DE4132560C1 - Plasma-aided deposition of film for integrated semiconductor circuit - using neutral particles, activated by microwave in separate chamber, and non-excited reaction gas, etc. - Google Patents

Description

Verfahren zur plasmaunterstützten Abscheidung von Schichten aus der Gasphase (PECVD) mit externer Mikrowellenanregung bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur plasmaunterstützten Abscheidung von Schichten aus der Gasphase (PECVD) mit exter­ ner Mikrowellenanregung bei der Herstellung integrierter Halb­ leiterschaltungen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Ver­ wendung des Verfahrens.

Zum Stand der Schichttechnik wird auf "Technologie hochinte­ grierter Schaltungen", D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich, Springerverlag 1988, Kapitel 3, hingewiesen. Dort wird im Ab­ schnitt 3.1.1 auch auf ein Verfahren zur Schichterzeugung durch PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), jedoch ohne externe Mikrowellenanregung, eingegangen.

Die Abscheidetechnik ist, neben Lithographie, Ätz- und Do­ tiertechnik, einer der grundlegenden Prozesse, die in der Pro­ zeßfolge zur Herstellung von hochintegrierten Schaltungen aus Siliziumsubstraten immer wieder verwendet werden. Die Topogra­ phieanforderungen in der Mikroelektronik an die Abscheidever­ fahren bei vertikalen Abmessungen im Mikrometer- und latera­ len Abständen im Submikrometer-Bereich bei gleichzeitiger Senkung der Temperaturbelastung läßt die Leistungsfähigkeit der zur Zeit verwendeten Prozesse an ihre Grenzen stoßen.

Bei der klassischen Gasphasenabscheidung (CVD), die bekannt­ lich zu guter Kantenabdeckung führt, wird die Aktivierungsener­ gie für die Zersetzung und die chemische Reaktion der Ausgangs- Reaktionsgase am Substrat einfach durch eine erhöhte Tempera­ tur in der Größenordnung von 400-900°C geliefert. Bei die­ ser relativ hohen prozeßspezifischen Temperaturbelastung kommt es häufig zur Beschädigung empfindlicher Elemente des Halblei­ terbauteils, wie Aluminiumleiterbahnen, Diffusionszonen, oder Diffusionsbarrieren.

Um auch in temperatursensiblen Prozeßbereichen Schichten mit der nötigen Qualität erzeugen zu können, wurde die PECVD- Technologie entwickelt, bei der die Aktivierung und Auslösung der Gasphasenabscheidung durch ein Plasma unterstützt wird, so daß die Temperatur der Siliziumscheiben bei der Schichtab­ scheidung auf 300°C und weniger gesenkt werden kann. Die Plas­ maanregungsfrequenz bewegt sich üblicherweise im Hochfrequenzbereich (einige kHz bis etwa 100 MHz); neuerdings werden auch Mikro­ wellenfrequenzen (einige GHz) verwendet, die zu einer beson­ ders intensiven Anregung führen. Beim PEVCD-Verfahren werden zur Zeit meistens nach dem Parallelplattenprinzip konstruierte Plasmareaktoren mit kapazitiv eingekoppelter Hochfrequenzleistung ver­ wendet, was eine überwiegend anisotrope Abscheidung zur Folge hat. Die resultierenden Schichten weisen zwar gute mechanische und chemische Eigenschaften auf, wie hohe Dichte und Tempera­ turstabilität, jedoch ist andererseits, wegen der starken an­ isotropen Komponente, die Kantenbedeckung der abgeschiedenen Schicht insbesondere in engen Spalten ungenügend. Das PECVD- Verfahren, bei dem die Substrate sich während der Abscheidung im Einflußbereich des Plasmas befinden, bringt außerdem eine Strahlenbelastung durch geladene Teilchen mit sich. Als eine der möglichen unerwünschten Folgen sei beispielsweise die in­ stabile Eingangsspannung eines Dickoxidtransistors genannt.

Zur Verbesserung der als nachteilig erkannten in-situ Einkoppelung von Hochfrequenzenergie sind auch Abscheideverfahren mit externer Anregung der Re­ aktionsgase durch stille Entladung bekanntgeworden, durch die sich eine ähnlich gute Kantenbedeckung an engen Spalten wie bei der thermischen CVD und gleichzeitig qualitativ hochwertige Schich­ ten bei tiefen Abscheidetemperaturen erzielen lassen. Neben den üblichen externen Hochfrequenz-Plasmaquellen sind auch ozonaktivier­ te und magnetfeldunterstützte Verfahren bekannt. Aus T. Sugano "Applications of Plasma Processes to VLSI Technologie", Wiley- Interscience, New York, 1985, Abschnitt 2.2.4, ist auch ein Ver­ fahren mit externer Anregung durch eine mikrowellenenergiege­ speiste Plasmaentladung bekannt, bei der die angeregten Teil­ chen über eine Transportleitung einer Abscheidekammer zuge­ führt werden, wo sie unmittelbar für eine Reaktion zur Ver­ fügung stehen.

Bei den genannten Verfahren mit externer Anregung errei­ chen nur die neutralen Teilchen, von denen allerdings nur weniger als etwa jedes 1000ste aktiviert ist, infolge ihrer gegenüber geladenen Teilchen erheblich größere Lebensdauer über eine geeignete Zuleitung den Reaktor. Beschädigungen der Substrate durch geladene Teilchen und/ oder durch Strahlung können dadurch weitestgehend vermie­ den werden. Dem fehlenden Ionenbeschuß auf den Substraten während der Abscheidung entspricht andererseits jedoch eine verringerte mechanische und chemische Stabilität der abgeschiedenen Schichten, die von den heutigen technischen Anforderungen her gesehen als nicht mehr tolerierbar er­ scheint. Problematisch hinsichtlich eines großtechnischen Einsatzes der Verfahren mit externer Anregung sind ferner die sehr geringen Abscheideraten, die in der Regel um 100 nm/min betragen. Bei den ozoninduzierten CVD-Beschich­ tung ist die Abscheiderate wegen der geringen möglichen Ozonkonzentration im Sauerstoff auf diesen Wert begrenzt, um stabile Schichten zu erzeugen. Beim Hochfrequenz-Ver­ fahren rührt diese Begrenzung hauptsächlich von der gerin­ gen Dichte der angeregten Teilchen her. Auch bei den bis­ herigen Verfahren mit externer Mikrowellenanregung ist ein gleichbleibend hoher Anteil an angeregten Spezies im er­ wünschten Druckbereich von 0,1 bis mehreren 100 Pa nicht möglich.

Aus dem Stand der Technik sind demnach einerseits die zu­ letzt genannten Verfahren bekannt, deren Vorteile nur durch eine räumlich getrennte Anregung, bei der außerdem nur die neutralen aktivierten Teilchen der Abscheidezone zugeleitet werden, erreicht werden, wobei aber die abge­ schiedenen Schichten ungenügende Stabilität aufweisen. Andererseits sind die zuvor erwähnten Verfahren mit einer problematischen in-situ-Anregung bekannt, wobei aus der JP-A 02-2 17 475 auch die Möglichkeit einer zusätzlichen Verdichtung einer Schicht durch separat aktivierte Wasser­ stoffradikale bekannt ist.

Demzufolge liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Abscheideverfahren anzugeben, das unter Beibehaltung der Vorteile und Mög­ lichkeiten einer externen Anregung eine Verbesserung der Stabilität der abgeschiedenen Schichten anstrebt und dabei die Nachteile anderer bekannter Verfahren vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art vorgesehen, bei dem die von der Abscheidereaktion räumlich getrennte Anregung von Reaktionsgasen in aktivierte Teilchen durch eingekoppelte Mikrowellenenergie angeregt wird, bei dem anschließend nur die neutralen aktivierten Teilchen einem Reaktor zugelei­ tet werden, in dem unter zusätzlicher Einführung von nichtangeregten Reaktionsgasen eine plasmaunterstützte Abscheidereaktion durchgeführt wird, und bei dem während der Abscheidung das Schichtmaterial durch Einkoppelung von höchstens 5% der üblicherweise in Plattenreaktoren notwendigen Hochfrequenz-Leistung verdichtet wird.

Ausgestaltungen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden eine oder mehrere ex­ terne Mikrowellenquellen in Verbindung mit einem RF-Plasma äußerst geringer Leistung verwendet. Vorteilhaft für die Mikro­ wellenanregung ist ein spezielles Verfahren, zu dem wir auf die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichte Patentanmeldung Nr. P 41 32 558.3 mit dem Titel "Verfahren zur Gene­ rierung angeregter neutraler Teilchen für Ätz- und Abscheide­ prozesse in der Halbleitertechnologie mittels einer mikrowel­ lenenergiegespeisten Plasmaentladung" hinweisen, die hiermit in die Offenbarung einbezogen wird. Mit dem zitierten spe­ ziellen Verfahren ist die Anregung eines sehr hohen Anteils von Molekülen oder Atomen über den oben erwähnten weiten Druck­ bereich hinweg möglich. Die angeregten Teilchen werden an­ schließend durch geeignete separate Leitungen, beispielsweise Keramikrohre mit ausreichendem Querschnitt, einem Reaktor zu­ geleitet. Die für die Abscheidung am Substrat erreichbare sehr hohe Dichte angeregter Spezies ist dem Effekt nach mit einer thermischen Aktivierung vergleichbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbei­ spiele und der Figur, die schematisch und im Schnitt eine Vor­ richtung zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Abscheidung zeigt, noch näher erläutert.

In der Figur ist ein Reaktor mit einer Prozeßkammer 5 dargestellt, in der das zu beschichtende Substrat 2 auf einem Träger, der gleichzeitig die Substrat-Elektrode 1 bildet, aufliegt. Der me­ tallische Substrat-Träger kann an Keramikteilen 3 angeordnet und befestigt sein. Oberhalb der zu beschichtenden Oberseite des Substrats 2 ist eine Gasdusche-Elektrode 4 dargestellt. Zwischen ihr und der Substrat-Elektrode 1 wird eine Hochfrequenz­ spannung angelegt und ein Plasma gezündet. Wenn eine separate und räumlich getrennte Zersetzung und Anregung von mindestens zwei verschiedenen Reaktionsgasen oder Reaktionsgasmischungen vorgesehen ist, so kann diese, wie dargestellt, mittels sepa­ rater Zuleitungen 7 und separater Mikrowellenplasmaquellen 6 erfolgen. Die Zuleitungen 7 werden vorzugsweise aus Keramik­ rohren gebildet. Die separat angeregten Reaktionsgase werden erst im Reaktor zusammengeführt. Außer Prozeßgasen können ge­ gegebenenfalls auch inerte Gase angeregt werden. Auch diese, beispielsweise Argon und/oder Helium, werden durch Zuführungen 9 in die Zuleitungen 7 eingebracht, ebenso wie die eigentli­ chen Prozeßgase, beispielsweise Stickstoff. Die Zuleitung 8 von nicht zur Anregung vorgesehenen Gasen, beispielsweise Si­ lan, kann über eine Zuführung 11 erfolgen. Da als Reaktions­ produkte außer der gewünschten Schicht auch Gase entstehen, ist deren Absaugung durch eine Pumpe 10 vorgesehen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren besteht die Möglichkeit, verschiedene Prozeßgase bzw. Mischungen und auch gegebenen­ falls inerte Gase separat unter günstigen Bedingungen anzu­ regen, wobei die Leistungen der einzelnen Mikrowellenquellen in Anpassung an die jeweilig anzuregenden Gase separat opti­ miert werden.

Durch die Verwendung von inerten Gasen, die durch die Mikro­ wellenenergie in definierte metastabile Anregungszustände versetzt werden können, besteht die Möglichkeit, je nach Gas­ art einen definierten Energiebetrag auf das auf der Substrat­ oberfläche adsorbierte Molekül des Reaktionsgases zu übertra­ gen und damit spezifische Reaktionen auszulösen. Im Gegensatz dazu werden bisher im Parallelplattenreaktor die Moleküle der eingeleiteten Gase völlig undefiniert angeregt und auch zer­ legt, wodurch definierte chemische Reaktionen nicht mehr mög­ lich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dagegen ein ingenieurmäßig definiertes Anregen der Moleküle auf der Substratoberfläche im techni­ schen Maßstab.

Durch die Hauptanregung der Gase in den externen Mikrowellen­ quellen gelangen nur neutrale Teilchen in den Reaktor; die Nachanregung mit sehr geringer Hochfrequenz-Leistung stellt andererseits für die erzeugte Schicht nur eine unerhebliche, nicht zu einer Schädigung führende Strahlenbelastung dar. Da für die Nachan­ regung mit einer kapazitiv in einen Parallelplattenreaktor eingekoppelten Hochfrequenzenergie nur eine geringe Leistung im Bereich von etwa 0,02 bis 0,1 W/cm² benötigt wird, diese jedoch völlig ausreichend ist, um durch den leichten Ionenbe­ schuß das innere Gefüge und damit die Stabilität der Schicht zu verdichten, resultieren erheblich verbesserte Materialeigen­ schaften der Schicht ohne die sonst durch die Ionenunterstüt­ zung bedingten Beschädigungen. Die angelegte Hochfrequenz-Leistung be­ trägt höchstens 5% der üblicherweise an Plattenreaktoren not­ wendigen Hochfrequenz-Leistung. Die Hochfrequenz-Leistung liegt somit vorzugsweise in einem Bereich, in dem die kritische Energie, die zu einer Schädigung des Substrates bzw. zu einem Substratabtrag führen würde, noch nicht erreicht wird.

Als Ausführungsbeispiele werden nachfolgend einige wichtige Verfahrensparameter für die an sich bereits bekannte Ab­ scheidung von Siliziumnitrid und von Titannitrid angegeben.

Siliziumnitrid
Mikrowellenleistung|700-850 W
Stickstoff Fluß	200-400 cm³/min
Argon, Helium Fluß	20-150 cm³/min
Silan Fluß	80-200 cm³/min
Druck	10-2-1,5·10-2 Pa
Temperatur	200-400°C
Hochfrequenz-Leistung	0.02-0.1 W/cm²
Abscheiderate	400-800 nm/min.

Titannitrid
Mikrowellenleistung|700-850 W
Stickstoff Fluß	200-400 cm³/min
Argon, Helium Fluß	200-500 cm³/min
Titantetradimethylamin Fluß	100-300 cm³/min
Druck	10-2-2,5·10-2 Pa
Temperatur	200-500°C
Hochfrequenz-Leistung	0.02-0.1 W/cm²
Abscheiderate	300-600 nm/min

Außer dem Silan oder Titantetramethylamin werden alle Gase durch die externen Mikrowellenplasmaquellen 6 angeregt und über Keramikrohre 7 in den Reaktor eingeleitet. Das Silan oder Titantetramethylamin wird vor der Gasdusche-Elektrode 4 den anderen Gasen beigemischt.

Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Abscheidungen von Siliziumnitrid aus N₂ und SiH₄, sowie von Titannitrid aus N₂ und Ti[N(CH₃)₂]₄ weisen im Gegensatz zu den bekannten Plat­ tenreaktorabscheideverfahren sehr geringe Strahlenbelastung, keine Einsatzspannungsdrift am Dickoxidtransistor, nahezu ide­ ale Stöchiometrie, sehr geringen Wasserstoffgehalt und sehr kleinen mechanischen Streß in der Schicht auf.

Claims (5)

1. Verfahren zur plasmaunterstützten Abscheidung von Schichten aus der Gasphase (PECVD) mit externer Mikro­ wellenanregung bei der Herstellung integrierter Halblei­ terschaltungen, bei dem die von der Abscheidereaktion räumlich getrennte Anregung von Reaktionsgasen in akti­ vierte Teilchen durch eingekoppelte Mikrowellenenergie angeregt wird, bei dem anschließend nur die neutralen aktivierten Teilchen einem Reaktor zugeleitet werden, in dem unter zusätzlicher Einführung von nichtangeregten Reaktionsgasen eine plasmaunterstützte Abscheidereaktion durchgeführt wird, und bei dem während der Abscheidung das Schichtmaterial durch Einkoppelung von höchstens 5% der üblicherweise in Plattenreaktoren notwendigen Hochfrequenz- Leistung verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die separate Anregung von mindestens zwei verschie­ denen Reaktionsgasen räumlich getrennt unter Verwendung von mindestens zwei Mikrowellenquellen erfolgt und die angeregten Reaktionsgase erst im Reaktor zur Erzeugung einer gewünschten Schicht zusammengeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Leistungen der einzelnen Mikrowellenquellen in Anpassung an die jeweilig anzuregenden Reaktionsgase separat optimiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Hochfrequenzenergie kapazitiv in einen Para­ llelplattenreaktor eingekoppelt wird, wobei die Leistung im Bereich von etwa 0,02-0,1 W/cm² gewählt wird.

5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Erzeugung einer Schicht, wobei zur Erhöhung der Stabi­ lität der Schicht während der Abscheidung das Material durch Einkoppelung von Hochfrequenzenergie verdichtet wird.