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Dokumentenidentifikation DE69722700T2 13.05.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000801148
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Siliciumschichten
Anmelder Applied Materials, Inc., Santa Clara, Calif., US
Erfinder Venkatesan, Mahalingam, San Jose, US;
Wang, Shulin, Santa Clara, US;
Achutharaman, Vedapuram S., Santa Clara, US
Vertreter v. Füner Ebbinghaus Finck Hano, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69722700
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.04.1997
EP-Aktenzeichen 973025141
EP-Offenlegungsdatum 15.10.1997
EP date of grant 11.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.05.2004
IPC-Hauptklasse C23C 16/24
IPC-Nebenklasse C23C 16/04   H01L 21/768   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleiterherstellung, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von amorphen Filmen und Polysiliziumfilmen mit einer verbesserten Stufenüberdeckung.

Dünnfilme aus kristallinem Polysilizium (Polysilizium) und aus amorphem Silizium werden durchgehend bei den vielen Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-integrierten Schaltungen verwendet. Diese Filme werden beispielsweise bei der Fertigung von Gate-Elektroden, Säulen- oder Grabenkondensatoren, Emittern, Kontakten, Sicherungen und Antisicherungen verwendet. Wenn die Vorrichtungsabmessungen auf unter 0,25 &mgr;m (0,25 Mikron) abnehmen, um die Packungsdichte zu steigern, nehmen auch die Seitenverhältnisse (Seitenverhältnis = Tiefe/Breite) von Löchern, Kontaktlöchern und Gräben in der integrierten Schaltung zu. Um Öffnungen mit großem Seitenverhältnis zu füllen (Seitenverhältnisse ≥ bis 2,5), sind Abscheidungsprozesse, die eine gute Stufenüberdeckung ermöglichen (Stufenüberdeckung % = Filmdicke an einer Stufenoberfläche/Filmdicke auf einer ebenen Fläche × 100%) erforderlich, um ein vollständiges Füllen des Lochs ohne Erzeugung von Hohlräumen zu ermöglichen.

Ein aktuelles Verfahren, das eine geeignete Stufenüberdeckung bereitstellt, ist die chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck (LPCVD). Bei den LPCVD-Verfahren werden die Reaktionsbehälter auf einen relativ niedrigen Druck zwischen 13 und 133 Pascal (100 bis 1000 mTorr) evakuiert. Die niedrigen Drucke, die den LPCVD-Prozessen zugeordnet sind, führen zur Abscheidung von Siliziumfilmen mit niedrigen Raten (etwa 10 nm/min (100 Ångström (Å)/Minute) für undotierte Filme und etwa 2 nm/Minute (20 Å/Minute) für dotierte Filme). Die niedrigen Abscheidungsraten ermöglichen das Abscheiden von Filmen mit guter Stufenüberdeckung. Wenn Dotiermittel vom n-Typ in ein LPCVD-Chargensystem eingebracht werden, um einen in situ dotierten Film zu erzeugen, erhält man eine schlechte Stufenüberdeckung. Es ist eine weitere Reduzierung der Abscheidungsrate erforderlich, um eine gute Stufenüberdeckung zu erhalten. Obwohl LPCVD-Verfahren Filme hoher Qualität bilden können, erfordern ihre niedrigen Abscheidungsraten die Behandlung von mehreren Wafern (d. h. bis zu 100) zur gleichen Zeit in einem Reaktionsbehälter in Chargenbauweise. Ein Problem beim Behandeln einer Vielzahl von Wafern in einer einzigen Maschine zu ein und derselben Zeit besteht darin, dass es schwierig ist, gleichförmige Filmdicken und Dotiermittelzusammensetzungen von Wafer zu Wafer und von Charge zu Charge zu erhalten. Eine Ungleichförmigkeit in der Filmdicke und den Dotierprofilen kann die elektrischen Eigenschaften des hergestellten Films und deshalb die Leistung und Betriebssicherheit der hergestellten Vorrichtung drastisch beeinträchtigen. Das Steuern der Gleichförmigkeit der Filmdicke und des Flächenwiderstands wird eine noch größere Herausforderung für LPCVD-Chargensysteme, wenn die Wafergröße auf 300 mm und darüber gesteigert wird.

Zur Herstellung von Filmen aus Polysilizium und amorphem Silizium mit genauer Gleichförmigkeit von Dicke und Dotierung quer über einen Wafer und von Wafer zu Wafer werden Einzelwafer-CVD-Prozesse eingesetzt. Ein Einzelwafer-CVD-Prozess zur Herstellung einer Siliziumschicht auf einem Siliziumwafer ist in der US Serial No. 97/742,954, eingereicht am 9. August 1991 mit dem Titel Low Temperature High Pressure Silicon Deposition Method* Siliziumabscheidungsverfahren bei niedriger Temperatur und hohem Druck , übertragen auf die vorliegende Zessionarin, beschrieben. Bei einem solchen Verfahren wird ein Druck zwischen 1333 bis 46663 Pascal (10 bis 350 Torr) in einer Reaktionskammer erreicht und aufrechterhalten. In die Kammer wird Wasserstoffgas mit etwa 10 l/min zusammen mit weniger als 525 sccm (SiH4) eingeführt (Silanpartialdruck ist kleiner als 533 Pascal (4 Torr)), während das Substrat auf eine Temperatur zwischen 600 und 750°C erhitzt wird. Bei diesen Bedingungen wird ein undotierter Polysiliziumfilm bei einer Rate von bis zu etwa 200 nm/min (2000 Å/min) abgeschieden. Der bei dem Einzelverfahren verwendete höhere Druck erhöht die Abscheidungsrate des Polysiliziumfilms. Ein Phosphor-in-situ-dotierter Polysiliziumfilm kann durch Einbringen von 300 sccm von 1%-Phosphin (PH3) in Wasserstoff (PH3-Partialdruck von etwa 3 Pascal (0,023 Torr)) in das Gasgemisch und durch Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur von etwa 650°C abgeschieden werden. Bei einem solchen Verfahren kann ein polykristalliner Siliziumfilm, der etwa 1,5 × 1021/cm3 Phosphor enthält, mit einer Rate von bis zu etwa 150 nm/min (1500 Å/Minute) abgeschieden werden.

Ein Problem bei den oben erwähnten Einzelwafer-CVD-Prozessen besteht darin, dass die Stufenüberdeckung schlecht ist und deshalb nicht zum Füllen von Öffnungen mit großem Seitenverhältnis verwendet werden kann, ohne die Bildung von Hohlräumen zu verursachen. Hohlräume können Funktionssicherheitsprobleme und Ausfälle bei den hergestellten integrierten Schaltungen herbeiführen. Wenn Dotiermittel in das Gasgemisch eingeschlossen sind, um einen in situ dotierten Siliziumfilm mit niedrigem spezifischen Widerstand herzustellen, wird zusätzlich auch die Stufenüberdeckung schlechter.

W. A. Bryant, Thin Solid Films** Dünne Feststofffilme , Band 60, 1979, S. 19 bis 25, beschreibt die Kinetik der Abscheidung von Silizium durch Silanpyrolyse bei niedrigen Temperaturen und Atmosphärendruck.

Die JP-A-05 206 034 und US-5,607,724 beziehen sich auf ein Verfahren zum Abscheiden von nicht dotiertem oder dotiertem Silizium bei hohen Wachstumsraten.

Die US-5,141,892 bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden einer dotierten Schicht aus Polysilizium über einer abgestuften Oberfläche eines Halbleiterwafers.

Man möchte deshalb ein Verfahren zum Abscheiden eines in situ dotierten Siliziumfilms einer Einzelwafer-CVD-Vorrichtung mit einer hohen Abscheidungsrate und mit einer guten Stufenüberdeckung haben, so dass Öffnungen mit großem Seitenverhältnis hohlraumfrei in einem für die Fertigung brauchbaren Zeitraum gefüllt werden können.

Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren zur Ausbildung einer dotierten Siliziumschicht auf einem Substrat bereit, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anordnen eines Substrats in einer Reaktionskammer, wobei das Substrat eine Öffnung mit einem Seitenverhältnis von wenigstens 2 : 1 hat, Erzeugen eines Abscheidedrucks von 2666 bis 39997 Pa (20 bis 300 Torr) in der Reaktionskammer, Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur von 550 bis 620°C, Einströmenlassen eines Silizium enthaltenden Gases in die Reaktionskammer, um einen Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases in der Reaktionskammer von 533 bis 5333 Pa (4 bis 40 Torr) zu erhalten, und Einströmenlassen eines Dotiergases in die Reaktionskammer, um einen Partialdruck des Dotiergases von ≤ 2,7 Pa (0,020 Torr) zu erhalten, wodurch die Öffnung mit einem dotierten Siliziumfilm gefüllt wird.

In weiterer Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung Verfahren, wie sie in den Ansprüchen 9 und 11 der beiliegenden Ansprüche beansprucht sind, sowie eine Vorrichtung bereit, wie sie in Anspruch 10 beansprucht ist.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von gleichförmigen amorphen Siliziumfilmen und Polysiliziumfilmen mit hoher Abscheiderate und hoher Qualität sowie einer guten Stufenüberdeckung quer über die Oberfläche eines Substrats. Erfindungsgemäß wird ein Substrat in einer Einzelwafer-Reaktionskammer für die chemische Gasphasenabscheidung angeordnet. Die Reaktionskammer wird dann auf einen verringerten Druck zwischen 2666 und 39997 Pa (20 bis 300 Torr) evakuiert. Anschließend wird das Substrat auf eine Temperatur zwischen 550 und 620°C erhitzt. Als Nächstes wird ein Silizium enthaltendes Gas in die Reaktionskammer eingeführt, um einen Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases zwischen 533 und 5333 Pa (4 und 40 Torr) zu erzeugen. In das Gasgemisch kann ein Dotiergas eingeschlossen werden, um einen Dotiergas-Partialdruck zwischen 0 und 2,7 Pa (0 und 0,020 Torr) zu erzeugen, damit ein in situ dotierter Siliziumfilm gebildet wird. Zur Umwandlung von amorphem Silizium in polykristallines Silizium kann gewünschtenfalls eine anschließende Glühbehandlung zum Einsatz kommen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann zur Bildung von amorphen Siliziumfilmen und Polysiliziumfilmen mit gleichförmiger Dicke und Dotiermittelprofilen verwendet werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann zur Bildung von amorphem Silizium und Polysilizium mit verbesserter Stufenüberdeckung bei Öffnungen mit großem Seitenverhältnis und zur Optimierung des Verfahrens verwendet werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann zum Füllen von Öffnungen mit großem Seitenverhältnis mit amorphem oder polykristallinem Silizium (≥ 2,0) verwendet werden, ohne dass darin Hohlräume geschaffen werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beispielsweise unter Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1a eine Darstellung einer Schnittansicht eines Substrats ist, in dem eine Öffnung mit großem Seitenverhältnis ausgebildet ist,

1b eine Darstellung einer Schnittansicht ist, die die Bildung einer Siliziumschicht über dem Substrat von 1a zeigt,

1c eine Darstellung einer Schnittansicht ist, die die Bildung eines doppellagigen Siliziumfilms über dem Substrat von 1a zeigt,

2 ein Ablaufdiagramm ist, welches den Siliziumabscheidungsprozess der vorliegenden Erfindung darstellt,

3 eine Darstellung eines Einzelwaferreaktors für die chemische Gasphasenabscheidung ist,

4 ein Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zur Optimierung eines Siliziumabscheideprozesses für spezielle Herstellungsanforderungen veranschaulicht,

5a eine Schnittansicht eines Substrats mit einer Öffnung mit sich verjüngenden Seitenwänden und einem großen Seitenverhältnis ist,

5b eine Schnittansicht eines Substrats mit einer Öffnung mit einem breiten Mittelabschnitt und einem großen Seitenverhältnis ist,

6a ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und dem einzigen Parameter X für zwei unterschiedliche Substratmuster zeigt, und

6b ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Abscheidungsrate (Rd) und der Abscheidungstemperatur für einen gegebenen Abscheidungsprozess zeigt.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung eines in situ dotierten amorphen Silizium- oder Polysiliziumdünnfilms mit einer hohen Abscheidungsrate und einer verbesserten Stufenüberdeckung. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten angegeben, wie spezifische Dicke usw., damit die vorliegende Erfindung voll verstanden wird. Es ist jedoch für den Fachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden kann. Andererseits werden die bekannten Anlagen und Verfahren für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) nicht im Einzelnen beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verdecken.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden eines gleichförmigen amorphen Films aus Silizium oder polykristallinem Silizium (Polysilizium) mit einer hohen Abscheidungsrate, einer hohen Qualität sowie mit einer guten Stufenüberdeckung quer über die Oberfläche eines Substrats. Die vorliegende Erfindung verwendet einen hohen Gesamtdruck, einen hohen Siliziumgas-Partialdruck und eine reduzierte Temperatur, um eine gute Stufenüberdeckung zu erreichen. Erfindungsgemäß wird ein Substrat in eine Reaktionskammer für die chemische Gasphasenabscheidung für einen Einzelwafer eingebracht. Die Reaktionskammer wird dann auf einen reduzierten Druck zwischen 2666 und 39997 Pa (20 bis 300 Torr) evakuiert. Anschließend wird das Substrat auf eine Temperatur zwischen 550 und 620°C erhitzt. Als Nächstes wird ein Silizium enthaltendes Gas in die Reaktionskammer mit Mengenströmen zwischen 500 bis 1500 sccm zur Erzeugung eines Partialdrucks des Silizium enthaltenden Gases zwischen 533 und 5333 Pa (4 und 40 Torr) eingeführt. In die Reaktionskammer kann mit einem Mengenstrom zwischen 0 und 2,0 sccm ein Dotiergas geführt werden, um einen Dotiergas-Partialdruck zwischen 0 und 2,7 Pa (0 bis 0,020 Torr) zu erzeugen. Zur Umwandlung von amorphem Silizium in polykristallines Silizium kann ein Glühschritt verwendet werden, falls dies erwünscht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Abscheiden von amorphem Silizium- und Polysiliziumdünnfilmen verwendet werden, die eine gleichförmige Dicke und gleichförmige Dotierprofile sowie eine glatte obere Fläche haben. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann dazu verwendet werden, Öffnungen mit großem Seitenverhältnis (≥ 2,0) mit einer hohen Abscheidungsrate (≈ 100 nm/min (1000 Å/Minute)) zu füllen, ohne dass darin Hohlräume erzeugt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Substrat 100 bereitgestellt. Das Substrat 100 ist vorzugsweise ein Wafer aus monokristallinem Silizium. Das Substrat 100 muss jedoch nicht notwendigerweise ein Siliziumwafer sein, es kommen auch andere Arten von Substraten infrage, wie Galliumarsenid oder Quarz. Das Substrat 100 hat gewöhnlich eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Formen oder Löchern 102. Die Formen 102 können sich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, aufgrund von in einem Substrat ausgebildeten Gräben, aus auf dem Substrat gewachsenen Feldoxidbereichen und aus Kontakt- und Durchgangsöffnungen ergeben, die in einer dielektrischen Zwischenschicht (ILD) ausgebildet sind. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist ideal für das Abscheiden von Siliziumfilmen in Öffnungen mit großem Seitenverhältnis während der Ausbildung von Graben- und/oder Säulenkondensatoren bei der Fertigung von modernen hochdichten dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff (DRAMS) geeignet. Obwohl die vorliegende Erfindung für die Verwendung bei der Herstellung von integrierten Schaltungen ideal geeignet ist, ist die vorliegende Erfindung in gleicher Weise bei der Herstellung anderer Produkte anwendbar, beispielweise von, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Flachbildschirmen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist ein Substrat 100 als das Material definiert, auf dem ein Siliziumfilm der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird in Bezug auf das Ablaufschema von 2 beschrieben und erläutert. Bei dem ersten Schritt nach der Erfindung wird, wie im Block 200 gezeigt ist, ein Substrat, beispielsweise ein Substrat 100, in einem Einzelsubstratreaktor 300 angeordnet, wie er beispielsweise in 3 gezeigt ist. Der in 3 gezeigte Einzelsubstratreaktor 300 hat eine Oberseite 312, Seitenwände 314 und eine Unterseite 318, die eine Kammer 319 begrenzen, in die ein Einzelwafer oder Substrat 100 geladen werden kann. Die Kammer 319 ist für die Handhabung von Wafern bis zu 200 mm ausgelegt und hat ein Volumen von etwa zehn Litern und wird beispielsweise in dem Einzelwaferkammergerät Centura von Applied Material verwendet. Natürlich können auch Kammern mit größerem Volumen zur Handhabung größerer Wafer, beispielsweise 300 mm, falls erwünscht, verwendet werden. Außerdem sind alle hier angegebenen Mengenströme auf eine Zehn-Liter-Kammer beschränkt, wobei der Fachmann die Notwendigkeit erkennt, die Durchsätze für Reaktoren mit anderem Volumen anzupassen. Wesentlich ist, die hier vorgesehenen Partialdrucke der Gase zu benutzen.

Das Substrat 100 wird auf einem Sockel oder Suszeptor 322 angeordnet, der von einem Motor (nicht gezeigt) gedreht wird, um für das Substrat 100 eine zeitgemittelte Umgebung bereitzustellen, die zylindersymmetrisch ist. Ein den Suszeptor umgebender Vorheizring 324 wird von der Seitenwand 314 gehalten und umschließt den Suszeptor 322 und das Substrat 100. Durch Löcher (nicht gezeigt), die durch den Suszeptor 322 hindurchgehend ausgebildet sind, gehen Hubfinger 323 für einen Eingriff an der Unterseite des Substrats 100 hindurch, um es von dem Suszeptor 322 abzuheben. Das Substrat 100 und der Vorheizring 324 werden durch Licht aus einer Vielzahl von Lampen 326 mit hoher Intensität erhitzt, die außerhalb des Reaktors 310 angeordnet sind. Die Lampen 326 mit hoher Intensität sind vorzugsweise Wolframhalogenlampen, die Infrarot-(IR-)Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1,1 &mgr;m (1,1 Mikron) erzeugen. Die Oberseite 312 und die Unterseite 318 des Reaktors 310 sind im Wesentlichen für Licht transparent, damit das Licht von den externen Lampen 326 in den Reaktor 310 eintreten und den Suszeptor 322, das Substrat 100 und den Vorheizring 324 erhitzen kann. Für die Oberseite 312 und die Unterseite 318 wird Quarz verwendet, da er für Licht mit sichtbarer und IR-Frequenz transparent ist, weil es sich um ein relativ hochfestes Material handelt, das über sich eine große Druckdifferenz aushalten kann, und weil er eine niedrige Ausgasrate hat. Ein geeigneter Oberseitentemperatursensor und ein geeigneter Unterseitentemperatursensor, beispielsweise Pyrometer, sind für die Messung der Temperatur des Substrats 100 bzw. die Temperatur des Suszeptors 322 angeordnet.

Als Nächstes wird entsprechend dem Block 202 in 2 die Kammer 319 über einen Auslasskanal 332 durch eine Pumpe (nicht gezeigt) evakuiert, um den Druck in der Kammer 319 vom Atmosphärendruck auf einen Abscheidedruck zu verringern. Der Abscheidedruck ist der Gesamtdruck in der Kammer 319, wenn ein Siliziumfilm der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird. Die vorliegende Erfindung verwendet einen relativ hohen Abscheidedruck, um die Abscheiderate bei verbesserter Stufenüberdeckung zu erhöhen. Der Abscheidedruck der vorliegenden Erfindung liegt zwischen 2666 und 39997 Pa (20 und 300 Torr), wobei ein Druck zwischen 19998 und 26664 Pa (150 und 200 Torr) bevorzugt wird. Je höher der Abscheidedruck ist, desto höher ist die Abscheiderate. Eine Erhöhung des Abscheidedrucks erhöht die Stufenüberdeckung des Verfahrens bei einer festgelegten Wachstumsrate.

Wie im Block 204 dargestellt ist, werden als Nächstes das Substrat 100, der Vorheizring 324 und der Suszeptor 322 durch die Lampen 326 auf eine Abscheidetemperatur zwischen 550 und 620°C erhitzt, wobei in etwa 590 bis 600°C bevorzugt werden. Wenn die Abscheidetemperatur abnimmt, nimmt die Abscheiderate ab, und die Stufenüberdeckung wird besser. Die genaue kristallographische Art des abgeschiedenen Siliziums hängt von der Abscheidetemperatur ab. Die relativ niedrigen Abscheidetemperaturen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, führen nur zur Abscheidung von amorphem Silizium, bei höheren Abscheidetemperaturen (größer als 610°C) kann jedoch etwas Polysilizium in dem Film eingeschlossen sein.

Wie in Block 206 von 2 gezeigt ist, werden danach Reaktionsteilnehmergase in die Reaktionskammer 319 eingeführt. Der Abscheidedruck und die Abscheidetemperatur werden in den spezifizierten Bereichen gehalten, während die Reaktionsteilnehmergase in die Reaktionskammer 319 strömen, um einen Siliziumfilm abzuscheiden. Während des Abscheidens strömen die Reaktionsteilnehmergase aus einem Gaseinlasskanal 328, quer über den Vorheizring 324, wo die Gase erhitzt werden, quer über die Oberfläche des Substrats 100 in Richtung der Pfeile 330, um Siliziumfilme darauf abzuscheiden, und durch den Auslasskanal 332 ab. Der Gaseinlasskanal 328 ist über eine Leitung 334 mit einer Gasversorgung verbunden, die durch Behälter 336 dargestellt ist, und die ein Gas oder ein Gemisch von Gasen bereitstellt. Die Gaskonzentrationen und/oder der Mengenstrom durch die Leitung 334 und jeden der Kanäle 338 und 332 werden so gewählt, dass Behandlungsgasströme und Konzentrationsprofile erzeugt werden, die die Behandlungsgleichförmigkeit optimieren. Obwohl die Drehung des Substrats und die thermischen Gradienten, die durch die Wärme aus den Lampen 326 verursacht werden, den Strom der Gase in dem Reaktor 300 merklich beeinträchtigen, ist die dominante Form des Strömungsprofils eine laminare Strömung von dem Gaseinlasskanal 328 und quer über den Vorheizring 324 und das Substrat 320 zum Auslasskanal 332.

Nach der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gehören zu den Reaktionsteilnehmergasen ein Silizium enthaltendes Gas, ein verdünntes Dotiermittelgas und ein Trägergas. Nach der vorliegenden Erfindung wird das Silizium enthaltende Gas in die Behandlungskammer 319 zur Erzeugung eines relativ hohen Partialdrucks des Silizium enthaltenden Gases eingeführt, der größer ist als 4 Torr und kleiner ist als 5333 Pa (40 Torr), wobei ein Partialdruck zwischen 1333 und 2666 Pa (10 und 20 Torr) bevorzugt wird. Es wird ein relativ hoher Durchsatz zwischen 500 und 1500 sccm, bevorzugt etwa 900 sccm des Silizium enthaltenden Gases verwendet. Der hohe Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases erhöht die Abscheidungsrate des Films. Ein zu hoher Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases kann jedoch zu einer Abscheidung von Teilchen und Silizium an den Kammerseitenwänden führen. Das Silizium enthaltende Gas ist vorzugsweise Silan (SiH4), es kann jedoch auch ein anderes Silizium enthaltendes Gas, beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung darauf, Disilan (Si2H6), Dichlorsilan (SiCl2H2), Trichlorsilan (SiCl3H) und Tetrachlorsilan (SiCl4) sein.

Nach der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Dotiermittelgas in dem Reaktionsteilnehmergasgemisch enthalten, um einen in situ dotierten Siliziumfilm zu erzeugen. In die Reaktionskammer 319 wird ein Dotiermittelgas geführt, um einen Partialdruck des Dotiermittelgases zwischen 0 und 2,7 Pa (0 und 0,02 Torr) zu erzeugen, wobei 2 Pa (0,015 Torr) bevorzugt werden. (Natürlich ist der spezifische Widerstand des abgeschiedenen Siliziumfilms umgekehrt proportional zum Konzentrationsverhältnis Dotiermittelgas/Siliziumgas. Je höher das Konzentrationsverhältnis aus Dotiermittelgas/Siliziumgas ist, desto geringer ist der spezifische Widerstand des Films). Es kann ein relativ niedriger Partialdruck für das Dotiermittelgas (weniger als 2,7 Pa (0,02 Torr)) bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, da die relativ niedrige Behandlungstemperatur und der hohe Abscheidedruck, die bei der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen, den Einschluss von Dotiermittel in dem Siliziumfilm erhöhen. Wie oben erwähnt, verringert die Zugabe eines Dotiermittelgases die Stufenüberdeckung des Films. Indem man die Abscheidetemperatur bei der vorliegenden Erfindung relativ niedrig hält, ist weniger Dotiermittelgas erforderlich, um einen Film mit geringem spezifischen Widerstand zu erzeugen, als es erforderlich wäre, um einen Film mit gleichem spezifischen Widerstand bei höheren Temperaturen herzustellen. Auf diese Weise wird die Stufenüberdeckung eines dotierten Siliziumfilms verbessert. Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise einen Dotiermittelgasdurchsatz zwischen 0,10 und 2,0 sccm, wobei 1,0 sccm bevorzugt ist. Das Dotiermittelgas wird vorzugsweise in einem Trägergas, wie Wasserstoff, verdünnt, um 1% verdünntes Dotiermittelgas zu bilden (d. h. verdünntes Dotiermittelgas = 1% Dotiermittelgas und 99% Trägergas). Das verdünnte Dotiermittelgas wird in die Reaktionskammer 319 mit einem Mengenstrom zwischen 10 und 200 sccm und vorzugsweise mit einem Mengenstrom von 100 sccm eingeführt. Das bevorzugte Dotiermittelgas ist Phosphin (PH3), falls erwünscht können jedoch auch andere Dotiermittelgase, beispielsweise, ohne Beschränkung darauf, Arsin (AsH3) verwendet werden.

Das Silizium enthaltende Gas und das verdünnte Dotiermittelgas werden in die Reaktionskammer 319 mit einem Trägergas, beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung darauf, Wasserstoff, Helium, Argon und Stickstoff, eingeführt. Das Silizium enthaltende Gas und das verdünnte Dotiermittelgas werden einem Trägergas zugefügt, das in die Reaktionskammer 319 mit einem Durchsatz zwischen 4 und 12 slm (Standardliter pro Minute) und vorzugsweise mit einem Mengenstrom von 8 slm strömt.

Die Reaktionsteilnehmergase werden in die Reaktionskammer 319 eingeführt, bis ein Siliziumfilm 104 mit einer gewünschten Dicke T über dem Substrat 100 abgeschieden ist. Danach kann, falls erwünscht, wie im Block 208 gezeigt, das Substrat 100 glühbehandelt werden. Das Substrat 100 kann glühbehandelt werden, damit der abgeschiedene amorphe Silizium- oder amorphe/Polysiliziumfilm 104 in polykristallines Silizium mit niedrigem Widerstand umgewandelt wird. Auf diese Weise kann ein amorpher Siliziumfilm bei einer relativ niedrigen Temperatur abgeschieden werden, um die Stufenüberdeckung des Films zu verbessern und um eine vollständige Lochfüllung zu gewährleisten, während er danach durch Glühbehandlung in einen polykristallinen Siliziumfilm mit niedrigem Widerstand umgewandelt wird. Zur Glühbehandlung des Substrats 100 können alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann das Substrat 100 in dem Ofen bei etwa 850°C über 30 Minuten in einer Stickstoffumgebung geglüht werden. Obwohl die Glühbehandlung des Substrats 100 einen zusätzlichen Schritt erfordert, benötigen viele Herstellungsprozesse für integrierte Schaltungen, wie DRAM-Prozesse, anschließende Glühbehandlungen aus anderen Gründen, beispielsweise zur Silicidbildung, so dass der Glühbehandlungsschritt eingeschlossen werden kann, ohne die Durchsatzleistungen zu beeinträchtigen. Die Verwendung des Glühbehandlungsschrittes nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Bildung eines polykristallinen Films mit geringem Widerstand bei einer Öffnung mit großem Seitenverhältnis ohne Hohlraumbildung.

Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ein Polysilizium- oder amorpher Siliziumfilm hoher Qualität mit einer hohen Dotiermitteldichte (> 2 × 1020/cm3) und deshalb mit einem niedrigen spezifischen Widerstand (zwischen 0,7 und 1,0 m&OHgr;-cm) bei einer hohen Abscheiderate (zwischen 50 und 120 nm/min (500 und 1200 Å/Minute)) sowie mit einer hervorragenden Stufenüberdeckung (zwischen 80 bis 95%) gebildet werden. Die vorliegende Erfindung kann zuverlässig zum Füllen von Öffnungen in dem Substrat 100 verwendet werden, die eine Breite ≥ 0,28 &mgr;m (0,28 Mikron) und ein Seitenverhältnis ≥ 2,0 bei einer hohen Abscheiderate, ohne darin Hohlräume zu erzeugen, aufweisen.

Ein weiteres neues Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die neue empirische Beziehung zwischen Stufenüberdeckung und einem einzigen Parameter X, der definiert ist zu:

wobei (Siliziumgas)pp der Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases, (Dotiermittelgas)pp der Partialdruck des Dotiermittelgases, ∂ 0,7 bis 0,85 und Rd die Abscheidungsrate ist.

Je größer der Wert von X ist, desto besser ist die Stufenüberdeckung des Abscheidungsprozesses. Für einen gegebenen Abscheidungsprozess kann die Stufenüberdeckung dadurch verbessert werden, dass der Partialdruck des Siliziumgases erhöht, der Partialdruck des Dotiermittelgases verringert und die Abscheidungsrate gesenkt wird, oder Kombinationen davon. Die Abscheidungsrate (Rd) hängt von den Abscheidebedingungen, nämlich Temperatur, Druck und Partialdruck des Silizium- und Dotiermittelgases ab, ist jedoch ein Wert, der gesteuert und gemessen werden kann. Zusätzlich ist bei dem CVD-Prozess die Dotiermittelkonzentration in dem Film ein Potenzgesetz der Dotiermittelgaskonzentration mit einer Potenzkonstanten ∂. (Die Potenzkonstante ∂ beträgt gewöhnlich 0,7 bis 0,85 und unter den Bedingungen der vorliegenden Erfindung etwa 0,75. Die Potenzkonstante ∂ kann durch Messen der Konzentration von Silizium zu Dotiermittel in dem Film bestimmt werden, wobei beispielsweise ein SIMS-Verfahren für unterschiedliche Konzentrationen von Silizium zu Dotiermittelgas in dem Reaktionsteilnehmergasgemisch verwendet wird. Eine Auftragung der Silizium-zu-Dotiermittel-Konzentration in dem Film über der Silizium-zu-Dotiermittel-Konzentration in dem Gasgemisch kann dann angefertigt werden, wobei dann die sich ergebende Neigung oder das Verhältnis des Diagramms die Potenzkonstante ∂ ist). Die neue Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und einem einzigen Parameter X, der aus allen Abscheidungsparametern besteht, kann zum Optimieren der Abscheidungsbedingungen für einen speziellen Prozess verwendet werden. D. h., dass die Abscheidungsrate, der spezifische Widerstand des Films und die Stufenabdeckung des abgeschiedenen Siliziumfilms entsprechend dem einzigen oben definierten Parameter X zugeschnitten werden können, um den Filmabscheidungsprozess so zu optimieren, dass er speziellen Herstellungsanforderungen für integrierte Schaltungen genügt.

Ein Verfahren zum Optimieren der Abscheidungsbedingungen der vorliegenden Erfindung für spezielle Herstellungserfordernisse unter Verwendung des einzigen Parameters X der vorliegenden Erfindung ist in dem Ablaufdiagramm 400 von 4 angegeben. Der erste Schritt, wie im Block 402 angegeben, besteht darin, die Beziehung zwischen dem einzigen Parameter X und der Stufenüberdeckung für ein spezifisches Substratmuster oder eine spezifische Topographie zu bestimmen. Dies kann beispielsweise durch Abscheiden eines Films 510 und einem ersten Satz von Bedingungen (d. h. der Partialdruck des Siliziumgases und der Partialdruck des Dotiermittelgases) über einem Substrat, beispielsweise im Substrat 500 in 5a erreicht werden. Die Abscheiderate und die Stufenabdeckung können dann leicht durch direkte Messung bestimmt werden. Es ist daran zu erinnern, dass die Stufenüberdeckung definiert ist als:

wobei TS die Filmdicke an einer Stufenfläche (d. h. der Seitenwand 504) und

TF die nominale Filmdicke auf einer ebenen Oberfläche (beispielsweise der Oberfläche 508) sind.

Dann wird der Wert von X unter Verwendung der oben definierten Gleichung berechnet (d. h. X wird gelöst zur Verwendung des Dotiermittelgas-Partialdrucks, des Siliziumgas-Partialdrucks und der Abscheiderate). Die Stufenüberdeckung für den Wert von X wird dann als Punkt in einem Diagramm der Stufenüberdeckung über X aufgetragen. Dieser Prozess wird dann mehrere Male auf einem Substrat mit ähnlichen Mustern wiederholt, um zusätzliche Stufenüberdeckungswerte für unterschiedliche Werte von X zu erhalten (d. h. unterschiedliche Prozessbedingungen). Nachdem man eine ausreichende Anzahl von Stufenüberdeckungs-/X-Punkten erhalten hat (wenigstens drei) kann ein Diagramm 602, das die Beziehung zwischen Stufenüberdeckung und dem einzigen Parameter X definiert, für das spezielle Substratmuster erstellt werden.

Natürlich sollte ein unterschiedliches Diagramm der Stufenüberdeckung über X für jedes unterschiedliche Substratmuster erstellt werden. Der Grund dafür besteht darin, dass die Stufenüberdeckung für einen gegebenen Satz von Prozessbedingungen sich abhängig von dem spezifischen Substratmuster bzw. der spezifischen Topographie ändert. Beispielsweise hat das in 5a gezeigte Substrat 500 Öffnungen 502 mit sich verjüngenden Seitenwänden 504. D. h., dass jede Öffnung 502 Seitenwände 504 hat, die mit etwa 94° (&agr;) vom Boden 506 der Öffnung 502 im Winkel angeordnet sind. Ein leichtes Neigen der Seitenwand 504 verbessert die Stufenüberdeckung eines Films für einen gegebenen Prozess, verglichen mit einer Öffnung, die einen 90°-Winkel hat. Einige Substratmuster, wie das in 5b gezeigte Substrat 520, das Öffnungen 522 hat, die in der Mitte breiter sind als am Boden oder oben, machen es sehr schwierig, eine gute Stufenüberdeckung zu erhalten, unabhängig welche Prozessbedingungen verwendet werden. Der auf diesen Substraten ausgebildete Siliziumfilm 524 hat eine niedrigere Stufenüberdeckung für einen gegebenen Wert X als ein Substrat mit dem leicht zu füllenden Muster, wie das Substrat 500. Da die Stufenüberdeckung für einen gegebenen Satz von Prozessbedingungen (d. h. Wert X) sich abhängig von dem Substratmuster oder der Topographie ändert, ist es erforderlich, für jedes unterschiedliche Substratmuster ein anderes Diagramm zu erzeugen.

Wie im Block 404 angegeben ist, bestimmt als Nächstes ein Verfahrensingenieur, welche Stufenüberdeckung erforderlich ist, um die Öffnungen 502 in dem Substrat 500 geeignet zu füllen. Wenn die Stufenüberdeckung spezifiziert ist, wie es im Block 406 angegeben ist, wird das in 6a gezeigte Diagramm verwendet, um den Wert X zu bestimmen, der die spezifizierte Stufenüberdeckung ergibt.

Anschließend wird, wie im Block 406 angegeben ist, eine Abscheiderate für den Prozess spezifiziert. Die Abscheiderate (Rd) wird gewöhnlich vom Durchsatz (Anzahl von behandelten Wafern/Zeit) vorgegeben, der den Prozess am kosteneffektivsten macht. Zusätzlich wird zu dieser Zeit der Dotiergas-Partialdruck spezifiziert. Der Dotiergas-Partialdruck wird durch den für den Siliziumfilm gewünschten spezifischen Widerstand vorgegeben. Wenn einmal die Abscheiderate, der Dotiergas-Partialdruck und der Wert X festgelegt sind, kann der Partialdruck für das Silizium enthaltende Gas durch Verwendung der neuen Gleichung X der Anmelderin ermittelt werden, was in Block 408 angegeben ist. Zu erwähnen ist, dass gewünschtenfalls anstelle der Partialdrucke die Gasdurchsätze verwendet werden können, da der Partialdruck eines Gases in Beziehung zu seinem Durchsatz besteht. D. h., der Partialdruck eines

wobei der Gas-A-Durchsatz der Durchsatz des Gases A, der Gesamtdurchsatz der Gesamtdurchsatz von allen Gasen in die Reaktionskammer, PT der Gesamtdruck in der Reaktionskammer ist.

Danach wird, wie im Block 410 angegeben, die Abscheidetemperatur des Prozesses bestimmt. Die Abscheidetemperatur kann dadurch bestimmt werden, dass zuerst ein Diagramm 510 der Abscheiderate über der Abscheidetemperatur erstellt wird, wie es in 6b gezeigt ist. Das Diagramm 610 kann dadurch hergestellt werden, dass die Bedingungen in den Blöcken 406 und 408 konstant gehalten werden und dann die unterschiedlichen Wachstumsraten der bei unterschiedlichen Temperaturen gebildeten Filme gemessen werden. Es sollten wenigstens drei unterschiedliche Temperatur-/Wachstumsratenpunkte verwendet werden, um das in 6b gezeigte Diagramm zu erstellen. Danach wird, wie in Block 412 angegeben ist, das Diagramm mit der Abscheidungsrate über der Temperatur von 6b dazu verwendet, die Temperatur zu bestimmen, die erforderlich ist, um die in Block 408 spezifizierte Abscheidungsrate zu erhalten. Wenn die aus dem Diagramm von 6b bestimmte Abscheidungstemperatur innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von 550 bis 620°C liegt, ist die Temperatur akzeptabel, und es werden, wie im Block 414 angegeben ist, die Prozessbedingungen eingestellt, wie sie in den Blöcken 406, 408 und 410 bestimmt wurden. Wenn die Temperatur, die erforderlich ist, um die gewünschte Abscheidungsrate zu erhalten, jedoch außerhalb des akzeptierbaren Bereichs liegt, müssen die in Block 406 spezifizierten Bedingungen neu bewertet werden. D. h., dass die Anforderungen an die Abscheidungsrate oder an die Dotierdichte reduziert werden müssen, um einen durchführbaren Prozess zu erhalten. Dabei kann nicht nur der Einzelparameter X der vorliegenden Erfindung zur Optimierung der Abscheidungsbedingungen verwendet werden, sondern er kann auch zur Bestimmung verwendet werden, ob ein Prozess noch durchführbar ist oder nicht.

Der einzige Parameter X und der Optimierungsprozess der vorliegenden Erfindung können zum Einstellen der Abscheidungsbedingungen für den Siliziumabscheidungsprozess verwendet werden, um die Prozessfertigung zu maximieren. Wenn beispielsweise ein Siliziumfilm auf einem Substrat abgeschieden werden soll, bei dem es schwierig ist, die Öffnungen zu füllen, beispielsweise bei einem Substrat 100 mit Öffnungen 102 mit einem großen Seitenverhältnis (≥ 2 : 1) und einer Breite W ≤ 0,5 &mgr;m, einer Tiefe von 1,2 &mgr;m und vertikalen Seitenwänden (90°), zeigt die Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und dem einzigen Parameter X an, dass die Abscheidungsraten und/oder die Dotierdichte reduziert werden müssen, um die Stufenüberdeckung (> 95%) des abgeschiedenen Films zu maximieren, damit eine vollständige Lochfüllung gewährleistet ist. D. h., dass, wenn schwierig zu füllende Öffnungen vorliegen, Abscheidebedingungen gewählt werden müssen, um den Wert X zu steigern, damit die Stufenüberdeckung erhöht wird. Es kann ein Siliziumfilm, der bei einer Temperatur von etwa 590°C, bei einem Abscheidedruck von etwa 26664 Pa (200 Torr), bei einem Silanteildruck von etwa 2200 Pa (16,5 Torr) (Silanstrom von 900 sccm), bei einem Phosphinpartialdruck von etwa 0,5 Pa (0,0037 Torr) (1% wasserstoffverdünnter Phosphinstrom von 20 sccm) und bei einem Gesamtwasserstoffstrom von 10 slm abgeschieden wurde, dazu verwendet werden, einen mittleren dotierten (etwa 5,6 × 1019/cm3) Siliziumfilm bei einer Abscheidungsrate von etwa 50 nm/min (500 Å/Minute) mit einer Stufenüberdeckung > 95% zu erzeugen, die die Öffnungen 102 im Substrat 100 vollständig füllen kann.

Wenn ein Siliziumfilm auf einem Substrat abgeschieden werden soll, das leicht zu füllende Öffnungen oder Formen hat, beispielsweise das Substrat 500, welches Öffnungen 502 mit einer Breite von 0,32 &mgr;m (0,32 Mikron) und einer Tiefe von 0,8 &mgr;m (0,8 Mikron) und mit einer Neigung der Seitenwände 504 von 94° hat, zeigt die Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und dem einzigen Parameter X an, dass die Abscheidungsrate und/oder die Dotierdichte des Films erhöht werden können, da die Stufenüberdeckungsanforderungen reduziert sind. D. h., dass, wenn ein leicht zu füllendes Substrat vorliegt, Abscheidungsbedingungen verwendet werden können, die geringere Werte von X vorsehen, da die Anforderungen an die Stufenüberdeckung verringert sind. An dem Substrat 500 kann ein Siliziumfilm 510 mit einer hohen Abscheidungsrate (annähernd 110 nm/min (1100 Å/Minute)) und mit einer hohen Dotierdichte (> 2,0 × 1020/cm3) abgeschieden werden und die Öffnungen 502 vollständig füllen, indem folgende Abscheidungsbedingungen verwendet werden: Silanpartialdruck von etwa 1733 Pa (13 Torr) (Silandurchsatz von etwa 900 sccm), Phosphinpartialdruck von etwa 2 Pa (0,015 Torr) (1% wasserstoffverdünnter Phosphinstrom bei etwa 100 sccm), Abscheidungstemperatur von etwa 620°C und Abscheidungsdruck von etwa 21332 Pa (160 Torr).

Zusätzlich kann die Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und dem einzigen Parameter X dazu verwendet werden, Prozesse auszulegen, bei denen doppelschichtige oder mehrfachschichtige Siliziumfilme in Öffnungen mit einem hohen Seitenverhältnis (≥ 2,0) abgeschieden werden, um den Durchsatz des Siliziumabscheidungsprozesses zu verbessern. Beispielsweise angenommen, ein spezieller IC-Herstellungsprozess macht einen Siliziumfilm 110 von 800 nm (8000 Å) Dicke T erforderlich und eine Öffnung 102 mit einer Breite W von 0,25 &mgr;m (0,25 Mikron) und einer Tiefe D von 759 nm (7500 Å) (Seitenverhältnis etwa 3,0) muss vollständig gefüllt werden. Bei einem solchen Prozess kann, wie in 1c gezeigt ist, eine erste Schicht von einer mitteldotierten amorphen Siliziumschicht 112 (Niedrigtemperatur-Siliziumschicht) auf eine Dicke von etwa 150 nm (1500 Å) abgeschieden werden, um die Stufenüberdeckung des Films zu maximieren. D. h., dass bei dem ersten Abscheidungsschritt ein hoher Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases (zwischen 533 und 5333 Pa (4 und 40 Torr)) verwendet wird und die Abscheidungsrate und der Dotierpegel des Films reduziert werden, wie es durch die Beziehung der Stufenüberdeckung und dem einzigen Parameter X spezifiziert ist, um die Stufenüberdeckung zu maximieren und um eine vollständige Lochfüllung zu gewährleisten. (Es ist nur ein Siliziumfilm von etwa 125 nm (1250 Å) erforderlich, um die Öffnung zu füllen, da das Loch von den Seitenwänden aus gefüllt wird, d. h. eine Filmdicke von W/2 erforderlich ist, um eine Öffnung mit einer Breite W zu füllen). Wenn das Loch einmal ausreichend gefüllt ist und/oder die Stufenüberdeckungsanforderungen gelockert worden sind, kann die Menge des Siliziumfilms 114 (restliche 650 nm (6500 Å)) mit einem Verfahren abgeschieden werden, dass durch die obige Gleichung spezifiziert ist, um eine Polysiliziumschicht 114 mit hoher Dotierung bei einer hohen Abscheidungsrate zu bilden. Auf diese Weise werden die Dotiercharakteristika, die Stufenüberdeckung und die Abscheiderate jeder Schicht 112 und 144 des Verbundfilms 110 entsprechend dem einzigen Parameter X so optimiert, dass sie einem speziellen Zweck angepasst sind, um den gesamten Prozess zu optimieren. Auf diese Weise kann der neue Parameter X dazu verwendet werden, den Waferdurchsatz zu maximieren und eine vollständige Lochfüllung bei allen Herstellungsanforderungen zu gewährleisten.

Der Einzelsubstratreaktor der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise eine Software, die in einem nicht flüchtigen Speicher, beispielsweise einem ROM, EPROM, usw. gespeichert ist und die maschinenlesbar und von einem Prozessor, beispielsweise einem Mikroprozessor, ausführbar ist. Die Software wird verwendet, um verschiedene Vorrichtungen, wie Pumpen, Lampen, Werte und Durchsatzregulierer in dem Reaktor zu steuern, damit die gewünschten Abscheidebedingungen erzeugt werden. Die Software hat vorzugsweise einen Algorithmus oder eine Subroutine, die eine Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und dem einzigen Parameter X benutzt, um einen Operator dabei zu unterstützen, einen Siliziumabscheidungsprozess so zu optimieren und durchzuführen, dass er den speziellen Herstellungsanforderungen genügt. Die Software kann dazu verwendet werden, die idealen Gaspartialdrucke (oder -durchsätze) und Dotiermittelprofile zu bestimmen, die erforderlich sind, um den Herstellungsanforderungen zu genügen. Diese Software und der Prozessor können dazu verwendet werden, die Gasströme und andere Prozessparameter, wie die Temperatur und den Druck, zu steuern, um einen optimalen Siliziumfilm-Abscheideprozess durchzuführen.

Die vorliegende Erfindung hat einen neuartigen Prozess der Ausbildung eines Siliziumfilms bei einer hohen Abscheidungsrate mit einer verbesserten Stufenüberdeckung in einem Einzelsubstratreaktor beschrieben. Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls ein Verfahren und einen einzigen Parameter beschrieben, die dazu verwendet werden können, optimale Prozessbedingungen zu bestimmen, um einen Abscheidungsprozess für spezielle Herstellungsanforderungen zu optimieren. Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezifischer Beispiele beschrieben worden ist, sollen diese Beispiele nur als Veranschaulichung und nicht als Begrenzung angesehen werden, wobei der Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die beiliegenden folgenden Ansprüche bestimmt werden soll.

Somit wurden ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur Ausbildung eines gleichförmigen Siliziumfilms mit niedrigem spezifischen Widerstand bei hoher Abscheidungsrate und mit verbesserter Stufenüberdeckung beschrieben.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Ausbildung einer dotierten Siliziumschicht auf einem Substrat, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

    – Anordnen eines Substrats in einer Reaktionskammer, wobei das Substrat eine Öffnung mit einem Seitenverhältnis von wenigsten 2 : 1 hat,

    – Erzeugen eines Abscheidedrucks von 2666 bis 39997 Pa (20 bis 300 Torr) in der Reaktionskammer,

    – Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur von 550 bis 620°C,

    – Einströmenlassen eines Silizium enthaltenden Gases in die Reaktionskammer, um einen Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases in der Reaktionskammer von 533 bis 5333 Pa (4 bis 40 Torr) zur erhalten, und

    – Einströmenlassen eines Dotiergases in die Reaktionskammer, um einen Partialdruck des Dotiergases von ≤ 2,7 Pa (0,020 Torr) zu erhalten, wodurch die Öffnung mit einem dotierten Siliziumfilm gefüllt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin den Schritt aufweist:

    – Einströmenlassen von 4 bis 12 slm H2 in die Reaktionskammer.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem die Schritte des Einströmenlassens des Silizium enthaltenden Gases und des Einströmenlassens des Dotiergases ein Gasgemisch erzeugen, das ein Verhältnis von Dotiergas zu Silizium enthaltendem Gas von weniger als oder gleich 0,01 hat.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Silizium enthaltende Gas Silan ist und der Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases 1333 bis 2666 Pa (10 bis 20 Torr) beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Dotiergas Phosphin ist und der Partialdruck des Dotiergases etwa 2 Pa (0,015 Torr) beträgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Abscheidedruck 19998 bis 26664 Pa (150 bis 200 Torr) beträgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das Substrat auf eine Temperatur von 590 bis 600°C erhitzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem das Silizium enthaltende Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, SiCl3H und SiCl4 besteht.
  9. Verfahren zur Ausbildung eines Siliziumfilms, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

    – Anordnen eines Wafers in einer Reaktionskammer, wobei der Wafer eine Öffnung mit einem Seitenverhältnis von wenigstens 2 : 1 hat,

    – Bestimmen einer Beziehung zwischen einer Stufenüberdeckung eines Siliziumfilms und Abscheidezuständen, zu denen der Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases in der Reaktionskammer, der Partialdruck des Dotiergases in der Reaktionskammer und die Abscheiderate des Siliziumfilms gehören, wobei die erwähnte Beziehung die Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und einem Wert X ist, nämlich
    wobei

    (Siliziumgas) pp der Partialdruck des Siliziumgases ist, und 533 bis 5333 Pa (4 bis 40 Torr) beträgt,

    (Dotiergas) pp der Partialdruck des Dotiergases ist und 0,49 bis 2,7 Pa (0,0037 bis 0,020 Torr) beträgt,

    ∂ = 0,7 bis 0,85,

    Rd die Abscheiderate ist und 50 bis 120 nm pro Minute (500 bis 1200 Å pro Minute) beträgt, und

    die Stufenüberdeckung = TS/TF × 100% ist, wenn TS die Filmdicke an einer Stufenoberfläche und TF die Sollfilmdicke an einer ebenen Oberfläche sind, sowie

    – Abscheiden eines Siliziumfilms auf dem Wafer unter Verwendung der aus der erwähnten Beziehung bestimmten Abscheidezustände,

    – wobei die erwähnte Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und X für eine spezifische Substratstruktur oder für eine spezifische Topographie bestimmt wird durch

    (i) Abscheiden eines Siliziumfilms unter einem ersten Satz von Partialdruckzuständen des Siliziumgases und des Dotiergases,

    (ii) Bestimmen der Abscheiderate und der Stufenüberdeckung durch direkte Messung,

    (iii) Wiederholen der Schritte (i) und (ii) wenigsten zweimal unter Verwendung eines unterschiedlichen Partialdrucks des Siliziumgases und des Dotiergases und

    (iv) Auftragen der Stufenüberdeckung als Funktion von X.
  10. Vorrichtung zum Abscheiden eines Siliziumfilms auf einem Substrat, das eine Öffnung mit einem Seitenverhältnis von wenigstens 2 : 1 hat, wobei die Vorrichtung

    – eine Reaktionskammer,

    – einen Suszeptor in der Reaktionskammer,

    – eine Wärmequelle,

    – einen Prozessgaseinlass in die Reaktionskammer und

    – einen Speicher hat, der eine Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung eines Siliziumfilms und Abscheidezuständen speichert, zu denen der Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases, der Partialdruck des Dotiergases und die Abscheiderate des Siliziumfilms gehören, wobei die erwähnte Beziehung die Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und einem Wert X ist, nämlich:
    wobei

    (Siliziumgas) pp der Partialdruck des Siliziumgases ist und 533 bis 5333 Pa (4 bis 40 Torr) beträgt,

    (Dotiergas) pp der Partialdruck des Dotiergases ist und 0,49 bis 2,7 Pa (0,0037 bis 0,020 Torr) beträgt,

    ∂ = 0,7 bis 0,85,

    Rd die Abscheiderate ist und 50 bis 120 nm pro Minute (500 bis 1200 Å pro Minute) beträgt,

    die Stufenüberdeckung = TS/TF × 100% ist, wenn TS die Filmdicke an einer Stufenoberfläche und TF die Sollfilmdicke an einer ebenen Oberfläche sind, und

    – wobei die erwähnte Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und X für eine spezifische Substratstruktur oder für eine spezifische Topographie bestimmt wird durch

    (i) Abscheiden eines Siliziumfilms unter einem ersten Satz von Partialdruckzuständen des Siliziumgases und des Dotiergases,

    (ii) Bestimmen der Abscheiderate und der Stufenüberdeckung durch direkte Messung,

    (iii) Wiederholen der Schritte (i) und (ii) wenigsten zweimal unter Verwendung eines unterschiedlichen Partialdrucks des Siliziumgases und des Dotiergases und

    (iv) Auftragen der Stufenüberdeckung als Funktion von X.
  11. Verfahren zum Abscheiden eines Siliziumfilms auf einem strukturierten Substrat, das eine Öffnung mit einem Seitenverhältnis von wenigstens 2 : 1 hat, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

    (a) Bestimmen einer Beziehung zwischen einer Stufenüberdeckung eines Siliziumfilms und Abscheidezuständen, zu denen der Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases in der Reaktionskammer, der Partialdruck des Dotiergases in der Reaktionskammer, und die Abscheiderate des auf dem strukturierten Substrat gebildeten Siliziumfilms gehören, wobei die erwähnte Beziehung die Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und einem Wert X ist, nämlich
    wobei

    (Siliziumgas) pp der Partialdruck des Siliziumgases ist und 533 bis 5333 Pa (4 bis 40 Torr) beträgt,

    (Dotiergas) pp der Partialdruck des Dotiergases ist und 0,49 bis 2,7 Pa (0,0037 bis 0,020 Torr) beträgt,

    ∂ = 0,7 bis 0,85,

    Rd die Abscheiderate ist und 50 bis 120 nm pro Minute (500 bis 1200 Å pro Minute) beträgt,

    die Stufenüberdeckung = TS/TF × 100% ist, wenn TS die Filmdicke an einer Stufenoberfläche und TF die Sollfilmdicke an einer ebenen Oberfläche sind,

    (b) Spezifizieren einer Abscheiderate und eines Partialdrucks für das Dotiergas für die Abscheidung des Siliziumfilms,

    (c) Spezifizieren einer Stufenüberdeckung des Films,

    (d) Bestimmen des Partialdrucks des Silizium enthaltenden Gases aus der erwähnten Beziehung, die im Schritt (a) definiert ist, und aus dem Partialdruck des Dotiergases und der Wachstumsrate, die im Schritt (b) definiert sind,

    (e) Bestimmen der Beziehung zwischen der Abscheiderate des Siliziumfilms und der Abscheidetemperatur unter Verwendung des im Schritt (d) bestimmten Partialdrucks des Siliziumgases und des im Schritt (c) spezifizierten Partialdrucks des Dotiergases für das Abscheiden des Siliziumfilms,

    (f) Bestimmen der Abscheidetemperatur des Siliziumfilms unter Verwendung der Abscheiderate, die im Schritt (d) spezifiziert ist, und des erwähnten Verhältnisses zwischen der Wachstumsrate und der Abscheidetemperatur, die im Schritt (e) definiert sind, und

    (g) Abscheiden eines Siliziumfilms auf dem strukturierten Substrat unter Verwendung der aus den Schritten (d) bis (f) bestimmten Abscheidezustände,

    – wobei die erwähnte Beziehung zwischen der Stufenüberdeckung und X für eine spezifische Substratstruktur oder für eine spezifische Topographie bestimmt wird durch

    (i) Abscheiden eines Siliziumfilms unter einem ersten Satz von Partialdruckzuständen des Siliziumgases und des Dotiergases,

    (ii) Bestimmen der Abscheiderate und der Stufenüberdeckung durch direkte Messung,

    (iii) Wiederholen der Schritte (i) und (ii) wenigsten zweimal unter Verwendung eines unterschiedlichen Partialdrucks des Siliziumgases und des Dotiergases und (iv) Auftragen der Stufenüberdeckung als Funktion von X.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, welches weiterhin den Schritt aufweist:

    – Bestimmen, ob die Abscheidetemperatur innerhalb eines spezifizierten Bereichs liegt und wenn nicht, dann Spezifizieren einer zweiten Abscheiderate, wobei die zweite Abscheiderate kleiner als die erste Abscheiderate ist, und Wiederholen der Schritte (c), (d), (e) und (f).
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, welches weiterhin den Schritt aufweist:

    – Bestimmen, ob die Abscheidetemperatur innerhalb eines spezifizierten Bereichs liegt, und wenn nicht, dann Spezifizieren eines zweiten Partialdrucks des Dotiergases, wobei der zweite Partialdruck des Dotiergases kleiner ist als der erste Partialdruck des Dotiergases, und Wiederholen der Schritte (c), (d), (e) und (f).
  14. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verfahren ein Verfahren zum Ausfüllen einer ein großes Seitenverhältnis aufweisenden Öffnung in einem Substrat mit einem Siliziumfilm in einem Einzelwaferreaktor ist und die Schritte aufweist:

    – Anordnen eines Substrats in einem Einzelsubstratreaktor, wobei das Substrat eine Öffnung mit einem Seitenverhältnis von wenigstens 2 : 1 hat,

    – Abscheiden eines ersten dotierten Siliziumfilms unter Verwendung eines ersten Abscheidedrucks von 2666 bis 39997 Pa (20 bis 300 Torr), einer ersten Abscheidetemperatur von 550 bis 620°C, eines ersten Partialdrucks von Silizium enthaltenden Gas von 533 bis 5333 Pa (4 bis 40 Torr) und eines ersten Partialdrucks eines Dotiergases für das Abscheiden des ersten Siliziumfilms mit einer ersten Wachstumsrate, und

    – Abscheiden eines zweiten dotierten Siliziumfilms auf dem ersten Siliziumfilm, wobei der zweite Siliziumfilm bei einem zweiten Abscheidedruck, bei einer zweiten Abscheidetemperatur von 550 bis 620°C, bei einem zweiten Partialdruck des Silizium enthaltenden Gases von 533 bis 5333 Pa (4 bis 40 Torr), und bei einem zweiten Partialdruck des Dotiergases abgeschieden wird, um den zweiten Siliziumfilm mit der zweiten Abscheiderate zu erzeugen, wobei die zweite Abscheiderate größer ist als die erste Abscheiderate.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die zweite Abscheidetemperatur größer ist als die erste Abscheidetemperatur.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, bei welchem der zweite Partialdruck des Dotiergases größer ist als der erste Partialdruck des Dotiergases.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei welchem der zweite Abscheidedruck größer ist als der erste Abscheidedruck.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei welchem die Stufenüberdeckung des ersten Siliziumfilms besser ist als die Stufenüberdeckung des zweiten Siliziumfilms.
Es folgen 9 Blatt Zeichnungen






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