DE102004001099A1 - Oxidationsverfahren mit hochdichtem Plasma - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oxidieren eines Substrats mit einer Fläche von mindestens 30000 mm·2·. Die Oberfläche umfasst vorzugsweise siliziumhaltige Materialien, wie z. B. Silizium, Silizium-Germanium, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Metallsilizide. Ein Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas und einem verdünnten Gas, das normalerweise nicht mit Sauerstoff reagiert, wie z. B. Ne, Ar, Kr, Xe und/oder Rn, wird ionisiert, wodurch ein Plasma mit einer Elektronendichte von etwa 1e12cm·-3· (10·12·cm·-3·) und Außenelektronen mit einer durchschnittlichen Temperatur von über etwa 1 eV entstehen. Die Substratoberfläche wird mit in dem Plasma entstandenen, energiereichen Teilchen (hauptsächlich atomarer Sauerstoff) oxidiert, wodurch eine dünne Oxidschicht mit im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke entsteht. Die Oxidation des Substrats findet bei einer Temperatur unter 700 DEG C statt, z. B. zwischen etwa Raumtemperatur (20 DEG C) und etwa 500 DEG C.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren von Oberflächen und insbesondere das Oxidieren von siliziumhaltigen und anderen Halbleiterscheiben in einer mit hochdichtem Plasma arbeitenden CVD-Anlage.
  • Im Allgemeinen wird ein Oxidationsverfahren durch Erhitzen von Halbleiterscheiben einer sauerstoffhaltigen Gasumgebung durchgeführt. Typische sauerstoffhaltige Gase sind molekularer Sauerstoff O2, Wasserdampf H2O, Distickstoffoxid N2O, Stickstoffoxid NO und Ozon O3. Oxidationsreaktoren lassen sich grob in Anlagen für einzelne Halbleiterscheiben und Öfen unterteilen. Ein typischer Oxidationsofen eignet sich für die gleichzeitige Bearbeitung einer Vielzahl von Halbleiterscheiben. Moderne Oxidationsöfen können auf einmal mit 100 bis 200 Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von je 200 mm beschickt werden. Aufgrund dieser beträchtlichen Losgrößen eignen sich die Öfen für relativ langsame Verfahren, ohne dabei den Durchsatz zu beeinträchtigen. Ein typischer Ofendurchsatz beträgt etwa 50 bis 100 Halbleiterscheiben pro Stunde. Auf der anderen Seite gibt. es Anlagen, in denen nur jeweils eine Halbleiterscheibe bearbeitet wird. Anlagen für einzelne Halbleiterscheiben zeichnen sich durch eine größere Flexibilität bei der Herstellung aus, da für jede Halbleiterscheibe ein anderes Verfahren eingesetzt werden kann. Eine Fertigungsanlage, in der viele verschiedene Produkte hergestellt werden, kann von der Flexibilität der Oxidationsanlagen für einzelne Halbleiterscheiben erheblich profitieren. Um im Vergleich zu einem Ofen einen wettbewerbsfähigen Durchsatz zu erreichen, werden in Anlagen für einzelne Halbleiterscheiben schnelle Oxidationsverfahren durchgeführt. Ein typischer Durchsatz bei Oxidationsanlagen für einzelne Halbleiterscheiben beträgt 20 bis 40 Halbleiterscheiben pro Stunde. Für einzelne Halblei terscheiben sind Oxidationsverfahren, die länger als 5 Minuten dauern, kaum wünschenswert. Tatsächlich dauert ein Verfahren für einzelne Halbleiterscheiben vorzugsweise weniger als 2 Minuten.
  • Die allgemeine Tendenz bei Herstellungsverfahren im Mikro- und Nanobereich richtet sich auf die Verringerung der Wärmebilanz, die Bearbeitung großflächiger Substrate und die Verstärkung der dreidimensionalen Integration. Eine verminderte Wärmebilanz ermöglicht die Verwendung scharf ausgeprägter Dotierprofile und verringert die chemische Reaktion und ein Vermischen zwischen benachbarten ungleichen Materialien. Folglich können die baulichen Merkmale kleiner ausgebildet werden, ohne dabei die Struktur zu schädigen. Bei großflächigeren Substraten können pro Bearbeitungsfolge mehrere Bauelemente hergestellt werden, was die Herstellungskosten pro Bauelement verringert. Durch die dreidimensionale Integration verschiedener Bauelemente (senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterscheibe) kann eine noch größere Bauelementdichte erreicht werden.
  • Eine Möglichkeit, das Oxidationsverfahren zu beschleunigen, besteht in der Verwendung eines hoch reaktiven, sauerstoffhaltigen Gases, dass bei niedrigen Temperaturen schnell mit dem Substrat reagieren kann. Das reaktivste sauerstoffhaltige Gas ist freies Sauerstoffradikal oder atomarer Sauerstoff. Um eine angemessene Menge an atomarem Sauerstoff zu erzeugen, muss stabileres sauerstoffhaltiges Gas (z.B. O2, O3, NO, N2O) mit der Hilfe einer Anregung dissoziiert werden. Die Anregung kann eine elektrischen Entladung, ein (lichtunterstützter) Photonenfluss, Elektronenstrahl oder intensive lokal erzeugte Hitze sein. Der atomare Sauerstoff ist ein naturgemäß instabiler Stoff und kann sich schnell noch vor Erreichen des Substrats neu verbinden. Darüber hinaus ist die Bereitstellung einer gleichmäßigen Verteilung des atomaren Sauerstoffs über ein relativ großflächiges Substrat (200 mm Durchmesser und größer) eine Herausforderung. Folglich muss der atomare Sau erstoff zunächst durch Anregung erzeugt werden, dann unter minimalen Verlusten durch Rekombination dem Substrat zugeführt und schließlich in einer Weise über die Substratoberfläche verteilt werden, die eine ausreichende Gleichmäßigkeit des Verfahrens sicherstellt.
  • Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die atomaren Sauerstoff für ein schnelles Niedertemperatur-Oxidationsverfahren einsetzen.
  • Ein ladungsfreies Niedertemperatur-Verfahren zum Ausbilden von Oxidschichten ist im US-Patent Nr. 4,474,829 offenbart, in dem ein sauerstoffhaltiges Zwischenprodukt verwendet und einer Strahlung von ausgewählter Wellenlänge ausgesetzt wurde, um durch eine direkte Dissoziation Sauerstoff in ausschließlich atomarer Form zu erzeugen. Dieses Verfahren ist jedoch relativ komplex und erfordert speziell ausgerichtete Vorrichtungen, und nicht handelsübliche Anlagen, wie zum Beispiel eine Anlage für eine schnelle thermische Oxidation.
  • Im US-Patent Nr. 6,037,273 offenbaren Gronet et al. eine Vorrichtung für ein Oxidationsverfahren mittels in-situ erzeugter Dampfmischung (ISSG – in-situ steam generation). Gronet beschreibt, dass sich die ISSG-Anlage für eine schnelle thermische Oxidation (für einzelne Halbleiterscheiben) aufgrund einer hervorragenden Temperatur-Gleichmäßigkeit, schnellem Temperaturaufbau, hohem Durchsatz und akzeptablen Sicherheitswerten gut für die Herstellung großer Mengen von Halbleitern eignet. Gronet offenbart, dass das Substrat in einen solchen Reaktor platziert und durch eine in-situ erzeugte Dampfmischung oxidiert werden kann. Gronet offenbart eine schnelle Oxidation eines Substrats mit einer Siliziumschicht. Im US-Patent Nr. 6,358,867 beschreiben Tews et al., dass das in einer ISSG-Anlage für schnelle thermische Oxidation durchgeführte Verfahren eine geringe Orientierungsabhängigkeit aufweist. Tews et al. offenbart, dass Orientierungsunabhängigkeit das Kennzeichen einer atomaren Oxidation ist. Tews et al. bezieht sich auf das ISSG-Oxidationsverfahren als durch freie Radikale unterstützte schnelle thermische Oxidation (FRE RTO – free radical enhanced rapid thermal oxidation). In einer verwandten Anmeldung mit der Seriennr. 09/874,144 offenbaren Ballantine et al., dass durch das ISSG-Verfahren sehr stabiles Siliziumnitrid schnell oxidiert werden kann. Ballantine et al. beschreiben außerdem, dass die schnelle Oxidation von SiN durch Anregung durchgeführt werden kann.
  • Plasmaunterstützte Oxidationsverfahren wurden ebenfalls in den US-Patenten mit den Nrn. 4,232,057, 4,323,589, 5,330,935, 5,443,863, 5,872,052, 5,913,149, 5,923,948 und 6,165,834 offenbart. Obwohl die offenbarten plasmaunterstützten Oxidationsverfahren bis zu einem bestimmten Grad vielversprechend waren, führten sie zu einer relativ geringen Oxid-Wachstumsrate, beschränkten sich auf relativ kleine Substratoberflächen oder auf Plasma mit geringer Dichte (was bei dickeren Filmschichten zu einem geringen Durchsatz führt) oder ergaben andere Probleme, die dazu führten, so dass eine Wettbewerbsfähigkeit mit handelsüblichen RTO-Oxidationsanlagen nicht gegeben ist.
  • FRE-RTO- und ISSG-Verfahren können für Substrate mit einem Durchmesser von 200 mm beträchtliche Mengen an atomarem Sauerstoff herstellen, was zu einer Reihe nützlicher atomarer Oxidationsverfahren führt, beispielsweise zu einer orientierungsunabhängigen Oxidation von Silizium und einer schnellen Oxidation von Siliziumnitrid. Die Verfahren sind dennoch auf hohe Substrattemperaturen beschränkt (über 600°C), da der atomare Sauerstoff in der Prozesskammer als ein sekundäres Nebenprodukt einer mehrphasigen Reaktion zwischen Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 erzeugt wird. Sicherheitsmaßnahmen beschränken die Substrattemperatur während des Verfahrens darüber hinaus auf noch höhere Werte (über 800°C). Dieser Temperaturbereich ist relativ hoch im Vergleich zu atomaren Oxidationsverfahren, in denen Radikale durch eine Plasmaentladung erzeugt werden.
    •
  • In Anbetracht der Schwierigkeiten und Defizite im Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren von Substraten zur Verfügung zu stellen, die eine relativ hohe Oxidwachstumsrate aufweisen und relativ kostengünstige Reaktanten verwenden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und 14, sowie durch ein Reaktorsystem gemäß Anspruch 22 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren von Substraten zur Verfügung, wobei problemlos erhältliche und üblicherweise in der Halbleiterindustrie eingesetzte Werkzeuge verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren eines Halbleitersubstrats zur Verfügung, das für relativ großflächige Substrate verwendet werden kann, beispielsweise für Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm.
  • Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren eines Halbleitersubstrats vor, das eine hochgradige Oxidgleichmäßigkeit auf der Oberfläche zur Folge hat.
  • Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum Oxidieren eines Halbleitersubstrats bereit, das bei relativ geringen Temperaturen durchgeführt werden kann.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Oxidieren eines Substrats unter Verwendung von Plasma das Bereitstellen eines großflächigen Substrats mit einer Fläche von mindestens 30.000 mm2, dessen Oberfläche in ein Oxid um gewandelt werden kann und das Bereitstellen eines Gemisches aus sauerstoffhaltigem Gas und verdünntem Gas, das normalerweise nicht mit Sauerstoff reagiert. Der Sauerstoff und das verdünnte Gasgemisch werden ionisiert, wodurch eine Plasma-Elektronendichte von mindestens etwa 1e12cm–3 (1012cm–3) entsteht und die Substratoberfläche mit energiereichen, im Plasma hergestellten Partikeln zum Ausbilden einer dünnen Oxidschicht mit im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke oxidiert wird.
  • Das Sauerstoffgas kann etwa 10% bis 95% des Gemisches durch Molfraktion und das verdünnte Gas etwa 10% bis 95% des Gemisches durch Molfraktion ausmachen und entweder Ne, Ar, Kr, Xe und/oder Rn sein. Die energiereichen Partikel enthalten hauptsächlich atomaren Sauerstoff und das Plasma umfasst Außenelektronen mit einer durchschnittlichen Temperatur, die mehr als etwa 1eV beträgt. Die Oxidation des Substrats findet vorzugsweise bei einer Temperatur von weniger als 700°C und noch mehr bevorzugt bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur (20°C) und etwa 500°C statt.
  • Während das Substrat verschiedene Materialien umfassen und verschiedene Strukturen enthalten kann, besteht die Substratoberfläche vorzugsweise aus einem siliziumhaltigen Material, wie z.B. Silizium, Silizium-Germanium, Silizium-Karbid, Silizium-Nitrid und/oder aus Metallsiliziden. Es ist insbesondere vorteilhaft für die vorliegende Erfindung, wenn die Substratoberfläche aus unterschiedlichen Materialien besteht. Unter unterschiedlichen Materialien versteht man beispielsweise monokristallines Silizium mit unterschiedlichen kristallographischen Orientierungen, insbesondere (100)-, (110)- und (111)-Ebenen. Die verschiedenen Eigenschaften der Materialien können auch auf einem unterschiedlichen Dotierungsgrad oder Dotierungstyp beruhen. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine auf den ungleichen Materialien aufgewachsene dünne Oxidschicht eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke. Die Oxiddicke variiert von Material zu Material um weniger als 20%, wo bei die Abweichung der Oxiddicke über die gesamte, aus einem Material bestehende Substratoberfläche weniger als 2% der 1σ-Standardabweichung beträgt.
  • In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Oxidieren eines Substrats unter Verwendung von hochdichtem Plasma, umfassend das Bereitstellen eines Reaktors mit hochdichtem Plasma, das Platzieren eines Substrats mit einer Fläche von mindestens etwa 30.000 mm2 und einer in Oxid umwandelbaren Oberfläche in den Reaktor, und das Zuleiten eines Gemisches aus sauerstoffhaltigem Gas und einem verdünnten, normalerweise nicht mit Sauerstoff reagierendem Gas in den Reaktor. Der Sauerstoff und das verdünnte Gas werden ionisiert, um ein Plasma mit einer Elektronendichte von mindestens etwa 1e12cm–3 (1012cm–3) zu erzeugen, und die Substratoberfläche wird mit energiereichen, im Plasma hergestellten Partikeln zum Ausbilden einer dünnen Oxidschicht oxidiert, wobei die Dicke der Schicht 20% oder weniger der Dicke des Ziels beträgt.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Reaktorsystem für hochdichtes Plasma zum Oxidieren eines Substrats zur Verfügung, das eine Behälterstruktur zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas und ein Substrat mit einer Fläche von mindestens etwa 30.000 mm2 und einer in Oxid umwandelbaren Oberfläche in der Behälterstruktur umfasst. Das Reaktorsystem umfasst ein auf der Substratoberfläche wirkendes Plasma, das aus einem Gemisch aus sauerstoffhaltigem Gas und verdünntem, normalerweise nicht mit Sauerstoff reagierendem Gas hergestellt wird und eine Elektronendichte von mindestens etwa le12cm–3 (10–12cm–3) aufweist und die Substratoberfläche mit energiereichen, in dem Plasma hergestellten Partikeln oxidieren kann, wobei eine dünne Oxidschicht ausgebildet wird, deren Dicke 20% oder weniger der Dicke des Ziels beträgt.
    •
  • Der erfindungsgemäße Aufbau und das erfindungsgemäße Verfahren werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein seitlicher Querschnitt im Hochformat eines mit hochdichtem Plasma arbeitenden Behälters oder Reaktors, der zur Durchführung der vorliegenden Erfindung dient; und
  • 2 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der erfindungsgemäßen Oxidwachstumsrate auf drei verschiedenen Substraten im Vergleich zu einem Oxidationsverfahren aus dem Stand der Technik.
  • Zur Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird hier auf die 1 und 2 Bezug genommen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale der Erfindung beziehen. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind in den Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oxidieren von Halbleitersubstraten zur Verfügung, wobei ein handelsüblicher, mit hochdichtem Plasma arbeitender Reaktor, wie er normalerweise für CVD-Verfahren eingesetzt wird, zur Anwendung kommt. Das Substrat bzw. die Halbleiterscheibe kann entweder leitende Materialien (z.B. natürliche Metalle, Metallsilizide, bestimmte Metallnitride und dergleichen), Halbleiter (z.B. Si, Ge, SiGe, SiC, SiGeC oder andere III-V- oder II-VI-Verbindungen), Isolatoren oder isolierende Keramiken (z.B. Glas, Saphir, Siliziumnitrid, Bornitrid usw.) oder Polymere umfassen. Das Substrat kann mehrere Schichten dieser Materialien (z.B. SOI- und SGOI-Substrate, verspannte Siliziumsubstrate oder andere) umfassen. Die Materialien auf der Substratoberfläche können polykristallin, monokristallin oder amorph, dotiert oder undotiert sein. Das Substrat kann verschiedene nützliche Strukturen, wie z.B. Isolationsstrukturen mit Isolationsgräben, un terschiedlich dotierte Bereiche wie z.B. Transistorwannen, Kondensatoren wie z.B. Graben- und Stapelkondensatoren, Transistoren, Verbindungselemente, optische Bauelemente, mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und andere Strukturen umfassen. Die Substratstrukturen können eine ebene oder dreidimensionale Geometrie aufweisen. Die bevorzugte Substratoberfläche umfasst siliziumhaltige Materialien wie z.B. Silizium, Silizium-Germanium, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und/oder Metallsilizide. Das Verfahren bedient sich einer Oxidation mit relativ geringer Wärmebilanz und führt zu einer Oxidationsrate, die der einer handelsüblichen Oxidationsanlage für schnelle thermische Oxidation entspricht.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine mit hochdichtem Plasma arbeitende CVD-Standardanlage einen Reaktor 10 mit einer Behälterstruktur 30, in der eine Vakuumkammer 12 enthalten ist. Die zu oxidierende Halbleiterscheibe bzw. das zu oxidierende Substrat 16 liegt auf einer Haltevorrichtung auf, die auch eine mit einer Hochfrequenzquelle 24 verbundene Hochfrequenzelektrode 14 ist. Wahlweise kann eine unabhängige Substratspannung vorgesehen sein. Die Haltestufe kann auch eine Vorrichtung zum Erhitzen der Halbleiterscheibe mit einer eigenen Stromversorgung, einen Halbleiterscheiben-Temperatursensor und einen Steuerschaltkreis (nicht gezeigt) umfassen. Die Oberfläche der zu oxidierenden Halbleiterscheibe 16 zeigt im Inneren der Kammer 12 in der Regel nach oben. Ein Gaseinlass 22 ist an einen Gasverteiler 20 gekoppelt, der sich um die Kammer 12 herum erstreckt und weiterhin mit einer Vielzahl von Düsen 18 verbunden ist, die das Gas aus dem Verteiler in die Kammer 12 leiten. Eine Reihe von Hochfrequenzspulen 32, die mit einer Hochfrequenzquelle 26 verbunden sind, erstrecken sich um den im allgemeinen halbkugelförmigen oberen Bereich des Reaktors 10. Die Hochfrequenzquelle 26 ist mit den Spulen 32 in der Regel über ein impedanzabgleichendes Netzwerk (nicht gezeigt) verbunden. Das Plasma wird in der Nähe der Spulen 32 erzeugt. Die Plasmazone kann von dem Substrat wahlweise durch Aufteilung der Kammer mittels einer Platte mit einer Vielzahl von Löchern (nicht gezeigt) getrennt sein. Das Plasma wird dann auf den oberen Bereich des Reaktors beschränkt. Die in dem Plasma entstehenden energiereichen Teilchen entweichen durch die Löcher in der Platte, erreichen die Substratoberfläche und reagieren mit ihr. Eine solche Platte wird häufig als Brausekopf bezeichnet. Die Abmessungen der Brausekopflöcher können variieren, um die unterschiedlichen Leitwerte der Gase auf einem großflächigen Substrat auszugleichen und so die Gleichmäßigkeit des Verfahrens zu verbessern. Zwischen den Spulen 32 und dem Plasma kann ein Faradaysches Schutzschild (nicht gezeigt) eingebaut werden, um eine kapazitive Kopplung von der Spule zu unterdrücken. Die kapazitive Kopplung kann zu Schäden an der Kammer oder der Halbleiterscheibe führen, die auf energiereiche Ionen zurückzuführen sind.
  • Das Substrat, dessen Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung oxidiert werden kann, kann aus jedem beliebigen Material bestehen, dessen Oberfläche in thermisches Oxid umgewandelt werden kann. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für siliziumhaltige Materialien wie z.B. Silizium, Silizium-Germanium, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und/oder Metallsilizide. Im Falle eines Siliziumkristalls kann die in ein Oxid umzuwandelnde Oberfläche verschiedene kristallographische Orientierungen, z.B. (100)-, (110)- oder (111)-Ebenen umfassen. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat das auf diesen Ebenen aufgewachsene thermische Oxid im Wesentlichen dieselbe Dicke und damit eine Orientierungs-unabhängige Oxidationseigenschaft. Darüber hinaus entspricht gemäß der vorliegenden Erfindung die Oxidationsgeschwindigkeit bei Siliziumnitrid der von kristallinem Silizium, was zeigt, dass mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens einander sehr unähnliche Materialien mit im Wesentlichen gleicher Geschwindigkeit oxidiert werden können. Diese gänzlich isotrope Oxidationseigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt das Aufwachsen einer relativ gleichmäßigen thermischen Oxidschicht auf unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise kann eine gleichmäßige Siliziumoxidschicht auf einer dreidimensionalen Struktur aufgewachsen werden, deren Oberfläche verschiedene kristallographische Ebenen eines Siliziumkristalls und Isolationsschichten aus Siliziumnitrid umfasst. Das Substrat liegt in der Regel als kreisrunde Halbleiterscheibe vor, und die vorliegende Erfindung hat sich insbesondere für Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser im Bereich von 200 mm oder mehr als nützlich erwiesen, was eine Gesamtfläche von mindestens etwa 30.000 mm2 ergibt.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein sauerstoffhaltiges Gas, wie z.B. molekularer Sauerstoff (O2), in Verbindung mit einem verdünnten Gas eingesetzt. Das verdünnte Gas ist vorzugsweise ein Edelgas, und noch bevorzugter ein hochmolekulares Edelgas wie z.B. Argon. Das Gemisch aus Sauerstoff und verdünntem Gas umfasst vorzugsweise etwa 10% bis 95% (durch Molfraktion) des Sauerstoffs und zwischen etwa 90% bis 5% (durch Molfraktion) des verdünnten Gases. Das Gemisch wird anschließend durch eine hochdichte elektrische Entladung (mit einer Elektronenkonzentration von etwa 1e12cm–3 [1012cm–3] oder mehr) angeregt, um Sauerstoffradikale zu erzeugen. Die Sauerstoffradikale unterstützen den Oxidationsvorgang. Ihre Konzentration und die Gleichmäßigkeit des Verfahren im Bereich der Halbleiterscheibenoberfläche wirkt sich auf die Geschwindigkeit bzw. die Gleichmäßigkeit des Oxidationsverfahrens aus. Es wurde gezeigt, dass eine 100%ige Sauerstoffatmosphäre im Plasmareaktor nicht die gewünschte hohe Oxidationsrate zur Verfügung stellt. Darüber hinaus fand man heraus, dass das Mischen eines leichten Edelgases, wie z.B. Helium He mit Sauerstoff, kein wesentliches Anwachsen der Oxidationsrate zur Folge hat. Unerwarteterweise fand man heraus, dass ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff eine relativ hohe Oxid-Wachstumsrate zur Folge hat, die, ausgehend von der endgültigen Dicke der Filmschicht, mindestens 50 Å/min beträgt. Aufgrund einer nicht-linearen (vorwiegend quadrierten) Abhängigkeit der Oxiddicke von der Oxidationszeit bei atomaren Oxidationsverfahren, ist es korrekter, mit einer unterschiedli chen/differentiellen Wachstumsrate zu rechnen (ein Inkrement der Dicke einer dünnen Oxidschicht pro Einheit der Oxidationsdauer). Für dünne Schichten mit einer Dicke von 50 bis 150 Angström wurde eine differentielle Wachstumsrate von 0,25–1 Å/sec erreicht. Diese Rate ist mit der eines typischen schnellen thermischen Oxidationsverfahrens vergleichbar, wenn auch bei einer viel niedrigeren Temperatur. In der Regel ist ein Gemisch von 75% (durch Molfraktion) O2 und 25% (durch Molfraktion) Argon wünschenswert, obwohl auch ein niedrigerer Prozentsatz des Argons, bis zu 5% durch Molfraktion, als brauchbar angesehen wird. Die bevorzugte Mindestmenge an Sauerstoff in dem Gemisch beträgt 20% (durch Molfraktion). Bei anderen hochmolekularen Edelgasen, wie z.B. Ne, Kr, Xe und Rn, rechnet man mit einer ähnlichen Steigerung bei der Erzeugung atomaren Sauerstoffs in einem hochdichten Plasma.
  • In der Praxis wird nach der Evakuierung des Reaktors 10 das Gemisch aus Sauerstoff und verdünntem Gas über die Gasdüsen 18 zugeleitet, der Reaktordruck wird auf einem niedrigen Druck von etwa 0,1 mTorr bis 30 Torr gehalten, und das Plasma wird durch die aufgrund der induktiven Koppelung zwischen den Hochfrequenzspulen 32 und dem ionisierten Gasgemisch entstehende elektromagnetische Energie erzeugt und aufrecht erhalten. Die Spulen 32 werden von einer Hochfrequenz-Energieversorgung über ein abgleichendes Netzwerk betrieben. Das abgleichende Netzwerk minimiert elektromagnetische Energiereflexion durch Abgleichen elektrischer Impedanzen des gekoppelten Spulen-Plasma-Systems und eines Stromversorgungskabels. Die elektromagnetische Energie ist vorwiegend in den Plasmaelektronen enthalten. Die Elektronen kollidieren dann mit anderen Teilchen, was verschiedene elektronische und schwingungsintensive Anregungs-, Ionisierungs- und Dissoziationsvorgänge auslöst. Die angeregten Teilchen können miteinander kollidieren und neue Anregungszustände hervorrufen und/oder zu den bereits existierenden energiereichen Teilchen hinzukommen. Daraufhin wird die elektromagnetische Energie auf zahlreiche angeregte Teilchen aufgeteilt. Nur ein relativ stabiles angeregtes Teilchen kann am Oxidationsvorgang, der eine Diffusion durch eine dünne Festkörperschicht beinhaltet, teilnehmen. Während Ionen und Moleküle, die in verschiedenen elektronischen Zuständen angeregt wurden, sich bei einem einzigen Aufprall mit der Festkörperoberfläche neu verbinden, überstehen Sauerstoffradikale mehrere solcher Kollisionen. Ohne sich zu sehr auf die Theorie beschränken zu wollen, geht man davon aus, dass atomarer Sauerstoff aus dem Gasgemisch zum Ausbilden energiereicher Teilchen entsteht, die die Ausbildung von thermischem Oxid auf der Substratoberfläche verursachen. Die Nähe des Plasmas zur Oberfläche der Halbleiterscheiben ist nicht so bedeutend, solange der atomare Sauerstoff ohne wesentliche Verluste und ohne seine Gleichmäßigkeit auf der Halbleiterscheibe zu verlieren aus der Plasmazone diffundieren kann. Man geht außerdem davon aus, dass die Plasmaumgebung in der Kammer 12 atomaren Sauerstoff enthält, wobei der Dissoziationsanteil mehr als 20% beträgt.
  • Eine bevorzugte hohe Plasmadichte, d.h. ein Plasma mit einer Elektronendichte von etwa 1e12cm–3 (1012cm–3) oder mehr, bezieht sich auf die angelegte Energiedichte von mindestens 0,5 W/cm2 oder mehr. Die angelegte Energiedichte wird bestimmt, indem man die angelegte Energie durch die von den Spulen 32 abgedeckte Reaktorfläche teilt. Die angelegte Energie wiederum wird durch die an das abgleichende Netzwerk gelieferte Energie (die Leistungsstufe des Reaktors mit einer vernachlässigbaren reflektierten Energie) multipliziert mit Wirkungsgrad des induktiven Kopplungssystems ermittelt. Ein typischer Wirkungsgrad einer induktiven Kopplung bewegt sich im Bereich von 0,1 bis 0,9, d.h. zwischen 10% und 90% der zum abgleichenden Netzwerk gelieferten Energie ist tatsächlich an das Plasma angelegt, während der Rest in den Spulen 32 und dem abgleichenden Netzwerk abgeführt wird. Die Oxidation wurde ebenfalls bei einer relativ niedrigen Temperatur, d.h. bei weniger als 700°C und mehr als Raumtemperatur (20°C) durchgeführt. Der bevorzugte Temperaturbereich liegt zwischen etwa Raumtemperatur (20°C) und etwa 500°C, vorzugsweise weniger als 400°C und noch bevorzugter etwa 300°C. Für die Außenelektronen des Plasmas wird eine durchschnittliche Temperatur von mehr als 1eV als nützlich erachtet. Dem Fachmann ist klar, dass diese Bedingungen von der Kammergeometrie, dem spezifischen Plasmagemisch, dem abgelegten Leitungsgrad und anderen Parametern beeinflusst werden können. Die optimalen Parameter können ohne übermäßiges Experimentieren bestimmt werden.
  • Die Oxidationsreaktion wird im Reaktor weitergeführt, bis die gewünschte Oxiddicke auf der Substratoberfläche ausgebildet wurde. Man fand heraus, dass die vorliegende Erfindung bei einer Reaktionstemperatur von etwa 300°C eine relativ schnelle differentielle Oxidschicht-Wachstumsrate von 0,25 bis 1 m/sec zur Folge hat. Bei einer so schnellen differentiellen Oxidationsrate kann ein einziger Halbleiterscheiben-Oxidationsvorgang für weniger als 5 Minuten pro Halbleiterscheibe und in der Regel etwa 2 Minuten pro Halbleiterscheibe durchgeführt werden, wobei eine relativ dicke Oxidfilmschicht von 50 bis 200 Angström aufwächst. Die vorliegende Erfindung stellt ein Oxid mit relativ guter Qualität her, was beim Ausbilden von E-Fusen, Hartmaskenschichten, Seitenwand-Oxiden, Isolationsoxiden und dergleichen auf verschiedenen siliziumhaltigen Materialien, die oft in Kombination auf demselben Substrat vorliegen, nützlich sein kann: Darüber hinaus können auch andere Materialien, wie z.B. Metalle, Metallnitride, Metalloxide, zusammengesetzte Halbleiter (in der Regel III-V- oder II-VI-Halbleiter) und Polymere durch dieses Verfahren bei sehr niedrigen Temperaturen oxidiert werden, um so nützliche Oxid-basierte Strukturen herzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung führt darüber hinaus zu einer relativ hohen Gleichmäßigkeit der Oxiddicke, wobei die im Plasma erzeugten energiereichen Teilchen in der Lage sind, eine dünne Oxidschicht auszubilden, deren Dicke auf einem unähnlichen Material 20% oder weniger der Dicke des Ziels beträgt, und die Abweichung der Dicke über die gesamte Halbleiterscheiben- Oberfläche eines Materialtyps weniger 2% der 1σ-Standardabweichung beträgt.
  • In 2 ist ein Vergleich zwischen der erfindungsgemäßen Oxidation und einer Oxidation aus dem Stand der Technik dargestellt. Die in 2 dargestellte Kurve vergleicht die Dauer der Oxidationsreaktion auf der x-Achse mit dem Quadrat der Oxiddicke in Å2 auf der y-Achse. Wie aus der Figur hervorgeht, schneiden die Oxidwachstumsraten für die vorliegende Erfindung bei etwa 350°C auf Siliziumnitrid, monokristallinem Silizium auf den kristallinen (100)- und (110)-Ebenen im Vergleich zu den Wachstumsraten bei den ISSG-(FRE RTO)-Verfahren aus dem Stand der Technik auf monokristallinem Silizium auf der (100)-Ebene bei 900°C positiv ab.
  • Aus diesem Grund löst die vorliegende Erfindung die oben genannten Aufgaben und stellt eine hohe Oxidationsrate bei einer relativ geringen Wärmebilanz unter Verwendung vorhandener und handelsüblicher, mit hochdichtem Plasma arbeitender Anlagen, wie sie normalerweise für CVD-Verfahren eingesetzt werden, zur Verfügung.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Oxidieren eines Substrats unter Verwendung von Plasma, umfassend: Bereitstellen eines großflächigen Substrats mit einer Fläche von mindestens 30.000 mm2, dessen Oberfläche in ein Oxid umgewandelt werden kann; Bereitstellen eines Gemisches aus sauerstoffhaltigem Gas und einem verdünnten Gas, das normalerweise nicht mit Sauerstoff reagiert; Ionisieren des Gemisches aus Sauerstoff und verdünntem Gas zum Herstellen eines Plasmas mit einer Elektronendichte von mindestens etwa 1e12cm–3 (1012cm–3); und Oxidieren der Substratoberfläche mit energiereichen, im Plasma hergestellten Partikeln zum Ausbilden einer dünnen Oxidschicht mit im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verdünnte Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die Ne, Ar, Kr, Xe und Rn enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die energiereichen Partikel hauptsächlich atomaren Sauerstoff enthalten.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das sauerstoffhaltige Gas etwa 10% bis 95% des Gemisches durch Molfraktion ausmacht.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das verdünnte Gas etwa 90% bis 5% des Gemisches durch Molfraktion ausmacht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Oxidation des Substrats bei einer Temperatur von weniger als etwa 700°C stattfindet.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Oxidation des Substrats bei einer Temperatur zwischen etwa 20°C und etwa 500°C stattfindet.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Plasma Außenelektronen mit einer durchschnittlichen Temperatur umfasst, die mehr als etwa 1eV beträgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Substratoberfläche ein siliziumhaltiges Material umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das siliziumhaltige Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Silizium, Silizium-Germanium, Silizium-Karbid, Silizium-Nitrid und Metallsiliziden besteht.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das siliziumhaltige Material ein monokristallines Silizium mit mehreren kristallographischen Orientierungen ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die kristallographischen Orientierungen mindestens zwei der folgenden kristallographischen Orientierungen umfassen: (100), (110) und (111).
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in ein Oxid umgewandelte Substratoberfläche eine Ungleichmäßigkeit von weniger als 2% bei einer 1σ-Standardabweichung aufweist.
  14. Verfahren zum Oxidieren eines Substrats unter Verwendung von hochdichtem Plasma, umfassend: Bereitstellen eines Reaktors für hochdichtes Plasma; Placieren eines Substrats mit einer Fläche von mindestens etwa 30.000 mm2 und einer in Oxid umwandelbaren Oberfläche in den Reaktor; Zuleiten eines Gemisches aus sauerstoffhaltigem Gas und einem verdünnten, normalerweise nicht mit Sauerstoff reagierendem Gas in den Reaktor; Ionisieren des Gemisches aus Sauerstoff und verdünntem Gas zum Herstellen eines Plasmas mit einer Elektronendichte von mindestens etwa 1e12cm–3 (1012cm–3); und Oxidieren der Substratoberfläche mit energiereichen, im Plasma hergestellten Partikeln zum Ausbilden einer dünnen Oxidschicht, wobei die Dicke der Schicht 20% oder weniger der Dicke des Ziels beträgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das sauerstoffhaltige Gas etwas 10% bis 95% des Gemisches durch Molfraktion und das verdünnte Gas etwa 90% bis 5% des Gemisches durch Molfraktion ausmacht und aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ne, Ar, Kr, Xe und Rn besteht.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Plasma Außenelektronen mit einer durchschnittlichen Temperatur umfasst, die mehr als etwa 1eV beträgt und die energiereichen Teilchen hauptsächlich atomaren Sauerstoff enthalten.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Oxidation des Substrats bei einer Temperatur zwischen etwa 20°C und etwa 500°C stattfindet.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Substratoberfläche aus einem siliziumhaltigen Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Silizium, Silizium- Germanium, Silizium-Karbid, Silizium-Nitrid und Metallsiliziden enthält.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Substratoberfläche aus einem monokristallinen Silizium mit mehreren kristallographischen Orientierungen besteht.
  20. Reaktorsystem für hochdichtes Plasma zum Oxidieren eines Substrats, umfassend: eine Behälterstruktur zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas; ein Substrat mit einer Fläche von mindestens etwa 30.000 mm2 und einer in Oxid umwandelbaren Oberfläche in der Behälterstruktur; ein auf der Substratoberfläche wirkendes Plasma, das aus einem Gemisch aus sauerstoffhaltigem Gas und verdünntem, normalerweise nicht mit Sauerstoff reagierendem Gas hergestellt wird und eine Elektronendichte von mindestens etwa 1e12cm–3 (1012cm–3) aufweist und die Substratoberfläche mit energiereichen, in dem Plasma hergestellten Partikeln oxidieren kann, wobei eine dünne Oxidschicht ausgebildet wird, deren Dicke 20% oder weniger der Dicke des Ziels beträgt.
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