DE69108285T2

DE69108285T2 - Peripherieabdichtung für Halbleiterplättchen durch Gasinjektion.

Info

Publication number: DE69108285T2
Application number: DE1991608285
Authority: DE
Inventors: Raymond L Chow; John Schmitz; Frederick J Scholz; Norman L Turner; Frank Otto Uher
Original assignee: Genus Inc
Current assignee: Genus Inc
Priority date: 1990-04-23
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-04-24
Also published as: DE69108285D1; JPH04226027A; EP0456372B1; EP0456372A1

Description

Gebiet er Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die chemische Dampfablagerung (CVD) für die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zum Ausschalten der Ablagerung auf der Rückseite und den Kanten von Wafern in solchen Prozessen.

Hintergrund der Erfindung

Das Herstellen integrierter Schaltungen schließt das Bilden dünner Filme und Schichten aus verschiedenen Materialien auf Wafern auf einem Basis-Halbleitermaterial ein, wobei dann ausgewählt Flächen solcher Filme entfernt werden, um Strukturen und Schaltungen zu liefern. Dotiertes Silizium ist ein typisches Basis-Wafer-Material. Die CVD ist ein wohlbekannter Prozeß zum Ablagern solcher dünner Filme und Schichten. Zum Beispiel kann Polysilizium aus Silangas, SiH&sub4;, abgelagert werden. Es ist auch bekannt, Wolframsilizid aus einer Mischung von Gasen abzulagern, die Silan und ein Wolfram tragendes Gas, so wie Wolframhexafluorid, umfassen. Reines Wolfram wird auch auf Silizium-Wafern bei der Herstellung integrierter Schaltungen abgelagert, manchmal selektiv und manchmal über die gesamte Oberfläche in einem bekannten Prozeß, der als "Decken"-Wolfram bekannt ist.
Bei einem typischen CVD-Prozeß, wie dem Decken-Wolfram, werden Wafer innerhalb einer Vakuum-Kammer auf Träger gelegt, die Kammer wird abgedichtet und evakuiert, die Wafer werden erhitzt, typischerweise indem der Wafer-Träger erhitzt wird, und eine Gasmischung wird in die Kammer eingeführt. Zum Beispiel werden bei dem Decken-Wolfram-Prozeß Wolframhexafluorid und Wasserstoff als reaktive Gase eingeführt, und typischerweise wird Argon als ein nicht-reaktives Trägergas eingeführt. Das Wolframhexafluorid ist die Quelle für das abgelagerte Wolfram. Typischerweise werden die Gase kontinuierlich während des Prozesses eingeströmt. Die Temperatur eines Substrates (Wafer), das überzogen werden soll, ist eine der Variablen, die die chemische Reaktion treibt, um zu bewirken, daß Wolfram auf der Substratoberfläche abgelagert wird. Es ist wichtig, die Temperatur, die Konzentration verschiedener Gase in der eingeführten Mischung und solche Kenngrößen wie die Gleichförmigkeit des Gasstromes über die Fläche, die beschichtet werden soll, unter anderen Variablen zu steuern. Eine gleichförmige Dicke einer abgelagerten Schicht ist eine wichtige Kenngröße.
In den meisten Fällen werden aktive Strukturen und Schaltungen auf einer Seite eines Wafers gebildet, und die andere Seite wird nicht benutzt. Die nicht benutzte Seite wird die Rückseite des Wafers genannt. Bei lithographischen Prozeduren zum Definieren von Mustern auf den abgelagerten Schichten wird die Rückseite eines Wafers typischerweise als eine Registraturfläche verwendet. Aus diesen und anderen Gründen ist es wichtig, daß die Rückseite eines Wafers glatt und sauber gehalten wird und das Material auf der Rückseite nicht abgelagert wird.
Eine weitere wichtige Kenngröße bei Beschichtungstechniken ist, daß die abgelagerten Schichten an dem Basis-Wafer-Material oder an der nächsten untergelegten Schicht anhaften, so daß das Beschichtungsmaterial nicht abplatzt oder abpellt. Die Abmessungen von Strukturen und Schaltungen in der Technologie integrierter Schaltungen sind sehr klein, so daß jegliches unerwünschte Abplatzen oder Abpellen leicht Teilchen hervorrufen kann, die Strukturen oder Schaltungen verderben. Weiterhin können Abplatzungen nicht anhaftenden Materials Strukturen und Schaltungen auf anderen Wafern verderben und können auch empfindliches Gerät schädigen und Reinigungsprozeduren erfordern, über diejenigen hinaus, die sonst notwendig sein würden.
Mehrere Techniken werden verwendet, um die Anhaftung von Schichten zu vergrößern, die durch CVD abgelagert worden sind. Eine ist es, eine dünne Schicht eines Materials, das als eine Haftschicht oder eine Kleberschicht bekannt ist, abzulagern. Eine Haftschicht ist in einigen Fällen ein vollständig unterschiedliches Material, von dem bekannt ist, daß es an dem Basismaterial und an dem Material einer neuen Schicht, die aufgegeben werden soll, anhaftet. Eine Haftschicht wird auch manchmal in einem getrennten Prozeß, einem anderen als dem der CVD, aufgegeben. Zum Beispiel wird Titan in einigen Fällen durch Sputtern als eine Haftschicht abgelagert, bevor Wolfram oder ein wolframreiches Material, so wie Wolframsilizid durch chemische Dampf ablagerung abgelagert wird. Reinigungsprozeduren, so wie Ionenbeschuß, werden auch verwendet, um Waferflächen so vorzubereiten, daß sie Schichten aufnehmen, die durch chemische Dampfablagerung abgelagert werden.
Aus logistischen Gründen ist es im allgemeinen wünschenswert, Vorbehandlungsschritte durchzuführen, so wie Ionenreinigung, und Haftschichten abzulagern, während ein Wafer in derselben Kammer angeordnet ist, und mit derselben Vorrichtung, die verwendet wird, um die chemische Dampfablagerung durchzuführen. Sonst müßten die Wafer, die beschichtet werden sollen, öfter gehandhabt werden und in und aus verschiedenen Bearbeitungsgeräten ein- und ausgebaut werden, was zeitaufwendig und teuer ist und die Möglichkeit von Schäden, Fehlern und Verunreinigung erhöht. Da die Wafer typischerweise in der CVD-Kammer mit der Rückseite gegen einen Träger angeordnet sind, wird nur die Vorderseite den Prozeßschritten gezeigt, die dazu gestaltet sind, die Anhaftung zu vergrößern. Wenn nur die Vorderseite gereinigt oder in anderer Weise behandelt wird, wird die Wahrscheinlichkeit das nachfolgenden Beschichtens auf der Rückseite oder Kante größer.
Wie es in der ebenfalls anhängigen Anmeldung, auf die querverwiesen worden ist, beschrieben ist, kann eine Peripherie- Waferdichtung mit einer Begrenzungsliniendichtung verwendet werden, um die Ablagerung auf der Rückseite oder Kante eines Wafers während der CVD-Bearbeitung zu verhindern.
Die Oberfläche von Wafern, die beschichtet werden soll, zeigt überlicherweise eine variierende Topographie wegen der Vorrichtungen, die auf den Wafern aufgeformt sind, Schaltungen, die zuvor geätzt worden sind, und Schichten, mit denen zuvor überzogen worden ist. Diese Variationen in der Topographie manifestieren sich typischerweise in Nuten (Durchgängen) und Löchern variierender Tiefe in der Oberfläche, und es ist wichtig, in der Lage zu sein, Filme relativ gleichförmiger Dicker in solchen Oberflächenvertiefungen abzulagern oder, in vielen Fällen, die Vertiefungen vollständig aufzufüllen.
Figur 1A zeigt einen Ausschnitt eines Wafers 11 mit einem idealisierten Durchgang mit einer Beschichtung 13, um zu veranschaulichen, wie Abdeckung in Durchgängen und Löchern in der Technik quantifiziert wird. Die Ausgeprägtheit eines Durchgangs oder eines Loches ist gekennzeichnet durch sein Aspektverhältnis (AR) und ist die Tiefe D&sub1; dividiert durch die Breite D&sub2;.
AR = D&sub1; / D&sub2;
Die Stufen-Abdeckung bei einer Oberflächenvertiefung wird als Bruchteil oder Prozentteil quantifiziert, bestimmt durch die minimale Dicke D&sub3; des Films, der in der Vertiefung gebildet ist, dividiert durch die nominale Dicke D&sub4; außerhalb des Durchgangs oder des Loches. Typischerweise, wenn Beschichtungsbedingungen, so wie Temperatur und Druck, konstant bleiben, verschlechtert sich die Stufen-Abdeckung für die meisten überzugsprozesse, wenn das Aspektverhältnis zunimmt. Eine solche Verschlechterung ist schwertragender für Sichtlinienprozesse wie Plasma-Sputtern als für CVD-Prozesse.
Der Trend der technischen Entwicklungen in der Technik des Herstellens integrierter Schaltungen geht zu größeren und größeren Aspektverhältnissen. Ein Grund ist, daß die wünschenswerte erhöhte Dichte von Vorrichtungen und Schaltungen auf einem einzelnen Chip zu einzelnen Merkmalen führt, die näher und näher beieinander liegen. Ein weiterer Grund ist, daß Hersteller Vielschichttechniken entwickelt haben, bei denen eine Schaltung aufgebaut wird, Schicht auf Schicht, um den Oberflächenbereich effizient zu nutzen, und tiefe Durchgänge müssen eingeätzt werden, so daß elektrisch leitende Schichten abgelagert werden können, um Vorrichtungen in unterschiedlichen Schichten zu verbinden.
Während Vorrichtungsabmessungen auf typische Abmessungen unterhalb eines Mikrometers verkleinert worden sind, sind die Anforderungen an die Beschichtungsdicken nicht proportional abgesenkt worden. Das Ergebnis ist eine Situation, die in Figur le veranschaulicht ist. Engere und tiefere Vertiefungen in der Topographie eines Wafers, ohne die Beschichtungsdicke zu verringern, bewirkt das Verschließen der Vertiefung durch den Überzug. Die in Figur 1 gezeigte Situation ist nur eine von vielen Möglichkeiten und veranschaulicht einen ernsthaften Makel der sich ergeben kann. Das Verschließen der Vertiefung durch die Beschichtung kann eine Tasche 14 unterhalb der geschlossenen Beschichtungsfläche zurücklassen. Die Tasche steht im allgemeinen der Funktion und Zuverlässigkeit entgegen. Der Lochfüllgrad wird durch die Dezimalzahl oder den Prozentteil
2 x D&sub3; / D&sub2;
quantifiziert. Einheit, d. h. 1, oder 100 % stellt das vollständige Lochfüllen dar.
Figur 1C zeigt eine Situation ähnlich der der Figur 1B, mit der Ausnahme, daß die Vertiefung vollständig aufgefüllt worden ist, wobei keine eingefangene Tasche unterhalb der Oberfläche belassen wird. Vollständiges Lochfüllen, wie in Figur 1C gezeigt, ist der einzig akzeptable Zustand für einen zuverlässigen Prozeß, wenn überhaupt Lochfüllen gefordert wird.
Erfahrung beim Beschichten von Vorrichtungen mit Topographie mit kleinerer und kleinerer Vorrichtungsgeometrie und größeren und größeren Aspektverhältnissen hat gezeigt, daß es eine Beziehung zwischen dem Druck des Prozeßgases während der CVD-Bearbeitung und dem Vermögen, gleichmäßig in Durchgängen und Löcher zu beschichten und vollständiges Lochbefüllen durchzuführen, gibt. Im allgemeinen, wenn der Druck ansteigt, verbessern sich die Stufen-Abdeckung und die Lochfüllung, laufen durch einen maximalen Punkt und nehmen dann wieder ab. Der maximale Punkt hat eine Temperaturabhängigkeit, und die Erfinder haben gesehen, daß das Maximum von 10 bis 80 Torr (1 Torr = 133 Pa) Gesamtdruck geändert wird. Figur ld ist eine dreidimensionale Zeichnung, die zeigt, wie das Lochfüllen durch Druck und Temperatur bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bewirkt wird. Es wird vermutet, daß dieser Trend ähnlich für CVD im allgemeinen gilt.
Zusätzlich zu einer besseren Stufen-Abdeckung und Lochfüllung bei höheren Drücken bis zu einem Punkt, liefert ein höherer Druck typischerweise eine im allgemeinen höhere Ablagerungsrate, einen zunehmenden Durchsatz und abnehmende Betriebskosten pro beschichtetem Wafer. Diese erwarteten Vorteile haben Bearbeitungen bei höherem Druck sehr wünschenswert bei Prozessen wie Decken-Wolfram gemacht, jedoch hat die Tendenz zum Beschichten der Rückseite, verursacht durch den Betrieb bei höherem Druck, bis zu der vorliegenden Erfindung, die Hochdruckoperationen schwierig und im allgemeinen unpraktizierbar gemacht. Decken- Wolfram beispielsweise ist typischerweise bei einem Gesamtprozeßdruck unterhalb von 1 Torr durchgeführt worden.
Für die periphere Waferverdichtung mit einer Begrenzungsliniendichtung, wie sie in der querverwiesenen Anmeldung beschrieben ist, ist experimentell gefunden worden, das überziehen von Kanten und der Rückseite zu verhindern, bei Gesamtprozeßgasdrücken bis hinauf zu etwa 1 Torr und akzeptable Stufen- Abdeckung, definiert als 50 % oder besser, wird bei diesem Druck für Wafer erreicht, die Aspektverhältnisse bis zu einem Maximum von etwa 3,0 zeigen, bei verringerter Temperatur. Ein Maximum von 1,5 AR ist typischer. Um mit höheren Aspektverhältnissen zu arbeiten, wobei Lochfüllen je nach Notwendigkeit geboten wird, und bei bedeutend höheren Drücken als 1 Torr, ist die periphere Waferdichtung mit einer Begrenzungsliniendichtung nicht zweckmäßig. Unter diesen Bedingungen ermöglicht die Begrenzungsliniendichtung, auf die Bezug genommen wird, daß das überzugsmaterial wandert und unerwünschte Kanten- und Rückseitenbeschichtung verursacht.
Die Abmessungen der lichten Weite der Begrenzungsliniendichtung in der ebenfalls anhängigen Anmeldung, auf die Bezug genommen wird, ist so bestimmt, daß sie erwartete Unterschiede bei der Waferdicke ermöglicht, ohne daß man den Druckkontakt um den Umfang eines gehaltenen Wafers auf der Vorderseite verliert. Diese Abmessung ist auf einem praktischen Minimum für diejenigen Prozesse mit einem Druck bei oder unterhalb von 1 Torr. Die Breite des Dichtringes, der die Begrenzungsliniendichtung mit dem Waferträger bildet, könnte größer gemacht werden, um die Wirksamkeit der Begrenzungsliniendichtung für höhere Drücke zu verbessern, jedoch sind die geforderten Drücke in manchen Fällen so viel höher, daß eine vergrößerte Breite nicht praktisch ist, um eine wirksame Begrenzung für das Kanten- und Rückseitenbeschichten zu schaffen. Prozesse werden mit Gesamtprozeßdrücken von 30 Torr oder mehr durchgeführt, und es wird über Prozesse mit Gesamtprozeßdrücken nachgedacht, die viel höher sind; vielleicht 80 bis 100 Torr. Eine obere Grenze ist zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt. Was gebraucht wird, ist eine Vorrichtung und ein Verfahren, die diese viel höheren Prozeßdrücke erlauben, wobei die existierende Peripherie-Waferdichtung verwendet wird, oder eine ähnliche Dichtung, mit gelockerten Dimensionstoleranzen.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Verhindern des Kanten- und Rückseitenbeschichtens von Wafern in einem CVD-Prozeß zur Verfügung gestellt, mit besonderer Nutzbarkeit für Prozesse mit einem Gesamtprozeßgasdruck oberhalb von 1 Torr. Ein Wafer-Dichtring hält einen Wafer gegen eine CVD-Einspannvorrichtung, die den Wafer kontinuierlich um den Außenumfang des Wafers kontaktiert, bildet einen Ring um den Wafer und bildet eine Begrenzungsliniendichtung um den Wafer mit einer Oberfläche der CVD-Einspannvorrichtung. Ein Inhibitionsgas wird zu dem Ring um den Wafer geleitet, und durch Ausströmen durch die Begrenzungsliniendichtung wird ausgeschlossen, daß Prozeßgase in den Ring wandern, wo Beschichten auf der Kante und der Rückseite eines Wafers auftreten kann. Das Gas wird direkt zu dem Ring geleitet, anstatt hinter den Wafer, so daß die Begrenzungsliniendichtung das Haupthindernis gegen die Strömung ist, was den Druckaufbau hinter dem Wafer begrenzt, der den Wafer verzerren, das Temperaturprofil verzerren und zu einer Dicken-Ungleichförmigkeit der abgelagerten Schicht führen würde.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung einen Träger, der an dem Wafer-Dichtring befestigt ist, der den Ring trägt und bewegt. In dem bevorzugten Modus umfaßt der Träger für den Wafer-Dichtring eine Führung, einen Nockenzug, um den Träger anzutreiben, und eine Feder, um eine Kraft auf den Wafer gegen die CVD-Einspannvorrichtung aufzugeben. Auch bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fläche der Einspannvorrichtung und die Fläche des Wafer-Dichtrings, die die Begrenzungsliniendichtung bilden, beide flache Flächen, und der Spalt zwischen ihnen hat eine Tiefe X und eine radiale Länge Y, derart, daß die Tiefe X, wenn sie mit der Volumenströmungsrate des Inhibitionsgases kombiniert ist, einen Impuls für das Inhibitionsgas liefert, der gleich oder größer ist als der Impuls der entgegengesetzten Richtung des Beschichtungsgases in der Dichtfläche. Die radiale Länge Y ist gleich oder größer als das Zehnfache der mittleren freien Weglänge des Beschichtungsgases in der Begrenzungsliniendichtung.
Die Erfindung hat einen zusätzlichen Vorteil, daß das Gas, das um die Kante des Wafers eingeführt wird, ein Inertgas in der Fläche zwischen dem Wafer und der Einspannvorrichtungsfläche in einer Weise zur Verfügung stellt, daß der Wärmeübergang effizient und gleichförmig ist, und der Druck ist begrenzt, um zu verhindern, daß der Wafer verdrillt wird. Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß der Strom des Inertgases durch die Begrenzungsliniendichtung dabei hilft, Wärme von der Einspannvorrichtung zu dem Waferdichtring zu übertragen, so daß der Ring sich näher an der Temperatur des Wafers befindet und nicht als eine Wärmesenke an der Kontaktfläche mit dem Wafer wirkt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1A ist eine Schnittansicht durch einen Durchgang in einem beschichteten Wafer, um die Bedeutung der Stufen-Abdeckung zu veranschaulichen.
Figur 1B ist eine Schnittansicht durch einen Durchgang in einem beschichteten Wafer, um das Verschließen eines Durchgangs zu zeigen, wenn das Aspektverhältnis größer wird und die Beschichtungsdicke konstant bleibt.
Figur 1C ist eine Schnittansicht durch einen Durchgang in einem beschichteten Wafer, um die Bedeutung eines vollständigen Lochfüllens zu veranschaulichen.
Figur 1D ist eine dreidimensionale Zeichnung der Tendenz, bei einem CVD-Prozeß Löcher zu füllen, in bezug auf Temperatur und Druck.
Figur 2 ist eine Draufsicht auf eine CVD-Einspannvorrichtung und eine Wafer-Dichtringvorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform.
Figur 3 ist eine Draufsicht auf eine CVD-Einspannvorrichtung bei der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform.
Figur 4 ist eine Seitenansicht der CVD-Einspannvorrichtung der Figur 3 mit einem Schnitt, um die Anordnung von Gasdurchlässen in der Einspannvorrichtung zu zeigen.
Figur 5 ist eine Schnittansicht, die die Einspannvorrichtung, den Wafer-Dichtring und einen Wafer in der Anordnung der bevorzugten Ausführungsform zeigt, um zu zeigen, wie Inertgas an den Wafer geführt wird, um Beschichtungsgas an der Kante und an der Rückseite des Wafers auszuschließen.
Figur 6 ist ein Schnitt ähnlich dem Schnitt der Figur 5, wobei jedoch ein frühes Experiment gezeigt wird, das nicht erfolgreich war.
Figur 7 ist eine Zeichnung von Temperaturprofilen auf Wafern unter sich ändernden Strömungsbedingungen bei einem Prozeßdruck von 6,5 Torr, für das Experiment, das in Figur 6 veranschaulicht ist.
Figur 8 ist eine Zeichnung von Temperaturprofilen auf Wafern unter sich ändernden Strömungsbedingungen bei einem Prozeßdruck von 30 Torr, für das Experiment, das in Figur 6 veranschaulicht ist.
Figur 9 ist eine Zeichnung von Temperaturprofilen für Wafer unter verschiedenen Strömungsbedingungen in der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform.
Figur 10 ist eine Tabelle von Gleichförmigkeitsmessungen bei Wafern, die in der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform bearbeitet worden sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Figur 2 ist eine Seitenansicht einer Einzelstation einer Einspannanordnung mit einer Umfangs-Waferdichtung, die eine Begrenzungsliniendichtung gemäß der Erfindung der ebenfalls anhängigen Anmeldung, auf die Kreuzverweis genommen wurde, unter Zusatz von Durchlässen und zugeordneten Geräten, um nichtreaktives Gas von außerhalb der Reaktionskammer zu Einlässen auf der Waferseite der Umfangs-Waferdichtung strömen zu lassen. Die Gasdurchlässe und zugeordnetes Gerät sind nicht in der Figur 2 gezeigt. In dieser Beschreibung wird das Inertgas, das zu der Waferseite der Umfangs-Waferdichtung strömt, als Inhibitionsgas bezeichnet, da es der Zweck ist, die Wanderung von Prozeßgas zu verhindern, das das Beschichten auf der Kante oder der Rückseite eines Wafers verursachen könnte. Auch in dieser Beschreibung meinen die Erfinder mit Peripherie-Begrenzungsliniendichtung einen Spalt, der absichtlich zwischen dem Dichtring und der CVD- Einspanneinrichtung beibehalten wird.
Eine CVD-Einspannanordnung 15 zum Tragen und Erhitzen eines Wafers, der bearbeitet werden soll, wird auf einem Anbringearm 17 angebracht, der sich von einer Mittelnabe 19 erstreckt. Eine Verlängerung 16 von der Mittelnabe hat einen Flansch 18, und der Arm 17 hat einen passenden Flansch 20 bei der bevorzugten Ausführungsform zum Anbringen der Einspannanordnung 15 an der Mittennabe. In dem bevorzugten Modus gibt es sechs CVD-Einspannanordnungen, die an unterschiedlichen Winkelpositionen an der Mittennabe angebracht sind, und die Nabe ist drehbar. Es kann mehr oder weniger als sechs Einspannanordnungen geben.
Eine Umfangs-Waferdichtvorrichtung 21, die der CVD-Einspannvorrichtung zugeordnet ist, umfaßt eine Anbringevorrichtung 23, die sich von der Mittennabe erstreckt, einen Gleitarm 25, der in Richtung auf die Mittennabe durch eine Feder 27 gezwungen wird, und einen Dichtring 29, der sich mit dem Gleiter zum Halten eines Wafers 31 gegen die CVD-Einspannvorrichtung und zum Bilden einer Begrenzungsliniendichtung mit einer Fläche der Einspannvorrichtung bewegt. Eine Nockenzugvorrichtung 33, die auf dem Boden 37 der CVD-Kammer bei der bevorzugten Ausführungsform befestigt ist, greift in einen Nockenstößel 35, der an dem Gleitarm 25 befestigt ist, um den Dichtring 39 weg von der CVD- Einspannvorrichtung an einer Position bei der Drehung der Mittennabe bewegt, so daß Wafers von der Einspannvorrichtung abgehoben und auf sie aufgelegt werden können. Die Wafer- Dichtvorrichtung ist von dem Wafer entfernt in Figur 2 gezeigt, wie es der Fall in der Auflade/Ablade-Position sein wurde. An anderen Drehpositionen als der Auflade/Ablade-Position ist der Nockenstößel nicht im Eingriff, und die Feder 27 bewirkt, daß der Ring gegen den Wafer 31 gezwungen wird.
Die Mittennabe, die CVD-Einspannvorrichtungen, die Dichtringe und zugeordneten Vorrichtungen sind alle in einer abdichtbaren CVD-Kammer (nicht gezeigt) eingeschlossen. Es gibt eine abdichtbare Öffnung an der Auflade/Ablade-Position, wo ein Wafer aus der Kammer heraus oder von einem Laderaum oder anderem Raum außerhalb der CVD-Kammer in die Kammer geleitet werden kann.
Figur 3 ist eine Draufsicht auf die Fläche der CVD-Einspannanordnung 15 in der Richtung des Pfeiles 22, ohne den Wafer 31 oder die Waferdichtvorrichtung 21. Figur 4 ist eine Seitenansicht der Einspannanordnung der Figur 3, von dem Mittelrevolverkopf am Flansch 20 abgenommen. Ein Wafer, wenn er auf die Einspannanordnung geladen wird, ruht auf Stiften 61 und 63, die von der Fläche 41 der Einspannanordnung hervorstehen und sich über die Fläche 43 erstrecken, so daß ein aufgeladener Wafer an der Fläche 43 ruht. Bei einer weiteren Ausführungsform stehen die Stifte von der Fläche 43 hervor, und die Fläche 43 ist etwas größer im Durchmesser als der Wafer, der bearbeitet werden soll. Schlitze 67 und 69 in der Fläche 43 sind Abstandsschlitze für Aufhängungen eines Ladearms (nicht gezeigt), der Wafer auf die Einspannanordnung bei der bevorzugten Ausführungsform auflädt und von ihr ablädt. Die Abstandsschlitze erstrecken sich in der Tiefe zur Fläche 41, welche eine bearbeitete Fläche ist, die eine Seite einer Begrenzungsliniendichtung mit dem Dichtring 29 bildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist für einen Wafer mit nominalem Durchmesser von 150 mm D14 etwa 51,3 mm, D15 ist etwa 57,3 mm, D16 ist etwa 66,7 mm, D17 ist etwa 56,2 mm, D18 ist etwa 24 mm und D19 ist etwa 16,8 mm.
Ein nicht-reaktives Inhibitionsgas, Argon in der bevorzugten Ausführungsform, wird durch seitliche Durchlässe 73, 75 und 77 geleitet, die in das Grundmaterial der Einspannfläche gebohrt sind. Zwei der seitlichen Durchlässe enden in Schlitzen 67 und 69 und der dritte durch die Wand 79 zwischen den Flächen 43 und 41. Die drei seitlichen Durchlässe haben jeweils etwa 2,6 mm Durchmesser. Die seitlichen Durchlässe 73, 75 und 77 führen von einem Mitteldurchlaß 79, der sich durch die Einspannbasis und einen Kupferheizblock 80 erstreckt, ab, und wird an der Fläche 43 durch einen eingeschweißten Stopfen 81 verschlossen.
Gas wird zu dem Durchlaß 79 durch ein Rohr 83 aus rostfreiem Stahl bei der bevorzugten Ausführungsform geleitet, und das Rohr wird zur Ausrichtung mit einem Bald 85 verbunden. Der Bald ist mit einem Rohrpaßstück 87 verbunden, das in der Anordnung an ein angepaßtes Paßstück (nicht gezeigt) der Mittennabe verbunden ist. Gas wird an die einzelnen Stationen von einem unter einem Druck stehenden Behälter über ein Strömungssteuervorrichtung (nicht gezeigt) zugeführt.
Figur 5 ist eine Teilschnittansicht, die den Wafer 31 mittels des Dichtringes 29 gegen die CVD-Einspannanordnung 15 gehalten zeigt. Der Schnitt ist entlang der Linie 5-5 der Figur 3 genommen. In Figur 5 ist die Wafer-Dichtvorrichtung geschlossen, und der Dichtring wird gegen einen Wafer auf der Einspannvorrichtung mit einer Kraft von etwa 10 Pfund in der bevorzugten Ausführungsform gezwungen.
In der bevorzugten Ausführungsform hat die Vorderseite der CVD- Einspannvorrichtung drei Höhenwerte: einen Basispegel 39, eine erste angehobene Fläche 41 und die Fläche 43. Die erste angehobene Fläche ist kreisförmig und hat einen Außendurchmesser, der im wesentlichen derselbe wie der Außendurchmesser des Wafer- Dichtrings 29 ist. Die Fläche 43 in der bevorzugten Ausführungsform hat im wesentlichen die Größe der Rückseite eines Wafers, der bearbeitet werden soll, und unterscheidet sich in der Größe bei Einspannvorrichtungen, die hergestellt worden sind, um sich an unterschiedliche Wafer anzupassen. Bei anderen Ausführungsformen ist die Fläche 43 etwas größer im Durchmesser als der Wafer. Wenn eine Wafer auf die CVD-Einspannvorrichtung geladen wird, ruht der Wafer an der Fläche 43. Obwohl die Fläche 43 in der bevorzugten Ausführungsform etwa denselben Durchmesser hat, wie der Wafer, der aufgeladen wird, hat sie keine komplementäre Form zu Waferebenen, die auf der Kante der Wafer zu Ausrichtungs- und Identifikationszwecken gebildet sind. Im bevorzugten Modus sind die Flächen 41 und 43 sorgsam bearbeitet und poliert, so daß sie eben innerhalb etwa 0,025 mm über die Ausdehnung jeder Fläche sind.
Der Wafer-Dichtring 29 hat einen Außenabschnitt 45 mit einer Dicke D5 von etwa 12 mm bei der bevorzugten Ausführungsform und eine ebene bearbeitete Oberfläche 47 orthogonal zu der Achse des Dichtrings. Die Breite D6 der Fläche 47 in der diametralen Richtung ist im Minimum bei der bevorzugten Ausführungsform etwa 10,5 mm. Der Außendurchmesser des Rings 29 und der Einspannanordnung 15 bei der bevorzugten Ausführungsform ist etwa 25 cm, und der Durchmesser der Fläche 43 wird bei der Herstellung von Einspannvorrichtungen vorgesehen, um an spezifische Standard- Wafergrößen von 200 mm und kleiner angepaßt zu sein. Der gemeinsame größere Außendurchmesser ermöglicht es, daß viele gemeinsame Teile in Systemen benutzt werden können, die aufgebaut werden, um Wafer unterschiedlicher Standardgrößen zu beschichten.
Der Dichtring hat einen Innenabschnitt 49 mit einer ebenen bearbeiteten Fläche 51 parallel zu der Fläche 47. Die Fläche 51 ist die Fläche, die die Vorderseite eines Wafers kontaktiert, wenn sich die Dichtvorrichtung schließt. Die Fläche 51 erstreckt sich in Richtung auf das Ringzentrum in einem Ausmaß, daß eine überlappung D7 zwischen 3 und 5 mm erzeugt wird, und die innere Peripherie wird als eine Anzahl von Ebenen (nicht gezeigt) bearbeitet, so daß ein Wafer mit irgendeiner Standardebene des nominalen Durchmessers, für den eine Einspannvorrichtung und ein Dichtring vorbereitet worden sind, aufgeladen werden kann und mit dem Dichtring kontinuierlich um den Außenumfang des Wafers in Kontakt ist. Es ist wichtig, daß der Kontakt mit dem Wafer kontinuierlich ist. Das Vorsehen von Ebenen und der Waferausrichtung ist für die Erfindung nicht kritisch.
Der Abstand D8 zwischen den Flächen 47 und 51 wird bei der Herstellung relativ zu dem Abstand D9 und der Dicke D10 des Wafers 29 gesteuert, um die Spaltabmessung D11 zwischen der Fläche 41 der CVD-Einspannvorrichtung und der Fläche 47 des Wafer-Dichtrings zu steuern. Beispielsweise ist für einen Wafer mit nominalem Durchmesser von 100 mm bei der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform D8 4,37 mm (172 Zoll) plus oder minus 0,0127 mm (0,0005 Zoll), von der Waferdicke D10 ist bekannt, daß sie von 0,602 mm (0,0237 Zoll) bis 0,648 mm (0,0255 Zoll) variiert, und D9 beträgt 3,81 mm (0,150 Zoll) plus oder minus 0,0127 mm (0,0005 Zoll). Der maximale Spalt D11 ist die maximale Waferdicke 0,648 mm (0,0255 Zoll), plus der maximalen D9-Abmessung von 0,3823 mm (0,1505 Zoll), weniger der minimalen D8-Abmessung von 4,356 mm (0,1715 Zoll), oder es ist D11 =
0,114 mm (0,0045 Zoll). Der minimale Spalt D11 ist die minimale Waferdicke 0,602 mm (0,0237 Zoll), plus der minimalen D9- Abmessung von 3,797 mm (0,1495 Zoll), weniger der maximalen D8- Abmessung von 4,382 mm (0,1725 Zoll), oder es ist D11 = 0,0178 mm (0,0007 Zoll). In Messungen eines verwendeten Systems mit Toleranzen gleich denen, die oben beschrieben sind, für einen nominalen Wafer von 100 mm wurde gefunden, daß die Spaltbreite D11 von 0,031 mm (0,0012 Zoll) bis 0,102 mm (0,004 Zoll) variiert; eine sehr gute Korrelation in der Praxis auf theoretische Toleranzen. Die Breite D6 der Fläche 47 zusammen mit dem Spalt D11 zwischen der Fläche 47 und der Fläche 51 bildet eine periphere Begrenzungsliniendichtung um den Wafer auf der Einspannvorrichtung, die, zusammen mit dem kontinuierlichen Kontakt zwischen der Fläche 51 und der Vorderseite des Wafers um den Außenumfang des Wafers herum eine Begrenzung für die Wanderung des Beschichtungsgases im Prozeß zur Kante oder der Rückseite eines Wafers bildet, der in der Umfangs-Waferdichtung gehalten wird.
Der Außendurchmesser der Fläche 51 des Dichtringes muß größer sein als der Außendurchmesser eines Wafers, der bearbeitet werden soll, und auch größer als der Durchmesser der angehobenen Fläche 43, und ein Ring 53 ist an der Kante des Wafers innerhalb des Dichtringes eingeschlossen. Die Breite dieses Ringes liefert eine lichte Weite für den Betrieb und muß auch größer sein als der Durchmesser der Stifte 61 und 63, die einen Wafer tragen, wenn die Wafer-Dichtvorrichtung offen ist. Die Breite des Ringes 53 bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt etwa 6 mm. Die Breite könnte größer oder kleiner sein, so lange der Ring nicht zu einer größeren Impedanz gegen den Gasstrom wird als die Begrenzungsliniendichtung.
Der Außenabschnitt 45 des Dichtringes 29 ist mit dem Innenabschnitt 49 durch eine gewinkelte Fläche 55 verbunden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Abmessung D12 für einen Wafer von 200 mm Durchmesser ungefähr 15 mm, und der Flächenwinkel 55 mit der Achse des Ringes beträgt etwa 45 Grad. Es ist gefunden worden, daß ein Winkel ein Vorteil in vielen CVD- Prozessen ist, um eine Störung mit dem Strom von Gasen zu der Vorderseite des Wafers zu vermeiden, was eine ungleichmäßige Verteilung des abgelagerten Materials verursachen könnte. Der Winkel jedoch kann so klein wie 20 Grad sein und kann fast an der Innenumfangsseite des Dichtringes beginnen. Die Dicke D13 des Innenabschnittes des Dichtringes bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt etwa 1,02 mm (0,040 Zoll), mit einer Rundung 57 von etwa 0,51 mm (0,020 Zoll) bei 45 Grad. Der relativ dünne Abschnitt und die Rundung helfen beide dabei, die Störung bei dem Strom der CVD-Gase zu der Vorderseite des Wafers während der Verarbeitung zu verhindern, insbesondere nahe der Kontaktfläche mit der Vorderseite des Wafers. Der massivere Außenabschnitt des Ringes liefert Stabilität während Temperaturausweichungen, die sonst den Ring verwerfen oder brechen könnten. Das Ringmaterial, wie das Material der Einspannvorrichtung, ist bei der bevorzugten Ausführungsform Monel-Material.
Die Schnittansicht der Figur 5 zeigt zusätzlich einen Gasdurchlaß 77, der von dem Durchlaß 79 in den Ring 53 führt. Inertgas strömt in den Ring 53 für Prozesse mit relativ hohem Druck, im allgemeinen einem Gesamtdruck oberhalb von 1 Torr, als eine Hilfe dabei, auszuschließen, daß Beschichtungsgas durch den Spalt zwischen den Flächen 41 und 47 der Begrenzungsliniendichtung fließt oder diffundiert. Beim Vorbereiten eines Prozesses für Wafer bei einem Niederdruckprozeß, im allgemeinen bei einem Gesamtdruck von unterhalb von 1 Torr, wird das Volumen der CVD- Kammer evakuiert, wodurch ein Vakuum eingerichtet wird. Der Vakuumpegel zwischen den Ablagerungszyklen beträgt typischerweise weise 1 Millitorr. Um die Ablagerung einzuleiten, werden CVD-Gase in die Kammer eingeführt. Wenn Gas zunächst in die CVD- Kammer geleitet wird, gibt es ein Druckdifferential zwischen dem Volumen 53 um die Kante eines Wafers herum, der auf einer Einspannvorrichtung durch einen Wafer-Dichtring eingeklemmt ist, und dem Rest der CVD-Kammer. Dieses Druckdifferential wird bewirken, daß Gas durch den Spalt D11 der peripheren Begrenzungsliniendichtung in das Ringvolumen 53 strömt. Die Strömung wird über der Zeit abnehmen, da der Druck in dem Volumen 53 ansteigen wird, was die Druckdifferenz in Richtung auf das Gleichgewicht verringert. Um das Einführen von Gas in das Volumen 53 zu verhindern, das die Ablagerung auf der Waferkante verursachen würde, ist das erste Gas, das typischerweise eingeführt wird, bevor die Ablagerung beginnt ein Inertgas, so wie Argon, ein Gas, das eine Ablagerung nicht bewirken wird. Das Gas, das das Material trägt, welches abgelagert werden soll, so wie Wolframhexafluorid für eine Ablagerung von Wolfram oder eine Legierung aus Wolfram, wird erst eingeführt, nachdem genug Zeit vergangen ist, damit sich das Druckgleichgewicht zwischen der Kammer und dem kleinen Volumen 53 um die Kante der Wafer auf den Einspannvorrichtungen eingerichtet hat.
Da zwischen dem kleinen Volumen um einen Wafer innerhalb des Dichtringes und dem Rest der CVD-Kammer durch die Einführung eines Inertgases Druckgleichgewicht eingerichtet ist, ist der einzige Mechnismus, durch den Material in das Volumen 53 eintreten und Ablagerung auf der Kante oder Rückseite eines Wafers verursachen könnte, durch Diffusion. Das Material bei der CVD-Verarbeitung wird als ein Gas eingeführt, so wie Wolframhexafluorid für Wolfram. Die CVD-Einspannvorrichtung und der Ring befinden sich auf einer hohen Temperatur, so wie 400 bis 600 Grad Celsius. Das CVD-Gas, das das Material trägt, welches beschichtet werden soll, wird in den Spalte D11 der Umfangsbegrenzungsliniendichtung aufgrund molekularer Diffusionswirkung bei der hohen Temperatur wandern, jedoch auch sich auf der Einspannvorrichtungsfläche 41 und der Ringfläche 47 in dem Spalt ablagern. Wenn die Spaltabmessung D11 relativ klein ist und die Spaltbreite D6 relativ groß ist, wird es eine hohe Wahrscheinlichkeit von Kollisionen von Gasmolekülen mit den Flächen 41 und 47 und eine hohe Wahrscheinlichkeit der Verarmung des Uberzugsmaterials in dem Spalt vor dem Erreichen des Volumens 53, wo der Überzug auf der Kante oder Rückseite eines Wafers ausgefällt werden könnte, geben.
Es ist in Versuchsablagerungsprozessen gefunden worden, daß bei einer Abmessung D6 von 10,67 mm (0,420 Zoll) für die Umfangsbegrenzungsliniendichtung und bei Gesamtprozeßdrücken bis hinauf zu etwa 1 Torr, der Spalt D11 sich von 0 bis etwa 0,279 mm (0,011 Zoll) ändern kann, bevor jegliche Anzeichen von Kantenbeschichtung auftreten. Dies ist ein Verhältnis von Breite zu Länge von etwa 38:1. Im allgemein ist es gefunden worden, daß, damit sie für Prozesse mit einem Totaldruck von etwa 1 Torr und darunter wirksam ist und ohne Inhibitionsgasstrom, die Umfangsbegrenzungsliniendichtung eine Breite zum Spaltverhältnis von mehr als 35:1 haben sollte, bevorzugt mehr als 38:1 und am meisten bevorzugt ein Verhältnis von 80:1 oder größer.
In der Praxis ist ein Spalt 0 nicht erreichbar, wegen der Realitäten der Verarbeitungstoleranzen, und der Tatsache, daß Störungen (Berühren) der Flächen 41 und 47 bedeutet, daß Druck auf der Fläche des Wafers entlastet worden ist, und die Fläche 51 nicht überall den Wafer kontaktieren wird. Die Abmessungen werden so gesteuert, daß der Spalt D11 der Umfangsbegrenzungsliniendichtung nicht kleiner als etwa 0,025 mm (0,001 Zoll) ist. Es ist bevorzugt, mit einem größeren Spalt zu arbeiten, der dem 35:1-Verhältnis von Breite zu Spaltabmessung gehorcht, da, wenn sich Material in dem Spalt ablagert, der Spalt kleiner wird, bis es notwendig wird, für eine Reinigungsoperation zu unterbrechen, um die ursprünglichen Abmessungen und Toranzen wieder herzustellen.
Für einen Prozeß, der einen Gesamtdruck von Prozeßgasen unterhalb 1 Torr erfordert, ist die Umfangswaferdichtung mit einer Begrenzungsliniendichtung wie oben beschrieben angemessen, um die Kanten- und Rückseitenbeschichtung auf Wafern zu verhindern. Für Prozesse, die einen Gesamtdruck des Prozeßgases oberhalb etwa 1 Torr erfordern, ist die Begrenzungsliniendichtung allein nicht immer adäquat, um der Kanten- und Rückseitenbeschichtung auf einem Wafer vorzubeugen. Für die Prozesse mit einem Gesamtdruck oberhalb 1 Torr wird ein Inertgas in den Ring 53 über Durchlässe 73, 75 und 77 geströmt.
Wenn kein Inhibitionsgas verwendet wird, ist das Verhältnis von Spalt zu Breite sehr wichtig, wie es beschrieben worden war und in der gemeinsam anhängigen Anmeldung, auf die durch Kreuzreferenz Bezug genommen worden ist, beansprucht war. Wenn Gas von hinter dem Dichtring eingeströmt wird, um Beschichtungsgase auszuschließen, ist die Situation etwas unterschiedlich. In dem Fall ist es wichtig, daß der Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) des Inhibitionsgases radial auswärts in dem Spalt D11 gleich oder größer als der Impuls des Beschichtungsgases ist, das in die entgegengesetzte Richtung diffundiert.
Das Beschichtungsgas ist typischerweise nicht das einzige Gas in der Mischung, das in eine CVD-Kammer für die Beschichtung eingegeben wird. Es gibt auch ein Trägergas, so wie Argon oder Wasserstoff. Die Diffusionsgeschwindigkeit des Beschichtungsgases wird sich abhängig von einer Anzahl von Variablen ändern, so wie dem Gesamtgasdruck, der Art des verwendeten Trägergases und der Temperatur. Ungeachtet des Trägergases jedoch muß, um gegen einen Strom von Inhibitionsgas zu diffundieren, das Beschichtungsgas in das Inhibitionsgas eindiffundieren.
Eine Diffusionskonstante ist ein Maß der erwarteten Diffusionsrate in alle Richtungen von einem Quellpunkt aus eines Gases in ein anderes Gas, und sie wird typischerweise in Einheiten von Quadratzentimetern pro Sekunde ausgedrückt. Diffusionskonstanten unter verschiedenen Bedingungen sind in der Technik bekannt und veröffentlicht, und es gibt Formeln, die in der Technik bekannt sind, zum Berechnen von Diffusionskonstanten. Diffusionskonstanten können auch durch verschiedene Techniken gemessen werden, so wie Einführen von Gas an einer Stelle in einem System und Messen der Anderung der Konzentration an einer anderen, so wie durch Gaschromatographie oder Massenspektrometrie. Es gibt auch Formeln, die in der Technik bekannt sind, zum Berechnen der Diffusionsgeschwindigkeit, wenn einmal ein guter Wert für die Diffusionskonstante bekannt ist. Eine solche Formel ist:
v = Quadratwurzel(2Dt) / t,
wobei v die mittlere Diffusionsgeschwindigkeit ist, D die Diffusionskonstante ist und t die Zeit ist.
Die Diffusionskonstante für Wolframhexafluorid bei 400 Grad Celsius in Argon bei einem Gesamtgasdruck von 1 Torr beträgt ungefähr 50 Quadratzentimeter pro Sekunde. Die Diffusionsrate is umgekehrt proportional zum Gesamtdruck, so daß für einen Druck von 30 Torr bei 400 Grad Celsius die Wolframhexafluorid-Konstante für Argon etwa 1,67 Quadratzentimeter pro Sekunde beträgt. Die Diffusionsgeschwindigkeit für Wolframhexafluorid in Argon ist dann etwa 1,8 cm pro Sekunde.
Die Geschwindigkeit für das Tnhibitionsgas kann aus der Formel
Q = (n) (v) (A)
berechnet werden, wobei Q der Strom ist, n die Konzentration ist und A der Querschnitt des Strömungspfades ist. Wenn zum Beispiel der Strom des Inhibitionsgases für einen Dichtring 50 sccm ist, der Radius des Dichtringes etwa 100 mm ist und der Spalt D11 etwa 0,1 mm (0,004 Zoll) ist, kann die Geschwindigkeit des Inhibitionsgases zu etwa 34 cm pro Sekunde berechnet werden.
Die Massenzahl für Wolframhexafluorid ist 300 und für Argon- Inhibitionsgas ist sie 40. Somit, bei gegebenen zuvor berechneten Geschwindkeiten ist der Impuls für Wolframhexafluorid in diesem Beispiel 540 und für das Inhibitionsgas 1360. Der Impuls für das Inhibitionsgas beträgt etwa 2,5mal dem Impuls für Wolframhexafluorid, wodurch eine bemerkbare Erwartung des Ausschlusses von Beschichtungsgas hinter dem Dichtring gegeben ist.
Die Breite des Spaltes sollte das Zehnfache der mittleren freien Weglänge oder mehr von Wolframhexafluorid bei gegebener Temperatur und Druck sein. Verfahren zum Berechnen der mittleren freien Weglänge unter verschiedenen Bedingungen sind in der Technik bekannt, und für Wolframhexafluorid beträgt die mittlere freie Weglänge bei 30 Torr und 40 Grad Celsius ewta 4 Mikrometer. Zehnmal vier Mikrometer ist 40 Mikrometer oder 0,04 mm (0,001 Zoll). Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Spaltlänge etwa 2 cm, was ausreichend für mehr als das zehnfache der mittleren freien Weglänge für den gesamten Bereich des Gesamtdruckes von 1 Torr bis zum atmosphärischen Druck ist.
Bei früheren Bemühungen durch die Erfinder, der rückseitigen Ablagerung durch Einführen eines Inertgases vorzubeugen, wurde Gas durch Durchlässe eingeführt, die direkt hinter dem Wafer endeten. Viele Experimente sind mit dem Inertgasstrom durchgeführt worden, sowohl mit als auch ohne Dichtringe und mit Gas, das auf verschiedene Weisen hinter einen Wafer eingeführt wurde, jedoch waren die Ergebnisse nur marginal erfolgreich. Zum Beispiel ist Gas, das während des Prozesses direkt hinter einen Wafer eingespeist worden ist, teilweise erfolgreich dahingehend gewesen, das Ablagern auf der Rückseite eines Wafers zu verhindern, es verhindert jedoch nicht die Kantenablagerung. Ein Wafer, in dieser Anordnung, ist auch schwer auf eine Einspannvorrichtung abzustützen, da der Gasstrom den Wafer weg von der Einspannvorrichtungsoberfläche bewegen wird. Darüberhinaus bewirkt die Waferbewegung ernsthafte Probleme bei der Temperaturgleichförmigkeit und somit bei der Gleichförmigkeit in der Dicke, da die Temperatur die Ablagerungsrate beeinflußt.
Das Halten eines Wafers gegen eine Einspannvorrichtung an mehreren Punkten um den Waferumfang ist auch mit einem Inertgasstrom hinter einem Wafer versucht worden, aber der ungleichmäßige Kraftaspekt hinter dem Wafer trägt wieder zu einer Ungleichmäßigkeit in der Temperatur bei und führt zu einem Fehlen der Gleichförmigkeit in der Dicke.
Um besser die Empfindlichkeit eines Wafers auf den Gasstrom zur Rückseite des Wafers zu veranschaulichen, sind die Ergebnisse früherer Experimente hier eingeschlossen. Figur 6 zeigt den Querschnitt von Figur 5, mit der Ausnahme, daß in Figur 6 ein Hohlraum 89 hinter dem Wafer eingearbeitet ist, und Gas zu dem Hohlraum durch einen Durchlaß 91 geführt wird. Die Tiefe D20 des Hohlraums 89 beträgt etwa 1,5 mm. Der Dichtring mit der Begrenzungsliniendichtung ist wie oben beschrieben, und der diametrale Abstand D21 beträgt etwa 7 mm, obwohl die Ergebnisse gezeigt haben, daß sie in bezug auf D21 relativ unempfindlich sind.
Figur 7 ist eine Auftragung der Wafertemperatur, gemessen durch Thermokopplungen an dem Mittelpunkt eines Wafers und in Intervallen von 20 mm in radialer Richtung für einen Decken-Wolframprozeß bei einem Gesamtdruck von 6,5 Torr, wobei die Vorrichtung gemäß der Figur 6 verwendet wurde. Die Argon-Stromrate, um Kanten- und Rückseitenablagerung vorzubeugen, wurde empirisch zu 300 sccm mit dieser Ausgestaltung bestimmt. Die Zeichnung 93 ist ohne Gasstrom. Die Gesamtabweichung in der Temperatur liegt über einem Bereich von etwa drei Grad Celsius. Andere experimentelle Messungen haben gezeigt, daß jeder Grad in der Temperaturabweichung zu einer Dickenabweichung von etwa 1 % führt. Somit ist die Dickenabweichung bei der obigen Anordnung akzeptabel, jedoch fördert das Fehlen von Gasstrom das unerwünschte Kanten- und Rückseitenbeschichten.
Die Auftragung 95 gilt für 25 sccm Argon, die Auftragung 97 für 50 sccm, die Auftragung 99 für 100 sccm, die Auftragung 101 für 150 sccm und die Auftragung 103 für 200 sccm für die Anordnung der Figur 6. Die Temperaturabweichung und somit die Dickenabweichung wird so gesehen, daß sie stetig schlechter wird, wenn der Strom zunimmt, so wie der in der Auftragung 103 mit 200 sccm Argonstrom, wobei die Dickenabweichung zu 15 % erwartet werden kann, eine Größe, die vollständig unakzeptabel ist. Noch sind die geforderten 300 sccm Argon, um das Kanten- und Rückseitenbeschichten zu verhindern, nicht erreicht worden.
Visuelle Beobachten während der Verarbeitung zeigt, daß der Wafer, obwohl er fest an dem Umfang gehalten wird, sich nach außen zum Zentrum ausbeult. Es wird vermutet, daß das Ausbeulen eine Nichtgleichförmigkeit bei der Wärmeübertragung erzeugt, was zu der Nichtgleichförmigkeit im Temperaturprofil und im Dickenprofil führt.
Figur 8 zeigt dieselbe Situation wie Figur 7, mit der Ausnahme, daß der Gesamtprozeßdruck 30 Torr beträgt. Die Auftragungen 105, 107, 109, 111, 113 und 115 sind für den Argonstrom von 0, 25, 50, 100, 150 und 200 sccm, wie zuvor. Wieder ist die Abweichung nominal ohne Strom und verschlechtert sich, wenn der Strom zunimmt, bis, bei 200 sccm, die Abweichung mehr als 20 Grad C beträgt.
Wenn Gas hinter einen Wafer eingeführt wird und der Wafer an der Einspannvorrichtung um den Umfang gehalten wird, mit oder ohne einen Hohlraum, so wie dem Hohlraum 89 in Figur 6, scheint die Begrenzungsliniendichtung nicht ein Hindernis für den Gasstrom zu begrenzen. Stattdessen scheint es, daß der Kontakt des Wafers zu der Einspannvorrichtung der begrenzende Einfluß ist und daß ein größerer Gasdruck erforderlich ist, um einen Strom zu erzwingen, der benötigt wird, den selben Strom durch nur die Begrenzungsliniendichtung zu zwingen, was somit das Krümmen des Wafers nach sich führt.
Mit der peripheren Einführung des Inhibitionsgases in den Ring 51, wie in Figur 5 gezeigt, ist die Begrenzungsliniendichtung die begrenzende Impedanz für den Gasstrom. Immer noch, bei 300 sccm, ist der Druck in den Ring 51 so bestimmt worden, daß er etwa 40 Torr für einen Gesamtprozeßdruck von 30 Torr beträgt, eine Differenz von etwa 10 Torr. Es ist bekannt, daß auf einen mikroskopischen Level der tatsächliche Kontakt des Wafers mit der Einspannvorrichtungsfläche, selbst mit der Fläche, die auf eine Ebenheit von 0,025 mm über die Oberfläche gehalten ist, ein Kontakt einer großen Anzahl von Punkten ist, und Gas kann zwischen der Waferfläche und der Einspannvorrichtungsfläche strömen. Gas mit 40 Torr vom Ring 51 strömt hinter den Wafer und richtet ein Gleichgewicht bei etwa 40 Torr ein, dem selben Druck wie in dem Ring 51. Dies ist ein viel geringerer Druck als der hinter dem Wafer mit dem Gas, wie es in Figur 6 eingeführt ist, und bewirkt kein Krümmen. Folglich geschieht der Wärmeübertrag durch Leitung durch das Gas hinter dem Wafer und ist sehr gleichförmig. Die Gleichförmigkeit wird bei den höheren Drücken vergrößert, da der intermolekulare Abstand (mittlere freie Weglänge) bei höherem Druck kleiner ist, und Leitung wird der hauptsächliche Mechnismus für die Wärmeübertragung von der Einspannvorrichtungsfläche zu dem Wafer.
Figur 9 ist ein Temperaturprofil mehrerer Experimente, die mit der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform wie oben beschrieben durchgeführt sind. Der Argongasstrom in den Ring 51 wurde von 1000 sccm in 500 sccm und auf 0 sccm für einen nackten Siliziumwafer geändert und in derselben Abstufung für einen mit Wolfram beschichteten Siliziumwafer. Für den nackten Wafer betrug die Temperaturabweichung etwa 3 Grad und war im wesentlichen dieselbe für alle drei Gasströme. Für den mit Wolfram beschichteten Wafer betrug die Temperaturabweichung etwa 5 Grad und änderte sich wiederum nicht für die drei Strömungspegel. Dieses Ergebnis zeigt, daß die Temperaturabweichung im wesentlichen unabhängig von der Gasströmung an den Dichtring bei der bevorzugten Ausführungsform ist, obwohl es etwas Abhängigkeit vom Beschichtungsmaterial gibt, wahrscheinlich aufgrund eines Unterschiedes in der Emissionsfähigkeit.
Figur 10 ist eine Tabelle von Gleichförmigkeitsmessungen, die bei Wafern gemacht wurden, die in einem Ti/Wolfram-Prozeß bei einem Gesamtprozeßdruck von 30 Torr mit der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform abgelagert worden sind, und einem Gasstrom von 300 sccm an den Dichtring. Die Gleichförmigkeit bei irgendeinem Wafer wird als innerhalb von 2,9 % (1 Sigma) gesehen, von Wafer-zu-Wafer innerhalb von 6 % und von Lauf zu Lauf innerhalb von 0,5 %.
Es gibt einen zusätzlichen Vorteil für die Gasströmung mit der Begrenzungsliniendichtung relativ zu der Gleichförmigkeit des Überzugs. Typischerweise wird der Dichtring durch die Annäherung an die CVD-Einspannvorrichtung erwärmt, und die kleine Abmessung der Begrenzungliniendichtung erleichtert diesen Erwärmungseffekt. Idealerweise sollte der Ring auf derselben Temperatur sein wie die CVD-Einspannvorrichtung und der Wafer. Aufgrund der relativ großen Oberfläche des Ringes jedoch und der Tatsache, daß er die Einspannvorrichtung nicht direkt kontaktiert, kann der Ring als eine Wärmesenke wirken, wo er den Wafer kontaktiert, und Wärme von dem Wafer abziehen, wodurch eine kreisförmige Fläche niedriger Temperatur auf dem Wafer nahe dem Ring erzeugt wird. Die Temperaturänderung kann eine Änderung der Ablagerungsrate verursachen und die Gleichförmigkeit und Qualität des Überzugs über den Wafer bewirken. Der typische Weg, diesen Effekt zu behandlen, ist es, eine ausreichende Zeit zuzulassen, damit das Temperaturgleichgewicht eingestellt wird. Es ist in der Praxis verzeichnet worden, daß die Strömung von Inertgas, die zu einem lokalen hohen Gasdruck in der Fläche der Begrenzungsliniendichtung führt, einen effizienteren Übergang der Wärme von der CVD-Einspannvorrichtung zu dem Dichtring als ohne den Gasstrom führt, wobei die gleichförmige Änderung aufgrund des Wärmesenkeneffektes verbessert wird.
Der Durchschnittsfachmann wird bemerken, daß es viele Anderungen gibt, die bei den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gemacht werden können. Beispielsweise gibt es eine Anzahl unterschiedlicher Gasarten, die als das Inhibitionsgas verwendet werden könnten. Argon wird bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet, jedoch könnten Stickstoff oder einige andere Inertgase geeignet sein. Ähnlich gibt es viele Wege, auf denen die CVD-Kammer aufgebaut werden könnte und weiter so ausgestattet werden könnte, daß sie einen Wafer mit einer Umfangswaferdichtung, einer Begrenzungsliniendichtung, halten könnten, und ein Inhibitionsgasstrom wie in der Erfindung vorliegt. Das Gas muß zu der Ringfläche um den Wafer geführt werden, der in einem Umfangswaferdichtring gehalten wird, jedoch kann die Anzahl und Position von Durchlässen, durch die eingetreten wird, weit variieren. Die Erfindung ist auch nicht auf eine bestimmte Wafergröße beschränkt. Eine Ausrüstung entsprechend der Erfindung kann aufgebaut werden, um Wafer jeglicher Größe zu bearbeiten, die für die Herstellung integrierter Schaltungen praktisch sind.
Die Begrenzungsliniendichtung, die bei Prozessen benutzt wird, für die der Gesamtdruck unterhalb 1 Torr liegt und die ohne Inhibitionsgas geführt werden, erfordert ein Breiten-zu-Längenverhältnis von 35:1 oder größer, mit einem Inhibitionsgas jedoch kann der Spalt breiter und die Breite enger sein und arbeite dennoch, solange ausreichend Inhibitionsgas eingeströmt wird, so daß der Impuls für das Inhibitionsgas größer als der Impuls für das Beschichtungsgas ist, das ausgeschlossen werden soll.

Claims

1. Vorrichtung zum Verhindern des Beschichtens von Kanten und Rückseiten bei einem Wafer während eines CVD-Prozesses, mit:

einer CVD-Einspanneinrichtung zum Halten eines Wafers während eines Ablagerungsprozesses;

einer Wafer-Dichtringeinrichtung zum Halten des Wafers gegen die CVD-Einspanneinrichtung, wobei die Wafer-Dichtringeinrichtung den Wafer um den Außenumfang des Wafers auf der Seite des Wafers, die weg von der CVD-Einspanneinrichtung liegt, berührt, wobei ein Ringvolumen um den Wafer gebildet wird und wobei eine Dichtung nahe der Umfangsbegrenzungslinie mit einer Fläche der CVD-Einspanneinrichtung außerhalb der Umfangsbegrenzungslinie des Wafers gebildet wird; und einer Gaszufuhreinrichtung zum Zuführen von Inhibitionsgas zu dem Ringvolumen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Trägereinrichtung aufweist, welche an dem Wafer-Dichtring befestigt ist, um den Wafer-Dichtring zu tragen und zu bewegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin aufweist:

eine Führungseinrichtung, die an der Trägereinrichtung befestigt ist, um die Trägereinrichtung auf die CVD-Einspanneinrichtung zu und von ihr weg zu führen;

eine Antriebseinrichtung zum Vortreiben der Trägervorrichtung in Richtung auf die CVD-Einspanneinrichtung und zum Zurückziehen der Trägereinrichtung von der CVD-Einspanneinrichtung; und

eine Druckeinrichtung, die der Trägereinrichtung zugeordnet ist, um den Wafer-Dichtring gegen den Wafer auf der CVD-Einspanneinrichtung zu drücken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dichtung nahe der Umfangsbegrenzungslinie eine erste Fläche auf dem Dichtring und eine zweite Fläche auf der CVD-Einspannvorrichtung aufweist, wobei die erste Fläche in ihrer Form im wesentlichen der zweiten Fläche angepaßt ist und von der zweiten Fläche um einen Abstand X über eine radiale Länge Y getrennt ist, so daß der Abstand X multipliziert mit dem Volumenstrom des Inhibitionsgases in der nahe liegenden Dichtung einen Impuls für das Inhibitionsgas liefert, der größer ist als der Impuls für ein Beschichtungsgas in der entgegengesetzten Richtung während der Bearbeitung, und die radiale Länge Y gleich oder größer ist als das Zehnfache der mittleren freien Weglänge des Beschichtungsgases in der nahe angeordneten Dichtung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die erste Fläche und die zweite Fläche beide ebene Flächen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die CVD-Einspanneinrichtung einen Durchlaß in das Ringvolumen aufweist und bei der die Gaszufuhreinrichtung das Inhibitionsgas durch den Durchlaß leitet.

7. Verfahren zum Verhindern der CVD-Ablagerung auf den Kanten und auf der Rückseite eines Wafers während der CVD-Bearbeitung, mit den Schritten:

Auflegen eines Dichtringes über den Wafer;

Zwingen des Dichtringes gegen den Wafer, um die Rückseite des Wafers gegen ein CVD-Spannfutter zu drücken, wobei der Dichtring die Vorderseite des Wafers um den Außenumfang des Wafers herum berührt, wobei eine Dichtung nahe der Umfangsbegrenzungslinie mit dem CVD-Spannfutter gebildet wird und ein Ringvolumen zwischen dem Dichtring und dem Wafer gebildet wird; und

Einströmen von lnhibitionsgas direkt in das Ringvolumen.

8. System zum Durchführen eines CVD-Prozesses auf einem Wafer, mit:

einer CVD-Kammer;

einer CVD-Einspanneinrichtung innerhalb der CVD-Kammer zum Halten des Wafers während der Bearbeitung;

einer Heizeinrichtung zum Erhitzen des Wafers während der Bearbeitung;

einer Prozeßgas-Strömungseinrichtung zum Einströmen von Prozeßgas in die Kammer während des Bearbeitens;

einer Umfangsbegrenzungslinien-Wafer-Dichteinrichtung zum Erzeugen einer Dichtung um den Wafer herum und zwischen dem Wafer und der CVD-Einspanneinrichtung; und

einer Gaszufuhreinrichtung zum Zuführen eines Inhibitionsgases durch die CVD-Einspanneinrichtung;

wobei die Umfangsbegrenzungslinien-Wafer-Dichteinrichtung aufweist:

einen Wafer-Dichtring zum Halten des Wafers gegen die CVD- Einspanneinrichtung; und

wobei der Wafer-Dichtring den Wafer ununterbrochen um den Außenumfang des Wafers herum berührt, auf der Seite des Wafers, die weg von der CVD-Einspannvorrichtung liegt, wobei ein Ringvolumen um den Wafer gebildet wird und wobei eine Dichtung nahe der Umfangsbegrenzungslinie mit der CVD-Einspanneinrichtung außerhalb der Umfangsbegrenzungslinie des Wafers gebildet wird, wobei die Gaszufuhreinrichtung dem Ringvolumen Inhibitionsgas zuführt.

9. System nach Anspruch 8, das weiterhin eine drehbare Nabe innerhalb der CVD-Kammer aufweist, wobei die CVD-Einspanneinrichtung an der drehbaren Nabe befestigt ist.

10. System nach Anspruch 8, das weiter aufweist:

eine Trägereinrichtung, die an dem Wafer-Dichtring befestigt ist, um den Wafer-Dichtring zu tragen und zu bewegen;

eine Antriebseinrichtung zum Vortreiben der Trägereinrichtung auf die CVD-Einspanneinrichtung zu und zum Zurückziehen der Trägereinrichtung von der CVD-Einspanneinrichtung; und

einer Druckeinrichtung, die der Trägereinrichtung zugeordnet ist, um den Wafer-Dichtring gegen den Wafer auf der CVD-Einspanneinrichtung zu drücken.

11. System nach Anspruch 8, bei dem die Dichtung in der Nähe der Umfangsbegrenzungslinie eine erste Fläche auf dem Dichtring und eine zweite Fläche auf der CVD-Einspanneinrichtung aufweist, wobei die erste Fläche in ihrer Form im wesentlichen der zweiten Fläche angepaßt ist und von der zweiten Fläche um einen Abstand X über eine radiale Länge Y getrennt ist, so daß der Abstand X multipliziert mit dem Volumenstrom des Inhibitionsgases in der nahe liegenden Dichtung einen Impuls für das Inhibitionsgas liefert, der größer ist als der Impuls für ein Beschichtungsgas in der entgegengesetzten Richtung während der Bearbeitung, und die radiale Länge Y gleich oder größer als das Zehnfache der mittleren freien Weglänge des Beschichtungsgases in der nahe liegenden Dichtung ist.

12. System nach Anspruch 11, bei dem erste Fläche und die zweite Fläche beide ebene Flächen sind.