DE69630484T2

DE69630484T2 - Reaktivgasinjektor für Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung

Info

Publication number: DE69630484T2
Application number: DE69630484T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Murakami; Noriyuki Hadano-shi Takeuchi; Hiroyuki Fujisawa-shi Shinozaki; Kiwamu Fujisawa-shi Tsukamoto; Yukio Yokohama-shi Fukunaga; Akihisa Yokohama-shi Hongo
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2016-06-08
Also published as: DE69630484D1; JP3380091B2; KR100427426B1; TW301014B; JPH08337876A; KR970003441A; EP0747503B1; US5728223A; EP0747503A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung, und insbesondere auf einen Reaktionsgasausstoßkopf geeignet zum Abscheiden, in einer Dampf- oder Gasphase eines dünnen Films mit einer hohen dielektrischen Konstante, wie z. B. Barium/Strontiumtitanat und auf eine Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung, die solch einen Reaktionsgasausstoßkopf beinhaltet.
Beschreibung des Standes der Technik:
Die letzten Jahre haben wachsende Bemühungen in der Halbleiterindustrie gesehen um den Integrationsgrad von integrierten Schaltungen zu erhöhen. Solche Anstrengungen richten sich unter anderem auf die Forschung und Entwicklung von DRAMs (dynamic random-access memories) im Bereich von gegenwärtigen Megabitspeicherfähigkeiten bis zu zukünftigen Gigabitspeicherfähigkeiten. Um solche DRAMs herzustellen ist es nötig, Vorrichtungen mit großen Speicherfähigkeiten auf kleinen Flächen vorzusehen. Gemäß einem Ansatz um dielektrische Dünnfilme zur Verwendung in solchen Vorrichtungen mit großer Speicherfähigkeit zu erzeugen, haben Forscher ihre Aufmerksamkeit von Siliziumoxidfilmen und Siliziumnitridfilmen, deren Dielektrizitätskonstanten 10 oder weniger betragen, auf vielversprechendere Dünnfilmmetalloxidmaterialien verschoben, und zwar inklusive Tantalpentoxid (Ta₂O₅) dessen Dielektrizitätskonstante ungefähr bei 20 liegt, sowie Bariumtitanat (BaTiO₃), Strontiumtitanat (SrTiO₃) und deren Mischung aus Barium/Strontiumtitanat, deren Dielektrizitätskonstanten bei um die 300 liegt.
Zur Abscheidung eines Dünnfilms eines solchen Metalloxids in einer Dampf- oder Gasphase wird ein Gas aus einer oder mehreren organischen Metallverbindungen und ein Sauerstoff enthaltendes Gas miteinander vermischt und in Richtung eines Substrates ausgestoßen, das auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wurde. Im Allgemeinen ist der Temperaturbereich zur Verzögerung der Reaktion der Mischung eines Gases aus einer organischen Metallverbindung und einem Sauerstoff enthaltendem Gas so eng, dass die Mischung dazu tendiert zu früh bzw. vorzeitig zu reagieren, und zwar wenn die Mischung Temperaturunregelmäßigkeiten während des Zuführens zu dem Substrat erfährt. Daher wird bevorzugterweise eine Einlassleitung bzw. -rohr zum Zuführen des organischen Metallverbindungsgases und eine Einlasszuleitung zum separaten Zuführen des Sauerstoff enthaltenden Gases in die Umgebung des Substrats positioniert, so dass die Gase zu- bzw. eingeführt durch diese Einlassleitungen, schnell miteinander gleichförmig vermischt werden können, um einen dünnen Film aus Metalloxid auf dem Substrat abzuscheiden.
Herkömmliche Vorrichtungen zum separaten Ausstoßen der Gase in der Nähe des Substrates sind in den japanischen Veröffentlichungspatentschriften Nummern 5-299351 und 6-10138 zum Beispiel offenbart. In der Vorrichtung, die in der erstgenannten Veröffentlichung offenbart ist, werden das Materialgas und das Sauerstoff enthaltende Gas entlang eines Zwischenwandraumes und eines inneren Raumes eines doppelwandigen Hornes in eine Region geleitet, wo sie in der Nähe des Substrates zusammengemischt werden. Die Vorrichtung, die in der zuletzt genannten Veröffentlichung gezeigt ist, führt das Materialgas und das Sauerstoff enthaltende Gas in eine konusförmige Düse tangential in einen Querschnitt der Düse ein, um turbulente Vortexströmungen der Gase zu generieren.
In beiden herkömmlichen Vorrichtungen wird das Materialgas und das Sauerstoff enthaltende Gas in einer Reaktionskammer zusammengemischt und reagieren daher nicht miteinander in den Gaseinlassdurchlässen und formen keine Reaktionsprodukte in den Gaseinlassdurchlässen. Die offenbarten Vorrichtungen besitzen jedoch die folgenden Nachteile:
In der Vorrichtung, die in der japanischen Patentveröffentlichungsschrift Nr. 5-299351 offenbart ist, werden die Gase miteinander an einer Position nahe zu dem Substrat vermischt, und bilden daher keine Reaktionsprodukte während sie zu dem Substrat hingeführt werden. Der Vorrichtung mangelt es jedoch daran, eine gleichförmige Abwärtsströmung vorzusehen, die nötig ist, um einen Dünnfilm über eine breite Substratfläche abzuscheiden und ist relativ groß von der Größe her, da der Aufbau der Vorrichtung hoch genug sein muss, um das doppelwandige Horn aufzunehmen.
In der Vorrichtung, die in der japanischen Patentveröffentlichungsschrift Nr. 6-10138 offenbart ist, können die Gase nicht ausreichend miteinander vermischt werden, und zwar obwohl sie als die turbulenten Vortexströmungen zugeführt werden. Die Position, wo die Gase miteinander vermischt werden, befindet sich in erheblichem Maße stromaufwärts von dem Substrat. Daher tendieren die Gase dazu miteinander zu reagieren und Reaktionsprodukte zu erzeugen bevor sie das Substrat erreichen, was zu einer geringen Qualität des Filmes, der auf dem Substrat geformt wird, führt.
Die herkömmlichen Vorrichtungskonfigurationen sind insbesondere nicht in der Lage neuere Anforderungen zur höheren Produktivität zu erfüllen, die durch erhöhte Substratabmessungen und Rotieren des Substrats mit hoher Geschwindigkeit während des Dampfabscheidungsprozesses erreicht werden können.
Die japanische Patentzusammenfassung Band 9, Nr. 145 (C-287) vom 20. Juni 1985 offenbart eine chemische Reaktionsvorrichtung, die einen Reaktor bzw. Reaktionskammer aufweist, in dem ein Substrat und ein trichterförmiger Gasmischer angeordnet sind. Gaseinlässe sind mit dem trichterförmigen Gasmischer verbunden, der sich in Richtung des Substrats erstreckt.
Weiterhin offenbart die japanische Patentzusammenfassung Band 14, Nr. 57 (C-0684) der JP 01 283 375 eine CVD Vorrichtung mit Gasausblaslöchern, durch die Reaktionsgase ausgeblasen werden. Eine Mischkammer liefert Reaktionsgase an die Gasausblaslöcher. Diese Gase werden in Richtung eines Wafers gelenkt, der sich in der Nähe der Gasausblaslöcher befindet.
Die japanische Patentzusammenfassung Band 11, Nr. 396 (E-568) der JP 62 158 317 offenbart eine Gasdüse für eine CVD Vorrichtung. Reaktionsgas, das von der Düse herkommt, wird in Richtung der Oberfläche eines Siliziumwafers aus einer schlitzförmigen Öffnung, positioniert vor dem Wafer, gejetted bzw. ausgeströmt. In einer hohlen Kammer des Hauptkörpers der Düse werden verschiedene Gasarten vor einem gewundenen bzw. sich schlängelnden Raum vermischt. Nachfolgend werden die gemischten Gase ausgerichtet, wenn sie durch den gewundenen Raum treten, und sie werden in einem leeren Raum vom Druck her gleichförmig gestaltet und aus der Öffnung ausgeströmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Reaktionsgasausstoßkopf wie er in Anspruch 1 beschrieben ist, vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Unteransprüchen offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen Reaktionsgasausstoßkopf vorzusehen der in der Lage ist, ein gemischtes Gas mit gleichförmiger Konzentration und Zusammensetzung in Richtung eines Substrats mit einer gesteuerten Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit und in eine gesteuerte Richtung auszustoßen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung vorzusehen, die solch einen Reaktionsgasaustoßkopf beinhaltet.
Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird ein Reaktionsgasausstoßkopf zur Verwendung in einer Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung vorgesehen, der Folgendes aufweist: zumindest zwei Reaktionsgaseinlassdurchlässe zum Einführen von Reaktionsgasen, eine Gasmischkammer zum Mischen der Reaktionsgase, die von den Reaktionsgaseinlassdurchlässen eingeführt werden und eine Düse, die stromabwärts bezüglich der Gasmischkammer angeordnet ist, zum Richten bzw. Gleichrichten der gemischten Gase von der Gasmischkammer in eine gleichförmige Strömung und zum Anlegen der gleichförmigen Strömung an ein Substrat. Die Reaktionsgase, die durch die Reaktionsgaseinlassdurchlässe eingeführt werden, werden miteinander in der Gasmischkammer vermischt und von der Düse an das Substrat angelegt. Da die Reaktionsgase, d. h. ein Materialgas und ein Oxidationsmittelgas miteinander aktiv (forcibly) in der Gasmischkammer vermischt werden, hat die Mischung der Gase eine gleichförmige Konzentration und Zusammensetzung. Die Gasmischkammer ist nahe an der Düse angeordnet. Daher wird jegliche Reaktion zwischen den Gasen, bevor sie das Substrat erreichen, minimiert und der abgeschiedene Film ist frei von unerwünschten Kontaminierungen. Der abgeschiedene Film ist daher hochgradig zuverlässig. Die Düse weist einen verengten Durchlass verbunden mit der Gasmischkammer auf sowie einen Diffuser, der mit dem verengten Durchlass verbunden ist und sich in eine Richtung weg von dem verengten Durchlass ausweitet. Der verengte Durchlass und der Diffuser dienen dazu, die Reaktionsgase in eine gleichförmige Strömung zu richten bzw. gleichzurichten, und zwar zur Steuerung der Richtung und des Druckes hiervon bevor die Reaktionsgase in Richtung des Substrates ausgestoßen werden.
Die Gasmischkammer hat eine Umlenkoberfläche, die in gegenüberliegender Beziehung zu offenen Enden der Reaktionsgaseinlassdurchlässe positioniert ist zum Umlenken der von den Reaktionsgaseinlassdurchlässen in die Gasmischkammern eingeführten Reaktionsgase. Die Reaktionsgase, die durch die Reaktionsgaseinlassdurchlässe eingeführt werden, werden durch die Umlenkoberfläche umgelenkt, was turbulente Strömungen erzeugt, die unterstützen, dass die Reaktionsgase gleichförmig miteinander gemischt werden.
Die Umlenkoberfläche besitzt eine Querschnittsfläche, die in Richtung des verengten Durchlasses progressiv kleiner wird. Die Umlenkoberfläche ist in der Lage progressiv die Reaktionsgase in den verengten Durchlass zu leiten bzw. zu führen, während die turbulenten Strömungen der Reaktionsgase miteinander vermischt werden.
Die Umlenkoberfläche kann eine konische Oberfläche aufweisen. Die konische Oberfläche erzeugt die turbulenten Strömungen wenn die Reaktionsgase die konische Oberfläche treffen.
Die Umlenkoberfläche kann eine flache Oberfläche aufweisen. Die flache Oberfläche erzeugt die turbulenten Strömungen, wenn die Reaktionsgase die flache bzw. ebene Oberfläche treffen.
Die Reaktionsgaseinlassdurchlässe erstrecken sich parallel zueinander. Die Reaktionsgase, die durch die parallelen Reaktionsgaseinlassdurchlässe in die Gasmischkammer eingeführt werden, werden miteinander in der Gasmischkammer vermischt.
Die Reaktionsgaseinlassdurchlässe erstrecken sich übereinander und zwar in einem vorbestimmten Winkel. Die Reaktionsgase werden von den sich kreuzenden Reaktionsgaseinlassdurchlässen in die Gasmischkammer eingeführt und werden direkt miteinander in der Gasmischkammer vermischt.
Der Reaktionsgasausstoßkopf weist weiterhin eine Vielzahl von Gasmischkammern zum Mischen der durch die Reaktionsgaseinlassdurchlässe eingeführten Reaktionsgase und eine Vielzahl von Düsen, die den jeweiligen Gasmischkammern zugeordnet sind, auf. Die Reaktionsgase, die in den Gasmischkammern vermischt werden, werden ruhig bzw. glatt an die jeweiligen Düsen geliefert.
Der Reaktionsgasausstoßkopf weist weiterhin einen einheitlichen Düsenkörper auf, wobei die Gasmischkammer und die Düse in dem einheitlichen Düsenkörper beinhaltet sind. Die Gasmischkammer wird in einer Oberfläche des Düsenkörpers definiert und ein Diffuser der Düse wird in einer gegenüberliegenden Oberfläche der Düse definiert. Die Gasmischkammer und der Diffuser weiten sich progressiv nach außen auf und sind durch einen verengten Durchlass miteinander verbunden. Da der Düsenkörper eine einheitliche Struktur ist, ist die Anzahl der verwendeten Teile relativ gering und der Reaktionsgasausstoßkopf kann einfach zusammengesetzt werden. Der Reaktionsgasausstoßkopf weist weiterhin eine Vielzahl von einheitlichen Düsenkörpern auf, wobei die Gasmischkammer und die Düse in jedem der einheitlichen Düsenkörper beinhaltet sind. Die Reaktionsgase werden durch die Düsen gleichförmig gemischt und strömungsmäßig gerichtet bzw. gleichgerichtet und dann zu dem Substrat, das eine relativ große Fläche besitzen kann, ausgestoßen.
Der Reaktionsgasaustoßkopf weist weiterhin eine Düsenbasis, wobei die einheitlichen Düsenkörper in der Düsenbasis beinhaltet sind, auf. Da die einheitlichen Düsenkörper in der Düsenbasis beinhaltet sind, ist der Reaktionsgasausstoßkopf vom Aufbau her relativ einfach und kann leicht hergestellt und zusammengesetzt werden.
Der Reaktionsgasausstoßkopf weist weiterhin eine Verteilerbasis mit Gaseinlassdurchlässen zum Einführen der Reaktionsgase von den Reaktionsgaseinlassdurchlässen in die Gasmischkammern auf, wobei die Verteilerbasis auf der Düsenbasis in einer laminierten Struktur angebracht ist. Die durch die Reaktionsgaseinlassdurchlässe eingeführten Reaktionsgase werden durch die Gaseinlassdurchlässe in der Verteilerbasis in die Gasmischkammern geliefert. Die Verteilerbasis weist eine Platte auf mit Nuten, die sich entlang einer Oberfläche der Verteilerbasis erstrecken, sowie eine weitere Platte mit Durchlässen, die sich über die Oberfläche der Verteilerbasis hinweg erstrecken, wobei die Nuten und die Durchlässe als die Gaseinlassdurchlässe dienen. Die Gaseinlassdurchlässe können einfach maschinell als die Nuten und die Durchlässe in den Platten hergestellt bzw. gefräst werden.
Der Reaktionsgasausstoßkopf weist weiterhin ein Wärmemediumdurchlass zum Hindurchleiten eines Wärmemediums zum Halten der Düsen und/oder der Gasmischkammern auf einer vorbestimmten Temperatur im Bereich von z. B. 250°C bis 260°C auf. Die so erhitzten Reaktionsgase werden daran gehindert, miteinander vorzeitig zu reagieren oder zu kondensieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls eine Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung vorgesehen, die den Reaktionsgasausstoßkopf, der oben beschrieben wurde beinhaltet und Folgendes aufweist: eine Reaktionskammer, wobei die Düsen sich in die Reaktionskammer öffnen und eine Substratstufe bzw. Plattform zum Halten des Substrats in der Reaktionskammer. In der Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung werden die Reaktionsgase, d. h. ein Materialgas und ein Oxidationsmittelgas aktiv miteinander in den Gasmischkammern vermischt, und zwar bevor dem Erreichen der Düsen, und werden dann strömungsmäßig in dem verengten Durchlass und dem Diffuser gerichtet. Die Mischung der Gase, die eine gleichförmige Konzentration und Zusammensetzung besitzt, wird dann mit einem gesteuerten Druck in eine gesteuerte bzw. kontrollierte Richtung in der Richtung des Substrats in der Reaktionskammer ausgestoßen, so dass ein dünner Film bzw. Dünnfilm mit hoher Qualität auf dem Substrat mit einer hohen Ausbeute abgeschieden werden kann.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich, wenn diese in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gesehen wird, und wobei die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele als ein Beispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines senkrechten Querschnitts einer Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung;
2 ist eine Querschnittsansicht eines Reaktionsgasausstoßkopfes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Reaktionsgasstoßkopfes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung;
4A ist eine Querschnittsansicht eines Reaktionsgasstoßkopfes gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Anmeldung;
4B ist eine Aufsicht einer Umlenkoberfläche einer Düse des Reaktionsgasausstoßkopfes gezeigt in der 4A;
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Querschnittsansicht des Reaktionsgasausstoßkopfes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI der 5;
7 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII der 5;
8A, 8B, 8C und 8D sind Bodenansichten, gesehen aus Richtungen, die durch die Pfeile a, b, c und d in der 5 angedeutet sind;
9 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
10 ist eine perspektivische Ansicht einer Querschnittsansicht eines Reaktionsgasausstoßkopfes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ähnliche oder entsprechende Teile werden mit ähnlichen oder entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten bezeichnet. Wie in der 1 gezeigt ist, hat einen Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung A gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung, die einen Reaktionsgasausstoßkopf beinhaltet, eine Reaktionskammer 3, die zwischen einem Reaktor 1, der die Form eines umgekehrten Bechers besitzt, und einer Trägerbasis 2 angeordnet unterhalb des Reaktors 1 definiert ist. Die Reaktions kammer 3 ist hermetisch abgedichtet und hat einen Abfluss- bzw. Auslassanschluss 4 zum Ablassen von erzeugten Gasen aus der Reaktionskammer 3. Der Reaktor 1 hat eine Wand mit einem Wärmemediumdurchlass, der hierin zum Zirkulieren eines Wärmemediums definiert ist, um die Reaktorwand und die Reaktionskammer auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten.
Ein Reaktionsgasausstoßkopf 5 ist in dem oberen Ende des Reaktors 1 angebracht. Die Trägerbasis 2 hat eine darin definierte zentrale Öffnung, die einen senkrechten Mantel bzw. Umhüllung 6 definiert, der sich nach unten von der Trägerbasis 2 aus erstreckt. Eine Substratplattform 7 zum Tragen eines Substrats 11 hierauf ist senkrecht beweglich in dem senkrechten Mantel 6 angeordnet. Das Substrat 11 kann in dem und aus dem senkrechten Mantel 6 gebracht werden, und zwar durch einen horizontalen Zufuhrweg 9 mit einem Tor bzw. Pforte 8 mittels eines Roboterarms 10. Die Substratplattform 7 kann in dem senkrechten Mantel 6 durch einen Betätigungsmechanismus 12, der an dem unteren Ende des senkrechten Mantels 6 angebracht ist, angehoben und gesenkt werden. Die Substratplattform 7 ist einer Heizung 13 zum Heizen des Substrates 11, das auf der Substratplattform 7 montiert ist, auf eine vorbestimmte Reaktionstemperatur, zugewiesen.
2 zeigt einen Reaktionsgasausstoßkopf 5 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. Der Reaktionsgasausstoßkopf 5 hat eine einzelne Gasmischkammer und eine Düse. Insbesondere beinhaltet der Reaktionsgasausstoßkopf 5 eine Verteilerbasis 22 mit einem Paar von parallelen senkrechten Einlassdurchlässen 21a, 21b, die hierin definiert sind zum Einführen von Reaktionsgasen, d. h. einem Materialgas und einem Oxidierungsmittelgas, sowie einem Düsenkörper 23, der an der unteren Oberfläche der Verteilerbasis 22 befestigt ist. Die senkrechten Einlassdurchlässe 21a, 21b sind mit jeweiligen Reaktionsgaszufuhrleitungen 24a, 24b verbunden, die untere Enden besitzen, die in die Verteilerbasis 22 eingeführt sind.
Der Düsenkörper 23 hat eine in der oberen Oberfläche hiervon definierte Gasmischkammer 26 mit einer konischen Oberfläche (Umlenkoberfläche) 25a sowie einen Diffuser 27, der in einer unteren Oberfläche hiervon definiert ist und eine kegelförmige bzw. sich verjüngende Oberfläche besitzt. Die Gasmischkammer 26 hat einen Durchmesser oder eine Querschnittsfläche die sich nach oben progressiv erhöht und der Diffuser 27 besitzt einen Durchmesser oder eine Querschnittsfläche, der bzw. die sich nach unten progressiv erhöht. Die Gasmischkammer 26 und der Diffuser 27 sind miteinander durch einen geraden, sich verengenden Durchlass 28 verbunden, der senkrecht, zentral in dem Düsenkörper 23 definiert ist. Der Diffuser 27 und der verengte, gerade Durchlass 28 bilden zusammen eine Düse 29. Die Düse 29 und die Gasmischkammer 26 bilden zusammen den Düsenkörper 23. Die senkrechten Einlassdurchlässe 21a, 21b haben jeweilige untere Enden, die sich in die Gasmischkammer 26 an Positionen gegenüberstehend der konischen Oberfläche 25a öffnen.
Die Reaktionsgase, d. h. das Materialgas und das Oxidationsmittelgas werden von entsprechenden Quellen durch die Gaszufuhrleitungen 24a, 24b und die Einlassdurchlässe 21a, 21b eingeführt und mit vorbestimmten Raten bzw. Geschwindigkeiten in die Gasmischkammer 26 ausgestoßen. Die ausgestoßenen Gase werden an die konische Oberfläche 25a angelegt und durch sie umgelenkt. Das Materialgas weist verdampfte Gase von Lösungen von organischen Metallen auf, unter anderem Ba(DPM)₂, Sr(DPM)₂, und Ti(i-OC₃H₇)₄, wobei diese mit einem Trägergas aus Ar oder ähnlichem gemischt sind. Das Oxidationsmittelgas weist ein Sauerstoff enthaltendes Gas wie z. B. O₂, N₂O, H₂O auf, oder ein ähnliches, was Ozon (O₃) enthält, das durch einen Ozonisierer generiert wird.
Die Reaktionsgase werden durch die konische Umlenkoberfläche 25a in Richtung der Mitte der Gasmischkammer 26 umgelenkt, was turbulente Strömungen erzeugt, die sich miteinander verbinden und gleichförmig miteinander in dem zentralen Bereich der Gasmischkammer 26 vermischt werden. Die Reaktionsgase werden dann von der Gasmischkammer 26 durch den verengten Durchlass 28 in den Diffuser 27 geführt. Die Reaktionsgase werden strömungsmäßig gerichtet bzw. ausgerichtet durch den verengten Durchlass 28 und den Diffuser 27 und dann in die Reaktionskammer 3 mit einer vorbestimmten Rate ausgestoßen. In der Reaktionskammer 3 reagieren das Materialgas und das Oxidationsmittelgas miteinander und bilden Metalloxidmoleküle aus Bariumtitanat oder Strontiumtitanat, die abgeschieden werden um einen dünnen Film aus Metalloxid auf dem Substrat 11, was ein Halbleiterwafer sein kann, zu bilden. Die Gase, die nach der Reaktion verbleiben, und überschüssige Gase, werden von der Reaktionskammer 3 durch den Auslassanschluss 4 abgelassen.
Die Reaktionsgase, die von dem Reaktionsgasausstoßkopf 5 ausgestoßen werden, wurden bereits aktiv miteinander in der Gasmischkammer 26 vermischt und wurden durch die Düse 29 strömungsmäßig gerichtet und dann als gleichförmige nach unten gerichtete Strömung auf das Substrat 11 auf der Substratplattform 7 angeregt. Dies erlaubt es, einen dünnen Film von hoher Qualität, der frei von Kontaminierung ist, mit einer hohen Rate auf dem Substrat 11 abzuscheiden. Die konische Umlenkoberfläche 25a kann leicht maschinell in dem Düsenkörper 23 ausgebildet werden und ist in ausreichendem Maß in der Lage, aktiv die Reaktionsgase miteinander in der Gasmischkammer 26 zu mischen.
3 zeigt einen Reaktionsgasausstoßkopf 5 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. Der Reaktionsgasausstoßkopf, gezeigt in der 3, hat eine Gasmischkammer 26 mit einer unterschiedlichen Form. Insbesondere hat die Gasmischkammer 26 eine teilweise kugelförmige Oberfläche 25b als Umlenkoberfläche, deren Durchmesser nach oben progressiv zunimmt.
4A und 4B zeigen einen Reaktionsgasausstoßkopf 5 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung. Der Reaktionsgasausstoßkopf, gezeigt in der 4 hat eine Gasmischkammer 26 mit einer unterschiedlichen Form. Insbesondere hat die Gasmischkammer 26 eine abgeschnittene Pyramidenform und flache bzw. ebene Umlenkoberflächen 25c, die sich nach oben hin ausweiten.
Die Gasmischkammer gemäß der vorliegenden Erfindung kann jegliche verschiedene Formen und Größen besitzen, die in Abhängigkeit von Bedingungen, gemäß derer die Reaktionsgase in die Reaktionskammer 3 ausgestoßen werden sollen, ausgewählt werden.
5 bis 8A–8D zeigen einen Reaktionsgasausstoßkopf 5 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Reaktionsgasausstoßkopf 5 beinhaltet eine Düsenbasis 37, die eine Vielzahl von Düsenkörpern 42 zum Anlegen von gleichförmigen Gasströmungen bzw. Strömen auf ein Substrat 11, das eine relativ große Größe besitzt, hat. Wie in der 6 gezeigt beinhaltet der Reaktionsgasausstoßkopf 5 ebenfalls eine Verteilerbasis 34, die erste, zweite und dritte Platten 31, 32, 33 angebracht an der Düsenbasis 37 besitzt, und zwar zum Verteilen von Reaktionsgasen in die Gasmischkammer. Die Düsenbasis 37 ist an einer unteren Oberfläche der untersten dritten Platte 33 angebracht. Die Düsenkörper 42 sind in einem gleichmäßigen horizontalen, zweidimensionalen Muster in der Düsenbasis 37 angeordnet und weisen jeweils eine Gasmischkammer 35 und einen Düse 36 auf.
Die Gasmischkammer 35 und die Düse 36 eines jeden der Düsenkörper 42 sind im Aufbau identisch zu den in der 2 gezeigten. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Düsenbasis 37 direkt maschinell hergestellt, um die Gasmischkammern 35 und die Düsen 36 zu schaffen. Jedoch kann eine Vielzahl von separaten Einheiten jeweils mit einer Gasmischkammer 35 und einer Düse 36 in der Düsenbasis 37 zusammengesetzt werden.
Die erste Platte 31 hat hierin definierte Verteilerdurchlässe 38 zum Einführen eines Oxidationsmittelgases von einer Gaszufuhrleitung 24a (siehe auch 7), und zwar zu Positionen entsprechend der jeweiligen Gasmischkammern 35. Die zweite Platte 32 hat darin definierte Verteilerdurchlässe 39 zum Einführen eines Materialgases von einer Gaszufuhrleitung 24b zu Positionen bzw. Stellen entsprechend den jeweiligen Gasmischkammern 35. Die dritte Platte 33 hat Durchgangslöcher 40, 41, die als Einlassdurchlässe hierin defi niert sind, die die Verteilerdurchlässe 38, 39 mit den Gasmischkammern 35 verbinden. Die ersten, zweiten und dritten Platten 31, 32, 33 werden als eine laminierte Struktur bzw. Aufbau an der Düsenbasis 37 angebracht. Jeder der Verteilerdurchlässe 38, 39 in den ersten und zweiten Platten 31, 32 ist als eine nach unten geöffnete Nut mit einem rechteckigen Querschnitt definiert. Die unteren Öffnungen der Verteilerdurchlässe 38, 39 werden mit den zweiten und dritten Platten 32, 33 abgedeckt mit Ausnahme der Durchgangslöcher 40, 41, die mit den unteren Öffnungen der Verteilerdurchlässe 38, 39 verbunden sind, wodurch damit die Einlassdurchlässe vorgesehen sind.
8A bis 8D stellen horizontale zweidimensionale Muster der Verteilerdurchlässe 38, 39, der Durchgangslöcher 40, 41, der Gasmischkammern 35 und der Düsen 36 dar. Wie in den 8A und 8B gezeigt, sind die Verteilerdurchlässe 38, 39 verzweigt, und zwar von den Kreuzungsanschlüssen (junction ports) verbunden mit den Gaszufuhrleitungen 24a, 24b. Die Verteilerdurchlässe 38, 39 erstrecken sich in Mustern entsprechend den Düsen 36 und den Gasmischkammern 35 in der Düsenbasis 37 und können sich in beliebige verschiedene Muster verzweigen, insofern als sie den Düsen 36 und den Gasmischkammern 35 entsprechen. Die Position und Anzahl der Kreuzungsanschlüsse, die mit den Gaszufuhrleitungen 24A, 24B verbunden sind, können je nach Wunsch ausgewählt werden. Die ersten, zweiten und dritten Platten 31, 32, 33 können miteinander durch Schweißen, Pressen, Bolzenbefestigung, Verkleben oder Ähnlichem verbunden werden.
In dem Reaktionsgasausstoßkopf 5 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Material- und Oxidationsmittelgase, geliefert durch die Gaszufuhrleitungen 24a, 24b, durch die Verteilerdurchlässe 38, 39 und die Durchgangslöcher 40, 41 in die Gasmischkammern 35 eingeführt, in denen die Material- und Oxidationsmittelgase vermischt werden. Die Reaktionsgase werden dann strömungstechnisch gerichtet, und zwar durch die verengten Durchlässe 43 und Diffuser 44 der Düsen 36, und werden dann von dem Reaktionsgasausstoßkopf 5 in die Reaktionskammer ausgestoßen.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel können die Düsen 36, da sie gleichmäßig in der Düsenbasis 37 verteilt sind, gesteuerte Gasströmungen in einem weiten räumlichen Bereich auf das Substrat 11 anlegen um hierdurch einen dünnen Film auf dem Substrat 11 mit hoher Geschwindigkeit und einer hohen Ausbeute anzulegen.
Weiterhin werden die Einlassdurchlässe zum Einführen der Reaktionsgase durch die Nuten in den Platten und durch die Durchgangslöcher in den Platten vorgesehen. Daher kann ein komplexes Muster solcher Einlassdurchlässe auf relativ einfach Weise maschinell in den Platten erzeugt werden. Während die zwei Reaktionsgase, d. h. das Materialgas und das Oxidierungsmittelgas in dem Reaktionsgasausstoßkopf gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel verwendet werden, benötigt der Reaktionsgasausstoßkopf drei oder mehrere Gruppen von Verteilerdurchlässen und somit Platten, wenn eine Vielzahl von Materialgasen verwendet wird.
9 und 10 zeigen eine Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung gemäß dem anderen Ausführungsbeispiel hat ein Wärmemediumdurchlass 51 (siehe 10), definiert in einem Reaktionsgasausstoßkopf 5, um den Reaktionsgasausstoßkopf 5 auf einer konstanten Temperatur zu halten. Insbesondere beinhaltet der Reaktionsgasausstoßkopf 5 eine Düsenbasis 52 mit einer oberen Platte 54 inklusive einer Seitenwand 53, einer unteren Platte 55 und einer Vielzahl von Düsenkörpern 56, die in den oberen und unteren Platten 54, 55 eingebaut und hierzwischen angeordnet sind. Jeder der Düsenkörper 56 weist einen zylindrischen Körper mit einer Gasmischkammer 57, einem verengten Durchlass 58 und einem Diffuser 59 auf. Der zylindrische Körper einer jeden der Düsenkörper 56 hat einen oberen Flansch bzw. Vorsprung 60, der gegen die obere Platte 54 gehalten wird und einen unteren Flansch 61, der gegen die untere Platte 55 gehalten wird. Die oberen und unteren Platten 54, 55 sind senkrecht voneinander beabstandet und definieren den Wärmemediumdurchlass 51, wozwischen die Düsenkörper 56 aufgenommen sind. Der Wärmemediumdurchlass 51 wird mit einem Wär me- bzw. Heizmedium versorgt, und zwar von einer Wärmemediumquelle, die durch eine Wärmemediumleitung 62 (siehe 9) verbunden ist.
Wie in der 9 gezeigt, wird das Wärmemedium ebenfalls durch die Wärmemediumleitung 62 zu Wärmemediumdurchlässen, definiert in dem Reaktor 1, der Trägerbasis 2 und dem Mantel 6, der die Reaktionskammer 3 umgibt, zugeführt. Ein Teil des Wärmemediums, das durch die Wärmemediumleitung 62 zugeführt wird, wird ebenfalls dem Reaktionsgasausstoßkopf 5 zugeführt. Die Wärmemediumleitung 62 wird mit einer Heizung 63 zum Heizen des Wärmemediums auf eine vorbestimmte Temperatur und mit einem Extrahierer 64, wie z. B. einer Pumpe zum Extrahieren des Wärmemediums von den Wärmemediumdurchlässen, definiert in dem Reaktor 1 der Trägerbasis 2 und der Mantelung 6, kombiniert.
Wie in der 10 gezeigt, hat die Reaktion des Gasausstoßkopfes 5 erste, zweite und dritte Platten 31, 32, 33, die identisch vom Aufbau her mit denen, gezeigt in der 6 sind.
Mit der Anordnung der vorliegenden Erfindung kann, da das Materialgas und das Oxidierungsmittelgas aktiv miteinander in den Gasmischkammern vermischt wird, um die Konzentration und Zusammensetzung der gemischten Gase gleichförmig auszubilden, und dann die Gase strömungsmäßig durch die Düse ausgerichtet und auf das Substrat ausgestoßen werden, jede Reaktion zwischen den Gasen bevor sie das Substrat erreichen, minimiert werden und der abgeschiedene Film ist so frei von unerwünschten Kontaminationen. Der abgeschiedene Film ist daher hochgradig zuverlässig. Der Reaktionsgasaussstoßkopf kann Gasströmungen unter einem gesteuerten Druck in eine gesteuerte Richtung erzeugen, und zwar solche, die für die Größe des Substrats und die Materialien des Films, der auf dem Substrat abgelagert werden soll, geeignet sind. Da der Düsenkörper eine einheitliche Struktur mit einer integralen Anordnung der Düsen und der Gasmischkammern beinhaltet, hat er einen einfachen Aufbau und eine kompakte Größe zum Beschleunigen des Mischens der Gase und reduziert wirksam die Kosten des Reaktionsgasaus stoßkopfes und somit auch die Kosten der Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung. In dem Fall, in dem die Düsenbasis eine Vielzahl von Düsen aufweist, kann der Reaktionsgasausstoßkopf eine gleichförmige Abwärtsströmung von Gasen kreieren, die senkrecht auf das Substrat über eine breite Substratoberfläche angelegt wird. Im Ergebnis ist es möglich, dünne Filme auf Substraten oder Halbleiterwafern mit großen Abmessungen abzuscheiden und die Produktionseffizienz und Ausbeute kann erhöht werden. Da der Wärmemediumdurchlass zum Heizen der Düsenbasis einen einfachen Aufbau besitzt, der einfach in dem Reaktionsgasausstoßkopf integriert werden kann, kann die Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung die dielektrischen Dünnfilme mit einer hohen Dielektrizitätskonstante erzeugen, was verlangt, dass die Reaktionsgase stabil hinsichtlich der Temperatur sind.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt wurden und im Detail beschrieben wurden ist anzuerkennen, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden 15118 können.

Claims

Ein Reaktionsgasausstoßkopf (5) zur Verwendung bei einer Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung, der folgendes aufweist: mindestens zwei Reaktionsgaseinlassdurchlässe (38, 39) zum Einführen von Reaktionsgasen; eine Vielzahl von Gasmischkammern (35) zum Mischen von Reaktionsgasen die von den Reaktionsgaseinlassdurchlässen eingeführt wurden; und eine Vielzahl von Düsen, wobei jede der Düsen (36) stromabwärts bezüglich jeder der Gasmischkammern (35) angeordnet ist zum Richten bzw. Gleichrichten der gemischten Gase von den Gasmischkammern in eine gleichförmige Strömung und zum Anlegen der gleichförmigen Strömung auf ein Substrat (11).
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 1, wobei jede der Düsen (36) folgendes aufweist: einen verengten Durchlass (43), der mit der Gasmischkammer (35) verbunden ist; und einen Diffusor (44), der mit dem verengten Durchlass (43) verbunden ist und sich in einer Richtung weg von dem verengten Durchlass ausweitet.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 2, wobei jede der Gasmischkammern (35) eine Umlenkoberfläche besitzt, die in gegenüberliegender Beziehung zu offenen Enden der Reaktionsgaseinlassdurchlässe positioniert ist zum Umlenken des von den Reaktionsgaseinlassdurchlässen in die Gasmischkammer eingeführten Reaktionsgasen.
Reaktionsgasausstopfkopf (5) nach Anspruch 3, wobei die Umlenkoberfläche eine Querschnittsfläche besitzt, die zu dem verengten Durchlass progressiv kleiner wird.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 3, wobei die Umlenkoberfläche eine konische Oberfläche aufweist.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 3, wobei die Umlenkfläche eine flache Oberfläche aufweist.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 1, wobei die Reaktionsgaseinlassdurchlässe parallel zueinander ausgerichtet sind.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 1, wobei die Reaktionsgaseinlassdurchlässe zueinander ausgerichtet sind, und zwar so dass sie sich in einem vorbestimmten Winkel überlagern.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 1, der ferner einen einheitlichen Düsenkörper 42 aufweist, wobei die Gasmischkammern und die Düsen in dem einheitlichen Düsenkörper beinhaltet sind.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 9, der ferner eine Vielzahl von einheitlichen Düsenkörpern aufweist, wobei die Gasmischkammern und die Düsen in jedem der einheitlichen Düsenkörper beinhaltet sind.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 10, der ferner eine Düsenbasis aufweist, wobei die einheitlichen Düsenkörper in der Düsenbasis (37) beinhaltet sind.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 11, der ferner eine Verteilerbasis (34) mit Gaseinlassdurchlässen zum Einführen der Reaktionsgase von den Reaktionsgaseinlassdurchlässen in die Gasmischkammern aufweist, wobei die Verteilerbasis an der Düsenbasis in einer laminierten Struktur angebracht ist.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 12, wobei die Verteilerbasis eine Platte aufweist mit Nuten die sich entlang einer Oberfläche der Vertei lerbasis (34) erstrecken, sowie einer weiteren Platte mit Durchlässen, die sich über die Oberfläche der Verteilerbasis hinweg erstrecken, wobei die Nuten und die Durchlässe als die Gaseinlassdurchlässe dienen.
Reaktionsgasausstoßkopf (5) nach Anspruch 1, der ferner einen Wärmemediumdurchlass aufweist, zum Hindurchleiten eines Wärmemediums zum Halten der Düsen und/oder der Gasmischkammern auf einer vorbestimmten Temperatur.
Dünnfilmdampfabscheidungsvorrichtung, die einen Reaktionsgasausstoßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und zusätzlich folgendes aufweist: eine Reaktionskammer, wobei sich die Düsen in die Reaktionskammer öffnen, und eine Substratstufe bzw. Plattform zum Halten des Substrats in der Reaktionskammer.