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