DE60129380T2

DE60129380T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Auftragen einer Dünnschicht auf einen Wafer durch Abscheidung von atomaren Schichten

Info

Publication number: DE60129380T2
Application number: DE60129380T
Authority: DE
Inventors: Pyungtaek-Si Young-Hoon Park
Original assignee: IPS Ltd
Current assignee: IPS Ltd
Priority date: 2000-06-24
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: TW531796B; KR20020001073A; EP1167569A1; ATE367458T1; KR100332313B1; DE60129380D1; US6573184B2; US20020094689A1; US20020052097A1; JP2002069651A; EP1167569B1; US6579372B2; SG90250A1; JP3631984B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Depositionsvorrichtung zur Atomschicht-Deposition (ALD) zur Deposition einer Dünnschicht auf einem Halbleiter, zum Beispiel ein Halbleiter-Wafer, sowie ein Verfahren hierfür.
Durch eine Dünnschicht-Depositionsvorrichtung wird eine vorbestimmte Dünnschicht auf einem Wafer durch Zuführen von Reaktionsgasen zum Wafer gebildet, der in einem Reaktor angeordnet ist. Diese Dünnschicht-Depositionsvorrichtung beinhaltet eine Dünnschicht-Depositionsvorrichtung zur chemischen Dampf-Deposition (CVD), eine Dünnschicht-Depositionsvorrichtung zur Atomschicht-Epitaxy (ALE) sowie andere und wurde auf verschiedenen Gebieten zur Herstellung von Halbleiter-Vorrichtungen angewendet.
Dünnschicht-Depositionsvorrichtungen wurden fortlaufend verbessert, um einen hochintegrierten Chip herzustellen und die Effizienz von Management und Produktivität zu erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung sowie ein Verfahren hierfür zur Verfügung zu stellen, wodurch eine Dünnschicht mit sehr guten elektrischen Eigenschaften, einer hohen Reinheit, in der Verunreinigungen soweit wie möglich beseitigt sind, und eine sehr gute Stufenabdeckung gebildet werden kann, und wodurch die Effizienz und Produktivität der Handhabung verbessert werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung mit einer Auslassleitung zur kontinuierlichen Beibehaltung eines gewünschten Prozessdrucks vor und nach der Deposition einer Dünnschicht, und das Pumpen eines Reaktor, und ein Verfahren zur Deposition zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung der obigen Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung eine Dünnschicht-Depositionsvorrichtung zur Atomschicht-Deposition (ALD) zur Verfügung, mit: einem Reaktor 100, in dem ein Wafer montiert und eine Dünnschicht auf dem Wafer aufgebracht werden kann; einem ersten Reaktionsgas-Zuführbereich 210 zum Zuführen eines ersten Reaktionsgases zu dem Reaktor 100; einem zweiten Reaktionsgas-Zuführbereich 230 zum Zuführen eines zweiten Reaktionsgases zu dem Reaktor 100; einer ersten Reaktionsgas-Zuführleitung 220 zum Verbinden des ersten Reaktionsgas-Zuführbereichs 210 mit dem Reaktor 100; einer zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240 zum Verbinden des zweiten Reaktionsgas-Zuführbereichs 230 mit dem Reaktor 100; einer ersten Inertgas-Zuführleitung 260 zum Zuführen eines Inertgases von einer Inertgas-Zuführquelle 250 zu der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung 220 zum Bilden eines ersten Mischgases; einer zweiten Inertgas-Zuführleitung 270 zum Zuführen des Inertgases von der Inertgas-Zuführquelle 250 zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240 zum Bilden eines zweiten Mischgases; einer Auslassleitung 400 zum Ausstoßen des Gases aus dem Reaktor 100; einer Einrichtung zum Zuführen des ersten Mischgases zu einer oberen Fläche eines Wafers, der in dem Reaktor montiert ist; und einer Einrichtung zum Zuführen des zweiten Mischgases in Richtung auf die Kanten des Wafers.
Zur Lösung der obigen Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur ALD-Dünnschicht-Deposition unter Verwendung einer ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung zur Verfügung, die einen Reaktor 100, in dem ein Wafer montiert ist und eine Dünnschicht auf den Wafer aufgebracht wird, einen ersten Reaktionsgas-Zuführbereich 210 zum Zuführen eines ersten Reaktionsgases zu dem Reaktor 100, eine erste Reaktionsgas-Zuführleitung 220 zum Verbinden des ersten Reaktionsgas-Zuführbereichs 210 mit dem Reaktor 100, einen zweiten Reaktionsgas-Zuführbereich 230 zum Zuführen eines zweiten Reaktionsgases zu dem Reaktor 100, eine zweite Reaktionsgas-Zuführleitung 240 zum Verbinden des zweiten Reaktionsgas-Zuführbereichs 230 mit dem Reaktor 100, eine erste Inertgas-Zuführleitung 260 zum Zuführen eines Inertgases, dessen Strömung gesteuert wurde, zu der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung 220, eine zweite Inertgas-Zuführleitung 270 zum Zuführen eines Inertgases, dessen Strömung gesteuert wurde, zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240, und eine Auslassleitung 400 aufweist, um das Gas in dem Reaktor 100 nach außen auszustoßen. Bei diesem Verfahren werden ein erstes Reaktionsgas, dessen Strömung gesteuert wurde, und das strömungsgesteuerte Inertgas gemischt und der oberen Fläche des Wafers in dem Reaktor 100 zugeführt. Ferner werden ein zweites Reaktionsgas, dessen Strömung gesteuert wurde, und das strömungsgesteuerte Inertgas gemischt und den Kanten des Wafers in dem Reaktor 100 zugeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlicher, in denen:
1 eine schematische Darstellung von einer Dünnschicht-Depositionsvorrichtung zur Atomschicht-Deposition (ALD) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Explosionsansicht von einem Reaktor in der ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung aus 1 ist;
3 eine perspektivische Explosionsansicht von einer Duschkopfplatte und einer Diffusionsplatte in dem Reaktor aus 2 ist;
4 eine Querschnittsansicht von dem Reaktor aus 2 ist;
5 eine vergrößerte Querschnittsansicht der ersten Mischeinheit des Reaktors aus 4 ist;
6 eine Grafik ist, die die Beziehung zwischen einem Intervall (D) und einem spezifischen Widerstand ist, während eine Dünnschicht aufgebracht wird;
7 einen Reaktor kombiniert mit einem Transfer-Modul durch ein VAT-Ventil zeigt;
8 eine Querschnittsansicht von einer ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und
9 eine Querschnittsansicht von einer ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt eine Dünnschicht-Depositionsvorrichtung zur Atomschicht-Deposition (ALD), mit Hilfe derer eine TiN- oder eine TaN-Dünnschicht auf einen Wafer aufgebracht werden kann. Die Deposition einer TiN-Dünnschicht wird nun als ein Beispiel beschrieben. Um eine TiN-Dünnschicht zu bilden, wird TiCl₄ als ein erstes Reaktionsgas verwendet, NH₃ wird als ein zweites Reaktionsgas verwendet, und Ar wird als ein Inertgas verwendet.
Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet eine ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung einen Reaktor 100 zur Aufnahme eines Wafers und zur Deposition einer Dünnschicht auf den Wafer, einen Gas-Jungle (dieser Begriff wird vom Erfinder verwendet, um kompliziert verbundene Gasleitungen zu beschreiben), um ein Reaktionsgas zu dem Reaktor 100 zu leiten, und eine Auslassleitung 400, um das Gas in dem Reaktor 100 zur Außenseite auszustoßen.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht von einem Reaktor in der ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung aus 1. 3 ist eine perspektivische Explosions ansicht von dem Reaktor aus 2, in der eine Duschkopfplatte von einer Diffusionsplatte getrennt ist. 4 ist eine Querschnittsansicht von dem Reaktor aus 2, und 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der ersten Mischeinheit des Reaktors aus 4.
Unter Bezugnahme auf 2, 3, 4 und 5 beinhaltet der Reaktor 100 eine Reaktorblock 110, auf dem ein Wafer angeordnet ist, eine Duschkopfplatte 120, die unter Verwendung von Gelenken 128 und 129 mit dem Reaktorblock 110 gekoppelt ist, eine Diffusionsplatte 130, die an der Duschkopfplatte 120 installiert ist, um ein Reaktionsgas und/oder ein Inertgas zu versprühen, und einen Wafer-Block 140, der in dem Reaktorblock 110 installiert ist, auf dem ein Wafer angeordnet ist.
Eine erste und eine zweite Verbindungsleitung 121 und 122 sind an der Duschkopfplatte 120 installiert und mit einem ersten und einem zweiten Verbindungsrohr 111 und 112 verbunden, was später beschrieben wird.
Das erste und zweite Verbindungsrohr 111 und 112 sind an dem Reaktorblock 110 installiert und mit der ersten bzw. zweiten Verbindungsleitung 121 und 122 über einen Verbindungsbereich 113 verbunden. Ein O-Ring 113a ist an dem Verbindungsbereich 113 installiert und verbindet das erste und zweite Verbindungsrohr 111 und 112 mit der ersten und zweiten Verbindungsleitung 121 und 122, so dass sie abgedichtet sind, wenn die Duschkopfplatte 120 den Reaktionsblock 110 überdeckt. Wenn die Duschkopfplatte 120 gedreht und von dem Reaktorblock 110 getrennt wird, dann werden das erste und zweite Verbindungsrohr 111 und 112 von der ersten und zweiten Verbindungsleitung 121 und 122 getrennt.
Zumindest zwei Auslasslöcher 117 und 118 zum Ausstoßen von eingeleiteten Inertgasen und/oder Reaktionsgasen sind symmetrisch zueinander an der Unterseite des Reaktionsblocks 110 ausgebildet. Ein Haupt-O-Ring 114 ist an der oberen Fläche des Reaktorblocks 110 installiert, so dass der Reaktorblock 110 und die Duschkopfplatte 120 sicher abgedichtet sind, wenn die Duschkopfplatte 120 abgedeckt ist.
Die Duschkopfplatte 120 überdeckt den Reaktionsblock 110, so dass ein vorbestimmter Druck in dem Reaktionsblock 110 konstant beibehalten wird. Ferner überdeckt die Duschkopfplatte 120 den Reaktorblock 110, so dass die Diffusionsplatte 130 in dem Reaktionsblock 110 angeordnet ist.
Die Diffusionsplatte 130, die während eines Dünnschicht-Depositionsprozesses ein Gas versprüht, weist eine Vielzahl von Sprühlöchern 131, die mit der ersten Verbindungsleitung 121 verbunden sind und ein erstes Reaktionsgas und/oder Inertgas auf den Werfer w sprühen, und eine Vielzahl von Düsen 133 auf, die mit einem Durchgang 132 verbunden sind, der zu der zweiten Verbindungsleitung 122 führt, und der inneren Seitenfläche des Reaktorblocks 110 zugewandt sind, um ein zweites Reaktionsgas und/oder Inertgas auf die Kanten des Werfers W zu sprühen.
Ein erster Mischbereich 134 zum gleichmäßigen Mischen eines ersten Reaktionsgases und eines Inertgases und zum Leiten der Mischung zu dem Sprühloch 131 ist in der Mitte der Innenseite der Diffusionsplatte 130 ausgebildet, wie in
4 und 5 gezeigt ist. Das erste Reaktionsgas und das Inertgas, die über die Verbindungsleitung 121 strömen, werden verwirbelt und vermischt sowie anschließend diffundiert und ungleichmäßig über alle Sprühlöcher 131 auf den Wafer gesprüht.
Sprühlöcher 131 sind nicht unter dem ersten Mischbereich 134 in der Diffusionsplatte 130 ausgebildet, wie in 3 und 5 gezeigt. Vorzugsweise ist das gesamte Gebiet der Diffusionsplatte 130, das die Sprühlöcher 131 aufweist, größer als das Gebiet des Wafers w, so dass ein Gas gleichmäßig über die gesamte Fläche des Wafers gesprüht werden kann.
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Sprühlöcher 131 zwischen 1 mm und 2,5 mm. Dieser Durchmesser, der durch verschiedene Experimente erhalten wurde, ermöglicht es, dass eine sehr gute Dünnschicht auf dem Wafer w ausgebildet wird. Außerdem beträgt die Anzahl an Sprühlöchern 131 etwa 100 bis 1000, und zwar entsprechend ihrem Durchmesser. In diesem Ausführungsbeispiel sind mehr als 160 Sprühlöcher ausgebildet. Der Querschnitt der Diffusionsplatte 130 zwischen den Sprühlöchern 131 hat die Form eines umgedrehten T, so dass die thermische Energie von dem Wafer-Block 140 gleichmäßig zur Duschkopfplatte 120 übertragen wird, um zu verhindern, dass die Diffusionsplatte 130 überhitzt wird.
Die Düsen 133 führen zu den Durchgängen 131, die in radialer Richtung von einem zweiten Mischbereich 135 ausgebildet sind, und sind in Richtung auf die innere Seitenfläche des Reaktorblocks 110 geneigt, wie in 4 gezeigt ist. Vorzugsweise sind 30-100 Düsen 133 vorgesehen.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind 48 Düsen ausgebildet.
Der zweite Mischbereich 135 zum gleichmäßigen Mischen eines zweiten Reaktionsgases und eines Inertgases ist zwischen der zweiten Verbindungsleitung 122 und der Duschkopfplatte 120 ausgebildet, wie in 4 gezeigt ist. Der zweite Mischbereich 135 hat eine Struktur, in der ein Loch 135b durch eine Partition 135a gebildet ist.
Der Wafer-Block 140, auf dem der Wafer w angeordnet ist, ist in dem Reaktorblock 110 installiert. Eine Heizeinrichtung H ist in dem Wafer-Block 140 installiert, um den Wafer-Block 140 während der Deposition auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen und bei dieser beizubehalten.
Das Intervall (D) zwischen der Diffusionsplatte 130 und dem Wafer-Block 140 liegt in dem Bereich von 20 mm bis 50 mm. Unter Bezugnahme auf 6, die eine Grafik ist, die das Intervall (B) und einen spezifischen Widerstand während der Deposition einer Dünnschicht zeigt, kann gesehen werden, dass der spezifische Widerstand am geringsten ist, wenn das Intervall (D) zwischen der Diffusionsplatte 130 und dem Wafer-Block 140 etwa 30 mm beträgt. Unter anderen Bedingungen jedoch, wenn zum Beispiel Arten und Mengen des ersten und zweiten Reaktionsgases, Temperatur eines Wafer-Blocks oder ähnliches geändert wurden, waren spezifische Widerstandswerte in dem Intervall D in einem Bereich von etwa 20 bis 50 mm gering, und es kann gefolgert werden, dass das Intervall D eine wichtige strukturelle Eigenschaft hinsichtlich der Ausbildung einer sehr guten Dünnschicht hat.
Das Intervall in diesem Bereich wird mit einem herkömmlichen Reaktor zur chemischen Dampfdeposition (CVD) verglichen, in dem das Intervall zwischen einer Diffraktionsplatte zu der ein Reaktionsgas gesprüht wird, und einem Wafer-Block, auf dem ein Wafer angeordnet ist, etwa 50 bis 100 mm beträgt. Bei der vorliegenden Erfindung, da das Intervall D kleiner ist als beim Stand der Technik, wird eine dichte erste Reaktionsgasschicht auf einem Wafer w durch den Druck eines ersten Reaktionsgases und/oder Inertgases gebildet, das von den Sprühlöchern 131 versprüht wird. Die erste Reaktionsgasschicht reagiert mit einem zweiten Reaktionsgas, das später strömt, so dass eine erste Dünnschicht gebildet werden kann, die eine höhere Reinheit und sehr gute elektrische Eigenschaften hat.
Eine Pumpplatte 150 ist um den Wafer-Block 140 herum installiert. Die Pumpplatte 150 ist durch eine Seitenwand 150a, die an der Seitenfläche des Wafer-Blocks 140 vorgesehen ist, und durch eine Bodenwand 150d gebildet, durch die symmetrische Löcher 150c gebildet sind. Ein Donut-förmiger Pumpbecher 115, der mit einer Auslassleitung verbunden ist, ist unter der Bodenwand 150b der Pumpplatte 150 gebildet, dass heißt, an der Unterseite des Reaktorblocks 110.
Durch die Seitenwand 150a und die Bodenwand 150b der Pumpplatte 150 wird ein Raum zur Verfügung gestellt, in dem ein zweites Reaktionsgas und/oder Inertgas, das auf die innere Seitenfläche des Reaktorblocks 110 gesprüht wird, gleichmäßiger mit der ersten Reaktionsgasschicht reagieren kann, die auf dem Wafer w ausgebildet ist. Ein Prozessprodukt, das während der Deposition der Dünnschicht erzeugt wird, und Gase, die während der Deposition einer Dünnschicht nicht benötigt werden, entweichen durch das Loch 150c. Diese Gase strömen durch die Auslasslöcher 117 und 118 und werden über den Pumpbecher 115 ausgestoßen.
Wenn eine Dünnschicht aufgebracht wird, muss der Druck in einem Reaktor bei 1 bis 10 Torr gehalten werden. Um diesen Druck zu beobachten und zu steuern, muss in dem Reaktor ein Druckmessbereich 160 installiert sein.
Der Reaktor 100 hat Heizeinrichtungen (H), die innen und außen ausgebildet sind, um den Reaktor zu erhitzen, wenn eine Dünnschicht aufgebracht wird. Wenn in diesem Ausführungsbeispiel eine TiN-Dünnschicht aufgebracht wird, muss die Temperatur der inneren Fläche des Reaktorblocks 110 bei etwa 120 bis 200°C gehalten werden, und die Temperatur der Diffusionsplatte 130 muss bei etwa 150 bis 260°C gehalten werden. Außerdem muss der Wafer-Block 140 bei einer Temperatur von etwa 425 bis 650°C gehalten werden, und die Pumpplatte 150 muss bei einer Temperatur von etwa 150 bis 230°C gehalten werden. Die Temperatur eines VAT-Ventils 101 zwischen dem Reaktor 100 und dem Transfer-Modul 102 zum Zuführen und Transportieren eines Wafers w muss bei etwa 140 bis 170°C gehalten werden.
In dem Reaktor 100, und zwar in einem Zustand, in dem der Wafer w, der über die Wafer-Transportöffnung 116 transportiert wird, auf den Wafer-Block 140 gesetzt und auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, wird ein erstes Reaktionsgas und/oder Inertgas auf den Wafer w gesprüht, und zwar durch die Sprühlöcher 131 der Diffusionsplatte 130 entlang eines Weges von dem ersten Verbindungsrohr 111 zu der ersten Verbindungsleitung 121, und ein zweites Reaktionsgas und/oder Inertgas wird auf die Kanten des Wafers w gesprüht, und zwar durch die Düsen 133 entlang eines Weges von dem zweiten Verbindungsrohr 112 zu der zweiten Verbindungsleitung 122 und zu dem Durchgang 132. Das erste und das zweite Reaktionsgas werden verwendet, um eine Dünnschicht auf dem Wafer w auszubilden, und Prozessprodukte oder Gase, die für die Deposition einer Dünnschicht nicht benötigt werden, werden durch die Auslasslöcher 117 und 118 sowie den Pumpbecher 115 nach außen ausgestoßen.
Wie in 1 gezeigt, beinhaltet der Gas-Jungle einen ersten Reaktionsgas-Zuführbereich 210 zum Zuführen eines Reaktionsgases zu dem Reaktor 100 und einen zweiten Reaktionsgas-Zuführbereich 230 zum Zuführen eines zweiten Reaktionsgases zu dem Reaktor 100.
Der erste Reaktionsgas-Zuführbereich 210 ist mit dem Reaktor 100 über eine erste Reaktionsgas-Zuführleitung 220 verbunden, und der zweite Reaktionsgas-Zuführbereich 230 ist über eine zweite Reaktionsgas-Zuführleitung 240 mit dem Reaktor 100 verbunden.
Eine erste Inertgas-Zuführleitung 260, durch die ein Inertgas strömt, das von der Inertgas-Zuführquelle 250 zugeführt wird, ist mit der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung 220 verbunden, und eine zweite Inertgas-Zuführleitung 270, durch die ein Inertgas strömt, das von der Inertgas-Zuführquelle 250 zugeführt wird, ist mit der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240 verbunden.
Der erste Reaktionsgas-Zuführbereich 210 beinhaltet einen Rührer 211 zum Vergasen eines ersten Reaktions materials, eine erste Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung (MFC) 212 zum Steuern der Strömung eines ersten Reaktionsgases, das von dem Rührer 211 zugeführt wird, sowie ein erstes und ein zweites Ventil V1 und V2, die an der Leitung zwischen dem Rührer 211 und der ersten Reaktionsgas-MFC 212 installiert sind, um die Strömung eines ersten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren.
Ein drittes Ventil V3, und die Strömung des ersten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die erste Reaktionsgas-MFC 212 gesteuert wird, ist an der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung 220 installiert.
Der zweite Reaktionsgas-Zuführbereich 230 beinhaltet ein viertes Ventil V4, um die Strömung eines zweiten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, und eine zweite Reaktionsgas-MFC 232, um die Strömung eines zweiten Reaktionsgases zu steuern, das durch das vierte Ventil V4 geleitet wird. Ein fünftes Ventil V5, um die Strömung eines zweiten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die zweite Reaktionsgas-MFC 232 gesteuert wird, ist an der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240 installiert.
Ein sechstes Ventil V6, um die Strömung eines zugeführten Inertgases zu ermöglichen oder zu blockieren, eine erste Inertgas-MFC 262, um die Strömung eines Inertgases zu steuern, das durch das sechste Ventil V6 geleitet wird, und ein siebtes Ventil V7, um die Strömung eines Inertgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die zweite Inertgas-MFC 262 gesteuert wird, sind an der ersten Inertgas-Zuführleitung 260 installiert.
Ein achtes Ventil V8, um die Strömung eines zugeführten Inertgases zu ermöglichen oder zu blockieren, eine zweite Inertgas-MFC 272, um die Strömung eines Inertgases zu steuern, das durch das achte Ventil V8 geleitet wird, und ein neuntes Ventil V9, um die Strömung eines Inertgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die zweite Inertgas-MFC 272 gesteuert wird, sind an der zweiten Inertgas-Zuführleitung 270 installiert.
Hier beinhaltet der Gas-Jungle eine erste Bypass-Leitung 280, um zu ermöglichen, dass ein erstes Reaktionsgas und/oder Inertgas, direkt zu der Auslassleitung 400 strömt, ohne durch den Reaktor 100 geleitet zu werden, und eine zweite Bypass-Leitung 290, um zu ermöglichen, dass ein zweites Reaktionsgas und/oder Inertgas direkt zu der Auslassleitung 400 strömt, ohne durch den Reaktor 100 geleitet zu werden.
Die erste Bypass-Leitung 280 hat ein zehntes Ventil V10, das mit der Leitung zwischen der ersten Reaktionsgas-MFC 212 und dem dritten Ventil V3 verbunden ist, um die Strömung eines ersten Reaktionsgases zu der Auslassleitung 400 zu ermöglichen oder zu blockieren, und ein elftes Ventil V11, das mit der Leitung zwischen der ersten Inertgas-MFC 262 und dem siebten Ventil V7 verbunden ist, um die Strömung eines Inertgases zu der Auslassleitung 400 zu ermöglichen oder zu blockieren.
Die zweite Bypass-Leitung 290 hat ein zwölftes Ventil V12, das mit der Leitung zwischen der zweiten Reaktionsgas-MFC 232 und dem fünften Ventil V5 verbunden ist, um die Strömung eines zweiten Reaktionsgases zu der Auslassleitung 400 zu ermöglichen oder zu blockieren, und ein dreizehntes Ventil V13, das mit der Leitung zwischen der zweiten Inertgas-MFC 272 und dem neunten Ventil V9 verbunden ist, um die Strömung eines Inertgases zu der Auslassleitung 400 zu ermöglichen oder zu blockieren.
Die erste und die zweite Bypass-Leitung 280 und 290 sind ausgestaltet, um die Leitungen in dem Gas-Jungle auszublasen, wenn eine geringe Menge an Gas, das eingeströmt ist, während ein Material von einem ersten oder zweiten Reaktionsgas oder einem Inertgas ausgetauscht wird, direkt zu der Auslassleitung 400 strömen muss, ohne durch den Reaktor 100 geleitet zu werden, wenn eine kontaminierende Quelle in den Leitungen erzeugt wird oder wenn ein neuer Gas-Jungle ausgetauscht wird.
Wie vorstehend beschrieben, werden erste und zweite Reaktionsgase, Luft oder kontaminierende Quellen, die in den Leitungen verbleiben, über die erste und die zweite Bypass-Leitung 280 und 290 durch ein Inertgas direkt zu der Auslassleitung 400 ausgestoßen, so dass eine Kontaminierung des Reaktors 100 verhindert werden kann. Daher werden die erste und die zweite Bypass-Leitung 280 und 290 bei den Prozessen zur Deposition einer Dünnschicht nicht verwendet, sondern nur in speziellen Fällen verwendet.
Der Gas-Jungle beinhaltet ferner eine separate Inertgas-Zuführleitung 320, um ein Inertgas von der Inertgas-Zuführquelle 310 zuzuführen, um Gase und/oder kontaminierende Quellen auszustoßen, die in den Leitungen verbleiben. Die Inertgas-Zuführleitung 320 ist mit dem ersten und dem zweiten Reaktionsgas-Zuführbereich 210 und 230, der ersten und der zweiten Inertgas-Zuführleitung 260 und 270, der ersten und der zweiten Bypass-Leitung 280 und 290 sowie der Auslassleitung 400 verbunden. Die Inertgas-Zuführleitung 320 ist mit Gasleitungen verbunden, die grundsätzlich für einen Prozess erforderlich sind, und zwar über ein vierzehntes Ventil V14, um die Strömung eines Inertgases zu dem ersten Reaktionsgas-Zuführbereich 210 zu ermöglichen oder zu blockieren, ein fünfzehntes Ventil V15, um die Strömung eines Inertgases zu dem zweiten Reaktionsgas-Zuführbereich 230 zu ermöglichen oder zu blockieren, ein sechzehntes Ventil V16, um die Strömung eines Inertgases zu der ersten Inertgas-Zuführleitung 260 zu ermöglichen oder zu blockieren, ein siebzehntes Ventil V17, um die Strömung eines Inertgases zu der zweiten Inertgas-Zuführleitung 270 zu ermöglichen oder zu blockieren, ein achtzehntes Ventil V18, um die Strömung eines Inertgases zu der ersten Bypass-Leitung 290 zu ermöglichen oder zu blockieren, und ein neunzehntes Ventil V19, um die Strömung eines Inertgases zu der zweiten Bypass-Leitung 290 zu ermöglichen oder zu blockieren.
Der Gas-Jungle beinhaltet ferner eine Reinigungsgas-Zuführleitung 340, die mit mindestens einer von der ersten und der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 220 und 240 verbunden ist, um den Reaktor 100 zu reinigen. In diesem Ausführungsbeispiel ermöglicht es die Reinigungsgas-Zuführleitung 340, dass ein Reinigungsgas von dem Reinigungsgas-Zuführbereich 330 über die erste Reaktionsgas-Zuführleitung 220 zu dem Reaktor 100 strömt.
Die Reinigungsgas-Zuführleitung 340 beinhaltet ein einundzwanzigstes Ventil V21, um die Strömung eines zugeführten Reinigungsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, eine Reinigungsgas-MFC 342, um die Strömung eines Reinigungs gases zu steuern, das durch das einundzwanzigste Ventil V21 geleitet wird, und ein zweiundzwanzigstes V22, um die Strömung eines Reinigungsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die Reinigungsgas-MFC 342 gesteuert wird.
Der Reaktor 100, die erste und die zweite Bypass-Leitung 280 und 290 sowie die Reinigungsgas-Zuführleitung 340 sind mit der Auslassleitung 400 verbunden. Eine Drosselklappe TV, die durch den Innendruck des Reaktors 100 gesteuert wird, gemessen durch den Druckmessbereich 190, um die Menge an ausgestoßenem Gas zu steuern, ist an der Auslassleitung 400 installiert. Ferner sind ein dreiundzwanzigstes, ein vierundzwanzigstes und ein fünfundzwanzigstes Ventil V23, V24 und V25, um die Strömung eines ausgestoßenen Gases zu ermöglichen oder zu blockieren, an der Auslassleitung 400 installiert. Hier ist die erste Bypass-Leitung 280 mit der Leitung zwischen dem dreiundzwanzigsten und dem vierundzwanzigsten Ventil V23 und V24 verbunden, und die zweite Bypass-Leitung 290 ist mit der Leitung zwischen dem fünfundzwanzigsten Ventil V25 und der Auslasspumpe 410 verbunden.
In diesem Gas-Jungle kann ein kalter Punkt in Folge unerwünschter Kondensation entstehen, wenn ein Reaktionsgas strömt. Da ein kalter Punkt den Prozess zur Deposition einer Dünnschicht negativ beeinflusst, sind Heizeinrichtungen (nicht gezeigt), um die Entstehung eines kalten Punktes zu verhindern, an den Leitungen installiert. Vorzugsweise sind die Heizeinrichtungen unabhängig installiert, und zwar an so vielen Bereichen entlang der Leitungen wie möglich, und ein Temperaturgradient wird entlang jeder Leitung gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Temperaturgradient in einem Bereich von 40 bis 200°C in Richtung auf den Reaktor 100 gebildet.
Bei Betrieb des ersten Ausführungsbeispiels bei einer ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung, die eine solche Struktur hat, wird TiCl₄ als ein erstes Reaktionsgas verwendet, NH₃ wird als ein zweites Reaktionsgas verwendet, und Ar wird als ein Inertgas verwendet. Daher ist flüssiges TiCl₄ in dem Rührer 211 enthalten.
Der Reaktor 100 ist mit einem Transfer-Modul 102 kombiniert, um einen Wafer w zuzuführen und zu transportieren, und zwar über ein VAT-Ventil 101, wie in 7 gezeigt. Der Wafer w wird über eine Wafer-Transportöffnung 116 in den Reaktor 100 transportiert, und zwar unter Verwendung eines Roboterarms (nicht gezeigt) des Transfer-Moduls 102, und auf den Wafer-Block 140 gesetzt.
Wenn der Wafer w auf den Wafer-Block 140 gesetzt ist, dann wird die Temperatur des Wafer-Blocks 140 in einem Bereich von 425 bis 650°C erhöht, so dass die Temperatur des Wafers w auf 400 bis 600°C erhöht wird. Nachdem die Wafer-Temperatur stabilisiert ist, wird der Schritt des Einleitens eines Gases in den Reaktor 100 durchgeführt.
Der Schritt des Einleitens von Gas startet durch Öffnen des ersten Ventils V1, des sechsten Ventils V6, des achten Ventils V8 und des vierten Ventils V4 für einige Sekunden. Dann wird ein vergastes TiCl₄-Gas bis zum zweiten Ventil V2 eingefüllt, und Ar wird bis zum siebten und zum neunten Ventil V7 und V9 aufgefüllt, nachdem dessen Menge angenähert durch die erste und die zweite Inertgas-MFC 262 und 272 gesteuert ist. Ein NH₃-Gas wird bis zum fünften Ventil V5 aufgefüllt, nachdem dessen Menge angenähert durch die zweite Reaktionsgas MFC-232 gesteuert ist.
Danach strömt ein Inertgas durch das siebte und das neunte Ventil V7 und V9 in den Reaktor 100. Bevor ein Gas eingeleitet wird, wird der Innendruck des Reaktors 100 bei 10^–1~ 5 × 10^–3 Torr gehalten. Wenn jedoch ein Inertgas eingeleitet wird, dann beträgt der Innendruck des Reaktors 100 etwa 1 bis 10 Torr. Dieser Druck wird durch den Druckmessbereich 160 erhalten, der in dem Reaktor 100 installiert ist, indem das Drosselventil TV der Auslassleitung 400 entsprechend geöffnet wird. Der Grund, weshalb das siebte und das neunte Ventil V7 und V9 geöffnet werden, nachdem das sechste und das achte Ventil V6 und V8 geöffnet wurden, besteht hier darin, dass das Gas in dem Reaktor 100 durch das siebte und das neunte Ventil V7 und V9 zurückströmen kann, wenn sie plötzlich geöffnet werden.
Auf dem Schritt des Einleitens von Gas folgt ein Schritt, bei dem verhindert wird, dass Partikel während der Deposition einer Dünnschicht erzeugt werden. Partikel, die während der Deposition einer Dünnschicht erzeugt werden, vermindern die Qualität einer Dünnschicht, so dass der Schritt des Verhinderns der Erzeugung von Partikeln sehr wichtig ist. Dieser Schritt wird durchgeführt, in dem das fünfte Ventil V5 geöffnet wird, und zwar mindestens einige Sekunden bevor ein TiCl₄-Gas in den Reaktor 100 strömt, während ein Ar-Gas kontinuierlich in den Reaktor 100 strömt und ein NH₃-Gas in den Reaktor 100 eingeleitet wird.
Wenn ein TiCl₄-Gas in den Reaktor 100 eingeleitet wird, bevor ein NH₃-Gas eingeleitet wird, reagiert ein Teil des TiCl₄-Gases mit der Oberfläche der Diffusionsplatte 130, wodurch Partikel als Nebenprodukte erzeugt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schritt zur Verhinderung der Erzeugung von Partikeln durchgeführt, wie vorstehend beschrieben. Partikel können sehr feine Partikel einer TiNxCly-Schicht sein, die auf der Diffusionsplatte 130 abgelagert wird, oder das Material Al der Diffusionsplatte. Um folglich zu verhindern, dass Partikel von der Oberfläche der Diffusionsplatte 130 erzeugt werden, wird ein NH₃-Gas eingeleitet, und zwar einige Sekunden bevor ein TiCl₄-Gas eingeleitet wird, so dass eine NH₃-Schicht an der Oberfläche der Diffusionsplatte 130 erzeugt wird. Die NH₃-Schicht auf der Diffusionsplatte 130 reagiert mit ein TiCl₄-Gas, dass während der realen Deposition einer Dünnschicht eingeleitet wird, und dass TiCl₄-Gas wird daran gehindert, Partikel an der Oberfläche der Diffusionsplatte 130 zu erzeugen.
Die Erzeugung von feinen Partikeln wird durch das Prinzip verhindert, dass ein TiCl₄-Gas mit einer NH₃-Schicht reagiert, die zuvor auf der Diffusionsplatte 130 gebildet wurde und sich somit in einen HCL-Dampf verändert, was später beschrieben wird, so dass das TiCL₄-Gas daran gehindert wird, mit der Oberfläche der Diffusionsplatte 130 zu reagieren oder diese sofort zu ätzen. Die Dampf-Nebenprodukte werden unmittelbar über die Auslassleitung 400 zur Außenseite ausgestoßen. Eine Reihe von Reaktionen, die in dem Reaktor 110 stattfinden, können als folgende chemische Formel ausgedrückt werden: 2NH₃ + TiCl₄ → TiN(s) + 4HCl(g) + H₂(g) + 0,5N₂(g).
Nach dem Schritt zur Verhinderung der Erzeugung von Partikeln wird eine TiN-Dünnschicht real auf einem Wafer w aufgetragen, indem die Strömung von einem TiCl₄-Gas und einem NH₃-Gas in den Reaktor 100 gesteuert wird.
Die Deposition einer Dünnschicht wird durchgeführt, indem alternativ ein TiCl₄-Gas und ein NH₃-Gas in den Reaktor 100 eingeleitet werden. Es spielt keine Rolle, welches Gas zuerst eingeleitet wird. Wenn beispielsweise ein TiCl₄-Gas zuerst eingeleitet wird, dann werden in einem ersten Schritt zuerst ein TiCl₄-Gas und ein Ar-Gas in den Reaktor eingeleitet. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer ist das TiCl₄-Gas exkludiert. Daher wird eine TiCl₄-Schicht auf dem Wafer w gebildet und durch ein Ar-Gas komprimiert, das kontinuierlich eingeleitet wird.
In dem zweiten Schritt werden ein NH₃-Gas und ein Ar-Gas zusammen eingeleitet. Die Zufuhr des NH₃-Gases wird für eine vorbestimmte Zeitperiode blockiert. Das NH₃-Gas reagiert mit der TiCl₄-Schicht, die zuvor auf dem Wafer w ausgebildet wurde, wodurch eine TiN-Dünnschicht auf dem Wafer w gebildet wird. Das heißt, eine TiN + NH₃-Schicht wird durch die aufeinander folgenden ersten und zweiten Schritte ausgebildet.
Danach wird der erste Schritt erneut durchgeführt, um kontinuierlich eine Dünnschicht auf der TiN + NH₃-Schicht wachsen zu lassen. Dann wird die TiN + NH₃-Schicht in eine TiN + TiN + TiCl₄-Schicht verändert. Danach wird der zweite Schritt durchgeführt, um eine TiN + TiN + TiN + NH₃-Schicht zu bilden. Eine TiN-Dünnschicht mit einer gewünschten Dicke kann durch Wiederholung dieses Prozesses erhalten werden.
Dieser TiN-Dünnschicht-Depositionsprozess wird durch alternatives Öffnen und Schließen des dritten und des fünften Ventils V3 und V5 in einem Zustand durchgeführt, in dem das erste und das vierte Ventil V1 und V4 immer offen sind, während ein Ar-Gas kontinuierlich in den Reaktor 100 eingeleitet wird, indem das sechste, das siebte, das achte und das neunte Ventil V6, V7, V8 und V9 geöffnet werden.
Hier wird das zweite Ventil V2 vor dem dritten Ventil V3 geöffnet, so dass ein TiCl₄-Gas durch die erste Reaktionsgas-MFC 212 geleitet und bis zum dritten Ventil V3 aufgefüllt wird. Wenn anschließend das dritte Ventil V3 geöffnet wird, um ein erstes Reaktionsgas zu dem Reaktor 100 zu leiten, wird das zweite Ventil V2 geschlossen. Das heißt, ein erstes Reaktionsgas strömt durch die erste Reaktionsgas-Zuführleitung 220 in Einheiten von Ventilen. Ein Prozess-Nebenprodukt-Gas, das während der Reaktion erzeugt wird, wird über das Drosselventil TV der Auslassleitung 400 und durch das dreiundzwanzigste, das vierundzwanzigste und das fünfundzwanzigste Ventil V23, V24 und V25 ausgestoßen.
Um die vorstehend beschriebene Reaktion aufzusummieren, strömt ein TiCl₃-Gas über das dritte Ventil V3 zu der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung 220, wonach dessen Strömung durch das erste und das zweite Ventil V1 und V2 gesteuert wird, und ein Ar-Gas wird hinsichtlich seiner Strömung gesteuert, strömt durch das siebte Ventil V7, wird mit dem TiCl₄-Gas an der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung 220 gemischt und strömt in den Reaktor 100.
Danach strömt eine Mischung von TiCl₄ und Ar durch das erste Verbindungsrohr 111 und die erste Verbindungsleitung 121, wird gleichmäßig noch einmal in dem ersten Mischbereich 134 gemischt und wird durch die Sprühlöcher 131 gleichmäßig über den Wafer w gesprüht. Ein NH₃-Reaktionsgas wird hinsichtlich seiner Strömung durch das vierte Ventil V4 gesteuert und strömt dann über das fünfte Ventil V5 zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240. Ein Ar-Gas wird hinsichtlich seiner Strömung gesteuert, strömt durch das neunte Ventil V9, wird mit einem NH₃-Gas an der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240 gemischt und strömt dann zu dem Reaktor 100. Anschließend strömt eine Mischung aus NH₃ und Ar durch das zweite Verbindungsrohr 112 und die zweite Verbindungsleitung 122, wird noch einmal in dem zweiten Mischbereich 135 gleichmäßig gemischt und wird durch die Düsen 133 in Richtung auf die innere Seitenwand des Reaktorblocks 110 gesprüht.
Es ist hier bevorzugt, dass die Strömung aus einem TiCl₄-Gas etwa 1 SCCM oder mehr ist, die Strömung von einem Ar-Gas, das mit einem TiCl₄-Gas gemischt werden soll, ist 50 SCCM oder mehr ist, die Strömung von NH₃ ist 50 SCCM oder mehr, und die Strömung von einem Ar-Gas, das mit einem NH₃-Gas gemischt werden soll, ist 60 SCCM oder mehr. Diese Werte wurden durch mehrere Experimente erhalten. Wenn die Strömungsraten zumindest so sind, wie vorstehend beschrieben, kann eine Dünnschicht mit einer hohen Reinheit, sehr guten elektrischen Eigenschaften und einer guten Stufenüberdeckung erhalten werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein NH₃-Gas zumindest eine Sekunde später als ein TiCl₄-Gas eingeleitet.
Ferner stehen die Dauer, während derer ein TiCl₄-Gas und ein Inertgas in den Reaktor 100 eingeleitet werden, und eine Dauer, während derer das TiCl₄-Gas blockiert wird, bevor ein NH₃-Gas in den Reaktor 100 strömt, im Verhältnis von 1 zu 1,2 oder größer.
Das Verhältnis der Strömung eines Inertgases, das über die erste Inertgas-Zuführleitung 260 eingeleitet wird, zur Strömung eines Inertgases, das über die zweite Inertgas-Zuführleitung 270 eingeleitet wird, wird auf 1 bis 1,2 oder größer eingestellt, um zu verhindern, dass ein stark diffusionsfähiges TiCl₄-Gas über die zweite Reaktionsgas-Zuführleitung 240 zurückströmt.
Die Dünnschicht-Deposition wird erreicht, indem aufeinanderfolgend Gas zum Reaktor 100 gesprüht wird, und der Prozessdruck des Reaktors wird durch einen geeigneten Signalaustausch und durch Steuerung zwischen einem Druckmessbereich und Ventilen konstant gehalten, die ein Drosselventil beinhalten. Daher wird die Gleichmäßigkeit einer aufgebrachten Dünnschicht verbessert.
Obwohl eine TiN-Dünnschicht auf einen Wafer aufgebracht wird, kann Cl in der Dünnschicht enthalten sein. Da Cl die Reinheit und die elektrischen Eigenschaften einer Dünnschicht verschlechtert, ist ein Schritt zum Entfernen von Cl ebenfalls wichtig. Der Schritt zum Entfernen von Cl wird durchgeführt, indem das dritte Ventil V3 geschlossen wird, um die Einleitung eines TiCl₄-Gases zu verhindern, und das sechste und siebte Ventil V6 und V7, das achte und neunte Ventil V8 und V9 sowie das vierte und fünfte Ventil V4 und V5 geöffnet wird. Das heißt, lediglich ein Ar-Gas und ein NH₃-Gas werden zum Reaktor 100 geleitet. Dann reagiert ein NH₃-Gas mit Cl in der TiN-Dünnschicht, die auf dem Wafer gebildet wird, wodurch ein HCl erzeugt wird. Das HCl wird zur Außenseite ausgestoßen. Dieser Schritt zum Entfernen von Cl kann weggelassen werden, wenn der Gehalt von Cl in einer Dünnschicht ausreichend gering ist.
Auch wenn ein zusammengesetztes Gas, das Ta enthält, als ein erstes Reaktionsgas verwendet wird, und ein zusammengesetztes Gas, das N enthält, beispielsweise ein NH₃-Gas, als ein zweites Reaktionsgas verwendet wird, kann eine TaN-Dünnschicht durch das vorstehend beschriebene Verfahren auf einem Wafer aufgebracht werden.
Es wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel von einer ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Die gleichen Bezugszeichen wie jene in 1 bezeichnen die gleichen Elemente.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, in dem eine TiN- oder TaN-Dünnschicht auf einem Wafer aufgebracht werden kann, kann in dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Dünnschicht ausgebildet werden, wie zum Beispiel eine WN-Dünnschicht. Um das zweite Ausführungsbeispiel zu realisieren, wird der erste Reaktionsgas-Zuführbereich 210 in dem ersten Ausführungsbeispiel durch einen ersten Reaktionsgas-Zuführbereich 510 ersetzt. Der erste Reaktionsgas-Zuführbereich 510 enthält ein einunddreißigstes Ventil V31, um die Strömung eines ersten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, und eine erste Reaktionsgas-MFC 512, um die Strömung eines ersten Reaktionsgases zu steuern, das durch das einunddreißigstes Ventil V31 geleitet wird. Der erste Reaktionsgas-Zuführbereich 510 ist mit dem dritten Ventil V3 verbunden. WF₆ wird als das Material des ersten Reaktionsgases verwendet, ein zusammengesetztes Gas, das N enthält, beispielsweise ein NH₃-Gas, wird als ein zweites Reaktionsgas verwendet, und ein Ar-Gas wird als ein Inertgas verwendet.
Die Deposition einer WN-Dünnschicht wird durch abwechselndes Einleiten eines NH₃-Gases und eines WF₆-Gases in den Reaktor 100 durchgeführt. Wenn beispielsweise ein WF₆-Gas zuerst eingeleitet wird, dann wird ein Ar-Gas zusammen eingeleitet, und das WF₆-Gas wird in dem ersten Schritt für eine vorbestimmte Zeitperiode ausgeschlossen. Dann wird eine WF₆-Schicht auf dem Wafer gebildet und durch ein Ar-Gas komprimiert, das kontinuierlich eingeleitet wird. In dem zweiten Schritt werden ein NH₃-Gas und ein Ar-Gas zusammen eingeleitet und die Strömung eines NH₃-Gases für eine vorbestimmte Zeitperiode unterbrochen wird. Das NH₃-Gas reagiert mit der WF₆-Schicht, die auf dem Wafer ausgebildet wird, wodurch auf dem Wafer eine WN-Dünnschicht gebildet wird. Das heißt, eine WN + NH₃-Schicht wird durch die aufeinander folgenden ersten und zweiten Schritte gebildet.
Danach wird wieder der erste Schritt durchgeführt, um kontinuierlich eine Dünnschicht auf der WN + NH₃-Schicht zum Wachsen zu bringen. Dann wird die WN + NH₃-Schicht in eine WN + WN + WF₆-Schicht verändert. Danach wird der zweite Schritt durchgeführt, um eine WN + WN + WN + NH₃-Schicht zu bilden. Daher kann eine WN-Dünnschicht mit einer gewünschten Dicke durch Wiederholen dieses Prozesses erhalten werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Die gleichen Bezugszeichen wie jene in 1 bezeichnen die gleichen Elemente.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, in dem eine TiN- oder TaN-Dünnschicht auf einem Wafer aufgebracht werden kann, kann im dritten Ausführungsbeispiel eine Dünnschicht gebildet werden, wie zum Beispiel eine Ti- oder TiAlN-Schicht sowie eine TiN- oder TaN-Schicht. Um dies zu erreichen, beinhaltet das dritte Ausführungsbeispiel ferner einen dritten Reaktionsgas-Zuführbereich 620 zum Zuführen eines dritten Reaktionsgases Trimethylaluminium (TMA) zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240 und einen dritten Reaktionsgas-Zuführbereich 610 zum Zuführen eines vierten Reaktionsgases H₂ zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240.
Der vierte Reaktionsgas-Zuführbereich 610 beinhaltet ein zweiunddreißigstes Ventil V32, um die Strömung von zugeführtem H₂ zu ermöglichen oder zu blockieren, eine vierte Reaktionsgas-MFC 612, um die Strömung von H₂ zu steuern, das durch das zweiunddreißigste Ventil V32 strömt, und ein dreiunddreißigstes Ventil V33, um die Strömung von H₂ zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die vierte Reaktionsgas-MFC 612 gesteuert wird.
Der dritte Reaktionsgas-Zuführbereich 620 beinhaltet einen Rührer 621 zum Vergasen eines dritten Reaktionsmaterials, eine dritte Reaktionsgas-MFC 622, um die Strömung eines dritten Reaktionsgases zu steuern, ein vierunddreißigstes Ventil V34, das an der Leitung zwischen dem Rührer 621 und der dritten Reaktionsgas-MFC 622 installiert ist, um die Strömung des dritten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, und ein fünfunddreißigstes Ventil V35, um die Strömung des dritten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die dritte Reaktionsgas-MFC 622 gesteuert wird, und zwar zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung 240.
Das heißt, in dieser Struktur wird ein zusammengesetztes Gas, das ein Übergangsmetallelement Ti oder Ta enthält, als ein erstes Reaktionsgas verwendet, ein Ar-Gas wird als ein Inertgas verwendet wird, ein TMA-Gas wird als ein drittes Reaktionsgas verwendet, und ein H₂-Gas wird als ein viertes Reaktionsgas verwendet.
Das dritte Ausführungsbeispiel der Dünnschicht-Depositionsvorrichtung, das eine solche Konfiguration hat, ist im Wesentlichen das gleiche wie das erste Ausführungsbeispiel, so dass es nicht im Detail beschrieben wird.
In all den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein TiCl₄-Gas oder ein zusammengesetztes Gas, das ein Übergangsmetallelement enthält, wie zum Beispiel Ti oder Ta oder W, als ein erstes Reaktionsgas verwendet. Jedoch können andere Gase als das erste Reaktionsgas verwendet werden. Andere Gase, wie zum Beispiel He oder N₂ anstelle des Ar-Gases können als ein Inertgas verwendet werden. Ferner können andere zusammengesetzte Gase, die N anstelle eines NH₃-Gases enthalten, als ein zweites Reaktionsgas verwendet werden.
In dem ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel von einer ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wird hinsichtlich des ersten und des zweiten Reaktionsgas, die in einen Dünnschicht-Depositionsprozess eine wesentliche Rolle spielen, eine Mischung aus einem ersten Reaktionsgas und einem Inertgas auf einen Wafer gesprüht, und eine Mischung aus einem NH₃-Gas und einem Inertgas wird in Richtung auf die innere Seitenwand eines Reaktorblocks gesprüht. Das Intervall zwischen einer Diffusionsplatte und einem Wafer-Block ist auf etwa 20 bis 50 mm eingeengt, so dass mehrere Reaktionsgase miteinander reagieren, während sie nacheinander nach unten auf dem Wafer komprimiert werden. Daher kann eine Ti-, TiAlN-, TiN-, TaN- oder WN-Schicht mit hoher Reinheit, sehr guten elektrischen Eigenschaften und einer guten Stufenabdeckung aufgetragen werden.
Ferner wird ein NH₃-Gas zu einem Reaktor gesprüht, und zwar einige Sekunden bevor ein erstes Reaktionsgas darauf aufgesprüht wird, so dass die Erzeugung von Partikeln verhindert werden kann.
Außerdem wird ein NH₃-Gas zu einem Reaktor 100 gesprüht, nachdem die Deposition einer Dünnschicht beendet ist oder während der Deposition, so dass Cl entfernt werden kann, das sich in der Dünnschicht befindet. Daher können die elektrischen Eigenschaften der Dünnschicht verbessert werden.

Claims

Dünnschicht-Depositionsvorrichtung zur Atomschicht-Deposition (ALD), mit: einem Reaktor (100), in dem ein Wafer montiert und eine Dünnschicht auf dem Wafer aufgebracht werden kann; einem ersten Reaktionsgas-Zuführbereich (210) zum Zuführen eines ersten Reaktionsgases zu dem Reaktor; einem zweiten Reaktionsgas-Zuführbereich (230) zum Zuführen eines zweiten Reaktionsgases zu dem Reaktor; einer ersten Reaktionsgas-Zuführleitung (220) zum Verbinden des ersten Reaktionsgas-Zuführbereichs (210) mit dem Reaktor; einer zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung (240) zum Verbinden des zweiten Reaktionsgas-Zuführbereichs (230) mit dem Reaktor (100); einer ersten Inertgas-Zuführleitung (260) zum Zuführen eines Inertgases von einer Inertgas-Zuführquelle zu der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung zum Bilden eines ersten Mischgases; einer zweiten Inertgas-Zuführleitung (270) zum Zuführen des Inertgases von der Inertgas-Zuführquelle zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung zum Bilden eines zweiten Mischgases; einer Auslassleitung (400) zum Ausstoßen des Gases aus dem Reaktor (100); einer Einrichtung zum Zuführen des ersten Mischgases zu einer oberen Fläche eines Wafers, der in dem Reaktor montiert ist; und einer Einrichtung zum Zuführen des zweiten Mischgases in Richtung auf die Kanten des Wafers.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Reaktionsgas-Zuführbereich aufweist: einen Rührer zum Vergasen eines ersten Reaktionsmaterials zum Bilden des ersten Reaktionsgases; eine erste Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung zum Steuern der Strömung des ersten Reaktionsgases, das von dem Rührer zugeführt wird; und ein erstes Ventil, das an einer Leitung zwischen dem Rührer und der ersten Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung installiert ist, um die Strömung des ersten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 2, außerdem mit einem dritten Ventil, das an der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung installiert ist, um die Strömung des ersten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die erste Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung gesteuert wird.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der zweite Reaktionsgas-Zuführbereich aufweist: ein viertes Ventil, um die Strömung des zweiten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren; und eine zweite Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung zum Steuern der Strömung des zweiten Reaktionsgases, das das vierte Ventil durchströmt hat; und vorzugsweise ein fünftes Ventil, das an der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung installiert ist, um die Strömung des zweiten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die zweite Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung gesteuert wird.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Inertgas-Zuführleitung ein sechstes Ventil, um die Strömung des zugeführten Inertgases zu ermöglichen oder zu blockieren, eine erste Inertgas-Massenströmungssteuerung zum Steuern der Strömung des Inertgases, das das sechste Ventil durchströmt hat, und ein siebtes Ventil aufweist, um die Strömung des Inertgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die erste Inertgas-Massenströmungssteuerung gesteuert wurde; oder bei der die zweite Inertgas-Zuführleitung (270) ein achtes Ventil, um die Strömung des zugeführten Inertgases zu ermöglichen oder zu blockieren, eine zweite Inertgas-Massenströmungssteuerung zum Steuern der Strömung des Inertgases, das das achte Ventil durchströmt hat, und ein neuntes Ventil aufweist, um die Strömung des Inertgases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die zweite Inertgas-Massenströmungssteuerung gesteuert wurde.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 1, außerdem mit: einer ersten Bypass-Leitung, um zu ermöglichen, dass das erste Reaktionsglas und/oder Inertgas direkt zu der Auslassleitung strömt, ohne durch den Reaktor zu strömen, wobei die erste Bypass-Leitung ein zehntes Ventil, um die Strömung des ersten Reaktionsgases zu der Auslassleitung zu ermöglichen oder zu blockieren, und ein elftes Ventil aufweist, um die Strömung des Inertgases zu der Auslassleitung zu ermöglichen oder zu blockieren; und einer zweiten Bypass-Leitung, um zu ermöglichen, dass das zweite Reaktionsgas und/oder Inertgas direkt zu der Auslassleitung strömt, ohne durch den Reaktor zu strömen, wobei die zweite Bypass-Leitung ein zwölftes Ventil, um die Strömung des zweiten Reaktionsgases zu der Auslassleitung zu ermöglichen oder zu blockieren, und ein dreizehntes Ventil aufweist, um die Strömung des Inertgases zu der Auslassleitung zu ermöglichen oder zu blockieren.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 1, außerdem mit einer separaten Inertgas-Zuführleitung zum Ausblasen und Ausstoßen des Gases und/oder von kontaminierenden Quellen, die sich in den Leitungen befinden, wobei die Inertgas-Zuführleitung mit dem ersten und zweiten Reaktionsgas-Zuführbereich, der ersten und zweiten Inertgas-Zuführleitung, der ersten und zweiten Bypass-Leitung sowie der Auslassleitung verbunden ist.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Reaktionsgas-Zuführbereich ein einunddreißigstes Ventil (V31), um die Strömung des ersten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, und eine erste Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung zum Steuern der Strömung des ersten Reaktionsgases aufweist, das das einunddreißigste Ventil (V31) durchströmt hat.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 1, außerdem mit: einem dritten Reaktionsgas-Zuführbereich zum Zuführen eines dritten Reaktionsgases, vorzugsweise Trimethylaluminium (TMA), zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung; und einem vierten Reaktionsgas-Zuführbereich zum Zuführen eines vierten Reaktionsgases, vorzugsweise H₂, zu der zweiten Reaktionsgas-zuführleitung; wobei der vierte Reaktionsgas-Zuführbereich ein zweiunddreißigstes Ventil (V32), um die Strömung eines vierten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren, eine vierte Reaktionsgas -Massenströmungssteuerung zum Steuern der Strömung eines vierten Reaktionsgases aufweist, das das zweiunddreißigste Ventil (V32) durchströmt hat, und ein dreiunddreißigstes Ventil (V33) aufweist, um die Strömung des vierten Gases zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die vierte Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung gesteuert wurde.
ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung nach Anspruch 9, bei der der dritte Reaktionsgas-Zuführbereich (620) aufweist: einen Rührer (621) zum Vergasen eines dritten Reaktionsmaterials zum Bilden des dritten Reaktionsgases; eine dritte Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung zum Steuern der Strömung des dritten Reaktionsgases, das von dem Rührer (621) zugeführt wird; ein vierunddreißigstes Ventil (V34), das an der Leitung zwischen dem Rührer (621) und der dritten Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung installiert ist, um die Strömung des dritten Reaktionsgases zu ermöglichen oder zu blockieren; und ein fünfunddreißigstes Ventil (V35), um die Strömung des dritten Reaktionsgases zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung (240) zu ermöglichen oder zu blockieren, das durch die dritte Reaktionsgas-Massenströmungssteuerung gesteuert wurde.
Verfahren zur ALD-Dünnschicht-Deposition unter Verwendung einer ALD-Dünnschicht-Depositionsvorrichtung, die einen Reaktor (100), in dem ein Wafer montiert ist und eine Dünnschicht auf den Wafer aufgebracht wird, einen ersten Reaktionsgas-Zuführbereich (210) zum Zuführen eines ersten Reaktionsgases zu dem Reaktor (100), eine erste Reaktionsgas-Zuführleitung (220) zum Verbinden des ersten Reaktionsgas-Zuführbereichs (210) mit dem Reaktor (100), einen zweiten Reaktionsgas-Zuführbereich (230) zum Zuführen eines zweiten Reaktionsgases zu dem Reaktor (100), eine zweite Reaktionsgas-Zuführleitung (240) zum Verbinden des zweiten Reaktionsgas-Zuführbereichs (230) mit dem Reaktor (100), eine erste Inertgas-Zuführleitung (260) zum Zuführen eines Inertgases, dessen Strömung gesteuert wurde, zu der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung (220), eine zweite Inertgas-Zuführleitung (270) zum Zuführen eines Inertgases, dessen Strömung gesteuert wurde, zu der zweiten Reaktionsgas-Zuführleitung (240), und eine Auslassleitung (400) aufweist, um das Gas in dem Reaktor (100) nach außen auszustoßen, mit: Mischen eines ersten Reaktionsgases und eines Inertgases zum Bilden eines ersten Mischgases; Zuführen des ersten Mischgases zu einer oberen Fläche eines Wafers, der in einem Reaktor aufgenommen ist; Mischen eines zweiten Reaktionsgases und des Inertgases zum Bilden eines zweiten Mischgases; und Zuführen des zweiten Mischgases in Richtung auf die Kanten des Wafers.
Verfahren nach Anspruch 11, außerdem mit dem Einleiten von NH₃-Gas in den Reaktor einige Sekunden vor der Zufuhr des ersten Mischgases zu dem Reaktor, um zu verhindern, dass während der Deposition der Dünnschicht Partikel erzeugt werden, wenn ein zusammengesetztes Gas, das Cl enthält, als das erste Reaktionsgas verwendet wird und NH₃ als das zweite Reaktionsgas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, außerdem mit dem Zuführen des Inertgases ohne das erste Reaktionsgas für eine vorbestimmte Zeitdauer nach Zuführung des ersten Mischgases und mit dem Zuführen des Inertgases ohne das zweite Reaktionsgas für eine vorbestimmte Zeitdauer nach Zuführung des zweiten Mischgases.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das erste Reaktionsgas ein zusammengesetztes Gas enthält, das ein Übergangsmetallelement beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Ti, Ta und W umfasst, und das zweite Reaktionsgas NH₃ Gas ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Temperatur des Wafers während der Dünnschicht-Deposition bei 400 bis 600°C gehalten wird und die Temperatur der mit dem Reaktor verbundenen Leitungen bei 40 bis 200°C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Strömungsrate des ersten Reaktionsgases auf 1SCCM oder mehr gesteuert wird, die Strömungsrate des Inertgases, das mit dem ersten Reaktionsgas gemischt wird, auf 50SCCM oder mehr gesteuert wird, die Strömungsrate des NH₃-Gases auf 50SCCM oder mehr gesteuert wird und die Strömungsrate des Inertgases, das mit dem NH₃ gemischt wird, auf 60SCCM oder mehr gesteuert wird, und bei dem bevorzugt der Innendruck des Reaktors 1 bis 10 Torr beträgt, wenn das erste und zweite Reaktionsgas und/oder Inertgas in den Reaktor eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, außerdem mit dem Einleiten des Inertgases und des NH₃-Gases zu dem Reaktor, um Cl von einer auf den Wafer aufgebrachte Dünnschicht zu entfernen, wenn ein zusammengesetztes Gas, das Cl enthält, als das erste Reaktionsgas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, außerdem mit Zuführen des NH₃-Gases mindestens zwei Sekunden vor Zuführen des zweiten Mischgases nach Zuführung des Inertgases ohne das erste Reaktionsgas, wenn ein TiCl₄-Gas als das erste Reaktionsgas verwendet wird und NH₃ als das zweite Reaktionsgas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem eine Dauer des Zuführens des ersten Mischgases und eine Dauer des Zuführens des Inertgases ohne das TiCl₄-Gas vor dem Zuführen des NH₃-Gases mit einem Verhältnis von 1 bis 1,2 oder mehr erfolgt, und bei dem vorzugsweise das Verhältnis der Strömung des mit dem ersten Reaktionsgas gemischten Inertgases zur Strömung des mit dem zweiten Reaktionsgas gemischten Inertgases auf 1 bis 1,2 oder mehr eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das erste Reaktionsgas ein TiCl₄-Gas oder ein zusammengesetztes Gas ist, das Ta enthält, und das zweite Reaktionsgas NH₃ ist; oder bei dem das erste Reaktionsgas WF₆ und das zweite Reaktionsgas NH₃ ist.