DE3587964T2

DE3587964T2 - Verfahren und Vorrichtung zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase mittels eines durch Magnetron verstärkten Plasmas.

Info

Publication number: DE3587964T2
Application number: DE3587964T
Authority: DE
Inventors: Robert Foster; Dan Maydan; Sasson Somekh; David Nin-Kou Wang
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1984-10-25
Filing date: 1985-10-24
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2005-10-25
Also published as: EP0179665B1; US4668365A; JPH0696768B2; JPH07166360A; JPS61179872A; DE3587964D1; EP0179665A2; EP0612861A1; EP0179665A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß einem Aspekt auf magnetronverstärkte plasmagestützte chemische Dampfabscheidungs-(CVD)-Reaktoren und zugeordnete Verfahren zur Durchführung einer Hochgeschwindigkeitsabscheidung von dielektrischen Halbleiter- und Leiterfilmen. Zusätzlich kann die Technik für eine Nitridation und Oxidation bei niedriger Temperatur verwendet werden. Gemäß weiteren Aspekten bezieht sich die Erfindung auf Vorrichtungen und Verfahren zur Durchführung von Behandlungsschritten insitu für integrierte Mehrfachschaltungen und auf Abscheidungsverfahren zur Ausführung konformer Beschichtungen und einer Planarisierung.
Für die bisherigen chemischen Gasabscheidungsverfahren, die bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen eingesetzt wurden, hat man thermisch aktivierte chemischer Vorgänge verwendet, um ein Gas auf einem erhitzten Substrat abzuscheiden. Eine solche chemische Dampfabscheidung (CVD) eines Feststoffs auf einer Oberfläche ergibt eine heterogene Oberflächenreaktion von Gasarten, die auf der Oberfläche adsorbieren. Die Geschwindigkeit des Filmwachstums und die Filmqualität hängen von der Oberflächentemperatur und von den verfügbaren Gasarten ab.
Neuerdings hat man plasmaverstärkte Niedertemperaturabscheidungs-(und Ätz-)verfahren entwickelt zum Abscheiden von verschiedenen Materialien, einschließlich Metallen, wie Aluminium und Wolfram, dielektrischen Filmen, wie Siliziumnitrid und Siliziumdioxid' sowie Halbleiterfilmen, wie Silizium.
Das in den plasmagestützten CVD-Verfahren verwendete Plasma ist eine Niederdruck-Reaktionsteilnehmergas-Entladung, die in einem HF-Feld entwickelt wird. Das Plasma ist definitionsgemäß ein elektrisch neutrales ionisiertes Gas, in dem mit gleicher Dichtezahl Elektronen und Ionen vorhanden sind. Bei den relativ niedrigen Drucken, die bei der plasmagestützten CVD verwendet werden, erfolgt die Entladung in dem "Glüh"-Bereich, und die Elektronenenergien können bezogen auf schwere Teilchenenergien recht hoch sein. Die sehr hohen Elektronentemperaturen steigern die Dichte der dissoziierten Arten in dem Plasma, die für die Abscheidung auf naheliegenden Oberflächen (wie Substraten) zur Verfügung stehen. Die verstärkte Zuführung von reaktiven freien Radikalen ermöglicht die Abscheidung von dichten Filmen guter Qualität bei niedrigen Temperaturen und Abscheidegeschwindigkeiten (30 bis 40 nm pro Minute/300 bis 400 Angström pro Minute), die höher sind als bei Verwendung von rein thermisch aktivierten Prozessen (10 bis 20 nm pro Minute/100 bis 200 Angström pro Minute) möglich sind. Die verfügbaren Abscheidungsgeschwindigkeiten, die plasmagestärkte Prozesse verwenden, sind jedoch relativ niedrig. Außerdem gibt es andere Schwierigkeiten im Zusammenhang mit chemischen Dampfabscheidungs- und plasmaverstärkten CVD-Prozessen. Diese Schwierigkeiten werden nachstehend erörtert.
Unter Verwendung von plasmagestützter chemischer Dampfabscheidung wird Siliziumnitrid aus den Reaktionsteilnehmern Silan, Stickstoff und Ammoniak nach folgender Gleichung gebildet:
SiH&sub4; + NH&sub3; + N&sub2; → SixNy Hz (1)
Die Konzentration des Wasserstoffs in dem abgeschiedenen Siliziumnitrid kann die unerwünschte Größe von 25 bis 35 Atomprozent erreichen. Das Vorhandensein von Wasserstoff in den Strukturen, die sehr früh bei dem IC-Herstellungsprozeß gebildet werden, und die Wasserstoffdiffusion, die sich während der nachfolgenden Fertigungsstufen bei hoher Temperatur ergeben, können zu nicht gleichförmigen elektrischen Eigenschaften führen. Insbesondere wenn die Schichtdicke und die Abstände verringert werden, um integrierte Schaltungsstrukturen mit erhöhter Dichte zu erhalten, machen Heißträgerinjektionsprobleme, die dem Wasserstoff zugeordnet sind, einen solchen hohen Wasserstoffgehalt unannehmbar. Selbst für abschließende Passivierungsfilme kann das Vorhandensein von Wasserstoff zu Problemen führen.
Der Trend zu immer größeren Vorrichtungsdichten und kleineren minimalen Abmessungsgrößen und kleineren Trennungen in VLSI-integrierten Schaltungen stellt zunehmend strengere Anforderungen an die Grundmaßnahmen der IC- Herstellung beim Maskieren, bei der Filmbildung (durch Abscheidung oder Wachstum), beim Dotieren und beim Ätzen. So wird es beispielsweise zunehmend schwierig, konforme Beschichtungen auf einer Stufen aufweisenden Oberflächentopographie auszubilden oder eine Planarisierung von dielektrischen Zwischenniveauschichten zu erreichen, auch wenn plasmaverstärkte CVD-Filme verwendet werden. Fig. 1 zeigt einen typischen Schnitt einer IC-Stufentopographie, bei welcher ein erster Film, beispielsweise eine Leiterschicht 11, über der vorhandenen abgestuften Topographie einer teilweise fertiggestellten integrierten Schaltung (nicht gezeigt) ausgebildet worden ist und der Abscheidung einer dielektrischen Zwischenschicht 12, wie Siliziumdioxid, unterworfen wird. Dies wird als Vorbereitung zur Ausbildung einer Zweitniveau-Leiterschicht (nicht gezeigt) ausgeführt. Wenn die mittlere freie Weglänge der abzuscheidenden aktiven Arten verglichen mit den Stufenabmessungen lang ist (und wenn keine schnelle Oberflächenwanderung gegeben ist), sind gewöhnlich die Abscheidungsgeschwindigkeiten am Boden 13, an den Seiten 14 und auf der Oberseite 15 der Stufentopographie proportional zu den zugeordneten Ankunftswinkeln. Da der Bodenflächenankunftswinkel eine Funktion der Tiefe und Breite des Grabens ist, neigt die Dicke der abgeschiedenen Schicht an dem Boden 13 des Grabens dazu, daß sie kleiner ist als die an den Seiten 14, die ihrerseits wieder kleiner ist als die Dicke an der Oberseite 15.
Eine Steigerung des bei dem Abscheidungsprozeß verwendeten Drucks würde die Kollisionsrate der aktiven Arten erhöhen und die mittlere freie Weglänge verringern. Dies würde die effektive Größe der Ankunftswinkel steigern und die Abscheidungsgeschwindigkeit an den Seitenwänden 14 und an dem Boden 13 des Grabens erhöhen. Gemäß Fig. 2A würde dies jedoch auch den Ankunftswinkel und die zugeordnete Abscheidungsgeschwindigkeit an den Stufenecken 16 steigern. Für Stufen, die durch einen breiten Graben getrennt sind, bilden die sich ergebenden nach innen geneigten Filmformen und die zugeordneten Spitzen 17 eine Abdeckung, die weniger als ideal ist. Durch Verwendung von herkömmlichen Planarisierungsmaßnahmen kann jedoch die Filmtopographie planar gestaltet werden (um die Ausbildung der nachfolgende Zweitniveau-Leiterschicht zu erleichtern). Wenn die Stufen gemäß Fig. 2B durch einen schmalen Graben getrennt sind, beispielsweise in dichten 256 Kilobit VLSI-Aufbauten, schließt im Gegensatz dazu die erhöhte Abscheidungsgeschwindigkeit an den Ecken 16 einen Hohlraum 18 ein. Der Hohlraum wird durch einen nachfolgenden Planarisierungsprozeß freigelegt und ermöglicht, daß der Zweitniveauleiter in den Hohlraum eintritt und an ihm entlang verläuft und dadurch die Leiter und Vorrichtungen längs des Hohlraums kurzschließt.
Der gegenwärtige Stand der Technik der plasmagestützten CVD-Technik kann deshalb wie folgt zusammengefaßt werden. Plasmagestützte CVD-Reaktoren haben maximale Abscheidungsraten von etwa 30 bis 40 nm (300 bis 400 Angström). Es ergeben sich jedoch Probleme, wenn den Anforderungen der zukünftigen Plasmaabscheidungstechnologie genügt werden muß, beispielsweise hinsichtlich der Beseitigung oder Verringerung hoher Wasserstoffverunreinigungswerte in Plasma-CVD-Nitridfilmen und hinsichtlich der Schwierigkeit, eine konforme Stufenabdeckung und eine wirksame Planarisierung der Topographie klein bemessener VLSI- Vorrichtungen zu erreichen.
Es bestehen mehrere Forderungen für eine erfolgreiche zukünftige Plasmaabscheidungstechnologie. Erwähnt wurden bereits die Fähigkeit zur Bildung von Siliziumnitrid mit niedrigem Wasserstoffgehalt und die Anforderungen bezüglich der Topographie ausgedrückt durch Stufenabdeckung und Planarisierung. Außerdem soll die Möglichkeit bestehen, Zwischenniveaufplasmaoxidfilme sowie Oxinitridfilme mit niedrigem Sauerstoffgehalt auszubilden. Oxinitridfilme haben von Oxiden und Nitriden verschiedene dielektrische Eigenschaften und werden als Tordielektrika bei sowohl flüchtigen als auch nicht flüchtigen IC-Technologien ausgeführt. Ferner soll die Fähigkeit vorhanden sein, Zwischenverbindungen und eine Metallisierung der Materialien auszubilden, wie Silizide, Aluminium und schwer schmelzende Metalle. Da zunehmend und speziell Mehrfachniveaumaskenleiter und dielektrische Strukturen ausgeführt werden, möchte man ein In-situ-Verfahren haben, das in der Lage ist, eine Vielzahl von Schritten auszuführen, ohne daß der Wafer aus der Kammer entfernt werden muß, wobei einfach die Reaktionsteilnehmergaschemie und die Arbeitsbedingungen verändert werden. Diese letztere Feststellung wird durch zwei Beispiele demonstriert.
Zunächst soll die Verwendung von Siliziumnitrid als Passivierungsschicht betrachtet werden. Wie erwähnt, möchte man ein Nitrid mit niedrigem Wasserstoffgehalt haben, um Heißträgerprobleme zu beseitigen. Nitridfilme mit niedrigem Wasserstoffgehalt können jedoch hoch beansprucht werden. Eine Annäherung, die die Verwendung von Passivierungsschichten aus Nitrid mit niedrigem Wasserstoffgehalt ermöglicht, besteht darin, zuerst Phosphosilikatglas (PSG) abzuscheiden, um die Beanspruchung zu erleichtern, und dann das Nitrid mit niedrigem Wasserstoffgehalt abzuscheiden. Der Durchsatz würde sich sichtbar steigern und die Fehlerdichte verringern lassen, wenn die beiden Abscheidungsschritte in dem gleichen Reaktor ausgeführt werden könnten.
Ein zweites Beispiel schließt die Verwendung von Aluminium ein. Über Zerstäubung abgeschiedenes Aluminium ist das bevorzugte Metall für Zwischenverbindungen trotz mehrerer, mit seiner Verwendung in Zusammenhang stehender Probleme. So unterliegt reines Aluminium einer Elektromigration, die zu Rissen, Hohlräumen und dergleichen führt. Aluminium bildet auch "kleine Hügel" oder Säulen, die durch isolierende Schichten hindurchstoßen können. Es ist möglich, Aluminium mit Kupfer zu dotieren, um die Elektromigration zu verringern. Kupfer selbst ist jedoch sehr schwer zu ätzen. Eine bessere Lösung ist die Bildung eines Mehrschichtaufbaus aus Aluminium/Wolfram/Aluminium. Die Durchgangsleistung würde sich wiederum bei Verwendung der chemischen Dampfabscheidung steigern lassen, um die drei Schichten in dem gleichen Reaktor abzuscheiden. Vielleicht ist von größerer Bedeutung als alles andere, das CVD-Aluminium eine viel bessere Stufenabdeckung liefert als durch Zerstäubung abgeschiedene Aluminiumfilme.
Bei der Herstellung der dichten, komplexen, prozeßsensitiven gegenwärtigen und zukünftigen integrierten Schaltungsaufbauten ist es außerdem erwünscht und wird es erwünscht sein, eine Plasmaabscheidungstechnologie zur Verfügung zu haben, die an eine automatische Kassettenzu-Kassetten-Waferhandhabung sowohl für die Entladung von Wafern aus der Kassette in die Prozeßkammer als auch für das Rückführen der Wafer in die Kassette nach der Behandlung anpaßbar ist.
Schließlich läßt sich die Durchsatzsteuerung und Teilchenkontrolle durch Verwendung von Ladeschleusenmechanismen unterstützen. Ladeschleusenmechanismen erhöhen nicht nur die Druck- und Behandlungszeit, sondern reduzieren auch das Aussetzen der sehr empfindlichen VLSI-Aufbauten gegenüber Verunreinigungen.
Im Hinblick auf die obige Erörterung ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren für die Plasmaabscheidung von dieelektrischen, metallischen und Halbleiterfilmen mit hohem Mengenstrom bereitzustellen.
Das obige Ziele und andere Ziele werden durch Anwendung eines Magnetfelds ereicht, um die chemische Dampfabscheidung durch Plasma zu stützen und zu verstärken. Man weiß, daß das Anlegen von Magnetfeldern parallel zu einer Arbeitsfläche bei der Magnetron-Feststoffzerstäubungstechnologie und bei der chemischen Gasätzung effizient ist, bisher jedoch noch nicht bei der chemischen Gasabscheidung eingesetzt wurde. Die bei den Gaschemieprozessen erforderlichen niedrigen Drucke ermöglichen herkömmlicherweise nur eine geringe Konzentration von Plasmareaktionsteilnehmerarten und eine dementsprechend niedrige Abscheidungsrate. Wir haben jedoch festgestellt, daß ein geeignetes Anlegen eines Magnetfelds in Verbindung mit Plasma-CVD-Verfahren sehr hohe Abscheidungsraten von dichten, hochqualitativen Filmen bei einem sehr niedrigen Druck und geringen Substrattemperaturen bei hervorragender Gleichförmigkeit ergibt. Die Technik ist für die Abscheidung eines breiten Bereichs von Metall- Isolator- und Leiterfilmzusammensetzungen geeignet, einschließlich der Ausbildung von Siliziumnitridfilmen mit niedrigem Wasserstoffgehalt bei hohen Abscheidungsraten und ist ganz besonders für die Ausbildung von gestaltkonformen Filmen geeignet.
Diese Erfindung stellt einen Plasmareaktor zum Abscheiden eines Films auf einem im wesentlichen planaren Substrat in einer Vakuumkammer, die einen Gaseinlaß zum Einführen eines Reaktionsgasgemisches in die Kammer aufweist, mit einer in der Kammer angebrachten Elektrode, die eine im wesentlichen planare Fläche hat und der HF-Energie aus einer HF-Leistungsspeisung zugeführt wird, so daß das Gasgemisch in einen Plasmazustand angeregt und dadurch ein elektrisches Feld zwischen dem Plasma und der Elektrode geschaffen wird, und einer Einrichtung zum Halten des Substrats an der Elektrode, wobei das Substrat parallel zur Fläche der Elektrode liegt, wodurch das elektrische Feld senkrecht zur Ebene des Substrats ist, und mit einer Magnetanordnung zum Erzeugen eines Magnetfeld bereit, das parallel zum Substrat ist, wobei die Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds geeignet ist, das senkrecht zu dem elektrischen Feld an dem Substrat ist, das nach Größe und Richtung über der Kammer im wesentlichen gleichförmig ist.
Vorzugsweise sind angrenzend an die gegenüberliegenden Enden der Elektrode erste und zweite Reflektoren angeordnet und senkrecht zur Elektrodenfläche ausgerichtet, wobei die Reflektoren aus einem elektrisch leitenden, nicht magnetischen Material zusammengesetzt sind.
Insbesondere hat die Magnetanordnung, die das gleichförmige Magnetfeld bereitstellt, einen Elektromagneten, um zu ermöglichen, daß die Feldstärke variiert wird.
Bei jeder der vorstehenden Anordnungen kann die Magnetanordnung einen Elektromagneten mit Nordpol und Südpol aufweisen, die durch Umpolung der Stromzuführung umgekehrt werden können.
Ferner kann bei jeder der vorstehenden Anordnungen die Magnetanordnung erste und zweite Elektromagnetspulen aufweisen, die parallel zueinander an gegenüberliegenden Enden der Kammern angeordnet sind.
Bei der letzteren Anordnung kann die erste und zweite Elektromagnetspule jeweils einen Durchmesser haben, der annähernd gleich dem doppelten Abstand zwischen Ihnen ist.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Abscheiden eines Films auf einem Substrat bereit, bei welchem ein Reaktionsgasgemisch in eine Vakuumkammer eingeführt, der Elektrode in der Kammer HF-Energie zugeführt wird, so daß das Gasgemisch in einen Plasmazustand angeregt wird und dadurch ein elektrisches Feld zwischen dem Plasma und der Elektrode erzeugt wird, das Substrat parallel zu und unmittelbar angrenzend an eine planare Fläche der Elektrode angeordnet, wodurch die Ebene senkrecht zu dem elektrischen Feld ist, und ein Magnetfeld erzeugt wird, das parallel zu dem Substrat ist, wobei das erzeugte Magnetfeld senkrecht zu dem elektrischen Feld an dem Substrat und nach Größe und Richtung über den Querschnitt der Kammer im wesentlichen gleichförmig ist.
Insbesondere umfaßt der Schritt des Erzeugens eines Magnetfelds weiterhin das Variieren der Magnetfeldstärke, während der Film auf dem Substrat abgeschieden wird.
Der Schritt des Erzeugens eines Magnetfelds kann weiterhin das Variieren der Frequenz des Magnetfelds umfassen, während der Film auf dem Substrat abgeschieden wird.
Bei jedem der obigen Verfahren kann der Schritt der Zuführung eines Reaktionsgasgemisches das Zuführen eines Ätzgases einschließen, um den Film zu ätzen, während er abgeschieden wird.
Im letzteren Fall kann das Verfahren auch den Schritt aufweisen, den Anteil an Ätzgas in dem Gasgemisch nach einer Zeit zu steigern, wenn die Filmabscheidung sich dem Abschluß nähert.
Die vorstehenden und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer integrierten Schaltung ist, die den Ankunftswinkel zeigt, der der Abscheidung einer Materialschicht, beispielsweise eines Dielektrikums, auf einer Oberfläche mit abgestufter Topographie zugeordnet ist,
Fig. 2A und 2B schematische Schnitte ähnlich Fig. 1 sind, die den Effekt der Grabenbreite auf die Planarisierung darstellen,
Fig. 3 eine teilweise schematische und teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht eines Magnetronreaktionssystems ist, das nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebaut ist,
Fig. 4 eine Schnittansicht des Reaktors von Fig. 3 ist,
Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht der geschnittenen Elektrode von Fig. 4 ist, in der schematisch die Magnetfeldlinien dargestellt sind, welche die an die Elektrodenoberfläche angrenzenden Elektronen einschließen,
Fig. 6A, 6B und 6C die Stärke des spektralen Ansprechens der aktiven Stickstoffarten, die in dem Plasma vorhanden sind, auf verschiene Werte des Magnetfelds darstellen,
Fig. 7 und 8 graphisch Siliziumnitridabscheideraten als eine Funktion des Magnetfelds bzw. des Gesamtreaktionsteilnehmergasstroms für ausgewählte Arbeitsbedingungen des Reaktorsystems von Fig. 3 darstellen,
Fig. 9 graphisch die Gleichvorspannung als eine Funktion des Magnetfelds für ausgewählte Arbeitsbedingungen des Reaktorsystems von Fig. 3 darstellen,
Fig. 10 und 11 graphisch die Gleichvorspannung als Funktion des Drucks für ausgewählte Arbeitsbedingungen des Reaktorsystems von Fig. 3 darstellen und
Fig. 12 eine Schnittansicht der Oberflächentopologie einer integrierten Schaltung in der Art von Fig. 1 ist und die gestaltkonformen planaren Qualitäten von Oxid- und Nitridfilmen zeigt, die unter Verwendung des Reaktorsystems von Fig. 3 abgeschieden wurden.
Fig. 3 zeigt ein Magnetronreaktionssystem 30, das gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut ist. Das System 30 hat eine zylindrische Vakuumkammer 31 aus rostfreiem Stahl, in der eine Bandkathodenanordnung 32 angeordnet ist. Die Kathode 32 ist in der Kammer 31 durch Isolierhaltepfosten 33-33 isolierend angebracht und gegenüber der Kammer 31 isoliert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kathode 32 einen zentralen axialen Abschnitt 34 und innere stirnseitige Reflektorabschnitte 36-36, die aus Aluminium oder einem anderen leitenden nicht magnetischen Material hergestellt sind. Äußere Endabschnitte 37-37 bestehen aus isolierendem Material wie Maycor®. Zur Erzielung des Plasmabetriebs wird von einem HF-System 38 Energie zugeführt, das ein HF-Leistungszuführungs- und Lastanpassungsnetzwerk aufweist und mit der Kathode 32 durch einen isolierten Leistungsleiter 39 verbunden ist.
Der Kammer 31 wird Reaktionsteilnehmergas durch einen oder mehrere Gasverteilringe 41 über einen Einlaßschaft 42 aus einem Gaszuführungssystem zugeführt. Das System hat eine Anzahl von Gasspeicherbehältern oder Reservoirs 43-43, die Gase durch eine Leitung 42 zum Einlaßverteilungsring 41 zuführen.
Gemäß der Schnittansicht der Kathode 34 und des Einlaßverteilerrings 41, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, wird ein Halbleiterwafer durch eine Einrichtung 44, beispielsweise Klemmen, an der Seite der Kathode positioniert (oder kann in einer Ausnehmung - nicht gezeigt - in der Kathode angebracht oder gehalten werden). Bei einer gegenwartig bevorzugten Anordnung ist ein Gasring 41 für jeden Wafer oder Substrat 5 vorgesehen. Alternativ kann der Gasring auf der Kathode angebracht werden. Der Durchmesser des Gasrings 41 ist etwas größer als der Durchmesser des zugeordneten Substrats 5, und die Ringöffnungen (56) sind zwischen der Innenseite des Rings so ausgebildet, daß der Verteiler das Reaktionsteilnehmergas mit einem geringen Winkel auf das Substrat richtet. Dies sorgt für einen gleichmäßigen Gasstrom über der Substratoberfläche und vom Substrat weg durch den Ring und zu einem Abführauslaß 47 in der Kammer, der fluchtend zu dem Ring und dem Wafer ausgerichtet ist. Der Auslaß 47 ist mit einer mechanischen Pumpe (nicht gezeigt) über ein Vakuumventil und ein Rootsgebläse verbunden. Diese Anordnung erleichtert ein gleichförmiges Überdecken und Behandeln des Substrats durch das Reaktionsteilnehmergas.
Diese Anordnung verringert auch die inhärente Tendenz der Reaktionskammern, auf den relativ kühlen inneren Kammerwänden Abscheidungen zu bilden, die auf dem Substrat als Verunreinigungen weiter abgeschieden werden können. Obwohl auch andere Einlaßeinrichtungen verwendet werden können, wie Düsen und mit Öffnungen versehene ebene Verteiler, wird die Ringgestalt wegen ihrer gleichförmigen Gasverteilung und der Unterdrückung von Wandabscheidungen bevorzugt. Eine Steuerung des Systems kann über einen kapazitiven Manometersensor erfolgen, der über ein Drucksteuersystem und einen Gleichstrommotor arbeitet, um die Drehzahl des Gebläses zu steuern.
Obwohl nur ein Substrat 5, ein Einlaßverteiler 41 und ein Abführauslaß 47 in Fig. 3 gezeigt sind, um die Darstellung zu vereinfachen, werden vorzugsweise jeweils zwei davon (oder mehr) verwendet, was in Fig. 4 gezeigt ist. Die verwendete Anzahl hängt von dem verfügbaren Montageraum oder den Montageflächen der speziellen Ausführung der Kathode 32 ab. Gewöhnlich hat die Kathode eine Ausgestaltung mit zwei Seiten, wie sie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, oder ist ein Polygon. Wie nachstehend beschrieben wird, ist jedoch das Magnetfeld in der Kammer gleichförmig, und es können als Folge andere Elektrodenformen eingesetzt werden.
Das System 30 kann so arbeiten, daß Filme bei Raumtemperatur abgeschieden werden, d. h. ohne Erhitzen des Substrats 5, nur mittels der Abscheidereaktion. Wie jedoch in der Schnittansicht von Fig. 4 gezeigt ist, hat bei einer arbeitenden Ausführungsform der Kathodenkörper 34 innen eine Heizeinrichtung 52, beispielsweise einen elektrischen Widerstandsheizfaden, zum gleichförmigen Erhitzen des Substrats 5, um die Filmqualität zu steigern. Die maximalen Heizerfordernisse, 250ºC, sind geringer als die bei Plasma-CVD verwendeten Temperaturen. Die HF-Energie kann zum Erhitzen des Substratträgers des Substrats verwendet werden. Für den Innenraum des Kathodengases kann auch ein Kühlfluid, beispielsweise gasförmiger Stickstoff bereitgestellt werden, um die Substrattemperatursteuerung zu erleichtern.
Am Umfang um die Kammer 31 in der Nähe ihrer Ober- und Unterseite sind Elektromagneten 54-55 angeordnet, die gewöhnlich als Kupferwicklung bzw. -spule (nicht gezeigt) ausgeführt sind. Die Elektromagnete bilden einen Nordpol und einen Südpol, die durch Umkehren des Wicklungsstroms umgekehrt werden können. Die Kammerabmessungen und die Wicklungen bilden insbesondere eine Helmholtz-Form, bei welcher die Wicklungstrennung, die genau durch Montagedistanzstücke 56-56 aufrechterhalten wird, annähernd die Hälfte des Wicklungsdurchmessers ist. Bei dieser Ausgestaltung bilden die Elektromagneten ein gleichförmiges Magnetfeld über im wesentlichen dem gesamten diametralen Kammerquerschnitt. Die parallelen Magnetfeldlinien, die durch Pfeile B-B gezeigt sind, sind im wesentlichen parallel zur Zylinderachse. Dadurch, daß die Kathode 34 und das Substrat 5 parallel zur Zylinderachse positioniert sind (die Kathode ist für die Magnetfeldlinien transparent), bilden sich die Magnetfeldlinien parallel zur Substratoberfläche.
Während des Abscheidvorgangs im Reaktorsystem 30 werden gemäß Fig. 4 und 5 ein ausgewähltes Gas oder Gase von dem Reservoir 43-43 über eine Leitung 42 (Leitungen) eingeführt und von dort über den Einlaßringverteiler 41 (die Einlaßringverteiler) zur Reaktionskammer 30 geführt, die durch das Absaugpumpsystem evakuiert wird.
Das Anlegen von HF-Energie von der Leistungszuführung 38 erzeugt eine Reaktionsteilnehmergasentladung bei niedrigem Druck und ein Plasma von Elektronen, Ionen und dissoziierten Arten in der Nähe des Substrats 5. Wie schematisch in Fig. 5 gezeigt ist, wird ein elektrisches Feld E quer über die Plasmaabschirmung oder einen Dunkelraum gebildet, der von dem Plasma mit positivem Potential zur Oberfläche des Elektrodenabschnitts 34 gerichtet ist. Dieses Feld beschleunigt Elektronen über den Mantel weg von der Elektrodenoberfläche und beschleunigt positive Ionen über den Mantel zu der Elektrode 34.
Gleichzeitig wird das gleichförmige Magnetfeld an die Kammer parallel zu den Substraten 5 und senkrecht zu dem elektrischen Feld angelegt. Die Elektronen werden von den magnetischen Feldlinien eingeschlossen, wobei die Magnetfeldlinien verhindern, daß sich die Elektronen weit von der Kathode 34 zu der Anode 31 bewegen. Die magnetischen und elektrischen Felder prägen den Eletronen auch eine · Driftgeschwindigkeit auf, so daß sie von Punkt zu Punkt längs der Kathodenoberfläche driften und schwingen möchten. Die Elektronen sind in einem Band konzentriert, das eine Nettodriftgeschwindigkeit längs der Kathode und des Substrats hat. In Verbindung mit den stirnseitigen Reflektoren 36-36 neigt die · Driftgeschwindigkeit dazu, die Elektronen in dem Plasma einzuschließen. Die Theorie und die Erklärung des Effekts der Magnetfelder beim Einschließen von Elektronen ist bekannt. Die Anwendung dieses Prinzips auf die chemische Abscheidung wurde jedoch noch nicht vorgenommen, und es gibt keine Vermutung, daß die Anwendung mit einer sehr hohen Abscheiderate bei dem sehr niedrigen Systemdruck ausgeführt werden kann (etwa 26,7 Pa 200 Millitorr Maximum), was eine inhärente Grenze der magnetisch gestützten Plasmasysteme ist.
Die überraschende Effektivität des Magnetfelds und des Reaktors 30 bezüglich einer Steigerung der Anzahldichte der Elektronen und als Folge der Dichte reaktiver Spezies, die für die Reaktion am Substrat 5 zur Verfügung stehen, ist in Fig. 6A bis 6C belegt. Diese Figuren zeigen die Intensität des spektralen Ansprechens der aktiven Stickstoffspezies, die in einem Stickstoffplasma vorhanden ist, bei verschiedenen Werten des Magnetfelds. In jedem Fall wurde das Stickstoffplasma bei Einsatz eines Drucks von 26,7 Pa (200 Millitorr) und 500 W HF- Leistung gebildet. Die Feldstärke war 0 G (Gauss), 125 G und 250 G für Fig. 6A, 6B bzw. 6C. Die jeweiligen Maßstabsfaktoren von 6,66; 3,02 und 1,06, die erforderlich waren, um die Stickstoffspektralintensitäten für 0 G, 125 G und 250 G für die Magnetfeldwerte auszugleichen, lassen vermuten, daß die verfügbaren aktiven Stickstoffspezies über den in Fig. 6A gezeigten Basiswert proportional zur Verstärkung des Magnetfelds zunahmen.
Die erweiterte Verfügbarkeit von aktivem Stickstoffarten bzw -spezies ermöglicht die Verwendung von gasförmigem Stickstoff ohne Ammoniak für die Abscheidung von Siliziumnitrid und Siliziumoxinitrid. Es ist in höchstem Maße erwünscht, Stickstoff für Plasmanitrid-/oxinitridabscheidung zu verwenden, da es einen relativ niedrigen Wasserstoffilmgehalt hat. Stickstoff ist jedoch relativ inaktiv und ergibt in herkömmlicher Weise nicht akzeptable niedrige Abscheidungsraten bei der Plasma-CVD Abscheidung. Demzufolge wird Ammoniak, NH&sub3;, für die Nitrid-/Oxinitridabscheidung trotz des sich ergebenenden hohen Wasserstoffilmgehalts verwendet. Nach unserer Kenntnis ist der vorliegende magnetronverstärkte Plasmaabscheidungsprozeß der einzige chemische Gasprozeß, der einen niedrigen Wasserstoffilmgehalt und hohe Abscheideraten in Kombination mit hervorragender Filmqualität bereitstellt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die hohe Abscheiderate bei niedrigem Druck und auf die Verfügbarkeit eines variablen Magnetfelds zur Prozeßoptimierung. Dies ist beispielsweise durch die Siliziumnitridabscheidekurven 71 und 72 veranschaulicht, die in Fig. 7 gezeigt sind. Die Datenpunkte für die Kurven 71 und 72 wurden unter Verwendung von relativen Mengenströmen von 10% SiH&sub4;/90% N&sub2; bzw. 50% SiH&sub4;/50% N&sub2; erhalten. Trotz des verwendeten niedrigen Drucks von 1,3 Pa (10 Millitorr) konnten sehr hohe Abscheideraten bzw. - mengen pro Zeiteinheit erhalten werden. Der Abscheideratebereich von 0 bis 500 nm pro Minute (0 bis 5000 Angström pro Minute) war eine asymptotische Funktion des zugeordneten Magnetfeldbereichs von 0 bis 500 Gauss.
Die Kurve 81 in Fig. 8 ist eine Darstellung der Siliziumnitrid-Abscheiderate als eine Funktion des gesamten Reaktionsteilnehmergasstroms. Diese Figur demonstriert, daß hohe Abscheideraten als eine Funktion des Reaktionsmittelgasstroms bei niedrigem Druck verfügbar sind. Die Daten von Fig. 8 wurden bei 500 W, 250 G, 300ºC erhalten, wobei ein 50% SiH&sub4;/50% N&sub2; Gasstrom und ein niedriger Druck von 1,3 Pa (10 Millitorr) verwendet wurden. Die maximale Abscheiderate von etwa 400 nm pro Minute (4000 Angström pro Minute) wurde bei einem Gesamtgasstrom von etwa 150 SCCM erreicht, und der Abscheidebereich von 0 bis 400 nm pro Minute (0 bis 4000 Angström pro Minute) wurde einem Gesamtreaktionsteilnehmergasstromdurchsatzbereich von 0 bis 150 SCCM zugeordnet.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der vorliegenden magnetronverstärkten plasmagestützten CVD-Technik ist die Möglichkeit hoher Abscheideraten (oben beschrieben), die bei einer niedrigen Gleichvorspannung unabhängig vom Druck erhalten werden, wobei in den abgelegten Filmen geringe Fehlerdichten vorhanden sind. Zur Erläuterung ist zunächst die bekannte Tatsache zu beachten, daß eine niedrige Gleichvorspannung und das sich ergebende Ionenbombardement mit relativ niedriger Energie niedrige Fehlerdichten für Substrat und Film ergibt. Die Kurve 91 von Fig. 9 für die Gleichvorspannung als Funktion des Magnetfelds zeigt, daß die Vorspannung des Systems 30 (die sich durch das Anlegen des Magnetfelds ergibt) mit zunehmendem Magnetfeld auf einen relativ konstanten Wert von B ≥ 150 Gauss abnimmt. Somit hat die Steigerung des Magnetfelds zur Erzielung hoher Abscheideraten (siehe Fig. 7) auch den Vorteil, daß ein zugeordneter verringerter Gleichvorspannungspegel und geringe Fehlerdichten vorliegen. Außerdem zeigen die Kurven 101, 102, 103 und 104, die in Fig. 10 und 11 gezeigt sind und die Gleichvorspannung als eine Funktion des Drucks bei 50, 100, 250 und 500 Gauss veranschaulichen, daß die Gleichvorspannung relativ konstant über dem untersuchten Bereich von Kammerdrucken ist. Somit erhält man die relativ hohen Abscheideraten, die sich bei dem vorliegenden Reaktorsystem 30 und der Abscheidetechnik ergeben, bei niedrigen Gleichvorspannungen mit zugeordneten niedrigen Fehlerdichten und sind relativ unabhängig vom Druck. Dies ermöglicht die Verwendung von niedrigem Druck in Situationen, wo hoher Druck unerwünscht ist.

Abscheidung

Die hohe Abscheiderate gemäß der vorliegenden Erfindung wird von einer ausgezeichneten Filmqualität und hervorragenden gestaltkonformen Eigenschaften begleitet. Obwohl eine Permanentmagnetanordnung für die Vorrichtungsauslegung einsetzbar ist, um Qualitätsfilme zu erreichen, ist das variable Magnetfeld, das durch die Elektromagnete 54 und 55 bereitgestellt wird, von Bedeutung hinsichtlich der Fähigkeit, die Abscheidebedingungen auf den speziellen Film und andere Erfordernisse zuzuschneiden.
Zur Demonstration des Abscheideprozesses wurde ein Versuchsprogramm erstellt. Es wurden Siliziumnitrid (SixNy), Siliziumoxinitrid (SixOyNz) und Siliziumdioxid (SiO&sub2;) auf monokristallinen Silizimfilmen abgeschieden, wobei das vorstehend beschriebene allgemeine Verfahren verwendet und die in der nachstehenden Tabelle 1 beschriebenen Prozeßparameter verwendet wurden. Mit gleichem Ergebnis wurden zwei Reaktorkammern 30 unterschiedlicher Größe eingesetzt. Beide verwendeten die Helmholtzmagnetgestaltung. Die erste Kammer hatte einen Durchmesser von 30,5 cm (12 Zoll) und eine Höhe von 30,5 cm (12 Zoll) bei Magnetabmessungen von annähernd 30,5 cm (12 Zoll) Innendurchmesser und 15,25 cm (6 Zoll) Trennung. Die zweite Kammer 30 hatte einen Innendurchmesser von 45,7 cm (18 Zoll) und eine Höhe von 38,1 cm (15 Zoll). Die zugehörigen Magneten hatten einen Innendurchmesser von etwa 45,7 cm (18 Zoll) bei einer Trennung von etwa 22,9 cm (9 Zoll).
Wie vorstehend erwähnt, wurden die Siliziumnitridfilme unter Verwendung von SiH&sub4;/N&sub2;, d. h. ohne Ammoniak NH&sub3; gebildet. Die Siliziumoxinitrid- und Siliziumdioxidfilme wurden unter Verwendung von SiH&sub4;/N&sub2;/N&sub2;O bzw. SiH&sub4;/N&sub2;O gebildet. Es wurden gleiche Mengenströme von N&sub2; und N&sub2;O bei der Oxinitridabscheidung verwendet, der Fachmann weiß jedoch, daß das Mengenstromverhältnis von N&sub2;/N&sub2;O variiert werden kann, um die Oxinitridzusammensetzung zu steuern.
Die Filme wurden wie folgt charakterisiert: Durch Messen des Brechungsindex (Nf) unter Verwendung eines Ellipsometers wurde eine Anzeige für die Stöchiometrie der Filme erhalten. Die Filmdicke wurde durch Verwendung von Vierpunkt-Sondenmessungen bestimmt. Die Werte für die Filmdicke wurden dann zusammen mit den Abscheidezeiten zur Ermittlung der Abscheideraten verwendet. Der Betrag der Filmspannung wurde dadurch bestimmt, daß der Nettokrümmungsradius des Wafers nach dem Abscheiden gemessen wurde. Die Filme wurden ferner in einer gepufferten Wasserstofffluorid-(BHF)-Ätzlösung (13 : 2 NH&sub4;:HF) bei 25ºC naß geätzt, um eine indirekte Schätzung der Filmdichte und Filmqualität durchzuführen. Man geht davon aus, daß eine relativ niedrige BHF-Ätzrate von jeweils bis zu etwa 5/90 nm pro Minute (50/900 Angström pro Minute) für Siliziumnitrid/Siliziumdioxid insgesamt eine Anzeige für einen hochqualitativen, dichten Film ist. Tabelle 1 Abscheidung Film Parameter HF-Leistung Magnetfeld Gleichspannung Druck Gassystem Gesamtstrom Temperatur
Die abgeschiedenen Siliziumnitrid-, Siliziumoxinitrid- und Siliziumdioxidfilme, die gemessenen Brechungsindices und die Filmzusammensetzungswerte gemäß Tabelle 2 lagen in dem akzeptablen Bereich gut.
Eine Kernreaktionsanalyse und eine IR-Analyse zeigen ebenfalls einen niedrigen Wasserstoffgehalt von 5 bis 13 % für die Siliziumnitridfilme. Ferner ist die BHF-Ätzrate von 2 bis 7 nm pro Minute (20 bis 70 Angström pro Minute) mit dem Wert von 5 nm pro Minute (50 Angström pro Minute) vereinbar, der reprasentativ für dichte, hochqualitative Siliziumnitridfilme ist. Die 2 bis 7 nm pro Minute (20 bis 70 Angström pro Minute) - Ätzrate gilt als Beweis, daß die abgeschiedenen Siliziumnitridfilme eine sehr hohe Qualität und Dichte haben. Weiterhin ist das Haftvermögen der Siliziumnitridfilme hervorragend. Die Druckspannung des Siliziumnitridfilms betrug etwa 15 · 10&sup9; bis 1 · 10¹&sup0; dyn/cm². Dieser Wert wird als charakteristisch für hohe Dichte, hohes Haftvermögen und niedrigen Wasserstoffgehalt der Siliziumnitridfilme angesehen. Schließlich zeigten die Abscheidungsversuche, daß Siliziumnitridfilme guter Qualität bei Raumtemperatur durch Erhöhen der Leistung abgeschieden werden können, um das Fehlen einer zusätzlichen Heizung zu kompensieren. Unter etwa 100ºC wurden hochqualitative Filme für Drucke von ≤ 4 Pa (30 Millitorr) für Leistungswerte von ≥ 400 W erhalten. Über 100ºC war die hohe Filmqualität unempfindlich gegen Temperatur für den Bereich der Prozeßvariablen.
Für die Siliziumoxinitridfilme ist die Ätzrate von 40 nm pro Minute (400 Angström pro Minute) wieder relativ niedrig verglichen mit den Werten von etwa 100 bis 250 nm pro Minute (1000 bis 2500 Angström pro Minute), was von dem Sauerstoffgehalt abhängt, der den dichten Filmen zugeordnet ist, wobei wieder vermutet wird, daß die Filme eine hohe Qualität hatten und dicht waren. Die Abscheidungsraten betrugen 100 bis 500 nm pro Minute (1000 bis 5000 Angström pro Minute). Der Wasserstoffgehalt war niedrig, etwa 3 bis 8%, und das Haftvermögen war hervorragend. Die Filme zeigten keine Rißbildung oder Falten. Tabelle 2 Eigenschaften des abgeschiedenen Films Film Eigenschaften Auger, % Si Spannung Abscheidungsrate nm/min Ätzrate H-Gehalt Ausgezeichnet Stufenabdeckung Dickengleichförmigkeit
Die abgeschiedenen Siliziumdioxidfilme haben schließlich eine Ätzrate von etwa 104 bis 114 nm pro Minute (1040 bis 1140 Angström pro Minute), was für einen dichten Film guter Qualität steht. Es ist zu erwähnen, daß die BHF- Ätzrate für thermische Qualitätssiliziumoxidfilme (die langsam gebildet werden und fordern, daß der IC-Aufbau relativ hohen Temperaturen von etwa 800 bis 900ºC über lange Zeiträume unterworfen wird), etwa 90 nm pro Minute (900 Angström pro Minute) beträgt. Die thermische Oxidqualität der vorliegenden magnetronverstärkten Plasmaoxidfilme ergibt sich bei niedrigen Temperaturen und extrem kurzen Abscheidezeiten (wegen der sehr hohen Abscheiderate von etwa 100 bis 500 nm pro Minute - 1000 bis 5000 Angström pro Minute). Als Folge wird der vorhandene IC-Aufbau einer hohen Temperatur über lange Zeiträume, wie dies bei der Bildung der thermischen Siliziumoxidfilme der Fall ist, nicht unterworfen.
Für Silizimoxidfilme befanden sich die Filme ferner unter Kompression. Die Druckspannungswerte lagen im Bereich von (4,5 bis 7,5) · 10&sup9; dyn/cm², und insgesamt ergaben sich keine Filmrisse oder -falten.
Es ist zu vermerken, daß dort einige Filmrisse beobachtet wurden, wo die Prozeßdrucke unter etwa 0,7 Pa (5 Millitorr) lagen und ein Nachweis einer Gasphasenreaktion bei etwa 7 Pa (50 Millitorr) vorlag. Das erstere Problem kann durch Einstellen des Magnetfelds vermieden werden, während das letztere eine Funktion der Kammergestalt, der Leistung und des Mengenstroms ist.
Zu vermerken ist auch, daß der Bereich der Abscheideraten von etwa 100 bis 500 nm pro Minute (1000 bis 5000 Angström pro Minute) für die Nitrid-, Oxinitrid- und Oxidfilme eine Funktion der Magnetfeldstärke und des Gasdurchsatzes war, wobei sich höhere Abscheideraten bei höheren Magnetfeldwerten und/oder Gasdurchsätzen einstellten. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen weiterhin, daß der Maximalwert von 500 nm (5000 Angström) nicht die obere Grenze ist. Versuchsdaten lassen vermuten, daß eine Steigerung des Magnetfelds oder eine Erhöhung des Gasdurchsatzes bei einem gegebenen Druck noch höhere Abscheideraten für Qualitätsfilme bringt.

Gestaltkonforme Stufenabdeckung

Wie oben erwähnt, ist die Fähigkeit für die jetzige und zukünftigen IC-Abscheidungstechnologie von großer Bedeutung, gestaltkonforme und planarisierte Filme an dichten Topographien kleiner Abmessung auszubilden. Es wurde ein Versuchsprogramm erstellt, um die gestaltkonformen und planarisierenden Eigenschaften der magnetronverstärkten Plasmasiliziumnitrid- und Siliziumdioxidfilme zu untersuchen. Gemäß Fig. 12 wurden die Oxid- und Nitridfilme 122 für eine Dicke von einem um (Mikron) an abgestuften Siliziumleiterfilmen 121 ausgebildet, die mit Linienbreiten von 0,5 bis 3 Mikron und Stufenhöhen von einem Mikron hergestellt und durch Gräben mit 1,5 bis 2 Mikron Breite getrennt waren. Der Reaktor 30 wurde entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren eingesetzt. Es wurden die Abscheideparameter von Tabelle 1 verwendet, um die Siliziumnitrid- und Siliziumoxidfilme abzuscheiden. Zusätzlich wurden Siliziumoxidfilme durch Zugabe von NF&sub3; oder CF&sub4; Ätzgas zu der Kammer gleichzeitig mit dem Abscheidegas gebildet. Sowohl das Ätzen als auch das Abscheiden verlaufen an den Bodenwänden 123 und Seitenwänden 124 langsamer. Demzufolge wurde das Ätzen gleichzeitig mit der Abscheidung benutzt, um die gestaltkonforme Filmausbildung zu verbessern, d. h. um das Stufenabdeckungsprofil zu steuern, indem jegliche Unterschiede in den Abscheideraten an den verschiedenen Oberflächen ausgeglichen wurden und somit gleiche Filmdicken am Boden 123, an den Seitenwänden 124 und an den oberen Flächen 125 erreicht wurden. Es wurde ferner zum Steuern der Abscheiderate verwendet.
Die Stufenabdeckung wurde unter Verwendung von SEM (abtastende Elektronenmikrokurven) charakterisiert. Wie die Schemadarstellung der erhaltenen abgeschiedenen Siliziumnitrid- und Siliziumoxidfilme 122 in Fig. 12 zeigt, war die Stufenabdeckung für beide Filmarten (1) und (2) ziemlich gestaltkonform. Im frühen Stadium bei dem Zwei- Mikron-Wachstumsprozeß waren die Filmdicken am Boden 123, an den Seitenwänden 124 und an den oberen Flächen 125 gleich, was durch die gestrichelte Linie 126 gezeigt ist. Es fehlten die Spitzen und Hohlräume an der Bodenfläche, wie sie bei den herkömmlichen, plasmaabgeschiedenen Filmen vorhanden sind. Trotz des engen Stufenabstands wurden gestaltkonforme Siliziumnitrid- und Siliziumdioxidfilme erreicht. Wenn dann die Filmabscheidung fortgesetzt wurde, wurde eine nahezu ebene, planare obere Fläche 127 gebildet.
Man nimmt an, daß die beobachtete gleichmäßige Filmdicke das Ergebnis einer hohen Oberflächenmobilität ist. Man vermerkt, daß die Spannung von Spitze zu Spitze und die Gleichvorspannung für gegebene Zustände bei Verwendung eines Magnetfelds gewöhnlich geringer sind als für ein Null-Magnetfeld. Als Folge ist auch die mittlere Energie der Ionen, die auf das Substrat 5 aufschlagen (zusammen mit Substrat- und Filmdefektdichten) ebenfalls niedriger. Man geht davon aus, daß die sehr hohe Zahlendichte der aktiven chemischen Spezies, die auf der Substratoberfläche ankommt, das Ergebnis einer hohen Oberflächenmobilität ist, die für ein gleichförmiges Filmwachstum sorgt. Eine gestaltkonforme Stufenabdeckung wird ebenfalls unterstützt, d. h. die Neigung zur Bildung eines gleichförmigen Films mit gleichförmiger Dicke über der Oberseite, der Unterseite und den Seiten der Stufen wird gesteigert, wenn der Druck verringert wird, und zwar bis zu einem Wert von wenigstens etwa 5 Millitorr. Änderungen des Drucks sorgen für eine Steuerung des Profils des abgeschiedenen Films durch physikalisches Zerstäuben des Films in situ. Die mittlere freie Weglänge der an der Substratoberfläche ankommenden Spezies ändert sich mit dem Druck und geht bei niedrigem Druck mehr in eine Richtung, wodurch die Filmdicke am Rand und an der Oberseite der Stufenabdeckung aufgrund der physikalischen in situ-Zerstäubung reduziert wird.
Zusätzlich zur Verwendung verschiedener Parameter, wie sie oben erläutert wurden, um die Filmwachstumsrate zu steuern, können die gestaltkonforme Abdeckung und verschiedene Filmcharakteristika und die Filmspannung durch Ändern des Magnetfelds gesteuert werden. Es wurde der Einfluß einer Magnetfeldänderung auf die Beanspruchung im Nitridfilm untersucht. Niederfrequente Felder (etwa 50 bis 54 kHz) ergeben eine höhere Filmspannung als hochfrequentere Felder (etwa 13 bis 27 MHz), gewöhnlich mit gesteigertem Haftvermögen. Eine niedrige Beanspruchung und gut haftende Nitridfilme ergeben sich, wenn mit der Abscheidung unter Verwendung eines niederfrequenten Magnetfelds begonnen und dann auf ein hochfrequentes Magnetfeld umgeschaltet wird. Die Anfangsabscheidung bei niedriger Frequenz ergibt eine ausgezeichnete Haftung an dem darunter liegenden Material, während die Beanspruchung ein auf der Filmdicke basierendes gewogenes Mittel ist. Es wird erwartet, daß die Beanspruchungs- bzw. Spannungsvorteile durch Verwendung einer hohen Frequenz am Anfang und durch Umschalten auf ein niederfrequentes Feld erhalten wird, jedoch zusammen mit einer geringen Reduzierung der Haftwirkung.
Man hat ferner die Haftwirkung und die Spannung in Nitridfilmen dadurch optimiert, daß man ein gemischtes hoch- und niederfrequentes Magnetfeld anlegt. In diesem Fall erhält man wieder eine gute Haftwirkung, während die Spannung ein gewichtetes Mittel war, das auf der Leistung basiert.
Wie aufgrund der obigen Stufenabdeckungsbehandlung vermutet wurde, kann wegen der hohen Abscheiderate, die den magnetronverstärkten Plasmafilmen zugeordnet ist, und wegen der Fähigkeit, gleichzeitig abzuscheiden und zu ätzen und von dem Abscheiden auf reaktives Ionenätzen durch Ändern der Gaschemie umzuschalten, eine Planarisierung leicht durch die einfache Maßnahme ausgeführt werden, einen dicken dielektrischen Nitrid- oder Oxidfilm wachsen zu lassen und, wenn weiterhin eine Planarisierung erwünscht ist, auf eine ätzende Gaszusammensetzung und ein Rückätzen des Films zu einer glatten planaren Oberseite überzuwechseln.
Der Fachmann kann verschiedene alternative Instruktionen für die Kammer 30 ausführen, um den Vorteil der Prozeßvielseitigkeit zu nutzen, den das variable Magnetfeld, die HF-Leistung, der Druck, der Durchsatz und die Temperatur bieten. Die Kammer 30 ist sicherlich nicht auf eine Parallelplatten-Elektrodenform oder auf ein einziges oder doppeltes Substrat und auf eine einzige oder doppelte Gaseinlaßverteileranordnung begrenzt. Da das Magnetfeld im wesentlichen gleichförmig über dem diametralen Querschnitt der Kammer ist, kann jede Kathodengestalt verwendet werden, welche die Substrate parallel zum Magnetfeld ausrichtet. Dies würde insgesamt mehrfacettige polygonale Kathodenformen einschließen. Zudem kann eine Gasverteilung als auch eine Kühlung enthält.
Wie vorstehend erwähnt, gehören zu den gegenwärtigen und zukünftigen Anforderungen an die IC-Abscheidetechnologie die Fähigkeit, hochqualitative Filme bei hohen Produktausbeuten mit gesteuerter Stufenabdeckung (Topographie) und niedrigen Teilchen- und Porenfehlerdichten vorzugsweise in einem automatisierten Kassette-zu-Kassette-Ladeschleusensystem abzuscheiden, das einen geringen Bodenraum einnimmt und die Möglichkeit für eine mehrstufige in situ-Behandlung hat. Die oben beschriebene magnetronverstärkte Plasmakammer und das Verfahren genügen den Grundanforderungen, die zur Erfüllung dieser Ziele nötig sind, nämlich niedriger Druck, Einzelwaferbeladung, steuerbares niedriges Ionenbombardement des Substrats sowie inhärente, hochqualitative und wählbare Prozeßvariabilität.

Claims

1. Plasmareaktor zum Abscheiden eines Films auf einem im wesentlichen planaren Substrat

- mit einer Vakuumkammer (31), die einen Gaseinlaß zum Einführen eines Reaktionsgasgemisches in die Kammer aufweist,

- mit einer in der Kammer angebrachten Elektrode (32), die eine im wesentlichen planare Fläche hat und der HF-Energie aus einer HF-Energiequelle (38) zugeführt wird, so daß das Gasgemisch in einen Plasmazustand angeregt und dadurch ein elektrisches Feld zwischen dem Plasma und der Elektrode geschaffen wird,

- mit einer Einrichtung zum Halten des Substrats (5) an der Elektrode, wobei das Substrat parallel zur Fläche der Elektrode liegt, wodurch das elektrische Feld senkrecht zur Ebene des Substrats ist, und

- mit einer Magnetanordnung (54-55) zum Erzeugen eines Magnetfelds, das parallel zum Substrat ist, dadurch gekennzeichnet, - daß die Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds geeignet ist, das senkrecht zu dem elektrischen Feld an dem Substrat ist und das nach Größe und Richtung über der Kammer im wesentlichen gleichförmig ist.

2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß angrenzend an die gegenüberliegenden Enden der Elektrode (32) erste und zweite Reflektoren (36, 36) angeordnet und senkrecht zur Elektrodenfläche ausgerichtet sind, wobei die Reflektoren aus einem elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material zusammengesetzt sind.

3. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung, die das gleichförmige Magnetfeld bereitstellt, einen Elektromagneten (54-55) hat, um zu ermöglichen, daß die Feldstärke variiert wird.

4. Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung einen Elektromagneten (54-55) mit Nordpol und Südpol hat, die durch Umpolung der Stromzuführung umgekehrt werden können.

5. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung erste und zweite Elektromagnetspulen (54, 55) hat, die parallel zueinander an gegenüberliegenden Enden der Kammern (31) angeordnet sind.

6. Plasmareaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektromagnetspulen (54, 55) jeweils einen Durchmesser haben, der annähernd gleich dem doppelten Abstand zwischen ihnen ist.

7. Verfahren zum Abscheiden eines Films auf einem Substrat, bei welchem

- ein Reaktionsgasgemisch in eine Vakuumkammer eingeführt wird,

- der Elektrode in der Kammer HF-Energie zugeführt wird, so daß das Gasgemisch in einen Plasmazustand angeregt wird und dadurch ein elektrisches Feld zwischen dem Plasma und der Elektrode erzeugt wird,

- das Substrat parallel zu und unmittelbar angrenzend an eine planare Fläche der Elektrode angeordnet wird, wodurch die Ebene des Substrats senkrecht zu dem elektrischen Feld ist, und

- ein Magnetfeld erzeugt wird, das parallel zu dem Substrat ist, dadurch gekennzeichnet, - daß das erzeugte Magnetfeld senkrecht zu dem elektrischen Feld an dem Substrat und nach Größe und Richtung über den Querschnitt der Kammer im wesentlichen gleichförmig ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines Magnetfelds weiterhin das Variieren der Magnetfeldstärke umfaßt, während der Film auf dem Substrat abgeschieden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines Magnetfelds weiterhin das Variieren der Frequenz des Magnetfelds umfaßt, während der Film auf dem Substat abgeschieden wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Zuführung eines Reaktionsgasgemisches das Zuführen eines Ätzgases einschließt, um den Film zu ätzen, während er abgeschieden wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, welches weiterhin den Schritt aufweist, den Anteil an Ätzgas in dem Gasgemisch nach einer Zeit zu steigern, wenn die Filmabscheidung sich dem Abschluß nähert.