DE3235503C2 - Verfahren zur Plasmaabscheidung einer Silizium-Schicht - Google Patents
Verfahren zur Plasmaabscheidung einer Silizium-SchichtInfo
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- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
Abstract
Verfahren zur Abscheidung von Silizium aus einem Silizium-Quellgas im Plasma. Durch Einführen einer Halogenspezies in die Gasströmung wird die wärmeinduzierte Abscheidung unterdrückt, so daß die Plasmaabscheidung überwiegt. Das Silizium-Quellgas kann die Halogenspezies selbst enthalten; alternativ kann man sie auch separat kontrolliert zuführen. Die Unterdrückung der wärmeinduzierten Abscheidung führt zu einer gleichmäßigeren Schichtdicke über die Werkstücke, so daß die Lebensdauer bzw. Laufzeit erheblich erhöht wird, ohne daß die leitfähigen Platten gegeneinander kurzgeschlossen werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-AS 10 72 815 ist es bekannt, ein siliziumhaltiges
Material aus einem chlorierten Si-Gas abzuscheiden. Die Abscheidung erfolgt dort in einem unbeheizten
System.
Aus der US-PS 42 92 343 ist es bekannt, für die Plasmaabscheidung von amorphem Silizium ein chloriertes
Si-Gas oder Silan (SiH4) zu verwenden und die Abscheidung
bei Temperaturen von 2000C bis 300°C durchzuführen.
Aus der US-PS 41 96 438 ist es bekannt, für die Plasmaabscheidung von amorphem Silizium in einem Temperaturbereich
von 150° bis 500° C ein halogen-haltiges Gas einzusetzen, wobei gleichzeitig davor gewarnt
wird, daß zu viel Halogen schlechte Ergebnisse zeitigt und dem Halogen durch Wasserstoff entgegengewirkt
werden muß. Als gut geeignete Alternative wird demgemäß ein Silan-Gas vorgeschlagen.
Die vorveröffentlichte US-PS 39 00 597 lehrt die Abscheidung von polykristallinem Silizium ohne Plasma
aus Silan oder einem chlorierten Gas im Temperaturbereich von 600° C bis 700° C. Da chlorierte Gase unterhalb
von 700° C keine befriedigende Abscheidungsgeschwindigkeit haben, gelangt bei den in dieser Vorveröfjfentlichung
offenbarten praktischen Ausführungsbei- < !spielen nur Silan zur Anwendung.
Den vorstehenden Vorveröffentlichungen ist somit die generelle Lehre zu entnehmen, daß Silan und chlorierte
Gase gleichermaßen verwendbar sind, daß aber im Gegensatz zu Silan der Einsatz chlorierter Gase bei
der Plasmaabscheidung problematisch ist.
Im Gegensatz zu den vorstehend besprochenen be
kannten Verfahren gelangen bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 in Verbindung
mit der Plasmaabscheidung Abstandshalter zur Anwendung, die die Elektroden, zwischen denen die Werkstükke
angeordnet sind, im Abstand halten, und es gelangen Temperaturen oberhalb etwa 600° C zum Einsatz. Diese
Besonderheit ist insofern problematisch, als verhindert werden muß, daß sich auch auf den Abstandshaltern g
eine leitfähige Schicht niederschlägt
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 42 23 048 entnehmen. Wenn jedoch die Plasi.iaabscheidung
bei hohen Temperaturen stattfindet, so 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 de-s Abscheidungssystems,
also beim Verfahren gemäß' dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 euch auf den Ab-Standshaltern,
erfolgt Eine weitere unerwünschte Besonderheit der Wärmezersetzung besieht darin, 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 einzigen
Arbeitszyklus. Trotz der in der Vergangenheit durchgführten Entwicklungen besteht daher weiterhin
Bedarf an einer verbesserten Kontrolle über die Ab-Scheidung von einkristallinem Silizium und Polysilizium
und in Verbindung mit dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 darüber hinaus die
Forderung, bei der Plasmaabscheidung leitfsihiger Schichten eine Wärmeabscheidung auf den notwendigerweise
isolierenden Teilen des Abscheidungssystems zu vermeiden. Demgemäß besteht die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe darin, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend zu
verbessern, daß einerseits die Bildung einer leitenden Schicht auf den Abstandshaltern verhindert wird, andererseits
aber auch weiterhin eine gleichförmige Abscheidung über eine große Zahl von Werkstücken in
dem Temperaturbereich oberhalb von etwa 600° C, insbesondere 600° bis 700° C erhalten wird Die vorstehende
Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäßen Merkmale haben die Wirkung, daß die Siliziumschicht sowohl in Form von Polysilizium
als auch in Form von einkristallinem Silizium, und zwar im ersteren Falle bei höheren Temperaturen
und im letzteren Falle bei demgegenüber niedrigen Temperaturen, in jedem Falle aber bei Temperaturen
oberhalb von 600° C, optimal gleichmäßig über eine Vielzahl von Werkstücken hinweg abgeschieden werden
kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß sich gleichzeitig auch an den isolierenden Teilen des Abscheidesystems
eine leitende Schicht niederschlägt, weil durch die Einführung des halogenieren oder halogen-haliigen
Gases die thermische Abscheidung gegenüber der Plas-
maabscheidung in diesem Temperaturbereich unter- | drückt wird.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens nach Patentanspruch 1.
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Die Erfindung wird nachstehend ausführlich an bevorzugten Ausführungsformen erläutert
Es sei Bezug genommen auf die US-PS 42 23 048, die 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. SiH4 in ein beheiztes und evakuiertes System, das die Werkstücke zwischen Elektroden
enthält, die so ausgestaltet sind, daß sie zwischen sich ein
gleichförmiges Plasma aufrechterhalter, können. Typischerweise
erfolgt die Abscheidung bei oder unterhalb etwa 600° 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 eine Vielzahl von Werkstücken
aufrechtzuerhalten, kann die Schichtdicke auf den verschiedenen Scheiben einer Charge und sogar auf einer
einzigen Scheibe stark schwanken. Bei zunehmender Temperatur scheidet sich das Silizium weiterhin zunehmend
auch auf den Innenflächen der evakuierten Behandlungskammer und auf den Elektroden ab, so daß
Reinigungsprobleme auftreten und die Werkstücke sogar verschmutzen können. Beim Abtragen 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. E>"i höheren Temperaturen
kann man bspw. auch Tionokristallines Silizium
auftragen.
Nach der vorliegenden Erfindung führt man eine ha-
lögcfiicfic ödcf häiügcfihaitige GäSkömpöncutc in ucli
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, SiHCIj oder SiCI4 enthaltende Si-Quellgase
sein. Alternativ kann man einem nicht chlorinierten Si-Quellgas (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 diesem
Verfahren des Einbringens der Halogenspezies in einen zugeführten Gasstrom kann man, wie sich herausgestellt
hat, das System bei fehlendem Plasma praktisch ohne Abscheidung auf weit über 600° C erwärmen. Die
Ausgleichsprobleme beim Ein- und Ausschalten der Quellgasströmung lassen sich also vermeiden, indem
man das Hochfrequenz-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 42 23 048 beschrieben ist. Als Beispiel der Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsfprm,
wie sie derzeit ins Auge gefaßt ist, sei die Bildung einer dotierten Polysiliziumschicht in einem Engle-System
beschrieben. Das Boot wird dabei mit siebzig 100-mm-Siliziumscheiben (mit einer 100 nm dicken
SiOrSchicht) gefüllt und dann in das Rohr eingeführt. Wenn die Temperatur steht, d. h. nach 35 min bei 62O0C,
und nach dem Spülen und Evakuieren auf den Basisdruck werden die Reaktionsgase eingeführt, und zwar
300 cnWmin SiH2Cl2,100 cnvVmin l°/oiges PH3 in Ar sowie
800 cmVmin Ar bei einem Reaktionsrohrdruck von 2,7 mbar. Der Hochfrequenz-Generator wird dabei auf
etwa 110 W Leistung eingestellt so daß die Abscheidung mit etwa 27 nm/min erfolgt. Nach einer Abscheidungszeit
von 14 min beträgt die durchschnittliche Dikke des dotierten polykristallinen Siliziums 380 nm bei
einer Schwankungsbreite von weniger als ±5%. Bei Verwendung der neuartigen isolierenden Abstandhalter
aus der US-PS 42 23 048 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 Temperaturzyklus von 30 min bei 10000C aktiviert Punkt-Sondenmessungen
an der Schicht ergaben einen Bereich von 14 bis 16 Ohm/Quadrat über die gesamte Scheibencharge.
Ober etwa 7000C zersetzt sich SiH2Cl2 teilweise zu
einem braunen Pulver. Um die für die Abscheidung von monokristallinem Silizium erforderlichen höheren Temperaturen
zu erreichen, verwendet man als halogeniertes bzw. haiogenhaitiges Gas vorzugsweise SiHCi3 oder
SiH4 + HCl. Auf diese Weise erlaubt das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ein gleichmäßiges
Auftragen von monokristallinem epitaxialem Silizium bei weit niedrigeren Temperaturen (bspw. 9000C) als
die bekannten Verfahren (bspw. etwa 110O0C) bei nur
geringfügig geringeren Abscheidungsgeschwindigkeiten, 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
AusführungsforiTicn beschrieben und erläutert
worden ist, kann man als halogeniertes Gas auch Siiiziumtetrachlorid
verwenden. Weiterhin kann man bei der monokristallinen oder epitaxiaien Aoacheidung vorzugsweise
ein Inertgas wie Argon oder Helium oder ein Verdünnungsgas wie Wasserstoff als Träger einsetzen.
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Claims (7)
1. Verfahren zur Plasmaabscheidung einer Silizium-Schicht
bei Temperaturen oberhalb etwa 6000C auf Werkstücken, die zwischen Elektroden angeordnet
sind, die durch sich zwischen ihnen erstreckende Abstandshalter im Abstand gehalten und so gestaltet
sind, daß zwischen ihnen ein gleichförmiges Plasma aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet,
daß um die Abscheidung aus dem Plasma gegenüber der wärmeinduzierten Abscheidung
2U verstärken, in den Dampf ein halogeniertes oder halogen-haltiges Gas eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur zwischen 600° und 1200° C gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitfähige Schicht abgeschieden
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß polykristallines Silizium abgeschieden
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kristallines epitaxiales Silizium abgeschieden
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium dotiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein SiH2Cl2, SiHCl3 oder SiH4 und HCl
enthaltendes Gas eingesetzt wird.
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