DE1640486C3

DE1640486C3 - Verfahren zum reaktiven Zerstäuben von elementarem Silicium

Info

Publication number: DE1640486C3
Application number: DE1640486A
Authority: DE
Inventors: William Boone Putnam Valley N.Y. Pennebaker (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-10-11
Filing date: 1966-10-11
Publication date: 1975-09-11
Also published as: US3419761A; DE1640486B2; DE1640486A1; FR1493917A; GB1118757A

Description

5. Verfahren nach Anspruch 1. 2 und 4, da- einen elektrisch ausgezeichnet isolierenden Dünnfilm durch gekennzeichnet, daß das Substrat auf eine 30 auf ein Substrat niederzuschlagen, der beständig und Temperatur oberhalb von 300° C unter gleich- möglichst frei von solchen Oberflächenzuständen ist, zeitigem Einwirken der Hochfrequenzenergie die als Fangstellen für Ladungsträger wirken können, zwischen Substrat (10) und Target (13) aufge- und bei dem die Beständigkeit sich insbesondere auf heizt wird. die Unangreifbarkeit seitens herkömmlicher Ätzmit-

6. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 5, da- 35 tcl richtet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz- durch gelöst, daß der Stickstoffdruck im Bereich von energie mit einer Leistung von 400 Watt und 0,5 bis 20 μηι Ag gewählt und die Glimmentladung einer Frequenz von etwa 13,6 MKz angelegt mit Hochfrequenzenergie betrieben wird.

wird. Vorteilhafterweise sind die so hergestellten Schieh-

40 ten gegenüber den mit bisher angewendeten Verfahren niedergeschlagenen Filmen dicht, kompakt und

homogen, da die Silicium- und Stickstoffatome mit

relativ hoher Energie auf das Substrat dank des relativ niedrigen Betriebsdruckes auftreffen. Zum Erhö-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reakti- 45 hen der Abscheidegeschwindigkeit des Siliciumnitrids ven Zerstäuben von elementarem Silicium als Target auf dem Substrat kann in an sich bekannter Weise durch Glimmentladung in einer Stickstoff- bzw. ein senkrecht ?u der Ebene des Substrats gerichtetes Stickstoff enthaltenden Atmosphäre geringen Magnetfeld angelegt werden, wodurch das Plasma in Drucks, bei dem rieh Siliciumnitrid bildet und als vorteilhafter Weise verdichtet wird. Vorteile ergeben dünner elektrisch isolierender Film auf ein Substrat 5° sich auch, wenn als Substrathalbleitermaterial insbeaus unterschiedlich wählbarem Material nieder- sondere Silicium Verwendung findet. Die Homogenischlägt. tat der niedergeschlagenen Schicht läßt sich noch

Solche Verfahren sind bereits bekannt. Insbeson- verbessern, wenn die Temperatur des Substrats unter dere zur Herstellung von monolithisch integrierten gleichzeitigem Hinwirken der Hochfrequenzenergie Halblei»«"rschaltungen ist es bekannt, Isolierschichten 55 zwischen Substrat und Target oberhalb von 300° C in Form von mit den Halbleitersubstraten jeweils gehalten wird. Dabei hat sich als vorteilhaft ergeben, eine Einheit bildenden Schichten unter Anwendung wenn die Hochfrequenzenergie mit einer Leistung von Zerstäubungsverfahren niederzuschlagen. Als von 400 Watt und einer Frequenz von etwa 13,6 Isoliermaterialien werden hierzu im allgemeinen SiIi- MHz angelegt wird.

ciumoxid und -dioxid sowie verschiedene Metallo- 60 Ein in der beschriebenen Weise niedergeschlagexide wie z. B. Aluminiumoxid verwendet. Es hat sich ner Film weist hervorragende Isoliereigenschaften gezeigt, daß sich während des Abscheidens solcher auf, die es bei Verwendung von monolithisch inte-Isolierschichtcn im Zuge des Zerstäubungsvorganges grierten Halbleiterscha'.tungen als Substraten gestatnegativc Sauerstoffionen bilden, die in Richtung auf ten, die hierfür erforderlichen metallischen Leitungsdas mit dem elektrisch isolierenden Film zu verse- 65 züge aufzutragen, ohne daß schädliche Einwirkungen hende Substrat hin beschleunigt werden. Beim Auf- zu befürchten sind. Dies gilt insbesondere für den treffen auf das Substrat jedoch können diese Sauer- Einbau von Feldeffekttransistoren in diesen monolistoffionen zu Schaden führen, die das Entstehen feh- thisch integrierten Halbleiterschaltungen, da dank

der geringen Oberflächenzustände in den niedergeschlagenen Siliciumnitridfilraen diese in hervorragendem Maße für die Gate-Isolierung Verwendung finden können.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele dar Erfindung aß Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Zerstäubungsvorrichtung, wie sie bei der Ausübung des beschriebenen Verfahrens benötigt wird,

Fig.2 einen Querschnitt durch einen Faldeffekt-Transistor mit einem gemäß dem beschriebenen Verfahren erzeugten isolierenden Film.

In F i g. 1 ist das Substrat 10 in geeigneter Weise, z.B. durch Aufspannen, am Substrathalter 11 befestigt, der über die Leitungen 12 mit elektrischen und thermischen Steuereinrichtungen zur Einstellung der Temperatur des Substrathalters und des Substrats auf die gewünschten Werte verbunden ist.

Eine Quelle 13 für Silicium, die als Kathode dient, ruht auf der Metallplatte 16, die über die Leitung 15 mit dem Hochfrequenzgenerator verbunden ist. Die Quelle 13 für das Silicium und das Substrat 10 können voneinander einen Abstand von beispielsweise 2,5 cm aufweisen.

Die Abschirmungen 16 und 17, die das Substrat und die Kathode umgeben, sind mit dem Erdpotential verbunden und dienen als Anode.

Eine verschiebbare Blende 20 ist während des Anfangsstadiums des Zerstäubungsverfahrens zwischen der Quelle 13 und dem Substrat 10 angeordnet. Eine (nicht dargestellte) Vorrichtung dient zur Verschiebung dieser Blende während des Abscheidens.

Durch ein in der Kammer 40 erzeugtes magnetisches Feld, das im wesentlichen senkrecht zu den Ebenen der Kathode und des Substrats verläuft, wird während des Zerstäubungsvorganges das erzeugte Plasma verdichtet. Dadurch werden höhere Abscheidegeschwindigkeiten erzielt. Dieses magnetische Feld kann in jeder geeigneten Weise erzeugt werden, z. B. durch Anbringen der Spulen 30 und 31, die die Kathode und das Substrat umgeben. Diese Spulen sind übet lie Leitungen 32 mit einer (nicht dargestellten) Stromquelle verbunden.

Die Rohrleitung 41 ist mit einer (nicht dargestellten) Vakuumpumpe verbunden, durch welche die Kammer evakuiert wird. Die Leitung 42 ist mit einem Gasvorrat verbunden, der über das Ventil 43 dei Kammer 40 zugeführt wird. Als Gas wird vorzugsweise reiner Stickstoff verwendet oder ein Gas, das Stickstoff oder eine Stickstoffverbindung enthält, und das während der Glimmentladung genügend Stickstoff für die Reaktion mit dem /erstäubten Silicium der Quelle 13 liefert, um auf der Oberfläche des Substrats 10 Siliciumnitrid zu bilden. Es können auch Mischungen von Stickstoff mit einem Edelgas, wie z. B. Argon, verwendet werden.

Die Kathode 14 ist über das Koaxialkabel 15, den Blockkondensator 52 und das Widerstandsanpassungsnetzwerk 51 mit dem Hochfrequenzgenerator 50 verbunden.

Für das Abscheiden wird, um Verunreinigungen zu entfernen, die Kammer 40 evakuiert, und es wird Stickstoff oder ein anderes stickstoffabgebendes Gas über das Ventil 43 und die Leitung 42 zugeführt. Wenn beispielsweise reiner Stickstoff verwendet wird, kann der Druck zwischen 0,5 und 20 μ QS betragen. Der Hochfrequenzgenerator 50 liefert beispielsweise einen Strom mit einer Frequenz von etwa 13,6 MHz und einer Leistung von etwa 400 Watt. Der Druck wird auf einem solchen Wert gehalten, daß zumindest die Entladung aufrechterhalten wird.

Vorzugsweise wird die Quelle 13 für Silicium vor dem eigentlichen Abscheidungsvorgang für die Dauer einer halben Stunde durch Zerstäuben gereinigt. Während des Reinigens durch Zerstäuben scbützt die Blende 20 die Oberfläche des Substrats

ίο 10. Nachdem das Reinigen durch Zerstäuben vollendet ist, wird die Blende 20 entfernt und ein dünner Film von Siliciumnitrid auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden. Während des Abscheidens wird die Unterlage 10 vorzugsweise auf einer Temperatur von 2300° C oder mehr gehalten.

Während des Abscheidens wird den Spulen 30 und 31 ein Strom von etwa 3 Ampere zugeführt, der zum Verdichten des Plasmas ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Feldstärke senkrecht zur Ebene des

Substrats etwa 60 Oersted beträgt. Unter diesen Bedingungen bombardiert das so erzeugte Plasma die Oberfläche der Quelle 13, so daß Siliciumteilchen freigemacht werden. Es ist noch ungeklärt, ob das Silicium unmittelbar mit dem Stickstoff reagiert oder erst auf der Oberfläche des Substrats 10. In jedem Falle wird ein zusammenhängender, gleichmäßiger Film von Siliciumnitrid abgeschieden. Unter den genannten Bedingungen werden Abscheidungsgeschwindigkeiten von etwa einem halben (iMeter pro Stunde erzielt.

Isolierende Filme, die gemäß dem beschriebenen Verfahren gebildet wurden, wiesen Durchbruchspannungen bis zu 95 V bei einer Dicke des Films von 13 000 A auf. Die Dielektrizitätskonstante solcher Filme beträgt etwa 7,3.

Die erhaltenen isolierenden Schichten zeigen eine bemerkenswerte Beständigkeit gegenüber den üblichen Ätzmitteln, die bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet werden. Die Ergebnisse, die

beim Benetzen von Siliciumnitrid-Filmen, die nach diesem Verfahren erzeugt wurden, mit verschiedenen Ätzmitteln erhalten wurden, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

⁴⁵ Ätzmittel	Ergebnisse
Konzentrierte Fluorwasser	Kein Angriff
stoffsäure
⁵⁰ Konzentrierte	Kein Angriff
Wasserslofiperoxidlösung
Konzentrierte	Kein Angriff
Wasserstoffperoxid- und
₅₅ Natriumhydroxidlösung
Konzentrierte	Kein Angriff. Obgleich
Fluorwasserstoffsäure und	der Film nicht angegrif
konzentrierte Salpetersäure	fen wird, ergibt sich eine
	leichte Farbvet änderung

Ein Beispiel für die Verwendung eines dünnen isolierenden Filmes von Siliciumnitrid in einem Festkörperbauelement, beispielsweise bei einem Isolierschicht-Fcldeffekt-Transistor, ist in den Fig. 2A, 2 B und 2 C dargestellt. Das Substrat 10, das z. B. aus p-leitenden Silicium-Halbleiterplättchen besteht, wird zunächst einem Diffusionsprozeß unterworfen,

durch.welchen zur Bildung der Sourceelektrode 60 Film 63 aus Siliciumnitrid wird über der gesamten und der Drainelektrode 61 begrenzte Bereiche enlge- Fläche des Substrats 10 abgeschieden. Sodann wird gengesetzten Leitfähigkeitstyps erzeugt werden. eine Photolackschicht 64 auf dem dünnen isolieren-Üblicherweise wird auf der Oberfläche des Substrats den Film 63 aufgebracht und selektiv belichtet. Wie 10 ein dünnes Muster aus Siliciumdioxid (SiO₂), das 5 aus der Fig.2B ersichtlich ist, wird die Photolacknicht dargestellt ist, als Maske für das Erzeugen der schicht 64 so belichtet, daß nach der Entwicklung Sourceelektrode 60 und der Drainelektrode 61 durch zumindest diejenigen Teile der Substratoberfläche Diffusion gebildet; Beispielsweise kann eine solche freigelegt werden, an denen die Drain- und Sourcedif-Diffusionsmaske aus Siliciumdioxid dadurch gebildet fusion erfolgte. Die erhaltene Anordnung wird dann werden, daß das Substrat 10 bei einer Temperatur io einem Ionen-Beschuß ausgesetzt, wodurch Öffnunvon etwa 1250" C einer Atmosphäre von entweder gen 65 in dem dünnen isolierenden Film 63 erzeugt Sauerstoff (O„), Sauerstoff und Wasserdampf werden, so daß die Oberflächen der Sourceelektrode (O₂ -I- H₂O) oder Kohlendioxid (CO₂) während eines 60 und der Drainelektrode 61 freigelegt werden. Zeitintervalls ausgesetzt wird, das ausreicht, um die Diese Öffnungen 65 können beispielsweise in begewünschte Schicht in einer Dicke von ungefähr 15 kannter Weise durch Hochfrequenz-Zerstäubungs-5000 A zu erzeugen. Wenn diese Schicht gebildet verfahren erzeugt werden. Teile der Photolackschicht worden ist, werden übliche photolithographische 64, die nach dem Ionen-Beschuß noch vorhanden Verfahren angewandt, um »Fenster« für die Diffu- sind, werden durch ein geeignetes Lösungsmittel entsion zu begrenzen, um Teile der Substratoberfläche fernt. Es folgt ein Metallisierungsschritt, durch den freizulegen, an denen die Sourceelektrode 60 und die 20 die Gate-Elektrode 62 und auch die elektrischen Drainelektrode 61 durch Diffusion erzeugt werden Leiter 66 hergestellt werden, die die Zuleitungen zu soll. Das Substrat wird dann in einer reaktionsfähi- den Source- und Drainelektroden bilden. Es kann beigen Atmosphäre, die beispielsweise aus Phosphor- spielsweise eine dünne Aluminiumschicht auf der gepentoxid (P₂₀₅) besteht, auf eine Temperatur im Be- samten Oberfläche des isolierenden Films 63 erzeugt reich zwischen 1100 und 1250⁰C gebracht, um 25 werden, in welchem öffnungen 65 vorgesehen werdurch Diffusion die N-leitenden Bereiche für die den, um das Kontaktieren der Source- und Drainelek-Sourceelektrode 60 und die Drainelektrode 61 zu er- troden zu ermöglichen. Geeignete photolithographizeugen. sehe Verfahren werden dann angewandt, um beson-

Um die Herstellung des Isolierschicht-Feldeffekt- dere metallische Muster zu erzeugen, die die Gate-Transistors zu vollenden, wird die Gate-Elektrode 62 30 Elektrode 62 und auch die elektrischen Anschlüsse (F i g. 20) von dem schmalen Oberflächenbereich des 66 bilden.

Substrats 10 isoliert, der sich zwischen der Source- Der dünne isolierende Film 63 aus Siliciumnitrid

elektrode 60 und der Drainelektrode 61 befindet. Die- bildet dank der hohen Durchbruchspannung unc

ser schmale Oberflächenbereich begrenzt einen Ka- eines geringen Leckstroms eine sehr wirksame Isola·

nal, längs dessen die Stromleitung durch ein elektri- 35 tion zwischen Substrat 10 und metallisierten Mu-

sches Feld moduliert wird, indem der Gate-Elektrode stern. Der Film 63 ist im Vergleich mit den üblichen

62 eine geeignete Vorspannung zugeführt wird. Vor Sauerstoff enthaltenden isolierenden Schichten ver

dem Metallisieren der Gate-Elektrode 62 wird das hältnismäßig frei von Oberflächenzuständen und \s'

Substrat in ein geeignetes Ätzmittel, z. B. gepufferte auch beständiger gegenüber dem Angriff durch ehe

Fluorwasserstoffsäure (HF), getaucht, um die Diffu- 40 mische Ätzmittel als es bisher der Fall ist.

sionsmaske aus Siliciumdioxid zu entfernen und die Die so erzeugten dünnen isolierenden Filme lasser

Substratoberfläche freizulegen. sich nicht nur auf ein Substrat aus Silicium abschei

Das Substrat 10 wird dann in einer Vorrichtung den, sondern ebenso auch auf andere Halbleitermate nach F i g. 1 befestigt, und ein dünner, isolierender rialien.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

lerhafler Isolierfilme zur Folge haben, so daß die Be- Patentanspriiche: triebssicherheit und die elektrischen Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten monolithisch inte-

1. Verfahren zum reaktiven Zerstäuben von grierten Halbleiterschaltungen beeinträchtigt werden, elementarem Silicium als Target durch Glimm- 5 Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die meisten mit entladung in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff Sauerstoff verunreinigten Isoherfilme nicht widerenthaltenden Atmosphäre geringen Drucks, bei standsfähig gegenüber bestimmten chemischen Ätzdem sich Siliciumnitrid bildet und als dünner, mitteln sind. Daher treten beim selektiven Atzen zur elektrisch isolierender Film auf ein Substrat aus Bildung von Zugängen fur Elektrodenanschlusse unterschiedlich wählbarem Material nieder- io Probleme hinsichtlich einer genauen Steuerung des schlägt, dadurch gekennzeichnet, daß Ätzvorgaugesauf.

der Stickstoffdruck im Bereich von 0,5 bis 20 μτη Als Substanz für elektrisch isolierende Filme läßt

Hg gewählt und die Glimmentladung mit Hoch- sich Siliciumnitrid verwenden. Es ist bekannt, Nitride

frequenzenergie betrieben wird. durch sogenannte Reaktionszerstäubung, bei der eine

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 15 Reaktion zwischen dem durch Gleichspannungskennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise glimmentladung zerstäubten Material und einem reakzum Erhöhen der Abscheidegeschwindigkeit des tionsfähigen Gas In der Gasentladungskammer statt-Siliciumnitrids auf dem Substrat (10) ein senk- findet, niederzuschlagen. Bei einem bekannten Verrecht zu der Ebene des Substrats gerichtetes Ma- fahren dieser Art werden solche Filme in einem gnetfeld erzeugt wird. 20 Triodensystem, das außer Kathode und Anode, die

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, an einer Gleichspannung liegen, auch einen Elektrodadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumnitrid- nen emittierenden Heizfaden enthält, hergestellt, film auf einem Substrat aus Halbleitermaterial Nachteile dieses Systems sind der Mehraufwand und abgeschieden wird. die erhöhte Anfälligkeit bedingt durch den erforderli-

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, da- 25 chen Heizfaden und die hierfür unerläßliche Span durch gekennzeichnet, daß der Siliciumnitridfilm nungsquelle.

auf einem Substrat aus Silicium abgeschieden Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit

wird. Hilfe eines Verfahrens der eingangs genannten Art