DE3938956A1 - Verfahren zur plasmaablagerung von mehreren schichten aus amorphem material mit variabler zusammensetzung - Google Patents
Verfahren zur plasmaablagerung von mehreren schichten aus amorphem material mit variabler zusammensetzungInfo
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Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung von Strukturen amorpher Materialien,
die aus einer Vielzahl dünner Schichten verschiedener
Zusammensetzungen bestehen, mittels Plasmaablagerung in
der Gasphase, was praktische Verwendung in elektroni
schen und opto-elektronischen Vorrichtungen findet, wie
sie beispielsweise in "Semiconductors and Semimetals",
Band 21, Teil C, Seite 407, J.I.Pankove Ed., Academic
Press (NY), 1984, beschrieben sind.
Gegenwärtig ist es üblich, um diese Mehrschichtstruktu
ren mittels Glimmentladung herzustellen, die Strömungsge
schwindigkeiten der Gasströme, welche der Reaktions
kammer zugeführt werden, zu ändern, oder das Substrat
aus einer Reaktionskammer zu einer anderen Reaktions
kammer zu verschieben, wobei jede dieser Reaktionskam
mern eine vorbestimmte Gasmischung enthält. Die Gase
werden durch Anlegen einer Wechselstromspannung an die
Elektroden (mit einer Frequenz innerhalb des Bereichs
von 103 bis 107 Hz) mit einem Spitzen-Spitzen-Wert in
der Größenordnung von 102 bis 103 Volt dissoziiert.
Im ersteren Fall wird in den Gasstrom eine hydrodynami
sche Störung eingeführt, und die vollständige Stabili
sierung muß abgewartet werden, bevor das Absetzen
jeder Schicht stattfinden kann; im zweiten Fall existiert
ein nicht vernachlässigbares Zeitintervall, um die Probe
von Kammer zu Kammer zu überführen.
Diese Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung
überwunden, welche in einem Verfahren zur Ausführung
mehrschichtiger Strukturen in einem einzigen Reaktor be
steht, ohne daß die Zusammensetzung der Gasgemische wäh
rend der Ablagerung gewechselt wird.
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung ein Glimm
entladungsverfahren zur Ablagerung von mehreren amorphen
Schichten variabler Zusammensetzung, welche Silicium,
Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Germanium, Wasser
stoff enthalten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
ein Gasgemisch verwendet wird, das aus zwei Gasen
besteht, die zu zwei verschiedenen Klassen gehören, ausgewählt
unter Silanen, Germanen, Kohlenwasserstoffen, stick
stoffhaltigen Gasen (wie Stickstoff, Stickoxid und Stick
stoffdioxid, Ammoniak);
die an die Elektroden des Reaktors angelegte Spannung während des Verlaufs der Ablagerung geändert wird, so daß eine abgestimmte Dissoziation dieser Gase, woraus die Mischung besteht, ausgelöst und aufeinan derfolgende Schichten von Silicium, Kohlenstoff, Sauer stoff, Stickstoff, Germanium, Wasserstoff mit abgestimm ter Zusammensetzung abgesetzt werden; alle anderen voreingestellten Parameter des Re aktors (Druck, Zufuhrströmungsgeschwindigkeiten und Substrat temperatur) während der Ablagerung der individuellen Schichten unverändert bleiben.
die an die Elektroden des Reaktors angelegte Spannung während des Verlaufs der Ablagerung geändert wird, so daß eine abgestimmte Dissoziation dieser Gase, woraus die Mischung besteht, ausgelöst und aufeinan derfolgende Schichten von Silicium, Kohlenstoff, Sauer stoff, Stickstoff, Germanium, Wasserstoff mit abgestimm ter Zusammensetzung abgesetzt werden; alle anderen voreingestellten Parameter des Re aktors (Druck, Zufuhrströmungsgeschwindigkeiten und Substrat temperatur) während der Ablagerung der individuellen Schichten unverändert bleiben.
Durch geeignete Fixierung der Zeitintervalle, während der
die Spannung konstant gehalten wird, kann die Dicke der
Schichten wie gewünscht gesteuert werden, während durch
Auswahl geeigneter Werte der an die Elektroden angeleg
ten Spannung die Zusammensetzung jeder individuellen
Schicht geändert werden kann. Daher verlangt das Verfah
ren die Ablagerung über Plasma von mehreren Schich
ten amorphen Materials, insbesondere zur Erlangung sol
cher Strukturen wie
worin x und y, z, ... Zahlen sind, die untereinander
verschieden sind und in den Bereich von 0 bis 1 fallen.
Wenn man anstelle der Erzielung eigener Schichten dotierte
Schichten erhalten möchte, so sollen dem binären
Gemisch solche Dotiergase, wie Phosphin, Arsin oder Di
boran, zugesetzt werden. Das binäre Gemisch kann durch
Anwendung inerter Gase oder Wasserstoff verdünnt wer
den.
Weiterhin können, wenn die Änderung der Elektroden-
Zuführspannung nicht scharf ist, jedoch diese Spannung
nach einer gleichförmig steigenden oder fallenden Ge
setzmäßigkeit mit der Zeit variiert wird, Schichten mit
Zusammensetzungsgradienten oder dotierenden Gradienten
erzeugt werden.
Die Änderungen in der Elektrodenspannung liegen in dem
Bereich von Werten von 100 bis 10 000 Volt. Unter den
bevorzugten Bedingungen ist die Spannungsänderung wäh
rend der Zeit in dem Bereich von 100 bis 2000 V.
Die Substrate, auf denen diese Strukturen abgesetzt
werden können, können voneinander sehr verschieden sein,
wie beispielsweise Glas oder mit Metalloxiden oder mit
Metall überzogenes Glas oder Metall, als Funktion der vorgesehenen
Verwendung der Mehrschichtstrukturen in elektronischen
oder opto-elektronischen Bestandteilen.
Die folgenden Beispiele sind nicht beschränkend und sol
len die Erfindung näher erläutern.
Um eine diagnostische Messung der atomaren Zusammenset
zung als Funktion der Filmdicke durchzuführen, wird ein
Substrat verwendet, das aus einem dünnen Siliciumblech
von 40×40×0,3 mm Größe besteht. Das Substrat wird
in den Reaktor zur Plasmaablagerung gegeben und folgen
dermaßen gereinigt.
In der Ablagerungskammer wird ein Vakuum, besser als
10-7 Torr, hergestellt und dann Wasserstoff unter einem
Druck von 300 mTorr mit einer Strömungsgeschwindigkeit von
20 sccm (Standardkubikzentimer pro Minute) eingeführt.
Die Unterlage wird bis zu 250°C erhitzt und 10 Minuten
mittels Entladung in Wasserstoff gereinigt, wobei die
Elektroden mit einem Wechselstrom von 1200 V Spitze-
Spitze gespeist werden.
Wenn die Reinigungsentladung beendet ist, wird der Reak
tor wiederum evakuiert, wobei die Temperatur bei 250°C bei
behalten wird, und dann wird ein Gemisch von German
(GeH4) und Silan (SiH4) mit einer Gesamtströmungsgeschwin
digkeit von 20 sccm eingeführt, wobei beide dieser zu
geführten Gase bei einem Verdünnungsverhältnis von 1:10
in Wasserstoff vorverdünnt sind, und bei einem Druck von
100 mTorr. Die relativen Verhältnisse der Einführungs
strömungsgeschwindigkeiten sind 20% für German und 80% für
Silan. Alle diese Bedingungen werden während der Ablage
rung konstant gehalten, die durch Anlegen einer Spannung
von 1200 V an die Elektroden mittels eines Hochfrequenz
generators, schwingend bei 13,56 MHz, gestartet wird.
Nach 10minütiger Entladung wird die Ablagerung einer
Schicht von etwa 1000 Å Dicke einer Germanium-Silicium-
Legierung erhalten, worin der Atomanteil von Germanium
0,4 und der Atomanteil von Silicium 0,6 beträgt. Am Ende
der 10minütigen Zeit wird der Wert der Spannung an den
Elektroden auf 400 V gesenkt, und diese Spannung wird
während weiterer 10 Minuten angelegt: Auf diese Weise
wird eine Schicht von Germanium-Silicium von 700 Å Dicke
erhalten, worin der Atomanteil sowohl von Silicium als
auch von Germanium 0,5 beträgt.
Wenn man alternativ die an die Elektroden angelegte Span
nung zwischen den Werten von 1200 V und 400 V hält und
die Zeiten, während der die Spannung bei jedem dieser
Spannungswerte gehalten wird, konstant bleiben, wird eine
periodische Vielschichtstruktur von
erhalten, welche eine Dicke von etwa 1 µm (1 Mikrometer) hat.
Am Ende der Ablagerung wird die Probe abgekühlt und aus
dem Reaktor entfernt.
In dem oberen Teil von Fig. 1 ist die Zusammensetzung
der abgesetzten Mehrschicht angegeben, wobei diese Zu
sammensetzung mittels einer Auger-Analyse als Funktion
der Dicke gemessen wird. Auf der Ordinate ist der Pro
zentsatz an Silicium oder Germanium angegeben. Die auf
gezeichnete Linie 1 bezieht sich auf Silicium und die
Linie 2 bezieht sich auf Germanium. Die Linien zeigen
die zehn Schichten von Silicium-Germanium-Legierung,
deren Zusammensetzung alternativ zwischen 60% Silicium
und 40% Germanium und 50% Silicium und 50% Germanium
wechselt, ausgehend von der äußersten Schicht 3, herun
ter zu der Schicht in direktem Kontakt mit dem Sub
strat 4. Der letzte Teil der Linien (mit 100% Silicium)
zeigt die Zusammensetzung des darunterliegenden Substrats.
Im unteren Teil der Figur ist eine graphische Darstel
lung wiedergegeben, welche die Werte der Elektrodenspan
nung als Funktion der Zeit in Übereinstimmung der Schich
ten zeigt.
Ein Substrat wird unter den gleichen Bedingungen wie in
Beispiel 1 gereinigt und behandelt.
In diesem Fall ist das Reaktionsgas jedoch ein Silan-
Methan-Gemisch bei einem Druck von 370 mTorr, eingespeist
bei einer Gesamtströmungsgeschwindigkeit von 20 sccm. Die
relativen Verhältnisse der Strömungsgeschwindigkeiten sind
40% für Methan und 60% für Silan.
Das Wachsen des Films wird begonnen, indem eine Spannung
von 1300 V an die Elektroden während 10 Minuten angelegt
wird. Unter diesen Bedingungen wird eine Schicht von
etwa 800 Å Siliciumcarbid erhalten, worin der atomare
Anteil von Kohlenstoff 0,1 und der atomare Anteil an
Silicium 0,9 beträgt.
Dann wird durch Erniedrigung der Spannung auf 600 V und
Aufrechterhaltung bei diesem Wert während 15 Minuten
eine Schicht von etwa 400 A von Silicium erhalten.
Durch weiteres viermaliges Wiederholen dieses Verfahrens
wird eine Mehrschichtstruktur von
etwa 6000 Å Dicke erhalten.
In Fig. 2 ist das Auger-Spektrum als Funktion der Dicke
analog Beispiel 1 angegeben. Die Linie 1 bezieht sich
auf Silicium und die Linie 2 bezieht sich auf Kohlen
stoff; 3 ist die äußerste Schicht und 4 ist die Schicht
in direktem Kontakt mit dem Substrat. Der untere Teil
der Fig. 2 zeigt den Wert der Spitze-Spitze-Spannung
als Funktion der Zeit.
Die graphische Darstellung, welche die Zusammensetzung
als Funktion der Dicke zeigt, ist phasenverschoben
bezüglich der Spannungs-Zeit-Darstellung inso
fern, als die beiden Materialien, welche die Struktur
bilden, Wachstumsgeschwindigkeiten (d.h. Verhältnisse
von Schichtdicke zu Wachstumszeit) haben, welche von
einander verschieden sind.
Claims (6)
1. Glimmentladungsverfahren zur Ablagerung von
mehreren amorphen Schichten variabler Zusammensetzung,
welche Silicium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff,
Germanium, Wasserstoff enthalten, dadurch gekennzeich
net, daß
ein Gasgemisch verwendet wird, das aus zwei Gasen
besteht, die zu zwei verschiedenen Klassen gehören, aus
gewählt unter
Silanen,
Germanen,
Kohlenwasserstoffen,
stickstoffhaltigen Gasen (wie Stickstoff, Stick oxid und Stickstoffdioxid, Ammoniak);
die an die Elektroden des Reaktors angelegte Span nung im Verlauf der Ablagerung geändert wird, so daß eine abgestimmte Dissoziation dieser Gase, welche das Gemisch bilden, induziert wird und aufeinanderfolgende Schichten von Silicium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stick stoff, Germanium, Wasserstoff mit abgestimmter Zusammen setzung abgesetzt werden;
alle anderen für den Reaktor eingestellten Parameter (Druck, Zuführströmungsgeschwindigkeiten und Substrattempe ratur) während der Ablagerung der einzelnen Schichten unverändert bleiben.
Silanen,
Germanen,
Kohlenwasserstoffen,
stickstoffhaltigen Gasen (wie Stickstoff, Stick oxid und Stickstoffdioxid, Ammoniak);
die an die Elektroden des Reaktors angelegte Span nung im Verlauf der Ablagerung geändert wird, so daß eine abgestimmte Dissoziation dieser Gase, welche das Gemisch bilden, induziert wird und aufeinanderfolgende Schichten von Silicium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stick stoff, Germanium, Wasserstoff mit abgestimmter Zusammen setzung abgesetzt werden;
alle anderen für den Reaktor eingestellten Parameter (Druck, Zuführströmungsgeschwindigkeiten und Substrattempe ratur) während der Ablagerung der einzelnen Schichten unverändert bleiben.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß dem Gemisch der Reaktant-Gase Dopinggase (Do
tiergase) zugesetzt werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Gemisch der Reaktant-Gase mit inerten Gasen
verdünnt wird.
4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die an die Elektroden angelegte Zu
führungsspannung allmählich als Funktion der Zeit steigt.
5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Funktion der Elektrodenzufüh
rungsspannung allmählich als Funktion der Zeit absinkt.
6. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die an die Elektroden angelegte
Spannung im Bereich von 100 bis 2000 V liegt.
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