DE3833320A1 - Vorrichtung zum chemischen aufdampfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen, insbesondere eine Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen zur Herstellung von Schichten auf Oberflächen von Halbleitersubstraten, die längs einer Förderbahn angeordnet sind, mit einer chemischen Dampfabscheidungsreaktion.

Fig. 1A zeigt schematisch eine herkömmliche Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen zur Herstellung von dünnen Schichten bei Atmosphärendruck, wobei solche Vorrichtungen auch kurz als Atmosphärendruck-CVD-Vorrichtung bezeichnet werden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 1A werden Halbleitersubstrate, z. B. Siliciumwafer 2 auf Förderträgern 1 angeordnet und mit einem Förderer 30 transportiert.

Der Förderer 30 weist einen Förderträgerantrieb 3 und eine Förderträgerkette 4 auf und ist so ausgelegt, daß er die Siliciumwafer 2 in der mit einem Pfeil 5 angedeuteten Förderrichtung transportiert. Eine Vorheizung 6, eine Hauptheizung 7 und eine Nachheizung 8 sind nacheinander in der Förderrichtung der Siliciumwafer 2 unterhalb der Siliciumwafer-Förderträger 1 angeordnet.

Gasverteilerköpfe 9 sind über den Förderträgern 1 angeordnet, um ein Reaktionsgas zur Durchführung einer chemischen Dampfabscheidungsreaktion auf die Siliciumwafer 2 zu blasen, die direkt darunter angeordnet sind. Ein Reaktionsgas 10 wird in die Gasverteilerköpfe 9 eingeführt.

Nachstehend folgt eine Beschreibung eines Falles, bei dem Borsilicatglasschichten oder BSG-Schichten auf den Siliciumwafern 2 als Halbleitersubstraten ausgebildet werden, indem man eine solche Atmosphärendruck-CVD-Vorrichtung verwendet. Dabei werden solche BSG-Schichten als Zwischenisolierschichten für Halbleiteranordnungen verwendet.

Zunächst werden die Siliciumwafer 2 auf den Förderträgern 1 angeordnet. Die Förderträger 1 werden dann in Richtung des Pfeiles 5 von dem Förderer 30 transportiert, der aus dem Förderträgerantrieb 3 und der Förderträgerkette 4 besteht. Die Vorheizung 6, die Hauptheizung 7 und die Nachheizung 8 sind in einem mittleren Bereich der Atmosphärendruck-CVD-Vorrichtung als Heizeinrichtung vorgesehen, um dafür zu sorgen, daß eine thermische chemische Dampfabscheidungsreaktion stattfindet.

Diese Heizungen sind so vorgesehen, daß sie eine gleichmäßige Temperaturverteilung in Schichtbildungsbereichen der Siliciumwafer 2 erzeugen, und sie sind so angeordnet, daß sie jeden der Bereiche unabhängig steuern. Wenn BSG-Schichten hergestellt werden, beträgt die Heiztemperatur für die Siliciumwafer vorzugsweise 330°C bis 450°C. Die Vorheizung 6 wird verwendet, um die Förderträger 1 und die Siliciumwafer 2 in die Nähe einer gewünschten Temperatur vorzuheizen, um die Schichten herzustellen, wobei sie dazu dient, die Schichtherstellungstemperatur im Bereich der Hauptheizung 7 zu stabilisieren.

Außerdem dient die Nachheizung 8 dazu, die Förderträger 1 und die Siliciumwafer 2 nach der Schichtbildung allmählich abzukühlen. Ein Reaktionsgas 10, das aus SiH₄, B₂H₆ oder O₂, verdünnt mit einem Inertgas, wie z. B. N₂, und zur Bildung von BSG-Schichten geeignet, besteht, sowie N₂ als Trägergas werden in die Gasverteilerköpfe 9 eingeleitet, die über den Hauptheizungen 7 vorgesehen sind, um Borsilicatglasschichten oder BSG-Schichten zu bilden. Nachdem diese Gaskomponenten in den Gasverteilerköpfen 9 gemischt worden sind, werden sie als Reaktionsgas 11 gegen die beheizten Siliciumwafer 2 geblasen, die auf den Förderträgern 1 angeordnet sind.

Infolgedessen findet eine thermische chemische Dampfabscheidungsreaktion auf den Oberflächen der Siliciumwafer 2 in der nachstehend beschriebenen Weise statt, und es werden Siliciumoxidfilme, die B₂O₃ enthalten, also BSG-Schichten, auf den Oberflächen der Siliciumwafer 2 ausgebildet, und zwar gemäß nachstehenden Reaktionsgleichungen:

SiH₄ + 20₂ → SiO₂ + 2H₂O

B₂H₆ + 30₂ → B₂O₃ + 3H₂O.

In Fig. 1A wird die Vielzahl von Gasverteilerköpfen 9 aus nachstehendem Grund verwendet. Die mit dem Bezugszeichen 12 in Fig. 1B bezeichnete Schichtbildungslänge der Gasverteilerköpfe in der Förderrichtung 5 der Förderträger 1 kann nämlich nicht sehr groß gemacht werden, um zu gewährleisten, daß das Reaktionsgasgemisch 11 gleichmäßig zu den Siliciumwafern 2 strömt. Aus diesem Grunde werden die einzelnen Schichtbildungsbereiche oder Schichtbildungslängen 12 für die Schichtherstellung relativ kurz.

Wenn dememtsprechend die thermische chemische Dampfabscheidungsreaktion gemäß den obigen Reaktionsgleichungen stattfindet und die Schichtbildungstemperatur sowie die Menge des zugeführten Reaktionsgases festgelegt sind, bedeutet die Tatsache, daß die Schichtbildungslängen 12 kurz sind, daß die Schichtbildungsrate nicht erhöht werden kann. Aus diesem Grunde sind, wie in Fig. 1A dargestellt, eine Vielzahl von Gasverteilerköpfen 9 vorgesehen, von denen in Fig. 1A nur zwei dargestellt sind, um die Schichtherstellungsrate wesentlich zu verbessern.

Wenn bei einer herkömmlichen Atmosphärendruck-CVD-Vorrichtung mit einem solchen Aufbau man das Reaktionsgasgemisch 11 nicht aus den Gasverteilerköpfen 9 ausströmen läßt, kann die Verteilung der Oberflächentemperatur der Siliciumwafer 2 in der Nähe der Schichtbildungsbereiche 12 gleichmäßig gemacht werden, wie es mit einer gestrichelten Linie 13 in Fig. 1B angedeutet ist, indem man die drei Heizungen 6, 7 und 8 steuert.

Dabei zeigt Fig. 1B die Zusammenhänge zwischen der Längenausdehnung der Atmosphärendruck-CVD-Vorrichtung gemäß Fig. 1A in Förderrichtung der Förderträger und der Oberflächentemperatur der Siliciumwafer 2. Da man jedoch das Reaktionsgasgemisch 11 aus den Gasverteilerköpfen 9 zu den Siliciumwafern 2 strömen läßt, wird das Gas mit einem Durchsatz von mehr als 10 l/min lokal gegen die Oberflächen der Siliciumwafer 2 geblasen. Infolgedessen werden die Oberflächen der Siliciumwafer 2 abgekühlt und die Temperatur der Siliciumwafer 2 unmittelbar unter den Gasverteilerköpfen 9 wird niedrig.

Wenn beispielsweise der Strömungsdurchsatz des Reaktionsgasgemisches 11 einen Wert von 20 l/min hat, sinkt die Oberflächentemperatur der Siliciumwafer 2 unmittelbar unter den Gasverteilerköpfen 9 immerhin um etwa 20°C ab. Aus diesem Grunde tritt ein Problem auf, wenn die Qualität der Schichten, beispielsweise der BSG-Schichten, durch die Schichtherstellungstemperatur wesentlich beeinflußt wird. Die Dichte von Bor in den BSG-Schichten ändert sich nämlich erheblich in Abhängigkeit von der Schichtherstellungstemperatur, und wenn die Schichtherstellungstemperatur hoch ist, hat die Dichte von Bor in den Schichten die Tendenz abzunehmen.

Dies beruht auf dem Umstand, daß das B₂H₆, welches in dem von den Gasverteilerköpfen 9 injizierten Reaktionsgasgemisch 11 enthalten ist, mit dem O₂ in dem Dampf reagiert, so daß die Menge an B₂H₆, welches die Nähe der Siliciumwafer 2 erreicht, infolgedessen reduziert wird. Folglich hat die Dickenverteilung der Dichte von Bor in den BSG-Schichten, die mit der herkömmlichen Atmosphärendruck-CVD-Vorrichtung gemäß Fig. 1A hergestellt werden, zwei Buckel, wie es in Fig. 2A dargestellt ist.

Fig. 2B zeigt einen Querschnitt eines Siliciumwafers 51, auf dem eine BSG-Schicht 56 gebildet worden ist, während Fig. 2A ein Diagramm zeigt, um die Verteilung der Dichte von Bor längs der Linie A-A′ in der Dickenrichtung der BSG-Schicht 56 gemäß Fig. 2B zu verdeutlichen. Somit wirft die BSG-Schicht, deren Verteilung der Dichte von Bor in Dickenrichtung nicht gleichmäßig ist, Probleme auf, wenn Kontaktlöcher oder dergleichen durch Naßätzung auszubilden sind.

Die Fig. 3A und 3B zeigen Teilquerschnitte von Siliciumwafern, um dieses Problem zu verdeutlichen. Die Ätzrate der BSG-Schichten in einer Lösung auf Flußsäurebasis hängt von der Bordichte ab, und eine höhere Bordichte führt zu einer geringeren Ätzrate. Wenn die Verteilung der Bordichte in der Dickenrichtung der BSG-Schicht 56 gleichmäßig ist, wird daher, wenn das Ätzen mit Flußsäure unter Verwendung eines Photoresists 54 als Maske durchgeführt wird, eine isotrope Ätzkonfiguration 55 erhalten, wie es Fig. 3A zeigt.

In einem Falle jedoch, wo die BSG-Schicht 56 zwei Buckel hat, wie es Fig. 2A zeigt, wird eine anormale Konfiguration 57 beim Ätzvorgang erhalten, wie es Fig. 3B zeigt, da die Ätzrate in bezug auf die Lösung auf Flußsäurebasis in der Dickenrichtung nicht konstant ist. Wenn infolgedessen eine Metallverdrahtung 58 auf dem Bereich mit dieser anormalen Konfiguration 57 nach dem Entfernen des Photoresists 54 ausgebildet wird, tritt das Problem auf, daß daraus Unterbrechungen resultieren können, wie es mit dem Bezugszeichen 59 in Fig. 4 angedeutet ist, und die Stufenbeschichtung dieses Bereiches wird extrem verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen anzugeben, die in der Lage ist, dünne Schichten mit gleichmäßiger Schichtqualität in ihrer Dickenrichtung herzustellen, so daß sich entsprechend homogene und einwandfreie Produkte herstellen lassen.

Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen angegeben, bei der die Halbleitersubstrate auf einer Förderstrecke angeordnet werden, um auf den Oberflächen der Halbleitersubstrate durch eine chemische Dampfabscheidungsreaktion Schichten herzustellen, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: einen Förderer zum Fördern bzw. Transportieren der Substrate; eine Heizeinrichtung, die unter den Substraten angeordnet ist, welche von dem Förderer vorbeigeführt werden, und die zum Beheizen der Substrate ausgelegt ist; eine Vielzahl von Gasverteilerköpfen, die über den sich auf der Förderstrecke befindlichen Substraten angeordnet und so ausgelegt sind, daß sie ein Gas, welches ein Reaktionsgas zur Herstellung von Schichten auf den Substratoberflächen durch eine chemische Dampfabscheidungsreaktion enthält, gegen die direkt darunter befindlichen Substrate blasen; mindestens einen Kühlkopf, der zwischen den Gasverteilerköpfen angeordnet und so ausgelegt ist, daß er die Substrate kühlt, indem er ein Kühlgas, das keine chemische Dampfabscheidungsreaktion bewirkt, gegen die direkt darunter befindlichen Substrate bläst, und zwar in der Weise, daß eine Oberflächentemperatur der Substrate, die sich unmittelbar unter den Gasverteilerköpfen befinden, im wesentlichen identisch mit der der Substrate wird, die sich unmittelbar unter dem Kühlkopf befinden.

Gemäß der Erfindung kann die Oberflächentemperatur der Halbleitersubstrate, die sich unmittelbar unterhalb der Kühlköpfe befinden, in der Weise reduziert werden, daß sie im wesentlichen gleich der Oberflächentemperatur der Halbleitersubstrate wird, die unmittelbar unter den Gasverteilerköpfen angeordnet sind, indem man die Menge bzw. den Durchsatz des aus den Kühlköpfen ausströmenden Kühlgases einstellt. Aus diesem Grunde kann die Temperaturverteilung in den Schichtenbildungsbereichen gleichmäßig gemacht werden.

Auch wenn dünne Schichten herzustellen sind, die durch die Schichtherstellungstemperatur wesentlich beeinflußt werden, ist es infolgedessen möglich, dünne Schichten herzustellen, deren Schichtqualität in ihrer Dickenrichtung gleichmäßig ist, wie z. B. bei Schichten, bei denen die Verteilung der Bordichte gleichmäßig ist.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1A eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Atmosphärendruck-CVD-Vorrichtung;

Fig. 1B ein Diagramm zur Erläuterung der Oberflächentemperatur von Halbleiterplättchen in der herkömmlichen Vorrichtung in Abhängigkeit vom Ort in der Förderrichtung der Förderträger;

Fig. 2A ein Diagramm zur Erläuterung der dickenmäßigen Verteilung der Bordichte in einer Borsilicatglasschicht bzw. einer BSG-Schicht;

Fig. 2B einen Querschnitt eines Siliciumwafers mit einer darauf ausgebildeten BSG-Schicht;

Fig. 3A und 3B vergrößerte Teilquerschnitte von Siliciumwafern, die erhalten werden, wenn verschiedene BSG-Schichten einem Ätzvorgang unterworfen worden sind;

Fig. 4 einen vergrößerten Teilquerschnitt eines Siliciumwafers zur Erläuterung eines Defektes, der dann auftritt, wenn eine BSG-Schicht verwendet wird, deren Verteilung der Bordichte in Dickenrichtung nicht gleichmäßig ist;

Fig. 5A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und in

Fig. 5B ein Diagramm zur Erläuterung der Oberflächentemperatur von Wafern in der Vorrichtung gemäß Fig. 5A in Abhängigkeit von dem Ort in Förderrichtung der Förderträger.

Während Fig. 5A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Aufdampfen zeigt, läßt sich aus Fig. 5B entnehmen, wie die Oberflächentemperatur der Wafer in einer solchen Ausführungsform der Vorrichtung vom Ort abhängt, wo sich die jeweiligen Förderträger und damit die Wafer in Förderrichtung befinden.

In Fig. 5A bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleiche oder entsprechende Teile wie in Fig. 1A. Dementsprechend weist eine Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen gemäß der Erfindung folgende Komponenten auf: einen Förderer 30 zum Transportieren oder Fördern von Halbleitersubstraten, beispielsweise Siliciumwafern 2; eine Heizeinrichtung, die unterhalb der Förderstrecke der Siliciumwafer 2 angeordnet ist, welche von dem Förderer 30 transportiert werden, und die zum Beheizen der Siliciumwafer 2 ausgelegt ist, wobei die Heizeinrichtung beispielsweise eine Vorheizung 6, eine Hauptheizung 7 und eine Nachheizung 8 umfaßt; eine Vielzahl von Gasverteilerköpfen 9, die über den Siliciumwafern 2 angeordnet sind, welche sich auf der Förderstrecke befinden, und die so ausgelegt sind, daß sie ein Gas 10, welches ein Reaktionsgas zum Herstellen von Schichten auf den Oberflächen der Siliciumwafer 2 durch eine chemische Dampfabscheidungsreaktion enthält, gegen die direkt darunter angeordneten Siliciumwafer 2 blasen kann; und mindestens einen Kühlkopf 21, der zwischen den Gasverteilerköpfen 9 angeordnet und so ausgelegt ist, daß er die Siliciumwafer 2 kühlt, indem er ein Kühlgas 23, welches keine chemische Dampfreaktion hervorrufen wird, gegen die direkt darunter befindlichen Siliciumwafer 2 bläst, und zwar in der Weise, daß die Oberflächentemperatur der Siliciumwafer 2, die sich unmittelbar unter den Gasverteilerköpfen 9 befinden, im wesentlichen gleich der Oberflächentemperatur der Siliciumwafer 2 wird, die sich direkt unter dem Kühlkopf 21 befinden.

Bei einer herkömmlichen Vorrichtung werden die Oberflächen der Siliciumwafer 2 durch das Reaktionsgasgemisch 11 gekühlt, das aus den Gasverteilerköpfen 9 austritt. Infolgedessen wird die Oberflächentemperatur der Siliciumwafer 2, die sich unmittelbar unter den Gasverteilerköpfen 9 befinden, niedrig, so daß das Problem auftritt, daß die Temperatur in den Schichtbildungsbereichen 12 nicht konstant wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen wird dieses Problem folgendermaßen gelöst: Beispielsweise wird N₂-Gas als Kühlgas den Kühlköpfen 21 zugeführt, und aus diesen wird ein Kühlgas 23 gegen die Oberflächen der Siliciumwafer 2 geblasen, indem man es entsprechend einbläst. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Strömungsdurchsatz des Kühlgases 23, das aus den Kühlköpfen 21 eingeblasen wird, im wesentlichen identisch mit dem des Reaktionsgasgemisches 11 ist, das aus den Gasverteilerköpfen 9 eingeblasen wird, so werden die Siliciumwafer 2 in den Schichtbildungsbereichen 24 durch die Gase gleichmäßig gekühlt.

Dementsprechend zeigt die Oberflächentemperatur der Wafer 2 eine Temperaturverteilung, wie sie beispielsweise mit der ausgezogenen Linie 26 in Fig. 5B dargestellt ist, und die Oberflächentemperatur der Siliciumwafer 2 in den Schichtbildungsbereichen 24 kann gleichmäßig gemacht werden. Auch wenn die Schichtqualität, insbesondere die Dichte von Bor in den Schichten, durch die Schichtbildungstemperatur erheblich beeinflußt würde, ist es möglich, dünne Schichten herzustellen, deren Schichtqualität in Dickenrichtung gleichmäßig ist. Somit ist es möglich, Defekte zu verhindern, die sonst aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Schichtqualität in der Dickenrichtung auftreten, wie z. B. in Abhängigkeit von der Bordichte, wie es Fig. 4 zeigt.

Obwohl bei der vorstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels N₂-Gas beispielhaft als Kühlgas 22 bzw. 23 angegeben worden ist, das über die Kühlköpfe 21 eingeblasen wird, ist die Erfindung keinesfalls auf dieses Kühlgas beschränkt. Die gleiche Wirkung kann auch dann erzielt werden, wenn andere Gase oder Inertgase verwendet werden, wie z. B. He, Ne, Ar, Kr oder Xe, H₂, O₂, N₂O oder CO₂ sowie ein Gas, welches die vorstehenden Gase oder einige von ihnen enthält.

Da jedoch die spezifische Wärme von dem jeweiligen Gas abhängt, ist es erforderlich, den Strömungsdurchsatz des Gases zu berücksichtigen, um das Kühlvermögen identisch mit dem von N₂-Gas zu machen. Mit anderen Worten, der Strömungsdurchsatz des Gases kann verringert werden, wenn ein Gas mit großer spezifischer Wärme verwendet wird, während der Strömungsdurchsatz des Gases erhöht werden muß, wenn die spezifische Wärme klein ist.

Auch wenn bei der oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform zwei Gasverteilerköpfe 9 sowie drei Kühlköpfe 21 verwendet werden, kann deren Anzahl selbstverständlich im Bedarfsfall geändert werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen, bei der Halbleitersubstrate (2) in einer Förderstrecke angeordnet werden, um Schichten auf den Oberflächen der Halbleitersubstrate (2) durch chemische Dampfabscheidungsreaktion auszubilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung folgendes aufweist:

• - eine Fördereinrichtung (1, 3, 4; 30) zum Fördern der Substrate (2);
• - eine Heizeinrichtung (6, 7, 8), die unterhalb der Substrate (2) angeordnet ist, die von der Fördereinrichtung (1, 3, 4; 30) gefördert werden, und die zum Beheizen der Substrate (2) ausgelegt ist;
• - eine Vielzahl von Gasverteilerköpfen (9), die über den auf der Förderstrecke befindlichen Substraten (2) angeordnet und so ausgelegt sind, daß sie ein Gas, welches ein Reaktionsgas (11) zur Bildung von Schichten auf den Substratoberflächen durch chemische Dampfabscheidungsreaktion enthält, gegen die unmittelbar darunter befindlichen Substrate (2) blasen; und
• - mindestens einen Kühlkopf (21), der zwischen den Gasverteilerköpfen (9) angeordnet und so ausgelegt ist, daß er die Substrate (2) kühlt, indem er ein Kühlgas (22, 23), das keine chemische Dampfabscheidungsreaktion hervorruft, gegen die direkt darunter befindlichen Substrate (2) bläst, und zwar in der Weise, daß eine Oberflächentemperatur der Substrate (2), die sich unmittelbar unter den Gasverteilerköpfen (9) befinden, im wesentlichen gleich der der Substrate (2) wird, die sich unmittelbar unter dem Kühlkopf (21) befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas (22, 23) ein Inertgas, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon besteht, oder ein Gas ist, das eines oder mehrere dieser Inertgase enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas (22, 23) ein Gas, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und Distickstoffoxid besteht, oder ein Gas ist, das eines oder mehrere dieser Gase enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (2) ein Siliciumwafer ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Borsilicatglasschicht ist.