DE19943741A1 - Plasma assisted chemical vapor deposition of silicon nitride, from silane, ammonia, and inert carrier gas, employs optimized gas flowrates - Google Patents
Plasma assisted chemical vapor deposition of silicon nitride, from silane, ammonia, and inert carrier gas, employs optimized gas flowratesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ICP-CVD-Beschich tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrich tung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 20.The invention relates to a method for ICP-CVD coating device according to the preamble of claim 1 and a Vorrich device for carrying out the method according to claim 20.
Die Anwendung von Plasmabeschichtungsverfahren ist eine Schlüsseltechnologie in der Oberflächenmodifizierung, Struk turgebung vom Mikrometer- bis zum Nanometerbereich und in der Erzeugung dünner Funktionsschichten. The application of plasma coating processes is one Key technology in surface modification, structure environment from micrometer to nanometer range and in the production of thin functional layers.
Dabei werden in vielfältiger Form z. B. Siliziumnitridschich ten auf verschiedenste Substrate aufgebracht. In der Mikroelektronik und der Mikrosystemtechnik werden solche Beschichtungsverfahren seit über 20 Jahren eingesetzt. Es gelang jedoch bisher nicht, mit einfach beherrschbarer Technik qualitativ gute Schichten bei Prozeßtemperaturen wesentlich unterhalb von 300°C herzustellen.There are z. B. silicon nitride applied to a wide variety of substrates. In the Microelectronics and microsystem technology are becoming such Coating process used for over 20 years. It so far, however, has not succeeded with simply controllable Technology good quality layers at process temperatures to produce significantly below 300 ° C.
Die Herabsetzung der thermischen Belastung durch den Be schichtungsprozeß ist jedoch von großer Bedeutung, wenn thermisch sensible Bauelemente wie z. B. Dünnschicht-Dis plays oder Solarzellen auf Polymersubstraten beschichtet werden sollen. Auch bei organischen Lichttransmittern, Mi krosystemen oder in der Nanotechnologie kann die thermische Belastung zu Problemen führen. So können insbesondere in komplexe Strukturen, die zu beschichten sind, bei hohen Temperaturen unerwünschte Gradienten auftreten.The reduction of the thermal load by the Be Layering process is of great importance, however thermally sensitive components such as B. thin-film dis plays or solar cells coated on polymer substrates should be. Even with organic light transmitters, Mi microsystems or in nanotechnology, thermal Stress lead to problems. So especially in complex structures to be coated at high Temperatures undesirable gradients occur.
Bekannt ist eine PECVD-Technik (PECVD: Plasma enhanced chemical vapour deposition), bei der in einem Parallelplat tenreaktor die HF-Energie für das Plasma kapazitiv eingekop pelt wird. Dabei wird ein Großteil der Energie in den Plas marandschichten umgesetzt. Derartige Plasmen sind durch eine relativ geringe Tonendichte (ca. 109 bis 1010), einem kleinen Ionen-zu-Neutralteilchen Verhältnis (ca. 10-4 bis 10-3) und einem relativ hohem Plasmapotential (ca. 50-1000 V) gekennzeichnet.A PECVD technology (PECVD: Plasma enhanced chemical vapor deposition) is known, in which the RF energy for the plasma is capacitively coupled in in a parallel plate reactor. Much of the energy is converted in the plasma layers. Such plasmas are characterized by a relatively low clay density (approx. 10 9 to 10 10 ), a small ion-to-neutral particle ratio (approx. 10 -4 to 10 -3 ) and a relatively high plasma potential (approx. 50-1000 V) featured.
Es ist nicht möglich, die Ionendichte des Plasmas durch Erhöhung der HF-Leistung beliebig zu steigern, da mit wach sender Leistung zunehmend nur die Ionenenergie in der Randschicht des Plasmas erhöht wird. Dies kann zu einer Schädigung der zu beschichtenden Substrate führen. Auch ist dies von unerwünschtem Sputtern begleitet.It is not possible to determine the ion density of the plasma Increase the RF power arbitrarily, since with awake transmitter power increasingly only the ion energy in the Boundary layer of the plasma is increased. This can result in a Damage to the substrates to be coated. Is too this is accompanied by unwanted sputtering.
Für die Schichtabscheidung sind dadurch Grenzen hinsicht lich des Drucks im Reaktorraum und die Leistung der HF-Quel le gesetzt. Bisher konnten z. B. gute Siliziumnitrid-Schich ten nur bei Temperaturen oberhalb von 200-240°C erzielt werden. Die Abscheiderate von annähernd stöchiometrischem Siliziumnitrid blieb dabei unterhalb von 30 nm/min. Bei einer Abweichung von diesen Verfahrensbedingungen wiesen die Schichten einen zu hohen Wasserstoffanteil und zu viele Hohlräume (voids) auf.As a result, there are limits to the layer deposition Lich the pressure in the reactor room and the power of the HF source le set. So far z. B. good silicon nitride layer only achieved at temperatures above 200-240 ° C become. The deposition rate of approximately stoichiometric Silicon nitride remained below 30 nm / min. At indicated a deviation from these process conditions the layers have too much hydrogen and too many Voids.
Will man brauchbare Schichten bei niedrigeren Temperaturen erhalten, so mußten die Reaktanden, die zur eigentlichen Beschichtung führen, sehr stark mit Edelgasen (z. B. Helium oder Argon) verdünnt werden. Dies führt zu einer ineffizien ten Verfahrensführung.You want usable layers at lower temperatures received, so the reactants had to be the actual ones Lead coating, very strongly with noble gases (e.g. helium or argon). This leads to an inefficiency procedure.
Mit einer an sich bekannten induktiven Plasmaquelle (ICP: inductively coupled plasma) lassen sich höhere Ionendichten erreichen (mehr als 1011 cm-3). Der Ionenanteil liegt dabei im Bereich von 10-2. Das Plasmapotential kann kleiner als 20 V sein. Aber auch mit bisher bekanntgewordenen Plas maquellen dieses Typs ist es nicht ohne weiteres möglich, bei tiefen Substrattemperaturen hochwertige Beschichtungen effizient zu erzeugen; entsprechende Kombinationen von Be triebsparametern sind bisher unbekannt. With a known inductive plasma source (ICP: inductively coupled plasma) higher ion densities can be achieved (more than 10 11 cm -3 ). The ion content is in the range of 10 -2 . The plasma potential can be less than 20 V. But even with previously known plasma sources of this type, it is not readily possible to efficiently produce high-quality coatings at low substrate temperatures; Corresponding combinations of operating parameters are hitherto unknown.
Grundsätzlich wird die Effizienz und Güte eines Plasmabe schichtungsverfahrens durch eine Vielzahl von Parametern bestimmt, insbesondere die Volumenströme der Trägergase, der Gesamtgasstrom, der Ammoniak-Anteil im Gesamtgastrom, der Prozeßdruck, die HF-Leistung der Plasmaquelle und die Substrattemperatur.Basically, the efficiency and quality of a plasma gene layering process by a variety of parameters determines, in particular the volume flows of the carrier gases, the total gas flow, the ammonia content in the total gas flow, the process pressure, the RF power of the plasma source and the Substrate temperature.
Mit Erniedrigung der Substrattemperatur erfolgen bei bisher bekannten Verfahren unterhalb von 200°C erhebliche negative Veränderungen der Schichteigenschaften.With the lowering of the substrate temperature, so far known processes below 200 ° C considerable negative Changes in layer properties.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Betriebsparameter so gewählt sind, daß eine effiziente Beschichtung hoher Güte durch eine dafür geeignete ICP-Quelle bei niedrigen Tempera turen möglich ist, so daß die negativen Auswirkungen einer Temperaturerniedrigung vermieden werden. Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.The present invention is based on the object To create procedures in which the operating parameters so are chosen that an efficient coating of high quality through a suitable ICP source at low temperatures is possible, so that the negative effects of a Low temperatures can be avoided. It is also one Object of the present invention, a corresponding Creating device.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch eine Stromrate des Gesamtgasstroms zwischen 50 sccm und 400 sccm und einer Stromrate des Trägergases zwischen 25 sccm und 200 sccm können bei niedrigen Temperaturen gute Siliziumnitridschich ten erzeugt werden. Wobei insbesondere eine Stromrate des Gesamtgasstroms zwischen 250 sccm und 350 sccm und auch eine Stromrate des Trägergases zwischen 130 sccm bis 150 sccm vorteilhaft ist. Besonders vorteilhaft ist eine Stromrate des Gesamtgasstroms von 298 sccm und einer Strom rate des Trägergases von 139 sccm. Bei diesen Stromraten ist eine besonders effiziente, qualitativ hochwertige Tieftemperaturbeschichtung möglich.This object is achieved by a method with solved the features of claim 1. By a current rate of the total gas flow between 50 sccm and 400 sccm and one Carrier gas flow rate between 25 sccm and 200 sccm can good silicon nitride layers at low temperatures ten are generated. In particular, a current rate of Total gas flow between 250 sccm and 350 sccm and also a flow rate of the carrier gas between 130 sccm to 150 sccm is advantageous. One is particularly advantageous Current gas flow rate of 298 sccm and one current carrier gas rate of 139 sccm. At these flow rates is a particularly efficient, high quality Low temperature coating possible.
Mit Vorteil werden als inerte Trägergase Stickstoff und Argon verwendet.Nitrogen and. Are advantageously used as inert carrier gases Argon used.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahren weist ein erster Reaktandenstrom 1 bis 100 vol% SiH4 auf, wobei der restliche Anteil von Helium eingenommen wird. Mit besonderem Vorteil weist der erste Reaktandenstrom einen Anteil von 3 bis 30 vol% SiH4, insbesondere von 5 vol% Helium auf.In an advantageous embodiment of the method, a first reactant stream has 1 to 100 vol% SiH 4 , the remaining portion being taken up by helium. The first reactant stream particularly advantageously has a proportion of 3 to 30 vol% SiH 4 , in particular 5 vol% helium.
Dabei ist es vorteilhaft, daß der erste Reaktandenstrom eine Stromrate zwischen 100 sccm und 200 sccm aufweist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Reaktanden strom eine Stromrate von 146 sccm aufweist. Bei diesen Betriebsbedingungen läßt sich auch noch bei tiefen Temperaturen eine einwandfreie Beschichtung mit Siliziumni trid sicherstellen.It is advantageous that the first reactant stream has a current rate between 100 sccm and 200 sccm. It is particularly advantageous if the first reactant current has a current rate of 146 sccm. At these operating conditions can also be found at low Temperatures a perfect coating with silicon ni ensure trid.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfin dungsgemäßen Verfahrens weist ein zweiter Reaktandenstrom NH3 auf, wobei die Stromrate zwischen 5 sccm und 30 sccm beträgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stromrate 13 sccm bis 15 sccm beträgt.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a second reactant stream has NH 3 , the flow rate being between 5 sccm and 30 sccm. It is particularly advantageous if the current rate is 13 sccm to 15 sccm.
Mit Vorteil beträgt der Verfahrensdruck zwischen 0.1 Pa und 60 Pa, besonders vorteilhaft 15 Pa. The process pressure is advantageously between 0.1 Pa and 60 Pa, particularly advantageous 15 Pa.
Vorteilhafterweise liegt der Leistungsbereich einer HF-Plas maquelle zwischen 350 W und 2500 W, besonders vorteilhaft sind 800 W.The power range of an HF plasma is advantageously ma source between 350 W and 2500 W, particularly advantageous are 800 W.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Temperatur des Substrathalters zwi schen 50°C und 200°C, besonders vorteilhafterweise liegt sie zwischen 50°C und 100°C. Zur Vermeidung von negativen thermischen Einwirkungen auf das Substrat ist es besonders vorteilhaft, eine Temperatur des Substrathalters von 50°C zu verwenden. Durch die niedrigen Temperaturen werden thermische Spannungen im Substrat vermieden. Auch lassen sich dreidimensionale Strukturen besser beschichten, da die Temperaturgradienten in der dreidimensionalen Struktur so gering bleiben.In an advantageous embodiment of the invention The method is the temperature of the substrate holder between between 50 ° C and 200 ° C, particularly advantageously between 50 ° C and 100 ° C. To avoid negative it is particularly thermal effects on the substrate advantageous, a temperature of the substrate holder of 50 ° C. to use. Due to the low temperatures thermal stresses in the substrate avoided. Let also three-dimensional structures coat better because the Temperature gradients in the three-dimensional structure stay low.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Leitfähigkeitsmittel auf, mit dem das Substrat thermisch effektiv an einen temperierbaren Substrathalter koppelbar ist. Dadurch soll vermieden werden, daß sich zwischen Substrat und Substrathalter zu große thermische Unterschiede ergeben.An inventive device for performing the The method according to the invention has a conductivity agent with which the substrate is thermally effective on one temperature-adjustable substrate holder can be coupled. This is supposed to be avoided that between substrate and Substrate holders result in large thermal differences.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle mit einer Antenne auf, die mindestens drei Arme aufweist.An advantageous embodiment of the invention The device has an inductively coupled plasma source with an antenna that has at least three arms.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der erfindungs gemäßen Vorrichtung, bei der Arme der Antenne planar ange ordnet sind, da damit eine besonders kompakte Bauform möglich ist. An embodiment of the invention is particularly advantageous appropriate device, in the arms of the antenna planar are arranged, because it is a particularly compact design is possible.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung einen HF-Generator zur Einstellung einer Vor spannung des Substrates aufweist.Furthermore, it is advantageous if the invention Device an HF generator for setting a pre has voltage of the substrate.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren an mehreren Beispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the Figures explained in more examples. Show it:
Fig. 1a eine Darstellung des Einflusses des Gesamtgasstromes auf den Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 320 nm; FIG. 1a is a representation of the influence of the total gas flow to the refractive index at a wavelength of 320 nm;
Fig. 1b eine Darstellung des Einflusses des Gesamtgasstromes auf die Abscheiderate der Siliziumnitridschicht; Figure 1b is a representation of the influence of the total gas flow to the deposition rate of the silicon nitride layer.
Fig. 1c eine Darstellung des Einflusses des Gesamtgasstromes auf dem Extinktionswert bei einer Wellenlänge von 320 nm; FIG. 1c is a representation of the influence of the total gas stream to the absorbance at a wavelength of 320 nm;
Fig. 1d eine Darstellung des Einflusses des Gesamtgasstromes auf den Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 633 nm; Figure 1d is a representation of the influence of the total gas flow to the refractive index at a wavelength of 633 nm.
Fig. 2a-d eine Darstellung des Einflusses einer Variation des NH3-Flusses auf Schichtparameter analog zu Fig. 1a-d; FIG. 2a-d is an illustration of the influence of a variation of the NH 3 to -Flusses layer parameters analogous to Figure 1a-d.
Fig. 3a-d eine Darstellung des Einflusses der Substrattem peratur auf Schichtparameter analog zu Fig. 1a-d; Fig. 3a-d is an illustration of the influence of temperature on Substrattem layer parameters analogous to Figure 1a-d.
Fig. 4a-d den Einfluß der HF-Leistung der Plasmaquelle auf Schichtparameter analog zu Fig. 1a-1d. Fig. 4a-d the influence of the RF power of the plasma source to layer parameters analogous to Fig. 1a-1d.
Fig. 5a-d eine Darstellung des Einflusses einer Variation des Druckes auf Schichtparameter analog zu Fig. 1a-d; FIGS. 5a-d is a representation of the influence of a variation of the pressure on layer parameters analogous to Figure 1a-d.
Fig. 6 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 6 is schematic illustration of a device according to the invention;
Fig. 7 schematische Darstellung einer Antenne zur Ver wendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 7 shows a schematic representation of an antenna for use in the device according to the invention.
Im folgenden wird anhand von Beispielen gezeigt, in welcher Weise das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann.In the following, examples are used to show which How the inventive method are used can.
Die Untersuchungen wurden mit einem PECVD-Reaktor SI 500D der SENTECH Instruments GmbH, Berlin durchgeführt. Dieser Reaktor weist eine ICP-Quelle auf. Bei induktiver Anregung des Plasmas entsteht nur eine geringe DC-Vorspannung (bias) des Substrats. Diese Vorspannung ist für die Energie der auf das Substrat auftreffenden Ionen verantwortlich, so daß die Schichteigenschaften über diese Vorspannung gesteuert werden können. Zur Einstellung der Vorspannung wird ein zweiter HF-Generator mit entsprechender Frequenz- und Phasendifferenz eingesetzt. Damit kann die Ionenenergie weitgehend unabhängig von der Ionendichte eingestellt werden. The investigations were carried out with a SI 500D PECVD reactor carried out by SENTECH Instruments GmbH, Berlin. This Reactor has an ICP source. With inductive excitation the plasma only has a low DC bias of the substrate. This bias is for the energy of the ions impinging on the substrate, so that the layer properties are controlled via this pretension can be. To set the preload, a second RF generator with appropriate frequency and Phase difference used. So that the ion energy largely independent of the ion density become.
Der Reaktor verfügt über ein Vakuumpumpensystem, eine programmierbare Computersteuerung für die Betriebsparameter und ein Datenerfassungssystem.The reactor has a vacuum pump system, a programmable computer control for the operating parameters and a data acquisition system.
Im folgenden werden eine Reihe von Beispielen für das
Verfahren aufgeführt. Dabei werden im wesentlichen folgende
Gasströme für eine Beschichtung im Reaktor verwendet:
A number of examples of the process are given below. The following gas flows are essentially used for a coating in the reactor:
- - Erster Reaktandenstrom (5 vol% SiH4 in Helium)- First reactant stream (5 vol% SiH 4 in helium)
- - Zweiter Reaktandenstom (NH3)- Second reactant current (NH 3 )
- - Inerter Trägergasstrom (Stickstoff oder Argon)- inert carrier gas flow (nitrogen or argon)
Die Zuführung des ersten Reaktandenstrom in Richtung des Substrates erfolgt über einen Gasring, der 4 cm über dem Substrat angeordnet ist. Der Gaseinlaß für ein Trägergas und den zweiten Reaktandenstrom erfolgt in der ICP-Quelle. In einer alternativen Ausführungsform ist es aber auch möglich, die Gasströme an der Peripherie des Reaktors einströmen zu lassen.The supply of the first reactant stream in the direction of the Substrate is made via a gas ring that is 4 cm above the Substrate is arranged. The gas inlet for a carrier gas and the second reactant stream occurs in the ICP source. In an alternative embodiment, however, it is also possible the gas flows on the periphery of the reactor to let in.
Der maximale Gesamtgasfluß der hier dargestellten Beispiele betrug etwa 300 sccm. Im Reaktor werden dabei minimale Drücke von 2 Pa-3 Pa erreicht.The maximum total gas flow of the examples shown here was about 300 sccm. In the reactor there are minimal Pressures of 2 Pa-3 Pa reached.
Um die Rückströmung des ersten Reaktandenstromes vom Gas ring in die ICP-Quelle möglichst klein zu halten, ist die Stromrate der in die Quelle eingespeiste Gase mindestens gleich der Stromrate des ersten Reaktandenstromes gesetzt. Grundsätzlich sollte aber angestrebt werden, die Stromraten der in die Quelle eingespeisten Gasströme wesentlich größer als den ersten Reaktandenstrom zu wählen. The backflow of the first reactant stream from the gas Keep the ring in the ICP source as small as possible Flow rate of the gases fed into the source at least set equal to the flow rate of the first reactant stream. Basically, the current rates should be aimed at of the gas flows fed into the source are considerably larger to choose as the first reactant stream.
Unter den hier beschriebenen Bedingungen ergibt sich maxi mal ein Strom von 150 sccm für den ersten Reaktandenstrom und von 150 sccm für den zweiten Reaktandenstrom und den Trägergasstrom.Under the conditions described here, maxi results times a flow of 150 sccm for the first reactant flow and 150 sccm for the second reactant stream and Carrier gas flow.
Für eine aus in etwa stöchiometrischem SiN bestehende
Schicht wird daher ein Reaktandenverhältnis von
For a layer consisting of approximately stoichiometric SiN, a reactant ratio of
NH3 : SiH4 = 3 : 1 . . . 2 : 1
NH 3 : SiH 4 = 3: 1. , , 2: 1
benötigt. Somit ergibt sich bei 5 vol% SiH4 in Helium (erster Reaktandenstrom) ein Bedarf von ca. 7.5 sccm SiH4 und 15-23 sccm NH3.needed. Thus, at 5 vol% SiH 4 in helium (first reactant stream) there is a requirement of approx.7.5 sccm SiH 4 and 15-23 sccm NH 3 .
Als Startarbeitspunkt werden daher folgende Stromraten
verwendet:
SiH4 in 5 vol% Helium: 146 sccm
NH3: 13 sccm
Trägergas (Ar oder N2): 139 sccmThe following current rates are therefore used as the starting operating point:
SiH 4 in 5 vol% helium: 146 sccm
NH 3 : 13 sccm
Carrier gas (Ar or N 2 ): 139 sccm
Als Betriebsdruck des Startarbeitspunktes werden 15 Pa, als Leistung der HF-Quelle werden 800 W gewählt. Wenn nicht anders angegeben, werden diese Werte den im folgenden darge stellten Messungen zugrundegelegt.The operating pressure of the starting working point is 15 Pa The power of the HF source is chosen to be 800 W. Unless otherwise stated, these values are shown below based measurements.
Im folgenden wird der Einfluß des Trägergases (hier Argon oder Stickstoff) und die Variation des Gesamtflusses auf das Beschichtungsergebnis beschrieben. The influence of the carrier gas (here argon or nitrogen) and the variation of the total flow described the coating result.
In der Fig. 1a-1d wird der Einfluß der Stromrate des Ge samtgasstroms auf verschiedene Parameter der Beschichtung dargestellt. Die Messungen der Schichtparameter wurden mit einem Ellipsometer durchgeführt.In Fig. 1a-1d, the influence of the flow rate of the Ge is samtgasstroms displayed on various parameters of the coating. The layer parameters were measured with an ellipsometer.
In jeder Darstellung der Fig. 1 sind die Versuchsergebnisse für Stickstoff als Trägergas (Kreise) und Argon als Träger gas (ausgefüllte Kreise) wiedergegeben.In each representation of FIG. 1, the test results for nitrogen as a carrier gas (circles) and argon as a carrier gas (filled circles) are shown.
Der Gesamtgasstrom wurde dabei unter Beibehaltung der obengenannten Reaktandenverhältnisse zwischen 50 sccm und 300 sccm variiert. Fig. 1a zeigt dabei den Einfluß auf den Brechungsindex (n320) für eine Wellenlänge von 320 nm. Mit zunehmendem Gesamtgasstrom zeigt sich ein langsamer Anstieg dieses Brechungsindexes, was damit zusammenhängen könnte, daß mit steigenden Stromraten Reaktionsprodukte abtranspor tiert werden und Wasserstoff, der durch die Reaktion mit Ammoniak entsteht, verdrängt wird. In Fig. 1d zeigt sich ein sehr ähnlicher Verlauf für die Messung des Brechungsin dexes (n633) für eine Wellenlänge von 633 nm. Die erzielten Brechungsindizes unter Verwendung von Stickstoff als Träger gas sind deutlich kleiner (n = 1,54-1,75) als bei der Verwendung von Argon als Trägergas (n = 1,9-2,05).The total gas flow was varied between 50 sccm and 300 sccm while maintaining the above-mentioned reactant ratios. Fig. 1a shows the influence on the refractive index (n 320 ) for a wavelength of 320 nm. With increasing total gas flow, there is a slow increase in this refractive index, which could be related to the fact that with increasing flow rates reaction products are removed and hydrogen, which by the reaction with ammonia occurs, is displaced. In Fig. 1d is a very similar curve for the measurement of the Brechungsin dexes (n 633) shows nm for a wavelength of 633. The refractive indices obtained using nitrogen as a carrier gas are significantly smaller (n = 1.54 to 1.75 ) than when using argon as the carrier gas (n = 1.9-2.05).
Es ist bekannt, daß Stickstoff im Gegensatz zu Argon in der Ouelle ammoniakhaltige Radikale bilden kann, die zu einem erhöhtem Einbau von N-H Gruppen in die Schicht führen. Auch ist der Stickstoff möglicherweise in der Lage, mit einer vorhandenen Feuchtschicht auf dem Substrat NO-Gruppen zu bilden und freizusetzen. Auch erzielt Argon durch das niedrige Plasmapotential keine "Sputterwirkung". Aus diesem Grund wird in den weiteren Untersuchungen (Fig. 2 bis 4) Argon als Trägergas verwendet.It is known that, in contrast to argon, nitrogen can form ammonia-containing radicals in the source, which leads to an increased incorporation of NH groups into the layer. The nitrogen may also be able to form and release NO groups with an existing moisture layer on the substrate. The low plasma potential also means that argon has no "sputtering effect". For this reason, argon is used as the carrier gas in the further investigations ( FIGS. 2 to 4).
Fig. 1b zeigt ein stetes Anwachsen der Abscheiderate (rw) mit zunehmenden Gesamtgasstrom, wobei dies für beide Träger gase zutrifft. Offensichtlich ist bei dem hier gewähltem Arbeitspunkt die Abscheidung von der angebotenen Teilchen zahl pro Zeiteinheit bestimmt. Bei der Verwendung von Stickstoff als Trägergas ergab sich eine höhere Abscheidera te als bei Argon. Fig. 1b shows a steady increase in the separation rate (r w ) with increasing total gas flow, this being true for both carrier gases. Obviously, the separation from the offered number of particles per unit of time is determined at the working point selected here. When using nitrogen as the carrier gas, the separation rate was higher than with argon.
Fig. 1c zeigt den Einfluß auf den Extinktionswert (k320) für eine Wellenlänge von 320 nm, der in jedem Fall kleiner als 10-2 ist. Daraus läßt sich schließen, daß kaum Über schußsilizium in die Schichten eingebaut worden ist. Die Ex tinktionswerte sind bei Stickstoff als Trägergas kleiner als bei der Verwendung von Argon als Trägergas. Fig. 1c shows the influence on the absorbance value (k 320) for a wavelength of 320 nm, which in any case is less than 10 -2. From this it can be concluded that hardly excess silicon has been installed in the layers. The extinction values are lower with nitrogen as the carrier gas than with the use of argon as the carrier gas.
In Fig. 2a-2d ist der Einfluß der Variation der Ammoniak- Zugabe auf die gleichen Schichtparameter wie in Fig. 1a-1d dargestellt. Variiert wurde dabei das Verhältnis der Stromraten von SiH4 zu NH3. über die Variation der Ammnoni ak-Zugabe wird vor allem die Stöchiometrie der Nitridschicht gesteuert.In Fig. 2a-2d of the influence of the variation of the ammonia addition to the same layer parameters as in Fig. 1a-1d is shown. The ratio of the flow rates of SiH 4 to NH 3 was varied. The stoichiometry of the nitride layer is controlled above all by varying the Ammnoni ak addition.
Die Fig. 2a und 2c zeigen wiederum die Brechungsindizes für die Wellenlängen 320 nm (Fig. 2a) und 633 nm (Fig. 2c), wobei die Meßbereiche gegenüber den Fig. 1a und 1c vergrößert wurden. Das Siliziumnitrid ist von einem stickstoffreichen Bereich bis zum Einbau von Überschußsilizium dagestellt. FIGS. 2a and 2c show again the refractive indices for the wavelengths 320 nm (Fig. 2a) and 633 nm (Fig. 2c), wherein the measuring ranges with respect to Figs. 1a and 1c have been enlarged. The silicon nitride is shown from a nitrogen-rich area to the installation of excess silicon.
Fig. 2a und 2c zeigen eine Änderung der Brechungsindizes von 1,9 bis <2,3. Durch die Variation des Ammoniak-Flusses läßt sich der Brechungsindex von 1,9 bis über 2 einstellen. FIGS. 2a and 2c show a change in the refractive indices of 1.9 to <2.3. The refractive index can be set from 1.9 to over 2 by varying the ammonia flow.
Wie man anhand Fig. 2b erkennen kann, fällt die Wachstumsra te (Abscheiderate rw) deutlich für einen geringeren Ammoni akfluß, d. h. mit einem steigendem SiH4 : NH3 Verhältnis. Für größere Ammoniakflüsse geht die Abscheiderate in eine Sättigung über.As can be seen from Fig. 2b, the growth rate (separation rate r w ) falls significantly for a lower ammonia flow, ie with an increasing SiH 4 : NH 3 ratio. For larger ammonia flows, the separation rate changes to saturation.
Aus Fig. 2c, die den Verlauf des Extinktionswertes (k320) für 320 nm darstellt, und Fig. 2d, die den Brechungsindex (n633) für 633 nm darstellt, würde sich ungefähr eine optima le Ammoniakstromrate von 14-15 sccm ergeben. Das Verhältnis von SiH4 : NH3 sollte etwas kleiner als 1 : 2 gewählt wer den.From Fig. 2c, which shows the course of the absorbance value (k 320 ) for 320 nm, and Fig. 2d, which shows the refractive index (n 633 ) for 633 nm, an optimal ammonia flow rate of 14-15 sccm would result. The ratio of SiH 4 : NH 3 should be chosen a little less than 1: 2.
Die Extinktionswerte von größer als 10-2 und die Brechungs indizes von größer als 2 zeigen, daß in diesen Bereichen ein Einbau von Überschußsilizium stattfindet.The extinction values of greater than 10 -2 and the refractive indices of greater than 2 show that excess silicon is being installed in these areas.
In Fig. 3a-3d ist der Einfluß der Subtrattemperatur auf die Schichtparameter wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Variation der Temperatur soll Aufschluß darüber geben, inwieweit gute Siliziumnitrid-Beschichtungsergebnisse erreichbar sind. Die Temperatur wurde dabei von 50° bis 320°C variiert. Üblicherweise wird in einem Parallelplatten reaktor mit fallender Temperatur extrem viel Wasserstoff über N-H Gruppen in die Schicht eingebaut. Durch die gerin gere Dichte führt dies zu Brechungsindizes, die kleiner als 1,9 sind. Auch aufgrund hoher Ätzraten sind bei herkömmli chen Verfahren diese tiefen Temperaturen für gute Beschich tungsergebnisse nicht praktikabel.In Fig. 3a-3d, the influence of Subtrattemperatur on the layer parameters as in Figures 1 and 2. FIG. Varying the temperature is intended to provide information about the extent to which good silicon nitride coating results can be achieved. The temperature was varied from 50 ° to 320 ° C. In a parallel plate reactor with falling temperature, an extremely large amount of hydrogen is usually incorporated into the layer via NH groups. Due to the lower density, this leads to refractive indices that are less than 1.9. Also due to the high etching rates, these low temperatures are not practical for good coating results in conventional processes.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den hier verwendeten Betriebsparametern läßt sich aber auch bei tieferen Temperaturen ein gutes Beschichtungsergebnis erzielen. So zeigt Fig. 3b eine relativ konstante Abscheide rate im gesamten Temperaturbereich. Auch die Brechungsindi zes (andere Y-Achsen-Skalierung als in Fig. 1 und 2) und die Extinktionswerte sind über den Temperaturbereich rela tiv konstant. Dies sind Anzeichen dafür, daß auch bei niedrigen Temperaturen im Bereich zwischen 50°C und 100°C, insbesondere auch bei 50°C gute Siliziumnitridbeschichtungs ergebnisse erreicht werden. So konnten mit diesem Niedertem peraturnitrid-Verfahren Lackstrukturen von ca. 5 µm be schichtet werden.With the method according to the invention with the operating parameters used here, a good coating result can also be achieved at lower temperatures. Thus, Fig. 3b is a relatively constant deposition rate throughout the entire temperature range. The refractive indices (different Y-axis scaling than in FIGS. 1 and 2) and the extinction values are relatively constant over the temperature range. These are signs that good silicon nitride coating results can be achieved even at low temperatures in the range between 50 ° C and 100 ° C, in particular also at 50 ° C. With this low temperature nitride process, lacquer structures of approx. 5 µm could be coated.
Durch Kontrolluntersuchungen wurde festgestellt, daß die HF-Leistung der ICP-Quelle nur zu einer Erhöhung der Substrattemperatur um ca. 30 W führt.Check-ups revealed that the RF power of the ICP source only increases the Substrate temperature by about 30 W.
In Fig. 4a-4d ist dargestellt, wie sich in den Fig. 1 bis 3 bereits beschriebenen Schichtparameter unter dem Einfluß der HF-Leistung verändern. Die HF-Leistung wurde dabei im Bereich von 300 W bis 1000 W variiert.In Fig. 4a-4d shows how change in FIGS. 1 to 3 already described layer parameters under the influence of the RF power. The RF power was varied in the range from 300 W to 1000 W.
Wie Fig. 4b zeigt, steigt die Abscheiderate (rw) etwas schwächer als die Quadratwurzel aus der HF-Leistung an. Die Wachstumsleistung der Schichtdicke ist daher etwa proportio nal zur Stromstärke. Auch zeigt sich, daß mit kleiner werdender Leistung der Beschichtungsvorgang unvollständig abläuft. Anhand der Verläufe der Brechungsindizes in Fig. 4a und 4d, jeweils für die Wellenlängen 320 nm bzw. 633 nm, und des Extinktionswerts k320 zeigt sich, daß bei kleineren Leistungen Überschußsilizium in die Schichten eingebaut wird. Eine Drosselung des Flusses bzw. eine Senkung des Be triebsdrucks würde dieses Problem lösen.As FIG. 4b shows, the deposition rate (r w ) increases somewhat less than the square root of the RF power. The growth rate of the layer thickness is therefore approximately proportional to the current. It also shows that the coating process runs incompletely with decreasing output. Based on the courses of the refractive indices in FIGS. 4a and 4d, each for the wavelengths 320 nm and 633 nm, and the extinction value k 320, it can be seen that excess silicon is incorporated into the layers at lower powers. Throttling the river or lowering the operating pressure would solve this problem.
In Fig. 5a-5d ist dargestellt, wie sich in den Fig. 1 bis 4 bereits beschriebenen Schichtparameter unter dem Einfluß des Drucks verändern. Die der Druck wurde dabei im Bereich von 2 bis 40 Pa variiert.In FIGS. 5a-5d is illustrated as change in FIGS. 1 to 4 previously described layer parameters under the influence of pressure. The pressure was varied in the range from 2 to 40 Pa.
Die Brechungsindizes für die Wellenlängen von 320 nm und 633 nm zeigen gemäß Fig. 5a und Fig. 5d einen jeweils anstei genden Verlauf. Signifikant ist der Abfall der Abscheidera te in Fig. 5b bei steigendem Druck. Nach Fig. 5c ist ein steigender Verlauf des Extinktionswertes mit steigendem Druck zu verzeichnen.The refractive indices for the wavelengths of 320 nm and 633 nm show, in accordance with FIG. 5a and FIG. 5d, a respectively increasing course. The drop in the separator rate in FIG. 5b with increasing pressure is significant. According to FIG. 5c, there is an increasing course of the extinction value with increasing pressure.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß bei Temperaturen
unterhalb von 150°C eine Siliziumschicht mit den folgenden
Eigenschaften erreicht werden kann:
Brechungsindex für Wellenlänge 633 nm: 1,9-2,05
Extinktionswert: < 10-2
Abscheiderate: 30 nm/min-55 nm/min
Stress (tensil): 0,3.109 dyn/cm3-
1.109 dyn/cm3
Maximale Schichtdicke: < 10 µm
In summary it can be said that at temperatures below 150 ° C a silicon layer can be achieved with the following properties:
Refractive index for wavelength 633 nm: 1.9-2.05
Absorbance value: <10 -2
Deposition rate: 30 nm / min-55 nm / min
Stress (tensile): 0.3.10 9 dynes / cm 3 - 1.10 9 dynes / cm 3
Maximum layer thickness: <10 µm
Dabei lagen folgende Ätzraten vor:
KOH: 30% KOH, 70% H2O bei einer Temperatur von 85°C:
Ätzrate < 0,07 nm/min
BHF: 6,5% HF, 35% NH4F, 58,5% H2O bei einer Temperatur
von 25°C: Ätzrate < 4 nm/minThe following etching rates were available:
KOH: 30% KOH, 70% H 2 O at a temperature of 85 ° C: etching rate <0.07 nm / min
BHF: 6.5% HF, 35% NH 4 F, 58.5% H 2 O at a temperature of 25 ° C: etching rate <4 nm / min
Dabei ist es möglich, auch auf dreidimensionalen Strukturen eine isotrope Beschichtung aufzubringen. Auch ist der SiH4-Umsatz am Substrat mit ca. 30% sehr hoch, so daß nur eine relativ geringe Gasmenge zu entsorgen ist.It is also possible to apply an isotropic coating to three-dimensional structures. The SiH 4 conversion on the substrate is also very high at around 30%, so that only a relatively small amount of gas has to be disposed of.
Die erfindungsgemäße Reaktorkammer weist eine an sich aus
Plasmabeschichtungsreaktoren bekannte Reaktorkammer und
eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle auf. Die wichtigsten
Komponenten sind in Fig. 6 dargestellt. Dabei haben die
Bezugszeichen folgende Bedeutung:
10 Reaktorraum
12 Vakuumflansch
20 Substrathalter
22 Substrathalteroberfläche
24 Substrathalterheizung
25 elektrische Anschlüsse
26 Kühlreservoir
27 Zuleitung/Ableitung Kühlmittel für Substrathalter
30 induktive Plasmaquelle
32 Antenne
33 Gegenelektrode
34 dielektrisches Einkoppelfenster
36 erster Gasanschluß
37 Gas-Eintrittsöffnungen
38 Anpaßnetzwerk
39 Quellenabdecklung
40 Gaseinlaßmodul
42 Gasringdusche
43 zweiter Gasanschluß
44 Eintrittsöffnungen
50 HF-Generator der Quelle
60 Vakuumsystem mit geregeltem Saugvermögen
The reactor chamber according to the invention has a reactor chamber known per se from plasma coating reactors and an inductively coupled plasma source. The most important components are shown in Fig. 6. The reference symbols have the following meaning: 10 reactor space
12 vacuum flange
20 substrate holders
22 substrate holder surface
24 substrate holder heating
25 electrical connections
26 cooling reservoir
27 Inlet / outlet coolant for substrate holder
30 inductive plasma source
32 antenna
33 counter electrode
34 dielectric coupling window
36 first gas connection
37 gas inlets
38 matching network
39 Source coverage
40 gas inlet module
42 gas ring shower
43 second gas connection
44 entry openings
50 RF generator of the source
60 Vacuum system with regulated pumping speed
Als Antenne 32 dient eine Antenne mit drei planaren Armen (siehe Fig. 7) und eine Vorrichtung zur Impedanzanpassung 38.An antenna with three planar arms (see FIG. 7) and a device for impedance matching 38 serve as antenna 32 .
Der Substrathalter 20 ist temperierbar und weist eine gute thermische Ankopplung für das hier nicht dargestellte zu beschichtende Substrat auf.The substrate holder 20 can be temperature-controlled and has good thermal coupling for the substrate to be coated, which is not shown here.
Das Gaszuleitungssystem weist mindestens eine Gasringdusche 42 auf, über die Reaktanden und Trägergase wahlweise einge speist werden können. Der Abstand zum Substrat wird dabei so eingestellt, daß eine für das Schichtwachstum optimale Dissoziation und Ionisation gewährleitet ist. Üblich sind z. B. 4 cm Abstand zwischen Gasringdusche 42 und Substrat.The gas supply system has at least one gas ring shower 42 , via which reactants and carrier gases can optionally be fed. The distance from the substrate is set so that optimal dissociation and ionization is ensured for the layer growth. Z. B. 4 cm distance between the gas ring shower 42 and the substrate.
Die Gase werden geregelt aus dem Reaktorraum 10 abgesaugt. Auch verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine hier nicht dargestellte Beladungsvorrichtung für den Substrathalter unter Vakuum. The gases are sucked out of the reactor chamber 10 in a controlled manner. The device according to the invention also has a loading device, not shown here, for the substrate holder under vacuum.
Fig. 7 zeigt in einer Draufsicht die Antenne 32, die planar oberhalb des Reaktorraums 10 angeordnet ist. Durch die Anordnung und Form der Arme der Antenne 32 läßt sich eine besonders effektive Abstrahlung in den Reaktorraum 10 erreichen. Dabei erstrecken sich die drei Arme symmetrisch radial vom Zentrum, an dem die hier nicht dargestellte HF-Zuführung liegt. Ab einer gewissen Länge weisen die Arme eine Krümmung auf, so daß die Arme so geformt sind, daß sie auf einer Kreisumfangslinie um das Zentrum liegen. Dadurch liegt eine einfach zu fertigende Antenne mit einer effizien ten Abstrahlcharakteristik vor. FIG. 7 shows a top view of the antenna 32 , which is arranged in a planar manner above the reactor space 10 . Due to the arrangement and shape of the arms of the antenna 32 , a particularly effective radiation into the reactor space 10 can be achieved. The three arms extend symmetrically radially from the center at which the RF feed, not shown here, is located. From a certain length, the arms have a curvature so that the arms are shaped so that they lie on a circumferential line around the center. This results in an easy-to-manufacture antenna with an efficient radiation pattern.
In einer alternativen Ausführungsform ist sind die Arme rechteckig gebogen um den Mittelpunkt angeordnet.In an alternative embodiment, the arms are arranged rectangularly around the center.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispie le. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausfüh rungen Gebrauch machen.The invention is not limited in its execution the preferred embodiments given above le. Rather, a number of variants are conceivable, which of the inventive method and the inventive Device even with a fundamentally different design use.
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999143741 DE19943741A1 (en) | 1999-09-03 | 1999-09-03 | Plasma assisted chemical vapor deposition of silicon nitride, from silane, ammonia, and inert carrier gas, employs optimized gas flowrates |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1999143741 DE19943741A1 (en) | 1999-09-03 | 1999-09-03 | Plasma assisted chemical vapor deposition of silicon nitride, from silane, ammonia, and inert carrier gas, employs optimized gas flowrates |
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DE19943741A1 true DE19943741A1 (en) | 2001-03-08 |
Family
ID=7921804
Family Applications (1)
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DE1999143741 Ceased DE19943741A1 (en) | 1999-09-03 | 1999-09-03 | Plasma assisted chemical vapor deposition of silicon nitride, from silane, ammonia, and inert carrier gas, employs optimized gas flowrates |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19943741A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2045356A1 (en) * | 2007-09-27 | 2009-04-08 | FUJIFILM Corporation | Method of forming silicon nitride films |
EP2045357A1 (en) * | 2007-09-28 | 2009-04-08 | FUJIFILM Corporation | Method of forming silicon nitride films |
-
1999
- 1999-09-03 DE DE1999143741 patent/DE19943741A1/en not_active Ceased
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP2045356A1 (en) * | 2007-09-27 | 2009-04-08 | FUJIFILM Corporation | Method of forming silicon nitride films |
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