DE3727264C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein chemisches
Dampf-Ablagerungs- bzw. Absetz-Verfahren zur Bildung einer
Dünnschicht auf einem Substrat,
bei dem eine zu beschichtende
Oberfläche eines Substrats in
einem geschlossenen Raum
angeordnet und ein Reaktionsgas
in diesen eingeleitet
wird, sowie auf eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend einen geschlossenen
Raum, eine diesem zugeordnete Heizeinrichtung, einen
Halter für das Substrat und eine Einrichtung zum Einleiten eines Reaktionsgases,
wobei das Gas zwischen Heizeinrichtung und Substrat
geführt wird.
Chemische Dampfablagerung (im folgenden als "CVD" bezeichnet)
ist ein Verfahren zur Ablagerung/zum Aufwachsen
einer Dünnschicht auf einem Substrat unter Verwendung
einer chemischen Reaktion und ist eines bekannter Dünnschicht-Bildungsverfahren
wie z. B. die Vakuumverdampfung
oder das Aufstäuben (Sputtern). Speziell bei der Herstellung von
Halbleiter-IC-Vorrichtungen wird CVD häufig verwendet,
um eine Siliziumdioxidschicht oder eine polykristalline
Silizium-Dünnschicht zu bilden. CVD wird entsprechend
der Erwärmungsmethode, dem Gasdruck oder der chemischen
Reaktion in verschiedene Arten unterteilt. Beispiele für
herkömmliche bekannte CVD-Verfahren sind: Kaltwand-Typ,
wobei nur das Ablagerungssubstrat erwärmt wird; Heißwand-Verfahren,
bei dem eine gesamte Reaktionskammer erwärmt
wird: atmosphärisches CVD, bei dem die Reaktion unter
atmosphärischem Druck erfolgt; Niedrig-Druck-CVD, wobei
die Reaktion bei niedrigem Druck erfolgt; und Plasma-CVD
sowie Foto-CVD zusätzlich zu herkömmlichem CVD, wobei
Wärme zur Herbeiführung der chemischen Reaktion Verwendung
findet.
Die Eigenschaften von CVD als Dünnschicht-Bildungsmittel
sind, daß eine Dünnschicht mit guter Stufenabdeckung auf
einem Substrat mit Vorsprüngen gebildet werden kann, daß
ein Zusammensetzungsverhältnis der Dünnschicht willkürlich
gesteuert und kontrolliert werden kann und daß eine Dünnschicht
ohne Verunreinigung oder Beschädigung des Substrats
gebildet werden kann.
CVD weist jedoch im Vergleich mit Vakuumverdampfung oder
Aufstäuben Nachteile auf. Einmal ist die Temperatur des
Dünnschicht-Ablagerungssubstrats durch die Reaktionstemperatur
des Gases beschränkt, so daß die Substrattemperatur
nicht willkürlich geändert werden kann. Aus diesem
Grunde stellen sich beim CVD, insbesondere bei üblichem
CVD unter Verwendung von Wärme, verschiedene Probleme.
Beim CVD ist die Temperatur, bei der die Ablagerung in
genügend hohem Maße durch chemische Reaktion eines Arbeitsgases
fortschreitet, nicht immer die zum Kristallwachstum
einer Dünnschicht am meisten geeignete Temperatur.
Die Reaktionstemperatur des Gases beim CVD
ist normal viel höher als die Substrattemperatur bei
anderen Bildungsverfahren wie Vakuum-Verdampfung oder
Aufstäuben. Wenn auf einem Substrat bei einem Herstellungsprozeß
eines Halbleiter-IC bei einer hohen Substrattemperatur
eine Dünnschicht abgelagert wird, schreitet die Diffusion
oder Reaktion zwischen einer abgelagerten Schicht und dem
Substrat oder zwischen verschiedenen Materialien eines
Substrats voran, was häufig in einer ernstzunehmenden
Verschlechterung der Eigenschaften des Gegenstandes
resultiert.
Beim thermischen (Wärme-)CVD kann das selektive Aufwachsen
unter Ausnutzung von Unterschieden zwischen den Oberflächenmaterialien
eines Substrats erfolgen, d. h. eine
Dünnschicht kann nur auf einem Muster eines
spezifischen Materials einer Substratoberfläche, aber
nicht auf dem anderen Material abgelagert werden. Wenn
jedoch die Substrattemperatur gesteigert wird, so wird
die Selektivität aus dem später zu beschreibenden Grund
verringert, so daß das selektive Wachstum nicht gut
durchgeführt werden kann.
Außerdem ist es, wenn eine Legierungsschicht aus
Aluminium und Silizium unter Verwendung von zwei oder
mehreren Arbeitsgasen abgelagert wird, deren Reaktionstemperaturen
sich stark voneinander unterscheiden - beispielsweise
Triisobutylaluminium-Gas und Silan-Gas -
mit dem herkömmlichen Wärme-CVD schwierig, Silizium in
Aluminium bei niedriger Reaktionstemperatur zu mischen,
bei der die Oberfläche einer abgelagerten Dünnschicht geglättet
wird.
Als einem der Verfahren zur Vermeidung des obigen Problems
wurde einem Plasma-CVD-Verfahren oder einem Foto-CVD-Verfahren,
bei dem die Reaktion unter Verwendung anderer
Energie als Hitze sowie Plasma oder Licht gefördert
wird, große Aufmerksamkeit gewidmet. Bei diesen CVD-Verfahren
wird, obwohl die Substrattemperatur auf niedrige
Temperaturen wie beim Vakuum-Verdampfen oder Aufstäuben
gesenkt werden kann, die Schichtqualität verschlechtert
oder die Schicht beschädigt, so daß dabei viele Eigenschaften
des CVD-Verfahrens zunichte gemacht werden. Auch ist
es schwierig, ein selektives Aufwachsen zu vollziehen,
wenn eine andere Energieform wie Plasma verwendet wird.
Der zweite Nachteil des CVD besteht darin, daß die Oberflächenrauhigkeit
dazu neigt, größer zu werden. Dieses
Problem stellt sich, wenn eine kristalline Dünnschicht wie
eine Metallschicht durch thermisches CVD abgelagert wird.
Der Rauhigkeitsgrad wird normalerweise gesteigert, wenn
die freie Oberflächenenergie eines Dünnschichtmaterials
und damit auch die Substrattemperatur hoch sind. Dies
soll im folgenden entsprechend der Kern-Wachstum-Theorie
unter Verwendung eines Modells mit freier Oberflächenenergie
gemäß Volmer et al. erläutert werden. Es sei
hingewiesen auf eine Veröffentlichung "J. P. Hirth und
G. M. Pound; Condensation and Evaporation (Macmillan, New
York, 1964)".
Die Substrat erreichenden Atome wiederholen die Kollision
(Auftreffen) und Wiederverdampfung und werden zu einem
Aggregat, das als Cluster bezeichnet wird, in dem Atome mindestens
einer vorbestimmten Anzahl miteinander verbunden
sind. Die gesamte freie Energie G eines Clusters ist die
Summe der Änderung in freier Energie während der Kondensation
aus einem Gas und einer freien Oberflächenenergie
eines gebildeten Clusters und wird wie folgt dargestellt:
G = (σ₀ · 4 π r² + g v · 4 π r³/3) · f(R) (1)
Dabei ist
r: Radius der Krümmung eines Clusters;
R: der Berührungspunkt des Clusters in bezug auf das Substrat;
f(R) = (2 - 3cosR + cos³R)/4: ein Volumenfaktor eines Clusters;
σ₀: die freie Oberflächenenergie zwischen einer Gasphase und einem Cluster pro Volumeneinheitbereich;
g v : eine Änderung in freier Energie pro Volumeneinheit, wenn eine Phasenänderung von der Gasphase in die flüssige Phase eintritt, die normalerweise negativ ist. Nimmt man an, daß ein Gleichgewichtsdampfdruck p e ist, der tatsächliche Dampfdruck p beträgt, das Molekularvolumen dieses Gases Ω, die Boltzmann-Konstante k und die absolute Temperatur T ist, so wird sie dargestellt durch g v = -(kT/Ω) 1n (p/p e ), worin p/p e der Grad der Übersättigung ist.
r: Radius der Krümmung eines Clusters;
R: der Berührungspunkt des Clusters in bezug auf das Substrat;
f(R) = (2 - 3cosR + cos³R)/4: ein Volumenfaktor eines Clusters;
σ₀: die freie Oberflächenenergie zwischen einer Gasphase und einem Cluster pro Volumeneinheitbereich;
g v : eine Änderung in freier Energie pro Volumeneinheit, wenn eine Phasenänderung von der Gasphase in die flüssige Phase eintritt, die normalerweise negativ ist. Nimmt man an, daß ein Gleichgewichtsdampfdruck p e ist, der tatsächliche Dampfdruck p beträgt, das Molekularvolumen dieses Gases Ω, die Boltzmann-Konstante k und die absolute Temperatur T ist, so wird sie dargestellt durch g v = -(kT/Ω) 1n (p/p e ), worin p/p e der Grad der Übersättigung ist.
Wenn r, das den Maximalwert von G ergibt, r* und
dG/dr = 0 ist, gelten die folgenden Gleichungen (2) und
(3):
r* = -20₀/gb (2)
G* = (16 πσ₀³/3 g v ³) · f(R) (3)
Deshalb wird, wenn der Radius eines Clusters größer als
r* ist, G bei Wachsen des Clusters vermindert, so daß
das Cluster-Wachstum weitergeht. Wenn dagegen der Radius
eines Clusters kleiner als r* ist, tritt das mittlere
Wachstum nicht auf. Dieser Wert r* wird kritischer
Radius genannt, und ein Cluster mit r = r* wird kritischer
Kern genannt, während ein Cluster größer als der
kritische Kern als stabiler Kern bezeichnet wird. G*
wird als Aktivierungsenergie angesehen, die erforderlich
ist, um den stabilen Kern zu erzeugen. In der Annahme,
daß die Zahl der Adsorptionsplätze pro Flächeneinheit
n₀ ist, wird außerdem die Dichtezahl n* kritischer
Kerne, die auf einem Substrat gebildet werden,
von der Boltzmann-Gleichung wie folgt wiedergegeben:
n* = n₀exp (-G*/kT) (4)
Wie aus den Gleichungen (2), (3) und (4) erkennbar, wird,
je größer die Oberflächenenergie σ₀ oder je kleiner
die Änderung in der Volumenenergie | gv | während der
Clustererzeugung ist, der kritische Radius r* größer,
und desto kleiner wird die Dichtezahl n* der kritischen
Kerne. Die Dichtezahl n* der kritischen Kerne wird
ebenfalls beeinflußt durch den Berührungswinkel zusätzlich
zu der Oberflächenenergie des Dünnschicht-Materials oder
des Grades der Übersättigung. Wenn die freie Oberflächenenergie
des Substratmaterials klein und die des Dünnschicht-Materials
groß ist, wird R, d. h. f (R), vergrößert
und die Dichtezahl n* der kritischen Kerne wird vermindert.
So wachsen die zufällig erzeugten kritischen Kerne
auf dem Substrat kontinuierlich als stabile Kerne, und
dann wachsen diese Kerne miteinander unter Bildung einer
Dünnschicht zusammen. Was die Oberflächenrauhigkeit der
so gebildeten Dünnschicht anbelangt, so ist deshalb,
wenn die Dichte der anfänglich erzeugten stabilen Kerne
auf dem Substrat niedrig ist, der Radius, bei dem die
Kerne miteinander zusammenwachsen, groß, was zu einer
großen Oberflächenrauhigkeit der Dünnschicht führt.
Wie vorstehend beschrieben, werden, wenn ein Dünnschicht-Material
mit großer freier Oberflächenenergie auf einem
Substrat mit niedriger freier Oberflächenenergie in einem
Stadium abgelagert wird, bei dem der Übersättigungsgrad
klein ist, große Kerne spärlich erzeugt, und die Oberflächenrauhigkeit
der Dünnschicht wird vergrößert. Die freie
Oberflächenenergie ist bei einem Isolator wie einem Oxid
im allgemeinen klein, bei einem Metall (z. B. Aluminium)
oder bei Silizium jedoch groß. Deshalb erscheint dieser
Neigung am prägnantesten, wenn ein metallischer Dünnfilm
auf einem Isoliersubstrat gebildet wird. Bei üblicher
Vakuum-Verdampfung oder Aufstäuben ist, da der Übersättigungsgrad
so extrem hoch wie 10¹⁰ bis 10²⁰ ist, der
kritische Radius so klein wie mehrere 10-1 nm oder weniger
und die Dichte der kritischen Kerne im wesentlichen
so hoch wie die Anzahl der Adsorptionsplätze. Die Oberflächenrauhigkeit
der durch diese Ablagerungsverfahren
abgelagerten Dünnschicht ist ausreichend klein und stellt
damit kein Problem dar. Bei CVD wird jedoch behauptet,
daß der Übersättigungsgrad nicht so groß ist (Druckschrift:
W. A. P. Claassen und J. Bloem: J. Electrochem. Soc.:
Solid-St. Sci. & Tech. 127 (1980) 194.), und die
Dichtezahl der kritischen Kerne wird so vermindert, daß
dadurch die Oberflächenrauhigkeit der abgelagerten Schicht
beeinflußt wird.
Praktisch stellt die Oberflächenrauhigkeit bei CVD-Erzeugung
einer metallischen Dünnschicht in vielen Fällen ein
ernsthaftes Problem dar. Wenn beispielsweise feuerfeste
Metallschichten wie Molybdän- oder Wolframschichten
mittels Vakuumverdampfung oder Aufstäuben abgelagert werden,
kann eine Dünnschicht mit kleiner Korngröße von ungefähr
mehreren zehn nm und eine glatte Oberfläche erzielt
werden. Wenn hingegen CVD verwendet wird, werden große
Vorsprünge an der Oberfläche von Steinwand-artigen Körnern
mit einem Durchmesser von 100 nm gebildet. Der Grund
hierfür wird wie folgt angenommen: Bei Vakuumverdampfung
oder Aufstäuben liegen die Substrattemperaturen während
der Ablagerung normalerweise so niedrig wie 300 bis 400°C.
Indessen ist bei dem CVD-Verfahren eine Substrattemperatur
höher als 500 bis 600°C, bei der es sich um
eine Zerfalltemperatur eines Reaktionsgases handelt,
erforderlich. Diese hohe Substrattemperatur fördert das
Kristallwachstum während der Ablagerung, und abgelagerte
Schichten neigen dazu, eine hohe Korngröße zu haben.
Außerdem ist die geringe Dichtezahl der kritischen Kerne,
hervorgerufen durch die geringe Übersättigung beim CVD,
ein weiterer Hauptfaktor.
Besonders bei der Ausbildung einer dünnen Aluminiumschicht
mittels CVD stellt die Oberflächenrauhigkeit
ein ernstes Problem dar. Das liegt daran, daß, obwohl
die Substrattemperatur von 250 bis 300°C nicht viel
höher als die bei Vakuumverdampfung ist, Vorsprünge von
ungefähr 10% von der Filmstärke gebildet werden, so daß
dieses Verfahren sich in der Praxis nicht anwenden läßt. Es
wird weiterhin angenommen, daß ein Grund der Oberflächenrauhigkeit
in dem Kern-Wachstum-Prozeß liegt. Als Druckschrift
hierfür sei beispielsweise genannt "R. A. Revy,
M. L. Green und P. K, Gallagher: J. Electrochem. Soc.:
Solid-St. Sci. & Tech. 131 (1984) 2175". Fig. 11 zeigt
eine Photographie einer typischen Metalltextur einer
mittels CVD erzeugten Aluminiumablagerung. In Fig. 11
ist die durch Kristallkörner begründete Oberflächenrauhigkeit
vorhanden, und zwischen den Körnern sind teilweise
Spalte gebildet.
Wenn auf der Dünnschichtoberfläche eine große Rauhigkeit
ausgebildet ist, ist es schwierig, Mikromuster mit hoher
Genauigkeit mittels Photolithographie zu bilden, und
Veränderungen wie z. B. ein elektrischer Widerstand treten bei den Dünnschicht-Eigenschaften
auf. Außerdem
treten, wenn eine weitere Dünnschicht auf dieser Dünnschicht
zur Bildung einer Mehrschicht-Struktur abgelagert
wird, teilweise Veränderungen in der Filmstärke
an Vorsprüngen auf, so daß keine ideale Mehrschicht-Struktur
erzielbar ist. Deshalb stellt sich ein ernsthaftes
Problem, wenn diese als Material für einen Halbleiter-IC
od. dgl. verwendet werden. Die Fähigkeit zur
Mikromuster-Herstellung und hohe Genauigkeit sind für
einen Halbleiter-IC zusammen mit hoher Arbeitsgeschwindigkei
und hoher Packungsdichte erforderlich. Bei einer
submikroskopischen Einrichtung oder einer Nanometereinrichtung
ist eine Reduktion der Dünnschicht-Rauhigkeit
ein außerordentlich ernstzunehmender Tatbestand.
Die Probleme solcher herkömmlicher CVD können wie folgt zusammengefaßt
werden:
- (1) Es ist schwierig, eine glatte Dünnschicht, speziell eine metallische mit geringer Oberflächenrauhigkeit, auszubilden.
- (2) Es ist schwierig, eine Dünnschicht selektiv aufzuwachsen, weil während der Schichtablagerung eine hohe Substrattemperatur erforderlich ist. Außerdem können eine Verschlechterung oder Fehlfunktion einer Halbleitereinrichtung, verursacht durch Änderungen in den physischen und chemischen Umständen eines Substrats und einer aufgebrachten Schicht, während der Schichtablagerung nicht eliminiert werden.
- (3) Es ist schwierig, Schichten aus Metallegierungen unter Verwendung von zwei oder mehr Arbeitsgasen abzulagern, deren Reaktionstemperaturen voneinander abweichen. Weiter ist es unmöglich, Aluminium-Silizium-Legierungsschichten mit glatter Oberfläche abzulagern, weil, während Silizium-Reaktionsgase wie Silan bei ungefähr 600°C abgelagert werden können, eine glatte Oberfläche einer Aluminiumschicht nicht erzielbar ist, wenn nicht mit 200 bis 300°C gearbeitet wird.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs beschriebenen
Art zum drucklosen epitaxialen Ablagern einer
Dünnschicht wird eine Vorrichtung der ebenfalls eingangs
beschriebenen Art mit einem Reaktionsbehältnis
verwendet (US-PS 42 63 336), bei dem in einem
geschlossenen Raum eine hohle, zylinderförmige Aufnahme
für ein Substrat angeordnet ist, auf dessen
Oberfläche die Dünnschicht abgelagert werden soll.
Das Erwärmen erfolgt mittels einer Induktionsspule,
die außen um das Behältnis herum angeordnet ist.
Bei diesem bekannten Verfahren soll eine Anzahl von
Substraten, die in der aus Graphit gebildeten Aufnahme
angeordnet sind, mit einer gleichmäßigen Dünnschicht
versehen werden, indem die Substrate gleichmäßig
erwärmt werden. Dabei muß aus den konstruktiven
Gegebenheiten heraus das Substrat innerhalb der
hohlen, zylinderförmigen Graphitaufnahme angeordnet
sein. So wird nicht nur die für die Schichtablagerung
in Betracht kommende Oberfläche, sondern vielmehr
das gesamte Substrat einschließlich dessen
Rückfläche mittels der Heizeinrichtung auf eine
gleich hohe Temperatur aufgeheizt, wobei die Reaktionsgastemperatur
im wesentlichen der Temperatur
des Substrats entspricht. Aufgrund dieses Temperatur-Gleichgewichts
kann man keine Schichtablagerung
hoher Qualität erreichen, weil, wie vorstehend
beschrieben, eine für eine möglichst gleichmäßige
Dünnschicht erforderliche, die Kernerzeugungskonzentration
steigernde hohe Sättigung des Reaktionsgases
bei diesen ausgeglichenen Temperaturverhältnissen
nicht erreichbar ist.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art vorzusehen, mit denen das Reaktionsgas
in der Nähe der zu beschichtenden Oberfläche
einen günstigsten Auflösungsgrad und einen
hoch-gesättigten Zustand bei möglichst niedriger
Temperatur der zu beschichtenden Oberfläche erreicht.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren dadurch gelöst,
daß die zu beschichtende Substratoberfläche
in dem geschlossenen Raum einem Heizblock in vorbestimmtem
engem Abstand flächig gegenüberliegend angeordnet
und das Reaktionsgas bei gegenüber seiner
Arbeitstemperatur niedrigerer Temperatur in den geschlossenen
Raum eingeleitet und durch den Heizblock
im engen Bereich zwischen Heizblockfläche und
zu beschichtender Substratoberfläche erwärmt wird,
und bei der Vorrichtung dadurch, daß die Heizeinrichtung
einer zu beschichtenden Oberfläche des von
dem Substrathalter getragenen Substrats als in
einem vorbestimmten engen Abstand gegenüberliegender
flächiger Heizblock ausgebildet ist. Damit gelingt
es, die Kernerzeugungskonzentration im frühen
Stadium der Ablagerung zu steigern und so eine Dünnschicht
hoher Qualität ohne maßgebliche Unebenheiten
zu erzeugen, wodurch es auch möglich wird,
feine bzw. enge Durchgangslöcher zur Bildung der
glatten Oberfläche zu füllen.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
Die Erfindung berücksichtigt insgesamt in vorteilhafter
Weise folgende Kriterien für die Ausbildung
einer Dünnschicht hoher Qualität:
- a) Das Reaktionsgas wird von dem Heizblock erhitzt und erhitzt seinerseits das Substrat. Daher sind die Temperaturen des Heizblocks und des Gases stets höher als die Substrattemperatur. Selbst dann, wenn das Substrat unabhängig von der Rückseite her erwärmt wird, kann die Substrattemperatur stets niedriger als die Heizblocktemperatur gehalten werden.
- b) Die Oberfläche des Heizblocks liegt in engem Abstand zu der zu beschichtenden Substratoberfläche; bei einem weiten Abstand würde das erwärmte, aktivierte Gas immer wieder mit anderen, noch nicht aktivierten Molekülen kollidieren, bevor es die Substratoberfläche erreicht, so daß damit die Heizkapazität verloren bzw. stark eingeschränkt würde.
- c) Um eine gleichmäßige Anlagerung einer qualitativ hochwertigen Dünnschicht zu gewährleisten, ist die Beabstandung zwischen Erhitzungseinrichtung für das Gas und Substratoberfläche hochgradig gleichmäßig, indem ein Heizblock verwendet wird, der in vorbestimmtem Abstand der zu beschichtenden Substratoberfläche gegenüberliegt. Im Falle eines variierenden Abstandes der verschiedenen Bereiche der zu beschichtenden Substratoberfläche zu dem Heizblock könnte die angestrebte Gleichmäßigkeit und Ebenheit nicht erreicht werden.
Nach der vorliegenden Erfindung wird also sichergestellt,
daß ein durch Erhitzen aktiviertes und übersättigtes
Gas auf das auf niedrigerer Temperatur gehaltene
Substrat aufgebracht wird, indem entweder das Substrat
mit einer dicht an der zu beschichtenden Ablagerungsoberfläche
des Substrats angeordneten Erhitzungseinrichtung
erwärmt wird oder solche Heizblöcke sowohl an der
Vorder- und an der Rückseite angeordnet sind, wobei dann
der Heizblock auf der Schichtablagerungsseite auf einer
höheren Temperatur als der auf der gegenüberliegenden
Seite gehalten wird. In jedem Fall ist die Temperatur
des Reaktionsgases nahe der Ablagerungsoberfläche immer
höher als die des Substrats.
Ausführungsformen oder -möglichkeiten
der Erfindung gehen mit ihren Vorteilen aus der folgenden Beschreibung der
in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
hervor. Es zeigt/zeigen
Fig. 1 eine Ansicht einer CVD-Vorrichtung nach
einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 2 eine Ansicht eines Teils einer CVD-Vorrichtung
mit einem Erhitzer an der Rückseite eines
Substrats gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 3a bis 3e geschnittene Ansichten von Herstellungsschritten
bei der Durchführung der
Erfindung,
Fig. 4 ein Foto einer Metalltextur von auf einem
Siliziumsubstrat unter Verwendung eines CVD-Verfahrens
nach der Erfindung
abgelagertem Aluminium,
Fig. 5 ein Schaubild der Beziehung zwischen der
Temperatur eines Heizblocks und der eines
Wafer-Substrats
in der CVD-Vorrichtung der Fig. 1,
Fig. 6 ein Foto einer Metalltextur von
selektiv in feinen Durchgangslöchern abgelagertem
Aluminium,
Fig. 7 ein Schaubild der Schichtstärke-Abhängigkeit
des spezifischen Widerstandes einer nach der Erfindung abgelagerten Aluminiumschicht,
Fig. 8 eine geschnittene Ansicht eines Durchgangsloches,
das bei selektivem Aufwachsen von Aluminium
auf einer Sperrschicht erzielt wird,
Fig. 9a bis 9j geschnittene Ansichten von Herstellungsschritten
unter Wiedergabe einer anderen Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 10a bis 10e geschnittene Ansichten von Herstellungsschritten,
die eine weitere Ausführungsform
der Erfindung zeigen,
Fig. 11 eine Fotographie einer Metalltextur von
Aluminium, das auf einem Siliziumsubstrat
mittels eines herkömmlichen CVD-Verfahrens
abgelagert ist,
Fig. 12 eine Ansicht einer Grundanordnung einer CVD-Vorrichtung
gemäß einer weiteren Ausführung
der Erfindung,
Fig. 13 eine Draufsicht einer CVD-Vorrichtung für
Massenherstellung,
Fig. 14 eine Detailansicht der CVD-Vorrichtung der
Fig. 13,
Fig. 15a bis 15d Ansichten, die die Betriebsweisen von Reaktionskammern
in der Vorrichtung der Fig. 14
zeigen,
Fig. 16 ein Schaubild, das den Vorrang einer Aluminiumablagerung
bei dem Verfahren nach der
Erfindung zeigt,
Fig. 17 ein Foto einer Metalltextur von auf einem
Siliziumsubstrat nach dem Verfahren gemäß
der Erfindung abgelagertem
Aluminium, und
Fig. 18a bis 18d sowie 19a bis 19d Fotos von Metalltexturen, die einen anfänglichen
Zeitraum des Aluminiumwachsens zeigen.
Zunächst wird im folgenden eine CVD-Vorrichtung kurz beschrieben,
die zur Ausführung der Erfindung
benutzt wird. Fig. 1 zeigt eine Gesamtanordnung einer
CVD-Vorrichtung, bei der Einzelteile, ein Abluftsystem
und ein Steuersystem weggelassen sind.
Eine Vakuumkammer dieser Vorrichtung umfaßt im wesentlichen
drei Kammern, d. h. eine Ablagerungs- oder Absetzkammer 21,
eine Lade-Schleusenkammer 22 und eine Ausgangs-, Quellen-
bzw. Erzeugungskammer 23, die sämtlich unabhängig entleert
bzw. evakuiert werden. Ein Enddruck jeder Vakuumkammer ist
vorzugsweise ein hohes Vakuum von ungefähr 1,3332 · 10-4
1,3332 · 10-4 Pa. Jedoch hat ein nur von einer Rotationspumpe
erzieltes niedriges Vakuum im wesentlichen keinen Einfluß
auf die Durchführung der vorliegenden Erfindung. Die
Ablagerungskammer 21 ist mit den Quellen- und Lade-Schleusenkammern
23 bzw. 22 durch Ventile 25 und 24
verbunden, und ein Heizblock 30, der auf eine maximale
Temperatur von 500°C erhitzen kann, ist darin angeordnet.
Das Bezugszeichen 26 bezeichnet ein veränderbares Leitventil.
Ein Substrathalter 27 kann ein Ablagerungs-Wafersubstrat
28 (häufig auch als Plättchen-, Scheibchen-
oder Scheibensubstrat bezeichnet), das aus der Wafer-Lade-Schleusenkammer
22 herangeführt wird, so festhalten, daß
das Wafersubstrat 28 dem Heizblock 30 gegenüberliegt und
von diesem durch einen vorbestimmten Zwischenraum getrennt
ist. Zu dieser Zeit liegt eine zu beschichtende Oberfläche
der Wafer dem Heizblock 30 in bestimmtem Abstand gegenüber.
Die Anordnung ist so getroffen, daß ein Abstand D zwischen
dem Wafersubstrat 28 und dem Heizblock 30 verändert
werden kann, und zwar in einer Größenordnung von ungefähr
2 mm bis 15 mm. Ein Erhitzer 29 ist um eine äußere Wandung
der Quellenkammer 23 gewickelt, um eine Flüssigkeitstemperatur
einer Quelle auf eine vorbestimmte Temperatur zu
erwärmen. In der Quellenkammer 23 ist ein Rührmotor 33
angeordnet, um die Flüssigkeitstemperatur zu vergleichen.
Ein sich von einem oberen Teil der Seitenwandung
der Quellenkammer 23 horizontal erstreckendes zylindrisches
Rohr 31 ist in die Ablagerungskammer 21 durch das
Ventil 25 geführt, und ein vergrößerter Endteil des
Rohres ist gegen den Heizblock 30 gedrückt. In einer
Seitenfläche des vergrößerten zylindrischen Rohres 31
ist eine feine bzw. enge Öffnung 32 ausgebildet, so
daß ein innerer Druck des zylindrischen Rohres 31 in der
Nähe des Druckes der Quellenkammer 23 durch differentielle
Evakuierung aufrechterhalten werden kann, selbst
wenn der Druck der Ablagerungskammer unter 1,3332 Pa
verringert wird. Der Weg eines Reaktions- oder Arbeitsgases von der
Quellenkammer 23 zu der Ablagerungskammer 21 kann bis
auf die gleiche Temperatur erhitzt werden wie die der
Quellenkammer 23, so daß ein verdampftes Arbeitsmedium
bzw. Reaktionsgas sich nicht wieder verflüssigt.
Das Wafersubstrat in der die in Fig. 1 gezeigte Anordnung
aufweisenden Vorrichtung wird durch Wärmeleitung
eines Reaktionsgases erhitzt, dessen Temperatur
durch den Heizblock 30 gesteigert wird. Deshalb
ist kein besonderes Gerät oder Werkzeug vorgesehen, um
das Substrat zu erwärmen. Wenn die Temperatur des Gases
und des Substrats unabhängig gesteuert werden müssen,
wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Substraterhitzer 34 an
der Rückseite des Wafersubstrats 28 vorgesehen. Fig. 2
zeigt die Lageverhältnisse zwischen dem Wafersubstrat
28, dem Heizblock 30 und dem Erhitzer 34; außer
den in Fig. 2 gezeigten sind alle Teile gleich denen,
die in Fig. 1 gezeigt sind.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird im folgenden ein Beispiel
beschrieben, bei dem Aluminium selektiv unter Verwendung
einer CVD-Vorrichtung selektiv abgelagert bzw.
aufgewachsen wird.
Vor dem CVD-Verfahren wird, wie in Fig. 3a gezeigt, eine
Siliziumdioxidschicht 42 auf einem Siliziumsubstrat
41 gebildet. In diesem Fall wird ein (100) p-Typ
5-Ω · cm Siliziumsubstrat 41 verwendet, aber es kann in
gleicher Weise ein Substrat verwendet werden, das eine
andere Orientierung oder einen anderen
spezifischen Widerstand hat. Bei dieser Ausführungsform
wird die Siliziumdioxidschicht durch thermische Oxidierung
des Siliziums gebildet. Wenn es jedoch durch ein anderes
Bildungsverfahren abgelagert wird, z. B. durch ein CVD-Verfahren
oder durch Aufstäuben (Kathodenzerstäubung), so
ergibt sich im wesentlichen kein Unterschied. Auch kann
ein anderes Material wie eine Phosphor- oder Bor-dotierte
Siliziumdioxidschicht oder eine Siliziumnitridschicht verwendet
werden. Mit anderen Worten tritt, solange es sich um
eine dünne Isolierschicht handelt, im wesentlichen keine
Änderung in der Wirkung der Erfindung auf.
Darauf wird, wie in Fig. 3b gezeigt, ein Schutzmaskenmuster
mittels bekannter Photolithographie gebildet, und
ein Durchgangsloch 43 wird mittels Ätzens ausgebildet.
Es sind für Photolithographie und Ätzen der Siliziumdioxidschicht
42 verschiedene Verfahren bekannt;
irgendeines derselben kann verwendet werden. Wenn jedoch
ein sogenanntes Trocken-Ätzen unter Verwendung eines Gasplasmas
erfolgt, um die Siliziumdioxidschicht 42 zu ätzen,
kann auf einer freiliegenden Siliziumfläche eine Polymer-
oder eine Änderungsschicht (Alterationsschicht) gebildet
werden, die zu gering ist, um bemerkt bzw. festgestellt
zu werden. Da aber schon eine geringe Änderung
der Oberfläche den folgenden Aluminium-Ablagerungsschritt
stark nachteilig beeinflußt, muß hier höchste Sorgfalt
aufgewendet werden. Weiter wird, wenn zur Erzielung einer
sauberen Siliziumoberfläche kein Trocken-Ätzen, sondern
ein Naß-Ätzen unter Verwendung gepufferter Flußsäure
durchgeführt wird, eine dünne natürliche Oxidschicht
gebildet, oder es tritt eine andere Verunreinigung
(Kontaminierung) auf der Siliziumoberfläche durch einen
Schritt, mit dem ein als Ätzmaske verwendetes Abdeckmuster
entfernt wird, oder einfach durch den Zeitablauf auf. Eine
natürliche Oxidfilmschicht 44, wie sie in Fig. 3b gezeigt
ist, umfaßt einen natürlichen Oxidfilm oder eine geänderte/kontaminierte
Schicht.
Um die beschriebene natürliche Oxidfilmschicht 44 zu
entfernen, muß ein Vorbereitungsschritt unmittelbar vor
Ablagerung des Aluminiums vorgesehen werden, um die
Siliziumoberfläche, wie in Fig. 3c gezeigt, zu reinigen.
Ein Hauptzweck dieses Schrittes ist es, die natürliche
Oxidfilmschicht 44, die auf der Siliziumoberfläche gebildet
ist, zu entfernen, um die Reproduzierbarkeit der
selektiven Ablagerung von Aluminium in dem nächsten
Schritt sicherzustellen und zugleich eine kontinuierliche,
glatte und gute Aluminiumschicht zu
erzielen. Ein üblicher Vorbereitungsschritt wird so
durchgeführt, daß ein Siliziumsubstrat 47 für eine Zeit
von 10 Sekunden bis wenige Minuten in eine 1,5%ige
verdünnte Flußsäurelösung getaucht wird; nachdem die
hydrophobe Eigenschaft eines Silizium-Öffnungsabschnitts
sichergestellt ist, wird das Siliziumsubstrat 47 einige
Minuten lang bis zu zwischen 10 und 20 Minuten mit
destilliertem Wasser gereinigt und dann getrocknet. Da
die Ätzrate der natürlichen Oxidschicht 44 steigt, wenn
man die Konzentration der Flußsäure steigert, wird die
zur Erzielung der hydrophoben Eigenschaft erforderliche
Zeit verringert, wenn die Konzentration hoch ist. Da
jedoch die Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 42 ebenfalls
mit Flußsäure geätzt wird, müssen die Ätzbedingungen
von Fall zu Fall ausgewählt und bestimmt werden.
Auch wird, wenn die Wasch-Säuberungszeit erhöht wird,
wiederum eine Oxidschicht auf der Siliziumoberfläche gebildet,
die hydrophile Eigenschaften erzeugt. Deshalb muß zuvor
die Wäsche unterbrochen werden. Selbst nach dem Ätzen der
natürlichen Oxidschicht 44 wird die hydrophobe Natur nicht
gelegentlich oder zufällig erreicht, oder eine glatte und
kontinuierliche Aluminiumschicht kann manchmal nicht erzielt
werden, selbst wenn die hydrophobe Eigenschaft erreicht
ist. Diese Phänomene treten auf, wenn die Siliziumoberfläche
aufgrund der oben erwähnten Vorgänge wie
Trocken-Ätzen od. dgl. verunreinigt oder beschädigt ist.
In diesem Falle wird, nachdem das Durchgangsloch 43 gebildet
ist, eine mehrere nm bis mehrere zehn nm starke
Siliziumoxidschicht in dem Öffnungsabschnitt gebildet,
in dem beispielsweise die Siliziumoberfläche bei ungefähr
900°C in einer Sauerstoffatmosphäre oxidiert wird.
Darauf wird diese Oxidschicht unter Verwendung einer verdünnten
Flußsäurelösung od. dgl. entfernt, um die hydrophobe
Eigenschaft zu erhalten, wodurch sich eine gute
Aluminiumschicht bilden läßt.
Um, nachdem ein Wafersubstrat 47 in einer CVD-Vorrichtung
zum Ablagern von Aluminium angeordnet ist, die
natürliche Oxidschicht 44 zu entfernen, kann eine Substratoberfläche
durch Trocken-Ätzen od. dgl. unmittelbar vor
der Ablagerung gereinigt und entfernt werden. Dieses Verfahren
kann wirksam zusätzlich zu dem oben genannten Verfahren
angewendet werden. Wenn die Substratoberfläche
aus einkristallinem Silizium besteht, stellt sich praktisch
kein Problem. Wenn jedoch Aluminium selektiv auf einem
Substrat aus Polysilizium oder Aluminium abgelagert wird,
wird eine natürliche Oxidfilmschicht in einem sehr kurzen
Zeitraum seit der Entfernung der natürlichen Oxidfilmschicht
unter Verwendung verdünnter Flußsäure u. dgl.
bis zur Ablagerung des Aluminiums bebildet, so daß gutes
Aluminium nicht abgelagert werden kann. In diesem Fall
muß, wie in Fig. 13 bis 15 gezeigt, eine CVD-Vorrichtung
verwendet werden, die eine RF(Radio- oder Hochfrequenz-)-Plasma-Ätzeinrichtung
umfaßt. Selbstverständlich kann
ECR (Elektron-Zyklotron-Resonanz-)Ätzen u. dgl. zusätzlich
zum RF-Plasma-Ätzen eingesetzt werden. Bei diesem ECR-Verfahren
wurde eine Behandlung in einer Frigon-Gasatmosphäre
mit einer Beschleunigungsspannung von ungefähr
500 V einige Minuten lang durchgeführt, und es wurde
gutes Aluminium abgelagert. Wenn ein die Grundlage bildendes
Substrat aus Aluminium besteht, wird eine natürliche
Oxidschicht gebildet, wenn eine Stillstandszeit im
Vakuum nach dem Ätzen durch RF-Plasma u. dgl. vergrößert
wird, so daß gutes Aluminium nicht abgelagert werden
kann. Der Bereich der Stillstandszeit zur Ablagerung
einer guten Schicht betrug ungefähr 1 bis 2 Minuten, wenn
die Substrattemperatur 250°C und der Druck 1,332 · 10-2 Pa
betrugen. Wenn man das Substrat 3 bis 5 Minuten stehen
ließ, wurde eine Aluminiumschicht mit einer großen Oberflächenrauhigkeit
abgelagert; wenn man das Substrat 10
Minuten stehen ließ, wurde keine Aluminiumschicht abgelagert,
und es wurden nur Aluminiumkerne gebildet. Wurde das
Substrat 30 Minuten stehen gelassen, so wurde nichts
abgelagert. Deshalb hat man gefunden, daß die Entfernung
einer natürlichen Oxidfilmschicht, wie in Fig. 3c gezeigt,
ein außerordentlich wichtiger Schritt ist, um eine
qualitativ gute Schicht abzulagern, und die Ablagerung muß
unmittelbar nach der Entfernung der natürlichen Oxidschicht
44 begonnen werden. Außerdem wird die Stärke der
im Vakuum gebildeten natürlichen Oxidschicht durch den
partiellen Druck von Sauerstoff oder Wasser im Vakuum,
die Substrattemperatur und die Stillstandszeit bestimmt.
Deshalb muß, wenn der Zeitraum bis zum Beginn der Ablagerung
vergrößert wird, der Druck in der Ablagerungskammer
so niedrig wie möglich gehalten werden. Es wird darauf
hingewiesen, daß der Ausdruck "Wafersubstrat"
alle diejenigen Substrate betrifft, die in den
Fig. 3a bis 3e gezeigt sind.
Das der obigen Behandlung unterworfene Wafersubstrat
47 wird in einer Reaktionskammer zur Ablagerung von Aluminium
gesetzt bzw. angeordnet. Bevor jedoch das Substrat
47 gesetzt wird, erfordert die CVD-Vorrichtung die
folgende Vorbereitung. Die Quellen-, Ablagerungs- und
Lade-Schleusenkammern 23, 21 und 22 werden genügend
evakuiert, und eine Triisobutyl-Aluminium-Flüssigkeit 35
wird der Quellenkammer 23 zugeführt sowie dann auf eine
vorbestimmte Temperatur erhitzt, während die Temperatur
durch das Rückwerk 33 vergleichmäßigt wird. Obwohl Trisiobutyl-Aluminium
einen ausreichend hohen Dampfdruck
selbst bei Raumtemperatur ohne Erhitzen hat, kann es bei
Erhitzung wirksam verdampft werden. Wenn die Erhitzungstemperatur
jedoch 50°C übersteigt, besteht die Neigung,
daß Triisobutyl-Aluminium in Diisobutyl-Aluminium-Halogenid
(Halid) mit niedrigem Dampfdruck umgewandelt wird,
so daß die Erhitzungstemperatur nicht viel höher eingestellt
werden kann. Im vorliegenden Fall wurde sie
hauptsächlich auf 45°C eingestellt.
Im Hinblick auf Menge und Leistung der Zuführung des
Reaktionsgases hat die Quellenkammer 23 eine zylindrische
Form mit einem Durchmesser von ungefähr 10 cm und einer
Höhe von ungefähr 22 cm. Mit der vorerwähnten Flüssigkeitstemperatur
und einem solchen Oberflächenbereich kann
eine ausreichend hohe Verdampfungsrate einer Arbeitsflüssigkeit
erzielt werden, so daß der Druck in der Ablagerungskammer
während des normalen Gasverbrauchs von ungefähr
mehreren zehn cc/min in der Nähe des Dampfdruckes
des Arbeitsgases aufrechterhalten werden kann. Auch
ändert sich, da die Quellenkammer 23 eine zylindrische
Form hat, der Oberflächenbereich der Flüssigkeit selbst
dann nicht, wenn die Menge des Reaktionsgases sich ändert,
so daß die Verdampfungsrate immer konstant gehalten wird.
Deshalb kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases
durch Ändern des Leitwertes einer Öffnung 32 geändert
werden, die in einer Seitenfläche des zylindrischen
Rohres ausgebildet ist, während man den Druck im wesentlichen
konstant hält. Der Heizblock 30 in der Ablagerungskammer
21 wird ebenfalls erhitzt, um eine konstante
Temperatur zu erhalten.
Nach der obigen Vorbereitung wird das der in Fig. 3c
gezeigte Vorbereitungsstufe unterworfene Substrat 47
(entsprechend dem Bezugszeichen 28 in Fig. 1) in der
Lade-Schleusenkammer 22 gesetzt, und die Wafer-Ladeschleusenkammer
wird ausreichend evakuiert.
In der Folge wird das Substrat 47 (28) in die Ablagerungskammer
21 bewegt, und die zu beschichtende Oberfläche
des Substrats 47 (28) wird dem Heizblock 30 gegenüberliegend
einige Minuten gehalten, um dadurch die Temperatur
des Substrats 47 (28) im wesentlichen konstant zu halten.
Zu diesem Zeitpunkt kann durch Einlassen eines inerten
Gases wie Argon um den Wafer das Substrat 47 (28) wirkungsvoller
erhitzt werden.
Darauf wird das Ventil 25 zwischen der Quellenkammer 23
und der Ablagerungskammer 21 geöffnet, um der Ablagerungskammer
21 Gas zuzuführen und dadurch die Ablagerung
von Aluminium zu beginnen. Mit anderen Worten wird das
der Ablagerungskammer 21 zugeführte Gas zwischen dem
Substrat 47 (28) und dem Heizblock 30 verteilt,
um die Ablagerung zu beginnen. Es ist zu bemerken, daß
das Innere der Quellenkammer 23 vorzugsweise bei einer
Strömungsgeschwindigkeit evakuiert wird, die gleich der
während der Ablagerung für einen geeigneten Zeitraum ist,
bis das Ventil 25 geöffnet wird, so daß der Druck der
Ablagerungskammer 21 nicht plötzlich wesentlich geändert
wird, bis das Ventil 25 geöffnet wird. Nachdem eine
vorbestimmte Ablagerungszeit verstrichen ist, wird das
Ventil 25 zwischen der Quellen- und der Ablagerungskammer
23 bzw. 21 geschlossen, um die Ablagerung zu vollenden.
Durch Ausführung der vorstehenden Arbeitsweise kann
Aluminium selektiv nur auf dem Öffnungsabschnitt 43 des
Siliziumsubstrats, wie in Fig. 3d gezeigt, abgelagert
werden.
Um Aluminium 45 mit guter Glätte selektiv auf Silizium
nur auf dem Öffnungsabschnitt 43 selektiv abzulagern, nicht jedoch
auf der Siliziumdioxidschicht 42, müssen die Schichtablagerungsbedingungen
sorgfältig gewählt werden. Insbesondere sind
der Abstand D zwischen dem Substrat 47 (28) und dem
Heizblock 30 und die Temperatur des Heizblockes 30
wichtige Parameter.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases betrug ungefähr
20 bis 30 cc/min, der Druck des Arbeitsgases in dem
zylindrischen Rohr 31 0,6667 hPa, der Druck der Ablagerungskammer
21 ungefähr 6,667 Pa und der Abstand zwischen dem
Substrat 47 (28) und dem Heizblock 30 5 mm. Unter diesen
Bedingungen wurde Aluminium auf Silizium bei einer
Heizblocktemperatur von ungefähr 300°C oder mehr
abgelagert. Wenn die Temperatur 340°C überschritt,
trat eine Schichtdickenverteilung derart auf, daß eine auf
Silizium abgelagerte Aluminiumschicht in einem peripheren
Teil des Wafer dicker war als der auf dem zentralen
Bereich derselben. Wenn man die Temperatur weiter steigert,
werden außerdem Insel-ähnliche Aluminiumkerne auf der
Siliziumdioxidschicht 42 gebildet, d. h. Aluminium wird nichtselektiv
auf Silizium und der Siliziumdioxidschicht abgelagert.
Bei einer Substrattemperatur in dem Bereich von ungefähr
300 bis 330°C wurde gefunden, daß die Oberfläche
von Aluminium mit einer Filmstärke oberhalb ungefähr 50 nm
ein flaches bzw. glattes Kristallkorn ergab und man eine
glatte und gute Schichtqualität erzielen konnte. Fig. 4
stellt ein Foto einer Metalltextur von Aluminium dar,
erzielt bei einer Temperatur des Heizblocks 30 von 310°C
In Fig. 11 gezeigtes Aluminium, das mit einem herkömmlichen
CVD-Verfahren bebildet wurde, ergab eine Gruppe
kleiner Kristallkörner und hatte eine große Oberflächenrauhigkeit,
und es wurden teilweise zwischen den Körnern
Lücken bzw. Spalte gebildet. Im Gegensatz dazu kann gemäß
der vorliegenden Erfindung eine glatte Oberfläche mit
einer großen Korngröße von ungefähr 5 bis 10 µm erzielt
werden, und zwischen den Körnern wird, wie in Fig. 4
gezeigt, keinerlei Spalt gebildet.
Bei D = 8 mm begann die Ablagerung über 330°C, und die
Gleichmäßigkeit in der abgelagerten Schichtstärke verschlechterte
sich über 360°C. Eine gute Schichtqualität,
wie in Fig. 4 gezeigt, erhielt man bei einer
Temperatur von ungefähr 330 bis 350°C. Bei D < 2 mm
oder D < 15 mm war es schwierig, eine Aluminiumschicht guter
Qualität zu erzielen, und man erhielt eine Schicht mit einer
rauhen Oberfläche ähnlich der herkömmlichen. Der obige
Temperaturbereich und der Wert für D variierten in Übereinstimmung
mit der Gas-Strömungsgeschwindigkeit. Wenn
diese groß war, mußte die Temperatur des Heizblockes 30
erhöht werden.
Obwohl verschiedene Berichte erstellt wurden in bezug auf
die Ablagerung von Aluminium mittels CVD (nicht jedoch
selektives Aufwachsen), sind die Oberflächen der abgelagerten
Schichten bei allen diesen Berichten
ähnlich den in Fig. 11 gezeigten, d. h. eine große und
glatte Kristallstruktur wie in der vorliegenden Ausführungsform
wurde nicht erzielt. Einer der Gründe für eine
solche gute Schichtqualität kann darin gesehen bzw. angenommen
werden, daß ein Gas bei einer Temperatur erhitzt
wird, die höher als die des Substrats unmittelbar vor
der Ablagerung ist.
Die Verfahren des Erhitzens eines Ablagerungssubstrats
mittels eines herkömmlichen CVD-Verfahrens sind in zwei
Arten einzuteilen. Eine derselben ist ein Heißwand-Typ,
wobei ein ganzes Quartzrohr, in dem Ablagerungssubstrate
angeordnet sind, mittels eines Erhitzers erwärmt wird. In
diesem Fall wird ein Reaktionsgas auf die gleiche Temperatur
wie die des Quartzrohres gebracht, während es
dieses durchfließt. Bei einem Heißwand-Verfahren ist die
Gastemperatur im wesentlichen gleich der Substrattemperatur.
Auf der anderen Seite wird gemäß einem Kaltwand-Typ
nur ein Substrathalter erhitzt, und ein Ablagerungssubstrat
wird an dem Substrathalter in engem Kontakt mit
diesem befestigt und erhitzt. Deshalb wird bei diesem
Kaltwand-Verfahren ein Gas mit einer gegenüber dem
Substrat niedrigeren Temperatur dem erhitzten Substrat
zugeführt.
Ungleich den herkömmlichen CVD-Verfahren, wie sie vorstehend
beschrieben sind, wird gemäß der
Erfindung ein Reaktions- oder Arbeitsgas von dem Heizblock
30 erhitzt, woraufhin das Ablagerungssubstrat von dem
Gas erhitzt wird. Deshalb ist es ein erstes Merkmal
der Erfindung, daß die Temperatur des
Gases höher als die des Substrates ist. Außerdem
ist es ein zweites Merkmal der vorliegenden Erfindung,
daß das relativ zu dem das Substrat fließende Gas nicht
auf dieses einwirkt, sondern daß ein in einen abgeschlossenen
Raum zugeführtes Gas gegen das Substrat verteilt
und auf diesem abgelagert wird.
Als Ergebnis einer Temperaturmessung des Wafersubstrats
während der Ablagerung unter Verwendung eines
Thermoelements wurde gefunden, daß die Substrattemperatur
zur gleichen Zeit stieg, zu der das Gas zu fließen begann,
um die Ablagerung zu starten, und innerhalb ein bis zwei
Minuten danach im wesentlichen konstant wurde. Wenn ein
Inertgas wie Argon vor dem Fließen des Reaktionsgases
ausgeströmt wurde, erhielt man eine gleichmäßige Temperatur
zu einem frühreren Zeitpunkt.
Fig. 5 zeigt ein Meßergebnis der 10 Minuten nach Beginn
der Ablagerung erreichten Wafersubstrat-Temperatur.
Es bestand eine Standard-Ablagerungsbedingung derart,
daß der Druck des Reaktionsgases in dem zylindrischen
Rohr 31 0,6667 hPa und der Druck der Ablagerungskammer 21
ungefähr 6,667 Pa betrug. Wie in Fig. 7 gezeigt, wurde
fast kein Unterschied festgestellt, wenn der Abstand D
zwischen dem Substrat 28 und dem Heizblock 30 5 und 8 mm
beträgt, und es besteht ein lineares Verhältnis
zwischen der Temperatur des Substrats und der des Heizblocks
innerhalb eines gemessenen Temperaturbereiches.
Die Temperaturendifferenz dazwischen ist ungefähr 70°C.
Selbst wenn D variiert, so besteht fast kein Unterschied
zwischen den Substrattemperaturen. Dies kann dadurch angenommen
werden, daß der Wafer 28 von dem zylindrischen
Rohr 31 zum Leiten eines Reaktionsgases und dem
Heizblock 30 umgeben, d. h. in einer geschlossenen Atmosphäre
angeordnet ist. Wenn das zylindrische Rohr 31 von
dem Heizblock 30 getrennt wird, kann Aluminium ebenfalls
mit guter Schichtqualität abgelagert werden. In diesem Fall
jedoch wird der Temperaturbereich des Heizblockes geändert.
Es sei bemerkt, daß dann, wenn das Volumen der Ablagerungskammer
21 selbst verringert und die Strömungsgeschwindigkeit
unter Verwendung des veränderbaren Leitventils
26 gesteuert wird, eine Atmosphäre ähnlich oder
gleich der bei geschlossenem Zustand erreicht werden
kann, wodurch im wesentlichen die gleiche Bedingung wie
oben beschrieben zu realisieren ist.
Bei dieser Ausführungsform schreitet die Ablagerung ausreichend
fort, wenn D = 5 mm und die Temperatur des
Heizblocks 310°C beträgt. Zu dieser Zeit ist die Temperatur
des Wafersubstrats ungefähr 240°C, wie in
Fig. 5 gezeigt. Wenn jedoch ein herkömmliches CVD-Verfahren
des Kaltwand-Typs ohne den Heizblock 30 verwendet
wird, schreitet die Ablagerung kaum bei der Substrattemperatur
von 240°C fort, selbst wenn die anderen Bedingungen
unverändert gehalten werden. Um mit dem herkömmlichen
CVD eine Ablagerungsrate und -verhältnisse im
gleichen Umfang wie bei diesem Ausführungsbeispiel zu erhalten,
muß das Substrat auf ungefähr 270°C erhitzt
werden. Folglich kann gemäß der Erfindung
die Substrattemperatur um ungefähr 30°C verringert werden.
Das Reaktionsgas wird von dem Heizblock 30 auf eine hohe
Temperatur erhitzt und aktiviert. Dann erreicht das
Gas das Substrat 28 in aufgelöstem bzw. zersetztem
Zustand. Es ist schwierig, genau anzugeben, wie das
Gas auf dem Substrat in Aluminium aufgespalten
bzw. zersetzt wird, aber es kann angenommen werden, daß in
diesem Zustand Aluminium im Vergleich zu dem im herkömmlichen
CVD-Verfahren relativ hoch übersättigt ist. In
diesem Fall wird, gemäß einer Kern-Wachstumstheorie, ein
Wechsel in der Volumensenergie während der Erzeugung von
Clustern erhöht, und eine Aktivierungsenergie G* stabiler
Kernentwicklung wird vermindert sowie die Packungs- oder
Dichtezahl n* kritischer Kerne vergrößert, wie man dies
aus den Gleichungen (3) und (4) erkennt. Somit wird der
durchschnittliche Kernradius beim Zusammenwachsen miteinander
verkleinert, so daß ein glatter Film mit einer
geringeren Oberflächenrauhigkeit gebildet werden kann.
Im Gegensatz zu den anderen herkömmlichen
CVD-Verfahren weist die Erfindung
das folgende wichtige Merkmal zusätzlich zu dem oben
beschriebenen auf. Dies besteht darin, daß gemäß dem
Heißwand-Typ-Verfahren aufgrund des Umstandes, daß die
gesamte Ablagerungsatmosphäre auf die gleiche Temperatur
wie die des Substrats aufgeheizt wird, die Reaktion an den
gesamten Wandoberflächen der Ablagerungskammer erfolgt,
so daß das Reaktionsgas vergeudet wird. Auch müssen an den
Wandoberflächen anhaftende Materialien periodisch entfernt
werden, was auf eine aufwendige Wartung der Vorrichtung
hinausläuft. Gemäß der Erfindung wird jedoch
das Gas der Ablagerungskammer 21 in einem Zustand
niedriger Temperatur zugeführt und auf eine hohe Temperatur
aufgeheizt, wenn es das Substrat 28 erreicht. In
diesem Fall wird das Gas nur auf dem Ablagerungssubstrat
28 und auf der Oberfläche des Heizblocks 30 verbraucht.
Da die Bereiche dieser Heizabschnitte viel kleiner als
jene bei dem Heißwand-Typ sind, stellt sich die
Erfindung in der Vermeidung des Verbrauches von
Arbeitsgas und in der Wartung der Vorrichtung als überlegen
dar.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht
darin, daß ein Reaktions- oder Arbeitsgas, das mittels herkömmlichen CVD's
kaum zersetzt wird, abgelagert werden kann, da die Gastemperatur
viel höher angehoben werden kann als die Substrattemperatur.
D. h., daß durch Erhitzen des Gases auf
eine hohe Temperatur in dem Heizblock das Gas aktiviert
oder in ein reaktionsfähiges Material umgewandelt wird.
So kann der Zerfall auf dem Substrat 28 bei niedriger
Temperatur wirksam gefördert werden, so daß eine dünne
Schicht bei einer niedrigen Substrattemperatur abgelagert
werden kann.
Als Arbeitsgas verwendetes Triisobutyl-Aluminium wird
bei dieser Ausführungsform in Diisobutyl-Aluminiumhalogenid
mit niedrigem Dampfdruck bei einer Temperatur von 50°C
oder mehr zersetzt. Zu diesem Zweck wird das Gas
kondensiert und verflüssigt, während es auf einer Gasleit-
oder -transportstrecke auf 100 bis 200°C erhitzt wird,
so daß es nicht genügend dem Ablagerungssubstrat
28 zugeführt werden kann. Bei dieser Ausführungsform
wird das Gas bei einer niedrigen Temperatur von
ungefähr 50°C unmittelbar vor dem Ablagerungssubstrat 28
zugeführt und auf eine hohe Ablagerungstemperatur nahe der
Oberfläche des Heizblockes erhitzt, der auf eine hohe Temperatur
erwärmt wird. So kann eine Verflüssigung des
Gases in dem Zuführungsweg vermieden werden.
Außerdem liegt die Vorderfläche des Ablagerungssubstrats
28 eng dem Heizblock 30 gegenüber. So wird das auf eine
hohe Temperatur erwärmte Reaktionsgas auf die dem Heizblock
30 gegenüberliegende Vorderfläche des Ablagerungssubstrats
28 geführt, während das Gas bei relativ niedriger
Temperatur in Berührung mit dessen Rückfläche kommt. Praktisch
wird unter den Standard-Ablagerungsbedingungen Aluminium
nicht auf der Rückfläche des Ablagerungssubstrats
abgelagert. Da fast kein Unterschied zwischen den Temperaturen
der Vorder- und Rückenflächen des Wafers selbst
besteht, wird bei diesem Ablagerungsverfahren die Reaktion
durch Erhitzen des Gases gefördert. So wird selbstverständlich,
daß das Erhitzen des Gases sehr wichtig ist.
Weiterhin wird nahe dem Heizblock 30 zugeführtes Triisobutyl-Aluminium
in Diisobutyl-Aluminiumhalogenid (-halid)
mit niedrigem Dampfdruck umgewandelt, und das Substrat 28
wird bei niedriger Temperatur nahe dem Heizblock 30 angeordnet.
Daher ist die Waferoberfläche in einem stark
übersättigten Zustand, und bei dieser Ausführungsform
stellt dieses einen der wichtigen Faktoren der Bildung
einer qualitativ guten, glatten Aluminiumschicht dar.
Gemäß der Erfindung wird das Reaktionsgas von
dem Heizblock 30 auf eine vorbestimmte Temperatur und das
Ablagerungssubstrat durch das Gas erhitzt. So werden, im
Vergleich mit dem herkömmlichen Kaltwand-Typ-CVD-Verfahren,
die Wiederholbarkeit und Gleichmäßigkeit einer abgelagerten
Schicht maßgeblich verbessert.
Bei dieser Ausführungsform schreitet die Ablagerung auf
dem Wafer-Substrat durch das überschüssige Gas, das
nicht in dem Heizblock 30 verbraucht wird, fort. Daher wird
die Menge des auf dem Ablagerungssubstrat 28 abgelagerten
Aluminiums dadurch beeinflußt, ob die Oberfläche des Heizblockes
30 aus Silizium oder Aluminium besteht, worauf
Aluminium zur Ablagerung neigt, oder aus einer Siliziumdioxidschicht,
auf dem Aluminium kaum abgelagert wird. Wenn
beispielsweise die Oberfläche des Heizblockes 30 aus
Mustern von Silizium und Siliziumdioxid-Filmen aufgebaut
ist und das Ablagerungssubstrat einen Siliziumwafer darstellt,
wird Aluminium nicht auf der gesamten Oberfläche
des Siliziumwafers 28 abgelagert, sondern nur auf einem
Teil, der dem Siliziumoxidfilm-Muster auf der Oberfläche
des Heizblockes 30 gegenüberliegt.
Um die Verbrauchswirksamkeit des Arbeitsgases zu verbessern,
wird deshalb die Oberfläche des Heizblocks vorzugsweise
aus einem Material niedriger freier Oberflächenenergie
hergestellt, aus dem Aluminium kaum abgelagert
wird, wie z. B. Siliziumdioxid, Titandioxid, Tantalpentoxid,
Molybdänoxid und Vanadiumpentoxid. Selbst wenn solch ein
Material verwendet wird, schreitet, wenn einmal Aluminium
abgelagert ist, die Ablagerung von Aluminium danach trotzdem
fort, so daß der Gasverbrauch nicht verringert werden
kann. Obwohl Aluminium als Material für die Oberfläche des
Heizblockes 30 bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet
wird, stellt sich bei normaler Ablagerung kein Problem
in der Gas-Verbrauchswirksamkeit.
Die Ablagerung von Aluminium variiert in Übereinstimmung
mit den Ablagerungsbedingungen wie Strömungsgeschwindigkeit
und Druck des Reaktionsgases zusätzlich zur Temperatur
des Heizblockes und der des Substrats.
Wie vorstehend beschrieben, kann der Druck eines Gases
durch Änderung der Temperatur der Quellenkammer 23 in
einem Bereich von Raumtemperatur bis ungefähr 50°C gesteuert
werden. Bei dieser Ausführung kann das selektive
Wachsen in dem Steuerungsbereich des Drucks von ungefähr
0,27 bis 2,7 hPa im obigen Temperaturbereich der Kammer
23 durchgeführt werden. Bei Druck von 0,27 hPa oder weniger
erfolgte fast kein Fortschritt der Ablagerung, und
die Ablagerungsrate wurde erhöht, wenn der Druck erhöht
wurde.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases ist weitgehend
von der Vorrichtung abhängig, da die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases auf der Waferoberfläche stark
durch die Struktur/den Aufbau der Ablagerungskammer 21
beeinflußt wird, selbst wenn die Strömungsgeschwindigkeit
konstant ist. Deshalb ist es schwierig, die Strömungsgeschwindigkeit
in herkömmlicher Weise zu kontrollieren
bzw. zu steuern. Bei dieser Ausführungsform betrug die
Standard-Strömungsgeschwindigkeit ungefähr 20 bis 30 cc/min
oder weniger, und die Filmablagerung wurde nicht stark
beeinträchtigt. Wenn jedoch die Strömungsrate erhöht
wurde, sank die Temperatur des Gases auf der Waferoberfläche,
und es wurde darauf kaum Aluminium abgelagert.
Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit gesteigert
wurde, trat keine Ablagerung auf, wenn nicht
die Substrattemperatur um 20 bis 30°C höher gesteigert
wurde als die bei einer Standard-Strömungsmenge. Ein
solches Phänomen trat nicht auf, wenn die Gasströmungsmenge
klein war, und in einem extremen Fall konnte
Aluminium mit einer ausreichenden Schichtstärke selbst dann
abgelagert werden, wenn der Auslaß abgebrochen und die
mit der Quellenkammer 23 verbundene Ablagerungskammer
21 geschlossen wurde. In diesem Fall ist zu bemerken,
daß der Druck in der Ablagerungskammer 21 aufgrund der
Erzeugung von Isobutylen und Wasserstoffgasen, entstanden
bzw. zerfallen aus Triisobutylaluminium, über die Zeit
steigt.
Fig. 6 zeigt ein Foto einer Metalltextur von Aluminium,
das in dem feinen Öffnungsabschnitt 43 unter den typischen
Ablagerungsbedingungen bei einem Abstand D zwischen dem
Heizblock 30 und dem Ablagerungssubstrat 28 von 5 mm, einer
Temperatur des Heizblockes 30 von 310°C und einem Druck
von 0,67 hPa abgelagert wurde. Wie aus Fig. 6 erkennbar
wird, erzielt man eine glatte Aluminiumoberfläche. Außerdem
wird Aluminium nur selektiv in dem Silizium-Öffnungsabschnitt
abgelagert, aber es wächst überhaupt nicht auf
dem Siliziumdioxidfilm. In diesem Fall beträgt die Stärke
des Siliziumdioxidfilms 500 nm, und Aluminium mit im
wesentlichen der gleichen Stärke wird auf dem Silizium
abgelagert. Fig. 7 ist ein Schaubild, das die Filmstärkenabhängigkeit
von dem spez. Widerstand des abgelagerten
Aluminiums zeigt. Wenn die Filmstärke 100 nm oder mehr
beträgt, erhielt man einen Widerstand von 2,9 µΩ · cm nahe
dem Häufigkeitswert (bulk value), und selbst wenn der Film
nur 50 nm beträgt, zeigt der Film Leitfähigkeit. Somit
wurde gefunden, daß es sich um eine kontinuierliche
Aluminiumschicht handelt.
Fig. 3e zeigt einen Zustand, bei dem Aluminium 45 mit der
gleichen Stärke wie der der Siliziumdioxidschicht 42 selektiv
in dem Silizium-Öffnungsabschnitt 43 angelagert und
dann eine Aluminiumschicht 46 auf der gesamten Oberfläche
herkömmlichem Aufstäuben abgelagert
wurde. Fig. 3e zeigt ebenfalls eine Schnittform
des Siliziumöffnungsabschnittes, wie man ihn erhält, wenn
ein Aluminium-Draht-Verbindungsmuster durch Musterbildung
gebildet wird.
In dieser Ausführungsform wird das in der Siliziumdioxidschicht
42 auf dem Substratsilizium 41 gebildete Durchgangsloch
43 mit Aluminium ausgefüllt. Andere Materialien als
eine Kombination der Siliziumdioxidschicht 42 und des Siliziumsubstrats
41 können ebenfalls verwendet werden, um
das gleiche Ergebnis zu erhalten. Eine Aluminium-Drahtverbindung
eines Halbleiter-IC wird häufig mit einem
Elementabschnitt oder einer unter der Drahtanordnung
liegenden Schicht durch einen Öffnungsabschnitt der
Isolierschicht verbunden. In diesem Fall ist das darunterliegende
Material in dem Öffnungsabschnitt normalerweise
monokristallines oder polykristallines Silizium, das
verschiedene Verunreinigungen enthält, oder Aluminium.
Zusätzlich können die folgenden Materialien verwendet
werden: Ein Metall wie Titan, Molybdän, Wolfram oder
Platin, ein Silicid-Material wie Titansilicid, Wolframsilicid,
Molybdänsilicid, Tantalsilicid oder Platinsilicid,
und eine Verbindung wie Titannitrid oder Moybdännitrid.
Insbesondere dann, wenn die die Grundlage bildende Schicht
Silizium ist, neigt die Grenzfläche aufgrund der Reaktion
mit Aluminium zu einem Güteabfall bzw. einer Degradation.
Deshalb kann, wie in Fig. 8 gezeigt, eine Grenz- oder
Sperrschicht 53 aus Titan, Titannitrid oder Titansilicid,
Molybdän oder Wolfram, einem damit gebildeten Silicid,
oder Platinsilicid auf dem Silizium 51 gebildet werden,
worauf dann Aluminium 54 selektiv aufgewachsen werden
kann. Es sei bemerkt, daß das Bezugszeichen 52 eine
Siliziumdioxidschicht bezeichnet.
Da alle der obigen Materialen Metalle oder Halbleiter
mit Leitfähigkeit sind, kann darauf Aluminium selektiv
aufgewachsen sein. Es hat sich, insbesondere für
Silizium experimentell bestätigt, daß Aluminium auf Silizium,
das Arsen, Phosphor oder Bor als Verunreinigung bis
zum Grad der Löslichkeit im festen Zustand enthält, und
auf hoch-widerstandsfähigem monokristallinen oder polykristallinen
Silizium mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration
abgelagert werden kann.
Wenn die Unterschicht Aluminium oder eine Aluminiumverbindung
sowie Silizium enthaltendes Aluminium ist, kann
natürlich Aluminium darauf abgelagert werden, weil es
sich um gleiche Materialien handelt. Manchmal wird jedoch
eine dünne Aluminiumoxidschicht mit einer Stärke von
mehreren nm oder mehr auf der Oberfläche gebildet.
In diesem Fall muß, nachdem die Aluminiumschicht unter
Verwendung verdünnter Fluorwasserstoffsäure geätzt ist,
die Oberfläche in einer Vakuumkammer durch Plasmaätzen
u. dgl. unmittelbar vor der Ablagerung gesäubert werden.
Da die Aluminiumoberfläche selbst im Vakuum schnell
oxidiert, muß die Ablagerung des Aluminiums in einem
Vakuum von z. B. 1,3332 · 10-4 Pa innerhalb einer oder zwei
Minuten nach dem Säubern begonnen werden.
Am häufigsten wird eine Siliziumdioxidschicht als Material
einer Isolierschicht in einem Halbleiter-IC verwendet, aber
eine Siliziumnitridschicht u. dgl. kann ebenfalls verwendet
werden. Beispiele einer Siliziumdioxidschicht sind eine Schicht,
die durch thermisches Oxidieren von Silizium gebildet
wird, z. B. eine durch CVD oder Aufstäuben abgelagerte Schicht
und eine Phosphor- oder Bor-dotierte Schicht. Aluminium wird
unter den selektiven Wachstumsbedingungen von Aluminium
gemäß der Erfindung nicht auf diesen Isolierschichten abgelagert.
Wie oben beschrieben, kann die Bildung einer
flachen Aluminium-Drahtverbindung (-Kontaktierung) ohne
eine Stufe an einem Öffnungsabschnitt, wie in Fig. 3e
gezeigt, auf jedes Durchgangsloch in einem Halbleiter-IC
angewendet werden. Wenn die Aluminiumablagerung nur
durch Aufstäuben oder Vakuumverdampfung ohne Verwendung
selektiven Aufwachsens durchgeführt wird, wird auf der
Oberfläche einer Aluminiumschicht in dem Silizium-Öffnungsabschnitt
auf einem Durchgangsloch eine Stufe gebildet,
und es werden auf einem niedrigeren Abschnitt der Stufe
Mikrorisse gebildet, was im Ergebnis zu einer Degradation
der Ausbeute oder der Verläßlichkeit, verursacht durch
Unterbrechungen bzw. Fehlverbindungen, führt. Gemäß
dieser Ausführungsform kann, da Aluminium mit im wesentlichen
der gleichen Stärke wie der der Stufe des Durchgangslochs
selektiv abgelagert wird, eine Aluminium-Drahtverbindung
ausgebildet werden, die in der Ausbeute und
Zuverlässigkeit überlegen ist und bei der ein Durchgangslochabschnitt
eines Halbleiter-IC flach ist und keine
Trenn- oder Unterbrechungsstellen aufweist.
Wie oben beschrieben, kann gemäß dem den Heizblock 30 verwendeten
CVD-Verfahrens eine Aluminiumschicht mit einer glatten
Oberfläche und einer großen Korngröße mit guter Reproduzierbarkeit,
Gleichmäßigkeit und Selektivität abgelagert
werden. Zu diesem Zweck kann ein Durchgangsloch
gefüllt werden, um eine glatte mehrschichtige Drahtverbindung
zu realisieren.
In der obigen Ausführungsform wird nur Triisobutylaluminium
als Reaktionsgas verwendet. Es kann aber auch eine andere
organische Aluminiumverbindung wie Trimethylaluminium oder
Triethylaluminium als Gas verwendet werden, da
diese gleiche chemische Eigenschaften haben. In diesem Fall
kann Aluminium unter Änderung der Ablagerungsbedingungen
auf einem Substrat abgelagert werden.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel werden Triisobutylaluminium
und Disilan als Reaktionsgase verwendet, und es
wird eine Silizium enthaltende Aluminiumlegierung abgelagert.
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird reines Aluminium
abgelagert. Als Drahtverbindungsmaterial wird jedoch
sehr häufig Aluminium mit 1 bis 2% Silizium verwendet.
Der Hauptgrund hierfür liegt darin, daß p-n Übergangsfehlstellen,
die durch eine Reaktion zwischen einem
Siliziumsubstrat und Aluminium verursacht werden, vermieden
werden sollen.
Wenn auf eine Draht-Kontaktierung ein selektives Aluminiumaufwachsen
angewendet wird, wird dünnes Aluminium
mit einer Stärke von ungefähr 100 nm zum Umschließen
von Siliziummustern verwendet. Wenn Aluminium verwendet
wird, um ein Durchgangsloch zu füllen, wird es hauptsächlich
verwendet, um Aluminium-Drahtverbindungen oberer und
unterer Schichten zu verbinden. In diesen Fällen entsteht
keinerlei ernsthaftes Problem wie die oben beschriebene
Reaktion, und zwar selbst dann nicht, wenn Silizium nicht
in dem Aluminium enthalten ist. Reaktionen können ebenfalls
durch Sandwich-Anordnung einer Sperrschicht von z. B.
Titan dazwischen vermieden werden. Wenn jedoch Silizium
in einer Aluminiumschicht gleichzeitig mit selektivem
Aluminiumaufwachsen zugefügt wird, kann der Bereich der
Anwendungen zusätzlich ausgeweitet werden.
Ein Aluminium-CVD-Verfahren, in dem ein Silangas und ein
organisches Aluminiumgas gleichzeitig einem Substrat zur
Ablagerung von Aluminium enthaltenden Silizium zugeführt
werden, ist zum Patent angemeldet (s. japanische Offenlegungsschrift
Nr. 55-91 119). Es ist jedoch praktisch unmöglich,
einen solchen Effekt bei herkömmlichen thermischen
CVD-Verfahren zu realisieren und dieses Verfahren
bei der Herstellung eines Halbleiter-IC zu verwenden. Die
bei Ablagerung von Aluminium unter Verwendung organischen
Aluminiums angewandte Substrattemperatur ist maximal
400 bis 500°C oder weniger. Wenn die Temperatur höher
als die genannte ist, wird es schwierig, eine qualitativ
gute Aluminiumschicht zu erhalten, und selbst wenn eine
solche Schicht erzielt wird, reagieren eine Aluminiumschicht,
Silizium als darunterliegendes Substrat und eine Siliziumdioxidschicht
miteinander oder unterliegen der Diffusion,
so daß ein gewünschter Aufbau nicht erreicht werden kann.
Wenn ein anderer Halbleiter wie z. B. GaAs als Grundlage
bildende Schicht verwendet wird, bleibt das Ergebnis das
gleiche. Andererseits wird Silan, da die Zersetzungs-
oder Zerfalltemperatur von Silan minimal 600°C oder
mehr beträgt, nicht in einem Temperaturbereich zersetzt,
in dem Aluminium abgelagert werden kann. Deshalb ist es
unmöglich, Silizium gleichzeitig mit der Ablagerung von
Aluminium zu dotieren. Wenn ein CVD-Verfahren verwendet
wird, bei dem ein Arbeitsgas durch andere Energie als
Wärme zersetzt wird, beispielsweise Plasma-CVD oder
optisches CVD, so kann Aluminium abgelagert werden, während
gleichzeitig Silizium in der Form von Silan dotiert
wird. Ein solches CVD-Verfahren hat jedoch oben beschriebene
Nachteile, die zur Degradation der CVD-Merkmale und
-Eigenschaften führen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden organisches
Aluminium wie Triisobutylaluminium und ein Silangas als
Arbeitsgase verwendet, und eine Silizium enthaltende
Aluminiumschicht kann wirksam abgelagert werden. Wenn
beispielsweise eine in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung
verwendet wird, wird die Temperatur des Heizblocks 30 auf
ungefähr 600°C und die Substrattemperatur auf ungefähr
250°C gesetzt, und eine Aluminiumschicht kann gleichzeitig
mit dem Zersetzen des Silans ohne Reaktion mit einem
Substrat abgelagert werden. Da jedoch die Zerfalltemperatur
von Silan (Siliziumwasserstoff) stark von der
Ablagerungstemperatur von Aluminium abweicht, ist es
schwierig, Ablagerungsbedingungen mit guter Gleichmäßigkeit
zu erhalten. Deshalb wird anstelle von Silan
Disilan benutzt, um das genannte Problem zu beseitigen,
um eine Silizium enthaltende Aluminiumschicht leicht
ablagern zu können.
In der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung betrug der Abstand D
zwischen dem Heizblock 30 und dem Wafer-Substrat 28 8 mm
und die Temperatur des Heizblocks 30 350°C. Disilan wurde
mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 cc/min geleitet,
und die anderen Bedingungen wie die Strömungsgeschwindigkeit
von Triisobutylaluminium wurden ähnlich
denen des ersten Ausführungsbeispieles gesetzt. Es sei
bemerkt, daß der Druck des Gases in der Ablagerungskammer
21 1,067 hPa betrug, da dieser Druck die Summe der Partialdrucke
von zwei Gasen hat. Unter diesen Bedingungen betrug
die Konzentration des in dem Aluminium enthaltenden
Siliziums ungefähr 2%. Als Ergebnis eines Experiments
mußte, wenn nur Disilan zugeführt und überhaupt kein
Triisobutylaluminium zum Fließen gebracht wurde, die
Temperatur des Heizblocks 30 bis zu 400°C oder mehr
gesteigert werden, um Disilan zu zersetzen, um Silizium
auf dem Substrat abzusetzen. Wenn jedoch Disilan und
Triisobutylaluminium gleichzeitig zugeführt wurden, wurde
das Silizium bei einer niedrigeren Temperatur in der
Aluminiumschicht dotiert, und es wurde gefunden, daß Silizium
im Prozentbereich darin bei 350°C oder mehr enthalten
war. Bei Steigerung der Temperatur des Heizblocks 30
wird das Zerfallen des Disilans gefördert und die Siliziumkonzentration
im Aluminium merklich gesteigert.
Deshalb kann die Siliziumkonzentration willkürlich durch
Steuerung der Temperatur des Heizblocks 30 oder der
Strömungsgeschwindigkeit des Disilans geändert werden.
Wie oben beschrieben, kann, wenn Triisobutylaluminium
und Disilan als Reaktionsgase bei einem CVD-Verfahren unter
Verwendung eines Heizblockes eingesetzt werden, Aluminium,
das eine willkürliche Menge Silizium enthält, abgelagert
werden.
Bei der zweiten Ausführungsform wird Silizium enthaltendes
Aluminium selektiv aufgewachsen, aber das Aluminium
kann auf einer vollständigen Fläche unabhängig von den
Materialien eines darunterliegenden Substrats abgelagert
werden. Mehrere Methoden solchen nicht-selektiven Wachsens
stehen zur Verfügung. Beispielsweise kann, wenn die
Temperatur des Heizblocks auf 380°C erhöht und die
Strömungsgeschwindigkeit von Disilan verringert wird,
Silizium enthaltendes Aluminium auf der gesamten Oberfläche
abgelagert werden. Es ist zu bemerken, daß es
gemäß diesem Verfahren schwierig ist, eine gleichmäßige
Schichtstärke zu erreichen. Nach einem anderen Verfahren
wird nur Disilan zugeleitet, wenn der Heizblock eine
hohe Temperatur von 400°C aufweist, wodurch dünnes
Silizium auf der gesamten Oberfläche abgelagert wird.
Dann wird Aluminium unter den Standard-Selektiv-Wachstumsbedingungen
wie denen in dem ersten und zweiten
Ausführungsbeispiel, wie oben beschrieben, abgelagert.
Beim selektiven Wachstum wird Aluminium nur auf Silizium
abgelagert. Nach diesem Verfahren wird jedoch Aluminium
auf der gesamten Oberfläche abgelagert, da die gesamte
Oberfläche mit Silizium bedeckt ist. In diesem Fall kann
eine Schicht mit guter Gleichmäßigkeit und Qualität erzielt
werden. Zusätzlich braucht, da das unter dem Aluminium
abgelagerte Silizium während der Ablagerung des Aluminiums
oder einer Wärmebehandlung danach in die Aluminiumschicht
diffundiert wird, Silizium nicht dotiert zu werden, wenn
Aluminium abgelagert wird. In ähnlicher Weise kann
Aluminium abgelagert werden, nachdem eine dünne Schicht von
beispielsweise Titan abgelagert ist.
Fig. 9a bis 9j zeigen eine dritte Ausführungsform, bei der
die vorliegende Erfindung verwendet wird, um Aluminium
selektiv auf einer Gateelektrode, einer Source und einem
Drain eines MOSLSI abzulagern, um einen niedrigen Widerstand
zu erreichen. In Fig. 9a bis 9j ist lediglich der
Hauptablauf der Herstellungsschritte gezeigt, und es sind
solche Teile weggelassen, die nicht direkt mit der vorliegenden
Erfindung in Verbindung stehen.
Zunächst wird, wie in Fig. 9a zeigt, ein p-Typ Siliziumsubstrat
71 mit einem Isolierbereich 72, der von einer
Siliziumdioxidschicht gebildet wird, vorbereitet, und eine
Gate-Oxidschicht 73 wird in einem Bereich gebildet, um als
aktives Element zu dienen.
Darauf wird, wie in Fig. 9b und 9c gezeigt, eine Polysilizium-Dünnschicht
74, mit Phosphor dotiert,
abgelagert und dann mittels Photolithographie und Ätzen
gefertigt, um eine Gateelektrode 75 zu bilden. Zusätzlich
zu Phosphor kann eine Arsen- oder Bor-Verunreinigung des
Polysiliziums vorhanden sein.
Daraufhin wird, wie in Fig. 9d gezeigt, eine Peripherie
der Gateelektrode 75 oxidiert, um eine Polysiliziumoxidschicht
76 zu bilden, und es wird unter Verwendung der Gateelektrode
75 als Maske eine Ionenimplantation zur Bildung
einer Source/Drain 77 durchgeführt. Üblicherweise wird
als Ionenkeim Arsen oder Phosphor im Falle eines
n-Kanalelements verwendet, und Bor wird im Falle eines
p-Kanalelements benutzt. Danach wird zum Aktivieren der
implantierten Ionen eine Wärmebehandlung durchgeführt,
und eine Siliziumdioxidschicht 78 wird durch ein Niedrigdruck-CVD-Verfahren
abgelagert.
Da die Siliziumoxidschicht 78 an den Seitenflächen der
Gateelektrode 75 dick ausgebildet ist, können Seitenwandungen
79 an den Seitenflächen der Gateelektrode 75
mittels isotropischen Trockenätzens, wie in Fig. 9f
gezeigt, gebildet werden. Die Siliziumdioxidschicht 78 kann
eine beliebige Schicht sein, solange sie eine dick auf den
Seitenflächen der Gateelektrode 75 gebildete Isolierschicht
ist, beispielsweise ein Schmelz-PSG (Phosphorsilikat-Glas)
oder BPSG (Bor-Phosphorsilikat-Glas), eine sogenannte
Vorspannung-Sputter-Siliziumdioxidschicht, die mit
Vorspannung und Aufstäuben leicht aufgebracht wird, oder
eine Siliziumnitridschicht.
Danach wird, wie in Fig. 9g gezeigt, Aluminium 80 selektiv
auf der Gateelektrode 75 und der Source/Drain-Anordnung
77 abgelagert. Vor der Aluminiumablagerung wird ein Vorbehandlungsschritt
zur Entfernung einer natürlichen Oxidfilmschicht
durchgeführt. Da Trockenätzen bereits durchgeführt
ist, wird dieser Vorbehandlungsschritt vorzugsweise
so durchgeführt, daß eine Siliziumdioxidschicht
mit einer Dicke von ungefähr 10 nm bei 800 bis 900°C
gebildet und dann mit verdünnter Fluorwasserstoffsäure
geätzt wird, wodurch eine saubere Siliziumoberfläche
freigelegt wird. Die Ablagerung von Aluminium wurde unter
Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung unter den
Standardbedingungen durchgeführt derart, daß D = 5 mm
war sowie die Temperatur des Heizblocks 310°C und der
Druck des Ausgangsgases 0,67 hPa betrugen, wobei Aluminium
mit einer Schicht-Stärke von ungefähr 100 nm in
einer Ablagerungszeit innerhalb ungefähr 10 Minuten gebildet
wurde.
Dann wird, wie in Fig. 9h gezeigt, eine isolierende
Zwischenschicht 81 abgelagert, und Durchgangslöcher 82
werden unter Verwendung bekannter Photolithographie- und
Ätztechniken gebildet. Bei Verwendung eines konventionellen
Verfahrens wird darauf eine Aluminiumschicht unter
Verwendung von Aufstäuben od. dgl. zur Bildung einer Drahtverbindung
abgelagert. Bei dieser Ausführungsform werden
jedoch die Durchgangslöcher mit einer selektiv aufgewachsenen
Aluminiumschicht 83 gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie in Fig. 9i gezeigt, gefüllt. Als Vorbehandlungsschritt
vor der Ablagerung des Aluminiums wird ein Ätzen
unter Verwendung verdünnter Fluorwasserstoffsäure durchgeführt,
und das Aluminium wird in der gleichen Weise
wie in Fig. 9g abgelagert. Es sei bemerkt, daß Aluminiumoxid
unmittelbar vor der Ablagerung mittels Plasmareinigens
im Vakuum entfernt wird. Eine Schicht mit einer
Schichtstärke von 500 nm, die den gleichen Wert wie die
der Tiefe des Durchgangslochs hat, wird abgelagert, so
daß das Innere des Durchgangsloches zuverlässig und vollständig
ausgefüllt ist, um eine ebene Oberfläche zu erreichen.
Danach wird eine Aluminiumschicht auf der ganzen Oberfläche
durch Aufstäuben od. dgl. abgelagert, und eine
Aluminium-Drahtverbindung 84, wie in Fig. 9j gezeigt, wird
mittels bekannter Photolithographie und Ätzen vervollständigt.
Es sei bemerkt, daß in diesem Fall Aluminium ohne Verwendung
von Aufstäuben, sondern unter Verwendung von
CVD gemäß der vorliegenden Erfindung, auf der gesamten
Oberfläche abgelagert werden kann. Beispielsweise kann,
nachdem das Durchgangsloch 82 mit selektiv abgelagertem
Aluminium gefüllt ist, Aluminium in der Folge auf der
gesamten Oberfläche unter nicht-selektiven Wachstumsbedingungen
abgelagert werden. Ein nicht-selektives Aufwachsverfahren
kann durchgeführt werden, indem die Temperatur des
Heizblockes 30 gesteigert oder Silizium od. dgl. auf der
gesamten Oberfläche abgelagert werden und dann Aluminium
abgelagert wird.
Wie oben beschrieben, werden bei dem dritten Ausführungsbeispiel
Polysiliziummuster und die Source/Drain-Anordnung
von selektiv-gewachsenem Aluminium umgeben, um zu bewirken,
daß die Drahtverbindungen einen niedrigen Widerstand
haben, und außerdem wird selektiv-gewachsenes Aluminium
benutzt, um das Durchgangsloch abzudecken und eine ebene
Oberfläche zu realisieren. Folglich wird selektiv gewachsenes
Aluminium für zwei verschiedene Zwecke verwendet.
Insbesondere wenn diese Ausführungsmöglichkeiten bei einer
Einschlußtechnik angewendet werden, kann, da der spezifische
Widerstand von Aluminium 2,9 µΩ · cm beträgt, d. h. in
der Nähe des Häufungswertes, der Widerstand um 1/10 bis
1/100 im Vergleich zu dem Fall, in dem Wolfram oder
Silicid eingeschlossen sind, verringert werden.
Außerdem reagiert in dem Falle des Einschlusses von Source/Drain,
wenn die Schichtstärke des Aluminiums groß ist,
das Aluminium mit dem Substratsilizium und ergibt ein Problem
hinsichtlich der Übergangsfehlstellen u. dgl. Wenn
jedoch die Stärke des Aluminiums 100 nm oder weniger
wie in diesem Ausführungsbeispiel beträgt, ergibt
sich praktisch kein Problem.
Weiterhin kann, falls erforderlich, Aluminium selektiv
aufgewachsen werden, nachdem eine Trennschicht auf der
Source/Drain-Anordnung oder auf der Polysilicium-Gateelektrode
gebildet ist. Die Stärke dieser Sperrschicht
kann in der Größenordnung von 10 bis 100 nm betragen.
Da der Widerstand der Sperrschicht mit einer solchen
Stärke um ein mehrfaches bis zehnmal so groß wie die von
selektiv aufgebrachtem Aluminium, kann ein genügend
niedriger Widerstand nicht ohne Aluminiumeinschluß
erreicht werden.
Fig. 10a bis 10e zeigen eine vierte Ausführungsform, bei
der die vorliegende Erfindung auf die Bildung einer
Elektrode eines bipolaren LSI und die Bildung eines
Widerstandskörpers unter Verwendung von Polysilizium angewendet
wird.
Fig. 10a zeigt einen Zustand, in dem ein npn-Transistor
in einem Siliziumsubstrat 101 gebildet wird, und ein
Polysilizium-Elektrodenmuster wird darauf gebildet. Dabei
bezeichnet Bezugszeichen 102 eine Isolationsoxidschicht;
103 eine begrabene Schicht (buried layer) vom n⁺-Typ;
104 einen Kollektor; 105 eine Basis; und 106 einen Emitter.
In diesem Zustand wird die Oberfläche des Siliziumsubstrats
gebildet von einem Polysiliziumelektrodenmuster
107, einer Siliziumdioxidschicht 108 zum Isolieren des
Polysiliziumelektrodenmusters 107, und einer Maske 109 zur
Bildung eines Widerstandskörpers, gebildet auf einem
Polysiliziumbereich, um als Widerstandskörper zu dienen.
Ein Isolator wie beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht
oder eine Siliziumnitridschicht wird als Material der
Maske 109 verwendet.
Wie in Fig. 10b gezeigt, wird Aluminium 110 auf freiliegendem
Polysilizium selektiv aufgewachsen. Es wird ein
Vorbereitungsschritt durchgeführt, um eine natürliche
Oxidschichtlage vor der Ablagerung des Aluminiums zu
entfernen. In diesem Fall kann der vorhergehende Schritt,
da ein Trockenätzen bereits stattgefunden hat, vorzugsweise
so durchgeführt werden, daß eine Silizium-Dioxidschicht
mit einer Stärke von ungefähr 100 Å bei ungefähr
800 bis 900°C gebildet und dann durch verdünnte Fluorwasserstoffsäure
geätzt wird, um eine saubere Siliziumoberfläche
freizulegen. Aluminium wird unter Verwendung
der Vorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, unter Standardbedingungen
abgelagert derart, daß D = 5 mm, die
Temperatur des Heizblockes 310°C und der Druck des
Ausgangsgases 0,67 hPa beträgt, wobei Aluminium mit
einer Stärke von ungefähr 100 nm in einer Ablagerungszeit
innerhalb ungefähr 10 Minuten gebildet wird. Durch dieses
Aluminium 110 erhält man einen niedrigen Widerstand des
Polysiliziumelektrodenmusters, und das Polysilizium unter
der Maske 109 zur Bildung des Widerstandskörpers wird
ein (ohmscher) Polysilizium-Widerstandskörper 111 mit einer
in Selbstausrichtung vorbestimmten Größe.
Dann wird, wie in Fig. 10c gezeigt, ein Zwischenschicht-Isolierfilm
112 abgelagert, und ein Durchgangsloch 113
wird mittels bekannter Photolithographie und Ätzen gebildet.
Danach wird in herkömmlicher Verfahrensweise eine
Aluminiumschicht durch Aufstäuben od. dgl. zur Bildung einer
Drahtverbindung abgelagert. Bei dieser Ausführungsform
wird jedoch eine zweite selektiv-gewachsene Aluminiumschicht
114 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet,
um das Durchgangsloch, wie in Fig. 10d gezeigt, zu füllen.
Es wird ein Ätzen unter Verwendung verdünnter Fluorwasserstoffsäure
als Vorstufe vor der Ablagerung des Aluminiums
durchgeführt, und Aluminium wird in der gleichen
Weise wie in Fig. 10b abgelagert. Es ist zu bemerken,
daß Aluminiumoxid mittels Plasmareinigung im Vakuum
unmittelbar vor der Ablagerung entfernt wird. Da eine
Schicht mit einer Stärke abgelagert wird, deren Wert der
gleiche wie der der Tiefe des Durchgangsloches ist, wird
das Innere des Durchgangsloches zuverlässig und vollständig
ausgefüllt, um eine ebene Oberfläche zu erzielen.
Danach wird die Aluminiumschicht auf der gesamten Oberfläche
mittels Aufstäuben und dgl. abgelagert, und eine
Aluminiumverdrahtung 115,
wie in Fig. 10e gezeigt, wird unter Verwendung von
Photolithographie und Ätzen vervollständigt.
Wie oben beschrieben, wird bei der vierten Ausführungsform
die Polysiliziumelektrode mit selektiv abgelagertem
Aluminium eingeschlossen, und zur gleichen Zeit wird
Aluminium verwendet, um den Widerstandskörper auszubilden.
Zusätzlich wird selektiv abgelagertes Aluminium
verwendet, um das Durchgangsloch zu füllen, wodurch eine
ebene Oberfläche realisiert wird.
Besonders dann, wenn diese Ausführungsform auf eine Einschlußtechnik
angewendet wird, kann, da der spezifische
Widerstand des Aluminiums 2,9 µΩ · cm, d. h. nahe dem Haupt-
oder Häufungswert beträgt, der Widerstand um 1/10 bis 1/100
im Vergleich mit der Verwendung von Wolfram oder Silicid
als Einschlußmaterial verringert werden. Wenn die Schichtstärke
des Aluminiums groß ist, reagiert Aluminium mit
Polysilizium, wodurch die Elementeigenschaften verschlechtert
werden. Wenn jedoch die Schichtstärke des Aluminiums
ungefähr 100 nm wie in diesem Ausführungsbeispiel beträgt,
stellt sich fast kein Problem.
Falls notwendig, kann Aluminium selektiv aufgebracht werden,
nachdem eine Sperrschicht mit der Polysiliciumelektrode,
wie in Fig. 8 gezeigt, verbunden ist. Die Stärke der
Sperrschicht kann in der Größenordnung von 10 bis 100 nm
liegen. Da der Widerstand der Sperrschicht, die eine solche
Stärke hat, um das zehnfache oder mehr höher als der
des selektiv abgelagerten Aluminiums ist, kann ohne Aluminiumeinschluß
ein ausreichend niedriger Widerstand nicht
erreicht werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde die
Erfindung auf die Ablagerung von Aluminium angewendet. Die
Erfindung kann jedoch ebenso wirksam auf die chemische
Dampfablagerung eines sich von Aluminium unterscheidenden
Metalls oder eines Halbleiters angewendet werden.
Wenn beispielsweise die vorliegende Erfindung auf die Ablagerung
und insbesondere auf das selektive Aufwachsen von
Wolfram oder Molybdän angewendet wird, so kann eine glatte
und gute Schicht erzielt werden. Wenn Wolfram betroffen
ist, so wird Wolfram-Hexafluorid als Reaktionsgas
verwendet, und Wassersoff, Helium oder Argon werden als
Trägergas eingesetzt.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung wurde als Ablagerungsvorrichtung
verwendet; dabei wurden die Ablagerungsbedingungen
so variiert, daß D = 3 bis 10 mm, die Temperatur
des Heizblockes 30 300 bis 700°C und der Gesamtgasdruck
0,133 bis 6,67 hPa betrug. Das selektive Aufwachsen von Wolfram
wird durch eine Silizium-Reduktionsreaktion in einem anfänglichen
Stadium des Wachsens bewirkt, aber es wird durch
eine Wasserstoff-Reduktionsreaktion gefördert, wenn die
Schichtstärke gesteigert wird. Um eine dickere Schicht abzulagern,
sollte bzw. muß deshalb Wasserstoff als Trägergas
verwendet werden.
Typische Ablagerungsbedingungen sind D = 5 mm, eine Temperatur
des Heizblocks von 450°C, der Gasamt-Gasdruck
0,67 hPa und ein partieller Druck des Wolfram-Hexafluorids
von 6,667 Pa. Wolfram wird manchmal selektiv oder nicht-selektiv
auf der gesamten Oberfläche eines Wafers abgelagert,
und zwar in Übereinstimmung mit einem bestimmten
Zweck. Der Grad der Selektivität hängt von der Adsorpionsenergie
des Reaktionsgases oder der Aktivierungsenergie der
Kernerzeugung, die auf dem Grad der Übersättigung beruht,
ab. Wenn die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung verwendet wird,
um willkürlich Temperaturen des Substrats 28 des Heizblocks
30 zu wählen, kann deshalb eine Schicht mit hoher Selektivität
oder gesamtflächig abgelagert werden.
Molybdän kann unter den im wesentlichen gleichen Bedingungen
wie jene im Falle von Wolfram abgelagert werden, mit
der Ausnahme, daß Molybdänhexafluorid als Reaktionsgas verwendet
wird. Außerdem kann Molybdänpentachlorid als Reaktionsgas
verwendet werden.
Ein Silicid (Silizium-Metall-Verbindungen) wie Wolframsilicid
oder Molybdänsilicid kann durch Mischen eines
Silangases unter den oben beschriebenen Ablagerungsbe
dingungen eines reinen Metalls abgelagert werden.
Polysilizium kann abgelagert werden, indem man ein Silangas
als Reaktionsgas bei einer Temperatur des Heizblocks 30
von 700 bis 1100°C verwendet. Wenn amorphes Silizium abgelagert
wird, wird die Temperatur des Heizblocks vorzugsweise
weiter verringert. Wenn Disilan als Reaktionsgas verwendet
wird, kann die Ablagerung selbst bei 400°C erfolgen.
Amorphes Silizium wird umfangreich als Solargas verwendet,
und in einem solchen Anwendungsfall ist vorzugsweise
eine große Menge Wasserstoff in der Schicht enthalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Substrattemperatur
auf niedrige Werte gedrückt werden, so daß
amorphes Silizium mit einer großen Menge Wasserstoff und
guten Eigenschaften gebildet werden kann.
Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung nicht
nur auf die Ablagerung von Aluminium, sondern von irgendeinem
Metall oder einer Halbleiter-Dünnschicht angewendet
werden, wodurch eine dünne Schicht mit guter
Glätte realisiert werden kann. Zusätzlich kann in Übereinstimmung
mit Dünnschichtbildungs-Anwendungen die Selektivität
gesteigert werden, oder sie kann verringert
werden, um gesamtflächig abzulagern, d. h. die Ablagerungsbedingungen
können leicht gesteuert und/oder verändert
werden. Weiterhin kann die Erfindung
angewendet werden mit dem Zweck, den Wasserstoffgehalt zu
steigern.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf
die obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann unterschiedlich
angewendet und und modifiziert werden.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, in dem die gleichen Teile wie in Fig. 1
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der in
Fig. 12 gezeigten Vorrichtung ist ein Heizblock 34 in
einem vorbestimmten Abstand an einer Seite eines Substrathalters
27, der dem Heizblock 30 gegenüberliegt, angeordnet,
d. h. an einer Seite eines zylindrischen Rohres 31 zusätzlich
zu den Bauteilen der Fig. 1.
Jeder der beiden Heizblöcke 30 und 34 und der Substrathalter
27 haben eine Bewegungseinrichtung. Der Zwischenraum
zwischen den beiden Heizblöcken 30 und 34, ein Zwischenraum
D 1 zwischen dem Heizblock 30 und dem Wafer-Substrat
28 und der Abstand D 2 zwischen dem Heizblock 34 und
dem Wafer-Substrat 28 können willkürlich variiert werden.
Der Variationsbereich der Abstände D 1 und D 2 beträgt ungefähr
2 bis 30 mm.
Fig. 12 bezieht sich auf eine Grundanordnung der Vorrichtung,
während Fig. 13 und 14 die Vorrichtung für eine
Massenproduktion in größerem Detail zeigen.
In Fig. 13 und 14 bezeichnen Bezugszeichen 121 eine Hauptkammer,
121 bis 124 Reaktionskammer, 125 eine Lade-Schleusenkammer,
126 eine drehbare Scheibe, 127 einen Motor,
128 eine Wafer-Halteplatte, 129 eine Ringplatte, 130 eine
untere Haube, 131 eine Vakuum-Trennwand, 132 eine Rotations-Vakuumpumpe,
133 ein Ventil, 134 ein Leckventil,
135 einen oberen Steuer- oder Angleichkasten, 136 einen
unteren Steuer- oder Angleichkasten, 137 eine Feder, 138
eine obere Haube, 29 a einen Erhitzer und TC einen Temperaturdetektor
wie z. B. ein Thermoelement. Es sei bemerkt,
daß in Fig. 14 gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind.
Wie in dem ebenen Blockdiagramm der Fig. 13 gezeigt, hat
die zylindrische Hauptkammer 121 drei Reaktionskammern
122, 123 und 124 und die Lade-Schleusenkammer 125. Diese
vier Unterkammern sind während der Ablagerung oder des
Ätzens von der Hauptkammer 121 vakuum-getrennt oder differentiell
von dieser entlüftet.
Wie in Fig. 14 gezeigt, ist die große Drehscheibe 126 in
der Hauptkammer 121 gelagert, und es werden gleichzeitig
vier Wafern durch Drehung der Drehscheibe 126, die vom Motor
127 getrieben ist, übertragen bzw. zugeführt. Während
der Wafer-Übermittlung sind zeitweise die Haupt- und Unterkammern
121 bis 125 miteinander für ein hohes Vakuum
vakuum-verbunden. Die Drehscheibe 126 ist in Fig. 14 als
horizontale Scheibe dargestellt, aber sie kann ebensogut
in vertikaler Bauweise, in einer vertikalen Ebene rotierend,
ausgebildet sein. Eine vertikale Bauart der Scheibe
wird in bestimmten Fällen mit Blick auf die Wartung
der Reaktionskammern bevorzugt.
Das Wafer-Substrat 28 wird auf dem Substrathalter 27 in
der Lade-Schleusenkammer 22 angeordnet, so daß die zu beschichtende
Oberfläche nach unten zeigt. Um einen Wafer
zwischen Atmosphäre und Vakuum zu bewegen, gibt es verschiedene
Methoden, und jede derselben kann angewendet
werden. Beispielsweise kann, wie in Fig. 14 gezeigt, die
Peripherie des Substrathalters 27 durch doppelte O-Ringe
unter Druck gehalten werden, um die Atmosphäre gegen das
Vakuum zu trennen. Wenn das Wafer-Substrat 28 in der Atmosphäre
in die Lade-Schleusenkammer 22 eingeführt wird,
wird die Wafer-Halteplatte 128 nach oben bewegt, während
die Ringplatte 129, wie in Fig. 14 gezeigt, gegen den Substrathalter
27 gedrückt wird. Dann wird unter Verwendung
eines Vakuum- oder elektrostatischen (Spann-)Futters das
Wafer-Substrat 28, dessen zu beschichtende Oberfläche nach
unten gerichtet ist, an der Wafer-Halteplatte 128 gespannt.
Darauf wird die Wafer-Halteplatte nach unten bewegt, um
die Ringplatte gegen den Substrathalter 27 zu drücken,
wodurch die Lade-Schleusenkammer 27 von der Außenseite
getrennt wird. In diesem Stadium wird das Wafer-Substrat
28 hinsichtlich der Wafer-Halteplatte 128 gelöst, um das
Wafer-Substrat 28 gegen den Substrathalter 27 zu bewegen.
Dann werden die Rotations-Vakuumpumpen 132 und das Ventil
133 betätigt, um den Druck in der Lade-Schleusenkammer 22
zu verringern. Schließlich werden die Wafer-Halteplatte 128
und die Ringplatte 129 zusammen nach oben bewegt. Daraus
ergibt sich, daß die Lade-Schleusenkammer 22 mit der Hauptkammer
121 vakuum-verbunden ist, und zur gleichen Zeit
zieht sich die den Substrathalter 27 mit der Drehscheibe
126 verbindende Feder zusammen, so daß die Drehscheibe
126 sich drehen kann.
Dagegen werden, wenn das Wafer-Substrat 28 aus der Hauptkammer
121 an die Atmosphäre abgegeben werden soll, die
Wafer-Halteplatte 128 und die Ringplatte 129 in Verbindung
miteinander nach unten bewegt, um gegen die Peripherie
des Substathalters 27 zu drücken und dadurch die
Hauptkammer 121 von der Lade-Schleusenkammer 22 zu trennen.
Danach wird das Leckventil 134 geöffnet, um in der Lade-Schleusenkammer
22 Atmosphärendruck zu erhalten. Wenn
lediglich die Wafer-Halteplatte 128 bei fester Ringplatte
129 nach oben b 40851 00070 552 001000280000000200012000285914074000040 0002003727264 00004 40732ewegt wird, kann das Wafer-Substrat 28
entfernt werden.
Fig. 15a bis 15d zeigen Arbeitsweisen der Reaktionskammern,
in denen gleiche oder entsprechende Teile der
Fig. 14 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wie in
Fig. 15a gezeigt, wird, wenn das Wafer-Substrat 28 übergeben
wird, der mit der Drehscheibe 126 über die Feder
137 verbundene Substrathalter 27 aus der Sperre in der
Reaktionskammer gelöst und kann daher frei rotieren.
In dieser Zeit sind die das Wafer-Substrat 28 sandwichartig
umgebenden zwei Heizblöcke 30 und 34 bereits auf
eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Nachdem das Wafer-Substrat
28 in der Reaktionskammer angeordnet ist, drückt
die obere Haube 138 der Reaktionskammer auf die Peripherie
des Substrathalters 27, um eine Vakuum-Trennung des Inneren
der Reaktionskammer von der Hauptkammer 121 herbeizuführen.
Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich der Heizblock 134,
um das Wafer-Substrat 28 zu berühren. In der Folge wird,
um die Substratoberfläche vor Ablagerung zu säubern, ein
Gas wie Ar der Reaktionskammer zugeführt, und zur gleichen
Zeit wird eine Hochfrequenz (Radiofrequenz) über den
oberen Angleichkasten 135 auf das Wafer-Substrat 28
ausgeübt, wodurch ein Aufstäub-Ätzen ausgeübt wird. Alsdann
bewegen sich die das Wafersubstrat 28 sandwichartig
umgebenden Heizblöcke 30 und 34 und halten an einer
vorbestimmten Stellung nach dem Wafersubstrat 28 an, wie
dies in Fig. 15c gezeigt ist. In diesem Stadium wird ein
Triisobutyl-Aluminium-Gas zugeführt, um selektiv Aluminium
abzulagern.
Zusätzlich zu den beschriebenen Arbeitsweisen kann
Radiofrequenz RH dem Heizblock 30 über den unteren
Angleichkasten 136, wie in Fig. 15d gezeigt, zugeführt
werden, um dadurch ein Plasma-CVD-Verfahren zu realisieren.
Außerdem kann nach jeder der Fig. 15c und 15d ein Reaktionsgas
geändert bzw. ersetzt werden, um ein Metall wie W,
Ti, Cr oder Si, also ein anderes als Al, abzulagern.
Anwendungsformen der in Fig. 13, 14 und 15a bis 15d gezeigten
Vorrichtung sind im Detail beispielhaft in der folgenden
Tabelle wiedergegeben.
Bei Befüllen (drei Wafer zur Zeit) werden sämtliche
drei Reaktionskammern verwendet, um selektiv Aluminium
abzulagern, so daß das Aluminium zur gleichen Zeit auf
den drei Substraten abgelagert werden kann. Da der Durchsatz
gesteigert werden kann, kann deshalb dieses Verfahren
angewendet werden, um ein Durchgangsloch zu füllen oder
Silizium mit Aluminium zu umgeben.
Bei der Gesamtflächen-Ablagerung (zwei Wafer zur Zeit)
wird nicht-selektives Metall-Wachstum durchgeführt, d. h.
ein Metall wie Ti, Si oder W wird auf einer Gesamtfläche
abgelagert, um eine dünne Metallschicht in der Reaktionskammer
122 zu bilden. Darauf wird Aluminium selektiv in
den Reaktionskammern 123 und 124 aufgewachsen. Da das
Aluminium auf der Gesamtoberfläche abgelagert wird, kann
ein die Grundlage bildendes Metall als Sperre oder Trennung
zwischen Aluminium und dem Substrat-Si verwendet
werden. Bei dieser Gesamtflächen-Ablagerung wird selektives
Al-Wachstum zweimal mit zwei Substraten zur Zeit
durchgeführt, da die Zeit nicht-selektiven Metall-Wachstums
größer ist als die Zeit selektiven Al-Wachstums.
Bei der 2-Stufen-Ablagerung (nacheinander) werden die
obigen zwei Fälle miteinander kombiniert. Das bedeutet,
daß Aluminium selektiv in der Reaktionskammer 122, ein
Metall dann nicht-selektiv in der Reaktionskammer 123
und schließlich Aluminium selektiv in der Reaktionskammer
124 aufgewachsen wird. In diesem Fall wird das Durchgangsloch
durch das erste selektive Wachsen gefüllt, und das
Aluminium wird dann auf der Gesamtfläche aufgewachsen,
um eine ebene Oberfläche zu erhalten.
Zusätzlich zu den obigen Modifikationen werden Varianten
vorgeschlagen derart, daß Aluminium in der Reaktionskammer
124 abgelagert und in der Folge ein Metall in der gleichen
Reaktionskammer nicht-selektiv aufgewachsen wird. Was
das Substrat-Ätzen vor der Ablagerung anbelangt, so wird
ein Substrat vorzugsweise geätzt, nachdem das Wafer-Substrat
in die Reaktionskammer bewegt wurde und unmittelbar
vor der Ablagerung. Die Reaktionskammer 122 kann
als spezielle Ätzkammer verwendet werden, so daß der
Wafer darin geätzt und dann in die Reaktionskammer 123
und 124 überführt sowie darin beschichtet wird. In diesem
Fall sollte jedoch der zeitliche Abstand zwischen Ätzen
und Ablagerung nicht erhöht werden.
Es wird nunmehr eine Beschreibung unter Bezug auf den Fall gegeben, in dem
Aluminium selektiv unter Verwendung der obigen CVD-Vorrichtung
aufgewachsen wird. In diesem Fall werden die
gleichen Schritte, wie in Fig. 3a bis 3e gezeigt, benutzt.
Die Schritte sind die gleichen wie in dem obigen Ausführungsbeispiel,
soweit die natürliche Oxidfilmschicht 44
entfernt wird.
Darauf wird das Wafer-Substrat 47, das der in Fig. 3c
gezeigten Vorbehandlung unterworfen wird, in der Lade-Schleusenkammer
22 angeordnet, und die Kammer wird
genügend evakuiert. Darauf wird das Wafer-Substrat 47
(28) in die Ablagerungskammer 122 bis 124 bewegt und
während einiger Minuten zwischen den zwei Heizblöcken
30 und 34 gehalten, wodurch man eine gleichmäßige Temperatur
des Wafer-Substrats 47 erhält. Zu diesem Zeitpunkt
kann ein inertes Gas wie Argon um den Wafer strömen,
um das Wafer-Substrat 47 effektiver zu erhitzen.
Danach wird das Ventil 25 zwischen der Ausgangskammer 23
und der Ablagerungskammer, in der das Wafer-Substrat gelagert
ist, geöffnet, um Reaktionsgas in die Ablagerungskammer
zu führen und dadurch die Ablagerung von Aluminium
zu beginnen. Es ist zu bemerken, daß die Ausgangskammer
23 vorzugsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit evakuiert
wird, die im wesentlichen die gleiche wie die
während der Ablagerung für einen geeigneten Zeitraum ist,
bis das Ventil 25 geöffnet wird, so daß der Druck in der
Ablagerungskammer unmittelbar nach Öffnen des Ventils
25 stark variiert. Wenn eine vorbestimmte Ablagerungszeit
verstrichen ist, wird das Ventil 25 zwischen der Ausgangskammer
23 und der Ablagerungskammer geschlossen, um die
Ablagerung zu vollenden. Bei der obigen Arbeitsweise kann
Aluminium 45 selektiv nur im Öffnungsabschnitt 43 des
Siliziumsubstrats 41 abgelagert werden.
Die Schicht-Ablagerungsbedingungen müssen
sorgfältig gewählt werden, um Aluminium 45 selektiv mit
guter Glätte nur auf dem Silizium in dem Öffnungsabschnitt
43 abzulagern. Insbesondere stellen die Temperaturen der
zwei Heizblöcke 30 und 43 sowie die Zwischenräume D 1 und
D 2 zwischen den Heizblöcken und dem Wafer-Substrat
28 (47) wichtige Parameter dar. Wenn D 1 = D 2 = 5 mm
ist, beträgt die Gas-Strömungsgeschwindigkeit ungefähr
20 bis 30 cc/min, der Arbeitsgasdruck in den Ablagerungskammern
122 bis 124 0,667 hPa und der Druck in der Hauptkammer
121 ungefähr 6,667 Pa; dabei wird auf dem Silizium
eine Aluminiumschicht, wie in Fig. 16 gezeigt, abgelagert.
In Fig. 16 zeigt die Abszisse eine Temperatur
TD des zu der zu beschichtenden Substratfläche gerichteten
Heizblocks 30, und die Ordinate gibt eine Temperatur
TB des Heizblocks 34 wieder, der gegen die Rückseite des
Substrats gerichtet ist. Die Ablagerung von Aluminium
nimmt keinen Fortschritt, wenn nicht die Temperatur des
Heizblocks in gewissem Umfang gesteigert wird. Deshalb
wird in dieser Beschreibung ein Grenzbereich zwischen
einem Bereich, in dem Aluminium nicht abgelagert ist,
und einem Bereich, in dem Aluminium abgelagert ist, als
"Ablagerungsgrenze" bezeichnet. Als Ergebnis der experimentellen
Prüfung der Ablagerungsgrenze ist eine Gerade
S 1 von ungefähr TD + DB = C dargestellt, worin C eine
Konstante ist, wenn die Abstände D 1 und D 2, der Druck
des Reaktionsgases u. dgl. fest sind, und sie betrug unter
diesen Bedingungen ungefähr 460 bis 480°C. Wie aus Fig. 16
erkennbar, steigt in einem Bereich oberhalb der
Ablagerungsgrenze die Ablagerungsrate (Menge) bei Ansteigen
des Wertes von TD + TB, und zur selben Zeit ändert
sich die Schichtstärkenverteilung so, daß die Stärke um
das Wafer-Substrat erhöht wird. Außerdem wird bei Zunahme
des Wertes von TD + TB die Oberflächenrauhigkeit einer
abgelagerten Aluminiumschicht vergrößert. Weiterhin
beginnt bei höherer Temperatur die Ausbildung Insel-ähnlicher
Aluminiumkerne auf der Siliziumdioxidschicht, d. h.
Aluminium wird sowohl auf dem Silizium als auch auf
der Siliziumdioxidschicht nicht-selektiv abgelagert.
In Fig. 16 befindet sich ein Bereich auf einer Geraden
S 2 mit TB = TD im gleichen Zustand wie dem des herkömmlichen
CVD-Verfahrens des Heißwand-Typs, da die peripheren
Wandoberflächen des Wafer-Substrats alle auf
gleiche Temperaturen aufgeheizt sind. Bei dem Heißwand-Typ-Verfahren
wird ein ganzes Quartzrohr, in dem ein
Ablagerungssubstrat angeordnet ist, von einem Erhitzer
erwärmt. In diesem Fall wird das Reaktionsgas beim Durchfließen
des Quartzrohres auf die gleiche Temperatur wie
die des Quartzrohres erwärmt. Deshalb ist bei dem Heißwand-Verfahren
die Temperatur des Reaktionsgases im wesentlichen
die gleiche wie die Substrattemperatur. Andererseits
befindet sich der Gesamtbereich TB < TD (Bereich
oberhalb der Geraden TB = TD als Grenze in diesem Schaubild)
im gleichen Zustand wie dem des herkömmlichen CVD-Verfahrens
des Kaltwand-Typs, da diese rückseitige Fläche
des Wafer-Substrats auf eine hohe Temperatur erwärmt wird
und die der Vorderfläche entgegengesetzte Wandfläche eine
niedrige Temperatur hat. Bei dem Kaltwand-Verfahren ist
das Ablagerungssubstrat in engem Kontakt an dem Substraterhitzer
befestigt, und es wird ein Reaktionsgas, das eine
niedrigere Temperatur als die Temperatur des Substrates
hat, zugeführt.
Ungleich solchen herkömmlicherweise verwendeten CVD-Verfahren
ist das CVD-Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein vollständig
neuer Bereich TB ≦ TD (unterhalb der Geraden S 2 als
Grenze in dem Schaubild) verwendet werden kann. Unter
einer solchen Bedingung wird, da die Temperatur des
Reaktionsgases höher als die Substrattemperatur unmittelbar
vor Ablagerung ist, das Gas auf der Substratoberfläche
in einen hoch-übersättigten Zustand gebracht,
oder die Substrattemperatur kann auf niedriger Temperatur
gehalten werden, wodurch man eine glatte und gute Aluminiumschicht
erhält. Ein in gestrichelter Linie in Fig. 16
gezeigter Bereich S 3 gibt einen Bereich wieder, in
dem tatsächlich eine gute Aluminiumschicht erreicht
werden kann, so daß angenommen werden kann, daß der oben
erwähnte Zustand darin realisiert ist. Der Bereich S 3
ist ebenfalls ein Bereich, in dem die Schichtstärke der
auf dem Wafer-Substrat abgelagerten Aluminiumschicht im
wesentlichen einheitlich ist.
Fig. 17 zeigt ein Foto einer Metalltextur von bei TD = 320°C
und TB = 200°C erhaltenem Aluminium. Obwohl
mehrere Berichte hinsichtlich der Ablagerung von Aluminium
mittels CVD (aber nicht im Zusammenhang mit selektivem
Aufwachsen) gegeben wurden, zeigen alle Oberflächen von
mittels dieser bekanntgegebenen Verfahren abgelagerten
Schichten eine Gruppe kleiner Kristallkörner mit großer
Oberflächenrauhigkeit, und zwischen den Körnern sind,
wie in Fig. 11 gezeigt, teilweise Spalte ausgebildet. Im
Gegensatz dazu ist gemäß dem CVD-Verfahren der vorliegenden
Erfindung die Oberfläche glatt mit großer Korngröße,
und zwischen den Körnern ist, wie in Fig. 17 gezeigt,
keinerlei Spalt gebildet. Der Zustand der Metalltextur
ändert sich z. B. in Übereinstimung damit, ob das Material
eines Ablagerungssubstrats Silizium oder Aluminium
ist. Beispielsweise wird, wenn Aluminium auf einem (111)-Siliziumsubstrat
abgelagert wird, keine große Korngrenze
gebildet, wie dies in Fig. 17 gezeigt ist. In diesem
Falle wird jedoch auch eine glatte Oberfläche und kein
Spalt zwischen den Körnern, d. h. es wird eine qualitativ
gute Schicht gebildet. Außerdem ist der Bereich, in dem
solch eine Schicht erhalten wird,
relativ breit entlang der Geraden S 1 mit der Bedingung
TC + TB = C. Deshalb kann durch Änderung der Temperatur
TD des Heizblocks 30 oder der Temperatur TB des Heizblocks
34 eine gute Schicht mit hoher Kontroll- und Steuerfähigkeit
sowie Reproduzierbarkeit erzielt werden. Somit ist die
vorliegende Erfindung außerordentlich praktisch, selbst
wenn sie auf eine Vorrichtung in der Massenproduktion
zur Erzeugung von Dünnschichten angewendet wird.
Jegliche Aluminiumschichten, die in Bereichen außerhalb
des Bereiches S 3 (dargestellt durch die gestrichelte Linie)
abgelagert sind, zeigen Probleme großer Oberflächenrauhigkeit,
schlechter Gleichmäßigkeit u. dgl. Außerdem ist es
schwierig, eine Selektivität zu erzielen, wenn TD + TB =
600°C oder mehr beträgt. Es sei bemerkt, daß der durch
die gestrichelte Linie gezeigte Bereich S 3 quantitativ
nicht fest ist, sondern entsprechend bestimmten Bedingungen
wie Druck oder Strömungsgeschwindigkeit eines Reaktionsgases
veränderbar ist. Deshalb gibt der Bereich S 3
nur die Tendenz wieder.
Im folgenden wird der Grund beschrieben, weshalb die
Ablagerungsgrenze durch die Gerade S 1 im wesentlichen von
TD + TB = C wiedergegeben ist. Wie man von dem Zwischenraum
zwischen Wafer-Substrat und Heizblöcken und dem
Druck des Reaktionsgases erkennt, liegt der Zustand des
Gases während der Ablagerung in einem viskosen
Fließbereich. Deshalb ändert sich in diesem Fall das
Temperaturprofil zwischen den Heizblöcken im wesentlichen
linear; z. B. ist die Temperatur des Wafer-Substrats, das
von den zwei Heizblöcken durch einen gleichen Abstand getrennt
ist, (TD + TB)/2. Andererseits gibt die in Fig. 16
gezeigte Ablagerungsgrenze wieder, daß die Schichtablagerung
beginnt, wenn der Wert von TD + TB eine vorgegebene
Konstante C wird. Deshalb wurde, da die Temperatur des
Wafer-Substrats, wie oben beschrieben, (TD + TB)/2 ist,
gefunden, daß der Fortschritt der Schichtablagerung
hauptsächlich durch die Wafer-Substrattemperatur bestimmt
ist. Es ist zu bemerken, daß in dem Bereich TB < TD
die Neigung der Ablagerungsgrenze etwas größer als die
der Geraden TD + TB = C ist. Deshalb kann angenommen
werden, daß die Reaktionsgastemperatur sekundär das Fortschreiten
der Schichtablagerung zusätzlich zu der Substrattemperatur
beeinflußt.
Das oben beschriebene Experiment wurde unter der Bedingung
D 1 = D 2 = 5 mm ausgeführt. Wenn sich jedoch D 1 und
D 2 ändern, kann die Ablagerungsgrenze grob durch Errechnen
der Wafer-Substrattemperatur ermittelt werden.
Wenn der Zwischenraum zwischen den zwei Heizblöcken
konstant gehalten und das Wafer-Substrat 47 (28) bei der
Temperatur TD in Richtung auf den Heizblock 30 bewegt
wird, erhöht sich die Neigung der Ablagerungsgrenze abrupt
und wird schließlich eine Vertikale (TD = C/2)
bei D 1 = 0 mm. Andererseits verringert sich, wenn das
Wafer-Substrat 47 in Richtung auf den Heizblock 34 mit
der Temperatur TB verschoben wird, die Neigung der Ablagerungsgrenze
und wird schließlich eine Horizontale
(TB = C/2) bei D 2 = 0 mm. Zu diesem Zeitpunkt ist der
Drehmittelpunkt der Ablagerungsgrenze der Schnittpunkt
der Geraden TD + TB = C und TB = TD. So verändert sich
zusammen mit der Bewegung der Ablagerungsgrenze der Bereich
der Bedingungen, unter denen eine gute Schicht abgelagert
werden kann. Außerdem kann, wenn der veränderbare
Bereich von D 1 und D 2 ungefähr 3 bis 15 mm oder
weniger ist, eine hinreichend gute Schicht abgelagert
werden. Somit wird ein praktischer Minimalabstand durch
die Herstellungsgenauigkeit der Heizblöcke oder die
Positionierungsgenauigkeit (Ausrichtgenauigkeit) des
Wafer-Substrats bestimmt, und es wird der maximale Zwischenraum
durch die Degradation in der Gleichmäßigkeit
einer abgelagerten Schicht, verursacht durch einen Periphereffekt,
begrenzt. Der periphere Effekt ist ein Phänomen,
bei dem bei einem großen Zwischenraum zwischen den
zwei Heizblöcken 30 und 34 eine Mischung mit einem Gas,
das sich von dem an der Heizoberfläche Erhitzen unterscheidet,
um die Heizblöcke herum auftritt, so daß die
Stärke oder Qualität einer an der Peripherie des Wafer-Substrats
abgelagerten Schicht nicht gleichmäßig wird.
In der Anordnung, in der das Wafer-Substrat 27, wie in
Fig. 2 der ersten Ausführungsform gezeigt, mit dem Erhitzer
34 (D 2 = 0 mm) in Berührung kommt, wird die Ablagerungsgrenze
eine Gerade mit TB = C/2 = 230 bis 240°C
in Fig. 16, und die Bedingungen, unter denen eine gute
Schicht gebildet wird, sind auf jene beschränkt, in denen
TB ungefähr 250 bis 260°C beträgt. Es ist eine Technik
erforderlich, um das Temperaturprofil des Erhitzers zum
Erwärmen eines Substrats (in diesem Fall des Heizblocks
auf der Rückseite des Wafer-Substrats) einzuengen, und
selbst wenn die Erhitzertemperatur gleichmäßig ist, tritt
ein relativ breites Temperaturprofil in dem Wafer-Substrat
entsprechend dem Berührungsgrad zwischen dem Erhitzer und
dem Wafer-Substrat auf. Deshalb ist es nicht leicht, mittels
einer herkömmlichen Vorrichtung, bei der der Erhitzer
in Berührung mit dem Wafer-Substrat gebracht wird,
die Gleichmäßigkeit der Stärke oder Qualität einer aufgebrachten
Schicht zu halten. Wenn der Heizblock von dem
Wafer-Substrat getrennt wird (D 2 < 0 mm), so ist die
Wärmeleitfähigkeit in dem Wafer-Substrat viel größer als
die eines Gases, und das Wafer-Substrat wird von einem
Gas erwärmt, dessen Temperatur vergleichmäßigt ist. Als
Ergebnis davon wird die Temperatur des Wafer-Substrats
außerordentlich gleichmäßig.
Wenn der Druck des Reaktionsgases verringert und das Gasstadium
zum Molekularfluß wird, wird die Wafer-Substrat-Temperatur
durch ein geometrisches Mittel der Temperaturen
der zwei Heizblöcke dargestellt. Weiterhin ändert
sich, da das räumliche Temperaturprofil im Hinblick auf
den Abstand keine Linearität mehr aufweist, die Situation
gegenüber der oben beschriebenen. Da jedoch die Wafer-Substrat-Temperatur
oder das Temperaturprofil zwischen
den Heizblöcken leicht erzielt werden können, kann man
die Ablagerungsbedingungen grob abschätzen.
Da sich die Bedingungen, unter denen eine gute Schicht
abgelagert wird, in Übereinstimmung mit dem Abstand
zwischen den Heizblöcken und dem Wafer-Substrat, dem
Gasdruck u. dgl. ändern, können hier, wie oben dargelegt,
nicht alle diese Bedingungen beschrieben werden. Da
jedoch das grundlegende Konzept klar ist, kann entsprechend
eine individuelle Bedingung bestimmt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde als Ergebnis der
Messung der Wafer-Substrat-Temperatur während der Ablagerung
unter Verwendung eines Thermoelements gefunden, daß
die Substrattemperatur zur gleichen Zeit steigt, zu der
das Reaktionsgas strömt, um die Ablagerung zu beginnen,
und innerhalb ein bis zwei Minuten eine im wesentlichen
konstante Temperatur erreicht. Wenn inertes Gas wie
Argon fließt, bevor das Reaktionsgas strömt, wird die konstante
oder gleichmäßige Temperatur früher erreicht.
Das Reaktionsgas wird durch den Heizblock 30 auf eine hohe
Temperatur erwärmt und aktiviert, und dann erreicht das
Reaktionsgas in einem Zersetzungszustand das
Substrat bei niedrigerer Temperatur. Es ist schwierig,
zu sagen, wie das Reaktionsgas auf dem Substrat zersetzt
wird, aber es kann angenommen werden, daß in diesem Stadium
das Aluminium auf dem Substrat 28 im Vergleich mit
einem herkömmlichen CVD-Verfahren relativ hoch übersättigt
ist. In diesem Fall wird entsprechend der Kernwachstum-Theorie
die Veränderung in der Volumenenergie während der
Erzeugung von Clustern gesteigert, und die Aktivierungsenergie
G* der Erzeugung stabiler Kerne wird verringert
sowie die Anzahldichte n* kritischer Kerne gesteigert,
wie aus den Gleichungen (3) und (4) hervorgeht. Deshalb
wird der durchschnittliche Kernradius beim Zusammenwachsen
miteinander verringert, wodurch eine glatte Schicht mit
kleiner Oberflächenrauhigkeit gebildet wird.
Die Eigenschaften eines guten Schichtablagerungsprozesses
gemäß dem Ablagerungsverfahren der vorliegenden Erfindung
können eindeutig mittels elektronenmikroskopischer Abtastungsbeobachtungen
erkannt werden. Unter Bedingungen,
unter denen die in Fig. 12 gezeigte Vorrichtung benutzt
und ein Wafer-Substrat in der Mitte zweier Heizblöcke
in einem Abstand von D 1 = D 2 = 5 mm angeordnet ist, wurde
eine Aluminiumschicht unter Verwendung der Bedingungen
der in Fig. 16 gezeigten Punkte A und B abgelagert.
Punkt A ist eine Bedingung zur Ablagerung einer guten
Schicht bei TD = 320°C und TB = 200°C, d. h. die Reaktionsgastemperatur
ist höher als die Substrattemperatur. Punkt B
ist eine Vergleichsbedingung bei TD = 200°C und TB =
320°C, d. h. die Reaktionsgastemperatur ist niedriger
als die Substrattemperatur. Da sich das Reaktionsgas in
einem viskosen Fließzustand befindet und die Wärmeleitfähigkeit
des Wafer-Substrats viel größer als die des
Gases ist, kann angenommen werden, daß die Substrattempe
raturen an den Punkten A und B im wesentlichen einander
gleich, d. h. ungefähr 260°C sind.
Fig. 18a bis 18d und Fig. 19a bis 19d sind Photographien
einer Metalltextur, die ein Verfahren des Aufwachsens
einer Aluminiumschicht zeigen, wenn eine Aluminiumschicht
unter diesen Bedingungen abgelagert wird, wobei Fig. 18a
bis 18d ein Muster A und Fig. 19a bis 19d ein Muster B
zeigen. Wie in Fig. 18a bis 18d gezeigt, werden entsprechend
dem Muster A, das am Punkt A abgelagert ist, der
die Bedingung darstellt, bei der die Reaktionsgastemperatur
höher als die Substrattemperatur ist, gewachsene Kerne
hoher Dichte innerhalb zwei Minuten nach Beginn der Ablagerung
erzeugt (Fig. 18b). Da die Abstände zwischen den
Kernen klein sind, schreitet das Zusammenwachsen der
Kerne innerhalb drei Minuten fort (Fig. 18c), und ein
glatter und kontinuierlicher Film wird innerhalb fünf
Minuten erzielt (Fig. 18d). Es sei bemerkt, daß Fig. 18a
ein Stadium eine Minute nach Beginn der Ablagerung zeigt.
Andererseits wird entsprechend dem Muster B, das am Punkt
B abgelagert ist, bei dem die Gastemperatur niedriger
als die Substrattemperatur ist, wie aus den Zuständen ein,
zwei, drei und fünf Minuten nach Beginn der Ablagerung
wie in Fig. 19a, 19b, 19c und 19d gezeigt ist, die Kerndichte
nicht so stark gesteigert, selbst wenn die Ablagerungszeit
steigt, und es schreitet hauptsächlich nur das
Inselwachstum fort, während fast keinerlei Zusammenwachsen
während einer Ablagerungszeit innerhalb von fünf
Minuten erfolgt. Aus diesem Grund wird eine Al-Schicht
mit einer großen Oberflächengenauigkeit erzielt. In ähnlicher
Weise schreitet das Inselwachstum in dem Bereich
TB < TD zusätzlich zu Punkt B fort.
Wie vorstehend beschrieben, kann bei dem Ablagerungsverfahren
gemäß der Erfindung angenommen
werden, daß, da das erwärmte Reaktionsgas das Substrat bei
niedrigerer Temperatur erreicht, das Gas auf der Substratoberfläche
stark übersättigt ist, um Kerne hoher Dichte
zu erzeugen, wodurch eine glatte Schicht erzielt wird.
Außerdem wird bestätigt, daß die Kerne gleiche Verhalten
zeigen wie das Ergebnis der Kern-Wachstumtheorie von
Volmer et al., wobei ein Modell freier Oberflächenenergie
verwendet wird.
Gemäß dieser Ausführungsform wird das Reaktionsgas selbst
durch die zwei Heizblöcke 30 und 34 erwärmt, um eine
konstante räumliche Temperaturverteilung zu erhalten, und
das dazwischen angeordnete Ablagerungssubstrat wird von
dem Reaktionsgas erwärmt. Aus diesem Grunde werden, verglichen
mit der herkömmlichen Kaltwand-CVD-Methode, die
Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Schichtablagerung
maßgeblich verbessert.
Durch den oben beschriebenen Aluminium-Ablagerungsprozeß
kann Aluminium selektiv lediglich in dem Durchgangsloch
als Silizium-Öffnungsabschnitt, wie in Fig. 3d gezeigt,
abgelagert werden. Die Ablagerungsbedingungen dieser
Ausführungsform sind so, daß D 1 =D 2 = 5 mm, die Gas-Strömungsgeschwindigkeit
ungefähr 20 bis 30 cc/min,
der Druck des Arbeitsgases in jeder der Ablagerungskammern
122 bis 124 0,667 hPa, der Druck in der Hauptkammer 121
ungefähr 6,67 Pa, TD = 320°C und TB = 200°C betrug.
Die Schichtstärke des Aluminiums in dem Durchgangsloch
43 beträgt 500 nm, was die gleiche Stärke wie die der
Siliziumdioxidschicht ist, wodurch man eine ebene Form
erreicht. Eine nach dem herkömmlichen Kaltwand-Typ-CVD-Verfahren
abgelagerte Aluminiumschicht zeigt keine Probleme
hinsichtlich einer Verunreinigung in der Schicht,
da diese unterhalb der Feststellungsgrenzen der Auger-Analyse
liegt. Jedoch liegt der spezifische Widerstand
bei 3,3 µΩ · cm, und die Oberflächenrauhigkeit der Schicht
ist so groß, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Deshalb
ist diese Aluminiumschicht nicht für ein Mikrometer geeignet.
Der Grund hierfür ist, daß in einer anfänglichen
Periode des Schichtwachstums eine Inselbildung auftritt und
dann diese Inseln unter Bildung einer Schicht verbunden
werden. Die Oberflächenrauhigkeit der Schicht wird maßgeblich
durch die Erwärmungstemperatur des Substrats
während der Ablagerung beeinflußt; wenn die Substrattemperatur
verringert wird, wird die Oberflächenrauhigkeit
reduziert. Bei den herkömmlichen Verfahren ist,
wenn eine Schicht unter den besten Bedingungen abgelagert
wird, diese jedoch jenen unterlegen, die mittels anderer
Ablagerungsverfahren wie Aufsprühen oder Vakuumverdampfen
abgelagert werden, soweit die Oberflächenrauhigkeit betroffen
ist.
Nach der Erfindung kann unter Verwendung
zweier Heizblöcke, die einander, wie oben beschrieben,
gegenüberliegen, eine glatte Schicht gebildet werden.
Außerdem kann, wenn die Schichtstärke 100 nm oder mehr
beträgt, ein spezifischer Widerstand von 2,9 µΩ · cm, d. h.
in der Nähe des Häufungs-(spezifischen) Wertes, erreicht werden,
und selbst dann, wenn die Schicht nur ungefähr
50 nm dünn ist, zeigt der Film Leitfähigkeit. Deshalb
wurde gefunden, daß eine kontinuierliche Aluminiumschicht
erreicht wird.
Fig. 3e zeigt einen Zustand, bei dem Aluminium 45 mit der
gleichen Stärke wie der des Siliziumdioxidfilms 42 selektiv
in dem Silizium-Öffnungsabschnitt 43 abgelagert und
dann die Aluminiumschicht 46 auf der gesamten Oberfläche
mittels herkömmlichen Aufsprühens abgelagert wird. Fig. 3e
zeigt auch die Schnittform des Silizium-Öffnungsabschnittes,
der erreicht wird, wenn ein Aluminium-Drahtverbindungsmuster
durch Musterbildung gebildet wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist das die beiden Heizblöcke
30 und 34 verwendete CVD-Verfahren dadurch gekennzeichnet,
daß eine Aluminiumschicht mit glatter Oberfläche
und großer Korngröße mit guter Reproduzierbarkeit,
Gleichmäßigkeit und Selektivität abgelagert werden kann.
Deshalb kann das Durchgangsloch gefüllt werden, um eine
flache Mehrschichten-Verschaltung zu realisieren.
Bei der obigen Ausführungsform wurde die Beschreibung unter
Bezugnahme lediglich auf Triisobutyl-Aluminium vorgesehen.
Es können jedoch als Reaktionsgas andere organische Verbindungen
des Aluminiums wie Trimethylaluminium oder Triethylaluminium
verwendet werden. In diesem Fall kann, da
deren chemische Eigenschaften die gleichen wie die von
Triisobutylaluminium sind, Aluminium in der gleichen
Weise wie oben beschrieben auf einem Substrat abgelagert
werden, indem in gewissem Maße die Ablagerungsbedingungen
geändert werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer CVD-Vorrichtung gemäß der
Erfindung, wie sie in Fig. 13 bis 16 gezeigt
ist, wird nachstehend beschrieben. In dieser Ausführungsform
werden Triisobutylaluminium und Disilan
verwendet, um eine Silizium enthaltende Aluminiumlegierung
abzulagern. In dem sechsten Ausführungsbeispiel, gezeigt
in Fig. 3c bis 3e, wird eine Aluminiumschicht, enthaltend
1 bis 2% Silizium, unter Verwendung organischen Aluminiums
und eines Silangases anstelle der Ablagerung reinen Aluminiums
abgelagert. Das vorliegende Beispiel entspricht
dem zweiten Beispiel. Beispielsweise wird die in Fig. 12
gezeigte Vorrichtung verwendet, die Temperatur des Heizblocks
30 bei ungefähr 600°C gesetzt und die des Heizblocks
34 bei ungefähr 200°C. In diesem Fall kann eine
Aluminiumschicht durch Zerfall von Silangas abgelagert
werden. Es ist jedoch, da die Zerfalltemperatur des Silans
stark unterschiedlich von der Zerfalltemperatur des Triisobutylaluminiums
ist, schwierig, Zerfallbedingungen
mit guter Gleichmäßigkeit zu erreichen. Dieses Problem
kann beseitigt werden, indem man Disilan anstelle von
Silan verwendet, so daß eine siliziumenthaltende Aluminiumschicht
leicht abgelagert werden kann.
In der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung ist D 1 = D 2 =
5 mm, TD = 360°C und TB = 150°C. Disilan strömt bei
30 cc/min, und die übrigen Bedingungen wie Strömungsgeschwindigkeit
des Triisobutylaluminiums sind die gleichen
wie die des sechsten Ausführungsbeispiels. Es ist
zu bemerken, daß der Gasdruck in der Ablagerungskammer
21 ungefähr 1,067 hPa betrug, da er die Summe der Teildrücke
von zwei Gasen darstellte. Unter diesen Bedingungen betrug
die Siliziumkonzentration im Aluminium ungefähr 2%.
Als experimentelles Ergebnis mußte, wenn nur Disilan
strömte und Triisobutylaluminium überhaupt nicht floß,
die Temperatur des Heizblockes 30 bis 400°C oder mehr
gesetzt werden, um zum Ablagern des Siliziums auf dem
Substrat das Disilan zu zersetzen. Wenn jedoch Disilan
und Triisobutylaluminium zur gleichen Zeit strömten,
wurde das Silizium in der Aluminiumschicht bei niedrigerer
Temperatur dotiert, und es stellte sich heraus, daß
Silizium in Prozent-Größenordnung bei ungefähr 350°C
oder mehr erhalten wurde. Wenn die Temperatur TD gesteigert
wird, so wird die Zersetzung des Disilans gefördert
und die Siliziumkonzentration in dem Aluminium abrupt
gesteigert. Daher kann die Siliziumkonzentration willkürlich
durch Steuern der Temperatur der Heizblöcke oder
der Strömungsgeschwindigkeit des Disilans geändert werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann im CVD-Verfahren bei
Verwendung der Heizblöcke 30 und 34, wenn Triisobutylaluminium
und Disilan als Reaktionsgase verwendet werden,
Aluminium, das eine beliebige Menge an Silizium enthält,
abgelagert werden.
Bei diesem Verfahren wird Silizium enthaltendes Aluminium
selektiv aufgewachsen, aber es kann auf einer Gesamtfläche
abgelagert werden, unbeschadet der Materialien des
die Grundlage bildenden Substrats. Da solch ein nicht-selektives
Aufwachs-Verfahren oben unter Bezugnahme auf
das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, kann
eine detaillierte Beschreibung desselben hier unterbleiben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die in Fig. 12 bis
15d gezeigte CVD-Vorrichtung verwendet, um selektiv
Aluminium auf einer Gate-Elektrode, einer Source und
einem Drain eines MOSLSI abzulagern und dadurch den Widerstand
zu verringern.
In diesem Fall werden die in Fig. 9a bis 9j des dritten
Ausführungsbeispiels beschriebenen Schritte verwendet.
Der Unterschied dieses Ausführungsbeispiels gegenüber dem
dritten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß in Fig. 9g
die Aluminiumablagerung unter Verwendung der Vorrichtung,
wie sie in Fig. 12 gezeigt ist, unter Standardbedingungen
wie D 1 = D 2 = 5 mm, TD = 320°C, TB = 200°C und einem
Druck des Arbeitsgases von 0,667 hPa ausgeführt wird; es
wird ein Aluminium mit einer Schichtstärke von ungefähr
100 nm während einer Ablagerungszeit von ungefähr 10 Minuten
gebildet.
Die Wirkung der mittels dieses Ausführungsbeispiels erzielten
Struktur ist die gleiche wie die des dritten Ausführungsbeispiels.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die in Fig. 12 bis
15d gezeigte Vorrichtung verwendet, um eine Elektrode
eines bipolaren LSI und einen Widerstandskörper unter Verwendung
von Polysilizium zu bilden.
In diesem Falle werden die in Fig. 10a bis 10e des vierten
Ausführungsbeispiels gezeigten Schritte verwendet.
Der Unterschied dieses Ausführungsbeispiels zu dem vierten
Ausführungsbeispiel besteht darin, daß in Fig. 10b
die Aluminiumablagerung unter Verwendung der in Fig. 12
gezeigten Vorrichtung unter den Standardbedingungen mit
D 1 = D 2 = 5 mm, TD = 320°C, TB = 200°C und einem
Arbeitsgasdruck von 0,667 hPa erfolgt, und es wird ein
Aluminium mit einer Schichtstärke von ungefähr 100 nm
bei einer Ablagerungszeit von ungefähr 10 Minuten gebildet.
Die Wirksamkeit der mittels dieses Ausführungsbeispiels
erhaltenen Struktur ist die gleiche wie die des vierten
Ausführungsbeispiels.
Die in Fig. 12 bis 15d gezeigte CVD-Vorrichtung kann
wirksam für die chemische Dampfablagerung von gegenüber
Aluminium unterschiedlichen Metallen oder eines Halbleiters
verwendet werden. Beispielsweise kann, wenn die
vorliegende Erfindung für die Ablagerung und insbesondere
das selektive Aufwachsen von Wolfram oder Molybdän verwendet
wird, eine glatte und gute Schicht abgelagert
werden. Im Falle von Wolfram wird Wolfram-Hexafluorid
als Reaktionsgas verwendet, und Wasserstoff, Helium
oder Argon werden als Trägergas eingesetzt. In diesem
Falle wird die Ablagerungsvorrichtung gemäß Fig. 12 verwendet,
und die Ablagerungsbedingungen werden so variiert,
daß D 1 = 3 bis 10 mm, D 2 = 3 bis 10 mm, TD =300 bis
700°C, TB = 200 bis 600°C und der Gesamt-Gasdruck
0,1332 bis 6,667 hPa betragen. Das selektive Wolfram-Aufwachsen
wird durch eine Siliziumreduktion-Reaktion im anfänglichen
Wachstumszeitraum verursacht, aber es wird durch
die Wasserstoffreduktion-Reaktion gefördert, wenn die
Schichtstärke gesteigert wird. Deshalb muß, um eine
stärkere Schicht abzulagern, Wasserstoff als Trägergas
verwendet werden.
Typische Ablagerungsbedingungen betrugen D 1 = D 2 = 5 mm,
TD = 450°C, TB = 300°C, Gesamt-Gasdruck 0,667 hPa und
partieller Druck des Wolfram-Hexafluorids 6,667 Pa. Entsprechend
der Zweckbestimmung wird Wolfram selektiv abgelagert
oder nicht-selektiv auf einer Gesamtfläche abgelagert.
Der Grad der Selektivität hängt von der Adsorptionsenergie
des Arbeitsgases oder der Aktivierungsenergie
der Kernerzeugung, basierend auf dem Grad der
Übersättigung, ab. Deshalb kann, wenn die in Fig. 12
bis 15d gezeigte Vorrichtung zum willkürlichen Auswählen
der Temperaturen der zwei Heizblöcke verwendet wird,
eine Schicht hoch-selektiv abgelagert oder auf einer
Gesamtoberfläche abgelagert werden.
Molybdän kann unter im wesentlichen gleichen Bedingungen
wie jenen im Falle von Wolfram abgelagert werden, mit
dem Unterschied, daß Molybdän-Hexafluorid als Arbeitsgas
verwendet wird. Außerdem kann Molybdän-Pentachlorid als
Reaktionsgas verwendet werden.
Silizid wie Wolframsilizid oder Molybdänsilizid kann
durch Mischen eines Silangases unter den obigen Ablagerungsbedingungen
für reines Metall abgelagert werden.
Polysilizium kann unter Verwendung eines Silangases od. dgl.
als Trägergas bei TD und TB von 400 bis 1100°C abgelagert
werden. Wenn amorphes Silizium abgelagert wird,
werden die Temperaturen der Heizblöcke vorzugsweise weiter
gesenkt. Wenn Disilan als Reaktionsgas verwendet wird, kann
amorphes Silizium bei TD = 400°C abgelagert werden.
Amorphes Silizium wird im allgemeinen häufig als Solarzellen-Werkstoff
verwendet, und wenn es in einem solchen Anwendungsfall
zum Einsatz gelangt, wird vorzugsweise eine
große Wasserstoffmenge in der Schicht enthalten sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann, da die Substrattemperatur
auf eine niedrige Temperatur gesenkt werden kann,
ein gutes amorphes Silizium mit einem hohen Gehalt an
Wasserstoff abgelagert werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann, wenn das Verfahren der
CVD-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf die
Ablagerung nicht nur von Aluminium, sondern auch irgendeinem
anderen Metall oder Halbleiter angewendet wird,
eine Dünnschicht mit guter Glätte realisiert werden.
Auch können die Ablagerungsbedingungen leicht gesteuert
werden, und zwar derart, daß die Selektivität entsprechend
den Anwendungen der Schichtbildung gesteigert wird.,
oder aber auch gesenkt wird, um eine Schicht auf einer
Gesamtoberfläche abzulagern. Weiterhin kann die vorliegende
Erfindung angewendet werden, um den Wasserstoffgehalt
in abgelagerten Schichten zu steigern.
Claims (9)
1. Chemisches Dampf-Ablagerungs(CVD)-Verfahren, bei dem
eine zu beschichtende Oberfläche eines Substrats in
einem geschlossenen Raum angeordnet und ein Reaktionsgas
in diesen eingeleitet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die zu beschichtende
Substratoberfläche in dem geschlossenen Raum
einem Heizblock in vorbestimmtem engem Abstand flächig
gegenüberliegend angeordnet und das Reaktionsgas
bei gegenüber seiner Arbeitstemperatur niedrigerer
Temperatur in den geschlossenen Raum eingeleitet
und durch den Heizblock im engen Bereich zwischen
Heizblockfläche und zu beschichtender Substratoberfläche
erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im Reaktionsgas mindestens
eine organische Aluminiumverbindung eingesetzt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Reaktionsgas Wolframhexafluorid,
Molybdänhexafluorid, eine Gasmischung
aus Wolframhexafluorid oder Molybdänhexafluorid
und einem Silangas, Molybdänpentachlorid
oder ein Gas enthaltend ein Silan oder Disilan eingesetzt
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein
Teil der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats
ein Metall oder ein Halbleiter ist, eine der zu beschichtenden
Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche
ein Isolator ist, das Reaktionsgas eine Metallverbindung
enthält und zwischen den Heizblock
und das Substrat geführt wird, wodurch eine
metallische Dünnschicht selektiv nur auf dem Metall
oder dem Halbleiter der Substratoberfläche abgelagert
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein
weiterer Heizblock mit Bezug auf das Substrat in
einem vorbestimmten Abstand auf einer dem Heizblock
entgegengesetzten Seite angeordnet und so gesteuert
wird, daß er unabhängig von dem ersten Heizblock
eine verschiedene Temperatur aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Block so
gesteuert wird, daß er eine niedrigere Temperatur
als der erste Block aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Reaktionsgas,
das mindestens sowohl ein Gas einer organischen
Aluminiumverbindung als auch ein Gas einer Silizium-Wasserstoff-Verbindung
enthält, eingesetzt wird.
8. Vorrichtung zur chemischen Dampf-Ablagerung (CVD)
nach einem der Ansprüche 1-7, umfassend einen geschlossenen
Raum, eine diesem zugeordnete Heizeinrichtung,
einen Halter für das Substrat und eine Einrichtung
zum Einleiten eines Reaktionsgases, wobei
das Gas zwischen Heizeinrichtung und Substrat geführt
wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizeinrichtung einer zu beschichtenden
Oberfläche des von dem Substrathalter getragenen
Substrats als in einem vorbestimmten engen Abstand
gegenüberliegender flächiger Heizblock ausgebildet
ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß in bezug auf das Substrat
in einem vorbestimmten Abstand ein weiterer
Heizblock auf einer Seite entgegengesetzt dem ersten
Heizblock angeordnet und so gesteuert ist, daß er unabhängig
von dem ersten Heizblock eine unterschiedliche
Temperatur aufweist.
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