DE60205210T2

DE60205210T2 - Plasma cvd Vorrichtung

Info

Publication number: DE60205210T2
Application number: DE60205210T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Shinhama Shimazu; Masahiko Hyogo-ku Inoue
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP3836032B2; EP1335037A3; KR100514670B1; TW557479B; US20030145788A1; EP1335037A2; DE60205210D1; EP1335037B1; JP2003226980A; KR20030066357A; US7314525B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plasma CVD Vorrichtung, welche die Verschlechterung einer Wasserstoffreduktion während einer Filmausbildung unterdrücken kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Plasma-CVD-Vorrichtung, welche einen dünnen Film, wie beispielsweise einen Isolierfilm, auf einem Halbleiter-Wafer unter Verwendung einer Plasmadampfphasen-Anregung ausbildet, wird herkömmlicherweise beim Halbleitervorrichtungs-Herstellungsablauf verwendet. Diese Plasma-CVD-Vorrichtung führt ein Materialgas, welches Elemente enthält, welche einen dünnen Film bilden, auf dem Halbleiter-Wafer zu, und bildet einen gewünschten dünnen Film durch eine Dampfphase oder eine chemische Reaktion auf der Oberfläche des Halbleiter-Wafers aus. Eine Plasmaentladung wird zur Anregung von Gasmolekülen verwendet.
4 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Plasma-CVD-Einrichtung. In 4 ist ein Reaktionsbehälter 10 ein Behälter, welcher ein evakuiertes Inneres hat, und welcher die Ausbildung eines Isolierfilms auf einem Halbleiter-Wafer 19 mit einem Durchmesser von 30,5 cm (12 Zoll) erlaubt. Eine Düse 11, welche Ar Gas emittiert, eine Düse 12, welche O₂ Gas emittiert, und eine Düse 13, welche SiH₄ Gas emittiert, welches als das oben erläuterte Materialgas dient, sind auf den Innenseitenflächen des Reaktionsbehälters 10 bereitgestellt.
Eine RF Elektrode 14 ist am oberen Abschnitt des Reaktionsbehälters 10 bereitgestellt und mit einer Hochfrequenz-Energieversorgung 15 verbunden. Diese RF Elektrode 14 erzeugt ein elektrisches Feld hoher Frequenz um SiO_x auf dem Halbleiter-Wafer 19 abzulagern. Wie in 5A gezeigt, wird während der Dampfablagerung ein Isolierfilm 19b ausgebildet, um Verdrahtungen 19a zu bedecken, welche auf dem Halbleiter-Wafer ausgebildet sind. Zu diesem Zeitpunkt erreicht der Isolierfilm 19b jedoch nicht vollständig jene Spalte zwischen den Verdrahtungen 19a. In 5A ist eine RF Eingabe eine Hochfrequenz-Eingabe von der RF Elektrode 14. Zusätzlich wird die RF Leistung der RF Elektrode 14 beispielsweise bei 3 kW eingestellt.
Eine Trägerbasis 16 ist im Reaktionsbehälter 10 bereitgestellt und trägt den Halbleiter-Wafer 19 durch eine elektrostatische Kraft. Eine Vorspannungs-Elektrode 17 ist in der Trägerbasis 16 eingebettet, so dass sie der RF Elektrode 14 gegenüberliegt, und ist mit einer Hochfrequenz-Energieversorgung 18 verbunden.
Diese Vorspannungs-Elektrode 17 legt eine Vorspannung an, um ionisiertes Ar⁺ in den Halbleiter-Wafer zu ziehen. Das ionisierte Ar⁺ ätzt den Isolierfilm 19b, welcher auf den oberen Kantenabschnitten der Verdrahtungen 19a abgelagert ist. In diesem Fall sind daher die oberen Abschnitte der Spalten zwischen den Verdrahtungen 19a stets geöffnet, welches es ermöglicht den Isolierfilm 19b kompakt in den Spalten zwischen den Verdrahtungen 19a zu bedampfen. In 5B ist eine LF Eingabe eine Vorspannungs-Eingabe von der Vorspannungs-Elektrode 17. Die Vorspannungs-Energie der Vorspannungs-Elektrode 17 beträgt beispielsweise 1 kW.
Gemäß dem oben erläuterten Aufbau, werden das Ar Gas, das O₂ Gas und das SiH₄ Gas jeweils konstant aus den Düsen 11, 12 und 13 in den Reaktionsbehälter 10 emittiert, wie anhand von "B", "C" und "E" in 6 zu erkennen ist. Genauso sind die Hochfrequenz-Energieversorgungen 15 und 18 jeweils konstant mit der RF Elektrode 14 und der Vorspannungs-Elektrode 17 verbunden. Das heißt, dass, wie anhand von "A" und "D" in 6 zu erkennen ist, die RF Elektrode 14 und die Vorspannungs-Elektrode 17 jeweils in einem RF Eingabe (Hochfrequenz-Eingabe) Zustand und einem LF Eingabe (Vorspannungs-Eingabe) Zustand gehalten werden. Daher werden eine Dampfablagerung aufgrund der RF Eingabe und ein Sputtern aufgrund der LF Eingabe gleichzeitig im Reaktionsbehälter 10 durchgeführt.
Mit anderen Worten wird, wie in 5B gezeigt, der Isolierfilm 19b, welcher SiH₄ enthält, auf die Oberfläche des Halbleiter-Wafers 19 bedampft, und es wird ein Sputtern derart ausgeführt, dass Ar⁺ in die Halbleiter-Wafer 19 Seite gezogen wird. Resultierend aus diesem Sputtern wird der überschüssige Isolierfilm 19b abgeschabt, und der Isolierfilm 19b breitet sich in den Spalten zwischen den Verdrahtungen 19a aus.
Die herkömmliche Plasma-CVD-Vorrichtung zieht Ar⁺ in den Halbleiter-Wafer 19, indem daran eine Vorspannung von der in 4 gezeigten Vorspannungs-Elektrode 17 angelegt wird. Wenn jedoch die Vorspannung angelegt ist, wird ebenfalls Wasserstoff, welcher im Reaktionsbehälter 10 vorliegt, in den Halbleiter-Wafer 19 gezogen. 7A ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Massenzahl eines Elements und einem Strom (Einzieh-Quantität) zeigt, wenn eine Vorspannung ausgeschaltet ist. 7B ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Massenzahl eines Elements und einem Strom (Einzieh-Quantität) zeigt, wenn eine Vorspannung eingeschaltet ist. Die Massenzahl eines Elements = 2 entspricht der von Wasserstoff-Molekülen (H₂).
Die Quantität an Wasserstoff, welches in den Halbleiter-Wafer 19 gezogen wird, steigt rapide an, wenn die Vorspannung aus- und eingeschaltet ist. In diesem Fall ist eine Wasserstoffreduktion im Halbleiter-Wafer 19 verschlechtert, welches die Vorrichtungseigenschaft nachteilig beeinflusst. Wenn der Halbleiter-Wafer 19 aus einem Ferroelektrischen Material gemacht ist, verschlechtert sich insbesondere die P(Polarisation)-V(angelegte Spannung) Eigenschaft des Halbleiter-Wafers 19 (Halbleiter-Vorrichtung), wie in 8 gezeigt. Das heißt, dass die P-V Eigenschaft vor einer Film-Ausbildung eine geordnete Vorfilm-Ausbildungs-Hystereseschleife 30 hat. Nach der Film-Ausbildung hat die P-V Eigenschaft eine gestörte Nachfilm-Ausbildungs-Hystereseschleife 31.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Plasma-CVD-Vorrichtung bereitzustellen, welche die Verschlechterung einer Wasserstoff-Reduktion in einem Halbleiter-Wafer während einer Film-Ausbildung unterdrücken kann.
Die Plasma-CVD-Vorrichtung gemäß dieser Erfindung enthält einen Reaktionsbehälter, der es erlaubt, dass eine Reaktion für das Ausbilden eines dünnen Films auf einem Halbleiter-Wafer ausgeführt wird, eine Hochfrequenz-Vorspannungs-Einheit, welche eine Hochfrequenz-Vorspannung für das Sputtern am Halbleiter-Wafer anlegt, und eine Hochfrequenz-Vorspannungs-Steuerungs-Einheit, welche die Hochfrequenz-Vorspannung EIN/AUS steuert. Die Plasma-CVD-Vorrichtung enthält ebenfalls eine Gaszuführungseinheit, welche Gas, welches zumindest Wasserstoff enthält, dem Reaktionsbehälter zuführt, und eine Gaszuführungs-Steuerungs-Einheit, welche die Gaszuführung EIN/AUS steuert, und zwar basierend auf einer zu der Steuerungs-Logik der Hochfrequenz-Vorspannungs-Einheit entgegengesetzten Steuerungs-Logik.
Weitere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht, welche den Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
2A bis 2D sind Zeitabläufe, welche verschiedene Gasausgaben, eine RF Eingabe und eine LF Eingabe bei der Ausführungsform der Erfindung erläutern,
3 ist eine Ansicht, welche eine P-V Eigenschaft der Ausführungsform der Erfindung zeigt,
4 ist eine Ansicht, welche den Aufbau einer herkömmlichen Plasma-CVD-Vorrichtung zeigt,
5A und 5B sind Ansichten, welche eine Film-Ausbildung in der herkömmlichen Plasma-CVD-Vorrichtung erläutern,
6 ist ein Zeitablauf, welcher verschiedene Gas-Ausgaben, eine RF Eingabe und eine LF Eingabe bei der herkömmlichen Plasma-CVD-Vorrichtung erläutert,
7A und 7B sind Ansichten, welche die Probleme der herkömmlichen Plasma-CVD-Vorrichtung zeigen, und
8 ist eine Ansicht, welche die P-V Eigenschaft der herkömmlichen Plasma-CVD-Vorrichtung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Eine Ausführungsform der Plasma-CVD-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
1 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In 1 werden Abschnitte, welche jeweils jenen in 4 gezeigten entsprechen, durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet. In 1 sind eine Flussraten-Steuerung 100, eine Flussraten-Steuerung 101, ein Schalter 102 und eine Steuerschaltung 103 neu bereitgestellt.
Die Flussraten-Steuerung 100 schaltet die Flussraten an O₂ Gas, welches aus einer Düse 12 emittiert wird, basierend auf einem O₂ Gas Flussraten-Steuersignal S1 (siehe 2B), welches von der Steuerschaltung 103 umgekehrt wird, ein und aus. Das in 2B gezeigte O₂ Gas Flussraten-Steuersignal S1 ist ein Signal, welches an vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt ein- und ausgeschaltet wird.
Die Flussraten-Steuerung 101 schaltet die Flussraten an SiH₄ Gas, welches aus einer Düse 13 emittiert wird, basierend auf einer SiH₄ Gas Flussraten-Steuersignal S2 (siehe 2C) Ausgabe von der Steuerschaltung 103 ein und aus. Das in 2C gezeigte SiH₄ Gas Flussraten-Steuersignal S2 ist ein Signal, welches mit dem O₂ Gas Flussraten-Steuersignal S1 synchronisiert ist, und welches an vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt ein- und ausgeschaltet wird.
Der Schalter 102 ist zwischen der Vorspannungs-Elektrode 17 und der Hochfrequenz-Energieversorgung 18 bereitgestellt, und wird zum Ein- und Ausschalten basierend auf einer Vorspannungs-Steuersignal S3 (siehe 2D) Ausgabe von der Steuerschaltung 103 gesteuert. Das in 2D gezeigte Vorspannungs-Steuersignal 53 ist ein Signal, welches eine umgekehrte Beziehung mit Bezug auf das O₂ Gas Flussraten- Steuersignal S1 (siehe 2B) und das SiH₄ Gas Flussraten-Steuersignal S2 (siehe 2C) hat. Die Steuerschaltung 103 gibt das O₂ Gas Flussraten-Steuersignal S1, das SiH₄ Gas Flussraten-Steuersignal S2 und das Vorspannungs-Steuersignal S3 aus, um somit eine Flussraten-Steuerung und eine Vorspannungs-Steuerung durchzuführen.
Die Linie "B" in 2A zeigt an, das Ar Gas konstant aus der Düse 11 in den Reaktionsbehälter 10 emittiert wird. Genauso zeigt die Linie "A" in 2A an, dass die Hochfrequenz-Energieversorgung 15 konstant mit der RF Elektrode 14 verbunden ist.
Zwischen der Zeit t₀ und Zeit t₁ (beispielsweise für 20 Sekunden), wie in 2B bis 2C gezeigt, sind das O₂ Gas Flussraten-Steuersignal S1 und das SiH₄ Gas Flussraten-Steuersignal S2 eingeschaltet. In diesem Fall werden daher das O₂ Gas und das SiH₄ Gas jeweils aus den Düsen 12 und 13 in den Reaktionsbehälter 10 emittiert. Daraus resultierend wird ein Isolierfilm, welcher SiH₄ enthält, auf die Oberfläche des Halbleiter-Wafers 19 bedampft.
Andererseits ist zwischen der Zeit t₀ und Zeit t₁, wie in 2D gezeigt, das Vorspannungs-Steuersignal S3 ausgeschaltet. In diesem Fall wird kein Sputtern durchgeführt, da die Vorspannung von der Vorspannungs-Elektrode 17 ausgeschaltet ist.
Zwischen der Zeit t₁ und Zeit t₂ werden das O₂ Gas Flussraten-Steuersignal S1 und das SiH₄ Gas Flussraten-Steuersignal S2 von EIN auf AUS gewechselt. Daher wird die Emission von O₂ Gas und SiH₄ Gas aus den Düsen 12 und 13 beendet. In diesem Fall wird daher kein Isolierfilm auf den Halbleiter-Wafer 19 bedampft.
Andererseits wird zwischen der Zeit t₁ und Zeit t₂ das Vorspannungs-Steuersignal S3 von AUS auf EIN gewechselt. In diesem Fall wird daher die Vorspannung von der Vorspannungs-Elektrode 17 auf EIN eingestellt, und es wird Ar⁺ in den Halbleiter-Wafer 19 gezogen, d.h., dass ein Sputtern durchgeführt wird. In diesem Fall werden SiH₄ und dergleichen, welche Wasserstoff enthalten, nicht dem Reaktionsbehälter 10 zugeführt, welches ein unnötiges Hineinziehen von Wasserstoff in den Halbleiter-Wafer 19 unterdrückt. Danach werden die Dampfablagerung und das Sputtern abwechselnd zu vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt.
3 zeigt die P-V Eigenschaft des Halbleiter-Wafers 19 in einer Ausführungsform der Erfindung. Wie anhand von 3 zu erkennen, werden vor und nach einer Film-Ausbildung jeweils eine geordnete Vorfilm-Ausbildungs-Hystereseschleife 200 und eine geordnete Nachfilm-Ausbildungs-Hystereseschleife 201 ausgebildet. Dies stellt dar, dass die Quantität an in den Halbleiter-Wafer 19 gezogenen Wasserstoff in einer Ausführungsform der Erfindung schnell abnimmt.
Gemäß einer Ausführungsform einer Erfindung wird ein Sputtern unter Verwendung der Vorspannung durchgeführt, während die Zuführung an SiH₄ Gas, welches Wasserstoff enthält, beendet wird. Daher nimmt eine Rate an ursprünglich unnötig in den Halbleiter-Wafer 19 gezogenen Wasserstoff ab, welches es ermöglicht, die Verschlechterung einer Wasserstoffreduktion im Halbleiter-Wafer 19 während der Film-Ausbildung zu unterdrücken.
Es ist zu erwähnen, dass es möglich ist, dass die Steuerschaltung 103 den Schaltzyklus und das Einschaltverhältnis zwischen dem O₂ Gas Flussraten-Steuersignal S1, den SiH₄ Gas Flussraten-Steuersignal S2 und dem Vorspannungs-Steuersignal S3 einstellt. In diesem Fall ist es möglich, eine Dampfablagerungszeit und eine Sputterzeit gemäß dem Zustand des Halbleiter-Wafers sehr genau zu steuern. Ferner wurde in einer Ausführungsform der Erfindung der Fall erläutert, in welchem die Emission an O₂ Gas ein- und ausgesteuert wird. Da jedoch Wasserstoff nicht im O₂ in seiner idealen Form enthalten ist, kann das O₂ kontinuierlich emittiert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Sputtern unter Verwendung der Hochfrequenz-Vorspannung durchgeführt, während die Zuführung an Gas, welches Wasserstoff enthält, gestoppt wird. Daher nimmt die Rate an ursprünglich unnötig in den Halbleiter-Wafer gezogenen Wasserstoff scharf ab, welches es ermöglicht, die Verschlechterung einer Wasserstoff-Reduktion im Halbleiter-Wafer während der Film-Ausbildung zu unterdrücken.
Darüber hinaus werden der Schaltzyklus und die relative Einschaltdauer zwischen dem Hochfrequenz-Vorspannungs-Steuersignal und dem Gaszuführungs-Steuersignal eingestellt. Es ist daher möglich, eine Dampfablagerungszeit und die Sputterzeit gemäß dem Zustand des Halbleiter-Wafers sehr genau zu steuern.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine spezifische Ausführungsform zur vollständigen und klaren Offenbarung beschrieben wurde, sind die anliegenden Ansprüche deshalb nicht beschränkt, sondern sind dahin auszulegen, dass alle Modifikationen und alternative Aufbauten, welche dem Fachmann einfallen, welche gänzlich innerhalb der grundlegenden Lehre fallen, fortgesetzt sind.

Claims

Eine Plasma-CVD-Vorrichtung enthaltend: – einen Reaktionsbehälter, der es erlaubt, dass eine Reaktion für das Bilden eines dünnen Films auf einem Halbleiter-Waver ausgeführt wird; – eine Hochfrequenz-Vorspannungs-Einheit, welche eine Hochfrequenz-Vorspannung für das Sputtern auf den Halbleiter-Waver anlegt; – eine Hochfrequenz-Vorspannungs-Steuerungs-Einheit, welche die Hochfrequenz-Vorspannung Ein/AUS steuert; – eine Gaszuführungseinheit, welche Gas, enthaltend zumindest Wasserstoff, dem Reaktionsbehälter zuführt; und – eine Gaszuführungs-Steuerungs-Einheit, welche die Gaszuführung EIN/AUS steuert, basierend auf einer zu der Steuerungs-Logik der Hochfrequenz-Vorspannungs-Einheit entgegen gesetzten Steuerungs-Logik.
Die Plasma-CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher – die Hochfrequenz-Vorspannungs-Steuerungs-Einheit die Steuerung/Regelung basierend auf einem wiederholt zu vorbestimmten Zeitintervallen ein- und ausgeschalteten Hochfrequenz-Vorspannungs-Steuerungs-Signal durchführt, und – die Gaszuführungs-Steuerungs-Einheit die Steuerung/Regelung basierend auf einem Gaszuführungs- Steuerungs-Signal in einer umgekehrten Relation zu dem Hochfrequenz-Vorspannungs-Steuerungs-Signal durchführt.
Die Plasma-CVD-Vorrichtung nach Anspruch 2, enthaltend eine Einstelleinheit, welche einen Schaltzyklus und ein Einschaltverhältnis zwischen dem Hochfrequenz-Vorspannungs-Steuerungs-Signal und dem Gaszuführungs-Steuerungs-Signal einstellt.