DE602004010930T2

DE602004010930T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines konformalen dünnenfilms auf einem substrat

Info

Publication number: DE602004010930T2
Application number: DE602004010930T
Authority: DE
Inventors: Jacques C.S. Sunnyvale KOOLS; Randhir San Ramon BUBBER; Ming Pleasanton MAO; Thomas Andrew Livermore SCHNEIDER; Jinsong Pleasanton WANG
Original assignee: Veeco Instruments Inc
Current assignee: Veeco Instruments Inc
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2024-11-09
Also published as: US20050100669A1; EP1687460B1; DE602004010930D1; US20050166843A1; ATE382106T1; EP1687460A2; US7071118B2; WO2005049885A2; WO2005049885A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Abscheidung von Schichten, und im Besonderen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines konformalen Dünnfilms auf einem Substrat.
Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition – ALD), auch bekannt als Sequential Pulsed Chemical Vapor Deposition (SP-CVD), Atomic Layer Epitaxy (ALE) und Pulsed Nucleation Layer (PNL) Abscheidung, hat Akzeptanz gewonnen als Verfahren zum Abscheiden von dünnen und durchgängigen Schichten aus Metallen und Dielektrika mit hoher Konformität. In einem ALD Verfahren werden auf ein Substrat abwechselnd eine Vorstufe und ein oder mehrere Reaktantgase angewendet, so dass die Reaktionen auf die Oberfläche eines Substrats beschränkt bleiben. Die gleichförmige Adsorption von Vorstufen auf der Waferoberfläche während des ALD Verfahrens erzeugt hoch konformale Schichten, sowohl in Bezug auf die Eigenschaften in mikroskopischer Größenordnung als auch in makroskopischen Größenordnungen des Substrats und erzielt eine hohe Dichte von Keimbildungsorten. Diese Attribute führen zur Abscheidung von räumlich gleichförmigen, konformalen, dichten und durchgängigen Dünnfilmen.
Obwohl ALD Verfahren die Abscheidung von konformalen dünnen Schichten unterstützen, ist ein Nachteil dieses Verfahrens die niedrige durchschnittliche Abscheidungsrate, die zu der Notwendigkeit führt, mehrere Zyklen zu wiederholen, die eine be grenzte Dauer aufweisen. So benötigen zum Beispiel der wiederholte Zyklus von Vorstufen- und Reaktantadsorption und die dazwischen liegenden Säuberungsaktionen der Kammer Zeitdauern, die im Vergleich zu herkömmlichen Abscheidungsverfahren zu reduziertem Durchsatz führen. Im Besonderen umfasst eine ALD Sequenz mindestens zwei Säuberungsvorgänge, und diese Säuberungsvorgänge sind typischerweise der am meisten Zeit verbrauchende Teil der ALD Sequenz. Deshalb haben sich die Verbesserungen bezüglich der ALD Ausrüstung auf Techniken konzentriert um die Zeitdauer zu reduzieren die benötigt wird, um einen Säuberungsvorgang auszuführen.
Die logischste Lösung dafür, die Dauer des Säuberungsvorgangs zu vermindern ist, das Säuberungsgas mit höheren Geschwindigkeiten durch den Reaktor fließen zu lassen, was durch Erhöhen der Flussrate des Säuberungsgases erreicht werden kann. Typische in der Industrie verwendete Flussraten sind mehrere Standardliter pro Minute (SLM) (zum Beispiel etwa 2,5 SLM) bei Drücken zwischen etwa 0,2 und etwa 20 Torr. Diese Flussraten führen zu wesentlich höheren Gasflussgeschwindigkeiten, als sie in herkömmlichen CVD Verfahren erzielt werden.
Eine der Auswirkungen des Erhöhens der Flussgeschwindigkeit des Säuberungsgases ist das Auftreten von Turbulenzen im Gasinjektor. Typischerweise tritt die Turbulenz in einer Ausdehnungszone eines Gasinjektors nahe einem Einlass auf, der verwendet wird, um das Säuberungsgas zuzuführen. Die Turbulenz in der Ausdehnungszone kann bewirken, dass das Flussmuster des Säuberungsgases über eine herkömmliche Zerstäuberplatte verändert wird. Im Besonderen verringert sich der Anteil des gesamten Flusses, der durch die Öffnungen in der Zerstäuberplatte hindurch verläuft, die nahe der turbulenten Zone angeordnet sind, wesentlich. Die Verminderung des Gasflusses durch die Öffnungen nahe der turbulenten Zone kann, wenn verglichen mit dem Gasfluss durch die Öffnungen, die sich von der turbulenten Zone entfernt befinden, eine ungleiche Verteilung der Vorstufe während eines Dotierungsvorgangs erzeugen, wodurch letztlich eine ungleichförmige Schicht auf einem Substrat ausgeformt wird. Außerdem führt die von der Turbulenz bewirkte Umwälzung von Gas in der Ausdehnungszone zu ineffizientem Abführen der Vorstufen aus der Ausdehnungszone, wodurch Gasphasenreaktionen bewirkt werden können, die in der Ausdehnungszone ein Pulver ausformen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind die Nachteile und die mit der Herstellung von konformalen Dünnfilmen auf einem Substrat verknüpften Schwierigkeiten wesentlich reduziert oder beseitigt worden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Fortbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
In einer bestimmten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Herstellen von konformalen Dünnfilmen auf einem Substrat offenbart, die eine Zerstäuberplatte umfasst, die einen Vorsprung aufweist, der Turbulenzen in einem Expansionsvolumen reduziert, das zu einem Gasinjektor gehört.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen von konformalen Dünnfilmen auf einem Substrat das Einbringen eines Gases von einem Gaseinlass in ein Expansionsvolumen, das zu einer Anordnung zur Atomlagenabscheidung (ALD) gehört. Das Gas wird durch eine dem Expansionsvolumen benachbarte Zerstäuberplatte und eine Reaktionskammer geführt. Die Zerstäuberplatte umfasst einen Vorsprung, der sich gegenüber dem Gaseinlass befindet, wodurch Turbulenzen im Expansionsvolumen reduziert werden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Herstellen von konformalen Dünnfilmen auf einem Substrat eine Reaktionskammer und einen Gasinjektor, der benachbart zu der Reaktionskammer angeordnet ist. Der Gasinjektor umfasst ein Expansionsvolumen und einen Gaseinlass für das Einbringen eines Gases in das Expansionsvolumen. Eine Zerstäuberplatte ist benachbart zu dem Expansionsvolumen und der Reaktionskammer angeordnet. Ein Vorsprung, der Turbulenzen im Expansionsvolumen reduziert, ist benachbart zu der Zerstäuberplatte und gegenüber dem Gaseinlass angeordnet.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Herstellen von konformalen Dünnfilmen auf einem Substrat eine Reaktionskammer und einen Gasinjektor, der benachbart zu der Reaktionskammer angeordnet ist. Der Gasinjektor umfasst ein Expansionsvolumen und einen Gaseinlass für das Einbringen eines Schutzgases in das Expansionsvolumen. Eine benachbart zu dem Expansionsvolumen und der Reaktionskammer angeordnete Zerstäuberplatte weist eine Schräge auf, die sich gegenüber dem Gaseinlass befindet und reduziert Turbulenzen und Gasphasenreaktionen im Expansionsvolumen.
Wichtige technische Vorteile von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen eine Zerstäuberplatte, die Turbulenzen in einen Gasinjektor über einen breiten Bereich von Flussraten unterdrückt. Die Zerstäuberplatte umfasst einen Vorsprung, der sich gegenüber einem Gaseinlass eines Gasinjektors befindet. Der Vorsprung hindert Gas, das vom Gaseinlass heran fließt, daran, von der Oberfläche der Zerstäuberplatte zurück zu prallen und in einem Bereich um den Gaseinlass herum zu zirkulieren. Der Vorsprung erleichtert daher den laminaren Gasfluss in einem Expansionsvolumen eines Gasinjektors, der zu einer ALD Anordnung gehört.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst eine Zerstäuberplatte, die den Durchsatz einer ALD Anordnung erhöht. Die Zerstäuberplatte weist einen Vorsprung auf, der überall in einem Expansionsvolumen eines Gasinjektors einen laminaren Gasfluss erleichtert. Der laminare Gasfluss ermöglicht, dass das Gas während eines Säuberungsvorgangs eines ALD Prozesses restliche Vorstufen aus dem Expansionsvolumen entfernt. Durch diese wirksamere Entfernung des Vorstufenmaterials können Gasphasenreaktionen während eines anschließenden Säuberungsvorgangs reduziert oder sogar beseitigt werden, wodurch auf diese Weise die Häufigkeit von Reinigungsprozessen vermindert wird.
Ein weiterer wichtiger technischer Vorteil von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst eine Zerstäuberplatte, die ein Vorstufenmaterial gleichförmig in einer Reaktionskammer verteilt. Während eines Dotierungsprozesses kann ein mit einem Gas kombiniertes Vorstufenmaterial durch die Zerstäuberplatte geführt werden. Ein Vorsprung auf der Zerstäuberplatte erleichtert einen laminaren Gasfluss innerhalb eines Expansionsvolumens. Weil die Mischung aus Gas- /Vorstufenmaterial auf eine laminare Weise innerhalb des Expansionsvolumens fließt, fließt die Mischung aus Gas-/Vorstufenmaterial gleichförmiger durch die Öffnungen in der Zerstäuberplatte. Der gleichförmige Fluss der Mischung sorgt für eine verbesserte Verteilung des Vorstufenmaterials über ein Substrat in der Reaktionskammer und ermöglicht letztlich, dass eine im Wesentlichen gleichförmige Schicht auf dem Substrat ausgeformt wird.
Alle, einige oder keine dieser technischen Vorteile können in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorliegen. Andere technische Vorteile werden einer Person, die in der Technik ausgebildet ist, aus den folgenden Figuren, Beschreibungen und Ansprüchen leicht offensichtlich werden.
Ein vollständigeres und gründlicheres Verständnis der vorliegenden Ausführungsformen und der Vorteile davon kann erworben werden durch Bezugnahme auf die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausgeführte nachfolgende Beschreibung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen, und wobei:
1 eine Anordnung zur Atomlagenabscheidung (ALD) zum Ausformen eines konformalen Dünnfilms auf einem Substrat entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
die 2A und 2B unter Verwendung einer herkömmlichen Zerstäuberplatte Flussmuster in einem Gasinjektor bei unterschiedlichen Flussraten veranschaulichen;
die 3A und 3B unter Verwendung einer herkömmlichen Zerstäuberplatte Flussmuster über einem Substrat bei unterschiedlichen Flussraten veranschaulichen;
4 eine beispielhafte Ausführungsform eines mit einer ALD Anordnung in Verbindung stehenden Gasinjektors entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines mit einer ALD Anordnung in Verbindung stehenden Gasinjektors entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
die 6a beziehungsweise 6b eine Draufsicht und eine Sicht von unten auf eine beispielhafte Ausführungsform einer Zerstäuberplatte veranschaulichen, die entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung auf einer oberen Oberfläche ausgeformte Vorsprünge umfasst; und
7 das Flussmuster eines Gasinjektors unter Verwendung einer abgeschrägten Zerstäuberplatte entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile werden am besten verstanden durch Bezugnahme auf die 1 bis 7, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden um gleiche und einander entsprechende Teile zu bezeichnen.
Die konzeptionellen Grundlagen für die vorliegende Erfindung schließen einen Atomlagenabscheidungs-(ALD)Prozess ein, um hochgradig konformale Dünnfilme zu erzeugen. In einem ALD Prozess werden einzelne Vorstufen auf die Oberfläche eines in einer Reaktionskammer enthaltenen Substrats gepulst, ohne die Vorstufe in der Gasphase zu mischen. Jede Vorstufe reagiert mit der Oberfläche des Substrats, um auf solch eine Weise eine atomare Schicht auszuformen, dass sich nur eine Schicht auf einmal ausformt. Das Einbringen der Vorstufe in die Reaktionskammer kann als Dotieren bekannt sein. Zwischen den Dotierungspulsen kann die Reaktionskammer durch Strömen eines Gases über das Substrat gereinigt werden. Die Zeit, die benötigt wird, um das Dotieren und die Reinigungsvorgänge zu beenden, kann von der Flussrate des Vorstufenmaterials oder des Säuberungsgases abhängen. In herkömmlichem ALD Anordnungen fließt die Vorstufe oder das Säuberungsgas von einem Gasinjektor durch einen Diffusor und in die Reaktionskammer. Der Diffusor kann eine flache Oberfläche umfassen, die mehrfache Öffnung aufweist, um es der Vorstufe oder dem Säuberungsgas zu ermöglichen, in die Reaktionskammer zu fließen. Wenn die Flussrate des Säuberungsgases während des Säuberungsvorgangs über einem bestimmten Wert liegt, kann im Injektor nahe dem Gaseinlass eine Turbulenz auftreten. Die vorliegende Erfindung stellt einen mit dem Diffusor in Verbindung stehenden Vorsprung zur Verfügung, der Turbulenzen im Gasinjektor reduziert und sogar behebt. Der Vorsprung kann sich gegenüber dem Gaseinlass befinden, so dass das Säuberungsgas auf eine gleichförmigere Weise über den Vorsprung und durch die Öffnungen im Diffusor fließt.
1 veranschaulicht eine Anordnung zur Atomlagenabscheidung (ALD) 10 zum Ausformen eines konformalen Dünnfilms auf einem Substrat. In der veranschaulichten Ausführungsform um fasst die ALD Anordnung 10 die Zerstäuberplatte 12, die Gasleitungen 14a und 14b (generell als Gasleitungen 14 bezeichnet), den Gasinjektor 16, die Reaktionskammer 18 und den Auslass 20. Während eines Säuberungsvorgangs kann ein Gas aus Gasbehältern durch eine oder beide der Gasleitungen 14a und 14b fließen. Das Gas fließt dann durch die im Gasinjektor 16 angeordnete Zerstäuberplatte 12. Ein Vorsprung kann gegenüber dem Gaseinlass angeordnet sein. Der Vorsprung wirkt, um das Gas innerhalb des Gasinjektors 16 zu leiten, so dass das Gas über einen breiten Bereich von Flussraten hinweg auf eine laminare Weise fließt.
Die ALD Anordnung 10 kann einen oder mehrere (nicht ausdrücklich gezeigte) Gasbehälter umfassen, die durch Gasleitungen 14 mit dem Gasinjektor 16 verbunden sind. In einer Ausführungsform können die Behälter ein Schutzgas enthalten, das verwendet wird, um während eines Säuberungsvorgangs eine Vorstufe aus dem Gasinjektor 16 zu entfernen, und/oder das während eines Dotierungsvorgangs mit einer Vorstufe kombiniert wird. In einer weiteren Ausführungsform können die Behälter eine während eines Dotierungsvorgangs verwendete Vorstufe enthalten. Gasleitungen 14 können das Gas in den Gasinjektor 16 zuführen. In einer Ausführungsform können die Gasleitungen 14 aus rostfreiem Stahl ausgeformt sein und einen Durchmesser von ungefährem einem Viertel (1/4) Zoll aufweisen. Obwohl die veranschaulichte Ausführungsform eine bestimmte Anzahl von Behältern und zugehörigen Gasleitungen zeigt, kann die ALD Anordnung 10 einen einzelnen Behälter und eine Gasleitung umfassen, oder mehr als zwei Behälter und ihre entsprechenden Gasleitungen.
Die Reaktionskammer 18 kann einen Substrathalter 19 aufweisen. In einer Ausführungsform kann ein in den Substrathalter 19 gestelltes Substrat ein Siliziumsubstrat vom p-Typ oder vom n-Typ sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Substrat aus Galliumarsenid oder jedem anderen geeigneten Material ausgeformt sein, das als Substrat verwendet werden kann, auf dem eine oder mehrere Lagen von Material abgeschieden werden können. Die eine oder die mehreren durch die ALD Anordnung 10 abgeschiedenen Lagen können Schichten ausformen, die verwendet werden, um konformale Barrieren, Dielektrika mit hohem k, Gatedielektrika, Tunneldielektrika und Barriereschichten für Halbleiterbauteile herzustellen. ALD Schichten sind auch thermisch stabil und im Wesentlichen gleichförmig, was sie für optische Anwendungen attraktiv macht. Eine andere potentielle Anwendung für ALD ist die Abscheidung von AlO_x als eine Spaltschicht für Dünnfilmköpfe, wie zum Beispiele Köpfe für Aufzeichnungsdichten von 50 GB/in² und darüber, die sehr dünne und konformale Spaltschichten erfordern. Außerdem können ALD Dünnfilme verwendet werden, um Anordnungen mit hohem Streckungsgrad auszuformen, wie zum Beispiel elektromechanische Mikro-(Mikro Electro Mechanical – MEM)Strukturen.
Der Dünnfilm kann auf einem Substrat ausgeformt werden, in dem abwechselnd ein oder mehrere mit einem Schutzgas kombinierte Vorstufen (zum Beispiel ein Dotierungsvorgang) und das Schutzgas (zum Beispiel ein Säuberungsvorgang) durch die Reaktionskammer 18 fließen. Die Vorstufe kann mit der Oberfläche des Substrats reagieren, um eine einzelne Lage der Schicht auszuformen. Die Dotierungs- und Säuberungsvorgänge können wiederholt werden, bis ein Dünnfilm auf dem Substrat ausgeformt ist, der die gewünschte Dicke aufweist. Während der Vorgänge können das Gas und die Vorstufe durch eine (nicht ausdrücklich gezeigte) Pumpe durch den Auslass 20 aus der Reaktionskammer 18 entfernt werden.
Während des Säuberungsvorgangs dehnt sich das Gas aus den Behältern in einen im Gasinjektor 16 angeordneten Bereich aus. In herkömmlichen ALD Anordnungen können, wenn die Flussrate des Gases hoch genug ist (zum Beispiel größer als etwa 500 sccm), Turbulenzen auftreten auf Grund der flachen Oberfläche einer Zerstäuberplatte die gegenüber dem Gaseinlass des Gasinjektors 16 angeordnet ist. Die Turbulenz hindert das Gas in einem Säuberungsvorgang daran, die Vorstufe völlig aus dem Gasinjektor 16 zu entfernen, weil die Vorstufe in der Turbulenz gefangen werden kann, was während anschließender Zyklen zu Gasphasenreaktionen führen kann, die ein Pulver im Gasinjektor 16 ausformen. Wie unten in Bezug auf 2B beschrieben, kann die Turbulenz den gesamten Fluss des Gases vermindern, das durch Öffnungen in der Zerstäuberplatte hindurch tritt, die sich nahe der turbulenten Zone befinden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Expansionsvolumen, das sich im Gasinjektor 16 befindet, einen Vorsprung umfassen, der sich gegenüber dem Gaseinlass befindet. In einer Ausführungsform kann der Vorsprung in einem Stück mit einer Zerstäuberplatte 12 ausgeformt sein, die zwischen dem Gasinjektor 16 und der Reaktionskammer 18 angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform kann der Vorsprung von der Zerstäuberplatte 12 getrennt sein und an einer der zu dem Gasinjektor 16 gehörigen Wände befestigt sein.
In einer Ausführungsform kann der Vorsprung abgeschrägt sein, und die Oberflächen, die die Schräge ausformen, können gleiche oder unterschiedliche Neigungen aufweisen. In weiteren Ausführungsformen kann der Vorsprung mehrere geneigte Segmente umfassen, die unterschiedliche Neigungen oder eine Oberfläche mit einer sich gleichmäßig verändernden Neigung aufweisen. Der Vorsprung wirkt, um Turbulenzen in einem ALD Prozess bei typischen Gasflussraten (zum Beispiel etwa 2500 sccm und größer) zu reduzieren und sogar zu beseitigen, in dem er den Fluss des Gases so durch den Gasinjektor 16 leitet, dass der Fluss durch jede der Öffnungen in der Zerstäuberplatte gleichförmig ist. Außerdem kann der Vorsprung verhindern, dass Gasphasenreaktionen im Gasinjektor 16 aufzutreten, weil der Säuberungsvorgang die Vorstufe wirksamer aus dem Gasinjektor 16 entfernt.
Die 2A und 2B veranschaulichen Flussmuster im Inneren eines Gasinjektors bei unterschiedlichen Flussraten unter Verwendung einer herkömmlichen Zerstäuberplatte. Im Besonderen veranschaulicht 2A das Flussmuster eines Gases im Inneren des Gasinjektors 30 bei einer Flussrate von etwa 100 sccm. Ein Gas kann durch den Gaseinlass 32 in den Gasinjektor 30 eingebracht werden. bei dieser niedrigen Flussrate fließt das Gas im Wesentlichen gleichförmig über die Zerstäuberplatte 34. Wie gezeigt, ist auf Grund der niedrigen Flussrate keine Turbulenz vorhanden, und das Gas kann auf eine gleichförmige Weise durch die Öffnungen 36 fließen.
Jedoch können, wie in 2B veranschaulicht, bei einer Flussrate von etwa 500 sccm (zum Beispiel bei einer Rate fünfmal größer als die in 2A veranschaulichte Rate), nahe dem Gaseinlass 32 turbulente Zonen auftreten. Die Turbulenz bewirkt einen Abfall des Drucks, wodurch bewirkt wird, dass der Fluss durch die gegenüber dem Gaseinlass 32 angeordneten Öffnungen 36 geringer ist als der durch die weiter entfernt vom Gaseinlass 32 angeordneten Öffnungen 36. In einigen Fällen, wenn der Druck im Gasinjektor nahe den turbulenten Zonen niedriger ist als der Druck in der Reaktionskammer, kann das Gas tatsächlich von der Reaktionskammer in den Gasinjektor gesogen werden. Der unterschiedliche Fluss durch die Öffnungen 36 kann eine ungleiche Verteilung der Vorstufe während des Dotierungsvorgangs bewirken. Zusätzlich dazu kann die Umwälzung in den turbulenten Zonen zu ineffizientem Abführen der Vorstufe im Gasinjektor 30 führen, wodurch Gasphasenreaktionen bewirkt werden können, die Pulver im Gasinjektor 30 erzeugen. Das Pulver kann die in der Reaktionskammer enthaltenen Substrate beschädigen und einen Bedarf dafür schaffen, die ALD Anordnung häufiger zu reinigen.
Die 3A und 3B veranschaulichen Flussmuster über einem Substrat bei unterschiedlichen Flussraten unter Verwendung einer herkömmlichen Zerstäuberplatte. 3A zeigt im Besonderen das Flussmuster eines Gases über ein (nicht ausdrücklich gezeigtes) Substrat bei einer Flussrate von etwa 133 sccm, wie durch eine handelsüblichen Computersoftware für Flussdynamik berechnet (zum Beispiel Software entwickelt und verkauft von der CFDRC Corporation aus Huntsville, Alabama). Wie veranschaulicht, fließt das Gas im Wesentlichen gleichförmig vom Gasinjektor 40 über das Substrat zum Auslass 42. 3B zeigt das Flussmuster des Gases bei einer Flussrate von etwa 1333 sccm (zum Beispiel einer Rate etwa zehnmal größer als die in 3A veranschaulichte Flussrate). Wie gezeigt ist der Gasfluss über das Substrat bei der höheren Flussrate besonders im Bereich direkt gegenüber dem (nicht ausdrücklich gezeigten) Gaseinlass im Gasinjektor 40 wesentlich unterschiedlich. Wie oben in Bezug auf 2B beschrieben, kann eine herkömmliche Zerstäuberplatte Turbulenzen im Bereich des Gasinjektors 40 nahe dem Gaseinlass herbeiführen. Wie in 3B gezeigt, kann die Turbulenz das Maß des Gases reduzieren, das durch die Öffnungen in der Zerstäuberplatte fließt, die sich gegenüber dem Gaseinlass befinden. Der Unterschied im Flussmuster durch die Öffnungen in der Zerstäuberplatte kann eine ungleichförmige Verteilung der Vorstufe über dem Substrat bewirken.
4 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Zerstäuberplatte, die einen Vorsprung aufweist, der gegenüber einem Gaseinlass in einem Gasinjektor angeordnet ist, der zu einer ALD Anordnung zugehörig ist. Die Gasleitung 14 kann eine schnellschaltende Ventilanordnung 51 umfassen, die nahe dem Gaseinlass 53 des Gasinjektors 16 angeordnet ist. Die schnellschaltende Ventilanordnung 51 kann einzelne Unterkomponenten aufweisen, wie zum Beispiel Massenflusssteuereinheiten und Ein-/Aus-Ventile, um die Verläufe des Flusses der Dosierungs- und Säuberungsvorgänge über der Zeit zu steuern. Ein Gas kann über den Gaseinlass 53 durch die schnellschaltende Ventilanordnung 51 in das Expansionsvolumen 52 fließen. Der Fluss des Gases vom Expansionsvolumen 52 in die Reaktionskammer 18 kann durch die Zerstäuberplatte 12 beschränkt werden. In einer Ausführungsform kann die Zerstäuberplatte 12 eine Metallplatte mit mindestens einer Öffnung 56 sein. Die Anzahl, die Größe und die Positionen der Öffnungen 56 können gewählt werden, um während eines Dotierungsvorgangs einen gleichförmigen Fluss der Vorstufe in der Reaktionskammer 18 und einen gleichförmigen Gasfluss während einer Säuberungsaktion zu erzielen. Die Zerstäuberplatte 12 kann weiterhin entsorgbar sein, da eine verlängerte Verwendung über die Zeit zu einer Abscheidung der Vorstufe in den Öffnungen 56 und anschließender Veränderung von Flusseigenschaften führen kann.
In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst die Zerstäuberplatte 12 den Vorsprung 58, der gegenüber dem Gaseinlass 53 angeordnet ist. Der Vorsprung 58 kann das in das Expansionsvolumen 52 fließende Gas leiten, so dass das Gas gleichförmig durch jede der Öffnungen 56 durch die Öffnungen 56 in die Reaktionskammer 18 fließt. Die Höhe des Vorsprungs 58 kann auf die Größe des Gaseinlasses 53 und einen gewünschten Betriebsbereich für die Flussrate angepasst sein. Im Allgemeinen können die Größe des Gaseinlasses 53 und die Flussrate von der Größe des Substrats abhängen, da für größere Substrate größere Mengen der Vorstufe verwendet werden können. In einer Ausführungsform kann das Substrat einen Durchmesser von etwa 150 Millimetern aufweisen und der Vorsprung 58 kann eine Höhe zwischen etwa drei Millimetern (3 mm) und etwa acht Millimetern (8 mm) aufweisen.
Der Vorsprung 58 kann die Oberflächen 57 und 59 umfassen, die eine Schräge ausformen. In der veranschaulichten Ausführungsform können die Oberflächen 57 und 59 ungefähr dieselbe Länge und Neigung aufweisen. In weiteren Ausführungsformen kann eine der Oberflächen 57 und 59 eine größere Neigung und/oder Länge aufweisen als die andere Oberfläche. In einer weiteren Ausführungsform kann der Vorsprung 58 in der Form eines umgekehrten "U" ausgeformt sein, so dass die Oberfläche des Vorsprungs 58 eine gleichmäßig veränderliche Neigung aufweist. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Vorsprung 58 mehr als zwei geneigte Segmente umfassen, wobei die Segmente die gleichen oder unterschiedliche Neigungen und Längen aufweisen können.
Die Oberfläche 57 kann einen ersten Winkel (Φ₁) in Bezug auf die Oberfläche der Zerstäuberplatte 12 ausformen, und die Oberfläche 59 kann einen zweiten Winkel (Φ₂) in Bezug auf die Oberfläche der Zerstäuberplatte 12 ausformen. In einer Ausführungsform können die ersten und zweiten Winkeln (Φ₁ und Φ₂) zwischen etwa dreißig Grad (30°) und etwa sechzig Grad (60°) betragen. Die ersten und zweiten Winkel (Φ₁ und Φ₂) können ungefähr gleich sein, oder einer der Winkel kann größer oder kleiner sein als der andere Winkel.
Der Vorsprung 58 wirkt, um den Gasfluss auf die Öffnungen 56 in der Zerstäuberplatte 12 zu richten, so dass die Menge des Gases, das durch jede der Öffnungen 56 fließt, ungefähr gleich ist. Der Vorsprung 58 kann weiterhin wirken, um Turbulenzen im Expansionsvolumen 52 zu beseitigen durch Hindern des Gases daran, von der Oberfläche der Zerstäuberplatte 12 in Richtung des Gaseinlasses 53 abzuprallen, wodurch weiterhin das Auftreten einer Umwälzung nahe dem Gaseinlass 53 verhindert wird. Durch das Beseitigen der Umwälzung des Gases im Expansionsvolumen 52 kann die Vorstufe während des Säuberungsvorgangs besser aus dem Expansionsvolumen 52 entfernt werden, wodurch die Möglichkeit von Gasphasenreaktionen reduziert wird, die nach verlängerter Verwendung der ALD Anordnung 10 ein Pulver im Expansionsvolumen 52 ausformen können.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Vorsprung 58 getrennt von der Zerstäuberplatte 12 ausgeführt sein. Der Vor sprung 58 kann so im Expansionsvolumen 52 befestigt sein, dass sich der Vorsprung 58 gegenüber dem Gaseinlass 53 befindet. Der Vorsprung 58 kann sich zum Beispiel auf einem an einem der Wände des Expansionsvolumens 52 befestigten Pfosten befinden. Der Pfosten kann eine Breite oder einen Durchmesser aufweisen, der kleiner oder gleich der Basis des Vorsprungs 58 ist. Außerdem kann der Pfosten eine dem Vorsprung 58 ähnliche Form aufweisen, um dem Fluss des Gases im Expansionsvolumen 52 weiter zu unterstützen.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Wandvorsprung, ähnlich dem auf der Zerstäuberplatte 12 angeordneten Vorsprung 58, auf mindestens einer der Wände ausgeformt sein, die das Expansionsvolumen 52 ausformen. Der Wandvorsprung kann auf mindestens einer der Wände ausgeformt sein, um einem gleichförmigeren Gasfluss durch das Expansionsvolumen 52 zur Verfügung zu stellen und Turbulenzen bei höheren Flussraten weiter zu reduzieren. Der Wandvorsprung kann eine oder mehrere Oberflächen aufweisen. In einer Ausführungsform können die Oberflächen ungefähr dieselben Längen und/oder Neigungen aufweisen. In weiteren Ausführungsformen können die Oberflächen des Wandvorsprungs unterschiedliche Längen und/oder Neigungen aufweisen. In weiteren Ausführungsformen kann die Oberfläche der Wandvorsprünge ein umgekehrtes "U" ausformen.
5 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Zerstäuberplatte, die einen Vorsprung aufweist, der sich gegenüber einem Gaseinlass in einem Gasinjektor befindet, der zu einer ALD Anordnung zugehörig ist. In der veranschaulichten Ausführungsform kann sich der Gaseinlass 53 im oberen Ende des Expansionsvolumens 52 befinden anstatt im Zentrum, wie in 4 veranschaulicht. Die Zerstäuberplatte 12 kann den Vorsprung 60 umfassen, der wirkt, um den Gasfluss auf den Boden des Expansionsvolumens 52 zu richten. In einer weiteren Ausführungsform kann der Vorsprung 60 getrennt von der Zerstäuberplatte 12 ausgeführt sein und auf der Wand des Expansionsvolumens 52 ausgeformt sein. Der Vorsprung 60 kann in Bezug auf die Oberfläche der Zerstäuberplatte 12 einen Winkel (Φ) von etwa dreißig Grad (30°) bis etwa sechzig Grad (60°) ausformen. Der Vorsprung 60 kann es ermöglichen, dass der Gasfluss durch die Öffnungen 56 gleichmäßig verteilt wird, so dass eine Vorstufe gleichmäßig in der Reaktionskammer 18 verteilt wird.
Obwohl der Vorsprung 60 so veranschaulicht ist, dass er eine einzelne Oberfläche benachbart zu einer Wand des Expansionsvolumens 52 aufweist, kann der Vorsprung 60 auch mehrere Oberflächen aufweisen. Zum Beispiel kann sich der Gaseinlass 53 in einer leicht asymmetrischen Position in Bezug auf die Wände des Expansionsvolumens 52 befinden. Der Vorsprung 60 kann mindestens zwei Oberflächen umfassen, wobei die Oberfläche, die sich in Richtung des größeren Teilbereichs des Expansionsvolumens 52 erstreckt, eine größere Länge aufweisen kann als die Oberfläche, die sich in Richtung des kleineren Bereichs des Expansionsvolumens 52 erstreckt.
Die 6a beziehungsweise 6b veranschaulichen eine Draufsicht und eine Ansicht von unten auf eine beispielhafte Ausführungsform der Zerstäuberplatte 12 einschließlich Vorsprüngen 58a und 58b. Wie in 1 veranschaulicht, kann die ALD Anordnung 10 die Gasleitungen 14a und 14b umfassen. Jede der Gasleitungen 14a und 14b kann einen entsprechenden Gaseinlass umfassen und wenn die Zerstäuberplatte 12 in der ALD Anordnung 10 verwendet wird, können die Vorsprünge 58a und 58b entsprechend gegenüber den Gaseinlässen für die Gasleitungen 14a und 14b angeordnet sein. In diesem Beispiel können die Vorsprünge 58a und 58b entsprechend die Ausformung von Turbulenzen nahe den mit den Gasleitungen 14a und 14b verbundenen Gaseinlässen verhindern. In weiteren Ausführungsformen kann die Zerstäuberplatte 12 jede beliebige geeignete Anzahl von Vorsprüngen 58 umfassen, so dass sich mindestens ein Vorsprung gegenüber jedem der mit dem Expansionsvolumen eines Gasinjektors verbundenen Gaseinlässe befindet.
Wie in 6a gezeigt, umfasst die Zerstäuberplatte 12 zwei Reihen von auf einer vorderen Oberfläche ausgeformten Öffnungen 56. Wie oben in Bezug auf die Vorsprünge 58a und 58b beschrieben, können die zwei Reihen von Öffnungen 56 der Anzahl von Gaseinlässen entsprechen, die mit dem Expansionsvolumen verbunden sind. In weiteren Ausführungsformen kann die Zerstäuberplatte 12 eine Reihe oder mehr als zwei Reihen von Öffnungen 56 umfassen, wobei die Anzahl von Reihen von der Anzahl von Gaseinlässen abhängt, die mit dem Expansionsvolumen des Gasinjektors verbunden sind.
Wie in 6b gezeigt, kann die Zerstäuberplatte 12 auf einer rückständigen Oberfläche ausgeformte Kammeröffnungen 54 umfassen. Die Kammeröffnungen 54 können benachbart zu der Reaktionskammer 18 angeordnet sein, wenn die Zerstäuberplatte 12 in die ALD Anordnung 10 einbezogen ist, wie in 1 veranschaulicht. Um sicher zu stellen, dass die Vorstufe und das Gas durch jede der Öffnungen 56 am selben Ort in die Reaktionskammer 18 eintreten, können die Öffnungen 56 in der Zer stäuberplatte 12 verschachtelt angeordnet sein, um eine einzelne Reihe von Kammeröffnungen 54 auszuformen. In der veranschaulichten Ausführungsform können die Öffnungen 56 in der Zerstäuberplatte 12 in einem Winkel von fünfundvierzig Grad in Bezug auf die Senkrechte zur Oberfläche der Zerstäuberplatte 12 ausgeformt sein. In weiteren Ausführungsformen können die Öffnungen 56 in der Zerstäuberplatte 12 in einem geeigneten Winkel so ausgeformt sein, dass jede der Öffnungen 56 eine einzelne zugehörige Kammeröffnung 54 ausformt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Anzahl von auf einer rückwärtigen Oberfläche der Zerstäuberplatte 12 ausgeformten Reihen von Kammeröffnungen 54 gleich der Anzahl von Reihen von auf einer vorderen Oberfläche der Zerstäuberplatte 12 ausgeformten Öffnungen 56 sein.
7 veranschaulicht das Flussmuster eines Gasinjektors bei Verwendung, einer abgeschrägten Zerstäuberplatte. In der veranschaulichten Ausführungsform beträgt die Flussrate etwa 8000 sccm. Wie gezeigt, kann der Vorsprung 58 einen laminaren Gasfluss bei einer Flussrate ermöglichen, die etwa sechzehn (16) Mal größer ist als die Flussrate, bei der die herkömmliche, gemäß 2B veranschaulichte Zerstäuberplatte signifikante Turbulenzen zeigt. Das Gas kann deshalb gleichmäßig durch jede der Öffnungen 56 verteilt werden, und die Verteilung der Vorstufe in der Reaktionskammer 18 kann verbessert werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines konformen Films auf einem Substrat mit folgenden Schritten: – Einführen eines Gases aus einem Gaseinlass in ein Expansionsvolumen, das zu einem Atomlagenabscheidungssystem (ALD) gehört, wobei das ALD-System ferner eine Reaktionskammer beinhaltet; und – Durchleiten des Gases durch eine Zerstäuberplatte in der Nähe zum Expansionsvolumen und der Reaktionskammer, wobei die Zerstäuberplatte einen Vorsprung beinhaltet, der sich gegenüber dem Gaseinlass befindet, wobei der Vorsprung zur Reduktion von Turbulenzen im Expansionsvolumen dient.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung zur Reduzierung von Gasphasenreaktionen im Expansionsvolumen dient und eine erhöhte Gasflussrate aus dem Expansionsvolumen zu der Reaktionskammer erleichtert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zerstäuberplatte eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, durch welche das Gas in die Reaktionskammer fließt, und der Vorsprung einen gleichförmigen Gasfluss durch die Öffnungen erleichtert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung eine Schräge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, die einen Winkel zur Zerstäuberplatte zwischen ungefähr 30 Grad und ungefähr 60 Grad bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung eine abgeschrägte Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung eine Oberfläche aufweist, die eine gleichmäßig variierende Schräge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Expansionsvolumen durch eine obere Wand, eine Bodenwand und zwei Seitenwände gebildet wird und ein Wandvorsprung auf zumindestens einer dieser Wände gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas mit einer Flussrate zwischen ungefähr 100 sccm und 10.000 sccm geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer mit dem Gas, das durch die Zerstäuberplatte fließt, gereinigt wird.
Vorrichtung zum Herstellen eines konformen dünnen Films auf einem Substrat mit: – einer Reaktionskammer, – einem Gasinjektor angrenzend an die Reaktionskammer, wobei der Gasinjektor beinhaltet: – ein Expansionsvolumen, – einen Gaseinlass, zum Einführen von einem Gas in das Expansionsvolumen, – eine Zerstäuberplatte, die neben dem Expansionsvolumen und der Reaktionskammer angeordnet ist und – einem Vorsprung, der neben der Zerstäuberplatte und gegenüber dem Gaseinlass angeordnet ist, wobei der Vorsprung zur Reduktion von Turbulenzen im Expansionsvolumen dient.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Vorsprung zur Reduktion von Gasphasenreaktionen im Expansionsvolumen dient und eine erhöhte Gasflussrate aus dem Expansionsvolumen in die Reaktionskammer erleichtert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zerstäuberplatte zumindest eine Reihe von Öffnungen in einer ersten Oberfläche beinhaltet, durch welche das Gas in die Reaktionskammer fließt und der Vorsprung zur Erleichterung eines gleichförmigen Gasflusses durch die Öffnungen dient.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Öffnungen so verschachtelt sind, dass eine zweite Oberfläche der Zerstäuberplatte eine Reihe von Kammeröffnungen beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Vorsprung eine Schräge aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Vorsprung eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die erste und die zweite Oberfläche einen Winkel zwischen ungefähr 30 Grad und ungefähr 60 Grad zu der Zerstäuberplatte bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Vorsprung eine Oberfläche beinhaltet, die eine gleichmäßig variierende Schräge aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Vorsprung eine abgeschrägte Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Expansionsvolumen von einer oberen Wand, einer Bodenwand und zwei Seitenwänden gebildet wird und ein Wandvorsprung auf zumindestens einer dieser Wände gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Gas eine Flussrate zwischen 100 sccm und 10.000 sccm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Gas ein Schutzgas beinhaltet.