DE4212501C1 - Deposition of silicon nitride polymer layer on substrate - using linear or cyclic silazane in gas, giving good quality and high coating ratio - Google Patents

Deposition of silicon nitride polymer layer on substrate - using linear or cyclic silazane in gas, giving good quality and high coating ratio

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ab­ scheidung einer Siliziumnitrid-Polymerschicht auf einem Substrat nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Siliziumnitrid wird in der Halbleiterindustrie zur Passivie­ rung von integrierten Schaltungen und als Diffusionssperre gegen störende chemische Elemente, wie beispielsweise Na­ trium oder Eisen, verwendet.
Bei der Herstellung von mikromechanischen Bauteilen aus Si­ lizium bedient man sich einer Siliziumnitridschicht als Atz­ maske zur Strukturierung von Silizium. Hier ist die erhöhte Ätzfestigkeit von Siliziumnitrid in Lauge gegenüber Sili­ ziumdioxid oder Photolack die wichtigste Eigenschaft.
Bei bekannten Verfahren zur Erzeugung einer Siliziumnitrid­ schicht verwendet man als Ausgangssubstanzen Gase, die je­ doch aufgrund ihrer hohen Gefährdungspotentiale nur bei hohen sicherheitstechnischen Standards verarbeitet werden können. So ist das als Ausgangssubstanz zur Erzeugung einer Siliziumnitridschicht verwendete Silan ein an feuchter Luft selbstentzündliches und explosives Gas. Das als Ausgangs­ substanz hierfür verwendete NH3 wirkt toxisch.
Gasmischungen aus Silan und Ammoniak werden in zwei unter­ schiedlichen Reaktorkonzepten zum Abscheiden einer Silizium­ nitridschicht eingesetzt. Ein erstes Konzept betrifft einen Diffusionsofen mit Abscheidetemperaturen im Bereich zwischen 600° und 1000°C. Ein zweites Konzept betrifft die plasma­ induzierte Abscheidung mit maximalen Temperaturen zwischen 400° und 500°C. Der Diffusionsprozeß liefert qualitativ sehr gute Schichten, ist jedoch aufgrund seiner hohen Pro­ zeßtemperaturen nicht mit Aluminiumstrukturen kompatibel, da diese maximale Prozeßtemperaturen von 450°C erfordern.
Bei der plasmainduzierten Abscheidung (diesbezüglich wird auf die nicht-veröffentlichte, ältere Patentanmeldung P 42 02 652.0-51 verwiesen) ergeben sich verglichen mit dem Diffusionsofenprozeß nicht ganz so hochwertige Nitridschich­ ten. Diese würden jedoch als Passivierungsschichten ausrei­ chen, wenn nicht bei hohen Aspektverhältnissen der zu be­ deckenden Strukturen eine mangelnde Kantenbedeckung auftre­ ten würde. Diese wird durch die Beschleunigung reaktiver Ionen auf die Oberfläche während der Abscheidung (gasdiffu­ sionsbegrenzte Abscheidung) verursacht und wird gleichfalls durch die geringe Oberflächenhaftung der Ausgangssubstanzen aufgrund der relativ kleinen Molekülmasse begründet.
Die US-PS 48 63 755 zeigt die Abscheidung einer (harten) Siliziumnitridschicht auf einem Substrat, in dem zunächst zyklisches Silazan, vorzugsweise in Form von Hexamethylcyclotrisilazan zusammen mit Stickstoff gasförmig in einen Reaktionsraum eingebracht wird und dann in einem Hochfrequenzfeld zur Mikrowellenplasma-CVD auf dem Substrat abgeschieden wird. Als Substrattemperaturen werden dort Temperaturen zwischen 200 und 400°C angegeben. Als geforderte Leistungsdichten werden Leistungsdichten zwischen 0,37 und 1,5 W/cm2 gefordert. Der Druck im Reaktionsraum soll zwischen 0,1 und 0,7 Torr liegen.
Auch die US-PS 50 41 303 zeigt lediglich Verfahren zur Ab­ scheidung von Siliziumnitridschichten, nicht jedoch von Siliziumnitrid-Polymerschichten unter Erhaltung der funktio­ nellen NH-Gruppen. In dieser Schrift werden die abgeschie­ denen Schichten als "Plasmasiliziumnitrid", "Plasmasilizium­ dioxid" und "Plasmasiliziumoxinitrid" bezeichnet. Hinweise auf eine Abscheidung von Polymerschichten sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abscheidung einer Siliziumnitrid-Polymerschicht auf einem Substrat zu schaffen, welches mit einfacher handhabbaren Ausgangssubstanzen auskommt, eine gegenüber den bekannten Verfahren zumindest gleiche Schichtqualtität liefert und ein besseres Bedeckungsverhalten zeigt.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abscheidungs­ verfahrens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die bei­ liegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a, 1b Molekülstrukturen eines linearen sowie eines zyklischen Silazans, welche als Ausgangsstoffe des erfindungsgemäßen Abscheidungsverfahrens eingesetzt werden;
Fig. 2a eine IR-Spektroskopie der Ausgangssubstanz; und
Fig. 2b bis 2d jeweils eine IR-Spektroskopie der mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren bei unterschiedli­ chen Parametern abgeschiedenen Schichten.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich als Ausgangs­ substanz eines Stoffes aus der Klasse der Silazane. Bei die­ sen Verbindungen ist der dreiwertige Stickstoff mit minde­ stens zwei Einfachbindungen an Silizium gekoppelt.
Fig. 1a zeigt ein Silazan mit der einfachsten Form einer linearen Molekülstruktur, nämlich das Hexamethyldisilazan.
Fig. 1b zeigt eine zyklische Verbindung der Silazan-Klasse, nämlich das 1,1,3,3,5,5-Hexamethylcyclotrisilazan. Dieses 1,1,3,3,5,5-Hexamethylcyclotrisilazan, welches nachfolgend mit der Kurzbezeichnung HMCTS angesprochen wird, wurde auf­ grund seiner verglichen mit dem Hexamethyldisilazan größeren Molekülmasse bei der nachfolgend erläuterten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgewählt und untersucht.
In einem ersten Verfahrensschritt wird das flüssige Silazan mittels eines Flüssigkeitsmassendurchflußreglers dosiert und in einem Gasraum verdampft. Das gasförmige Silazan, welches im Falle des bevorzugten Ausführungsbeispieles HMCTS ist, wird von dem Gasraum mittels einer Ausströmdusche gleich­ mäßig verteilt in einen Reaktionsraum eingebracht.
Eine plasmainduzierte Abscheidung von Siliziumnitrid-Polymer auf einem Substrat erfolgt innerhalb des Reaktionsraumes in einem Hochfrequenzfeld, wobei die deponierte Schicht in Abhängigkeit von der nachfolgend angesprochenen Festlegung der Prozeßparameter modifiziert werden kann.
Zur Abscheidung einer Siliziumnitrid-Polymerschicht wird eine Substrattemperatur zwischen 20° und 100°C eingestellt. Hier wird als Trägergas Stickstoff N2 verwendet, wobei die Zumischung des Stickstoffes je nach dem gewünschten Stickstoffanteil in der Polymerschicht durchgeführt wird. Der Prozeß wird in einem Druckbereich zwischen 0,5 und 5 mbar bei einer Leistungsdichte des Hochfrequenzfeldes zwischen 0,06 und 0,3 W/cm2 durchgeführt.
Fig. 2a zeigt das Absorptionsspektrum der Ausgangssubstanz HMCTS aufgrund einer IR-Spektroskopie.
Die Absorptionsspitzenwerte bei 2960, 1250 und 840 cm-1 sind den Methylgruppen der Ausgangssubstanz HMCTS zuzuordnen. Das kleine Signal bei 3390 cm-1 entspricht der Schwingung von Wasserstoff am Stickstoff, während bei 1180 und 935 cm-1 der Stickstoff gegenüber dem Silizium schwingt.
Fig. 2d zeigt den Fall einer Abscheidung bei 350° C im Druckbereich von 0,3 mbar mit Stickstoff als Trägergas. Hier erhält man das Spektrum einer Nitridschicht, die sich nicht von einer Schicht aus Silan und NH3 unterscheidet. Es wird von der breiten Si3N4-Schwingung bei 800 cm-1 dominiert. Daneben enthält das Spektrum noch N-H-Schwingungen bei 3400 cm-1 und einen SiH-Spitzenwert bei 2100 cm-1.
Die Fig. 2b und 2c zeigen Spektren von Schichten, welche bei 50°C bzw. 150°C abgeschieden wurden. Die Abscheidung bei 50°C und 5 mbar erzielte eine Polymerschicht, in der eine sehr große Anzahl der ursprünglichen funktionellen Gruppen erhalten blieb.
Fig. 2c zeigt den stetigen Übergang von einer Polymerschicht zu der harten Passivierungsschicht.

Claims (4)

1. Verfahren zur Abscheidung einer Siliziumnitrid-Polymer­ schicht unter Erhaltung der funktionellen NH-Gruppen auf einem Substrat, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:.
  • - Verdampfen von zunächst flüssigem, linearen oder zykli­ schen Silazan in einem Gasraum;
  • - verteiltes Einbringen des verdampften Silazans in einen Reaktionsraum, wobei der Druck in dem Reaktionsraum zwischen 0,5 und 5 mbar beträgt,
  • - Zumischen von N2-Gas zu dem verdampften Silazan in dem Gasraum in einer von dem gewünschten Stickstoffanteil in der Polymerschicht abhängigen Menge,
  • - Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur zwischen 20° C und 100°C,
  • - Erzeugen eines Hochfrequenzfeldes mit einer Leistungs­ dichte zwischen 0,06 und 0,3 W/cm2, und
  • - Abscheiden des Silazans auf dem Substrat in dem Hoch­ frequenzfeld.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hexamethyldisilazan eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1,1,3,3,5,5-Hexamethylcyclotrisilazan eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Stickstoff als Trägergas dem Silazan in dem Gasraum beigemischt wird.
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