DE2251571C3 - Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf Substrate - Google Patents

Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf Substrate

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patuitansp. <achs 1.
Ein solches Verfahren kl ?,us der US-PS 34 08 982 bekannt Bei diesem bekannten V ifahren werden die reaktionsfähigen Gase, die die Beschichtung auf dem Substrat erzeugen sollen, der Mittelöffnung im Substratträger zugeführt. Sie strömen dann aus dieser Mittelöffnung in die Kammer und in radialer Richtung zu den Kammeraußenwänden. Die Ableitung der Gase erfolgt dann über ein Rohr, das mit einem unter dem Substratträger liegenden, das zur Mittelöffnung führen de Rohr umgebenden Raum in Verbindung steht Die Gase strömen dabei ausgehend von den Mittelöffnung im Substratträger in radialer Richtung nach außen über die zu beschichtenden Substrate. Die bei diesem bekannten Verfahren angewendete Strömungsrichtung der reaktionsfähigen Gase hat zur Folge, daß die Anzahl der gleichzeitig zu beschichtenden Substrate klein bleibt Bei der radial nach außen erfolgenden Strömung der Gase erfolgt zwangsläufig eine Herabsetzung der Massenströmung pro Flächeneinheit des Substratträgers, da das Gas nach außen über eine größerwerdende Fläche strömen muß. Wenn der Substratträger in mehreren konzentrischen Kreisen bis hin zur Mittelöffnung mit Substraten besetzt würde, könnte unmöglich eine gleichmäßige Beschichtung der Substrate erreicht werden, da, wie erwähnt wurde, die Massenströmung des Gases von der Substratträgermitte nach außen fortlaufend abnimmt. Daß die auf den Substraten zu bildenden Schichten ungleichmäßig werden, wird auch noch dadurch gefördert, daß die Gase nach außen zunehmend an den Bestandteilen verarmen, die sich auf den Substraten niederschlagen. Eine gleichmäßige Beschichtung zahlreicher Substrate mit gleichmäßigen Schichten ist daher unter Anwendung des bekannten Verfahrens nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Beschichtungsverfahren so auszugestalten, daß eine gleichmäßige Beschichtung der Substrate erzielt werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst
Beim erfindungsgemäßen Verfahren strömen die reakäonsfähigen Gase in radialer Richtung zum Substrattriger von außen nach innen, so daß die auf Grund der Abscheidung auf den Substratobe, flächen eintretende Verarmung durch die nach innen kleiner werdende Fläche, über die die Gase strömen müssen,
ίο gerade kompensiert wird. Somit ergibt sich eine im wesentlichen konstante Massenströmung pro Flächeneinheit über dem Substratträger. Aus diesem Grund gestattet das erfindungsgemäße Verfahren die gleichzeitige Beschichtung von Substraten, die in mehreren konzentrischen Kreisen auf dem Substratträger angebracht sind.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert Darin zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig.2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 1, bei der eine Elektrode für die Aufnahme von 34 einzelnen Halbleiterscheiben für die Abscheidung ausgebildet ist, und
F i g. 3 ein Flußdib. jramm, das die Strömung der Gase zur Reaktionszone der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung veranschaulicht
Die hier beschriebene, nachfolgend stets als Reaktor bezeichnete Vorrichtung eignet sich beispielsweise für die epitaktische Aufbringung einer Beschichtung auf Substrate. Die laminare Strömung von reaktionsfähigen Gasen über die Substrate ermöglicht die Bildung von gleichmäßigen Epitaxialschichten (dotiert oder nichtdotiert) auf vielen Substraten in einem einzigen Vorgang.
Der zylindrische Reaktor eignet sich ganz besonders für die bei niedrigen Temperaturen erfolgende Plasmaabscheidung; die anschließende Beschreibung bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, das insbesondere für diese Art der Abscheidung gedacht ist
In F i g. 1 ist ein Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines zylindrischen, mit Hochfrequenz arbeitenden Reaktors 10 mit Radialströmung dargestellt
Der Reaktor enthält eine Bodenplatte 12 und eine Deckplatte 14, die beide beispielsweise aus 46 cm-Standard-Edelstahlplatten für Vakuumbehälter bestehen können. Die Seitenwand 16, die typischerweise aus einer Glas- oder Quarzglocke mit offenem Ende bestehen kann, ist zur Bildung einer evakuierbaren Kammer 18 unter Bildung einer Dichtung mit der als eine Elektrode wirkenden Deckplatte 14 und der Bodenplatte 12 verbunden. Alle verwendeten Einzelteile können beispielsweise aus einer geschweißten Edelstahlkonstruktion bestehen, bei der Standarddurchmesser der Rohre und der Platten verwendet sind. Die Abmessungen sind nicht kritisch, und sie können in der beschriebenen Ausführungsform beispielsweise um mehr als 20% schwanken, ohne daß die Wirkungsweise des Reaktors dadurch entscheidend beeinflußt würde.
6C> Die Deckplatte 14 bildet eine für die Erzeugung der HF-Glimmentladung notwendige Elektrode, und sie ist elektrisch mit einer Hochfrequenzquelle 20 verbunden. Die Hochfrequenzquelle kann leicht von einem kleinen Funkamateuersender oder Hochfrequenzgenerator 20 gespeist werden, wie sie häufig bei der Halbleiterverarbeitung angewendet werden. Typischerweise wird mir eine Hochfrequenzleistung von mehreren Watt benötigt. Zweckmäßigerweise wird bei den Elektroden ein
Abpassungsnetzwerk verwendet, das dazu beiträgt, die Leistung mit einem Minimum an Reflexion in das System einzubringen. Obwohl die Reflexionen selbst das Verfahren nicht ernsthaft beeinflussen, können sie doch eine Zerstörung des Generators bewirken. Funkamateuersender mit PI-Netzwerkausgängen sind ganz zufriedenstellend und ein Sender mit einer Leistung von 100 Watt ist mehr als ausreichend.
Die zweite Elektrode der HF-PIasmaabscheidungsvorrichtung ist von einem Substratträger 22 gebildet Die Elektrode ist kreisförmig· und ihre Oberfläche 24 ist zum Empfang mehrerer Halbleiterscheiben 26 oder zur Aufnahme einer Trägerplatte, auf der Halbleiterscheiben 26 befestigt sind, ausgebildet Der Rand 28 der Elektrode 22 liegt im Abstand zur Seitenwand 16. Die Elektrode 22 ist so zentriert, daß der Rand 28 einen gleichmäßigen Abstand von der Seitenwand 16 der Kammer 18 aufweist Ferner liegt die Unterfläche 30 der Elektrode 22 im Abstand von der Sodenplatts 12 der Kammer 18. Ein Einlaßrohr 32 steht mit dem inneren der Kammer 18 in Verbindung, und es erstreckt sich unter Bildung einer Verdichtung durch die Bodenplatte 12 der Kammer. Das Einlaßrohr 32 endet an der Innenseite der Bodenplatte IZ Em zweites, dünneres, als Gasauslaß dienendes Rohr 34 verläuft koaxial durch das Einlaßrohr 32. Das Rohr 34 erstreckt sich bis in das Innere der Kammer 18 und es berührt die Elektrode 22. Die Elektrode 22 hat einen Mittelbereich 36, in dem eine öffnung gebildet ist Das Rohr 34 erstreckt sich unter Bildung einer Abdichtung in diese öffnung, und es endet an der Oberfläche 24 der Elektrode 22. Das andere Ende des Rohrs 34 ist zur Evakuierung der Kammer 18 an ein Vakuumsystem angeschlossen. Das Einlaßrohr 32 ist bei der Abdichtverbindung 38 abgeschlossen, damit zwischen der Außenwand des Rohrs 34 und der Innenwand des Einlaßrohrs 32 eine Mischkammer 40 entsteht Ein Rohr 42 steht mit der Mischkammer 40 in Verbindung. In das Rohr 42 werden die reaktionsfähigen Gase eingegeben, die zum Überziehen des Substrats mit der gewünschten Beschichtung erforderlich sind.
Heizvorrichtungen 44 ram Erwärmen der Halbleiterscheiben 26 sind allgemein als Bandleitungsheizelemente an der Unterfläche 30 der Elektrode 22 dargestellt Zur Erwärmung der Halbleiterscheiben 26 auf die erforderliche Temperatur im Bereich von 200 bis 3000C kann irgendeine geeignete Wärmequelle, beispielsweise Lampen usw. verwendet werden.
Zur Erzielung einer gleichmäßigen Abscheidung muß die Geschwindigkeit des durch die Kammer 18 strömenden Gases genügend hoch sein. Für die in F i g. 1 dargestellte Reaktorkammer ist eine Pumpe mit einer Kapazität in der Größenordnung von 3r7 χ ΙΟ3 Liter pro Minute angemessen.
Im Betrieb wird der Reaktor zunächst mit Halbleiterscheiben 26 aus dem zu beschichtenden Material geladen. Beispielsweise können die Scheiben auf einen Träger 46 geladen werden, wie er in F i g. 2 dargestellt ist Dieser Träger wird dann an der Oberfläche 24 der Elektrode 22 befestigt Der in F i g. 2 dargestellte Träger 46 kann 34 einzelne Scheiben mit einem Durchmesser von jeweils 5 cm halten. Nach dem Auflegen der Scheiben wird mit der Evakuierung der Kammer 18 begonnen. Da die meisten Abscheidungen bei Temperaturen zwischen '20C und 300° C erfolgen, werden die Heizeinrichtungen im allgemeinen während der Evakuierung eingeschaltet. Sowohl vor als auch während des Auspumpens kann kontinuierlich ein inertes Gas
20
30
35
40
45
50
55
60 zum Reaktor strömen, damit eine Verunreinigung durch Rückströnung verhindert wird. Wenn vor der Abscheidung ein Reinigungsvorgang beispielsweise in einer Stickstoffentladung gewünscht wird, ist es zweckmäßig, diesen Reinigungsvorgang während der Aufwärmperiode durchzuführen. Der Hochfrequenzgenerator 20 wird eingeschaltet, so daß er wirken kann, bis die Halbleiterscheiben 26 die gewünschte Temperatur erreicht haben. Wenn ein Lampenheizsystem verwendet wird, kann es beispielsweise etwa 15 Minuten dauern, bis eine Temperatur von 200° C über der Raumtemperatur erreicht wird. Bevor die eigentliche Abscheidung beginnt, wird der Hochfrequenzgenerator abgeschaltet, und die Zuführung der reaktionsfähigen Gase durch das Rohr 42 (Silan und Stickstoff für Nitridabscheidungen und Silan und Stickstoffoxid für Oxidabscheidungen usw.) wird eingeleitet Wenn es erfoiderlich ist, werden die Strömungsgeschwindigkeiten eingestellt, und die Pumpe wird zur Erzielung des gewünschten Betriebsdrucks herabgedrosselt Nun wird ·Λ;Γ Hochfrequenzgenerator 2ö wieder eingeschaltet, und ier Abiauf des Abscheidungsvorgangs wird für die gewünschte Zeitdauer ermöglicht Zur Überwachung der Schichtdicke an Ort und Stelle sind mehrere Verfahren in der Technik bekanrt, die angewendet werden können, wenn sehr genaue Beschichtungen gewünscht sind. Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform zur Passivierung von Beschichtungen hat es sich als ausreichend herausgestellt, einfach die Abscheidurrgszeit zu bemessen, da sie von Durchlauf zu Durchlauf gut reproduzierbar ist
Es hat sich gezeigt, daß es bei dem in F i g. 1 dargestellten Reaktor folgende Betriebsbedingungen gute Abscheidungen bei Siliziumnitrid ergeben: Die bei 68 kPa gemessene Stickstoffströmungsgeschwindigkeit betrug 270 cm/min. Bei einem Druck von 68 kPa betrug die Strömungsgeschwindigkeit des Silans (mit einem Anteil von 5% in Argon aufgelöst) 24 cm/min. B;e! einem Druck von 27 Pa, einer Temperatur von 200° C und einer HF-Leistung von etwa 10 Watt bei 35 bis 40 Volt und 14 MHz wurde die Abscheidungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 30 A pro Minute gemessen. Unterschiede in der Gleichmäßigkeit von Scheibe zu Scheibe waren bei Scheiben auf dem Reichen Radius nicht feststellbar, wobei die Dicke und der Brechungsindex mit Hilfe der Ellipsometrie gemessen wurden. Die Unterschiede in der Gleichmäßigkeit bei Scheiben auf verschiedenen Radien iag unter 10%. Die Abscheidung dauerte typischerweise etwa 100 Minuten.
Bei Verwendung des gleichen Reaktors wurde die Abscheidung andrer Verbindungen durch Ändern der reaktionsfähigen Gase beeinflußt Die Abscheidungsparanwle." zum Aufbringen einer Beschichtung eines aus Silan und Stickstoffoxid abgeschiedenen Silanoxids und einer Beschichtung aus einem nur aus Silan abgeschiedenen amorphen Silizium sind in der Tabelle ι zusammengefaß ι.
Tabelle I
Abgeschiedene Verbindungen
Reaktionsfähige Gase
Silan
Oxid
Amorphes Silizium
65 SiH4 (5% in Argon)
Dmck
37 cnrVmin 270 cmVmin 27Pa
36 cmVrnin
27Pa
Fortsct/une
Reaklionsrähige Gase
Silan
Oxid
Amorphes
Silizium
Temperatur 200cC 2000C
HF-Spannung 55 V 22 V
Abscheidungs- 85 Ä/min 16 A/min
geschwindigkeit
Es ist beobachtet worden, daß gute Nitridbeschichtungen bei einem ziemlich hohen Verhältnis von Stickstoff zu Silan, insbesondere in der Größenordnung von 200 zu 1 gefördert wurden. Die Abscheidung von Oxidbeschichtungen läuft andererseits bei wesentlich kleineren Verhältnissen gut ab, beispielsweise bei Verhältnissen von etwa 50 :1. Die Werte der HF-Spannung hängen ein wenig von der Keaktorgeometne, von der Gasströmung, vom Druck usw. ab. Es sei bemerkt, daß der HF-Plasmaabscheidungsvorgang im Bereich der normalen Glimmentladung erfolgt. Es ist für diese Art von Entladung typisch, daß der Glimmbereich bei einer Erhöhung der Leistung zunimmt, bis die Platten gleichmäßig bedeckt sind. Dies ist ein ziemlich gutes Kriterium dafür, wenn eine ausreichende HF-Leistung in das Gas eingekoppelt ist Ein anderes Kriterium, das sich als richtig erwiesen hat, besteht darin, die HF-Spannung an der Platte zu bestimmen, die der Haltespannung V„ entspricht, d.h. der Spannung, bei der die Glimmentladung gerade noch nicht erlischt Es ist dann möglich, einige Mehrfache dieses Werts zu bestimmen, damit ein stabiler Betrieb erzielt wird. Es hat sich gezeigt, daß Werte zwischen 1,2 Vn, und 2 Vn, zufriedenstellend sind.
Eine Siliziumnitridbeschichtung, die mit Hilfe der hier
beschriebene!» VomCuilmg cfEcügi vfiiu, cfgiut ruülc, die widerstandsfähig, fest haftend und chemisch inert sind, und die besonders für schützende Isolierschichten oder PassivierungsschJchten geeignet sind. Die Füme sind gleichmäßig und frei von Mikrolöchern. Sie weisen auch eine ausgezeichnete Oberflächengleichförmigkeit und Stufenüberdeckung auf, wenn sie bei etwa 2O0°C hergestellt werden. Nitridfilme, die aus Stickstoff und Silan in einem Verhältnis von 200:1 hergestellt sind, können leicht mit vielen verschiedenen Ätzmitteln geätzt werden. Beispielsweise lassen sich diese Filme in einer üblichen Oxidätzung bei 35° C mit etwa 20 bis 30 A pro Sekunde ätzen.
Ein zusätzliches Merkmal der hier beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß die Elektroden 14 und 22 innerhalb der Kammer 18 liegen. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Plasmaabscheidungsreaktoren, bei denen angenommen worden ist, daß die Elektroden außerhalb der Reaktionskammer liegen müßten, damit Verunreinigungen verhindert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei den Temperaturen, bei denen die meisten Abscheidungen ausgeführt werden, d. h. bei Temperaturen unter 500"C1 die von beispielsweise aus Edelstahl bestehenden Elektroden stammenden Verunreinigungen vollkommen vernachlässigbar sind. Überdies reduzieren die niedrigen Leistungsanforderungen an kapazitiv gekoppelte HF-Systeme (einige Watt bei HF-Spannungen unter 100 V) die Verunreinigungen unter jeden feststellbaren Wert.
Fig.3 zeigt ein Flußdiagramm der reaktionsfähigen Gase, die beispielsweise zur Abscheidung einer
ίο
Nitridbeschichtung verwendet werden können. Dazu sind eine Stickstoffquelle 50 und eine Süanquelle 52 vorgesehen. Der Stickstoff wird durch einen Strömungsmesser 52a, einen Vakuumdruckmesser 54, ein Ableitventil 56 und ein Umschaltventil 58 dosiert zum Mischer 60 geführt. Das Silan wird ebenfalls durch einen Strömungsmesser 62, einen Vakuumdruckmesser 64, ein Ableitventil 66 und ein Umschaltventil 68 dosiert zum Mischer 60 geführt. Vom Mischer 60 strömen die Gase durch das Nadelventil 72 und das Umschaltventil 74 zum Reaktor 70. Durch Aktivieren des Umschaltventils 58 kann zur Durchführung von Reinigungsvorgängen vor der Abscheidung Stickstoff auch direkt in den Reaktor 70 eingeführt werden. Aus F i g. 1 läßt sich die Strömung des Gases vom Mischer 60 zum Reaktor 70 deutlicher erkennen. Die reaktionsfähigen Gase aus dem Mischer 60 von F i g. 3 strömen über das Rohr 42 in die Mischkammer 4ö. Die reaktionsfähigen Gase strömen in der von den Pfeilen 80 angegebenen Weise durch den Zwischenraum zwischen der Bodenplatte 12 und der Unterseite der Elektrode 2Z Die Gase strömen um den Rand 28 der Elektrode 22 und dann radial in einer laminaren Strömung über die Halbleiterscheiben 26 zur öffnung 36 im Miueibereich der Elektrode 22. Durch diese Öffnung werden die Gase dann über den Gasaustaß 34 und die Vakuumeinrichtungen abgesaugt. Es sei üemerkt, daß der hier beschriebene zylindrische Reaktor, bei dem eine laminare Radialströmung der reaktionsfähigen Gase erzielt wirrl, einen klaren Vorteil gegenüber dem geradlinigen Reaktor aufweist, bei dem die Gleichmäßigkeit der Abscheidung wegen der Verarmung an Silan in Abhängigkeit von der Entfernung beeinträchtigt wird. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Reaktor ist zu erkennen, daß die Massenströmung des Gases pro Einheitsfläche der Scheibe zunimmt.
_i*_ ι ^ f»L:
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strömen, da diese Gase über eine kleiner werdende Fläche strömen. Dies führt zu einer beträchtlichen Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Abscheidung.
■to Weiterhin führt die Anwendung des hier beschriebenen Strömungslaufs dazu, daß die Länge der Strecke, in der Gleichmäßigkeit erzielt werden muß, verringert wird; sie beträgt nur 5 cm bei einem einzigen Radius aus 5-10cm Scheiben und 10cm bei zwei Radien aus 5-lOcm-Scheiben. Dies ermöglicht den Betrieb bei höheren Drücken, so daß die Abscheidungsgeschwindigkeit im Vergleich zu geradlinigen Reaktorsystemen beträchtlich erhöht wird. Wie zu erkennen ist, ist ein Reaktorsystem geschaffen worden, das eine IaHnare
so Radialströmung aus reaktionsfähigen Gasen erzeugt und den Vorteil erhöhter Abscheidungsgeschwindigkeiten und verbesserter Gleichmäßigkeit der Abscheidung ergibt, wobei gleichzeitig Beschichtungen auf mehreren Substraten entstehen.
Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels erfolgte zwar im Zusammenhang mit der Bildung von Beschichtungen aus Nitrid, Siliziumoxid und amorphem Silizium auf Siliziumsubstraten, doch kann der hier beschriebene Reaktor auch zur Abscheidung anderer Materialien, wie
6n etwa Nitriden, Oxiden, Oxynitriden und Karbiden verwendet werden. Solche Beschichtungen sind in vielen Anwendungsfällen von Nutzen, beispielsweise als Gate-Dielektrikum, bei mehrschichtigen Verbindungssystemen, bei durchsichtigen Photomasken, bei kratzfe-
sten Oberzügen, bei Dünn- und Dickfilmen, bei Lichtleitern, bei Ätzmasken und Passivierangen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung gleichzeitig auf mehrere scheibenförmige Substrate auf einem mit einer Mittelöffnung versehenen kreisscheibenförmigen Substratträger in einer Kammer, die zunächst evakuiert wird, worauf die Substrate erwärmt werden und dann in die Kammer reaktionsfähige Gase eingeleitet und nach radialer Oberströmung der Substrate wieder aus ihr abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktionsfähigen Gase in der Kammer vom gesamten Randbereich des Substratträgers aus nach innen über den Substratträger und die darauf angebrachten Substrate der Mittelöffnung strömen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktionsfähigen Gase zunächst in radialer Richtung zum Substratträger nach außen über seine Unterfläche. dann um dessen Randbereich und schließlich radial nach innen über die Oberfläche des Substratträgers geführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Substrate eine Hochfrequenzglimmentladung erzeugt wird.
4. Anwendung des Verfahf-ens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Beschichtung von Siliziumsubstraten mit Siliziumnitrid.
DE2251571A 1971-10-27 1972-10-20 Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf Substrate Expired DE2251571C3 (de)

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