DE19937513A1 - Gleichverteilte Gasinjektion zur Behandlung von Halbleitersubstrate - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Injektorrohr (31) zum Einlassen eines Gases in einen Prozeßreaktor (10) zur Behandlung von Halbleitersubstraten (21), wobei das Injektorrohr einen Kanal und entlang des Kanals mehrere seitliche Gasaustrittsöffnungen (32) aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Gasaustrittsöffnungen einen einheitlichen, für ein gleichverteiltes Austreten durch alle Gasaustrittsöffnungen ausreichend kleinen Durchmesser besitzen und entlang des Injektorrohres in äquidistanten Abständen voneinander angeordnet sind. Dadurch wird der Dotierstoffverarmung entgegengewirkt und über die ganze Länge des Prozeßreaktors eine gleich große Dotierstoffkonzentration zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Injektorrohr zum Einlassen eines Gases in einen Prozeßreaktor zur Behandlung von Halbleiter­ substraten, wobei das Injektorrohr einen Kanal und entlang des Kanals mehrere seitliche Gasaustrittsöffnungen aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Gas-Injektions-System nach Anspruch 8, einen Prozeßreaktor nach Anspruch 10 und ein Ver­ fahren nach Anspruch 14.

Ein bedeutendes Verfahren in der Halbleiterfertigung ist das CVD-Verfahren (CVD = Chemical Vapour Deposition), bei dem mittels Gasphasenabscheidung beispielsweise dotierte Silizi­ umschichten erzeugt werden können. Dabei werden ausgewählte Gase über in einem Prozeßreaktor befindliche Substrate gelei­ tet. Auf der heißen Substratoberfläche kommt es zu einer Re­ aktion der Prozeßgase. Die gasförmigen Reaktionsprodukte wer­ den aus dem Prozeßreaktor wieder abgeführt. Wenn dotierte Schichten erzeugt werden, erfolgt die Dotierung gleichzeitig mit der Siliziumschicht-Abscheidung, wodurch Dotieratome in das Siliziumgefüge eingebaut werden.

Bei der Abscheidung von ungesättigt dotierten, amorphen oder polykristallinen Siliziumschichten ist es schwierig, einen gleichmäßigen Schichtwiderstand auf allen Wafern innerhalb des Prozeßreaktors zu gewährleisten. Dies liegt vor allem an den verwendeten Gas-Injektions-Systemen.

Bisher war es beispielsweise üblich, ein Gas-Injektions- System mit einer Vielzahl von Einzelinjektoren mit einfachen Gaseinlässen zu verwenden. Dabei entsteht an den einzelnen Gaseinlässen jeweils eine hohe Dotierstoffkonzentration, wäh­ rend zwischen den einzelnen Gaseinlässen nur eine geringe Do­ tierstoffkonzentration vorhanden ist.

Ferner ist bekannt, Prozeßgase über Gas-Injektions-Systeme einzuleiten, die ein Injektorrohr mit mehreren Gasaus­ trittsöffnungen aufweisen. Bei der Abscheidung schwach do­ tierter Schichten werden sowohl das Halbleitermaterial als auch der Dotierstoff in gasförmiger Phase durch entsprechende Zuleitungen an einem Ende des meist rohrförmigen Reaktors eingeleitet. Entlang des Reaktorrohres, in dem typischerweise 100 oder mehr Wafer angeordnet sind, tritt eine Verarmung der Prozeßgase auf. Der Verarmung des mit hoher Flußrate einge­ leiteten Gases zur Abscheidung des Bulk-Materials kann durch eine verstärkte Heizung des auslaßseitigen Reaktorendes be­ gegnet werden. Die Verarmung des mit viel geringerer Flußrate eingeleiteten und durch ein Trägergas stark verdünnten Do­ tiergases tritt jedoch viel eher ein und muß daher über wei­ tere Einlaßöffnungen entlang des Reaktorrohres ausgeglichen werden, weshalb ein Injektorrohr mit vielen seitlichen Gas­ austrittsöffnungen vorgesehen ist.

Sämtlichen vorbekannten Injektorrohren ist gemeinsam, daß die Größe der einzelnen Injektorlöcher und deren gegenseitiger Abstand von Loch zu Loch variiert. Dies hat den Grund, daß näher an der Zuleitung liegende Gasaustrittsöffnungen durch das dort ausströmende Gas den Gasfluß an weiter entfernt lie­ genden Gasaustrittsöffnungen verringern. Aus diesem Grund sind am auslaßseitigen Reaktorende angeordnete Austrittsöff­ nungen größer ausgebildet als näher an der Zuleitung liegende Öffnungen; der verringerte Gasfluß wird so ausgeglichen. Die Abstände von Öffnung zu Öffnung werden zudem unterschiedlich groß gewählt, um einen zusätzlichen Ausgleich zu erzielen.

Trotz dieser beiden Einflußmöglichkeiten gelingt der beab­ sichtigte Ausgleich der Dotierstoffverarmung nur unvollkom­ men. Insbesondere der bei dünnen Schichten kritische Schicht­ widerstand schwankt bei einer Anordnung von nur 100 Wafern bereits um ±5 bis ±10%, was für viele Anforderungen nicht ausreicht. Ferner ist die Herstellung der Injektorrohre durch die erforderliche Einhaltung der unterschiedlichen Lochdurch­ messer und Lochabstände aufwendig und teuer. Gerade bei la­ sergebohren Öffnungen kann die Einhaltung im Verhältnis zu­ einander genau einzustellender Bohrungsradien nicht garan­ tiert werden. Schließlich sind die Prozeßergebnisse bei einem Austausch der lasergebohrten Injektorrohre häufig nicht mehr reproduzierbar.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein In­ jektorrohr und damit ein Gas-Injektions-System, einen Prozeß­ reaktor sowie ein Verfahren zur Waferbehandlung bereitzustel­ len, mit denen kostengünstig und effizient die Verarmung ins­ besondere von Dotierstoffgasen ausgeglichen und die Homogeni­ tät der Prozeßschichten verbessert werden können.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Injektorrohres erfindungsge­ mäß dadurch gelöst, daß die Gasaustrittsöffnungen einen ein­ heitlichen, für ein gleichverteiltes Austreten durch alle Gasaustrittsöffnungen ausreichend kleinen Durchmesser besit­ zen und entlang des Injektorrohres äquidistant zueinander an­ geordnet sind.

Erfindungsgemäß wird der Durchmesser der Gasaustrittsöffnun­ gen - insbesondere im Vergleich zu dem des Injektorkanals selbst - so klein gewählt, daß der Gasfluß im Injektorkanal entlang der Lochpositionen in nur geringem Ausmaß linear ab­ nimmt und durch alle. Gasaustrittsöffnungen dieselbe Gasmenge strömt. Die Austrittsöffnungen können nun in gleichen Abstän­ den voneinander angeordnet werden. Fertigungstechnisch von Vorteil ist vor allem, daß die Gasaustrittsöffnungen laserge­ bohrt werden können, wobei lediglich ein einziger Lochdurch­ messer eingestellt werden muß. Die Durchmesser aller Aus­ trittsöffnungen eines Injektorrohres und unterschiedlicher Injektorrohre sind daher in jedem Fall identisch.

Bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, daß der Durchmesser der Gasaustrittsöffnungen höchstens 10% des Durchmessers des Kanals beträgt, beispielsweise 0,2 bis 0,6 mm bei einem typi­ schen Kanaldurchmesser von 2 bis 6 mm. Das Injektorrohr be­ sitzt vorzugsweise mindestens 6 Gasaustrittsöffnungen im Ab­ stand von ungefähr 10 cm.

Auch Gas-Injektions-Systeme, die ein Injektorrohr zusätzlich zu zwei kurzen Gaseinlässen zum Einspeisen des Bulk-Materials sowie einer Grundlast des Dotierstoffes aufweisen, können mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Injektorrohren ausge­ stattet und für Prozeßreaktoren, insbesondere für LPCVD- Reaktoren mit einem Heizsystem zur homogenen Bulk-Material- Abscheidung und einer Einrichtung zur Waferrotation einge­ setzt werden.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrunde­ liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß insbesondere das Dotier­ gas durch das erfindungsgemäße Injektorrohr eingelassen wird. Zur Abscheidung des Bulk-Materials wird Silan eingesetzt, zur Abscheidung der Dotierung beispielsweise durch Stickstoff mitgeführtes Phosphin.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können mindestens über 150 Halbleitersubstrate mit wesentlich geringeren Schwankungen der Eigenschaften der gewachsenen Schichten her­ gestellt werden. Typische Betriebsgrößen von LPCVD-Reaktoren sind in den Ansprüchen 20 bis 23 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines als Verti­ kalofen ausgebildeten Prozeßreaktors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gas-Injektions-Systems und

Fig. 3 eine diagrammatische Darstellung der Gasflußvertei­ lung des erfindungsgemäßen Injektors bei verschiedenen Loch­ durchmessern.

In Fig. 1 ist ein Prozeßreaktor in Form eines Vertikalofens 10 dargestellt. Der Ofen besteht aus einem Ofengehäuse 11, das innen mit einer Heizkassette 22 versehen ist. Hier kann beispielsweise eine 5-Zonen-Heizkassette verwendet werden, deren unterschiedlich stark heizbare Zonen die Verarmung des das Bulkmaterial enthaltenden Prozeßgases ausgleichen. Inner­ halb der Heizkassette 22 ist ein Prozeßrohr 12 vorgesehen, das lösbar mit einem Flansch 15 verbunden ist. Innerhalb des Prozeßrohres 12 ist ein zylinderischer Liner 13 vorgesehen, in dem ein Boot 14 zur Aufnahme der Wafer 21 angeordnet ist. Das Boot wird von einem Sockelelement 25 getragen. Die Wan­ dungen des Prozeßrohres 12, des Liners 13, des Bootes 14 und des Sockelelements 25 bilden einen Strömungskanal 20. Sowohl das Boot 14 als auch der Liner 13 sind lösbar mit einem Flansch 15 verbunden. Der Flansch 15 verfügt über Gaseinlässe 16 und 17 sowie über einen Gasauslaß 19. An dem Gaseinlaß 16 ist ein Injektorrohr 31 angeschlossen, das mehrere Gasaus­ trittsöffnungen 32 aufweist. Anordnung und Größe dieser Gas­ austrittsöffnungen entlang des Injektorrohres ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Gas-Injektions-System, bestehend aus einem erfindungsgemßen Injektorrohr 31 und zwei kurzen Injektoren 23 und 24 mit je einer Austrittsöffnung. Das durch den Liner 13 eingeschlossene Prozeßvolumen wird durch den Injektor 23 mit einer Grundlast an Phosphin und über den Injektor 24 mit einer Grundlast an Silan versorgt. Das an dem Gaseinlaß 16 angeschlossene Injektorrohr 31 verläuft entlang der innerhalb des Liners 13 gelegenen Strecke des Strömungskanals 20. Das auf dem Sockelement 25 stehende Waferboot 14 rotiert um die senkrechte Symmetrieachse, so daß ein Injektorrohr seitlich der Wafer ausreicht. Alternativ können auch mehrere Injektor­ rohre vorgesehen sein. Das erfindungsgemäße Injektorrohr zeichnet sich durch äußerst kleine und äquidistant zueinander angeordnete Austrittsöffnungen 32 aus, deren Position in Fig. 2 durch die Nummer der jeweils nächstgelegenen Wafer an­ gegeben ist. Im vorliegenden Beispiel entspricht die Entfer­ nung von Loch zu Loch einem Abstand von 25 Waferpositionen.

Der Injektor 31 besitzt einen Innendurchmesser von 4 mm. Auf seiner Außenwand sind 8 Injektorlöcher 32 mit einem Durchmes­ ser von jeweils 0,3 mm und einem gegenseitigen Abstand von ca. 10 cm angeordnet. Das Injektorrohr 31 ist ebenso wie der Injektor 23 an eine Phosphinquelle angeschlossen.

Zum Betrieb des Vertikalofens 10 wird das Boot 14 mit einer Vielzahl von Wafern 21, in der erfindungsgemäßen Ausführungs­ form mit insgesamt 166 Wafern bestückt, von denen 150 Wafer produktive Wafer sind. Der Ofen 10 wird auf eine Temperatur von 500 bis 600°C und einen Prozeßdruck von 20 bis 100 Pa gebracht und das Prozeßgas hineingeleitet. Silan wird mit ei­ ner Flußrate von 500 Kubikzentimetern pro Minute (sccm), Phosphin mit einer Flußrate von 19 sccm in den Ofen geleitet. Die rasche Verarmung des durch das Trägergas Stickstoff stark verdünnte Phosphingases wird durch die zusätzliche Zufuhr mit Hilfe des Injektors 31 ausgeglichen.

Die Verdünnung des Dotiergases erfolgt entweder durch Zulei­ tung des Trägergases in ein Gaskabinett des Reaktors oder durch das Bereitstellen einer Quelle mit vorgegebenem Mi­ schungsverhältnis zwischen Dotiergas und Trägergas. Ein typi­ sches Mischungsverhältnis ist beispielsweise 0,8% Phosphin in Stickstoff. Selbstverständlich können beliebige Prozeßgase und Trägergase verwendet werden. Explizit genannt seien Ar­ senwasserstoff und Bortrichlorid als Dotiergas, Helium und Wasserstoff als Trägergas für das Dotiergas oder für Silan, und Disilan an Stelle von Silan zur Siliziumabscheidung.

Fig. 3 zeigt Gasflußverteilungen des Injektors 31 mit ver­ schiedenen Durchmessern äquidistant angeordneter Injektorlö­ cher 32, wobei der Gasfluß jeweils auf denjenigen durch das erste Injektorloch normiert wurde. Der Vergleich der Gasfluß­ verteilungen für verschiedene Lochdurchmesser zeigt, daß der Gasfluß mit zunehmendem Lochdurchmesser immer stärker ab­ fällt, je höher das Loch im Vertikalofen angeordnet ist. Um über die gesamte Höhe des Vertikalofens 10 eine gleich hohe Dotierstoffzufuhr zu erreichen, wird erfindungsgemäß der Durchmesser der Injektorlöcher 32 im Verhältnis zum Innen­ durchmesser des Injektors 31 verkleinert. Dadurch nimmt die Steigung der Gasflußverteilung ab; die einzelnen Gasflüsse gleichen sich an. Im vorliegenden Beispiel hat sich ein Durchmesser der Injektorlöcher 32 vom 0,3 mm bei einem Innen­ durchmesser des Injektors von 4 mm als ausreichend erwiesen.

Durch den so dimensionierten Injektor 31 strömt das phosphin­ haltige Prozeßgas mit einer Flußrate von 15 sccm in den Ver­ tikalofen hinein, wo es auf sämtlichen im Boot befindlichen Wafern Schichten einheitlicher Dotierstärke und einheitlichen Schichtwiderstandes erzeugt. Das erfindungsgemäße Gas- Injektions-System wird nachstehend mit einem vorbekannten Sy­ stem verglichen:

Das vorbekannte System besteht aus einem kurzen Injektor mit drei Injektorlöchern sowie einem weiteren Injektor mit vier Injektorlöchern. Das erste Loch des kurzen Injektors hat ei­ nen Durchmesser von 0.5 mm und befindet sich in einer Entfer­ nung vom Boden des Prozeßreaktors von 63 mm. Die weiteren beiden Löcher haben jeweils einen Durchmesser von 2.5 mm und sind bei Lochpositionen von 535 und 680 mm im Injektor ausge­ bildet. Die ersten beiden Löcher des weiteren Injektors haben jeweils einen Durchmesser von 1 mm und sind bei Lochpositio­ nen von 573 und 703 mm des Injektors ausgebildet. Loch 3 hat einen Durchmesser von 1.5 mm bei einer Lochposition von 853 mm und Loch 4 weist einen Durchmesser von 2.0 mm bei einer Lochposition von 1073 mm auf.

Im Vergleich hierzu besteht das erfindungsgemäße Gas- Injektions-System aus einem kurzen Einlaß mit einem einzigen Loch, durch das die Grundlast des Dotierstoffs eingelassen wird. Der erfindungsgemäße Injektor 31 weist insgesamt acht Injektorlöcher 32 mit jeweils einem Durchmesser von 0.3 mm auf. Die Löcher sind jeweils in gleichmäßigen Abständen von 100 mm zueinander in Lochpositionen von 400 bis 1100 mm (Fig. 2) im Injektor 31 ausgebildet. Der Injektor 31 besitzt einen Innendurchmesser von 4 mm.

Mit beiden Gas-Injektions-Systemen wurden Abscheidungsversu­ che in einem Vertikalofen 10 durchgeführt.

Bei dem herkömmlichen Gas-Injektions-System ergaben sich bei den einzelnen Wafern im Boot Unterschiede in der Schichtdicke von ±2.29% sowie Unterschiede beim Schichtwiderstand von ±16.23%. Mit dem erfindungsgemäßen Gas-Injektions-System wurde hingegen bezüglich der Schichtdicke ein Unterschied von nur ±0.73% und bezüglich des Schichtwiderstands ein Unter­ schied von nur ±1.02% erreicht. Diese Ergebnisse belegen die Vorteile des erfindungsgemäßen Gas-Injektions-Systems.

Claims (23)

1. Injektorrohr (31) zum Einlassen eines Gases in einen Pro­ zeßreaktor (10) zur Behandlung von Halbleitersubstraten (21), wobei das Injektorrohr einen Kanal und entlang des Kanals mehrere seitliche Gasaustrittsöffnungen (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen einen einheitlichen, für ein gleichverteiltes Austreten durch alle Gasaustrittsöffnungen ausreichend kleinen Durchmesser besitzen und entlang des In­ jektorrohres äquidistant zueinander angeordnet sind.

2. Injektorrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen lasergebohrt sind.

3. Injektorrohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Gasaustrittsöffnungen höchstens 10 Prozent des Durchmessers des Kanals beträgt.

4. Injektorrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Gasaustrittsöffnungen 0.2-0.6 mm beträgt.

5. Injektorrohr nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kanals 2-6 mm beträgt.

6. Injektorrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr mindestens zwei Gasaustrittsöffnungen aufweist.

7. Injektorrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen in einem Abstand von 5-20 cm, vorzugsweise etwa 10 cm voneinander angeordnet sind.

8. Gas-Injektions-System zum Einlassen von Gasen in einen Prozeßreaktor (21) zur Behandlung von Halbleitersubstraten (21), mit jeweils einem Gaseinlaß (17; 23, 24) zum Einlassen eines ersten und eines zweiten Gases sowie mit einem Injek­ torrohr (31) zum Einlassen einer zusätzlichen Menge des zwei­ ten Gases an mehreren Stellen im Prozeßreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektorrohr ein Injektorrohr nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7 ist.

9. Gas-Injektions-System nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch mindestens ein weiteres Injektorrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

10. Prozeßreaktor (10) zur Behandlung einer Vielzahl von in einem rohrförmigen Reaktorbereich (12) angeordneten Halblei­ tersubstraten, wobei der Prozeßreaktor Gaseinlaßöffnungen zum Einlassen eines ersten und eines zweiten Gases aufweist, gekennzeichnet durch ein Gas-Injektions-System nach einem der Ansprüche 8 oder 9.

11. Prozeßreaktor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Heizsystem, daß eine Verarmung des ersten Gases entlang des rohrförmigen Reaktorbereichs durch unterschiedliche Tem­ peraturbereiche ausgleicht.

12. Prozeßreaktor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Rotieren der Halbleitersubstrate.

13. Prozeßreaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß der Prozeßreaktor ein LPCVD-Reaktor ist.

14. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor, wobei ein erstes Gas in den Prozeßreaktor eingeleitet und ein weiteres Gas durch ein Injektorrohr an mehreren Stellen in den Prozeßreaktor eingelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas durch ein Injektorrohr nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 eingelassen wird.

15. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Silan als erstes Gas eingelassen wird.

16. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeßgas, das sich aus einem Trägergas und einem Do­ tiergas zusammensetzt, als zweites Gas eingelassen wird.

17. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas Stickstoff ist.

18. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach Anspruch 16, daß das Dotiergas Phosphin ist.

19. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß über 150 Halbleitersubstrate gleichzeitig behandelt wer­ den.

20. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas mit einer Flußrate von 5-500 sccm (Ku­ bikzentimeter pro Sekunde), vorzugsweise mit etwa 50 sccm eingeleitet wird.

21. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gas mit einer Flußrate von 100 bis 1500 sccm, vorzugsweise mit etwa 500 sccm eingeleitet wird.

22. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßreaktor auf 500-700°C erhitzt wird.

23. Verfahren zur Behandlung von Halbleitersubstraten in ei­ nem Prozeßreaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßreaktor bei einem Prozeßdruck zwischen 20-100 Pa betrieben wird.