DE10132882B4 - Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht unter Verwendung einer Atomschichtabscheidung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht (44) unter Verwendung einer Atomschichtabscheidung (ALD), das aufweist:
a1) Vorsehen eines Reaktors (10) mit einem einzigen Reaktionsraum (12);
a2)gleichzeitiges Laden eines Stapels (14) von Substraten (15) in den einzigen Reaktionsraum (12) des Reaktors (10);
b) Einbringen eines Gas-Reaktionsmittels (40) in den einzigen Reaktionsraum (12) bis zum Erreichen eines ersten vorbestimmten Druckes, wobei ein Teil des Reaktionsmittels (40) auf den oberen Oberflächen der Vielzahl der Substrate (15) im Stapel (14) chemisch absorbiert wird;
c) Verdünnen von nicht chemisch absorbiertem Reaktionsmittel (40) bis zum Erreichen eines zweiten vorbestimmten Druckes, wobei der zweite vorbestimmte Druck größer als ungefähr das 1,5-fache des ersten vorbestimmten Druckes ist; und
d) Entfernen des verdünnten nicht chemisch absorbiertem Reaktionsmittels (40) durch Abpumpen des Reaktionsraumes (12), wodurch der Druck des Reaktionsraumes (12) auf einen dritten vorbestimmten Druck abgesenkt wird, der niedriger als der erste vorbestimmte Druck ist, wobei der...

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleitervorrichtungen und insbesondere ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht für eine Halbleitervorrichtung unter Verwendung einer Atornschichtabscheidung (ALD) nach den Ansprüchen 1 und 4.
  • Aus der EP 1 069 599 A2 ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von dünnen Filmen auf Wafern bekannt. Die bekannte Vorrichtung umfaßt eine Reaktionskammer, die dafür ausgebildet ist, um eine Vielzahl an Wafern gleichzeitig zu verarbeiten, und zwar entsprechend einem Atomschicht-Epitaxialwachstumsprozeß. Die Vorrichtung enthält eine Halterungseinrichtung, die innerhalb der Reaktionskammer angeordnet ist, um die Wafer in Lage zu halten, und zwar derart, daß die Reaktionsoberflächen der Wafer zum Inneren der Reaktionskammer hin frei liegen. Eine Gasversorgungseinheit führt Reaktionsgase auf die Reaktionsoberflächen der Wafer innerhalb der Reaktionskammer zu. Eine Antriebseinheit für die Aufnahme oder Halterungseinrichtung dreht diese in einem vorbestimmten Drehwinkel und bewegt die Halterungseinrichtung zwischen einer Reaktionsposition und einer Nicht-Reaktionsposition. Mit Hilfe einer Vakuumpumpeinheit wird der Druck der Reaktionsgase innerhalb der Reaktionskammer auf einem vorbestimmten Druck gehalten. Eine Heizeinheit erhitzt wenigstens eine der Reaktionsoberflächen der Wafer und auch die Reaktionskammer auf eine konstante Temperatur, so daß wenigstens eine der Reaktionsoberflächen der Wafer und die Reaktionskammer einen vorbestimmten Temperaturzustand erreichen.
  • Aus der US 5,217,340 ist ein Waferübertragungsmechanismus und -verfahren bei einem Vertikal-CVD-Diffusionsgerät und mit einer Steuervorrichtung für das Verfahren und den Mechanismus bekannt. Das Vertikal-CVD-Diffusionsgerät enthält ein Boot, welches viele Wafer in einer horizontalen Orientierung aufnehmen kann, die vertikal gestapelt sind. Bei diesem bekannten Mechanismus werden Produktwafer in das Boot in Fünfergruppen überführt, wobei auch Attrappenwafer in Fünfergruppen oder in einem Bruchteil kleiner als fünf überführt werden, und Überwachungswafer einer um den anderen zwischen einem Block von Produktwafern und einem anderen Block der Produktwafer eingeführt werden oder zwischen einem Block von Attrappenwafern eingeführt werden.
  • Aus der EP 1 096 042 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur mit einer Metalloxid-Zwischenschicht mit Silizium bekannt. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird auf einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats eine Keimschicht durch ein Atomschicht-Abscheidungsverfahren ausgebildet, wobei eine oder mehrere Schichten aus einem hochdielektrischen konstanten Oxid durch das Atomschicht-Abscheidungsverfahren (ALD) ausgebildet wird bzw. werden.
  • Aus der WO 01/29280 A1 ist ein Verfahren zum Abscheiden von dünnen Übergangsmetallkohlenstofffilmen bekannt. Dies geschieht mit Hilfe eines Atomschicht-Abscheidungsverfahrens (ALD), bei dem eine Übergangsmetallquellenzusammensetzung und eine Kohlenstoffquellenzusammensetzung abwechselnd auf dem Substrat ausgebildet werden. Dabei gelangen eine Vielzahl von Metall- und Kohlenstoffquellengasen zur Anwendung. Dieses bekannte Verfahren ist besonders für die Ausbildung von dünnen Metallkohlenstofffilmen bei der Halbleiterherstellung geeignet und speziell zur Ausbildung von dünnen leitenden Diffusionssperrschichten innerhalb von integrierten Schaltungen, die einen Graben und Durchgangsöffnungen aufweisen.
  • Weitere Verfahren zum Wachsen lassen von Dünnfilmstrukturen sind aus der DE 199 25 430 A1 , der US 4,058,430 , der DE 100 49 257 A1 und der DE 198 53 598 A1 bekannt.
  • Das Ausbilden von Dünnschichten bei herkömmlichen hochintegrierten Halbleitervorrichtungen weist viele strenge Herstellungsanforderungen auf, wie beispielsweise ein niedriges Temperaturniveau, hervorragende Stufenabdeckung, eine genaue Steuerung der Schichtdicke, eine einfache Prozeßvariablen und eine geringe Teilchenverunreinigung.
  • Herkömmliche CVD-basierte, Verfahren, wie beispielsweise eine chemische Dampfabscheidung bei einem niedrigen Druck (low-pressure chemical vapor deposition = LPCVD), eine Plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung (plasma-enhanced chemical vapor deposition = PECVD) sind nicht länger für ein Ausbilden von Dünnschichten auf herkömmlichen Vorrichtungen geeignet, die die Herstellungsanforderungen erfüllen. Bei einem typischen CVD-Verfahren wird beispielsweise eine Dünnschicht bei einer relativ hohen Temperatur abgeschieden. Dies ist jedoch unerwünscht, da die Möglichkeit von nachteiligen thermischen Effekten auf den Vorrichtungen besteht. Ebenso weist die CVD-Dünnschicht oftmals Nachteile wie beispielsweise eine nicht gleichförmige Dicke, d.h. Dickenabweichungen entlang der Oberfläche der Vorrichtung, oder eine Teilchenverunreinigung auf.
  • Für LPCVD gilt, daß der Wasserstoffgehalt einer LPCVD-Dünnschicht normalerweise hoch ist und ihre Stufenabdeckung oftmals inakzeptabel ist.
  • Das Atomschichtabscheidungsverfahren (ALD) ist als eine Alternative für derartige Dünnschichtausbildungstechnologien vorgeschlagen worden, da das ALD-Verfahren bei niedrigeren Temperaturen als bei den herkömmlichen CVD-basierten Verfahren durchgeführt werden kann und ebenso eine exzellente Stufenabdeckung aufweist.
  • Eine dieser ALD-Verfahrenstechnologien ist in dem US 6,124,158 offenbart. Hierbei wird ein erstes Reaktionsmittel zum Reagieren mit der behandelten Oberfläche eingeführt, um eine gebundene Einzelschicht (bonded monolayer) der reaktiven Art auszubilden. Ein zweites Reaktionsmittel wird eingeführt, um mit der Oberfläche zum Ausbilden einer gewünschten Dünnschicht zu reagieren. Nach jedem Schritt in dem Zyklus wird die Reaktionskammer mit einem Inertgas gereinigt, um eine Reaktion mit Ausnahme der Reaktion auf der Oberfläche zu verhindern. Typischerweise wird das Zuführen des Reaktionsmittels und die Reinigung beispielsweise aus Wartungsgründen der Herstellungsgerätschaft bei dem gleichen Druck durchgeführt.
  • Jedoch weisen derartige herkömmliche ALD-Technologien zahlreiche Nachteile auf, wie beispielsweise einen geringen Durchsatz aufgrund von Problemen, wie beispielsweise einer relativ geringen Wachstumsrate der Atomschichten. Ferner ist der Reaktionsraum bei herkömmlichen ALD-Reaktoren, wie beispielsweise einem Reaktor vom Wanderwellentyp (traveling wave-type reactor) sehr klein gestaltet, um das Reinigungsvolumen zum Reinigen von Nebenprodukte oder dergleichen zu verringern. Somit verarbeiten herkömmliche ALD-Reaktoren lediglich ein oder zwei Wafer bei jedem Vorgang, typischerweise ein Substrat für einen Vorgang in einem einzigen Reaktor. Diese Nachteile machen es für zahlreiche herkömmliche ALD-Technologien schwierig, praktisch umgesetzt zu werden und kommerziell akzeptiert zu sein, d.h., in einer Massenproduktion eingesetzt zu werden.
  • In letzter Zeit wurden zahlreiche Versuche unternommen, den Durchsatz des ALD-Verfahrens zu erhöhen. Ein solcher Versuch ist im US 6,042,652 offenbart. Hierbei enthält der ALD-Reaktor eine Vielzahl von Modulen und eine Vielzahl von Reaktionsräumen (Stufen), d.h., Räume die durch die Vielzahl der zusammengebauten Module aufgeteilt sind. Beispielsweise ist ein unteres Modul unterhalb von einem oberen Modul angeordnet, wodurch ein Reaktionsraum (eine Stufe) zwischen ihnen erzeugt wird, welcher in der Lage ist, lediglich ein Halbleitersubstrat aufzunehmen.
  • Da jedoch jeder Reaktionsraum (Stufe) klein und aufgeteilt ist, d.h., die Reaktionsräume, voneinander getrennt sind, wird jedes Substrat einzeln in einer der Reaktionsräume (Stufen) eingefügt. Somit ist es schwer, einen automatisierten Wafertransportmechanismus zum Beladen und Entladen einer Vielzahl von Wafern zu verwenden. Folglich wird eine beträchtlich lange Zeit zum Beladen/Entladen der Wafer benötigt. Ebenso ist die Anzahl der Wafer, die geladen und verarbeitet werden können, immer noch nicht ausreichend.
  • Demzufolge ist es klar ersichtlich, daß ein neues ALD-Verfahren benötigt wird, das eine hohe Durchsatzleistung ermöglicht, und das die vorhergehend erwähnten Probleme lösen kann, während es weiterhin qualitativ hochwertige Dünnschichten vorsieht.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht unter Verwendung einer Atomschichtabscheidung (ALD) zu schaffen, bei dem die Zeit für das Entfernen des Reaktionsmittels verkürzt werden kann, um dadurch den Durchsatz zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 und im Anspruch 4 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungs gemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird nach dem Einführen des Reaktionsmittel enthaltenden Gases nicht chemisch absorbiertes Reaktionsmittel in dem einzigen Reaktorraum verdünnt, um die Entfernung des nicht chemisch absorbierten Reaktionsmittels zu erleichtern.
  • Ebenso wird gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht offenbart, bei welcher ein Reaktor mit einem einzigen Reaktorraum vorgesehen wird. Eine Vielzahl von Wafern, von denen jeder eine Verarbeitungsoberfläche (d.h. die zu verarbeitende Oberfläche, auf der die Dünnschicht ausgebildet wird) aufweist, werden in den Reaktionsraum eingeführt. Die Verarbeitungsoberflächen der Vielzahl von Wafern schauen im wesentlichen in die gleiche Richtung. Ein erstes Reaktionsmittel wird in den Reaktionsraum eingebracht, so daß ein Teil des ersten Reaktionsmittels auf den Verarbeitungsoberflächen der Vielzahl von Wafern für eine ALD chemisch absorbiert wird. Anschließend wird ein chemisch nicht absorbierter Teil des ersten Reaktionsmittels aus dem Reaktionsraum entfernt. Als nächstes wird ein zweites Reaktionsmittel in den Reaktionsraum eingebracht. Ebenso wird ein Teil des zweiten Reaktionsmittels auf der Verarbeitungsoberfläche jedes Wafers chemisch absorbiert. Anschließend wird ein nicht chemisch absorbierter Teil des zweiten Reaktionsmittels aus dem Reaktionsraum entfernt.
  • Die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit der begleiteten Zeichnung besser ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Reaktors gemäß dem Stand der Technik, der für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist.
  • 2 zeigt einen Graphen, der den Druck des ALD-Reaktors bei jedem Schritt des ALD-Verfahrens in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 3A3D zeigt aus dem Stand der Technik bekannte Verfahrensschritte zum Ausbilden einer ALD-Dünnschicht, die ebenso bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorliegen;
  • 4 zeigt einen Graphen, der Verfahrensbedingungen bzw. Verfahrenszustände in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 5 zeigt einen Graphen, der das Ergebnis des ALD-Verfahrens darstellt, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt worden ist.
  • 6 zeigt einen Graphen, der das Ergebnis des ALD-Verfahrens darstellt, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt worden ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht mit Hilfe eines ALD-Verfahrens, durch welches eine Durchsatzleistung im Vergleich mit den herkömmlichen ALD-Verfahren erheblich verbessert werden kann.
  • Bei der folgenden Beschreibung sind zahlreiche bestimmte Details dargestellt, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung vorzusehen. Jedoch ist für den Fachmann ohne weiteres erkennbar, daß die Erfindung auch ohne diese spezifischen Details durchgeführt werden kann. An einigen Stellen sind allgemein bekannte Verfahrensschritte und Techniken nicht im Detail dargestellt worden, um die vorliegende Erfindung nicht unverständlich werden zu lassen.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht unter Verwendung von ALD in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindungsform beschrieben.
  • Gemäß 1, wird schematisch ein ALD-Reaktor 10 mit einem einzigen Reaktionsraum 12 innerhalb einer rohrförmigen Prozeßvorrichtung 11 gezeigt.
  • Andere Teile des Reaktors 10, wie beispielsweise eine Heizvorrichtung, sind aus Gründen der Einfachheit weggelassen worden. Vorzugsweise ist der ALD-Reaktor 10 ein Ofentyp-Vertikalreaktor-(vertikalorientiert), der den herkömmlichen LPCVD-Öfen, wie sie in US 5,217,340 und US 5,112,641 gezeigt sind, ähnlich ist, jedoch kann irgendein anderer Reaktortyp, beispielsweise ein horizontal orientierter, welcher für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung geeignet ist, verwendet werden, ohne den Inhalt und den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung meint der Reaktorraum 12 einen Raum, in dem Substrate 15 (oder Wafer) angeordnet sind, und in dem zahlreiche Verfahrenssequenzen des ALD-Verfahrens auftreten. Ebenso ist bei der vorliegenden Erfindung der einzige Reaktionsraum 12 nicht aufgeteilt oder getrennt. Er unterscheidet sich somit im Vergleich zu dem Reaktionsraum von herkömmlichen Reaktoren, wie sie beispielsweise in US 6,042,652 und US 6,015,590 gezeigt sind, bei denen zahlreiche (aufgeteilte) Reaktionsräume in einem ALD-Reaktor vorhanden bei diesen herkömmlichen ALD-Reaktoren, insbesondere den im US 6,015,590 gezeigten, ist die Zahl der Substrate, die in jedem Reaktionsraum angeordnet werden können sehr klein, beispielsweise ein oder zwei Substrate pro Reaktionsraum, da jede der zahlreichen (aufgeteilten) Reaktionsräume einen sehr engen Querschnitt zur Minimierung des Volumens des Reaktionsraums für eine Reinigungseffizienz aufweist. Ebenso beschränkt dieser Aspekt herkömmlicher ALD-Reaktoren aufgrund der strukturellen Beschränkungen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, die Gesamtzahl an Substraten, die in einem Reaktor angeordnet werden können. Zum Beispiel benötigen die in US 6,042,652 gezeigten Module, welche jeden Reaktionsraum ausbilden, selbst einen beträchtlichen Raumbetrag oder Volumen innerhalb des Reaktors. Dies kann den Durchsatz des ALD-Verfahrens ernsthaft verringern.
  • Da jedoch bei der vorliegenden Erfindung der ofenartige ALD-Reaktor 10 einen einzigen großvolumigen Reaktionsraum 12 aufweist, der nicht aufgeteilt ist, kann der ALD-Reaktor 10 mehr als einhundert (100) Substrate darin aufnehmen, wie in 1 dargestellt. Somit kann die Anzahl an Substraten, die mit einem einzigen ALD-Vorgang verarbeitet werden können beträchtlich erhöht werden (beträchtliche Erhöhung der Durchsatzleistung).
  • Zum Ausbilden von ALD-Dünnschichten auf den Substraten 15 wird ein Stapel 14 von Substraten 15 im wesentlichen gleichzeitig in den einzigen Reaktorraum 12 des ALD-Reaktors 10 geladen, wie 1 schematisch dargestellt. Bei der vorliegenden Erfindung kann ein Stapel 14 eine Gesamtzahl an Substraten bedeuten, die in dem Reaktor 10 für einen ALD-Vorgang zum Ausbilden einer Dünnschicht auf den Substraten geladen wird. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Stapel 14 vorzugsweise ungefähr 125–135 Substrate auf. Jedes der Substrate 15 weist eine Verarbeitungsoberfläche 17, vorzugsweise an seiner Oberseite, auf.
  • Bei dem erfindungsgemäßen ALD-Verfahren wird während dem Beladen/Entladen der Substrate 15, der Stapel 14 von Substraten 15 in den ALD-Reaktor 10 unter Verwendung eines automatischen (d.h. nichtmanuellen) Wafertransportmechanismus 18 geladen, wie es in 1 schematisch dargestellt ist. Als derartiger au tischer Wafertransportmechanismus 18 kommt einer in Frage, wie er in US 5,217,340 und US 5,112,641 offenbart ist. Innerhalb des Inhalts und des Umfangs der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch irgendein anderer Typ eines automatischen Wafertransportmechanismus verwendet werden, der für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
  • Mit anderen Worten, da bei der vorliegenden Erfindung alle Produktsubstrate 15 für einen einzigen ALD-Vorgang in dem einzigen Reaktionsraum 12 angeordnet werden können, ohne daß sie auf unterschiedliche Reaktionsräume in einem Reaktor aufgeteilt werden, kann die Beladen/Entladung eines Stapels 14 von Substraten 15 automatisch und schnell durch den Wafertransportmechanismus 18 durchgeführt werden. Insbesondere kann der Stapel 14 von Substraten in einer vorbestimmten Art und Weise angeordnet werden, und in einem Boot (boat) 19 eingefügt werden. Das Boot 19, das typischer Weise aus Quarz oder einem anderen herkömmlichen Material ausgebildet ist, weist eine Vielzahl von Nuten auf seiner inneren Oberfläche auf, um jedes der Substrate 15 aufzunehmen. Das Boot 19, das den Substratstapel 14 enthält, wird in den ALD-Reaktor 10 geladen, womit ein gleichzeitiges Beladen des Stapels 14 aus Substraten 15 in den einzigen Reaktionsraum 12 des ALD-Reaktors 10 in einer Art und Weise erreicht wird, wie sie in 1 beschrieben ist. Hierbei schauen im wesentlichen alle oberen Oberflächen 17 (Verarbeitungsoberflächen) der Substrate 15 für einen automatischen Wafertransport in die gleiche Richtung.
  • Damit wird ein wichtiger Vorteil erzielt, insbesondere in Bezug auf einen Durchsatz, gegenüber herkömmlichen ALD-Techniken, von denen beispielsweise eine in dem US 6,015,590 offenbart ist, bei dem die oberen Oberflächen der Wafer in gegenüberliegenden Richtungen schauen, so daß ein automatischer Wafertransport ziemlich umständlich oder unmöglich ist. Somit können bei herkömmlichen ALD-Technologien lediglich eine kleine Anzahl an Substraten, meistens nur eins, nacheinander in jeden Reaktorraum angeordnet werden. Dies kommt daher, da die Substrate über die zahlreichen Reaktorräume in einem Reaktor verteilt werden müssen und die Verteilung nahezu unmöglich oder zumindest schwierig auf einmal durchzuführen ist. Dies gilt auch für eine herkömmliche ALD-Technik, die in dem US 6,042,652 offenbart ist, bei der eine Vielzahl von kreisförmigen Halbleitersubstraten einzeln nacheinander in die Reaktionsräume (Stufen) transportiert werden, wie es bei dem Hintergrund bereits beschrieben worden ist. Der gesamte Beladungsprozeß benötigt eine lange Zeitdauer, was den Durchsatz beträchtlich verringert und somit die kommerzielle Anwendung des ALD-Verfahrens einschränkt.
  • Wie in 3 schematisch dargestellt, wird, wie bei herkömmlichen ALD-Technologien, ein erstes Reaktionsmittel 40 oder ein erstes Reaktionsmittel enthaltenes Gas durch den Einlaß 16 in 1, wie beispielsweise einer Gaszuführleitung (nicht gezeigt) des ALD-Reaktors 10 in den einzigen Reaktorraum 12 eingeführt (Dosierungsschritt). Somit wird ein Teil des ersten Reaktionsmittels 40 auf den Verarbeitungsoberflächen 17 des Stapels 14 von Substraten 15 innerhalb des einzigen Reaktionsraums 12 chemisch absorbiert (chemiesorbiert). Wie in 2 gezeigt, wird der Dosierungsschritt 31 bevorzugt bei einem ersten vorbestimmten Druck P1, der zwischen ungefähr 13,3 Pa und 66,7 Pa liegt, durchgeführt.
  • Um andererseits bei der vorliegenden Erfindung den Durchsatz von ALD weiter zu erhöhen, muß die Reinigungszeit für ALD verringert werden. Dies kommt daher, da im allgemeinen die Reinigungszeit von dem Volumen eines Reaktors abhängig ist. Da die vorliegende Erfindung einen ofenartigen Reaktor mit einem großen Volumen verwendet, ist das Reinigungsvolumen beträchtlich größer als bei anderen herkömmlichen ALD-Techniken, wie beispielsweise bei der Vorrichtung vom Wanderwellentyp, der im US 6,042,652 oder US 6,015,590 gezeigt worden ist.
  • Um das Problem zu lösen, wird mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Einführen des ersten Reaktionsmittels 40 zur effektiven Verringerung der Reinigungszeit ein nicht chemisch absorbierter Teil des ersten Reinigungsmittels 40 in den einzigen Reaktionsraum 12 für eine Entfernung des nicht chemisch absorbierten Teils des ersten Reaktionsmittels 40 aus dem ALD-Reaktors 10 verdünnt. Hierbei enthält der nicht chemische absorbierte Teil des ersten Reaktionsmittels 40 ein physikalisch absorbiertes (physisorbiertes) Reaktionsmittel, d.h., ein erstes Reaktionsmittel 40 haftet daran physikalisch, und wird locker an den chemisorbierten Teil des ersten Reaktionsmittels 40 oder irgendeinem restlichem reaktiven Material innerhalb des ALD-Reaktors 10 gehalten.
  • Für den Verdünnungsschritt 33 in 2 enthält der in 1 gezeigte ALD-Reaktor 10 ein Drucksteuerventil 21, das mit einer Auslaßleitung 25 oder einer Grobleitung zum Entfernen des verdünnten nicht chemisch absorbierten Teils des ersten Reaktionsmittels 40 aus dem ALD-Reaktor 10 verbunden ist. Die Auslaßleitung 25 ist mit einer Pumpe 23 zum Abpumpen des nicht chemisch absorbierten Teils des ersten Reaktionsmittels 40 aus dem Reaktor 10 nach Außen verbunden. Während des Verdünnungsschritts 33, ist das Steuerventil 21 im wesentlichen geschlossen und ein Inertgas wird durch einen Einlaß 16 in den Reaktor 10 zugeführt, und die Einbringung des ersten Reaktionsmittels in den ALD-Reaktor 10 wird im wesentlichen gestoppt. D.h., eine Leitfähigkeit der Auslaßleitung 25 des ALD-Reaktors 10 ist verringert.
  • Alternativ wird während des Verdünnungsschritts 33 ein Inertgas mit einer Menge, die beträchtlich mehr als die Menge des ersten Reaktionsmittels 40 ist, in den ALD-Reaktor 10 eingebracht, während die Einbringung des ersten Reaktionsmittels 40 in den Reaktor 10 gestoppt wird.
  • Wie in 2 dargestellt wird der Reaktordruck während der Verdünnung des nicht chemisch absorbierten Teils des ersten Reaktionsmittels 40 vorzugsweise von einem ersten vorbestimmten Druck P1 auf einen zweiten vorbestimmten Druck P2 erhöht und somit ist der zweite vorbestimmte Druck P2 größer als der erste vorbestimmte Druck P1. Vorzugsweise ist der zweite vorbestimmte Druck P2 größer als ungefähr das 1,5-fache des ersten vorbestimmten Drucks P1.
  • Diese Schritte ermöglichen es, daß der nicht chemisch absorbierte Teil des ersten Reaktionsmittel 40 in dem Reaktor 10 in einem sehr kurzen Zeitraum, beispielsweise wenige Sekunden, verdünnt wird, so daß die gesamte Reinigungszeit und die Reinigungseffizienz während eines Reinigungsschritts 32 verglichen mit herkömmlichen ALD-Techniken drastisch verringert ist. Die ser Verdünnungsprozeß reduziert den Partialdruck des nicht chemisch absorbierten Teils des chemischen Reaktionsmittels 40 in dem ALD-Reaktor 10 beträchtlich. Somit verbleibt lediglich eine sehr kleine Menge des nicht chemisch absorbierten Teils des ersten Reaktionsmittels 40 nach dem Entfernen des nicht chemisch absorbierten Teils des ersten Reaktionsmittel 40 in dem Reaktor 10, da das Reaktionsmittel 40 bereits verdünnt ist, so daß eine Reinigungseffizienz maximiert wird. Da das erste Reaktionsmittel 40 verdünnt ist, kann ebenso eine Vermischung zwischen dem ersten Reaktionsmittel 40 ausreichend verhindert werden.
  • Anschließend wird, wie in 3B dargestellt, der verdünnte nicht chemisch absorbierte Teil des ersten Reaktionsmittels 40 auf dem einzigen Reaktionsraum 12 vor einem Einbringen eines zweiten Reaktionsmittels 42 (Dosierungsschritt 35) entfernt (evakuiert), um eine gewünschte ALD-Dünnschicht 44 in 3D durch einen chemischen Austausch auszubilden. Vorzugsweise wird ein Entfernen des nicht chemisch absorbierten Teils des ersten Reaktionsmittels 40 durch ein Abpumpen des Reaktors 10 unter Verwendung der Pumpe 23 durchgeführt, wodurch der Druck des Reaktors 10 auf einen dritten vorbestimmten Druck P3 (siehe 2) erniedrigt wird. Der dritte vorbestimmte Druck P3 ist niedriger als der erste vorbestimmte Druck P1 des Dosierungsschritts 31. Vorzugsweise ist der dritte vorbestimmte Druck P3 niedriger als ungefähr das 0,5-fache des ersten vorbestimmten Drucks P1.
  • Während dieses Schritts kann die Erniedrigung des Drucks auf einen dritten vorbestimmten Druck P3 durch ein Stoppen oder Reduzieren der Einbringung von Inertgas und durch Öffnung des Steuerventils 21 erzielt werden. D.h., die Leitfähigkeit der Auslaßleitung ist erhöht.
  • Gemäß 3C wird nun das zweite Reaktionsmittel 42 in den Reaktionsraum 12 eingebracht und somit ein Teil des zweiten Reaktionsmittels auf den Verarbeitungsoberflächen 17 des Stapels 14 von Substraten 15 chemiesorbiert, um einen chemischen Austausch zu bewirken. Natürlich wird der Verdünnungsschritt 37 vorzugsweise nach der Dosierungsschritt 35 des zweiten Reaktionsmittels 42 durchgeführt.
  • Gemäß 3D wiederum, wird ein chemisch nicht absorbierter Teil des zweiten Reaktionsmittels 42 aus dem Reaktionsraum 12 unter Verwendung des gleichen Verfahrens, das bei dem ersten Reaktionsmittel 40 während des Entfernungsschritts 34 angewendet worden ist und zuvor beschrieben worden ist, entfernt (Entfernungsschritt 38 in 2).
  • Die obigen Schritte eines Einbringens des ersten und zweiten Reaktionsmittels 40, 42 und ein Entfernen der nicht chemisorbierten Teile der Reaktionsmittel 40, 42 aus dem Reaktionsraum 12 kann zum Erzielen einer gewünschten Schichtdicke wiederholt ausgeführt werden.
  • Festzuhalten ist, daß das Reinigungsverfahren, das durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird, nicht von der Art des Reaktionsmittels abhängt, und somit für eine Ausbildung von zahlreichen ALD-Dünnschichten verwendet werden kann. Derartige ALD-Dünnschichten sind beispielsweise eine Oxidschicht aus Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, Nb2O5, CeO2, Y2O3, SiO2, In2O3, RuO2 oder IrO2. Andere Beispiele sind Folgende: eine Verbundoxidschicht aus SrTiO3, PbTiO3, SrRuO3, CaRuO3, (Ba,Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, (Sr,Ca)RuO3, (Ba,Sr)RuO3, Sn dotiertes In2O3(ITO), Fe dotiertes In2O3, oder Zr dotiertes In2O3: eine Nitridschicht aus SiN, NbN, ZrN, TiN, TaN, AlN, GaN, WN, oder BN: eine komplexe Nitridschicht aus WBN, WSiN, TiSiN, TaSiN, oder AlTiN: eine Metallschicht aus Si, Al, Cu, Ti, Ta, Mo, Pt, Ru, Rh, Ir, W oder Ag: eine Silizidschicht aus Al, W, Ti oder Co: ein Metallsilikatmaterial (M1–xSixO2). Hierbei kann das Metall „M" Hafnium (Hf), Zirkonium (Zr), Tantal (Ta), Titan (Ti), Cäsium (Cs) oder Aluminium (Al) sein.
  • Beispiel 1
  • Eine SiN-Schicht wird durch das erfindungsgemäße ALD-Verfahren abgeschieden. Als Reaktionsmittel werden DCS (SiCl2H2) (DCS = Dichlorsilan) oder NH3-Gase verwendet, die durch ein Remote Plasma (400W) aktiviert werden. Die Abscheidungstemperatur beträgt 375°C. Die Flußrate des Reaktionsmittels beträgt für DCS 500sccm und für Ammoniak NH3 2000sccm. Zum Verdünnen vor einem Entfernen des nicht chemisch absorbierten Reaktionsmittels werden 5000sccm N2-Gas in den Reaktor eingebracht. Die Zeit und der Druck für jeden Schritt der DCS-Zuführung, DCS-Reinigung, NH3-Zuführung und NH3-Reinigung wird in Tabelle 1 gezeigt und ferner in 4 dargestellt. Ebenso zeigt 5 die Ergebnisse des obigen ALD-Verfahrens. Tabelle 1
    Figure 00160001
  • Die Wachstumsrate beträgt in Übereinstimmung mit dem vorgehend beschriebenen ALD-Verfahren 0,1 nm pro Zyklus, und eine gute ALD-Werfahrenscharakteristik kann erzielt werden.
  • Ferner ist beobachtet worden, daß ohne Verwendung des Reinigungsverfahrens der vorliegenden Erfindung, folgende Probleme auftauchen können. Erstens: Falls der Reinigungsschritt mit einem Inertgas wie beispielsweise Ar oder N2 bei dem gleichen Druck wie dem Druck, während des Dosierungsschritts des Reaktionsmittels durchgeführt wird, kann eine beträchtliche Menge des Inertgases in dem Reaktor verbleiben. Dies verringert den Partialdruck des Reaktionsmittels. Demzufolge kann die Reaktionsmitteldosierzeit für den nächsten Dosierungsschritt erhöht sein. Außerdem wird ebenso die Reinigungszeit erhöht. Zweitens: Falls die Reinigung lediglich durch Pumpen ohne Verdünnen vor dem Pumpen, wie es bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stattfindet, durchgeführt wird, benötigt die Reinigung eine beträchtlich lange Zeit.
  • Beispiel 2
  • HCD (Si2Cl6) (Hexachlordisilan) wird in einer Rührvorrichtung bei Zimmertemperatur gespeichert und mit 500sccm des N2-Gases als ein Trägergas in einen Reaktor eingebracht. Anschließend wird eine Reinigung durch ein Verdünnen des nicht chemisch absorbierten Reaktionsmittels mit 5000sccm des N2-Gases durchgeführt und anschließend das chemisch nicht absorbierte Reaktionsmittel aus dem Reaktor abgepumpt (entfernt). Als nächstes wird 2000sccm eines Remote Plasmas (400W) NH3 zugeführt, dann die Reinigung durch Verdünnen des nicht chemisch absorbierten Reaktionsmittels mit 5000sccm des N2-Gases durchgeführt und anschließend das nicht chemisch absorbierte Reaktionsmittel aus dem Reaktor abgepumpt (entfernt).
  • Zu diesen Zeitpunkt wird dem Reaktor für 20 Sekunden HCD zugeführt. Der Reaktordruck verändert sich von 13,3 Pa auf 266 Pa und wird dann auf 266 Pa gehalten. Der Druck während des Reinigens wird von 266 Pa auf 1330 Pa während des Verdünnungsschritts (4 Sekunden) verändert und anschließend auf 13,3 Pa während des Pumpens (6 Sekunden) erniedrigt. Das Zuführen von NH3 (30 Sekunden) und Reinigen (4 + 6 Sekunden) wird auf die gleiche Art und Weise wie zuvor beschrieben realisiert. 6 zeigt die Ergebnisse des obigen ALD-Verfahrens.
  • Die Wachstunnsrate betrug 0,23 nm pro Zyklus und eine gute ALD-Verfahrenscharakteristik wurde erzielt.
  • Einige der Eigenschaften der vorliegenden Erfindung können wie folgt beschrieben werden:
    • 1. Der Reaktordruck während des Dosierungsschritts und während des Reinigungsschritts können unterschiedlich sein.
    • 2. Der Reaktordruck für jeden Dosierungsschritt für unterschiedliche Reaktionsmittel kann im wesentlichen der gleiche sein oder unterschiedlich sein.
    • 3. Der Reinigungsschritt scheint einen Verdünnungsschritt zu enthalten, bei dem der Reaktordruck sich von dem Druck während des Dosierungsschritts des Reaktionsmittels aus erhöht, und einen Entfernungs- oder Evakuierungsschritt enthalten, dessen Druck sich auf einen niedrigeren Druck als den Druck während des Dosierungsschritts des Reaktionsmittels verringert.
  • Durch Verwendung dieser Eigenschaften, kann der folgende Effekt erzielt werden:
    • 1. Der Dosierungsschritt jedes Reaktionsmittels ist abhängig vom Partialdruck und der Zeit (Reaktionsmittelfreilegungsabhängigkeit (reaction exposure dependency) nach Langmuire). Demzufolge kann die Verarbeitungszeit durch ein Erhöhen des Par tialdrucks des zugeführten Reaktionsmittels während der Reaktionsmitteldosierung verringert werden.
    • 2. Im Unterschied zu dem herkömmlichen ALD-Verfahren, bei dem ein konstanter Druck aufrecht erhalten werden muß, wird der Dosierungsschritt jedes Reaktionsmittels nach dem Reinigen durch Pumpen erzielt. Daher kann der gewünschte Druck von dem niedrigerem Druck erreicht werden.
    • 3. Wenn die Reinigung innerhalb eines Reaktors mit einem großen Volumen realisiert wird, wird zuerst ein Inertgas zum Verdünnen des Reaktionsmittels angewendet. Anschließend wird das Pumpen durchgeführt, um den gewünschten Grad des Reinigungseffekts innerhalb einer kurzen Zeitdauer zu erreichen.
  • Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die vorliegende Erfindung viele Vorteile gegenüber den herkömmlichen ALD-Techniken aufweist, und viele Nachteile der herkömmlichen ALD-Techniken überwindet. Z.B. erhöht die vorliegende Erfindung den Durchsatz des ALD-Verfahrens beträchtlich. Da der ofenartige ALD-Reaktor der vorliegenden Erfindung einen großvolumigen einzelnen Reaktionsraum ohne Aufteilung aufweist, kann er insbesondere gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehr als 100 Substrate auf einmal aufnehmen und verarbeiten, wesentlich mehr als alle anderen herkömmlichen ALD-Techniken. Da Produktwafer für ein ALD-Verfahren in einem einzigen Reaktionsraum angeordnet werden können, und nicht über zahlreiche Reaktionsräume in einem Reaktor verteilt sind, kann ebenso das Beladen/Entladen des Substratstapels automatisch und schnell durch einen automatischen Wafertransportmechanismus durchgeführt werden. Ferner werden nicht chemisch absorbierte Reaktionsmittel in einem einzigem Reaktionsraum vor einem Entfernen der nicht chemisch absorbierten Reaktionsmittel aus dem Reaktionsraum verdünnt, wodurch die Reinigungszeit be trächtlich verringert werden kann und eine Reinigungseffizienz maximiert wird.
  • Neben diesen Vorteilen ist der erfindungsgemäße ALD-Reaktor wesentlich kostengünstiger als die herkömmlichen ALD-Reaktoren und leichter zu warten. Somit erhöht das erfindungsgemäße ALD-Verfahren den Durchsatz und Herstellbarkeit in einem Ausmaß, daß eine Massenproduktion mit ALD möglich ist.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht (44) unter Verwendung einer Atomschichtabscheidung (ALD), das aufweist: a1) Vorsehen eines Reaktors (10) mit einem einzigen Reaktionsraum (12); a2)gleichzeitiges Laden eines Stapels (14) von Substraten (15) in den einzigen Reaktionsraum (12) des Reaktors (10); b) Einbringen eines Gas-Reaktionsmittels (40) in den einzigen Reaktionsraum (12) bis zum Erreichen eines ersten vorbestimmten Druckes, wobei ein Teil des Reaktionsmittels (40) auf den oberen Oberflächen der Vielzahl der Substrate (15) im Stapel (14) chemisch absorbiert wird; c) Verdünnen von nicht chemisch absorbiertem Reaktionsmittel (40) bis zum Erreichen eines zweiten vorbestimmten Druckes, wobei der zweite vorbestimmte Druck größer als ungefähr das 1,5-fache des ersten vorbestimmten Druckes ist; und d) Entfernen des verdünnten nicht chemisch absorbiertem Reaktionsmittels (40) durch Abpumpen des Reaktionsraumes (12), wodurch der Druck des Reaktionsraumes (12) auf einen dritten vorbestimmten Druck abgesenkt wird, der niedriger als der erste vorbestimmte Druck ist, wobei der dritte vorbestimmte Druck weniger als das ungefähr 0,5-fache des ersten vorbestimmten Druckes ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste vorbestimmte Druck zwischen ungefähr 13,3 Pa und ungefähr 66,7 Pa liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Laden ein Transferieren des Stape Substraten (15) unter Verwendung eines automatischen Wafertransportmechanismus aufweist.
  4. Verfahren zum Ausbilden einer Dünnschicht unter Verwendung einer Atomsschichtabscheidung (ALD), das aufweist: a) Vorsehen eines Halbleitersubstrats (15) in einem Reaktor (10); b) Einbringen eines Gas-Reaktionsmittels (40) in den Reaktor (10), bis der Druck in dem Reaktor (10) einen ersten vorbestimmten Druck erreicht, und chemisches Absorbieren eines Teils des Reaktionsmittels (40) auf der Substratoberfläche; c) Verdünnen von nicht chemisch absorbiertem Reaktionsmittel (40) in dem Reaktor (10), so daß der Druck des Reaktors (10) sich auf einen zweiten vorbestimmten Druck erhöht, der größer als das ungefähr 1,5-fache des ersten vorbestimmten Druckes ist; und d)Entfernen des verdünnten nicht chemisch absorbieren Reaktionsmittels (40) aus dem Reaktor, durch Abpumpen des Reaktors (10), wodurch der Druck des Reaktors (10) auf einen dritten vorbestimmten Druck erniedrigt wird, wobei der dritte vorbestimmte Druck niedriger als ungefähr das 0,5-fache des ersten vorbestimmten Druckes ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste vorbestimmte Druck zwischen ungefähr 13,3 Pa und ungefähr 66.7 Pa liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Reaktor (10) ein Drucksteuerventil enthält, das mit einer Auslaßleitung zum Entfernen des verdünnten nicht chemisch absorbierten Reaktionsmittels (40) verbunden ist, und wobei das Verdünnen im wesentlichen ein Schließen des Steuerventils und Zuführen eines Inertgases in den Reaktor (10) aufweist, während die Einführung des Gas-Reaktionsmittels (40) in den Reaktor (10) im wesentlichen gestoppt ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Reaktor (10) ein Drucksteuerventil enthält, das mit der Auslaßleitung verbunden ist, und wobei das Verdünnen ein Zuführen eines Inertgases in einer Menge aufweist, die wesentlich größer als die Menge des Gas-Reaktionsmittels (40) ist, das in den Reaktor (40) vor dem Stoppen der Einbringung des Gas-Reaktionsmittels in den Reaktor (10) eingebracht worden ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor ein Ofentyp-Reaktor ist und wobei im wesentlichen alle oberen Oberflächen der Substrate in die gleiche Richtung für einen automatisierten Wafertransport schauen.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anzahl bei der Vielzahl an Substraten (15) mehr als einhundert beträgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: e) Einbringen eines zweiten Gas-Reaktionsmittels in den Reaktor (10), bis der Druck in dem Reaktionsraum (12) den ersten vorbestimmten Druck erreicht, um eine einzelne Atomschicht durch einen chemischen Austausch auszubilden; f) Verdünnen von nicht chemisch absorbiertem zweiten Gas-Reaktionsmittel in dem Reaktor (10), so daß der Druck des Reaktors (10) auf den zweiten vorbestimmten Druck erhöht wird; und g) Entfernen des nicht chemisch absorbierten zweiten Gas-Reaktionsmittels aus der Reaktionskammer (12).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei während dem ersten und zweiten Verdünnen der Reaktordruck auf nicht weniger als das ungefähr 1,5-fache des ersten vorbestimmten Drucks erhöht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Entfernen durch ein Abpumpen der Kammer bis zu einem dritten vorbestimmten Druck durchgeführt wird, der wesentlich niedriger als einer der beiden ersten oder zweiten vorbestimmten Drücke ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die einzelne Atomschicht eine Oxidschicht aus Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O2, Nb2O5, CeO2, Y2C3, CeO3, Y2O3, SiO2, In2O3, RuO2, oder IrO2 ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die einzelne Atomschicht Sn dotiertes IrO2 (ITO), Fe dotiertes In2O3 oder Zr dotiertes In2O3 oder eine Verbundoxidschicht aus SrTiO3, PbTiO2, SrRuO3, CaRuO3, (Ba,Sr)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, (Sr,Ca)RuO3, (Ba,Sr)RuO3 ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die einzelne Atomschicht eine Nitridschicht aus SiN, NbN, ZrN, TiN, TaN, AlN, GaN, WN oder BN ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die einzelne Atomschicht eine komplexe Nitridschicht aus WBN, WSiN, TiSiN, TaSiN oder AlTiN ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die einzelne Atomschicht eine Metallschicht aus Si, Al, Cu; Ti, Ta, Mo, Pt, Ru, Rh, Ir, W oder Ag ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die einzelne Atomschicht eine Silizidschicht aus Al, W, Ti oder Co ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die einzelne Atomschicht aus einem Metallsilikatmaterial (M1–xSixO2) ist, wobei das Metall "M" aus der Gruppe von Hafnium (Hf), Zirkonium (Zr), Tantal (Ta), Titan (Ti), Cäsium (Cs) und Aluminium (Al) ausgewählt worden ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem einer oder mehrere der Schritte a1), a2) und b) bis g) aus den Ansprüchen 1 und 10 wiederholt werden.
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