DE2810554B2 - Vorrichtung zur Plasmabehandlung bei der Halbleiterbauelementeherstellung - Google Patents

Vorrichtung zur Plasmabehandlung bei der Halbleiterbauelementeherstellung

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DE2810554B2 DE2810554A DE2810554A DE2810554B2 DE 2810554 B2 DE2810554 B2 DE 2810554B2 DE 2810554 A DE2810554 A DE 2810554A DE 2810554 A DE2810554 A DE 2810554A DE 2810554 B2 DE2810554 B2 DE 2810554B2
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Description

und senkrecht zur Reaktionsrohr-Längsachse ausgerichtet sind. Jede Elektrodenplatte 2 ist an zwei im Reaktionsrohr 1 befindlichen ElektrodeiJialtern 3, 4 befestigt. Jede Elektrodenplatte 2 hat in ihrem unteren Bereich Abschnitte 2a, 2b, wo die Dicke der Elektrodenplatte verstärkt ist, so daß ein V-förmiger Schlitz 2c resultiert (vgl. Fig. 4), der als Haltering für die Kante von Halbleitermaterial dient.
Jede Elektrodenplatte 2 ist über einen der beiden Elektrodenhalter 3 oder 4 mit einem der beiden Anschlüsse einer Stromquelle 6 verbunden, so daß die Elektrodenplatten 2 elektrisch parallel geschaltete Kondensatoren darstellen (vgl. Fig. 6).
Zum Betrieb wird das Reaktionsrohr 1 evakuiert, und ein Reaktionsgas in das Reaktionsrohr eingeführt. Der Reaktionsgasdruck kann angenähert 13 bis 265 Pa betragen. Zur Durchführung einer chemischen Abscheidung aus der Gasphase sind beispielsweise Ammoniak (NH3) Monosilan (SiH4), Stickstoff (N2) oder Sauerstoff (O2) brauchbar; zur Durchführung einer Ätzung sind beispielsweise Kohlenstofftetrafluorid (CF4) oder Sauerstoff (O2) brauchbar. Durch Zufuhr von Gleichspannung oder niedrig- oder hochfrequenter Spannung wird zwischen benachbarten Elektrodenplatten 2 ein elektrisches Feld erzeugt, welches dort das Reaktionsgas ionisiert und damit zwischen benachbarten Elektrodenplatten 2 ein Plasma erzeugt. Hochfrequenter elektrischer Strom für die Erzeugung des Plasmas kann eine recht hohe Frequenz von angenähert 13,56 MHz haben. Zur fallweisen Erwärmung der Halbleitermaterialien während der Plasmabehandlung kann ein mit einer Stromquelle 8 verbundenes Heizelement 7 vorgesehen sein.
Da das elektrische Feld gleichmäßig zwischen benachbarten, parallel zueinander angeordneten Elektrodenplatten erzeugt wird, wird auch das Plasma in den Räumen zwischen den Elektrodenplatten gleichmäßig erzeugt. Daher kann die Plasma-Behandlung gleichmäßig auf die an den Elektrodenplatten befestigten Halbleitermaterialien wie etwa ein Siliciumsubstrat oder eine Halbleiterscheibe einwirken.
Eine Elektrodenplatte 2 weist V-förmige Schlitze 2c an den Kanten der Abschnitte 2a, 2b auf, um bei der Plasmabehandlung des Halbleitermaterial sicher festzuhalten. Das Halbleitermaterial 5 kann auf beiden Seiten der Elektrodenplatte 2 angebracht werden, da an beiden Seiten die Schlitze 2c ausgebildet sind. Die Anordnung der Abschnitte 2a und 2b, sowie die Tiefe der Schlitze 2 c wird mit der Maßgabe ausgewählt, daß der Mittelpunkt des Halbleitermaterials 5 mit dem Mittelpunkt der Elektrodenplatte 2 zusammenfallen kann. Die Elektrodenhalter 3, 4 ivgl. die Fig. 3, 4 und 5) bestehen aus den isolierenden Ummantelungen 3b, Ab aus beispielsweise Quarz und den elektrisch leitenden Stäben 3a, Aa, welche innerhalb der Ummantelung 3b, Ab verlaufen. Die Elektrodenplatte 2 weist zwei halbkreisförmige Aussparungen auf, nämlich eine Aussparung 2e mit großem Durchmesser und eine Aussparung 2d mit kleinem Durchmesser. Die Elektrodenplatte 2 sowie die Stäbe 3a, 4a können beispielsweise aus Aluminium bestehen. Bei den Elektrodenplatten 2/4 und 2C (vgl. Fig. 5) paßtderStab3a in die Aussparung 2d an einer Stelle, wo der Stab 3a nicht von der isolierenden Ummantelung 3b bedeckt ist; weiterhin paßt der Stab 4a in die Aussparung 2e an einer Stelle, wo der Stab 4a von der isolierenden Ummantelung Ab bedeckt ist. Die Elekirodenpiatte 2 kann an der Stelle der Aussparung 2d an den Stab 3a angeschweißt sein. Auf diese Weise sind dis Elektrodenplatten 2A und 2 C elektrisch mit dem Stab 3 a verbunden und werden mechanisch von dem Stab 3a gehalten, während der isolierte Träger 4 mit der isolierenden Ummantelung Ab versehen ist. Bei der benachbarten Elektrodenplatte 2B sind gegenüber den Elektrodenplatten 2A und 2C die große Aussparung 2e sowie die kleine Aussparung 2d vertauscht angeordnet, so daß die
ίο Elektrodenplatte 2B elektrisch mit dem Stab 4a verbunden ist und mechanisch von diesem gehalten wird, während der isolierte Träger 3 mit der isolierenden Ummantelung 3b versehen ist.
Jede Elektrodenplatte 2 ist mit einer Stromquelle 6
is entweder über den Stab 3a oder den Stab Aa so verbunden, daß je zwei benachbarte Elektrodenplatten mit den entgegengesetzten Polen der Stromquelle verbunden sind. Der Durchmesser und die Länge der Elektrodenhalter 3, 4 werden mit der Maßgabe ausgewählt, daß der Mittelpunkt der von den Trägern 3, 4 gehaltenen Elektrodenplatten 2 mit der Längsachse des Reaktionsrohrs 1 zusammenfällt.
Für die Plasmaätzung kann eine modifizierte Anordnung vorgesehen sein. Hier ist eine poröse oder
_'5 maschenförmige Hilfselektrode 11 an beiden Seiten jeder Elektrodenplatte 2 im vorgegebenen Abstand zu der Oberfläche der Elektrodenplatte 2 angeordnet (vgl. Fig. 7 und 8). Die Polarität und das Potential der Hilfselektrode 11 werden auf dem gleichen Wert
so gehalten, wie die entsprechende Elektrodenplatte 2 zwischen den beiden Hilfselektroden 11. Die poröse oder maschenförmige Hilfselektrode 11 besteht beispielsweise aus Aluminium. Zwischen benachbarten Hilfselektroden 11 von entgegengesetzter Polarität Γι wird eine Plasmaentladung erzeugt. Da die von dem Plasma erzeugten reaktionsfähigen Substanzen durch die öffnungen oder Maschen 15 in den Hilfselektroden 11 hindurch mit den Oberflächen der an den Elektrodenplatten 2 befestigten Halbleitermateria-
4(i lien 5 reagieren, kann ein unerwünschtes Sputtern unterdrückt werden und die zur Plasmaätzung angelegte Spannung vermindert werden, da wegen der Anwesenheit der porösen oder maschenförmigen Hilfselektroden wesentlich verringerte Abstände zwischen den
4-, benachbarten, plasmaerzeugenden Elektroden von entgegengesetzter Polarität auftreten. Die Dichte des Reaktionsgases kann erhöht und die Gleichmäßigkeit der Plasmabehandlung gesteigert werden.
Bei der modifizierten Halterung der Elektrodenplatte nach Fig. 9 ist an dem Stab 3a ein Element 3aa fest angebracht, und ein Vorsprung an diesem Element 3αα paßt in die Aussparung 2/ am Umfang der Elektrodenplatte 2. Auf diese Weise ist die Elektrodenplatte 2 elektrisch mit dem Leiterstab 3a verbunden und wird mechanisch von dem Leiterstab 3a und dem isolierten Träger 4 mit der isolierenden Ummantelung Ab gehalten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist an einer vorgegebenen Stelle des Umfangs der Elektroden-
bo platte 2 ein Vorsprung 2g ausgebildet, der sich durch ein Fenster 9 in der isolierenden Ummantelung 3b hindurch erstreckt und elektrisch mit dem Stab 3a verbunden ist. An einer anderen vorgegebenen Stelle ihres Umfangs wird die Elektrodenplatte 2 mecha-
b5 nisch von einem Vorsprung Abb der isolierenden Ummantelung Ab gehalten.
Die in den Fig. 3, 8, 9 und 10 ausschnittweise dar-
ßcStciitc näitcfüfig uci' dcKii'Oucfipiaucii ΚίΐΓιϊΊ ΪΠ-
nerhalb eines Gestelles erfolgen, das mit senkrecht von der Längsachse der Stäbe 3«, Aa abstehenden Verbindungsstücken am Ende der Ummantelung 3 b und Ab gebildet ist. An diesem Gestell können die Elektrodenplatten außerhalb des Reaktionsrohres befestigt werden. Ferner können zusätzlich abstehende, nach unten gerichtete Abschnitte der isolierenden Ummantelung 3b, Ab vorhanden sein, welche als Beine oder Abstützelemente des Haltegestelles dienen. Mit dieser speziellen Anordnung kann die op- i< > timale horizontale Stellung der Elektrodenplatten und damit auch die optimale horizontale Stellung der zu behandelnden Halbleitermaterialien relativ zu dem Reaktionsrohr durch Veränderung der Länge der Abstützelemente festgelegt werden. π
Bei einer speziellen Ausführungsform (vgl. Fig. 11) besteht das Reaktionsrohr 1 aus Quarzglas und hat einen Innendurchmesser von 115 mm. Die Elektrodenplatte 2 besteht aus Aluminium, hat einen Durchmesser von 95 mm und eine Dicke von 3 mm; die Dicke des das Halbleitermaterial abstützenden Abschnittes beträgt 5 mm. Die Siliciumhalbleitefscheibe 5 hat einen Durchmesser von 75 mm. Der Mittelpunkt der Siliciumhalbleiterscheibe 5 fällt mit der Längsachse des Reaktionsrohres 1 zusammen. Im Reaktionsrohr sind 12 Elektrodenplatten angeordnet; die innerhalb der Reihe angeordneten Elektrodenplatten 2-2 bis 2-11 tragen die zu behandelnden Materialien auf beiden Seiten der Elektrodenplatte; die endständigen Elektrodenplatten 2-1 und 2-12 tragen das zu behandelnde Halbleitermaterial lediglich auf der Innenseite.
Mit dieser Anordnung wurde ein Überzug aus Siliciumnitrid (Si3N4) auf der Oberfläche von Siliciumhalbleitermaterial erzeugt; im einzelnen wurde(n)
- das Halbleitermaterial bei ungefähr 350° C gehalten;
- Partialdruckverhältnisse R zwischen Ammoniak und Monosilan (R = NH3/SiH4) von 25, 50 oder 100 eingestellt; 4<>
- der Druck des Reaktionsgases bei 173 Pa gehalten;
- der Abstand zwischen benachbarten Halbleitermaterialien bei 17 mm gehalten; und
- jedem Halbleitermaterial hochfrequenter Strom einer Leistung von 1 W zugeführt.
Eine Untersuchung der Proben 5-3,5-7,5-11,5-15 und 5-19 ergab keine nachweisbaren Dickenunterschiede der erhaltenen Überzüge eines Ansatzes; Dikkenunterschiede zwischen Mittelabschnitt und Rand- 5(1 abschnitt sind kleiner als 5%. Bei einem Partialdruckverhältnis R zwischen 30 und 50 hat der gebildete Siliciumnitrid-Uberzug einen Brechungsindex η von 2,0, was dem Brechungsindex von r",inem Siliciumnitrid (n = 2,) entspricht. Reaktio. sgas-Druckwerte von 106 und 240 Pa erbrachten keine anderen Ergebnisse. Die Dickenunterschiede der Überzüge an zu dem gleichen Ansatz gehörenden Proben sind für einen Nachweis zu klein, solange jeder Halbleiterscheibe ein Energiebetrag zwischen 0,6 und 2 W zugeführt wird. Sofern jedoch der Energiebetraf angenähert 3 oder 4 W pro Halbleiterscheibe beträgt werden sowohl für die Dicke verschiedener Prober wie für den Dickenunterschied zwischen Mittelabschnitt und Randabschnitt eines Überzuges höhere Werte erhalten und die Abscheidungsgeschwindigkei des Überzugmaterials wird für eine praktische Anwendung zu klein. Veränderungen des Abstände! zwischen benachbarten Halbleiterscheiben ergaber für einen Abstand von 10 mm einen Überzug mit dünnem Mittelabschnitt und dickem Randabschnitt, füi einen Abstand von 15 mm eine gleichmäßige Dicke der gesamten Siliciumnitridschicht und für einen Abstand von 20 mm einen Überzug mit dickem Mittelabschnitt und dünnem Randabschnitt. Die Temperatur der Halbleitermaterialien kann bis auf angenähert 500° C gesteigert werden, ohne die Schichtdicke zu beeinträchtigen. Mit ähnlichen Ergebnissen läßt sich durch Gasphasenreaktion von Sauerstoff (O2) und Monosilan (SiH4) eine Siliciumdioxidschicht, durch Gasphasenzersetzung von Monosilan (SiH4) polykristallines Silicium und durch Gasphasenreaktion von Phosphin (PH3), Sauerstoff (O2) und Monosilan (SiH4) eine Phosphor-Silikat-Glasschicht abscheiden.
In der mit Fig. 11 dargestellten Vorrichtung kann beispielsweise auch eine Ätzung von Siliciumhalbleiterscheiben durchgeführt werden. Als Ätzmittel dient Kohlenstoff tetrafluorid (CF4) mit 5 VoI-% Sauerstoff; während der Ätzung wird das Halbleitermaterial bei 20° C gehalten. Bei einem Ätzmitteldruck von 40 oder 80 Pa ist der Unterschied der Ätztiefe zwischen Mittelabschnitt und Randabschnitt einer Probe kleiner als 3 %, und die Ätztiefenschwankungen zwischen verschiedenen Proben eines Ansatzes für einen Nachweis zu klein. Bei einem Ätzmitteldruck von 120 Pa treten Ätztiefenschwankungen zwischen verschiedenen Proben bis zu 10% auf; der Unterschied der Ätztiefe zwischen Rand und Mittelabschnitt einer Probe beträgt weniger als 3 %. Solange der jeder Halbleiterscheibe zugeführte Energiebetrag zwischen 2,5 bis 5 W gehalten wird, ist der Unterschied der Ätztiefe zwischen Mittelabschnitt und Randabschnitt kleiner als 3%. Bei einem Energiebetrag von 7,5 W/Scheibe treten größere Schwankungen der Ätztiefe zwischen verschiedenen Proben auf. Unter den angegebenen Bedingungen wirken sich Änderungen des Abstandes zwischen benachbarten Halbleiterscheiben dahingehend aus, daß bei einem Abstand von 10 mm im Mittelabschnitt eine zu geringe und im Randabschnitt eine zu starke Ätzung erfolgt; bei einem Abstand von 15 mm eine gleichmäßige Ätzung über die gesamte Oberfläche erfolgt und bei einem Abstand von 20 mm im Mittelabschnitt eine zu starke und im Randabschnitt eine zu schwache Ätzung erfolgt. Ähnliche Ergebnisse werden für die Ätzung von Überzügen aus Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, polykristallinen! Silicium, Phosphorsilikatglas, Borsilikatglas, Photoresistmaterial oder Metallüberzügen etwa aus Aluminium erhalten.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. a) Vorrichtung zur Plasmabehandlung (Sputtern) bei der Halbleiterbauelementeherstellung
b) mit einem Reaktionsrohr (1), in welches ein ionisierbares Reaktionsgas einbringbar ist,
c) in das außerdem eine Reihe von Halbleiterscheiben (5) hintereinander einbringbar ist,
d) mit zwei Elektroden, zwischen denen durch Zuführung von Gleichspannung oder hoch- oder niederfrequenter Spannung ein elektrisches Feld erzeugt werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß
e) die Elektroden sich im Inneren des Reaktionsrohres (1) befinden,
f) die Elektroden aus zwei Elektrodenhaltern (3, 4) und einer
g) Reihe von Elektrodenplatten (2) bestehen und miteinander befestigt sind,
h) eine Anzahl von Elektrodenplatten (2) in Reihe längs der Längsachse des Reaktionsrohres angeordnet ist,
i) die beiden Ebenen der Elektrodenplatten (2) senkrecht zur Längsachse des Reaktionsrohres (1) ausgerichtet sind, und
k) die Elektrodenplatten abwechselnd mit dem einen (3) oder mit dem anderen (4) Elektrodenhalter elektrisch verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig der Elektrodenplatten (2) zusätzlich je eine poröse oder maschenförmige Hilfselektrode (11) vorgesehen ist, deren elektrisches Potential dem Potential der jeweiligen Elektrodenplatte (2) entspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte (2) an ihrem Umfang Aussparungen (2d, Ie) aufweist; und der Elektrodenhalter aus einer isolierenden Ummantelung (3b, 4b) und einem durch die Ummantelung (3b, 4b) hindurchragenden Leiterstab (3a, 4a) besteht; entweder die Ummantelung (3b, 4b) oder der Leiterstab (3a, 4a) in die Aussparung (2d oder 2e) am Umfang der Elektrodenplatte (2) passen; und der Leiterstab (3a, Aa) mit der Elektrodenplatte (2) elektrisch leitend verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte (2) an ihrem Umfang eine Aussparung (2f) aufweist; und ein Abschnitt eines von einem Leiterstab (3a) abstehenden Elementes (3aa) in diese Aussparung (2/) paßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte (2) an ihrem Umfang einen Vorsprung (2g) aufweist, der sich durch ein Fenster (9) in der isolierenden Ummantelung (3b) hindurch erstreckt, und mit dem Leiterstab (3a) elektrisch leitend verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte (2) an einer anderen Stelle ihres Umfangs eine Aussparung (2h) aufweist, in die zur Halterung ein von der isolierenden Ummantelung (4b) abstehender Vorsprung (4bb) paßt.
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zur Plasmabehandlung (Sputtern) wie etwa die chemische Abscheidung aus der Gasphase (chemical vapor deposition) mittels Plasma, beispielsweise die Abscheidung von isolierendem Material oder von halbleitendem Material auf Halbleiterm-aterialoberflächen oder die Plasmaätzung von beispielsweise Halbleitermaterialien oder von auf Halbleitermaterialien gebildeten ίο Überzügen.
Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-Patentschrift 3615956 bekannt, bei welcher die Halbleiterscheiben so in eine Anzahl von parallel angeordneten Schlitzen einsetzbar sind, die in Längsrichtung eines in dem Reaktionsrohr unterzubringenden Schiffchens ausgespart sind, daß die Oberflächen sämtlicher Halbleiterscheiben parallel zur Reaktionsrohrlängsachse angeordnet sind. Die Elektroden sind in Form von zwei länglichen, halbkreisförmigen Platten an der ><j Außenwand vorgesehen. Nachteilig ist, daß in der Praxis eine einheitliche Plasmabehandlung sämtlicher Halbleiterscheiben nicht erzielt wird, die Geschwindigkeit der Plasmabehandlung nicht leicht gesteigert werden kann und schließlich der Reaktionsrohrdurchmesser zu groß wird, sofern die Anzahl der Reihen der in dem Rohr untergebrachten Halbleiterscheiben gesteigert wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Vorrichtung der angegebenen Art eine gleichmäßige U) Plasmabehandlung sämtlicher Halbleiterscheiben auch dann zu gewährleisten, wenn die Anzahl der gleichzeitig behandelten Halbleiterscheiben erhöht und/oder die Geschwindigkeit der Plasmabehandlung gesteigert wird.
r> Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die F ig. 1 bis 11 näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 und 5 Einzelheiten der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV aus -χι Fig. 3,
Fig. 6 die elektrische Schaltung zum Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 7 modifizierte, für die Plasmaätzung bestimmte Elektrodenplatten für die Vorrichtung nach 5". Fig. 1,
Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII aus Fig. 7,
Fig. 9 und 10 eine modifizierte Halterung der Elektrodenplatten, und
ho Fi g. 11 für eine beispielhafte Ausführungsform die Anordnung der Elektrodenplatten und der Halbleitermaterialien in dem Reaktionsrohr.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung (vgl. Fig. 1 und 2) sind in einem Reaktionsh5 rohr 1 mit kreisförmigem Querschnitt aus Quarzglas, Pyrexglasod. dgl. Elektrodenplatten 2 in Reihe längs der Reaktionsrohr-Längsachse so angeordnet, daß die beiden Elektrodcnplatiencbcncn parallel zueinander
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