DE69230401T2

DE69230401T2 - Cvd-vorrichtung und verfahren mit primärström

Info

Publication number: DE69230401T2
Application number: DE69230401T
Authority: DE
Inventors: Bois Dale R Du; Arthur J Learn; Nicholas E Miller; Richard A Seilheimer
Original assignee: ASML US Inc
Current assignee: ASML US Inc
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2012-04-10
Also published as: JP3193716B2; AU1902692A; WO1992019790A2; US5320680A; CA2109198A1; CA2109198C; KR100267520B1; JPH06507047A; EP0585343B1; EP0585343A1; EP0585343A4; WO1992019790A3; DE69230401D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zur chemischen Dampfabscheidung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Dampfabscheidung von sehr gleichmäßigen Überzügen aus ausgewählten Elementen und Verbindungen auf Substraten mit stark verringerter Teilchenverunreinigung der Oberflächen, die beschichtet werden.
Chemische Dampfabscheidung (CVD) ist ein Verfahren zum Abscheiden von festem Material aus der Gasphase auf einem Substrat durch eine chemische Reaktion. Die eingesetzte Abscheidungsreaktion ist im Allgemeinen thermische Zersetzung, chemische Oxidation oder chemische Reduktion.
Die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist eine CVD-Vorrichtung, die primär zur Beschichtung von Halbleiter-Wafers bei der Herstellung von elektronischen Halbleiter- Bauelementen und Energieumwandlungsvorrichtungen dienen.
Mit der zunehmenden Reduktion der Größe von Komponenten integrierter Schaltungen und der Vervielfachung der Anzahl an Komponenten pro Chip sind die Verunreinigung mit Teilchen und die resultierenden Fehler der Vorrichtungen zu einem immer ernsteren Problem geworden. Bei vertikalen und horizontalen Rohrreaktoren werden Waferschiffchen-Anordnungen eingesetzt, die durch Roboter in einer staubfreien Umgebung beladen werden können, wodurch die Verunreinigung mit Teilchen aus der Umgebung verringert wird. Diese Reaktoren erzeugen jedoch im Beschichtungsverfahren Teilchenverunreinigungen.
Das CVD-Abscheidungsverfahren selbst ist eine Hauptquelle für Teilchen, die Waferoberflächen verunreinigen, Fehler verursachen und die Produktionsausbeuten an hochentwickelten Vorrichtungen beeinträchtigen können. Bei Reaktionen wie beispielsweise der chemischen Dampfabscheidung von Siliziumnitrid werden z. B. Dichlorsilan und Ammoniak erhitzt, um ein Reaktionsgemisch zu bilden, das die Waferoberfläche mit Siliziumnitrid beschichtet. Dichlorsilan und Ammoniak beginnen zu reagieren und bilden Teilchen, sobald die Gasgemische eine Schwellenreaktionstemperatur erreichen, und mit den bisher verfügbaren Reaktoren ist Teilchenverunreinigung unvermeidlich. Bei pyrolytischen Reaktionen, wie z. B. der Abscheidung von Polysilizium aus gasförmigen Silanen, hat sich beispielsweise die Teilchenbildung und Verunreinigung der Waferoberflächen als Hauptproblem erwiesen. Sowohl das Überhitzen der nicht an der Waferoberfläche befindlichen Reaktanden als auch das Vorhandensein von Rezirkulations- oder Stagnationszonen im Reaktionsgefäß tragen zur Teilchenbildung bei. Die Bildung von Teilchen, welche die Halbleiterprodukte verunreinigen können, stellt auch bei anderen Arten von Niederdruckreaktionen ein Problem dar.
Die/das verbesserte CVD-Vorrichtung und Verfahren gemäß vorliegender Erfindung verringert die Teilchenbildung und die Verunreinigung von Waferoberflächen durch Teilchen wesentlich.
Es sind Heißmantel-CVD-Systeme bekannt, bei denen Rohrreaktoren sowohl in vertikaler (wie beispielsweise in der US-A-4.926.793 und der US-A-4.807.562 beschrieben) als auch in horizonaler Konfiguration (wie beispielsweise in der US-A-4.793.283 beschrieben) eingesetzt werden. Bei diesen Systemen werden die Wafer in einem Waferschiffchen in einem Stapel getragen, wobei die Stapelachse parallel zur Rohrachse verläuft. Die Reaktionszone, in der die Wafers angeordnet sind, wird durch äußere Quellen, wie z. B. Widerstandsheizspulen, erhitzt, und die Reaktionsgase werden erhitzt, wenn sie stromauf von den Wafers in das Rohr eintreten. Bei den vertikalen Systemen werden die vorbeladenen Waferschiffchen typischerweise aus einer Position unterhalb der Reaktoren in eine Position in der Reaktionszone hochgehoben. Bei diesen kommerziellen Systemen ermöglicht die Konfiguration des Reaktors Wirbel, Verwirbelungen und zirkulierende Gasbewegungen, die das Anwachsen mitgeführter Teilchen und die Verunreinigung von Halbleiterwaferoberflächen fördern.
Die Reaktanden werden auf Reaktionstemperaturen erhitzt, bevor sie die Waferoberflächen erreichen, wodurch Gasphasenreaktionen in Gang gesetzt werden, die Teilchen erzeugen, die im Gasstrom mitgeführt und auf den Waferoberflächen abgeschieden werden. Außerdem werden bei manchen Reaktorkonstruktionen die Reaktanden abgereichert, wenn die Reaktionsgase einen Stapel entlang strömen, was zu verringerten Abscheidungsraten und verminderten Beschichtungsdicken führt. Um die Gleichmäßigkeit der Waferbeschichtung beizubehalten, wird diese Erschöpfung durch Erhöhen der Gastemperaturen (und Reaktionsgeschwindigkeiten) entlang der Stapel ausgeglichen. Die Gase werden darin auf Temperaturen erhitzt, die weit über den Reaktionsschwellentemperaturen liegen. Durch diese unvermeidliche Überhitzung wird auch die Abscheidungsreaktion nicht an der Waferoberfläche in Gang gesetzt und fortgeführt, wodurch verunreinigende Teilchen erzeugt werden. In der US-A-4.926.793 wird laminare Strömung über die Wafers geoffenbart.
Die JP-A-2103934 offenbart eine Wärmebehandlungsvorrichtung zur Durchführung von CVD. Die Vorrichtung weist einen vertikalen Rohrreaktor auf, der von einem wärmeisolierenden Zylinder umgeben ist. Substrate zur Bearbeitung werden in den Rohrreaktor geladen. Reaktionsgase werden in das untere Ende des Rohrreaktors eingeleitet, steigen durch das Rohr hoch und werden am oberen Ende des Rohres abgegeben.
Die CVD-Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, wie in Anspruch 1 dargelegt, umfasst einen Heißmantel-Rohrreaktor, zumindest eine Vorheizeinrichtung für das Reaktionsgas sowie einen Reaktionsgas-Abgabeauslass. Das Heißmantel-Rohrreaktormittel umschließt eine Waferschilichenzone mit einem Durchgang zwischen der Zone und dem Rohrreaktor. Die Schiffchenzone dient zur Aufnahme eines Waferschiffchens, das mit einem Stapel paralleler Substrate vorgeladen ist, die zu beschichten sind, wobei die Waferoberflächen im Wesentlichen im rechten Winkel zur Mittelachse des Rohrreaktors stehen, wobei die Waferschiffchenzone eine stromauf gelegenes Ende und ein stromab gelegenes Ende aufweist. Die Vorheizeinrichtung für Reaktionsgas kann ein Mittel umfassen, um Reaktionsgas vorzuheizen (und kann Mittel zum getrennten Vorheizen von Reaktionsgasen aufweisen), und um es/sie in eine Mischzone einzubringen, die ganz nahe beim stromauf gelegenen Ende angeordnet ist, und auch um gegebenenfalls Reak tionsgase in der Nähe des stromab gelegenen Endes der Waferschiffchenzone einzubringen.
Um das Ziel der Erfindung zu erreichen, weisen die Enden der Kammer Scheiben in einer im Wesentlichen wirbelfreien Beziehung mit dem stromauf befindlichen und dem stromab befindlichen Ende der Waferschiffchenzone auf. Das ergibt eine im Wesentlichen laminare Strömung im Durchgang vom stromauf zum stromab gelegenen Ende der Zone. Eine der stromauf und der stromab gelegenen Scheiben umfasst einen Rohrflansch, der so angeordnet ist, dass er sich in einer im Wesentlichen wirbelfreien Beziehung mit dem jeweiligen Ende der Waferschiffchenzone befindet. Die andere der stromauf und der stromab gelegenen Scheiben ist eine Sockelscheibe.
Die Scheiben liegen an den Enden der Waferschiffchenzonen an oder sehr nahe davon, so dass jeglicher Raum für Wirbel an dieser Stelle minimiert wird.
Die CVD-Vorrichtung ist in einem Außenrohr eingeschlossen, das eine Vakuumkammer definiert, wobei sich zwischen dem Rohrreaktor und dem Außenrohr ein Raum befindet. Der Raum weist eine Einlassöffnung auf, die mit dem Ende der Waferschiffchenzone kommuniziert, wobei sich das Ende in im Wesentlichen wirbelfreier Beziehung mit dem Rohrflansch befindet. Die Reaktionsgas-Vorheizeinrichtung kann eine primäre Reaktionsgas-Vorheizeinrichtung umfassen, die eine abnehmbare, doppelwandige, zylindrische Heizvorrichtung mit inneren Oberflächenverformungen umfasst, die für eine Oberfläche sorgen, die so gewählt ist, dass sie eine vorbestimmte Wärmemenge auf Reaktionsgas überträgt, das über die Innenflächenverformungen strömt. Die Vorrichtung kann auch eine sekundäre Reaktionsgas-Vorheizeinrichtung umfassen, die ein Heizrohr mit einer abnehmbaren Prallplatte umfasst, deren Oberfläche so gewählt ist, dass sie eine vorbestimmte Wärmemenge auf Reaktionsgas überträgt, das über die Oberfläche der Prallplatte strömt. Vorzugsweise weisen die doppelwandige zylindrische Heizvorrichtung und das Heizrohr jeweils eine Vielzahl von Gasinjektorauslassöffnungen auf. Die Auslassöffnungen der zylindrischen Heizvorrichtung und die Auslassöffnungen des Heizrohres weisen vorzugsweise jeweils einander schneidende Mittelachsen auf, die so angeordnet sind, dass sie sofortige Vermischung von daraus injizierten Gasen bewirken.
Zusammengefasst umfasst das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung zur chemischen Dampfabscheidung das Erhitzen eines Reaktionsgases unmittelbar stromauf von einer Reaktionszone, die zu beschichtende Wafers enthält; das sofortige Vorbeiführen des erhitzten Reaktionsgases an den Wafers in der Reaktionszone in laminarer Strömung, worin die Reaktionsgase ohne wesentliche Wirbel oder Turbulenzen im Wesentlichen in laminarer Strömung gehalten werden; sowie das Entfernen der Reaktionsgase aus der Reaktionszone unmittelbar nachdem sie die Reaktionszone passiert haben. Gegebenenfalls kann vorgeheiztes Reaktionsgas auch am stromab gelegenen Ende der Reaktionszone eingebracht werden, die zu beschichtende Wafers enthält.
Ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung zur chemischen Dampfabscheidung unter Einsatz reaktiver Gase, wie in Anspruch 12 dargelegt, umfasst:
a) das Anordnen von Substraten (14, 134) in einer Waferschiffchenzone (12, 132) eines Heißmantel-Rohrreaktors (22, 142), wobei der Rohrreaktor eine Reaktionskammer mit einer Mittelachse definiert, wobei ein Außenrohr (2, 122) den Heißmantel-Rohrreaktor (22, 142) umschließt und eine Vakuumkammer definiert, wobei die Substratoberflächen im wesentlichen rechtwinkelig zur Mittelachse der Kammer stehen, wobei die Waferschiffchenzone ein stromauf gelegenes Ende und ein stromab gelegenes Ende aufweist, wobei der Rohrreaktor (22, 142) einen Durchgang zum Hindurchleiten von Reaktionsgas aus einer Vorheizeinrichtung (40) zu einem Gasauslass (28) durch die Waferschiffchenzone (12) über einen ringförmigen Einlass und einen ringförmigen Auslass der Kammer definiert, wobei der ringförmige Einlass und der ringförmige Auslass stromauf und stromab gelegene Scheiben (32, 152, 16, 136) an den Enden der Waferschiffchenzone (12, 132) umgeben, wobei sich zwischen dem Rohrreaktor (22, 142) und dem Außenrohr (2, 122) ein Raum (28, 148) befindet, der mit dem ringförmigen Einlass oder Auslass kommuniziert, wobei eine der stromauf und stromab gelegenen Scheiben eine Sockelscheibe (32, 152) umfasst und die andere der stromauf und der stromab gelegenen Scheiben (16, 136) einen Rohrflansch (18, 138) mit einer gekrümmten Oberfläche (20, 140) aufweist, der sich vom jeweiligen Ende der Waferschiffchenzone zum Außenrohr erstreckt, um den Gasstrom zwischen den Raum (28, 148) und das jeweilige Ende der Waferschiffchenzone zu lenken,
b) das Vorheizen des Reaktionsgases;
c) das Leiten des Reaktionsgases in im wesentlichen laminarer Strömung vom ringförmigen Einlass den Durchgang (22, 142) von seinem stromauf zu seinem stromab gelegenen Ende entlang zum ringförmigen Auslass, parallel zur Mittelachse der Reaktionskammer an der Zone (12, 132) vorbei.
Vorgeheiztes Reaktionsgas kann gegebenenfalls zusätzlich am stromab gelegenen Ende der Reaktionszone eingeleitet werden, die zu beschichtende Wafers enthält.
Die Verfahren gemäß vorliegender Erfindung werden vorzugsweise mit der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung durchgeführt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine rohrförmige CVD-Vorrichtung bereitzustellen, welche die Verunreinigung durch Teilchen verhindert, indem sie den vorgeheizten Reaktionsgasstrom durch die Reaktionskammer hindurch in einem laminaren Strömungsmuster hält, das im Wesentlichen frei von Wirbeln ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine CVD-Vorrichtung bereitzustellen, die Verunreinigung durch Teilchen verringert, indem reaktive Gase getrennt vorgeheizt und unmittelbar stromauf von den zu beschichtenden Waferflächen vermischt werden.

In den Zeichnungen:

ist Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer CVD-Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung.
ist Fig. 2 eine Teilquerschnittsansicht der Basis der CVD-Vorrichtung aus Fig. 1, die Details des Verfahrensgaseinlasses zum primären Injektor und Dichtungen zeigt.
ist Fig. 3 eine Teilquerschnittsansicht der Basis der CVD-Vorrichtung aus Fig. 1, die Details des Verfahrensgaseinlasses zum sekundären Injektor und Dichtungen zeigt.
ist Fig. 4 eine Querschnittsansicht der CVD-Vorrichtung aus Fig. 1 ist, die das Waferschiffchen und die Stützbasis in einer teilweise entfernten Position zeigt.
ist Fig. 5 eine Querschnittsansicht der CVD-Vorrichtung aus Fig. 1 nach dem vollständigen Entfernen von Waferschiffchen und Stützbasis, die die Trennung des unteren Abschnitts des Gehäuses vom oberen Abschnitt zwecks Zugang zum Vakuumrohr zur Wartung zeigt.
ist Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer CVD-Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Reaktionsgasströmungsmusterrichtung aufweist, die dem Strömungsmuster des Reaktionsgases in der Ausführungsform aus Fig. 1 entgegengesetzt ist.

Beste Durchführungsart der Erfindung

Die CVD-Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist ein Heißmantel-Rohrofen, der eine horizontale Ausrichtung haben kann und vorzugsweise die bevorzugte vertikale Ausrichtung hat. Die Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung erfolgt nachstehend unter Bezugnahme auf eine axial-vertikale Ausrichtung. Die Konstruktion eignet sich jedoch gleichermaßen für eine nicht-vertikale axiale Ausrichtungen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung umfasst alle Ausrichtungen der Vorrichtung.
Ein entscheidendes Merkmal der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist eine Konstruktion, die für eine laminare Gasströmung durch die Reaktionskammer mit einem Minimum an Gaswirbelmustern oder -verwirbelungen sorgt, welche die Verweilzeit von Molekülen in der Reaktionszone erhöhen könnten. Das ist erreicht worden, indem mehrere Komponenten der Vorrichtung so modifiziert wurden, dass mehrere neue und erfinderische Kombinationen bereitgestellt werden, die allein und gemeinsam zur Erreichung dieses Ziels beitragen.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer CVD-Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Aufwärtsströmung von Reaktionsgasen entlang einer Waferstapelzone aufweist. Das Vakuumkammerrohr 2 ist in einem zylindrischen Heizeinrichtungsgehäuse 4 mit Viderstandsheizelementen 6 eingeschlossen. Die Endabschnitte 8 und 10 der Widerstandsheizelemente sind weniger weit beabstandet, um an den Enden der Reaktoranordnung, die Stellen des maximalen Wärmeverlusts aus der Reaktionszone sind, mehr Wärme bereitzustellen. Dadurch kann gegebenenfalls über die gesamte Reaktionszone für eine gleichmäßigere und beinahe isotherme Temperatur gesorgt werden.
Die Waferschiffchenzone 12 ist durch einen Stapel Wafers 14 dargestellt. Das obere Ende des Vakuumkammerrohres umfasst eine Mittelscheibe 16, die am oberen (stromab gelegenen) Ende der Waferschiffchenzone 12 anliegt oder sehr nahe daran liegt, um Wirbelraum zwischen der Scheibe und der Deckfläche eines Waferschiffchens darin zu minimieren oder zu beseitigen. Der gekrümmte Rohrflansch 18 erstreckt sich vom Umfang der Kopfscheibe 16 zum oberen (stromab gelegenen) Ende des Vakuumkammerrohres 2 und verschließt das Ende des Vakuumkammerrohres. Die Innenfläche 20 des Rohrflansches 18 ist vorzugsweise gekrümmt, beispielsweise in Form eines Torusabschnitts, um ein laminares Strömungsmuster von Gasen beizubehalten, die dadurch gelenkt wird, und um den Halt für die Kopfscheibe 16 unter einer Vakuumbelastung zu verstärken.
Die Reaktionszone, welche die Waferschiffchenzone umgibt, ist durch den zylindrischen Rohrreaktor 22 definiert. Das Rohr 22 erstreckt sich von einer Basis 24 zu einer Position, die zur gekrümmten Oberfläche 20 des Rohrflansches 18 benachbart ist. Das obere (stromab gelegene) Ende 26 von Rohr 22 und die gegenüberliegende Oberfläche 20 definieren eine Auslassöffnung zum Entfernen von Reaktionsgasen aus der Reaktionszone. Der Raum 28 zwischen dem Rohrreaktor 22 und dem Vakuumkammerrohr 2 definiert eine zylindrische Abgasleitung zum Entfernen von Gas aus der Auslassöffnung an das Abgassammler des Vakuumabgassystems 30. Der Sammler 30 kommuniziert mit einem herkömmlichen (nicht dargestellten) Vakuumpumpensystem.
Die Sockelscheibe 32 trägt das Waferschiffchen und steht entweder mit der Unterseite des darauf getragenen Waferschiffchens in Kontakt oder ist unmittelbar benachbart, um zu verhindern, dass ein Raum entsteht, in dem Reaktionsgasvirbel auftreten können.
Die Sockel- oder Basisscheibe 32 kann der Verschluss am oberen Ende eines sekundären Reaktionsgasinjektors sein, der durch den sekundären Heizeinrichtungszylinder 34 definiert ist. Die abnehmbare Prallplatteneinheit 36 ist im sekundären Reaktionsgasinjektor eingeschlossen, um hindurchtretendes Reaktionsgas zu erhitzen. Sie ist so konstruiert, dass sie jene Oberfläche besitzt, die erforderlich ist, uni durch die sekundäre Heizeinrichtung hindurchtretendes Reaktionsgas auf die gewünschte Austrittstemperatur zu erhitzen. Wenn mehr oder weniger Wärme erforderlich ist, kann die Prallplatteneinheit 36 durch eine Prallplatteneinheit ersetzt werden, die eine größere bzw. kleinere Oberfläche oder Gaskontaktfläche aufweist. Sekundäre Reaktionsgasinjektoren oder Auslassöffnungen 38 führen erhitztes Reaktionsgas in die Reaktionszone.
Die abnehmbare primäre Reaktionsgasheizeinrichtung 40 umfasst zwei koaxiale zylindrische Wände, die einen zylindrischen Durchgang definieren. Die Fläche der inneren (gegenüberliegenden) Oberfläche der Wände wird durch Klötze 41 und 43 oder andere Vorsprünge erhöht. Sie ist so beschaffen, dass sie für die Fläche sorgt, die erforderlich ist, um durch die primäre Heizeinrichtung hindurchtretendes Reaktionsgas auf die gewünschte Austrittstemperatur zu erhitzen. Wenn mehr oder weniger Wärme erforderlich ist, kann die primäre Reaktionsgasheizeinrichtung 40 durch eine Anordnung mit einer Einheit ersetzt werden, die so geformt ist, dass sie eine größere bzw. kleinere Oberfläche oder Gaskontaktfläche aufweist. Primäre Reaktionsgasinjektoren 42 führen erhitztes Reaktionsgas in die Reaktionszone.
Die Strömungsachse der primären Gasinjektoren 42 und die Strömungsachse der sekundären Gasinjektoren 38 sind so angeordnet, dass sie sofortige Vermischung der daraus abgegebenen vorgeheizten Reaktionsgase bewirken, wobei sich die Achsen vorzugsweise schneiden. Das ist notwendig, um eine Beschichtungsreaktion zweier miteinander reagierender Gase mit den am weitesten stromauf gelegenen Wafers zu bewirken, da sie in unmittelbarer Nähe zu den Gasinjektoren angeordnet sind. Optimalerweise ist eine ringförmige Mischzone 44 durch die Oberfläche 46 der sekundären Heizeinrichtung, die Oberfläche 48 der primären Heizeinrichtung und einen Wandbereich 50 des benachbarten Rohreaktors 22 definiert. Die Injektoren 38 und 42 öffnen sich in die Mischzone 44 und bewirken sofortige Vermischung von Reaktionsgasen, die in dieser Zone daraus abgegeben werden. Die Gase treten mit der gewünschten Reaktionstemperatur aus.
Die Heizoberflächen der primären und sekundären Gasheizeinrichtungen und die unteren Bereiche der Rohrreaktor-Wände werden durch die Heizelemente 10 und die Reaktionsgas-Abgase erhitzt, welche die Abgasleitung oder den Raum 28 hinab strömen.
Die Erschöpfung von Reaktanden in Gasen, die entlang der Seiten des Waferstapels 14 nach oben strömen, kann ausgeglichen werden, indem eine zweite Zufuhr von Reaktandengasen am stromab gelegenen Ende des Waferstapels durch (nicht dargestellte) herkömmliche Leitungen eingeführt werden, beispielsweise beabstandete Leitungen, die durch Raum 12 aus der Gasheizeinrichtung 40 nach oben führen.
Die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht das einfache automatisierte Laden und Entladen von Waferschiffchen in die bzw. aus der Waferschilichenzone.
Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht der Basis der CVD-Vorrichtung von Fig. 1, die Details des Verfahrensgaseinlasses zum primären Injektor und Dichtungen zeigt. Die primäre Reaktionsgas-Einlasszufuhrleitung 50 erstreckt sich durch Abgassammler 30 und kommuniziert mit der Basisleitung 52, die zur Auslassöffnung 54 im primären Heizeinrichtungshohlraum 56 führt.
Fig. 3 ist eine Teilquerschnittsansicht der Basis der CVD-Vorrichtung aus Fig. 1, die Details des Verfahrensgaseinlasses zum sekundären Injektor und Dichtungen zeigt. Die sekundäre Reaktionsgas-Einlasszufuhrleitung 60 erstreckt sich durch Abgassammler 30 und kommuniziert mit Basisleitung 62, die zur Auslassöffnung 64 im sekundären Heizeinrichtungshohlraum 66 führt.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der CVD-Vorrichtung aus Fig. 1, die das Waferschiffchen und die Trägerbasis in einer teilweise entfernten Position zeigt. Die Beladungstür 70, welche die Reaktionsgas-Heizeinrichtungen und die Sockelplatte 32 trägt, ist über Axialstange 74 und Axialstangenaufnahme 76 und Haltelager 78 drehbar auf einer Beladungstür-Adapterplatte 72 montiert. Die Ausrichtung der Beladungstür-Adapterplatte 72 und Beladungstür 70 wird durch den Ausrichtzapfen 80 auf der Adapterplatte 72 und die Zapfenaufnahme in der Beladungstür 70 gewährleistet. Durch das Senken der Beladungstür-Adapterplatte 72 werden die Sockelplatte 32 und das darauf getragene Waferschiffchen gesenkt. Um ein Waferschiffchen zu entladen, nachdem die Bearbeitung abgeschlossen wurde, wird die Adapterplatte 72 gesenkt, bis das Waferschiffchen vollständig aus der (nicht dargestellten) Reaktionskammer entfernt ist. Das Verfahren wird in umgekehrter Richtung durchgeführt, um ein Waferschiffchen zur Bearbeitung in die Reaktionszone zu laden.
Die Beladungstürdichtungen 90 sind O-Ringe, die eine Trennungsvakuumdichtung zwischen dem Reaktionskammergehäuse und der Beladungstüroberfläche bilden. Kühlmittelkanal 92 (Fig. 2 und Fig. 3), benachbart zu den Dichtungen 90 angeordnet, zieht Wärme von den Dichtungsoberflächen ab, um die Dichtungen zu schützen. Die Dichtungen gehen auf und werden automatisch wieder aufgebaut, wenn die Beladungstüranordnung aus der oberen Position abgesenkt bzw. in diese angehoben wird.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht der CVD-Vorrichtung aus Fig. 1 nach dem vollständigen entfernen des Waferschiffchens und der Trägerbasis und zeigt die Trennung des unteren Abschnitts des Gehäuses vom oberen Abschnitt, um zwecks Wartung Zugang zum Vakuumrohr zu haben. Hebemechanismus 100 und Hebeschraube 102 heben das Heizeinrichtungsgehäuse und das zugehörige Vakuumrohr 2 und Rohrreaktor 22 vom Gehäuse des Austragsplenums 30 hoch. Die durch O-Ring-Dichtung 104 gebildete Vakuumdichtung wird durch die Betätigung aufgehoben und durch den umgekehrten Vorgang wieder aufgebaut. Der Schiebersatz 105 gleitet während dieses Vorgangs durch die zylindrische Stütze 107.
Wieder auf die Fig. 2 und 3 Bezug nehmend weist der Boden des Vakuumrohres 2 einen Fußflansch 106 auf, der zwischen dem Prallring 108 und dem Rohrrückhalteflansch 110 gehalten wird. Dichtungen mit dem Fußflansch werden durch O-Ringe 112 und 114 gebildet. Die Wärme in den Metallbereichen um die Dichtungen wird durch Kühlflüssigkeit abgezogen, die durch Kühlmittelkanäle 116 fließt.
Die Dichtungsanordnungen weisen keine Anschlußstücke auf, wodurch das rasche Aufbauen und Aufheben von Vakuumdichtungen in der Anordnung ermöglicht wird, was die Wartung vereinfacht.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer CVD-Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Abwärtsströmung von Reaktionsgasen entlang einer Waferstapelzone in entgegengesetzter Richtung zur Reaktionsgasströmung in der Ausführungsform aus Fig. 1 aufweist. Das Vakuumkammerrohr 122 ist in einem zylindrischen Heizeinrichtungsgehäuse 124 mit Widerstandsheizelementen 126 eingeschlossen. Die Endabschnitte 128 und 130 der Widerstandsheizelemente liegen in geringerem Abstand zueinander, um an den Enden der Reaktoranordnung, die Stellen eines maximalen Wärmeverlusts von der Reaktionszone darstellen, mehr Wärme bereitzustellen. Dadurch kann gegebenenfalls in der gesamten Reaktionszone für eine gleichmäßigere oder beinahe isotherme Temperatur gesorgt werden.
Die Waferschiferschiffchenzone 122 ist durch einen Stapel Wafers 134 dargestellt. Das obere Ende des Vakuumkammerrohres umfasst eine Mittelscheibe 136, die am oberen (stromauf gelegenen) Ende der Waferschiffchenzone 132 an- oder sehr nahe dazu liegt, um Wirbelraum zwischen der Scheibe und der Deckfläche eines Waferschiffchens darin zu minimieren oder zu beseitigen. Der gekrümmte Rohrflansch 138 erstreckt sich vom Umfang der Kopfscheibe 136 zum oberen (stromauf gelegenen) Ende des Vakuumkammerrohres 122 und verschließt das Ende des Vakuumkammerrohres. Die Innenfläche 140 des Rohrflansches 138 ist vorzugsweise konkav und hat beispielsweise die Form eines Torusabschnitts, das heißt, eine gekrümmte konkave Fläche in Form eines Bogens oder eines Kreisbogens, der um die Mittelachse der Kopfscheibe 136 gedreht ist. Durch diese Form wird ein laminares Strömungsmuster von Gasen beibehalten, die dadurch geführt werden, und der Halt für die Kopfscheibe 16 unter einer Vakuumbelastung gestärkt.
Die Reaktionszone, welche die Waferschiffchenzone umgibt, wird durch den zylindrischen Rohrreaktor 142 definiert. Das Rohr 142 erstreckt sich von einer Basis 144 zu einer Position, die an die gekrümmte Oberfläche 140 des Rohrflansches 138 angrenzt. Das obere (stromauf gelegene) Ende 146 von Rohr 142 und die gegenüberliegende Oberfläche 140 definieren eine Einlassöffnung zum Einleiten von Reaktionsgasen in die Reaktionszone. Der Raum 148 zwischen dem Rohreaktor 142 und dem Vakuumkammerrohr 122 definiert einen zylindrischen Einlassgasdurchgang zum Einbringen von Gas in die Einlassöffnung aus dem Gaszufuhrinjektor 150. Der Gaszufuhrinjektor 150 kom muniziert mit einem (nicht dargestellten) herkömmlichen Gaszufuhrsystem. Der Raum 148 dient auch als Gas-Vorheizeinrichtung, da das Gas durch die Heizelemente 126 und die durch die zylindrische Wand 142 hindurch erhaltene Wärme auf die gewünschte Reaktionstemperatur erhitzt wird und mit einer präzisen vorbestimmten Temperatur in die Reaktionszone austritt.
Die Sockelscheibe 152 trägt das Waferschiffchen und steht entweder mit der Unterfläche des darauf getragenen Waferschiffchens in Kontakt oder liegt sehr nahe daran, wodurch ein Raum vermieden wird, in dem Reaktionsgaswirbel auftreten können.
Die Erschöpfung von Reaktanden in Gasen, die die Seiten des Waferstapels 134 entlang abwärts strömen, kann durch Einleitung von Reaktandgasen 151 am stromab gelegenen Ende des Waferstapels ausgeglichen werden. Um die Reaktionsgase vorzuheizen, kann die Sockel- oder Basisscheibe 152 der Verschluss am oberen Ende eines sekundären stromab gelegenen Reaktionsgasinjektors sein, der durch den sekundären Heizzylinder 154 definiert ist. Die abnehmbare Prallplatteneinheit 156 ist im sekundären Reaktionsgasinjektor eingeschlossen, um hindurchtretendes Reaktionsgas zu erhitzen. Sie ist so konstruiert, dass sie die erforderliche Oberfläche aufweist, um Reaktionsgas, das durch die sekundäre Heizeinrichtung hindurchgeht, auf die gewünschte Austrittstemperatur zu erhitzen. Wenn mehr oder weniger Wärme erforderlich ist, kann die Prallplatteneinheit 156 durch eine Prallplatteneinheit ersetzt werden, die eine größere bzw. kleinere Oberfläche oder Gaskontaktfläche aufweist. Sekundäre Reaktionsgasinjektoren oder Auslassöffnungen 158 leiten erhitztes Reaktionsgas in die Reaktionszone. Die sekundäre Reaktionsgas-Einlasszufuhrleitung 160 erstreckt sich durch den Abgassammler 162 und kommuniziert mit der Basisleitung 164, die zur Auslassöffnung 166 im sekundären Heizeinrichtungshohlraum 168 führt. Die Reaktionsgase gelangen zum Abgassammler 162 hinunter, der mit einem (nicht dargestellten) herkömmlichen Vakuumsystem kommuniziert.
Die Vorrichtung stellt ein verbessertes CVD-Verfahren bereit. Die Reaktionsgase werden in laminarer Strömung über die Ränder des Wafers in eine Richtung senkrecht dazu geführt und nach dem Passieren des letzten Wafers sofort aus der Reaktionszone entfernt. Die laminare Strömung ohne Wirbel wird erreicht, indem alle Stagnationsbereiche und spitzen Winkel aus der Gasströmungszone mit stromauf und stromab gelegenen Platten beseitigt werden, die vorzugsweise an den stromauf bzw. stromab gelegenen Enden des Waferschiffchens anliegen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung der ersten Ausführungsform der Erfindung können die Reaktionsgase getrennt auf die gewünschte Reaktionstemperatur vorgeheizt werden. Die Gase werden dann vermischt und sofort in laminarer Strömung an den zu beschichtenden Wafers vorbei geführt und dann ausgetragen.
Bei der in Fig. 6 gezeigten zweiten Ausführungsform werden die Reaktionsgase und vorzugsweise ein Gas mit einem einzelnen Reaktanden auf eine Reaktionstemperatur erhitzt, während es nach oben gelangt, so dass es mit der gewünschten Reaktionstemperatur in die Reaktionszone austritt. Die sekundären Reaktandengase werden ebenfalls auf die Reaktionstemperatur erhitzt, bevor sie durch die Öffnungen 158 injiziert werden.
Bevor die vorliegende Erfindung gemacht wurde, wurden die Reaktionsgase in der Reaktionszone in einer ausreichenden Entfernung stromauf von den Wafers vermischt und erhitzt, damit die Gase auf die gewünschte Beschichtungsreaktionstemperatur angehoben werden konnten. Die Gase reagierten während der Heizphase und bildeten Teilchen, die im Gas mitgeführt wurden und die Waferoberflächen verunreinigten. Es gab durch Hindernisse, spitze Winkel und Räume zwischen dem Waferschiffchen und den Endplatten verursachte Stagnationsbereiche. Das ermöglichte Wirbelbildung, Rezirkulation und verlängerte Verweilzeit von Teilen der Reaktionsgase in der Reaktionszone und unmittelbar stromauf und stromab davon gelegenen Bereichen. Weiters förderten viele Systeme die nicht-laminare oder turbulente Strömung in der Reaktionszone, um gründli ches Vermischen der Gase zu erreichen. Das fördert ebenfalls Wirbel und ein Verweilen von Reaktionsgas. Die Teilchenbildung ist proportional zur Verweilzeit der Gase, und diese Defekte trugen zur Teilchenbildung bei.
Mit der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung wird maximale laminare Strömung ohne Wirbel erreicht, indem Stagnationsbereiche, Strömungshindernisse, spitze Ecken und Räume zwischen dem Waferschiffchen und den Endplatten beseitigt werden. Dies minimiert die Verweilzeit aller Reaktionsgasmoleküle in der Reaktionszone und den Bereichen, die unmittelbar stromauf und stromab davon liegen.

Claims

1. Vorrichtung zur chemischen Dampfabscheidung (CVD) zur Ausbildung von Ablagerungen auf Wafern (14) aus einem Reaktionsgasstrom, umfassend:

einen Heißmantel-Rohrreaktor (22, 142), der eine Reaktionskammer mit einer Mittelachse definiert,

ein Außenrohr (2, 122), das den Heißmantel-Rohrreaktor (22, 142) umschließt und eine Vakuumkammer definiert,

eine Reaktionsgas-Abgabeleitung (28),

wobei der Heißmantel-Rohrreaktor eine Waferschiffchenzone (12, 132) zum Aufnehmen eines Schiffchens umschließt, das mit einem Stapel paralleler Substrate (14, 134) beladen ist, wobei die Substratoberflächen (14, 134) im wesentlichen rechtwinkelig zur Mittelachse der Kammer stehen,

wobei die Waferschiffchenzone ein stromauf gelegenes Ende und ein stromab gelegenes Ende aufweist,

wobei der Rohrreaktor (22, 142) einen Durchgang zum Hindurchleiten von Reaktionsgas zur Gasabgabeleitung durch die Waferschiffchenzone (12, 132) definiert,

wobei die Kammer Scheiben (32, 152, 16, 136) an den stromauf und stromab gelegenen Enden der Waferschiffchenzone aufweist, wobei die stromauf und stromab gelegenen Scheiben an ihren Umfängen von einem Reaktionsgaseinlaß bzw. -auslaß umgeben sind, wobei der Einlaß und der Auslaß ringförmig und kontinuierlich mit dem Durchgang ausgebildet sind,

wobei sich zwischen dem Rohrreaktor (22, 142) und dem Außenrohr (2, 122) ein Raum (28, 154) befindet, der mit dem ringförmigen Einlaß oder Auslaß kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorheizeinrichtung für das Reaktionsgas (40, 154) vorgesehen ist, eine der stromauf und stromab gelegenen Scheiben eine Sockelscheibe (32, 152) umfaßt und die andere der stromauf und der stromab gelegenen Scheiben (16, 136) einen Rohrflansch (18, 138) mit einer gekrümmten Oberfläche (20, 140) aufweist, der sich vom jeweiligen Ende der Waferschiffchenzone zum Außenrohr erstreckt, um den Reaktionsgasstrom zwischen den Raum (28, 148) und das jeweilige Ende der Waferschiffchenzone zu lenken, während das Gas in im wesentlichen laminarem Strömungszustand gehalten wird, so daß das Gas in im wesentlichen laminarer Strömung den Durchgang von seinem stromauf gelegenen zu seinem stromab gelegenen Ende entlang, parallel zur Mittelachse der Reaktionskammer an der Zone (12, 132) vorbei strömt.

2. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Raum mit dem ringförmigen Reaktionsgasauslaß kommuniziert und die Reaktionsgas-Abgabeleitung bildet.

3. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin das Reaktionsgas-Vorheizmittel (40) ein Mittel zum Vorheizen eines Reaktionsgases und Einleiten desselben in den ringförmigen Einlaß umfaßt.

4. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 3, umfassend ein Sekundär-Reaktionsgas-Vorheizmittel (40), um ein Gasgemisch vorzuheizen und es benachbart zum stromab gelegenen Ende der Waferschiffchenzone einzuleiten.

5. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Reaktionsgas-Vorheizmittel (42, 38) ein Mittel umfaßt, um zumindest zwei Reaktionsgase getrennt vorzuheizen und sie in den ringförmigen Einlaß einzuleiten.

6. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Raum mit dem ringförmigen Reaktionsgaseinlaß kommuniziert und ein Reaktionsgas-Vorheizmittel umfaßt.

7. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Reaktionsgas-Vorheizmittel ein Heizrohr (34, 154) mit einer abnehmbaren Prallplatte (36, 156) umfaßt, deren Oberfläche so gewählt ist, daß sie eine vorbestimmte Heizemenge auf Reaktionsgas überträgt, das über die Oberfläche der Prallplatte strömt.

8. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Reaktionsgas-Vorheizmittel eine abnehmbare, doppelwandige, zylindrische Heizvorrichtung (40) mit inneren Oberflächenverformungen (41, 43) umfaßt, die eine Oberfläche bereitstellen, die so gewählt ist, daß sie eine vorbestimmte Heizemenge auf Reaktionsgas überträgt, das über die Innenflächenverformungen strömt.

9. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 8, worin das Reaktionsgas-Vorheizmittel auch ein Heizrohr (34) mit einer abnehmbaren Prallplatte (36) umfaßt, deren Oberfläche so gewählt ist, daß sie eine vorbestimmte Heizemenge auf Reaktionsgas überträgt, das über die Oberfläche der Prallplatte strömt.

10. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die doppelwandige zylindrische Heizeinrichtung (40) und das Heizrohr (34) jeweils mehrere Gasinjektoröffnungen (38, 42) aufweisen.

11. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Injektoröffnungen (42) der zylindrischen Heizeinrichtung (40) und die Injektoröffnungen (38) des Heizrohres (34) jeweils Mittelachsen aufweisen, die so angeordnet sind, daß sofortige Vermischung der daraus eingeleiteten Gase bewirkt wird.

12. Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung, folgendes umfassend:

a) das Anordnen von Substraten (14, 134) in einer Waferschiffchenzone (12, 132) eines Heißmantel-Rohrreaktors (22, 142), wobei der Rohrreaktor eine Reaktionskammer mit einer Mittelachse definiert, wobei ein Außenrohr (2, 122) den Heißmantel-Rohrreaktor (22, 142) umschließt und eine Vakuumkammer definiert, wobei die Substratoberflächen im wesentlichen rechtwinkelig zur Mittelachse der Kammer stehen, wobei die Waferschiffchenzone ein stromauf gelegenes Ende und ein stromab gelegenes Ende aufweist, wobei der Rohrreaktor (22, 142) einen Durchgang zum Hindurchleiten von Reaktionsgas aus einer Vorheizeinrichtung (40) zu einem Gasauslaß (28) durch die Waferschiffchenzone (12) über einen ringförmigen Einlaß und einen ringförmigen Auslaß der Kammer definiert, wobei der ringförmige Einlaß und der ringförmige Auslaß stromauf und stromab gelegene Scheiben (32, 152, 16, 136) an den Enden der Waferschiffchenzone (12, 132) umgeben, wobei sich zwischen dem Rohrreaktor (22, 142) und dem Außenrohr (2, 122) ein Raum befindet, der mit dem ringförmigen Einlaß oder Auslaß kommuniziert, wobei eine der stromauf und stromab gelegenen Scheiben eine Sockelscheibe (32, 152) umfaßt und die andere der stromauf und der stromab gelegenen Scheiben (16, 136) einen Rohrflasch (18, 138) mit einer gekrümmten Oberfläche (20, 140) aufweist, der sich vom jeweiligen Ende der Waferschiffchenzone zum Außenrohr erstreckt, um den Gasstrom zwischen den Raum (28, 148) und das jeweilige Ende der Waferschiffchenzone zu lenken,

b) das Vorheizen des Reaktionsgases;

c) das Leiten des Reaktionsgases in im wesentlichen laminarer Strömung vom ringförmigen Einlaß den Durchgang (22. 142) von seinem stromauf zu seinem stromab gelegenen Ende entlang zum ringförmigen Auslaß, parallel zur Mittelachse der Reaktionskammer an der Zone (12, 132) vorbei.

13. CVD-Verfahren nach Anspruch 12, worin das Reaktionsgas zwei Komponenten enthält.

14. CVD-Verfahren nach Anspruch 13, worin die beiden Komponenten getrennt vorgeheizt werden.

15. CVD-Verfahren nach Anspruch 12, durchgeführt mit der Vorrichtung nach Anspruch 1.

16. CVD-Verfahren nach Anspruch 12, das weiters das Hindurchleiten des Reaktionsgases durch eine Reaktionsgas-Abgabeleitung (28) umfaßt, wobei die Abgabeleitung vom Raum (28, 148) gebildet wird, der mit dem ringförmigen Auslaß kommuniziert.