Im Zuge einer stetigen Erhöhung der
Rechnerleistung und der Speicherkapazität von Mikrochips hat die Integrationsdichte
der elektronischen Bauelemente, wie Transistoren oder Kondensatoren stetig
zugenommen. So gilt seit über
30 Jahren das sogenannte Moore sche Gesetz, welches eine Verdopplung
der Integrationsdichte in einem Zeitraum von 18 Monaten beschreibt.
Auch für
die Zukunft wird eine weitere Leistungssteigerung von Mikrochips
im Rahmen des Moore scheu Gesetzes und für spezielle Bauelemente wie
z.B. Videochips noch darunter angestrebt, so dass die elektronischen
Bauelemente weiter miniaturisiert werden müssen.
Eine höhere Integration wird im Wesentlichen
durch eine weitere Verkleinerung der Funktionselemente erreicht.
Dies führt
gleichzeitig auch zu einer Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit
des Mikrochips. Parallel mit einer steigenden Integrationsdichte
erhöht
sich auch der mittlere Waferdurchmesser und damit die Ansprüche an die
Homogenität
der Waferoberfläche
oder der darauf abgeschiedenen Schichten. Die Realisierung von Submikrometer-Strukturen
ist deshalb heute eine der wichtigsten Aufgaben für die weitere
Entwicklung der Mikroelektronik. Daraus ergeben sich höhere Anforderungen
an die gesamte Technologie zur Herstellung von mikroelektronischen
Bauelementen. Die einzelnen technologischen Schritte müssen zum
Teil bis an ihre prinzipiellen Grenzen heran genutzt werden und
neue Verfahren müssen
entwickelt und in die industrielle Fertigung eingeführt werden.
Ein typischer Fertigungsschritt bei
der Herstellung von Mikrochips ist die Abscheidung einer Schicht
aus einem bestimmten Schichtmaterial auf einem Wafer. Die Schicht
kann ggf. in einem weiteren Fertigungsschritt in ihren chemischen
und/oder physikalischen Eigenschaften modifiziert werden. Anschließend kann
die abgeschiedene und ggf. modifizierte Schicht strukturiert werden,
indem selektiv bestimmte Abschnitte der Schicht wieder entfernt
werden. Die Schicht kann erzeugt werden, indem der Wafer beispielsweise
in einer geeigneten Atmosphäre
oxidiert oder nitridiert wird, um eine Schicht aus Siliziumoxid
oder Siliziumnitrid zu erhalten. Bevorzugt werden Schichten aus
diesen und anderen Materialien durch Verfahren erzeugt, die mit
relativ niedrigen Temperaturen auskommen. Ein Beispiel für ein solches
Verfahren ist die chemische Abscheidung aus der Gasphase (chemical
vapor deposition, CVD), die meist bei Temperaturen von einigen wenigen
hundert Grad Celsius und einem breiten Druckspektrum durchgeführt wird.
Bei CVD-Verfahren wird ein Substrat in einem CVD-Prozessraum einem Strom aus einer oder
mehreren gasförmigen
Komponenten ausgesetzt. Bei den Prozessgasen handelt es sich beispielsweise
um gasförmige
chemische Vorläuferverbindungen
des Schichtmaterials oder um inerte Trägergase, welche die Vorläuferverbindungen
in fester und flüssiger
Form transportieren. Aus den Vorläuferverbindungen wird fotolytisch,
thermisch und/oder plasmagestützt
in dem CVD-Prozessraum und/oder über
der Substratoberfläche
das Schichtmateriah erzeugt, das sich auf der Substratoberfläche niederschlägt und eine
Schicht bildet.
Eine hohe Integrationsdichte, wie
sie insbesondere bei elektronischen Bauelementen, wie Prozessoren
und Halbleiterspeichereinrichtungen gefordert ist, setzt sehr geringe
Schichtdicken und kleine Abmessungen für Strukturen in der Schicht
voraus. Mittlerweile sind Schichtdicken von wenigen Nanometern und
Abmessungen von Strukturen von wenigen 10 nm üblich.
Durch die stetige Miniaturisierung
erhöhen sich
die Ansprüche
an eine durch Defektdichte, Rauhigkeit und Homogenität einer
Schicht bestimmten Schichtqualität.
Dabei beschreibt die Rauhigkeit eine Abweichung einer Oberfläche einer
Schicht von einer ideal planaren Oberfläche. Die Defektdichte ist ein Maß für die Anzahl
und die Größe von Verunreinigungen
oder Strukturdefekten in der Schicht. Verunreinigungen sind dabei
Einlagerungen aus einem anderen Material als dem Schichtmaterial.
Strukturdefekte können beispielsweise Hohlräume oder
bei kristallbildenden Schichtmaterialien Gitterfehler sein. Die
Homogenität
bezieht sich auf die physikalische und chemische Gleichförmigkeit der
Schicht. Übliche
Verfahren zur Herstellung von Schichten mit einer Schichtdicke unter
1 μm auf
einem Substrat sind epitaktische Verfahren, physikalische Gasphasenabscheidung
(physical vapor deposition, PVD-Verfahren)
und chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD-Verfahren).
Die Abscheidung der Schichten erfolgt
in Einzelscheibenanlagen oder in Mehrscheibenanlagen. In Mehrscheibenanlagen
werden mehrere Wafer in geringem Abstand in einem geeigneten Gestell übereinander
gestapelt. Das als "Boat" bezeichnete, mit
mehreren Wafern beschickte Gestell wird dann in den Prozessraum
eines Ofens gegeben. Das Prozessgas, welches die abzuscheidenden
Komponenten enthält,
wird beispielsweise an der Unterseite des Prozessraums eingeleitet
und steigt dann seitlich an den übereinander
gestapelten Wafern vorbei und entlang dieser Strömungsrichtung nach oben. Diese Strömungsrichtung,
entlang derer der hauptsächliche Konvektionsstofftransport
stattfindet wird als Hauptstromrichtung bezeichnet. An der Oberseite
des Prozessraums wird das Prozessgas wieder ausgeleitet. Dazu kann
das Prozessgas entweder an der oberen Seite des Ofens durch eine
Ableitung herausgeführt werden oder
es kann umgelenkt werden und an der Außenseite des Prozessraums nach
unten geführt werden,
um dann an der Unterseite des Ofens abgepumpt zu werden. Die im
Prozessgas enthaltenen Komponenten diffundieren aus dem seitlich
am Waferstapel vorbei nach oben strömenden Hauptstrom in den Zwischenraum
zwischen zwei übereinander angeordneten
Wafern ein, um dann auf die Waferoberfläche zu gelangen und dort anschließend abgeschieden
zu werden. Der Massentransport erfolgt hauptsächlich durch Diffusion, wobei
andere Phänomene
wie Konvektion und Thermodiffusion (Soret-Effekt) beteiligt sind.
Der Diffusionsstrom der Komponenten aus dem Hauptstrom in den Raum
zwischen den Wafern wird dabei von dem Konzentrationsgradienten
der Komponenten im Hauptstrom des Prozessgases bestimmt. Während das
Prozessgas von unten nach oben steigt, verarmt es also kontinuierlich an
Komponenten, wobei deren Folgeprodukte auf der Oberfläche der
Wafer niedergeschlagen werden, sodass sich ein Konzentrationsgradient
entlang der Hauptstromrichtung einstellt. Da die Menge der Komponente,
die aus dem Gashauptstrom zwischen die Wafer transportiert wird,
vom eingestellten Konzentrationsgradienten der Komponente im Gashauptstrom
abhängt,
kann im unteren Bereich des Prozessraums, in welchem der Gashauptstrom
noch eine hohe Konzentration der Komponente aufweist, eine größere Menge
der Komponente in den Zwischenraum zwischen zwei übereinander
angeordneten Wafern gelangen, als im oberen Bereich des Prozessraums,
in welchem der Gashauptstrom an der Komponente weitgehend verarmt
ist. Dies hat zur Folge, dass die Dicke der abgeschiedenen Schicht auf
Wafern, die im unteren Bereich des Prozessraums angeordnet sind,
größer ist
als bei Wafern, die im oberen Bereich des Prozessraums angeordnet sind.
Solche Inhomogenitäten
sind bei der Nitridabscheidung nicht selten. Ein analoger Effekt
wird bei einer Dotierung der Siliziumwafer beobachtet. Im unteren
Bereich des Prozessraums, in den ständig frisches Dotiermittel
zugeführt
wird, erfolgt eine hohe Dotierung, während in den oberen Bereichen
eine deutlich geringere Dotierung erfolgt.
Die derartig erzeugten Inhomogenitäten innerhalb
des Prozessraums führen
zu einer ungleichmäßigen Verteilung
der Materialparameter der behandelten Halbleitersubstrate innerhalb
einer Batch und damit verbunden zu unterschiedlichen elektronischen
Eigenschaften des gleichen Bauelements auf verschiedenen Wafern
einer Batch. Insbesondere in der Mikroelektronik werden aber äußerst hohe
Anforderungen an die Stabilität
und der Reproduzierbarkeit der Herstellungsschritte der elektronischen
Bauteile gestellt.
Es wurden deshalb Anstrengungen unternommen,
den unterschiedlichen Abscheidungsraten der Komponenten auf Wafern
einer Batch zu begegnen.
So ist vorgeschlagen worden, entlang
der Hauptstromrichtung Injektoren im Prozessraum vorzusehen, durch
welche Dotierstoffe oder andere Komponenten, die auf dem Wafer niedergeschlagen werden
sollen, in den Prozessraum eingespeist werden können. Auf diese Weise kann
die Menge der Komponente, die aus dem Prozessgas entfernt und auf
dem Wafer niedergeschlagen wurde, ersetzt werden. Damit wird einer
Verarmung des Prozessgases an der Komponente entgegengewirkt und
die Einstellung eines Konzentrationsgradienten im Prozessgas entlang
der Hauptstromrichtung kann unterdrückt werden. Diese Lösung ist
jedoch technisch recht aufwändig,
da zum Einen Injektoren in den Prozessraum eingebaut werden müssen und
zum Anderen die durch die Injektoren dem Prozessraum zugeführte Menge
der Komponente so geregelt werden muss, dass jeweils nur die verbrauchte
Menge der Komponente ersetzt wird. Injektoren sind aber sehr anfällig für Funktionsausfälle, wie
sie beispielsweise durch mechanische Bruchdefekte auftreten.
Als weitere Möglichkeit bietet sich an, kleinere
Batchgrößen zu verwenden,
um Unterschiede zwischen dem ersten und dem letzten Wafer einer
Batch möglichst
gering zu halten. Durch den geringer ausfallenden Umsatz pro Herstellungszyklus
ist jedoch ein höherer
Kostenaufwand zu betreiben, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
sinkt.
Ferner kann zum Ausgleich der erzielten Schichtdicken
ein Temperaturgradient innerhalb des Prozessraumes vorgesehen werden.
Durch die bei höherer
Temperatur erhöhte
Abscheidungsrate kann der Verarmung des Hauptgasstroms an der abzuscheidenden
Komponente entgegengewirkt werden. Temperaturunterschiede von mehreren
Grad sind, wie insbesondere bei der Nitridabscheidung, nicht selten.
Mit diesem Verfahren können
zwar gleichmäßige Schichtdicken
innerhalb einer Batch erreicht werden, die Wafer einer Batch erfahren
jedoch ein unterschiedliches Temperaturbudget. Dadurch können in
späteren
Prozessschritten Unterschiede in der Prozessierung der Wafer bzw.
im fertigen Produkt Unterschiede in den elektronischen Parametern
zwischen Chips aus verschiedenen Wafern auftreten.
Bei Einzelscheibenanlagen können durch Rotation
des Wafers um seine Achse Ungleichmäßigkeiten von Temperatur- und
Konzentrationsprofilen ausgeglichen werden. Dieses Verfahren wird heute
von den meisten Herstellern angeboten. Für Mehrscheibenanlagen ist dieses
Verfahren ungünstig,
da eine Rotation der Wafer bzw. des Boats technisch nur schwierig
zu verwirklichen ist und in Mehrscheibenanlagen die Hauptstromrichtung
des Prozessgases im Allgemeinen parallel zur Normalen der Waferfläche verläuft und
nicht, wie bei Einzelscheibenanlagen, parallel zur Waferoberfläche. Ein
Konzentrationsgradient entlang der Hauptstromrichtung kann daher
durch eine Rotation des Boats um seine Längsachse nicht ausgeglichen
werden. Dies bedeutet, dass die Boatrotation sich im wesentlichen
lediglich positiv auf die Gleichförmigkeit innerhalb eines Wafers
auswirkt, die Homogenität
der einzelnen Wafer untereinander jedoch kaum beeinflusst wird.
Der Aspekt der Gleichförmigkeit
der Wafer untereinander wird dabei umso kritischer je kleiner die
Strukturbreiten werden. Soll die kritische Strukturgröße weiter
verringert werden, muss die Regelmäßigkeit, mit der Schichten
innerhalb einer Batch abgeschieden werden, weiter erhöht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb,
ein Verfahren zur Gasphasenabscheidung von Komponenten auf einem
Halbleitersubstrat zur Verfügung
zu stellen, mit welchem auch bei größeren Batchgrößen nur
geringe Schwankungen der Schichteigenschaften zwischen zwei Wafern
beobachtet werden bzw. mit dem Schwankungen der Schichtdicke einer
auf einem Halbleitersubstrat abgeschiedenen Schicht verringert werden
können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren zur Gasphasenabscheidung von Komponenten, die in einem
entlang einer Hauptstromrichtung strömenden Prozessgas enthalten
sind, auf ein oder mehrere in einem Prozessraum angeordnete Halbleitersubstrate,
wobei die Hauptstromrichtung während des
Verfahrens zumindest einmal geändert
wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren
werden die Halbleitersubstrate zunächst in üblicher Weise im Prozessraum
angeordnet. Befinden sich mehrere Halbleitersubstrate im Prozessraum,
werden diese im Allgemeinen in geringem Abstand übereinander (gestapelt) angeordnet.
In den Prozessraum werden anschließend die Prozessgase eingeleitet,
welche die Komponenten enthalten, die auf dem Halbleitersubstrat
abgeschieden werden sollen. Der Prozessraum umfasst dazu mindestens
eine Zuleitung, die z.B. über
ein Zuführungsventil
geöffnet
oder verschlossen werden kann und durch welche das Prozessgas dem
Prozessraum zugeführt
wird, sowie mindestens eine Ableitung, durch welche das Prozessgas
aus dem Prozessraum herausgeführt
wird, indem es beispielsweise abgepumpt wird. Zwischen Zuleitung
und entsprechender Ableitung stellt sich eine Hauptstromrichtung
ein, entlang der das Prozessgas den Prozessraum durchströmt. Wie
oben beschrieben, stellt sich im Prozessraum für die zugeführten Komponenten ein erster
Konzentrationsgradient ein, der zu Schwankungen in der Schichtdicke zwischen
einzelnen Halbleitersubstraten einer Batch bzw. bei Einzelscheibenanlagen
auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrats führt.
Wird die Hauptstromrichtung nun geändert, stellt sich ein zweiter
Konzentrationsgradient ein, der vom ersten Konzentrationsgradienten
unterschiedlich ist. Als Folge ändern
sich auch die Schwankungen, die innerhalb einer Batch zwischen einzelnen
Halbleitersubstraten bzw. bei Einzelscheibenanlagen auf der Oberfläche des
Wafers beobachtet werden. Die Umschaltung der Hauptstromrichtung
erfolgt nach Möglichkeit
so, dass die Schwankungen der Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht,
die sich zwischen den einzelnen Halbleitersubstraten einer Batch
in einer Mehrscheibenanlage bzw. auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats
in einer Einzelscheibenanlage einstellen, weitgehend ausgleichen.
Durch ein- oder mehrmalige Änderung
der Hauptstromrichtung können
also Konzentrationsgradienten, die sich für die Komponenten im Prozessraum
einstellen, ausgeglichen werden. Dadurch können auch unterschiedliche
Schichtdicken auf Halbleitersubstraten einer Batch vermieden werden,
so dass eine wesentlich gleichmäßigere Qualität der prozessierten
Halbleitersubstrate erreicht werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird die Einheitlichkeit der behandelten Halbleitersubstrate beispielsweise
hinsichtlich der Dicke der abgeschiedenen Schicht oder einer Dotierung
verbessert. Es ist nicht erforderlich, einen Temperaturgradienten im
Prozessraum vorzusehen. Die Temperatur kann im gesamten Prozessraum
konstant gehalten werden bzw. einheitlich variiert werden. Die Halbleitersubstrate
einer Batch erfahren also alle das gleiche Temperaturbudget, d.
h. sie werden für
den gleichen Zeitraum auf die gleiche Temperatur erwärmt. Damit wird
die Reproduzierbarkeit der elektronischen Eigenschaften der erzeugten
mikroelektronischen Bauelemente erhöht und die Ausbeute an funktionsfähigen Schaltkreisen
gesteigert.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens
ist die Möglichkeit,
die Batchgröße weiter
zu erhöhen. Durch
die veränderbare
Hauptstromrichtung wird die insbesondere bei größeren Batchgrößen auftretende Problematik
einer lokalen Konzentrationsverarmung deutlich herabgesetzt. Es
können
somit deutlich größere Batchgrößen verwendet
und somit innerhalb eines Produktionszyklusses mehr Bauteile als
bisher hergestellt werden. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des
Verfahrens wesentlich verbessert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist an sich von
der Größe der prozessierten
Halbleitersubstrate unabhängig.
So können
auch Wafer mit größerem Durchmesser,
z.B. mit einer Größe von 300
mm oder mehr, problemlos prozessiert werden. Es versteht sich jedoch,
dass das Verfahren auch für
die Prozessierung kleinerer Wafer eingesetzt werden kann.
Da Konzentrationsgradienten im Prozessraum
im Lauf des Verfahrens weitgehend ausgeglichen werden, ist es ausreichend,
wenn Dotierstoffe zur Steuerung der elektronischen Eigenschaften
der Halbleitersusbtrate an nur einer Stelle als Prozessgas in den
Prozessraum eingeleitet werden. Es ist also nicht erforderlich,
seitliche Einspritzdüsen
(Injektoren) entlang der Hauptstromrichtung im Prozessraum vorzusehen,
um eine Verarmung des Prozessgases an Dotierstoff auszugleichen.
Die für
die Durchführung
des Verfahrens geeigneten Vorrichtungen können daher konstruktiv einfach
ausgeführt werden
und sind daher unempfindlich gegenüber technischen Störungen.
Mit Injektoren ausgestattete Anlagen
können natürlich ebenfalls
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben werden, wobei ein Einsatz der Injektoren für eine zusätzliche
Erhöhung
der Homogenität sorgt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird also die Gleichmäßigkeit
innerhalb einer Wafercharge (Batch) verbessert. Das betrifft sowohl
Schichtdicke als auch Dotierung und thermisches Budget. Dadurch
wird die Reproduzierbarkeit der elektronischen Eigenschaften der
aus den Halbleitersubstraten hergestellten elektronischen Bauteile
verbessert und somit die Ausbeute der damit hergestellten Schaltkreise erhöht. Daraus
resultiert eine erhöhte
Ausbeute an funktionsfähigen
Bauteilen und eine damit verbundene Steigerung der Produktivität des Verfahrens.
In einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Hauptstromrichtung umgekehrt. Eine Umkehrung der Hauptstromrichtung
entspricht einer maximalen Änderung der
Hauptstromrichtung. Dabei findet eine maximale Änderung der Strömungen innerhalb
des Ofens und damit ein weitgehender Ausgleich von Konzentrations-
und Temperaturgradienten statt. Wie bereits weiter oben beschrieben,
sind in Mehrscheibenanlagen die Halbleitersubstrate in geringem
Abstand übereinander
gestapelt im Prozessraum angeordnet, wobei das Prozessgas seitlich
am Stapel vorbeiströmt
und eine Hauptstromrichtung ausgebildet wird. Dazu kann das Prozessgas
z.8. an der Unterseite in den Prozessraum eingeleitet werden. Nach einem
bestimmten Zeitraum wird die Hauptstromrichtung umgekehrt, d.h.
das Prozessgas wird nun an der der Unterseite gegenüberliegenden
Oberseite des Prozessraums eingeleitet. Die Hauptstromrichtung ändert sich
daher um 180 °.
Bei Einzelscheibenanlagen strömt
das Prozessgas parallel zur Waferoberfläche. Auch hier wird die Hauptstromrichtung
nach einem bestimmten Zeitraum umgekehrt, also um 180 ° gedreht,
um Konzentrations- und Temperaturgradienten auszugleichen. Es kann
bei Einzelscheibenanlagen vorteilhaft sein, die Hauptstromrichtung
in kleineren Schritten zu ändern,
z.B. um je weils 90 °,
um einen optimalen Ausgleich der Temperatur- und Konzentrationsgradienten
zu erreichen.
Es ist daher vorteilhaft, wenn die
Hauptstromrichtung parallel zu einer Symmetrieachse der Halbleitersubstrate
ausgerichtet ist. Bei einer Änderung
der Hauptstromrichtung werden Konzentrationsgradienten in symmetrischer
Art und Weise entlang der Symmetrieachse der Substrate ausgeglichen.
Die Homogenität
der beschichteten Halbleitersubstrate lässt sich dann wesentlich verbessern.
Die Symmetrieachse ist bevorzugt
eine Rotations- oder eine Drehspiegelachse. Diese Symmetrieachsen
weisen einen im Vergleich zu anderen Symmetrieachsen besonders hohen
Symmetriegrad auf, so dass bei Orientierung der Hauptstromrichtung parallel
zu einer derartigen Symmetrieachse ein besonders wirksamer Ausgleich
der Konzentrationsgradienten erreicht wird. Bei Mehrscheibenanlagen
verläuft
die Rotationsachse senkrecht zur Oberfläche des Halbleitersubstrats
im Zentrum des Stapels. Das Prozessgas strömt daher, wie bereits beschrieben, entlang
der Hauptstromrichtung seitlich am Halbleiterstapel vorbei. Bei
Einzelscheibenanlagen verläuft die
Drehspiegelachse entlang der Waferoberfläche durch den Mittelpunkt der
Oberfläche
des Halbleitersubstrats. Das Prozessgas strömt daher parallel zur Waferoberfläche entlang
der Hauptstromrichtung über
das Halbleitersubstrat hinweg.
In einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird vor einer Änderung
der Hauptstromrichtung das Prozessgas zumindest teilweise aus dem
Prozessraum entfernt. Das unmittelbar vor der Änderung der Hauptstromrichtung
in den Prozessraum eingeleitete Prozessgas durchläuft nicht
mehr die gesamte Strecke durch den Prozessraum, sondern erfährt eine
Strömungsumkehr.
Nimmt man ein bestimmtes Volumen des Prozessgasstroms, das kurz
vor der Strömungsumkehr in
den Prozessraum eingeleitet wurde, gelangt dieses bis zur Strö mungsumkehr
nur bis zu einem der unteren Halbleitersubstrate des Stapels, um
dann in umgekehrter Richtung wieder aus dem Prozessraum ausgeleitet
zu werden. Die Halbleitersubstrate an den äußeren Enden des Stapels erfahren
daher ein zusätzlich
verstärktes
Schichtdickenwachstum. Der Effekt kann sich besonders bei mehrmaligem
Wechsel der Hauptstromrichtung bemerkbar machen. Durch geschickte
Verfahrensführung
kann dieser Effekt genutzt werden, um ein verringertes Schichtdickenwachstum
an den Enden die Waferstapels auszugleichen, das durch die geringe
Konzentration der Komponenten im Prozessgas verursacht wird, ehe dies
während
der gewöhnlichen
Abscheidung den Prozessraum wieder verlässt. Um zusätzliche Inhomogenitäten zu vermeiden,
ist es jedoch günstiger, vor
der Änderung
der Hauptstromrichtung Prozessgas, das noch im Prozessraum vorhanden
ist, zu entfernen. Dadurch kann frisches Prozessgas in den Prozessraum
eingeleitet werden, das den Prozessraum dann über seine gesamte Ausdehnung
durchströmt.
Es bildet sich dann unmittelbar der gewünschte Konzentrations- bzw.
Temperaturgradient aus.
Die Entfernung des Prozessgases aus
dem Prozessraum kann durch Verminderung der Zufuhr von Prozessgas
in den Prozessraum und/oder Absaugen von Prozessgas aus dem Prozessraum und/oder
Spülen
des Prozessraumes mit einem Inertgas (z.B. Edelgas oder Stickstoff)
erfolgen. Bei der zuletzt genannten Ausführungsform werden Druckstösse in der
Reaktionskammer vermieden.
Meist bleibt das zugeführte Prozessgas
während
der Abscheidung einer Schicht oder dem Einbringen einer Dotierung
in seiner Zusammensetzung unverändert.
Für bestimmte
Anforderungen kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn die Komponenten
nach einer Änderung
der Hauptstromrichtung eine andere Zusammensetzung und/oder Konzentration
aufweisen. Die Flexibilität
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird dadurch erhöht
und es lassen sich beispielsweise durch unterschiedliche Dotier stoffkonzentrationen
spezifische Dotierungsprofile in den Halbleitersubstraten erzeugen
und dadurch gezielt elektronische Eigenschaften anpassen.
Ferner können durch eine Änderung
der Zusammensetzung des Prozessgases beispielsweise auch Schichten
aus mehreren unterschiedlichen Lagen bzw. besondere Defektstrukturen
z.B. durch eine Änderung
des Dotiermittels realisiert werden.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens werden
Schichten hergestellt, wobei die im Prozessgas enthaltenen Komponenten
mit dem Material der Halbleitersubstraten chemisch reagieren. Eine
chemische Reaktion der abzuscheidenden Komponenten mit den Halbleitersubstraten
setzt wesentlich höhere
Energiemengen frei als eine physikalische Adsorption. Die dadurch
erreichte Stabilität
der erzeugten Abscheidungsschicht ist dementsprechend deutlich höher, wodurch
sich Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen wie mechanische
und thermische Belastungen oder Verhalten gegenüber Feuchtigkeit und Chemikalien
optimieren lassen. Beispiele für
solche Schichten sind Schichten aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.
Das Verfahren eignet sich jedoch auch für die Herstellung von Schichten,
bei welchen die im Prozessgas enthaltenen Komponenten sämtlich die
Ausgangsmaterialien für
die Schicht bilden. Dabei kann die Komponente direkt als Material
der Schicht niedergeschlagen werden (PVD; "Physical Vapor Deposition") oder das Material
der Schicht kann in einer chemischen Reaktion gebildet werden (CVD; "Chemical Vapor Deposition").
Die Gasphasenabscheidung kann bei
Atmosphärendruck,
Subatmosphärendruck
und im vakuumnahen Bereich stattfinden, wobei Subatmosphärendruck
bevorzugt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die Änderung der
Hauptstromrichtung nach einem veränderbaren Zeitmuster. Dadurch
kann beispielsweise zu Beginn der Gasphasenabscheidung die Hauptstromrichtung mit
höherer
Frequenz geändert
werden, um zunächst auf
allen Halbleitersubstraten eine möglichst gleichmäßige Starterschicht
zu erhalten. In einem späteren Stadium
des Verfahrens, wenn sich eine konstante Abscheidungsrate für die einzelnen
Halbleitersubstrate eingestellt hat, kann dann auch eine niedrigere Frequenz
der Änderung
der Hauptstromrichtung mit längeren
Intervallbereichen ausreichend sein. Bei Abscheidungen, bei denen
die Abscheiderate während
der gesamten Abscheidung im Wesentlichen konstant bleibt, reicht
ein Richtungswechsel.
In einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt während
des Verfahrens eine Online-Erfassung von Menge und/oder Verteilung
der auf die Halbleitersubstrate abgeschiedenen Komponenten. Dadurch
werden unmittelbar die momentanen Abscheidungsresultate insbesondere
hinsichtlich Schichtdicke und -qualität erhalten. Bei auftretenden
Störungen
oder unvollständiger
Abscheidung können
sofort entsprechende Maßnahmen
und Korrekturen eingeleitet werden, sodass Schichten mit hoher Qualität reproduzierbar
hergestellt werden können.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die Änderung
der Hauptstromrichtung im Prozessraum. Zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
werden daher speziell ausgestaltete Öfen benötigt. Gegenstand der Erfindung
ist daher auch ein Ofen zur Gasphasenabscheidung von in einem Prozessgas
enthaltenen Komponenten auf ein oder mehrere Halbleitersubstrate,
welcher zumindest umfasst:
- – einen Prozessraum zur Aufnahme
der Halbleitersubstrate;
- – eine
mit dem Prozessraum verbundene erste Zu-/Ableitung;
- – eine
mit dem Prozessraum verbundene zweite Zu-/Ableitung;
- – Mittel
zum Erzeugen einer Prozessgasströmung,
welche mit der ersten und/oder zweiten Zu-/Ableitung verbunden sind;
- – eine
Heizvorrichtung;
- – Mittel
zum Regeln von Betrag und Strömungsrichtung
der Prozessgasströmung.
Mit diesem erfindungsgemäßen Ofen
kann eine homogene Abscheidung von Komponenten auf Halbleitersubstraten
erreicht werden, so dass auch bei umfangreichen Batchgrößen eine
gleichmäßige Beschichtung
der Halbleitersubstrate hinsichtlich Schichtdicke und Schichtqualität erhalten
wird. Der erfindungsgemäße Ofen
kann sowohl als Einzelscheibenanlage, wie auch als Mehrscheibenanlage ausgestaltet
werden. Da die elektronischen Eigenschaften von den Materialeigenschaften
in signifikanter Weise abhängen,
wird die elektronische Qualität der
aus diesen Halbleitersubstraten gefertigten mikroelektronischen
Schaltkreise deutlich verbessert. Mit dem erfindungsgemäßen Ofen
können
daher mikroelektronische Bauelemente mit verringerten Abmessungen
hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Ofen unterscheidet sich
von den bisher verwendeten Öfen
im Wesentlichen dadurch, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit
der die Strömung
im Prozessraum des Ofens verändert
bzw. umgekehrt werden kann. Wie bereits in Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert,
durchströmt
ein Prozessgas, das die abzuscheidenden Komponenten enthält, den
Prozessraum. Wegen der Abscheidung der Komponenten verarmt das Prozessgas,
so dass sich für
die Komponenten entlang einer Hauptstromrichtung ein Konzentrationsgradient
im Prozessraum einstellt. Werden die Strömungsverhältnisse verändert, indem die Richtung der
Strömung
verändert
wird, verändert sich
auch der Konzentrationsgradient. Durch die Überlagerung der Konzentrationsgradienten
kann in der Summe eine gleichmäßigere Abscheidung
von Schichten, insbesondere eine gleichmäßige Schichtdicke innerhalb
einer Batch erreicht werden.
Erste und zweite Zu- bzw. Ableitung
können an
sich in beliebiger Weise ausgestaltet werden. So kann die erste
und zweite Zu-/Ableitung als jeweils zwei in den Prozessraum mündende Leitungen
ausgestaltet sein, wobei jeweils eine der Leitungen als Zuleitung
und die andere als Ableitung wirkt. In diesem Fall münden also
zumindest vier Leitungen in den Prozessraum. Zu- und Ableitung können jedoch auch über einen
gemeinsamen Zugang mit dem Prozessraum verbunden sein, so dass nur
zwei Leitungen in den Prozessraum münden. Es ist jedoch auch möglich, die
Zu- bzw. Ableitung auch in Form von Injektoren als eine Mehrzahl
von Zu- bzw. Ableitungen auszugestalten, um beispielsweise eine
gleichmäßige Strömung des
Prozessgases im Prozessraum zu erhalten. Um eine Strömung im
Prozessraum zu erzeugen, sind entsprechend Mittel zum Erzeugen einer
Prozessgasströmung
vorgesehen, welche mit der ersten und/oder zweiten Zu-/Ableitung
verbunden sind. Im Allgemeinen werden hierfür Pumpen eingesetzt, wie sie
auch in den bisher verwendeten Öfen
gebräuchlich
sind. Die Strömung
kann erzeugt werden, indem beispielsweise das Prozessgas in den
Prozessraum gedrückt
wird bzw. indem das Prozessgas aus dem Prozessraum abgepumpt wird.
Um eine Strömungsumkehr des Prozessgases
zu erreichen, sind Mittel zum Regeln von Betrag und Strömungsrichtung
der Prozessgasströmung vorgesehen.
Dies können
beispielsweise Ventile sein, mit denen erste und zweite Zu-/Ableitung
geöffnet
bzw. geschlossen werden. Es ist aber auch möglich, über die Mittel zum Erzeugen
einer Prozessgasströmung
die Hauptstromrichtung zu beeinflussen, indem z.B. die Förderleistung
einer Pumpe entsprechend geregelt wird. Die Mittel zum Regeln von
Betrag und Strömungsrichtung
können
beispielsweise rechnergestützt
gesteuert werden.
Bevorzugt sind erste und zweite Zu-/Ableitung
an gegenüberliegenden
Seiten des Prozessraums angeordnet. Bei einer Änderung der Strömung wird
dann eine Umkehr um 180 ° bewirkt.
Dies ist besonders vorteilhaft bei Mehrscheibenanlagen, da hier die
Konzentrationsgradienten besonders stark ausgeprägt sind. Erste und zweite Zu-/Ableitung
werden vorteilhaft an der Unter- bzw. Oberseite des Prozessraums
vorgesehen, also in der Verlängerung
eines im Prozessraums angeordneten, mit Wafern beschickten Boats.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform
ist eine Intervallregeleinheit vorgesehen, zum intervallweisen Ändern der
Richtung der Prozessgasströmung
nach einem veränderbaren
Zeitmuster. Dadurch können
entsprechend dem Verfahrensverlauf geeignete Zeitfenster für die einzelnen
Abscheidungsintervalle realisiert werden. Wie bereits beim erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert,
kann es zu Beginn eines Abscheidungszyklus vorteilhaft sein, eine
hohe Frequenz für
die Änderung
der Hauptstromrichtung vorzusehen, um zunächst auf allen Halbleitersubstraten
gleichmäßig eine
dünne Starterschicht
zu erzeugen, die dann als Keimschicht für die anschließende Abscheidung
der Schicht wirkt. Ist auf der gesamten Oberfläche der einzelnen Halbleitersubstrate
ein gleichmäßiges Schichtwachstum
initiiert worden, kann auch eine niedrigere Frequenz zur Änderung
der Hauptstromrichtung verwendet werden. Auf diese Weise können auch
dickere Schichten mit Dicken bis hin zu mehreren Mikrometern erzeugt werden,
wobei nur geringe Schwankungen der Schichtdicke innerhalb einer
Batch beobachtet werden.
Um das Wachstum der Schicht genau
steuern zu können
ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Ofens
eine Messeinheit zum Erfassen von Menge und/oder Verteilung der
auf die Halbleitersubstrate abgeschiedenen Komponenten vorgesehen.
Diese Messeinheit kann mit den Mitteln zum Erzeugen einer Prozessgasströmung verbunden
sein um den Prozessgasstrom bzw. die Konzentration der zugeführten Komponenten
zu steuern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Ofens
ist eine mit der Messeinheit verbundene Steuerungsein heit zur Onlinesteuerung
der Mittel zum Erzeugen einer Prozessgasströmung vorgesehen. Auf der Grundlage
der von der Messeinheit ermittelten Daten kann dann automatisch
in den Abscheideprozess eingegriffen werden und somit Einfluss auf
das Wachstum der Schicht genommen werden.