DE3609681C2 - Verfahren zur Dünnfilmerzeugung - Google Patents

Verfahren zur Dünnfilmerzeugung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Dünnfilms auf einer Halblei­ tervorrichtung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 4,401,054 bekannt.
Zum Erhalten einer hochintegrierten Schaltung mit einer hohen Packungsdichte und einer hohen Betriebszuverlässig­ keit ist das Verfahren für das Einebnen von Elementen und Zwischenverbindungen wesentlich. Es wurden verschiedener­ lei Einebnungsverfahren vorgeschlagen und vorgeführt, wie ein Abhebeverfahren, ein Nachätzverfahren, ein Schleuderauftragsverfahren, ein Vorspannungs-Zerstäu­ bungsverfahren und dergleichen. Bei dem Abhebeverfahren entstehen die Probleme, daß der Prozeß hierfür kompli­ ziert ist und das bei diesem Prozeß verwendete Abdeck­ mittel nicht vollständig entfernt wird. Bei dem Nachätz­ verfahren entstehen Probleme insofern, als es schwierig ist, ein Harz gleichmäßig aufzutragen und die Dicke eines zu ätzenden Halbleiterplättchens gleichförmig zu steuern. Bei dem Schleuderauftragverfahren muß die Dicke eines Films ausreichend gesteigert werden, um Nadellöcher zu verhindern, so daß ein Problem insofern entsteht, als es schwierig ist, außerordentlich kleine Durchgangsöffnungen zu bilden, da das Flächenverhältnis bzw. der Formfaktor der Durchgangsöffnung höher wird. Ferner entstehen Prob­ leme durch eine hohe Dielektrizitätkonstante und durch Verschmutzung.
Das Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren wie beispielsweise das von C. Y. Ting in "Study of planarized sputter­ deposited SiO2", J. Vc. Sic. Technol., 15(3), Mai/Juni 1978, Seiten 1105-1112 beschriebene hat in der letzten Zeit beträchtliche Aufmerksamkeit gefunden, da für das Ebnen einer Oberfläche mit konvexen bzw. erhabenen und konkaven bzw. vertieften Bereichen mittels eines Dünn­ films nur eine einzige Vorrichtung erforderlich ist.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau zur Ausführung dieses Vorspannungs-Zerstäubungsverfahrens. Die Fig. 1 zeigt eine Substratelektrode 1, eine Target- bzw. Prall­ elektrode 2, elektrische Spannungsquellen 3A und 3B für Hochfrequenzvorspannungen, eine Objektkammer 4, ein Gas­ einleitsystem 5 und ein Objekt-Substrat 6. Bei diesem Aufbau wird die Prallelektrode 2 derart zerstäubt, daß die Teilchen des zerstäubten Materials auf der Oberfläche des Substrats 6 abgelagert werden und einen Isolierfilm bilden. In diesem Fall wird auch über die Substratelek­ trode 1 an das Substrat 6 eine Hochfrequenzspannung aus der Spannungsquelle 3B derart angelegt, daß Ar-Ionen auf das Substrat 6 auftreffen. Das Ebnen des Isolierfilms kann unter Nutzung des Umstands herbeigeführt werden, daß die Ätzgeschwindigkeit bei dem Ätzen des Isolierfilms durch die Ar-Ionen an einem geneigten Oberflächenteil des Substrats höher ist als an einer zu dem Substrat 6 parallelen ebenen Fläche des Substrats 6.
Mit dem Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren kann ein dün­ ner Film geebnet werden, jedoch bestehen folgende Mängel:
  • 1. Da die den Film bildenden Teilchen auf der Oberfläche einer Probe unter schrägem Einfallwinkel ankommen, ist es nicht möglich, einen ebenen Isolierfilm über einem ver­ tieften Bereich einer Submikrometer-Anschlußstelle abzulagern, deren Formfaktor "Höhe/Zwischenabstand" im wesentlichen gleich oder größer als 1,0 ist.
  • 2. Da das Substrat 6 in einem Bereich angeordnet ist, in dem Plasma erzeugt wird, steigt die Temperatur des Sub­ strats so hoch an, daß über einer Abdeckmittelschicht auf dem Substrat kein dünner Film abgelagert werden kann.
  • 3. Zum Steigern der Filmablagerungsgeschwindigkeit und der Ätzgeschwindigkeit müssen die Hochfrequenzleistungen der Spannungsquellen 3A und 3B gesteigert werden. In diesem Fall besteht jedoch die Möglichkeit, daß das Sub­ strat 6 beschädigt wird. Infolgedessen ist eine Steige­ rung der Hochfrequenzleistung begrenzt.
  • 4. Da die Hochfrequenzleistung nicht gesteigert werden kann und infolge des durch das Anlegen einer Vorspannung an das Substrat verursachten Ätzens die Ablagerungsge­ schwindigkeit relativ verringert wird, ist der Durchsatz gering.
  • 5. Falls die Reinheit der verwendeten Prallelektrode gering ist, tritt es häufig auf, daß Verunreinigungen in den abgelagerten Film eingemengt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines Dünnfilms auf der Oberfläche einer Halbleitervor­ richtung zu schaffen, die Vorsprünge und Vertiefungen im Submikrometer-Bereich mit einem Formfaktor nahe 1,0 oder größer als 1,0 hat, wobei das Verfahren zum Einebnen einer solchen Fläche einer hochintegrierten Schaltung auf einfache Weise und mit hohem Durchsatz ohne Beschädigungen eines Sub­ strates geeignet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem gattungs­ gemäßen Verfahren nach Patentanspruch 1 bzw. 2 jeweils durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Patentanspruch 3 aufgeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Plasmaerzeu­ gungskammer Mikrowellenenergie in der Weise zugeführt, daß unter Elektronenzyklotronresonanz Plasma aus dem ersten gasförmigen Material erzeugt wird, und an der Plasmaerzeugungskammer ein Magnetfeld in der Weise er­ richtet werden, daß unter der Wirkung des Magnetfelds das erzeugte Plasma in die Objektkammer eingeführt wird, wodurch das Plasma mit dem zweiten gasförmigen Material reagiert und die sich ergebenden Teilchen derart geführt werden, daß sie im wesentlichen vertikal auf das Objekt- Substrat auftreffen.
Ferner können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Mikrowellenleistung, die Vorspannung, die Durchflußmenge des ersten und zweiten gasförmigen Materials sowie gege­ benenfalls die Durchflußmenge des inerten Gases so verän­ dert werden, daß das Verhältnis zwischen der Filmablage­ rungsgeschwindigkeit (Beschichtungsrate) und der Ätzgeschwindigkeit auf ein gewünschtes Verhältnis gesteuert wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläu­ tert.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für einen Vorspannungs-Zerstäubungsaufbau nach dem Stand der Technik zeigt.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Filmerzeugungsvorrichtung gemäß einem Aus­ führungsbeispiel.
Fig. 3A-3C sind Schnittansichten für die Erläute­ rung eines Ausführungsbeispiels von aufeinander­ folgenden Schritten für das erfindungsgemäße Ein­ ebnen einer Anschlußfläche einer hochintegrierten Schaltung.
Fig. 4 veranschaulicht die Abhängigkeit der Ablagerungs­ geschwindigkeit von der Hochfrequenzleistung.
Fig. 5 veranschaulicht die Abhängigkeit der Ablagerungs­ geschwindigkeit von der Gasdurchflußmenge.
Fig. 6A-6C veranschaulichen den Zusammenhang zwischen der Hochfrequenzleistungsdichte und einem Einebnungsfaktor.
Fig. 7 veranschaulicht die Abhängigkeit eines Füllungs­ verhältnisses von einem Formfaktor.
Fig. 8A-8E sind Schnittansichten zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels von aufeinanderfol­ genden Schritten für das erfindungsgemäße Ein­ ebnen einer Anschlußfläche einer hochintegrierten Schaltung.
Fig. 9A und 9B sind Schnittansichten zur Erläuterung einer Abwandlung der in den Fig. 9A-9E gezeig­ ten aufeinanderfolgenden Schritte.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Vorrichtung zur Vorspannungs-Elektro­ nenzyklotronenresonanz-Plasmaablagerung. Die Fig. 2 zeigt eine Hochfrequenz-Vorspannungsquelle für das Zuführen von Hochfrequenz-Vorspannungsleistung mit beispielsweise 13,56 MHz, eine Substratelektrode 12, eine Plasmaerzeu­ gungskammer 13, eine Objektkammer 14, ein erstes Gasein­ leitsystem 15 mit einem Steuerventil 15A, ein Objekt- Substrat 16, ein zweites Gaseinleitsystem 17 mit einem Steuerventil 17A, eine Magnetwicklung 18, eine Fenster­ blende 19 mit einem Fenster 19A, ein Wellenleiterrohr (20) für das Einleiten von Mikrowellen mit einer Frequenz von beispielsweise 2,54 GHz in die Plasmaerzeugungskammer 13, ein Mikrowelleneinlaß­ fenster 21, ein Kühlsystem 22 für das Zuführen von Kühl­ wasser zu der Substratelektrode 12, ein Anpassungsglied 24 für das Zuführen von Hochfrequenzleistung zu der Sub­ stratelektrode 12 und ein Vakuumsystem 25 für das Auf­ rechterhalten eines erwünschten Vakuums bzw. Unterdrucks in den beiden Kammern 13 und 14.
Die an die Hochfrequenz-Vorspannungsquelle 11 angeschlos­ sene Substratelektrode 12 ist im mittleren unteren Teil der Objektkammer 14 angeordnet; auf die Substratelektrode 12 wird das Substrat 16 aufgelegt, auf dem ein dünner Film erzeugt werden soll. Das Gaseinleitsystem 17 ist an die Seitenwand der Objektkammer 14 angeschlossen und zum Einleiten von Silangas (SiH4) ausgebildet, welches das Mate­ rial für den auf dem Substrat 16 abzulagernden Dünnfilm ist. Die Plasmaerzeugungskammer 13 ist oberhalb der Ob­ jektkammer 14 angeordnet, wobei zwischen der Plasmaerzeu­ gungskammer 13 und der Objektkammer 14 das Fenster 19A gegenüber dem Substrat 16 eingesetzt ist. Das Gaseinleit­ system 15 ist an den oberen Teil der Plasmaerzeugungskam­ mer 13 angeschlossen und für das Einleiten von Ar-Gas und O2-Gas oder dergleichen ausgebildet.
Die Magnetwicklung 18 ist derart um die Plasmaerzeugungs­ kammer 13 gelegt, daß die in dieser erzeugten Ionen durch das von der Magnetwicklung 18 erzeugte Magnetfeld wir­ kungsvoll in die Objektkammer 14 eingegeben werden kön­ nen. Von den verschiedenartigen Verfahren zum Erzeugen von Ionen in der Plasmaerzeugungskammer 13 wie einem solchen mit parallelen ebenen Platten, einem Verfahren mit einem Zylinder, einem Ionenstrahl-Verfahren u. dergl. wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Mikrowel­ len-Elektronenzyklotronresonanz-Verfahren angewandt. Es ist anzumerken, daß zum Einführen der in der Plasmaerzeu­ gungskammer 13 erzeugten Ionen in die Objektkammer 14 ein elektrisches Feld benutzt werden kann.
Die in die Objektkammer 14 eingeleiteten Sauerstoffionen wirken mit dem über das Gaseinleitsystem 15 eingeleiteten Silangas in der Weise zusammen, daß auf dem Substrat 16 ein Film gebildet wird.
Wenn währenddessen aus der Vorspannungsquelle 11 eine Hochfrequenzspannung an die Substratelektrode 12 angelegt wird, wird das Substrat 16 durch die Ionen in der Objekt­ kammer 14 geätzt. Durch geeignete Steuerung der Mikrowel­ lenleistung, der Hochfrequenzleistung und/oder der Zusam­ mensetzung der in die Objektkammer 14 eingeleiteten Gase kann das Ablagern und Ätzen gleichzeitig ausgeführt wer­ den. Auf diese Weise können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Ablagerungsteilchen aus der Ionenquelle und die auf das Substrat fallenden Ionen unabhängig von­ einander gesteuert werden.
Hierbei hat die Hochfrequenz-Vorspannungsquelle 11 eine Leistungsfähigkeit für das Zuführen ausreichender Energie zu den Ionen in der Weise, daß durch die Ionen ein abge­ lagerter Film auf dem Substrat geätzt bzw. abgetragen wird. Die geringste Leistungsdichte "Hochfrequenzlei­ stung/Substratelektonenfläche" beträgt vorzugsweise 0,88 oder mehr.
Erfindungsgemäß ist die Plasmaerzeugungskammer 13 genau oberhalb der Substratelektrode 12 angeordnet, wobei das Erzeugen eines Films bei einem Vakuum von 13,3 bis 1,33 mPa (10-4-10-5 Torr) vorgenommen wird. Daher treffen die Ablagerungsteilchen im wesentlichen senkrecht auf das Substrat 16 auf. Infolgedessen ergeben sich mit der Erfindung hervorragende Eigenschaften hinsichtlich des Füllens eines Zwischenraums in der Größenordnung von Submikron. Ferner treffen auch die Ionen im wesentli­ chen senkrecht auf das Substrat 16 auf.
Die Planierung bzw. Ebnung durch das im wesentlichen senkrechte Aufschießen der Ablagerungsteilchen und der Ätzionen auf das Substrat wird nachstehend anhand der Fig. 3A bis 3C erläutert.
Bei dieser Vorrichtung wird die Temperatur des Substrats bei hohem Unterdruck in der Größenordnung von 13,3 mPa bis 1,33 mPa (10-4-10-5 Torr) auf einer Temperatur un­ terhalb von 100°C gehalten, wobei auf dem Substrat 16 SiO2, SiN, polykristallines Silicium o. dgl. abgelagert werden kann, das eine hohe Gleichförmigkeit eines abgela­ gerten Films und hohe Qualität ergibt. Ferner sind die Plasmaerzeugungskammer 13 und die Objektkammer 14 von­ einander getrennt, so daß das an die Substratelektrode 12 angelegte elektrische Feld ausschließlich für die Festle­ gung der Energie der Ionen an dem Substrat 16 herangezo­ gen wird. Infolgedessen ist abweichend von dem Vorspan­ nungs-Zerstäubungsverfahren nach dem Stand der Technik die Frequenz nicht auf eine Frequenz eingeschränkt, bei der eine Plasmaentladung hervorgerufen wird.
Als nächstes wird ein Ausführungsbeispiel für ein erfin­ dungsgemäßes Verfahren zum Bilden einer eingeebneten Anschlußfläche einer hochintegrierten Schaltung (LSI) unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung anhand der Fig. 3A-3C erläutert. Ein in Fig. 3A gezeig­ tes Substrat 16 wird durch das Ablagern eines Isolier­ films 42 auf einem Halbleitersubstrat 41 mit daran ausge­ bildeten aktiven Vorrichtungen, durch das Bilden eines Al-Films in 500 nm Dicke über dem Isolierfilm 42 nach dem Zerstäubungsverfahren und durch darauf folgendes Formen des Al-Films zu einem Muster nach dem fotolithographischen Verfahren sowie Ätzen des Al-Films mit CCl4 für das Bilden von Al-Verbindungen bzw. Anschlußstellen 43 erhal­ ten.
Das auf diese Weise vorbereitete Substrat 16 wird in der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung auf die Substratelektrode 12 aufgelegt, wonach aus dem Gaseinleitsystem 17 SiH4-Gas eingeleitet wird, während aus dem Gaseinleitsystem 15 O2- Gas eingeleitet wird, ohne daß aus diesem Ar-Gas einge­ leitet wird. Danach wird ein Plasma in der Weise erzeugt, daß auf dem Substrat 16 ein SiO2-Film 44 in 500 nm Dicke abgelagert wird. Da zugleich an die Substratelektrode 12 eine Hochfrequenz-Vorspannung angelegt wird, und auf das Substrat 16 Ionen im wesentlichen senkrecht auftreffen, erfolgt durch O2-Ionen ein Zerstäuben bzw. Abtragen des Substrats 16. Infolgedessen wird gemäß Fig. 4B die an den schrägen bzw. geneigten Oberflächen abgelagerte SiO2- Menge infolge des Ätzens durch die O2-Ionen geringer als die an der horizontalen Fläche abgelagerte Menge.
Wenn das SiO2 auf die vorstehend beschriebene Weise abge­ lagert wird, ist der Umstand, daß durch das Anlegen einer Hochfrequenz-Vorspannung die Ätzung durch die O2-Ionen erreicht werden kann, beträchtlich verschieden von einem Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren, bei dem ein Ätzen lediglich mit Ar-Ionen erfolgt. Das heißt, bei diesem Ausführungsbeispiel werden keine Ar-Ionen zugeführt, so daß infolgedessen Si und SiO2 durch O2-Ionen geätzt wird, aber ein Metall wie Al überhaupt nicht geätzt wird. Bei der Anfangsstufe der Ablagerung ist es nicht erfor­ derlich, Ar-Gas einzuleiten, so daß es möglich ist, vom Beginn des Einebnungsprozesses an Hochfrequenzleistung zuzuführen. Dies hat zur Folge, daß die Zeit für das Einebnen verkürzt werden kann.
Die Fig. 4 zeigt verschiedenerlei Ablagerungsgeschwindig­ keiten (nm/min) dann, wenn in die Plasmaerzeugungskammer 13 kein Ar-Gas eingeleitet, bzw. dann, wenn Ar-Gas mit einer Geschwindigkeit bzw. Menge von 30 Norm-cm3/min (30 SCCM) eingeleitet wird, und zwar unter den Bedingungen, daß die Mikrowellenenergie auf 200 W gehalten wird und die Durchflußmengen an SiH4 und O2 jeweils 20 Norm- cm3/min (SCCM) betragen.
Nach Fig. 3B werden die Al-Anschlüße 43 nicht geätzt, während der SiO2-Film 44 in dem Zwischenraum zwischen den Anschlüßen 43 ohne Überhang abgelagert wird. Nach der Ablagerung wird über das Gaseinleitsystem 15 zusätzlich zu dem O2-Gas Ar-Gas eingeleitet, während über das Gas­ einleitsystem 17 weiterhin SiH4-Gas eingeleitet wird. Auf diese Weise wird zusätzlich zu dem SiH4-Gas und dem O2 auch das Ar-Gas in die Plasmaerzeugungskammer 13 einge­ leitet, so daß weiterhin SiO2 auf dem Film 44 abgelagert wird, während an die Substratelekrode 12 eine Hochfre­ quenz-Vorspannung angelegt wird. Durch das Einleiten des Ar-Gases wird die Ätzgeschwindigkeit erhöht und die Film­ ablagerungsgeschwindigkeit im wesentlichen gleich der Ätzgeschwindigkeit gemacht. Hierbei treffen sowohl die Ionen als auch die abzulagernden Teilchen im wesentlichen vertikal bzw. senkrecht auf das Substrat 16 auf.
Da die Ablagerungsteilchen im wesentlichen senkrecht auf das Substrat auftreffen, werden die Teilchen zum Bilden eines Films auf einer Oberfläche des Substrats abgela­ gert, die im wesentlichen zu der Hauptfläche des Sub­ strats parallel ist. Unter diesen Bedingungen werden die Ablagerungsteilchen auch in Schlitze mit einem großen Formfaktor (Höhe/Breite) eingebracht, so daß durch die Teilchen die Schlitze aufgefüllt werden. Andererseits treffen gleichzeitig mit den Ablagerungsteilchen auch die Ätzionen im wesentlichen senkrecht auf das Substrat auf, so daß ein Teil der Ablagerungsteilchen durch die Ätz­ ionen entfernt wird, obgleich die Ablagerungsteilchen zunächst einmal auf das Substrat gelangen. Falls daher die Ablagerungsgeschwindigkeit im wesentlichen gleich der Ätzgeschwindigkeit ist (wobei die Ablagerungsgeschwindig­ keit etwas geringer als die Ätzgeschwindigkeit gemacht wird), werden die Teilchen allmählich zum Bilden eines Films auf einer Fläche des Substrats abgelagert, die im wesentlichen zur der Hauptfläche des Substrats parallel ist, selbst wenn die Fläche einen Bereich mit einem hohen Formfaktor (Höhe/Breite) hat. In diesem Fall treffen jedoch auf eine wie in dem Bereich 44A nach Fig. 3B zu dem Substrat hin geneigte Fläche die Ätzionen schräg auf, so daß die Ätzgeschwindigkeit in einem solchen geneigten Bereich höher als die Ablagerungsgeschwindigkeit wird. Infolgedessen wird der geneigte bzw. Schrägbereich 44A durch die Ätzionen abgetragen, während der Schlitzbereich mit dem hohen Formfaktor durch die Ablagerungsteilchen ausgefüllt wird.
Im Endergebnis wird der erhabene Bereich 44A des in Fig. 3B gezeigten SiO2-Films 44 abgeätzt bzw. abgetragen, so daß die Filmdicke auf dem ebenen Bereich gleichförmig wird. Auf diese Weise wird das Einebnen bzw. Glätten bewerkstelligt. Die Fig. 3C zeigt die Form des mit dem vorstehend beschriebenen Prozeß erhaltenen SiO2-Films 44.
Ferner kann nach dem Erreichen der in Fig. 3C gezeigten Form das Einleiten von Ar und das Anlegen der Hochfre­ quenz-Vorspannung abgebrochen werden. Zu einer weiteren Erzeugung eines Dünnfilms in einer erwünschten Dicke können dann nur das SiH4-Gas und das O2-Gas eingeleitet werden.
Im Falle des Glättens bzw. Ebnens eines Si3N4-Films muß lediglich statt des O2-Gases N2-Gas eingeleitet werden. Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf das Einebnen eines Isolierfilms begrenzt ist und daß es gleichermaßen auch zum Einebnen bzw. Glätten einer Oberfläche mit erhabenen und vertieften Bereichen angewandt werden kann.
Die Fig. 5 zeigt die Ablagerungsgeschwindigkeit bei ver­ änderten Durchflußmengen von SiH4 und O2. Die Gesamt- Durchflußmenge an SiH4 und O2 ist auf der Abszisse aufge­ tragen, während die Ablagerungsgeschwindigkeit auf der Ordinate aufgetragen ist. Die Durchflußmenge an SiH4 ist gleich derjenigen an O2, während die Hochfrequenzleistung und die Mikrowellenleistung auf 200 W gehalten wird.
Wenn kein Ar-Gas eingeleitet wurde und der Substratelek­ trode 12 keine Hochfrequenzleistung zugeführt wurde, wurde eine mit X-Markierungen aufgetragene Kennlinie erreicht. Wenn Ar-Gas mit einer Geschwindigkeit bzw. einem Durchsatz von 30 Norm-cm3/min (SCCM) eingeleitet wurde, während der Substratelektrode 12 Hochfrequenzlei­ stung zugeführt wurde, wurde eine mit Rechteck-Markierun­ gen aufgetragene Kennlinie erreicht. Es ist anzunehmen, daß die Differenz zwischen den beiden Kennlinien bei der gleichen Durchflußrate die durch die Hochfrequenz-Vor­ spannung verursachte Ätzgeschwindigkeit mittels der Ar- Ionen ergibt.
Aus der Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Geschwindigkeit der Ablagerung von SiO2 durch das Zuführen der Hochfre­ quenzleistung zu der Substratelektrode 12 und das Einlei­ ten des Ar-Gases verringert wird. Eine Erklärung für die Verminderung ist, daß diese der durch das Ar-Ätzen abge­ tragenen Menge entspricht. Aus der mit den Rechteck- Zeichen aufgetragenen Kennlinie ist ferner ersichtlich, daß dann, wenn die zugeführte Hochfrequenzleistung auf einem konstanten Wert gehalten wird, das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit in bezug auf die Ablagerungsgeschwin­ digkeit umso höher ist, je geringer die Gesamtdurchfluß­ menge bzw. der Gesamtdurchsatz an SiH4 und O2 ist. Das heißt, durch das Steuern der Durchflußmengen von SiH4, O2 und Ar in Verbindung mit einer Änderung der Hochfrequenz­ leistung kann das Verhältnis zwischen der Ablagerungsge­ schwindigkeit und der Ätzgeschwindigkeit in breitem Aus­ maß verändert werden.
Ferner kann auch das Verhältnis zwischen der Ablage­ rungsgeschwindigkeit und der Ätzgeschwindigkeit durch das Verändern der Mikrowellenenergie bzw. Mikrowellenleistung auf einen erwünschten Wert geändert werden.
Infolgedessen können die Bedingungen für das Erreichen der Glättung bzw. Einebnung auf einfache Weise einge­ stellt werden und die Einebnung kann mit geringer Hoch­ frequenzleistung erreicht werden, so daß Beschädigungen eines Substrats auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden können.
Das heißt, bei dem Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren nach dem Stand der Technik werden die Ablagerungsge­ schwindigkeit und die Ätzgeschwindigkeit einander im wesentlichen gleich gemacht, während zum Erreichen einer höheren Ätzgeschwindigkeit die der Substratelektrode zugeführte Hochfrequenzleistung gesteigert werden muß, so daß an dem Substrat übermäßige Beschädigungen hervorgeru­ fen werden können. Im Gegensatz dazu werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren diese Probleme im wesentlichen ausgeschaltet.
Hierzu wird anhand der Fig. 6A bis 6C der Zusammenhang zwischen einem Glättungs- bzw. Einebnungsfaktor und der Hochfrequenzleistungsdichte erläutert.
Gemäß Fig. 6A wird auf einem Substrat mit einem erhabenen Bereich 100, der eine Breite L hat, ein Film 101 abgela­ gert, während an das Substrat eine Vorspannung angelegt wird. Danach wird eine Gestaltung nach Fig. 6B dadurch erhalten, daß durch das Hinzufügen von Ar-Gas die Ätzge­ schwindigkeit gesteigert wird. In diesem Fall entsteht auf dem Film 101 ein dem erhabenen Bereich 100 entspre­ chender Vorsprung 102. Hierbei sei angenommen, daß die halbe Breite des Vorsprungs 102 gleich a ist und die Dicke des Films 101 gleich H ist. Ein Glättungs- bzw. Einebnungsfaktor wird folgendermaßen definiert:
(1 - a/L/2) × 100
Die Fig. 6C zeigt den Zusammenhang zwischen den dermaßen definierten Einebnungsfaktor und der Leistungsdichte (Hochfrequenzleistung/Substratelektrodenfläche). Hierbei gelten folgende Werte: L = 3,0 µm, H = 1,0 µm, Mikrowellen­ energie = 200 W und Durchflußmenge von Ar = 30 Norm- cm3/min (30 SCCM). In der Fig. 6C sind bei den Kurven (a), (b) und (c) die jeweiligen Durchflußmengen an SiH4/­ O2 jeweils 20/20, 15/15 bzw. 10/10 Norm-cm3/min (SCCM).
Wenn die Leistungsdichte 0,88 (W/cm2) oder weniger be­ trägt, ist der zuerst an einer Seitenwand eines Stufenbe­ reichs gebildete Film dünn, so daß er leicht abgeätzt bzw. abgetragen werden kann. Wenn daher durch den Zusatz von Ar o. dgl. die Ätzgeschwindigkeit erhöht wird, wird der dünne Bereich abgeätzt, so daß die Filmoberfläche vertieft wird. Infolgedessen entsteht keine ebene Flä­ che. Wenn die Leistungsdichte gleich 0,88 oder höher ist, wird bei gleichem SiH4/O2-Durchflußmengenverhältnis der Einebnungsfaktor umso besser, je höher die Leistungsdich­ te ist. Andererseits wird bei gleicher Leistungsdichte auch bei gleichem SiH4/O2-Durchflußmengenverhältnis der Einebnungsfaktor umso besser, je kleiner die Gesamtdurch­ flußmenge ist.
Die Zusammenhänge zwischen dem Formfaktor Höhe/Breite (H/S) und einem Füllungsverhältnis b/a sind in der Fig. 7 für die Elektronenzyklotronresonanz bzw. ECR-Plasmaab­ lagerung und die herkömmliche Zerstäubungsablagerung ohne Hochfrequenzvorspannung dargestellt. Bei der ECR-Plasma­ ablagerung wird für einen Formfaktor H/S von 1,0 das Füllungsverhältnis b/a größer als 0,9 und darüber hinaus auch für einen Formfaktor von 2,0 sogar 0,8, da die Ablagerungsteilchen im wesentlichen vertikal bzw. senk­ recht auf das Substrat auftreffen. Andererseits ist bei der herkömmlichen Zerstäubungsablagerung das Füllungsver­ hältnis gering, nämlich 0,6 bei dem Formfaktor 1,0.
Infolgedessen können durch ECR-Plasmablagerung mit hohem Ausrichtungsvermögen Submikron-Zwischenräume mit einem hohen Formfaktor von über 1,0 eingeebnet werden. Daher ist für Submikrometer-Verbindungen bzw. Submikrometer-Zwischen­ räume die ECR-Plasmaablagerung der herkömmlichen Zerstäu­ bungsablagerung überlegen.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden O2 und SiH4 zuerst dazu verwendet, unter Anlegen einer vorbestimmten Vorspannung auf dem Substrat mit den Vorsprüngen und Vertiefungen einen Film einer erwünschten Dicke zu formen; danach wird unter weiterem Anlegen der Vorspannung zusätzlich das Ar-Gas zugeführt, um auf diese Weise zum Bilden eines Dünnfilms eine derartige Steuerung auszuführen, daß die Ablagerungsrate im wesentlichen gleich der Ätzrate wird. Zusätzlich zu einem derartigen Prozeß können noch als Abwandlungen des vorstehend be­ schriebenen Ausführungsbeispiels die folgenden beiden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens angewandt werden.
Gemäß einem Verfahren wird unter Anlegen einer vorbe­ stimmten Vorspannung vom Anfang bis zum Ende des Prozeßes O2, Ar und SiH4 eingeleitet, wobei während des Filmbil­ dungsschritts die Durchflußmenge des Ar-Gases in der Weise gesteigert wird, daß zum Bilden eines geebneten dünnen Films die Ablagerungsgeschwindigkeit im wesentli­ chen gleich der Ätzgeschwindigkeit wird.
Gemäß einem nächsten Verfahren wird kein Ar-Gas verwendet und nur O2 und SiH4 eingeleitet. Während des Filmbil­ dungsschritts wird die Vorspannung in der Weise gestei­ gert, daß zum Bilden eines eingeebneten dünnen Films die Ablagerungsgeschwindigkeit im wesentlichen gleich der Ätzgeschwindigkeit wird.
Selbstverständlich können auch bei diesen beiden Verfah­ ren die Mikrowellenenergie, die Vorspannung und die Durchflußmengen des ersten und des zweiten Rohmaterials bzw. Ausgangsmaterials in der Weise verändert werden, daß ein erwünschtes Verhältnis zwischen der Filmablagerungs­ geschwindigkeit und der Ätzgeschwindigkeit eingestellt wird.
Als nächstes wird anhand der Fig. 8A bis 8E ein Ver­ fahren zum Bilden einer eingeebneten Oberfläche beschrie­ ben, bei dem in den Zwischenraum zwischen Anschlüßen ein Isolierfilm in der Weise eingefüllt wird, daß die oberen Flächen der Anschlüße freiliegen und mit der Oberfläche des Isolierfilms auf der gleichen Ebene liegen.
Die Fig. 8A zeigt eine Gestaltung, die dadurch erzielt wird, daß ein Al-Metallfilm 52 als erstes Material in einer Dicke von 500 nm auf einem Substrat 51 mit darauf ausgebildeten aktiven Vorrichtungen nach einem herkömmli­ chen Ablagerungsverfahren wie dem Zerstäubungsverfahren abgelagert wird, ein Abdeckmittelfilm in einer Dicke von 1,5 µm aufgebracht wird und nach einem herkömmlichen Lithographieverfahren ein Abdeckmittelmuster 53 auf dem Al-Film 52 geformt wird.
Die Fig. 8B zeigt die Struktur, die dann erreicht wird, wenn der Al-Film 52 durch eine Trockenätzung mit dem Abdeckmittelmuster 53 als Maske in einer Parallelplatten- Trockenätzvorrichtung unter Verwendung von CCl4 zu einem Muster so geformt wird, daß Anschlüße bzw. Verbindungen 54 in einem erwünschten Muster erhalten werden.
Das auf diese Weise vorbereitete Substrat wird auf die Substratelektrode 12 der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung aufgelegt und es wird aus dem Gaseinleitsystem 15 O2-Gas in die Plasmaerzeugungskammer 13 eingeleitet, während aus dem Gaseinleitsystem 17 in die Objektkammer 14 SiH4-Gas eingeleitet wird; dadurch wird das Plasma in der Weise erzeugt, daß gemäß Fig. 9C auf dem Substrat ein außeror­ dentlich dünner SiO2-Film 56 in 100 nm Dicke abgelagert wird. Bei diesem Schritt wird keine Hochfrequenzvorspan­ nung an die Substratelektrode 12 angelegt, so daß kein Ätzen bzw. Abtragen auftritt. Die Fig. 8C zeigt die Struktur nach diesem Schritt.
Danach wird aus dem Gaseinleitsystem 15 in die Plasmaer­ zeugungskammer 13 nicht nur das O2-Gas, sondern auch das Ar-Gas eingeleitet, während aus dem Gaseinleitsystem 17 in die Objektkammer 14 das SiH4-Gas eingeleitet wird und an die Substratelektrode 12 die Hochfrequenzvorspannung angelegt wird; dadurch wird SiO2 in der Form eines SiO2- Films 55 abgelagert, während zugleich dieser Film geätzt bzw. abgetragen wird. Auf diese Weise wird gemäß Fig. 8D der SiO2-Film 55 im wesentlichen auf der gleichen Ebene wie die Verbindungen 54 gebildet. In diesem Fall wird das Abdeckmittelmuster 53 freigelegt, während dessen Seiten­ flächen geringfügig ausgeätzt werden. Über dem Abdeckmit­ telmuster 53 wird gleichfalls ein SiO2-Film 55A abgela­ gert.
Bei diesem Schritt wird selbst bei dem Anlegen der Hoch­ frequenzvorspannung an die Substratelektrode 12 in der Atmosphäre SiO4 und O2 das Abdeckmittelmuster 53 nicht von dem O2-Plasma angegriffen, da zuvor auf dem Abdeck­ mittelmuster 53 der außerordentlich dünne SiO2-Film 56 abgelagert wurde.
Nachdem die Struktur gemäß Fig. 8D erreicht worden ist, wird das Einleiten von Ar aus dem Gaseinleitsystem 15 und von SiH4 aus dem Gaseinleitsystem 17 abgebrochen, wonach durch das O2-Plasma das Abdeckmittelmuster 53 und der Isolierfilm 55 so abgetragen werden, daß die in Fig. 8E gezeigte erwünschte Struktur erreicht wird.
Darüberhinaus kann gemäß Fig. 9A bei dem Schritt zum Erhalten der in Fig. 8C gezeigten Struktur über dem dünnen SiO2-Film 56 weiter SiO2 abgelagert werden, um einen verhältnismäßig dicken SiO2-Film 57 zu bilden. Danach wird gemäß Fig. 10B der SiO2-Film 57 mit Ar-Ionen so abgetragen, daß das Abdeckmittelmuster 53 freigelegt wird. In diesem Fall werden die Seitenflächen des Abdeck­ mittelmusters 53 geringfügig ausgeätzt, während auf dem Abdeckmittelmuster 53 gleichfalls ein SiO2-Film 57A abge­ lagert wird. Nachdem das Abdeckmittelmuster 53 freigelegt worden ist, wird durch das O2-Plasma nicht nur das Abdeck­ mittelmuster 53, sondern auch der SiO2-Film 57A ent­ fernt, wodurch die in Fig. 8E gezeigte Struktur erhalten wird.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Glättung bzw. Einebnung unter Verwendung von Fotolack bzw. Abdeckmittel benutzt wird, kann in der gleichen Vakuumkammer eine Folge von Schritten von dem Ablagern eines Isolierfilms bis zu dem Abtragen ausgeführt werden, so daß die Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Abtrageverfahren einen hohen Durchsatz ergibt. Darüberhi­ naus wird das Abdeckmittel durch das Ätzen mittels der Ar-Ionen freigelegt, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß das erfindungsgemäße Einebnungsverfahren nicht von der Morphologie eines Abdeckmittelmusters abhängig ist.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung sind bei der erfin­ dungsgemäß verwendbaren Vorrichtung die Plasmaerzeugungskammer und die Objektkammer voneinander getrennt und es wird an die Substratelektrode eine Spannung wie eine Hochfrequenz­ spannung in der Weise angelegt, daß die Ionen gesteuert werden und Ablagerungsteilchen auf dem auf die Substrat­ elektrode aufgelegten Objekt abgelagert werden, um einen geebneten dünnen Film zu bilden. Somit können die Wirkun­ gen, Merkmale und Vorteile bei dem erfindungsgemäßen Verfahren folgen­ dermaßen zusammengefaßt werden:
  • a) Die Ablagerungsteilchen treffen stark ausgerichtet vertikal auf das Objekt bzw. Substrat auf, so daß Submi­ krometer-Zwischenräume mit einem Formfaktor eingeebnet werden können, der im wesentlichen gleich oder größer als 1,0 ist.
  • b) Außer der Hochfrequenzleistung können die Durchfluß­ mengen bzw. Durchsätze der gasförmigen Materialien und des Ar-Gases in der Weise gesteuert werden, daß das Verhältnis zwischen der Ablagerungsgeschwindigkeit und der Ätzgeschwindigkeit in einem weiten Bereich verändert wird. Infolgedessen können die Bedingungen für das Eineb­ nen bzw. Glätten auf einfache Weise eingestellt werden. Ferner kann das Einebnen mit einer verhältnismäßig gerin­ gen Hochfrequenzleistung erreicht werden, so daß Beschä­ digungen auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden können.
  • c) Bei der Ablagerung von SiO2 kann die Zerstäubungs­ wirkung durch O2-Ionen durch das Anlegen einer Hochfre­ quenzvorspannung erreicht werden, was einen beträchtli­ chen Unterschied gegenüber dem Vorspannungs-Zerstäubungs­ verfahren darstellt, bei dem das Ätzen bzw. Abtragen lediglich mit Ar-Ionen herbeigeführt wird. Während Si und SiO2 durch O2-Ionen geätzt werden, werden Metalle wie Al nicht geätzt. Infolgedessen muß in der Anfangsstufe der Ablagerung kein Ar eingeleitet werden, so daß die Hoch­ frequenzleistung in der Anfangsstufe des Einebnungsver­ fahrens zugeführt werden kann und die Einebnungszeit verkürzt werden kann.
  • d) Weiterhin können eine Ionenquelle und die auf ein Substrat treffenden Ionen unabhängig voneinander ge­ steuert werden, so daß sowohl die Ablagerungsgeschwindig­ keit als auch die Ätzgeschwindigkeit frei gewählt werden können.

Claims (3)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Dünnfilms auf einer Halbleitervorrichtung, unter Verwendung einer mikrowellengespeisten Elektronenzyklotronresonanz-Plas­ maerzeugungskammer (13) mit einem ersten Gaseinlaßsystem (15) und einer mit der Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaerzeugungskammer (13) durch ein Fenster (19A) verbundenen Objektkammer (14) mit einem zweiten Gaseinlaß­ system (17), einer dem Fenster (19A) gegenüberliegend angeordneten, mit ei­ ner Hochfrequenz-Vorspannung beaufschlagbaren Substratelektrode (12) und einem von dem Fenster (19A) nach der Substratelektrode (12) hin gerichteten divergenten Magnetfeld, mittels dessen in der Elektronenzyklotronresonanz-Plas­ maerzeugungskammer (13) aus eingeleiteten Gasen erzeugte Ionen und Elek­ tronen durch das Fenster (19A) extrahierbar sind und zusammen mit Ionen aus in die Objektkammer (14) eingeleiteten, durch die Elektronen ionisierten Gasen entlang den Magnetfeldlinien nach der Substratelektrode (12) hin transportier­ bar sind, wobei in der Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaerzeugungskammer (13) und in der Objektkammer (14) ein Druck von 1,33 bis 13,3 mPa aufrechterhal­ ten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Dünnfilms mit ebener Oberfläche auf einer Halblei­ tervorrichtung mit Vorsprüngen und Vertiefungen:
  • - in einem ersten Verfahrensschritt ein auf der Substratelektrode (12) an­ geordnetes, mit einem Anschluß-Muster (43) aus Metall versehenes Halbleitersubstrat (41) unter Einleitung eines ersten gasförmigen Mate­ rials in die Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaerzeugungskammer (13), durch dessen Plasma das Anschluß-Muster (43) nicht abgetragen wird, und unter Einleitung eines zweiten gasförmigen Materials in die Objektkammer (14) sowie unter Anlegen einer Hochfrequenz- Vorspannung an die Substratelektrode (12) mit einer chemischen Verbindung des ersten und des zweiten gasförmigen Materials be­ schichtet und zugleich mit Ionen des ersten gasförmigen Materials geätzt wird, wobei die Beschichtungsrate und die Ätzgeschwindigkeit so gewählt werden, daß sich ein Dünnfilm (44, 44A; Fig. 3B) mit im Bereich der Seitenflanken des Anschluß-Musters (43) geringer Menge der chemischen Verbindung als in den übrigen Bereichen ergibt, und
  • - in einem zweiten Verfahrensschritt unter zusätzlicher Einleitung eines inerten Gases in die Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaerzeugungs­ kammer (13) und unter Anlegen einer Hochfrequenz- Vorspannung mit einer Leistungsdichte von wenigstens 0,88 W/cm2 an die Substratelektrode (12) die Beschichtungsrate und die Ätzgeschwindigkeit zwecks Einebnung von während des ersten Verfahrensschritts im Bereich des Anschluß-Musters (43) gebildeten Vorsprüngen (44A; Fig. 3B) so eingestellt werden, daß die Ätzgeschwindigkeit des Dünnfilms im Bereich der Seitenflanken des Anschluß-Musters (43) größer als die Beschichtungsrate ist. (Fig. 3C).
2. Verfahren zum Erzeugen eines Dünnfilms auf einer Halbleitervorrichtung, unter Verwendung einer mikrowellengespeisten Elektronenzyklotronresonanz-Plas­ maerzeugungskammer (13) mit einem ersten Gaseinlaßsystem (15) und einer mit der Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaerzeugungskammer (13) durch ein Fenster (19A) verbundenen Objektkammer (14) mit einem zweiten Gaseinlaß­ system (17), einer dem Fenster (19A) gegenüberliegend angeordneten, mit ei­ ner Hochfrequenz-Vorspannung beaufschlagbaren Substratelektrode (12) und einem von dem Fenster (19A) nach der Substratelektrode (12) hin gerichteten divergenten Magnetfeld, mittels dessen in der Elektronenzyklotronresonanz-Plas­ maerzeugungskammer (13) aus eingeleiteten Gasen erzeugte Ionen und Elek­ tronen durch das Fenster (19A) extrahierbar sind und zusammen mit Ionen aus in die Objektkammer (14) eingeleiteten, durch die Elektronen ionisierten Gasen entlang den Magnetfeldlinien nach der Substratelektrode (12) hin transportier­ bar sind, wobei in der Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaerzeugungskammer (13) und in der Objektkammer (14) ein Druck von 1,33 bis 13,3 mPa aufrechterhal­ ten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer eine ebene Oberfläche aufweisenden, mit einem An­ schluß-Muster (54) versehenen Halbleitervorrichtung:
  • - in einem ersten Verfahrensschritt auf einem Halbleitersubstrat (51) durch Abscheidung und lithographische Strukturierung einer Aluminiumschicht (52) ein von einem Abdeck-Muster (53) bedecktes Anschluß-Muster (54) aus Aluminium gebildet wird (Fig. 8B),
  • - in einem zweiten Verfahrensschritt das auf der Substratelektrode (12) angeordnete Halbleitersubstrat (51) mit dem Anschluß-Muster (54) und dem Abdeck-Muster (53) unter Einleitung von Sauerstoff (O2) in die Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaerzeugungskammer (13) und unter Einleitung von Silan (SiH4) in die Objektkammer (14) mit einem Dünnfilm (56 bzw. 57) aus Siliziumdioxid (SiO2) versehen wird (Fig. 8C bzw. 9A),
  • - in einem dritten Verfahrensschritt der Dünnfilm (56 bzw. 57) unter zusätz­ licher Einleitung des Inertgases Argon (Ar) in die Elektronenzyklotronreso­ nanz-Plasmaerzeugungskammer (13) und unter Anlegen einer Hoch­ frequenz-Vorspannung mit einer Leistungsdichte von wenigstens 0,88 W/cm2 an die Substratelektrode (12) mit Siliziumdioxid (SiO2) beschichtet und zugleich mit Sauerstoff- und Argonionen geätzt wird, wobei die Beschichtungsrate und die Ätzgeschwindigkeit so gewählt werden, daß sich auf dem Halbleitersubstrat (51) und auf dem Abdeck- Muster (53) ein Dünnfilm (55, 55A bzw. 57, 57A) aus Siliziumdioxid (SiO2) mit der Schichtdicke des Anschluß-Musters (54) ergibt, der im Bereich der Seitenflanken des Anschluß-Musters (54) und des Abdeck- Musters (53) weggeätzt ist (Fig. 8D bzw. 9B), und
  • - in einem vierten Verfahrensschritt das Abdeck-Muster (53) einschließlich der darauf befindlichen Dünnfilmbereiche (55A bzw. 57A) unter Einstellung der Zufuhr von Argon und Silan und unter Einlei­ tung von Sauerstoff (O2) in die Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaerzeu­ gungskammer (13) und unter Anlegen einer Hochfrequenz-Vorspannung an die Substratelektrode (12) durch Sauerstoffplasma (O2-Plasma) abge­ tragen wird, so daß sich auf dem Halbleitersubstrat (51) ein stellenweise aus dem Anschluß-Muster (54) und dazwischen aus dem Dünnfilm (55) bestehender Film mit ebener Oberfläche ergibt (Fig. 8E).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verhältnis zwischen Beschichtungs­ rate und Ätzgeschwindigkeit durch Änderung der Mikrowellenenergie, der Vorspannung, der Durch­ flußmengen des ersten und des zweiten gasförmigen Materials und/oder der Durchflußmenge des inerten Gases eingestellt wird.
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