DE60035948T2 - Chemischer abscheidungsreaktor und dessen verwendung für die abscheidung eines dünnen films - Google Patents

Chemischer abscheidungsreaktor und dessen verwendung für die abscheidung eines dünnen films Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen chemischen Abscheidungsreaktor, welcher bei einer chemischen Abscheidungsvorrichtung verwendet wird, wobei Reaktionsmaterialien diskontinuierlich oder sequentiell zugeführt werden, so dass die Reaktionsmaterialien nicht in Gasphasen gemischt werden, und spezieller einen chemischen Abschaltungsreaktor, welcher in der Lage ist, schnell von einem Prozess zu einem anderen zu wechseln. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht zur Verwendung bei Halbleiter- oder Flachdisplaybauteilen unter Verwendung des obigen Reaktors.
  • Technischer Hintergrund
  • Bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen wurden Bemühungen zur Verbesserung von Vorrichtungen und Prozessen weitergeführt, um eine qualitativ hochwertige Dünnschicht auf einem Substrat auszubilden. Kürzlich wurden Prozesse zum Ausbilden einer Dünnschicht unter Verwendung einer Oberflächenreaktion eines Halbleitersubstrats vorgeschlagen. Bei den Prozessen werden Dünnschichten durch die folgenden drei Verfahren ausgebildet: Reaktionsmaterialien werden diskontinuierlich dem Substrat zugeführt; ein Typ von Dünnschicht wird durch eine Abscheidung von atomaren Schichten ausgebildet; oder Reaktionsmaterialien werden sequentiell eins nach dem anderen dem Substrat zugeführt. Gemäß dem obigen Verfahren kann unabhängig von der Oberflächenrauhigkeit eines Substrats eine Schicht mit einer gleichförmigen Dicke auf dem gesamten Substrat erhalten werden, und Störstellen in der Schicht können reduziert werden, was zu einer qualitativ hochwertigen Schicht führt.
  • Weil jedoch bei herkömmlichen chemischen Abscheidungsvorrichtungen verwendete Reaktoren dazu ausgestaltet sind, eine Dünnschicht unter Verwendung eines Prozesses auszubilden, bei welchem Reaktionsmaterialien gleichzeitig in die Reaktoren zugeführt werden, sind die Reaktoren für die obigen drei Verfahren nicht optimal.
  • Bei einem Reaktor, bei welchem chemische Abscheidungsmaterialien über ein Halbleitersubstrat zugeführt werden, fließen Reaktionsgase gewöhnlich über das Halbleitersubstrat nach unten. In diesem Fall ist gewöhnlich für den gleichmäßigen Fluss des Reaktionsgases über das Substrat ein Brausekopf zwischen einem Reaktionsgaseinlass und dem Substrat angeordnet. Jedoch macht eine solche Konfiguration den Gasfluss komplex und erfordert einen groß bemessenen Reaktor, was ein schnelles Wechseln von Reaktionsgasen schwierig macht. Folglich ist ein herkömmlicher Reaktor, welcher einen Brausekopf einsetzt, unzureichend für den Prozess, bei welchem Reaktionsgase sequentiell dem Reaktor zugeführt werden.
  • Andererseits werden bei der Herstellung von Halbleiter- oder Flachdisplaybauteilen qualitativ hochwertige Dünnschichten benötigt. Solche Dünnschichten können Metallschichten, Isolatorschichten, wie zum Beispiel Metalloxidschichten, Metallnitridschichten usw., Schichten für Kondensatoren, Verbindungen und Elektroden, zur Diffusionsvermeidung verwendete anorganische Schichten usw. beinhalten.
  • Diese Dünnschichten können durch eine physikalische Dampfabscheidung, beispielsweise einen Sputter-Prozess ausgebildet werden. Der Sputter-Prozess bildet jedoch Dünnschichten mit einer schlechten Stufenbedeckung aus, so dass gewöhnlich ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren eingesetzt wird, um die Stufenbedeckung zu verbessern.
  • Patents Abstracts of Japan, Vol. 1999, Nr. 01, 29. Januar 1999 ( JP 10280152A ) beschreibt eine kammerlose Laser-CVD-Vorrichtung, welche einen Gaseinlassteil, welcher die Umgebung des Laserlichtbeleuchtungsteils auf einem Substrat bedeckt, einen Auslass zum Ausblasen von gasförmigem Ausgangsmaterial in Richtung des Lasers und eine Reinigungsgaseinlassöffnung umfasst. Der Einlass und Auslass sind so angeordnet, dass das Reinigungsgas in einer vertikalen Ebene fließt und der Laser in der Mitte ist.
  • Die EP-A-0 854 390 betrifft eine Backvorrichtung für eine Resistschicht auf einem Substrat, wie zum Beispiel ein Halbleiter- oder LCD-Substrat. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, welches ein Substrat mit einer strukturbelichteten Resistschicht umgibt, eine Abdeckung, welche einen Prozessraum definiert, einen Heizplatte zum Aufheizen des Substrats in dem Prozessraum und ein Gaszufuhrmittel, welches es dem Wassergehalt des Gases ermöglicht, mit der Resistschicht zu reagieren.
  • Die WO 96/17969 A beschreibt eine Vorrichtung zum Aufwachsen einer Dünnschicht auf ein Substrat, welche vertikal oder horizontal gestapelte planare Elemente umfasst, von welchen eine Anzahl identisch sind, und in welche Reaktionskammern und Vertiefungen/Öffnungen, welche Kanäle zum Einfließen und Ausfließen von Gas bilden, eingearbeitet sind.
  • Eine der gebräuchlichsten chemischen Dampfabscheidungen des Stands der Technik wird durch eine Vorrichtung ausgeführt, wie sie in 1A dargestellt ist. Mit Bezug auf 1A werden Prozessgase oder andere Reaktanten 11, 12, 13 jeweils durch Massenflusscontroller 21, 22, 23 und Ventile 30, 31, 32 in einen Reaktor 1 zugeführt. In diesem Fall wird ein Brausekopf 4 genutzt, um einen gleichmäßigen Fluss 5 der Prozessgase zu erreichen. Wenn ein Quellenmaterial eine Flüssigkeit oder ein Feststoff mit niedrigem Gleichgewichtsdampfdruck ist, wird auch ein Verdampfer 16 eingesetzt, welcher das Quellenmaterial auf eine zum Verdampfen geeignete Temperatur erwärmen kann und das verdampfte Quellenmaterial mit dem Trägergas 13 in den Reaktor 1 zuführen kann. Wenn der Verdampfer eingesetzt wird, wird der anfängliche Anteil des Quellenmaterials, welches von dem Trägergas 13 transportiert wird, aufgrund der Fluktuation der Flussrate und Quellenmaterialkonzentration über ein Bypassventil 33 und ein Auslassrohr 18 ausgestoßen. Dann wird das Bypassventil 33 geschlossen und ein Ventil 32, welches mit einem zentralen Zufuhrrohr 17 verbunden ist, geöffnet, um das Trägergas in den Reaktor 1 zuzuführen.
  • Die chemische Dampfabscheidung gemäß dem Stand der Technik, welche in dieser Vorrichtung durchgeführt wird, weist die folgenden Merkmale auf: Erstens werden alle Prozessgase 11, 12, 13, welche für die Abscheidung benötigt werden, gleichzeitig in den Reaktor 1 zugeführt, so dass wie bei einem in 1B die Schicht kontinuierlich während der Prozesszeiten 11', 12', 13' dargestellten Beispiel abgeschieden wird. Zweitens wird gewöhnlich der Brausekopf 4 eingesetzt, um den Fluss 5 der Prozessgase auf der Oberfläche eines Substrats gleichförmig zu machen.
  • Dieses Verfahren weist die folgenden Nachteile auf: Erstens, da alle Prozessgase gleichzeitig innerhalb des Reaktors vorhanden sind, können die Prozessgase in der Gasphase reagie ren, wodurch die Stufenbedeckung der abgeschiedenen Schicht verschlechtert werden kann und/oder Partikel erzeugt werden können, welche den Reaktor kontaminieren. Zweitens, wenn eine metallorganische Verbindung als Quellenmaterial verwendet wird, ist es schwierig, eine Schicht abzuscheiden, welche keine Kohlenstoffverunreinigungen enthält. Drittens, im Fall einer Abscheidung einer Multikomponentenschicht, müssen alle die Reaktionsmaterialien gleichzeitig reagieren, während die Zufuhr jedes Reaktionsmaterials separat durch den Massenfluss des Trägergases gesteuert wird, so dass es sehr schwierig ist, die Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht präzise zu steuern.
  • Um die vorhergehenden Probleme zu bewältigen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die Prozessgase separat als zeitgeteilte Pulse zugeführt werden, anstelle kontinuierlich zugeführt zu werden.
  • Ein Beispiel einer Zuführung von Prozessgasen bei diesem Abscheidungsverfahren ist in 2A dargestellt. Ventile in einem Gaseinführungsteil können geöffnet oder geschlossen werden, so dass die Prozessgase zyklisch als zeitgeteilte Pulse in den Reaktor zugeführt werden können, ohne miteinander gemischt zu werden.
  • Auf 2A Bezug nehmend ist zu erkennen, dass die Prozessgase 11, 12, 13 in 1A in einem Zyklus Tcycle von 13', 12', 11' und 12' zugeführt werden. Eine Schicht kann abgeschieden werden, indem dieser Zyklus wiederholt wird. Allgemein wird ein Reinigungsgas 12 zwischen den Zufuhrpulsen der Recktanten 11 und 13 zugeführt, so dass die verbleibenden Recktanten aus dem Reaktor entfernt werden, bevor der nächste Reaktant zugeführt wird.
  • Nachstehend wird ein zeitgeteilter Abscheidungsmechanismus beschrieben. Temperaturen der chemischen Adsorption der Recktanten an dem Substrat sind allgemein niedriger als Temperaturen der thermischen Zersetzung der Recktanten. Wenn daher eine Abscheidungstemperatur höher gehalten wird als die Temperatur der chemischen Adsorbtion des Recktanten an dem Substrat und niedriger als die Temperatur der thermischen Zersetzung des Recktanten, adsorbiert der in den Reaktor zugeführte Reaktant lediglich chemisch an der Oberfläche des Substrats, anstelle zersetzt zu werden. Dann wird durch das in den Reaktor zugeführte Reinigungsgas der verbleibende Reaktant aus dem Reaktor ausgestoßen. Danach wird ein anderer Reaktant in den Reaktor eingeführt, um mit dem an der Oberfläche adsorbierten Recktanten zu reagieren und so eine Schicht auszubilden. Weil der an dem Substrat adsorbierte Reaktant nicht mehr als eine molekulare Schicht ausbilden kann, ist die in einem Zufuhrzyklus Tcycle ausgebildete Dicke unabhängig von der Menge oder Zeit der zugeführten Recktanten konstant. Daher sättigt die Dicke der abgeschiedenen Schicht wie in 2B dargestellt, wenn die Zufuhrzeit fortschreitet. In diesem Fall wird die Dicke der abgeschiedenen Schicht nur durch die Anzahl der wiederholten Zufuhrzyklen gesteuert.
  • Wenn hingegen die Abscheidungsprozesstemperatur nicht niedriger ist als die Temperatur der thermischen Zersetzung der Recktanten, ist die Dicke der abgeschiedenen Schicht proportional zu der Zufuhrzeit der Recktanten in dem Zufuhrzyklus, weil die in den Reaktor eingeführten Recktanten sich kontinuierlich zersetzen, um Schichten auf dem Substrat auszubilden. Für diesen Fall ist die Dicke der abgeschiedenen Schicht in Abhängigkeit von der Zufuhrzeit der Recktanten in 2C dargestellt.
  • Die vorangegangene zeitgeteilte Abscheidung weist jedoch die folgenden Probleme auf:
    Erstens müssen die bei dem Abscheidungsprozess verwendeten Reaktanten auf einfache Weise reagieren. Andernfalls ist es schwierig, eine Schicht durch zeitgeteilte Abscheidung auszubilden. In diesem Fall ist ein Verfahren erforderlich, das die chemische Reaktion sogar bei niedrigen Temperaturen erleichtert.
  • Zweitens kann der Ausstoßteil der Vorrichtung aufgrund der Reaktionen zwischen den Reaktanten mit Partikeln kontaminiert sein. Der Gaseinführungsteil und der Reaktor können nicht mit den Partikeln aufgrund der Reaktionen der Reaktanten kontaminiert sein, weil die Reaktanten durch das Reinigungsgas separiert sind. Der Ausstoßteil hingegen kann leicht mit Partikeln kontaminiert werden, weil sich beim Ausstoß die Reaktanten mischen und miteinander reagieren.
  • Drittens ist es erforderlich, ein inertes Reinigungsgas zwischen den Reaktantenzufuhrpulsen zuzuführen, um Gasphasenreaktionen in dem Gaseinführungsteil und dem Reaktor zu vermeiden, so dass der Gaszufuhrzyklus komplex ist, die Zeit für einen Zufuhrzyklus länger ist als absolut erforderlich, und somit die Abscheidung langsam ist.
  • In dem US-Patent Nr. 5,916,365 ist ein Verfahren offenbart, bei welchem eine Schicht ausgebildet wird, indem ein Gaszufuhrzyklus wiederholt wird, d.h. ein erstes Reaktionsgas in einen Reaktor zugeführt wird, ein verbleibendes Reaktionsgas innerhalb des Reaktors durch eine Vakuumpumpe ausgesaugt wird, ein zweites Reaktionsgas zugeführt wird, welches akti viert wird, indem es durch einen Radikalgenerator läuft, wobei RF-Leistung oder andere Mittel verwendet werden, und ein verbleibendes Reaktionsgas durch die Vakuumpumpe ausgesaugt wird.
  • Die Absaugrate der Vakuumpumpe nimmt ab, wenn der Druck abnimmt, so dass es eine lange Zeit dauert, um die verbleibenden Reaktionsgase mit der Vakuumpumpe aus dem Reaktor auszusaugen. Daher ist es bei diesem Verfahren schwierig, eine hohe Wachstumsrate der Schicht pro Zeiteinheit zu haben, wenn es gewünscht ist, die verbleibenden Reaktionsgase vollständig auszusaugen. Wenn die Aussaugzeit zu kurz ist, verbleiben die Reaktionsgase in dem Reaktor, so dass die zwei Reaktionsgase sich mischen und in der Gasphase reagieren. Darüber hinaus ist es bei dem Verfahren des US-Patents Nr. 5,916,365 schwierig, ein stabiles Plasma in dem Reaktor zu halten, weil die Zufuhr und das Aussaugen der Reaktionsgase in dem Reaktor eine große Druckschwankung erzeugen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor bereitzustellen, welcher eine Gaszufuhr schnell von einem Prozess zu einem anderen wechseln kann und die Stellfläche einer chemischen Abscheidungsvorrichtung, in welche Reaktionsgase diskontinuierlich oder sequentiell zugeführt werden, reduzieren kann.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor bereitzustellen, welcher die Wartung einer chemischen Abscheidungsvorrichtung einfacher macht, indem Reaktionsgasen ausgesetzte Flächen minimiert und Reinigungserfordernisse reduziert werden.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor bereitzustellen, welcher in der Lage ist, die Ausbildung einer Schicht auf einem Umfang eines Halbleitersubstrats zu vermeiden.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor bereitzustellen, welcher einen Plasmagenerator einsetzt, um den Reaktor zu reinigen und Reaktionsgase zu aktivieren.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Dünnschicht effektiv ausbilden kann, auch wenn bei einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren mit zeitgeteilter Quellenzufuhr Reaktanten nicht auf einfache Weise reagieren.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Zufuhrzeit eines Reinigungsgases bei einem Gaszufuhrzyklus minimieren kann, um die Zykluszeit bei einer chemischen Dampfabscheidung mit zeitgeteilter Quellenzufuhr zu reduzieren.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Partikelkontamination der Vorrichtung an dem Ausstoßteil einer Vorrichtung zur chemischen Dampfabscheidung mit zeitgeteilter Quellenzufuhr reduzieren kann.
  • Um diejenigen der vorhergehenden Aufgaben zu lösen, welche sich auf den Reaktor beziehen, stellt die vorliegende Erfindung einen Reaktor bereit, welcher umfasst: eine Reaktorabdeckung, welche einen Einlass und einen Auslass für Reaktions gase aufweist, um die Reaktionsgase von einem anderen Teil des Reaktors abzuhalten, wo der Druck niedriger ist als innerhalb des Reaktors; eine Gasflusssteuerplatte mit einem hervorstehenden Abschnitt, wobei der hervorstehende Abschnitt an der Reaktorabdeckung befestigt ist, um den Gasfluss durch den Einlass und Auslass durch den Abstand zwischen ihr selbst und der Reaktorabdeckung zu steuern; und eine Substrathalterungsplatte, welche im Kontakt mit der Reaktorabdeckung ist, um mit der Reaktorabdeckung eine Reaktionszelle einzugrenzen.
  • Der Reaktor der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Leckvermeidungsgaspassage umfassen, welche entlang des Kontaktabschnitts zwischen der Reaktorabdeckung und der Substrathalterungsplatte angeordnet ist, um ein Entweichen von Reaktionsgasen aus der Reaktionszelle zu vermeiden.
  • Vorzugsweise sind die gegenüberliegenden Flächen der Gasflusssteuerplatte mit Ausnahme des hervorstehenden Abschnitts im Wesentlichen parallel zueinander.
  • Außerdem kann die Reaktorabdeckung ferner Vorsprungmittel umfassen, welche den Umfang des Substrats bedecken, so dass die Reaktionsgase nicht in Kontakt mit dem Umfang des Substrats kommen können, was die Schichtbildung darauf vermeidet.
  • Um Reaktionsgase in der Reaktionszelle zu aktivieren, ist vorzugsweise eine Plasmaelektrode an der Reaktorabdeckung oder an der Gasflusssteuerplatte angeordnet.
  • Um diejenigen der vorhergehenden Aufgaben zu lösen, welche sich auf das Dünnschichtausbildungsverfahren beziehen, stellt die vorliegende Erfindung ein zur chemischen Dampfabscheidung verwendetes Verfahren bereit, bei welchem Quellengase zum Ausbilden einer Dünnschicht auf eine zeitgeteilte Weise in einen Reaktor zugeführt werden, so dass sie in dem Reaktor nicht miteinander gemischt werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Prozessgase zu einem Plasma aktiviert, um die Schichtausbildung zu erleichtern, wobei das Plasma synchron mit einem Gaszufuhrzyklus erzeugt wird.
  • Für eine deutlichere Beschreibung werden Prozessgase in drei Arten klassifiziert:
    Erstens wird das Prozessgas, welches sich thermisch zersetzt, um eine feste Schicht auszubilden, ein Depositionsgas genannt. Das Depositionsgas beinhaltet z.B. eine organische Titanverbindung, welche zur chemischen Dampfabscheidung zur Ausbildung einer TiN-Schicht verwendet wird.
  • Zweitens wird das Prozessgas, welches sich nicht von selbst zersetzt oder bei der Selbstzersetzung keine feste Schicht ausbildet, jedoch eine feste Schicht ausbildet, wenn es mit einem Depositionsgas reagiert, ein Reaktionsgas genannt. Das Reaktionsgas beinhaltet z.B. Ammoniak, welches bei einem chemischen Dampfabscheidungsprozess verwendet wird, um eine Nitridschicht auszubilden, und Sauerstoffgas, welches bei einem chemischen Dampfabscheidungsprozess verwendet wird, um eine Oxidschicht auszubilden.
  • Drittens wird das weitere inerte Prozessgas, welches zwischen den Zuführungen des Depositionsgases und des Reaktionsgases zugeführt wird, um das Depositionsgas und das Reaktionsgas zu separieren, ein Reinigungsgas genannt. Allgemein werden Helium, Argon, Stickstoffgas usw. als ein Reinigungsgas verwendet. Diejenigen Gase, welche das die Schicht aufbauende Ele ment enthalten, können ebenfalls als ein Reinigungsgas verwendet werden, wenn sie nicht mit einem Depositionsgas reagieren. In diesem Fall kann das Reinigungsgas als ein Reaktionsgas verwendet werden, wenn es durch Plasma aktiviert wird.
  • Daher ist eines der augenscheinlichsten Merkmalen der vorliegenden Erfindung, bei einem chemischen Dampfabscheidungsprozess, welcher eine Schicht auf einem Substrat ausbildet, indem Prozessgase, welche ein Depositionsgas, ein Reaktionsgas und ein Reinigungsgas beinhalten, in einen Reaktor zugeführt werden, indem Zyklen einer zeitgeteilten Gaszufuhr wiederholt werden, ein Verfahren bereitzustellen, um ein Plasma auf dem Substrat synchron mit den Zufuhrzyklen zu erzeugen, um wenigstens eines der Prozessgase zu aktivieren. In diesem Fall wird das Plasma synchron mit dem Zufuhrzyklus des Reaktionsgases erzeugt.
  • Wenn ein Reinigungsgas Aufbauelemente eines Schichtmaterials enthält und ein Reaktionsgas die anderen Aufbauelemente des Schichtmaterials enthält und das Reinigungsgas nicht wesentlich mit dem Reaktionsgas reagiert, kann vorzugsweise ein Plasma synchron während des Zufuhrzyklus des Reinigungsgases erzeugt werden.
  • Andererseits wird eine Schicht durch abwechselnde Zufuhr von lediglich einem Depositionsgas und einem Reinigungsgas ohne ein Reaktionsgas in einen Reaktor abgeschieden. In diesem Fall enthält das Reinigungsgas vorzugsweise Aufbauelemente eines Schichtmaterials und reagiert nicht wesentlich mit dem Depositionsgas, wenn es nicht aktiviert ist, wobei ein Plasma vorzugsweise synchron wenigstens teilweise während des Zufuhrzyklus des Reinigungsgases erzeugt wird, um die Reaktion des Reinigungsgases mit dem Depositionsgas zu erleichtern.
  • Die durch die obigen Verfahren abgeschiedenen Schichten können nach der Abscheidung wärmebehandelt werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1A und 1B sind Zeichnungen, welche eine Vorrichtung zur chemischen Dampfabscheidung und ein Verfahren zur Zufuhr von Reaktionsgasen darstellen, welche bei einem Schichtabscheidungsprozess des Stands der Technik eingesetzt werden;
  • 2A bis 2C sind Graphen, welche einen Abscheidungsprozess des Stands der Technik darstellen, welcher Reaktionsgase auf eine zeitgeteilte Weise zuführt;
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines chemischen Abscheidungsreaktors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 4 zeigt eine Gasflusssteuerplatte, welche für den Reaktor gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht eines chemischen Abscheidungsreaktors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist eine Querschnittsansicht eines chemischen Abscheidungsreaktors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 7A und 7B sind Zeichnungen, welche Verfahren zur Zufuhr von Reaktionsgasen darstellen, welche bei einem Schichtabscheidungsprozess der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
  • Beste Art zur Ausführung der Erfindung
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines chemischen Abscheidungsreaktors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 3 weist eine Reaktorabdeckung 100 einen Einlass 110 und einen Auslass 120 für Prozessgase auf. Der Umfang der Reaktorabdeckung 100 ist von einem Abdeckungsheizer 130 umgeben.
  • Eine Gasflusssteuerplatte 140 mit einem hervorstehenden Abschnitt ist an der unteren Oberfläche der Reaktorabdeckung 100 befestigt, welche die durch den Einlass 110 und Auslass 120 geführten Gasflüsse (durch Pfeile angedeutet) durch den Abstand zwischen der Gasflusssteuerplatte 140 und der Reaktorabdeckung 100 steuert. Der Abstand kann beliebig bestimmt werden. Auf der anderen Seite wird ein Halbleitersubstrat 150, auf welchem eine chemisch abgeschiedene Schicht ausgebildet werden soll, auf eine Substrathalterungsplatte 160 geladen. Die Temperatur des Substrats 150 wird durch einen Halterungsplattenheizer 170 gesteuert, welcher unter der Substrathalterungsplatte 160 angeordnet ist. In diesem Fall ist es wünschenswert, die Reaktionsgase davon abzuhalten, in einen anderen Teil des Reaktors zu entweichen, wo der Druck niedriger ist als innerhalb des Reaktors. Zu diesem Zweck kann ein inertes Gas entlang des Kontaktabschnitts zwischen der Reaktorabdeckung 100 und der Substrathalterungsplatte 160 eingeführt werden. Dementsprechend hat die Reaktorabdeckung 100 eine Rille entlang ihres Umfangs, um als eine Leckvermeidungsgaspassage 180 verwendet zu werden. Die Gasflusssteuerplatte 140 steuert den Fluss eines Prozessgases, welches in den Reaktor eingeführt wird, um einen Gasausstoß ohne unerwünschtes Restgas innerhalb des Reaktors zu erleichtern.
  • 4 zeigt eine Gasflusssteuerplatte, welche für den Reaktor gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Gemäß dem Betrieb einer solchen Gasflusssteuerplatte werden die durch einen Gaseinlass eingeführten Prozessgase in dem Reaktor gleichförmig verbreitet und fließen dann horizontal in einen kleinen Raum zwischen der Gasflusssteuerplatte und dem Halbleitersubstrat, wobei sie über den Gasauslass austreten. Indem die Gasflusssteuerplatte verwendet wird, fließen Prozessgase horizontal über das Halbleitersubstrat, und eine Gaszufuhr kann schnell von einem Prozessgas zu einem anderen gewechselt werden, weil das Innenvolumen des Reaktors klein ist.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht eines chemischen Abscheidungsreaktors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Nachstehend bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Elemente von 3 und eine wiederholte Beschreibung wird zur Abkürzung vermieden.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist an ihrem Kontaktabschnitt der Innendurchmesser der Reaktorabdeckung größer als derjenige des Halbleitersubstrats, so dass die Reaktorabdeckung den Umfang des Halbleitersubstrats abdecken kann. Das heißt ein Vorsprung 190, wel cher unter der Reaktorabdeckung angeordnet ist, verhindert, dass Reaktionsgase mit dem Umfang des Substrats in Kontakt kommen, und es wird darauf keine Schicht ausgebildet.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht eines chemischen Abscheidungsreaktors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf 6 Bezug nehmend ist eine Plasmaelektrode 200 gegenüber dem Halbleitersubstrat 150 in der Gasflusssteuerplatte 140 installiert, welche Plasmen erzeugt, um das Innere des Reaktors zu reinigen sowie um Reaktionsgase zu aktivieren, so dass die Schichtausbildung erleichtert wird.
  • Daher können die Reaktorabdeckung und die Gasflusssteuerplatte anders als bei dem obigen Ausführungsbeispiel, wo die Gasflussteuerplatte an der Reaktorabdeckung angebracht ist, als ein Stück konstruiert sein. Außerdem kann die Plasmaelektrode in der Reaktorabdeckung installiert sein.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zur Ausbildung von Dünnschichten zur Verwendung bei Halbleiter- oder Flachdisplaybauteilen durch Verwendung des obigen Reaktors der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, welches gemäß 7A und 7B unter Verwendung des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, ist wie folgt.
  • 7A ist ein Graph, welcher zeigt, dass die Prozessgase in dem Zufuhrzyklus von Despositionsgas 13', Reinigungsgas 12, Reaktionsgas 11' und Reinigungsgas 12' in den Reaktor zugeführt werden. Zuerst wird das Depositionsgas 13' in den Reak tor zugeführt, um an dem Substrat adsorbiert zu werden, und dann wird das Reinigungsgas 12' zugeführt, um das verbleibende Depositionsgas aus dem Reaktor zu entfernen. Dann wird das Reaktionsgas 11' in den Reaktor zugeführt, und gleichzeitig wird der Schalter 310 geschlossen, um das Reaktionsgas 11' mit einem Plasma zu aktivieren und somit die chemische Reaktion mit dem an das Substrat adsorbierten Depositionsgas 13' zu erleichtern. Wenn die Zufuhr des Reaktionsgases unterbrochen wird, wird der Schalter 310 geöffnet, um eine Plasmaerzeugung zu stoppen, und das Reinigungsgas 12' wird eingeführt, um das verbleibende Reaktionsgas zu entfernen. Bei diesem Verfahren kann die Schicht sogar dann ausgebildet werden, wenn die Reaktion zwischen dem Depositionsgas 13' und Reaktionsgas 11 schwach ist, weil das Reaktionsgas 11 mit einem Plasma aktiviert wird.
  • Wenn z.B. eine metallorganische Verbindung als chemische Dampfabscheidungsquelle verwendet wird, kann ein plasmaaktiviertes Reaktionsgas eine Zersetzung der metallorganischen Verbindung beschleunigen und eine Kohlenstoffverunreinigung der Schicht reduzieren. Auch kann die durch das Plasma auf die Schicht aufgebrachte Aktivierungsenergie eine Kristallisierung, physikalische Eigenschaften und elektrische Eigenschaften der Schicht verbessern.
  • Als ein detailliertes Beispiel dieses Prozesses kann eine Kupferverbindung reduziert werden, um eine metallische Kupferschicht auszubilden. Bei der Temperatur, welche nicht höher ist als die Temperatur der thermischen Zersetzung des Depositionsgases, findet eine chemische Reaktion zwischen dem Depositionsgas und Wasserstoffgas, d.h. dem Reaktionsgas, nicht statt, und somit kann eine metallische Kupferschicht nicht ausgebildet werden. Daher wird wie bei dem Reaktor ge mäß der vorliegenden Erfindung beschrieben eine Plasmaelektrode installiert, und ein Plasma wird erzeugt, wenn Wasserstoffgas in den Reaktor zugeführt wird, so dass eine chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und der auf das Substrat adsorbierten Kupferquelle beschleunigt werden und somit eine metallische Kupferschicht ausgebildet werden kann. Wenn der Plasmagenerator angeschaltet wird, während das Depositionsgas zugeführt wird, kann die Kupferquelle sich in der Gasphase zersetzen, so dass eine Partikelkontamination oder schlechte Stufenbedeckung auftreten kann. Daher ist es vorteilhaft, die an den Plasmagenerator angelegte RF-Leistung mit dem Zufuhrzyklus derart zu synchronisieren, dass der Plasmagenerator ausgeschaltet wird, wenn das Depositionsgas zugeführt wird, und nur an ist, wenn das Reaktionsgas zugeführt wird.
  • Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Gas, welches wenn überhaupt einer sehr schwachen chemischen Reaktion mit dem Depositionsgas unterliegt, als ein Reaktionsgas oder ein Reinigungsgas eingesetzt werden, unter der Bedingung, dass dieses Gas Aufbauelemente der Schicht enthält. Ein Gaszufuhrverfahren wie dieses ist in 7B dargestellt. Bei diesem Verfahren wird das Depositionsgas 13' primär an das Substrat adsorbiert, wobei das verbleibende Depositionsgas durch das Reinigungsgas 12' entfernt wird, welches, wenn überhaupt, annähernd keine chemische Reaktion mit dem Depositionsgas erfährt, aber Aufbauelemente der Schicht enthalten kann, und dann wird der Plasmagenerator angeschaltet, um das Reinigungsgas 12' in das Reaktionsgas 15' zu transformieren. Dieses Reaktionsgas 15' kann eine Schicht ausbilden, indem es mit dem an das Substrat adsorbierten Depositionsgas reagiert. Dann kann, nachdem der Plasmagenerator ausgeschaltet wurde, um die Reaktion zu stop pen, das Depositionsgas 13' ohne irgendwelche Bedenken im Hinblick auf eine Gasreaktion in den Reaktor zugeführt werden. Daher wird während der Reinigungsgaszufuhr bei dem Gaszufuhrzyklus die Plasmaleistungszufuhr in der Reihenfolge aus, an und aus geschaltet, was äquivalent ist zur Zufuhr eines Reinigungsgases, eines Reaktionsgases bzw. eines Reinigungsgases. Auch nimmt die Konzentration der aktivierten Spezies sehr schnell ab, nachdem die Plasmaleistung ausgeschaltet wurde, so dass die Zufuhrzeit des Reinigungsgases minimiert werden kann, nachdem die Plasmaleistung aus ist. Bei dieser Art von Zufuhrzyklus besteht der Gaszufuhrzyklus anstelle der Zufuhr von verschiedenen Gasen aus einem Anschalten und Ausschalten des Plasmagenerators. Dieses Verfahren ermöglicht die zeitgeteilte chemische Dampfabscheidung mit nur zwei Arten von Gasen, so dass der Gaszufuhrteil der Vorrichtung einfach sein kann und die Zykluszeit der Gaszufuhr reduziert werden kann. Darüber hinaus reagieren das Depositionsgas und das Reinigungsgas nicht miteinander, selbst wenn sie gemischt werden, so dass keine Bedenken im Hinblick auf die Partikelkontamination in dem Ausstoßteil bestehen.
  • Beide der vorangegangenen zwei Ausführungsbeispiele können für die Abscheidung einer TiN-Schicht eingesetzt werden, welche als Diffusionsbarriere und für Antireflexionsbeschichtungen verwendet wird.
  • Unter Verwendung des ersten Ausführungsbeispiels kann eine TiN-Schicht ausgebildet werden, indem der Zyklus der Zufuhr einer organischen Ti-Quelle für ein Depositionsgas, Ammoniakgas für ein Reaktionsgas und Stickstoffgas für ein Reinigungsgas wiederholt wird, wobei ein Plasma erzeugt wird, wenn das Reaktionsgas zugeführt wird.
  • Wenn das zweite Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, wird eine organische Ti-Quelle für ein Depositionsgas bzw. Stickstoffgas für ein Reinigungsgas verwendet, wobei der Plasmagenerator angeschaltet wird, wodurch bewirkt wird, dass das adsorbierte Depositionsgas mit Stickstoffgas reagiert, nachdem das Depositionsgas durch Stickstoffgas entfernt wurde. Eine TiN-Schicht kann ausgebildet werden, indem der diese Schritte beinhaltende Zyklus wiederholt wird. In diesem Fall reagiert das Stickstoff-Reinigungsgas niemals mit dem Depositionsgas, wenn die Plasmaleistungszufuhr aus ist, so dass überhaupt keine Partikel erzeugt werden.
  • Wie oben beschrieben versteht es sich, dass um das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Zufuhren von Reaktionsgasen schnell gewechselt werden sollten, richtig durchzuführen, der Reaktor der vorliegenden Erfindung, welcher die Gasflusssteuerplatte aufweist, sehr nützlich ist.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie oben beschrieben können gemäß dem Reaktor der vorliegenden Erfindung auf Grund eines Wechselns von Gaszufuhren mit einer hohen Geschwindigkeit bei einem chemischen Abscheidungsprozess, bei welchem Reaktionsgase diskontinuierlich oder sequentiell einem Substrat zugeführt werden, die Abscheidungsraten verbessert werden.
  • Außerdem kann, da die Zufuhr und Abfuhr von Reaktionsgasen über einem Halbleitersubstrat durchgeführt werden, die Stellfläche einer chemischen Abscheidungsvorrichtung in einem Halbleiterreinraum reduziert werden, was die Wartungskosten der Vorrichtung reduziert.
  • Außerdem wird keine Schicht auf einem Umfang eines Halbleitersubstrats ausgebildet, was ein Partikelkontaminationsproblem bei nachfolgenden Prozessen vermeidet.
  • Durch Plasmaerzeugung kann darüber hinaus der Reaktor einfach gereinigt werden und Reaktionsgase können einfach aktiviert werden.
  • Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann eine Schicht effektiv ausgebildet werden, selbst wenn Recktanten bei einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren mit zeitgeteilter Quellenzufuhr nicht leicht reagieren.
  • Außerdem kann die Zufuhrzeit eines Reinigungsgases in einem Gaszufuhrzyklus minimiert werden, um die Zykluszeit bei einer chemischen Dampfabscheidung mit zeitgeteilter Quellenzufuhr zu reduzieren, was die Gesamtprozesszeit reduziert.
  • Außerdem kann eine Partikelkontamination der Vorrichtung am Auslassteil einer Vorrichtung für eine chemische Dampfabscheidung mit zeitgeteilter Quellenzufuhr reduziert werden.

Claims (13)

  1. Reaktor einer chemischen Abscheidungsvorrichtung, wobei der Reaktor umfasst: eine Reaktorabdeckung (100), welche einen Einlass (110) und einen Auslass (120) für Reaktionsgase aufweist, um die Reaktionsgase von einem anderen Teil des Reaktors abzuhalten, wo der Druck niedriger ist als innerhalb des Reaktors; eine Gasflusssteuerplatte (140) mit einem hervorstehenden Abschnitt, wobei der hervorstehende Abschnitt an der Reaktorabdeckung befestigt ist, um den Gasfluss durch den Einlass (110) und Auslass (120) durch den Abstand zwischen ihr selbst (140) und der Reaktorabdeckung (100) zu steuern; und eine Substrathalterungsplatte (160), welche im Kontakt mit der Reaktorabdeckung ist, um mit der Reaktorabdeckung (100) eine Reaktionszelle einzugrenzen.
  2. Reaktor nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend eine Leckvermeidungsgaspassage (180), welche entlang des Kontaktabschnitts zwischen der Reaktorabdeckung (100) und der Substrathalterungsplatte (160) angeordnet ist, um ein Entweichen von Reaktionsgasen aus der Reaktionszelle zu vermeiden.
  3. Reaktor nach Anspruch 1, wobei die gegenüberliegenden Flächen der Gasflusssteuerplatte (140) und der Reaktorabdeckung (100) mit Ausnahme des hervorstehenden Abschnitts im Wesentlichen parallel zueinander sind.
  4. Reaktor nach Anspruch 1, wobei die Reaktorabdeckung (100) darüber hinaus Vorsprungmittel (190) umfasst, welche den Umfang des Substrats (150) bedecken, so dass die Reak tionsgase nicht in Kontakt mit dem Umfang des Substrats kommen können.
  5. Reaktor nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend einen Abdeckungsheizer (130) zum Steuern der Temperatur der Reaktorabdeckung (100).
  6. Reaktor nach Anspruch 1, wobei eine Plasmaelektrode an der Reaktorabdeckung (100) angeordnet ist, um die Reaktionsgase in der Reaktionszelle zu aktivieren.
  7. Reaktor nach Anspruch 1, wobei eine Plasmaelektrode an der Gasflusssteuerplatte (140) angeordnet ist, um die Reaktionsgase in der Reaktionszelle zu aktivieren.
  8. Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht unter Verwendung eines Reaktors einer chemischen Abscheidungsvorrichtung, welche umfasst: eine Reaktorabdeckung (100), welche einen Einlass (110) und einen Auslass (120) für Reaktionsgase aufweist, um die Reaktionsgase von einem anderen Teil des Reaktors abzuhalten, wo der Druck niedriger ist als innerhalb des Reaktors; eine Gasflusssteuerplatte (140) mit einem hervorstehenden Abschnitt, deren Vorsprung (190) an der Reaktorabdeckung (100) befestigt ist, um den Gasfluss durch den Einlass (110) und Auslass (120) durch den Abstand zwischen ihr selbst und der Reaktorabdeckung (100) zu steuern; eine Substrathalterungsplatte (160), welche mit der Reaktorabdeckung (100) im Kontakt ist, um mit der Reaktorabdeckung eine Reaktionszelle einzugrenzen, und eine Plasmaelektrode, welche an der Reaktorabdeckung (100) oder der Gasflusssteuerplatte (160) angeordnet ist, um die Reaktionsgase in der Reaktionszelle zu aktivieren, wobei das Vefahren die Schritte umfasst: Positionieren eines Substrats (150) innerhalb des Reaktors; Vorbereiten von Prozessgasen, einschließlich eines Depositionsgases, welches eine Schicht ausbildet, wenn es thermisch zersetzt wird, sich jedoch bei der Prozesstemperatur nicht thermisch zersetzt, eines Reaktionsgases, welches sich bei der Prozesstemperatur nicht spontan thermisch zersetzt oder bei einer thermischen Selbstzersetzung keine Schicht ausbildet, und eines Reinigungsgases, um eine chemische Reaktion zwischen dem Depositionsgas und dem Reaktionsgas zu vermeiden; und Zuführen der Prozessgase in den Reaktor, indem ein Zyklus einer zeitgeteilten Kombination des Depositionsgases, Reaktionsgases und Reinigungsgases wiederholt wird, wobei auf dem Substrat synchron mit wenigstens einer Zufuhr der Prozessgase in dem Zyklus ein Plasma erzeugt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Plasma synchron mit der Zufuhr der Reaktionsgase erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Reinigungsgas Aufbauelemente des Schichtmaterials enthält bzw. das Reaktionsgas andere Aufbauelemente des Schichtmaterials enthält; wobei das Reinigungsgas im Wesentlichen nicht mit dem Reaktionsgas reagiert; und wobei das Plasma synchron mit der Zufuhr des Reinigungsgases erzeugt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, darüber hinaus umfassend den Schritt einer Wärmebehandlung der Dünnschicht nach der Dünnschichtausbildung.
  12. Verfahren zur Ausbildung einer Dünnschicht unter Verwendung eines Reaktors einer chemischen Abscheidungsvorrichtung, welche umfasst: eine Reaktorabdeckung (100), wel che einen Einlass (110) und einen Auslass (120) für Reaktionsgase aufweist, um die Reaktionsgase von einem anderen Teil des Reaktors abzuhalten, wo der Druck niedriger ist als innerhalb des Reaktors; eine Gasflusssteuerplatte (160) mit einem hervorstehenden Abschnitt, deren Vorsprung (190) an der Reaktorabdeckung (100) befestigt ist, um den Gasfluss durch den Einlass (110) und Auslass (120) durch den Abstand zwischen ihr selbst und der Reaktorabdeckung (100) zu steuern; eine Substrathalterungsplatte (160), welche im Kontakt mit der Reaktorabdeckung (100) ist, um mit der Reaktorabdeckung eine Reaktionszelle einzugrenzen, und eine Plasmaelektrode, welche an der Reaktorabdeckung (100) oder der Gasflusssteuerplatte (160) angeordnet ist, um die Reaktionsgase in der Reaktionszelle zu aktivieren, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Positionieren eines Substrats (150) innerhalb des Reaktors; Vorbereiten von Prozessgasen, einschließlich eines Depositionsgases, welches eine Schicht ausbildet, wenn es thermisch zersetzt wird, sich jedoch bei der Prozesstemperatur nicht thermisch zersetzt, eines Reinigungsgases zum Ausstoßen des Depositionsgases aus dem Reaktor, wobei das Reinigungsgas Aufbauelemente des Schichtmaterials enthält und im nicht aktivierten Zustand im Wesentlichen nicht mit dem Depositionsgas reagiert; und Zuführen der Prozessgase in den Reaktor, indem ein Zyklus einer zeitgeteilten Kombination des Depositionsgases und Reinigungsgases wiederholt wird, um das Depositionsgas mit dem Reinigungsgas reagieren zu lassen, wobei auf dem Substrat synchron mit wenigstens einer Zufuhr des Reinigungsgases in dem Zyklus ein Plasma erzeugt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, darüber hinaus umfassend den Schritt einer Wärmebehandlung der Dünnschicht nach der Dünnschichtausbildung.
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