DE19950565A1 - Schichterzeugungsverfahren bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements und Halbleiterbauelement - Google Patents

Schichterzeugungsverfahren bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements und Halbleiterbauelement

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Abstract

Bei einem zur Herstellung eines auf einem Halbleitersubstrat realisierten Halbleiterbauelement eingesetzten Schichterzeugungsverfahren wird mittels Plasma-Polymerisation ein Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Film über dem Halbleitersubstrat erzeugt. Bei der Filmerzeugung wird die Temperatur des Halbleitersubstrats auf einen Wert kleiner oder gleich 120 DEG C eingestellt. Das eingesetzte Prozeßgasgemisch enthält ein fluoriertes Kohlenwasserstoffgas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichterzeugungsverfahren bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements und ein Halbleiter­ bauelement.
Die Abscheidung von Schichten unter milden Prozeßbedingungen, die beispielsweise mit Photoresist- oder organischen low- epsilon-Materialien kompatibel sind, gehört bislang nicht zu den Standardprozessen der Halbleitertechnologie. Durch die zunehmende Einführung von neuen temperaturempfindlichen Mate­ rialien und insbesondere auch von organischen Substanzen ge­ winnen solche Abscheideprozesse bei der Herstellung von neu­ artigen Halbleiterbauelementen, beispielsweise organischen Leuchtdioden, an Bedeutung.
Solche unter milden Prozeßbedingungen abscheidbare Schichten müssen für Halbleiter-technologische Anwendungen ausgespro­ chen gute Schichteigenschaften, wie beispielsweise Homogeni­ tät, Ebenheit, Kantenabdeckung, usw. aufweisen. Ferner muß sich ein solches Abscheideverfahren möglichst problemlos in bestehende Prozeßabläufe der Halbleiterfertigung integrieren lassen.
In der europäischen Patentanmeldung EP 0 411 649 A2 ist ein Plasma-Polymerisationsverfahren zur Herstellung eines organi­ schen ferromagnetischen Materials beschrieben. Bei dem Ver­ fahren wird substituiertes Methan für etwa 40 Minuten einer Plasma-Polymerisation bei einer Plasmaleistung von etwa 20 Watt ausgesetzt. Der Schrift sind keine Angaben hinsichtlich der Substrattemperatur zu entnehmen.
In der U.S.-Patentschrift 4,188,426 ist eine kalte Plasma- Ablagerung eines Fluorkohlenstoff-Polymerisat-Films auf einem organischen oder anorganischen Material beschrieben. Der Flu­ orkohlenstoff-Polymerisat-Film bildet einen Überzug, welcher die Gleitfähigkeit der behandelten Materialoberfläche wesent­ lich verbessert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bei der Her­ stellung von Halbleiterbauelementen vielseitig einsetzbares und gut in Standard-Prozesse integrierbares Schichterzeu­ gungsverfahren anzugeben. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, das eine vielseitig nutzbare organische Schicht enthält.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
Da der erfindungsgemäße Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat- Film bei einer Temperatur des Halbleitersubstrats kleiner oder gleich 120°C (und vorzugsweise kleiner als 100°C) er­ zeugt wird, ist der Abscheidevorgang kompatibel mit der Nut­ zung von vielen anderen (gegebenenfalls ebenfalls organi­ schen) temperaturempfindlichen Materialien. Der erzeugte Po­ lymerisat-Film ist dadurch für viele Zwecke einsetzbar.
Beispielsweise kann der Film als Abdeckungs- oder Einbet­ tungsmaterial für optisch aktive oder magnetoresistive Mate­ rialien (z. B. in Form von Clustern oder dünnen Schichten) zum Einsatz kommen. Auch eine Nutzung des Films als low-epsilon- Material ist möglich. Der Polymerisat-Film ist in diesen Fäl­ len auch noch in dem fertigen Halbleiterbauelement enthalten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den erzeugten Polyme­ risat-Film als prozeßtechnologische "Hilfsschicht" einzuset­ zen, die in einem späteren Prozeßschritt wieder vollständig entfernt wird. Beispielsweise kann der Polymerisat-Film auf­ grund seiner niedrigen Abscheidetemperatur unmittelbar auf eine zuvor erzeugte und lithographisch strukturierte Photore­ sist-Schicht abgelagert werden, wodurch sich z. B. Vertie­ fungsstrukturen in der Photoresist-Schicht gezielt verengen lassen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei dem Abscheideprozeß des Polymerisat-Films die gleichen fluorhaltigen Prozeßgase verwendet werden können, wie sie üblicherweise als Ätzgase, beispielsweise zur Silizi­ umdioxid-Ätzung, in der Halbleitertechnologie eingesetzt wer­ den. Da diese Gase also bereits verfügbar sind, läßt sich der erfindungsgemäße Schichtabscheideprozeß ohne großen Aufwand und mit geringem Verunreinigungsrisiko in die üblichen halb­ leitertechnologischen Prozeßabläufe integrieren.
Vorzugsweise wird ein Prozeßgasgemisch verwendet, das Tetra­ fluormethan, Methan und ein Puffergas, insbesondere Argon, umfaßt. Es hat sich gezeigt, daß sich mit diesen Prozeßgasen ein komplett veraschbarer Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat- Film von ausgezeichneter Qualität herstellen läßt. Die kom­ plette Veraschbarkeit ist für den Fall einer teilweisen oder vollständigen Entfernung des Polymerisat-Filmes in späteren Prozeßschritten wichtig, da ein komplett veraschbarer Poly­ merisat-Film (eventuell in Kombination mit einer Naßreini­ gung) ohne Probleme rückstandsfrei entfernbar ist.
Vorzugsweise wird die Temperatur der Prozeßkammer unter 50°C und insbesondere auf etwa 40°C eingestellt. Eine weitere vor­ teilhafte Maßnahme besteht darin, daß eine Rückseitenkühlung des Halbleitersubstrats eingesetzt wird. Beide genannten Maß­ nahmen tragen dazu bei, daß der erfindungsgemäße Prozeß kom­ patibel mit der Nutzung von anderen thermisch empfindlichen Materialien (z. B. Photoresist) ist, die in vorhergehenden Schritten abgeschieden wurden.
Weitere vorteilhafte Varianten der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer PECVD-Reak­ torkammer;
Fig. 2 eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichtfolge; und
Fig. 3 eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer weite­ ren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellten Schichtfolge.
Fig. 1 zeigt eine PECVD-(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depo­ sition)Reaktorkammer 1, in der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.
Die Reaktorkammer 1 umfaßt ein Bodenteil 2 mit einem Gas­ einlaß 3 und einem Gasauslaß 4. Über dem Bodenteil 2 befindet sich eine Halterung (Chuck) 5, auf der ein Halbleitersubstrat (Wafer) 6 angebracht ist. Die Halterung 5 ist mit einer Ein­ richtung 7 ausgerüstet, über welche die Rückseite des Halb­ leitersubstrats 6 mittels eines vorbeiströmenden Kühlgas­ stromes (z. B. Helium) gekühlt werden kann.
Die Reaktorkammer 1 wird durch einen Deckel 8 begrenzt, wel­ cher gasdicht mit dem Bodenteil 2 gekoppelt ist.
In Strömungsrichtung vor dem Gaseinlaß 3 befindet sich eine Plasmaquelle 9 (beispielsweise ein HF-Generator), mit welcher ein durch die Plasmaquelle 9 hindurchlaufender Prozeßgas­ gemisch-Strom 10 zumindest teilweise ionisiert werden kann.
Über eine an dem äußeren Wandungsbereich des Deckels 8 ange­ brachte Temperiereinrichtung 11 ist die Temperatur des ioni­ sierten Prozeßgasgemisches (Plasmas) in der Reaktorkammer 1 kontrollierbar. Verbrauchtes Prozeßgas 12 entweicht über den Gasauslaß 4, wobei über geeignet angeordnete Ventile im Ga­ sein- bzw. Gasauslaß 3, 4 Druck und Fluß des Prozeßgasgemi­ sches in der Reaktorkammer 1 einstellbar sind.
Anstelle der in Fig. 1 dargestellten PECVD-Reaktorkammer 1 mit separater Plasmaquelle 9 kann auch ein PECVD-Reaktor ein­ gesetzt werden, bei dem das Plasma im Bereich über dem Halb­ leitersubstrat 6 erzeugt wird.
Im folgenden wird in beispielhafter Weise eine erfindungs­ gemäße Plasma-Polymerisation zur Ablagerung eines Fluor­ kohlenwasserstoff-Polymerisat-Films über dem Halbleitersub­ strat 6 näher beschrieben:
Auf dem Halbleitersubstrat 6, beispielsweise einem Si-Wafer, kann eine in früheren Prozeßschritten erzeugte Schichtfolge bzw. -struktur aufgebaut sein. Als Prozeßgas wird ein Gemisch aus Argon, Tetrafluormethan (CF4) und Methan (CH4) verwendet. Geeignete PECVD-Abscheideparameter sind ein Gesamtdruck von 2,6 × 104 Pa, 250 Watt Plasmaleitung und Flüsse von z. B. 45 sccm Tetrafluormethan, 103 sccm Argon und 10 sccm Methan. Die Anregung des Plasmas kann bei einer Frequenz von 13,56 MHz und einem Magnetfeld von 60 Gauss erfolgen. Die Temperatur in der Reaktorkammer 1 wird mittels der Temperiereinrichtung 11 auf etwa 40°C temperiert. Die Temperatur des Halbleitersub­ strats 6 im Plasma wird über die Rückseitenkühlung 7 eben­ falls auf etwa 40°C stabilisiert. Nie werden (für beispiels­ weise Photoresist kritische) Temperaturen von 120°C erreicht.
Fig. 2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Ab­ schnitts eines Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Films 6.2, der bei den vorstehend beschriebenen Prozeßparametern über einer Siliziumdioxid-Schicht 6.1 aufgebracht wurde. Das unter der Siliziumdioxid-Schicht 6.1 befindliche Si-Substrat 6 ist in Fig. 2 nicht erkennbar.
Die Schichtdicke D des Polymerisat-Films 6.2 beträgt 362 nm. Bei einer Gesamtzeitdauer des Abscheideprozesses von 300 Se­ kunden wurde somit eine Abscheiderate von 1,2 nm/s erhalten.
Der Polymerisat-Film 6.2 kann bei der Herstellung einer Viel­ zahl von unterschiedlichen Halbleiterbauelementen als Basis- oder Einlagerungsmaterial für andere Polymere (beispielsweise ferroelektrische, elektrolumineszierende oder magnetoresi­ stive Polymere) eingesetzt werden.
Dabei wird in nachfolgenden Prozeßschritten in der Regel eine zumindest teilweise Entfernung (Strukturierung) des Fluorkoh­ lenwasserstoff-Polymerisat-Films 6.2 erforderlich sein. Es hat sich gezeigt, daß der unter Verwendung von CF4 und CH4 erzeugte Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Film 6.2 komplett veraschbar ist. Er kann daher in einfacher Weise durch eine Oxidation (bewirkt die Veraschung) und eine nachfolgende Naß­ reinigung (beispielsweise mit Schwefelsäure/H2O2 oder organi­ schen Strippern wie EKC-265) rückstandsfrei entfernt werden.
Die in Fig. 3 gezeigte elektronenmikroskopische Aufnahme macht deutlich, daß der Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat- Film 6.2' aufgrund der milden Abscheidebedingungen auch di­ rekt auf einer bereits entwickelten und (lediglich) bei 125°C ausgeheizten Photoresist-Schicht 6.3 abgeschieden werden kann. Die Photoresist-Schicht 6.3 liegt auf einer Unterlage aus Siliziumdioxid 6.1' auf und weist in ihrem zentralen Be­ reich ein Photoresist-Loch 13 auf, welches vor der Ablagerung des Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Films 6.2' durch einen photolithographischen Strukturierungsprozeß erzeugt wurde.
Der in Fig. 3 dargestellte Fluorkohlenwasserstoff-Polymeri­ sat-Film 6.2' wurde bei den gleichen Bedingungen wie der Po­ lymerisat-Film 6.2 (Fig. 2) abgeschieden. Er weist eine Schichtdicke D von 413 nm auf, wobei eine Abscheiderate von 1,36 nm/s erhalten wurde. Die Kantenbedeckung K beträgt bei einem Aspektverhältnis des Photoresist-Loches 13 von 1,7 etwa 85 nm, d. h. 21% der Schichtdicke D.
Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Aufnahmen machen deutlich, daß die erzeugten Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Filme 6.2, 6.2' eine ausgezeichnete Homogenität und Oberflächen­ ebenheit aufweisen.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel kann in viel­ fältiger Weise abgewandelt werden. Beispielsweise können an­ stelle von Tetrafluormethan auch andere (teil-)fluorierte Kohlenwasserstoffe, z. B. Perfluorcyclobutan oder Hexafluoret­ han, eingesetzt werden. Argon kann durch andere Puffergase, wie beispielsweise Stickstoff, und Methan durch andere geeig­ nete Kohlenwasserstoffe ersetzt werden.
Bezugszeichenliste
1
PECVD-Reaktorkammer
2
Bodenteil
3
Gaseinlaß
4
Gasauslaß
5
Halterung
6
Halbleitersubstrat
6.1
,
6.1
' Siliziumdioxid
6.2
,
6.2
' Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Film
6.3
Photoresist-Schicht
7
Rückseitenkühlung
8
Deckel
9
Plasmaquelle
10
Prozeßgasgemisch
11
Temperiereinrichtung
12
verbrauchtes Prozeßgas
13
Photoresist-Loch
D Schichtdicke
K Kantenbedeckung

Claims (11)

1. Schichterzeugungsverfahren bei der Herstellung eines auf einem Halbleitersubstrat zu realisierenden Halbleiterbau­ elements, bei dem
  • - die Temperatur des Halbleitersubstrats (6) auf einen Wert kleiner oder gleich 120°C eingestellt wird;
  • - das Halbleitersubstrat (6) einem Prozeßgasgemisch ausge­ setzt wird, welches einen fluorierten Kohlenwasserstoff enthält; und
  • - mittels Plasmapolymerisation ein Fluorkohlenwasserstoff- Polymerisat-Film (6.2, 6.2') oberhalb des Halbleitersub­ strats (6) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Prozeßgasgemisch Tetrafluormethan, Methan und ein Puffergas, insbesondere Argon umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Plasmaleistung von weniger als 300 W, insbesondere weniger als 250 W eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Druck des Prozeßgasgemisches über 2,0 × 104 Pa, insbesondere 2,7 × 104 Pa beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • 1. daß die Temperatur der Prozeßkammer unter 50°C, insbesonde­ re etwa 40°C, beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein Gasfluß des Tetrafluormethans von etwa 45 sccm, des Methans von etwa 10 sccm und des Puffergases von etwa 103 sccm während des Schichtaufbaus aufrechterhalten wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Rückseitenkühlung des Halbleitersubstrats (6) ein­ gesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Film (6.2, 6.2') auf einer zuvor erzeugten Photoresist-Schicht (6.1') abge­ lagert wird.
9. Halbleiterbauelement, das auf einem Halbleitersubstrat (6) aufgebaut ist und einen nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che erzeugten Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Film (6.2, 6.2') umfaßt.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Film (6.2, 6.2') vollständig veraschbar ist.
11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Fluorkohlenwasserstoff-Polymerisat-Film (6.2, 6.2') als organisches Einbettungsmaterial für eine optisch aktive und/oder elektrisch leitfähige und/oder magnetoresistive organische oder anorganische Substanz dient.
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