DE3142586A1

DE3142586A1 - Vorrichtung fuer die hochtemperaturbehandlung von aus silizium, metall und metall/silizium bestehenden, auf substraten aufgebrachten schichten in extrem trockener gasatmosphaere

Info

Publication number: DE3142586A1
Application number: DE19813142586
Authority: DE
Inventors: Elko Dipl.-Phys. 8011 Zorneding Doering; Dieter Dipl.-Ing. 8038 Gröbenzell Pawlik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-10-27
Filing date: 1981-10-27
Publication date: 1983-05-11

Description

Vorrichtung für die Hochtemperaturbehandlung von aus
Silizium, Metall und Metall/Silizium bestehenden, auf Substraten aufgebrachten Schichten in extrem trockener Gasatmosphäre.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung für die Hochtemperaturbehandlung von aus Silizium, Metall und Metall/Silizium bestehenden, auf Substraten aufgebrachten Schichten in extrem trockener Gasatmosphäre, insbesondere für Temper- und Oxidationsprozesse in der Dünnschicht- und Halbleitertechnik, bestehend aus einer, mit einer Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnung versehenen Ofenanlage, in welche die mit den zu behandelnden Schichten versehenen, in einer Horde angeordneten Substratscheiben mittels einer, mit der Horde gekoppelten Schiebevorrichtung bewegt werden.
In der Halbleiter- und Dünnschichttechnik werden Metall-und Metallsilizidschichten mit niedrigem Schichtwiderstand benötigt. Diese Schichten, welche bei MOS-Anwendungen vorwiegend aus Wolfram-, Molybdän-, Titan- und Tantalsilizid bestehen, werden durch Aufdampfen oder Zerstäuben (Sputtern) von Metall/Silizium-Schichten und einen anschließenden Silizierungsprozeß hergestellt. Die Silizierung geschieht durch Temperung der aufgebrachten Filme in einer sehr trockenen Inertgasatmosphäre bei hoher Temperatur. Durch diesen Prozeßschritt werden die amorphen Metall/Silizium-Schichten in eine polykristalline Silizidschicht übergeführt. Gleichzeitig erniedrigt sich bei der Temperung der Schichtwiderstand etwa auf 1/3 seines Wertes.
Die Temperung der Silizidschicht, die üblicherweise bei Temperaturen zwischen 8O00C und 11O00C erfolgt, muß in einer Inertgasatmosphäre erfolgen, die frei von Sauerstoff und Feuchtigkeit ist, weil die amorphe Metall/Siliziumschicht äußerst empfindlich gegenüber Spuren von Sauerstoff und Wasser im Tempergas ist. Dies äußerst sich in einer Verfärbung der Silizidschicht. Vermutlich handelt es sich bei den Anlaufschichten um Metalloxidschichten, die unerwünscht sind, weil sie nachfolgende Prozesse nachteilig beeinflussen. Die Empfindlichkeit der Silizidschicht gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit im Tempergas ist um so größer, je höher der Metallanteil in der Silizidschicht ist.
Bei der Herstellung höchst integrierter Halbleiterschaltungen (VLSI-Schaltungen) sind sehr dünne, thermisch aufgewachsene SiO2-Schichten erforderlich, welche möglichst geringe Dickentoleranzen aufweisen. Extrem dünne Gateoxide für VLSI-Schaltungen stellt man durch thermische Oxidation in trockenem Sauerstoff her, dem definierte Chlorwasserstoff-(HCL)-Gasanteile beigemischt sind.
Das HCL im Oxidationsgas bewirkt eine Verbesserung der elektrischen Stabilität. Die geforderte Dickentoleranz, die bei einer Oxidschichtdicke von 10 bis 20 nm + 2 % beträgt, wird erreicht, wenn das Oxidationsgas außerordentlich trocken ist.
Konventionelle Hochtemperaturanlagen für Temper- und Oxidationsprozesse sind für die Temperung von Metallsilizidschichten und die Herstellung dünner, homogener Oxidschichten wegen mangelhafter Dichtigkeit der Apparaturen und hoher Restfeuchtigkeit in der Anlage nicht geeignet. Von Nachteil ist: 1. daß die Substrat-Scheiben mit den aufgebrachten Schichten bei den herkömmlichen Anlagen auf der Gas einlaß seite in einer Zone hoher Temperatur eingebaut werden; dadurch bedingt entstehen schon beim Einbau auf den Silizidschichten ungewollte Oxidschichten, 2. daß durch die große Gasauslaßöffnung, die für die Durchführung der Schiebestange zum Transport der Substratscheiben benötigt wird, wahrend des Prozesses Sauerstoff und Feuchtigkeit in den Reaktionsraum dringen, und 3. daß durch die Schiebestange, die mit Feuchtigkeit beladen ist, beim Einschieben der die Substratscheiben enthaltenden Horde oder Bootes Feuchtigkeit in die Anlage eingeführt wird.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht deshalb in der Schaffung einer Temper- und Oxidationsvorrichtung, die diese Mängel nicht aufweist und in der Silizium-, Metall- und Silizium/Metall-Schichten bei Temperaturen größer 6000C in extrem trockener Gasatmosphäre behandelt werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch folgende Merkmale: a) die Ofenanlage besteht aus einem, in zwei kappenförmigen Halterungen horizontal befestigten Quarzrohr mit einem es in Quarzrohrmitte umschließenden Heizofen, b) die Gaseinlaßöffnung ist in der kappenförmigen, aus Metall bestehenden Halterung an der Beschickungsseite für die Horde angeordnet, c) die Gasauslaßöffnung ist in der, der Beschickungsseite gegenüberliegenden kappenförmigen Halterung angeordnet, d) die die Horde bewegende Schiebevorrichtung ist von der, der Beschickungsseite gegenüberliegenden Seite durch die kappenförmige Halterung in den Ofenraum eingeführt, e) für die Beschickungsseite des Quarzrohres ist ein gasdichter Verschluß vorgesehen, f) das Gassystem besteht insbesondere vor der Gaseinlaßöffnung aus Bauteilen aus hochwertigen Metallen oder Edelstahl und ist vor der Gaseinlaßöffnung und nach der Gasauslaßöffnung mit Mitteln zur Kontrolle der Qualität und Quanität der verwendeten Gase ausgestattet.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemaßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In der Zeichnung ist eine nach der Erfindung gebildete, zum Tempern und Oxidieren von auf Substraten aufgebrachten Silizium-, Metall- und Metall/Silizium-Schichten dienende Vorrichtung nebst Einzelheiten dargestellt.
Die Figur 1 zeigt eine Gesamtanordnung der Vorrichtung, die Figur 2 im Ausschnitt eine besondere Ausgestaltung der Gasauslaßöffnung, die Figuren 3a und 3b zeigen im Ausschnitt die Betätigung der Schiebevorrichtung vor dem Hordentransport.
Ein sich zum einen Ende hin verjüngendes Quarzrohr 1 ist an seinen beiden Enden horizontal in kappenförmigen Halterungen 2 und 3 befestigt. In Richtung auf das verjüngte Quarzrohrende hin mit der kappenförmigen Halterung 3 wird das Quarzrohr 1 von einem Heizofen 4 umschlossen, welcher die Temperaturen für die Temperung und Oxidation der im Quarzrohr 1 in einer Horde 5 oder in einem Boot angeordneten, zu behandelnden Substratscheiben 6 liefert.
Das für die Gasversorgung zuständige System 7 besteht ausschließlich aus Bauteilen aus V2A-Stahl. Für die Regelung der Gasflüsse für Sauerstoff, Chlorwasserstoffgas, Wasserstoff und Inertgas bzw. Stickstoff sind Strömungsmesser 8 und Ventile 28 vorgesehen. Die Restfeuchtigkeit im Prozeßgas wird mit einer Kühlfalle 9 (T = -600C) ausgefroren.
Der Feuchtigkeitsgehalt im Gas wird ständig an der Gaseinlaßseite und an der Gasauslaßseite (siehe Strömungspfeile 10) mit Meßfühlern 11 und 21 überprüft (Nachweisempfindlichkeit 0,1 ppm H20). Desgleichen wird der Sauerstoffgehalt im Inertgas am Ein- und Ausgang der Apparatur mit einem Sauerstoff-Monitor 12 überprüft. Es ist vorteilhaft, dem Inertgas bei der Silizidtemperung geringe Anteile von Wasserstoff (ca. 2 O/o) beizumischen, damit Effekte durch Schwankungen des Sauerstoffanteils im Gas eliminiert werden.
Die Einführung des Gases in das Quarzrohr 1 geschieht über einen Federbalg 24 in die kappenförmige Halterung 2 aus V2A-Stahl, die durch temperaturbeständige Kunststoff (Viton)-Dichtringe 13 gegen das Quarzrohr 1 abgedichtet ist. Die Gasflußrichtung in der Apparatur ist durch die Pfeile 10 gekennzeichnet. Durch die Öffnung in der Kappe 2 wird die Horde 5 (Boot) in die Vorrichtung eingeführt. Der Abstand x zwischen Horde 5 und Ofen 4 muß so gewählt sein, daß die dort herrschende Temperatur nicht höher als 1000C ist, so daß die Substratscheiben 6 während der Frei spülung der Vorrichtung bei niedriger Temperatur sind.
Der Verschluß des mit der Halterung 2 versehenen Quarzrohres 1 erfolgt durch eine mit Federdruck gegen den Viton-Dichtring 14 gepreßte V2A-Stahlplatte 15 (gasdichter Verschluß). Das Gas, welches an der Kappe 2 eingeführt wird, strömt über eine große Anzahl von Öffnungen beispielsweise in Form einer Brause (siehe Pfeile 16) in das Quarzrohr 1. Hierdurch wird eine schnelle Freispülung im Bereich der Beladestation von Feuchtigkeit und Sauerstoff erreicht. An der Beschickungsseite (1, 2) kann eine mit Stickstoff gespülte Box 17 angeschlossen werden. Sie hat den Zweck, die Belegung des Quarzrohres 1 mit Feuchtigkeit während der Beschickung der mit den Substratscheiben 6 bestückten Horde 5 gering zu halten.
An der Gasauslaßseite (1, 3) ist die Vorrichtung durch Teflon-Dichtungen 18 und 19 (Teflon = Tetrafluoräthylen) sowohl gegen das Quarzrohr 1 als auch gegen den als Schiebevorrichtung vorgesehenen Schiebestab 20 abgedichtet. Diese Konstruktion (18 und 19) kann problemlos bis zu Ofentemperaturen von 11000C genutzt werden. An der mit dem Bezugszeichen 27 bezeichneten Öffnung wird das Gas dem Meßfühler 21 und dem 02-Monitor 12 zugeführt.
In einer einfacheren Ausführung (siehe Figur 2), bei der am Gasauslaß keine Sauerstoff- und Feuchtigkeitsmessung möglich ist, ist der Querschnitt des Quarzrohres 1 soweit verringert, daß ein möglichst geringer Gasaustrittsquerschnitt entsteht. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Gases wird die Rückdiffusion von Sauerstoff bzw. Wasser in dem Reaktionsraum (1) unterbunden. Die Pfeile 10 sollen die Strömungsrichtung andeuten.
Die Schiebestange 20 besteht aus Quarz und kann in einer besseren Ausführung als Rohr ausgeführt sein, in welchem sich zur Verstärkung ein Polysiliziumstab oder Keramikstab befindet. Hierdurch läßt sich ein Verbiegen der Schiebestange 20 weitgehend vermeiden.
Die Schiebestange 20, die am vorderen Ende einen ringförmigen Haken 29 besitzt und sich bei der Beladung der Apparatur in der in Figur 1 gezeigten Lage befindet, kann durch eine 900 Drehung des Stabes 20 in das Boot oder die Horde 5 eingehängt werden (siehe Figuren 3a + 3b). Die Bewegung der Horde (5, 6) erfolgt von der Gasauslaßseite (1, 3). Gegenüber konventionellen Vorrichtungen besitzt die in Figur 1 gezeigte Anordnung den Vorteil, daß durch die Bewegung des Schiebestabes 20 keine Kontamination der Anlage mit Sauerstoff oder Feuchtigkeit erfolgen kann.
Die Temperung von Metallsilizidschichten läßt sich deshalb reproduzierbar durchführen.
AusfuhrunRsbeispiel : Im folgenden wird der Prozeßablauf bei der Temperung von Molybdän- bzw. Tantal-Silizidschichten naher beschrieben. In gleicher Weise können jedoch auch andere, als Leiterbahnen bei MOS-Strukturen verwendete Silizide, beispielsweise Wolfram-, oder Titansilizide getempert werden. Das Boot oder die Horde 5 wird vor der Temperung 60 Minuten lang bei einer Temperatur von ca. 7000C ausgeheizt. Das Boot (5) wird danach wieder in die Ausgangsposition a gebracht. Sobald das Boot (5) sich auf eine Temperatur unter 100°C abgekühlt hat, wird das Boot aus der Ofenanlage (1, 2, 3, 4) entnommen, die Substratscheiben 6 eingehordet, das Boot (5, 6) in den Rohransatz (1, 2) gestellt und das Rohr 1 freigespült. Der Spülprozeß ist beendet, sobald die Meßgeräte 21 am Apparaturenausgang (1, 3) einen Sauerstoff bzw. Feuchtigkeitsgehalt des Prozeßgases von kleiner 0,5 ppm anzeigen.
Bei Silizidschichten besteht die Gefahr des Abhebens von der Unterlage bei schneller Aufheizung und schneller Abkühlung der Scheiben. Deshalb wird wie folgt verfahren: Die Horde 5 mit den Substratscheiben 6 wird mittels Fahrvorrichtung 22 in Pfeilrichtung 23 mit einer Geschwindigkeit von 3 cm/min in die Ofenmitte (4) gefahren, die sich auf einer Temperatur von 7000C befindet. Anschließend wird die Ofentemperatur von 7000C auf die Tempertemperatur mit einer Rate von 80C/min aufgeheizt (bei Molybdän-bzw. Tantal-Silizid 9000C bis 1000°C). Das Boot (5, 6) wird nach Ablauf der Temperzeit in eine Temperaturzone gefahren, die ca. 4500C beträgt, weil die Absenkung der Ofentemperatur auf 4500C sehr viel Zeit beansprucht.
Das Boot (5, 6) wird nach 15 Minuten in die Ausgangsposition a gebracht. Der Ausbau der Scheiben 6 erfolgt, sobald sich die Horde 5 auf eine Temperatur unter 1-000C abgekühlt hat.
Für das Gasversorgungssystem 7 der Anlage ist außerdem eine Programmsteuerung 25 vorgesehen, durch welche über die Strömungsmesser 8 und die Ventile 28 die Anlage wechselseitig mit Inertgas, Wasserstoff, Sauerstoff und HCl-Gas oder einem Gemisch davon betrieben werden kann.
Uber die Programmsteuerung 25 wird auch die Fahrvorrichtung 22 betätigt und der Temperatur-Regler 25 zur Einstellung der Ofentemperatur (4) gesteuert.
20 Patentansprüche 3 Figuren Leerseite

Claims

Patentansrüche.

Di Vorrichtung für die Hochtemperaturbehandlung von aus Silizium, Metall und Metall/Silizium bestehenden, auf Substraten aufgebrachten Schichten in extrem trockener Gasatmosphäre, insbesondere für Temper- und Oxidationsprozesse in der Dünnschicht- und Halbleitertechnik, bestehend aus einer, mit einer Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnung versehenen Ofenanlage, in welche die mit den zu behandelnden Schichten versehenen, in einer Horde angeordneten Substratscheiben mittels einer mit der Horde gekoppelten Schiebevorrichtung bewegt werden, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß a) die Ofenanlage aus einem, in zwei kappenförmigen Halterungen (2, 3) horizontal befestigten, Quarzrohr (1) mit einem es in Quarzrohrmitte umschließenden Heizofen (4) besteht, b) die Gaseinlaßöffnung (24) in der kappenförmigen aus Metall bestehenden, Halterung (2) an der Beschickungsseite für die Horde (5) angeordnet ist, c) die Gasauslaßöffnung (27) in der der Beschickungsseite (1, 2) gegenüberliegenden kappenförmigen Halterung (3) angeordnet ist, d) die die Horde (5) bewegende Schiebevorrichtung (20) von der der Beschickungsseite gegenüberliegenden Seite durch die kappenförmige Halterung (3) in den Ofenraum eingeführt ist, e) für die Beschickungsseite des Quarzrohres ein gasdichter Verschluß (14, 15) vorgesehen ist, f) das Gassystem, insbesondere vor der Gaseinlaßöffnung (24) und nach der Gasauslaßöffnung (27) mit Mitteln (8, 11, 12, 21) zur Kontrolle der Qualität und Quantität der verwendeten Gase ausgestattet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß für den Gaseinlaß in der kappenförmigen Halterung (2) mehrere Öffnungen (16) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß vor die Gaseinlaßöffnung (24) eine Kühlfalle (9) geschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Beschickungsseite (1, 2) der Anlage eine mit Stickstoff zu spülende Box (17) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die kappenförmige Halterung (3) an der Gasauslaßseite aus Metall oder Tetrafluoräthylen besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abdichtung zwischen dem Quarzrohr (1) und den kappenförmigen Metallhalterungen (2, 3) über temperaturbeständige Kunststoff-Dichtringe (13) erfolgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der gasdichte Verschluß an der 3eschickungsseite (1, 2) aus einer mittels Federdruck gegen einen am Quarzrohr (1) befindlichen aus temperaturbeständigem Kunststoff beschichteten Dichtring (14), gepreßten Metallplatte (15) besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Abdichtung der Gasauslaßseite (1, 3) Dichtungen (18 und 19) aus Tetrafluoräthylen vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , daß die Schiebevorrichtung (20) aus einer Quarzstange besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schiebevorrichtung (20) aus einem Quarzrohr besteht, in welches zur Verstärkung ein Silizium- oder Keramikstab eingebaut ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schiebevorrichtung (20) an ihrem, der zu bewegenden Horde (5) zugewandten Ende einen ringförmigen Haken (29) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Quarzrohr 1 an der Gasauslaßseite (1, 3) ein sich verjüngendes Rohrende aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß außerhalb der Ofenanlage eine mit der Schiebevorrichtung (20) gekoppelte Fahrvorrichtung (22, 23) vorgesehen ist, mit welcher die Horde (5, 6) im Ofen (1, 4) bewegbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verbindung der Gaszuleitung zur Gaseinlaßöffnung in der kappenförmigen Quarzrohrhalterung (2) über einen Federbalg (24) erfolgt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß alle metallischen Bauteile des Gassystems (7) der Anlage aus V2A-Stahl gefertigt sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Regelung der Gasdurchflüsse vor dem Gaseinlaß (1, 2) Stromungsmesser (8) geschaltet sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Bestimmung des Feuchtegehaltes in der Gasatmosphäre am Gaseinlaß (1, 2) und am Gasauslaß (1, 3) H2O-Meßfühler (11, 21) mit einer Nachweisempfindlichkeit von 0,1 ppm H20 geschaltet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Messung des Sauerstoff-Gehaltes in der Gasatmosphäre am Gaseingang und Gasausgang ein Sauerstoff-Monitor (12) geschaltet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Programmsteuerung (25) in der Gaszuführung (7) vorgesehen ist, durch welche über die Strömungsmesser (8) die Anlage wechselseitig mit Inertgas, Flasserstoff, Sauerstoff und Chlorwasserstoffgas oder einem Gemisch davon betrieben werden kann.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Programmsteuerung (25) mit der Fahrvorrichtung (22) und dem Ofenregler (26) gekoppelt ist.