Plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung

Plasmaeigenschaften
Das Wesen des Plasmas bei der plasmaverstärkten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) besteht darin, dass es die kinetische Energie der Elektronen im Plasma nutzt, um die chemischen Reaktionen in der Gasphase zu aktivieren. Da Plasma aus Ionen, Elektronen, neutralen Atomen und Molekülen besteht, ist es makroskopisch elektrisch neutral. In einem Plasma ist eine große Menge an Energie in der inneren Energie gespeichert. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen heißem und kaltem Plasma. Im PECVD-System entsteht kaltes Plasma durch eine Niederdruck-Gasentladung. Dieses Plasma, das durch eine Niederdruckentladung unterhalb einiger hundert Pa erzeugt wird, ist ein Nichtgleichgewichts-Gasplasma.
Die Beschaffenheit dieses Plasmas ist wie folgt:
(1) Die unregelmäßige thermische Bewegung der Elektronen und Ionen übersteigt ihre gerichtete Bewegung.
(2) Der Ionisierungsprozess wird hauptsächlich durch die Kollision schneller Elektronen mit Gasteilchen verursacht.
(3) Die mittlere thermische Bewegungsenergie von Elektronen ist um ein bis zwei Größenordnungen höher als die von schweren Teilchen wie Molekülen, Atomen, Ionen und freien Radikalen.
(4) Der Energieverlust nach der Kollision von Elektronen und schweren Teilchen kann durch das elektrische Feld zwischen den Kollisionen kompensiert werden.
Es ist schwierig, ein Niedertemperatur-Nichtgleichgewichtsplasma mit wenigen Parametern zu charakterisieren, da es sich um ein Niedertemperatur-Nichtgleichgewichtsplasma in einem PECVD-System handelt, in dem die Elektronentemperatur Te nicht mit der Temperatur Tj der schweren Teilchen übereinstimmt. In der PECVD-Technologie besteht die Hauptfunktion des Plasmas in der Erzeugung chemisch aktiver Ionen und freier Radikale. Diese Ionen und freien Radikale reagieren mit anderen Ionen, Atomen und Molekülen in der Gasphase oder verursachen Gitterdefekte und chemische Reaktionen auf der Substratoberfläche. Die Ausbeute an aktivem Material ist eine Funktion der Elektronendichte, der Reaktantenkonzentration und des Ausbeutekoeffizienten. Anders ausgedrückt: Die Ausbeute an aktivem Material hängt von der elektrischen Feldstärke, dem Gasdruck und der mittleren freien Reichweite der Teilchen zum Zeitpunkt der Kollision ab. Durch die Dissoziation des Reaktantengases im Plasma aufgrund der Kollision hochenergetischer Elektronen kann die Aktivierungsbarriere der chemischen Reaktion überwunden und die Temperatur des Reaktantengases gesenkt werden. Der Hauptunterschied zwischen PECVD und konventioneller CVD liegt in den unterschiedlichen thermodynamischen Prinzipien der chemischen Reaktion. Die Dissoziation der Gasmoleküle im Plasma verläuft nicht selektiv, weshalb sich die mittels PECVD abgeschiedene Schicht grundlegend von der mittels konventioneller CVD abgeschiedenen Schicht unterscheidet. Die durch PECVD erzeugte Phasenzusammensetzung kann einzigartig sein und unterliegt nicht mehr der Gleichgewichtskinetik. Die typischste Schicht ist amorph.

PECVD-Funktionen
(1) Niedrige Abscheidungstemperatur.
(2) Reduzierung der inneren Spannungen, die durch die Diskrepanz des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Membran-/Basismaterials verursacht werden.
(3) Die Abscheidungsrate ist relativ hoch, insbesondere bei der Abscheidung bei niedrigen Temperaturen, was die Herstellung amorpher und mikrokristalliner Schichten begünstigt.

Durch das Niedertemperaturverfahren der PECVD-Abscheidung lassen sich thermische Schäden reduzieren sowie die gegenseitige Diffusion und Reaktion zwischen Schicht und Substratmaterial minimieren. Dadurch können elektronische Bauteile sowohl vor der Fertigung als auch im Nachhinein beschichtet werden. In der Herstellung von hochintegrierten Schaltungen (VLSI, ULSI) wird die PECVD-Technologie erfolgreich zur Abscheidung von Siliziumnitrid (SiN) als abschließender Schutzschicht nach der Herstellung der Aluminium-Elektrodenverdrahtung sowie zur Glättung und Abscheidung von Siliziumoxid als Zwischenschichtisolierung eingesetzt. Auch bei Dünnschichtbauelementen hat sich die PECVD-Technologie bewährt, beispielsweise bei der Herstellung von Dünnschichttransistoren (TFTs) für LCD-Displays, wobei Glas als Substrat im Aktivmatrixverfahren verwendet wird. Mit der Entwicklung größerer und höher integrierter Schaltungen sowie der zunehmenden Verbreitung von Verbindungshalbleiterbauelementen ist es erforderlich, die PECVD-Abscheidung bei niedrigeren Temperaturen und mit höherer Elektronenenergie durchzuführen. Um diese Anforderung zu erfüllen, müssen Technologien entwickelt werden, die Schichten mit höherer Oberflächenglätte bei niedrigeren Temperaturen erzeugen können. Die SiN- und SiOx-Schichten wurden eingehend mit Hilfe von ECR-Plasma und einer neuen Plasma-CVD-Technologie (PCVD) mit spiralförmigem Plasma untersucht und haben ein praktisches Niveau bei der Verwendung von Zwischenschichtisolationsschichten für größere integrierte Schaltungen usw. erreicht.