DE60024146T2

DE60024146T2 - Methode und apparatfür die gleichmä ige gaszufuhr zu substraten bei cvd und pecvd verfahren

Info

Publication number: DE60024146T2
Application number: DE60024146T
Authority: DE
Inventors: William Scott DUNHAM
Original assignee: Genus Inc
Current assignee: Genus Inc
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: ATE310107T1; EP1274875B1; US6284673B2; US6626998B1; AU6803900A; US20010002582A1; WO2001004931A2; US6206972B1; US20030101934A1; EP1274875A2; EP1274875A4; JP2003504866A; KR100446486B1; WO2001004931A3; US20010054391A1; DE60024146D1; US6616766B2; KR20020031380A

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft das Gebiet des chemischen Aufdampfens (CVD) einschließlich der plasmaunterstützten chemischen Aufdampfung (PECVD) und verwandter Prozesse und betrifft insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung der Flußgleichmäßigkeit für die Gaszufuhr.
TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Auf dem Gebiet der Dünnschichttechnologie, die in großem Umfang bei der Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt wird, war und ist der Bedarf an dünneren Beschichtungen, besserer Gleichmäßigkeit über größere Oberflächen und höheren Ausbeuten treibende Kraft für entstehende Technologien, die von Geräteherstellern entwickelt werden. Während Halbleiterbauelemente kleiner und schneller werden, steigt die Notwendigkeit größerer Gleichmäßigkeit und der Prozeßsteuerung der Schichtdicke, Gleichmäßigkeit, Widerstandsfähigkeit und anderer Schichteigenschaften dramatisch an.
Dem Fachmann für das Aufbringen von Dünnschichten auf Substrate in Fertigungsschritten für integrierte Schaltkreise (ICs) sind verschiedene Technologien bekannt. Zu den etablierteren Technologien, die für das Aufbringen von Dünnschichten verfügbar sind, gehört das chemische Aufdampfen (CVD), welches das plasmaunterstützte chemische Aufdampfen (PECVD) einschließt. Dies sind flußabhängige Anwendungen, die eine bestimmte und gleichmäßige Substrattemperatur benötigen und erfordern, daß sich Vorläufer (chemische Spezies) in der Bearbeitungskammer in einem Zustand der Gleichmäßigkeit befinden, um gewünschte Dünnschichteigenschaften auf einer Substratoberfläche zu erzeugen. Diese Anforderungen werden mit zunehmender Größe des Substrats und abnehmender Bauelementgröße (d. h. Linienbreite) kritischer und schaffen eine Notwendigkeit größerer Komplexität der Kammerkonstruktion und der Gasströmungsverfahren, um eine angemessene Gleichmäßigkeit aufrechtzuerhalten.
CVD-Systeme nutzen verschiedene bekannte Vorrichtungen zur Zuführung von Vorläufergasen zu Targetsubstraten. Allgemein gesagt, sind Gaszufuhrsystem für CVD- und PECVD-Prozesse speziell für eine bestimmte Anwendung und Substratgröße ausgelegt. Daher sind Veränderungen des Gegenstands solcher Abgabevorrichtungen und -verfahren von den jeweiligen Prozeßparametern und Substratgrößen abhängig, die in einem einzelnen Reaktionsbehälter verarbeitet werden. Gasverteiler und Diffusoren der Stand der Technik sind aus verschiedenen Materialien hergestellt worden und weisen sehr unterschiedliche Konstruktionen auf. Zum Beispiel sind bestimmte Gasabgabeverteiler lange Röhren, die entweder gerade oder spiralförmig sind und ein Vielzahl von kleinen, oft unterschiedlich bemessenen Gasabgabelöchern aufweisen, die in Längsrichtung in Abständen entlang dem Verteiler angeordnet sind. Die meisten Diffusoren und Brauseköpfe sind im Grunde ablenkplattenartige Strukturen mit einer Vielzahl von Löchern, die in kreisförmigen oder spiralförmigen Anordnungen auf einander gegenüberliegenden Platten oder Oberflächen angeordnet sind. Oft sind die Löcher in einer Reihe von Kreisen mit größer werdenden Radien auf jeder Platte enthalten. Häufig ist eine solche Vorrichtung nur an einen Prozeßtyp angepaßt und kann nicht bei anderen Prozessen eingesetzt werden, welche die gleiche CVD-Einrichtung nutzen.
Ein Charakteristikum, das in CVD-Gaszuführeinrichtungen allgemein erforderlich ist, besteht darin, daß die Lochgrößen und der Abstand zwischen den Löchern genau kontrolliert werden, so daß über eine bestimmte Oberfläche eine gleichmäßige Gasverteilung oder -zone aufrechterhalten wird. Ungleichmäßige Gasströmung entsteht oft, wenn einige Löcher im Vergleich zu einer mittleren Größe unabsichtlich zu groß ausgeführt oder in falschen Positionen angeordnet werden. Wenn ein größeres Substrat in einer gleichen oder verschiedenen Kammer eingesetzt wird, dann muß die Gaszufuhreinrichtung oft gegen eine andere ausgetauscht werden, die entsprechend der Veränderung der Substratgröße und/oder der Kammerparameter ausgelegt und daran angepaßt ist. An den Verteiler- und Diffusorkonstruktionen vorgenommene Verbesserungen sind oft weitgehend von empirischen Methoden auf diesem Gebiet abhängig, die zu zahlreichen Fällen von Produktverbrauch durch Chargentests führen.
Die gleichmäßige Gaszufuhr bleibt eine äußerst schwierige Aufgabe bei der CVD-Verarbeitung von Substraten. Wenn die Gleichmäßigkeit der Gaszufuhr nicht genau reguliert werden kann, wird die Schichtdicke nicht gleichmäßig sein. Das Problem nimmt seinen Fortgang mit größerer Targetgröße und dem Hinzufügen weiterer Schichten. Außerdem weisen viele zu beschichtende Substrate bereits eine komplexe Topologie auf, die eine Forderung nach gleichmäßiger Stufenüberdeckung auslöst. PECVD hat in vielen Fällen aufgrund der Zufuhr von stärker reaktiven chemischen Vorläufern, die durch das Plasma aktiviert werden, Vorteile gegenüber CVD. Bisher bieten jedoch Verfahren zur Gaszufuhr in CVD-Systemen, einschließlich PECVD-Systemen, viel Raum für Verbesserung.
Ein Problem bei vielen Verteilerbrausekopfsystemen betrifft die begrenzte Gasströmungsdynamik und Steuerungsfähigkeit. Zum Beispiel überstreicht durch einen typischen Brausekopf abgegebenes Gas eine Verteilungszone innerhalb der Kammer, die durch eine Anordnung von im Brausekopf angeordneten Verteilungslöchern erzeugt wird. Wenn ein System für die Verarbeitung eines 200 mm-Wafers oder einer Wafercharge konstruiert ist, erzeugt die mit diesem System verbundene Gasverteilungsvorrichtung eine Zone, die für diese Größe optimal ist. Wenn die Wafergröße über die festgelegte Zonentauglichkeit eines bestimmten Brausekopfs hinaus vergrößert oder verkleinert wird, dann muß eine neue Verteilungsvorrichtung bereitgestellt werden, um sie an die neue Größe anzupassen. Typischerweise gibt es keine Vereinbarungen für die Bereitstellung von mehr als einigen Zonen oder für wechselnde Vorläuferzufuhr für Substrate verschiedener Größe in einem Prozeß.
In einem Milieu, wo gewöhnlich unterschiedliche Substratgrößen verarbeitet werden, ist es erwünscht, daß Verteilungsmethoden und -vorrichtungen flexibler sind, so daß eine Mehrzonenverteilung an Substraten unterschiedlicher Größe unter Verwendung eines Brausekopfsysteme durchführbar ist. Dies würde weniger Stillstandszeit in Verbindung mit dem Austausch von Einrichtungen für unterschiedliche Situationen und bessere Gleichmäßigkeit durch Kombination und Abwechseln verschiedener Zonen während der Verteilung ermöglichen. Verteilungsverfahren und -vorrichtungen nach dem Stand der Technik erfüllen Anforderungen nach dieser Art Flexibilität nicht.
Ein weiteres Problem bei dieser Technologie ist, daß verschiedene Gase mit unterschiedlichen Eigenschaften für einen bestimmten Prozeß vermischt werden. Es treten Schwankungen der Dichte, Temperatur, Reaktivität und dergleichen auf, so daß eine vollkommene Gleichmäßigkeit in Zusammensetzung und Dichte des Gasgemischs keine präzise Gleichmäßigkeit bei der Schichtabscheidung erzeugt. In einigen Verfahren wird zur Erzeugung der Schichtgleichmäßigkeit eine absichtliche Ungleichmäßigkeit der Gaszufuhr erforderlich sein.
Was eindeutig benötigt wird, sind verbesserte Vorläuferzufuhreinrichtungen und -verfahren, die eine genaue und kombinierte Steuerung der Gasverteilung über mehrere Targetzonen in einem Reaktionsbehälter zulassen und mehrere Freiheitsgrade beim Vermischen, der Abgabe und der Gleichmäßigkeitskontrolle aufweisen. Ein solches System würde eine Fähigkeit bereitstellen, die Gasströmung so zu regulieren, daß eine Prozeßpunkt-Reaktionsgleichmäßigkeit erzielt werden kann, die eine hervorragende Gleichmäßigkeit der Schichteigenschaften liefert. Ein derartiges System kann so angepaßt werden, daß es bei vielen verschiedenen CVD- und PECVD-Anwendungen funktioniert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Brausekopfverteilervorrichtung für ein CVD-Verfahren bereitgestellt, die aufweist: einen ersten Kanalbereich mit mehreren ersten unabhängigen radial-konzentrischen Kanälen und individuellen Gaszuflußöffnungen von einer ersten Seite der Vorrichtung zu individuellen ersten Kanälen; einen zweiten Kanalbereich mit mehreren zweiten unabhängigen radial-konzentrischen Kanälen und einer Struktur von Verteilungsdurchlässen von den zweiten Kanälen zu einer zweiten Seite der Vorrichtung; einen Übergangsbereich zwischen dem ersten Kanalbereich und dem zweiten Kanalbereich mit mindestens einem Übergangsgasdurchlaß zur Weiterleitung von Gas aus jedem ersten Kanal im ersten Bereich zu einem entsprechenden zweiten Kanal im zweiten Bereich; und eine Vakuumdichtungs-Schnittstelle für die Montage der Brausekopfvorrichtung an einer CVD-Reaktorkammer, so daß die erste Seite und die Zuflußöffnungen von der Reaktorkammer abgewandt sind und die zweite Seite und die von den zweiten Kanälen ausgehenden Verteilungsdurchlaßstrukturen in die Reaktorkammer münden.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die zweite Seite eine ebene Oberfläche auf, so daß die Verteilungsdurchlässe von den zweiten Kanälen auf einer Ebene in die Reaktorkammer münden. Außerdem weist in bevorzugten Ausführungsformen die Vakuumdichtungs-Schnittstelle einen Flansch mit Schraubenlöchern und einen O-Ring zur Montage und Abdichtung an einer Wand der Reaktorkammer auf.
Zur Verbesserung der Gasverteilung und -vermischung sind in Ausführungsformen der Erfindung die Zuflußöffnungen zu den ersten Kanälen und die Übergangsdurchlässe von den ersten Kanälen in die zweiten Kanäle so gegeneinander versetzt, daß keine Zuflußöffnung auf einen Übergangsdurchlaß ausgerichtet ist. Bevorzugte Ausführungsformen weisen ferner Kühlmittelkanäle im zweiten Kanalbereich auf, die der Innenseite einer Reaktorkammer gegenüberliegen, um die Brausekopfvorrichtung gegen Hitze aus dem Inneren der Kammer zu schützen und Abscheidung der Prozeßschicht auf der Vorderseite des Brausekopfs zu erschweren.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein CVD-Reaktorsystem bereitgestellt, das aufweist: eine Reaktorkammer mit einer Öffnung für eine Brausekopfvorrichtung; einen der Öffnung benachbarten Träger in der Kammer, wobei der Träger für ein zu verarbeitendes Substrat vorgesehen ist; und eine Brausekopfverteilervorrichtung für ein CVD-Verfahren, wobei der Brausekopf aufweist: einen ersten Kanalbereich mit mehreren ersten unabhängigen radial-konzentrischen Kanälen und individuellen Gaszuflußöffnungen von einer ersten Seite der Vorrichtung zu individuellen ersten Kanälen; einen zweiten Kanalbereich mit mehreren zweiten unabhängigen radial-konzentrischen Kanälen und einer Struktur von Verteilungsdurchlässen von den zweiten Kanälen zu einer zweiten Seite der Vorrichtung; einen Übergangsbereich zwischen dem ersten Kanalbereich und dem zweiten Kanalbereich mit mindestens einem Übergangsgasdurchlaß zur Weiterleitung von Gas aus jedem ersten Kanal im ersten Bereich zu einem entsprechenden zweiten Kanal im zweiten Bereich; und eine Vakuumdichtungs-Schnittstelle für die Montage der Brausekopfvorrichtung an einer CVD-Reaktorkammer, so daß die erste Seite und die Zuflußöffnungen von der Reaktorkammer abgewandt sind und die zweite Seite und die von den zweiten Kanälen ausgehenden Verteilungsdurchlaßstrukturen in die Reaktorkammer münden. In dem Reaktorsystem weist die zweite Seite eine ebene Oberfläche auf, so daß die Verteilungsdurchlässe von den zweiten Kanälen auf einer Ebene in die Reaktorkammer münden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verteilung von Gasen auf einen Wafer in einem CVD-Beschichtungsverfahren bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Einleiten von Gasen für das Verfahren durch individuelle Zuflußöffnungen in individuelle Kanäle von mehreren radial-konzentrischen ersten Kanälen eines ersten Kanalbereichs einer Brausekopfvorrichtung; (b) Durchleiten der Gase aus den ersten Kanälen durch Übergangsdurchlässe in entsprechende radial-konzentrische zweite Kanäle in einem zweiten Kanalbereich; und (c) Verteilen der Gase aus den zweiten Kanälen durch Verteilungsdurchlässe, die durch eine ebene Oberfläche der Brausekopfvorrichtung münden, die parallel zu dem zu beschichtenden Wafer und diesem benachbart ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regulierung der Gasströmungsverteilung über einem Wafer in einem CVD-Beschichtungsvorgang bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Einleiten von Gasen für den Beschichtungsvorgang durch individuelle Zuflußöffnungen in individuelle Kanäle von mehreren radial-konzentrischen ersten Kanälen eines ersten Kanalbereichs einer Brausekopfvorrichtung; (b) Durchleiten der Gase aus den ersten Kanälen durch Übergangsdurchlässe in entsprechende radial-konzentrische zweite Kanäle in einem zweiten Kanalbereich; (c) Verteilen der Gase aus den zweiten Kanälen durch Verteilungsdurchlässe, die durch eine ebene Oberfläche der Brausekopfvorrichtung münden, die parallel zu dem zu beschichtenden Wafer und diesem benachbart ist, und (d) Regulieren der Gasstromverteilung über dem Wafer durch individuelles Dosieren des Massenzuflusses zu einzelnen von den individuellen Zuflußöffnungen der ersten Kanäle.
In den Ausführungsformen der Erfindung wird erstmals ein Verteiler mit Flexibilität zur Regulierung des Gasverteilungsflusses auf mehrere verschiedene Arten bereitgestellt, der das Einwählen eines Verteilers ermöglicht, um viele Gasparameter zu berücksichtigen, wie z. B. die Reaktivität und dergleichen. Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung nachvollziehbar erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Mehrzonenverteilers nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Schnittansicht des Mehrzonenverteilers von 1 entlang der Schnittlinie A-A.
3 zeigt ein Schema, das obere Gaszonen und Gasübergangsdurchlaßstellen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 zeigt ein Schema, das untere Gaszonen und Gasverteilungsdurchlässe nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 zeigt ein Blockdiagramm, das drei Gastrennstufen in der Vorrichtung gemäß 1 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie im Abschnitt über den technischen Hintergrund beschrieben, ist das Erzielen einer einheitlichen und gleichmäßigen Materialschichtenbildung bei der Halbleiterfertigung ausschlaggebend für die Erzeugung hochwertiger Halbleiterbauelemente. Verteilervorrichtungen nach dem Stand der Technik weisen jedoch viele inhärente Beschränkungen auf, die Hersteller, welche CVD-Anwendungen oder Varianten davon anwenden, auch weiterhin belästigen. Der Erfinder bietet in der vorliegenden Offenbarung eine außergewöhnliche Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung der Verarbeitungsgleichmäßigkeit durch Nutzung von Mehrzonenfähigkeiten und genau gesteuerten Gaszufuhrmethoden. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend auf nachvollziehbare Weise näher erläutert.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Mehrzonenverteilers 9 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Verteiler 9 ist an die Zufuhr von Vorläufergasen und Inertgasen zu Beschichtungszwecken bei CVD-Verfahren oder Varianten davon angepaßt.
Der Verteiler 9 ist eine Baugruppe, die in der vorliegenden Ausführungsform drei Grundkomponenten aufweist, eine obere Verteilungskanalbaugruppe 11, eine Gasübergangsablenkplatte 13 und eine untere Verteilungskanalbaugruppe 15. Die Komponenten 11, 13 und 15 werden in einer bevorzugten Ausführungsform durch Hartlöten oder ein anderes Verbindungsverfahren starr zu einem Ganzen zusammengefügt.
Der Verteiler 9 ist so konstruiert und eingerichtet, daß er durch einen Flansch und geeignete Dichtungselemente an einem Prozeßreaktor (nicht dargestellt) installiert wird, um Prozeßgase über ein geeignetes, darin enthaltenes Substrat zu verteilen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verteiler 9 über einen Deckel eines Verarbeitungssystems für Einzelwafer angekuppelt. Ein unterer Abschnitt (in dieser Ansicht nicht sichtbar) der Kanalbaugruppe 15 ragt in einen Reaktor hinein, wenn der Verteiler 9 richtig montiert ist. Mehrere Durchgangslöcher 19 am Flanschabschnitt der unteren Spiralbaugruppe 15 sind für Bolzen vorgesehen, die bei der Montage an einem Deckel einer Reaktorkammer benutzt werden, und Löcher 20 sind in einer alternativen Ausführungsform für die Montage einer HF-Elektrode in einem Reaktor zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Plasma vorgesehen, falls dies für irgendeinen Zweck erforderlich ist, wie z. B. für PECVD.
Der Verteiler 9 ermöglicht aufgrund der oben beschriebenen Komponenten eine dosierte Zufuhr von Gasen zu CVD-Prozessen oder deren Varianten gemäß vorausberechneten Parametern. Die Merkmale des Verteilers 9 sind so ausgelegt, daß mehrere radiale Gaszonen über einem Target erzeugt werden, um eine verbesserte Steuerbarkeit der Beschichtungsgleichmäßigkeit zu erzielen, die früher bei Systemen nach dem Stand der Technik nicht erreicht worden ist. Der Verteiler 9 bietet ferner die Fähigkeit zur dosierten, entweder abwechselnden oder kombinierten Zufuhr vieler verschiedener Gase zu einigen oder allen definierten Gaszonen. Diese außergewöhnliche Fähigkeit ermöglicht Herstellern eine leichte Feinabstimmung der Schichtgleichmäßigkeit während der Verarbeitung, um über einfachen und komplexen Topologien eine optimale und reproduzierbare Schichtgleichmäßigkeit zu erzielen.
Die obere Spiralbaugruppe 9 weist mehrere Gaszuflußdurchlässe 17 auf, die durch eine obere Plattenoberfläche hindurchgehen. Jeder Zuflußdurchlaß 17 speist eine von mehreren Gaszonen, die durch mehrere, in der Baugrppe 11 vorgesehene radiale Kanäle definiert sind und in weiteren Figuren und nachstehenden Beschreibungen dargestellt werden. Für die Zuleitung von Gasen zu den Durchlässen 17 eingerichtete Gaszuflußröhren und Anschlußstutzen sind hier der Einfachheit nicht dargestellt. Kühlmittelfördenöhren 21 (ein Einlaß und ein Auslaß) sind in der Oberseite der Spiralbaugruppe 11 vorgesehen und so angepaßt, daß sie den Kühlmittelumlauf durch Kühlmittelkanäle im Verteiler 9 ermöglichen. Weitere Details über den Verteiler 9 und innere Komponenten werden weiter unten angegeben.
2 zeigt eine Schnittansicht des Verteilers 9 von 1 entlang der Schnittlinie AA. Die obere Kanalbaugruppe 11 weist mehrere radiale Gaszonen mit unterschiedlichen Durchmessern auf, die konzentrisch beabstandet angeordnet sind. In diesem Beispiel sind insgesamt dreizehn Zonen 23 vorhanden, jedoch können mehr oder weniger Zonen 23 vorhanden sein.
Jede Zone 23 befindet sich in einem selbständigen kreisförmigen Kanal und wird durch einen Gaszuflußdurchlaß 17 gespeist, von denen vier in dieser Schnittansicht dargestellt sind. Durch diese Anordnung können verschiedenen Gaszonen 23 unabhängig voneinander ohne Vermischen von Gasen oder gegenseitige Beeinflussung von einer Zone zur anderen mit unterschiedlichen Gasen gespeist werden. Da zwischen einzelnen Zonen 23 keine gegenseitige Beeinflussung auftritt, können überdies verschiedene Strömungsdrücke an jede besondere Zone angelegt werden. Zum Beispiel kann eine niedrig dosierte Strömung für einen Kanal bereitgestellt werden, der näher am Mittelpunkt des Verteilers liegt, während eine höher dosierte Strömung an eine Zone angelegt werden kann, die näher am äußeren Umfang liegt. Außerdem können die Zonen 23 abwechselnd benutzt werden. Zum Beispiel können durch selektives Abschalten der Gaszufuhr zu einem Gaszuflußdurchlaß oder einer Kombination von Gaszuflußdurchlässen 17 damit verbundene Zonen 23 abgeschaltet werden, ohne den Gaszufluß zu anderen Zonen zu beeinflussen. Dies ermöglicht Bedienungspersonen eine viel größere Flexibilität beim Einleiten von getrennten Gasen in einen Prozeß.
Die untere Kanalbaugruppe 15 weist konzentrische Kanäle in der gleichen radialen Geometrie auf wie die obere Kanalbaugruppe 11, und die Ablenkplatte 13, die einen Mittelabschnitt des Verteilers 9 bildet, weist mehrere strategisch darin angeordnete, langgestreckte Gasübergangsdurchlässe 25 auf, die Gas von jedem oberen Kanal in einen entsprechenden unteren Kanal einspeisen. Die Ablenkplatte 13 wird vorzugsweise aus einem massiven Metallstück gefertigt. Für jedes Paar von oberen und unteren Kanälen können eine beliebige Anzahl und beliebige Abstände von Übergangsdurchlässen 25 durch das Ablenkplattenelement 13 vorhanden sein. Zum Beispiel kann ein äußeres Kanalpaar viel mehr Übergangsdurchlässe als ein inneres Kanalpaar aufweisen.
Übergangsdurchlässe 25 sind aufgrund der Dicke der Platte 13 im wesentlichen langgestreckt und weisen einen erheblich kleineren Durchmesser auf als Zuflußdurchlässe 17. Übergangsdurchlässe 25 können, wie im vorliegenden Beispiel, alle vom gleichen Durchmesser sein oder können unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wie sie beispielsweise festgelegt werden, um bestimmte gewünschte Gasströmungseigenschaften zu bewirken. Außer der Länge und dem Durchmesser von Übergangsdurchlässen 25 können die zonenspezifische Orientierung und die Anzahl der Löcher 25 pro Zone entsprechend berechneten Vorgabewerten variieren, die durch Computermodellierung ermittelt werden können, und sind dazu gedacht, optimale Gleichmäßigkeitseigenschaften zu erzeugen. Diese berechneten Vorgabewerte bestimmen auch die Dicke der Ablenkplattenbaugruppe 13 und definieren daher die Länge der Durchlässe 25.
Kanäle 27 in der Baugruppe 15 sind in der vorliegenden Ausführungsform etwas tiefer (Höhe) als Kanäle 23 der Baugruppe 11. Dieses Merkmal fördert die weitere Verteilung von Gasen, bevor sie in einen Reaktor eingeleitet werden. Mehrere Gasverteilungsdurchlässe 31 sind vorgesehen, die durch einen unteren Abschnitt der Kanalbaugruppe 15 in einen Reaktor führen. Durchlässe 31 erlauben die Einleitung von Gasen von Kanäle 27 in den Reaktor. Die durch die Durchlässe 31 in den Reaktor gelangenden Gase werden entsprechend vorgegebenen Parametern optimal verteilt. Die Anzahl der Gasverteilungsdurchlässe 31 pro Kanal ist in Ausführungsformen der Erfindung typischerweise erheblich größer als die Anzahl der Gasübergangsdurchlässe 25 pro Kanal. Zum Beispiel kann ein am weitesten außen liegender Kanal 27 drei Übergangsdurchlässe 25 (Einlaß in den Kanal) und vielleicht 30 Verteilungsdurchlässe 31 (Auslaß aus dem Kanal) aufweisen.
In Ausführungsformen der Erfindung wird für jeden Kanal 27 ein HF-Sperring 29 vorgesehen. HF-Ringe 29 sind so konstruiert und angepaßt, daß sie die Durchlässe von den Kanälen 27 in die Reaktorkammer so abschirmen, daß ein in der Kammer gezündetes bzw. erzeugtes Plasma nicht in die Kanäle 27 oder den Verteiler 9 wandert. Die HF-Ringe 29 bestehen aus geeignetem, elektrisch leitfähigem Metall, und jeder HF-Ring 29 ist vorzugsweise in jedem Kanal 27 unmittelbar über der unteren Fläche des Kanals angeschweißt und läßt, wie dargestellt, an den Seiten Raum, so daß Gase, die aus jedem Kanal 27 in einen Durchlaß 31 fließen, einen gewundenen Weg durchlaufen müssen, dessen Abmessungen klein genug sind, um etwaiges Plasma zu löschen bzw. zu neutralisieren. In der Praxis werden Ringe 29 in Positionen, die nicht in einer Linie mit Durchlässen 31 liegen, mit drei oder mehr abwärts gerichteten Vertiefungen ausgebildet, wobei die Ringe so angeordnet sind, daß die Unterseite dieser Vertiefungen eine Fläche berührt, die ein wenig oberhalb des Bodens der entsprechenden Kanäle liegt, und die Ringe werden dann im Boden der Kanäle durch Punktschweißen mit dieser Montagefläche verbunden.
In den Trennwänden der Kanäle 27 in der Kanalbaugruppe 19 sind Wasserdurchlässe 33 vorgesehen, die eine Wasserkühlung ermöglichen, da zu verarbeitende Substrate typischerweise auf einem Herd in der Kammer auf eine hohe Temperatur erhitzt werden. Die Röhren 21 bilden einen Einlaß und Auslaß für Kühlmittel, wie weiter oben beschrieben.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß der Verteiler 9 in vielen verschiedenen Durchmessern mit verschiedenen Anzahlen von Gaszonen und Kanälen hergestellt werden kann. In bevorzugten Ausführungsformen wird der Verteiler 9 so hergestellt, daß er für eine bestimmte Halbleiterwafergröße Platz bietet, wie zum Beispiel für einen 200 mm- oder 300 mm-Wafer. Bei der praktischen Anwendung kann ein für eine Wafergröße hergestellter Verteiler für Wafer einer kleineren Größe eingesetzt werden, indem die Gaszufuhr zu äußeren Kanälen geschlossen und die Gaszufuhr zu den übrigen Kanälen angepaßt wird.
Für den Fachmann wird gleichfalls ersichtlich sein, daß ein Verteiler nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechend Maßvorgabewerten gefertigt werden kann, die aus einer Computermodellierung der Gasströmungsdynamik abgeleitet sind. Auf diese Weise können umfangreiche praktische Erprobungen von Gleichmäßigkeitseigenschaften vermieden werden, die normalerweise in Anwendungen des Verfahrens nach dem Stand der Technik erforderlich sind. Die Feinabstimmung von Gleichmäßigkeitseigenschaften, wie z. B. durch Einstellen von Durchflußgeschwindigkeiten zu bestimmten Gaszonen, die Abschaltung bestimmter Gaszonen und dergleichen, kann jedoch während des Prozesses von Bedienungspersonen mit Hilfe des Verteilers 9 ausgeführt werden.
3 zeigt ein Schema, das eine Anordnung von oberen Gaskanälen 23 und typische Positionen von Gasübergangsdurchlässen 25 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Kanäle 23 sind in Bezug aufeinander konzentrisch angeordnet, wie weiter oben beschrieben. Jeder Kanal 23 steht in Verbindung mit bestimmten Gasübergangsdurchlässen 25, die in der Ablenkplatte 13 ausgearbeitet sind. Zum Beispiel weist der mittelste Kanal 23 einen Gasübergangsdurchlaß 25 auf. Ein dritter Kanal 23 (von der Mitte aus gezählt) weist zwei Gasübergangsdurchlässe 25 auf. Zum Umfang hin weist jeder darauf folgende Kanal drei Gasübergangsdurchlässe 25 auf. Diese besondere Anordnung im Sinne der Anzahl von Durchlässen 25 pro Kanal 23 ist nicht als Beschränkung aufzufassen, sondern einfach so, daß die mittelsten Gaskanäle typischerweise einen geringeren Gasdurchfluß als äußere Kanäle erfordern.
Die Übergangsdurchlässe 25 sind in dieser Ausführungsform in einer Formation mit gleichen Abständen (120-Grad-Anordnung) bezüglich jedes Kanals 23 mit drei Durchlässen pro Kanal angeordnet. Jede Formation von Übergangsdurchlässen 25 weist gegenüber Durchlaßpositionen in benachbarten Kanälen eine versetzte Orientierung auf. Dies trägt dazu bei, eine gleichmäßige Gasausbreitung von oberen Kanälen 23 zu unteren Kanälen 27 zu erleichtern, ist jedoch für die praktische Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Die Computermodellierung in unterschiedlichen Umgebungen liefert optimale Daten für die Menge und Positionierung von Übergangsdurchlässen 25, um eine optimale Gasströmungsdynamik zu erleichtern.
Der Verteiler 9 bietet mindestens vier Freiheitsgrade, um einen abgestuften Übergang von Gasen von äußeren zu inneren Gaskanälen zu erleichtern. Eine Option ist die Regulierung von Durchlaßabmessungen für Übergangsdurchlässe 25 und die Bereitstellung einer konstanten Anzahl von Durchlässen 25 für jeden Kanal 23, wobei die Durchlässe für die näher an der Mitte liegenden Kanäle kleiner sind und die Durchlaßgröße (Durchmesser) für Durchlässe in Kanälen von einem Kanal zum anderen zum Außendurchmesser des Verteilers hin größer wird. Ein weitere Option besteht darin, eine konstante Anzahl von Übergangsdurchlässen pro Kanal bereitzustellen, aber die Kanalkapazität durch Bereitstellen breiterer Kanäle zur Mitte hin und engerer Kanäle zum Außendurchmesser des Verteilers hin zu regulieren. Die Begrenzung der Anzahl von Übergangsdurchlässen zur Mitte hin, wie hier dargestellt, ist eine weitere Option. Eine weitere Option besteht einfach darin, die Gaszuflußgeschwindigkeiten zu jedem selbständigen Kanal durch kanalunabhängige Zuflußleitungen zu dosieren.
4 zeigt ein Schema, das die Anordnung von Gasverteilungsdurchlässen in der unteren Kanalbaugruppe 15 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Jeder Kanal 27 weist mehrere, in gleichen Abständen angeordnete Verteilungsdurchlässe in einem kreisförmigen Muster auf. Hierin sind nur zwei Kanäle 27 mit Verteilungsdurchlässen 31 dargestellt, um Verwirrung zu vermeiden, jedoch kann angenommen werden, daß alle Zonen Verteilungsdurchlässe 31 aufweisen.
Ein ausgeprägter Unterschied zwischen der in 3 dargestellten Anordnung von Übergangsdurchlässen 25 und derjenigen von Verteilungsdurchlässen 31 ist, daß viel mehr Verteilungsdurchlässe 31 als Übergangsdurchlässe 25 vorhanden sind. In der vorliegenden Ausführungsform sind Durchlässe 31 etwa alle 12 Grad angeordnet, oder 30 Löcher 31 pro Kanal 27.
Der Lochabstand basiert nicht unbedingt in allen Ausführungsformen auf der Azimutposition. In einer Ausführungsform basieren die Löcher auf der Einhaltung eines Abstands von 0,375 zwischen jedem Loch und allen in der Nähe liegenden Löchern, einschließlich der Löcher auf dem nächsthöheren und/oder nächstniedrigeren Radius. Die gegenwärtige Konstruktion weist 69 Löcher in der äußersten Zone auf. Die auf 300 mm bezogene Konstruktion weist in ihrer äußersten Zone 125 Löcher auf. Der Zonenabstand basiert auf der Einhaltung des gleichen Abstands von 0,375. Die Anzahl der Verteilungsdurchlässe kann jedoch kleiner oder größer sein, und die Anzahl pro Kanal kann gleichfalls variieren.
Die gleiche Flexibilität bezüglich der Durchlaßabmessungen, der Kanalbreite, der Kombination oder abwechselnden Nutzung von Kanälen, der Menge der Durchlässe und so weiter wird der unteren Kanalbaugruppe 15 zugeschrieben, wie oben in Bezug auf die Ablenkplatte 13 und die obere Kanalbaugruppe 11 beschrieben wurde. Der Gasdurchfluß durch die Verteilungsdurchlässe 33 in irgendeinem Kanal 27 kann reguliert werden, indem das Gas in unabhängige Gaszuflußleitungen dosiert wird, die in den Verteiler 9 eintreten. In den meisten Ausführungsformen sind Verteilungsdurchlässe 33 kleiner als Übergangsdurchlässe 25 und Zuflußdurchlässe 17. Jede Stufe vergrößert die Gasverteilung bzw. -zerstreuung ohne Turbulenz, wodurch man eine bessere Gasverteilung und gleichmäßigen Durchfluß erhält.
5 zeigt ein Schema, das drei Gastrennstufen darstellt, die durch den Verteiler 9 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Wie weiter oben beschrieben, weist der Verteiler 9 eine obere Verteilungsstufe auf, die durch eine obere Kanalbaugruppe 11 gebildet wird. Gas wird der oberen Kanalbaugruppe 11 durch zonenunabhängige Gaszuflußleitungen 17 zugeführt, die hier durch einen mit GasIn bezeichneten Pfeil dargestellt sind. In der oberen Verteilungsstufe wird Gas eingeleitet und verteilt sich in den Kanälen 23 (3), bevor es durch die Ablenkplatte 13 fließt.
Eine Gasübergangsphase wird durch die Ablenkplatte 13 mit Übergangsdurchlässen 25 ausgeführt. Gas in den Kanälen 23 wird weiter verteilt und beim Durchgang durch die Platte 13 gelenkt. Eine untere Verteilungsphase wird in der Kanalbaugruppe 15 ausgeführt. In der Endphase werden die Gase beim Durchgang durch die untere Kanalbaugruppe 15 weiter verteilt. In einer Kammer entsprechen die eingeleiteten Gase mehreren radialen Zonen, die aufgrund der Anordnung und Positionierung der Verteilungslöcher darin erzeugt werden. Aufgrund der langen und gewundenen Durchlaßwege von Gasen in die Reaktorkammer treten außerdem die Gase schließlich ohne plötzliche Ausdehnung oder Turbulenz in die Kammer ein. Auf diese Weise kann ein Substrat gleichmäßig mit dem Gasstrom in Kontakt gebracht werden, wodurch eine gleichmäßige Schichtbildung erleichtert wird. Zur weiteren Verbesserung der Gleichmäßigkeit kann eine Feinabstimmung durchgeführt werden, indem der Gaszufluß zu getrennten Kanälen reguliert wird, indem bestimmte Kanäle benutzt werden, andere aber nicht, und so weiter.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für Prozeßbetreiber eine außergewöhnliche Verbesserung und Steuerung bieten, die durch in CVD-Prozessen eingesetzte Verteilungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht bereitgestellt werden. Die Bereitstellung von mehreren, aber getrennten Gaszuflußkanälen über einem Target ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.
Ferner wird für den Fachmann offensichtlich sein, daß wegen der Durchführung einer Computermodellierung der Gasströmungsdynamik, um optimale Parameter für Abmessungen von Elementen des Verteilers 9 zu ermitteln, diese Parameter für verschiedene Prozeßtypen variiert werden können. Derartige Parameter können sich auch wegen unterschiedlicher Vorgabewerte ändern, die aus verbesserten Modellierungsverfahren abgeleitet werden. Daher dürften das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen sehr breiten Umfang aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist nur durch die nachstehenden Patentansprüche beschränkt.

Claims

Brausekopfverteilervorrichtung für ein CVD-Verfahren, die aufweist: einen ersten Kanalbereich mit mehreren ersten unabhängigen radial-konzentrischen Kanälen und individuellen Gaszuflussöffnungen von einer ersten Seite der Vorrichtung zu individuellen ersten Kanälen; einen zweiten Kanalbereich mit mehreren zweiten unabhängigen radial-konzentrischen Kanälen und einer Struktur von Verteilungsdurchlässen von den zweiten Kanälen zu einer zweiten Seite der Vorrichtung; einen Übergangsbereich zwischen dem ersten Kanalbereich und dem zweiten Kanalbereich mit mindestens einem Übergangsgasdurchlass zur Weiterleitung von Gas aus jedem ersten Kanal im ersten Bereich zu einem entsprechenden zweiten Kanal im zweiten Bereich; und eine Vakuumdichtungs-Schnittstelle für die Montage der Brausekopfvorrichtung an einer CVD-Reaktorkammer, so daß die erste Seite und die Zuflussöffnungen von der Reaktorkammer abgewandt sind und die zweite Seite und die von den zweiten Kanälen ausgehenden Verteilungsdurchlassstrukturen in die Reaktorkammer münden.
Brausekopfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Seite eine ebene Oberfläche aufweist, so daß die Verteilungsdurchlässe von den zweiten Kanälen auf einer Ebene in die Reaktorkammer münden.
Brausekopfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vakuumdichtungs-Schnittstelle einen Flansch mit Schraubenlöchern und einen O-Ring zur Montage und Abdichtung an einer Wand der Reaktorkammer aufweist.
Brausekopfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zuflussöffnungen zu den ersten Kanälen und die Übergangsdurchlässe von den ersten Kanälen in die zweiten Kanäle so gegeneinander versetzt sind, daß keine Zuflussöffnung auf einen Übergangsdurchlass ausgerichtet ist.
Brausekopfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Übergangsdurchlässe in die zweiten Kanäle so gegen die Verteilungsdurchlässe in die Reaktorkammer versetzt sind, daß kein Übergangsdurchlass auf einen Verteilungsdurchlass ausgerichtet ist.
Brausekopfvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Kühlmittelkanäle in Trennwänden zwischen zweiten Kanälen im zweiten Kanalbereich aufweist, wobei die Kühlmittelkanäle so untereinander verbunden sind, daß eine einzige Einlassöffnung und eine einzige Auslassöffnung Kühlmittel durch alle Kühlmittelkanäle bereitstellen.
Brausekopfvorrichtung nach Anspruch 6, die ein Zufluss- und ein Abflussrohr aufweist, die von der ersten Seite ausgehen und an die Zufluss- und Abflussöffnungen angeschlossen sind.
CVD-Reaktorsystem, das aufweist: eine Reaktorkammer mit einer Öffnung für eine Brausekopfvorrichtung; einen der Öffnung benachbarten Träger in der Kammer, wobei der Träger für ein zu verarbeitendes Substrat vorgesehen ist; und eine Brausekopfverteilervorrichtung für ein CVD-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Verteilung von Gasen auf einen Wafer in einem CVD-Beschichtungsverfahren, mit den folgenden Schritten: (a) Einleiten von Gasen für das Verfahren durch individuelle Zuflussöffnungen in individuelle Kanäle von mehreren radial-konzentrischen ersten Kanälen eines ersten Kanalbereichs einer Brausekopfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7; (b) Durchleiten der Gase aus den ersten Kanälen durch Übergangsdurchlässe in entsprechende radial-konzentrische zweite Kanäle in einem zweiten Kanalbereich; und (c) Verteilen der Gase aus den zweiten Kanälen durch Verteilungsdurchlässe, die durch eine ebene Oberfläche der Brausekopfvorrichtung münden, die parallel zu dem zu beschichtenden Wafer und diesem benachbart ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Zuflussöffnungen, die Übergangsdurchlässe und die Verteilungsdurchlässe nichtlinear angeordnet sind.
Verfahren zur Regulierung der Gasstromverteilung über einen Wafer bei einem CVD-Beschichtungsvorgang, mit den folgenden Schritten: (a) Einleiten von Gasen für den Beschichtungsvorgang durch individuelle Zuflussöffnungen in individuelle Kanäle von mehreren radial-konzentrischen ersten Kanälen eines ersten Kanalbereichs einer Brausekopfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7; (b) Durchleiten der Gase aus den ersten Kanälen durch Übergangsdurchlässe in entsprechende radial-konzentrische zweite Kanäle in einem zweiten Kanalbereich; (c) Verteilen der Gase aus den zweiten Kanälen durch Verteilungsdurchlässe, die durch eine ebene Oberfläche der Brausekopfvorrichtung münden, die parallel zu dem zu beschichtenden Wafer und diesem benachbart ist; und (d) Regulieren der Gasstromverteilung über den Wafer durch individuelles Dosieren des Massenzuflusses zu einzelnen von den individuellen Zuflussöffnungen der ersten Kanäle.
Verfahren nach Anspruch 11 mit einem Schritt zur Regulierung der Gasstromverteilung durch Umschalten individueller Gase zwischen individuellen ersten Kanälen des ersten Kanalbereichs.