DE3235503A1

DE3235503A1 - Verbesserte abscheidung von silizium aus einem plasma

Info

Publication number: DE3235503A1
Application number: DE19823235503
Authority: DE
Inventors: Georg M. 85253 Scottsdale Ariz. Engle; Richard S. 85253 Paradise Valley Ariz. Rosler
Original assignee: Advanced Semiconductor Materials America Inc
Current assignee: Advanced Semiconductor Materials America Inc
Priority date: 1981-11-12
Filing date: 1982-09-24
Publication date: 1983-05-19
Also published as: FR2516097A1; FR2516097B1; DE3235503C2; JPS621565B2; GB2109414A; JPS5884111A; NL8204403A; US4401687A; GB2109414B

Description

Dipl.-Phys. O. E. Weber Patentanwalt European Patent Attorney

D-8000 München 71 Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber

Telex: 5-212877

Telefax: (0 89)7 9152 56

Advanced Semiconductor Materials America,Inc.

4302 E. Broadway
Phoenix, Arizona 85040 USA

A 150

Verbesserte Abscheidung von Silizium aus einem Plasma

Querbezug - Die auf die zur vorliegenden Anmeldung angegebenen Erfinder am gleichen Tag eingereichte Patentanmeldung für einen "Abstandhalter zum Verhindern von Kurzschlüssen zwischen leitfähigen Platten in HF-Plasmaabscheidungssystemen" betrifft den gleichen Sachkomplex wie die vorliegende Anmeldung.

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Abscheiden bzw. Auftragen von Silizium aus einem Plasma und insbesondere ein Hochtemperaturverfahren zur Siliziumabscheidung aus einem Plasma, bei dem die Wärmeabscheidung größtenteils unterdrückt ist.

In der Vergangenheit hat man Silizium aus einem Plasma bei hohen Temperaturen abgeschieden, um die Eigenschaften der abgelagerten Schicht besser kontrollieren zu können. Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Plasmabehandlung ist in der Zeitschrift Solid State Technology, April 1978, S. 89 - 126 abgehandelt; spezielle Verfahrensweisen und Einzelheiten von Plasmaabscheidungssystemen lassen sich der US-PS 4.223.o48 (Engle; erteilt am 16. 9. 198o) finden. Erfolgt die Plasmaabscheidung jedoch bei hohen Temperaturen, zeigt das als Siliziumquelle dienende Gas die Neigung, sich zu zersetzen, so daß eine Abscheidung nicht nur auf den Werkstücken, sondern auf allen heißen Teilen des Abseheidungssystems erfolgt.

Eine weitere unerwünschte Besonderheit der Wärmezersetzung ist, daß die thermische Ungleichförmigkeit zu einer ungleichmäßigen Abscheidung führt.

Neuere Forderungen an die Herstellung von Halbleiterscheiben verlangen sehr enge Toleranzen der Dicke und Zusammensetzung der Werkstücke in einem ein-

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zigen Arbeitszyklus. Trotz der in der Vergangenheit durchgeführten Entwicklungen besteht daher weiterhin Bedarf an einer verbesserten Kontrolle über die Abscheidung von Mono- und Polysilizium. Weiterhin besteht bei der Plasmaabscheidung leitfähiger Schichten Bedarf an einem Verfahren, bei dem die Wärmeabscheidung auf den notwendigerweise isolierenden Teilen des Abscheidungssystems vermieden ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Plasmaabscheidungsverfahren für epitaxiales und polykristallines Silizium im Bereich von 600 bis 12oo°C anzugeben, das eine optimal gleichmäßige Abscheidung polykristalliner Siliziumschichten bei höheren Temperaturen und monokristalliner epitaxialer Siliziumschichten bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht als sie bisher angewandt wurden, wobei man das gleiche Absehe idungssy stein für das Abscheiden von sowohl Polysilizium-als auch epitaxialen Siliziumschichten einsetzen kann.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Plasmaabscheidung von Silizium bei erhöhten Temperaturen, demzufolge man ein halogeniertes oder halogenhaltiges Gas in den Dampf einbringt, um die Wärmeabscheidung relativ zur Abscheidung aus dem Plasma abzuschwächen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung schafft diese ein Verfahren zur Plasmaabscheidung von polykristallinem Silizium bei erhöhten Temperaturen, demzufolge man ein chloriertes oder chlorhaltiges Gas in den Dampf einbringt, um die Wärmeabscheidung relativ zur Plasmaabscheidung abzuschwächen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung schafft diese ein Verfahren zur Plasmaabscheidung von monokristallinem epitaxialem Silizium bei erhöhten Temperaturen, demzufolge man ein halogeniertes oder halogenhaltiges Gas in den Dampf einbringt, um die Wärmeabscheidung relativ zur Plasmaabscheidung abzuschwächen.

Die Erfindung wird nachfolgend ausführlich an bevorzugten Ausführungsformen erläutert.

Es sei Bezug genommen auf die US-PS 4.223.o48, die dem in der vorliegenden Anmeldung genannten Miterfinder George M. Engle, Jr. am 16. 9. 198o erteilt wurde und ein System und ein Verfahren zum Abscheiden und Ätzen von bspw. Polysilizium und Isolierschichten in einem Plasma betrifft. Zur Plasmaabscheidung von Polysilizium gibt man bspw. SiH, in ein beheiztes und evakuiertes System, das die Werkstücke zwischen Elektroden enthält, die so ausgestaltet sind, daß sie zwischen sich ein gleichförmiges Plasma aufrechterhalten können. Typischerweise erfolgt die Abscheidung bei oder unterhalb etwa 6oo C, da es bei höheren Temperaturen zunehmend schwieriger wird, die abgeschiedenen Schichten gleichmäßig dick zu halten, da die Abscheidung infolge der Wärmezersetzung des Silizium-Quellgases im Verhältnis zur Abscheidung aus dem Plasma zunimmt. Wegen der Schwierigkeit, äußerst gut kontrollierte Temperaturbedingungen über einer Vielzahl von Werkstücken aufrechtzuerhalten, kann die Schichtdicke auf den verschiedenen Scheiben einer Cahrge und sogar auf einer einzigen Scheibe stark schwanken. Bei zuneigender Temperatur scheidet sich das Silizium weiterhin zunehmend auch auf den Innenwandflächen der evakuierten Behandlungskammer und auf den Elektroden ab, so daß Reinigungsprobleme auftreten und die Werkstücke sogar verschmutzen können. Beim Auftragen leitfähiger Schichten können die gegenüberliegenden Platten des Reaktors sogar gegeneinander kurzschließen.

Oft ist es jedoch erwünscht, die Abscheidungstemperatur der Schicht zu erhöhen, um andere erwünschte Eigenschaften der Schicht einstellen zu können bspw. die Korngröße und die Dotierung. Bei höheren Temperaturen kann man bspw. auch monokristallines Silizium auftragen.

Nach der vorliegenden Erfindung führt man eine halogenierte oder halogenhaltige Gaskomponente in den Gasstrom ein, um die Wärmeabscheidung im Verhältnis zur Plasmaabscheidung zu unterdrücken. Derartige halogenierte bzw. halogenhaltige Gaszusammensetzungen können u.a. - ohne auf diese beschränkt zu sein Chloride wie SiH₂Cl₂, SiHCl₃ oder SiCl₄ enthaltende Si-Quellgase sein. Alternativ kann man einem nicht chlorinierten Si-Queligas (wie bspw. SiH₄) Salzsäure hinzufügen, um die zur Wärmezersetzung erforderliche thermische Energie anzuheben. Ein solches unabhängiges Einbringen der Si- und der Halogenspezies erlaubt einen breiteren Bereich kontrollierbarer Reaktionen. Mit

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diesem Verfahren des Einrbingens der Halogenspezies in einen zugeführten Gasstrom kann man, wie sich herausgestellt hat, das System bei fehlendem Plasma praktisch ohne Abscheidung auf weit über 600⁰C erwärmen. Die Ausgleichsprobleme beim Ein- und Ausschalten der Quellgasströmung lassen sich also vermeiden, indem man das HF-Plasma nur erzeugt, während das Quellgas stabil strömt.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung läßt sich in einem System anwenden, wie es in der oben genannten US-PS 4.223.048 beschrieben ist. Als Beispiel der Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie derzeit ins Auge gefaßt ist, sei die Bildung einer dotierten Polysiliziumschicht in einem Engle-System beschrieben. Das Boot wird dabei mit siebzig loo-mm-Siliziumscheiben (mit einer I000 A dicken SiO^-Schicht) gefüllt und dann in das Rohr eingeführt. Wenn die Temperatur steht, d.h. nach 35 min bei 62o°C, und nach dem Spülen und Evakuieren auf den Basisdruck werden die Reaktionsgase eingeführt, und zwar 3oo cm /min SuLCl₉,

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I00 cm /min 1%-iges PHr in Ar sowie 800 cm /min Ar bei einem Reaktionsrohrdruck von 2,7 mbar (2 Torr). Der HF-Generator wird dabei auf etwa Ho W Leistung eingestellt, so daß die Abscheidung mit etwa 27o A/min erfolgt. Nach einer Abseheidungszeit von 14 min beträgt die durchschnittliche Dicke des dotierten polykristallinen Siliziums 38oo Ä bei einer Schwankungsbreite von weniger als + 5%. Bei Verwendung der neuartigen isolierenden Abstandhalter aus der genannten Mitanmeldung lassen sich mindestens zwanzig Durchläufe erzielen, bevor man das System auseinandernehmen und die Ablagerungen zwischen den Elektroden entfernen muß. Der dotierende Phosphor in der Polyschicht wird mit einem Tanperaturzyklus von 3o min bei 1ooo°C aktiviert. I-Punkt-Sondenmessungen an der Schicht ergaben einen Bereich von 14 bis 16 Ohm/Quadrat über die gesamte Scheibencharge.

Ober etwa 7oo°C zersetzt sich SiH₂CK teilweise zu einem braunen Pulver» Um die für die Abscheidung von monokristallinem Silizium erforderlichen höheren Temperaturen zu erreichen, verwendet man als halogeniertes bzw. halogenhaltiges Gas vorzugsweise SiIICl-, oder SiH. + HCl. Auf diese Weise erlaubt das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ein gleichmäßiges Auftragen von monokristallinem epitaxialem Silizium bei weit niedrigeren Temperaturen (bspw. 9oo°C) als die bekannten Verfahren (bspw. etwa 1100⁰C) bei nur geringfügig geringeren Wuchsraten, so daß man sehr scharfe Obergänge zwischen

nebeneinanderliegenden Leitschichten erreichen kann. Weiterhin erhält man im Epitaxiereaktor gegenüber bekannten Systemen eine höhere Kapazität pro Durchlauf. Wie oben, ist eine Vielzahl von Durchläufen möglich, bevor man die isolierenden Abstandhalter zwischen den Elektroden von leitendem Material säubern muß.

Während die Erfindung oben speziell an deren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben und erläutert worden ist, ist für den Fachmann einzusehen, daß an den angegebenen Einzelheiten verschiedene Änderungen und auch Weglassungen möglich sind, ohne den Grundgedanken und den Umfang der Erfindung zu verlassen. Bspw. kann man als halogeniertes Gas auch Siliziumtetrachlorid verwenden.

Weiterhin kann man bei der monokristallinen oder epitaxialen Abscheidung vorzugsweise ein Inertgas wie Argon oder Helium oder ein Verdünnungsgas wie Wasserstoff als Träger einsetzen.

Claims

A 15ο

Patentansprüche

7) Verfahren zum Aufdampfen einer siliziumhaltigen Schicht aus einem Plasma bei erhöhten Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein halogeniertes oder halogenhaltiges Gas in den Dampf einführt, um die wärmeinduzierte Abscheidung gegenüber der Abscheidung aus dem Plasma abzuschwächen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein chloriertes oder chlorhaltiges Gas in den Dampf einführt, um die wärmeinduzierte Abscheidung gegenüber der Abscheidung aus dem Plasma abzuschwächen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Temperatur zwischen etwa 6oo°C und etwa 12oo°C liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht leitfähig ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgetragene Schicht aus polykristallinem Silizium besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die aufgetragene Schicht aus monokristallinem epitaxialem Silizium ; besteht. ■ f

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß das aufgetragene Silizium zum Modifizieren seiner elektrischen Eigenschaften dotiert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekenn- ' zeichnet, daß das Gas SiIi₇Cl₉ aufweist.

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9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas SiHCl₃ aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß daß Gas.SiH₄ und HCl aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Siliziumtetrachlorid enthält.