DE3117252A1

DE3117252A1 - Plasmaauftragvorrichtung

Info

Publication number: DE3117252A1
Application number: DE19813117252
Authority: DE
Inventors: Seitaro Hachioji Tokyo Matsuo; Shinichi Chofu Tokyo Yamazaki; Hideo Tokyo Yoshihara
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1980-05-02
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-08-12
Also published as: NL191267C; NL8102172A; US4401054A; FR2481838A1; GB2076587A; NL191267B; CA1159012A; FR2481838B1; DE3117252C2; GB2076587B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Plasmaauftragsvorrichtung, in die Rohgase eingeleitet werden, um verschiedene Materialien auf ein Substrat durch ein Plasmaverfahren aufzutragen (niederzuschlagen), so daß eine dünne Schicht von Si, Si-,Ν. , SiO₂, MoSi„, WSi„ oder dergleichen gebildet wird; eine derartige Vorrichtung kann zur Herstellung verschiedener elektronischer Elemente, wie integrierte Halbleiterschaltkreise, verwendet werden.

Als Vorrichtung zur Herstellung einer dünnen Schicht ist eine sogenannte CVD-Vorr ich Lung (Chemien 1. Vapor: Depo:; Ll ion -chemische Aufdampfvorrichtung) bekannt geworden, die häufig zur Herstellung verschiedener dünner Schichten bei integrierten Halbleiterschaltkrcisen eingesetzt wird. Mit dieser Vorrichtung können dünne Schichten, wie Si-N., SiO „ oder Si mit hoher Reinheit und hoher Güte hergestellt werden. Bei diesem Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht wird ein Reaktionsbehälter, in dem die Substrate angeordnet sind, auf eine hohe Temperatur von 500 bis 1000⁰C erhitzt. Das aufzutragende Rohmaterial wird dem Behälter gasförmig zugeführt, so daß in dem Gas Gasmoleküle thermisch dissoziiert und kombiniert und auf der Oberfläche des Substrats niedergeschlagen werden, um eine dünne Schicht zu bilden.

Bei diesem Verfahren erfolgt jedoch die thermische Reaktion bei hoher Temperatur, und daher ist dieses Verfahren auf solche Substrate für die aufzubringenden Schichten beschränkt, die gegen hohe Temperatur hitzebeständig sind und deren Eigenschaften durch die hohe Temperatur nicht verschlechtert werden. Daher ist der Einsatzbereich der bekannten CVD-Vorrichtung außerordentlich eingeschränkt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß es schwierig ist, die

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Eigenschaften, wie innere Spannungen, der gebildeten Schicht zu steuern.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde kürzlich eine CVD-Vorrichtung mit Plasmaanreicherung vorgeschlagen, bei der die Plasmareaktion dazu ausgenutzt wird, um eine REaktion ähnlich der bei der üblichen CVD-Vorrichtung bei einer relativ niedrigen Temperatur auszunutzen, um eine dünne Schicht zu bilden. Diese Plasma-CVD-Vorrichtung ist beispielsweise erläutert bei Richard S. Rosler et al. in "A Production Reactor for Low Temperature Plasma-Enhanced Silicon Nitride Depositlon", in der Zeitschrift "Solid state Technology", Juni 1976, S. 45 bis 50, und hei A.K. Sinha et al. in "Reactive Plasma Deposited Si-N Films for MOS - LSI Passivation" in der Zeitschrift "J.Electrochem. Soc:

Solid - State Science and Technology", April 1978, S. 601 bis 608. Diese Plasma-CVD-Vorrichtung weist eine Probenkammer, ein Gaseinlaßsystem sowie ein Gasauslaßsystem auf. Innerhalb der Probenkammer sind eine RF-Elektrode sowie ein Probentisch einander gegenüberliegend angeordnet. Dieser Probentisch weist eine Heizvorrichtung auf. Die Erläuterung erfolgt im Zusammenhang mit einem Beispiel zur Herstellung einer Siliciumnitridschicht. Silangas (SiH.) sowie Ammoniakgas (NH-.) werden als Rohmaterial in die Probenkammer durch das Gaseinlaßsystem eingeleitet. Während diese Rohgase vom Gasauslaßsystem abgegeben werden, wird der Gasdruck in der Probenkammer im Bereich von 0,1 bis 10 Torr konstant gehalten. Zur Erzeugung des Plasmas wird der Probenkammer RF-Leistung zugeführt. Die gasförmigen Moleküle von SiH. und NH_ werden in dem Plasma dissoziiert. Durch das Einwirken von Ionen und Elektronen neben der Dissoziation im Plasma wird Siliciumnitrid auf der Oberfläche eines Substrats auf dem Probentisch niedergeschlagen. Dabei ist jedoch der Probentisch auf 300 bis 500°C erwärmt, und außerdem ist es notwendig, eine zusätzliche thermische Reaktion bei hoher Temperatur vorzunehmen. Daher ist die Plasma-CVD-Vorrichtung

weiterhin unzureichend zur Bildung einer dünnen Schicht, wenn gleichzeitig das Substrat auf niedrigerer Temperatur gehalten werden soll. Zusätzlich sind die Dissoziation von SiH₄ und NH., nicht ausreichend, so daß H in einer gebildeten Schicht aufgenommen wird, oder die Si-N -Bindung ist nicht ausreichend. Daher erhält man keine qualitativ hochwertige dünne Schicht. Hieraus ergibt sich, daß in nachteiliger Weise die Plasma-CVD-Vorrichtung nicht zur Herstellung derartiger integrierter Halbleiterschaltkreise geeignet ist, die ein Substrat mit geringer Wärmebeständigkeit und eine Schicht mit hoher Qualität orfordern.

Ein anderes Plasma-Verfahren ist unter der Bezeichnung "Plasmastrahltransportverfahren" bekannt geworden (vgl. z.B.

Takashi Tsuchimoto in "Plasma stream transport method (1) Fundamental concept and experiment" in "J.Vac. Sei. Technol." 15(1), Januar/Februar 1978, S. 70 bis 73 und in "Plasma stream transport method (2) Use of charge exchange plasma source" in "J.Vac. Sei. Technol." 15 (5) , September/ Oktober 1978, S. 1730 bis 1730). Diese Aufsätze beschreiben Untersuchungen bei der Bildung und Steuerung des Plasmastrahls zum Materialtransport. Dieses Verfahren wird sowohl zur Bildung dünner Schichten als auch zum Ätzen (Ablösen) angewendet. Die hierfür eingesetzte Vorrichtung weist eine Plasmaquelle mit Mikrowellenentladung sowie eine Probenkammer auf, die mit einem parallelen Magnetfeld versehen ist. Durch Ausnutzung der Magnetschlauch-Wirkung des parallelen magnetischen Feldes wird der Plasmastrahl zur Oberfläche einer Probe von der Plasmaquelle durch thermische Diffusion transportiert, so daß auf der Probe eine Schicht niedergeschlagen wird. Bei Anwendung dieses Verfahrens zum Aufbringen einer Schicht wird der Plasmastrahl lediglich durch thermische Diffusion transportiert, während das Einfallen und das Auftreffen von Ionen und Elektronen auf der Proben-

³^ Oberfläche bei der Bildung der Schicht kaum ausgenutzt werden. Daher ist es auch bei diesem Verfahren notwendig, die

J I i I ΔΌΔ

Probe auf eine Temperatur von 300 bis 500⁰C zu erhitzen, um eine thermische Reaktion durch die Wärmeenergie gleichzeitig auszunutzen. Ferner nutzt die bei diesem Verfahren eingesetzte Plasmaquelle die Mikrowellenentladung in einer koaxialen Entladungskammer oder in einem Wellenleiterzylinder aus. Daher ist der Durchmesser des Plasmastrahls nur etwa 2 cm groß, so daß der Bereich, in dem die Schicht ausgebildet werden kann, klein ist. Dies hat den Nachteil einer relativ geringen Produktivität. Ferner muß bei diesem Verfahren der Gasdruck in der Probenkammer abgesenkt werden, um die Dichte des Plasmas, das die Probenoberfläche erreicht, nicht zu verringern. Forner muß der Innenraum der Plasmaquci LIe auf einen für die Entladung ausreichenden Gasdruck gebracht werden. Daher kann der Durchmesser oder die Öffnung zum Einleiten des Plasmas nicht erhöht werden, und daher ist es schwierig, den Durchmesser des Plasmastrahls zu erhöhen.

Andererseits ist versucht worden, durch eine Abtastmagnetspule den Plasmastrahl hin- und herzubewegen, um die Fläche, auf der eine Schicht gebildet werden kann, zu erhöhen. Dabei verringert sich jedoch die Schichtbildungsgeschwindigkeit dementsprechend, so daß die Produktivität nicht verbessert wird. Dieses Verfahren erfordert ferner eine komplizierte Mischung. Wenn beispielsweise N„-Gas in die Plasmaquelle und S5 i.H -Gas in die Probenkammer eingeleitet werden sollen, um eine Siliciumnitridschicht zu bilden, um so den Verlust von Rohgasen oder die Bildung von unerwünschten Niederschlagen innerhalb der Plasmaquelle zu vermeiden, ist es nachteilig, daß die Wechselwirkung zwischen dem N_?-Plasmastrahl und dem SiH.-Gas unzureichend ist, so daß eine hochwertige Schicht nicht mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden kann. Dies liegt daran, daß der Durchmesser des Plasmastrahls gering ist und darüber hinaus der Gasdruck des SiH. in der Probenkammer nicht erhöht werden kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Plasmaauftragvorrichtung zu schaffen, mit der qualitativ hochwertige, dünne Schichten auf einer großen E'lächen mit hoher Produktivität hergestellt werden können, wobei das Substrat auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden kann. Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, ausgehend von einer üblichen Plasmaauftragvorrichtung ein hoch-aktives Plasma zu erzeugen und die Reaktion des Plasmas aus Ionen und Elektronen auf der Oberfläche der Probe zu verstärken. Auch kann das Plasma, das durch eine Mikrowellenentladung durch Elektronen-Cyclotron-Resonanz erzeugt wird, mit Hilfe eines divergenten Magnetfeldes extrahiert werden, wobei dann das Plasma auf die Oberfläche einer Probe auftrifft.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch die Merkmale der Patentansprüche aus und wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. En zeigen: Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer bekannten Plasma-CVD-Vorrichtung mit RF-Entladung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer bekannten Plasmastrahltransportvorrichtung mit Mikrowellenentladung,

Fig. 3 einen Querschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Plasmaauftragvorrichtung,

Fig. 4 einen Querschnitt einer modifizierten erfindungsgemäßen Plasmaauftragvorrichtung, 30

Fig. 5 eine schematische Darstellung der elektrischen

Feldverteilung der Mikrowelle in der Plasmageneratorkammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht bzw. ein Schaltbild von erfindungsgemäßen Ausführungsformen,

L J

- ίο -

Fig. 8 eine Kennlinie der Beziehung zwischen dem N₂ : Ar-Mischungsverhältnis und dem Brechungsindex,

Fig. 9 eine Kennlinie der Beziehung zwischen der Einbauposition des Probentisches gegenüber der Plasma

generatorkammer einerseits und dem negativen Poten tial andererseits, . „

Fig. 10 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform, 10

L-'ig. 1 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Ausführungsform gemäß Figur 10,

Fig. 12 einen Querschnitt einer Modifikation der Ausführungsform gemäß Fig. 10 und

Fig. 13 schematische Darstellungen zweier Ausführungsbei^un spiele für das Kühlsystem des Probentisches.

²^ Die in Figur 1 dargestellte Plasma-CVD-Vorrichtung weist eine Probenkammer 1, ein Gaseinlaßsystem 2 und ein Gasauslaßsystem 3 auf. In der Probenkammer 1 sind eine RF (Radiof ri'qucnz) -RLoktrodo 4 zur Erzeugung dos Plasmas sowie ein Probentisch 5 angeordnet. Der Probentisch 5 liegt der RF-Elektrode 4 gegenüber und ist mit einer Heizeinrichtung versehen. Die RF-Leistung wird der Elektrode 4 von einer RF-Versorgung 7 zugeführt; da s Plasma 8 wird im allgemeinen bei einem Gasdruck von 0,1 bis 10 Torr erzeugt, und eine dünne Schicht bildet sich auf dem Substrat 6, das auf dem Probentisch 5 angeordnet ist. Wie nachstehend näher erläutert wird, wird beispielsweise eine Siliciumnitrid-Schicht gebildet. Bei der üblichen CVD-Vorrichtung wird Silangas (SiH.) sowie Ammoniakgas (NH_) vom Gaseinlaßsystem 2 eingeleitet. Der Gasdruck wird konstant gehalten, während d Lc; Giif;e vom Gasauslaßsystem 3 abgeführt werden. Der Ul''~-K.U;kLrocle 4 wird von dor RL-'-Quelle 7 RE'-Energie zuge-

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führt, so daß ein Plasma 8 zum Dissoziieren des SiH. und NH erzeugt wird. Durch die einfallenden Ionen und Elektronen wird neben der Dissoziation im Plasma eine Reaktion sowie eine Kombination auf der Oberfläche der Probe 6 ausgelöst, und Siliciumnitrid wird auf der Oberfläche niedergeschlagen. Dabei wird der Probentisch 5 auf 300 bis 500°C erwärmt. Eine derartige Plasmaauftragvorrichtung ermöglicht die Bildung einer Schicht bei relativ niedriger Temperatur im Vergleich zu üblichen CVD-Vorrichtungen, die eine hohe Temperatur von etwa 800 bis 900°C erfordern. Bei dieser Vorrichtung ist jedoch die Dissoziation von SiH. und NII- nicht ausreichend, ua daß in einer niedergeschlagenen Schicht II enthalten ist oder die Si - N-^Bindung nicht ausreichend ist. Als nachteilig wird daher bei dieser Vorrichtung angesehen, daß qualitativ hochwertige Schichten nicht erhalten werden können.

Bei der von Takashi Tsuchimoto vorgeschlagenen Vorrichtung zum Ausbilden einer dünnen Schicht wird ein durch Mikrowellenentladung erzeugtes Plasma verwendet (vgl. Figur 2).

²⁽^ Diese Plasmastrahltransportvorrichtung weist eine Plasmaquelle 11 sowie eine Probenkammer 12 mit parallelem Magnetfeld auf. Auf dor Probe 6 wird eine Schicht η ünlnrqo.sehl <igen, indem ein Plasmastrahl 13 von einer PluHinuquoLlu 11 ;:in-Oberfläche der Probe 6 durch thermische Diffusion transportiert wird. Bei dieser Vorrichtung sind eine Magnetspule 14 zur Erzeugung des parallelen Magnetfeldes sowie ein Zylinder 15 als Mikrowellenleiter vorgesehen. Bei diesem Verfahren ist der Gasdruck gering^ und es kann ein Plasma mit hoher Aktivität erzeugt werden. Bei diesem Verfahren ist vorteilhaft, daß Stickstoffgas (N₃) anstelle von NH₃ verwendet werden kann, um in Verbindung mit SiH₄ eine Siliciumnitridschicht zu bilden. Bei diesem Verfahren wird jedoch ein paralleles Magnetfeld zum Einführen des Plasmastrahls 13 von der Plasmaquelle 11 mit Hilfe der thermischen Diffusion

verwendet. Daher ist die Wirkung der Elektronen und Ionon des Plasmas auf der Oberfläche der Probe nicht ausreichend.

π π '

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Daher ist dieses Verfahren deshalb als nachteilig anzusehen, da die Probe wie bei üblichen Plasmaauftragvorrichtungen auf eine Temperatur von 300 bis 500°C erhitzt werden muß. !•'eimer wird die verwendete Plasmaquelle 11 durch eine Entla-

S dung innerhalb dos Mikrowellenleifcer-Zylinders 15 erzeugt, und daher beträgt der Durchmesser des Plasmastrahls 13 nur etwa 2 cm. Als nachteilig ist daher anzusehen, daß die Fläche, wo die Schicht gebildet werden kann, im Vergleich zu üblichen Plasmaauftragvorrichtungen außerordentlich klein und daher die Produktivität gering ist.

Der grundlegende Aufbau der erfindungsgemäßen Plasmaauftragvorrichtung ist in Figur 3 dargestellt. Diese Vorrichtung weist eine Plasmageneratorkammer 21 , eine Probenkammer 22 sowie ein Mikrowellen-Eintrittsfenster 23 auf. Dieses Fenster

~ Oder Kieselglasplatte .

kann aus einer Quarz-¹^ / Destehen. Die nicht dargestellte Mikrowellenquelle ist beispielsweise ein Magnetron mit einer Frequenz von 2,45 GHz. Die Mikrowellenquelle wird mit einem rechteckigen Wellenleiter 24, der sich von dem Fenster 23 aus nach außen hin erstreckt, über eine Anpaßvorrichtung, ein Mikrowellen-Leistungsmeßgerät sowie einen Isolator verbunden, die in der Figur nicht dargestellt sind. Die Plasmageneratorkammer 21 besteht aus rostfreiem Stahl und wird mit Wasser über eine Wassereinlaßöffnung 35 und eine Wasserausla_ßöffnung 36 gekühlt, um einen Temperaturanstieg aufgrund der Plasmabildung zu verhindern. Das Gaseinlaßsystem weist zwei Untersysteme auf. Das ersten Gaseinlaß-Untersystem 25 ermöglicht das Einleiten des Gases in die Plasmageneratorkammer 21. Das zweite Gaseinlaß-Untersystem 26 weist ein ringförmiges Rohr 26A aus rostfreiem Stahl auf, das an mehreren iJLell.cn mit kloinen durchgehenden Bohrungen versehen ist, um das Gas. in die Probenkammer 22 einzuleiten und das Gas direkt zur Oberfläche der Probe 28 auf dem Probentisch 27 zu leiten, der in der Probenkammer 22 angeordnet ist. In der Plasmageneratorkammer 21 ist eine Plasmaabführöffnung 30 zum Abführen eines Plasmastrahls 29 an dem Ende

gegenüber dem Fenster 23 angeordnet.

Unterhalb der Plasmaabführöffnung 30 kann gemäß Figur 4 ein Verschluß 31 angeordnet sein, so daß der Plasmastrahl unterbrochen werden kann. Der Verschluß 31 ist an einer drehbaren Welle 33 über einen Hebel 32 befestigt, so daß die Welle 33 von außerhalb der Probenkammer 22 bedient werden kann, um das Öffnen und Schließen des Verschlusses 31 bezüglich der öffnung IO zu steuern. L¹Ir, genüqt., daß der· V<m"-Schluß 31 so angeordnet ist, daß der Plasmastrahl 29 zwischen der Öffnung 30 der Plasmageneratorkammer 21 und dem Probentisch 27 unterbrochen wird. Daher kann der Verschluß 31 in Strömungsrichtung entweder vor oder hinter dem Rohr 26A je nach den gewünschten Konstruktionsbedingungen angeord-

Ί5 net werden. Vorzugsweise wird das öffnen und Schließen des Verschlusses 31 folgendermaßen gesteuert:

Am Anfang der Benutzung wird zunächst der Verschluß 31 geschlossen gehalten, bis die Einstellung der verschiedenen Bedingungen abgeschlossen ist. Danach wird der Verschluß 31 geöffnet, und der Plasmastrahl 29 erreicht seinen eingeschwungenen Zustand. Nach dem Ausbilden einer dünnen Schicht auf der Probe wird der Verschluß 31 geschlossen, und danach werden die Arbeitsbedingungen aufgegeben. Bei der Massenproduktion dünner Schichten wird vorzugsweisti der Verschluß 31 so geöffnet und geschlossen, daß dies mit dem sequentiellen Zuführen von Wafern zu dem Probentisch 27 übereinstimmt.

Gemäß Figur 3 ist es bevorzugt, daß der Probentisch 27 gegenüber der Plasmageneratorkammer 21 elektrisch potentialfrei ist, und daß als Hilfseinrichtung eine nicht dargestellte Heizvorrichtung vorgesehen ist, um das Substrat 28 zu erwärmen. Die Kammer 22 ist mit einem Ablaßsystem 34 verbunden, das beispielsweise aus einer Öldiffusionspumpe mit einer Pumpkapazität von 2400 Liter/Sekunden und aus einer ölrohationapumpe mit einer Absaugkapaüitüt. von

L j

Ol I / Z OZ ·· ·· ·· ·

r -ι

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'jOO r.itor/Minuton bestehen kann. DLe Mikrowellen-Hohlraum— resonanz der Plasmageneratorkainmer 21 sollte die folgenden Bedingungen hinsichtlich der Hohlraumlänge 1 erfüllen.

1 = ("X_g/2)x η

wobei Λ- = Wellenlänge des Wellenleiters, wenn die Kammer ein zylindrischer Wellenleiter ist,
η = positive ganze Zahl.
10

Der Wert ^₍ kann in folgender Weise dargestellt werden:

wobei X = Wellenlänge im freien Raum, P^ = Grenzwellenlänge.

Für beispielsweise λ = 12,24 cm beträgt die Mikrowellenfrequenz 2,45 GHz und X =34,1 cm, wenn die Welle in der TE₁₁-Mode in einen kreisförmigen Wellenleiter (mit einem Innendurchmesser von 2O cm) eingeleitet wird. In diesem Fall beträgt ^₁ = 13,1 cm und die Länge 1 des Hohlraumresonators ist 19,7 cm, falls η = 3; dies ergibt sich aus der vorstehenden Gleichung.

Für die TE₁ -Mode des rechteckigen Wellenleiters 24 bildet die Plasmageneratorkainmer 21 die kreisförmige Hohlraumresonanzmode TE.., (n = 3), die eine elektrische Feldverteilung gemäß Figur 5 aufweist; zur Erfüllung der Bedingungen des Mikrowellen-Hohlraumresonators weist die Kammer 21 zylindri sche Form mit 20 cm Durchmesser und 20 cm Höhe für die Innenabmessungen auf. Dadurch wird die elektrische Feldstärke der Mikrowelle erhöht, und der Wirkungsgrad der Mikrowellenentladung wird verbessert. Bei der Plasmageneratorkammer 21 mit 20 cm Innendurchmesser ist die Plasmaaustrittsöffnung 30 in Form einer kreisförmigen Öffung mit

^ einem Durchmesser von 10 cm aunqobi.ldel , ho daß :;io im Mikrowellenkreis die Rolle einer Iris :;pi.ell, r.o daß :; ie eine Reflektionsflache für die Mikrowelle bildet·, und die Plasmageneratorkammer 21 als Mikrowellen-Hohlraumresonator arbeiten kann.

Alternativ kann die in Figur 6 dargestellte Metallgitterplatte 21 anstelle der Plasitiaaustrittsöffnung vorgesehen werden. In diesem Fall ist der Gitterabstand der Platte 41 so gewählt, daß sie die Mikrowelle in den Innenraum der Kammer 21 reflektiert, jedoch den Plaumastrahl 29 hindurchläßt. Daher sollte das Gitter vorzugsweise grob sein, vorausgesetzt, daß der Gitterabstand ausreichend klein ist im Vergleich zur Wellenlänge der Mikrowelle. Der Gitterabstand beträgt 1 bis 3 cm für eine Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz. Wenn eine derartige Gitterplatte 41 verwendet wird, kann man einen gleichförmigen Niederschlag dadurch erhalten, daß man den Probentisch 27 dreht, wobei die Produktivität erhöht wird.

Auf dem umfang der Plasmageneratorkammer 21 sind zwei Spaltmagnetspulen 37 und 38 vorgesehen, mit deren Hilfe die Stärke des Magnetfeldes festgelegt werden kann, so daß die Bedingungen für eine Elektronen-Cyclotronresonanz durch die Mikrowelle innerhalb der Plasmageneratorkammer 21 erfüllt werden. Die Cyclotronresonanz wird erfüllt, wenn die Cyclotron-Kreisfrequenz uj der Elektronen im Magnetfeld (ω = e.B/m, wobei e = Ladung, R = magnet.i tsche 1'¹IuBd ich L ο und m = Masse des Elektrons) gleich ist dem Wert ^ der Mikrowelle, wenn das elektrische Feld senkrecht zum Magnetfeld ist.. Der Wert cu wird folgendermaßen ausgedrückt: Cu= 2 or f. Beispielsweise werden für eine Mikrowelle mit einer Frequenz von f von 2,45 GHz die Magnetspulen 37 und 38 so eingestellt, daß die maximale magnetische Flußdichte von etwa 1000 G erhalten werden kann, da für die Elektronen-Cyclotronresonanz eine magnetische Flußdichte von 875 G erforderlich ist.

L j

r π

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Die Magnetspulen 37 und 38 sind so angeordnet, daß die Oberseite der Kammer 21 in dem Bereich liegt, wo die magnetische Feldstärke maximal und annähernd gleichförmig ist, d.h. in dom Büroich des mittleren Drittels in Vertikalrichtung (in Figur J) der Magnetspulen 37 und 38. Unter dieser Bedingung wird die Magnetfeldstärke in diesem Bereich auf 875 G oder mehr eingestellt, wenn f = 2,45 GHz.

Der geeignete Durchmesser für die Plasmageneratorkammer 21 beträgt 10 bis 30 cm. Die Abmessungen sollten innerhalb dieses Bereiches festgelegt werden, und die Bedingungen für die Hohlraumresonanz Λ-₃»η/2 sollten in der vorstehenden Weise festgelegt werden. Für eine gleichförmige Plasmaerzeugung ist vorzugsweise η = 1 bis 5. Wenn der Durchmesser. der Kammer 21 oberhalb 30 cm liegt, sind außerordentlich große Magnetspulen 37 und 38 erforderlich, so daß das System nur unter Schwierigkeiten realisiert werden kann. Die Form dor Kauimcir 21 iüt nicht unbedingt auf die zylindrische Form beschränkt; beispielsweise kann die Kammer 21 rechteckig sein.

Die Verwendung des vorstehend beschriebenen Magnetfeldes ermöglicht nicht nur eine wirksame Energieübertragung auf die Elektronen durch die Elektronen-Cyclotronresonanz, sondem verhindert auch, daß die gebildeten Elektronen und Ionen senkrecht zum Magnetfeld austreten. In der Magnetfeldrichtung wird das divergente Magnetfeld verwendet, dessen Stärke in Richtung der Plasmaöffnung 30 abnimmt, so daß das Plasma wirksam aus der Plasmaaustrittsöffnung 30 abgezogen

-^!() worden kanu, Alis grundluyondor Aufbau für die Erzeugung des Plasmas kann etwa der Aufbau der sogenannten "Ionenschauer-Vorrichtung" verwendet werden, die Gegenstand der japanischen Patentanmeldung 48 535/79 des gleichen Anmelders ist.

Das System ist so ausgebildet, daß das von den Magnetspulen 37 und 38 erzeugte Magnetfeld für die Elektronen-Cyclotron-

Γ'" Π

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resonanz in der Plasmageneratorkammer 21 verwendet werden kann, das darüber hinaus die Probenkammer 22 erreichen kann. Dies bedeutet, daß der Boden der Kammer 21 etwa mit dem Boden der Magnetspule 38 ausgerichtet ist, so daß die Verteilung des Magnetfeldes in der Plasmaaustrittsöffnung 30 und in der Probenkammer 22 die Magnetfeldverteilung einer Luftspule zeigt, so daß ein di. vordem U::; Maqiiot UvI d mil. oiiicni geeigneten MagnetEeldqradienton gebildet, wird. Dadurch wild ein divergentes Magnetfeld gebildet, in dem die Stärke des Magnetfeldes (magnetische Flußdichte) in der Probenkammer 22 mit einem geeigneten Gradienten von der Plasmaaustrittsöffnung 30 zum Probentisch 27 weiter abnimmt. Im allgemeinen bewegen sich die geladenen Teilchen in dem divergenten Magnetfeld kreisförmig, während die Energie der kreisförmigen

¹^ Bewegung in kinetische Energie in Richtung des divergenten Magnetfeldes unter Beibehaltung des Drehimpulses umgewandelt wird. Die geladenen Teilchen werden in der Richtung der Magnetkraft beschleunigt, in der sich die Magnetfeldstärke vermindert. Durch dieses Prinzip wird das Plasma wirksam zum

²^ Probentisch 27 transportiert und diirüberhinaus erhöht sich der Durchmesser des Plasmastrahls 29 bei dessen Annäherung an den Probentisch 27. Unter der Annahme, daß die kinetische Energie der Elektronen und Ionen etwa 10 eV bzw. 0,1 eV beträgt, sind die Radien der Kreisbewegung der Elektronen und der Ionen im Plasma nur etwa 0,1 mm bzw. 1 bis 3 mm (bei einer magnetischen Flußdichte von 875 G). Daher ist anzunehmen, daß das Plasma entlang den magnetischen Kraftlinien abgeführt wird. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Intensität der magnetischen Flußdichte am Probentisch 27 etwa 200 Gf und der am Austritt zunächst einen Durchmesser von 10 cm zeigende Plasmastrahl 29 hat am Probentisch 27 etwa 20 cm Durchmesser.

Die Elektronen, denen durch die Elektronen-Cyclotron-Kasonanz exne Kreis-Bewegungsenergie erteilt worden ist (etwa mit einem Mittelwert von 10 bis 30 eV) erreichen den Proben-

tisch 27, wobei 70 bis 80 % der Kreis-Bewegungsenergie in kinetische Energie in Richtung der magnetischen Kraft-Linien durch das vorstehend erwähnte divergente Magnetfeld umgewandelt worden ist. Dieser Prozentsatz wird etwas erniedrigt, wenn man die Energieverluste aufgrund von Kollisionen mit Gasmolekülen während der Bewegung betrachtet.

In dem durch die Mikrowellenentladung durch Elektronen-Cyclotronresonanz erzeugten Plasma haben die Elektronen eine hohe Energie. Daher haben die Elektronen nicht nur einen hohen Wirkungsgrad zum Dissoziieren und Ionisieren der Gasmoleküle, d.h. einen hohen Aktivierungswirkungsgrad, sondern werden auch in starkem Maße in Richtung des diver-¹ⁱ⁾ genton Magnetfeldes beschleunigt und erreichen dadurch den ProbenLisch 27. Wann als Oberflächenmaterial des Tisches ein Isolator verwendet wird, oder wenn der Tisch 27 elektrisch potentialfrei angeordnet ist, so wird dieser Tisch durch die auftreffenden Elektronen negativ aufgeladen. Das negative Potential beschleunigt die Ionen im Plasma zum Probentisch 27 und erhöht die Anzahl der einfallenden Ionen. Die Anzahl der einfallenden Elektronen vermindert sich mit dem Aufbau eines negativen Potentials, und dadurch entsteht ein Gleichgewichtszustand, wenn die Anzahl der einfallenden Elektronen mit der der Ionen übereinstimmt.

In dem Plasmastrahl 29 wird ein solches elektrostatisches L¹O]₁Ci erzeugt, änl\ die Anzahl der einfallenden Ionen erhöht und die Anzahl der einfallenden Elektronen durch das divergente Magnetfeld reduziert wird. Dies bedeutet, daß die Kreis-Bewegungsenergie der Elektronen in kinetische Energie der Ionen in Richtung des divergenten Magnetfeldes umgewandelt wird, so daß nicht nur die Elektronen sondern auch die Ionen beschleunigt werden und den Tisch erreichen. Diesen Effekt bezeichnet man in der Kernfusion a3,s "Pj.asmabeschleunigung". In diesem Fall haben die ein—

L- J

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fallenden Elektronen noch 20 bis 30 % ihrer ursprünglichen Kreis-Bewegungsenergie und bewirken daher eine Verbesserung der Qualität der auf dem Substrat 28 aufgetragenen Schicht zusammen mit der Auftreffwirkung der einfallenden Ionen auf der Probenoberfläche.

Neben einem derartigen elektrostatischen Feld aufgrund des divergenten Magnetfeldes wird in bestimmtem Umfang ein elektrisches Feld auf der Oberfläche der Probe 28 durch die thermische Bewegung der Elektronen erzeugt. Dieser Bereich des Plasmas auf der Oberfläche wird als "Ionenschicht" bezeichnet. Die kinetische Energie der Ionen, dio dio Oberfläche der Probe 28 erreichen, ist die Summe der durch diese elektrischen Felder erzeugten kinetischen Energien und hat

¹^ eine außerordentlich große Auswirkung auf die Niederschlagsreaktion zur Ausbildung der dünnen Schicht.

Da ferner das Plasma entlang den magnetischen Kraftlinien des divergenten Magnetfeldes extrahiert wird, wird der Plasmastrahl 29, der mit 10 cm Durchmesser austritt, bis zu etwa 20 cm Durchmesser auf dem Probentisch 27 aufgeweitet. Dies ermöglicht die Bildung einer großflächigen Schicht neben der Wirkung der Reaktion zur Erzeugung der Schicht.

Bei einigen herzustellenden Schichten ist der Ioneneinfall mit höherer Energie als vorstehend erwähnt, besonders wirkungsvoll. In diesem Fall kann beispielsweise eine Radiofrequenz von 13,56 MHz von der Radiofrequenzquelle 42 (einschließlich einem Anpaßschaltkreis) an den Probentisch 27 über den Kondensator 43 angelegt werden, um auf der Oberfläche der Probe 28 wie bei der RF-Sputter-Technik eine negative, selbsterhaltende Spannung (negative self-bias voltage) zu erzeugen, um dadurch die Wirkung des Ioneneinfalls zu erhöhen-Die gleiche Wirkung erhält man dadurch, daß man zur Erzeugung einer Gleichspannung eine Gleichstromquelle mit dem Tisch 27 verbindet.Die Verwendung von Radiofrequenz-Energie

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ist jedoch bei der Herstellung einer Schicht aus isolierendem Material wirkungsvoller.

Wie vorstehend ausgeführt, weist das Gaseinlaßsystem ein erstes üntersystem 25 zum Einleiten des Gases in die Plasmagenera torkammer 21 sowie ein zweites Untersystern 26 zum direkten Einleiten des Gases in die Probekammer 22 auf. Dadurch kann das Gaseinlaßverfahren entsprechend der Art der zu bildenden Schicht von der Art des zuzuführenden Rohgases au.'.cjowähl-L wurdem. Wann beispielsweise eine Siliciumnitridschicht gebildet werden soll, wird stabiles N„-Gas vom ersten Untersystem 25 und das SiH.-Gas, das leicht dissoziiert, vom zweiten Untersystem 26 eingeleitet. Dieses SiH.-Gas wird dissoziiert und ionisiert und zwar unter der Wirkung des Plasmastrahls, und erreicht die Oberfläche der Probe 28. Die Reaktion erfolgt hauptsächlich auf der Oberfläche der Probe 28, um die Siliciumnitridschicht zu bilden. In diesem Fall treffen die Ionen und die Elektronen in dem Plasma, das durch das divergente magnetische Feld extrahiert worden ist, auf der Oberfläche der Probe 28 auf und unterstützen die Reaktion zur Ausbildung der Schicht, um H, das in dem Rohgas SiH. enthalten ist, zu dissoziieren und abzugeben und um die Si - N-Bindung zu verstärken. Daher kann erfindungsgemäß eine fest niedergeschlagene dünne Schicht hoher Qualitat ausgebildet werden, während die Reaktion nicht durch zusätzliche thermische Energie unterstützt werden muß.

Ferner ist es möglich, eine Siliciumschicht in der Weise auszubilden, daß Ar-Gas anstelle des N^^-GaSeS dem ersten Untersystem 25 zugeführt wird. Die Figur 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Ar ^„"Mischungsverhältnis einerseits und dem Brechungsindex andererseits, wenn ein Gemisch von Ar und N-^-Gasen in das erste Untersystem 25 eingeleitet wird. Gemäß Figur 8 kann die Bildung der Schicht über einen Bereich von einer Si—Schicht zu einer SiJS^-Schicht gesteuert werden, wenn die Mikrowellenleistung 200 W beträgt und

Γ ~1

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SiH.-Gas mit einer Rate von 10 cm³/Minuten und das !^+Ar-Gasgemisch mit einer Rate von 20 cm³/Minuten eingeleitet wird, ohne den Probontisch 27 zu erhitzen. Dadurch erhält man eine Si-Schicht, wenn der Anteil von N„ = 0 % ist, und eine Si₃N₄-Schicht, wenn der Anteil von N„ = 20 % ist.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Plasmaauftragvorrichtung wird nachstehend erläutert. Durch Einleiten des Np-Gases in das erste Untersystem 25, durch Inbetriebnahme der Vorrichtung sowie durch Ausbilden des Plasmastrahls 29 erhält man eine stabile Entladung über einen großen Gasdruck-

bereich von 3 χ 10 Torr oder mehr in der Probenkammer

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Der optimale Gasdruckbereich beträgt 5 χ 10 bis 3 χ 10 Torr. Die in Figur 9 dargestellten Daten zeigen, daß das Extrahierverfahren für den Pla:jmasLi:ahJ. 29 durch da;; el i.vorqpnt e Magnetfeld sehr effektiv ist. Die Figur 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand (cm) von der Plasmaaustrittsöffnung zum Probentisch 27 und dem negativen Potential (V), das an dem Probentisch 27 bei 200 W Mikrowellenleistung erzeugt wird. In diesem Fall wurde N₀-GaS verwendet, und der Gas-

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druck betrug 2 χ 10 Torr. Das negative Potential am Probentisch 27 erhöht sich mit zunehmendem Abstand oder mit Zunahme der Wirkung des divergenten. Magnetfeldes. Das negative Potential betrug 1 3 bis 14V bei einem Abstand von 20 cm. Die Energie der Ionen, die die Oberfläche der Probe 28 erreichen, betrug etwa 15 bis 30 eV, da die Beschleunigungsenergie aufgrund des negativen Potentials, das sich aus der thermischen Bewegung der Elektronen (Ionenschicht) ergibt, addiert wurde. Das negative Potential dieser Größe

ist bei der Ausbildung der Schicht besonders bevorzugt. Die in Figur 8 dargestellten negativen Potentialwerte bedeuten ferner, daß nicht nur die Elektronen sondern auch die Ionen durch das divergente Magnetfeld wirksam extrahiert

werden,
35

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! Π

- 22 -

Nachstehend werden die Ergebnisse bei der Bildung einer Siliciumnitridschicht unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Nach dem Evakuieren der Probenkammer 22 bis zu einem Vakuum von 8 χ 10 Torr wird N₂-GaS in das erste Untersystem 25 mit einer Geschwindigkeit von 15 bis 20 cm³/Minuten und SiH.-Gas in das zweite Untersystem 26 mit einer Geschwindigkeit von 10_cm³/Minuten eingeleitet.

Der Gasdruck in der Probenkammer 22 wird auf etwa

-4
2 χ 10 Torr eingestellt und eine Schicht wird bei 100 bis

^⁰ 400 W Mikrowellenleistung gebildet. Der Probentisch 27 befindet sich an der 18 cm-Position, wo die Zunahme des negativen Potentials weitgehend gesättigt ist. Dabei wird der Probentisch 27 nicht erwärmt, und der Plasmaauftrag wird bei Normaltemperatur gestartet. In diesem Fall kann die Siliciuianitridschicht wirksam gebildet werden bei einer Auftraggeschwind tgkc: it von 100 bis 350 Ä/Minuten. Der Brechungsindex der niedergeschlagenen Siliciuninitridüchicht beträgt 1,9 bis 2,0 (gemessen durch ellipsometrische Analyse). Bei IR-Absorptionsmessungen wird das Absorptionsspektrum der

²^ Si-N- Bindung deutlich beobachtet, während das Spektrum der Si - O-Bindung wegen Sauerstoffverunreinigungen nicht beobachtet wird. Bei Messung der Ätzrate mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure-Lösung zum Ermitteln der Säurebeständigkeit erhält man 100 A/Minuten oder weniger. Die Messungen zeigen somit, daß eine Siliciumschicht mit sehr hoher Qualität erzeugt werden kann. Ferner sind die inneren Spannungen der erfindungsgemäß hergestellten Schicht im Vergleich zu Siliciumnitridschichten, die mit der üblichen CVD—Vorrichtung hergestellt worden sind, außerordentlich gering. Daher kann eine Schicht mit einer Dicke von 2 |xm oder mehr in stabiler Weise hergestellt werden, ohne daß Risse oder eine Abschälung auftreten.

Neben der Siliciumnitridschicht kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, um verschiedene Schichten, wie Silicium, Silicium-

Γ - 23 -

! dioxid, Phosphorsilikatglas, Molybdänsilicid und Wolframsilicid herzustellen. Beispielsweise wird zur Herstellung der Siliciumschicht (Si) in das erste Untersystem 25 das SiH.-Gas eingeleitet; alternativ kann ein Schutzgas, wie Ar, in das erste Untersystem 25 und SiH.-Gas in das zweite Untersystem 26 eingeleitet werden. Für Siliciumdioxid (SiO^)-Schichten, wird O Ln das ort;to UtiLorsynlcin 2Ί und SiH.-Gas in das zweite Untersystem 26 eingeleitet. Für Phosphorsilikatglas (PSG)-Schichten wird 0~ in das erste Untersystem 25 und ein Gemisch von SiH-- und PH -Gasen in das zweite Untersystem 26 eingeleitet. Zur Herstellung von Molybdänsilicid (MoSi₂)-Schichten werden MoF _g und SiH. in das erste Untersystem 25 bzw. in das zweite Untersystem eingeleitet. Ferner ist es möglich, die Art und die Güte der Schichten zu kontrollieren, indem zusätzlich weitere Gase in das erste und das zweite Untersystem 25 oder 26 eingeleitet werden.

Wie vorstehend ausgeführt, wird erfindungsgemäß oine Mikrowellenentladung unter der Bedingung dor KlekLtront-n-Cyc: Lon tronresonanz durchgeführt, um das Plasma zu bilden, und der Plasmastrahl wird durch das divergente Magnetfeld besonders wirkungsvoll extrahiert, so daß eine Schicht über einen großen Flächenbereich aufgetragen werden kann. Daher kann man ein Plasma hoher Aktivität bei niedrigem Gasdruck erhalten, und eine qualitativ hochwertige Schicht kann durch die Auftreffwirkung der Ionen und Elektronen bei niedriger Temperatur gebildet werden. Ferner kann lediglich ein be-

Gas
stimmtes/exclusiv durch die Gaseinleitung zur Plasmageneratorkammer und zur Probenkammer mit Hilfe der beiden Systeme aktiviert werden. Ferner wird erfindungsgemäß der Plasmastrahl verwendet, und das Plasma kommt nicht in Berührung mit der Wandoberfläche der Probenkammer. Dadurch können nachteilige Wirkungen von absorbierten Gasen, wie Feuchtigkeit, minimalisiert werden. Neben diesen Vorteilen ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner in vorteil-

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r . . - 24 - ^π

hafter Weise die Automation der Schichtherstellung und die Steuerung während des Verfahrensablaufes, da die Plasmageneratorkammer von der Probenkammer getrennt angeordnet ist.

Dia orf indungsgenuißea Maßnahmen können nicht nur beim vorstehend erläuterten Niederschlagen einer Schicht sondern auch beim Plasmaätzen angewendet werden, indem halogenhaltige Gase, wie CF. eingeleitet werden.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf die erfindungsgemäße Plasmaauftragsvorrichtung gemäß Figur 3.

1. Die Abmessungen der Plasmageneratorkammer, die die Bedingungen des Mikrowellen-Hohlraumresonators erfüllen, ändern sich geringfügig entsprechend der Art des Gases, dem Gasdruck oder der in die Plasmageneratorkammer 21 eingeleiteten Mikrowellenleistung.

2. Selbst wenn die thermische Energie nicht zur Reaktion

bei der Schichtbildung herangezogen wird, steigt in manchen Fällen die Temperatur des Substrats auf etwa 15O bis 200⁰C durch die Heizwirkung des Plasmas, so daß die Vorrichtung nicht bei Substraten mit sehr geringer Wärmebeständigkeit angewendet werden kann.

3. Beim Aufbau des divergenten Magnetfeldes müssen in manchen Fällen der Plasmabildungswirkungsgrad, der Extraktionswirkungsgrad sowie die Gleichförmigkeit des Plasmästrahls erhöht und zusätzlich der Auftragbereich entsprechend der gewünschten Anwendung verändert werden.

Die Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbei..spiel der erfindungsgemäßen Plasmaauftragvorrichtung, das die vorstehenden Probleme beseitigt. Die Figur 10 zeigt im einzelnen den Abschnitt entsprechend der oberen Hälfte der Vorrichtung gemäß Figur 3.. In Figur 10 ist die Endplatte 51 mit der

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Plasmaauslaßöffnung 30 so eingestellt, daß sie (in der Zeichnung) vertikal bewegt werden kann und dabei in geringfügigem Kontakt mit der Innenfläche des Zylinders 52 bleibt, der die Plasmageneratorkammer 21 bildet. Der unterste Endabschnitt des Zylinders 52 ist mit einer nicht dargestellten Schraube versehen, durch die die Vertikalabmessung des Zylinders 52 eingestellt werden kann. Die Magnetspule 53 ist um den Umfang der Plasmageneratorkammer herum angeordnet:.

Ferner ist ein Drosselaufbau, der bei sterischen Mikrowellenkreisen bereits bekannt ist, an der Endplatte 51 angeordnet, so daß durch das elektrische Feld keine abnormen Entladungen erzeugt werden können, und zwar durch die Mikrowellen an dem Berührungsabschnitt zwischen der Endplatte 51 und der Innenfläche des Zylinders 52. Eine derartige abnorme Entladung würde in nachteiliger Weise die Plasmaerzeugung beeinflussen oder unnötigerweise Mikrowellenleistung verbrauchen. Daher ist an der Endplatte 51 eine Struktur mit der zurückgebogenen Nut 54 ausgebildet, deren Länge glei.ch ^ /4 für dio Wellenlänge A der in der Plasmageneratorkammer 21 angeregten Mikrowelle beträgt. Dadurch wird die Plasmageneratorkammer 21 so eingestellt, daß sie mit optimalem Wirkungsgrad als Mikrowellen—Hohlraumresonator für alle der verschiedenen Bedingungen für die Plasmaerzeugung arbeiten kann. Ferner muß die Mikrowelle, die sich durch den rechteckigen Wellenleiter 24 ausgebreitet hat, in der Plasmageneratorkammer 21 wirksam in die Hohlraumresonanz-Mode umgewandelt werden. Zu diesem Zweck ist an dem Mikrowellen-Eintrittsfenster 23 eine Irisstruktur 55 befestigt, um die Impedanz anzupassen.

Damit das Plasma wirksam das elektrische Mikrowellenfeld absorbiert, das durch die Hohlraumresonanz verstärkt worden ist_r muß die Magnetfeldverteilung korrigiert werden; dies ist für die Bedingungen der Elektronen-Cyclotronresonanz wesentlich; ferner muß ein gleichförmiges Magnetfeld im oberen Bereich der Plasmageneratorkammer 21 gebildet werden.

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/.u diesem Zweck ist ein kreisförmiges Bauelement 56 aus hochpermeablen Material, wie Weicheisen, oberhalb des Mikrowellen-Eintrittsfensters 23 bei dieser Ausführungsform ange^ ordnet. Bei dieser Ausführungsform wird als kreisförmiges Bauelement 56 eine Scheibe von 15 cm Durchmesser und 3 cm Dicke verwendet, die mit einer rechteckigen Öffnung versehen ist, deren Form gleich der der äußeren Querschnittsform des rechteckigen Wellenleiters 24 ist. Dieses kreisförmige Bauelement 56 ist in den rechteckigen Wellenleiter 24 eingepaßt.

Um ferner die Verteilung des divergenten Magnetfeldes einzual'cillcn, was für die effiziente Ausnutzung der Magnetspule 53 wesentlich ist, und um das Plasma zu extrahieren, ist

^ ein äußeres Gehäuse 57 aus hochpermeablen Material so angeordnet, daß es die Seiten und den oberen Teil der Magnetspule 53 abdeckt. Obwohl bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 zweifach unterteilte Magnetspulen 37 und 38 zur Vereinfachung der Herstellung der Vorrichtung verwendet werden, kann auch gemäß .Figur 10 eine einzige Magnetspule 53 verwendet werden. Die Figur 11 zeigt die Bedingungen für die magnetischen Kraftlinien, wenn das äußere Gemäuse 57 aus hochpermeablemMaterial vorhanden ist. Eine derartige Konfiguration kann verhindern, daß das Magnetfeld in unerwünschter Weise aus der Vorrichtung heraustritt, und ferner kann dio von dor Magnetspule 53 verbrauchte Gleichstromleistung vermindert werden.

Bei einer weiteren, in Figur 12 dargestellten Ausführungsform ist ein äußeres Gehäuse 61 aus hochpermeablem Material vorgesehen, das sich vom Umfang der Magnetspule 53 zum unteren Abschnitt des Umfangs der Probenkammer 22 erstreckt. Durch geeignete Wahl der Anordnung und der Form dieses äußeren Gehäuses wird die Verteilung des divergenten Magnetfeldes eingestellt, so daß man ein divergentes Magnetfeld erhält, bei dem der Endabschnitt der magnetischen

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^ Kraftlinien in eine zur Mittelachse der Magnetspule 53 annähernd senkrechte Richtung abgebogen ist. Bei dieser Ausführungsform wird eine konzentrische, kreisförmige Plasmaaustrittsöffnung 62 verwendet, und mehrere Proben 63 sind an der zylindrischen Innenfläche des zylindrischen Probentisches 64 angeordnet. Mit dieser Ausführungsform können Schichten auf mehreren Proben 63 gleichzeitig hergestellt werden. In diesem Fall können Fehler aufgrund von Staubteilchen, die auf die Probenoberflächen fallen, verringert wer-'0 den, da die Oberflächen der Proben nahezu vertikal sind. Die in Figur 12 dargestellte Konstruktion wird in vorteilhafter Weise bei den in den Figuren 3 oder 10 dargestellten Ausführungsformen angewendet.

^ Um zu verhindern, daß Staub auf die Probenoberfläche fällt, können ferner die Ober- und Unterseiten der Vorrichtung gemäß Figur 3 und 10 umgekehrt werden. In diesem Fall sollte jedoch das Auslaßsystem 34 mit dem seitlichen Abschnitt der Probenkammer 22 verbunden werden, und der Probentisch 27 sollte so modifiziert werden, daß er einen Probenhalter bildet, der die Probe 28 halten kann.

Versuchsergebnisse bei der Schichtbildung mi.I: der erfindungsgemäßen Plasmaauftragsvorrichtung gemäß den Figuren oder 12 werden nachstehend erläutert. Beispielsweise wird N^^Gas in das erste Untersystem 25 mit einer Geschwindigkeit von 10 cm³/Minuten und SiH -Gas in das zweite Untersystem 26 mit einer Geschwindigkeit von 10 cm³/Minuten eingeleitet; der Gasdruck in der Probenkammer 22 beträgt on —A

2 x 10 Torr und die Mikrowellenleistung beträgt 200 W. Man erhält so eine Siliciumnitridschicht. Das Substrat 28 wird nicht zusätzlich erhitzt, und die Temperatur während der Schichtbildung wird auf 100°C oder weniger gehalten, indem eine Wärmeabführeinrichtung verwendet wird. Bei die-

sem Versuch beträgt die NiederschLaggcKchwlndlgkcLt 300 A/Minuten und die Gleichförmigkeit des Niederschlags

.in einem Bereich von 2O cm Durchmesser beLrücjL jh 5 %. Man erhält eine außerordentlich fest niedergeschlagene Schicht auf dem Silicium- oder dem Siliciumdioxidsubstrat. Der Brechungsindex der Schicht beträgt 2,0, gemessen durch ellipsometrische Analyse, und die Beständigkeit gegen

Fluorwasserstoffsäure ist außerordentlich gut (30 A/Minuten oder weniger für die gepufferte Fluorwasserstoffsäure-Lösung) .

Mit üblichen Plasma-CVD- sowie Plasmastrahltransportvorrichtungen ist die Aktivierung unzureichend, und der Probentisch wird erhitzt, um die unzureichende Aktivierung auszugleichen. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Plasmaauftragvorrichtung die Verwendung von thermischer Energie für die Auftragreaktion (oder Schichtbildungsreaktion) nicht erforderlich, und es können Schichten mit außerordentlich hoher Qualität über eine große Fläche mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden.

Erfindungsgemäß ist es nicht erforderlich, das Substrat 28 für die Schichtbildungsreaktion zu erhitzen, und daher ist es möglich, den Temperaturanstieg (100 bis 200⁰C) der Probe 28 aufgrund der Wirkung des Plasmas zu verhindern, indem eine Kühlvorrichtung am Probentisch 27 (vgl. z.B. die Figuren 3 oder 10) anstelle einer Heizvorrichtung, wie bei bekannten Vorrichtungen installiert wird. Durch Verwendung des Probentisches 27 mit der Kühlvorrichtung können Schichten in stabiler Weise über einen langen Zeitraum hinweg hergestellt werden, während das Substrat auf einer

relativ niedrigen Temperatur in der Größenordnung von 100⁹C oder darunter gehalten wird. Zum Kühlen des Probentisches 27 kann ein normales, mit Wasser oder Luft arbeitendes Kühlsystem verwendet werden. Die Figur 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Wasserkühlsystems, wobei das

Kühlwasser in den Innenraum des Probentisches 27 durch die Wassereinlaßöffnung 71 zugeführt und durch die Wasseraus-

^Γ - 29 - ^Π

laßöffnung 72 abgeführt wird. Die Figur 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Luftkühlsystems, wobei auf der oberen Abdeckung 27A des Probentisches 27 Wärmeabstrahlrippen 73 angeordnet sind, und Kühlluft durch den Kühl LuEt-Kinlaß/ Auslaß 74 zugeführt bzw. abgeführt wird.

Bei Verwendung des Probentisches mit einer derartigen Kühleinrichtung können Schichten auf einem Material mit sehr geringer Wärmebeständigkeit, wie auf Halbleitersubstraten mit Resistmuster, aufgetragen werden, und es können qualitativ hochwertige Schichten auf verschiedenen Substraten, wie Halbleiterverbindungen mit niedriger Wärmebeständigkeit, supraleitenden Materialien und Kunststoffen gebildet werden. Insbesondere kann die Bildung von qualitativ hochwertigen Schichten auf Resistmustern auf die sogenannte Lift-off-Technologie übertragen werden, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen bekannt ist. Daher hat die Erfindung einen außerordentlich großen Anwendungsbereich und

ist daher bedeutsam.
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Wie vorstehend ausgeführt, arbeitet erfindungsgemäß der Mikrowellen-Hohlraumresonator der Plasmageneratorkammer mit hohem Wirkungsgrad, und die Verteilung und Zusammensetzung des divergenten Magnetfeldes sind verbessert, was für die Elektronen-Cyclotronresonanzentladung über die Extraktion der Mikrowelle und des Plasmas wesentlich ist. Daher können große Mengen von hochaktivem Plasma erzeugt werden, und die Probe kann mit dem Plasma bestrahlt werden, wobei die Reaktionswirkung über eine große Fläche

^ erhöht wird. Daher können qualitativ hochwertige Schichten lediglich durch die Wirkung des Plasmas und ohne zusätzliche thermische Energie gebildet werden. Ferner können erfindungsgemäß qualitativ hochwertige Schichten mit hoher Produktivität auch auf Substraten mit außer-

^ ordentlich niedriger Wärmebeständigkeit hergestellt werden, indem Probentische mit Kühleinrichtungen verwendet werden.

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¹ In der vorstehenden Beschreibung wurde hauptsächlich Siliciumnitrid Si-,Ν. als Material für die Schichtbildung erwähnt. Die Erfindung kann jedoch auch bei der Bildung von Schichten aus anderen Materialien, wie Silicium Si,

⁵ Siliciumdioxid SiO₂, Molybdänsilicid MoSi₂, Molybdän Mo und Aluminium Al, angewendet werden.

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Leerseite

Claims

VOSSlUS VOSSIUS -TAUCHN^'-fl E-^NGMA1NIM RAUH PATENTANWÄLTE SIEBERTSTRASSE 4.-8OOO MÜNCHEN 8 β · PHONE: (C) 8 El) 4.7 4Ο75 CABLE: ÜENZOLPATENT MÖNCHEN ■ TELEX 5-29453 VOPAT D u.Z.; R 132 (He/kä) 30. April 1981 Case; TA 81141 NIPPON TELEGRAPH & TELEPHONE PUBLIC CORPORATIOn Tokio, Japan 10 Plasmaauftrag_vorrichtung Patentansprüche

1. Plasmaauftragvorrichtung zum Aufbringen einer Schicht auf einem Substrat, mit einem Vakuumbehälter, in den

Gase eingeleitet werden und unter Erzeugung eines Plasmas die Moleküle in dem Plasma aktiviert und auf dem Substrat umgesetzt werden, um auf diesem die dünne Schicht niederzuschlagen, dadurch gekennzeichnet,

a) da_ß eine Probenkammer vorgesehen ist, in der ein

Probentisch zum Auflegen des Substrats angeordnet ist,

b) daß getrennt von der Probenkammer eine Plasmageneratorkammer angeordnet ist, um die zu aktivierenden Gase in den Plasmazustand zu überführen,

c) daß die Plasmageneratorkammer mit einem Mikrowellen-Einlaßfenster versehen ist,

d) daß eine Mikrowellen-Einlaßeinrichtung sowie eine Plasmaauslaßöffnung vorgesehen sind, die in der Wand gegenüber dem Mikrowellen-Einlaßfenster ausgebildet ist, um den Plasmastrahl in die Probenkammer zu extrahieren,

e) daß am Umfang der Plasmageneratorkammer ein Magnetkreis vorgesehen ist, dessen Magnetflußdichte ausreichend ist, um in der Plasmageneratorkammer eine Elektronen-Cyclotronresonanz zu erzeugen, und

f) daß der Magnetkreis in der Probenkammer ein divergentes Magnetfeld erzeugt, dessen Stärke der Magnetflußdichte sich von der"Flasmageneratorkammer zum Probentisch in der Probenkammer mit einem geeigneten Gradienten vermindert.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ciio Plaumaqtmoral-.orkammer so geformt und bemessen ist, daß sio die Bedingungen eines Mikrowellen-Hohlraumresonators erfüllt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Gaseinlaßsystem für die Plasmageneratorkammer sowie ein Gaseinlaßsystem für die Probenkammer.

4. -Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Verschluß zwischen der Plasmaauslaßöffnung und dem Probentisch, um den Plasmastrahl· durch Öffnen bzw. Schließen freizugeben bzw. zu unterbrechen .

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaauslaßöffnung mit einer Metallgitterplatte versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Probentisch Radiofrequenzleistunq zugeführt wird, um an der Oberfläche der Probe selbsttätig eine negative Vorspannung zu erzeugen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch elektrisch potential^frei ist.

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8. Plasmaauftragvorrichtung, dadurch gekennzeichnet,

a) daß eine Plasmageneratorkammer sowie eine Probenkammer vorgesehen sind, in der ein Probentisch zur Aufnahme einer Probe angeordnet ist,

b) daß Plasmarohnuiterialien sowie Mikrowellenleistung in die Plasmagcneratorkammer oimjulo ί.tot wurdon, um ein Plasma zu erzeugen,

c) daß die Plasmageneratorkammer mit einer Endplatte versehen ist, die eine Plasmaaustrittsöffnung zum

¹^ Extrahieren des Plasmas als Plasmastrahl in die Probenkammer aufweist,

d) daß auf dem Umfang der Plasmageneratorkammer ein Magnetkreis angeordnet ist, mit dessen Hilfe eine Magnetflußdichte erzeugbar ist, die ausreichend ist, um den Wirkungsgrad der Plasmabildung in der Plasmageneratorkammer zu erhöhen,

e) daß der Magnetkreis in der Probenkammer ein divergen tes Magnetfeld erzeugt, in dem sich die Intensität der magnetischen Flußdichte von der PlaumatjoncTritor-

kammer zum Probontisch in der Probenkammer mit cLnom geeigneten Gradienten reduziert,

f) daß die Plasmageneratorkammer die Struktur eines Hohlraumresonators für die zur Bildung des Plasmas eingestrahlten Mikrowellen aufweist, und

g) daß die Endplatte der Plasmageneratorkammer bewegbar ist, um die Hohlraum-Resonanzbedingung für die Mikrowellen abzustimmen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet
tuny uufwoist .

gekennzeichnet, daß der Probentisch eine Kühleinrich-

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 biü 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis eine Magnetspule

zur Erzeugung des divergenten Magnetfeldes für die Erzeugung und Extrahierung des Plasmas aufweist, und

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dciß lioehpermeablcs Material elin Umfang der Magnetspule angeordnet ist, so daß die Verteilung des Magnetfeldes in der Plasmageneratorkammer und in der Probenkammer durch die Anordnung und die Form des hochpermeablen Materials einstellbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaaustrittsöffnung eine konzentrische, kreisförmige Öffnung aufweist, daß der Probentisch durch einen Zylinder gebildet wird, der koaxial zur Mittelachse der Magnetspule ist, so daß mindestens eine Probt* auf der fnnnnseite des Zylinders angeordnet werden kann, und daß sich ein äußeres Gehäuses aus hochpermeablan Material vom Umfang der Magnetspule bis zum Umfang der Probenkammer erstreckt.

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