DE69205241T2

DE69205241T2 - Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung von Silizium mit gepulster Gas-Einspeisung.

Info

Publication number: DE69205241T2
Application number: DE69205241T
Authority: DE
Inventors: John Batey; John Boland; Gregory N Parsons
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1992-07-16
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2012-07-17
Also published as: EP0526779A1; JPH05211127A; US5242530A; JPH0773101B2; DE69205241D1; EP0526779B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die kontrollierte plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung und Oberflächenmodifikation von Silicium auf einem Substrat bei niedrigen Substrattemperaturen unter Verwendung eines Wasserstoff- und Silangasplasmas und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auf die selektive Abscheidung und Modifikation von Silicium auf vorgegebenen ersten Oberflächengebieten eines Substrates unter gleichzeitiger Verhinderung von Siliciumanlagerung auf nicht vorgesehenen zweiten Oberflächengebieten des Substrates im Verlauf eines Prozesses, bei dem Silicium abgeschieden und in vorgegebenen vorgesehenen Gebieten des Substrates angelagert wird, wie zum Beispiel während der Herstellung von Halbleiterbauelementen.
Prozesse mit plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) sind für die Abscheidung von Silicium, einschließlich amorphem, mikrokristallinem, polykristallinem und/oder epitaktischem Silicium, bei geringen Substrattemperaturen (unterhalb 300 ºC) in einer Vielzahl von Strukturen elektronischer Halbleiterbauelemente weithin bekannt. Außerdem werden chemische Gasphasenabscheidung bei atmosphärischem Druck und bei niedrigem Druck sowie chemische Gasphasenabscheidung im Ultrahochvakuum bei höheren Temperaturen für die Abscheidung von Polysilicium und epitaktischem Silicium verwendet.
Es ist bekannt, Silicium selektiv auf bestimmten Gebieten eines Substrates durch epitaxiales Wachstum auf selbigem bei Temperaturen größer als 600 ºC unter Verwendung von chiorierten Silanen und ultrareinen Gasen abzuscheiden, wobei auf eine Veröffentlichung mit dem Titel "Low Temperature Selective Epitaxial Growth of Silicon at Atmospheric Pressure" von T.O. Sedgwick et al., Applied Physics Letters, Bd. 54, Nr. 26, Seiten 2689 bis 2691 (1989) verwiesen wird. Derartige Prozesse sind auf die Verwendung hoher Temperaturen, chlorierter Silane und bestimmter Substrate beschränkt. Die Anforderung hoher Temperaturen begrenzt die Anwendung derartiger Prozesse, wohingegen ein Niedertemperaturprozeß beispielsweise für amorphe Siliciumtechnologie oder dazu verwendet werden kann, Dotierstoffdiffusion in Siliciumbauelementen mit geringen Abmessungen zu begrenzen.
Es ist des weiteren beim Prozeß der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bekannt, ein Substrat innerhalb einer Mehrplasmazonenvorrichtung so zu rotieren, daß es räumlich getrennten Zonen eines Wasserstoffplasmas und eines Wasserstoff:Silan-Plasmas ausgesetzt wird, die von einer äußeren, kein Plasma enthaltenden Kammer umgeben sind, um das Substrat dem Silanplasma auszusetzen, Silicium auf dem Substrat abzuscheiden und die Siliciumabscheidung dem Wasserstoffplasma auszusetzen, um die Siliciumoberfläche zu passivieren oder zu modifizieren, wobei die Plasmaeinwirkungen durch Drehung des Substrates aus dem Einwirkungsgebiet des jeweiligen Plasmas getrennt sind. Die Auswirkung des Ätzens auf die Wachstumsrate des Deposits ist vernachlässigbar, und es wird keine selektive Abscheidung offenbart. Es wird auf eine Veröffentlichung mit dem Titel "Preparation of highly photoconductive hydrogenated amorphous silicon carbide films with a multiplasma-zone apparatus" von A. Asano et al. in Journal of Applied Physics, Bd. 65, Nr. 6, 15. März 1989, Seiten 2439 bis 2944 sowie auf eine Veröffentlichung mit dem Titel "Effects of Hydrogen Atoms on the Network Structure of Hydrogenated Amorphous and Microcrystalline Silicon Thin Films" von A. Asano in Applied Physical Letters, Bd. 56, Nr. 6, Seiten 533 bis 535, 5. Februar 1990 verwiesen.
Die von Asano offenbarten Prozesse weisen einen oder mehrere Nachteile auf, die durch die vorliegende Erfindung vermieden werden. Die von Asano verwendete Vorrichtung mit rotierendem Substrat ist aufwendig, scheint Verunreinigungen, wie Sauerstoff, einzubringen und ist langsam im Betrieb. Noch bedeutsamer ist, daß der Prozeß von Asano das Substrat nach jedem Einwirkenlassen zur Abscheidung und Oberflächenmodifikation aus den Plasmazonen herausbewegt, wodurch die Oberflächenreaktionen unterbrochen werden, die durch Einwirkenlassen des Wasserstoffplasmas erzeugt werden, wie Ätzen, Unterstützung des Filmwachstums der CVD-Abscheidung durch Wasserstoffradikale, langreichweitige Umlagerung zwecks Kristallisierung, Bildung von mikrokristallinem Siliciumdioxid etc..
Es ist des weiteren bekannt, mikrokristallines Silicium: Wasserstoff:Fluor selektiv auf kristallinen und Polysiliciumoberflächen abzuscheiden, während keine Abscheidung auf Seitenwänden aus thermischem Siliciumdioxid erfolgt, um eine selbstjustierte Dünnfilmtransistor(TFT) -Struktur in einem plasmaunterstützten CVD-Prozeß zu erzeugen, wobei auf eine Veröffentlichung mit dem Titel "Selective Deposition Of N+ Doped MC-Si:H:F By RF Plasma CVD On Si And SiO&sub2; Substrates" von K. Baert et al. in Materials Research Society Proceedings, Bd. 164, Seiten 359 bis 364 (1990) verwiesen wird. Ein derartiger Prozeß gleicht Atzen durch SiF&sub4; gegenüber Abscheidung durch SiH&sub4; bei Temperaturen über 300 ºC, und zwar bei 315 ºC bis 330 ºC, aus. SiF&sub4; bewirkt merkliches Ätzen des SiO&sub2; und ist deshalb unerwünscht. Es ist außerdem wünschenswert, eine selektive Abscheidung bei Temperaturen unterhalb von etwa 300 ºC durchführen zu können, vorzugsweise im Bereich von 250 ºC, um die Technologie auf amorphe Siliciumsubstrate anzuwenden.
Frühere bekannte Prozesse zur Abscheidung von Silicium auf einem Substrat weisen einen oder mehrere Nachteile auf, welche sie für die selektive Abscheidung von Silicium auf vorgegebenen Gebieten eines Substrates bei niedrigen Temperaturen von 300 ºC oder weniger in einem herkömmlichen PECVD-System lediglich unter Verwendung eines Wasserstoff- und Silangasplasmas ohne Benötigung der Verwendung fluorierter Gasspezies ungenügend oder unwirksam machen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren zur plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) zur Trennung der Depositions- und der Oberflächenmodifikationsreaktion durch Zeitmodulation des Silangasflusses in eine Plasmazone, die einen kontinuierlichen Fluß von Wasserstoffgas empfängt, um Siliciumschichten auf einer Vielzahl von Oberflächen, wie auf einer Molybdän- oder ITO(Indium-Zinn-Oxid)-Oberfläche, während der Herstellung von TFT-Halbleiterbauelementen abwechselnd abzuscheiden und zu modifizieren. Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, daß die Reaktionen des PECVD-Prozesses zur Abscheidung und Oberflächenmodifikation durch Zeitmodulation des Silangasflusses in ein wasserstoffhaltiges Plasma innerhalb einer Depositionskammer in Verbindung mit einem geeigneten Substrat bei niedrigen Temperaturen, bevorzugt unterhalb von ungefähr 300 ºC, getrennt werden, um die Abscheidung einer dünnen Siliciumschicht auf der Oberfläche oder selektiv lediglich auf vorgegebenen, gewünschten Bereichen der Oberfläche während der Einleitung der Silangaspulse zu bewirken und eine Oberflächenmodifikation des Siliciumfilmdeposits zu abwechselnden Zeitperioden zu erzeugen, in denen der Silangasfluß in die Depositionskammer unterbrochen ist, um zu erlauben, daß das Wasserstoffgas die Oberfläche in irgendeiner von mehreren unterschiedlichen Weisen beeinflußt, die von der Natur der behandelten Oberfläche(n) und der Dauer der alternierenden Zeitperioden abhängen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann Silicium selektiv auf gewünschten Gebieten, wie Gebieten von c-Silicium, Molybdän, Tantaloxid, ITO, 7059-Glas, Gebieten mit durch Plasmadeposition aufgebrachtem mikrokristallinem oder polykristallinem Silicium eines Substrats aufgebracht werden, während es sich auf anderen nicht vorgesehenen Gebieten mit einer davon verschiedenen Zusammensetzung nicht anlagert, wie Quarzglas, mittels Plasma abgeschiedenem Siliciumnitrid, 7059-Glas, thermisch abgeschiedenem Siliciumdioxid etc., indem die Dauer der Silanpulse begrenzt und/oder die Dauer der alternierenden Zeitperioden gesteuert wird, in denen das Substrat mit Wasserstoff behandelt wird, um durch den Wasserstoff die Verhinderung einer Anlagerung des Siliciumdeposits in den nicht vorgesehenen Gebieten zu bewirken. Außerdem versteht es sich, daß der Wasserstoff die Oberfläche des Siliciumdeposits in den vorgesehenen Gebieten dahingehend beeinflußt, daß er die nachfolgende Siliciumabscheidung fördert und die Bildung einer polykristallinen Kornstruktur induziert. Der vorliegende Modulationsprozeß ermöglicht damit die Abscheidung und Anlagerung dicker Schichten aus Silicium auf vorgegebenen, ausgewählten Gebieten eines Substrats unter Verhinderung der Anlagerung von Silicium auf benachbarten Gebieten mit davon verschiedener Zusammensetzung.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der durchschnittlichen Schichtdicke pro Depositions-/Wasserstoffeinwirkungszyklus abgetragen gegen die Silanpuis- oder Depositions zeit.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Effekte der Zeitdauer der alternierenden Wasserstoffplasmaeinwirkung auf die Dicke der Siliciumabscheidung auf benachbarten Oberflächengebieten von c-Silicium und Quarzglas.
Fig. 3 ist eine vergleichende graphische Darstellung des Absorptionsmaßes zur Veranschaulichung der Infrarotstrahlungsabsorptionsspektren zweier auf ein kristallines Siliciumsubstrat abgeschiedener Siliciumfilme, wobei der Film (a) unter kontinuierlichen, nicht selektiven Gasflußbedingungen abgeschieden wurde und der Film (b) gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von gepulstem Silangas unter selektiven Depositionsbedingungen aufgebracht wurde.
Die vorliegende Erfindung macht von der Beobachtung Gebrauch, daß Siliciumfilme dadurch auf vorgegebenen Oberflächengebieten eines Substrates abgeschieden und modifiziert werden können, und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Selektivität bezüglich Gebieten mit unterschiedlicher Substratzusammensetzung erhalten und gesteuert werden kann, daß das Substrat einem kontinuierlichen Wasserstoffplasma ausgesetzt wird, in das Silangas einmoduliert wird, und daß die Gasmodulationsdauern gesteuert werden, um die Siliciumplasmadepositionszeit auf einen Wert zu begren- zen, der zu einer selektiven Deposition von Silicium in vorgegebenen ersten Gebieten mit keiner oder einer ätzbaren Abscheidung in benachbarten Gebieten mit davon verschiedener Zusammensetzung führt, und um abwechselnde Wasserstoffplasmazeitdauern bereitzustellen, die bewirken, daß der Wasserstoff mit dem abgeschiedenen Silicium reagiert und dieses als eine mikrokristalline Siliciumschicht modifiziert, während die Anlagerung jeglicher Siliciumschicht auf den benachbarten Substratgebieten verhindert wird. Die Depositionsreaktion des Siliciums und die Modifikationsreaktion des Wasserstoffs werden daher separiert und unabhängig dadurch gesteuert, daß ein kontinuierliches Wasserstoffplasma in der Depositionskammer aufrechterhalten wird und die Dauer der Einleitung und Nichteinleitung von Silangas in die Kammer zeitlich für vorgegebene Perioden moduliert wird, welche eine selektive Deposition und Anlagerung einer Siliciumbeschichtung auf vorgegebenen isolierten Gebieten eines in der Depositionskammer befindlichen Substrates mit mehreren Gebieten bei niedrigen Temperaturen, wie zum Beispiel unterhalb von etwa 300 ºC, und in Anwesenheit einer geeigneten HF-Leistung, wie zwischen etwa 20 W und 100 W, bereitstellen. Dies erzeugt aufeinanderfolgende, unabhängig gesteuerte Schritte zur Deposition und Obeflächenbehandlung oder Oberflächenmodifikation, wodurch ein neuartiger Grad an Steuerung für den PECVD-Prozeß auf atomarem Niveau zur Verfügung gestellt wird.
Durch Variieren der Modulationsbedingungen können Filmdeposition, -modifikation und -selektivität für eine Vielzahl von Substratoberflächen gesteuert werden, einschließlich kristallinem Silicium (undotiertem oder n-leitendem, mit Phosphin dotiertem kristallinem Silicium), Quarzglas, mittels Plasma abgeschiedenem Siliciumdioxid und Siliciumnitrid, Indium-Zinn-Oxid, Tantaloxid, Metallen wie Molybdän und anderen Oberflächen. Beispielsweise kann eine Deposition selektiv auf Oberflächengebieten von c-Silicium erzeugt werden, während sie auf benachbarten Oberflächengebieten aus 7059-Glas und thermisch abgeschiedenem Siliciumdioxid vermieden wird, oder sie kann selektiv auf Oberflächengebieten unterschiedlicher Zusammensetzungen, wie 7059-Glas, erzeugt werden, während sie auf benachbarten Oberflächengebieten aus PECVD-Siliciumdioxid vermieden wird, wobei die benachbarten Gebiete durch übliche Techniken für eine Vielzahl von Substratoberflächen strukturiert sein können. Das vorliegende Verfahren ermöglicht die Verwendung einer relativ geringen Temperatur unterhalb von etwa 300 ºC und vorzugsweise etwa 250 ºC, was für die Siliciumbauelementtechnologie von Vorteil ist. Ein selektiver Prozeß ist für die Bauelementfertigung attraktiv, um beispielsweise selbstjustierte Strukturen zu erzeugen und damit Strukturierungs- und Ätzschritte zu eliminieren, oder er ist attraktiv für die Fertigung von Dünnfilmtransistor(TFT)-Strukturen, wobei die vollständige Bauelementbildung einschließlich Kontakten sowie Halbleiter- und dielektrischer Gateschichten in einem einzigen PECVD-Abpumpvorgang hergestellt werden kann.
Das vorliegende Verfahren kann in Verbindung mit einem herkömmlichen PECVD-Parallelplattenreaktor mit Elektroden von 28 cm Durchmesser (615 cm² Fläche) und 2 cm Abstand durchgeführt werden. Die Depositionskammer beinhaltet ein System mit radialem Gasfluß, dem Wasserstoff- und Silangase über eine Leitung zugeführt werden, die einen Massendurchflußregler enthalten. Eine ventilbestückte Gasleitung ist mit der Zufuhrleitung stromabwärts vom Massendurchflußregler verbunden, um einen modulierten Silangasfluß an die Zufuhrleitung ohne Wechselwirkung mit dem kontinuierlichen Wasserstoffgasfluß und ohne Verursachung von Gasstößen zu liefern. Das Silangasventil ist bevorzugt ein elektrisch gesteuertes Divertermagnetventil, das mit einer Schaltung zur variablen elektronischen Zeittaktsteuerung verknüpft ist, um die selbsttätige Versorgung der Zufuhrleitung und der Depositionskammer mit Silangas für vorgegebene, variable Zeitdauern zu ermöglichen, die von der Art des Mehrfachgebietsubstrates, das behandelt wird, abhängen. Während alternierender Zeitdauern ohne Zuführung wird der Silangasfluß in eine Prozeßpumpe abgeleitet.
Die Versorgung der Elektroden mit HF-Leistung kann ebenfalls programmierbar sein, um deren Zeitmodulation zu erlauben. Beispielsweise ist es bevorzugt, das Substrat einer Wasserstoffplasmavorbehandlung bei einer HF-Leistungszufuhr von 80 mW/cm² bis 400 mW/cm² (115 W bis 570 W) zwischen 1 Minute und 10 Minuten auszusetzen, bevor die Filmabscheidung begonnen wird. Die Vorbehandlung kann möglicherweise Verunreinigungen vom Substrat entfernen. Während der Depositionszyklen wird die HF-Leistungsversorgung zwischen etwa 20 Watt und 100 Watt bei einem Druck von typischerweise etwa 53,32 Pa (400 mTorr) gehalten.
Die Bedingungen zur Filmdeposition variieren etwas in Abhängigkeit von der Identität der Zusammensetzungen der verschiedenen Oberflächengebiete des Substrates, das behandelt wird. Typische Bedingungen umfassen eine Wasserstoffgasflußrate von 0,1 lmin&supmin;¹ (100 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm)), eine Gasflußrate von Silan (SiH&sub4;) von etwa 5 x 10&supmin;³ lmin&supmin;¹ (etwa 5 sccm), eine Substrattemperatur von etwa 300 ºC, eine HF-Leistung von etwa 20 Watt bis 100 Watt und einen Druck von etwa 39,99 Pa (300 mTorr) . Der Wasserstoffgasfluß in die Depositionskammer ist kontinuierlich, und der Silangasfluß in die Depositionskammer ist intermittierend für die von den Substratzusammensetzungen abhängigen, vorgegebenen Ein- und Aus-Zeitdauern.
Fig. 1 der Zeichnungen veranschaulicht die Behandlung eines Substrates, das benachbarte Gebiete aus n-leitendem kristallinem Silicium (111) und Quarzglas aufweist, spezieller eines Substrates mit einer Basisschicht aus c-Silicium, die durch eine Oberflächenschicht aus mittels Plasma abgeschiedenem Siliciumdioxid bedeckt ist, auf der Gräben mit Abmessungen bis herunter zu 10 µm (Mikrometer) durch herkömmliche photolithographische oder andere Mittel strukturiert wurden, um die Basisschicht aus c-Silicium freizulegen. Wie oben erörtert war der Wasserstoffgasfluß kontinuierlich, und die Dauer des Silangasflusses (Depositionszeit) wurde zwischen 1 Sekunde und 50 Sekunden mit Intervallen von 50 Sekunden, während denen das Substrat nur dem Wasserstoffplasma ausgesetzt wurde, variiert.
Die Filmdicke wurde unter Verwendung eines Abtastnadelprofilmessers gemessen. Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde benutzt, um selektive Deposition in den Grabenproben zu beobachten, und auf relativ dicken, auf c-Si-Oberflächen abgeschiedenen Filmen (> 0,5 µm (Mikrometer)) wurde Ramanstreuung und Infrarotabsorption durchgeführt.
Figur 1 zeigt die durchschnittliche Schichtdicke pro Depositions-/Wasserstoffeinwirkungs-Zyklus abgetragen gegen die Silanpuls(Depositions-)zeit. Die HF-Leistung betrug 100 W, und die Wasserstoffeinwirkungsdauer wurde auf 50 Sekunden festgesetzt. Vor der Deposition wurden die Oberflächen einem H&sub2;-Plasma von 500 W während 1 Minute ausgesetzt. Wie in Figur 1 dargestellt, wird sowohl auf den c-Si- als auch auf den Quarzglasgebieten keine Deposition beobachtet, wenn die Depositionsdauer kleiner als 4 Sekunden ist. Mit steigender Depositionszeit wird ein Siliciumfilm auf den c-Si-Oberflächengebieten, jedoch nicht auf den Quarzglasoberflächengebieten abgeschieden. Für Depositionsdauern größer als ungefähr 19 Sekunden wird bei festgehaltener Wasserstoffplasmadauer ein Siliciumfilm einheitlicher Dicke auf allen freiliegenden Oberflächen abgeschieden. Die Anzahl von verwendeten Depositionszyklen war ausreichend, um mehr als 100 nm (1000 Å) auf der c-Si-Oberfläche abzuscheiden. Bei Verwendung von Bedingungen für selektives Wachstum sind Filme mit einer Dicke größer als 0,5 µm auf den c-Si-Oberflächengebieten abgeschieden worden, ohne daß sich eine sichtbare Anlagerung auf den Quarzglasoberflächengebieten ergab, wie durch optische Transmission und REM festgestellt wurde. Das lineare Anwachsen der abgeschiedenen Dicke zeigt an, daß die Wachstumsrate auf kristallinen Siliciumoberflächen konstant ist, etwa 0,28 nm/Sek. (2,8 Å/Sek.), und der von Null verschiedene Achsenabschnitt ist Anzeichen eines Ätzens der abgeschiedenen Schicht durch das Wasserstoffplasma. Der Übergang von selektiven zu nicht selektiven Bedingungen tritt in Fig. 1 bei einer Schichtdicke von ungefähr 3,4 nm (34 Å) auf. Man stellt fest, daß diese Übergangsschichtdicke kein fester Wert ist, sondern von den Bedingungen und der Dauer des Wasserstoffplasmaeinwirkungszyklus abhängt.
Fig. 2 veranschaulicht die Auswirkungen der Dauer des Wasserstoffplasmazyklus auf die Selektivität und die Dicke von Silicium auf benachbarten Oberflächengebieten von c-Silicium und Quarzglas. Die Silanflußzeitdauer betrug 10 Sekunden pro Zyklus.
Kurze Zeitdauern der H&sub2;-Plasmaeinwirkung resultieren in einem einheitlichen Siliciumfilm auf allen Oberflächen. Mit steigender H&sub2;-Einwirkungszeitdauer ändert sich die Filmdepositionsdicke pro Zyklus auf kristallinem Silicium nicht wesentlich, während die Depositionsrate auf Quarzglas drastisch abnimmt. Wenn die Wasserstoffeinwirkungszeitdauer groß genug ist, über 40 Sekunden, wird auf Quarzglassubstraten keine Filmanlagerung festgestellt.
Prozeßbedingungen und Filmdicken für einen typischen selektiven PECVD-Prozeß sind:
H&sub2;-Fluß: 0,1 lmin&supmin;¹ (100 sccm)
SiH&sub4;-Fluß: 5 x 10&supmin;³ lmin&supmin;¹ (5 sccm)
Silan-EIN-Zeit: 10 Sek.
Silan-AUS-Zeit: 50 Sek.
Substrattemperatur: 300 ºC
HF-Leistung: 100 Watt (68 mW/cm²)
Druck: 53,32 Pa (400 mTorr)
Anzahl von Zyklen: 180
Gesamtdepositionszeit: 3 Stunden
Substrat: Filmdicke:
- Quarzglas nicht detektiert
- c-Si 490 nm (4900 Å)
Durch Einstellen der Depositionsbedingungen einschließlich der Silan-EIN- und -AUS-Zeiten kann dieser Prozeß dazu verwendet werden, auf einer Vielzahl von Oberflächen, einschließlich Tantaloxid, 7059-Glas und Metallen, eine selektive Deposition vorzunehmen, wie oben beschrieben.
Von dem Verfahren mit gepulstem Gas wird angenommen, daß es aus Unterschieden in der chemischen Natur des Substrates Nutzen zieht, um das Wachstum stabiler Kristallisationskerne auf weniger aufnahmefähigen Oberflächen zu begrenzen. Das Beschränken des Silanflusses erlaubt es, eine sehr dünne Schicht aus abgeschiedenem Silicium während einer steuerbaren Zeitdauer einem Wasserstoffplasma auszusetzen. Die Wasserstoffplasmaeinwirkung scheint die Oberflächenrekonstruktion und die Kristallbildung zu beeinflussen und entfernt Siliciumatome, die in weniger stabilen Konfigurationen an der Oberfläche gebunden sind. Die Selektivität mag von Unterschieden in der Keimbildung auf den verschiedenen Substratoberflächen und von der Wechselwirkung der abgeschiedenen Kristallisationskerne mit Wasserstoff herrühren, wobei lediglich die stabilsten Kristallisationskerne nach dem Wasserstoffplasmaeinwirkungszyklus verbleiben. Ramanspektren des abgeschiedenen Siliciums zeigen Evidenz für kristalline Domänen in den Filmen. Das selektive Depositionsverfahren kann möglicherweise eine Steuerung der Korngröße ermöglichen und zu Polysiliciumfilmen mit großen Körnern, abgeschieden bei geringen Substrattemperaturen, führen.
Die Infrarotabsorptionskurven für zwei auf c-Si-Substraten abgeschiedene Filme sind in Figur 3 der Zeichnungen dargestellt. Film (a) wurde unter kontinuierlichen, nicht selektiven Gasflußbedingungen abgeschieden, und Film (b) wurde gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von gepulstem Silangas unter selektiven Depositionsbedingungen aufgebracht. Die Dicke beider Filme beträgt etwa 0,5 µm (Mikrometer), und die Skala des Absorptionsmaßes ist auf die Dicke normiert. Die Absorptionsspitzenwerte bei 2100 cm&supmin;¹ und 630 cm&supmin;¹¹ besitzen eine deutlich geringere, volle Breite von 60 cm&supmin;¹ als ähnliche Moden in hydrogeniertem amorphem Silicium. Die integrierte Absorption der 630 cm&supmin;¹ Mode ist für beide Filme ähnlich. Für den mit dem gepulstem Gasprozeß abgeschiedenen Film ist die 2100 cm&supmin;¹ Mode größer, und die Schulter bei 2000 cm&supmin;¹ ist verglichen mit dem bei kontinuierlichem Gasfluß hergestellten Film reduziert. Ramanabsorptionsmessungen zeigen eine starke Absorption bei 520 cm&supmin;¹ was eine mikro- oder polykristalline Struktur in den Filmen anzeigt.
Eine Vielzahl weiterer Materialien wurde hinsichtlich selektiver Deposition untersucht, einschließlich mittels Plasma abgeschiedenem Siliciumdioxid und Siliciumnitrid, 7059-Glas, Indium-Zinn- Oxid, Tantaloxid und Molybdän. Bei vielen dieser Materialien kann die Selektivität durch Steuerung der Gasmodulationsdauern abgestimmt werden. Die chemische Zusammensetzung des Substrates, Sauberkeit und Oberflächenvorbehandlung beeinflussen sämtlich die Bedingungen für Selektivität. Beispielsweise kann durch Abstimmen der Vorbehandlungsbedingungen und der Gasmodulationszeitdauern eine Abscheidung auf 7059-Glas erreicht werden, ohne daß ein Film auf mittels Plasma oder thermisch hergestellten SiO&sub2;-Oberflächen abgeschieden wird. Niedertemperaturglas (7059) enthält eine relativ hohe Konzentration an Verunreinigungen und es scheint, daß Verunreinigungsatome an der Oberfläche die Siliciumkeimbildung erhöhen.
Vor kurzen wurde aus In-situ-Ellipsometrie ein Einblick in den Einfluß der Substratchemie und der Filmvorprodukte auf die Keimbildung amorpher und mikrokristalliner Silicium-Wasserstoff-Filme in PECVD-Prozessen gewonnen. Es wurde festgestellt, daß die Abmessung der Kristallisationskerne und die Dichte der Keimbildungsstellen gegenüber den Prozeßbedingungen und der Substratchemie empfindlich sind, und es wurde ein ausgeprägter Übergang von zusammengeballten Kristallisationskernen zu gleichmäßiger Filmbedeckung beobachtet. Die vorliegenden Beobachtungen selektiver Deposition sind mit der Keimbildung konsistent, die von der Chemie der Substratoberfläche abhängig ist; die verschiedenen Kristallisationskerne auf den unterschiedlichen Substratoberflächen werden auf verschiedene Weise durch die Wasserstoffplasmabehandlung beeinflußt. Der von Null verschiedene Achsenabschnitt der Daten von Fig. 1 veranschaulicht, daß der Atzeffekt des Wasserstoffplasmas eine bedeutsame Rolle für die Erzielung selektiver Deposition spielt. Der scharfe Übergang von Nullwachstum (selektive Deposition) zu kontinuierlichem Filmwachstum auf SiO&sub2;-Oberflächen tritt bei einer Schichtdicke von ungefähr 3,4 nm (34 Å) auf. Die Übergangsschichtdicke besitzt keinen festen Wert, sondern hängt von den Bedingungen und der Dauer des Wasserstoffplasmaeinwirkungszyklus ab. Dies ist konsistent mit einem Wasserstoffplasmaätzprozeß, bei dem die Ätzraten von der Keimbildung im Film abhängen und durch die Substratoberfläche bestimmt sind. So wird speziell auf SiO&sub2; abgeschiedenes Material mit einer höheren Rate geätzt als auf c-Si abgeschiedene Filme. Die Daten von Fig. 1 veranschaulichen, daß bei 100 W HF-Leistung die Ätzrate 0,079 nm/Sek. (0,79 Å/Sek.) für Material auf SiO&sub2; und 0,022 nm/Sek. (0,22 Å/Sek.) für Material auf c-Si mit einer Depositionsrate von 0,3 nm/Sek. (3,0 Å/Sek.) während der Silanpulsdauer beträgt. Ähnliche Ergebnisse bei 20 W HF ergeben Ätzraten von 0,028 nm/Sek. und 0,006 nm/Sek. (0,28 Å/Sek. und 0,06 Å/Sek.) für Filme auf SiO&sub2; beziehungsweise c-Si mit einer Wachstumsrate von 0,15 nm/Sek. (1,5 Å/Sek.) . Diese Ergebnisse und die Selektivität auf anderen Substraten zeigen, daß geringere Ätzraten mit einem höheren Grad an Kristallinität in den anfänglichen Stadien der Filmdeposition auf kristallinen Oberflächen in Beziehung stehen können.
Die Rolle des Wasserstoffs für die Keimbildung und die Bildung von mikrokristallinem Silicium ist nicht vollständig klar. Das vorliegende Verfahren zeigt Evidenz für ein Ätzen, jedoch können andere Modelle, einschließlich langreichweitiger Relaation oder "chemischem Altern" sowie eine erhöhte Beweglichkeit von Oberflächenspezies durch Wasserstoffbedeckung nicht ausgeschlossen werden. Auf der Grundlage einer Rastertunnelmikroskopieanalyse scheint es, daß atomarer Wasserstoff dahingehend wirken kann, eine amorphe Siliciumoberfläche zu rekonstruieren und zur Bildung von kristallinen Domänen variabler Kornstruktur zu führen, wie dies durch die Dauer einer Silanmodulation und anderer Bedingungen gesteuert werden kann.
Das vorliegende Verfahren ist von Nutzen in Verbindung mit der Herstellung von Dünnfilmtransistor(TFT)-Halbleiterbauelementen, um die Notwendigkeit des Einsatzes eines Strukturierungsschrittes zum Ätzen n-leitender, dotierter Siliciumkontaktschichten zu vermeiden. Beispielsweise können isolierte, molybdänbeschichtete Indium-Zinn-Oxid(ITO)-Elektrodengebiete auf einem 7059-Glassubstrat durch herkömmliche photolithographische Strukturierungsschritte erzeugt werden. Dann kann die n-leitende Siliciumschicht gemäß dem vorliegenden Verfahren angebracht und selektiv über den Molybdängebieten angelagert werden, während das 7059-Glas hierfür nicht aufnahmefähig und/oder festhaltefähig ist.
Danach werden über das gesamte Substrat aufeinanderfolgende deckende Schichten oder ganzflächige Überzüge aus undotiertem amorphem Silicium und Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid (Gate- Dielektrikum) aufgebracht, ohne das Vakuum zu unterbrechen. Molybdän oder Aluminium (Gate-Metall) werden dann zur Bildung des TFT-Halbleiterbauelementes angebracht. Die resultierenden Bauelemente besitzen geringe Sperrströme und niedrige Kontaktwiderstände, was zeigt, daß das selektive Depositionsverfahren für Bauelementanwendungen brauchbar ist.
Es versteht sich für den Fachmann, daß das neuartige, bevorzugte selektive Verfahren dieser Erfindung für die Herstellung einer großen Vielzahl von Halbleiterprodukten und verwandten Produkten anwendbar ist, bei denen gewünscht wird, Silicium nur auf vorgegebene, ausgewählte Gebiete eines Substrates mit benachbarten Oberflächengebieten mit davon verschiedener Zusammensetzung anzubringen, die unterschiedliche Aufnahmefähigkeit und Festhaltefähigkeit für Silanplasma in dem PECVD-Prozeß besitzen, wobei lediglich Wasserstoff- und Silangase verwendet werden.
Es versteht sich des weiteren, daß zwar die gemäß der vorliegenden Erfindung primär verwendeten Gase Wasserstoff und Silan sind, daß jedoch unterschiedliche Mengen anderer Gase aus unterschiedlichen Verfahrensablaufgründen vorhanden sein können, einschließlich halogenierter Spezies, jedoch sind diese anderen Gase im allgemeinen nicht erforderlich.

Claims

1. Verfahren zur plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung zur Erzeugung der selektiven Deposition von Silicium auf vorgegebenen ersten Oberflächengebieten eines Substrates, das die ersten Oberflächengebiete benachbart zu zweiten Oberflächengebieten mit davon verschiedener Zusammensetzung enthält, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Bereitstellen eines Substrates mit den ersten und zweiten Oberflächengebieten, wobei die ersten Oberflächengebiete selektiv für die PECVD-Abscheidung und die Anlagerung von Silicium aufnahmefähig sind;

(b) Anordnen des Substrates innerhalb einer PECVD-Depositionskammer und Einleiten eines kontinuierlichen Stroms von Wasserstoffgas unter einer ausreichenden angelegten Energie, um ein Wasserstoffgasplasma zu bilden, wobei in der Kammer Temperatur- und Gasbedingungen herrschen, die für PECVD geeignet sind;

(c) Einleiten eines intermittierenden Stroms von Silangas in die Depositionskammer während kurzer Depositionszeitzyklen, um zu bewirken, daß Silicium selektiv auf den ersten Oberflächengebieten abgeschieden und angelagert wird; und

(d) Aussetzen des Substrates dem Wasserstoffgasplasma während Oberflächenmodifikationszeitzyklen zwischen den kurzen Depositionszeitzyklen, um zu bewirken, daß das Wasserstoffgasplasma die Oberfläche des auf den ersten Oberflächengebieten aufgebrachten Siliciums modifiziert, und um die Anlagerung von Silicium auf den zweiten Oberflächengebieten zu verhindern.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Oberfläche des aufgebrachten Siliciums auf den Oberflächengebieten modifiziert wird und für die Abscheidung und Anlagerung von zusätzlichem Silicium während nachfolgender Depositionszeitzyklen aufnahmefähiger gemacht wird und wobei die Anlagerung von Silicium auf den zweiten Oberflächengebieten verhindert wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei, wenn die Oberfläche des aufgebrachten Siliciums modifiziert wird, wenigstens einer der Vorgänge Ätzen, Kristallisation, Hydrogenisierung der Oberfläche, Oberflächenwiederherstellung und Relaxation von Bindungsspannungen auftritt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat eine Basisschicht einer ersten Zusammensetzung mit einer darüber befindlichen Oberflächenschicht einer davon verschiedenen Zusammensetzung beinhaltet, von der vorgewählte Gebiete beseitigt sind, um die Basisschicht, die erste Oberflächengebiete bildet, benachbart zu der Oberflächenschicht, die die zweiten Oberflächengebiete bildet, freizulegen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem die vorgewählten Gebiete in Form eines Musters vorliegen.

. 6. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die ersten Oberflächengebiete des Substrates ein Material beinhalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus kristallinem Silicium, Tantaloxid, Indium-Zinn-Oxid, mikrokristallinem Silicium, polykristallinem Silicium, Niedertemperaturglas und einem Metall, vorzugsweise Molybdän, besteht.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die zweiten Oberflächengebiete des Substrates ein Material beinhalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarzglas, thermisch aufgebrachtem Quarzglas, mittels Plasma abgeschiedenem Siliciumdioxid, thermisch aufgebrachtem Siliciumdioxid, mittels Plasma abgeschiedenem Siliciumnitrid und thermish aufgebrachtem Siliciumnitrid besteht.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Oberflächengebiete des Substrates kristallines Silicium beinhalten und die zweiten Gebiete des Substrates Quarzglas beinhalten und die Depositionszeitzyklen eine Dauer von etwa 4 Sekunden bis etwa 19 Sekunden aufweisen, um eine selektive Deposition von Silicium auf den ersten Oberflächengebieten zu erzeugen.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, das beinhaltet, daß das Substrat einer Wasserstoffplasmavorbehandlung unterworfen wird, um eine Oberfläche desselben zu präparieren und zu reinigen.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, das bei einer Depositionstemperatur von unter 300 ºC, vorzugsweise von ungefähr 250 ºC, durchgeführt wird.