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Dokumentenidentifikation DE10123858B4 23.03.2006
Titel Atomschicht-Abscheidungsverfahren zur Bildung einer Siliciumnitrid-haltigen Dünnschicht
Anmelder Samsung Electronics Co., Ltd., Suwon, Kyonggi, KR
Erfinder Kim, Yeong-Kwan, Suwon, Kyunggi, KR;
Lee, Joo-Won, Suwon, Kyunggi, KR;
Park, Young-Wook, Suwon, Kyunggi, KR;
Kim, Dong-Chan, Seoul/Soul, KR
Vertreter Kuhnen & Wacker Patent- und Rechtsanwaltsbüro, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 16.05.2001
DE-Aktenzeichen 10123858
Offenlegungstag 28.11.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse H01L 21/318(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/336(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C23C 16/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft das Bilden einer Siliciumnitrid-haltigen Dünnschicht durch Atomschicht-Abscheidung (Atom Layer Deposition, ALD). Insbesondere manifestiert sich die Erfindung in der Bildung einer Siliciumnitrid-haltigen Dünnschicht mittels eines Atomschicht-Abscheidungsverfahrens und der Verwendung von Si2Cl6 (HCD) und NH3 oder von HCD und einem NH3-Plasma als Reaktanten.

Si3N4-Dünnschichten gewinnen bei der Herstellung von Halbleiterelementen ständig an Bedeutung. Auf Si/SiO2-Grenzflächen verringern Si3N4-Schichten Grenzflächen-Fangstellen und verbessern die Immunität gegen heiße Trägermaterialien. Si3N4-Schichten verbessern die Zuverlässigkeit und die Eigenschaften herkömmlicher SiO2-Gate-Oxidschichten. Si3N4-Schichten an der SiO2/Gate-Grenzfläche dienen als ausgezeichnete Diffusionssperren, insbesondere bezüglich alkalischer Ionen. In Feinstschicht-Elementen könnte Si3N4 ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante liefern, das gegen Elektronen-Durchtunnelung (Tunneleffekt) beständig ist. Si3N4 mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als SiO2 könnte sich auch für eine Konformations-Isolierschicht, die Merkmale mit hohen Seitenverhältnissen in DRAMs und anderen Elementen bereitstellt, als sehr gut geeignet erweisen. Diese Anwendungen erfordern ein Verfahren zum Bilden einer Si3N4-Dünnschicht, das gute Eigenschaften bezüglich der Wachstumsgeschwindigkeit, der Wärmebilanz, der Aufladung des Leiterbahnenmusters (pattern loading), der Reinheit, der gleichmäßigen Dicke und der Gestaltung für Merkmale mit hohen Seitenverhältnissen zeigt.

Abscheidungsverfahren, wie chemische Dampfabscheidung (chemical vapour deposition, CVD), chemische Niederdruck-Dampfabscheidung (low pressure chemical vapour deposition, LPCVD), Plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung (plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD), können für die Herstellung einer Si3N4-Dünnschicht verwendet werden. Verfahren auf CVD-Grundlage weisen häufig Nachteile auf, die ihre Eignung bei der Herstellung von Halbleiterelementen, welche von der Einbeziehung von Si3N4-Dünnschichten profitieren würden, einschränken. Bei einem typischen CVD-Verfahren wird eine SiN-Dünnschicht bei einer relativ hohen Temperatur abgeschieden, was im allgemeinen aufgrund möglicher schädlicher Hitzeeinwirkungen auf das Baulement weniger erwünscht ist als ein Verfahren mit einer niedrigeren Temperatur. Eine SiN-Dünnschicht, die mittels CVD abgeschieden wird, unterliegt auch geometrischen Beschränkungen, was zu unterschiedlichen Dicken auf der Oberfläche des Baulements führen kann. Die Dicke der Dünnschicht, die um dicht gepackte Merkmale auf der Oberfläche gebildet wird, kann niedriger sein als die Dicke der Schicht um weniger dicht gepackte Merkmale. Dieses Problem ist als Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters (pattern loading effect) bekannt.

LPCVD hat ebenfalls Nachteile. Der Wasserstoffgehalt der LPCVD-gefertigten Dünnschichten ist üblicherweise hoch, und die Stufenabdeckung der Oberfläche ist nicht gut. Da die Wachstumsgeschwindigkeit der Schicht relativ niedrig ist, wenn LPCVD angewendet wird, ist die Bearbeitungszeit, die nötig ist, um eine Schicht mit geeigneter Dicke auszubilden, relativ lang. Die lange Bearbeitungszeit setzt das Substrat über einen langen Zeitraum einer relativ hohen Temperatur aus, und dies führt zu einer hohen Wärmebilanz, die mit dem LPCVD-Verfahren verbunden ist.

Die Atomschicht-Abscheidung (ALD) wurde als Alternative zu Abscheidungsverfahren auf CVD-Basis für die Bildung von SiN-Dünnschichten vorgeschlagen. ALD ist ein Oberflächen-gesteuertes Verfahren, das mit einem Oberflächen-kinetischen System durchgeführt wird, und das eine zweidimensionale Schicht-für-Schicht-Abscheidung auf der Oberfläche zur Folge hat. Goto et al. beschreiben ein ALD-Abscheidungsverfahren, das Dichlorsilan (DCS) und NH3-Plasma verwendet, um eine Si3N4-Schicht zu bilden (Yokoyama, S., Goto, H., u.a.: Atomic layer controlled deposition of silicon nitride and in situ growth observation by infrared absorption spectroscopy. In: Appl. Surf. Sci., Vol. 112, 75–81 (1997); Goto, H., u.a.: Atomic layer controlled deposition of silicon nitride with self limiting mechanism. In: Appl. Phys. Lett, Vol.. 68(23), 3257-9 (1996)). Die Eigenschaften der Dünnschicht, die anhand des in Goto beschriebenen Verfahrens hergestellt wird, sind jedoch nicht geeignet. Der Cl-Gehalt (0,5 %) und der O-Gehalt sind unannehmbar hoch. Dies zeigt zusammen mit einem gemessenen Si:N-Verhältnis von 41:37 an, daß dieses Verfahren keine annähernd stöchiometrische Si3N4-Schicht bildet. Darüber hinaus ist die Wachstumsgeschwindigkeit von 0,91 Angström pro 300 Sekunden-Zyklus nicht so hoch wie es für industrielle Anwendungen notwendig wäre.

Klaus et al. beschreiben ein ALD-Verfahren zum Bilden einer Si3N4-Schicht durch Umsetzen von SiCl4 und NH3, siehe US-6 090 442 und Klaus, J. W., u.a.: Atomic layer controlled growth of Si3N4 films using sequential surface reactions. In: Surf. Sci., Vol. 418, L14-L19 (1998). Die Eigenschaften der anhand dieses Verfahrens hergestellten Dünnschicht sind besser als die von Goto et al. erreichten. Das Verhältnis von Si:N = 1:1,39 und die Cl-, H- und O-Gehalte sind annehmbar niedrig. Die Zyklusdauer von 10 Minuten für das Ausbilden einer 0,245-Nanometer-Schicht ist jedoch zu lang, was eine industrielle Anwendung nicht praktikabel macht

Es wurde auch vorgeschlagen, Si2Cl6 (HCD) und N2H4 zu verwenden, um eine Si3N4-Dünnschicht mittels ALD abzuscheiden (Morishita, S., u.a.: Atomic-layer chemical-vapor-deposition of silicon-nitride. In: Appl. Surf. Sci., Vol. 112, 198–204 (1997)). Obwohl die Stöchiometrie, der Cl- und der H-Gehalt solcher Schichten geeignet ist, zeigen sie einen unannehmbar hohen Sauerstoffgehalt, was solche Filme für die vorstehend beschriebenen Verwendungen ungeeignet macht.

Aus der JP 11-74485 A ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem eine auf dem Substrat befindliche Siliziumoxidschicht mit Hexachlordisilan behandelt wird, um nachfolgend eine Siliziumnitridschicht auf der so behandelten Siliziumoxidschicht mittels eines Atomschicht-Abscheidungsverfahrens ohne Beteiligung von Hexachlordisilan abzuscheiden.

Die EP 0 334 791 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitrid als Pulver oder als Beschichtung mittels PECVD-Verfahren ausgehend von Stickstoff und Silizium enthaltenden Gasen. Dieses Dokument offenbart kein N/Si-Komponentenverhältnis.

Ferner gehen Verfahren zur Bildung von Siliziumnitridschichten aus der DE 24 14 982 B2 sowie aus der DE 100 22 245 A1 hervor, die allerdings weiter vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung entfernt sind als der übrige vorligend zitierte Stand der Technik.

Daher besteht, trotz eines seit langem erkannten Potentials für vielfältige Anwendungen, weiterhin ein Bedarf an einem neuen Verfahren zum Bilden von Si3N4-Schichten, das die folgenden Kriterien erfüllt: Bearbeitung mit einer niedrigen Wärmebilanz; ausgezeichnete Stufenabdeckung; kein Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters; Si:N-Verhältnis übereinstimmend mit Si3N4; ausgezeichnete Dickensteuerung und – gleichmäßigkeit; minimale Zahl von Partikeleinschlüssen; niedriger Verunreinigungsgehalt und eine Wachstumsgeschwindigkeit der Schicht, die industrielle Anwendungen praktikabel macht.

Daher ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden von Si3N4 als Schicht bereitzustellen, in der Si3N4 physikalische und chemische Eigenschaften zeigt, die mit hochreinem Si3N4 übereinstimmen. Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um Si3N4 als Dünnschicht abzuscheiden, wobei das Verfahren eine ausgezeichnete Stufenabdeckung, wenig oder keinen Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters und eine ausgezeichnete Dickensteuerung und -gleichmäßigkeit zeigt. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um Si3N4 als Dünnschicht oder in anderer fester Form abzuscheiden, wobei das Verfahren eine relativ niedrige Wärmebilanz und eine annehmbar hohe Wachstumsgeschwindigkeit zeigt, wodurch das Verfahren für die industrielle Anwendung praktikabel wird.

Um die vorstehend beschriebenen Punkte zu erreichen, besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Atomschicht-Abscheidung (ALD), das Si2Cl6 und NH3 oder Si2Cl6 und aktiviertes NH3 als Reaktanten verwendet.

Gegenstand der Erfindung ist ein Atomschicht-Abscheidungsverfahren zum Bilden einer festen, Siliciumnitrid-haltigen Schicht nach Anspruch 1.

Bevorzugte Ausführungsformen davon sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 20.

Das Atomschicht-Abscheidungsverfahren der Erfindung beinhaltet die folgenden Schritte: a) Einbringen eines Substrats in eine Kammer, b) Einspritzen eines ersten Reaktanten, der Si2Cl6 enthält, in die Kammer, c) Chemisorbieren eines ersten Anteils des ersten Reaktanten auf dem Substrat und Physisorbieren eines zweiten Anteils des ersten Reaktanten auf dem Substrat, d) Entfernen des nicht chemisch absorbierten Anteils des ersten Reaktanten aus der Kammer, e) Einspritzen eines zweiten Reaktanten, der NH3 enthält, in die Kammer, f) chemisches Umsetzen eines ersten Anteils des zweiten Reaktanten mit dem chemisorbierten ersten Anteil des ersten Reaktanten, wodurch ein Silicium-haltiger Feststoff auf dem Substrat gebildet wird, und g) Entfernen des nicht-umgesetzten Anteils des zweiten Reaktanten aus der Kammer. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält in Schritt b der erste Reaktant zwei oder mehr Verbindungen, von denen jede Si und Cl enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform davon handelt es sich bei den beiden Si- und Cl-haltigen Verbindungen um Si2Cl6 und SiCl4. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Schritte b – g einmal oder mehrmals wiederholt, um die Dicke der Schicht zu erhöhen.

Ein Verfahren gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält die folgenden Schritte: a) Geben eines Substrats in eine Kammer, b) Einspritzen eines Stroms eines ersten Reaktanten, der Si2Cl6 enthält, in die Kammer, c) Zugeben von SiCl4 zum Strom des ersten Reaktanten, während der erste Reaktant in die Kammer eingespritzt wird, d) Chemisorbieren eines ersten Anteils des ersten Reaktanten auf dem Substrat und Physisorbieren eines zweiten Anteils des SiCl4 auf dem Substrat, e) Chemisorbieren eines ersten Anteils des SiCl4 auf dem Substrat und Physisorbieren eines zweiten Anteils des SiCl4 auf dem Substrat, f) Entfernen der nicht chemisch absorbierten Anteile von Si2Cl6 und SiCl4 aus der Kammer, g) Einspritzen eines zweiten Reaktanten, der NH3 enthält, in die Kammer, h) chemisches Umsetzen eines ersten Anteils des zweiten Reaktanten mit dem chemisorbierten ersten Anteil des Si2Cl6 und des chemisorbierten ersten Anteils des SiCl4, wodurch ein Silicium-haltiger Feststoff auf dem Substrat gebildet wird; und i) Entfernen eines zweiten Anteils des zweiten Reaktanten aus der Kammer. In einer anderen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform werden einer oder mehrere der Schritte b – i wiederholt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale der Erfindung und der bevorzugten Ausführungsformen davon werden nun detaillierter mit Bezug auf die nachstehenden Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung beschrieben, in denen bedeuten:

Die 1 bis 5 beschreiben die Bearbeitungsschritte zum Bilden einer Si3N4-Dünnschicht mittels einer Atomschicht-Abscheidung gemäß der Erfindung.

6 ist eine schematische Darstellung einer Dünnschicht-Herstellungseinrichtung, die für das Dünnschicht-Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung verwendet wird.

7 ist ein Ablaufdiagramm, das die Dünnschicht-Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung zeigt.

8 ist ein Diagramm, das, die Dicke einer Si3N4-Schicht zeigt, die pro Zyklus mittels eines Herstellungsverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gebildet wird.

9 ist ein Diagramm, das Dicke einer Si3N4-Schicht zeigt, die pro Zyklus mittels eines Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gebildet wird.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen beginnt mit einer Erklärung der Bearbeitungsschritte der Verfahren, gefolgt von Beschreibungen spezifischer Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

15: ein Substrat 1, beispielsweise Silicium (100), wird in eine Kammer 3 gegeben (siehe 6), die dann bis auf einen Druck von etwa 266 Pa evakuiert wird. Das Substrat 1 wird auf etwa 550°C erwärmt. Dann wird ein Strom 2 von 500 sccm (Standardkubikzentimeter/Minute) Si2Cl6 in einem Ar-Trägergas 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung enthält der Si2Cl6-haltige Gasstrom auch SiCl4. In einer anderen Ausführungsform wird ein Si2Cl6-haltiger Gasstrom in die Kammer 3 geleitet, und während dieses Strömen aufrechterhalten wird, wird ein Gasstrom, der SiCl4 enthält, entweder mit dem Si2Cl6-haltigen Gasstrom vor der Einleitung in die Kammer 3 gemischt, oder wird getrennt von dem Si2Cl6-haltigen Gasstrom, aber gleichzeitig mit diesem, eingeleitet.

Während dieser Zeit wird ein erster Anteil der Si2Cl6-Moleküle (und SiCl4-Moleküle, falls vorhanden) auf der Oberfläche von Substrat 1 chemisorbiert und bildet dort eine Schicht 4. Ein zweiter Anteil der Si2Cl6-Moleküle (und SiCl4-Moleküle, falls vorhanden) bindet sich physikalisch (physisorbiert) an die chemisorbierte Si2Cl6-Schicht (und SiCl4-Schicht, falls vorhanden) und wird locker darauf festgehalten. Dann wird die Kammer 3 für 5 Sekunden mit N2 gespült und 5 Sekunden lang Vakuum-entleert. Während dieser Reinigungsschritte werden die nicht chemisorbierten Anteile des Si2Cl6 und SiCl4 aus der Kammer entfernt, wodurch die chemisorbierte Schicht 4 aus Si2Cl6 (und SiCl4, falls vorhanden) unversehrt auf dem Substrat 1 zurückbleibt (2). 3: Dann wird ein Strom 6 aus 2000 sccm NH3 30 Sekunden lang in die Kammer 3 geleitet, während wiederum ein Kammerdruck von 266 Pa und eine Substrattemperatur von 550°C beibehalten werden. Ein Anteil des NH3 reagiert mit dem chemisorbierten Si2Cl6 auf dem Substrat, wodurch eine Schicht 8 aus Si3N4 gebildet wird (4). In einer Ausführungsform wird das NH3 als Gas eingeführt, das in einem Ar-Trägerstrom mitgeführt wird. In einer alternativen Ausführungsform wird das NH3 in dem Ar-Strom als Plasma mitgeführt, das in einem Plasmagenerator, der sich an anderer Stelle befindet, erzeugt wurde. In einer Ausführungsform wird der Plasmagenerator mit etwa 400 Watt betrieben, aber die Leistung kann variiert werden und die Erfindung soll nicht auf ein bestimmtes Leistungsniveau der Plasmakammer beschränkt sein. Nachdem der NH3-haltige Strom 30 Sekunden lang in die Kammer geströmt ist, wird die Kammer 3 für 5 Sekunden mit N2 gespült und dann 5 Sekunden lang Vakuum-entleert. Die Schritte des Einleitens von Si2Cl6 (und SiCl4) in die Kammer 3, des Spülens, des Einleitens von NH3 in die Kammer und des erneuten Spülens können wiederholt werden, um jede gewünschte Dicke der Si3N4-Schicht 8 zu erhalten. Die Bildung der Si3N4-Schicht ist nun abgeschlossen.

6 ist eine schematische Darstellung einer Dünnschicht-Herstellungsvorrichtung, die für das Dünnschicht-Herstellungsverfahren der Erfindung verwendet wird. 7 ist ein Ablaufdiagramm, das das Dünnschicht-Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung beschreibt. Nach dem Einbringen eines Substrats 1, beispielsweise eines (100) Siliciumsubstrats, in eine Kammer 3 wird die Kammer auf einen Druck von etwa 266 Pa und mittels eines Heizgeräts 5 auf eine Temperatur von etwa 550°C gebracht (Schritt 100). Der erste Reaktantenstrom, der Si2Cl6 enthält, wird 30 Sekunden lang in die Kammer 3 eingespritzt, während das Substrat bei 550°C und etwa 266 Pa gehalten wird (Schritt 105). Das Si2Cl6 wird verdampft, um einen ersten Reaktantenstrom 6 zu bilden, indem man 500 sccm Ar-Trägergas aus einer Quelle 19 in den ersten Gasspüler 12 einspritzt, der flüssiges Si2Cl6 bei einer Temperatur von etwa 40°C enthält. Dann wird der kombinierte Si2Cl6- und Ar-Gasstrom während eines Zeitraums von etwa 30 Sekunden durch eine erste Gasleitung 13 und einen Sprühkopf 15 eingespritzt, wie vorstehend beschrieben. Dann wird die Kammer 3 für 5 Sekunden mit reinem Ar gespült und dann 5 Sekunden lang mit der Pumpe 7 Vakuum-entleert. Die Erfindung soll nicht auf dieses spezielle Spülungsschema beschränkt sein, und soll davon abweichende Spülungs-Abfolgen einschließen, die zur Entfernung des physisorbierten Si2Cl6 von der chemisorbierten Si2Cl6-Oberflächenschicht führen.

Dann wird der zweite Reaktantengasstrom aus NH3 in einem Ar-Träger etwa 30 Sekunden lang durch die Gasleitung 16 und den Sprühkopf 15 mit einer Geschwindigkeit von etwa 2000 sccm in die Kammer 3 eingespritzt. Während dieses Schritts wird das Substrat 1 bei 550°C gehalten und der Kammerdruck wird bei etwa 266 Pa gehalten (Schritt 115 in 7). In einer Ausführungsform wird das NH3 im zweiten Reaktantenstrom verdampft, indem man Ar aus der Gasquelle 19 durch flüssiges NH3 14 perlen läßt, das in einem zweiten Gasspüler 17 bei etwa 25°C gehalten wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird NH3 als Plasma, das in einem Ar-Strom mitgeführt wird, in die Kammer 3 eingespritzt. Das NH3-Plasma wird in einem Plasmagenerator, der sich an anderer Stelle befindet (nicht gezeigt) erzeugt und dann etwa 30 Sekunden lang mit einer Geschwindigkeit von etwa 2000 sccm durch die Gasleitung 16 und den Sprühkopf 15 in die Kammer 3 eingeleitet.

Wie in den 3 und 4 dargestellt, reagiert ein Anteil des NH3 im zweiten Reaktantenstrom mit dem Si2Cl6 (und, in einigen Ausführungsformen, SiCl4), das auf dem Substrat 1 chemisorbiert wurde, wodurch eine Si3N4-Schicht gebildet wird. Sobald die Si3N4-Schicht sich auf dem Substrat gebildet hat, wird ein zweiter Anteil des NH3 im zweiten Reaktantenstrom auf der Si3N4-Schicht physisorbiert. Dann wird die Kammer 3 für 5 Sekunden mittels eines Ar-Stroms gespült, gefolgt von einer Vakuumentleerung mit Pumpe 7 (Schritt 120). Der physisorbierte zweite Reaktant kann jedoch auch mittels Vakuumentleerung der Kammer entfernt werden, ohne zuerst mit einem inerten Gas zu spülen.

Nach dem Ausspülen des nicht umgesetzten NH3 aus der Kammer 3 wird die Dicke der Si3N4-Schicht gemessen (Schritt 125). Wenn eine darüber hinausgehende Schichtdicke benötigt wird, werden die Schritte 105 bis 125 wiederholt, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Wenn die gewünschte Schichtdicke erreicht wurde, wird das Herstellungsverfahren abgeschlossen, indem man die Temperatur und den Druck der Kammer wieder auf normale Werte zurückführt (Schritt 130).

Die bevorzugten Ausführungsformen werden nun mit Bezug auf die nachstehenden Beispiele beschrieben. Die nachstehenden Beispiele sollen Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen sein und nicht beschränkend wirken.

Beispiel 1

Ein Siliciumwafer wurde in eine typisch aufgebaut Bedampfungskammer gegeben. Die Kammer wurde mit Stickstoff gespült, dann bis auf 266 Pa evakuiert. Das Substrat wurde auf 550°C erwärmt und bei dieser Temperatur stabilisiert. Ein erster Reaktantenstrom wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges Si2Cl6 bei 40°C perlen ließ, und dann 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit N2 gespült und 5 Sekunden lang Vakuum-entleert. Dann wurde ein zweiter Reaktantenstrom erzeugt, indem man 2000 sccm Ar durch flüssiges NH3 bei 25°C perlen ließ. Dann wurde der zweite Reaktantenstrom 30 Sekunden lang in die Kammer eingeleitet, wobei wiederum ein Kammerdruck von 266 Pa und eine Substrattemperatur von 550°C aufrechterhalten wurden. Die Kammer wude dann 5 Sekunden lang mit N2 gespült, und dann 5 Sekunden lang Vakuum-entleert.

Man fand, daß durch die vorstehenden Schritte eine Si3N4-Schicht mit einer Geschwindigkeit von 0,268 nm pro Zyklus gebildet wurde. Man fand, daß das Si3N4 von sehr hoher Qualität war. Der Brechungsindex betrug bei einer Wellenlänge von 632,8 nm 2,0, was anzeigt, daß die abgeschiedene Schicht stöchiometrisches Si3N4 war. Die gemessene Zugspannung war mit 5·105 N/cm2 hoch. Das auf diese Weise abgeschiedene Si3N4 zeigt ein Si:N-Verhältnis, das dem von reinem Si3N4 vergleichbar ist und weist einen sehr geringen Verunreinigungsgrad auf. Der Wasserstoffgehalt war sehr niedrig und es wurde kein Sauerstoff festgestellt. Die Stufenabdeckung lag in einer Struktur mit einem Seitenverhältnis von 5:1 bei 98 % oder mehr und die Schicht zeigte einen Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters von etwa 5 % oder darunter. In diesem Beispiel wurden andere Siliciumwafer wiederholten Zyklen unterzogen, die dem vorstehenden gleich waren. 8: Es wurde gefunden, daß eine lineare Beziehung zwischen der Dicke der Si3N4-Schicht und der Anzahl der Zyklen besteht. Beispiel 1 demonstriert daher, daß diese Ausführungsform der Erfindung die Bildung einer Schicht aus hochreinem Si3N4 bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,268 nm pro Zyklus ergibt. Die Bildung der Si3N4-Schicht findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 550°C und in einer relativ kurzen Zykluszeit von unter etwa 90 Sekunden statt.

Beispiel 2

In Beispiel 2 waren die Fertigungsbedingungen größtenteils denen von Beispiel 1 ähnlich. Beispiel 2 unterscheidet sich insofern von Beispiel 1, als der zweite Reaktant ein NH3-Plasma in einem Ar-Trägergas umfaßte. Wiederum wurde ein Siliciumwafer in eine typisch aufgebaute Bedampfungskammer gegeben. Die Kammer wurde mit Stickstoff gespült, dann bis auf 266 Pa evakuiert. Das Substrat wurde auf 550°C erwärmt und stabilisiert. Ein erster Reaktantenstrom, der Si2Cl6 in einem Ar-Trägergas enthielt, wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise erzeugt. Ein Strom von 500 sccm des ersten Reaktantengases wurde 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit N2 gespült und 5 Sekunden lang Vakuum-entleert. Ein zweiter Reaktantenstrom aus NH3-Plasma in einem Ar-Träger wurde erzeugt, indem man einen Strom von NH3 in einem Ar-Trägergas in eine Plasmakammer leitete. Die Plasmakammer wurde bei 400 Watt betrieben. Dann wurde ein Strom von 2000 sccm NH3-Plasma/Ar-Mischung 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit N2 gespült und dann 5 Sekunden lang Vakuum-entleert.

Man fand, daß das vorstehende Verfahren die Abscheidung einer Si3N4-Schicht mit einer Geschwindigkeit von 0,251 nm pro Zyklus bei einer Zykluszeit von unter 90 Sekunden zur Folge hatte. Man fand, daß das abgeschiedene Si3N4 von sehr hoher Qualität war. Der Brechungsindex lag bei einer Wellenlänge von 632,8 nm bei 1,95, was bestätigte, daß es sich bei der abgeschiedenen Schicht um stöchiometrisches Si3N4 handelte. Die gemessene Zugspannung war mit 7·105 N/cm2 hoch. Der Wasserstoffgehalt lag unter 3 % und es wurde kein Sauerstoff festgestellt. Ebenso wie in Beispiel 1 lag die Stufenabdeckung bei einem Seitenverhältnis von 5:1 bei 98 % oder mehr und der Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters war mit 5 % oder darunter gut. In diesem Beispiel wurden andere Siliciumwafer wiederholten Zyklen wie vorstehend beschrieben unterzogen. 9: Es wurde gefunden, daß eine lineare Beziehung zwischen der Dicke der Si3N4-Schicht und der Anzahl der Zyklen besteht.

Beispiel 3

In Beispiel 3 war das Verfahren das gleiche wie in Beispiel 2, mit der einzigen Ausnahme, daß die Substrattemperatur auf 400°C abgesenkt wurde. Man fand, daß das Verfahren von Beispiel 3 die Bildung einer Si3N4-Schicht bei einer Geschwindigkeit von 0,123 nm pro Zyklus mit einer Zykluszeit von unter 90 Sekunden zur Folge hatte. Man fand wiederum, daß das abgeschiedene Si3N4 von sehr hoher Qualität war. Der Brechungsindex lag bei einer Wellenlänge von 632,8 nm bei 1,95, was bestätigte, daß es sich bei der abgeschiedenen Schicht um stöchiometrisches Si3N4 handelte. Die gemessene Zugspannung war mit 7·105 N/cm2 hoch. Der Wasserstoffgehalt lag unter 3 % und es wurde kein Sauerstoff entdeckt. Beispiel 3 demonstriert jedoch, daß die Wachstumsgeschwindigkeit der Si3N4-Schicht stark temperaturabhängig ist und daß bei einer Temperatur von 400°C die Wachstumsgeschwindigkeit der Schicht etwa der Hälfte der Wachstumsgeschwindigkeit bei 550°C entspricht. Die niedrigere Temperatur von 400°C hatte auch einen höheren Wasserstoffgehalt in der Si3N4-Schicht zur Folge.

Beispiel 4

Ein Siliciumwafer wurde in eine typisch aufgebaute Bedampfungskammer gegeben. Die Kammer wurde mit Stickstoff gespült, dann bis auf 266 Pa evakuiert. Das Substrat wurde auf 550°C erwärmt und bei dieser Temperatur stabilisiert. Ein erster Reaktantenstrom wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges Si2Cl6 bei 40°C perlen ließ. Ein weiterer Strom, der Si und Cl enthielt, wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges SiCl4 bei 20°C perlen ließ. Dann wurden die Ströme gleichzeitig 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet, wonach das Fließen beider Ströme beendet wurde. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit Stickstoff gespült und 5 Sekunden lang Vakuum-entleert. Dann wurde ein zweiter Reaktantenstrom erzeugt, indem man 2000 sccm Ar durch flüssiges NH3 bei 25°C perlen ließ. Dann wurde der zweite Reaktantenstrom 30 Sekunden lang in die Kammer eingeleitet, wobei wiederum ein Kammerdruck von 266 Pa und eine Substrattemperatur von 550°C aufrechterhalten wurden. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit Stickstoff gespült und dann 5 Sekunden lang Vakuum-entleert.

Man fand, daß durch die voranstehenden Schritte eine Si3N4-Schicht mit einer Geschwindigkeit von 0,272 nm pro Zyklus gebildet wurde. Man fand, daß das Si3N4 von sehr hoher Qualität war. Der Brechungsindex lag bei einer Wellenlänge von 632,8 nm bei 2,01, was anzeigte, daß es sich bei der abgeschiedenen Schicht um stöchiometrisches Si3N4 handelte. Das auf diese Weise abgeschiedene Si3N4 zeigt ein Si:N-Verhältnis, das dem von reinem Si3N4 vergleichbar ist und weist einen sehr niedrigen Verunreinigungsgehalt auf. Der Wasserstoffgehalt betrug < 1 % und es wurde kein Sauerstoff festgestellt. Die Stufenabdeckung lag bei einer Struktur mit einem Seitenverhältnis von 5:1 bei 98 % oder mehr, und die Schicht zeigte einen Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters von unter 5 %. Beispiel 4 demonstriert dadurch, daß diese Ausführungsform der Erfindung die Bildung einer Schicht von hochreinem Si3N4 bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,272 nm pro Zyklus ergibt. Die Bildung der Si3N4-Schicht findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 550°C und einer relativ kurzen Zykluszeit von unter etwa 90 Sekunden statt. In diesem Beispiel wurden andere Siliciumwafer wiederholten Zyklen unterzogen, die dem vorstehend beschriebenen gleich waren. Man fand, daß ein lineares Verhältnis zwischen der Dicke der Si3N4-Schicht und dem Anzahl der Zyklen bestand.

Beispiel 5

Ein Siliciumwafer wurde in eine typisch aufgebaute Bedampfungskammer gegeben. Die Kammer wurde mit Stickstoff gespült, dann bis auf 266 Pa evakuiert. Das Substrat wurde auf 550°C erwärmt und bei dieser Temperatur stabilisiert. Ein erster Reaktantenstrom wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges Si2Cl6 bei 40°C perlen ließ. Ein weiterer Strom, der Si und Cl enthielt, wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges SiCl4 bei 20°C perlen ließ. Beide Ströme wurden dann 30 Sekunden lang gleichzeitig in die Kammer geleitet, wonach das Fließen der beiden Ströme beendet wurde. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit N2 gespült und 5 Sekunden lang Vakuum-entleert. Ein zweiter Reaktantenstrom aus NH3-Plasma in einem Ar-Träger wurde erzeugt, indem man einen Strom aus NH3 in einem Ar-Trägergas in eine Plasmakammer leitete. Das NH3-Plasma wurde mittels eines Plasmagenerators, der bei 400 Watt betrieben wurde, erzeugt. Dann wurde ein Strom von 2000 sccm NH3-Plasma/Ar-Mischung 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit Stickstoff gespült und dann 5 Sekunden lang Vakuum-entleert.

Man fand, daß durch die vorstehenden Schritte eine Si3N4-Schicht bei einer Geschwindigkeit von 0,254nm pro Zyklus gebildet wurde. Man fand, daß das Si3N4 von sehr hoher Qualität war. Der Brechungsindex lag bei einer Wellenlänge von 632,8 nm bei 1,96, was anzeigt, daß es sich bei der abgeschiedenen Schicht um stöchiometrisches Si3N4 handelte. Das auf diese Weise abgeschiedene Si3N4 zeigt ein Si:N-Verhältnis, das dem von reinem Si3N4 vergleichbar ist. Der Wasserstoffgehalt betrug < 2,5 % und es wurde kein Sauerstoff festgestellt. Die Stufenabdeckung betrug bei einer Struktur, die ein Seitenverhältnis von 5:1 aufwies, 98 % oder mehr und die Schicht zeigte ein Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters von unter 5 %. In diesem Beispiel wurden weitere Siliciumwafer wiederholten Zyklen, die dem vorstehend beschriebenen gleich waren, unterzogen. Man fand, daß eine lineare Beziehung zwischen der Dicke der Si3N4-Schicht und der Anzahl der Zyklen bestand. Beispiel 6 demonstriert damit, daß diese Ausführungsform der Erfindung die Bildung einer Schicht aus hochreinem Si3N4 bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,254 nm pro Zyklus ergibt. Die Bildung der Si3N4-Schicht findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 550°C und in einer relativ kurzen Zykluszeit von unter etwa 90 Sekunden statt.

Beispiel 6

Ein Siliciumwafer wurde in eine typisch aufgebaut Bedampfungskammer gegeben. Die Kammer wurde mit Stickstoff gespült, dann bis auf 266 Pa evakuiert. Das Substrat wurde auf 550°C erwärmt und bei dieser Temperatur stabilisiert. Ein erster Reaktantenstrom wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges Si2Cl6 bei 40°C perlen ließ. Ein weiterer Strom, der Si und Cl enthielt, wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges SiCl4 bei 20°C perlen ließ. Der Si2Cl6-haltige Strom wurde dann 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet. 15 Sekunden nach dem Beginn des Strömens des Si2Cl6-haltigen Stroms in die Kammer wurde damit begonnen, den SiCl4-haltigen Strom 15 Sekunden lang in die Kammer zu leiten, während welcher Zeit sowohl der Si2Cl6-haltige Strom als auch der SiCl4-haltige Strom gleichzeitig in die Kammer strömten, und wonach das Strömen jedes Stroms beendet wurde. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit Stickstoff gespült und 5 Sekunden lang Vakuum-entleert. Dann wurde en zweiter Reaktantenstrom erzeugt, indem man 2000 sccm Ar durch flüssiges NH3 bei 25°C perlen ließ. Dann wurde der zweite Reaktantenstrom 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet, wobei wiederum ein Kammerdruck von 266 Pa und eine Substrattemperatur von 550°C aufrechterhalten wurden. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit N2 gespült und dann 5 Sekunden lang Vakuum-entleert.

Man fand, daß mit den vorstehenden Schritten eine Si3N4-Schicht mit einer Geschwindigkeit von 0,270 nm pro Zyklus gebildet wurde. Man fand, daß das Si3N4 von sehr hoher Qualität war. Der Brechungsindex lag bei einer Wellenlänge von 632,8 nm bei 2,00, was anzeigte, daß es sich bei der abgeschiedenen Schicht um stöchiometrisches Si3N4 handelte. Das auf diese Weise abgeschiedene Si3N4 zeigt en Si:N-Verhältnis, das dem von reinem Si3N4 vergleichbar ist und weist sehr niedrige Verunreinigungsgrade auf. Der Wasserstoffgehalt war sehr niedrig, < 1 %, und es wurde kein Sauerstoff festgestellt. Die Stufenabdeckung lag bei einer Struktur mit einem Seitenverhältnis von 5:1 bei 95 % oder mehr und die Schicht zeigte einen Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters von unter 5 %. In diesem Beispiel wurden andere Siliciumwafer wiederholten Zyklen unterzogen, die dem vorstehenden gleich waren. Man fand, daß ein lineares Verhältnis zwischen der Dicke der Si3N4-Schicht und der Anzahl der Zyklen besteht. Beispiel 6 demonstriert damit, daß diese Ausführungsform der Erfindung die Bildung einer Schicht aus hochreinem Si3N4 bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,270 nm pro Zyklus ergibt. Die Bildung der Si3N4-Schicht findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 550°C und in einer relativ kurzen Zykluszeit von unter etwa 90 Sekunden statt.

Beispiel 7

Ein Siliciumwafer wurde in eine typisch aufgebaute Bedampfungskammer gegeben. Die Kammer wurde mit Stickstoff gespült, dann bis auf 266 Pa evakuiert. Das Substrat wurde auf 550°C erwärmt und bei dieser Temperatur stabilisiert. Ein erster Reaktantenstrom wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges Si2Cl6 bei 40°C perlen ließ. Ein anderer Strom, der Si und Cl enthielt, wurde erzeugt, indem man 500 sccm Ar durch flüssiges SiCl4 bei 20°C perlen ließ. Der Si2Cl6-haltige Strom wurde dann 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet. 15 Sekunden nach dem Beginn des Si2Cl6-haltigen Stroms wurde damit begonnen, den SiCl4-haltigen Strom 15 Sekunden lang in die Kammer zu leiten, während welcher Zeit sowohl der Si2Cl6-haltige Strom als auch der SiCl4-haltige Strom gleichzeitig in die Kammer strömten, und wonach das Strömen jedes Stroms angehalten wurde. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit N2 gespült und 5 Sekunden lang Vakuum-entleert. Ein zweiter Reaktantenstrom aus NH3-Plasma in Ar-Träger wurde erzeugt, indem man einen Strom aus NH3 in einem Ar-Trägergas in eine Plasmakammer leitete. Das NH3-Plasma wurde mittels eines Plasmagenerators erzeugt, der bei 400 Watt betrieben wurde. Dann wurde ein Strom aus NH3-Plasma/Ar-Mischung 30 Sekunden lang in die Kammer geleitet. Dann wurde die Kammer 5 Sekunden lang mit N2 gespült und dann 5 Sekunden lang Vakuum-entleert.

Man fand, daß anhand der vorstehenden Schritte eine Si3N4-Schicht bei einer Geschwindigkeit von 0,253 nm pro Zyklus gebildet wurde. Der Brechungsindex lag bei einer Wellenlänge von 632,8 nm bei 1,96, was anzeigt, daß es sich bei der abgeschiedenen Schicht um stöchiometrisches Si3N4 handelt. Das auf diese Weise abgeschiedene Si3N4 zeigt ein Si:N-Verhältnis, das dem von reinem Si3N4 vergleichbar ist und weist sehr niedrige Verunreinigungsgrade auf. Der Wasserstoffgehalt betrug < 2,5 % und es wurde kein Sauerstoff festgestellt. Die Stufenabdeckung lag bei einer Struktur mit einem Seitenverhältnis von 5:1 bei 98 % oder mehr und die Schicht zeigte einen Aufladungseffekt des Leiterbahnenmusters von 5 % oder darunter. In diesem Beispiel wurden andere Siliciumwafer wiederholten Zyklen unterzogen, die die gleichen waren wie der vorstehende. Man fand, daß eine lineare Beziehung zwischen der Dicke der Si3N4-Schicht und der Anzahl der Zyklen besteht. Beispiel 7 demonstriert dadurch, daß diese Ausführungsform der Erfindung die Bildung einer Schicht aus hochreinem Si3N4 bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,253 nm pro Zyklus zur Folge hat. Die Bildung des Si3N4-Schicht findet bei einer relativ niedrigen Temperatur von 550°C und in einer relativ kurzen Zykluszeit von unter etwa 90 Sekunden statt.


Anspruch[de]
  1. Atomschicht-Abscheidungsverfahren zum Bilden einer festen, Siliciumnitridhaltigen Dünnschicht, die Schritte umfassend:

    (a) Einbringen eines Substrats in eine Kammer;

    (b) Einspritzen eines ersten Si2Cl6-haltigen Reaktanten in die Kammer;

    (c) Chemisorbieren eines ersten Anteils des ersten Reaktanten auf dem Substrat und Physisorbieren eines zweiten Anteils des ersten Reaktanten auf dem Substrat;

    (d) Entfernen des nicht chemisorbierten zweiten Anteils des ersten Recktanten aus der Kammer;

    (e) Einspritzen eines zweiten NH3-haltigen Reaktanten in die Kammer;

    (f) chemisches Umsetzen eines ersten Anteils des zweiten Reaktanten mit dem chemisorbierten ersten Anteil des ersten Reaktanten, wodurch ein Siliciumnitrid-haltiger Feststoff auf dem Substrat gebildet wird, und

    (g) Entfernen der nicht-umgesetzten Anteile des zweiten Reaktanten aus der Kammer, wobei das der N/Si-Komponentenverhältnis des Siliciumnitridhaltigen Feststoffs zwischen ca. 1 und 1,6 einschließlich liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff eine Si3N4-Dünnschicht umfaßt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin den Schritt des Erwärmens des Substrats auf zwischen 350 und 700°C umfassend.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin den Schritt des Unterdrucksetzens der Kammer auf einen absoluten Druck von 1,33 – 13300 Pa umfassend.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kammerdruck bei einem konstanten absoluten Druck von 1,33 – 13300 Pa gehalten wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Änderns des Kammerdrucks während der Durchführung mindestens eines dieser Schritte.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, ein aktives Maskennitrid mit einer Trockenätz-Selektivität bezüglich eines Siliciummaterials aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, ein Gate-Maskennitrid mit einer Trockenätz-Selektivität bezüglich eines Gate-Materials, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus WSix und dotiertem Polysilizium, aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Silicium-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, ein bit line-Maskennitrid mit einer Trockenätz-Selektivität bezüglich eines leitfähigen Materials, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus W und Ti/TiN, aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff eine chemisch-mechanische Polier-Sperrschicht aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, einen Abstandshalter (Spacer) mit einer Trockenätz-Selektivität bezüglich SiO2 aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, eine Naßätz-Sperre mit einer Naßätz-Selektivität einer HF-haltigen Lösung bezüglich des SiO2 eines Halbleiter-Bauelements aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, ein Gate-Dielektrikum eines Halbleiter-Bauelements umfaßt.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, eine Schicht umfaßt, die zwischen einer Ta2O5-Schicht und einem Speicherknoten (storage node) eines Kondensators eines Halbleiter-Bauelements gebildet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, eine dielelektrische Schicht eines Kondensators eines Halbleiter-Bauelements umfaßt.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Siliciumnitrid-haltige Feststoff, der auf dem Substrat gebildet wird, eine STI-Auskleidung (STI-liner) eines Halbleiterelements umfaßt.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Reaktant, der NH3 enthält, aktiviertes NH3 enthält.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Plasmaleistung des Verfahrens des an anderer Stelle erzeugten Plasmas zwischen ca. 100 und einschließlich 3000 Watt liegt.
  19. Atomschicht-Abscheidungsverfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Wiederholens mindestens eines der Schritte (b) – (g).
  20. Atomschicht-Abscheidungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der erste in die Kammer eingespritzte Si2Cl6-haltige Reaktant zwei oder mehr Verbindungen aufweist, wobei jede Verbindung Si und Cl enthält.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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