitung im Leerlauf befinden oder gepulst werden, zum Beispiel um eine gewünschte Strömungswechselwirkung mit dem ersten Prozessgas, das durch die erste Einlassöffnung 114 herangeführt wird, zu erreichen.
  • In einigen Ausführungsformen kann eine Beziehung zwischen der ersten Richtung 208 der ersten Einlassöffnung 114 und der zweiten Richtung 212 der zweiten Einlassöffnung 170 mindestens teilweise durch einen Azimutwinkel 202 definiert sein. Der Azimutwinkel 202 wird zwischen der ersten Richtung 208 und der zweiten Richtung 212 mit Bezug auf eine Mittelachse 200 des Substratsträgers 124 gemessen. Der Azimutwinkel 202 kann maximal etwa 145 Grad oder zwischen etwa 0 bis etwa 145 Grad betragen. In einigen Ausführungsformen, wie durch die Linie 204 gezeigt, kann der Azimutwinkel 202 kleiner als 90 Grad sein, was eine Position der zweiten Einlassöffnung 170 zur Folge hat, die sich näher an der ersten Einlassöffnung 114 befindet als an der Auslassöffnung 118. In einigen Ausführungsformen, wie durch die Linie 206 gezeigt, kann der Azimutwinkel 202 größer als 90 Grad sein, was zu einer Position der zweiten Einlassöffnung 170 führt, die sich näher an der Auslassöffnung 118 als an der ersten Einlassöffnung 114 befindet. In einigen Ausführungsformen, und wie in 2A veranschaulicht, beträgt der Azimutwinkel 202 etwa 90 Grad. Der Azimutwinkel 202 kann so gewählt werden, dass ein gewünschtes Niveau an Kreuzströmungswechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessgas entsteht.
  • Eine oder beide der ersten und zweiten Richtungen 208, 212 können im Wesentlichen parallel zu der Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 oder in einem Winkel mit Bezug auf die Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 verlaufen (wie in 2B gezeigt). Wie in 2B veranschaulicht, kann die erste Einlassöffnung 114 einen oder mehrere sekundäre Einlässe 210 haben, die so ausgerichtet sind, dass die erste Richtung 208 in einem Winkel mit Bezug auf die Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 verläuft. Die zweite Einlassöffnung 170 (in 2B nicht gezeigt) kann eine ähnliche Konfiguration haben, bei der eine oder mehrere der sekundären Einlässe 214 so ausgerichtet sind, dass die zweite Richtung 212 in einem Winkel mit Bezug auf die Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 verläuft.
  • In einigen Ausführungsformen kann die zweite Richtung 212 mit Bezug auf die Substratoberfläche gewinkelt sein, und die erste Richtung 208 verläuft parallel zur Substratoberfläche. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Azimutwinkel 202 maximal etwa 145 Grad betragen (wie durch die Linie 206 gezeigt). In einem konkreten (nicht gezeigten) Beispiel einer solchen Ausführungsform beträgt der Azimutwinkel null Grad. Dementsprechend können die erste und die zweite Einlassöffnung 114, 170 in vertikaler Ausrichtung angeordnet sein und können zum Beispiel übereinander gestapelt oder zu einer einzelnen Einheit integriert sein. In solchen Ausführungsformen sind die erste und die zweite Richtung 208, 212 trotzdem verschieden (auch wenn der Azimutwinkel 202 zwischen ihnen null Grad beträgt), weil mit Bezug auf die Substratoberfläche die zweite Richtung 212 gewinkelt ist und die erste Richtung 208 parallel verläuft. Dementsprechend kann eine Strömungswechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessgas stattfinden.
  • In einigen Ausführungsformen definiert der Azimutwinkel die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Richtung 208, 212. Wenn zum Beispiel die erste und die zweite Richtung 208, 212 beide parallel zu der Substratoberfläche verlaufen, so ist der Azimutwinkel 202 ungleich null, so dass die erste und die zweite Richtung 208, 212 verschieden sind, wodurch eine Strömungswechselwirkung erreicht werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen, wie in 2C veranschaulicht, kann die erste Einlassöffnung 114 in einer ersten Höhe 216 über der Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 angeordnet sein, und die zweite Einlassöffnung kann in einer zweiten Höhe 218 über der Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 angeordnet sein. Die erste und die zweite Höhe 216, 218 können verstellbar sein. Zum Beispiel kann jede Höhe vor der Verarbeitung des Substrats 125 in der Kammer 100 eingestellt werden, oder jede Einlassöffnung 114, 170 kann auf einer beweglichen Plattform (nicht gezeigt) montiert werden, oder die Substratträgerbaugruppe 164 kann entlang der Mittelachse 200 bewegt werden, um die erste und die zweite Höhe 216, 218 zu justieren (zum Beispiel, wenn die Substratträgerbaugruppe 164 vertikal beweglich ist, um das Substrat 125 in verschieden Verarbeitungsebenen anzuordnen). In einigen Ausführungsformen ist die zweite Höhe 216 der zweiten Einlassöffnung 170 größer als die erste Höhe 218 der ersten Einlassöffnung 114. In solchen Ausführungsformen kann die zweite Richtung 212 mit Bezug auf die Substratoberfläche parallel oder gewinkelt verlaufen (in 2C nicht gezeigt).
  • Wenden wir uns wieder 1 zu. Die Substratträgerbaugruppe 164 enthält allgemein eine Stützverstrebung 134 mit mehreren Stützstiften 166, die mit dem Substratträger 124 gekoppelt sind. Die Substrathebebaugruppe 160 umfasst eine Substrathebewelle 126 und mehrere Hebestiftmodule 161, die selektiv auf jeweiligen Auflagen 127 der Substrathebewelle 126 ruhen. In einer Ausführungsform umfasst ein Hebestiftmodul 161 einen optionalen oberen Abschnitt des Hebestiftes 128, der durch eine erste Öffnung 162 in dem Substratträger 124 hindurch beweglich angeordnet ist. Während des Betriebes wird die Substrathebewelle 126 bewegt, um die Hebestifte 128 in Eingriff zu nehmen. Nach erfolgter Eingriffnahme können die Hebestifte 128 das Substrat 125 über den Substratträger 124 heben oder das Substrat 125 auf den Substratträger 124 absenken.
  • Der Substratträger 124 enthält des Weiteren einen Hebemechanismus 172 und einen Rotationsmechanismus 174, die mit der Substratträgerbaugruppe 164 gekoppelt sind. Der Hebemechanismus 172 kann dafür verwendet werden, den Substratträger 124 entlang der Mittelachse 200 zu verschieben. Der Rotationsmechanismus 174 kann dafür verwendet werden, den Substratträger 124 um die Mittelachse 200 zu drehen.
  • Während der Verarbeitung ist das Substrat 125 auf dem Substratträger 124 angeordnet. Die Lampen 136, 138, 152 und 154 sind Infrarot(IR)-Strahlungsquellen (d. h. Wärme) und erzeugen während des Betriebes eine vorgegebene Temperaturverteilung über das Substrat 125 hinweg. Der Deckel 106, der Klemmring 116 und der untere Dom 132 bestehen aus Quarz. Es können aber auch andere IR-durchlässige und prozesskompatible Materialien zur Herstellung dieser Komponenten verwendet werden.
  • Die Unterstützungssysteme 130 enthalten Komponenten, die für die Ausführung und Überwachung vorgegebener Prozesse (zum Beispiel das Aufwachsen epitaxialer Siliziumfilme) in der Prozesskammer 100 verwendet werden. Solche Komponenten enthalten allgemein verschiedene Teilsysteme (zum Beispiel ein oder mehrere Gaspaneele, Gasverteilungsleitungen, Unterdruck- und Abzugs-Teilsysteme und dergleichen) und Geräte (zum Beispiel Stromversorgungen, Prozesssteuerungsinstrumente und dergleichen) der Prozesskammer 100. Diese Komponenten sind dem Fachmann bekannt und sind wegen der besseren Übersichtlichkeit in den Zeichnungen weggelassen.
  • Die Steuereinheit 140 umfasst allgemein eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 142, einen Speicher 144 und Unterstützungsschaltkreise 146 und ist mit der Prozesskammer 100 und den Unterstützungssystemen 130 direkt (wie in 1 gezeigt) oder alternativ über Computer (oder Steuereinheiten), die der Prozesskammer und/oder den Unterstützungssystemen zugeordnet sind, gekoppelt und steuert diese.
  • Oben ist die erfindungsgemäße Kammer 100 beschrieben worden, doch die Erfinder haben noch weitere Ausführungsformen der Kammer entworfen, um eine Kreuzströmungswechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessgas hervorzurufen. Zum Beispiel kann die Kammer 100 so konfiguriert sein, dass sie eine zweite Auslassöffnung (nicht gezeigt) anstelle der zweiten Einlassöffnung 170, wie gezeigt, enthält. Zum Beispiel könnte die Position der zweiten Auslassöffnung durch den Azimutwinkel 202 definiert sein, ähnlich wie der Azimutwinkel 202 die Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Strömungsrichtung 208, 212 definiert. In einem solchen Beispiel kann sowohl das erste als auch das zweite Prozessgas von der ersten Einlassöffnung 114 herangeführt werden, und eine Strömungswechselwirkung kann durch die Asymmetrie der ersten und der zweiten Auslassöffnung mit Bezug auf die erste Einlassöffnung hervorgerufen werden.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einem Substrat gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 300 wird unten mit Bezug auf die oben beschriebenen Ausführungsformen der Kammer 100 beschrieben.
  • Das Verfahren 300 beginnt bei 302 mit dem Bereitstellen eines Substrats, wie zum Beispiel des Substrats 125. Das Substrat 125 kann ein geeignetes Material umfassen, wie zum Beispiel kristallines Silizium (zum Beispiel Si<100> oder Si<111>), Siliziumoxid, gerecktes Silizium, Silizium-Germanium, dotiertes oder undotiertes Polysilizium, dotierte oder undotierte Siliziumwafer, strukturierte oder nicht-strukturierte Wafer, Silizium auf Isolator (SOI), kohlenstoffdotierte Siliziumoxide, Siliziumnitride, dotiertes Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Glas, Saphir oder dergleichen. Des Weiteren kann das Substrat 125 mehrere Schichten umfassen oder kann zum Beispiel teilweise vorgefertigte Bauelemente enthalten, wie zum Beispiel Transistoren, Flash-Speicherbausteine und dergleichen.
  • Bei 304 kann das erste Prozessgas über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 in einer ersten Richtung eingeleitet werden, zum Beispiel der ersten Richtung 208. Das erste Prozessgas kann aus der ersten Einlassöffnung 114 oder aus einem oder mehreren der sekundären Einlässe 210 in der ersten Richtung 208 und über die Verarbeitungsoberfläche in Richtung der Auslassöffnung 118 eingeleitet werden. Das erste Prozessgas kann aus der ersten Einlassöffnung 114 in der ersten Richtung 208 parallel zu der Verarbeitungsoberfläche oder in einem Winkel dazu eingeleitet werden.
  • Das erste Prozessgas kann ein oder mehrere Prozessgase umfassen. Zum Beispiel können die Prozessgase Abscheidungs- und/oder Ätzgase enthalten, wie zum Beispiel für einen selektiven epitaxialen Wachstumsprozess und dergleichen. In einigen Ausführungsformen kann das erste Prozessgas ein oder mehrere Abscheidungsgase und optional ein Dotandenvorläufergas und/oder ein Ätzgas und/oder oder ein Trägergas enthalten. Das Abscheidungsgas kann einen Siliziumvorläufer wie zum Beispiel Silan (SiH4) und/oder Disilan (Si2H6) und/oder Dichlorsilan (H2SiCl2) enthalten. Das Dotandenvorläufergas kann German (GeH4) und/oder Phosphin (PH3) und/oder Diboran (B2H6) und/oder Arsin (AsH3) und/oder oder Methylsilan (H3CSiH3) enthalten. Das Ätzgas kann Methan (CH3) und/oder Chlorwasserstoff (HCl) und/oder Chlor (Cl2) und/oder oder Fluorwasserstoff (HF) enthalten. Das Trägergas kann Stickstoff (N2) und/oder Argon (Ar) und/oder Helium (He) und/oder oder Wasserstoff (H2) enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel zum Abscheiden einer Schicht, die Silizium und Germanium umfasst, kann das erste Prozessgas Dichlorsilan (H2SiCl2), German (GeH4), Diboran (B2H6) und Wasserstoff (H2) enthalten. In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel zum Abscheiden einer Schicht aus Silizium, kann das erste Prozessgas Silan (SiH4) und/oder Disilan (Si2H6) und/oder Dichlorsilan (H2SiCl2) zusammen mit Chlorwasserstoff (HCl) und Wasserstoff (H2) enthalten. In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel, wenn die Abscheidungsschicht dotiertes Silizium umfasst, kann das erste Prozessgas die oben genannten Gasen enthalten und kann des Weiteren Phosphin (PH3) und/oder Diboran (B2H6) und/oder Arsin (AsH3) enthalten. In einigen Ausführungsformen, wenn die Abscheidungsschicht Silizium und Kohlenstoff umfasst, kann das erste Prozessgas Disilan (Si2H6), Methylsilan (H3CSiH3), German (GeH4), Phosphin (PH3) sowie Chlorwasserstoff (HCl) und/oder Chlor (Cl2) in einer Umgebung umfassen, die Stickstoff (N2) und/oder Wasserstoff (H2) umfasst.
  • Bei 306 kann das zweite Prozessgas über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats 125 in einer zweiten Richtung, zum Beispiel die zweite Richtung 212, eingeleitet werden. Wie oben in Verbindung mit den Ausführungsformen der Kammer 100 besprochen, ist die zweite Richtung 212 von der ersten Richtung 208 verschieden, um eine Strömungswechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessgas zu verstärken. Die zweite Richtung 212 kann entweder durch einen Azimutwinkel 202 von ungleich null, Einleiten des zweiten Prozessgases in einem Winkel zu der Substratoberfläche (wie in 2B gezeigt) oder eine Kombination davon von der ersten Richtung 208 verschieden ausgelegt werden. Die Differenz in der ersten und der zweiten Richtung 208, 212 kann dafür genutzt werden, eine Strömungswechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessgas hervorzurufen, wodurch die Gleichmäßigkeit der Dicke und/oder der Zusammensetzung in der abgeschiedenen Schicht über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats hinweg verbessert werden können.
  • Das zweite Prozessgas kann das gleiche oder ein anderes Gas als das erste Prozessgas sein. Das zweite Prozessgas kann alle oder alle Kombinationen der Gase enthalten, die oben für das erste Prozessgas besprochen wurden (zum Beispiel Kombinationen der Abscheidungsgase, Ätzgase, Dotandenvorläufergase und Trägergasen). In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel während eines selektiven epitaxialen Wachstumsprozesses, kann das zweite Prozessgas Ätzgase, Abscheidungsgase oder eine Kombination davon enthalten. Das zweite Prozessgas kann abwechselnd, periodisch, teilweise gleichzeitig oder gleichzeitig mit dem ersten Prozessgas eingeleitet werden. In einigen Ausführungsformen kann das zweite Prozessgas zur selben Zeit wie das erste Prozessgas eingeleitet werden, so dass die Schritte 304 und 305 gleichzeitig ausgeführt werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann das zweite Prozessgas von dem ersten Prozessgas verschieden sein, zum Beispiel um die Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung in der abgeschiedenen Schicht zu verbessern (bei 308 unten besprochen). In einigen Ausführungsformen, zum Beispiel zum Abscheiden einer Schicht, die Silizium und Germanium umfasst, kann das zweite Prozessgas Dichlorsilan (H2SiCl2), German (GeH4), Diboran (B2H6), Chlorwasserstoff (HCl) und Wasserstoff (H2) enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen kann das zweite Prozessgas von dem ersten Prozessgas verschieden sein, zum Beispiel indem ein Katalysatorgas eingeleitet wird, welches das erste Prozessgas katalysiert. Zum Beispiel kann eine solche Katalysierung die Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung und/oder die Dicke einer auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht verbessern. Das zweite Prozessgas kann den Katalysator und andere Gasen enthalten, wie zum Beispiel die oben angeführten Silane und/oder Germane. Als ein Beispiel für einen solchen Katalysator sei hier German (GeH4) genannt.
  • Bei 308 wird eine Schicht 400 (in 4 gezeigt) auf dem Substrat 125 mindestens teilweise infolge der Strömungswechselwirkung des ersten und des zweiten Prozessgases abgeschieden. In einigen Ausführungsformen kann die Schicht 400 eine Dicke zwischen etwa 1 und etwa 10.000 Nanometern haben. In einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht 400 Silizium und Germanium. Die Konzentration von Germanium in der Schicht 400 kann zwischen etwa 5 und etwa 100 Atomprozent (d. h. nur Germanium) betragen. In einer konkreten Ausführungsform ist die Schicht 400 eine Silizium-Germanium(SiGe)-Schicht mit einer Germaniumkonzentration zwischen etwa 25 und etwa 45 Atomprozent.
  • Wie oben angemerkt, wird die Schicht 400 mindestens teilweise durch die Strömungswechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessgas, die in den verschiedenen Strömungsrichtungen 208, 212 eingeleitet werden, abgeschieden. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, glauben die Erfinder, dass bei einigen Konfigurationen, die zum Beispiel einen Azimutwinkel 202 von etwa 90 Grad haben, die Abscheidung nahe des Umfangsrandes des Substrats vor allem über einen Kreuzströmungswechselwirkung zwischen den beiden Prozessgase stattfindet, während die Abscheidung nahe der Mitte des Substrats (nahe der Mittelachse 200) möglicherweise vor allem über das erste Prozessgas stattfindet. Bei anderen Konfigurationen, die zum Beispiel einen Azimutwinkel 202 von etwa null Grad haben, erfolgt die Abscheidung möglicherweise vollständig durch die Strömungswechselwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Prozessgas.
  • Die Schicht 400 kann durch ein oder mehrere Verarbeitungsverfahren abgeschieden werden. Zum Beispiel können die Strömungsraten des ersten und des zweiten Prozessgases variiert werden, um die Dicke und/oder die Zusammensetzung der Schicht 400 an konkrete Erfordernisse anzupassen. Des Weiteren können die Strömungsraten variiert werden, um die Kristallinität der Schicht einzustellen. Zum Beispiel kann eine höhere Strömungsrate die Kristallinität der Schicht verbessern. Zu weiteren Prozessvarianten kann das Drehen des Substrats 125 um, und/oder das Bewegen des Substrats 125 entlang der, Mittelachse 200 gehören, während das erste oder das zweite Prozessgas oder beide Prozessgase strömen. Zum Beispiel wird in einigen Ausführungsformen das Substrat 125 gedreht, während das erste oder das zweite Prozessgas oder beide Prozessgase strömen. Zum Beispiel wird in einigen Ausführungsformen das Substrat 125 entlang der Mittelachse 200 bewegt, während das erste oder das zweite Prozessgas oder beide Prozessgase strömen, um die Strömungsraten jedes Prozessgases einzustellen.
  • Es sind noch weitere Varianten des Abscheidens der Schicht möglich. Zum Beispiel können das erste und das zweite Prozessgas in einem abwechselnden oder einem zyklischen Muster gepulst werden. In einigen Ausführungsformen kann das selektive epitaxiale Wachstum der Schicht durch abwechselndes Pulsen von Abscheidungs- und Ätzgasen aus der ersten und/oder der zweiten Einlassöffnung 114, 170 ausgeführt werden. Des Weiteren könnte das Pulsen des ersten und des zweiten Prozessgases in Kombination mit anderen Verarbeitungsverfahren stattfinden. Zum Beispiel kann ein erster Impuls des ersten und/oder des zweiten Prozessgases in einer ersten Substrat-Position entlang der Mittelachse 200 stattfinden, und dann kann ein zweiter Impuls des ersten und/oder des zweiten Prozessgases in einer zweiten Substrat-Position entlang der Mittelachse 200 stattfinden. Des Weiteren kann ein Pulsen stattfinden, während sich das Substrat um die Mittelachse 200 dreht.
  • Im vorliegenden Text wurden nunmehr Verfahren und Vorrichtungen zum Abscheiden einer Schicht auf einem Substrat offenbart. Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen beseitigen vorteilhafterweise Ungleichmäßigkeiten in der Dicke und/oder der Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht durch Hervorrufen einer Strömungswechselwirkung zwischen Prozessgasen, die zum Abscheiden verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen reduzieren des Weiteren das Entstehen von Defekten oder Partikeln in der abgeschiedenen Schicht und erlauben das Anpassen der Dicke und/oder der Zusammensetzung und/oder der Kristallinität der abgeschiedenen Schicht an bestimmte Erfordernisse.
  • Obgleich sich die obige Beschreibung auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht, können noch andere und weiterführende Ausführungsformen der Erfindung ersonnen werden, ohne den grundlegenden Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Substrats, die Folgendes umfasst: eine Prozesskammer, in der ein Substratträger angeordnet ist, um eine Verarbeitungsoberfläche eines Substrats in einer gewünschten Position innerhalb der Prozesskammer zu stützen; eine erste Einlassöffnung zum Einleiten eines ersten Prozessgases über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats in einer ersten Richtung; eine zweite Einlassöffnung zum Einleiten eines zweiten Prozessgases über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, wobei ein Azimutwinkel, zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung mit Bezug auf eine Mittelachse des Substratsträgers gemessen, maximal etwa 145 Grad beträgt; und eine Auslassöffnung, die gegenüber der ersten Einlassöffnung angeordnet ist, um das erste und das zweiten Prozessgas aus der Prozesskammer abzulassen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Azimutwinkel etwa 90 Grad beträgt.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Höhe der ersten Einlassöffnung und/oder der zweiten Einlassöffnung mit Bezug auf die Verarbeitungsoberfläche verstellbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Höhe der zweiten Einlassöffnung mit Bezug auf die Verarbeitungsoberfläche größer ist als eine Höhe der ersten Einlassöffnung mit Bezug auf die Verarbeitungsoberfläche.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Substratträger des Weiteren innerhalb der Prozesskammer beweglich angeordnet ist, um die Verarbeitungsoberfläche des Substrats an mehreren Positionen entlang einer Achse senkrecht zu der Verarbeitungsoberfläche zu stützen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die zweite Strömungsrichtung auf die Verarbeitungsoberfläche gerichtet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei: die erste Einlassöffnung des Weiteren mehrere sekundäre Einlässe umfasst, von denen jede in der Lage ist, das erste Prozessgas einzuleiten; und/oder die zweite Einlassöffnung des Weiteren mehrere zweite sekundäre Einlässe umfasst, von denen jede in der Lage ist, das zweite Prozessgas einzuleiten.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei mindestens ein sekundärer Einlass in der ersten Mehrzahl eine andere Zusammensetzung des ersten Prozessgases einleiten kann als mindestens ein anderer sekundärer Einlass in der ersten Mehrzahl und/oder wobei mindestens ein sekundärer Einlass in der zweiten Mehrzahl eine andere Zusammensetzung des zweiten Prozessgases einleiten kann als mindestens ein anderer sekundärer Einlass in der zweiten Mehrzahl.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Strömungsrate eines Prozessgases aus einen oder mehreren der sekundären Einlässe der ersten Mehrzahl und/oder der zweiten Mehrzahl unabhängig verstellbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die des Weiteren Folgendes umfasst: einen Rotationsmechanismus, der mit dem Substratträger gekoppelt ist, um den Substratträger um die Mittelachse zu drehen; und/oder einen Hebemechanismus, der mit dem Substratträger gekoppelt ist, um den Substratträger entlang der Mittelachse zu bewegen.
  11. Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einem Substrat, das Folgendes umfasst: Einleiten eines ersten Prozessgases über eine Verarbeitungsoberfläche eines Substrats in einer ersten Richtung; Einleiten eines zweiten Prozessgases über die Verarbeitungsoberfläche des Substrats in einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, wobei ein Azimutwinkel, zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung mit Bezug auf eine Mittelachse des Substrats gemessen, maximal etwa 145 Grad beträgt; und Abscheiden einer Schicht, die mindestens teilweise infolge einer Kreuzströmungswechselwirkung des ersten und des zweiten Prozessgases gebildet wird, auf dem Substrat.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste und das zweite Prozessgas gleich oder verschieden sein können, und jeweils Folgendes umfassen: ein Abscheidungsgas, das Silan (SiH4) und/oder Disilan (Si2H6) und/oder Dichlorsilan (H2SiCl2) enthält; ein Dotandenvorläufergas, das Methylsilan (H3CSiH3) und/oder German (GeH4) und/oder Phosphin (PH3) und/oder Diboran (B2H6) und/oder oder Arsin (AsH3) enthält; ein Ätzgas, das Methan (CH3) und/oder Chlorwasserstoff (HCl) und/oder Chlor (Cl2) und/oder oder Fluorwasserstoff (HF) enthält; und ein Trägergas, das Stickstoff (N2) und/oder Argon (Ar) und/oder Helium (He) und/oder Wasserstoff (H2) enthält.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–12, wobei die zweite Strömungsrichtung in einem Winkel mit Bezug auf die Verarbeitungsoberfläche verläuft.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–12, das des Weiteren Folgendes umfasst: Drehen des Substrats um die Mittelachse, während das erste und/oder das zweite Prozessgas eingeleitet werden; oder Bewegen des Substrats entlang der Mittelachse, während das erste und/oder das zweite Prozessgas eingeleitet werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–12, wobei das erste und das zweite Prozessgas in einem abwechselnden oder einem zyklischen Master gepulst werden oder wobei das erste und das zweite Prozessgas gleichzeitig eingeleitet werden.
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