DE2810554C3

DE2810554C3 - Vorrichtung zur Plasmabehandlung bei der Halbleiterbauelementeherstellung

Info

Publication number: DE2810554C3
Application number: DE2810554A
Authority: DE
Inventors: Daiziro Yokohama Kanagawa Kudo (Japan)
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1977-03-11
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1980-09-04
Also published as: JPS53112066A; GB1598146A; JPS5427710B2; DE2810554A1; DE2810554B2; US4178877A; NL7802646A

Description

und senkrecht zur Reaktionsrohr-Längsachse ausgerichtet sind. Jede Elektrodenplatte 2 ist an zwei im Reaktionsrohr 1 befindlichen Elektrodenhaltern 3, 4 befestigt. Jede Elektrodenplatte 2 hat in ihrem unteren Bereich Abschnitte 2a, 2b, wo die Dicke der Elektrodenplatte verstärkt ist, so φβ ein V-förmiger Schlitz 2c resultiert (vgl. Fig. 4), der als Halterung 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 266 Pa betragen. Zur Durchführung einer chemischen Abscheidung aus der Gasphase sind beispielsweise Ammoniak (NH₃) Monosilan (SiH₄), Stickstoff (N₂) oder Sauerstoff (O,) 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 Ic an den Kanten der Abschnitte 2a, 2b auf, um bei der Plasmabehandlung des Halbleitermaterial sicher festzuhalten. Das Halbleitermaterial 5 kann auf beiden Seiten der Elektrodenplattc 2 angebracht werden, da an beiden Seiten die Schlitze 2c ausgebildet sind. Die Anordnung der Abschnitte 2« und 2b, sowie die Tiefe der Schlitze 2c wird mit der Maßgabe ausgewählt, daß der Mittelpunkt des Halbleitermaterials 5 mit dem Mittelpunkt der Elektrodenplatte 2 zusammenfallen kann. Die Elektrodenhalter 3, 4 (vgl. die Fig. 3, 4 und 5) bestehen aus den isolierenden Ummantelungen 3b, 4 b aus beispielsweise Quai ζ und den elektrisch leitenden Stäben 3a, 4a, 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 Id mit kleinem Durchmesser. Die Elektrodenplatte 2 sowie die Stäbe 3«, 4« können beispielsweise uu^ Aluminium bestehen. Bei den Elektrodenplatten 2/1 und IC (vgl. Fig. 5) paßt der Stab 3« in die Aussparung 2d an einer Stelle, wo der Stab 3« nicht von der isolierenden Ummantelung 3/) bedeckt ist; weiterhin paßt der Stab 4« in die Aussparung 2e an einer Stelle, wo der Stab 4« von der isolierenden Ummantelung 4b bedeckt ist. Die Elektrodcnplatte 2 kann an der Stelle der Aussparung 2d an den Stab 3a angeschweißt sein. Auf diese Weise sind die Elektrodenplatten 2A und 2 C elektrisch mit dem Stab 3a verbunden und werden mechanisch von dem Stab 3a gehalten, während der isolierte Träger 4 mit der isolierenden Ummantelung 4b versehen ist. Bei der benachbarten Elektrodenplatte 2B sind gegenüber den Elektrodenplatten 2/4 und 2C die große Aussparung 2e sowie die kleine Aussparung 2d vertauscht angeordnet, so daß die 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 entweder über den Stab 3a oder den Stab 4a 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 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 gehalten, wie die entsprechende Elektrodenplattc 2 zwischen den beiden Hilfselektroden 11. Die poröse oder maschenförmige Hilfselektrode 11 besteht beispielsweise aus Aluminium. Zwischen benachbarten Hilfselektroden 11 von entgegengesetzter Polarität 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 Halbleitermaterialien 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 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 Elektrodcnplatte nach Fig. 9 ist an dem Stab 3a ein Element 3aa fest angebracht, und ein Vorsprung an diesem Element 3a« paßt in die Aussparung 2/ am Uniform der Elektrodenplattc 2. Auf diese Weise ist die Elektrodenplatte 2 elektrisch mit dem Leiterstab 3« verbunden und wird mechanisch von dem Leiterstab 3</ und dem isolierten Träger 4 mit der isolierenden Ummantelung 4b gehalten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. It) ist an einer vorgegebenen Stelle des Umfangs der Elektrodenplatte 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 mechanisch von einem Vorsprung 4bb der isolierenden Ummantelung 4b gehalten.

Die in den Fig. 3, S, 9 und 10 ausschnittweise dargestellte Halterung der Elektrodenplatten kann in-

ncrliülh eines Gestelles erfolgen, d;is mit senkrecht von der Längsachse der Stäbe 3«. 4u abstehenden Verbindungsstücken am Ende der Ummantelung 3/> und 4/> gebildet ist. An diesem Gestell können die Llektrodcnplatten außerhalb des Reaktionsiohre\ Ix'testigt wei lon. Ferner können zusätzlich abstehende, nach unten gerichtete Abschnitte der isolierenden Ummantelung 3Λ. 4/> vorhanden sein, welche als Heine oder Abstützclemente des Haltegestelles dienen. Mit dieser speziellen Anordnung kann die optimale horizontale Stellung der I: lcktrodcnplatten und damit auch die optimale horizontale Stellung der zu behandelnden Halbleitermaterialien relativ zu dein Reaktionsrohr durch Veränderung der Länge der Abstützelemente festgelegt werden.

Bei einer speziellen Ausführungsfnrm (vgl. Fig. I I) besteht das Reaktionsrohr 1 aus Quarzglas und hat einen Innendurchmesser von 115 mm. Die Llektrodcnplatte 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 Siliciumhalbleiterscheibe 5 hat einen Durchmesser von 75 mm. Der Mittelpunkt der Siliciumhalbleiterscheibe 5 fällt mit der I .ingsachscdes Reaktionsrohres 1 zusammen. Im Reaktionsrohrsind 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 FJektrodenplatten 2-1 und 2-12 tragen das zu behandelnde Halbleitermaterial lediglich auf der Innenseite.

Mit dieser Anordnung wurde ein Überzug aus Siliciumnitrid (Si₁Nj) auf der Oberfläche von Siliciumhalbleitermateria! erzeugt; im einzelnen wurdc(n)

- das Halbleitermaterial bei ungefähr 350° C gehalten;

- Partialdruckverhältnisse R zwischen Ammoniak und Monosilan (R = NH,/SiH₄) von 25, 50 oder 100 eingestellt;

- 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 Randabschnitt sind kleiner als 5%. Bei einem Partialdruckverhältnis R zwischen 30 und 50 hat der gebildete Siliciumnitrid-Überzug einen Brechungsindex η von 2.0. was dem Brechungsindex von reinem Siliciumnitrid (h = 2,) entspricht. Reaktionsgas-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 zu-M)

gefühlt wird. Sofern jedoch der linergiebelra angenähert 3 oder 4 W pro Halbleiterscheibe betrügt werden sowohl für die Dicke verschiedener Probe wie für den Dickenunterschied /wischen Mittelab schnitt und Randabschnitt eines Überzuges höhen Werte erhalten und die Abseheidungsgesehwiiidigkei des Übcrziigmalcrials wird für eine praktische An Wendung zu klein. Veränderungen des Abstande zwischen benachbarten Halbleiterscheiben ergäbe ι für einen Absland von 10 mm einen Überzug mit diin nem Mitleliibsehnitt und dickem Randabschnitt, füi einen Abstand von 15 mm eine gleichmäßige Dick» der gesamten Siliciumnitridschicht und für einen Ab stand von 20 mm einen Überzug mit dickem Mitteiah schnitt und dünnem RandiriisciiuiU. Die Temperatui der Halbleitermaterialien kann bis auf angenäher 500¹ C gesteigert werden, ohne die Schichtdicke zi beeinträchtigen. Mit ähnlichen Ergebnissen läßt siel durch Gasphasenreaktion von Sauerstoff (O,) um Monosilan (SiH₄) eine Siliciumdioxidschicht. durcl Gasphasenzersetzung von Monosilan (SiH₄) poly· kristallines Silicium und durch Gasphasenreaktior von Phosphin (PH₅), Sauerstoff (O,) und Mono silan (SiH₄) eine Phosphor-Silikat-Glasschicht ab scheiden.

In der mit Fig. I 1 dargestellten Vorrichtung kann beispielsweise auch eine Atzung von Siliciumhalbleiterscheiben durchgeführt werden. Als Ätzmittel dient Kohlcnstofftetrafluorid (CF₄) mit 5 Vol-% Sauerstoff; während der Ätzung wird das Halbleitermaterial bei 20 C" gehalten. Bei einem Ätzmitteidruck von 4(1 oder SO Pa ist der Unterschied der Ätztiefe zwischen Mittelabschnitt und Randabsehnilt einer Probe kleiner als ?^r/c. 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 Ätztiefc zwischen Rand und Mittelabschnitt einer Probe beträgt weniger als 3Vc. 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, polykristallinem Silicium, Phosphorsilikatglas, Borsilikatglas, Photoresistmaterial oder Metallüberzügen etwa aus Aluminium erhalten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

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 (2r/, Ie) aufweist; und der Elektrodenhalter aus einer isolierenden Ummantelung (3b, 4b) und einem durch die Ummantelung (3/>, 4b) hindurchragenden Leiterstab (3a, 4a) besteht; entweder die Ummantelung (3b, 4b) oder der Leiterstab (3«, 4a) in die Aussparung (Id oder Ie) am Umfang der Elektrodenplatte (2) passen; und der Leiterstab (3a, 4a) 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 (2/) aufweist; und ein Abschnitt eines von einem Leiterstab (3«) abstehenden Elementes (3««) in diese Aussparung (2/) paßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Elcktrodcnplatte (2) an ihrem Umfang einen Vorsprung (2 g) aufweist, der sich durch ein Fenster (9) in der isolierenden Ummantelung (3/;) hindurch erstreckt, und mit dem Leiterstab (3a) elektrisch leitend verbunden ist.

(->. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elcktrodcnplatte (2) an einer anderen Stelle ihres Umfangseine Aussparung (2h) aufweist, in die zur Halterung ein von der isolierenden Ummantelung (4h) abstehender Vorsprung (4hh) 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 de-ΐ position) mittels Plasma, beispielsweise die Abscheidung von isolierendem Material oder von halbleitendem Material auf Halbleitermaterialoberflächen oder die Plasmaätzung von beispielsweise Halbleitermaterialien oder von auf Halbleitermaterialien gebildeten

i" 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

ii indem 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

-'<< 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 Reaktionsrohr-

r> durchmesser 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

«ι Plasmabehandlung sämtlicher Halbleiterscheiben auch dann zu gewährleisten, wenn die Anzahl der gleichzeitig behandelten Halbleiterscheiben erhöht und/oder die Geschwindigkeit der Plasmabehandlung gesteigert wird.

π 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.

m Nachlolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 11 näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

η Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung nach Fig. I,

Fig. 3 und 5 Einzelheiten der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV aus ,., Fig. 3,

Fig. 6 die elektrische Schaltung zum Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 7 modifizierte, für die Plasmaätzung bestimmte Flektrodenplatten für die Vorrichtung nach r, Fig. I,

Fig. H einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII aus

Fig. 7,

Fig. y und Kl eine modifizierte Halterung der Flektrodenplatten, und

i,(i Fig. 11 für eine beispielhafte Ausführungsform die Anordnung der Flektrodenplatten und der Halbleitermaterialien in dem Reaktionsrohr.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung (vgl. Fig. I und 2) sind in einem Rcaklions-

h-, rohr 1 mit kreisförmigem Querschnitt aus Quarzglas, l'yrexglasod. dgl. Elcktrodcnplatten 2 in Reihe längs der Reaktionsrohr-Lüngsaehse so angeordnet, daß die beiden Elcklrodcnplattcncbcncn parallel zueinander