PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69112506T2 09.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0463633
Titel CVD-Anlage und Verfahren zur Reduzierung der Teilchen-Verseuchung in einem CVD-Verfahren.
Anmelder Applied Materials, Inc., Santa Clara, Calif., US
Erfinder Rinnovatore, James V., Nazareth, PA 18064, US
Vertreter Diehl, Glaeser, Hiltl & Partner, 80639 München
DE-Aktenzeichen 69112506
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 28.06.1991
EP-Aktenzeichen 911107944
EP-Offenlegungsdatum 02.01.1992
EP date of grant 30.08.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.05.1996
IPC-Hauptklasse C30B 25/14
IPC-Nebenklasse C23C 16/54   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet der bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzten Vorrichtungen für die Fertigung von Halbleiterwafern, insbesondere bei der Aufdampfung vieler verschiedener Arten von Schichten von einer Gasquelle auf ein Substrat zum Einsatz kommende Vorrichtungen zur chemischen Aufdampfung (CVD).

Eine Vorrichtung der oben genannten Art wird in der Fertigung von Halbleiterbauelementen auf Siliziumwafern mit einer Größe von 100 Millimetern oder mehr verwendet. Epitaxialschichten werden auf den Oberflächen der Wafer durch deren Erwärmung auf Temperaturen im Bereich von 800 bis 1200 Grad Celsius in einer Glocke mit einer Gasatmosphäre aus einem Wasserstoffträgergas, welches mit einem oder mehreren reaktiven Gasen wie beispielsweise einem Siliziumquellengas und einem Dotierungsstoffquellengas vermischt ist, gebildet.

Während der verschiedenen Verarbeitungsstufen zur Herstellung von verschiedenen Arten von Schichten auf den Oberflächen der Wafer ist größte Vorsicht angebracht, um die Ablagerung partikulärer Verunreinigungen auf den Oberflächen der Wafer zu verhindern. Aufgrund der Nachfrage nach einer immer größeren Integration von Schaltkreisen sowie des fortwährenden Bedarfs an einer höheren Chipdichte stellte die Eliminierung partikulärer Verunreinigungen ein immer schwierigeres Problem dar. Mit einer geringeren Größe der Bauteile von Schaltungen verringerte sich auch die minimale Größe partikulärer Verunreinigungen, welche die Leistung der Schaltung beeinträchtigen können. Dies kann durch die Tatsache belegt werden, daß sogar Partikel mit einer Größe von nur 1/10 der Bauteile der Schaltungen die elektrischen Eigenschaften der Schaltung ernsthaft beeinträchtigen können.

Eine Quelle solcher Verunreinigungen stellt die Auslaßleitung dar, die zum Leiten von Gasen aus dem Inneren der Glocke dient, wenn diese nicht mehr benötigt werden.

Eine derartige Auslaßleitung kann in einem Auslauf bei atmosphärischem Druck enden oder kann das Verarbeitungssystem mit einer Hochvakuumquelle wie beispielsweise einer Vakuumpumpe verbinden. Während des Normalbetriebs ist diese Leitung zur Vakuumpumpe hin offen, so daß ständig Gase, einschließlich mitgeführter partikulärer Verunreinigungen, in einer Richtung weg von der Reaktionskammer strömen.

Nach Beendigung eines Verarbeitungsschrittes wird jedoch während des Rückfüllens der Reaktionskammer mit einer neuen Verarbeitungsatmosphäre durch eine Einlaßleitung ein Ventil in der Auslaßleitung geschlossen. Während dieses Rückfüllvorgangs können starke Ströme sich bewegender Gase in der Reaktionskammer partikuläre Verunreinigungen aus dem Bereich der Auslaßleitung in der Nähe von deren Mischlußbereich mit der Reaktionskammer aufwirbeln und mit führen.

Es ist nicht leicht, das Vorhandensein verunreinigender Partikel in dem kurzen Bereich der Auslaßleitung zwischen dem Ventil und der Reaktionskammer zu verhindern, da im Abfluß von der Reaktionskammer zwangsweise etwas partikuläres Material vorhanden ist. Die Leistung des Systems hinsichtlich der Partikel könnte jedoch verbessert werden, wenn eine Rückkehr solcher partikulärer Verunreinigungen zur Reaktionskammer während des Rückfüllvorgangs verhindert oder wenigstens zurückgehalten werden könnte.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Epitaxialreaktorsystems mit einer verbesserten Leistung hinsichtlich der Partikel im Vergleich zum Stand der Technik, wobei das System insbesondere zu einer Verringerung partikulärer Verunreinigungen führt. Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und das Verfahren des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale und Einzelheiten der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Die Ansprüche sind als ein erster, nicht einschränkender Versuch der Definition der Erfindung in allgemeinen Worten zu verstehen.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem derartigen System, bei welchem eine Reaktionskammer mit einer Auslaßleitung entweder mit einem Auslauf oder einer Vakuumpumpe verbunden ist, partikuläres Material in der Auslaßleitung daran gehindert wird, in die Reaktionskammer zurückzukehren.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem solchen System ein Baffle zur Verfügung zu stellen, welches sich an dem Anschlußbereich der Auslaßleitung und der Reaktionskammer befindet, um zu verhindern, daß partikuläres Material in der Auslaßleitung wieder in die Reaktionskammer eintritt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Baffles gemäß der direkt vorhergehenden Aufgabe in einer Form, welche problemlos aus der Auslaßleitung entfernbar ist, wenn dies gewünscht ist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines derartigen Baffles in einer Form, welche den minimalen praktischen Strömungswiderstand gegenüber Gasen verursacht, welche sich entlang der Auslaßleitung von der Reaktionskammer zur Vakuumpumpe bewegen.

Im Hinblick auf die oben genannten Ziele erstreckt sich ein Baffle, welches partikuläres Material an der Rückkehr von der Auslaßleitung in die Reaktionskammer eines Epitaxialreaktorsystems hindert, quer über die Öffnung der Auslaßleitung und weist eine zentrale Öffnung auf, deren Querschnittsfläche kleiner als die der Auslaßleitung ist. Das Baffle weist eine konkave Fläche auf, welche der Reaktionskammer zugewandt ist, und eine konvexe Fläche, welche dem Inneren der Auslaßleitung zugewandt ist.

Während des Normalbetriebs des Epitaxialreaktorsystems dient das Vakuumsystem zur Entfernung normaler Abfallnebenprodukte und partikulärer Verunreinigungen aus dem System. Bei dieser Art des Betriebs ist die zentrale Öffnung in dem Baffle im Querschnitt groß genug, um nur einen minimalen Strömungswiderstand zu verursachen.

Bei Beendigung eines Verarbeitungsschritts, wenn die Vakuumpumpe durch Schließen eines Ventils in der Auslaßleitung von der Reaktionskammer abgeschnitten ist, erfolgt das Rückfüllen der Reaktionskammer mit einer neuen Verarbeitungsatmosphäre durch eine Einlaßleitung. Durch das Vorhandensein des Baffles wird verhindert, daß die starken Gaskonvektionsströme in der Reaktionskammer Wirbelströme in dem Bereich der Auslaßleitung in der Nähe von deren Anschlußbereich mit der Wand der Reaktionskammer erzeugen.

Die oben genannten sowie weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung zusammen mit der dem Erfinder bekannten vorteilhaftesten Art der Ausführung seiner Erfindung werden deutlicher, wenn die folgende Beschreibung zusammen mit der dazugehörigen Zeichnung gelesen wird, deren Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht in etwas schematischer Form eines CVD-Epitaxialreaktorsystems einschließlich der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine detaillierte Schnittansicht des Bereichs von Fig. 1 innerhalb der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 1 stellt eine Form eines Systems 1 zur chemischen Aufdampfung dar, welche beispielsweise zur Herstellung von Epitaxialschichten auf Siliziumwafern während der Fertigung von Halbleiterbauelementen verwendet werden könnte. Das System 1 wird schematisch und auf allgemeine Weise dargestellt, um eine Erläuterung der Zusammenhänge der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.

Mehrere Substrate 3, bei denen es sich beispielsweise um Siliziumwafer von 150 mm handeln könnte, werden auf einem Graphitaufnehmer 5 zur Verarbeitung in einer in einer Quarzglocke 7 eingeschlossenen gasförmigen Umgebung gehalten. Die Glocke ist von Heizstrahleranordnungen 9 umgeben, um den Aufnehmer und die Substrate auf Verarbeitungstemperaturen im Bereich von 800 - 1200 Grad Celsius zu erwärmen.

Kühlwasser von einer externen Quelle (nicht dargestellt) fließt über eine Kühlmitteleinlaßleitung 11 in das System 1 und fließt über eine Kühlmittelauslaßleitung 13 von dem System zurück. Innerhalb des Systems 1 entzieht das Kühlwasser den Heizstrahleranordnungen 9 und einem Luft- Wasser-Wärmetauscher 15 Wärme.

Der Wärmetauscher 15 ist ein Bestandteil eines Rückführungsluftkühlsystems mit einem Gebläse 17 zur Bewegung eines kontinuierlichen Stroms kühler Luft von dem Wärmetauscher 15 in einen Reaktionskammermantel 19, von welchem aus die erwärmte Luft zurück in den Wärmetauscher 15 strömt. Innerhalb des Mantels 19 umhüllt ein Strom Kühlungsluft die Oberfläche der Glocke 7 und fließt über diese in Abwärtsrichtung, um eine ausreichend niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten, damit unerwünschte Reaktionen zwischen der Innenoberfläche der Glocke 7 und der darin befindlichen reaktiven Gasatmosphäre verhindert werden.

Charakteristischerweise umfaßt die Verarbeitung von Siliziumwafersubstraten eine Reihe von Schritten einschließlich des Aussetzens verschiedener Gasatmosphären innerhalb der Glocke 7. Bei diesen Schritten werden verschiedene Abfallprodukte einschließlich partikulärer Verunreinigungen kontinuierlich aus dem Inneren der Glocke 7 enfernt. Dies erfolgt durch ein Vakuumsystem mit einer Vakuumpumpe 21, die mit einem Ventil 23 verbunden ist, welches wiederum durch eine Auslaßleitung 25 mit der Glocke 7 verbunden ist.

Das Füllen der Glocke 7 zu Beginn jedes Verarbeitungszyklus erfolgt durch eine Einlaßleitung 26, von welcher aus die Gasatmosphäre in Abwärtsrichtung, wie durch den Pfeil 29 gezeigt, fließt. Während dieses Rückfüllvorgangs ist das Ventil 23 geschlossen, womit der Abschnitt der Äuslaßleitung 25 zwischen dem Ventil 23 und der Glocke 7 von der Vakuumpumpe 21 abgeschnitten ist. Wie der Pfeil 31 zeigt, streicht die Rückfüllgasatmosphäre mit einer leichten Abweichung in die Öffnung der Auslaßleitung 25 in der Nähe von dessen Anschlußbereich mit der Glocke 7 über die Halbkugelbodenfläche der Glocke 7.

Das genaue Gasströmungsbild in diesem Bereich ist zwar unbekannt, doch es wird angenommen, daß in dem Bereich der Auslaßleitung 25 in der Nähe der Glocke 7 wahrscheinlich Wirbelströme entstehen, wie durch den Pfeil 32 gezeigt. Man geht davon aus, daß diese Wirbelströme für die Verdrängung partikulären Materials verantwortlich sind, welches sich im Verlauf der vorhergehenden Verarbeitungsschritte an der Innenwand der Auslaßleitung 25 abgelagert hatte. Wenn solches partikuläres Material erst einmal verdrängt worden ist, kann es in der Gasströmung über der Öffnung der Auslaßleitung 25 mitgeführt werden.

Wie auch immer das tatsächliche Strömungsbild aussehen mag, ist es bekannt, daß der Rückfüllungsvorgang zu einer Reversion von beträchtlichen Mengen an partikulärem Material von den Wänden der Auslaßleitung 25 in das Innere der Glocke 7 führt. Wenn sich diese partikuläre Verunreinigung erst einmal in der Glocke 7 befindet, kann sie sich auf den Wafern 3 ablagern.

Mit Bezugnahme auf Fig. 2 ist der Bereich von Fig. 1 in der Nähe des Anschlußbereichs der Auslaßleitung 25 und der Glocke 7 vergrößert dargestellt. Insbesondere ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Partikeldrosseleinrichtung 27 dargestellt, welche innerhalb der Öffnung der Auslaßleitung 25 angeordnet ist und sich über diese Öffnung erstreckt.

Die Partikeldrosseleinrichtung 27 weist eine mit Flansch versehene Buchse 29 auf, welche so dimensioniert ist, daß diese problemlos in die Öffnung der Auslaßleitung 25 an deren Anschlußbereich mit der Glocke 7 gleiten kann. Ein bogenförmiger Griff 34, der einen runden Querschnitt sowie einen Durchmesser von etwa 1/8 Inch (1 Inch = 2,54 cm) aufweisen kann, ermöglicht ein problemloses Einsetzen und Entfernen der Drosseleinrichtung 27. Ein Baffle 33 ist um seinen oberen Rand mit der Buchse 29 verbunden und erstreckt sich ausgehend davon im allgemeinen in Abwärtsrichtung, um in einer Öffnung 35 mit verringertem Durchmesser zu enden.

Das Baffle 33 wurde in seiner bevorzugten Form, welche der eines abgestumpften Kegelabschnitts entspricht, dargestellt. Das Baffle 33 kann jedoch alternativ dazu jede andere Form aufweisen, welche von der in die Glocke 7 ragenden Seite aus gesehen konkav ist. Beispielsweise könnte es sich bei dem Baffle 33 um eine Hemisphäre oder einen anderen Abschnitt einer Sphäre handeln, oder das Baffle könnte irgendeine andere torische konkave Form aufweisen. Eine abgestumpfte Kegelform ist jedoch relativ leicht herzustellen, und es hat sich herausgestellt, daß diese Form zu einer beträchtlichen Verringerung der Reversion partikulärer Verunreinigung von der Auslaßleitung 25 führt. Vorzugsweise liegt der Kegelwinkel im Bereich von 50 bis 60º.

Die genaue Form der Gasströmung, welche zu dieser Verringerung partikulärer Verunreinigung führt, wurde nicht vollständig analysiert. Es wird jedoch angenommen, daß zwei Mechanismen eine Rolle spielen könnten: (1) ein Loslösendes Gases in der Auslaßleitung 25 von dem während des Rückfüllens in der Glocke 7 vorkommenden Wirbelgasmuster, womit die Erzeugung von Wirbelströmen in der Auslaßleitung 25 reduziert wird; und (2) eine Tendenz, einen hohen Prozentsatz an sämtlichen beweglichen Partikeln in der Auslaßleitung 25, insbesondere im Bereich zwischen der unteren Oberfläche des Baffles 33 und den benachbarten Bereichen der Buchse 29, einzuschließen.

Der zweite dieser Mechanismen legt nahe, daß die von der in die Auslaßleitung 25 hineinragenden Seite aus gesehene konvexe Form des Baffles 33 ebenfalls zur wirksamen Verringerung partikulärer Verunreinigung beiträgt. Durch eine solche konvexe Form entsteht zwischen dem Baffle 33 und der benachbarten Innenfläche der Buchse 29 ein ringförmiger Bereich mit einer zunehmend konvergierenden Form, welcher zum Einschluß einer Mehrzahl an Partikeln, welche sich in einer Richtung hin zur Glocke 7 bewegen, gut geeignet ist.

Die Partikeldrosseleinrichtung 27 kann beispielsweise ganz aus Quarz hergestellt sein, so daß ihr Wärmeausdehnungskoeffizient auf jenen der Glocke 7 und der Auslaßleitung 25 abgestimmt ist. Vorzugsweise liegt das Verhältnis des Außendurchmessers der Buchse 29 und des Durchmessers der Öffnung 35 in der Größenordnung von 4 : 1,5. Charakteristische Dimensionen sind: Außendurchmesser der Buchse 29 = 4,0 Inch; Durchmesser der Öffnung 35 = 1,5 Inch (1 Inch = 2,54 cm).

Die Erfindung wurde zwar als Teil eines Systems 1 zur chemischen Aufdampfung beschrieben, welches vorwiegend zur Epitaxialaufdampfung auf Siliziumwafern dient und bei welchem zum Auslassen verbrauchter Verarbeitungsatmosphären aus der Reaktionskammer eine Vakuumpumpe zum Einsatz kommt, doch die Erfindung kann problemlos in jede andere Art von CVD-System einschließlich jenen, bei welchen der Auslaß in einen Auslauf bei atmosphärischem Druck erfolgt, eingearbeitet werden.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur chemischen Aufdampfung (CVD) mit einer Reaktionskammer (7) zum Einschluß einer reaktiven Gasatmosphäre in Kontakt mit einem Substrat (3), wobei die Reaktionskammer (7) einen Gasauslaß zum Auslassen einer Gasatmosphäre aus der Reaktionskammer (7), wenn dies gewünscht ist, sowie einen Gaseinlaß zur Verbindung mit einer Quelle einer gewünschten reaktiven Gasatmosphäre zum Füllen der Kammer aufweist;

wobei der Gasauslaß eine Partikeldrosseleinrichtung (27) zum Begrenzen des Rückflusses partikulärer Verunreinigungen aus einem Auslaßkanal (25) in Verbindung mit dem Gasauslaß in die Reaktionskammer (7) aufweist, wobei die Partikeldrosseleinrichtung (27) ein sich über den Gasauslaß erstreckendes und dadurch eine Öffnung (35) ausbildendes Baffle (33) aufweist, und wobei das Baffle (33) an dessen der Reaktionskammer (7) gegenüberliegenden Oberfläche konkav ist und/oder an dessen in den Auslaßkanal (25) hineinragenden Oberfläche konvex ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Auslaßkanal (25) mit einem Wandbereich der Reaktionskammer (7) in Gasflußverbindung mit dem Inneren der Reaktionskammer an einem Anschlußpunkt zwischen dem Wandbereich und dem Auslaßkanal verbunden ist; und die Drosseleinrichtung (27) an dem Anschlußbereich angeordnet ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, bei der das Baffle (33) an dem Anschlußbereich des Gasauslaßkanals (25) und dem Wandbereich der Reaktionskammer (7) angeordnet ist, das Baffle (33) sich quer über den Auslaßkanal (25) daran erstreckt, der Auslaßkanal (25) eine erste Querschnittsfläche und die Öffnung (35) des Baffles eine zweite Querschnittsfläche aufweist, welche kleiner als die erste Querschnittsfläche des Auslaßkanals (25) ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, bei der die konkave und/oder konvexe Oberfläche des Baffles (33) kegelförmig ist.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Baffle (33) einen Kegelstumpf aufweist, dessen Achse im allgemeinen parallel zur Achse des Auslaßkanals (25) verläuft.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das Baffle (33) einen durch ein Paar von imaginären, voneinander beabstandeten parallelen Ebenen abgestumpften dünnwandigen Kegel aufweist, wobei jede der imaginären Ebenen im allgemeinen senkrecht zur Achse des Kegels angeordnet ist, um die Öffnung (35) der zweiten Querschnittsfläche an dem Schnittpunkt einer der Ebenen und dem Kegel auszubilden, und um an dem Schnittpunkt der anderen Ebene und dem Kegel ein offenes Ende einer im Vergleich zur Öffnung größeren Querschnittsfläche auszubilden.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Baffle (33) und/oder die Kammer (7) aus Quarz gebildet sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die des weiteren eine mit Flansch versehene Montagebuchse (29) aufweist, von welcher ein Bereich zur Aufnahme in sowie zum enganliegenden Halten in dem Auslaßkanal (25) dimensioniert ist, wobei das Baffle (33) mit der Montagebuchse (29) verbunden ist und sich über deren Inneres erstreckt, wobei die Buchse (29) und das Baffle (33) geeigneterweise innerhalb des Auslaßkanals (25) einsetzbar und davon entfernbar sind.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, die des weiteren einen mit dem Ende der Montagebuchse (29) verbundenen Griff (34) aufweist, welcher bei Aufnahme der Buchse in dem Auslaßkanal in die Reaktionskammer ragt, wodurch die Buchse (29) und das Baffle (33) durch den Griff (34) greifbar und aus dem Auslaßkanal (25) herausnehmbar sind, wenn dies gewünscht ist.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem das Verhältnis des Außendurchmessers der Montagebuchse (29) und des Durchmessers der Öffnung (35) bei 4 : 1,5 liegt.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das kegelförmige Baffle einen Kegelwinkel im Bereich von 50 bis 60º aufweist.

12. Verfahren zur Verringerung partikulärer Verunreinigung in einem Verfahren der chemischen Aufdampfung mit folgenden Schritten:

Bereitstellung einer Reaktionskammer zur Beinhaltung eines Substrats, auf welchem die chemische Aufdampfung stattfinden soll;

Bereitstellung eines Gaseinlasses zur Verbindung mit einer Quelle einer gewünschten reaktiven Gasatmosphäre zum Füllen der Kammer;

Bereitstellung eines Gasauslaßkanals zum Auslassen einer Gasatmosphäre aus der Reaktionskammer, wenn dies gewünscht ist, wobei der Auslaßkanal mit einem Wandbereich der Reaktionskammer in Gasflußverbindung mit dem Inneren der Reaktionskammer an einem Anschlußpunkt zwischen dem Wandbereich und dem Auslaßkanal verbunden ist; und

Bereitstellung einer an dem Anschlußbereich angeordneten Partikeldrosseleinrichtung zum Begrenzen des Rückflusses partikulärer Verunreinigungen aus dem Auslaßkanal in die Reaktionskammer aufweist, wobei die Partikeldrosseleinrichtung ein sich über den Gasauslaß erstreckendes und dadurch eine Öffnung ausbildendes Baffle aufweist, und wobei das Baffle an dessen der Reaktionskammer gegenüberliegenden Oberfläche konkav ist und/oder an dessen in den Auslaßkanal hineinragenden Oberfläche konvex ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com