DE2750597A1 - Verfahren zum aufdampfen von duennen schichten durch zersetzung eines gases in einem plasma - Google Patents

Verfahren zum aufdampfen von duennen schichten durch zersetzung eines gases in einem plasma

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Description

VERFAHREN ZUM AUFDAMPFEN«VON DÜNNEN SCHICHTEN DURCH ZERSETZUNG EINES GASES IN EINEM PLASMA
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufdampfen einer dünnen Schicht durch Zersetzen eines Gases in einem Plasma gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Das Aufdampfen von Schichten ist bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen von Bedeutung, die beispielsweise aus Silizium oder Siliziumkarbid bestehen und auf die dotierte Schichten aufgedampft werden müssen, die kristallisch kontinuierlich in das monokristalline Siliziumsubstrat übergehen.
Zur Erzielung extrem reiner Schichten sind mehrere Verfahren bekannt. Ein erstes bekanntes Verfahren ist die Kathodenzerstäubung. Hierbei liegt das aufzudampfende Material in Form einer Prallelektrode vor. In der Nähe dieser Prallelektrode wird in Anwesenheit eines Plasmas, das an Ort und Stelle durch ein Hochfrequenzfeld erzeugt v/ird, ein elektrisches Gleichstromfeld erzeugt, durch das die Prallelektrode einer Ionenbombardierung unterworfen wird und durch Kathodenzerstäubung Atome aus dieser Prallelektrode herausgerissen werden. Dabei schlägt sich auf dem in der Nähe angeordneten Halbleitersubstrat eine Schicht nieder.
Die Qualität dieser Schicht kann durch elektrische Vorspannung des Substrats in Bezug auf das Plasma verbessert werden, beispielsweise durch Verbindung dieses Substrats mit der Prallelektrode, wenn diese eine der leitenden Flächen bildet, zwischen denen das Hochfrequenzfeld angelegt ist. Dadurch
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kann das elektrische Gleichstromfeld durch die Hochfrequenz-
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quelle erzeugt werden. In diesem Falle stellt man die Verbin dung des Substrats über eine Impedanz her, beispielsweise einen regelbaren Kondensator. Dieses Verfahren ist dann nicht anwend bar, wenn man eine Beschichtung nicht ausgehend von einer teuren Feststoff-Prallelektrode herstellen will, sondern von einem kontinuierlich in Gasphase zugeführten Material. Ein zweites bekanntes Verfahren besteht darin, das Substrat in einem Behälter unterzubringen und in diesem Behälter Gase zirkulieren zu lassen, die durch Warraezarsetzung die niederzuschlagende Substanz bilden (chemisches Aufdampfen in Dampfphase, englisch "chemical vapour deposition" oder "CVD"). Hierbei muß das Substrat erhitzt werden· Bei diesem Verfahren ergibt sich der Nachteil, daβ die erforderliche Temperatur die Eigenschaften des Substrats beeinträchtigen kann, wenn es sich beispielsweise dabei um eine Halbleiterplatte handelt, in der zuvor bereits Schichten mit abwechselnder Leitfähigkeit hergestellt wurden. Bekanntlich diffundieren die zwecks Dotierung eingeführten Verunreinigungen, durch die diese Schichten geschaffen werden, durch die Halbleiterplatte, wenn diese Wärme ausgesetzt wird.
Dieses zweite Verfahren wird z.B. in J. electrochem. soc. jolid-state Science and Technology, Bd. 123, Nr. 8, August 1970, Seite 1245 beschrieben. Unter anderem wird in diesem Artikel angegeben, daß eine elektrische Vorspannung des Substrats die Abl^garungsgeschwindigkeit von dotiertem Silizium erhöhen kann. Freilich wird auch dort das Erhitzen dos Substrats nicht vermieden.
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Ein drittes bekanntes Verfahren besteht darin, kontinuierlich ein Gas wie beispielsweise Silan SiHl zuzuführen und os durch Elektronenstöße zu zarsetzen, die in einem durch ein elektrisches Hochfrequenzfsld erzeugten Plasma auftreten. Bei diesem Verfahren kann die Aufdampfungsgeschwindigkeit bei Bedarf durch Erhöhung der elektrischen Hochfrequenzleistung und des Partialdrucks des Silans vergrößert werden. Will man jedoch im niedergeschlagenen Silizium eine hohe Konzentration von Dotierungsverunreinigung wie beispielsweise Arsen erreichen, indem das Silan mit Arsin AsH-. versetzt wird, wird eine Sättigungsgeschwindigkeit für das Aufdampfen erreicht. Die Aufdampfge3chv;indigkeit kann also nicht mehr durch Erhöhung der Hochfrequenzlaistung vergrößert werden.
In der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 23 12 774 wird vorgeschlagen, das Aufdampfen einer dünnen Schicht durch Zersetzung in einem Plasma durchzuführen, indem das Substrat in Bezug auf das Plasma elektrisch vorgespannt wird. Dadurch soll vermieden werden, daß die Beschichtung in Folge von unerwünschten chemischen Reaktionen im Plasma eine zu geringe mechanische Kohäsion aufv/eist. Die Vorspannung wird mit Hilfe einer einerseits mit dem Substrat und andererseits mit einer in das Plasma eindringenden leitenden Sonde verbundenen Gleichstromquelle erzeugt. Eine derartige Vorspannung wird jedoch dann unmöglich, v/enn das aufgedampfte Material isolierend wirkt, da der so zwischen dem Plasma und der Oberfläche des niedergeschlagenen Materials erzeugte Potentialunterschied rasch verschwinden würde. Es kann so keine zufriedenstellende Aufdampfungsgeschwindigkeit erreicht werden, wenn das Material ein schlechter Leiter 13t, beispielsweise ein Halbleiter.
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Durch die Erfindung gemäß Hauptanspruch wird ein Verfahren zum Aufdampfen einer dünnen Schicht durch Zersetzen eines Gases in einem Plasma geschaffen, bei dem hohe Aufdampfungsgeschwindigkeiten erreicht werden, selbst wenn es sich bei dem aufgedampften Material um einen Halbleiter mit einem hohen Dotierungsverunrainigungsanteil handelt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird eine Ladungsansammlung auf dem Substrat vermieden, wenn es sich bei dem aufgedampften Material um einen isolierenden Stoff handelt (beispielsweise amorphes Silizium). Es sei daran erinnert, daß in dienern Fall eine elektrische Gleichstromquelle unwirksam wäre.
Stromaufwärts von den Einblas Öffnungen liegt der Druck vorzugsweise zwischen O,5 und 1 Torr, während der Gasdruck in Höhe des Substrats vorzugsweise bei etwa IO Torr liegt. Wird unter diesen Bedingungen das Substrat an eine Hochfrequenzsnannung gelegt, so wird das Substrat aufgrund des Mobilitätsunterschieds der Ionen und der Elektronen im Plasma negativ vorgespannt. Diese Vorspannung führt zur Bildung eines Beschleunigungsfelds für positive Ionen (beispielsweise Si -Reste) Dieses Beschleunigungsfeld ist umso wirksamer, je kleiner der Druck in Höhe des Substrats ist und somit je größer die freie Wegstrecke der Ionen ist. Durch ein derartiges Feld wird die Kondensationsrate der positiv geladenen Ionen erhöht.
Anhand der beiliegenden drei schematischen Figuren wird nachfolgend eine Vorrichtung zur Durchführung dea erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
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In mehreren Figuren gleiche Elemente werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Kathodenzerstäubungsbehälter, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient.
Fig. 2 stellt schematisch das Hochfrequenzsystem dar, das mit dem Behälter aus Fig. 1 zusammenwirkt.
Fig. 3 zeigt die Kurven der Veränderung der Beschichtungsgeschwindigkeit für Silizium in Abhängigkeit von der Hochfrequenzleistung.
Aus Silizium bestehende Substrate 2 sollen ohne Erhitzung mit einer stark arsendotierten Siliziumschicht versehen werden.
Mehrere Substrate 2 werden auf eine dünne Scheibe 3 gelegt, die ihrerseits auf einem Substratträger 4 aus Kupfer angeordnet ist, der ohne elektrischen Kontakt in einer einen Potentialring bildenden Metallschale 5 liegt. Die Scheibe 3 ist beispielsweise 2 mm dick und behindert nicht den elektrischen Hochfrequenzkontakt zwischen dem Substratträger 4 und den Substraten 2. Die einzige Funktion dieser Scheibe besteht darin, die chemische Verunreinigung der Substrate durch den Substratträger zu unterbinden. Die Schale 5 liegt auf einer horizontalen Platte 6 aus rostfreiem Stahl, die eine an Masse liegende leitende Oberfläche aufweist und den Boden eines Kathodenzerstäubungsbehälters bildet. Außerdem gehören zu diesem Behälter eine Glocke 8 aus rostfreiem Stahl, die vollkommen dicht schließend auf der Platte 6 befestigt ist. Oberhalb der Substrate 2 ist innerhalb der Glocke eine Prallelektrode 10 angeordnet, die die Form einer horizontal ausgerichteten Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Stärke von 5 mm besitzt, die
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mit ihrer von den Substraten abgewandten Seite von einer Scheibe aus rostfreiem Stahl 11 gehalten wird und eine leitende Prallelektrodenfläche bildet. Diese Prallelektrode wird von allen Seiten, ausgenommen auf der den Substraten 2 gegenüberliegenden Seite, von einem metallischen Potentialring 12 umgeben, der elektrisch mit der Platte 6 in Verbindung steht. Die Metallscheibe 11 ist von diesem Potentialring isoliert und mit einer ersten Klemme eines Hochfrequenzgenerators 14 verbunden, von dem eine zweite Klemme mit der Platte 6 in Verbindung steht. Dieser Generator arbeitet mit einer Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von 1 kW.
Die Platte 6 ist mit einer öffnung großen Durchmessers versehen, die an einen Stutzen 16 mit ebenfalls großem Durchmesser angeschlossen ist. Dieser Stutzen 16 steht mit einer nicht dargestellten Öldampfdiffusionspumpe in Verbindung, die ihrerseits an eine Silanfalle angeschlossen ist, die aus einem Behälter besteht, dessen eine Seite auf eine Temperatur von 4OO°C erhitzt ist. Dieser Behälter ist an eine Vakuumpumpe angeschlossen, deren Ausgangsöffnung in die Atmosphäre führt und von der eine andere öffnung 1,5 1 Stickstoff pro Minute unter einem Druck von 4 Bar erhält, so daß jegliches Eintreten von Luft in diese Pumpe sicher vermieden wird.
Die Substrate 2 sind elektrisch über den Substratträger 4 mit einer weiteren Ausgangsklemme des Generators 14 verbunden, der in Bezug auf die Masse eine Hochfrequenzspannung liefert, deren Amplitude kleiner als die der an die Scheibe Il angelegten Spannung ist.
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Der Generator 14 wird in Fig. 2 dargestellt. Er umfaßt sine Ilochfrequenzquelle 100, deren Ausgangsleistung mit ainem V7attmeter 102 gemessen wird. Der Ausgangsstrom läuft über ein .abgleichnetz 104 mit einem parallel geschalteten Stellkondensator 106 und einer mit einem Kondensator 110 in Reihe geschalteten Stellinduktanz 1O8 und speist die Ausgangsklemmen des Generators, von denen die erste an die Metallscheibe IJ. angeschlossen ist. Über einen einstellbaren Kondensator 11;» ist die Scheibe 11 mit dem Substrat 2 verbunden, so daß der Hochfrequenzpegel an den Substraten in Bezug auf; ein zwischen der Scheibe 11 und dem Substrat vorhandenes Plasma eingestellt werden kann. Mit Hilfe zweier Voltmeter 114 und 116 können die Gleichspannungspotentiale der Scheibe 11 und des Substratträgers i gemessen werden. Der Kondensator 112 wird so justiert, daß das negative Potential der Substrate 2 einen Wert zwischen 15 und 150 Volt in Bezug auf die Masse erreicht. Die Gleichspannungspotentiale der Substrate 2 sind gleich dem des Subatratträgers 4, da sie sich aus dem Anlegen derselben Ilochfrequenzspannung in Bezug auf das Plasma ergeben.
Zu Beginn läßt man über eine einen Einblasring 20 bildende Rohrleitung 10 eine Gasmischung in dia Glocke H eindringen ; der Einblasring umgibt in etwa 2 cm Abstand von der Prallalektrode den Raum zwischen Prallelektrode IO und .jiiha'.rn':. :;i, Der Druck in diesem Einblasring wird auf einem i7ert von 0,2 bin 1 Torr gehalten, vorzugsweise zwischen 0,5 und '! Torr. Die Ga .3-mischung gelangt durch zwölf Einblasöffnungan 22 mit einem Dur .limasser von L bis 2 mm,beispielsweise 1,9 mm in die Glocko; dies:} Einblasöffnungen sind auf dan Substrat gerichtet, so daß sich
:rechten geneigte
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um etwa 45 zur .Senkrechten geneigte Gasstrom^ bilden- dia ' a-
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zahl dieser Einblasöffnungen kann beispielsweise zwischen acht und zwanzig liegen.
Der Gasdurchsatz ist derart, daß sich im Innern der Glocke eine Druck zwischen 1O~ und 10** , also etwa 1O~ Torr einstellt. Die Gasmischung enthält einerseits zwischen 1 und 1OO% silan SiH4 (Volumenprozent) zusätzlich ggfs. Wasserstoff und Argon oder ein anderes sehr reines Edelgas, und andererseits ein Dotiergas wie beispielsweise AsH-, B3H, oder PH3, z.B. 5% AsH.,. Wenn sich der Druck im Behälter 8 stabilisiert hat, wird der Generator 14 eingeschaltet. Trotz der niedrigen Temperatur entsteht dann wegen des Hochfrequenzfelds dotiertes Silizium, das eich niederschlägt. Nach dreißig Minuten, die zur Herstellung einer Schicht von 1,5 Mikron Stärke notwendig sind, wird der Generator 14 abgestellt. Auch die Gaszufuhr über den Stutzen ,18 wird unterbrochen, und das Abpumpen des Behälters über den Stutzen 16 wird fortgesetzt, bis der Druck auf etwa 1O~ abgefallen ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich folgende Vorteile :
1. Die Temperatur des Substrats bleibt sehr niedrig, jedoch kann man sie nach Wunsch erhöhen, beispielsweise um ein epitaktisches Wachsen zu erreichen.
2. Die Prallelektrode kann aus einem beliebigen Material bestehen, ohne daß strenge Anforderungen an Reinheit gestellt werden, da sie an der Bildung des Beschichtungsmaterials nicht teilnimmt. Falls die Gefahr einer Verunreinigung durch die Prallelektrode besteht, genügt es, die oben beschriebenen Schritte ein erstes Mal ohne Substrat durchzuführen. Dabei bedeckt sich
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die Prallelektrode mit einer Schicht des aufzudampfenden Materials, und wenn dann später die oben beschriebenen Arbeitsgänge mit einem Substrat durchgeführt werden, bleibt die auf der Prallelektrode erhaltene Beschichtung erhalten und jegliche Verunreinigung durch die Prallelektrode ist ausgeschlossen. Hier wird im übrigen der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem bekannten Kathoden-Zerstäubungsverfahren mit Hochfrequenz deutlich, bei dem das Material der Prallelektrode zur Bildung der Beschichtung auf dem Substrat verbraucht wird.
3. Die auf das Substrat aufgedampfte Schicht ist sehr gleichmäßig wegen der Homogenität des elektrischen Feldes in seiner Nachbarschaft.
4. Die auf den Substraten aufgebrachte Schicht weist eine zufriedenstellende Dichte auf.
5. Die Aufdampfungsgeschwindigkeit der Schicht liegt zwischen 100 und lOOO Ä pro Minute trotz Vorhandensein einer hohen Arsenkonzentration.
6. Beim Aufdampfen von Silizium kann die erhaltene Beschichtung amorph, polykristallin oder monokristallin mit kontinuierlichem Übergang in das Substrat sein, wenn die Oberfläche entsprechend vorbereitet wird.
7. Als Leitungstyp für das aufgedampfte Silizium kann der Typ N oder P erhalten werden, je nach den in die Gasmischung eingeführten Dotierzusätzen.
8. Die Dicke der aufzudampfenden Schicht kann mit großer Genauigkeit vorgewählt werden, selbst wenn diese Dicke sehr gering ist.
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Es läßt sich bemerken, daß, wenn die Hochfrequenzversorgung der Substrate zur Herstellung von Beschichtungen durch Kathodenzerstäubung ohne Einschluß von Atomen des Gases in den aufgedampften Schichten angewandt würde, der Anteil von ionisierten oder angeregten Atomen sehr gering bliebe (kleiner als 10%). Die ionisierung oder Anregung wäre dann nämlich keineswegs zur Herstellung des aufzudampfenden Materials nötig, sondern lediglich dazu. Ionen auftreten zu lassen, beispielsweise Argonionen, die die Prallelektrode bombardieren müssen, um die übertragung der Atome dieser Prallelektrode zu gewährleisten. Die entsprechenden Aufdampfungsgeschwindigkeiten wären niedrig, beispielsweise 300 A Silizium pro Minute mit einer Hochfrequenzleistung von 1 kW. Diese Geschwindigkeit kann durch Hochfrequenzspeisung des Substrats nur noch kleiner werden.
Dagegen besteht bei der Erfindung die Punktion der Anregung oder Ionisierung darin, die Zersetzung der Gasmoleküle hervorzurufen, die das Beschichtungsmaterial liefern.
Der Anteil von Molekülen dieses Materials, die angeregt oder ionisiert werden müssen, muÄ daher groß sein, beispielsweise yovo. Die entsprechenden Aufdampfungsgeschwindigkeiten sind ebenfalls groß, beispielsweise 700 % Silizium pro Minute mit einer Hochfrequenzleistung von 1 kW dank der Verwendung eines Hochfrequenzfeldes.
Fig. 3 zeigt die Veränderung der Aufdampfgeschwindigkeit für das Aufdampfen von arsendotiertem Silizium. Diese Geschwindigkeit wird auf der Ordinatenachse in A pro Minute in Abhängigkeit von der in Watt als Abszissen angegebenen Hochfrequenzleistung dargestellt. Die Kurve 32 zeigt diese Geschwin-
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digkeit als praktisch konstante Geschwindigkeit für das Verfahren ohne Hochfrequenzspeisung der Substrate, während die Kurve 34 diese Geschwindigkeit für das erfindungsgemäße Verfahren mit Hochfrequenzspeisung zeigt, die durch Anlegen einer HF-Spannung von -50 Volt an den Substratträger 4 erzielt wird.
Der Druck im Behälter beträgt drei Tausendstel Torr. Der Abstand zwischen Prallelektrode 10 und Substrat 2 beträgt 7,5 cm. Die Gasmischung enthält 9O% Silan SiH4, 5% Arsin AsH., und 5% Argon Ar.
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Claims (1)

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    ^ j Verfahren zum iiuf dampf on oinar dünnen Schicht durch
    ',"■rsotaunq oinos 'lases in einem Plasma, bei dem zuerst ein zu bos-'hicht'jndor; Substrat in c;inon Behälter galecj·: wird, dann in diesem DeJiäl^rjr oin ilas in Umlauf vareet^f; v/ird, aus dem f'as 3cr:c:hiGh-:uiig3matarial durcl·. Versetzung gobildet word an kann, \mhoi di2r Druck disaes 6ase.3 in der Ruha des Substrats auf oinom »Jorh von IO ~ bi-3 ■ Ip Torr gehalten wird, dann zwischen ^%/ei lair.endon Oberflächen eines Be^,ug3pot3ntials und finor Pralltjlaktrode, die zu beiden Seifcan des Substrats ?inii'3o.vdnet sind, tiino Ilochfrriquenzspannung angelegt wird, so dal in der nahe dos Substrats im Behälter ein Plasma erzeugt wird, dadurch cjoko-nnzoichnet, daß das :ub3:-ra"- (I) hoch irr oquenzmäßig mit der Prallolektrodenrläche verbunden ist, und daS das Gas über eine Rohrleitung (IC) in den Bchältor gnlangt, in der sein Druck auf einem i/ert von 0,2 bis 4 Torr gehalten wird, wobei diese Rohrleitung gegenüber dem Substrat mit Einblasöffnungen (22) versehen ist, 30 daß auf das Substrat gerichtete Gasströme entstehen.
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    ' - Verfahren nach Anspruch I, d a d α r α h gekennzeichnet, daß dio Speisung dor ',v.hr,t τη tij über einen Kondensator (1 2) ^rfolgt.
    1 - Verfahren nach Anspruch 2, d a d u ν c η g ο k e η η ζ <s i c h η ο L, daß das Substrat (2) Jilirrium enthält und daß di"? Gasmischung hauptsächlich aus Wasserstoff und einem seltenen Oa 3 besteht und Si lan oder iJilizumchlor id enthält, so daß sich durch "craGtxung -?ino sili'iiumhalti'-;-? Beschichtung ergibt.
    4 - Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Gasmischung darüber hinaus ein molekulares Gas enthält, das durch Zersetzung oino Dotierungsverunrainigung für Halbleitersilisium bildet.
    5 - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch
    das
    g --3 kennzeichne t, daß/iine Dor.ierungsverunrainigung bildende Gas unter der Gruppe von Gasen gewählt wird, die aus Borhydrid B9II , Phosphin PII und Arsin AsII, gebildet wird.
    6 - Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden leitenden oberflächen (6, 10) eben und parallel sind und sich einander innerhalb des Behälters (6, 0) gegenüberliegen und daß das Substrat (2) im Zwischenraum zwischen diesen beiden Oberflächen in einem bestimmten Abstand von diesen Flächen angeordnat ist.
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    ßAD ORIGINAL m/'
    7 - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet:, daß jede der beiden Oberflächen auf der dem Substrat zugewandten Seite mit einer Quarzschicht bedeckt ist.
    8 - Verfahren nach Anspruch 7, dad u r c h gekennzeichnet, daß vor Einbringen des Substrats (2) in den Behälter (6, 8) zunächst einmal die Gasmischung in diesen Behälter eingelassen wird und die Spannung angelegt wird, bevor dann das Substrat (2) in den Behälter (6, 8) eingeführt und auf einer der Quarzschichten befestigt wird und bevor dann die eigentliche Beschichtung durchgeführt wird·
    9 - Verfahren nach Anspruch 6, da d u r c h gekennzeichnet, daβ die Leitung (18) einen Einblasring (20) bildet, der mit Einblasöffnungen (22) versehen ist und den Raum zwischen Prallelektrode (1O) und Substrat (2) umgibt. ;:
    10 - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e.t, daβ der pruck In der Leitung (18) auf einem Wert zwischen 0,5 und 2 Torr gehalten wird, wobei die Einblasöffnungen einen Durchmesser von 1 bis 2 mm aufweisen und ihre Anzahl zwischen 8 und 2O betr&gt.
    809821/0761
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