WO2003102264A2 - Verfahren zum abscheiden von siliziumnitrid oder siliziumoxinitrid sowie entsprechendes erzeugnis, - Google Patents

Verfahren zum abscheiden von siliziumnitrid oder siliziumoxinitrid sowie entsprechendes erzeugnis, Download PDF

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WO2003102264A2
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silicon
plasma
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Definitions

  • Plasma-excited chemical vapor deposition process for the deposition of silicon nitride or silicon oxynitride, process for producing a layer arrangement and layer arrangement.
  • the invention relates to a plasma-excited chemical vapor deposition process (PECVD, “Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition”) for depositing silicon nitride, a plasma-excited chemical vapor deposition method for depositing silicon oxynitride, a method for producing a layer arrangement and a layer arrangement.
  • PECVD plasma-excited chemical vapor deposition process
  • Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition plasma-excited chemical vapor deposition process
  • Metal-insulator-metal capacitors are generally composed of a first metallic layer on a substrate, a dielectric layer arranged on the first metallic layer and a second metallic layer arranged on the dielectric layer
  • a MIM capacitor is for a number of technical
  • a MIM capacitor can be used in a radio frequency (RF) circuit, in an analog integrated circuit, or in a high-performance microprocessor (MPUs).
  • RF radio frequency
  • MPUs high-performance microprocessor
  • Capacitor in that it can be used as a storage capacitor in a dynamic random access memory (DRAM) memory. It is also possible to use a MIM capacitor in a liquid crystal display (LCD). MIM capacitance is also increasingly used in a logic circuit. An important requirement for a MIM capacitor is that its capacitance C is sufficiently large. The capacitance of a plate capacitor is calculated according to the relationship
  • ⁇ is the relative dielectric constant of the medium introduced between the capacitor plates
  • A is the area of one plate of the plate capacitor
  • d is the plate distance between the two plates of the capacitor.
  • the area of the capacitor A can be chosen to be sufficiently large.
  • the distance between the two plates i.e. the thickness d of the dielectric layer between the two metallic layers of the MIM capacitor can be chosen to be sufficiently small. If the layer thickness of a MIM capacitor falls below a dimension of approximately 50 nm, problems arise with regard to its electrical stability, for example electrical breakdowns can occur and electrical leakage currents can increase.
  • the dielectric constant of the dielectric layer between the two metallic layers of a MIM capacitor is as high as possible.
  • a material for the dielectric layer of a MIM capacitor is often used stoichiometric silicon nitride (Si 3 N 4 ) or stoichiometric silicon oxide, ie silicon dioxide (Si0 2 ), is used.
  • silicon nitride layers used as the dielectric layers of a MIM capacitor have the disadvantage that the electrical breakdown field strength is relatively low (approximately 2MV / cm).
  • a dielectric layer of a MIM capacitor is formed in accordance with the prior art, for example by means of thermal growth or in accordance with the CVD process (“Chemical Vapor Deposition”).
  • the CVD process is a coating technology for the deposition of thin layers from the gas phase on a solid
  • the principle of the CVD process is that gaseous starting materials, so-called precursors, are passed over a substrate and chemically broken down into their constituent parts, as a result of which a new layer grows on the substrate surface.
  • the precursors are usually disassembled thermally, i.e. by heating the substrate.
  • the actual deposition takes place with the participation of a chemical reaction, for example a volatile gaseous component reacts with another gas to form a solid material which is deposited on the substrate.
  • a chemical reaction for example a volatile gaseous component reacts with another gas to form a solid material which is deposited on the substrate.
  • the CVD process has the disadvantage that the process temperatures are relatively high.
  • the plasma-excited chemical vapor deposition process offers a way out of the use of the high process temperatures. While with conventional CVD processes the Gas phase reaction triggered by thermal energy as a result of heating the substrate, the PECVD method is based on the conversion of a gas into the plasma state in the vicinity of the substrate surface. One of the reaction products is a solid substance that is deposited on the surface, which creates a new layer.
  • silicon nitride (SiN x ), silicon oxide (SiO x ) and silicon oxynitride (SiO y N z ) can be deposited.
  • a plasma is ignited between the substrate holder, which serves as the electrode, and another electrode by a strong alternating electric field.
  • the energy of the field breaks bonds in the gas molecules introduced into the PECVD reactor and the gas molecules are broken down.
  • the resulting radicals can be moved towards the substrate by means of an optional second electric field, where the highly reactive radicals are deposited and form the desired layer.
  • dielectric layers are produced from silicon oxide, silicon nitride or silicon oxynitride using the PECVD method.
  • such layers often do not have a sufficiently large relative dielectric constant.
  • the dielectric layers known from the prior art and produced by means of the PECVD process often do not have adequate mechanical or electrical stability. MIM capacitances with sufficiently high capacitances can therefore only be generated in accordance with the method known from the prior art if the distance between the metallic layers of a MIM capacitor is chosen to be sufficiently small. In this case, however, undesirable electrical breakdowns between the two metallic layers can easily occur.
  • [1] discloses a layer arrangement for producing an insulation structure.
  • [2] discloses a method of making a silicon nitride film that is transparent to UV radiation.
  • [3] discloses a silicon nitride layer that can be produced using PECVD as a passivation layer.
  • [4] discloses a method of making silicon oxynitride films.
  • [5] discloses a method for producing a silicon nitride film as a gate dielectric.
  • [6] discloses manufacturing electronic devices that have MIMs and TFTs.
  • [7] discloses the production of silicon oxynitride as a top layer of a microstructure.
  • [8] discloses a method for producing a combination of hard mask and anti-reflective layer.
  • [9] discloses a method and apparatus for applying films using reduced deposition rates.
  • [10] discloses a method for forming silicon-based thin films.
  • the invention is based on the problem of a dielectric
  • the problem is solved by a plasma-excited chemical vapor deposition method for the deposition of silicon nitride, by a plasma-excited chemical Gas phase deposition method for the deposition of silicon oxynitride, by a method for producing a layer arrangement, and by a layer arrangement having the features according to the independent claims.
  • silane, ammonia and nitrogen are used as precursors, the flow rate ratio of silane to ammonia is set between 1:20 and 6: 5 and the flow rate ratio between silane and nitrogen is between 1:40 and 3: 5 set.
  • Substrate, silane, nitrous oxide and nitrogen are used as precursors.
  • the flow rate ratio of silane to nitrous oxide is set between 1: 2 and 25: 4 and the flow rate ratio between silane and nitrogen is set between 1: 100 and 1:10.
  • a method for producing a layer arrangement is created according to the invention, in which a first electrically conductive layer is formed on a substrate, in which a silicon nitride layer according to the plasma-excited chemical vapor deposition method for depositing
  • Silicon nitride or a silicon oxynitride layer according to the plasma-excited chemical vapor deposition method for depositing silicon oxynitride with the above-mentioned features is formed on the first electrically conductive layer. Furthermore, a second electrically conductive layer is formed on the silicon nitride layer or on the silicon oxynitride layer. In addition, a layer arrangement is provided according to the invention, which is produced according to the method with the above-mentioned features.
  • such a layer is suitable for being used as the dielectric layer of a MIM capacitor.
  • such a layer can be used to produce a capacitor with the same capacitance C in a smaller area of the two metallic cover layers of the MIM capacitor.
  • the silicon nitride or silicon oxynitride layer produced according to the invention as dielectric layer of a MIM capacitor to choose the thickness of the dielectric layer and thus the distance d between the two metallic cover layers with the same capacitance larger, so that a higher mechanical and electrical stability of the MIM capacitor is achieved.
  • a higher dielectric layer thickness in a MIM capacitor problems with electrical leakage currents between the metallic layers are avoided and electrical breakdowns with high electrical fields are also avoided.
  • a sufficiently low wet etching rate is advantageous, since this enables such a layer to be removed or etched back under controlled process conditions.
  • the method according to the invention is based on the semiconductor technology standard method PECVD, as can be carried out on commercially available PECVD reactors, for example the "Novellus Concept One".
  • the manufacture of the silicon according to the invention is therefore rich
  • Silicon nitride or silicon oxynitride layers possible with moderate effort.
  • the pressure in the process chamber is preferably set between approximately 260 Pa and 530 Pa.
  • the plasma is preferably generated from the precursors silane, ammonia and nitrogen introduced into the process space using a high-frequency field with a power between approximately 300W and 700W.
  • a low frequency field with a power between approximately 300W and 700W can be applied to the substrate in order to accumulate plasma in a surrounding area of the substrate.
  • the flow rate of silane is set to a value between 100 standard cubic centimeters per minute and 600 standard cubic centimeters per minute.
  • the flow rate ratio of silane to ammonia is preferably set between 1:10 and 3: 5, the flow rate ratio between silane and nitrogen between 1:20 and 3:20, the pressure in the process chamber between 360Pa and 430Pa and the power of the high frequency Field and the power of the low-frequency field independently of each other to a value between approximately 400W and 600W.
  • the flow rate of silane can be set to approximately 300 standard cubic centimeters per minute.
  • the pressure in the process chamber is preferably set between 260 Pa and 530 Pa.
  • a high-frequency field with a power between 200W and 500W can be created to generate the plasma.
  • a low-frequency field with a power of up to 300 W for accumulating plasma can be applied in a surrounding area of the substrate.
  • the low frequency field is not absolutely necessary and can optionally be omitted.
  • the flow rate of silane is preferably set between 100 and 500 standard cubic centimeters per minute.
  • the flow rate ratio of silane to nitrous oxide is set between 1: 1 and 25: 8, the flow rate ratio between silane and nitrogen between 1:50 and 1:20, the pressure in the process chamber is set between 350Pa and 430Pa and the power of the high-frequency field is set to a value between 300W and 400W and the power of the low-frequency field is set to a value of up to 150W.
  • the low requency field can also be omitted.
  • the flow rate ratio of silane to nitrous oxide is set to approximately 13:12
  • the flow rate ratio between silane and nitrogen is set to about 13: 800
  • the pressure in the process chamber is set to about 350Pa
  • the power of the radio frequency field is set to about 300W.
  • the flow rate of silane is preferably set to approximately 130 standard cubic centimeters per minute.
  • a semiconductor substrate is preferably used as the substrate, for example a silicon substrate such as a silicon wafer or a silicon chip.
  • a metal is used for the first and / or for the second electrically conductive material.
  • the layer arrangement produced according to the method is preferably used as a MIM capacitor.
  • an electrically insulating layer is formed, for example in accordance with the method according to the invention, there may be a risk that, due to fluctuations in the process control and / or due to other undesirable effects, the electrically insulating property of a formed layer, for example a silicon oxide or Silicon oxynitride layer, is not ideally achieved. Such a layer may undesirably have some residual electrical conductivity.
  • the methods described below are provided according to the invention, with which the electrically insulating property of a layer, for example a silicon oxide or silicon oxynitride layer produced according to the invention, can be improved.
  • the deposition process is interrupted at least once and continued after a predeterminable waiting time, so that the electrically insulating layer is formed from n + 1 partial layers, where n is the number of interruptions.
  • the plasma-assisted deposition process is interrupted once or several times and is continued in each case after a waiting time. As a result of the brief switching off of the plasma or the interruption of the deposition process, the successive formation of the layer can thus be interrupted.
  • a layer stack of several partial layers (which are, however, essentially made of the same material) is created, whereby defects, ie solid-state disorder (e.g. dislocations), can advantageously occur at the interfaces of two neighboring partial layers.
  • defects ie solid-state disorder (e.g. dislocations)
  • solid-state faults clearly interrupt any continuous electrically conductive areas contained in the layer and therefore prevent parasitic current paths.
  • a heterogeneous electrically insulating layer obtained in this way has an improved insulation effect compared to a layer deposited without interrupting the deposition process. Electrical breakdowns and leakage currents are avoided.
  • a method for depositing an approximately electrically insulating layer with reduced residual conductivity preferably a silicon oxide or silicon oxynitride layer, is created, according to the method
  • the layer in at least two sub-steps using a predetermined deposition process, preferably a plasma-assisted deposition process
  • the separation is interrupted for a predeterminable period of time between two partial steps.
  • an approximately electrically insulating layer to be produced according to the invention for example a silicon oxide or silicon oxynitride layer
  • the electrical insulation property of an approximately electrically insulating layer to be produced according to the invention is improved by the fact that possibly in a deposited layer Electrically conductive areas containing the layer, for example unsaturated silicon bonds in a silicon oxide layer, are oxidized in an oxygen-containing plasma and thus saturated.
  • a surface treatment can be carried out in an oxygen-containing plasma (for example an oxygen plasma and / or a dinitrogen monoxide plasma).
  • a method for depositing an approximately electrically insulating layer with reduced residual conductivity preferably a silicon oxide or
  • Silicon oxynitride layer created according to the method
  • the layer is deposited using a predetermined deposition process, preferably a plasma-assisted deposition process
  • the layer is exposed to an oxygen-containing plasma in such a way that electrically conductive areas of the Layer due to an interaction with the oxygen-containing plasma to be converted into electrically insulating areas.
  • FIG. 1 shows a PECVD reactor by means of which the method for depositing a silicon nitride layer or a silicon oxynitride layer can be carried out in accordance with a preferred exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a diagram determined using an infrared spectroscopy method (FTIR), which shows schematically the dependence of the infrared absorption I on the wave number k of the infrared radiation for silicon nitride layers produced according to the invention for different ammonia flow rates,
  • FTIR infrared spectroscopy method
  • FIG. 3 shows a diagram determined using an infrared spectroscopy method (FTIR), which schematically shows the dependence of the infrared absorption I on the wave number k of the infrared radiation for those produced according to the invention
  • FTIR infrared spectroscopy method
  • Silicon oxynitride layers for different nitrous oxide flow rates shows
  • FIG. 4 is a graph showing results from Rutherford backscatter experiments (RBS) and in which the
  • FIG. 5A is a diagram that schematically shows the dependence of the relative dielectric constant ⁇ on the refractive index n for shows a silicon nitride layer produced according to the invention or for a silicon oxynitride layer produced according to the invention,
  • FIG. 5B is a diagram that schematically shows the dependence of different physical parameters of a silicon nitride layer produced according to the invention on the ammonia flow rate.
  • FIG. 5C is a diagram which schematically shows the dependence of different physical parameters of a silicon oxynitride layer produced according to the invention on the dinitrogen monoxide flow rate.
  • a preferred exemplary embodiment of the plasma-excited chemical vapor deposition method according to the invention for depositing silicon nitride on a substrate is described below with reference to the PECVD reactor 100 shown in FIG.
  • the PECVD reactor 100 shown in FIG. 1 has one
  • a silicon wafer 103 is mounted on a holding device 102 in the process chamber 101.
  • an electrode 104 which is divided into a plurality of sections and has three openings 105a, 105b, 105c is arranged in the process chamber 101. If a first valve 106a is open, silane gas (SiH 4 ) can be introduced from the first reservoir 107a into the process chamber 101 through the first opening 105a. Furthermore, ammonia gas (NH 3 ) can be introduced into the process chambers 101 through the second opening 105b if a second valve 106b is open
  • a third valve 106c is open, nitrogen gas (N 2 ) can be introduced from the third reservoir 107c into the process chamber 101 through a third opening 105c.
  • the electrode 104 is connected to an RF voltage source 108
  • the holding device 102 is coupled to an LF voltage source 109 for generating a low-frequency voltage signal and for applying the same to the holding device 102 and to the wafer 103.
  • the PECVD reactor 100 has a gas outlet 110, from which gas, if the fourth valve 111 is open, can be removed from the process chambers 101.
  • FIG. 1 shows a pump 112 with which reaction products that are not required are pumped out of the process chamber 101 through the gas outlet 110 and with which a desired pressure is set in the process chamber 101.
  • such a high-frequency voltage is applied to the electrode 104 by means of the RF voltage source 108 that a strong alternating electric field is created by means of the electrode 104 in the process chamber 101.
  • silane is admitted into the process chamber 101 at a suitable flow rate, which can be set, for example, by adjusting the first valve 106a.
  • ammonia gas of a suitable flow rate is introduced into the process chamber 101 from the second reservoir 107, the flow rate being adjustable, for example, by means of the second valve 106b.
  • the third reservoir 107c becomes nitrogen gas of a suitable flow rate, which is adjusted by adjusting the third
  • Valve 106c is set, let into the process chamber 101.
  • the admitted gas molecules are brought into the plasma state by means of the high-frequency electric field.
  • the gas molecules are converted into radicals, for example chemically highly reactive silicon radicals are generated from silane.
  • a plasma 113 is thereby formed.
  • a low-frequency electrical voltage is applied to the wafer 103 via the holding device 102 by means of the LF voltage source 109. This low-frequency voltage ensures that the wafer 103 is biased negatively compared to the positively charged plasma 113.
  • the radicals of the plasma 113 diffuse to the surface of the silicon wafer 103 and are adsorbed there.
  • the radicals react chemically on the hot surface of the silicon wafer 104 and thus form a silicon nitride layer 114 on the surface of the wafer 103.
  • the reaction equation of this chemical reaction on the surface of the silicon wafer 103 has the following form:
  • silane, ammonia and nitrogen are used as precursors.
  • 300 standard cubic centimeters per minute are set as the flow rate of silane
  • 1000 standard cubic centimeters per minute are set as the flow rate of ammonia
  • 1600 standard cubic centimeters per minute are set as the flow rate of nitrogen
  • the pressure in the process chamber is set to approximately 350 Pa and the high frequency
  • the pressure can be adjusted by adjusting the valve 111 and the working parameters of the pump 112.
  • the flow rate ratio of silane to ammonia is set to approximately 3:10, whereas the flow rate ratio between silane and nitrogen is set to approximately 3:16.
  • the LF voltage source 109 is optional and only performs the function of accumulating the positively charged plasma in a surrounding area of the surface of the silicon wafer 103, thereby causing a chemical reaction to take place on the surface of the silicon wafer 103 is favored.
  • the LF voltage source 109 can also be omitted. According to the described
  • Exemplary embodiment is selected as the frequency of the HF voltage source 13.56 MHz, whereas 100 kHz is selected as the frequency for the LF voltage source according to the exemplary embodiment described.
  • the "Novellus Concept One" system from Novellus TM is selected as the PECVD reactor 100.
  • any other suitable PECVD reactor can be used to carry out the process according to the invention.
  • the PECVD reactor 100 can also be used to process the plasma-excited chemical vapor deposition method according to the invention
  • silane gas is introduced into the first reservoir 107a, nitrous oxide (N 2 0) into the second reservoir 107b and nitrogen (N 2 ) into the third reservoir 107c.
  • Silicon oxynitride layer on the surface of the silicon wafer 103 takes place in this case according to the reaction equation:
  • the flow rate of silane is set to 130sccm
  • the flow rate of nitrous oxide is set to 120sccm
  • the flow rate of nitrogen is set to
  • a silicon nitride layer or a silicon oxynitride layer is provided, in which the proportion of silicon is increased by using the PECVD method and by means of a skillful process control, as a result of which the high relative dielectric constant results of silicon, the relative dielectric constant of the resulting silicon nitride or silicon oxynitride layer is increased.
  • the process gases silane, nitrogen as well as ammonia or dinitrogen monoxide
  • a basic idea of the invention can also be seen in the fact that the flow rate of ammonia is reduced according to the invention when producing a silicon nitride layer using the PECVD method or that the flow rate of nitrous oxide is reduced in order to produce a silicon oxynitride layer so that a desired one Predeterminable stoichiometry with an increased high proportion of silicon is obtained in the resulting silicon nitride or silicon oxynitride layers.
  • FIG. 2 shows a diagram 200 which shows an FTIR spectrum ("Fourier transform infrared spectroscopy") of silicon nitride layers produced according to the invention.
  • the wave number k in cm ⁇ 1
  • the intensity of the absorbed infrared radiation is plotted along the ordinate 202 of the diagram 200.
  • a characteristic material or a characteristic chemical bond is assigned to each peak in an FTIR spectrum.
  • the three curves 203, 204, 205 shown have peaks which are characteristic of NH bonds, Si-H bonds or Si-N bonds. The intensity of the corresponding peaks is therefore a measure of the stoichiometric proportion of the corresponding element or the corresponding chemical bond in the silicon nitride layer examined.
  • a first curve 203 shows an FTIR spectrum as is obtained when the plasma-excited chemical gas phase shutdown method according to the invention is carried out for the deposition of silicon nitride using an ammonia flow rate of 1500 standard cubic centimeters per minute.
  • a second curve 204 corresponds to an ammonia flow rate of 2000 standard cubic centimeters per minute and a third curve 205 shows the FTIR spectrum at an ammonia flow rate of 4000 standard cubic centimeters per minute.
  • FIG. 3 shows a diagram 300 in which the FTIR spectrum of silicon oxynitride layers produced according to the invention is shown. Again, the wave number k (in cm -1 ) of the incident infrared radiation is shown along the abscissa 301. Infrared absorption I (in arbitrary units) is plotted along ordinate 302.
  • the diagram 300 shows a first curve 303 and a second curve 304.
  • the first curve 303 shows the FTIR spectrum obtained from a silicon oxynitride layer produced according to the invention in the event that the dinitrogen monoxide flow rate reaches 160
  • Standard cubic centimeters per minute is set.
  • the flow rate of nitrous oxide is set to 200 standard cubic centimeters per minute.
  • a reduction in the dinitrogen monoxide flow rate leads to a relative shift in the weighting Si-O / Si-N the Si-N component.
  • the proportion of nitrogen-ligated silicon increases as the dinitrogen monoxide flow rate is reduced.
  • Stoichiometric silicon oxide occurs in the Si0 2 configuration, so that one third of the silicon dioxide contains silicon.
  • the stoichiometric composition of silicon nitride is usually Si 3 N 4 , so that the silicon nitride component has 3/7 silicon.
  • An increase in the nitrogen-liganded silicon component in the FTIR spectrum with a simultaneous decrease in the oxygen-liganded silicon component therefore leads to an increase in the silicon content in the silicon oxynitride layer, so that silicon-rich layers are obtained when the flow rate of nitrous oxide is reduced , Therefore, by reducing the flow rate of dinitrogen monoxide (ie by choosing the
  • FIG. 1 shows a diagram 400 which is based on RBS investigations (“Rayleigh Backscattering Spectroscopy”) of silicon oxynitride layers produced in accordance with the invention.
  • RBS Rayleigh Backscattering Spectroscopy
  • the composition of a layer is determined by high-energy ions on a solid due to the electrostatic potential of the
  • the quantitative composition of an investigated layer can be determined from the scatter spectrum.
  • FIG. 4 different nitrous oxide flow rates are plotted along the abscissa 401 in sccm (standard cubic centimeters per minute) when producing silicon oxynitride layers according to the invention.
  • the proportions of the elements silicon (Si), oxygen (0) and nitrogen (N) determined from the RBS spectrum are plotted along the ordinate 402. Different nitrous oxide flow rates were used, but a constant silane flow rate was used to determine the associated
  • a first curve 403 shows the dependence of the silicon contribution in the silicon oxynitride layer for the different dinitrogen monoxide flow rates.
  • a second curve 404 shows the dependence of the oxygen contribution in the manufactured ones
  • a third curve 405 shows the contribution of the nitrogen component in the silicon oxynitride layers.
  • FIG. 4 there is a correlation between the silicon contribution in a silicon oxynitride layer produced in this way and the dinitrogen monoxide flow rate used for the PECVD process. The lower the dinitrogen monoxide flow rate, the higher the relative proportion of silicon. Therefore, the relative dielectric constant of the resulting silicon oxynitride layer can be increased by reducing the dinitrogen monoxide flow rate.
  • 5A shows a diagram 500 which shows the dependence of the relative dielectric constant ⁇ (dimensionless) of a silicon nitride or silicon oxynitride layer produced according to the invention on the refractive index n (dimensionless) of the layer for light with a wavelength of 635 nm.
  • the refractive index n is plotted along the abscissa 501.
  • Values of the relative dielectric constant ⁇ of the silicon nitride or silicon oxynitride layers are plotted along the ordinate 502.
  • first curve 503 the dependencies for silicon nitride (first curve 503) and for silicon oxynitride (second curve 504) respectively increase monotonously.
  • an increase in the refractive index n leads to an increase in the relative dielectric constant ⁇ .
  • a first curve 514 shows the dependence of the refractive index n of the silicon nitride layer produced according to the invention on the set ammonia flow rate. As shown in Figure 5B, there is a clear correlation between a reduction in ammonia
  • Flow rate dV / dt and an increase in the refractive index n Referring to FIG. 5A, an increased corresponds Refractive index of a silicon nitride layer (see first curve 503) with an increase in the relative
  • Dielectric constant of the layer Dielectric constant of the layer. If the statements of diagram 510 and diagram 500 are summarized, a reduction in the ammonia flow rate leads to an increase in the relative dielectric constant. This is an essential effect on which the invention is based.
  • FIG. 5B shows a second curve 515, which shows the dependence of the wet etching rate ds / dt (in nm per minute) on the ammonia flow rate dV / dt.
  • a reduced ammonia flow rate therefore not only leads to an increase in the relative dielectric constant, but also to a significant reduction in the wet etching rate.
  • a sufficiently low wet etching rate ensures that a defined etching back of a layer produced according to the invention is made possible. Since the wet etching rate of the silicon nitride layer produced according to the invention is reduced with an increased dielectric constant, further processing of such a layer is made possible under defined conditions.
  • a third curve 516 is shown in diagram 510, which shows the dependence of the compressive stress ⁇ (in 10 8 Pa) on the ammonia flow rate.
  • An increase in the relative dielectric constant as a result of the reduction in the ammonia flow rate is therefore accompanied by a reduction in the compressive stress and consequently in a reduced internal stress of the silicon nitride layer, which is advantageous.
  • a fourth curve 517 is shown in diagram 510, which shows the dependence of the silicon nitride deposition rate on the ammonia flow rate. The lower the ammonia flow rate, the higher the separation rate.
  • Diagram 520 explains the dependency for silicon oxynitride layers produced according to the invention shows different physical parameters of the nitrous oxide flow rate (in sccm).
  • the flow rate of dinitrogen monoxide is plotted along the abscissa 511 in the PECVD method according to the invention. Furthermore, the refractive index n is plotted (dimensionless) along a first ordinate 522, and the wet etching rate ds / dt (in nm per minute) is plotted. The deposition rate of silicon oxynitride, as obtained by the method according to the invention, is plotted along a second ordinate 523.
  • a first curve 524 in diagram 520 shows the dependence of the refractive index n on the dinitrogen monoxide flow rate. The correlation can be seen from the first curve 524 from FIG. 5C and from the second curve 504 from FIG. 5A, that a reduction in the dinitrogen monoxide flow rate leads to an increase in the relative dielectric constant ⁇ .
  • a curve 525 from FIG. 5C shows the dependence of the wet etching rate ds / dt on the flow rate of nitrous oxide during the PECVD process.
  • a reduction in the flow rate in this case nitrous oxide leads to a reduction in the wet etching rate, so that a reduction in the dinitrogen monoxide flow rate enables the silicon oxynitride layer produced according to the invention to be processed further under defined process conditions.
  • a third curve 526 is shown in diagram 520, which shows the dependence of the silicon oxynitride deposition rate on the dinitrogen monoxide flow rate.
  • a reduction in the flow rate in this case, nitrous oxide leads to a reduction in the deposition rate 526.
  • the described physical parameters of the silicon nitride or silicon oxynitride layers produced according to the invention as well as the dependence of the physical parameters of these layers on the process conditions shows that by reducing the flow rates of ammonia or nitrous oxide during a PECVD process, layers with an increased ⁇ and advantageous material properties can be obtained.
  • such layers have the necessary electrical, mechanical and optical properties in order to be suitable as dielectric layers of a MIM capacitor.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Plasmaangeregtes chemisches Gasphasenabscheide-Verfahren (PECVD) zum Abscheiden von Siliziumnitrid bzw. Siliziumoxinitrid, ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht-Anordnung und eine Schicht-Anordnung. Bei dem Plasmaangeregten chemischen Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid auf einem Substrat werden Silan, Ammoniak und Stickstoff als Precursoren verwendet, wird das Flussratenverhältnis von Silan zu Ammoniak zwischen 1:20 und 6:5 eingestellt und wird das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff zwischen 1:40 und 3:5 eingestellt.

Description

Beschreibung
Plasmaangeregtes chemisches Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid, Verfahren zum Herstellen einer Schicht-Anordnung und Schicht- Anordnung.
Die Erfindung betrifft ein Plasmaangeregtes chemisches Gasphasenabscheide-Verfahren (PECVD, „plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition") zum Abscheiden von Siliziumnitrid, ein Plasmaangeregtes chemisches Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumoxinitrid, ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht-Anordnung sowie eine Schicht-Anordnung.
Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren (MIM-Kondensatoren) sind in der Regel aus einer ersten metallischen Schicht auf einem Substrat, einer auf der ersten metallischen Schicht angeordneten dielektrischen Schicht und einer auf der dielektrischen Schicht angeordneten zweiten metallischen
Schicht aufgebaut. Die drei Schichten eines MIM-Kondensators werden mit halbleitertechnologischen Verfahren auf die Substrat-Oberfläche aufgebracht.
Ein MIM-Kondensator ist für eine Reihe technischer
Anwendungen interessant. So kann ein MIM-Kondensatoren in einem Radiofrequenz-Schaltkreis (RF-Schaltkreis) , in einem analogen integrierten Schaltkreis oder in einem Hochleistungsmikroprozessor (MPUs) verwendet werden. Ferner besteht eine wirtschaftlich interessante Anwendung eines MIM-
Kondensators darin, dass er als Speicherkondensator in einem DRAM-Speicher ( "Dynamic Random Access Memory" ) verwendet werden kann. Ferner ist es möglich, einen MIM-Kondensator in einer Flüssigkristallanzeige (LCD) zu verwenden. Auch in einem Logik-Schaltkreis findet eine MIM-Kapazität verstärkt Anwendung . Eine wichtige Anforderung an einen MIM-Kondensator ist, dass dessen Kapazität C ausreichend groß ist. Die Kapazität eines Plattenkondensators berechnet sich gemäß der Beziehung
C = SA/d (1)
Dabei ist ε ist die relative Dielektrizitätskonstante des zwischen den Kondensatorplatten eingebrachten Mediums, A ist die Fläche einer Platte des Plattenkondensators und d ist der Plattenabstand zwischen den beiden Platten des Kondensators.
Um eine ausreichend große Kapazität zu erreichen, kann die Fläche des Kondensators A entsprechend ausreichend groß gewählt werden. Es ist allerdings ein bedeutendes Ziel der Silizium-Mikroelektronik, zunehmend kleinere Strukturen zu entwickeln. Daher ist das Erreichen einer ausreichend hohen Kapazität eines MIM-Kondensators mittels Erhöhens der Plattenfläche des Kondensators mit dem Ziel einer fortschreitenden Miniaturisierung von integrierten Schaltkreisen nicht kompatibel. Ferner kann, wie sich aus Gleichung (1) ergibt, der Abstand zwischen den beiden Platten, d.h. die Dicke d der dielelektrischen Schicht zwischen den beiden metallischen Schichten des MIM- Kondensators, ausreichend klein gewählt werden. Sofern die Schichtdicke eines MIM-Kondensators eine Dimension von etwa 50nm unterschreitet, treten Probleme hinsichtlich dessen elektrischer Stabilität auf, beispielsweise können elektrische Durchbrüche auftreten, und elektrische Leckströme können zunehmen .
Daher ist es erstrebenswert, dass die
Dielelektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht zwischen den beiden metallischen Schichten eines MIM- Kondensators möglichst hoch ist.
Gemäß dem Stand der Technik wird als Material für die dielektrische Schicht eines MIM-Kondensators häufig stöchiometrisches Siliziumnitrid (Si3N4) oder stöchiometrisches Siliziumoxid, d.h. Siliziumdioxid (Si02) , verwendet. Siliziumnitrid weist die Eigenschaft auf, dass die Dielektrizitätskonstante (ε=6-7) vorteilhaft hoch ist. Allerdings weisen Siliziumnitrid-Schichten verwendet als dielektrische Schichten eines MIM-Kondensators den Nachteil auf, dass die elektrische Durchbruchfeidstärke relativ gering ist (ungefähr 2MV/cm) . Dagegen ist die Durchbruchfeidstärke von Siliziumdioxid vorteilhafterweise deutlich größer als bei Siliziumnitrid (ungefähr 6MV/cm) , aber die relative Dielektrizitätskonstante von Siliziumdioxid (ε=4) ist deutlich geringer als die von Siliziumnitrid.
Das Ausbilden einer dielektrischen Schicht eines MIM- Kondensators erfolgt gemäß dem Stand der Technik beispielsweise mittels thermischen Aufwachsens oder gemäß dem CVD-Verfahren („Chemical Vapour Deposition") .
Das CVD-Verfahren ist eine Beschichtungstechnologie zum Abscheiden dünner Schichten aus der Gasphase auf einem festen
Substrat. Das Prinzip des CVD-Verfahrens besteht darin, dass gasförmige Ausgangsmaterialien, sogenannte Precursoren, über ein Substrat geleitet und chemisch in deren Bestandteile zerlegt werden, wodurch auf der Substrat-Oberfläche eine neue Schicht aufwächst. Das Zerlegen der Precursoren erfolgt zumeist thermisch, d.h. mittels Heizens des Substrats. Das eigentliche Abscheiden erfolgt unter Beteiligung einer chemischen Reaktion, beispielsweise reagiert eine flüchtige gasförmige Komponente mit einem anderen Gas zu einem festen Material, das auf dem Substrat abgeschieden wird. Allerdings weist das CVD-Verfahren den Nachteil auf, dass die Prozesstemperaturen relativ hoch sind.
Ein Ausweg aus der Verwendung der hohen Prozesstemperaturen bietet das Plasmaangeregte chemische Gasphasenabscheide- Verfahren (PECVD, "Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition" ) . Während bei herkömmlichen CVD-Prozessen die Gasphasenreaktion durch thermische Energie infolge Heizens des Substrats ausgelöst wird, beruht das PECVD-Verfahren auf der Überführung eines Gases in den Plasma-Zustand in der Nähe der Substrat-Oberfläche. Eines der Reaktionsprodukte ist dabei ein fester Stoff, der sich auf der Oberfläche niederschlägt, wodurch eine neue Schicht gebildet wird. Unter Verwendung des PECVD-Verfahrens lassen sich unter anderem Siliziumnitrid (SiNx) , Siliziumoxid (SiOx) und Siliziumoxinitrid (SiOyNz) abscheiden. In einem PECVD-Reaktor wird zwischen dem Substrat-Halter, der als Elektrode dient und einer weiteren Elektrode durch ein starkes elektrisches Wechselfeld ein Plasma gezündet. Durch die Energie des Feldes werden Bindungen der in den PECVD-Reaktor eingeleiteten Gasmoleküle aufgebrochen und die Gasmoleküle zersetzt. Die entstehenden Radikale können mittels eines optionalen zweiten elektrischen Feldes in Richtung des Substrats bewegt werden, wo sich die hochreaktiven Radikale niederschlagen und die gewünschte Schicht bilden.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen unter Verwendung des PECVD-Verfahrens dielektrische Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid erzeugt werden. Allerdings weisen derartige Schichten häufig keine ausreichend große relative Dielelektrizitätskonstante auf. Ferner weisen die aus dem Stand der Technik bekannten, mittels des PECVD-Verfahrens hergestellten dielektrischen Schichten häufig keine ausreichende mechanische bzw. elektrische Stabilität auf. MIM-Kapazitäten mit ausreichend hohen Kapazitäten sind gemäß dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren daher nur erzeugbar, wenn der Abstand zwischen den metallischen Schichten eines MIM-Kondensators ausreichend klein gewählt wird. In diesem Falle kann es allerdings leicht zu unerwünschten elektrischen Durchbrüchen zwischen den beiden metallischen Schichten kommen.
[1] offenbart eine Schicht-Anordnung zum Herstellen einer Isolationsstruktur . [2] offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumnitrid-Films, der für UV-Strahlung durchlässig ist.
[3] offenbart eine mittels PECVD herstellbare Siliziumnitrid- Schicht als Passivierungsschicht .
[4] offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Siliziumoxinitrid-Filmen.
[5] offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumnitrid-Films als Gate-Dielektrikum.
[6] offenbart das Herstellen elekronischer Vorrichtungen, die MIMs und TFTs aufweisen.
[7] offenbart das Herstellen von Siliziumoxinitrid als Deckschicht einer MikroStruktur.
[8] offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Kombination von Hartmaske und Antireflexschicht .
[9] offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen von Filmen unter Verwendung reduzierter Abscheideraten.
[10] offenbart ein Verfahren zum Ausbilden Silizium-basierter Dünnfilme .
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine dielektrische
Schicht bereitzustellen, die eine größere relative Dielektrizitätskonstante aufweist bei im Wesentlichen gleichbleibender mechanischer und elektrischer Stabilität.
Das Problem wird durch ein Plasmaangeregtes chemisches Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid, durch ein Plasmaangeregtes chemisches Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumoxinitrid, durch ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht-Anordnung, sowie durch eine Schicht-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Plasmaangeregten chemischen Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid auf einem Substrat werden Silan, Ammoniak und Stickstoff als Precursoren verwendet, das Flussratenverhältnis von Silan zu Ammoniak wird zwischen 1:20 und 6:5 eingestellt und das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff wird zwischen 1:40 und 3:5 eingestellt.
Bei dem Plasmaangeregten chemischen Gasphasenabscheide- Verfahren zum Abscheiden von Siliziumoxinitrid auf einem
Substrat werden Silan, Distickstoffmonoxid und Stickstoff als Precursoren verwendet. Das Flussratenverhältnis von Silan zu Distickstoffmonoxid wird zwischen 1:2 und 25:4 eingestellt und das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff wird zwischen 1:100 und 1:10 eingestellt.
Bei den genannten Flussraten, angegeben in
Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm) , handelt es sich um Massenflüsse.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht-Anordnung geschaffen, bei dem eine erste elektrisch leitfähige Schicht auf einem Substrat ausgebildet wird, bei dem eine Siliziumnitrid-Schicht gemäß dem Plasmaangeregten chemischen Gasphasenabscheide-Verf hren zum Abscheiden von
Siliziumnitrid oder eine Siliziumoxinitrid-Schicht gemäß dem Plasmaangeregten chemischen Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumoxinitrid mit den oben genannten Merkmalen auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet wird. Ferner wird eine zweite elektrisch leitfähige Schicht auf der Siliziumnitrid-Schicht oder auf der Siliziumoxinitrid-Schicht ausgebildet. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine Schicht-Anordnung bereitgestellt, die gemäß dem Verfahren mit den oben genannten Merkmalen hergestellt ist.
Die erfindungsgemäß gewählten Flussraten-Verhältnisse der Precursoren des PECVD-Verfahrens zum Herstellen einer Siliziumnitrid-Schicht bzw. einer Siliziumoxinitrid-Schicht unterscheiden sich anschaulich vom Stand der Technik dadurch, dass im Falle des Abscheidens von Siliziumnitrid das
Verhältnis der Flussraten von Silan (SiH4) zu Ammoniak (NH3) bzw. beim Abscheiden von Siliziumoxinitrid das Verhältnis der Flussraten von Silan zu Distickstoffmonoxid (N20) erhöht sind. Die erfindungsgemäß hergestellten Schichten aus Siliziumnitrid (SiNx) bzw. Siliziumoxinitrid (SiOyNz) weisen dabei vorzugsweise nicht-stöchiometrische Silizium-Anteile auf. D.h., dass beispielsweise die erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid-Schichten einen höheren Silizium-Anteil aufweisen können als stöchiometrisches Siliziumnitrid (Si3N4) , das 3/7 Atomanteile Silizium aufweist. Da Silizium eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist (ε=12), ist dadurch die Dielektrizitätskonstante der erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schichten erhöht .
Indem erfindungsgemäß ein Verfahren bereitgestellt ist, gemäß dem das Abscheiden einer dielektrischen Schicht aus Siliziumnitrid bzw. aus Siliziumoxinitrid mit gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Dielektrizitätskonstante ermöglicht ist, ist eine solche Schicht dazu geeignet, als dielektrische Schicht eines MIM-Kondensators verwendet zu werden. Bezugnehmend auf Gleichung (1) kann mit einer solchen Schicht bei einer kleineren Fläche der beiden metallischen Deckschichten des MIM-Kondensators ein Kondensator mit der gleichen Kapazität C hergestellt werden. Umgekehrt ist es möglich, bei Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schicht als dielektrische Schicht eines MIM-Kondensators die Dicke der dielektrischen Schicht und damit den Abstand d zwischen den beiden metallischen Deckschichten bei gleicher Kapazität größer zu wählen, so dass eine höhere mechanische und elektrische Stabilität des MIM-Kondensators erreicht wird. Insbesondere sind bei einer höheren dielektrischen Schichtdicke in einem MIM-Kondensator Probleme mit elektrischen Leckströmen zwischen den metallischen Schichten vermieden und elektrische Durchbrüche bei hohen elektrischen Feldern ebenfalls vermieden.
Ferner zeigen Experimente an den erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid- Schichten, dass diese Schichten mit einem hohen Silizium- Anteil verringerte Druckspannungen (d.h. mechanische
Eigenspannungen) und eine verringerte Nassätzrate aufweisen. Eine ausreichend geringe Nassätzrate ist von Vorteil, da dies ein Entfernen bzw. Rückätzen einer solchen Schicht unter kontrollierten Prozessbedingungen ermöglicht.
Ferner beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf dem halbleitertechnologischen Standardverfahren PECVD, wie es auf kommerziell erwerbbaren PECVD-Reaktoren, beispielsweise dem "Novellus Concept One", durchgeführt werden kann. Daher ist das Herstellen der erfindungsgemäßen Silizium-reichen
Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schichten mit einem mäßigen Aufwand möglich.
Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen .
Bei dem oben charakterisierten Plasmaangeregten chemischen Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid wird vorzugsweise der Druck in der , Verfahrenskammer zwischen ungefähr 260Pa und 530Pa eingestellt . Das Erzeugen des Plasmas aus den in den Verfahrensraum eingeleiteten Precursoren Silan, Ammoniak und Stickstoff erfolgt vorzugsweise mittels eines Hochfrequenz-Feldes mit einer Leistung zwischen ungefähr 300W und 700W.
Optional kann ein Niederfrequenz-Feld mit einer Leistung zwischen ungefähr 300W und 700W an das Substrat angelegt werden, um Plasma in einem Umgebungsbereich des Substrats zu akkumulieren .
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die Flussrate von Silan auf einen Wert zwischen 100 Standardkubikzentimeter pro Minute und 600 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren das Flussratenverhältnis von Silan zu Ammoniak zwischen 1:10 und 3:5 eingestellt, das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff zwischen 1:20 und 3:20, der Druck in der Verfahrenskammer zwischen 360Pa und 430Pa und die Leistung des Hochfrequenz-Feldes sowie die Leistung des Niederfrequenz-Feldes voneinander unabhängig jeweils auf einen Wert zwischen ungefähr 400W und 600W.
Sehr gute Ergebnisse werden erreicht, wenn bei dem Verfahren das Flussratenverhältnis von Silan zu Ammoniak auf ungefähr 3:10 eingestellt wird, das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff auf ungefähr 3:16 eingestellt sein, der Druck in der Verfahrenskämmer auf ungefähr 350Pa eingestellt wird und die Hochfrequenz-Leistung und die Niederfrequenz- Leistung auf jeweils ungefähr 500W eingestellt werden.
Die Flussrate von Silan kann gemäß dieser Weiterbildung auf ungefähr 300 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt werden . Bezugnehmend auf das Plasmaangeregte chemische Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumoxinitrid auf einem Substrat wird der Druck in der Verfahrenskammer vorzugsweise zwischen 260Pa und 530Pa eingestellt .
Darüber hinaus kann ein Hochfrequenz-Feld mit einer Leistung zwischen 200W und 500W zum Erzeugen des Plasmas angelegt werden .
Darüber hinaus kann ein Niederfrequenz-Feld mit einer Leistung von bis zu 300W zum Akkumulieren von Plasma in einem Umgebungsbereich des Substrats angelegt werden. Das Niederfrequenz-Feld ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und kann optional weggelassen werden.
Die Flussrate von Silan wird vorzugsweise auf einen Wert zwischen 100 und 500 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt .
Gemäß einer günstigen Konfiguration des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abscheiden von Siliziumoxinitrid auf einem Substrat wird das Flussratenverhältnis von Silan zu Distickstoffmonoxid zwischen 1:1 und 25:8 eingestellt, das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff zwischen 1:50 und 1:20 eingestellt, der Druck in der Verfahrenskämmer zwischen 350Pa und 430Pa eingestellt und die Leistung des Hochfrequenz-Feldes auf einen Wert zwischen 300W und 400W sowie die Leistung des Niederfrequenz-Feldes auf einen Wert von bis zu 150W eingestellt. Das Nieder requenz-Feld kann jedoch auch weggelassen werden.
Besonders günstige Ergebnisse werden erhalten, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abscheiden einer Siliziumoxinitrid-Schicht das Flussratenverhältnis von Silan zu Distickstoffmonoxid auf ungefähr 13:12 eingestellt wird, das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff auf ungefähr 13:800 eingestellt wird, der Druck in der Verfahrenskammer auf ungefähr 350Pa eingestellt wird und die Leistung des Hochfrequenz-Feldes auf ungefähr 300W eingestellt wird.
Vorzugsweise wird in diesem Fall die Flussrate von Silan auf ungefähr 130 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt.
Als Substrat wird vorzugsweise ein Halbleiter-Substrat verwendet, beispielsweise ein Silizium-Substrat wie ein Silizium-Wafer oder ein Silizium-Chip.
Hinsichtlich des oben beschriebenen Verfahrens zum Herstellen einer Schicht-Anordnung mit den oben beschriebenen Merkmalen wird für das erste und/oder für das zweite elektrisch leitfähige Material ein Metall verwendet.
Die verfahrensgemäß hergestellte Schicht-Anordnung wird vorzugsweise als MIM-Kondensator verwendet.
Bei dem Ausbilden einer elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren, kann die Gefahr bestehen, dass aufgrund von Schwankungen in der Prozessführung und/oder aufgrund anderer unerwünschter Effekte die elektrisch isolierende Eigenschaft einer ausgebildeten Schicht, beispielsweise einer Siliziumoxidbzw. Siliziumoxinitrid-Schicht, nicht in idealer Weise erreicht wird. Eine solche Schicht kann unerwünschterweise eine gewisse elektrische Rest-Leitfähigkeit haben. Um dies zu vermeiden, sind erfindungsgemäß die im Weiteren beschriebenen Verfahren bereitgestellt, mit denen die elektrisch isolierende Eigenschaft einer Schicht, beispielsweise einer erfindungsgemäß hergestellten Siliziumoxid- oder Siliziumoxinitrid-Schicht, verbessert werden können.
Gemäß einem ersten Verfahren zum Verbessern der elektrisch isolierenden Eigenschaft einer abzuscheidenden, elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise einer Siliziumoxinitrid- bzw. Siliziumoxid-Schicht, wird das Abscheideverfahren mindestens einmal unterbrochen und nach einer vorgebaren Wartezeit fortgesetzt, so dass die elektrisch isolierende Schicht aus n+1 Teilschichten ausgebildet wird, wobei n die Anzahl der Unterbrechungen ist. Bezogen auf das oben beschriebene erfindungsgemäße plasmaangeregte chemische Gasphasen-Abscheideverfahren zum Abscheiden von Siliziumoxinitrid- bzw. Siliziumoxid auf einem Substrat wird der plasmagestützte Abscheideprozess einmal oder mehrfach unterbrochen und jeweils nach einer Wartezeit fortgesetzt. Infolge des kurzzeitigen Abschaltens des Plasmas bzw. des Unterbrechens des Abscheide-Prozesses kann somit das sukzessive Ausbilden der Schicht unterbrochen werden. Daher entsteht anschaulich ein Schichtstapel aus mehreren Teilschichten (welche allerdings im Wesentlichen aus demselben Material hergestellt sind) , wobei an den Grenzflächen zweier benachbarter Teilschichten infolge der Unterbrechung des Prozesses vorteilhafterweise häufig Defekte, d.h. Festkörperfehlordnungen (z.B. Versetzungen), auftreten können. Anschaulich unterbrechen diese Festkörperfehler mögliche in der Schicht enthaltene durchgehende elektrisch leitfähige Bereiche und unterbinden daher parasitäre Strompfade. Eine auf diese Weise erhaltene heterogene elektrisch isolierende Schicht weist gegenüber einer ohne Unterbrechen des Abscheideverfahrens abgeschiedenen Schicht eine verbesserte Isolationswirkung auf. Elektrische Durchbrüche und Leckströme sind somit vermieden.
Zusammenfassend ist ein Verfahren zum Abscheiden einer annähernd elektrisch isolierenden Schicht mit verringerter Rest-Leitfähigkeit, vorzugsweise einer Siliziumoxid- oder Siliziumoxinitrid-Schicht, geschaffen, wobei gemäß dem Verfahren
- die Schicht in mindestens zwei Teilschritten unter Verwendung eines vorgegebenen Abscheideverfahrens, vorzugsweise eines plasmagestützten Abscheideverfahrens, abgeschieden wird
- zwischen jeweils zwei Teilschritten das Abscheiden für eine jeweils vorgebbare Zeitdauer unterbrochen wird.
Gemäß einem zweiten Verfahren, das ergänzend oder alternativ zu dem zuvor beschriebenen Verfahren angewendet werden kann, wird die elektrische Isolations-Eigenschaft einer erfindungsgemäß herzustellenden annähernd elektrisch isolierenden Schicht, beispielsweise einer Siliziumoxid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schicht, dadurch verbessert, dass möglicherweise in einer abgeschiedenen Schicht enthaltende elektrisch leitfähige Bereiche, beispielsweise ungesättigte Silizium-Bindungen in einer Siliziumoxid-Schicht, in einem sauerstoffhaltigen Plasma oxidiert und somit abgesättigt werden. Mit anderen Worten kann beipielsweise nach einer Teilabscheidung oder einer GesamtabScheidung einer Siliziumoxid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schicht eine Oberflächenbehandlung in einem sauerstoffhaltigen Plasma (beispielsweise einem Sauerstoff-Plasma und/oder einem Distickstoffmonoxid-Plasma) durchgeführt werden. An der Oberfläche einer Gesamtschicht bzw. Teilschicht befindliche zuvor nicht abgesättigte Silizium-Bindungen werden dadurch oxidiert, wodurch die Rest-Leitfähigkeit der ausgebildeten Schicht verringert wird und gegebenenfalls leitfähige Pfade für Leckströme eliminiert oder zumindest unterbrochen werden.
Zusammenfassend ist ein Verfahren zum Abscheiden einer annähernd elektrisch isolierenden Schicht mit verringerter Rest-Leitfähigkeit, vorzugsweise einer Siliziumoxid- oder
Siliziumoxinitrid-Schicht, geschaffen, wobei gemäß dem Verfahren
- die Schicht unter Verwendung eines vorgegebenen Abscheideverfahrens, vorzugsweise eines plasmagestützten Abscheideverfahrens, abgeschieden wird
- die Schicht einem sauerstoffhaltigen Plasma derart ausgesetzt wird, dass elektrisch leitfähige Bereiche der Schicht infolge einer Wechselwirkung mit dem sauerstoffhaltigen Plasma in elektrisch isolierende Bereiche umgewandelt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen PECVD-Reaktor, mittels dem das Verfahren zum Abscheiden einer Siliziumnitrid-Schicht bzw. einer Siliziumoxinitrid-Schicht gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt werden kann,
Figur 2 ein unter Verwendung einer Infrarotspektroskopie- Methode (FTIR) ermitteltes Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit der Infrarotabsorption I von der Wellenzahl k der Infrarotstrahlung für erfindungsgemäß hergestellte Siliziumnitrid-Schichten für unterschiedliche Ammoniak- Flussraten zeigt,
Figur 3 ein unter Verwendung einer Infrarotspektroskopie- Methode (FTIR) ermitteltes Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit der Infrarotabsorption I von der Wellenzahl k der Infrarotstrahlung für erfindungsgemäß hergestellte
Siliziumoxinitrid-Schichten für unterschiedliche Distickstoffmonoxid-Flussraten zeigt,
Figur 4 ein Diagramm, das Ergebnisse aus Rutherford- Rückstreu-Experimenten (RBS) zeigt, und in dem die
Abhängigkeit der Konzentration von Silizium, Sauerstoff und Stickstoff erfindungsgemäß hergestellter Siliziumoxinitrid- Schichten in Abhängigkeit der Flussrate von Distickstoffmonoxid gezeigt sind,
Figur 5A ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit der relativen Dielektrizitätskonstante ε vom Brechungsindex n für eine erfindungsgemäß hergestellte Siliziumnitrid-Schicht bzw. für eine erfindungsgemäß hergestellte Siliziumoxinitrid- Schicht zeigt,
Figur 5B ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit unterschiedlicher physikalischer Parameter einer erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid-Schicht von der Ammoniak-Flussrate zeigt,
Figur 5C ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit unterschiedlicher physikalischer Parameter einer erfindungsgemäß hergestellten Siliziumoxinitrid-Schicht von der Distickstoffmonoxid-Flussrate zeigt.
Im Weiteren wird anhand des in Fig.l gezeigten PECVD-Reaktors 100 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Plasmaangeregten chemischen Gasphasenabscheide-Verfahrens zum Abscheiden von Siliziumnitrid auf einem Substrat beschrieben.
Der in Fig.l gezeigte PECVD-Reaktor 100 weist eine
Verfahrenskammer 101 auf. In der Verfahrenskammer 101 ist auf einer Halte-Vorrichtung 102 ein Silizium-Wafer 103 montiert. Ferner ist in der Verfahrenskämmer 101 eine in mehrere Abschnitte aufgeteilte Elektrode 104 angeordnet, welche drei Öffnungen 105a, 105b, 105c aufweist. Durch die erste Öffnung 105a kann, sofern ein erstes Ventil 106a geöffnet ist, Silan- Gas (SiH4) aus dem ersten Reservoir 107a in die Verfahrenskammer 101 eingeleitet werden. Ferner kann in die Verfahrenskämmer 101 durch die zweite Öffnung 105b, falls ein zweites Ventil 106b geöffnet ist, Ammoniakgas (NH3) in die
Verfahrenskämmer eingeleitet werden. Darüber hinaus kann durch eine dritte Öffnung 105c, falls ein drittes Ventil 106c geöffnet ist, Stickstoffgas (N2) aus dem dritten Reservoir 107c in die Verfahrenskammer 101 eingeleitet werden. Die Elektrode 104 ist mit einer HF-Spannungsquelle 108 zum
Erzeugen eines hochfrequenten elektrischen Feldes in der Verfahrenskammer gekoppelt. Ferner ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Halte-Vorrichtung 102 mit einer LF- Spannungsquelle 109 zum Erzeugen eines niederfrequenten Spannungssignals und zum Anlegen desselben an die Halte- Vorrichtung 102 und an den Wafer 103 gekoppelt. Ferner weist der PECVD-Reaktor 100 einen Gas-Auslass 110 auf, aus dem Gas, sofern das vierte Ventil 111 geöffnet ist, aus der Verfahrenskämmer 101 entfernt werden können. Des Weiteren ist in Fig.l eine Pumpe 112 gezeigt, mit der nicht benötigte Reaktionsprodukte durch den Gas-Auslass 110 aus der Verfahrenskammer 101 herausgepumpt werden und mit der in der Verfahrenskammer 101 ein gewünschter Druck eingestellt wird.
Beim Betrieb des PECVD-Reaktors 100 wird mittels der HF- Spannungsquelle 108 eine solche Hochfrequenz-Spannung an die Elektrode 104 angelegt, dass mittels der Elektrode 104 in der Verfahrenskammer 101 ein starkes elektrisches Wechselfeld entsteht. Aus dem ersten Reservoir 107a wird Silan mit einer geeigneten Flussrate, die beispielsweise mittels Justierens des ersten Ventils 106a eingestellt werden kann, in die Verfahrenskammer 101 eingelassen. Ferner wird aus dem zweiten Reservoir 107 Ammoniak-Gas einer geeigneten Flussrate in die Verfahrenskammer 101 eingeleitet, wobei die Flussrate beispielsweise mittels des zweiten Ventils 106b einstellbar ist. Aus dem dritten Reservoir 107c wird Stickstoff-Gas einer geeigneten Flussrate, welche mittels Justierens des dritten
Ventils 106c eingestellt wird, in die Verfahrenskammer 101 eingelassen. Die eingelassenen Gasmoleküle werden mittels des hochfrequenten elektrischen Feldes in den Plasma-Zustand gebracht. Mit anderen Worten werden die Gasmoleküle in Radikale umgewandelt, beispielsweise werden aus Silan chemisch hochreaktive Silizium-Radikale erzeugt. Dadurch bildet sich ein Plasma 113. Simultan zu dem hochfrequenten elektrischen Feld, das mittels der HF-Spannungsquelle 108 erzeugt wird, wird mittels der LF-Spannungsquelle 109 eine niederfrequente elektrische Spannung über die Halte- Vorrichtung 102 an den Wafer 103 angelegt. Diese niederfrequente Spannung sorgt dafür, dass der Wafer 103 gegenüber dem positiv geladenem Plasma 113 negativ vorgespannt wird. Infolge elektrischer Kräfte diffundieren die Radikale des Plasmas 113 zu der Oberfläche des Silizium- Wafers 103 und werden dort adsorbiert. Auf der heißen Oberfläche des Silizium-Wafers 104 reagieren die Radikale chemisch und bilden so eine Silziumnitrid-Schicht 114 auf der Oberfläche des Wafers 103. Die Reaktionsgleichung dieser chemischen Reaktion auf der Oberfläche des Silizium-Wafers 103 weist die folgende Form auf:
SiH4 + NH3 + N2 → SiNx + ... (2)
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden Silan, Ammoniak und Stickstoff als Precursoren verwendet. Als Durchflussrate von Silan werden gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 300 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt, als Durchflussrate von Ammoniak werden 1000 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt, als Durchflussrate von Stickstoff werden 1600 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt, der Druck in der Verfahrenskammer wird auf ungefähr 350Pa eingestellt und die Hochfrequenz-Leistung der HF-Spannungsquelle 108 (HF="high frequency") sowie die Niederfrequenz-Leistung der LF-Spannungsquelle 109 (LF="low frequency") wird jeweils auf 500W eingestellt. Der Druck kann mittels Justierens des Ventils 111 und der Arbeitsparameter der Pumpe 112 eingestellt werden. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird also das Flussratenverhältnis von Silan zu Ammoniak auf ungefähr 3:10 eingestellt, wohingegen das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff auf ungefähr 3:16 eingestellt wird. Es ist zu betonen, dass die LF-Spannungsquelle 109 optional ist und lediglich die Funktion erfüllt, das positiv geladene Plasma in einem Umgebungsbereich der Oberfläche des Silizium-Wafers 103 zu akkumulieren, wodurch das Stattfinden einer chemischen Reaktion auf der Oberfläche des Silizium-Wafers 103 begünstigt wird. Die LF-Spannungsquelle 109 kann jedoch auch weggelassen werden. Gemäß dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel wird als Frequenz der HF-Spannungsquelle 13,56MHz gewählt, wohingegen als Frequenz für die LF- Spannungsquelle gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 100kHz gewählt wird. Als PECVD-Reaktor 100 ist gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das "Novellus Concept One" System der Firma Novellus™ gewählt.
Es ist zu betonen, dass anstatt des in Fig.l gezeigten PECVD- Reaktors jeder andere geeignete PECVD-Reaktor verwendet werden kann, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Der PECVD-Reaktor 100 kann auch dafür verwendet werden, das erfindungsgemäße Plasmaangeregte chemische Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von
Siliziumoxinitrid auf einem Substrat durchzuführen. Dazu wird vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in das erste Reservoir 107a Silan-Gas, in das zweite Reservoir 107b Distickstoffmonoxid (N20) und in das dritte Reservoir 107c Stickstoff (N2) eingefüllt. Das Erzeugen einer
Siliziumoxinitrid-Schicht auf der Oberfläche des Silizium- Wafers 103 erfolgt in diesem Fall gemäß der Reaktionsgleichung :
SiH4 + N20 + N2 → SiOγNz + ... (3)
Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Durchflussrate von Silan auf 130sccm eingestellt, die Durchflussrate von Distickstoffmonoxid wird auf 120sccm eingestellt, die Durchflussrate von Stickstoff wird auf
8000sccm eingestellt, der Druck in der Verfahrenskammer 101 wird auf ungefähr 350Pa eingestellt, die Hochfrequenz- Leistung der HF-Spannungsquelle 108 wird auf ungefähr 300W eingestellt und die LF-Spannungsquelle 109 wird ausgeschaltet, d.h. nicht verwendet. Eine Grundidee der Erfindung kann anschaulich darin gesehen werden, dass eine Siliziumnitrid-Schicht bzw. eine Siliziumoxinitrid-Schicht bereitgestellt wird, in welcher der Anteil von Silizium mittels Verwendens des PECVD-Verfahrens und mittels einer geschickten Prozessführung erhöht wird, wodurch infolge der hohen relativen Dielektrizitätskonstante von Silizium die relative Dielektrizitätskonstante der entstehenden Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schicht erhöht ist. Mittels Variation der Prozessgase (Silan, Stickstoff sowie Ammoniak oder Distickstoffmonoxid) ist ein stöchiometrisch exaktes Justieren des Silizium-Anteils der entstehenden Siliziumnitrid- oder Siliziumoxinitrid-Schichten ermöglicht .
Eine Grundidee der Erfindung kann auch darin gesehen werden, dass bei der Herstellung einer Siliziumnitrid-Schicht unter Verwendung des PECVD-Verfahrens erfindungsgemäß die Flussrate von Ammoniak reduziert wird bzw. dass zum Herstellen einer Siliziumoxinitrid-Schicht die Flussrate von Distickstoffmonoxid reduziert wird, sodass eine gewünschte, vorgebbare Stöchiometrie mit einem erhöhten hohen Anteil Silizium in den resultierenden Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schichten erhalten wird.
Im Weiteren werden experimentelle Untersuchungen der erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schichten erläutert und so die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt. Ferner werden die physikalisch-chemischen Zusammenhänge zwischen Wahl der Prozessparameter des PECVD-
Verfahrens und der entstehenden Schichten erläutert .
In Fig.2 ist ein Diagramm 200 gezeigt, das ein FTIR-Spektrum ("Fourier transform infrared spectroscopy" ) erfindungsgemäß hergestellter Siliziumnitrid-Schichten zeigt. Entlang der Abszisse 201 ist die Wellenzahl k (in cm-1) der auf die erfindungsgemäß hergestellte Siliziumnitrid-Schicht eingestrahlten Infrarotstrahlung gezeigt. Entlang der Ordinate 202 des Diagramms 200 ist die Intensität der absorbierten Infrarotstrahlung (in beliebigen Einheiten) aufgetragen. Jedem Peak in einem FTIR-Spektrum ist ein charakteristisches Material bzw. eine charakteristische chemische Bindung zugeordnet. In dem Diagramm 200 weisen die drei gezeigten Kurven 203, 204, 205 Peaks auf, die charakteristisch für N-H Bindungen, Si-H Bindungen bzw. Si-N Bindungen sind. Daher ist die Intensität der entsprechenden Peaks ein Maß für den stöchiometrischen Anteil des entsprechenden Elements bzw. der entsprechenden chemischen Bindung in der untersuchten Siliziumnitrid-Schicht.
Eine erste Kurve 203 zeigt ein FTIR-Spektrum, wie es bei Durchführung des erfindungsgemäßen Plasmaangeregten chemischen Gasphasenabschalteverfahrens zum Abscheiden von Siliziumnitrid unter Verwendung einer Ammoniak-Durchflussrate von 1500 Standardkubikzentimetern pro Minute erhalten wird. Eine zweite Kurve 204 korrespondiert mit einer Ammoniak- Flussrate von 2000 Standardkubikzentimetern pro Minute und eine dritte Kurve 205 zeigt das FTIR-Spektrum bei einer Ammoniak-Flussrate von 4000 Standardkubikzentimetern pro Minute. An dem in dem Diagramm 200 mit der Beschriftung „Si-
H" gekennzeichneten Peak ist zu erkennen, dass der Anteil von Silizium-Wasserstoff-Bindungen in der erhaltenen Siliziumnitrid-Schicht umso höher ist, je geringer die Ammoniak-Flussrate gewählt ist. Mit anderen Worten führt eine Verringerung der Ammoniak-Flussrate zu einer Erhöhung des
Silizium-Anteils in der resultierenden Siliziumnitrid- Schicht. Daher kann mittels Reduzierens der Ammoniak- Flussrate bei Durchführung des PECVD-Verfahrens der Silizium- Anteil in der resultierenden Siliziumnitrid-Schicht erhöht werden und dadurch die relative Dielektrizitätskonstante der entstehenden Schicht erhöht werden. In Fig.3 ist ein Diagramm 300 gezeigt, in dem das FTIR- Spektrum erfindungsgemäß hergestellter Siliziumoxinitrid- Schichten gezeigt ist. Wiederum ist entlang der Abszisse 301 die Wellenzahl k (in cm-1) der eingestrahlten Infrarotstrahlung gezeigt. Entlang der Ordinate 302 ist die Infrarotabsorption I (in beliebigen Einheiten) aufgetragen. Das Diagramm 300 zeigt eine erste Kurve 303 und eine zweite Kurve 304. Die erste Kurve 303 zeigt das erhaltene FTIR- Spektrum einer erfindungsgemäß hergestellten Siliziumoxinitrid-Schicht für den Fall, dass der Distickstoffmonoxid-Durchfluss auf 160
Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt wird. Dagegen ist im Falle der zweiten Kurve 304 die Flussrate von Distickstoffmonoxid auf 200 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt. Wie anhand der beiden teilweise überlappenden Resonanzen von Si-0 bzw. Si-N in der Region von ungefähr 1000cm-1 zu erkennen ist, führt eine Verringerung der Distickstoffmonoxid-Flussrate zu einer relativen Verschiebung der Gewichtung Si-O/Si-N hin zu der Si-N Komponente. Mit anderen Worten nimmt der Anteil von Stickstoffligandiertem Silizium zu, wenn die Distickstoffmonoxid-Flussrate reduziert wird. Stöchiometrisches Siliziumoxid tritt in der Konfiguration Si02 auf, sodass das Siliziumdioxid zu einem Drittel Silizium aufweist. Dagegen ist die stöchiometrische Zusammensetzung von Siliziumnitrid üblicherweise Si3N4, sodass die Siliziumnitrid-Komponente 3/7 Silizium aufweist. Eine Zunahme der Stickstoffligandierten Silizium-Komponente im FTIR- Spektrum bei einer gleichzeitigen Abnahme der sauerstoffligandierten Silizium-Komponente führt daher zu einer Erhöhung des Silizium-Anteils in der Siliziumoxinitrid- Schicht, sodass Silizium-reichere Schichten erhalten werden, wenn die Flussrate von Distickstoffmonoxid reduziert wird. Daher kann mittels Reduzierens der Flussrate von Distickstoffmonoxid (d.h. mittels erfindungsgemäßer Wahl der
Flussratenverhältnisse) die relative Dielektrizitätskonstante ε der resultierenden Siliziumoxinitrid-Schicht erhöht werden. In Fig. ist ein Diagramm 400 gezeigt, das auf RBS- Untersuchungen („Rayleigh Backscattering Spectroscopy" ) erfindungsgemäß hergestellter Siliziumoxinitrid-Schichten beruht. Bei der RBS Methode wird die Zusammensetzung einer Schicht ermittelt, indem energiereiche Ionen an einem Festkörper aufgrund des elektrostatischen Potentials der Atomkerne gestreut werden. Aus dem Streuspektrum kann die quantitative Zusammensetzung einer untersuchten Schicht ermittelt werden.
Bei dem in Fig.4 gezeigten Diagramm 400 sind entlang der Abszisse 401 unterschiedliche Distickstoffmonoxid-Flussraten in sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) beim Herstellen erfindungsgemäßer Siliziumoxinitrid-Schichten aufgetragen. Entlang der Ordinate 402 sind die aus dem RBS-Spektrum ermittelten Anteile der Elemente Silizium (Si) , Sauerstoff (0) bzw. Stickstoff (N) aufgetragen. Es wurden unterschiedliche Distickstoffmonoxid-Flussraten, aber eine konstante Silan-Flussrate verwendet, um die zugehörigen
Siliziumoxinitrid-Schichten herzustellen. Eine erste Kurve 403 zeigt die Abhängigkeit des Silizium-Beitrags in der Siliziumoxinitrid-Schicht für die unterschiedlichen Distickstoffmonoxid-Flussraten. Eine zweite Kurve 404 zeigt die Abhängigkeit des Sauerstoff-Beitrags in den hergestellten
Siliziumoxinitrid-Schichten. Eine dritte Kurve 405 zeigt den Beitrag der Stickstoff-Komponente in den Siliziumoxinitrid- Schichten. Wie aus Fig.4 hervorgeht, besteht eine Korrelation zwischen dem Silizium-Beitrag in einer derartig hergestellten Siliziumoxinitrid-Schicht und der für das PECVD-Verfahren verwendeten Distickstoffmonoxid-Flussrate . Je geringer die Distickstoffmonoxid-Flussrate gewählt ist, desto höher ist der relative Anteil des Siliziums. Daher kann die relative Dielektrizitätskonstante der resultierenden Siliziumoxinitrid-Schicht dadurch erhöht werden, dass die Distickstoffmonoxid-Flussrate verringert wird. In Fig.5A ist ein Diagramm 500 gezeigt, das die Abhängigkeit der relativen Dielektrizitätskonstante ε (dimensionslos) einer erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schicht von dem Brechungsindex n (dimensionslos) der Schicht für Licht einer Wellenlänge von 635nm zeigt. Entlang der Abszisse 501 ist der Brechungsindex n aufgetragen. Entlang der Ordinate 502 sind Werte der relativen Dielektrizitätskonstante ε der Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schichten aufgetragen .
Wie aus Fig.5A hervorgeht, sind die Abhängigkeiten für Siliziumnitrid (erste Kurve 503) bzw. für Siliziumoxinitrid (zweite Kurve 504) jeweils monoton steigend. Mit anderen Worten führt eine Erhöhung des Brechungsindex n zu einer Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstante ε.
Bezugnehmend auf das in Fig.5B gezeigte Diagramm 510 wird im Weiteren die Abhängigkeit einer Reihe physikalischer Parameter einer hergestellten Siliziumnitrid-Schicht von der Ammoniak-Flussrate dV/dt (in sccm) während des erfindungsgemäßen PECVD-Verfahrens erläutert . Entlang der Abszisse 511 sind unterschiedliche Flussraten von Ammoniak in Standardkubikzentimetern pro Minute aufgetragen. Entlang einer ersten Ordinate 512 ist der Brechungsindex n (dimensionslos) , die Nassätzrate ds/dt (in nm pro Minute) und die Druckspannung σ der Siliziumnitrid-Schicht (in 108 Pa) aufgetragen. Entlang einer zweiten Ordinate 513 des Diagramms 510 ist die Abscheiderate dx/dt (in nm pro Minute) aufgetragen.
Eine erste Kurve 514 zeigt die Abhängigkeit des Brechungsindex n der erfindungsgemäß hergestellten Siliziu nitrid-Schicht von der eingestellten Ammoniak- Flussrate. Wie in Fig.5B gezeigt, besteht eine eindeutige Korrelation zwischen einer Verringerung der Ammoniak-
Flussrate dV/dt und einer Erhöhung des Brechungsindex n. Bezugnehmend auf Fig.5A korrespondiert ein erhöhter Brechungsindex einer Siliziumnitrid-Schicht (vgl. erste Kurve 503) mit einer Erhöhung der relativen
Dielektrizitätskonstante der Schicht. Fasst man die Aussagen des Diagramms 510 und des Diagramms 500 zusammen, so führt eine Verringerung der Ammoniak-Flussrate zu einer Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstante. Dies ist ein wesentlicher Effekt, welcher der Erfindung zugrunde liegt.
Ferner ist in Fig.5B eine zweite Kurve 515 gezeigt, welche die Abhängigkeit der Nassätzrate ds/dt (in nm pro Minute) von der Ammoniak-Flussrate dV/dt zeigt. Eine verringerte Ammoniak-Flussrate führt daher nicht nur zu einer Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstante, sondern auch zu einer deutlichen Verringerung der Nassätzrate. Eine ausreichend geringe Nassätzrate gewährleistet, dass ein definiertes Zurückätzen einer erfindungsgemäß hergestellten Schicht ermöglicht ist. Da bei erhöhter Dielektrizitätskonstante die Nassätzrate der erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid- Schicht verringert ist, ist das Weiterprozessieren einer solchen Schicht unter definierten Bedingungen ermöglicht.
Darüber hinaus ist in dem Diagramm 510 eine dritte Kurve 516 gezeigt, welche die Abhängigkeit der Druckspannung σ (in 108Pa) von der Ammoniak-Flussrate zeigt. Eine Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstante infolge der Verringerung der Ammoniak-Flussrate geht daher mit einer Verringerung der Druckspannung und folglich einer verringerten Eigenspannung der Siliziumnitrid-Schicht einher, was vorteilhaft ist.
Ferner ist in dem Diagramm 510 eine vierte Kurve 517 gezeigt, welche die Abhängigkeit der Siliziumnitrid-Abscheiderate von der Ammoniak-Flussrate zeigt. Je geringer die Ammoniak- Flussrate gewählt wird, desto höher ist die Abscheiderate.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.5C das dort gezeigte
Diagramm 520 erläutert, das für erfindungsgemäß hergestellte Siliziumoxinitrid-Schichten die Abhängigkeit unterschiedlicher physikalischer Parameter von der Distickstoffmonoxid-Flussrate (in sccm) zeigt.
Entlang der Abszisse 511 ist die Flussrate von Distickstoffmonoxid bei dem erfindungsgemäßen PECVD-Verfahren aufgetragen. Ferner ist entlang einer ersten Ordinate 522 der Brechungsindex n aufgetragen (dimensionslos) , und es ist die Nassätzrate ds/dt (in nm pro Minute) aufgetragen. Entlang einer zweiten Ordinate 523 ist die Abscheiderate von Siliziumoxinitrid, wie sie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, aufgetragen.
Eine erste Kurve 524 in dem Diagramm 520 zeigt die Abhängigkeit des Brechungsindex n von der Distickstoffmonoxid-Flussrate. Aus der ersten Kurve 524 aus Fig.5C und aus der zweiten Kurve 504 aus Fig.5A ist die Korrelation ersichtlich, dass eine Verringerung der Distickstoffmonoxid-Flussrate zu einer Erhöhung der relativen Dielektrizitätskonstante ε führt.
Eine Kurve 525 aus Fig.5C zeigt die Abhängigkeit der Nassätzrate ds/dt von der Flussrate von Distickstoffmonoxid während des PECVD-Verfahrens. Auch im Falle von Siliziumoxinitrid führt eine Verringerung der Flussrate (in diesem Falle von Distickstoffmonoxid) zu einer Verringerung der Nassätzrate, sodass mit einer Verringerung der Distickstoffmonoxid-Flussrate eine Weiterprozessierung der erfindungsgemäß hergestellten Siliziumoxinitrid-Schicht unter definierten Verfahrensbedingungen ermöglicht ist.
Ferner ist in dem Diagramm 520 eine dritte Kurve 526 gezeigt, welche die Abhängigkeit der Siliziumoxinitrid-Abscheiderate von der Distickstoffmonoxid-Flussrate zeigt. Anders als im Falle der Siliziumnitrid-Schicht (vgl. Kurve 517 aus Diagramm 510) führt im Falle von Siliziumoxinitrid eine Verringerung der Flussrate (in diesem Fall von Distickstoffmonoxid) zu einer Verringerung der Abscheiderate 526. Die beschriebenen physikalischen Parameter der erfindungsgemäß hergestellten Siliziumnitrid- bzw. Siliziumoxinitrid-Schichten sowie die Abhängigkeit der physikalischen Parameter dieser Schichten von den Prozessbedingungen zeigt, dass mittels einer Verringerung der Flussraten von Ammoniak bzw. von Distickstoffmonoxid während eines PECVD-Verfahrens Schichten mit einem erhöhten ε und vorteilhaften Materialeigenschaften erhalten werden.
Insbesondere weisen solche Schichten die erforderlichen elektrischen, mechanischen und optischen Eigenschaften auf, um als dielektrische Schichten eines MIM-Kondensators geeignet zu sein.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] US 6,383,874 Bl
[2] US 4,618,541
[3] US 6,316,820 Bl
[4] US 6,372,668 B2
[5] US 6,309,932 Bl
[6] US 5,466,617
[7] US 5,164,339
[8] US 6,383,874 Bl
[9] US 6,324,439 Bl
[10] EP 0,454,100 A2
Bezugszeichenlis e
100 PECVD-Reaktor
101 Verf hrenskammer
102 Halte-Vorrichtung
103 Silizium-Wafer
104 Elektrode 105a erste Öffnung 105b zweite Öffnung 105c dritte Öffnung 106a erstes Ventil 106b zweites Ventil 106c drittes Ventil 107a erstes Reservoir 107b zweites Reservoir 107c drittes Reservoir
108 HF-Spannungsquelle
109 LF-Spannungsquelle
110 Gas-Auslass
111 viertes Ventil
112 Pumpe
113 Plasma
114 Siliziumnitrid-Schicht
200 Diagramm
201 Abszisse
202 Ordinate
203 erste Kurve
204 zweite Kurve 205 dritte Kurve
300 Diagramm
301 Abszisse
302 Ordinate
303 erste Kurve
304 zweite Kurve 400 Diagramm 401 Abszisse
402 Ordinate
403 erste Kurve
404 zweite- Kurve 405 dritte Kurve
500 Diagramm
501 Abszisse
502 Ordinate
503 erste Kurve
504 zweite Kurve
510 Diagramm
511 Abszisse
512 erste Ordinate
513 zweite Ordinate
514 erste Kurve
515 zweite Kurve
516 dritte Kurve
517 vierte Kurve 520 Diagramm
521 Abszisse
522 erste Ordinate
523 zweite Ordinate
524 erste Kurve
525 zweite Kurve 526 dritte Kurve

Claims

Patentansprüche:
1. Plasmaangeregtes chemisches Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumnitrid als dielektrische Schicht eines MIM-Kondensators auf einem Substrat, bei dem
• Silan, Ammoniak und Stickstoff als Precursoren verwendet werden;
• das Flussratenverhältnis von Silan zu Ammoniak zwischen 1:20 und 6:5 eingestellt wird; • das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff zwischen 1:40 und 3:5 eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der Druck in der Verfahrenskämmer zwischen 260Pa und 530Pa eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem ein Hochfrequenz-Feld mit einer Leistung zwischen 300W und 700W zum Erzeugen des Plasmas angelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Niederfrequenz-Feld mit einer Leistung zwischen 300W und 700W zum Akkumulieren von Plasma in einem Umgebungsbereich des Substrats angelegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Flussrate von Silan auf einen Wert zwischen 100 und 600 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem
• das Flussratenverhältnis von Silan zu Ammoniak zwischen 1:10 und 3:5 eingestellt wird; und
• das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff zwischen 1:20 und 3:10 eingestellt wird;
• der Druck in der Verfahrenskammer zwischen 360Pa und 430Pa eingestellt wird; • die Leistung des Hochfrequenz-Feldes und die Leistung des Niederfrequenz-Feldes voneinander unabhängig jeweils auf einen Wert zwischen 400W und 600W eingestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem
• das Flussratenverhältnis von Silan zu Ammoniak auf ungefähr 3:10 eingestellt wird; • das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff auf ungefähr 3:16 eingestellt wird;
• der Druck in der Verfahrenskammer auf ungefähr 350Pa eingestellt wird;
• die Hochfrequenz-Leistung und die Niederfrequenz- Leistung jeweils auf ungefähr 500W eingestellt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , bei dem die Flussrate von Silan auf ungefähr 300 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt wird.
9. Plasmaangeregtes chemisches Gasphasenabscheide-Verfahren zum Abscheiden von Siliziumoxinitrid als dielektrische Schicht eines MIM-Kondensators auf einem Substrat, bei dem
• Silan, Distickstoffmonoxid und Stickstoff als Precursoren verwendet werden;
• das Flussratenverhältnis von Silan zu Distickstoffmonoxid zwischen 1:2 und 25:4 eingestellt wird;
• das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff zwischen 1:100 und 1:10 eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Druck in der Verfahrenskammer zwischen 260Pa und 530Pa eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem ein Hochfrequenz-Feld mit einer Leistung zwischen 200W und 500W zum Erzeugen des Plasmas angelegt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem ein Niederfrequenz-Feld mit einer Leistung von bis zu 300W zum Akkumulieren von Plasma in einem Umgebungsbereich des Substrats angelegt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Flussrate von Silan auf einen Wert zwischen 100 und 500 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem
• das Flussratenverhältnis von Silan zu Distickstoffmonoxid zwischen 1:1 und 25:8 eingestellt wird;
• das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff zwischen 1:50 und 1:20 eingestellt wird;
• der Druck in der Verfahrenskammer zwischen 350Pa und 430Pa eingestellt wird;
• die Leistung des Hochfrequenz-Feldes auf einen Wert zwischen 300W und 400W und die Leistung des Niederfrequenz-Feldes auf einen Wert von bis zu 150W eingestellt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem
• das Flussratenverhältnis von Silan zu
Distickstoffmonoxid auf ungefähr 13:12 eingestellt wird; • das Flussratenverhältnis zwischen Silan und Stickstoff auf ungefähr 13:800 eingestellt wird;
• der Druck in der Verfahrenskammer auf ungefähr 350Pa eingestellt wird;
• die Leistung des Hochfrequenz-Feldes auf ungefähr 300W eingestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Flussrate von Silan auf ungefähr 130 Standardkubikzentimeter pro Minute eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem als Substrat ein Halbleiter-Substrat verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem als Substrat ein Silizium-Substrat verwendet wird.
19. Verfahren zum Herstellen einer Schicht-Anordnung, bei dem
• eine erste elektrisch leitfähige Schicht auf einem Substrat ausgebildet wird;
• eine Siliziumnitrid-Schicht gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eine Siliziumoxinitrid- Schicht gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16 auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet wird;
• eine zweite elektrisch leitfähige Schicht auf der Siliziumnitrid-Schicht oder auf der Siliziumoxinitrid- Schicht ausgebildet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem für das erste und/oder das zweite elektrisch leitfähige Material ein Metall verwendet wird.
21. Schicht-Anordnung, hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 19 oder 20.
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