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WO2003031677A1 - Verfahren und vorrichtung zum abscheiden einer vielzahl von schichten auf einem substrat - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum abscheiden einer vielzahl von schichten auf einem substrat Download PDF

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Publication number
WO2003031677A1
WO2003031677A1 PCT/EP2002/010051 EP0210051W WO03031677A1 WO 2003031677 A1 WO2003031677 A1 WO 2003031677A1 EP 0210051 W EP0210051 W EP 0210051W WO 03031677 A1 WO03031677 A1 WO 03031677A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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process chamber
gas
solvent
substrate
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/010051
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English (en)
French (fr)
Other versions
WO2003031677B1 (de
Inventor
Markus Schumacher
Original Assignee
Aixtron Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10206984A external-priority patent/DE10206984A1/de
Application filed by Aixtron Ag filed Critical Aixtron Ag
Priority to EP02779322A priority Critical patent/EP1434897A1/de
Publication of WO2003031677A1 publication Critical patent/WO2003031677A1/de
Publication of WO2003031677B1 publication Critical patent/WO2003031677B1/de
Priority to US10/820,089 priority patent/US20040255856A1/en

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/4401—Means for minimising impurities, e.g. dust, moisture or residual gas, in the reaction chamber
    • C23C16/4408—Means for minimising impurities, e.g. dust, moisture or residual gas, in the reaction chamber by purging residual gases from the reaction chamber or gas lines
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/54—Apparatus specially adapted for continuous coating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
    • H01L21/67253—Process monitoring, e.g. flow or thickness monitoring

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for depositing a number of layers on a substrate by means of gaseous starting materials.
  • WO 01/14619 A1 describes a device for the deposition of, in particular, silicon carbide or silicon germanium carbite.
  • WO 01/61071 describes a device by means of which OLED "S or similar layer structures can be applied to a substrate.
  • WO 01/57289 A1 relates to a device for depositing one or more layers onto a substrate, liquid or solid substances being used as the starting material, which are introduced into the process chamber in gaseous form.
  • deposition processes are used for the layer deposition of electrodes and dielectrics (here especially oxidic dielectrics), which usually run sequentially in different deposition systems (chambers) and usually also on different deposition methods (physical, such as PVD or chemical processes (MOD); here specifically chemical vapor deposition, CND for short, or MOCVO (metal-organic chemical vapor deposition)).
  • the invention has for its object to develop an apparatus and a ner driving that reduces, bypasses and eliminates the disadvantages mentioned above.
  • the task is solved by depositing the layer structure without changing into other deposition systems or chambers.
  • the layers are deposited in a single process chamber in successive process steps by merely changing the gas phase composition and / or the substrate temperature.
  • the layer sequence comprises in particular at least one oxide layer, on which a metal layer or a metal layer, on which an insulating layer and a metal layer is applied.
  • the ner driving is also characterized in that the process chamber is pumped out between the individual process steps and / or is flushed with inert gas. This brings the pressure inside the process chamber to a value that is considerably lower than the process pressure.
  • the walls of the process chamber can be tempered in different ways. When changing the gas phase, the process chamber can be flushed with noble gases, Ar, He, H 2 or ⁇ 2 .
  • the substrate holder on which the substrate is located and a gas inlet element arranged above the substrate holder can be brought to an optimal process temperature.
  • the process chamber walls through which the gas can escape can also be brought to the required temperature in this way. This avoids condensation of the starting materials introduced in gaseous form into the gas phase, which can also disintegrate there.
  • the gas phase is individually tempered by the actively heated wall of the process chamber or by the wall of the process chamber heated by means of heat conduction, so that the required gas phase reactions between the starting materials or the decomposition of the starting materials is optimized.
  • the gas inlet system can also be cooled in some areas so that pre-disassembly or pre-reactions are prevented.
  • the deposited layers have different tasks.
  • the metallic layer serves as an electrode.
  • the metal layers are contacted in a known manner in the process steps following the coating step, in which, among other things, the substrate is divided.
  • substrates are alternately coated with conductive and insulating layers in a multi-process chamber in a sequential, non-reactive CVD coating.
  • the process chamber consists of a vacuum-tight chamber, a temperature-controlled substrate holder, a gas inlet element and a gas outlet element to which a pump is connected.
  • the substrate holder like the ceiling of the process chamber opposite the substrate holder, can be tempered. This can be done using an electrical resistor, infrared radiation or electromagnetic high frequency. A necessary cooling can be done with a liquid medium (H2O or similar).
  • the process chamber walls can also be heated in this way.
  • the substrate holder can also be driven in rotation via a rotary drive.
  • the substrate holder itself can again have rotationally driven substrate carrier plates which circle like a planet around the center of the substrate holder.
  • the temperature measurement in the substrate holder can be carried out by means of a thermocouple, the supply of which is carried out through the rotating union.
  • the process chamber preferably has intermediate volumes in the region of the surfaces which define and delimit the geometry of the reaction chamber. There is a gas in each of these intermediate volumes. It can also be the process gas.
  • the pressure in the intermediate volumes as well as the gas composition in the intermediate volumes can be adjusted. As a result, the thermal conductivity of the intermediate volumes can be set. This allows the temperature of the process chamber walls to be checked.
  • the walls of the two volume can be very thin, inert quartz glass plates. It is also provided that such plates are thermally coupled to the walls.
  • the gases in the intermediate volumes can have different gas compositions, for example hydrogen and nitrogen. Water cooling is also provided.
  • the process gases are introduced into the process chamber in a pulsed manner.
  • the process gases can be generated from liquid or solid starting substances.
  • they can come from evaporators.
  • They are brought into a gaseous state by tempering.
  • the transition from liquid starting materials into the gas phase is preferably carried out by non-contact evaporation.
  • a gas stream can also flow through the liquid containers in which the liquid starting materials are located.
  • the carrier gas stream then saturates with the gas of the starting material.
  • a thermal coupling of the process chamber ceiling or process chamber walls can be provided via a gas gap to a heat sink or to a heat source.
  • Parasitic memory effects between different deposition sequences are avoided by pumping down the process chamber to a pressure below the process pressure. However, the pressure should not fall below the base pressure of the system. Residual contamination by chemical substances from previous process sequences is preferably monitored by measurement using a residual gas analyzer.
  • the layer thickness can be monitored in situ during the process using an optical method.
  • it is provided to track the layer thickness growth using in situ ellipsometry.
  • the invention proposes a device and a method in which a complete MIM structure or at least parts of this structure can be produced in a single apparatus and in a single process step.
  • the conductive (electrodes) and insulating layers (dielectrics, oxidic dielectrics) are produced here in particular according to the so-called sequential hetero wafer MOCVD process.
  • the electrode / insulator layer system is applied in only one process chamber, in which the substrate to be coated remains in this one process chamber during the entire process flow without changing to other process chambers.
  • the process chamber is designed for minimal dead volumes.
  • the contamination between the process sequences can be reduced to a minimum by pumping down the process chamber to a pressure lower than the process pressure (but minimally the base pressure of the process chamber). Residual impurities are monitored using a so-called RGA or residual gas analyzer. A continuous gas flow in a preferred direction is advantageous.
  • organometallic starting substances In the deposition of (oxidic) dielectrics and electrodes, organometallic starting substances (precursors) are usually used, which in the most general case are in the vapor pressure and also in the decomposition differentiate behavior. These precusors are either evaporated directly via so-called “bubblers” and introduced into the process chamber or introduced into one or more heated volumes (ina) (evaporator) via the solution of the precusors in a suitable solvent as a liquid / solid solution and introduced into the process chamber for reaction on the substrate to be coated. These precusors often have a very narrow process window between condensation and decay, which requires an exact temperature control of all bounding walls.
  • intermediate volumes are introduced, which are adjustable in pressure and heat conduction, and are coupled to very thin, inert (eg quartz glass) walls facing the interior of the process chamber.
  • the inner walls are thus tempered by heat transfer from the temperature-controlled process chamber outer wall via an intermediate thin volume which is adjustable in the heat conduction to the inner, thin inner wall facing the process chamber.
  • the thermal conductivity properties of the intermediate volumes are set via a gas mixture of at least two gases with different thermal conductivity coefficients, which can also be freely adjusted in pressure. Different areas of the walls and the gas inlet can be tempered differently.
  • FIG. 1 A first embodiment of a CND system for performing the method.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a CND system for performing the method.
  • the device shown in the drawings has a process chamber 6 which is enclosed on all sides.
  • the process chamber 6 has a feed line which leads to a gas inlet element 7.
  • This feed line can either be used to feed a process gas or a process gas mixed with a carrier gas into the process chamber 6 or a purge gas through the line 5.
  • the gas inlet member 7 consists of a flat cylindrical hollow body, the bottom of which has a plurality of openings arranged in a sieve shape, from which the gas can flow into the process chamber 6.
  • a substrate holder 8 In a spaced position parallel to the gas inlet element 7, there is a substrate holder 8 for receiving a substrate.
  • a heater 12 This heater can be an HF heater or an IR heater.
  • the substrate holder 8 can namely be heated up to a temperature at which the process gases decompose.
  • the walls of the process chamber housing 11 can also have heaters 13 in order to heat the walls.
  • the wall temperature is lower than the temperature of the substrate holder 8.
  • a gas discharge line is located below the substrate holder 8. By means of this discharge, the unused gas is pumped out of the process chamber 6 by a pump 10. There is a residual gas analyzer 9 in the gas discharge line, which analyzes the composition of the gas pumped out of the process chamber 6 by mass spectrometry.
  • a first source for providing an organometallic compound for example an organometallic platinum compound for depositing the first metallization layer
  • a second source which contains a barium strontium titanium oxide, a so-called perovskite, for depositing a dielectric
  • a third source for example a contains organometallic ruthenium compound for the deposition of the second metallization layer.
  • the organometallic compounds can be dissolved in a solvent.
  • a tank into which carrier gas is introduced through a feed line 4.
  • the tank acts as a wash bottle.
  • the liquid in the tank is pressed through an ascending pipe into an evaporator 2.
  • the organometallic connection converted into a gas or the BST connection is fed to the gas inlet element 7 via a pipeline which can be closed by means of a valve 3.
  • a metal layer is deposited on the substrate lying on the substrate holder 8 by a Solvent dissolved organometallic material containing platinum is brought into a gas form.
  • the substrate is preferably made of silicon.
  • the starting material is fed together with the solvent to the shower head-like gas inlet member 7 and brought into the process chamber 6 through the openings of the gas inlet member 7.
  • a suitable gas phase transport brings the gas to the hot substrate holder 8, where a decomposition reaction takes place on the surface.
  • a platinum layer is formed on the substrate as a reaction product.
  • the valve 3 is closed and an inert gas is introduced into the process chamber through the line 5.
  • the pump 10 can lower the internal pressure in the process chamber 6 several times, so that an increased gas exchange takes place.
  • the residual gas fraction is measured spectrometrically by means of the residual gas analyzer 9.
  • the concentration of the solvent and the concentration of the organometallic compound are measured. If the concentration of the measured residual gas falls below a limit, the purging process is completed.
  • the rinsing process is followed by a second process step in which, instead of the organometallic platinum compound, a barium-strontium-titanium-oxygen compound, a so-called perovskite, is introduced into the process chamber 6 through the gas inlet element 7. It is important that the process chamber 6 is essentially solvent-free before the introduction of this gas, which deposits a dielectric, since the BST compound reacts very sensitively to solvents in the gas phase.
  • a barium-strontium-titanium-oxygen compound a so-called perovskite
  • the stoichiometry of the barium strontium titanium oxide can be set by means of a suitable temperature or by means of suitable other process parameters.
  • the dielectric of the dielectric layer can thus be influenced.
  • a ferroelectric material can also be deposited.
  • the gas flow is closed by closing a valve. Thereafter, as described above, the process chamber 6 is flushed, the output of the pump also being able to be briefly increased in order to lower the total pressure within the process chamber 6.
  • the residual gas fraction is also examined here spectrometrically by means of the residual gas analyzer 9.
  • the oxygen concentration in the gas phase is monitored. If this falls below a limit, the rinsing process is ended.
  • the second process step is followed by a third process step, which is essentially carried out in the same way as the first process step, except that an organometallic compound containing ruthenium is chosen instead of an organometallic compound containing platinum.
  • the process chamber 6 can also be rinsed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Vielzahl von Schichten auf einem Substrat mittels gasförmiger Ausgangsstoffe, wobei die Schichten in einer einzigen Prozesskammer in aufeinander abfolgenden Prozessschritten abgeschieden werden. Die Gasphasen-Zusammensetzung und/oder die Substrattemperatur wird ohne zwischenzeitiges Öffnen der Prozesskammer variiert, so dass Schichten verschiedenartiger Qualität in einer Depositionskammer nacheinander abgeschieden werden können.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden einer Vielzahl von Schichten auf einem Substrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Abscheiden einer Nielzahl von Schichten auf einem Substrat mittels gasförmiger Ausgangsstoffe.
Eine Vorrichtung zum Abscheiden insbesondere von Silicium-Karbit oder Sili- cium-Germaniumkarbit beschreibt die WO 01/14619 AI.
Die WO 01/61071 beschreibt eine Vorrichtung, mittels welcher OLED"S oder ähnliche Schichtstrukturen auf ein Substrat aufbringbar ist.
Die WO 01/57289 AI betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden ein oder meh- rerer Schichten auf ein Substrat, wobei als Ausgangsstoff flüssige oder feste Stoffe Verwendung finden, die gasförmig in die Prozesskammer eingebracht werden.
Im Bereich integrierter MIM Strukturen (Metal-Insulator-Metal) in hochinte- grierten CMOS Bauelementen werden zur Schichtdeposition von Elektroden und Dielektrika (hier speziell oxidische Dielektrika) Abscheideverfahren verwendet, die in der Regel sequentiell in verschiedenen Abscheidesystemen (Kammern) verlaufen und üblicherweise auch auf unterschiedlichen Depositi- onsmethoden (physikalisch, wie PVD oder auch chemische Verfahren (MOD); hier speziell Chemische Gasphasenabscheidung, kurz CND oder auch MOCVO (Metal-Organische Chemische Gasphasenabscheidung) basieren. Neben der Notwendigkeit eines extrem hohen Automatisierungsgrades beim Transport der zu prozessierenden Substrate zwischen den verschiedenen Prozesskammern, ergibt sich aufgrund der Komplexität ein erhöhter Nachteil hin
sichtlich der Prozessstabilität, aber auch der "Cost of Ownership" bei der Unterhaltung der verschiedenen Depositionssysteme. Beim Transport der zu beschichtenden Substrate zwischen den einzelnen Prozesskammern sind hohe Handling-, Abkühl- und Aufheizzeiten heute normal, die jedoch einen minimal geforderten Waferdurchsatz bei der Großproduktion von Bauelementen maß- geblich negativ beeinflussen. Einen zentralen bauelementtechnischen Punkt stellt dabei im besonderen auch die Problematik, dass zwischen der Deposition von Unterelektrode und Dielektrikum bzw. zwischen Deposition von Dielektrikum und Überelektrode (speziell wie bei der Herstellung des sogenannten "Gate-Stacks" des integrierten MOS-Transistors üblich) eine chemische Verän- derung wie z. B. durch Nerunreinigungen der Oberflächen während des Wafer- Handlings (Wafer-Transport zwischen den Depositionsschritten) eine negative Beeinflussung der elektrischen Bauelementeigenschaften durch Grenzflächen- zustände verursacht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Apparatur und ein Nerfahren zu entwickeln, welches oben genannte Nachteile reduziert, umgeht und eliminiert.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die Schichtstruktur ohne Wechsel in andere Depositionssysteme oder Kammern deponiert wird.
Die Schichten werden in einer einzigen Prozesskammer in aufeinander abfolgenden Prozessschritten durch ledigliches Ändern der Gasphasenzusammensetzung und/ oder der Substrattemperatur abgeschieden. Die Schichtenfolge umf asst insbesondere zumindestens eine Oxid-Schicht, auf welcher eine Metallschicht bzw. eine Metallschicht, auf welche eine Isolierschicht und eine Metallschicht aufgebracht ist. Das Nerfahren zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass die Prozesskammer zwischen den einzelnen Prozessschritten abgepumpt und/ oder mit Inertgas gespült wird. Hierdurch wird der Druck innerhalb der Prozesskammer auf einen Wert gebracht, der erheblich niedriger ist, als der Prozessdruck. Die Wände der Prozesskammer können auf verschiedene Weise temperiert werden. Beim Wechsel der Gasphase kann die Prozesskammer mit Edelgasen, Ar, He, H2 oder Ν2 gespült werden. Während dieser Spülphase kann der Substrathalter, auf welchem sich das Substrat befindet und ein oberhalb des Substrathalters angeordnetes Gaseinlassorgan auf eine optimale Prozesstemperatur gebracht werden. Auch die Prozesskammerwände, durch welche das Gas entweichen kann, kann auf diese Weise auf die jeweils erforderliche Temperatur gebracht werden. Hierdurch wird eine Kondensation der gasförmig in die Gasphase eingebrachten Aus- gangsstoffe, die auch dort zerfallen können, vermieden.
Die Gasphase wird durch die aktiv beheizte Wandung der Prozesskammer oder durch die mittels Wärmeleitung beheizte Wandung der Prozesskammer individuell temperiert, so dass die erforderlichen Gasphasenreaktionen zwischen den Ausgangsstoffen oder der Zerfall der Ausgangsstoffe optimiert wird. Das Gaseinlasssystem kann auch bereichsweise gekühlt werden, so dass eine Vorzerle- gung bzw. Vorreaktionen verhindert werden. Die abgeschiedenen Schichten haben unterschiedliche Aufgaben. Beispielsweise dient die metallische Schicht als Elektrode. Zwischen diesen beiden Elektroden befindet sich eine isolierende Schicht, so dass aus dem Schichtsystem Metall- Isolator-Metall ein Kondensator auf ebaut ist. In bekannter Weise werden die Metallschichten in dem Beschichtungsschritt folgenden Prozessschritten, in denen unter anderem das Substrat zerteilt wird, kontaktiert. Erfindungsgemäß werden in einer Multiprozesskammer in einer sequentiellen, rückwirkungsfreien CVD-Beschichtung Substrate abwechselnd mit leitenden und isolierenden Schichten beschichtet. Die Prozesskammer besteht aus einer vakuumdichten Kammer, einem temperierten Substrathalter, einem Gaseinlassorgan und einem Gasauslassorgan, an dem eine Pumpe angeschlossen ist. Der Substrathalter kann ebenso wie die dem Substrathalter gegenüberliegende Decke der Prozesskammer temperiert werden. Dies kann über einen elektrischen Widerstand, über infrarote Strahlung oder über elektromagnetische Hochfrequenz erfolgen. Eine notwendige Kühlung kann durch ein flüssiges Medium (H2O o. ä.) erfolgen. Auch die Prozesskammerwände können auf eine derartige Weise beheizt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Substrathalter auch über einen Rotationsantrieb drehangetrieben werden. Auf dem Substrathalter können selbst wieder drehangetriebene Substratträgerplatten liegen, welche plane- tenartig um das Zentrum des Substrathalters kreisen. Die Temperaturmessung im Substrathalter kann mittels eines Thermoelementes erfolgen, dessen Zuleitung durch die Drehdurchführung erfolgt. Bevorzugt besitzt die Prozesskammer im Bereich der die Reaktionskammer in der Geometrie bestimmenden und begrenzenden Flächen Zwischenvolumina. In diesen Zwischenvolumina befin- det sich jeweils ein Gas. Es kann sich dabei auch um das Prozessgas handeln. Der Druck in den Zwischenvolumina kann ebenso wie die Gaszusammensetzung in den Zwischenvolumina eingestellt werden. Hierdurch ist die thermische Leitfähigkeit der Zwischenvolumina einstellbar. Damit lassen sich die Temperatur der Prozesskamrnerwände kontrollieren. Die Wände der Zwi- schenvolumina können sehr dünne, inerte Quarzglasplatten sein. Es ist auch vorgesehen, dass derartige Platten an die Wände thermisch angekoppelt sind. Die Gase in den Zwischenvolumina können unterschiedliche Gaszusammensetzungen besitzen, beispielsweise Wasserstoff und Stickstoff. Auch eine Wasser- kühlung ist vorgesehen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Prozessgase gepulst in die Prozesskammer eingebracht werden. Die Prozessgase können aus flüssigen oder festen Ausgangssubstanzen erzeugt sein. Sie können beispielsweise aus Verdampfern entstammen. Sie werden dort durch Temperierung in einen gasförmigen Zustand gebracht. Bevorzugt erfolgt der Übergang von flüssigen Ausgangsstoffen in die Gasphase durch ein kontaktfreies Verdampfen. Die Flüssigkeitsbehälter, in welchem sich die flüssigen Ausgangsstoffe bef in- den, können auch von einem Träger gasstrom durchströmt werden.
Der Trägergasstrom sättigt sich dann mit dem Gas des Ausgangsstoffes. Zur Temperierung, also insbesondere zur Beheizung oder auch zur Kühlung der Prozesskammerwände und der Prozesskammerdecke kann eine thermische Ankopplung der Prozesskammerdecke oder Prozesskammerwände über einen Gasspalt an eine Wärmesenke oder an eine Wärmequelle vorgesehen sein. Parasitäre Memory-Effekte zwischen unterschiedlichen Depositionssequenzen (Dielektrika, Elektroden; aber auch unterschiedliche Dielektrika oder Elektroden) werden durch Abpumpen der Prozesskammer auf einen Druck unterhalb des Prozessdruckes vermieden. Allerdings sollte der Druck den Basisdruck des Systems nicht unterschreiten. Eine Restverunreinigung durch chemische Substanzen aus vorherigen Prozesssequenzen werden bevorzugt durch Messung mittels eines Restgasanalysators überwacht.
Die Schichtdicke kann in situ während des Prozesses über optische Methode überwacht werden. Es ist insbesondere vorgesehen, das Schichtdickenwachstum über in situ-Ellipsometrie zu verfolgen.
Die Erfindung schlägt zur Vermeidung der Eingangs geschilderten Nachteile eine Vorrichtung und ein Verfahren vor, bei dem in einer einzigen Apparatur und in einem einzigen Prozessschritt eine vollständige MIM-Struktur oder zu- mindestens Teile dieser Struktur herstellbar ist. Die leitenden (Elektroden) und isolierenden Schichten (Dielektrika, oxidische Dielektrika) werden hier im besonderen nach dem sogenannten sequentiellen Heterowafer MOCVD- Verfahren hergestellt. Dabei erfolgt das Aufbringen von Elektroden/ Isolator- Schichtsystem in nur einer einzigen Prozesskammer, bei dem das zu beschichtende Substrat ohne Wechsel in andere Prozesskammern während des gesamten Prozessflows in dieser einen Prozesskammer verbleibt. Um parasitäre Memory-Effekte zwischen unterschiedlichen Prozesssequenzen zu vermeiden, wird die Prozesskammer auf minimale Totvolumina ausgelegt. Dabei kann zwischen den Prozesssequenzen die Verunreinigung durch ein Abpumpen der Prozesskammer auf einen Druck niedriger als der Prozessdruck (jedoch minimal den Basisdruck der Prozesskammer) auf ein Minimum reduziert werden. Ein Monitoring der Restverunreinigungen wird über ein sogenanntes RGA oder auch Restgasanalysator bewerkstelligt. Ein dennoch kontinuierlicher Gass- trom in eine Vorzugsrichtung ist vorteilhaft.
Bei der Deposition von (oxidischen) Dielektrika und Elektroden werden überli- cherweise metallorganische Ausgangssubstanzen (Prekursoren) verwendet, welche sich im allgemeinsten Fall im Dampfdruck und auch im Zersetzungs- verhalten unterscheiden. Diese Prekusoren werden entweder über sogenannte "Bubbler" direkt verdampft und in die Prozesskammer eingeleitet oder über die Lösung der Prekusoren in einem geeigneten Lösungsmittel als Flüssig/Feststoff-Lösung in ein oder mehrere geheizte(s) Volumen(ina) (Verdampfer) eingebracht, verdampft und in die Prozesskammer zur Reaktion auf dem zu beschichtenden Substrat eingeleitet. Diese Prekusoren besitzen oft ein sehr enges Prozessfenster zwischen Kondensation und Zerfall welches eine exakte Temperierung aller begrenzenden Wände notwendig macht. Um jedoch eine schnelle Anpassung aller Wandtemperaturen bei Prozesssequenzwechsel zu ermöglichen, müssen alle die Prozesskammer definierenden Begrenzungsflächen über eine geringe Wärmekapazität verfügen, was in der Regel nur schwer realisierbar ist. Um dieses Problem zu umgehen, werden sogenannte Zwischenvolumina eingebracht, die in Druck und Wärmeleitung einstellbar, an sehr dünne, inerte (z. B. Quarzglas) dem Inneren der Prozesskammer zuge- wandten Wände angekoppelt sind. Eine Temperierung der inneren Wände erfolgt somit über Wärmetransport von der temperierten Prozesskammer- Außenwand über ein in Wärmeleitung einstellbares Zwischenvolumen zur Prozesskamrner-Inneren zugewandten inerten, dünnen Innenwand. Die Einstellung der Wärmeleiteigenschaften der Zwischenvolumina erfolgt über ein Gasgemisch mindestens zweier mit unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten behafteten Gasen, welches zusätzlich im Druck frei einstellbar ist. Es können verschiedene Bereiche der Wände und des Gaseinlasses unterschiedlich temperiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer CND- Anlage zur Durchführung des Verfahrens. Fig. 2 Ein zweites Ausführungsbeispiel einer CND- Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Die in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung besitzt eine Prozesskamrner 6, die allseitig umschlossen ist. Die Prozesskammer 6 besitzt eine Zuleitung, die zu einem Gaseinlassorgan 7 führt. Durch diese Zuleitung kann entweder ein Prozessgas bzw. ein mit einem Trägergas gemischtes Prozessgas in die Prozesskammer 6 geleitet werden oder ein Spülgas durch die Leitung 5.
Das Gaseinlassorgan 7 besteht aus einem flachzylindrigen Hohlkörper, dessen Boden eine Vielzahl von siebartig angeordneten Öffnungen aufweist, aus welchen das Gas in die Prozesskamrner 6 hineinströmen kann. In einer parallelen Abstandslage zum Gaseinlassorgan 7 befindet sich unterhalb davon ein Substrathalter 8 zur Aufnahme eines Substrates. Unterhalb des Substrathalters 8, der durch in den Zeichnungen nicht dargestellte Mittel auch gedreht werden kann, befindet sich eine Heizung 12. Bei dieser Heizung kann es sich um eine HF-Heizung, oder auch IR-Heizung handeln.
Nicht nur der Substrathalter 8 kann nämlich aufgeheizt werden auf eine Temperatur, bei welcher die Prozessgase sich zerlegen. Auch die Wände des Prozesskammergehäuses 11 können Heizungen 13 aufweisen, um die Wände aufzuheizen. Die Wandtemperatur liegt dabei niedriger als die Temperatur des Substrathalters 8.
Unterhalb des Substrathalters 8 befindet sich eine Gasableitung. Durch diese Ableitung wird das nicht verbrauchte Gas von einer Pumpe 10 aus der Prozesskammer 6 herausgepumpt. In der Gasableitung befindet sich ein Restgasanalysator 9, der die Zusammensetzung des aus der Prozesskammer 6 abgepumpten Gases massenspektrome- trisch untersucht.
Die beiden in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Gestalt der Quellen. In den Zeichnungen ist der Übersichtlichkeit halber nur eine einzige Quelle dargestellt. Zur Abscheidung von Metall-Isolator-Metall-Schichten können aber eine Vielzahl, insbesondere drei Quellen notwendig sein. Eine erste Quelle zur Bereitstellung einer metallorganischen Verbindung, beispielsweise einer metallorganischen Platinverbindung zur Abscheidung der ersten Metallisierungsschicht, einer zweiten Quelle, die ein Barium-Strontium-Titan-Oxyd beinhaltet, ein sogenanntes Perovskit, zur Abscheidung eines Dielektrikums und einer dritten Quelle, die beispielsweise eine metallorganische Ruthenium Verbindung beinhaltet, zur Ab- Scheidung der zweiten Metallisierungsschicht. Die metallorganischen Verbindungen können ebenso wie die BST- Verbindung in einem Lösungsmittel gelöst werden. Sie befinden sich dann in einem Tank 1, in welchen Trägergas durch eine Zuleitung 4 eingeleitet wird. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel fungiert der Tank als Waschflasche. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Aus- führungsbeispiel wird die in dem Tank befindliche Flüssigkeit durch ein Steigrohr in einen Verdampfer 2 gedrückt. In beiden Fällen wird die in eine Gasform überführte metallorganische Verbindung bzw. die BST- Verbindung über eine Rohrleitung, die mittels eines Ventiles 3 verschließbar ist, dem Gaseinlassorgan 7 zugeführt.
Das Verfahren wird wie folgt ausgeübt:
In einem ersten Prozessschritt wird eine Metallschicht auf das auf dem Substrathalter 8 aufliegende Substrat abgeschieden, indem ein in einem Lö- sungsmittel gelöster metallorganischer Ausgangsstoff, der Platin enthält, in eine Gasform gebracht wird. Das Substrat besteht vorzugsweise aus Silizium. Der Ausgangsstoff wird zusammen mit dem Lösungsmittel dem duschkopf artigen Gaseinlassorgan 7 zugeführt und durch die Öffnungen des Gaseinlassorganes 7 in die Prozesskammer 6 gebracht. Durch einen geeigneten Gasphasentransport (Konvektion und Diffusion) gelangt das Gas zum heißen Substrathalter 8, wo auf der Oberfläche eine Zerlegungsreaktion stattfindet. Als Reaktionsprodukt entsteht eine Platinschicht auf dem Substrat. Sobald die erforderliche Schichtdicke abgeschieden ist, wird das Ventil 3 geschlossen und durch die Leitung 5 ein Inertgas in die Prozesskammer eingeleitet. Während des Spülens der Prozesskammer 6 mit dem Inertgas kann die Pumpe 10 den Innendruck in der Prozesskammer 6 mehrfach absenken, so dass ein erhöhter Gasaustausch stattfindet. Der Restgasanteil wird mittels des Restgasanalysators 9 spektrometrisch gemessen. Es wird dabei die Konzentration des Lösungsmittels und die Kon- zentration der metallorganischen Verbindung gemessen. Unterschreitet die Konzentration des gemessenen Restgases ein Limit, so wird der Spülvorgang abgeschlossen.
An den Spülvorgang schließt sich ein zweiter Prozessschritt an, bei dem an- stelle der metallorganischen Platinverbindung eine Barium-Strontium-Titan- Sauerstoffverbindung, ein sogenanntes Perovskit, in die Prozesskammer 6 durch das Gaseinlassorgan 7 eingeleitet wird. Wichtig ist, dass vor der Einleitung dieses, zu einem Dielektrikum abscheidenden Gases die Prozesskammer 6 im Wesentlichen lösungsmittelfrei ist, da die BST- Verbindung sehr empfindlich auf Lösungsmittel in der Gasphase reagiert.
Durch eine geeignete Temperatur bzw. durch geeignete andere Prozessparameter läßt sich die Stöchiometrie des Barium-Strontium-Titan-Oxyds einstellen. Es läßt sich damit die Dielektrizität der dielektrischen Schicht beeinflussen. Anstelle eines dielektrischen Materials kann aber auch ein ferroelektrisches Material abgeschieden werden. Auch hier wird bei Erreichen der erforderlichen Schichtdicke, die in situ während des Wachstums gemessen werden kann, der Gaszufluss durch Schließen eines Ventiles abgeschlossen. Danach erfolgt, wie oben beschrieben, eine Spülung der Prozesskammer 6, wobei auch hierbei die Leistung der Pumpe kurzzeitig erhöht werden kann, um den Totaldruck innerhalb der Prozesskammer 6 abzusenken.
Der Restgasanteil wird auch hier mittels des Restgasanalysators 9 spektrome- trisch untersucht. Hierbei wird die Sauerstoff konzentration in der Gasphase überwacht. Unterschreitet diese ein Limit, so wird der Spülvorgang beendet. An den zweiten Prozessschritt schließt sich ein dritter Prozessschritt an, der im Wesentlichen so durchgeführt wird wie der erste Prozessschritt, nur dass an- stelle einer platinhaltigen metallorganischen Verbindung eine rutheniumhaltige metallorganische Verbindung gewählt wird. Nach dem dritten Prozessschritt kann sich ebenfalls eine Spülung der Prozesskammer 6 anschließen.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Off en- barung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Abscheiden einer Vielzahl von Schichten auf einem Substrat mittels gasförmiger Ausgangsstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten in einer einzigen Prozesskammer in aufeinander abfolgenden Prozessschritten durch ledigliches Ändern der Gasphasenzusammensetzung in der Prozesskammer und/ oder der Substrattemperatur abgeschieden werden.
2. Vorrichtung zum Abscheiden einer Vielzahl von Schichten auf einem Substrat mittels in eine Prozesskammer eingebrachter flüssiger Ausgangsstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphasenzusammenset- zung und/ oder die Substrattemperatur zur Abscheidung einer Vielzahl von Schichten auf einem Substrat ohne Öffnung der Prozesskammer abscheidbar sind.
3. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge mindestens eine Oxidschicht und eine darauf abgeschiedene Metallschicht umfasst.
4. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer zwischen den einzelnen Prozessschritten abgepumpt und/ oder mit Inertgas gespült wird.
5. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Prozesskammer auf unterschiedliche Temperaturen temperierbar sind bzw. temperiert werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass in einem ersten Prozessschritt dadurch eine Metallschicht auf das Substrat oder auf eine zuvor auf das Substrat abgeschiedene Schicht abgeschieden wird, dass ein gegebenenfalls in einem Lösungsmittel gelöster metallorganischer Ausgangsstoff in die Gasphase gebracht wird und gegebenenfalls zusammen mit dem Lösungsmittel ver- mittelst eines duschkopf artigen Gaseinlassorganes (7) in die Prozesskammer (6) gebracht wird und nach Abschalten der Zufuhr dieses Ausgangsstoffes das Gasneinlassorgan (7) und die Prozesskammer (6) mit Inertgas (5) gespült werden, wobei das aus der Prozesskammer (6) gepumpte Abgas, insbesondere massenspektrometrisch auf Restbestand- teile des Ausgangsstoffes bzw. des Lösungsmittels analysiert werden und erste bei Unterschreiten eines minimalen Wertes der Restgaskonzentration insbesondere der Lösungsmittel-Konzentration der Spülvorgang beendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Prozessschritt dadurch eine dielektrische Schicht auf die Metallschicht abgeschieden wird, dass als Ausgangsstoff ein gegebenenfalls in einem Lösungsmittel gelöstes Perovskit in die Gasphase gebracht wird, und gegebenenfalls zusammen mit dem Lösungsmittel vermittels des duschkopfartigen Gaseinlassorganes (7) in die Prozesskammer (6) gebracht wird und nach Abschalten der Zufuhr dieses Ausgangsstoffes das Gaseinlassorgan (7) und die Prozesskammer (6) mit einem Inertgas (5) gespült werden, wobei das aus der Prozesskammer (6) abgepumpte Abgas insbesondere massenspektrometrisch auf Restbestandteile des Aus- gangsstoff es analysiert wird und erst bei Unterschreiten eines minimalen Wertes der Restgaskonzentration, insbesondere der Sauerstoffkonzentration, der Spülvorgang beendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Prozessschritt dadurch eine Metallschicht auf eine zuvor abgeschiedene dielektrische Schicht abgeschieden wird, dass ein gegebenenfalls in einem Lösungsmittel gelöster metallorganischer Ausgangsstoff in die Gasform gebracht wird und gegebenenfalls zusammen mit dem Lö- sungsmittel vermittelst des duschkopf artigen Gaseinlassorganes (7) in die Prozesskammer (6) geleitet wird und nach Abschalten der Zufuhr dieses Ausgangsstoffes das Gaseinlassorgan (7) und die Prozesskammer (6) mit einem Inertgas (5) gespült werden, wobei das aus der Prozesskammer (6) abgepumpte Abgas insbesondere massenspektrometrisch auf Restbestandteile des Ausgangsstoffes bzw. des Lösungsmittels analysiert wird und erst bei Unterschreiten eines minimalen Wertes der Restgaskonzentration der Spülvorgang beendet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülung der Prozesskammer (6) mit dem Inertgas (5) mit ein oder mehreren Druckwechseln einhergeht.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht eine Platinschicht ist.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektri- sehe Schicht aus einer Barium-Strontium-Titan-Sauerstoff -Verbindung besteht.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Me- tallschicht eine Rutheniumschicht ist.
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