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Dokumentenidentifikation DE3634130A1 07.05.1987
Titel Vorrichtung und Verfahren für die chemische Dampfabscheidung
Anmelder Epsilon Ltd. Partnership, Tempe, Ariz., US
Erfinder Boer, Wiebe B. de, Amersfoort, NL;
Jensen, Klavs F., Minneapolis, Minn., US;
Johnson, Wayne L., Phoenix, Ariz., US;
Read, Gary W., Chandler, Ariz., US;
Robinson, McDonald, Paradise Valley, Ariz., US
Vertreter Hieke, K., Dipl.-Ing., PAT.-ANW., 8013 Haar
DE-Anmeldedatum 07.10.1986
DE-Aktenzeichen 3634130
Offenlegungstag 07.05.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.05.1987
IPC-Hauptklasse C23C 16/46
IPC-Nebenklasse C30B 25/14   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das chemische Aufdampfen oder die chemische Dampfabscheidung von Materialien auf ein Substrat und insbesondere auf die Anwendung einer axial symmetrischen Gasströmung zwecks Verbesserung der Abscheidung eines von dem Gas getragenen Materials auf ein Substrat.

Auf dem Gebiet der chemischen Abscheidung eines Materials auf ein Substrat ist es bekannt, einen Suszeptor oder eine Aufnahmeeinrichtung in einem abgeschlossenen Behälter vorzusehen, der typischerweise eine Vielzahl von Substraten trägt. In der Nähe der Aufnahmeeinrichtung wird in den Behälter ein Trägergas, das die auf dem Substrat abzuscheidenden oder niederzuschlagenden Atome in Gasform enthält, eingeführt. Die Gasströmung, die durch die Geometrie des Behälters und der Aufnahmeeinrichtung bestimmt ist, wird im allgemeinen gezwungen, parallel zu den Substraten zu fließen. Aufgrund einer Kombination von Transport und chemischer Reaktion haften die Atome des Abscheidematerials bei hohen Temperaturen an den Substratoberflächen und bilden die gewünschte Niederschlagsschicht. Diese Abscheidetechnik hat sich in der Vergangenheit als zufriedenstellend erwiesen, doch als größere Materialvolumina benötigt und Materialien von höherer Qualität verlangt wurden, wurden die Grenzen dieser Technik erreicht. Die Abscheidetechnik hat vier Probleme. Das erste Problem besteht darin, daß sich durch die Abscheidung des Materials auf die Oberfläche die Konzentration des Abscheidematerials in dem Trägergas ändert, wenn das Gas über die Oberfläche des Substrats und der Aufnahmevorrichtung strömt. Demzufolge findet man über die Länge der Aufnahmevorrichtung und auch über die Länge eines jeden Substrats eine unterschiedliche Wuchsrate der Materialschicht. Das zweite Problem besteht darin, daß in den großen, für die Abscheidung benutzten Reaktionsbehältern neues Abscheidematerial über verhältnismäßig lange Strecken hinweg transportiert werden muß, wenn das Abscheidematerial in der Abscheideregion erschöpft ist. Diese vom Transport gesteuerte Abscheidung begrenzt die Rate oder Geschwindigkeit, mit welcher die Abscheidung oder das Aufdampfen stattfinden kann und steht daher in Beziehung zu den Herstellungskosten der Materialien, z. B. in dem epitaxialen Prozess. Ein drittes Problem wird gewöhnlich als Selbstdotierung (autodoping) bezeichnet. Beim Vorgang der Selbstdotierung können Fremdatome aus dem hoch dotierten Substrat aus der Substratoberfläche gelöst und über die Gasphase in die schwächer dotierte Materialschicht, die abgeschieden wird, eingebracht werden. Bisher mußten spezielle Schritte unternommen werden, um die Selbstdotierung zu verringern, wie z. B. das Aufbringen eines gesonderten Überzuges auf die Rückseite des Substrats. Ein weiteres Problem ist schließlich die Verunreinigung mit Partikeln (particulate contamination). Mit wachsenden Kammern für die chemische Dampfabscheidung nahm der Flächeninhalt der Kammerwand zu. Unerwünschte Abscheidungen, die sich auf diesen Wänden bilden, stellen Quellen für Partikel dar, die unbeabsichtigt in das Abscheidematerial eingebracht werden können.

Es bestand daher ein Bedürfnis für eine Technik der Dampfabscheidung oder des Aufdampfens, bei der die Wuchsrate des auf das Substrat abgeschiedenen Materials über die ganze Fläche des Substrats überaus gleichmäßig ist, bei der die Wuchsrate des abgeschiedenen Materials vergrößert werden kann, bei der die Selbstdotierung des abgeschiedenen Materials ohne zusätzliche Verfahrensschritte verhindert werden kann und bei der die Verunreinigung mit Partikeln vermindert werden kann.

Demgemäß besteht ein Ziel der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine verbesserte chemische Dampfabscheidung eines Materials auf ein Substrat zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bewirken einer verbesserten chemischen Dampfabscheidung von Materialien zu schaffen, bei denen die Konzentration des Abscheidematerials im Trägergas über die gesamte Fläche des Substrats im wesentlichen gleichmäßig ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine chemische Dampfabscheidung eines Materials auf ein Substrat zu erreichen, bei der das Substrat und die Strömung des Trägergases eine axiale Symmetrie aufweisen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine chemische Dampfabscheidung eines Materials auf ein Substrat bereitzustellen, die von einer Staupunkt-Strömung des Trägergases Gebrauch macht. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine gleichmäßige Strömung von Dampf direkt gegen ein Substrat zum Zwecke der chemischen Dampfabscheidung von Materialien, die im Dampf enthalten sind oder von diesem getragen werden, zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, in einer Reaktionskammer für den Wuchs durch chemisches Aufdampfen eine gleichmäßige axial symmetrische Gasströmung gegen ein kreisförmiges Substrat dadurch bereitzustellen, daß eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen wird, durch welche das Trägergas mit dem Abscheidematerial hindurchgehen kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, gleichmäßige Wuchsraten von Material in einer chemischen Dampfreaktionskammmer zu erreichen, in dem ein axial symmetrischer Gasfluß auf ein Substrat angewendet und das Substrat gedreht wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, in einer Reaktionskammer für die chemische Dampfabscheidung eine gleichmäßige Entfernung der der Abscheidung folgenden gasförmigen Produkte zu erreichen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, in einer Reaktionskammer für die chemische Dampfabscheidung eine passende Technik zum Steuern der Rate oder Geschwindigkeit der Abscheidung des Abscheidematerials auf ein Substrat bereitzustellen.

Die vorstehenden und weitere Ziele werden gemäß der Erfindung durch eine Reaktionskammer für die chemische Dampfabscheidung erreicht, in der ein in einem vorbestimmten Abstand von einem kreisförmigen Substrat eingeführtes Gas eine anfänglich gleichmäßige Geschwindigkeit zum Substrat hin aufweist. Wenn das Gas an das Substrat herankommt, wird es radial auswärts in einen axial symmetrischen Fluß umgelenkt. Das Gas wird durch eine Vielzahl von Öffnungen, eine Reihe von Leitplatten oder anderweitige Mittel, die die axiale Symmetrie der Gasströmung im wesentlichen bewahren, aus der Kammer abgezogen. Das kreisrunde Substrat kann gedreht werden, um eine größere Gleichmäßigkeit der Abscheidung durch Mitteln von Ungleichförmigkeiten in der Gasströmung zu erreichen. Der Abstand zwischen dem Substrat und der das Gas einbringenden Vorrichtung kann verändert werden. Zudem vermindert die axiale Symmetrie der Gasströmung die Selbstdotierung des abgeschiedenen Materials. Die radiale Gasströmung und die kleine Wandfläche der Abscheidekammer bewirken zusammen eine Herabsetzung der Verschmutzung des wachsenden Films mit Partikeln.

Diese und andere Merkmale der Erfindung ergeben sich in näheren Einzelheiten aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1a-1c - jeweils in schematischer Ansicht - die Strömung des das Abscheidematerial enthaltenden Gases über Substrate gemäß den typischen Gestaltungen nach dem Stande der Technik,

Fig. 2 eine schematische Darstellung, bei der die Gasströmung erfindungsgemäß anfänglich gleichmäßig gegen ein kreisrundes Substrat gerichtet ist,

Fig. 3 eine Querschnitts- oder Seitenansicht der erfindungsgemäßen Gasströmung, die Abscheidematerial zu dem Substrat bringt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Schaffen der Anfangsbedingungen für die Gasströmung nach Fig. 3,

Fig. 5a eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von oben, die die Position von Leitplatten zur Aufrechterhaltung der axialen Symmetrie der Gasströmung gemäß der Erfindung wiedergibt, und

Fig. 5b eine horizontale Querschnittsansicht eines Teils der Vorrichtung, die die Position der Leitplatten nach Fig. 5a in Bezug auf das Halbleitersubstrat zur Schaffung einer gleichförmigen Gasströmung darstellt.

Die Fig. 1a zeigt eine Vielzahl von Substratmaterialien 10, die auf einem Aufnahme- oder Suszeptor-Material 15 angeordnet sind. Eine gasförmige Substanz 11 überquert das Substratmaterial und scheidet vorbestimmte Komponenten des Dampfes auf dem Substrat ab. Die Fig. 1b zeigt eine Suszeptor-Geometrie, bei der eine Vielzahl von Flächen 13 jeweils mehrere Substrate 10 so zu tragen vermag, daß diese dem über die Oberflächen strömenden Gas 11 ausgesetzt werden. Die Fig. 1c zeigt eine Geometrie, bei der ein Suszeptor 15 eine Vielzahl von Substraten 10 trägt. Das das Abscheidematerial mit sich führende Gas wird durch eine Öffnung 14 in der Mitte des Suszeptors eingebracht.

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung, daß das das Aufdampfmaterial bzw. die Aufdampfmaterialien tragende Gas 11 gemäß der Erfindung direkt auf ein im wesentlichen kreisrundes, von einem Suszeptor 15 getragenes Substrat 10 gerichtet oder geleitet wird. Das Gas strömt erst gegen die Oberfläche und dann in einer Richtung radial auswärts weg von der Achse der Suszeptor/Substrat-Kombination.

Die Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht in einer Ebene, die die Symmetrieachse der Strömung des sich dem Substrat 10 nähernden Gases 11 enthält. Das Gas 11 hat anfänglich eine im wesentlichen gleichmäßige Geschwindigkeit senkrecht zu der gesamten Oberfläche des Substrats 10. Wenn das Gas 11 an das Substrat herankommt, bewirkt das massive Substrat, daß der Geschwindigkeitsvektor parallel zur Oberfläche des Substrats 20 zu liegen kommt und von der Symmetrieachse wegweist. An einem gewöhnlich als Staupunkt bezeichneten Punkt 21 auf der Symmetrieachse existiert theoretisch keine Gasströmung. Der axial symmetrische Gasfluß, der sich aus dem gleichmäßigen Gasfluß gegen oder auf eine Oberfläche ergibt, wird im allgemeinen als eine Staupunkt-Strömung bezeichnet.

Die Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführung einer Vorrichtung zum Schaffen der Anfangsbedingungen eines Gases mit gegen das Substrat gerichtetem Geschwindigkeitsvektor von gleichmäßiger Größe. Das Gas 11 wird einem Bereich oberhalb einer Fläche 71 zugeführt, die entweder eine Fläche eines Gehäuses oder eine von zwei im wesentlichen parallelen Platten sein kann. Das Gas 11 wird durch Öffnungen 74 in der Fläche 71 gegen das Halbleitersubstrat 10 getrieben. Der Anfangsvektor der Geschwindigkeit ist somit gegen das Substrat bzw. zu diesem hin gerichtet. Da die Öffnungen 74 eine verhältnismäßig kleine Größe haben, ist die Gasgeschwindigkeit unter all den Öffnungen 74 im wesentlichen gleichmäßig, wenn das Gas zur Ebene des Substrats hindurchgeht. Um den Effekt einer jeglichen "Körnigkeit" zu vermindern, der sich aus der Verwendung diskreter Öffnungen ergeben kann, und um jegliche Unregelmäßigkeiten in der Gasverteilung auszuglätten, kann das Substrat 10 während der Periode des Gasflusses gedreht werden. Es wurde gefunden, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Gasströmung erhalten werden kann, wenn die Öffnungen 74 auf den Scheiteln von gleichseitigen Dreiecken angeordnet und gleichmäßig über den Bereich der Fläche 71 von etwa derselben Größe wie das Substrat 10 und damit axial symmetrisch verteilt sind.

Die Fig. 5a zeigt in Draufsicht die Mittel zum Entfernen des Gases aus der Kammer ohne Änderung der axialen Symmetrie in der Nähe des Substrats 10. Bei einer Ausführungsform sind viele, verhältnismäßig große Öffnungen 53 in im wesentlichen gleichen Abstand von der Symmetrieachse der Gasströmung entfernt angeordnet, und das Gas wird durch diese Öffnungen hindurch entfernt. Diese Gestaltung kann ohne zusätzliche Mittel eine große Strukturierung in der Gasströmung in der Nähe des Substrats 10 ergeben. Um diese Strukturierung zu vermindern, können zwischen das Substrat und die Öffnungen 53 Leitplatten 51 und 52 eingefügt werden. Dieser Aufbau bewirkt infolge der Umlenkung der Gasströmung eine Glättung und begünstigt daher die axiale Symmetrie des Gasflusses. Es ist offenbar, daß die tatsächliche Abweichung von der axialen Symmetrie in der Nähe des Substrats 10 auch ohne Leitplatten 51 und 52 weitgehend vermindert werden kann, wenn eine Vielzahl von sich rund um das Halbleitersubstrat herum erstreckenden Öffnungen 53 eingesetzt werden kann und die Anzahl dieser Öffnungen genügend groß ist. Die Fig. 5b ist im wesentlichen eine horizontale partielle Querschnittsansicht, die die Beziehung der Leitplatten 52 und 51 und der Öffnungen 53 zum Substrat 10 und zum Suszeptor oder der Aufnahmevorrichtung 15 wiedergibt.

Arbeitsweise der bevorzugten Ausführungsform:

Die chemische Dampfabscheidung oder das Aufdampfen von Material auf das Halbleitersubstrat ist das Ergebnis einer Gasströmung entlang der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10, wobei die Gasströmung im wesentlichen zu einer axialen Symmetrie gezwungen wird. Diese Strömungsgestaltung ist im allgemeinen als Staupunkt-Strömung bekannt. Die Dichte von von dem Gas mitgeführtem und auf dem Substrat niedergeschlagenen Abscheidematerial ist unter diesen Bedingungen über die gesamte Oberfläche hinweg im wesentlichen gleichmäßig. Dieses Ergebnis ist von der Untersuchung dieser Strömungskonfiguration bei anderen Anwendungen bekannt, und die Ergebnisse wurden durch Computersimulationstudien bestätigt, die von den Erfindern unter den durch die Parameter des Abscheidereaktors bestimmten Bedingungen durchgeführt wurden. Gas, welches die ursprüngliche Dichte von Abscheidematerialien aufweist, kann wegen der expandierenden Fläche, die man vorfindet, wenn man sich von der Symmetrieachse entfernt, mit der Oberfläche sowohl infolge von Konvektion als auch infolge von Diffusions-Vorgängen in Kontakt kommen. Weiterhin ist es aus Studien in anderen physikalischen Bereichen bekannt und durch Computersimulationsuntersuchungen bestätigt, daß das Temperaturprofil des auftreffenden Gases in radialer Richtung im wesentlichen gleichmäßig ist. Dies bedeutet, daß die Isothermen über das Substrat in konstantem Abstand von der Substratoberfläche sind. Gleichermaßen ist für in dem Gas auftretende chemische Reaktionen der Molanteil oder das Molverhältnis der Gaskomponenten in einem gegebenen Abstand von der Substratoberfläche im wesentlichen radial gleichförmig.

Da es praktisch nötig ist, das Gas durch eine Reihe von Öffnungen einzubringen, um die erforderlichen Anfangsbedingungen herbeizuführen, und da es schwierig ist, das kreisrunde Halbleitersubstrat bezüglich des eintretenden und abströmenden Dampfes genau zu zentrieren, kann das Substrat gedreht werden, um sich für das Substrat darstellende ungleichmäßige Strukturen im Trägergas zu vermindern.

Die Diskussion richtete sich bisher auf die besondere Gasströmung bezüglich des Substrats, doch ist es offensichtlich, daß bestimmte weitere Merkmale bedeutsam sind.

Wenn beispielsweise das Substrat erhitzt werden muß und insbesondere, wenn das Substrat durch optische Strahlung zu erhitzen ist, wird die die Öffnungen, durch die das Gas eingeführt wird, enthaltende Vorrichtung im wesentlichen aus einem passenden transparenten Material, z. B. geschmolzenem Quarz, hergestellt. Es ist auch offensichtlich, daß, obzwar die Vorrichtung mit in horizontaler Ebene liegendem Substrat und von oben her auftreffendem Dampf dargestellt wurde, diese Orientierung variiert werden kann, ohne daß die Arbeitsweise der bevorzugten Ausführungsform geändert wird.

Ein bedeutender Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, den Abstand gemäß Fig. 4 zwischen der das Gas einbringenden Vorrichtung und dem Substrat zu steuern. Die Fähigkeit, diesen Abstand zu bestimmen, ist ein wesentliches Mittel zur Steuerung des Wuchses des abgeschiedenen Materials auf dem Substrat 10. Die axial symmetrische Strömung des Gases (von der Achse weg) hat den wesentlichen Vorteil der Verminderung einer Selbstdotierung durch Erzeugen einer Gasströmung in einer Richtung bezüglich des Substrats, die der die Selbstdotierung hervorrufenden Materialströmung entgegengesetzt ist. Dieser Effekt kann dadurch begünstigt und die Selbstdotierung dadurch weiter herabgesetzt werden, daß dem Boden des Substrates ein Spülgas zugeleitet wird.

Diese Technik der chemischen Dampfabscheidung ist insbesondere für die epitaxiale Abscheidung und speziell für die Abscheidung von epitaxialem Silizium auf ein Substrat vonnutzen. Die vorstehende Beschreibung gibt nur ein Ausführungsbeispiel wieder und soll den Rahmen der Erfindung nicht beschränken. Der Fachmann kann vielerlei Abwandlungen vornehmen, ohne daß der Rahmen der Erfindung überschritten wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung für die chemische Dampfabscheidung von Materialien auf ein Substrat, mit einem im wesentlichen kreisrunden Substrat, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Gasströmung (Gasströmungsvorrichtung), die über das kreisförmige Substrat hinweg axial symmetrisch ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungsvorrichtung das Gas mit im wesentlichen gleichmäßiger Geschwindigkeit senkrecht zu dem Substrat einleitet.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungsvorrichtung Mittel zum Verändern des Abstandes zwischen dem Substrat und einem Bereich, wo das Gas gegen das Substrat gerichtet wird, aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Drehen des Substrats.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungsvorrichtung eine Vielzahl von Öffnungen zum Abziehen des Gases ohne bedeutsame Änderung der axialen Symmetrie aufweist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Leitplatten zwischen dem Substrat und den Abziehöffnungen.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Reduzieren der Selbstdotierung des Substrats.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungsvorrichtung Mittel zum Aufrechterhalten einer Staupunkt-Strömung des Gases aufweist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungsvorrichtung eine Einrichtung aufweist, die eine Strömung von das Abscheidematerial enthaltendem Gas senkrecht zum kreisrunden Substrat richtet.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Einrichtung und dem Substrat veränderbar ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat drehbar ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die epitaxiale Abscheidung benutzt wird.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abscheiden von epitaxialem Silizium auf das Substrat verwendet wird.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einführen eines Spülgases auf eine entgegengesetzte Seite des Substrats.
  15. 15. Verfahren für die chemische Dampfabscheidung von Material auf ein Substrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Abscheidematerialien enthaltende Gas unter im wesentlichen axialer Symmetrie des Substrats und der Gasströmung dem Substrat zugeführt wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidungsgeschwindigkeit durch Verändern des Abstandes zwischen dem Substrat und der das Gas zuführenden Einrichtung gesteuert wird.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat gedreht wird.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Staupunkt-Strömung des Gases aufrechterhalten wird.






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