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Title:
METHOD AND DEVICE FOR DEPOSITING ESPECIALLY CRYSTALLINE LAYERS ONTO ESPECIALLY CRYSTALLINE SUBSTRATES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/038144
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for depositing III-V semiconductor layers that also contain nitrogen, especially for depositing II-IV compounds, oxides, especially metal oxides. According to the invention, the front face of the gas inlet element and the area of the substrate holder directly opposite said front face form electrodes that can be connected or that are connected to a high frequency reactor to produce a capacitive plasma.

Inventors:
Franken, Walter (Rinkensplatz 11 Eschweiler, D-52249, DE)
Käppeler, Johannes (Zeisigweg 47 Würselen, 52146, DE)
Application Number:
PCT/EP2002/010871
Publication Date:
May 08, 2003
Filing Date:
September 27, 2002
Export Citation:
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Assignee:
AIXTRON AG (Kackertstrasse 15-17 Aachen, 52072, DE)
Franken, Walter (Rinkensplatz 11 Eschweiler, D-52249, DE)
Käppeler, Johannes (Zeisigweg 47 Würselen, 52146, DE)
International Classes:
C23C16/455; C23C16/509; C30B25/10; C30B25/14; F16F7/02; F16F11/00; F16F13/04; C23C16/44; (IPC1-7): C23C16/455; C30B25/10; C30B25/14
Foreign References:
US6289842B1
US5027746A
US5788777A
US3757733A
Other References:
ZEMBUTSU ET AL: "Growth of GaN single crystal films using electron cyclotron resonance plasma excited metalorganic vapor phase epitaxy" APPLIED PHYSICS LETTERS., Bd. 48, Nr. 13, 31. M{rz 1986 (1986-03-31), Seiten 870-872, XP002231604 AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK., US ISSN: 0003-6951
Attorney, Agent or Firm:
Grundmann, Dirk c/o Rieder & Partner Corneliusstrasse 45 Wuppertal . (42329, DE)
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Claims:
ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Abscheiden insbesondere kristalliner Schichten auf ins besondere kristallinen Substraten (1) mit einer Prozesskammer (2) mit ei nem Substrathalter (3) zur Aufnahme einer Vielzahl von um ein Zentrum des Substrathalters (3) angeordneten Substraten (1) und einem dem Sub strathalter (3) gegenüber liegenden Gaseinlassorgan (4) mit einer periphe ren Austrittsöffnung (5) für ein erstes Prozessgas und mit einer einer auf den Substrathalter (3) zuweisenden Stirnseite (4') angeordneten Austritts öffnung für ein zweites Prozessgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (4') des Gaseinlassorganes und der der Stirnseite (4') unmittelbar gegenüber liegende Bereich (7) des Substrathalters (3) Elektroden ausbil den, die zur Erzeugung eines kapazitiven Plasmas an einen Hochfre quenzGenerator anschließbar bzw. angeschlossen sind, wobei das Plasma auf das von den Substraten (1) entfernt liegende Zentrum des Substrathal ters beschränkt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch ge kennzeichnet, dass der Substrathalter (3) zusammen mit der ihm zuge ordneten Elektrode (7) drehantreibbar ist und die der drehantreibbaren Elektrode (7) unmittelbar gegenüber liegende Elektrode (6) stillsteht.
3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathal ter (3) von einer Antriebswelle drehantreibbar ist und die Antriebswelle eine Zugstange aufweist, die auf ein Zugstück (7) wirkt, welches im Zent rum des Substrathalters (3) angeordnet ist, und die eine elektrische Zulei tung zu der vom Zugstück gebildeten Elektrode (7) ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der dreh antreibbare Substrathalter (3) eine Vielzahl von um sein Zentrum ange ordnete, selbst drehangetriebene Substrathalterträgerplatten (9) aufweist zur Aufnahme der Substrate (1) trägt.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Sub strathalter (3) zugeordnete Elektrode (7) von einem Zugstück gebildet ist, das einen ringförmigen Abschnitt (10) des Substrathalters gegen ein Trag element (11) drückt.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Zugstück (7) und dem ringförmigen Abschnitt (10) angeordneten ring förmigen Isolierkörper (12).
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die der Stirnsei te (4') des Gaseinlassorganes (4) zugeordnete Elektrode (7) eine Gasaus trittsöffnungen (6) aufweisende Metallplatte (13) ist, rückwärtig welcher eine Gaszuleitung (14) endet, durch welche die der Elektrode (7) zugeord nete Zuleitung (15) läuft.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zuleitung (15) als von einem Quarzrohr (16) ummantelter Stab ausgebildet ist, mittels dessen die Elektrodenplatte (13) am Gaseinlassorgan (4) befes tigt ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Abschnitt (10) rückseitig insbesondere mittels Hochfrequenz (19) beheiz bar ist.
10. Verfahren zum Abscheiden insbesondere kristalliner Schichten auf insbe sondere kristallinen Substraten (1) in einer Prozesskammer (2), in welcher auf einem Substrathalter (3) mindestens ein Substrat liegt und in welche mittels eines dem Substrathalter (3) gegenüber liegenden Gaseinlassorga nes Prozessgase eingeleitet werden, wobei aus einer peripheren Austritts öffnung (5) ein erstes Prozessgas und aus einer einer auf den Substrathal ter (3) zuweisenden Stirnseite (4') des Gaseinlassorganes (4) zugeordneten Austrittsöffnung (6) ein zweites Prozessgas austritt, gekennzeichnet durch ein zwischen der Stirnseite (4') des Gaseinlassorganes (4) und der der Stirnseite (4') unmittelbar gegenüber liegende Bereich (7) des Substrathal ters (3) erzeugtes kapazitives Plasma zum Zerlegen des aus der Stirnsei tenöffnungen (6) austretenden Prozessgases.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche o der insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Stirn seitenöffnung (6) austretende Prozessgas Ammoniak oder eine andere Stickstoffverbindung ist.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche o der insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstem peratur 500°C ist.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Stirnseiten öffnung (6) austretende Prozessgas ein bei niedrigen Temperaturen schwer zerlegbarer Ausgangsstoff für die Abscheidung von Oxiden, insbesondere MetallOxiden, ist.
Description:
Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden insbesondere kristalliner Schichten auf insbesondere kristallinen Substraten Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Abscheiden insbesondere kristalliner Schichten auf insbesondere kristallinen Substraten in einer Prozesskammer, in welcher auf einem Substrathalter mindestens ein Sub- strat liegt und in welche mittels eines den Substrathalter gegenüberliegenden Gaseinlassorgans Prozessgase eingeleitet werden, wobei aus einer peripheren Austrittsöffnung des Gaseinlassorganes ein erstes Prozessgas und aus einer auf den Substrathalter zuweisenden Stirnseite des Gaseinlassorganes zugeordneten Austrittsöffnung ein zweites Prozessgas austritt.

Eine derartige Vorrichtung bzw. ein Verfahren beschreibt die US 5027746.

Betreffend Siliciumcarbid wird diese Vorrichtung von der US 5788777 beschrie- ben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung bzw. das bekannte Verfahren zum Zwecke des Abscheidens von III-V Halbleiterschich- ten, die auch Stickstoff enthalten, weiter zu bilden. Ein weiteres Ziel der Erfin- dung betrifft auch Verfahren bzw. Vorrichtungen zum Abscheiden von II-IV- Verbindungen, Oxiden, insbesondere Metall-Oxiden, wobei schwer zerlegbare Ausgangsstoffe eingesetzt werden.

Gelöst wird die Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung bzw. das im Anspruch 9 angegebene Verfahren, wobei darauf abgestellt ist, dass die Stirnseite des Gaseinlassorganes und der der Stirnseite unnmittelbar gegenüber liegenden Bereich des Substrathalters Elektroden ausbilden, die zur Erzeugung eines kapazitiven Plasmas an einen Hochfrequenzgenerator anschließbar bzw. angeschlossen sind. Zufolge des Hochfrequenzfeldes, welches sich zwischen

der Stirnseite des Gaseinlassorganes und der der Stirnseite gegenüber liegen- den Elektrode aufbaut, entsteht dort ein Plasma. Dieses Plasma ist in dem Be reich angeordnet, in welchem die Austrittsöffnungen für das zweite Prozessgas liegen. Das zweite Prozessgas kann beispielsweise Ammoniak aufweisen. Im Plasma zerlegt sich das Ammoniak, so dass Stickstoffradikale entstehen. Diese selektive Vorzerlegung der gasförmig zugeführten Stickstoffkomponente hat zur Folge, dass die Prozesskammertemperatur sehr niedrig gehalten werden kann. Sie kann beispielsweise bei 500°C liegen. Zufolge der Trennung der Gaszulässe in eine erste periphere Austrittsöffnung und in eine der Elektrode zugeordneten zweiten Austrittsöffnung entsteht ein selektives Plasma. Die aus der peripheren Austritts- öffnung heraustretenden Gase, welche beispielsweise Trimethylgallium, Tri- methylindium oder andere metallorganische Komponenten sind, werden vom Plasma nicht zerlegt. Durch die zentrale Austrittsöffnung, die der Elektrode zugeordnet ist, kann auch eine andere Gruppe V-Komponente in Form eines Hydrids austreten, beispielsweise Arsin oder Phosphin. Auch diese Gase können im Plasma vorzerlegt werden. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Substrathalter von einer Antriebswelle drehantreibbar ist.

Diese Antriebswelle kann die Zuleitung zu der vom Zentrum des Substrathalters gebildeten Elektrode zugeordnet sein. Die Elektrode kann sich dann gegenüber der anderen Elektrode drehen. Dies hat die Erzeugung eines symmetrischen Plasmas zur Folge. Der drehantreibbare Substrathalter trägt bevorzugt eine Viel- zahl von um sein Zentrum angeordnete, insbesondere auf selbst drehangetriebe- nen Substratträgerplatten liegende Substrate. Die Substratträgerplatten können auf einem Gaspolster liegen. Die Austrittsdüsen, die zur Ausbildung des Gaspols- ters dienen, können so eingerichtet werden, dass sie die Substratträgerplatte in Drehung versetzen. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die dem Substrathalter zugeordnete Elektrode von einem Spann-bzw. Zugstück gebildet ist, mittels welchem ein ringförmiger Abschnitt des Substrathalters gegen ein

Tragelement gedrückt wird. Zwischen dem Spann-bzw. Zugstück kann auch ein ringförmiger Abschnitt angeordnet sein, der als Isolierkörper ausgebildet ist.

Dieser kann beispielsweise aus Quarz bestehen. Die Stirnseite des Gaseinlassorga- nes, welche die Elektrode bildet, kann eine Metallplatte aufweisen. Diese Metall- platte kann Öffnungen ausbilden, aus denen das aus mehreren Komponenten zusammengesetzte, zweite Prozessgase austreten kann. Rückwärtig dieser Öff- nungen endet eine Gaszuleitung. Durch diese Gaszuleitung kann die der Metall- platte zugeordnete elektrische Zuleitung laufen. Diese elektrische Zuleitung kann von einem Stab ausgebildet sein, der in einem Quarzrohr angeordnet ist. Das Quarzrohr ummantelt den Stab, der mit der die Elektrode bildenden Metallplatte verschraubt ist. Der ringförmige Abschnitt des Substrathalters wird in bekannter Weise von unten bzw. rückwärtig von einer Hochfrequenzspule beheizt. Die die Elektroden bildende Metallplatte bzw. das Zugstück können aus Molybdän gefertigt sein. Das Plasma wird von einem Plasmagenerator erzeugt. Der Plasma- generator erzeugt eine Wechselspannung von beispielsweise 13,56 MHz. Diese Wechselspannung wird kapazitiv über die beiden Elektroden in die Gasphase der Prozesskammer eingekoppelt. Zwischen den Elektroden brennt ein symmetrisches, selektives Plasma, welches nur auf das Hydrid wirkt.

Anstelle von Ammoniak können auch andere Stickstoffverbindungen verwen- det werden, beispielsweise Hydrazin oder dergleichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Figuren erläutert. Es zeigen : Fig. 1 in Querschnitt einer Prozesskammer mit den beiden Elektroden und die elektrischen Zuleitungen zu den Elektroden in grob-schematisierter Schnittdarstellung,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs der Prozesskammer, in wel- cher die Elektrode angeordnet sind, Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Kopfes des Gaseinlasssystems.

Der in der Fig. 1 grob-schematisch dargestellte Reaktor besitzt eine im Wesent- lichen zylindersymmetrische Prozesskammer 2. Der Boden der Prozesskammer 2 wird von einem Substrathalter 3 ausgebildet, welcher aus Graphit oder be- schichteten Graphit bestehen kann. Der Substrathalter 3 besitzt einen äußeren, ringförmigen Abschnitt 10, auf welchem eine Vielzahl von Substrathalterplatten 9 angeordnet sind. Die Substrathalterplatten 9 umgeben das Zentrum des ring- förmiges Abschnittes planetenartig. Mittels nicht dargestellter Mittel sind die Substrathalterplatten drehantreibbar. Es handelt sich dabei um unterhalb der Substrathalterplatten 9 angeordnete Gasdüsen, aus denen ein gerichteter Gas- strom austritt, welcher einerseits ein Gaspolster ausbildet auf welchem die Sub- strathalterplatten 9 schweben, und andererseits ein Drehmoment auf die Sub- strathalterplatten 9 ausübt, so dass sich die Substrathalterplatten 9 um ihre Achsen drehen. Auf den in Aussparungen einliegenden Substrathalterplatten 9 liegt jeweils ein Substrat 1.

Der ringförmige Abschnitt 10 liegt mit seiner inneren Randkante auf einem Tragelement 11. Das Tragelement 11 wird durch nicht dargestellte Mittel me- chanisch drehangetrieben. Oberhalb des Tragelementes 11 befindet sich ein e- benfalls ringförmiger Isolierkörper, der auf dem inneren Rand des ringförmi- gen Abschnittes 10 aufliegt. Auf dem inneren Rand des Isolierkörpers 12 liegt ein Zugstück 7 aus Molybdän auf. Die Oberflächen vom ringförmigem Ab-

schnitt 10, Isolierkörper 12 und Zugstück 7 fluchten miteinander. In eine rück- wärtige Einschrauböffnung des Zugstückes 7 ist eine Zugstange 8 einge- schraubt. Diese Zugstange 8 ist Teil einer Antriebswelle, die den Substrathalter 3 drehantreibt.

Gegenüber liegend zum Zugstück 7, welches das Zentrum des Substrathalters 3 bildet, befindet sich ein Gaseinlassorgan 4. Dieses Gaseinlassorgan 4 ragt in die Prozesskammer 2 hinein. Das Gaseinlassorgan 4 besitzt eine periphere Aus- trittsöffnung 5 in Form eines porösen oder geschlitztes Quarzringes. Aus dieser Austrittsöffnung 5 strömt ein erstes Prozessgas. Es handelt sich dabei um eine metallorganische Verbindung eines Metalles der dritten Hauptgruppe, bei- spielsweise Trimethylgallium oder Trimethylindium. Rückwärtig dieses porö- sen Ringes 17 befindet sich eine Gasverteilkammer, in welche durch eine Zulei- tung 21 die metallorganische Verbindung und ein Trägergas, bei dem es sich um Wasserstoff oder Stickstoff handeln kann, einströmt.

Die Stirnseite 4'des Gaseinlassorganes 4 trägt eine Metallplatte 13. Diese Me- tallplatte 13 liegt unmittelbar dem ebenfalls aus Metall bestehenden Zugstück gegenüber. Die Metallplatte 13 besitzt mehrere, insbesondere ringförmig ange- ordnete Öffnungen 6. In das Zentrum der Metallplatte ist das Außengewinde einer Haltestange 15 eingeschraubt. Die Haltestange 15 ist mittels eines Quarz- rohres 16 ummantelt. Außerhalb des Quarzrohres 16 und innerhalb einer Wan- dung einer Höhlung, in welcher sich das Quarzrohr 16 befindet, strömt das zweite Prozessgas zu den Öffnungen 6. Der Strömungskanal 14 für dieses zwei- te Prozessgas, bei dem es sich um ein Hydrid handelt, ist ringförmig.

Der Kopf des Gaseinlassorganes 4 ist in der Fig. 4 vergrößert dargestellt. Auf dem Mantelrohr 22 sitzt eine Isolationshülse 23, welche von einem Deckel ver-

schlossen ist. Dieser Deckel bildet einen elektrischen Anschluss 24 für den Plasmagenerator aus. Deckelinnenseitig ist die elektrische Zuleitung 15 befe stigt, beispielsweise mittels einer Gewindeverbindung. Das Quarzrohr 16 stösst mit seinem Stirnende gegen die Innenfläche des Deckels.

Das Prozessgas, welches durch die Zuleitung 14 strömt, beinhaltet eine Stick- stoffverbindung, beispielsweise Ammoniak. Dieser Ammoniak tritt durch die Öffnungen 6 in den Zwischenraum zwischen der Metallplatte 13 und dem me- tallischen Zugstück 7 ein.

An der Metallplatte 13 und dem Zugstück 7 liegt eine Hochfrequenz- Wechselspannung an, beispielsweise von 13,56 MHz. Der Totalgasdruck in der Prozesskammer 2 ist so gewählt, dass zwischen der stillstehenden Metallplatte 13 und dem Zugstück 7 ein symmetrisches Plasma brennt. Es handelt sich dabei um ein kapazitives Plasma. Innerhalb des Plasmas wird die Stickstoffver- bindung und beispielsweise Arsin oder Phosphin, welches zusätzlich durch die Gaszuleitung 14 in den Reaktor gebracht wird, vorzerlegt, so dass insbesondere Stickstoffradikale entstehen.

Die elektrische Zuleitung zur Metallplatte 13, welche bevorzugt aus Molybdän besteht, erfolgt über den Stab 15.

Die elektrische Zuleitung zu den ebenfalls vorzugsweise aus Molybdän bestehendem, Zugstück 7 erfolgt über die Zugstange 8. Die Zugstange 8 kann mit ihrem Ende aus der Antriebswelle herausragen. An der Zugstange 8 kön- nen Schleifkontakte 18 angreifen, um den elektrischen Strom zu übertragen.

Unterhalb des ringförmigen Abschnittes 10 des Substrathalters 3 befindet sich eine Spule 19, welche ebenfalls von Hochfrequenz beaufschlagt wird. Durch induzierte Wirbelströme erwärmt sich der ringförmige Abschnitt 10 des Sub- strathalters 3.

Um die Prozesskammer 2 erstreckt sich eine Wand, welche Gasauslassöffnun- gen 20 ausbildet.

Das aus den Öffnungen 6 austretende Prozessgas wird in dem Plasma zwischen den beiden Elektroden 7 und 13 teilzerlegt. Durch radial auswärts strömenden Gasstrom werden die entstandenen Stickstoffradikale zu den Substraten 1 transportiert. Durch die periphere Austrittsöffnung 5 tritt die metallorganische Komponente aus und wird in dem Bereich vor oder oberhalb des Substrates 1 zerlegt. Auf den Substraten 1 wird eine Schicht aus einem III-V-Material, bei- spielsweise GaAs oder InP abgeschieden. Zugleich wird in die Kristallschicht eine geringe Menge von Stickstoff eingebaut. Es wird als vorteilhaft angesehen, dass sich die Elektroden relativ zueinander drehen.

Die Anordnung des Plasmas zwischen den beiden im Zentrum des Substrathal- ters 3 angeordneten Elektroden 7 und 13 ist so gewählt, dass das Plasma nur zur Zerlegung derjenigen Gase beiträgt, die aus den Austrittsöffnungen 6 strö- men. Das Plasma ist räumlich von den Substraten 1 bzw. den Substrathalter- platten 9 entfernt. Es ist ferner von Vorteil, dass das zu zerlegende Gas in Axial- richtung durch die Austrittsöffnungen 6 in die Zone zwischen den beiden Elektroden 7 und 13 strömt. Das Gas wird in dem Bereich zwischen den Elektroden 7 und 13 umgelenkt, um in Radialauswärtsrichtung das Plasma, welches sich auf den Bereich zwischen den beiden Elektroden 7, 13 beschränkt, zu verlassen. Es ist ferner von Vorteil, dass sich die Elektrode 7 relativ gegen- über der dem Gaseinlassorgan 4 zugeordneten Elektrode 13 dreht. Dies hat eine

Homogenisierung des Plasmas zur Folge. Indem ferner der gesamte Substrat- halter 3 gegenüber dem Gaseinlassorgan 4 und der Elektrode 13 rotiert, wird die Gasverteilung zu den einzelnen Substraten 1 weiter homogenisiert.

Es ist ferner von Vorteil, dass die periphere Austrittsöffnung 5 unmittelbar un- ter der Prozesskammerdecke angeordnet ist und die axialen Austrittsöffnungen 6 bzw. der Bereich, in welchem das Plasma erzeugt wird, dem Boden der Pro- zesskammer, also dem Substrathalter 3 unmittelbar benachbart ist.

Konstruktiv vorteilhaft ist es, wenn die obere Zuleitung zur Elektrode 13 über eine Zugstange 15 erfolgt und die Zuleitung zur unteren Elektrode 7 ebenfalls über eine Zugstange 18 erfolgt, wobei beiden Zugstangen über ein Gewinde mit der ihr zugeordneten Elektrode verbunden sind, wobei eine Elektrode von der Metallplatte 13 und die andere Elektrode von einem Zugstück 7 ausgebildet wird.

Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offen- barung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehö- rigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollin- haltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.