DE2652449C2

DE2652449C2 - Verfahren zum Ablagern von Siliziumnitrid auf einer Vielzahl von Substraten

Info

Publication number: DE2652449C2
Application number: DE19762652449
Authority: DE
Inventors: Jon Charles Tempe Ariz. Goldman; Larry Donald Santa Clara Calif. McMillan; James Brian Phoenix Ariz. Price
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1975-11-25
Filing date: 1976-11-17
Publication date: 1982-06-09
Also published as: JPS5265199A; HK881A; FR2332802A1; FR2332802B1; GB1518564A; JPS6010108B2; DE2652449A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablagern von Siliziumnitrid auf einer Vielzahl von Substraten, insbesondere auf Halbleiterscheiben, in einem auf einem Unterdruck gehaltenen Reaktionsbehälter bei einer Temperatur zwischen etwa 650 und 1000⁰C, aus einem Gemisch von Silan und Ammoniak.

Ein Verfahren zum Aufdampfen von Siliziumnitrid aus einem Gemisch von Monosilan und Ammoniak ist aus der Veröffentlichung CVD, 4. Internat. Conf. ECS (1973). S. 261 -274 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren ist es jedoch kaum möglich, Siliziumnitrid auf ein Halbleitersubstrat in der Weise aufzubringen, daß zugleich eine gute Wachstumsgeschwindigkeit, eine gleichförmige Ablagerung und eine hohe Qualität in einem wirtschaftlichen Verfahren gewährleistet werden. Es hat sich gezeigt, daß Scheiben, welche nach diesem Verfahren behandelt wurden, den Rand der Scheibe entlang einen verhältnismäßig dicken Ring von Siliziumnitrid haben, wobei zugleich auch Silizium oder Siliziumnitridstaub und Schiffchenmarkierungen auf den Scheiben enthalten waren. Außerdem mußte zum Erreichen besserer Ergebnisse die Scheibengröße sowie der Scheibenabstand im Reaktionsrohr bei der Durchführung der Ablagerung gleichförmig gehalten werden.

Weiterhin ist es aus der DE-OS17 71538 bekannt, daß grundsätzlich als Siliziumquellen neben den als bevorzugt angegebenen Materialien auch halogensubstituierte Siliziumwasserstoffe Verwendung finden könnten, wobei dieser Hinweis sich auf ein Verfahren bezieht, welches bei atmosphärischem Druck arbeitet. Weiterhin wird in dieser Druckschrift daraufhingewiesen, daß gegenüber den halogensubstituierten Siliziumwasserstoffen die reinen Siliziumwasserstoffe und insbesondere Monosilan bevorzugt werden. Es werden für diese Empfehlung auch konkrete technische Gründe genannt. Nach Solid State Technology Okt. 1972, S. 29-34 u. 41 wird Siliziumnitnd mittels Dichlorsilan und Ammoniak abgeschieden. In diesem und den beiden anderen vorgenannten Verfahren ist jedoch die Anwendung von Trägergas (Stickstoff u./o. Wasserstoff) vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem mit geringem technischen Aufwand bei sehr hoher Wachstumsgeschwindigkeit eine außerordentlich gleichförmige Ablagerung erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den

Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß ein Druck von 0,39 bis 13,33 mbar eingestellt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsfonn des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die Temperatur das Reaktionsrohr entlang um etwa 100⁰C geändert wird.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß über einen besonders großen Flächenbereich durchgehend eine außerordentlich hohe Gleichförmigkeit einer Siliziumnitridschicht gewährleistet ist, welche von Fehlstellen frei ist

Weiterhin wird gemäß der Erfindung die Ausbeute an Halbleitereinrichtungen wesentlich gesteigert, die aus den Siliziumscheiben hergestellt werden können, auf denen gemäß der Erfindung Siliziumnitnd abgelagert wurde.

Ferner wird durch das Fehlen von Trägergas der technische Aufwand verringert

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird somit Siliziumnitrid auf pyrolytischem Wege auf einer Unterlage aufgebracht, indem ein Gemisch ausschließlich aus SiH₂Cl₂ und Ammoniak bei einer erhöhten Temperatur im Vakuum mit einer entsprechenden Unterlage in Berührung gebracht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand dei Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 eine teilweise weggebrochene isometrische Darstellung eines Reaktionsrohres, welches mit Scheiben beschickt ist, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.

In der Zeichnung ist ein Reaktionsrohr 10 dargestellt, welches durch Widerstandsheizspulen 12 aufgeheizt wird, um die gewünschte Temperatur zu erreichen, wie es unten im einzelnen näher erläutert ist.

Eine allgemein mit 14 bezeichnete Gasversorgungseinrichtung ist an die Einlaßseite des Reaktionsrohres 10 angeschlossen. Diese Gasversorgungseinrichtung enthält eine Quelle 16 für Dichlorsilan, eine Quelle 18 für Stickstoff und eine Quelle 20 für Ammoniak, und diese Gase werden dem Reaktionsrohr jeweils über ein Ventil 22,24,26 bzw. 28 zugeführt. Die Gasströmungen werden durch Strömungsmeßventile 30, 32 und 34 gesteuert. Das Reaktionsrohr 10 ist durch eine Abdeckkappe 36 vakuumdicht verschlossen, und der Druck wird mit einem Vakuummeßgerät 38 gemessen. Ein Ausgang 40 dient dazu, Nebenprodukte und solche Stoffe aus der Röhre abzuführen, die von den Ausgangsmaterialien herrühren und zur Reaktion nicht benötigt wurden. Gemäß der Darstellung enthält das Reaktionsrohr ein Quarzschiffchen 42, welches mit einer Mehrzahl von Siliziumscheiben 44 beschickt ist, welche mit ihren Oberflächen jeweils senkrecht zu der zylindrischen Achse des Reaktionsrohres angeordnet sind. Die Anordnung der Scheiben ist aus der Fig. 2 ersichtlich. Vorzugsweise ist ein Abstand zwischen etwa 1,27 mm und etwa 12,7 mm zwischen den Scheibenoberflächen vorhanden, wobei jeweils so viele Scheiben in einem Arbeitsgang verarbeitet werden können, wie in dem Reaktionsrohr untergebracht werden können. Während die dargestellte Art der Anordnung der Scheiben in dem Reaktionsrohr den Platz optimal ausnutzt, sind auch andere Scheibenanordnungen denkbar. Weiterhin kann das Verfahren auch in verschiedenartigen Vakuumeinrichtungen durchgeführt werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Reaktionsrohr auf die geeignete Temperatur aufgeheizt, und es wird eine Spülung mit Stickstoff durchgeführt Dann wird das Schiffchen mit den Siliziumscheiben in das Reaktionsrohr eingebracht Die S Temperatur sollte ausreichend hoch sein, um eine annehmbare Wachstumsgeschwindigkeit zu erreichen, während zugleich die nicht erwünschte thermische Zerlegung der Halogensilane auf einem Minimum bleibt, bei welcher Silizium entsteht Es wird eine Temperatur zwischen 650°C und 1000⁰C angewendet

Nachdem das Schiffchen in die Röhre gebracht ist und die gewünschte Temperatur erreicht wurde, wird ein Vakuum von weniger als 6 ■ 10~² mbar aufgebaut Dann werden Ammoniak und SiH₂Cl₂ in das Reaktionsrohr eingeleitet, wobei ein Druck von 0,39 bis 13,33 mbar eingestellt wird. Die Strömung wird in der Weise geregelt, daß das Molverhältnis zwischen Ammoniak und SiH₂Cl₂ zwischen etwa 1 bis 500:1 liegt Weiterhin wird der Ammoniak mit einem Durchfluß zwischen etwa 0,01 und 10 cm³/see eingeleitet, während SiH₂Cl₂ in das Reaktionsrohr mit einem Durchfluß zwischen etwa 0,01 und 0,5 cm³/see eingeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß das Wachstum von Siliziumnitrid unter diesen Bedingungen etwa 0,5 bis 10 nm/min beträgt. Dieser Prozeß wird fortgesetzt, bis auf den Scheiben die gewünschte Dicke abgelagert ist Für die meisten HaIbieiteranwendungen werden Schichten mit einer Dicke zwischen etwa 20 und 200 nm angestrebt, das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch dazu geeignet, Schichten beliebiger Dicke hervorzurufen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Siliziumnitridschichten haben sich in vieler Hinsicht gegenüber solchen Schichten als überlegen erwiesen, die nach herkömmlichen Verfahren aufgebracht werden. Beispielsweise wurde der am Umfang vorhandene Ring mit dickerem Nitrid vermieden, der bei Scheiben aufgetreten ist, die mit Silanen und Ammoniak unter Vakuum behandelt wurden. Weiterhin ist es gemäß der Erfindung gelungen, Siliziumstaub oder Siliziumnitridstaub, welcher sich bei herkömmlichen Verfahren gebildet hat, ebenso zu vermeiden wie Markierungen durch das Schiffchen, wie sie bisher aufgetreten sind, und zwar konnten derartige Erscheinungen zumindest auf ein unbedeutendes Maß hinuntergedrückt werden. Da die Siliziumnitridschichten gleichförmig sind, können eine größere Anzahl von Halbleitereinrichtungen aus den Halbleiterscheiben hergestellt werden, die gemäß der Erfindung behandelt wurden, wodurch das Verfahren wesentlich zur Wirtschaftlichkeit beiträgt. Das folgende Beispiel dient zur Veranschaulichung, wie das erfindungsgemäße Verfahren abläuft.

Beispiel

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Es wurden 115 vorgereinigte Siliziumscheiben mit einem Durchmesser von etwa 7,62 cm in ein mit drei Schienen ausgestattetes Quarzschiffchen mit einer Länge von etwa 40,64 cm geladen, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Scheiben etwa 0,238 cm betrug. Nach einer üblichen Technik wurden an jedem Ende des Schiffchens fünf Attrappenscheiben angeordnet. Dann wurde das Schiffchen in ein Quarzrohr mit einem Außendurchmesser von 101 mm in einen Ofen gebracht. Das Temperaturprofil im Ofen wurde derart eingestellt, daß Thermoelementenmessungen an drei äauidistanten Punkten, welche in einem mittleren Bereich des Reaktionsrohres von etwa 50,8 cm angeordnet waren, zu Temperaturwerten von 73O°C, 750⁰C und 770⁰C geführt haben, wobei die niedrigste Temperatur auf der dem Gaseinlaß zugewandten Seite gemessen wurde. Das Reaktionsrohr wurde auf einen Druck von weniger als 6 · 10~² mbar evakuiert und mit Stickstoff gespült, und zwar über 10 Minuten bei einem Druck von 2,66 mbar. Dann wurde die Stickstoffzufuhr abgeschaltet, und das System wurde auf einen Unterdruck von weniger als 6 · 10~² mbar gebracht Es wurde dann Ammoniak mit einem Durchfluß von 0,24 cnrVsec über 1 Minute zugeführt Dann wurde Dichlorsilan mit einem Durchfluß von 0,02 cnrVsec zugeführt, während zugleich die Zugabe von Ammoniak fortgesetzt wurde. Nach 60 Minuten wurde die Dichlorsilanströmung abgeschaltet, und es wurde 1 Minute später die Ammoniakströmung abgeschaltet Diese Durchflüsse entsprechen einem Molverhältnis von Ammoniak zu Dichlorsilan von etwa 12 :1. Dann wurde das Reaktionsrohr auf einen Druck von weniger als 6 ■ 10~² mbar ausgepumpt und über 5 Minuten bei einem Druck von 2,66 mbar mit Stickstoff gespült Das Vakuumventil wurde geschlossen, und das System wurde erneut mit Stickstoff gefüllt Daraufhin wurde das Schiffchen entladen, und die Scheiben wurden ausgewertet. Es hat sich gezeigt, daß die Scheiben eine Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von 10 nm hatten und daß die Schicht von einer Scheibe zur anderen Scheibe innerhalb einer Toleranz von ± 10% gleichförmig war, und es wurde um die Scheibe herum eine Gleichförmigkeit innerhalb einer Toleranz von ± 1% gemessen. Die Scheiben enthielten keine Verunreinigung und keine Markierung durch das Schiffchen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ablagern von Siliziumnitrid auf einer Vielzahl von Substraten, insbesondere auf s Halbleiterscheiben, in einem auf einem Unterdruck gehaltenen Reaktionsbehälter bei einer Temperatur zwischen etwa 650 und 1000⁰C, aus einem die Substrate überströmenden Gemisch von Silan und Ammoniak, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumnitrid aus einer ausschließlich aus Dichlorsilan und Ammoniak gebildeten Atmosphäre abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druck von 0,39 bis 13,33 mbar ein- is gestellt wird.