DE4005796C2

DE4005796C2 - Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschicht

Info

Publication number: DE4005796C2
Application number: DE4005796A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Mikoshiba; Kazuo Tsubouchi
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2010-02-24
Also published as: GB2229739B; DE4005796A1; FR2643389B1; FR2643389A1; GB2229739A; US4989541A; JPH02222134A; GB9003602D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschicht, die insbesondere nach dem chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren oder CVD Verfahren arbeitet. Auf dem Gebiet der Elektronik ist als eine der Vorrichtungen zur Bildung einer Dünnschicht auf einem Substrat eine Vorrichtung bekannt, die nach dem CVD Verfahren arbeitet.

Das CVD Verfahren, das ein Abscheidungsverfahren ist, das eine chemische Reaktion verwendet, ist als ein geeignetes Verfahren zum Bilden einer Dünnschicht hoher Qualität anzusehen, die nur schwer zur beschädigen ist und im Vergleich mit physikalischen Abscheidungsverfahren, wie beispiels weise der Dampfabscheidung und dem Aufdampfen, eine gute Stufenüber deckung zeigt. Verglichen mit einem epitaxialen Molekularstrahlverfahren MBE, das ein hohes Vakuum benötigt, ist bei einer CVD Vorrichtung ein derartiges hohes Vakuum nicht notwendig, kann eine mit geringeren Kosten verbundene Vorrichtung verwandt werden und ist daher eine Massenproduktion möglich.

Es gibt jedoch noch gewisse Schwierigkeiten, die zu überwinden sind, um mit der CVD Vorrichtung Dünnschichten mit höherer Qualität zu bilden. Diese Schwierigkeiten sind die folgenden:

Fig. 4 und 5 der zugehörigen Zeichnung zeigen Gasströmungsmuster in einer herkömmlichen Vorrichtung zum Bilden von Dünnschichten oder Dünnfilmen mit der CVD-Vorrichtung. In Fig. 4 und 5 sind eine Reaktionskammer 1, eine Zuführeinrichtung 2 zur Zufuhr von Materialgas, ein Substrat 3, ein beheizbarer Substratträger 4 zum Halten und Erhitzen des Substrats und der Materialgas strom 7 von der Zuführeinrichtung 2 dargestellt.

Fig. 4 zeigt das Muster eines Gasstromes, wenn der Träger 4 nicht erhitzt ist und auf der üblichen Raumtemperatur (20°C) gehalten ist. Die Vorrichtung ist so ausgebildet, daß der Materialgasstrom annähernd das Substrat erreicht, sofern der Träger 4 nicht erhitzt wird. Wenn jedoch der Träger 4 erhitzt wird (400°C), um die chemische Reaktion zu fördern, dann tritt im Muster des Materialgasstromes aufgrund der Wärmekonvektion eine Turbulenz auf. Das hat zur Folge, daß die gewünschte Zuführung unmöglich ist, was die Qualität des niedergeschlagenen Filmes beeinträchtigt, beispielsweise zu einer Ungleichmä ßigkeit des Filmes führt, und die Erzeugung von Poren im Film zur Folge hat, die durch Kerne verursacht werden, die in der Gasphase erzeugt werden.

Es ist in der jüngsten Zeit eine CVD-Vorrichtung vorgeschlagen worden, die mit einem verringerten Druck arbeitet, um den oben erwähnten Nachteil einer Reaktionsanordnung mit normalem Druck zu beseitigen. Diese Weiterentwick lung beruht auf der Unterdrückung der Wärmekonvektion, indem der Druck in der Reaktionskammer und die Auftriebswirkung herabgesetzt werden.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die Formen der Materialgasströmung unter einem verringerten Druck.

In Fig. 6, die den Gasstrom 7 zeigt, während der Träger 4 nicht erhitzt ist und auf der üblichen Raumtemperatur (20°C) gehalten ist, treten bereits zirkulie rende Wirbel auf. Das wird dadurch hervorgerufen, daß aufgrund der Tatsache, daß die Geschwindigkeit des Materialgasstromes von der Zuführeinrichtung 2 größer als bei normalem Druck ist, der Rückprall vom Träger 4 sehr groß ist.

In Fig. 7, die den Gasstrom 7 zeigt, während der Träger 4 erhitzt ist (1000°C), werden so große Wirbel erzeugt, daß das Gas, das die Nähe des Substrates auf dem Träger erreicht hat, infolge der zusätzlichen Auftriebswirkung erneut aufsteigt, die durch die Wärmekonvektion erzeugt wird.

Wie es oben beschrieben wurde, können Turbulenzen im Materialstrom nicht vollständig dadurch beseitigt werden, daß einfach der Druck im Inneren der Reaktionskammer herabgesetzt wird. Nur durch die Verwendung einer Reaktionskammer mit verringertem Druck in der CVD-Vorrichtung können daher Turbulenzen im Materialgasstrom nicht unterdrückt werden, und kann eine Beeinträchtigung der Film- oder Schichtqualität aufgrund von Gasstromturbu lenzen nicht vermieden werden.

Da eine Herabsetzung des Druckes weiterhin dazu führt, daß sich der Materialgasstrom durch die Reaktionskammer ausdehnt, wird der Reaktions behälter durch das Materialgas verunreinigt und wird der Reaktionsbehälter seinerseits das Materialgas verunreinigen.

Um eine Dünnschicht oder einen Dünnfilm mit hoher Qualität in einer Reaktionsanordnung mit verringertem Druck zu bilden, ist es unter diesen Umständen unabdingbar, ein neues Verfahren anzuwenden, das es erlaubt, den Gasstrom so zu steuern, daß das Materialgas mit der Wand der Reaktions kammer nicht in Berührung kommt.

Aus der JP 62-37374 A, Patent Abstracts of Japan, C-435, 18. Juli 1987, Band 11, Nr. 222, ist eine Vorrichtung zur Dünnschichtherstellung bekannt, bei der um den Umfang eines Materialgas-Zuführrohrs herum mehrere Steuergas- Zufuhrrohre in gleichen Umfangsabständen angeordnet sind. Durch die Steuergas-Zufuhrrohre werden einzelne Steuergas-Teilströme in die Reaktions kammer abgestrahlt, um das Entstehen von Verwirbelungen des Materialgas stroms zu unterdrücken. Solche Verwirbelungen können einen Abriß der gleichmäßigen Materialgasströmung zur Folge haben und die Qualität der herge stellten Dünnschicht verschlechtern. Obwohl diese bekannte Ausbildung bereits qualitätsmäßig verbesserte Dünnschichten ermöglicht, hat es sich gezeigt, daß durch die diskreten Steuergas-Teilströme insbesondere nicht das Problem voll ständig beseitigt wird, daß das Materialgas mit den Begrenzungswänden der Reaktionskammer in Kontakt gelangt und hierdurch verunreinigt wird.

Der Erfindung liegt demnach das technische Problem zugrunde, eine Vor richtung zur Dünnschichtherstellung zu schaffen, die durch weitestgehende Vermeidung von Turbulenzen im Materialgasstrom und weitestgehende Vermeidung von Kontakten zwischen dem Materialgasstrom und den Begrenzungswänden der Reaktionskammer die Herstellung qualitativ hoch wertiger Dünnschichten ermöglicht.

Bei der Lösung dieser Problemstellung geht die Erfindung von einer Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschicht aus, umfassend ein in einer Reaktions kammer angeordnetes Substrat, eine Materialgas-Zuführungseinrichtung zum Bereitstellen eines auf das Substrat gerichteten Materialgasstroms sowie eine Steuergas-Zuführungseinrichtung zum Bereitstellen eines Steuergasstroms zur Strahlformung des Materialgasstroms.

Erfindungsgemäß ist bei einer solchen Vorrichtung vorgesehen, daß der Steuergasstrom den von der Materialgas-Zuführungseinrichtung bereitgestellten Materialgasstrom vollständig umschließt und daß die bereitgestellte Steuergas menge größer als die bereitgestellte Materialgasmenge ist.

Der den Materialgasstrom umschließende Steuergasstrom verhindert das Auftreten von Turbulenzen, die durch Wärmekonvektion hervorgerufen werden können. Weil der Steuergasstrom den Materialgasstrom vollständig umschließt, ist zudem sichergestellt, daß der Materialgasstrom auf seinem Weg von der Materialgas-Zuführungseinrichtung zum Substrat nicht an die Begrenzungs wände der Reaktionskammer prallt und durch Kontakt mit denselben ver unreinigt wird. Entsprechend hochwertige Dünnschichten sind die Folge.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1A ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor richtung,

Fig. 1B eine Draufsicht auf eine Steuergaszuführungseinrichtung,

Fig. 1C eine Schnittansicht einer Steuergaszuführungseinrichtung und einer Materialgaszuführungseinrichtung,

Fig. 1D eine Draufsicht auf die Zuführungseinrichtungen von Fig. 1C,

Fig. 2 und 3 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung,

Fig. 4 und 5 Gasströmungsmuster in einer herkömmlichen Vorrichtung zum Bilden einer Dünnschicht bei normalem Druck und

Fig. 6 und 7 die Gasströmungsmuster in einer Vorrichtung zum Bilden einer Dünnschicht bei verringertem Druck.

In den Fig. 1A und 1B, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen, sind gleiche oder ähnliche Bauelemente wie in den Fig. 4 bis 7 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es sind somit eine Reaktionskammer 1, eine Zuführungseinrichtung 2 zum Zuführen eines Materialgases, ein Substrat 3, ein Heizträger 4 und ein den Träger haltender Tisch 5 dargestellt. Um die Zuführungseinrichtung 2 herum ist eine Steuergaszuführungseinrichtung 6 angeordnet, die ein Steuergas so abgibt, daß es den Materialgasstrom umschließt, der von der Zuführungsein richtung 2 abgegeben wird. Obwohl Einzelheiten der Materialgaszuführung, der Materialgasabführung und der Steuergaszuführung nicht dargestellt sind, sind entsprechende Einrichtungen zu diesem Zweck vorgesehen. Die Zuführungsein richtung 6 weist in der in Fig. 1B dargestellten Weise eine ringförmige Gasaustrittsöffnung 6a auf, die im wesentlichen konzentrisch zur Zuführungs einrichtung 2 angeordnet ist.

Der Materialgasstrom 7, der von der Zuführungseinrichtung 2 zum Substrat 3 hin abgegeben wird, wird vom Gasstrom 8 umgeben, der von der Steuergaszu führungseinrichtung 6 abgegeben wird, und zu einem Strahl geformt. Im folgenden wird der Materialgasstrom 7 als Quellenstrom bezeichnet, während der Steuergasstrom 8 als Mantelstrom bezeichnet wird, um die erfindungs gemäße Ausbildung deutlich zu machen.

Das Gas, das den Quellenstrom 7 bildet, ist ein Materialgas zum Aufwachsen einer CVD Dünnschicht oder eines CVD-Dünnfilmes. Es kann irgendein Gas einschließlich eines Materialgases auf Siliziumbasis, wie beispielsweise SiH₄, Si₂H₆ usw., sein, wenn eine Dünnschicht oder ein Dünnfilm auf Siliziumbasis gebildet werden soll, oder es kann irgendein Gas einschließlich eines Material gases der Gruppe III, wie beispielsweise TM, TMG usw., oder ein Mischgas aus einem Materialgas der Gruppe V, wie beispielsweise AsH₃ und NH₃ mit dem oben genannten Materialgas der Gruppe III sein, wenn eine Dünnschicht oder ein Dünnfilm der Gruppen III/V gebildet werden soll. Bei der Bildung einer Dünnschicht oder eines Dünnfilmes der Gruppe II/VI kann das Materialgas ein Gas, das Materialgas der Gruppe II einschließt, oder ein Mischgas sein, das Materialgas der Gruppe VI einschließt.

Das Materialgas kann mit anderen Worten irgendein Gas sein, das ein bestimmtes Material des Filmes oder der dünnen Schicht umfaßt, der oder die auf dem Substrat niedergeschlagen werden soll.

Das bevorzugte Gas zum Bilden des Mantelstromes 8 ist beispielsweise H₂-Gas, Ar-Gas oder N₂-Gas. Bei den Gruppen II/V und II/VI ist ein Gas, das ein Gas der Gruppe V einschließt, und ein Gas, das ein Gas der Gruppe VI einschließt, jeweils akzeptabel. In jedem Fall verhindert der Mantelstrom 8 eine Turbulenz in der Strömung, die durch einen Rückstoß des Quellenstromes 7 verursacht wird.

Um die Gasströmungssteuerung für den oben angegebenen Zweck zu verwirklichen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein.

Zunächst muß die Strömungsmenge des Mantelstromes 8 größer als die des Quellenstromes 7 sein. Es ist bevorzugt, daß die Menge des Mantelstromes so groß ist, daß sie mehrere Zehnfache der Quellenstrommenge beträgt.

Bei einem speziellen Beispiel, bei dem eine Reaktionskammer mit einem Durchmesser von etwa 60 mm bei einer Verdrängung von 0,8 l/s annähernd unter einem Druck von 66,5 mbar (50 Torr) verwandt wird, wobei der Durchmesser des Trägers annähernd 54 mm beträgt, liegt der Mantelstrom bei 3000 Norm-cm³/min und der Quellenstrom bei 110 Norm-cm³/min.

Zusätzlich zu dem obigen Erfordernis bezüglich der Gasströmungsmengen müssen die Gasströmungsgeschwindigkeiten am jeweiligen Teil der Reaktions kammer derart sein, daß die Geschwindigkeit des Quellenstroms an einem Punkt A unmittelbar nach dem Austritt aus der Zuführungseinrichtung 2 größer als die und vorzugsweise gleich dem 1,5fachen der Geschwindigkeit des Mantelstromes am Punkt B ist. Die Gesamtströmungsgeschwindigkeit am Punkt C ist im wesentlichen gleich der am Punkt B. Weiterhin ist es notwendig, daß die Gesamtströmungsgeschwindigkeit am Punkt D, d. h. an einem Spalt 9, der zwischen der Reaktionskammer und dem Träger begrenzt ist, wesentlich größer als die Strömungsgeschwindigkeit am Punkt C ist und vorzugsweise einige Zehnfache dieser Geschwindigkeit beträgt.

Bei einem weiteren speziellen Beispiel mit der gleichen Reaktionskammer, die einen Durchmesser von etwa 60 mm hat, wie es oben beschrieben wurde, und mit einer Verdrängung von 0,8 l/s annähernd bei einem Druck von etwa 66,5 mbar (50 Torr), wobei der Durchmesser des Trägers etwa 54 mm beträgt, liegt die Quellenstromgeschwindigkeit am Punkt A bei annähernd 12 cm/s, liegt die Mantelstromgeschwindigkeit am Punkt B bei etwa 9 cm/s, beträgt die Gesamtströmungsgeschwindigkeit am Punkt C annähernd 9 cm/s und liegt die Gesamtströmungsgeschwindigkeit am Punkt D im Spalt 9 bei annähernd 49 cm/s.

Der Druck im Inneren der Reaktionskammer kann insoweit verändert werden, als sich der Quellenstrom nicht über die gesamte Reaktionskammer ausdehnt, wobei es ausreicht, daß die oben angegebenen Beziehungen zwischen den Quellen- und Mantelstrommengen und zwischen den Strömungsgeschwindig keiten an den Punkten A, B, C und D erfüllt sind.

Bei der oben beschriebenen Gasströmungssteuerung tritt keine Turbulenz im Gasstrom selbst dann auf, wenn das Substrat auf etwa 1000°C oder mehr erhitzt wird, und ist kein Kontakt des Materialgases mit der Wandfläche der Reaktionskammer festzustellen.

Wenn insbesondere der Zwischenraum zwischen der Wandfläche der Reaktionskammer 1 und dem Träger 4 schmal ausgebildet wird, so daß sich ein Spalt 9 ergibt, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, dann wird der Quellen strom des Materialgases, der die Substratoberfläche erreicht hat, einmal in seitlicher Richtung ausgedehnt und anschließend an der Stelle des Spaltes beschleunigt, so daß er schnell in den Spalt eingesaugt und abgesaugt wird. Der schmale Spalt 9 bewirkt daher, daß eine Wärmekonvektion verhindert wird, die durch die Wärme vom erhitzten Substrat verursacht werden könnte.

Die Fig. 1C und 1D zeigen eine Abwandlungsform des in den Fig. 1A und 1B dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem die Zuführungseinrichtung 2 im wesentlichen konzentrisch durch eine Zuführungseinrichtung 6' hindurchgeht.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer konischen Reaktions kammer 1. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es erforderlich, daß die Mantelstrommenge größer als die Quellenstrommenge ist, wie es bei den in den Fig. 1A bis 1D dargestellten Ausführungsbeispielen der Fall ist. Was die Strömungsgeschwindigkeit an den verschiedenen Teilen der Reaktionskammer anbetrifft, so ist es weiterhin notwendig, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Materialgases, das von der Sprüheinrichtung 2 ausgestoßen wird, an einem Punkt E größer als die Geschwindigkeit des Mantelstromes an einem Punkt F ist.

Dadurch, daß bei diesem Ausführungsbeispiel eine konische Reaktionskammer vorgesehen ist, ist der Gesamtstrom am Punkt G langsamer als am Punkt F. Das hat zur Folge, daß das Strömungsmuster des Quellenstromes 7 keine Schulter (seitlich verlaufender Teil) aufweist, die beim Strömungsmuster des Quellenstromes 7 bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1A bis 1D vorgesehen ist, und gleichmäßig, d. h. stufenlos in Form eines Strahles, auf die Substratoberfläche verläuft.

Auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Reaktionskammer seitlich über das Substrat 3, um eine bessere Unterdrückung der Wärmekonvektion über dem Substrat zu sichern. Die Lage des Substrates 3 kann weiterhin über den Tisch 5 eingestellt werden, um die Breite des Spaltes 9 zu verändern. Die Gesamtströmungsgeschwindigkeit am Punkt H im Spalt 9 kann daher problemlos so eingestellt werden, daß der Überschuß der Geschwindigkeit am Punkt H bezüglich der Gesamtströmungsgeschwindigkeit am Punkt G zu jedem Zeitpunkt nach Maßgabe der Substrattemperatur eingestellt werden kann, um für einen ausreichenden angemessenen Wert zu sorgen, der eine Wärmekonvektion wirksam verhindert.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel mit einer Reaktionskammer, die einen Durchmesser von etwa 20 mm am Kammerhals hat, deren Länge etwa 70 mm im geraden zylindrischen Abschnitt längs des Kammerhalses beträgt, deren konische Länge etwa 80 mm im konischen Teil beträgt, deren Durchmesser am unteren Ende des konischen Teils bei etwa 40 mm liegt und deren Durchmesser am vergrößerten zylindrischen Teil K 100 mm beträgt, wobei die Verdrängung etwa 0,4 l/s bei verringertem Druck von etwa 133 mbar (100 Torr) beträgt und die Quellenstrommenge bei 110 Norm-cm³/min und die Mantelstrommenge bei 3000 Norm-cm³/min liegt, ergibt sich ein Gasstrahl, wie er durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Selbst wenn das Substrat auf 1000°C oder mehr erhitzt wird, tritt keine Turbulenz im Gasstrom auf und wird kein Kontakt mit dem Materialgas und der Reaktionskammer festgestellt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Plasma CVD-Vorrichtung. Dieses Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen gleich dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß ein Plasmaanregungsteil 10 vorgesehen ist. Der Plasmaanregungsteil 10 kann eine Hochfrequenzentladung, eine Mikrowellenentladung, eine ECR-Entladung usw. verwenden. Die Mikrowellenentladung wird in solchen Druckbereichen bevorzugt, in denen der Quellenstrom und der Mantelstrom stabil gebildet werden können.

Wenn der Gasstrom durch die Plasmaentladung angeregt wird, nehmen die Verunreinigungsquellen durch Moleküle, Atome, Ionen, Elektronen, aktive Radikale usw. im aktiven Gas im allgemeinen zu, die mit der Wandoberfläche der Reaktionskammer in Berührung gelangen. Die erfindungsgemäße Aus bildung, bei der der Gasstrom in Form eines Strahles gesteuert wird, führt jedoch dazu, daß keine Turbulenz im Gasstrom auftritt und das Materialgas niemals mit der Wandoberfläche der Reaktionskammer in Berührung kommt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bilden einer Dünnschicht werden somit wirksam eine Turbulenz im Materialgasstrom und ein Kontakt zwischen dem Materialgas und der Wandoberfläche der Reaktionskammer verhindert, was sicherstellt, daß eine Dünnschicht mit hoher Qualität niedergeschlagen wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschicht, umfassend

1. ein in einer Reaktionskammer (1) angeordnetes Substrat (3),
2. eine Materialgas-Zuführungseinrichtung (2) zum Bereitstellen eines auf das Substrat (3) gerichteten Materialgasstroms (7) sowie
3. eine Steuergas-Zuführungseinrichtung (6) zum Bereitstellen eines Steuergasstroms (8) zur Strahlformung des Materialgasstroms

dadurch gekennzeichnet, daß der Steuergasstrom (8) den von der Materialgas-Zuführungseinrichtung (2) bereitgestellten Materialgasstrom (7) vollständig umschließt und daß die bereitgestellte Steuergasmenge größer als die bereitgestellte Materialgasmenge ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergas-Zuführungseinrichtung (6) eine ringförmige Austrittsöffnung aufweist, die im wesentlichen konzentrisch zur Materialgas-Zuführungs einrichtung (2) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer (1) zwischen dem Substrat (3) und einer benachbarten Begrenzungswand der Reaktionskammer (1) zur Be schleunigung, An- und Absaugung des Materialgasstroms (7) ein schmaler Spalt (9) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Reaktionskammer (1) einen konisch verlaufenden Querschnitt aufweist, der sich allmählich in Richtung des Gasstroms erweitert, und daß die Strömungsgeschwindigkeit des Materialgases im Zuführungsbereich in die Reaktionskammer (1) größer als die des Steuergases ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1) einen gaszuführungsnahen Teil mit kleinem Durchmesser, einen daran anschließenden konischen Teil sowie einen an den konischen Teil anschließenden Teil mit großem Durchmesser aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Einrichtung (10) zur Plasmaanregung des Materialga ses und/oder des Steuergases vorgesehen ist.