DE69010298T2

DE69010298T2 - Niederdruck/Niedertemperatur-Prozess für Deposition von Siliciumdioxyd.

Info

Publication number: DE69010298T2
Application number: DE69010298T
Authority: DE
Inventors: Joseph M Blum; Kevin K Chan; Robert C Mcintosh; Zeev A Weinberg
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2010-07-27
Also published as: US5190792A; JPH03120365A; EP0421075B1; DE69010298D1; JPH0718011B2; EP0421075A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Niederdruck-/Niedertemperatur-Prozeß mit hohem Durchsatz zur Deposition von qualitativ hochwertigem Siliziumdioxid bei Temperaturen von etwa 300 ºC oder darunter.
Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise zur Verwendung in Rechnern und anderen elektronischen Einrichtungen ist es oft erwünscht, eine dünne Schicht aus Oxidmaterial auf einem Substrat aufzubringen. Die Deposition von Halbleitermaterialien durch herkömmliche Techniken ist jedoch häufig ein langwieriger Prozeß, bei dem die Endqualität des aufgebrachten Materials von einer Anzahl von Prozeßparametern abhängig ist, von denen einige schwer zu steuern sind. Im allgemeinen beinhalten herkömmliche Depositionsprozesse einen Vorpräparationsschritt und einen Schritt zur Deposition des Materials.
Eine Reinigung ist wichtig, da sie die Substratoberfläche für den nachfolgenden Schritt zur Deposition des Materials vorbereitet. Wenn die Substratoberfläche nicht richtig vorbereitet ist, kann die Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem aufgebrachten Material unerwünschte Verunreinigungen aufweisen. Außerdem haftet möglicherweise das aufgebrachte Material, wenn das Substrat nicht ausreichend gereinigt ist, nicht richtig auf dem Substrat. Jeder dieser Fälle kann unerwünschte elektrische Eigenschaften an der Grenzfläche zwischen dem aufgebrachten Material und dem Substrat zur Folge haben. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des aufgebrachten Materials selbst können ebenfalls durch eine Deposition auf einer ungenügend gereinigten Oberfläche nachteilig beeinflußt werden. Eine herkömmliche Voroxidations-Reinigungstechnik ist in "Cleaning Solutions based on Hydrogen Peroxide for Use in Silicon Semiconductor Technology" von Werner Kern und David Puotinen RCA Review, Juni 1970, Seite 187 beschrieben, was hiermit durch Verweis aufgenommen wird.
Das Substrat, auf dem das SiO&sub2; aufzubringen ist, ist typischerweise ein Halbleitermaterial oder ein Passivierungsmaterial und kann eine Anzahl von Materialien an seiner Oberfläche aufweisen, zum Beispiel wenn das SiO&sub2; über eine Anzahl von Bauelementen auf einem integrierten Schaltkreis aufgebracht wird. Außerdem kann die Oberfläche des Substrates uneben sein, was Mesa-Strukturen, Gräben und andere Variationen einschließt.
Die Qualität und die Eigenschaften des aufgebrachten Materials sind außer von dem Reinigungsschritt auch von der Art des Schritts zur Deposition des Materials funktional abhängig. Es wurden eine Anzahl von Techniken zur Deposition eines Halbleitermaterials auf einem Substrat im Fachgebiet verwendet, was chemische Gasphasenabscheidung und Plasmadeposition einschließt. Jede dieser herkömmlichen Techniken besitzt Vorteile und Nachteile für die Deposition von Halbleitermaterialien. Zum Beispiel sind Plasmadepositionstechniken zum Aufbringen qualitativ hochwertiger Oxide, wie SiO&sub2;, bei niedrigen Temperaturen nutzbar. Andererseits ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bei der Bearbeitung großer Waferstückzahlen nützlich. Die CVD-Deposition erfordert jedoch normalerweise zur Abscheidung qualitativ hochwertiger Oxide äußerst hohe Temperaturen, während Plasmatechniken normalerweise nicht zur Bearbeitung großer Wafermengen geeignet sind.
Ein Prozeß zur plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur (950 ºC), der einen Vorbehandlungsschritt einschließt, ist in der US-Patentschrift 3 447 238 von Heynes et al beschrieben. Die beschriebene Vorbehandlung beinhaltet einen Spülvorgang mit einer 10:1-Lösung aus DI-Wasser und HF-Säure, gefolgt von einer heißen (100 ºC) Behandlung mit Salpetersäure über 10 Minuten hinweg.
In der US-Patentschrift 3 486 951 von Morby et al wird die Oxidschicht durch eine 5 Minuten andauernde Oxidation bei 1100 ºC gebildet. Durch Reinigen des Wafers mit einer Lösung aus Chromtrioxid und Schwefelsäure, gefolgt von einem Eintauchen in eine Lösung aus HF-Säure wird ein qualitativ hochwertiges Oxid erzielt. Schließlich wird der Wafer einem Düsensprühnebel aus Methylalkohol und Orthophosphorsäure ausgesetzt.
Der Artikel "Low Pressure Chemical Vapor Deposited Oxide Process for MOS Device Application" von Jack Lee und Chenming Hu, der anläßlich der Tagung "Symposium on VLSI Technology" vorgestellt wurde, die von 10. bis 13. Mai 1988 in San Diego stattfand, beschreibt einen Prozeß zur chemischen Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck (LPCVD), der bei Temperaturen von 400 ºC bis 450 ºC stattfindet. Der offenbarte Prozeß verwendet einen Schritt zur Verdichtung in Stickstoff und einen kurzen Temperschritt in Sauerstoff bei 950 ºC.
Die Qualität eines aufgebrachten Oxides kann durch Messen einer Anzahl von "Güteziffern" bestimmt werden. Diese Güteziffern sind elektrische Eigenschaften des Oxides, die einige Hinweise darauf liefern, wie ein elektronisches Bauelement (z.B. ein MOS-Feldeffekttransistor), das dieses Oxid enthält, arbeiten wird. Einige der mehr beachteten Güteziffern beinhalten Durchbruchspannung, Haftstellendichte an der Grenzfläche, Oxidladung (Flachbandspannung) und Lebensdauer von erzeugten Minoritätsladungsträgern an der Grenzfläche.
Normalerweise weist eine qualitativ hochwertige Oxidschicht eine Durchbruchfeldstärke von mehr als ungefähr 8,0 Megavolt pro Zentimeter (MV/cm) auf. Des weiteren weist eine qualitativ hochwertige Oxidschicht eine Haftstellendichte in Bandmitte an der Grenzfläche von weniger als ungefähr 4 10¹&sup0; Haftstellen pro Elektronenvolt-Quadratzentimeter (eV-cm²) auf. Schließlich wird von einem aufgebrachten, qualitativ hochwertigen Oxid erwartet, daß es eine Lebensdauer von erzeugten Minoritätsladungsträgern an der Grenzfläche von mehr als ungefähr 40 Mikrosekunden im Silizium nahe der Grenzfläche besitzt.
Bei Aufbringen von SiO&sub2; wie in der vorliegenden Erfindung ist bekannt, daß auch Gleichmäßigkeit eine Güteziffer ist. Gleichmäßigkeit ist ein Maß für den Grad des gleichmäßigen Verlaufs des aufgebrachten Oxides gegenüber der Oberfläche des Substrats. Sie kann als Verhältnis der Dicke der aufgebrachten Schicht in einem Graben zur Dicke auf einer horizontalen Oberfläche ausgedrückt werden. Die Dicke im Graben kann entweder am Mittelpunkt, an den Seitenwänden oder am Grabenboden gemessen werden. Wenn die Messung am Grabenmittelpunkt durchgeführt wird, ist eine Gleichmäßigkeit von 80% oder besser erwünscht. Zur Erzielung eines höheren Grades an Gleichmäßigkeit kann Tetraethylorthosilikat (TEOS) verwendet werden, es baut jedoch Kohlenstoff ein und ist daher unvorteilhaft. Außerdem wird es bei höheren Temperaturen abgeschieden.
Oxide mit akzeptablen Güteziffern können unter Verwendung einer thermischen Oxidation bei hoher Temperatur aufgewachsen werden. Bei dem Prozeß zum Aufwachsen von Oxiden bei hohen Temperaturen handelt es sich um einen thermischen Prozeß, bei dem das Oxid durch Oxidation des Substrats aufgewachsen wird, im Gegensatz zu chemischer Gasphasenabscheidung, bei der das Oxid durch eine chemische Reaktion zwischen den Gasbestandteilen (z.B. Silan und Sauerstoff) an der Substratoberfläche aufgebracht wird. Bei bestimmten Anwendungen ist eine thermische Oxidation nachteilig, da die erforderlichen hohen Temperaturen unerwünschte Nebeneffekte wie Übergangsmigration und Veränderungen bei den implantierten oder diffundierten Störstellenprofilen hervorrufen. Hohe Temperaturen können auch den Einbau von unerwünschten Defekten oder Verunreinigungen zur Folge haben. Zudem können einige Prozeßmaterialien (z.B. Aluminium) keine hohen Temperaturen ertragen.
Die Tendenz in Richtung Niedertemperaturbearbeitung, um kleinere, flachere Bauelementstrukturen herzustellen, hat der Bildung von Isolatoren in der Siliziumtechnologie strenge Einschränkungen auferlegt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Forscher vor kurzem begonnen, Alternativen zu thermischen Hochtemperaturoxiden zu untersuchen. So wäre es vorteilhaft, einen Niedertemperatur(z.B. 200 ºC bis 300 ºC)-Prozeß zum Aufbringen qualitativ hochwertiger SiO&sub2;-Filme auf einem Siliziumsubstrat und zur Erzielung der Qualität von thermisch aufgewachsenen SiO&sub2;-Filmen bereitzustellen.
Weitere Prozesse zum Aufbringen qualitativ hochwertiger Halbleitermaterialien bei niedrigeren Temperaturen schließen plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung ein. Plasmadeposition ist eine Form von chemischer Gasphasenabscheidung, bei der im Gas ein Plasma erzeugt wird, um seine Depositionscharakteristika zu verbessern. Diese Prozesse sind normalerweise Prozesse mit geringem Durchsatz, die nicht ohne weiteres auf eine Herstellung großen Umfangs angepaßt werden können, was zu einem Kompromiß zwischen Oxidqualität und Herstellbarkeit (d.h. Kosten) führt. Denn da das Plasma mit jedem Substrat in Kontakt stehen muß, ist es nicht möglich, mehr als eine begrenzte Anzahl von Substraten zu bearbeiten, und somit handelt es sich hier um einen Prozeß mit sehr geringem Durchsatz. Plasmadeposition kann bei einigen empfindlichen Materialien auch zu Strahlenschädigung führen. Ein derartiger Prozeß wird von J. Batey und E. Tierney in "Low Temperature Deposition of High Quality Silicon Dioxide by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition", Journal of Applied Physics, 60(9), 1. November 1986 auf Seite 3136 beschrieben.
Die normale chemische Gasphasenabscheidung ist vorteilhaft, da sie bei Temperaturen durchgeführt werden kann, die beträchtlich unterhalb der Temperaturen liegen, die für thermisch aufgebrachte Oxide erforderlich sind, während gleichzeitig weiterhin der hohe Durchsatz der thermischen Deposition möglich ist. Herkömmliche Prozesse zur chemischen Gasphasenabscheidung mit hohem Durchsatz, die geeignet sind, Oxide bei niedrigen Temperaturen aufzubringen, waren jedoch in diesem Punkt nicht in der Lage, das Aufbringen von Oxiden mit einer den thermischen Oxiden entsprechenden hohen Qualität zu erlauben. (Siehe zum Beispiel Rosler Low Pressure CVD Production Process for Poly Nitride and Oxide, Solid State Technology, April 1977, Seiten 63 bis 70.)
Es ist bekannt, daß Oxide durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bei niedrigen Temperaturen (z.B. im Bereich von 400 ºC bis 500 ºC) aufgebracht werden können. Durch diese Niedertemperatur- CVD-Techniken aufgebrachte Oxide sind bekannt und werden im allgemeinen als Niedertemperatur-Oxide (LTO) bezeichnet. Das Problem bei diesen Niedertemperatur-Oxiden bestand in der geringen Qualität der Oxide verglichen mit thermisch aufgewachsenen Oxiden. Um SiO&sub2; mittels CVD aus Silan (SiH&sub4;) und Sauerstoff (O&sub2;) aufzubringen, ist im allgemeinen eine Temperatur von 450 ºC oder mehr erforderlich, um eine akzeptable Qualität zu erzielen. Die Qualität des abgeschiedenen SiO&sub2; reichte jedoch selbst bei diesen Temperaturen nicht an die Qualität von thermisch aufgewachsenen Oxiden heran.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Prozeß zur chemischen Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck (LPCVD) für die Deposition von Siliziumdioxid. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Prozeß, der einen Schritt zur Vorreinigung einschließt, bei dem Verunreinigungen vom Substrat entfernt werden, gefolgt von einem LPCVD-Schritt, der bei Temperaturen durchgeführt wird, die zwischen ungefähr 200 ºC und 300 ºC niedrig sein können. Bevorzugte Prozesse der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, thermische Prozesse und LPCVD-Prozesse bei höheren Temperaturen zur Deposition von Siliziumdioxid zu ersetzen.
Spezieller beinhaltet die vorliegende Erfindung einen Schritt zur Vorreinigung, bei dem ein Substrat unter Verwendung eines vorgegebenen Reinigungsprozesses (z.B. einer Voroxidationsreinigung) gewaschen wird. Das Substrat wird dann in eine verdünnte Flußsäurelösung eingetaucht, die natürliche Oxide und Verunreinigungen von der Oberfläche entfernt. Als nächstes wird das Substrat zum Beispiel mit deionisiertem Wasser oder hochreinem Wasser gespült, um jegliche Flußsäure oder einen anderen Rest aus den vorhergehenden Prozeßschritten zu entfernen. Schließlich wird unter Verwendung eines Prozesses zur chemischen Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck in einem Gasstrom, der Silan, Sauerstoff und Stickstoff enthält, bei Temperaturen von 300 ºC oder weniger eine Schicht aus Siliziumdioxid aufgebracht.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Prozeß zur Deposition von qualitativ hochwertigem Siliziumdioxid bei Temperaturen von ungefähr 300 ºC oder weniger zur Verfügung.
Der Prozeß der vorliegenden Erfindung ermöglicht bevorzugt eine Deposition von qualitativ hochwertigem Siliziumdioxid bei Temperaturen unter ungefähr 300 ºC in einem Niederdruck-Bereich der chemischen Gasphasenabscheidung.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben die Deposition einer Schicht aus Siliziumdioxid unter Verwendung eines LPCVD-Prozesses bei Temperaturen unterhalb von ungefähr 300 ºC, wobei das aufgebrachte Oxid bevorzugt die folgenden Charakteristika aufweist: eine Durchbruchfeldstärke von mehr als etwa 8 MV/cm und eine Haftstellendichte (Dit) in Bandmitte an der Grenzfläche von weniger als etwa 5 10¹&sup0; Grenzflächenzustände pro eV-cm².
Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen Doppelprozeß, der zu einem qualitativ ausgezeichneten Siliziumdioxid aus einem Niedertemperatur-/Niederdruck-prozeß zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Depositionsprozeß in eine Vordepositionsreinigung und eine Oxiddeposition bei sehr niedriger Temperatur (VLTO) (geringer als ungefähr 300 ºC) unterteilt
Allgemein beinhaltet eine Vordepositionsreinigung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Voroxidationsreinigung, die wenigstens einen Spülvorgang in Salmiakgeist (NH&sub4;OH) einschließt, gefolgt von einem Spülvorgang in Salzsäure (HCl).
Bei der NH&sub4;OH-Spülung liegt das NH&sub4;OH typischerweise in einer Lösung vor, die Wasserstoffperoxid (H&sub2;O&sub2;) und Wasser (H&sub2;O) enthält. Bei der HCl-Spülung liegt das HCl typischerweise in einer Lösung vor, die H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O enthält.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß, wenn das Substrat, auf dem das Siliziumdioxid gemäß des vorliegenden Prozesses aufzubringen ist, ausreichend sauber ist, der vorhergehende Schritt nicht notwendig zu sein braucht.
Bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Eintauchen in verdünnte Flußsäure (HF) der NH&sub4;OH- wie auch der HCl-Spülung vorausgehen, auf die NH&sub4;OH- und die HCl-Spülung folgen, auf die NH&sub4;OH-Spülung folgen und der HCl-Spülung vorausgehen oder auf die NH&sub4;OH wie auch auf die HCl-Spülung folgen.
Die Vordepositionsreinigung beinhaltet des weiteren einen Spülvorgang in verdünnter HF, die der Voroxidationsreinigung folgt und dem Einbringen des Substrats in die Depositionskammer unmittelbar vorausgeht. Da der Zweck der HF-Spülung darin liegt, jegliches natürliche Oxid von der Oberfläche des Wafers vor der Deposition eines Oxids gemäß der vorliegenden Erfindung zu entfernen, sollte sie unmittelbar vor dem Einbringen des Substrats in die Depositionskammer durchgeführt werden. Das heißt, das Eintauchen in HF sollte in einer minimalen Zeitdauer durchgeführt werden, um die Bildung von natürlichem Oxid oder die Adsorption von Kohlenwasserstoffen vor dem Einbringen des Substrats in die Depositionskammer zu verhindern.
Wenn die Vordepositionsreinigung vollendet ist, wird das Substrat innerhalb von ungefähr fünf Minuten in eine Depositionskammer eingebracht. Diese Depositionskammer beinhaltet typischerweise eine Quarzröhre, in der (ein) Schiffchen das Substrat an Ort und Stelle (hält) halten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Depositionskammer hochgradig rein. Eine Möglichkeit, ein derartiges System zu reinigen, besteht in der Anwendung eines als weißer Ätzvorgang bekannten Vorgangs. Bei einem weißen Ätzvorgang wird die Kammer einer Mischung aus HF und Salpetersäure in einer Konzentration von 1:4 ausgesetzt. Dem weißen Atzvorgang folgt ein Spülvorgang. Um die Depositionskammer entsprechend zu halten, kann es angeraten sein, eine speziell hierzu vorgesehene Kammer zu verwenden. Außerdem kann die Kammer zwischen den Depositionsläufen als Mittel, um eine Kontamination und eine Rückdiffusion von Vakuumpumpenöl zu vermeiden, bei einem Druck von mehr als ungefähr 6,67 Pa (50 Mikrometer Quecksilbersäule) gehalten werden.
Schließlich wird die Deposition bei einer bevorzugten Ausführungsform in einem Temperatur- und Druckbereich ausgeführt, der für eine Depositionsrate von ungefähr 2,5 nm (25 Å) pro Minute, bevorzugt zwischen 2 nm und 3 nm (20 Å und 30 Å) pro Minute, eingerichtet ist. Die Temperatur sollte bevorzugt im Bereich von 100 ºC bis 300 ºC liegen, während der Druck im Bereich von 0,533 mbar (0,4 Torr) bis 1,867 mbar (1,4 Torr) liegen sollte.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein aus zwei Schritten bestehender Prozeß. Schritt eins ist ein Voroxidations-Reinigungsprozeß und Schritt zwei ein Vordepositions-CVD- Prozeß. Der Voroxidationsschritt beinhaltet einen ersten Spülvorgang in deionisiertem Wasser, gefolgt von einem ungefähr 75 Sekunden andauernden Eintauchen in HF-Säure, gefolgt von einem zweiten Spülvorgang in deionisiertem Wasser. Das Eintauchen in HF-Säure und der zweite Spülvorgang in deionisiertem Wasser sind fakultativ und können, wenn gewünscht, weggelassen werden. Der Vorreinigungsschritt beinhaltet ein zweites, ungefähr 5 Minuten andauerndes Eintauchen in eine Lösung aus Salmiakgeist, Wasserstoffperoxid und deionisiertem Wasser (NH&sub4;OH:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O) mit einem Konzentrationsverhältnis von 1:1:5 unter Ultraschalleinwirkung bei etwa 60 ºC. Dem zweiten Eintauchen kann ein dritter, ungefähr 5 Minuten andauernder Spülvorgang in deionisiertem Wasser folgen. Der Vorreinigungsschritt schließt außerdem ein drittes, ungefähr 5 Minuten andauerndes Eintauchen in eine Lösung, die Salzsäure, Wasserstoffperoxid und deionisiertes Wasser (HCl:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O) mit einem ungefähren Konzentrationsverhältnis von 1:1:5 beinhaltet, unter Ultraschalleinwirkung bei etwa 60 ºC ein. Dem dritten Eintauchen folgt ein vierter, ungefähr 5 Minuten dauernder Spülvorgang in deionisiertem Wasser. Schließlich wird das Substrat einem letzten Spülvorgang in deionisiertem Wasser unterzogen, mit heißem Stickstoff besprüht und trockengeschleudert. Die in RCA Review vom Juni 1970 (obige Zitatstelle) beschriebene Vorreinigung ist ebenfalls geeignet.
Der zweite Schritt ist eine Vor-CVD-Oberflächenbehandlung und besteht aus einem Eintauchen in verdünnnte Flußsäure (HF). Die Flußsäurelösung besteht bevorzugt aus etwa zehn Teilen Wasser und etwa einem Teil Flußsäure (10:1). Das Substrat kann ungefähr 10 Sekunden lang eingetaucht werden. Eine für das Eintauchen geeignete Lösung ist PARTlCAL-LO 10:1 HF, die von General Chemical Corporation hergestellt wird. Es ist wünschenswert, daß die Lösung zum Eintauchen zu einer Klasse mit niedriger Partikelanzahl gehört, das heißt, sie sollte eine Lösung zum Eintauchen vom VLSI-Grad mit einem Partikelniveau von ungefähr 0,1 ppm oder weniger sein. Der letzte Schritt bei diesem Verfahren besteht aus einem Spülvorgang in deionisiertem Wasser. Der Zweck des Spülvorgangs besteht darin, jegliche verbliebenen HF-Säuretröpfchen zu entfernen. Deionisiertes Wasser ist die bevorzugte Spüllösung. Der Fachmann wird weitere geeignete Spüllösungen, wie hochreines deionisiertes Wasser, in Betracht ziehen. Der Spülvorgang kann ungefähr 15 Sekunden andauern. Es ist möglich, daß der letzte Spülvorgang bei bestimmten Anwendungen nicht notwendig ist.
Das deionisierte Wasser für die Prozeßschritte der vorliegenden Erfindung sollte einen spezifischen Widerstand von wenigstens etwa 18 Megohm-cm bei einem Gesamtgehalt an organischen Bestandteilen von nicht mehr als etwa 50 ppb (parts per billion) aufweisen. Teilchen, die größer als etwa 0,02 um (0,02 Mikrometer) sind, sollten durch Filtration aus dem deionisierten Wasser entfernt werden.
Dann kann das Oxid auf den gereinigten Wafer aufgebracht werden. Die Deposition gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet bevorzugt eine einwandige Kammer für chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck (LPCVD), wie z.B. eine Quarzröhre. Ein für die LPCVD-Deposition von SiO&sub2; geeigneter Ofen ist ein Ofen mit einfacher, heißer Wandung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen die Komponenten des Depositionsgases aus Silan (SiH&sub4;), Sauerstoff und Stickstoff. Bei diesem bevorzugten Prozeß verhält sich der Stickstoff im wesentlichen passiv und erfüllt den Zweck, den gewünschten Atmosphärendruck während der Deposition aufrechtzuerhalten. Die reaktiven Gase sind Sauerstoff und Silan. Silan ist reaktiv und erfüllt die Funktion, die Quelle für Silizium bei der chemischen Reaktion mit Sauerstoff zur Bildung von SiO&sub2; bereitzustellen.
Ein geeignetes Silan ist bevorzugt ein Silan vom VLSI-Grad, das sich zum Aufwachsen von epitaxialem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von mehr als ungefähr 500 Ohm-cm (n-leitend) eignet. Der Sauerstoff wird vorzugsweise gereinigt, um den Gehalt an Wasser und Kohlenwasserstoffen auf unter ungefähr 0,1 ppm zu reduzieren.
Die Deposition des Siliziumdioxids kann unter Verwendung des folgenden Parametersatzes erreicht werden. Das Silan (SiH&sub4;) kann vorzugsweise eine Durchflußrate im Bereich von etwa 20 sccm bis etwa 40 sccm (Standardkubikzentimeter/Minute) aufweisen. Eine Durchflußrate von etwa 30 sccm ist besonders bevorzugt. Der Sauerstoff (O&sub2;) kann vorzugsweise eine Durchflußrate im Bereich von etwa 20 sccm bis etwa 120 sccm aufweisen. Eine Sauerstoff-Durchflußrate von etwa 25 sccm ist besonders bevorzugt. Der Stickstoff (N&sub2;) kann vorzugsweise eine Durchflußrate im Bereich von etwa 50 sccm bis etwa 300 sccm aufweisen. Eine Stickstoff-Durchflußrate von etwa 150 sccm ist besonders bevorzugt.
Die hier beschriebenen Durchflußraten beziehen sich auf eine Depositionskammer mit einem Durchmesser von etwa 190 mm (d.h. einer Querschnittsfläche von etwa 28.353 mm²). Für den Fachmann ist somit ersichtlich, daß die sccm-Durchflußraten für Depositionskammern mit verschiedenen Querschnittsflächen jeweils im richtigen Verhältnis angepaßt werden müssen.
Da eine Anpassung der Durchflußraten der Gaskomponenten die Konzentrationsverhältnisse eines Gases zu den anderen ändert, ist es außerdem notwendig, diesbezüglich geeignete Verhältnisse aufrechtzuerhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das akzeptable Gasdruckverhältnis von Silan zu Sauerstoff zwischen etwa 0,9 und etwa 1,3 liegen. Der Stickstoff liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 50% bis 80% des gesamten Gasflusses. Die Konzentration von Stickstoff kann ebenfalls angepaßt werden, um die Depositionsrate und die Gleichmäßigkeit des Films zu steuern.
Wenngleich der Druck in der Depositionskammer während der Deposition funktional von den verschiedenen Durchflußraten abhängt, ist es vorteilhaft, die Kammer auf einem Druck zu halten, der so niedrig wie möglich ist. Der Gesamtdruck in der Kammer liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,533 mbar bis etwa 1,867 mbar (0,4 Torr bis etwa 1,4 Torr). Ein Gesamtdruck von ungefähr 1,733 mbar (1,3 Torr) ist besonders bevorzugt.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Temperatur des Substrats. Das Substrat weist vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von ungefähr 200 ºC bis ungefähr 300 ºC auf. Eine Substrattemperatur von ungefähr 300 ºC ist besonders bevorzugt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen das Silan (SiH&sub4;) eine Durchflußrate von ungefähr 30 sccm, der Sauerstoff (O&sub2;) eine Durchflußrate von ungefähr 25 sccm und der Stickstoff (N&sub2;) eine Durchflußrate von ungefähr 150 sccm auf. Der Depositionsdruck liegt bei etwa 1,733 mbar (1,3 Torr). Die Depositionstemperatur beträgt etwa 300 ºC.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung werden Siliziumwafer drei Stickstoffausblasungs-/Vakuum-Zyklen unterzogen, in denen die Reaktionsröhre mit Stickstoff gefüllt und entleert wird, während die Temperatur der Waferoberfläche auf die Depositionstemperatur von etwa 300 ºC angehoben wird. Die Ausblasungen mit Stickstoff werden dazu verwendet, die Verunreinigung der Waferoberfläche zu minimieren. Dann werden reaktive Gase mit einem sauerstoffbeitragenden und einem siliziumbeitragenden Bestandteil in die Kammer eingelassen, und SiO&sub2; wird auf den Wafern abgeschieden. Die Depositionszeit und der Druck können geändert werden, ohne die Qualität des Oxides zu beeinflussen. Zum Beispiel sollte eine 10-minütige Deposition bei Verwendung dieses Prozesses ungefähr 22 nm (220 Å) SiO&sub2; mit einer Dickengleichmäßigkeit von ±3,5% über den Wafer hinweg ergeben. Wenn der Druck auf etwa 0,533 mbar (0,4 Torr) reduziert wird, sollte eine 15-minütige Deposition ungefähr 22,5 nm (225 Å) SiO&sub2; mit einer Dickengleichmäßigkeit von ±3,2% über den Wafer hinweg ergeben. Die Qualität des bei ungefähr 1,733 mbar (1,3 Torr) aufgebrachten Oxides ist im wesentlichen dieselbe wie die Qualität des bei ungefähr 0,533 mbar (0,4 Torr) aufgebrachten Oxides.
Folgt man dieser Deposition, beträgt in der bevorzugten Ausführungsform die Ätzrate des Oxides ungefähr 190 nm (1900 Å) pro Minute in einem gepufferten Oxidätzmittel (wie einer Lösung aus ungefähr 9 Teilen gesättigtem Ammoniumfluorid (NH&sub4;F) in Wasser und ungefähr einem Teil Flußsäure) bei einer Temperatur von ungefähr 23 ºC. Um die Ätzrate zu reduzieren, ist es notwendig, das Oxid 30 Minuten lang bei einer Temperatur zwischen 500 ºC und 550 ºC in einer inerten Gasumgebung, wie Stickstoff, zu tempern. Durch dieses Tempern wird die Ätzrate auf einen Wert von ungefähr 145 nm (1450 Å) pro Minute in der oben beschriebenen gepufferten Lösung aus dem Oxidätzmittel reduziert. Es wurde außerdem festgestellt, daß dieses Tempern die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger verbessert.
Um die Qualität einer auf einem Siliziumwafer aufgebrachten Oxidschicht und ihrer Grenzfläche zu dem Silizium zu charakterisieren, werden MOS-Kondensatoren durch Aufdampfung von Aluminiumelektroden auf dem Oxid gebildet. Diese Strukturen werden einem herkömmlichen Tempervorgang nach der Metallisierung (z.B. 20 Minuten andauerndes Tempern bei etwa 400 ºC in einer Mischung aus etwa 10% Wasserstoff und etwa 90% Stickstoff) unterzogen, um die Haftstellendichte an der Grenzfläche zu reduzieren.
Wie zuvor erörtert wurde, kann die Qualität der aufgebrachten Oxidschicht durch bestimmte "Güteziffern" charakterisiert werden. Oxide, die gemäß dem Prozeß der vorliegenden Erfindung aufgebracht wurden, haben Güteziffern erreicht, die thermisch aufgewachsenen Oxiden (d.h. bei Temperaturen oberhalb etwa 900 ºC aufgewachsenen Oxiden) nahekommen. Spezielle Beispiele von Depositionsläufen und Resultate sind unten aufgelistet.
Bei diesen experimentellen Durchläufen wurde der Wafer zuerst in eine Spülung aus deionisiertem Wasser eingetaucht, gefolgt von einem ungefähr 75 Sekunden andauernden Eintauchen in verdünnte HF-Säure und einem zweiten Spülvorgang in deionisiertem Wasser. Dem folgte ein zweites, ungefähr 5 Minuten andauerndes Eintauchen in eine Lösung aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid und deionisiertem Wasser mit einem Konzentrationsverhältnis von etwa 1:1:5 (NH&sub4;OH:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O). Während das Substrat in diese Lösung eingetaucht ist, wurde es einer Ultraschalleinwirkung bei etwa 60 ºC unterzogen, gefolgt von einem dritten, ungefähr 5 Minuten dauernden Spülvorgang in deionisiertem Wasser. Einem dritten, ungefähr 5 Minuten andauernden Eintauchen in eine Lösung aus Salzsäure, Wasserstoffperoxid und deionisiertem Wasser mit einem Konzentrationsverhältnis von etwa 1:1:5 (HCl:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O) unter Ultraschalleinwirkung bei etwa 60 ºC folgte ein vierter, ungefähr 5 Minuten andauernder Spülvorgang in deionisiertem Wasser. Schließlich wurde der Wafer einem Spül- und Trocknungszyklus unterzogen. Der Spül- und Trocknungszyklus kann einen Spülvorgang in deionisiertem Wasser und ein Besprühen mit heißem Stickstoff sowie eine Schleudertrocknung beinhalten.
Unmittelbar vor der Deposition wurde der Wafer 15 Sekunden lang in verdünnte HF eingetaucht, gefolgt von einem 10 Sekunden andauernden Eintauchen in deionisiertes Wasser. Der Wafer wurde dann mit Stickstoff trockengeblasen. Während der Deposition des SiO&sub2; wies das Silan (SiH&sub4;) eine Durchflußrate von etwa 30 sccm auf. Der Sauerstoff (O&sub2;) wies eine Durchflußrate von etwa 25 sccm auf. Der Stickstoff (N&sub2;) wies eine Durchflußrate von etwa 150 sccm auf. Die Temperatur variierte bei diesen Durchläufen zwischen etwa 200 ºC und etwa 300 ºC. Der Druck wurde zwischen etwa 0,533 mbar und 1,733 mbar (etwa 0,4 Torr und etwa 1,3 Torr) variiert.
Die Wafer wurden nachfolgend einem Vormetallisierungstempern in einer Umgebung aus im wesentlichen 100% Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 550 ºC unterzogen. Dann wurden in einer Vakuumumgebung bei zwischen ungefähr 25 ºC und ungefähr 70 ºC Aluminiumelektroden auf die SiO&sub2;-0berfläche aufgedampft. Außerdem wurde Aluminium auf die Rückseite der Wafer (d.h. auf die der SiO&sub2;Deposition entgegengesetzte Seite) aufgedampft, um den rückseitigen Kontakt zu verbessern. Das Aluminium auf der Rückseite wurde in einer Vakuumumgebung bei Temperaturen von etwa 25 ºC bis etwa 70 ºC aufgebracht. Schließlich wurden die Substrate in einer Umgebung aus etwa 10% Wasserstoff und etwa 90% Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 400 ºC ungefähr 20 Minuten lang einem Nachmetallisierungstempern unterzogen.
Im Durchlauf 1 bei einem Druck von etwa 1,733 mbar (1,30 Torr) und einer Temperatur von etwa 300 ºC wies ein Oxid, das mit einer Dicke von etwa 22 nm (220 Å) aufgebracht worden war, eine Durchbruchfeldstärke von etwa 9,0 MV/cm (Megavolt pro Zentimeter), eine Minoritätsladungsträger-Lebensdauer von etwa 50 Mikrosekunden und eine Haftstellendichte in Bandmitte an der Grenzfläche (Dit) von etwa 3,0 10¹&sup0; pro eV-cm² auf.
Im Durchlauf 2 bei einem Druck von etwa 0,867 mbar (0,65 Torr) und einer Temperatur von etwa 300 ºC wies ein Oxid, das mit einer Dicke von etwa 22 nm (220 Å) aufgebracht worden war, eine Durchbruchfeldstärke von etwa 8,8 MV pro Zentimeter, eine Minoritätsladungsträger-Lebensdauer von etwa 63 Mikrosekunden und eine Dit von etwa 2,6 10¹&sup0; pro eV-cm² auf.
Im Durchlauf 3 bei einem Druck von etwa 1,733 mbar (1,3 Torr) und einer Temperatur von etwa 200 ºC wies ein Oxid, das mit einer Dicke von etwa 20 nm (200 Å) aufgebracht worden war, eine Durchbruchfeldstärke von etwa 8,5 MV pro Zentimeter, eine Minoritätsladungsträger-Lebensdauer von etwa 42 Mikrosekunden und eine Dit von etwa 4,5 10¹&sup0; pro eV-cm² auf.
Im Durchlauf 4 bei einem Druck von etwa 1,733 mbar (1,3 Torr) und einer Temperatur von etwa 300 ºC wies ein Oxid, das mit einer Dicke von etwa 14,5 nm (145 Å) aufgebracht worden war, eine Durchbruchfeldstärke von etwa 8,9 MV pro Zentimeter, eine Minoritätsladungsträger-Lebensdauer von etwa 49 Mikrosekunden und eine Dit von etwa 3,2 10¹&sup0; pro eV-cm² auf.
Wie die Daten zeigen, kommt die Qualität des abgeschiedenen SiO&sub2; derjenigen von herkömmlichen, thermisch aufgewachsenen Oxiden, die einen industriellen Qualitätsstandard darstellt, nahe. Zudem kann der Prozeß der Erfindung diese elektrischen Eigenschaften in Oxiden erreichen, die bei so niedrigen Depositionstemperaturen wie zwischen etwa 200 ºC und etwa 300 ºC abgeschieden wurden.
Weitere Vorteile des vorliegenden Prozesses schließen eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit über Gräben und Stufen hinweg ein. Zudem ist, verglichen mit Plasmadepositionsprozessen, im wesentlichen keine Strahlungsschädigung vorhanden. Außerdem ist die Erfindung an Chargenprozesse anpaßbar. Des weiteren erfordert die Erfindung nicht die Verwendung kostspieliger Gase wie Helium.

Claims

1. Niedertemperatur-/Niederdruck-Prozeß zur Deposition von SiO&sub2; auf der Oberfläche eines Substrates, wobei der Prozeß die folgenden Schritte beinhaltet:

Waschen des Substrates unter Verwendung eines vorgegebenen Reinigungsprozesses;

Aussetzen des Substrates einer Lösung aus verdünnter Flußsäure;

Spülen des Substrates in einer Spüllösung;

Anordnen des Substrates in einer Kammer für chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck;

Erzeugen einer Strömung von Silan, Sauerstoff und Stickstoff durch die Depositionskammer, wobei der Gesamtdruck in der Kammer im Bereich von etwa 0,533 mbar (0,4 Torr) bis etwa 1,867 mbar (1,4 Torr) gehalten wird; und

Halten der Temperatur des Substrates im Bereich von ungefähr 200 ºC bis ungefähr 300 ºC.

2. Prozeß zur Deposition von SiO&sub2; nach Anspruch 1, wobei: der Gesamtdruck 1,733 mbar (1,3 Torr) beträgt.

3. Prozeß zur Deposition von SiO&sub2; nach Anspruch 1 oder 2, wobei:

der vorgegebene Reinigungsprozeß folgendes beinhaltet:

einen ersten Spülvorgang in deionisiertem Wasser;

Eintauchen in eine Lösung aus verdünnter Flußsäure;

einen zweiten Spülvorgang in deionisiertem Wasser;

eine erste Ultraschalleinwirkung in einer ersten Lösung aus Ammoniak (NH&sub4;OH), Wasserstoffperoxid (H&sub2;O&sub2;) und deionisiertem Wasser bei einer Temperatur von ungefähr 60 ºC;

einen dritten Spülvorgang in deionisiertem Wasser;

eine zweite Ultraschalleinwirkung in einer zweiten Lösung aus Salzsäure (HCl), Wasserstoffperoxid (H&sub2;O&sub2;) und deionisiertem Wasser;

einen vierten Spülvorgang in deionisiertem Wasser;

einen letzten Spülvorgang; und

eine Schleudertrocknung;

wobei die Spüllösung deionisiertes Wasser beinhaltet.

4. Prozeß nach Anspruch 3, wobei:

die erste Lösung Konzentrationsverhältnisse von 1:1:5 bezüglich NH&sub4;OH:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O aufweist; und die zweite Lösung ein Konzentrationsverhältnis von ungefähr 1:1:5 bezüglich HCl:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O aufweist.

5. Prozeß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Depositionsschritt ein Vormetallisierungstempern folgt.

6. Prozeß nach Anspruch 5, wobei dem Vormetallisierungstempern ein Nachmetallisierungstempern folgt.

7. Prozeß nach Anspruch 5, wobei das Vormetallisierungstempern folgendes beinhaltet: Erwärmen des Substrates auf ungefähr 550 ºC in einer Umgebung, die aus im wesentlichen 100% eines inerten Gases besteht.

8. Prozeß nach Anspruch 6, wobei das Nachmetallisierungstempern folgendes beinhaltet:

Erwärmen des Substrates auf ungefähr 400 ºC in einer Umgebung, die aus ungefähr 10 Prozent Wasserstoff und 90 Prozent inertem Gas besteht.

9. Verfahren zur Deposition von Siliziumdioxid auf einem Substrat, das die folgenden Schritte beinhaltet:

Reinigen des Substrates, wobei der Reinigungsschritt folgendes beinhaltet:

Aussetzen des Substrates einer Lösung, die NH&sub4;OH, H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O in einem Konzentrationsverhältnis von ungefähr 1:1:5 beinhaltet;

Aussetzen des Substrates einer Lösung, die HCl, H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O in einem Konzentrationsverhältnis von ungefähr 1:1:5 beinhaltet;

Aussetzen des Substrates einer Lösung, die verdünnte Flußsäure beinhaltet;

sofortiges Einbringen des Substrates in eine saubere Kammer für chemische Gasphasenabscheidung, wobei die Kammer für chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung eines weißen Ätzprozesses, der Flußsäure und Salpetersäure in einem Konzentrationsverhältnis von 1:4 beinhaltet, gereinigt wurde;

Aufbringen des SiO&sub2;, wobei das SiO&sub2; mit einer Rate abgeschieden wird, die geringer als ungefähr 3 nm (30 Ångström) pro Minute ist, durch Füllen der Kammer mit Silan, Sauerstoff und Stickstoff bei einer Temperatur von zwischen 200 ºC und 300 ºC und einem Gesamtdruck in der Kammer von zwischen ungefähr 0,533 mbar bis 1,867 mbar (0,4 Torr bis 1,4 Torr);

Tempern des aufgebrachten Oxides und des Substrates bei einer Temperatur von ungefähr 550 ºC in einer Atmosphäre, die aus im wesentlichen 100% eines inerten Gases besteht.