DE69521786T2

DE69521786T2 - Verfahren und Vorrichtung zur plasma-unterstützten zeilenweisen Dampfabscheidung

Info

Publication number: DE69521786T2
Application number: DE69521786T
Authority: DE
Inventors: Gill Fountian; Robert Hendry; Masataka Itoh; Robert J. Markunas; Tatsuo Morita
Original assignee: Sharp Corp; Research Triangle Institute
Current assignee: Sharp Corp; Research Triangle Institute
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2015-08-12
Also published as: EP0725163A3; DE69521786D1; EP0725163A2; EP0725163B1; US5908565A; JPH08279498A

Description

HINTERGRUND

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauteilen wie integrierten Schaltungen (z.B. ICs, LSIs) und Flüssigkristalldisplays mit aktiver Matrix, und insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung und ein Verfahren mit plasmaunterstützter Abscheidung.

2. Einschlägige bekannte Technik und andere Überlegungen

MIS(Metal Insulator Semiconductor)-Bauteile (z.B. Transistoren) für integrierte Schaltungen (Z.B. ICs, LSIs) und für Flüssigkristalldisplays mit aktiver Matrix (nachfolgend als AMLCD bezeichnet) verfügen über eine Metallschicht zum Einstellen einer Spannung, wobei das Metall im Oxid/Isolator ein elektrisches Feld erzeugt, das sich in den Halbleiter hinein erstreckt. Durch Variieren des elektrischen Felds können die Leiteigenschaften des Halbleiters variiert werden.
MIS-Bauteile (z.B. Transistoren) können durch Schichtbildung und anschließendes Bearbeiten dünner Filme wie eines Gateisolierfilms und einer Gateelektrode auf einem Halbleitersubstrat hergestellt werden. Bei vielen bekannten Techniken wird, für ein Halbleiterbauteil unter Verwendung eines Siliciumsubstrats oder eines Flüssigkristalldisplays unter Verwendung eines Quarzsubstrats, Silicium in oxidierendet Atmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr 1000ºC oxidiert, um als Gateisolierfilm einen Film aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;) auszubilden.
In den letzten Jahren wurden Bauteile wie AMLCD-Tafeln dadurch hergestellt, dass ein Film aus polykristallinem Silicium auf einem Glassubstrat hergestellt wurde, und zwar hauptsächlich unter Verwendung von bei Atmosphärendruck arbeitenden Dampfphäsen-Abscheidungsverfahren sowie plasmaunterstützten Dampfphasen-Abscheidungsverfahren. Unglücklicherweise leidet jedes dieser Verfahren unter bestimmten. Nachteilen, zu denen die nachfolgend angegebenen gehören.
Bei Atmosphärendruck arbeitende Dampfphasen-Abscheidungsverfahren können keine ausreichend hohe Temperatur erreichen, mit dem Ergebnis, dass ein Isolierfilm geringer Dichte erhalten wird. Angesichts einer derartig geringen Dichte ist es anschließend erforderlich, den Isolierfilm, nach dem Abscheidungsvorgang, für lange Zeit einem thermischen Temperungsvorgang bei 600ºC zu unterziehen.
Bei plasmaunterstützten Dampfphase-Abscheidungsverfahren kann die Oberfläche eines Halbleitersubstrats, wenn sie dem Plasma ausgesetzt wird, beschädigt oder verunreinigt werden, wie es nachfolgend erläutert wird. Bei den plasmaunterstützten Dampfphase-Abscheidungsverfahren werden Halbleiterbauteile in einem Plasmareaktor hergestellt, in dem aktive Spezies aus einem Plasma mit Materialien an der Waferoberfläche reagieren.
Zur Halbleiterherstellung verwendete herkömmliche Plasmareaktoren sind häufig Parallelplattenreaktoren mit runden Platten. Bei den meisten Parallelplattenreaktoren befindet sich das Plasma ungefähr 2 bis 5 cm über der Oberfläche der Probe, und das Plasma erstreckt sich im Wesentlichen entsprechend der Probenoberfläche. Demgemäß wird, bei herkömmlichen Parallelplattenreaktoren, Gas angeregt, um durch ein plasmaelektrisches Potenzial zersetzt zu werden, und gleichzeitig reagiert das zersetzte Gas mit der Oberfläche des Substrats.
Andere bekannte Plasmareaktoren verfügen über die Form eines im Wesentlichen zylindrischen Rohrs, wobei das Plasma weiter von der Probenoberfläche beabstandet ist. Derartige Reaktoren sind demgemäß als Fernplasma-Reaktoren oder Nachglimmentladungs-Plasmareaktoren bekannt.
Eine dauernde Herausforderung bei der Halbleiterherstellung in Plasmareaktoren stellt die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung über die gesamte Probe dar. Bei einem auf Silan beruhenden Prozess erfordert z.B. eine derartige Gleichmäßigkeit eine gleichmäßige Verteilung von Silan im Reaktor. Um eine gleichmäßige Bearbeitung zu erzielen, ist es wichtig, Energie gleichmäßig in das Plasma zu koppeln.
Für den Einbau in kommerzielle Erzeugnisse sollten Halbleiterbauteile während ihrer Nutzungsdauer eine bestimmte Qualitätsfunktion aufrechterhalten.
Im Fall von z.B. Dünnschichttransistoren (TFTs) ist es wünschenswert, eine konstante Schwellenspannung und eine konstante Verstärkung während der Nutzungsdauer des TFT aufrechtzuerhalten. Jedoch kann die Anwesenheit von Wasserstoff an einer Grenzfläche zwischen dem Isolator und dem Halbleiter das Langzeitbetrieb-Funktionsvermögen eines MIS-Bauteils wie eines TFT gefährden.
Hinsichtlich des Vorstehenden driftet, wenn Bindungen zwischen Silicium und Wasserstoff nahe einer Grenzfläche aufgebrochen werden, der Wasserstoff im Wesentlichen weg, und das, zuvor an ihn gebundene Silicium bildet eine Falle für Elektronen, die vom Halbleiter in die Grenzfläche tunneln, wodurch die Schwellenspannung steigt und sich der Vorwärtsleitwert des TFT ändert.
Während die Anwesenheit von Wasserstoff an einer Grenzfläche als möglicherweise schädlicher Faktor erkannt wurde, minimiert jedoch bekannte Halbleiterprozesse den Einfluss von Wasserstoff nur zufällig. In dieser Hinsicht weisen bekannte Halbleiterprozesse typischerweise hohe Temperaturen auf (über 600ºC bei der TFT-Herstellung für LCDs), was bewirkt, dass Wasserstoff spontan von der Oberfläche desorbiert.
Es besteht der Drang, die MIS-Herstelltechnologie zu verbessern, wie (z. B.) durch die Verwendung weniger teuerer Materialien und das Herstellen von Miss-Bauteilen auf größeren Siliciumwafern. Betreffend Materialien, sind ziemlich teure Quarz-oder Spezialgläser erforderlich, um den hohen Temperaturen standzuhalten. Während es wünschenswert ist, weniger teures Glas, (z.B. üblichere Qualitäten) für Miss-Substrate zu verwenden, muss die Verarbeitungstemperatur deutlich gesenkt werden, um mit derartigen geringeren Qualitäten zurechtzukommen, wobei der Kompromiss zu schließen ist, dass Wasserstoff an der Grenzfläche durch irgendeinen anderen Prozess zu beseitigen ist (da die Temperatur nicht mehr automatisch für eine Desorption von Wasserstoff sorgt).
Plasmareaktive Niedertemperaturvorgänge wurden bisher zur relativ erfolgreichen (z.B. relativ defektfreien) Abscheidung von Isolatoren auf einkristallinem Silicium verwendet. Es ist jedoch wesentlich, dass MIS-Bauteile andererseits polykristalline Oberflächen aufweisen.
Bei einem jüngeren bekannten Pseudo-Niedertemperaturprozess wird weniger teures Glas bei einem Prozess verwendet, bei dem polykristallines Silicium dadurch hergestellt wird, dass amorphes Silicium mit Laserimpulsen bearbeitet wird. Bei einem derartigen Prozess ist die Spitzentemperatur sehr hoch, jedoch ist wegen der gepulsten Art die thermische Gesamtbelastung (die örtliche Belastung) sehr niedrig. Jedoch ist der Herstellvorgang bei einem derartigen Prozess mit einem Laser erheblich kompliziert.
In jüngerer Zeit wurden andere Verfahren zum Herstellen von Dünnfilmen auf einem Halbleitersubstrat vorgeschlagen. Bei einem Verfahren unter Verwendung eines ECR-Plasmas werden Elektronen unter Verwendung eines Zyklotrons in Resonanz gesetzt, um die Dichte des Plasmas selbst bei niedrigem Druck zu erhöhen. Bei diesem ECR-Plasmaverfahren sind eine Plasmakammer und eine Reaktionskammer voneinander getrennt, so dass in der Plasmakammer angeregte Spezies erzeugt werden und das sich ergebende Plasma in die Reaktionskammer gezogen wird (d.h. an die Oberfläche eines Halbleitersubstrats). Ein derartiger Aufbau verhindert, dass die Oberfläche des Halbleitersubstrats dem Plasma ausgesetzt ist, so dass es nicht wahrscheinlich ist, dass sie beschädigt wird, und es können angeregte Spezies mit hoher Dichte erzeugt werden. Unglücklicherweise benötigt ein Verfahren unter Verwendung eines ECR-Plasmas die Eingrenzung des Plasmas durch ein Magnetfeld, was zu Problemen bei der Herstellung gleichmäßig dünner Filme über eine große Fläche führt. '
In IEEE, EDL, Vol. 15, No. 2, Feb. 1994 ist ein anderes Verfahren vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird die durch ein Plasma verursachte Beschädigung der Oberfläche eines Halbleitersubstrats dadurch gelindert, dass zwischen die Elektroden in einer Parallelplattenvorrichtung für plasmaunterstützte Dampfphasenabscheidung zwei andere Elektroden eingefügt werden. Jedoch werden, was problematisch ist, SiH&sub4; und O&sub2;, die zum Herstellen dünner Filme auf dem Substrat verwendet werden, gleichzeitig zersetzt, so dass die Zusammensetzung der Dünnfilme schwierig zu steuern ist und nicht verhindert werden kann, dass Wasserstoff in die Dünnfilme eingemischt wird. Ferner erschwert es dieses Verfahren, Dünnfilme über eine zweidimensionale große Fläche gleichmäßig auszubilden.
Auch dem nicht mit dem vorliegenden Gebiet in Zusammenhang stehenden Gebiet der Herstellung von Bauglas wird Glas in einem Prozess mit reaktivem Sputtern an einer linearen Quelle vorbeigeführt. Jedoch ist reaktives Sputtern kein Prozess mit chemischer Dampfabscheidung, und die Herstelltechnik für Bauglas benötigt darüber hinaus einen rotierenden Magnetronkopf.
Außerdem offenbart das Dokument US-A-4 859 908 eine Plasmabearbeitungsvorrichtung, in der eine langgestreckte, schlitzförmige Öffnung verwendet wird. Da das Plasma nicht entfernt von einer zu bearbeitenden Quelle positioniert ist, wird eine hohe Gleichspannung an ein Paar Elektroden angelegt, was dazu führt, dass das Plasma über der Oberfläche einer der Elektroden des Elektrodenpaars, das die Austrittsöffnung einschließt, vorhanden ist. So ist davon auszugehen, dass das in der Nähe der Austrittsöffnung vorhandene Plasma sehr dicht an der zu behandelnden Oberfläche liegt.
Ferner offenbart das Dokument DE-A-39 23 390 eine Filmbildungsvorrichtung, bei der ein Plasma an einem anderen Ort als dem eines zu behandelnden Substrats erzeugt wird. Jedoch besteht in der Plasmakammer keine Abtrennung des erzeugten Plasmas von einer Auslassöffnung derselben mittels eines Driftbereichs, wobei die Auslassöffnung keine lange, schmale Auslassöffnung ist, die näher an der zu behandelnden Oberfläche als dem erzeugten Plasma positioniert wäre, und das Abpumpsystem hat keine spezielle Konfiguration hinsichtlich der Ausgangsöffnung der. Plasmakammer.

ZUSAMMENFASSUNG

Linienförmige Plasmaquellen und ein reaktiver Prozess werden für Prozesse mit einem polykristallinen Halbleiter konfiguriert, und sie sind speziell zum Bearbeiten großer Substrate geeignet. Während linienförmige Plasmaquellen gemäß der Erfindung bei Hochtemperaturvorgängen verwendbar sind, bieten sie sich auch in vorteilhafter Weise für Niedertemperatur-Behandlungsvorgänge in Bereichen bis herunter von 300ºC bis 350ºC an.
Gemäß der Erfindung ist dieses Problem durch eine Plasmaquelle, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, und ein Verfahren, wie es im Anspruch 9 definiert ist, überwunden. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten abhängigen Ansprüche.
Demgemäß verfügt eine Form einer linienförmigen Plasmaquelle über eine Plasmakammer, die so konfiguriert ist, dass sich Plasma entfernt und entlang einer Kante in Bezug auf eine zu behandelnde Oberfläche aus polykristallinem Silicium befindet, um dadurch ein Beschädigen der Oberfläche zu verhindern. Aktive Spezies verlassen die Plasmakammer durch eine lange, schmale ("linienförmige") Auslassöffnung in der Plasmakammer zu einer Reaktionszone, wo die aktiven Spezies auf der Oberfläche des polykristallinen Siliciums mit einem reaktiven Gas reagieren (um z.B. einen abgeschiedenen Dünnfilm zu bilden). Wasserstoff wird durch eine chemische Verdrängungsreaktion, die durch die Wahl der dominanten aktiven Spezies (Singulett-Delta- Zustand von molekularem Sauerstoff) erleichtert wird, von der Reaktionsoberfläche in der linienförmigen Niedertemperatur-Plasmaquelle entfernt. Reaktionsnebenprodukte, einschließlich Wasserstoff, werden durch ein Abpumpsystem mit langen, schmalen Abpumpeinlassöffnungen, die sich angrenzend an die Auslassöffnung der Plasmakammer parallel zu dieser erstrecken, entfernt. Über die kleinste Abmessung des Plasmas hinweg wird ein ionisierendes elektrisches Feld in das Plasma gekoppelt, was zur gleichmäßigen Erzeugung aktiver Spezies und demgemäß gleichmäßiger Qualität des Dünnfilms führt. Die zu behandelnde Oberfläche aus polykristallinem Silicium wird in Bezug auf die linienförmige Plasmaquelle in einer Richtung rechtwinklig zur Auslassöffnung derselben verschoben, um die Dünnfilmqualität in der Verschiebungsrichtung gleichmäßig zu gestalten.
Bei einer anderen Form laufen die aktiven Spezies durch einen Nichterzeugungsabschnitt einer Plasmakammer zu einer linearen Auslassöffnung, wobei der Nichterzeugungsabschnitt nicht-rechtwinklig zur Waferoberfläche geneigt ist.
Ein Plasmareaktor mit einer Anzahl linienförmiger Plasmaquellen gemäß den offenbarten Ausführungsbeispielen ermöglicht die Abscheidung aufeinanderfolgender Schichten von Dünnfilmen ohne dass das Substrat aus dem Reaktor herausgenommen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden spezielleren Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, wie sie in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, in denen Bezugszahlen in allen verschiedenen Ansichten dieselben Teile bezeichnen, ersichtlich.
Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei vielmehr Nachdruck auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt ist.
Fig. 1 ist eine geschnittene Stirnansicht eines Plasmareaktors mit einer linienförmigen Plasmaquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Plasmakammer der Plasmaquelle der Fig. 1 in Zusammenhang mit einem kartesischen Bezugssystem.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Plasmaquelle der Fig. 1 von rechts.
Fig. 4 ist eine geschnittene Draufsicht der Plasmaquelle der Fig. 1 entlang einer Linie 4-4 in Fig. 1.
Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht eines Plasmareaktors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 6 ist eine geschnittene Stirnansicht eines Teils einer Plasmaquelle, wobei ein erstes Ausführungsbeispiel einer Feldanlegeeinrichtung dargestellt ist.
Fig. 7 ist eine geschnittene Stirnansicht eines Teils einer Plasmaquelle, wobei ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Reaktionsgas-Zuführsystems dargestellt ist.
Fig. 8 ist ein Kurvenbild, das die durch eine optische Messung ermittelte Gleichmäßigkeit des Plasmas zeigt.
Fig. 9 veranschaulicht einen mehrstufigen Plasmareaktor mit mehreren Reaktionsabschnitten.
Fig. 10A und Fig. 10B sind Kurvenbilder, die Ergebnisse von Zuverlässigkeitstests hinsichtlich TFT-Eigenschaften zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ermittelt, dass die Abscheidung eines Films (z.B. eines Dünnfilmisolators) auf einer polykristallinen Oberfläche nicht mit vernünftigem Erfolg ausgeführt werden kann, wenn bekannte Plasmareaktoren und bekannte Prozesse verwendet werden, und demgemäß haben sie neuartige Ausführungsformen linienförmiger Plasmaquellen für einen Plasmareaktor mit zugehörigen Verbesserungen des Reaktionsprozesses entwickelt. Vor dem Erörtern der Konfigurationen der neuartigen Ausführungsformen linienförmiger Plasmaquellen wird nachfolgend ein Kommentar zu Effekten gegeben, wie sie einer derartigen Konfiguration eigen sind.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein polykristalliner Wafer beträchtlich anfälliger für Oberflächenbeschädigungen während Plasmavorgängen (z.B. Dünnfilmabscheidung, z.B. Isolatorabscheidung) als ein Wafer aus einkristallinem Silicium ist. Die Anfälligkeit von polykristallinem Silicium für Oberflächenschäden wird nun aufgrund der atomaren Ausrichtungen und Bindungsbelastungen verstanden. In dieser Hinsicht zeigt polykristallines Material insbesondere an seiner Oberfläche viel Variation (d.h. mehrere Ausrichtungen), wohingegen einkristallines Silicium eine enge Verteilung atomarer Ausrichtungen zeigt (d.h. stark vorhersagbare und im Wesentlichen gleichmäßige Positionen der. Atome). Wichtig ist es, dass sich einige der Atome an der polykristallinen Oberfläche in einem sehr hohen Zustand lokaler Spannungen befinden. Wenn auf derartige bereits verspannte Atome der charakteristische energiereiche Beschuss herkömmlicher Plasmasysteme einwirkt, brechen Bindungen auf und werden zu einem Defekt umgeformt. Die Defekte zeigen sich im Funktionsvermögen der Halbleiterbauteile. Angesichts der Erkenntnis, dass polykristallines Silicium zu Oberflächenschäden neigt, dachten die Erfinder daran, das Plasma (mit seinen Spezies mit hoher kinetischer Energie) unter Verwendung einer Konfiguration mit entferntem Plasma vom polykristallinen Silicium wegzubewegen.
Darüber hinaus existieren, im Gegensatz zu hydrophoben einkristallinen Siliciumwafern, polykristalline Siliciumflächen (z.B. für TFTs) auf hydrophilen Glassubstraten, auf denen in einem Reaktor typischerweise beträchtliches an Wasser adsorbiert ist. Angesichts des Vorhandenseins von Wasser (und demgemäß von Wasserstoff) und möglichen daraus resultierenden Defekten muss das Wasser/der Wasserstoff entfernt werden. Bei einem Niedertemperaturprozess steht die herkömmliche Desorption von Wasserstoff durch hohe Temperaturen nicht zur Verfügung, mit dem Ergebnis, dass eine andere Technik zum Beseitigen von Wasserstoff verwendet werden muss.

KONFIGURATION: REAKTOR DES ERSTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS MIT LINIENFÖRMIGER PLASMAQUELLE

In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein Halbleiterwafer 20 mit zu behandelnder Oberfläche 20S in einer Transportrichtung (durch einen Pfeil 22 dargestellt) relativ zu einem Ausführungsbeispiel einer Plasmaquelle 24 in einem erfindungsgemäßen Plasmareaktor 25 transportiert wird. So wie hier verwendet, bedeutet der Begriff "Behandlung" einer Oberfläche einen oder mehrere der folgenden Vorgänge: Reinigen; Ätzen, Direktoxidation, Abscheidung (z. B. von Oxiden oder Nitriden) einer Fläche/auf einer Fläche, wie Abscheidung einer Dünnfilmschicht, z.B. einer Oxid(z.B. Gateoxid)schicht. Die Plasmaquelle 24 verfügt über eine Plasmakammer 30. Die Plasmakammer 30 enthält Wände zum Bilden eines im Wesentlichen langgestreckten, schmalen rechteckigen Volumens. Wie es weiter unter zusätzlicher Bezugnahme auf Fig. 2 erkennbar ist, verfügt die Plasmakammer 30 über Kammerseitenwände 345L und 34SR, Kammerstirnwände 34E und eine Kammeroberwand 34T. Eine Seite der Plasmakammer 30, die der Kammeroberwand 34T gegenübersteht, ist offen, um eine Kammerauslassöffnung 36 zu bilden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kammerauslassöffnung 36 in einer Ebene parallel zur Waferoberseite 20S ausgebildet. Die Wände der Plasmakammer 30 bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, der Verstärkungsrippen aufweisen kann, und sie können, z.B. zu Wartungszwecken, eine herausnehmbare Auskleidung aufweisen.
Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Plasmakammer 30 mit einer Vakuumpumpe 38 verbunden, die in ihr ein Vakuum erzeugt. Zusätzlich dazu, dass die Wände der Plasmakammer 30 eine Vakuumglocke bilden, sorgen sie auch für das elektrische Massepotenzial:
In Fig. 2 ist die Plasmakammer 30 in Bezug auf ein kartesisches Bezugssystem mit Achsen X, Y und Z ausgerichtet. Beim kartesischen System der Fig. 2 liegt die Waferoberseite 205 in einer Ebene parallel zur XZ-Ebene, wobei die Transportrichtung 22 des Wafers in der Richtung +X zeigt. Die Z-Richtung dient hier als Bezug für die Querrichtung; die Y-Richtung verläuft rechtwinklig zur Waferoberfläche 205.
Wie es ferner aus Fig. 2 erkennbar ist, verfügt die Plasmakammer 30 über eine Innenlänge L1 entlang der Z-Achse (d.h. in der Querrichtung); eine Innenlänge L2 entlang der X- oder Transportrichtung; und eine Innenlänge L3 entlang der Y-Richtung. In ähnlicher Weise verfügt die Kammerauslassöffnung 36 über die Länge L1 entlang der Z-Achse (d.h. in der Querrichtung) und die Länge L2 entlang der X- oder Transportrichtung. Das Seitenverhältnis der Länge L zur Länge L3 liegt im Bereich von 1 : 3 bis 1 : 10, wobei die Längen L2 und L3 beim dargestellten Ausführungsbeispiel 10,16 cm (4 Zoll) bzw. 91,44 cm (36 Zoll) sind. Die Länge L1 kann z.B. den Wert 191,92 cm (48 Zoll) aufweisen.
Wie es in Fig. 2. dargestellt ist, überschreitet die längs der Abmessung L1 der Auslassöffnung 36 eine Länge SL (die Länge SL ist die Erstreckung der zu behandelnden Oberfläche in der Querrichtung des Wafers). Insbesondere gilt L1 = SL + 2E, wobei E (dieser Wert ist als Querkantentoleranz bekannt) vorzugsweise 6,35 cm (2,5 Zoll) beträgt.
Angesichts des Seitenverhältnisses der Kammerauslassöffnung 36 der Z-Richtung, und speziell der schmalen langgestreckten Form der Auslassöffnung 36, wird die Plasmaquelle 24 hier als "linienförmige" oder "lineare" Quelle bezeichnet. Die "Linie" der Plasmaquelle 24 erstreckt sich in der Querrichtung (d.h. in der Z-Richtung).
Im Inneren ist die Plasmakammer 30 funktionsmäßig in einen Plasmabereich 40 und einen Driftbereich 42 unterteilt. Der Plasmabereich- 40 enthält ein Volumen 44 strahlender Spezies, das ein Plasma 45 (in dem aktive Spezies erzeugt werden) und eine Nachglimmentladung 46 (in der strahlende aktive Spezies, die einen Zerfall erleiden, transportiert werden). Der Driftbereich 42 ist ein Teil der Plasmakammer 30 zwischen dem strahlenden Volumen 44 und der Auslassöffnung 36, durch die nichtstrahlende aktive Spezies laufen. Der Driftbereich 42 dient zum Ausfiltern nicht ausgewählter aktiver Spezies (z.B. kurzlebiger aktiver Spezies) und zum Schaffen einer Gelegenheit für Zusammenstöße hoch-kinetischer aktiver Spezies, um dadurch eine Beschädigung der Waferoberfläche 20S zu verhindern. Außerdem unterstützt der Driftbereich 42 mit dem in ihm vorhandenen Fluss eine Verringerung des Rückflusses von reaktivem Gas zum Plasma 45.
Im Plasmabereich 40 sind die Kammerseitenwände 345L und 345R mit einander gegenüberstehenden dielektrischen Quarzfenstern 48 versehen. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, verfügt die Plasmaquelle 24 ferner über eine Anlegeeinrichtung 50 für ein elektrisches Feld. Die Feldanlegeeinrichtung 50 ist außerhalb der Plasmakammer 30 positioniert, um durch das Plasma 45 (im Plasmabereich 40) ein elektrisches Feld in der X-Richtung in der Nähe der Quarzfenster 48 einzukoppeln. Die Feldanlegeeinrichtung 50 erstreckt sich ungefähr entlang der oberen Hälfte der Plasmakammer 30 in der Y-Richtung. Die Feldanlegeeinrichtung 50 ist in eine Abschirmung 52 eingeschlossen. Abweichende Ausführungsbeispiele der Feldanlegeeinrichtung 50 werden nachfolgend beschrieben.
Die Plasmaquelle 24 enthält ein Zuführsystem 60 zum Liefern eines anregbaren Gases, das als angeregtes Gas verwendet wird (sh. Fig. 3). Mit einem Eingang eines Masseflussreglers 54 ist eine Quelle 52 erregbaren Gases verbunden, wobei der Ausgang des Masseflussreglers 54 mittels einer Leitung 58 (über ein Ventil 56) mit einem Auslassverteiler 60 für anregbares Gas verbunden ist. Der Auslassverteiler 60 für anregbares Gas ist an der Oberwand 34T der Plasmakammer positioniert, und er erstreckt sich entlang der Z-Richtung. Anregbares Gas wird mittels Öffnungen 62, die an der Unterseite des Auslassverteilers 60 für anregbares Gas vorhanden sind, in die Plasmakammer 30 eingeleitet.
Die Plasmaquelle 24 verfügt auch über ein Reaktionsgas-Zuführsystem 88 (sh. Fig. 3). Dieses Reaktionsgas-Zuführsystem verfügt über einen Reaktionsgas- Auslassverteiler 90, der sich durch den Driftbereich 42 der Plasmakammer 30 erstreckt. Die Hauptachse des Reaktionsgas-Auslassverteilers 90 erstreckt sich in der Querrichtung (d.h. parallel zur Z-Achse). Der Reaktionsgas- Auslassverteiler 90 verfügt über Öffnungen 91, die in Umfangsrichtung um die unteren 180 Grad desselben positioniert sind. Wie es ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist, kommuniziert der Reaktionsgas-Auslassverteiler 90 durch die Plasmakammer-Stirnwände 34E hindurch mit Silanleitungen 92, die ihrerseits (mittels eines Ventils 93) mit einem Auslass des Masseflussreglers 54 verbunden sind. Der Eingang des Masseflussreglers 94 ist mit einer Quelle 96 für Reaktionsgas verbunden.
Zusätzlich zur Plasmaquelle 24 verfügt der Plasmareaktor 25 auch über ein Abpumpsystem 100. Das Abpumpsystem 100 verfügt über eine Abpumpberuhigungskammer 102 mit zwei Abpumpberuhigungskammer-Abschnitten 102L, 102R. Die Beruhigungskammer 102 besteht aus Beruhigungskammerwänden, zu denen Beruhigungskammer-Außenwände 103L und 103R gehören. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, stößt der Abpumpberuhigungskammer-Abschnitt 102L an einen unteren Teil der Plasmakammer-Seitenwand 34SL, während der Abpumpberuhigungskammer-Abschnitt 102R an den unteren Teil der Plasmakammer-Seitenwand 34SR anstößt. So ist der untere Teil der Plasmakammer 30, einschließlich des Driftbereichs 42, durch die Abpumpberühigungskammer-Abschnitte 102L und 102R eingebettet. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, sind im zugehörigen vorderen und hinteren Teil die Abpumpberuhigungskammer-Abschnitte 102L und 102R angeschlossen, um Abpumpverteiler 104 zu bilden. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, sind Abpumpverteiler 104 um die Plasmakammer-Stirnwände 34E geführt, und sie kommunizieren mit ersten Enden jeweiliger Abpumpleitungen 106. Im Verlauf jeder Abpumpleitung 106 ist ein Schmetterlingsventil 107 vorhanden, das mit einer Vakuumpumpe 108 verbunden ist. Das Schmetterlingsventil 107 wird durch einen nicht dargestellten Druckregler gesteuert, der auf herkömmliche Weise mit einem Druckwandler (z.B. einem kapazitiven Manometer) in der Plasmakammer 30 verbunden ist, um die Vakuum-Pumpgeschwindigkeit zu steuern.
An ihren unteren Enden verfügen die Beruhigungskammer-Außenwände 103L, 103R über schräg nach unten stehende Führungswände 112L, 112R, die jeweils an ihnen befestigt sind. Zwischen jeder Führungswand 112 und der Plasmakammer- Auslassöffnung 36 ist eine Abpumpeinlassöffnung 114 vorhanden. Dabei ist die Abpumpeinlassöffnung 114L zwischen der Führungswand 112L und der Plasmakammer-Auslassöffnung 36 ausgebildet; und die Abpumpeinlassöffnung 114R ist zwischen der Führungswand 112R und der Plasmakammer-Auslassöffnung 36 ausgebildet. D.h., dass sich die Plasmakammer-Auslassöffnung 36 zwischen der ersten und zweiten Abpumpeinlässöffnung (d.h. zwischen den Öffnungen 114L und 114R) befindet. Wie es beispielhaft in Fig. 4 dargestellt ist, sind die Plasmakammer-Auslassöffnung 36 und die Abpumpeinlassöffnungen 114 lange, schmale Öffnungen, deren Hauptabmessung sich in der Querrichtung (d. h. der Z-Achse) erstreckt. Die Abpumpöffnungen 114 erstrecken sich angrenzend an die Plasmakammer-Auslassöffnung 36 in der Plasmakammer, parallel zu dieser. Der Raum über der Waferoberfläche 205, jedoch unter der Plasmakammer-Auslassöffnung 36 und zwischen den Führungswänden 112L, 112R wird als Abscheidungszone oder Reaktionszone W bezeichnet. Es ist erwünscht, dass zwischen den Führungswänden 112R, 112L in Bezug auf die Waferoberfläche 20S ein minimaler Abstand besteht, um dadurch ein Auslecken und Infiltrieren zu minimieren.
Wie es ferner in Fig. 1 dargestellt ist, verfügt der Plasmareaktor 25 über ein Transportsystem mit einem Förderer 120. Ein Wafer 20 wird durch Förderer 120 in der Richtung 22 transportiert. Der Förderer T20 kann von jedem geeigneten Typ sein, einschließlich einem Förderer, auf dem der Wafer 20 sitzt, oder einem Förderer, der in im Wafer 20 ausgebildete Öffnungen eingreift.
Wenn der Wafer 20 an der Plasmakammer-Auslassöffnung 36 vorbeitransportiert wird, wird durch ein Heizsystem 130 ein Heizvorgang ausgeführt. Das Heizsystem 130 verfügt, bei einem Ausführungsbeispiel, über einen heißen Strahlungsblock (mit z.B. eingebetteten Heizelementen), wie er in der Technik gut bekannt ist. Das Heizsystem 130 heizt den Wafer 20 auf eine Temperatur unter 600ºC auf, falls erwünscht sogar so tief, wie es dem Bereich von 300ºC bis 350ºC entspricht. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Heizsystem 130 in der Richtung 22 unter der Kammerauslassöffnung 36 so bewegt, dass es den Wafer 20 begleitet.
Es ist zu beachten, dass an einem oder mehreren der vorstehenden Systeme verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden können. Z.B. können das Reaktionsgas-Zuführsystem und das Abpumpsystem in solcher Weise umgestaltet werden, dass das Reaktionsgas durch Öffnungen 91' auf die in Fig. 7 dargestellte Weise an einander gegenüberstehenden Plasmakammer-Seitenwänden 34SL, 34RL eingeleitet wird. Das Reaktionsgas wird den Öffnungen 91' über Leitungen 92' zugeführt.
In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Feldanlegeeinrichtung 50 dargestellt. Die Feldanlegeeinrichtung 50 gemäß Fig. 6 verfügt über zwei Streifenleitungsresonatoren 300L und 300R; Oszillatorröhre-Baugruppen 310L und 310R; Abstimmschraubenanordnungen 320L und 320R; und eine HF-Quelle 322. Die Streifenleitungsresonatoren 300L und 300R erstrecken sich über die gesamte Länge L1 der Plasmakammer 30 in der Z-Richtung. An Intervallen in der Z-Richtung ist mit jedem Resonator 300L, 300R eine der jeweiligen Oszillatorröhre-Baugruppen 310L, 310R gekoppelt. Die Oszillatorröhre-Baugruppen 310L, 310R sind ihrerseits mit der HF-Quelle 322 verbunden. Z.B. können vier Oszillatorröhre-Baugruppen 310L, B10R in der Z-Richtung voneinander beabstandet vorhanden sein. Die Abstimmschraubenanordnungen- 320L, 320R werden dazu verwendet, Kapazitäten zum Einstellen des eingekoppelten elektrischen Felds einzustellen.
Bei einigen Betriebsarten wird die HF-Quelle 322 mit 13,56 MHz betrieben. Bei einer derartigen niedrigen Frequenz müssen die Resonatoren 300L, 300R in der Y-Richtung geeignet lang sein. Bei höherfrequenten Modi, wie 100 MHz, ist die Erstreckung der Resonatoren 300L, 300R in der Y-Richtung relativ kürzer.
In vorteilhafter Weise kann beim Betreiben der HF-Quelle 322 in einem höherfrequenten Modus in der Größenordnung von 100 MHz die Spannung gesenkt werden, und es kann auch die Reaktionsrate, und demgemäß die Durchsatzrate für Wafer 20 erhöht werden. Wenn z.B. von 13,56 MHz auf 100 MHz erhöht wird, kann die Abscheidungsrate von 20 · 10&supmin;¹&sup0; m (20 Angström) pro Minute auf 84 · 10&supmin;¹&sup0; m (84 Angström) pro Minute erhöht werden. Im Gegensatz zu bekannten Reaktoren, bei denen hochfrequenter Betrieb zu deutlichen Problemen führte, erleichtern die Geometrie und die Betriebsparameter der linienförmigen Quelle 24 einen erfolgreichen Hochfrequenzbetrieb.
Die Betriebsfrequenz der HF-Quelle 322 kann so eingestellt werden, dass eine vorbestimmte günstige Zahl für die Behandlung erzielt wird, wie zur Abscheidung einer gewünschten Qualität der Schicht. Die günstige Zahl wird dadurch erhalten, dass die Spannung über den Driftbereich durch eine Anzahl mittlerer freier Weglängen geteilt wird. So wie hier verwendet, ist die mittlere freie Weglänge der mittlere Abstand zwischen Kollisionen.
Beim üblichen Betrieb wird das anregbare Gas von der Quelle 52 mit konstanter Strömungsrate (mittels des Masseflussreglers 54 und der Leitung 58) zur Plasmakammer 30 geliefert. In der Plasmakammer 30 wird das anregbare Gas durch die Feldanlegeeinrichtung 50 angeregt, wodurch im Plasmabereich 40 ein Plasma 45 erzeugt wird. Das so erzeugte Plasma enthält eine Anzahl von Arten anregbarer Spezies (Sauerstoffatome (O*), Sauerstoffmoleküle (O&sub2;*), Sauerstoffionen (O+, O²&spplus;), Argonionen (Ar&spplus;) und dergleichen in hochenergetischem Zustand).
Während die in den angeregten Spezies enthaltenen Ionen zur Reaktionszone W laufen, werden die meisten derselben neutralisiert, thermisch moderiert oder deaktiviert (z.B. durch Zusammenstoß mit den Wänden der Plasmakammer 30). Im Ergebnis ist der Singulett-Delta-Zustand molekularen Sauerstoffs die dominante aktive Spezies, die zum Driftbereich 42 läuft, wo eine Vermischung mit dem Reaktionsgas erfolgt, das durch die Öffnungen 91 im Reaktionsgas-Auslassverteiler 90 eingeleitet wurde. Dann tritt das Mischgas durch die Kammerauslassöffnung 36 aus, wobei es in der Nähe der Reaktionszone W eine Dampfphasenreaktion anmit der Waferoberfläche 205 erfährt. Während der Wafer 20 behandelt wird (z.B. einer Reaktion unterzogen wird), wird er durch das Heizsystem 130 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Abhängig von Parametern, zu denen die Art der verwendeten Gase gehört, führt die Dampfphasenreaktion entweder zu einer Reinigung, einem Ätzen, einer Oxidation oder einer Abscheidung (z.B. eines Dünnfilms) in Bezug, auf die Waferoberfläche 205. Nach der Reaktion werden Abgas und Gas, das nicht reagiert hat, durch das Abpumpsystem 100, insbesondere durch die Vakuumpumpe 108 entfernt, die mittels der Leitung 106, des Ventils 107, der Beruhigungskammer 102 und der Abpumpeinlassöffnungen 104 wirkt.
Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, weist das Volumen 44 der strahlenden Spezies entlang der Z-Achse die Projektionslänge Pz, entlang der. Y-Achse die Projektionslänge Py und entlang der X-Achse die Projektionslänge Px auf. Die Länge Px ist deutlich kürzer als die Längen Py und Pz, wobei das Verhältnis Px : Py im Bereich von ungefähr 1 : 3 bis 1 : 10 liegt. Die Länge Pz und die Länge Py der Kammerauslassöffnung 36 können abhängig von Versuchsergebnissen variiert oder eingestellt werden, um eine gewünschte Behandlung auf einem Wafer auszuführen.
Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel beträgt Px vorzugsweise 10,16 cm (4 Zoll). Die Länge Py ist eine Funktion zahlreicher Faktoren, einschließlich des Drucks in der Plasmakammer 30 und der Strömungsrate von anregbarem Gas. Darüber hinaus kann die Länge Py vom speziellen gerade realisierten Vorgang (Behandlungsvorgang) abhängen. Z.B. kann sich das Volumen 44 für eine Reinigungsbehandlung im Wesentlichen über die volle Länge der Kammer 30 entlang der Y-Achse erstrecken. Die. Länge Px und die Länge Py der Kammerauslassöffnung 36 können abhängig von Versuchsergebnissen so variiert oder eingestellt werden, dass auf einem Wafer eine gewünschte Behandlung ausgeführt wird.
Da die kürzeste Abmessung des Plasmas 45 auf die Waferoberfläche 20S projiziert wird, wird gesagt, dass das Plasma 45 mit einer Ausrichtung "entlang einer Kante" in Bezug auf die Waferoberfläche 205 liegt. Darüber hinaus wird angesichts der Verhältnisse Px : Py und Px : Pz gesagt, dass das Plasma 45 ein "flaches" Plasmavolumen ist.
Darüber hinaus ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, das strahlende Volumen 44 um einen Abstand D entlang der Y-Achse von der Waferoberfläche 205 getrennt. Außer für Reinigungsbehandlungen beträgt der Abstand D typischerweise und vorzugsweise zwischen 6 und 12 mittleren freien Weglängen, und er liegt in der Größenordnung von ungefähr 50,8 cm (20 Zoll). Angesichts eines derartigen typischen Abstands liegt das Plasma 45 entfernt von der Waferoberfläche 205, und demgemäß wird der Plasmareaktor 25 als entfernter Reaktor bezeichnet.

REAKTOR DES ZWEITEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS MIT LINIENFÖRMIGER PLASMAQUELLE.

Fig. 5 zeigt einen Plasmareaktor 25' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 5 tragen Reaktorelemente, die solchen des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 ähnlich sind, ähnliche Bezugszahlen (die jedoch mit Apostrophen versehen sind). Einige Merkmale des Reaktors 25', wie sein Abpumpsystem, sind nicht speziell dargestellt, gehen jedoch aus Analogie mit dem Reaktor 25 der Fig. 1 hervor.
Wie es aus Fig. 5 erkennbar ist, ist im Reaktor 25' der Wafer 20' mit umgekehrter Ausrichtung positioniert (z.B. wird der Wafer 20' mit der Oberseite nach unten an der Reaktionszone W' vorbeigeführt). Der Reaktor 25' verfügt über eine linienförmige Plasmaquelle 24' mit einer Plasmakammer 530, die einen langgestreckten, rechteckigen Plasmaerzeugungsabschnitt 532 und einen Nichterzeugungsabschnitt 534 aufweist. Sowohl der Plasmaerzeugungsabschnitt 532 als auch der Nichterzeugungsabschnitt 534 erstrecken sich erheblich entlang der Z-Richtung (d.h. in einer Richtung rechtwinklig zur Ebene der Fig. 5).
Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, ist um den Plasmaerzeugungsabschnitt 532 eine elektrische Wicklung oder Spule 540 geführt, die mit einer HF-Quelle 542 verbunden ist. Bei einer Betriebsart mit hoher Leistung liefert die Spule 540 zusätzlich eine Magnetfeldkomponente.
Der Nichterzeugungsabschnitt 534 ist unter einem Winkel zur Z-Achse (d. h. zur Oberfläche 205' des Wafers 20') geneigt, und er verfügt über eine Kammerauslassöffnung 36'. Angesichts der relativ größeren Länge der Kammerauslassöffnung 36' in der Z-Richtung im Vergleich zur X-Richtung wird die Plasmakammer-Auslassöffnung 36' (wie die Öffnung 36 beim Reaktor 25) als im. Wesentlichen lineare Öffnung angesehen.
Das Abpumpsystem 100' verfügt über eine mit einer Vakuumpumpe 108' verbundene Abpumpberuhigungskammer 102'. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, ist die Beruhigungskammer 102' im Querschnitt im Wesentlichen viereckig (z.B. quadratisch), wobei sich eine Abpumpeinlassöffnung 114' in einem Eck derselben benachbart zur Plasmakammer-Auslassöffnung 36' erstreckt (in der Z-Richtung).

BETRIEB

Bei den erfindungsgemäßen linienförmigen Plasmaquellen 24 und 24' wird im Plasmabereich 40 nur das Gas, das, angeregt werden muss, tatsächlich angeregt, bei minimaler direkter Anregung des Reaktionsgases (der Reaktionsgase). Der so hergestellte Dünnfilm ist hinsichtlich seiner Zusammensetzung sehr stabil, und er weist hohe Dichte auf.
Die gesonderte oder entfernte Positionierung des Plasmas 45 in Bezug auf die Reaktionszone W und die Waferoberfläche 20S ermöglicht es, dass Ionen oder dergleichen mit hoher Energie (z.B. Ionen mit hoher kinetischer Energie) neutralisiert und/oder thermisch modifiziert werden, bevor sie die Zone W und die Waferoberfläche 20S erreichen, um dadurch eine Beschädigung der Waferoberfläche 20S zu verhindern.
Die linienförmigen Plasmaquellen 24 und 24' arbeiten mit einem Niedertemperaturprozess (bei z.B. weniger als 600ºC, und sogar so tief, wie es dem Bereich von 300ºC bis 350ºC entspricht), mit dem Ergebnis, dass Wasserstoff an der Oberfläche der Probe 22 nicht automatisch desorbiert wird (wie dies bei Hochtemperatur-Plasmareaktoren auftritt). Vielmehr wird bei der Erfindung Wasserstoff an der Oberfläche der Probe 22 durch eine Verdrängungsreaktion entfernt, die durch die Auswahl des Singulett-Delta-Zustands von molekularem Sauerstoff als dominante aktive Spezies erleichtert ist. Demgemäß bedeutet eine hier erfolgende Bezugnahme auf "dominante, aktive Spezies den Singulett-Delta-Zustand von molekularem Sauerstoff, der ein metastabiler Zustand ist.
In vorteilhafter Weise verliert die ausgewählte dominante Spezies bei Zusammenstößen mit der Wand der Plasmakammer 30 ihre Anregung nicht, und sie verliert sie auch nicht bei Zusammenstößen in der Gasphase. So überlebt die ausgewählte Spezies den Übergang vom Plasmabereich an die Oberfläche der Probe 22. Ein derartiges Überlebensvermögen ist wichtig, da sich der Plasmabereich entfernt von der Probe 22 befindet, um einen kinetischen Beschuss der Probenoberfläche 22S und damit einhergehende Oberflächendefekte zu vermeiden, wie oben angegeben.
Eine Form der durch die linienförmigen Plasmaquellen 24 und 24' erleichterten Verdrängungsreaktion ist die Folgende:
Si-OH + SiH&sub4; → H&sub2; + Si-O-SiH&sub3;.
Als Erstes reagiert aktiver Sauerstoff von der entfernten Quelle. 24 oder 24' mit Si-H, um Si-OH zu bilden. Dann entfernt, während Silicium an der Probenoberfläche 22S an eine OH-Gruppe gebunden ist, zugeführtes Silan SiH&sub4; die Wasserstoffbindung vom Sauerstoff, so dass der Sauerstoff zwei Siliciumatome überbrückt. Dann wird das äußerste Siliciumatom hydriert, wobei die Wasserstoffbindung den nächsten Oxidationspunkt bildet, auf den eine Verdrängung folgt, um dadurch Wasserstoff von der Oberfläche zu vertreiben.
Obwohl der vorstehende Betrieb und die Verdrängungsreaktion hinsichtlich Monosilan veranschaulicht wurden, ist es für den Fachmann erkennbar, dass auch Disilan in vorteilhafter Weise verwendet werden kann, wobei proportional weniger Wasserstoff eingeleitet wird.
Während die Verdrängungsreaktion in vorteilhafter Weise Wasserstoff von der Oberfläche entfernt, könnte freier Wasserstoff, der als Nebenprodukt des Prozesses verbleibt, möglicherweise zu unerwünschten Komplikationen führen. Genauer- gesagt, könnte, wenn Wasserstoff (entweder in der Form von freiem Wasserstoff, OH oder Wasser) in das Plasma gelangen würde, der Wasserstoff durch das Plasma aktiviert werden. Einige der Aktivierungsreaktionen für Wasserstoff erzeugen heißen Wasserstoff.
Heißer Wasserstoff ist ein Wasserstoffatom mit sehr hoher Geschwindigkeit. Während heißer Wasserstoff, der bei einem Hochtemperaturprozess mit einer Probenoberfläche reagiert, desorbiert wird, weist der heiße Wasserstoff bei einem Niedertemperaturprozess (wie dem gemäß der Erfindung) ausreichend überschüssige Energie auf, um unter das erste Paar von Schichten von Oberflächenatomen einzudringen. Da heißer Wasserstoff einen kleinen Streuquerschnitt aufweist, kann er unter die Oberfläche eindringen und dann einen Zusammenstoß mit dem Gitter erleiden. Beim Zusammenstoß kann der heiße Wasserstoff mit einer aufgebauten Silicium-Sauerstoff-Bindung reagieren, was zu SiOH und einer ungepaarten Bindung von Silicium führt. Während man sich auf die o.g. Verdrängungsreaktion stützen kann, um Wasserstoff an der Probenoberfläche zu entfernen, wirkt die Verdrängungsreaktion nicht nennenswert unter der Oberfläche, und sie kann der Wirkung von heißem Wasserstoff nicht entgegenwirken.
In vorteilhafter Weise vermeiden die erfindungsgemäßen linienförmigen Quellen 24 und 24' Komplikationen durch Nebenprodukte, wie die beschriebenen durch heißen Wasserstoff, indem Abpumpsysteme in enger Nachbarschaft der Reaktionszonen W, W' und der Plasmakammer-Auslassöffnungen 36, 36' angebracht sind. Die lineare Abmessung sowohl der Plasmakammet-Auslassöffnungen als auch der Abpumpeinlassöffnungen sorgen für ein eindimensionales Strömungsfeld, das eine Kontrolle sowohl der Reaktionsstoffverteilung innen als auch von Prozessnebenprodukten außen auf eine Weise erlaubt, die relativ unempfindlich von der Probengröße ist.
Die Tatsache, dass sich die Plasmakammer 30 in der Z-Richtung über einen Abstand E weiter als der Wafer 20 erstreckt (sh. Fig. 4), vermeidet alle Grenzbedingungen an den Reaktorstirnwänden 34E. Da die Stirnwände 34E relativ weit entfernt vom Volumen des Funktionsplasmas 45 sind, erstrecken sich Grenzeffekte nur minimal in die Plasmakammer 30, jedoch nicht in solchem Ausmaß, dass die Reaktion in Bezug auf den Wafer 20 beeinflusst wird, um dadurch Ungleichmäßigkeiten der Reaktion zu minimieren.
Durch Erzeugen eines im Wesentlichen flachen Volumens des Plasmas 45 erzielen die erfindungsgemäßen linienförmigen Quellen eine gleichmäßige Verteilung angeregter Spezies, was die Reaktionsergebnisse (z.B. die Qualität des abgeschiedenen Materials) verbessert. So vermeidet die Erfindung Probleme großer Plasmavolumina beim Stand der Technik, in denen eine Erzeugung aktiver Spezies hauptsächlich an den Rändern des Volumens und nicht im Zentrum desselben auftritt.

BETRIEB: BEISPIEL

Bei einem Nutzungsbeispiel der linienförmigen Plasmaquelle 24 wird Siliciumdioxid (SiO&sub2;) auf einer von einem Glassubstrat getragenen Oberfläche 20S aus polykristallinem Silicium abgeschieden. Als anregbares Gas wird ein Gemisch von Sauerstoff und Argon verwendet, z.B. 20% Sauerstoff in Argon, das mit einer Strömungsrate von 300 l/min. (sccm (standard cubic centimeters per minute)) zugeführt wird. Als Reaktionsgas wird ein Gemisch von Silan (SiH&sub4;) und Stickstoff verwendet, z.B. 2% Silan in Stickstoff, das mit einer Rate von 300 l/min. (sccm) zugeführt wird. Der Plasmareaktor 20 wird unter einem Druck von 13,33 Pa (100 mTorr) bis 133,32 Pa (1 Torr) gehalten, und er wird mit HF-Energie von 200 W bei einer Frequenz von 13,56 MHz versorgt. Das Heizsystem 130 heizt den Wafer 20 auf eine Temperatur unter 600ºF auf.
Fig. 8 zeigt die Gleichmäßigkeit des in einem Reaktor wie dem Reaktor 25' erhaltenen Plasmas. Die Gleichmäßigkeit des Plasmas wird durch optische Messung ermittelt. Wie es aus Fig. 8 erkennbar ist, wird eine Gleichmäßigkeit des Plasmas innerhalb von + 5% in Bezug auf eine Länge von. 58,42 cm (23 Zoll) eines Dünnfilms erzielt.
Es ist zu beachten, dass ändere anregbare Gase und Reaktionsgase verwendet werden können. Z.B. kann zum Herstellen von SiO&sub2; reiner Sauerstoff oder in Helium verdünnter Sauerstoff alternativ als anregbares Gas verwendet werden, und in Helium verdünntes Silan könnte alternativ als Reaktionsgas verwendet, werden.
Darüber hinaus ist zu beachten, dass die linienförmigen Plasmaquellen 24 und 24' zur Herstellung von anderen Filmen als solchen aus SiO&sub2; verwendet werden können, wie für einen Dünnfilm aus Si&sub3;N&sub4; (wobei N&sub2;/Ar, NH&sub4; oder dergleichen als anregbares Gas verwendet werden kann).
Fig. 10A zeigt Ergebnisse für den Fall, dass ein SiO&sub2;-Film eines TFT unter Bedingungen hergestellt wird, bei denen die o.g. Verdrängungsreaktion unzureichend ist und der SiO&sub2;-Film OH-Gruppen enthält. Dies, da die Trennung oder die entfernte Position des Plasmas in Bezug auf die Reaktionszone, unzureichend ist (d.h. das Plasma ist zu dicht positioniert) und SiH&sub4;-Gas durch eine Störung der Plasmaquelle zersetzt wird, wenn SiH&sub4; nicht ausreichend in die Kammer geliefert wird. Wie es aus Fig. 10A erkennbar ist, ist der Drainstrom verschoben, nachdem ein Belastungszustand durchlaufen wurde.
Fig. 10B zeigt, im Gegensatz dazu, ein Ergebnis, bei dem ein SiO&sub2;-Film unter der Bedingung hergestellt wird, dass die Trennung oder die entfernte Position des Plasmas von einer Reaktionszone ausreichend ist und die o.g. Verdrängungsreaktion ausreichend ist. Wie es aus Fig. 10B erkennbar ist, ist der Drainstrom nur vernachlässigbar verschoben, nachdem ein Belastungszustand durchlaufen wurde.

KONFIGURATION: REAKTOR MIT MEHREREN QUELLEN

Fig. 9 zeigt einen Reaktor 400 mit einer Eingabe-Ladeschleuse 402 und einer Entnahme-Ladeschleuse 404. Der Reaktor 400 verfügt über mehrere Reaktionsfenster W&sub1;, W&sub2;, ... WN. Ein Wafer 20 wird in vorteilhafter Weise in einer Richtung 22 bewegt, ohne dass er zwischen aufeinanderfolgenden Behändlungsschritten dem Reaktor 400 entnommen wird. Wenn z.B. ein ONO-Film (z.B. ein SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2;-Mehrschichtfilm) hergestellt wird, wird im erste n Filmbildungsabschnitt des Reaktors 400, der die Zone W&sub1; enthält, O&sub2; als angeregtes Gas verwendet; NH&sub4; wird als angeregtes Gas im zweiten Filmbildungsabschnitt des Reaktors 400, der die Zone W&sub2; enthält, verwendet; und O&sub2; wird als angeregtes Gas in einem dritten Filmbildungsabschnitt des Reaktors 400, der die Zone W&sub3; enthält, verwendet. Durch Bewegen des Wafers 20 entlang diesem ersten, zweiten und dritten Abschnitt des Reaktors 400 kann ein zufriedenstellender ONO-Film erhalten werden.
Hinsichtlich eines anderen Nutzungsbeispiels des Reaktors 400 ist zu beachten, dass mehrere Abschnitte dieselbe Behandlung ausführen können, was zu einem schnelleren Verschieben von Wafern und einem höheren Durchsatz führt. Darüber hinaus ist der Reaktor 400 zur Anpassung des Durchsatzes geeignet (z.B. durch Bestimmen eines gewünschten gleichmäßigen Behandlungszeitintervalls für alle Abschnitte, wobei dann die geeignete Anzahl von Abschnitten bestimmt wird, die angesichts des gleichmäßigen Zeitintervalls dazu erforderlich sind, alle ausgewählten Behandlungen auszuführen).
Es ist zu beachten, dass der erfindungsgemäße Reaktor 400 mit mehreren Quellen für seine verschiedenen Abschnitte Quellen 24 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 oder Quellen 24 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 oder eine Kombination von Quellen 24 und 24' verwenden kann.
So verwenden die erfindungsgemäßen linienförmigen Plasmaquellen 24 und 24' ein Verfahren mit entferntem Plasma, bei dem das Plasma 30 von der Reaktionszone W entfernt ist, um dadurch eine Beschädigung der Waferoberfläche 20 zu lindern. Ferner wird, da durch ein Verfahren mit entferntem Plasma nur anzuregendes Gas wirkungsvoll angeregt werden kann, die Zusammensetzung der auf dem Substrat herzustellenden Dünnfilme gesteuert, was zu einer Herstellung von Dünnfilmen hoher Qualität mit hoher Dichte führt. Darüber hinaus ist die Ausbildung von Dünnfilmen über ein großes ebenes Substrat durch die linienförmige Plasmaquelle 24 erleichtert, unter der der Wafer 20 mit konstanter Geschwindigkeit in einer Richtung rechtwinklig zur Plasmakammer- Auslassöffnung 36 verschoben wird.
In vorteilhafter Weise benötigen die erfindungsgemäßen linienförmigen Plasmaquellen 24 und 24', abweichend von bekannten Systemen, keine Temperaturen von mindestens 600ºC (und wahrscheinlicher von mindestens 700ºC), um Wasserstoff aus SiOH zu entfernen. Vielmehr wird, durch entferntes Positionieren des Plasmas 45 gemäß der Erfindung, der Wasserstoff leicht durch eine chemische Verdrängungsreaktion entfernt, und SiH&sub4; wird, nicht durch ein elektrisches Plasmapotenzial zersetzt. Dies führt zu einem SiO&sub2;-Film, der weniger. Wasserstoff enthält und hinsichtlich seiner Zusammensetzung stabil ist. Ferner wurden zwar durch herkömmliche Parallelplattenvorrichtungen für Abscheidung aus der Plasmaphase typischerweise eine Reaktion von Nebenprodukten wie Wasserstoff und Wasser neu angeregt, und diese Nebenprodukte wurden in den SiO-Film übernommen, um die Qualität des SiO&sub2;-Films zu beeinträchtigen, jedoch sind derartige Probleme bei der Erfindung beseitigt (z.B. durch das Abpumpsystem 100 und die Konfiguration mit entfernter Quelle). Z.B. ist durch die Erfindung ein Strömungssystem geschaffen, das Prozessnebenprodukte aus der Reaktionszone W ausschwemmt, so dass die Reaktionsprodukte nicht diffundieren können (z.B. in die Waferoberfläche oder in die Quelle). Die Erfindung erleichtert mit den linienförmigen Öffnungen 36 sowie 112L, 112R das einstellbare Strömungsfeld in großem Ausmaß (Querabmessungen), wodurch die Steuerung einer Nebenproduktaktivierung bei extrem großen Probenabmessungen erlauben.
Gemäß der Erfindung wird die Zusammensetzung von auf einem Halbleitersubstrat bei niedrigen Temperaturen herzustellenden Dünnfilmen in vorteilhafter Weise kontrolliert, und derartige Dünnfilme werden auf einer zweidimensionalen Fläche gleichmäßig hergestellt. Daher ist ein unter Verwendung dieser Dünnfilme herzustellendes Halbleiterbauteil funktionsmäßig stabil. Die Seitenverhältnisse der linienförmigen Plasmaquelle sorgen für ein im Wesentlichen eindimensionales Strömungsfeld, das eine Steuerung sowohl der Reaktionsstoffverteilung innen als auch von Nebenprodukten außen auf eine Weise erlaubt, die relativ unempfindlich von der Größe des Wafers 20 ist und so zur Verwendung bei großen Substraten geeignet ist. Darüber hinaus kann dadurch, dass die Gesamtquerschnittsfläche der linienförmigen Plasmaquelle klein gehalten wird (in der X-Richtung), die Strömungsgeschwindigkeit hoch gehalten werden, um die aktiven Spezies zu kontrollieren.
Ferner können, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mehrere Dünnfilme auf einem Substrat in aufeinanderfolgender Weise unter Verwendung mehrerer linienförmiger Plasmaquellen hergestellt werden, ohne dass das Substrat zwischen der Abscheidung von Dünnfilmen entnommen wird. Eine derartige sukzessive Herstellung schützt gegen die Einführung von Fremdstoffen an der Grenzfläche zwischen Dünnfilmen, was zu einem mehrschichtigen Film hoher Qualität führt.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele derselben speziell dargestellt und beschrieben wurde, ist vom Fachmann erkennbar, dass daran verschiedene Änderungen hinsichtlich der Form und Einzelheiten vorgenommen werden können. Z.B. kann die Quelle 24 des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 auf ähnliche Weise wie die Quelle 24' des Ausführungsbeispiels der Fig. 5 umgedreht werden.

Claims

1. Plasmaquelle vom Typ mit einer Plasmakammer (30) mit einer Erzeugungseinrichtung (50) für ein elektrisches Feld zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Plasmakammer (30), um in dieser ein Plasma (45) zu erzeugen, und mit einem Abpumpsystem zum Entfernen von Reaktionsnebenprodukten aus der Plasmakammer (30); dadurch gekennzeichnet, dass

- die Plasmakammer (30) so aufgebaut ist, dass ein strahlendes Volumen (44) des erzeugten Plasmas (45) mit einer Ausrichtung entlang einer Kante relativ zur zu behandelnden Oberfläche (20S) angeordnet ist, und es sich dadurch entfernt von der zu behandelnden Oberfläche (205) befindet, dass es in der Plasmakammer (30) mittels eines Driftbereichs (42) von einer Auslassöffnung (36) derselben getrennt ist;

- die Auslassöffnung (36) eine lange, schmale Auslassöffnung ist, durch die im Gebrauch die aktive Spezies die Plasmakammer verlässt;

- die Auslassöffnung (36) näher an der zu behandelnden Oberfläche (205) als am strahlenden Volumen (44) des erzeugten Plasmas (45) positioniert ist;

- das Abpumpsystem über mindestens eine lange, schmale Abpumpeinlassöffnung (91, 92) verfügt, die sich benachbart zur Auslassöffnung (36) der Plasmakammer (30) parallel zu dieser erstreckt, um das Reaktionsnebenerzeugnis aus der Plasmakammer (30) abzupumpen; und

- ein Zuführsystem (60) für anregbares Gas vorhanden ist, um einem Plasmabereich (40) der Plasmakammer (30), in dem das Strahlungsvolumen (44) des erzeugten Plasmas (45) liegen soll, ein erregbares Gas zuzuführen, und ein Reaktionsgas-Zuführsystem (88) vorhanden ist, um dem Driftbereich (42) der Plasmakammer (30) ein Reaktionsgas zuzuführen.

2. Plasmaquelle nach Anspruch 1, bei der die Auslassöffnung (36) ihre längste Abmessung entlang einer Waferquerrichtung aufweist und diese längste Abmessung der Auslassöffnung (36) die Erstreckung der zu behandelnden Oberfläche (20S) in der Waferquerrichtung überschreitet.

3. Plasmaquelle nach Anspruch 1, bei der die zu behandelnde Oberfläche (20S) aus polykristallinem Silicium besteht.

4. Plasmaquelle nach Anspruch 1, bei der die mindestens eine lange, schmäle Abpumpeinlassöffnung eine erste und eine zweite lange, schmale Abpumpeinlassöffnung (91, 92) aufweist, die sich benachbart zur Auslassöffnung (36) in der Plasmakammer (30) und parallel zu dieser erstrecken, um Nebenprodukte abzusaugen, und die Auslassöffnung (36) in der Plasmakammer (30) zwischen der ersten und zweiten Abpumpeinlassöffnung (91, 92) liegt.

5. Plasmaquelle nach Anspruch 1, bei der das Seitenverhältnis von (1) der Länge einer Projektion des Plasmas (45) auf eine Ebene parallel zur zu behandelnden Oberfläche (20S) zur (2) Länge einer Projektion des Plasmas (45) auf eine Ebene rechtwinklig zur zu behandelnden Oberfläche (20S) im Bereich von ungefähr 1 : 3 bis 1 : 10 liegt.

6. Plasmaquelle nach Anspruch 1, bei der die Plasmakammer (30) im Wesentlichen als schmales, langgestrecktes, rechteckiges Volumen mit einem offenen Ende einer ihrer Seiten als Kammerauslassöffnung (36) ausgebildet ist.

7. Plasmaquelle nach Anspruch 1, bei der eine die Hauptabmessung des rechteckigen Volumens enthaltende Ebene nicht-rechtwinklig zur zu behandelnden Oberfläche (20S) geneigt ist.

8. Plasmareaktor zum Herstellen von Halbleiterbauteilen unter Verwendung einer Plasmaquelle gemäß Anspruch 1, der ferner Folgendes aufweist:

- ein Transportsystem (120) zum Transportieren eines Halbleiterbauteils (20) in einer Transportrichtung (22) rechtwinklig zur Querabmessung der Plasmakammer (30), wobei die Oberfläche (20S) des Halbleiterbauteils (20) durch die aus der Auslassöffnung (36) austretende aktive Spezies behandelt wird, wenn das Halbleiterbauteil (20) an der Auslassöffnung (36) vorbeitransportiert wird.

9. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils (20) durch Ausführen einer Reaktion an einer Oberfläche (20S) desselben in einem Plasmareaktor, das die folgenden Schritte aufweist:

- Erzeugen eines Plasmas (45) in einer Plasmakammer (30) des Plasmareaktors mittels einer Erzeugungseinrichtung (50) für ein elektrisches Feld zum Erzeugen eines elektrischen Felds in der Plasmakammer (30);

- Emittieren aktiver Spezies des erzeugten Plasmas (45) durch eine Auslassöffnung (36) der Plasmakammer (30) für Reaktion mit dem Halbleiterbauteil (20); und

- Absaugen von Reaktionsnebenprodukten aus der Plasmakammer (30) unter Verwendung eines speziellen Abpumpsystems; dadurch gekennzeichnet, dass

- das Plasma (45) so erzeugt wird, dass ein strahlendes Volumen (44) des erzeugten Plasmas (45) mit einer Ausrichtung entlang einer Kante relativ zur zu behandelnden Oberfläche (205) angeordnet ist, und es sich dadurch entfernt von der zu behandelnden Oberfläche (205) befindet, dass es in der Plasmakammer (30) mittels eines Driftbereichs (42) von einer Auslassöffnung (36) derselben getrennt ist;

- die Auslassöffnung (36) eine lange, schmale Auslassöffnung ist;

- die Auslassöffnung (36) näher an der zu behandelnden Oberfläche (20S) als am strahlenden Volumen (44) des erzeugten Plasmas (45) positioniert ist;

- ein anregbares Gas mittels eines Zuführsystems (60) für anregbares Gas einem Plasmabereich (40) der Plasmakammer (30), in dem sich das bestrahlte Volumen (44) des erzeugten Plasmas befinden soll, zugeführt wird, und ein Reaktionsgas durch ein Reaktionsgas-Zuführsystem (88) dem Driftbereich (42) der Plasmakammer (30) zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die zu behandelnde Oberfläche (205) auf eine niedere Temperatur unter 600ºC erwärmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine dominante aktive Spezies der Singulett-Delta-Zustand molekularen Sauerstoffs ist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit dem Schritt des Transportierens der zu behandelnden Oberfläche (20S) an der Auslassöffnung (36) der Plasmakammer (30) vorbei, um aufeinanderfolgende Teile der zu behandelnden Oberfläche (205) der aktiven Spezies auszusetzen.

13. Verfahren nach Ansprüch 12, bei dem die Transportrichtung (22) rechtwinklig zur Längserstreckung der Auslassöffnung (36) der Plasmakammer (30) verläuft.

14. Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit dem Schritt des Einleitens von Silan in die Plasmakammer (30) und des Verwendens des Silans und der aktiven Spezies zum Verdrängen von Wasserstoff an der zu behandelnden Oberfläche (20S).

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Verdrängung von Wasserstoff gemäß der folgenden Verdrängungsreaktion erfolgt:

Si-OH + SiH&sub4; → H&sub2; + Si-O-SiH&sub3;.

16. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die zu behandelnde Oberfläche aus polykristallinem Silicium besteht.

17. Verfahren nach Anspruch 9, mit den folgenden Schritten:

- Einleiten von Silan in die Plasmakammer (30);

- die zu behandelnde Oberfläche (205) wird aktiven Spezies des Plasmas (45) und dem Silan ausgesetzt; und

- Verwenden des Silans und der aktiven Spezies zum Verdrängen von Wasserstoff an der zu behandelnden Oberfläche (205).

18. Verfahren nach Anspruch 9 zum Behandeln einer Schicht auf einer Oberfläche eines Halbleiterbauteils (20) aus polykristallinem Silicium, mit:

- Erzeugen eines Plasmas (45) in der Plasmakammer (30), wobei sich das Plasma (45) entfernt von der Oberfläche aus polykristallinem Silicium befindet;

- Einleiten eines Reaktionsgases in die Plasmakammer (30);

- die zu behandelnde Oberfläche (20S) wird den aktiven Spezies und dem Reaktionsgas ausgesetzt;

- Erwärmen der zu behandelnden Oberfläche (20S) auf eine niedrige Temperatur unter 600ºC; und

- Verwenden sowohl des Reaktionsgases als auch der aktiven Spezies zum Behandeln der Schicht und zum Verdrängen von Wasserstoff an der Oberfläche des polykristallinen Siliciums.