EP1421226A1 - Verfahren zum abscheiden von siliziumnitrid - Google Patents

Verfahren zum abscheiden von siliziumnitrid

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EP1421226A1
EP1421226A1 EP02758166A EP02758166A EP1421226A1 EP 1421226 A1 EP1421226 A1 EP 1421226A1 EP 02758166 A EP02758166 A EP 02758166A EP 02758166 A EP02758166 A EP 02758166A EP 1421226 A1 EP1421226 A1 EP 1421226A1
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EP
European Patent Office
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silicon nitride
silicon
component
furnace
deposition
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02758166A
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Inventor
Henry Bernhardt
Anja Morgenschweis
Dietmar Ottenwaelder
Michael Stadtmueller
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Publication date
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34Nitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C16/34Nitrides
    • C23C16/345Silicon nitride

Definitions

  • the present invention relates to a method for depositing silicon nitride on a substrate, in which the substrate is exposed in a furnace under the action of heat to a flow containing a silicon component and a further component, in particular a nitrogen component.
  • silicon nitride has been widely used in semiconductor technology for a long time.
  • Two essential areas of application of silicon nitride are the formation of diffusion barriers even for very small molecules, such as hydrogen molecules, and its use as a mask in etching processes due to its etching selectivity compared to silicon dioxide.
  • Silicon nitride is usually deposited on a substrate by exposing it to an essentially nitrogen and silicon flow while heating it in an oven. Usually temperatures in the furnace of well over 700 ° C are maintained. The heat budget for the production or deposition of silicon nitride layers is relatively large due to these high temperatures. The heat budget is to be understood as the integral of the amount of heat over time (cf. also US Pat. No. 5,629,043).
  • silicon nitrides cannot be used since, as explained above, they hinder the penetration of hydrogen through a layer formed by them. This means that silicon nitride, despite its good properties, such as its etch selectivity to silicon di oxide, or its mechanical stability, can often not be used, since it acts as a diffusion barrier for these very small particles, such as hydrogen molecules in particular.
  • BTBAS bis-tertiary-butylamino-silane
  • This object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset by setting the temperature in the oven to 600 ° C. to 645 ° C.
  • the temperature is about 620 ° C.
  • the temperature may at most be 650 ° C.
  • an ordinary silicon furnace is used for the Erzeu ⁇ supply of silicon nitride.
  • the temperature in the furnace is not set to values above 700 ° C, but only to 600 ° C to 645 ° C and in any case below 650 ° C and in particular to about 620 ° C.
  • This reduced temperature means that less heat is consumed in the method according to the invention, that is to say the heat budget is considerably smaller.
  • silicon nitride layers produced by the method according to the invention have a significantly higher hydrogen concentration and therefore also behave differently than silicon nitride produced by the conventional furnace process: hydrogen diffusion is not impeded, although the etching selectivity for etching processes is of the same quality as for standard silicon nitride is present.
  • the properties of the silicon nitride produced by the method according to the invention are close to those of RTCVD nitrides, but the method according to the invention can be carried out much more simply and therefore less expensively. In particular, it is possible to use any conventional standard silicon nitride furnace, with no cumbersome retrofitting and therefore no additional investments being necessary.
  • the silicon nitride is deposited at temperatures between 600 ° C. and 645 ° C. and in any case below 650 ° C. and preferably at about 620 ° C.
  • This condition alone is sufficient to ensure a higher hydrogen content in the silicon nitride and thus also a higher permeability for small molecules, such as in particular hydrogen molecules.
  • the invention is explained in more detail below with reference to the drawing, in the single figure of which a silicon nitride furnace is shown schematically.
  • silicon wafers 2 lie on a base 3 and are heated there by a heating device 4.
  • a mixture of dichlorosilane and ammonia flows through the silicon nitride furnace 1, so that silicon nitride is deposited on the surface of the silicon wafer 2.
  • ammonia another nitrogen-containing compound can also be used.
  • the temperature in the silicon nitride furnace 1 is not, as previously, to values above 700 ° C, but rather to values between 600 ° C and 645 ° C and in any case below 650 ° C, in particular 620 ° C is set.
  • the deposition of silicon nitride at these lower temperatures achieves the advantages already mentioned above: the temperature budget is reduced, and the silicon nitride formed at these lower temperatures has a higher hydrogen concentration, so that it remains permeable to hydrogen or small molecules as a whole ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid, bei dem die Temperatur in einem Ofen(1) auf Werte unterhalb 650°C eingestellt wird. Das so gebildete Siliziumnitrid ist für kleine Moleküle, wie insbesondere Wasserstoffmoleküle durchlässig und behält dennoch seine Ätzselektivität gegenüber Siliziumdioxid.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid auf einem Substrat, bei dem das Substrat in einem Ofen unter Wärmeeinwirkung einer eine Siliziumkomponente und eine weitere Komponente, insbesondere eine Stickstoffkomponente enthaltenden Strömung ausgesetzt wird.
Bekanntlich wird Siliziumnitrid seit langer Zeit weit verbreitet in der Halbleitertechnik eingesetzt. Zwei wesentliche Anwendungsgebiete von Siliziumnitrid sind dabei die Bil- düng von Diffusionsbarrieren selbst für sehr kleine Moleküle, wie beispielsweise Wasserstoffmoleküle, und sein Einsatz als Maske in Ätzprozessen aufgrund seiner gegenüber Siliziumdioxid vorliegenden Ätzselektivität.
Siliziumnitrid wird üblicherweise auf ein Substrat abgeschieden, indem dieses in einem Ofen einer im Wesentlichen Stickstoff und Silizium enthaltenden Strömung bei gleichzeitiger Erwärmung ausgesetzt wird. Üblicherweise werden dabei im Ofen Temperaturen weit über 700 °C aufrechterhalten. Das Wärmebudget für die Erzeugung bzw. Abscheidung von Siliziumnitridschichten ist infolge dieser hohen Temperaturen relativ groß. Unter Wärmebudget ist dabei das Integral der Wärmemenge über der Zeit zu verstehen (vgl. hierzu auch US 5 629 043) .
Bei bestimmten Anwendungen ist es vorteilhaft, Wasserstoff oder andere kleine Teilchen bzw. Moleküle in ein Siliziumsubstrat einzubringen. Soll dies tatsächlich geschehen, so können Siliziumnitride nicht eingesetzt werden, da sie, wie oben erläutert wurde, das Eindringen von Wasserstoff durch eine durch sie gebildete Schicht behindern. Dies bedeutet, dass Siliziumnitrid, trotz seiner guten Eigenschaften, wie beispielsweise seiner Ätzselektivität gegenüber Siliziumdi- oxid, oder seiner mechanischen Stabilität, oft nicht benutzt werden kann, da es als Diffusionsbarriere für diese sehr kleinen Teilchen, wie insbesondere Wasserstoffmoleküle, wirkt .
Ein anderes, mit der Verwendung von Siliziumnitrid verknüpftes Problem ist das durch die hohe Abscheidungstemperatur bedingte große Wärmebudget. Bei der Entwicklung zahlreicher neuartiger Halbleiterbausteine ist ein solches großes Wärme- budget unerwünscht, da durch dieses die Ergebnisse bereits vorgenommener, vorangehender Schritte gestört oder gar beschädigt werden.
Aus den genannten Gründen wird schon seit geraumer Zeit nach neuartigen Materialien gesucht, bei denen eine Reduzierung des Wärmebudgets möglich ist und die auch die übrigen Vorteile von Siliziumnitrid zeigen. Geeignete Kandidaten für solche Materialien sind insbesondere RTCVD-Nitride (RT = Rapid Thermal; CVD = Chemical Vapour Deposition bzw. chemische Abscheidung aus der Dampfphase) . Diese Materialien sind aber aufgrund von hohen Herstellungs- und Vorhaltekosten äußerst aufwändig. Andere, ins Auge gefasste Materialien beruhen auf neuartigen Precursoren, wie beispielsweise BTBAS (BTBAS = Bis-tertiär-Butylamino-Silan) . Ein derartiger Precursor kann zwar in einem Ofenprozess eingesetzt werden, ist aber wie die RTCVD-Nitride ebenfalls äußerst aufwändig.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid anzugeben, das auf einfache Weise durchführbar ist, und bei dem das Siliziumnitrid gegenüber kleinen Molekülen, wie beispielsweise Wasserstoff, durchlässig ist, ohne seine Ätzselektivität in Bezug auf insbesondere Siliziumdioxid zu verlieren.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Temperatur im Ofen auf 600°C bis 645°C eingestellt wird. Vorzugsweise beträgt dabei die Temperatur etwa 620 °C. Höchstens darf die Temperatur allenfalls 650°C betragen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also für die Erzeu¬ gung von Siliziumnitrid ein gewöhnlicher Siliziumofen verwendet. Abweichend vom bisherigen Stand der Technik wird aber die Temperatur im Ofen nicht auf Werte über 700 °C, sondern lediglich auf 600°C bis 645°C und auf jeden Fall unter 650°C und insbesondere auf etwa 620°C eingestellt.
Durch diese reduzierte Temperatur wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weniger Wärme verbraucht, das heißt, das Wärmebudget ist wesentlich kleiner.
Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Siliziumnitridschichten eine wesentlich höhere Wasserstoffkonzentration aufweisen und sich dadurch auch anders verhalten als durch den herkömmlichen Ofenpro- zess erzeugtes Siliziumnitrid: eine Wasserstoffdiffusion wird nicht behindert, obwohl die Ätzselektivität für Ätzprozesse in gleicher Qualität wie bei Standardsiliziumnitrid vorliegt. Die Eigenschaften des durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Siliziumnitrids liegen nahe bei demjenigen von RTCVD-Nitriden, wobei sich das erfindungsgemäße Ver- fahren aber wesentlich einfacher und damit weniger aufwändig durchführen lässt. Insbesondere ist es möglich, jeden gewöhnlichen Standard-Siliziumnitridofen zu verwenden, wobei keine umständliche Umrüstung und damit auch keine zusätzlichen Investitionen notwendig sind. Entscheidend ist viel- mehr, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Siliziumnitrid bei Temperaturen zwischen 600°C und 645°C und auf jeden Fall unterhalb 650°C und vorzugsweise bei etwa 620°C abgeschieden wird. Allein diese Bedingung genügt, um für einen höheren Wasserstoffgehalt im Siliziumnitrid und damit auch für eine höhere Durchlässigkeit für kleine Moleküle, wie insbesondere Wasserstoffmoleküle zu sorgen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur ein Siliziumnitridofen schematisch gezeigt ist.
In einem solchen Siliziumnitridofen 1 liegen Siliziumwafer 2 auf einer Unterlage 3 und werden dort durch eine Heizeinrichtung 4 erwärmt. Durch den Siliziumnitridofen 1 strömt ein Gemisch aus Dichlorsilan und Ammoniak (vgl. den Pfeil), so dass sich auf der Oberfläche der Siliziumwafer 2 Silizi- umnitrid abscheidet. Anstelle von Ammoniak kann auch eine andere Stickstoff enthaltende Verbindung verwendet werden.
Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist nun, dass die Temperatur im Siliziumnitridofen 1 nicht wie bisher auf Wer- te über 700°C, sondern vielmehr auf Werte zwischen 600°C und 645°C und auf jeden Fall unterhalb 650°C, insbesondere 620°C, eingestellt wird. Durch die Abscheidung von Siliziumnitrid bei diesen niedrigeren Temperaturen werden die oben bereits erwähnten Vorteile erzielt: das Temperaturbudget ist reduziert, und das bei diesen niedrigeren Temperaturen gebildete Siliziumnitrid weist eine höhere Wasserstoffkon- zentration auf, so dass es insgesamt für Wasserstoff bzw. kleine Moleküle durchlässig bleibt.
Bezugszeichenliste
1 Siliziumnitridofen
2 Siliziumwafer
3 Unterlage
4 Heizeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid auf einem Substrat (2) , bei dem das Substrat (2) in einem Ofen (1) un- ter Wärmeeinwirkung (vgl. 4) einer eine Siliziumkomponente und eine weitere Komponente enthaltenden Strömung ausgesetzt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Temperatur im Ofen (1) auf etwa 600°C bis 645°C eingestellt wird.
2. Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid auf einem Substrat (2), bei dem das Substrat (2) in einem Ofen (1) unter Wärmeeinwirkung (vgl. 4) einer eine Siliziumkomponente und eine Stickstoffkomponente (N2) enthaltenden Strömung ausgesetzt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Temperatur im Ofen (1) auf höchstens 650°C eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Temperatur auf etwa 620 °C eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Siliziumkomponente Dichlorsilan und als Stickstoffkomponente Ammoniak verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Substrat ein Siliziumsubstrat verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als weitere Komponente eine Stickstoff enthaltende Komponente verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als die Stickstoff enthaltende Komponente Ammoniak verwendet wird.
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