DE10245537A1 - Verfahren und Prozessreaktor zur sequentiellen Gasphasenabscheidung mittels einer Prozess- und einer Hilfskammer - Google Patents
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Abstract
In einer Prozesskammer (10) eines Prozessreaktors (1) wird eine sequentielle Gasphasenabscheidung (ALD, atomic layer deposition) zweier oder mehr mittels Prozessgase zugeführter Präkursoren gesteuert, wobei die Prozesskammer (10) für einen Präkursorwechsel mit einer Hilfskammer (20) verbunden und so der zu entfernende Präkursor in der Prozesskammer (10) verdünnt wird, so dass eine durch einen Präkursorwechsel bestimmte Prozessdauer der sequentiellen Gasphasenabscheidung verkürzt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einem in einer Prozesskammer eines Prozessreaktors angeordneten Substrat mittels einer sequentiellen Gasphasenabscheidung, in deren Verlauf aufeinander folgend mindestens ein erstes und ein zweites Prozessgas jeweils abwechselnd in die Prozesskammer eingeleitet und aus der Prozesskammer entfernt werden.
- In der Halbleiterprozesstechnologie erfolgt das Abscheiden von Schichten, für die eine hohe Konformität und eine große Homogenität gefordert werden, zunehmend mittels sequentieller Gasphasenabscheidung (ALD, atomic layer deposition).
- Bei einem ALD-Prozess wird in einer ersten Prozessphase ein erstes Vorstufenmaterial (Präkursor) in gasförmiger Phase einer Prozesskammer, in der sich ein Substrat befindet, zugeführt. Durch einen als Chemisorption bezeichneten Prozess lagert sich der Präkursor in aktivierten Abschnitten einer Substratoberfläche des Substrats ab. Dabei wird der erste Präkursor in der Regel chemisch modifiziert. Sind alle aktivierten Abschnitte der Substratoberfläche mit dem modifizierten Vorstufenmaterial bedeckt, so ist die erste Prozessphase der Abscheidung abgeschlossen und eine monomolekulare Teileinzellage aus einem modifizierten ersten Präkursor auf der Substratoberfläche abgeschieden. Danach werden nicht abgeschiedene Anteile des ersten Präkursors durch Spülen mit einem inerten Spülgas und/oder Abpumpen aus der Prozesskammer entfernt. In einer zweiten Phase wird ein zweiter Präkursor in die Prozesskammer eingebracht, der sich nahezu ausschließlich auf der Teileinzellage ablagert. Dabei werden die Präkursoren in das Schichtmaterial umgesetzt. Es bildet sich eine Einzellage (Monolayer) der zu erzeugenden Schicht. Nach einem Entfernen nicht abgeschiedener Anteile des zweiten Präkursors aus der Prozesskammer ist ein einzelner Prozesszyklus des ALD-Prozesses abschlossen. Die Verfahrensschritte des Prozesszyklus werden solange wiederholt, bis aus den so abgeschiedenen Einzellagen eine Schicht vorher bestimmter Schichtdicke gebildet ist.
- Dabei ist wesentlich, dass sich zu keinem Zeitpunkt des Prozesses mehr als ein Präkursor in der Prozesskammer befindet. Bei gleichzeitigem Vorhandensein beider Präkursoren reagieren die beiden Präkursoren bereits vor der Abscheidung miteinander. Es kommt zu CVD-Prozessen (chemical vapor deposition), die zur Nukleus- und Partikelbildung führen und der Konformität und der Homogenität der abgeschiedenen Schicht abträglich sind.
- Herkömmlicherweise erfolgt das Entfernen der Präkursoren im Zuge eines Prozesszyklus durch Evakuieren mittels einer Pumpvorrichtung, die die Prozesskammer weit gehend evakuiert. Ein solches Verfahren ist aus der
US 5,916,365 (Sherman) bekannt. - Nach einem weiteren üblichen Verfahren werden die Präkursoren jeweils mittels eines chemisch inerten Spülgases aus der Prozesskammer verdrängt.
- Das Entfernen der Präkursoren (purge, im Folgenden Purgeschritt) beansprucht einen wesentlichen Anteil an der gesamten Dauer eines Prozesszyklus. Die Dauer eines Prozesszyklus ergibt sich aus der Abscheidedauer des Präkursors, typischerweise 200 bis 500 Millisekunden, und der Dauer der Purgeschritte, typischerweise etwa 3 Sekunden. Dabei lassen sich für ein Entfernen eines Präkursors mittels einer Vakuumpumpe kürzere Purgezeiten realisieren als mittels eines Spülvorgangs. Eine innerhalb eines Prozesszyklus von etwa 5 Sekunden gebildete monomolekulare Einzellage weist eine Schichtdicke von etwa 1 Angström auf. Das Abscheiden einer Schicht von 20 Nanometer erfordert dann eine Prozessdauer von etwa 20 Minuten. Die lange Prozessdauer bestimmt die Prozesskosten bzw. beschränkt den Durchsatz an Substraten an einem Prozessreaktor.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht mittels sequentieller Gasphasenabscheidung zur Verfügung zu stellen, das gegenüber herkömmlichen Verfahren kürzere Prozesszykluszeiten und einen höheren Durchsatz an Substraten an einem Prozessreaktor ermöglicht. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, einen Prozessreaktor zur sequentiellen Gasphasenabscheidung zur Verfügung zu stellen, der im Vergleich zu herkömmlichen ALD-Reaktoren kürzere Prozesszykluszeiten für das Abscheiden einer Schicht ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Ein die Aufgabe lösender Prozessreaktor weist die im kennzeichnenden Teil des Patenanspruchs
12 genannten Merkmale auf. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils untergeordneten Patentansprüchen. - Erfindungsgemäß erfolgt also das Entfernen eines Prozessgases aus einer Prozesskammer eines Prozessreaktors durch mindestens teilweisen Druckausgleich einer Druckdifferenz zwischen der Prozesskammer und einer Hilfskammer, in der zu Beginn des Druckausgleichs ein wesentlich niedrigerer Hilfsdruck herrscht. Durch den Druckausgleich wird das Prozessgas in der Prozesskammer um mehrere Größenordnungen verdünnt.
- Bevorzugt beträgt dabei der Hilfsdruck maximal ein Zehntel des Prozessdrucks. Die Hilfskammer weist bevorzugt ein Volumen auf, das mindestens dem Zehnfachen eines Volumens der Prozesskammer entspricht. Für Prozesskammern für ALD-Prozesse werden generell kleine Kammervolumen angestrebt, um den diffusionsbestimmten Abscheidungsprozess zu beschleunigen. Typischerweise weisen ALD-Prozesskammern eine gerade zur Aufnahme des Substrats ausreichende Querschnittsfläche und eine sehr geringe Höhe von wenigen Zentimetern auf. Daher lassen sich auch großvolumige Hilfskammern mit etwa dem 50-fachen oder 100-fachen des Kammervolumens der Prozesskammer in durchaus in praktikabler Weise realisieren.
- Das zu prozessierende Substrat befindet sich also während der Abscheidung in einer Prozesskammer mit kleinem Volumen. In der Prozesskammer herrscht während der Abscheidung eines Präkursors ein Prozessdruck. In der Hilfskammer herrscht ein gegenüber dem Prozessdruck deutlich geringerer Hilfsdruck.
- Nach der Abscheidung des Präkursors kann nun sehr rasch das Prozessgas aus der Prozesskammer entfernt werden, indem ein Druck- bzw. Konzentrationsausgleich zwischen der Prozesskammer und der Hilfskammer herbeigeführt wird.
- Während des Einleitens der Prozessgase wird dabei nach einer ersten bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Druckdifferenz zwischen dem Hilfsdruck und dem Prozessdruck mittels einer differenziellen Pumpvorrichtung aufrecht erhalten. Der Druckausgleich wird dann mindestens teilweise durch Abschalten der differenziellen Pumpvorrichtung herbeigeführt. Gegenüber herkömmlichen Verfahren, die Pro zesskammer mittels Pumpen zu evakuieren, wird erfindungsgemäß das Entleeren der Prozesskammer durch den Druckgradienten zwischen der Prozesskammer und der Hilfskammer unterstützt.
- Nach einer anderen bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Prozesskammer und die Hilfskammer während des Einleitens eines der Prozessgase bzw. während der Abscheidung mittels einer steuerbaren Trennvorrichtung voneinander hermetisch abgedichtet. Zum Druckausgleich wird die Trennvorrichtung geöffnet. Die Trennvorrichtung lässt sich nun so ausführen, dass der Druckausgleich über eine große Querschnittsfläche stattfindet. Wird ein Öffnen und ein Schließen der Trennvorrichtung hydraulisch unterstützt, so wird durch das Öffnen der Trennvorrichtung eine sehr schnelle Verdünnung des Prozessgases herbeigeführt.
- Nach dem Verdünnen des Prozessgases in der Prozesskammer wird bei Verwendung einer differenziellen Pumpvorrichtung die differenzielle Pumpvorrichtung wieder in Betrieb gesetzt. Bei der Verwendung einer hermetischen Trennvorrichtung wird diese geschlossen und der Druck in der Hilfskammer wieder auf den Hilfsdruck reduziert.
- Nach dem Inbetriebsetzen der differenziellen Pumpvorrichtung bzw. dem Schließen der Trennvorrichtung wird der Prozesskammer ein weiteres Prozessgas zugeführt. Das weitere Prozessgas verdrängt sich noch in der Prozesskammer befindende Restanteile des ersten Prozessgases aus der Prozesskammer.
- In bevorzugter Weise wird jedoch ein Rückströmen des ersten Prozessgases in die Prozesskammer durch eine steuerbare Ventileinrichtung und/oder ein Einleiten des weiteren Prozessgases bereits während des Druckausgleichs vermieden. Beim weiteren Prozessgas handelt es sich bevorzugt um ein solches, das einen weiteren Präkursor enthält und unter Prozessbedingungen zugeführt wird, die eine unmittelbare Reaktion mit dem im ersten Prozessgas enthaltenen Präkursor ausschließen.
- Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als das weitere Prozessgas ein chemisch inertes Spülgas vorgesehen.
- Die für den Purgeschritt benötigte Zeit lässt sich vorteilhafterweise weiter reduzieren, wenn, wie nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die Hilfskammer laufend, also sowohl während des Druckausgleichs als auch während der Abscheidung in der Prozesskammer evakuiert wird.
- Ein Evakuieren bzw. ein Entfernen von Restanteilen des ersten Prozessgases aus der Hilfskammer bei gleichzeitigem Einleiten eines weiteres Prozessgases in die Prozesskammer zur Fortführung der Abscheidung ermöglicht einen quasi parallelen Betrieb von Reaktionskammer und Hilfskammer, wie er herkömmlicherweise nicht möglich ist. Der quasi parallele Betrieb von Prozesskammer und Hilfskammer reduziert den Zeitbedarf für einen Prozesszyklus eines Abscheidungsprozesses erheblich, da das Entfernen des ersten Prozessgases teilweise gleichzeitig mit der Abscheidung des Präkursors aus einem weiteren Prozessgas erfolgt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich mit einem erfindungsgemäßen Prozessreaktor zum Erzeugen einer Schicht auf einem in einer Prozesskammer des Prozessreaktors angeordneten Substrat mittels einer sequentiellen Gasphasenabscheidung, in deren Verlauf aufeinander folgend mindestens ein erstes und ein zweites Prozessgas jeweils abwechselnd in die Prozesskammer eingeleitet und aus der Prozesskammer entfernt werden, durchführen. Dabei weist der Prozessreaktor erfindungsgemäß eine bis zu einen gegenüber einen in der Prozesskammer während der Abscheidung herrschenden Prozessdruck wesentlich niedrigeren Hilfsdruck evakuierbare und abwechselnd mit der Prozesskammer zu verbindende oder von der Prozesskammer zu trennende Hilfskammer zur Verdünnung mindestens eines der Prozessgase auf.
- Zwischen der Hilfskammer und der Prozesskammer ist eine steuerbare Trennvorrichtung angeordnet, die in einem geschlossenen Zustand die Prozesskammer gegen die Hilfskammer verschließt und in einem geöffneten Zustand die Prozesskammer mit der Hilfskammer verbindet.
- Alternativ oder ergänzend zur Trennvorrichtung ist eine differenzielle Pumpvorrichtung vorgesehen, die eine zwischen einem Prozessdruck in der Prozesskammer und einem Hilfsdruck in der Hilfskammer herrschende Druckdifferenz erzeugt.
- Ergänzend weist die Prozesskammer eine Ventileinrichtung auf. Die Ventileinrichtung verhindert ein Rückströmen eines Prozessgases aus der Hilfskammer in die Prozesskammer.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei für einander entsprechende Bauteile und Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
-
1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Prozessreaktor nach einem ersten Ausführungsbeispiel, -
2 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Prozessreaktor nach einem zweiten Aus führungsbeispiel mit einer geschlossenen Trennvorrichtung und -
3 einen schematischen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Prozessreaktor nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. - In der
1 ist ein Prozessreaktor1 mit einer Prozesskammer10 und einer Hilfskammer20 dargestellt, wobei die Hilfskammer20 die Prozesskammer10 allseitig umgibt. Die Prozesskammer10 weist eine Kammerwandung12 auf, die gemeinsam mit einer Trennvorrichtung11 im gezeigten, geschlossenen Zustand die Prozesskammer10 gegen die Hilfskammer20 hermetisch abdichtet. Im Inneren der Prozesskammer10 ist ein Suszeptor4 vorgesehen, auf dem ein Substrat3 aufliegt. Zwischen der Kammerwandung12 und den gegen die Kammerwandung12 beweglichen Trennvorrichtungen11 sind Dichtungen5 angeordnet. Im geschlossenen Zustand der Trennvorrichtung11 schließen die Dichtungen5 die Prozesskammer10 hermetisch gegen den die Prozesskammer10 anschließende Hilfskammer20 ab. - Während der Abscheidung wird über Zuführungen
61 ein Prozessgas in die Prozesskammer10 eingeleitet. Gleichzeitig wird die Hilfskammer20 über eine Absaugvorrichtung62 evakuiert. Nach einer Abscheidung eines ersten Präkursors aus einem ersten Prozessgas wird die Trennvorrichtung11 mit hydraulischer Unterstützung geöffnet, etwa durch Aufklappen oder durch Verschieben in vertikaler oder horizontaler Richtung. Da in der Prozesskammer10 ein deutlich höherer Prozessdruck herrscht als in der Hilfskammer20 , wird das Prozessgas aus der Prozesskammer10 austreten und die Hilfskammer20 füllen. Dieser Prozess wird durch gleichzeitiges Einleiten eines weiteren Prozessgases, etwa eines Spülgases, mittels der Zuführungen61 unterstützt. Durch andauerndes Evakuieren der Hilfskammer20 über Abführungen62 wird zwischen der Prozesskammer10 und der Hilfskammer20 eine Druckdifferenz aufrecht erhalten, die das Austreiben des ersten Prozessgases aus der Prozesskammer10 unterstützt. Nach einer Zeit, die kurz ist gegenüber herkömmlichen Purgeschritten, wird die Trennvorrichtung11 mit hydraulischer Unterstützung wieder geschlossen. Parallel dazu wird die Hilfskammer20 weiter evakuiert und Restanteile der Prozessgase entfernt. Dieser Vorgang hält an, während gleichzeitig in der Prozesskammer10 eine Abscheidung mit dem folgenden Präkursor gesteuert wird. - Der Zeitaufwand für das Entfernen eines Prozessgases aus der Prozesskammer
10 ist gegenüber herkömmlichen Verfahren in üblichen ALD-Prozessreaktoren deutlich reduziert. - Der in der
2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Prozessreaktor unterscheidet sich von dem in der1 dargestellten Prozessreaktor durch die Ausführung und Anordnung der Trennvorrichtung. Im in der2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prozessreaktors sind eine Mehrzahl von Klappen13 als Trennvorrichtung vorgesehen. Die Klappen13 und den Klappen13 zugeordnete Dichtungen5 sind so außerhalb eines geheizten Bereichs der Prozesskammer10 angeordnet. Der geheizte Bereich einer Prozesskammer10 ist dabei in der Regel der zu einer zu bearbeitenden Substratoberfläche orientierte Bereich der Prozesskammer10 . - In der
3 sind die Klappen13 des zweiten Ausführungsbeispiels aus der2 im geöffneten Zustand dargestellt. Durch eine Vielzahl von nach unten geöffneten Klappen13 wird in sehr kurzer Zeit ein großer Öffnungsquerschnitt zwischen der Prozesskammer10 und der anschließenden Hilfskammer20 erzielt. Durch die gegenüberliegende Anordnung der Klappen13 zu Zuführungen61 wird bei gleichzeitigem Einleiten eines Spülgases über die Zuführungen61 ein Austreiben des Prozessgases aus der Prozesskammer10 vorteilhaft unterstützt. -
- 1
- Prozessreaktor
- 10
- Prozesskammer
- 11
- Trennvorrichtung
- 12
- Kammerwandung
- 13
- Klappen
- 20
- Hilfskammer
- 3
- Substrat
- 4
- Suszeptor
- 5
- Dichtung
- 61
- Zuführung
- 62
- Abführung
Claims (15)
- Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einem in einer Prozesskammer (
10 ) eines Prozessreaktors (1 ) angeordneten Substrat (3 ) mittels einer sequentiellen Gasphasenabscheidung, in deren Verlauf aufeinander folgend mindestens ein erstes und ein zweites Prozessgas jeweils abwechselnd in die Prozesskammer (10 ) eingeleitet und aus der Prozesskammer (10 ) entfernt werden, dadurch gekennzeichnet , dass zum Entfernen mindestens eines der Prozessgase das Prozessgas durch einen mindestens teilweisen Druckausgleich einer zwischen einem in der Prozesskammer (10 ) herrschenden Prozessdruck und einem zum Beginn des Druckausgleichs wesentlich niedrigeren Hilfsdruck in einer Hilfskammer (20 ) des Prozessreaktors (1 ) vorliegenden Druckdifferenz verdünnt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsdruck zu Beginn des Druckausgleichs mit maximal einem Zehntel des Prozessdrucks vorgesehen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskammer (
20 ) mit mindestens einem Zehnfachen eines Volumens der Prozesskammer (10 ) vorgesehen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Prozessdruck und dem Hilfsdruck während des Einleitens eines der Prozessgase durch einen zwischen der Hilfskammer (
20 ) und der Prozesskammer (10 ) wirkenden differentiellen Pumpvorgang aufrecht erhalten und der Druckausgleich mindestens teilweise durch Beenden des Pumpvorgangs herbeigeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Prozessdruck und dem Hilfsdruck während eines Einleitens eines der Prozessgase mittels einer in einem geschlossenen Zustand die Prozesskammer (
10 ) hermetisch gegen die Hilfskammer (20 ) abdichtenden Trennvorrichtung (11 ) und Abpumpen der Hilfskammer (20 ) erzeugt und der Druckausgleich mindestens teilweise durch Öffnen der Trenneinrichtung (11 ) herbeigeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Prozessdruck und dem Hilfsdruck jeweils nach dem Verdünnen eines ersten Prozessgases durch einen Pumpvorgang einer differentiellen Pumpvorrichtung unc./oder Schließen der Trennvorrichtung (
11 ) und Evakuieren der Hilfskammer (20 ) aufgebaut wird. - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anschalten der differentiellen Pumpvorrichtung und/oder dem Schließen der Trennvorrichtung (
11 ) ein weiteres Prozessgas in die Prozesskammer (10 ) eingeleitet wird und in der Prozesskammer (10 ) befindliche Restanteile des ersten Prozessgases aus der Prozesskammer (10 ) verdrängt werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückströmen des Prozessgases in die Prozesskammer (
10 ) durch Vorsehen einer Ventileinrichtung und/oder Einleiten ei nes weiteren Prozessgases in die Prozesskammer (10 ) vermieden wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als das weitere Prozessgas ein chemisch inertes Spülgas vorgesehen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskammer (
20 ) während des Druckausgleichs evakuiert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Evakuierens der Hilfskammer (
2 ) ein zweites, einen zur Abscheidung bestimmten Präkursor aufweisendes Prozessgas in die Prozesskammer (10 ) eingeleitet wird. - Prozessreaktor zum Erzeugen einer Schicht auf einem in einer Prozesskammer (
10 ) des Prozessreaktors (1 ) angeordneten Substrat (3 ) mittels einer sequentiellen Gasphasenabscheidung, in deren Verlauf aufeinanderfolgend mindestens ein erstes und ein zweites Prozessgas jeweils abwechselnd in die Prozesskammer (10 ) eingeleitet und aus der Prozesskammer (10 ) entfernt werden, gekennzeichnet durch eine bis zu einen gegenüber einen in der Prozesskammer (10 ) während der Abscheidung herrschenden Prozessdruck wesentlich niedrigeren Hilfsdruck evakuierbare und abwechselnd mit der Prozesskammer (10 ) zu verbindende oder von der Prozesskammer (10 ) zu trennende Hilfskammer (20 ) zur Verdünnung mindestens eines der Prozessgase. - Prozessreaktor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine in einem geschlossenen Zustand die Prozesskammer (
10 ) gegen die Hilfskammer (20 ) verschließenden und in einem geöffneten Zustand die Hilfskammer (20 ) und die Prozesskammer (10 ) verbindende Trennvorrichtung (11 ). - Prozessreaktor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine eine zwischen einem Prozessdruck in der Prozesskammer (
10 ) und einem Hilfsdruck in der Hilfskammer (20 ) wirkende Druckdifferenz erzeugende differentielle Pumpvorrichtung. - Prozessreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine ein Rückströmen eines Prozessgases aus der Hilfskammer (
20 ) in die Prozesskammer (10 ) blockierende Ventileinrichtung.
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