DE102006010512A1

DE102006010512A1 - Verfahren zur Eliminierung oder Verringerung der Oxid- und/oder Russabscheidung in kohlenstoffhaltigen Schichten

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Publication number: DE102006010512A1
Application number: DE102006010512A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Duesberg; Franz Dr. Kreupl; Maik Dr. Liebau; Eugen Dr. Unger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-06-21
Also published as: US8216639B2; US20070141256A1

Abstract

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf einer Siliciumoberfläche bereit, bei dem sich während der Abscheidung eine (i) weitgehend siliciumoxidfreie oder einen verringerten Oxidgehalt aufweisende Grenzfläche zwischen dem Silicium und der kohlenstoffhaltigen Schicht ergibt. DOLLAR A Gemäß einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Schicht bereit, bei dem der Abscheidungsprozeß weitgehend rußfrei (teilchenfrei) ist oder die Rußmenge verringert.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß einer Ausführungsform ein Verfahren zur Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf einer Oberfläche, z.B. einer Siliciumoberfläche, wobei (i) bei der Abscheidung eine weitgehend siliciumoxidfreie Grenzfläche zwischen dem Silicium und der kohlenstoffhaltigen Schicht oder (ii) zumindest eine Verringerung der Oxidabscheidung an der Grenzfläche zwischen dem Silicium und der kohlenstoffhaltigen Schicht bewirkt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Schicht, bei dem der Abscheidungsprozeß (i) weitgehend rußfrei (teilchenfrei) ist oder (ii) zumindest die Rußabscheidungsmenge verringert.

Bei der Herstellung von leitfähigen Strukturen in einer Halbleitervorrichtung, wie Gräben, Elektroden oder Vias, ist es in der Regel wichtig, eine Schicht mit hoher Leitfähigkeit zu verwenden, die auf der Oberfläche eines Substrats wie Silicium gut haftet. Des weiteren sollte die Wahl eines derartigen Materials auch einige nachstehend erörterte Kriterien erfüllen.

Zum einen sollten die Bildung und Weiterverarbeitung des Materials mit standardmäßigen Halbleiterfertigungsprozessen vereinbar sein. Außerdem ist in der Regel eine konforme Schicht gefordert, z.B. sollte eine Schicht einheitlich über einen Wafer hinweg und von Wafer zu Wafer reproduzierbar gebildet werden. Ferner sollte das Fertigungsverfahren leicht zu implementieren und vor allem im Vergleich zu Standardverfahrensweisen kostenmäßig attraktiv sein.

Aus der Literatur ist gut bekannt, daß leitfähigen Kohlenstoff enthaltende Materialien, wie polykristallinen Kohlenstoff enthaltende Filme, die auch als Pyrokohlenstoff bezeichnet werden, hervorragende Kandidaten für die Halbleitertechnologie, z.B. für die Fertigung von Speichervorrichtungen, wie DRAM oder nichtflüchtigen Speichern (NVM), sein können.

Die Patentschrift DE 103 45 393 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung von leitfähigen kohlenstoffhaltigen Schichten auf einem Siliciumsubstrat. Die Siliciumoberfläche wird mit Siliciumoxid als Passivierungsschicht versehen. Das Verfahren besteht aus dem Einbringen eines Wafers in eine Kammer bei Raumtemperatur zum Erhitzen der Kammer auf 950°C unter H₂-Strom. Dann wird die kohlenstoffhaltige Schicht durch Pyrolyse von CH₄ bei einem Druck von 300 hPa bis 800 hPa und bei 950°C abgeschieden. Gegebenenfalls kann die kohlenstoffhaltige Schicht nach der Abscheidung 2 Minuten bei einer Temperatur von 1050°C getempert werden.

Die Patentschrift DE 10 2004 006 544 B3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von MESFET-Transistoren (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) mit einem Schottky-Gate aus einem kohlenstoffhaltigen Material.

G. Raghavan et al. beschreiben in der Literaturstelle Jpn. J. Appl. Phys., Band 32 (1993), S. 380–383, die Verwendung von polykristallinem Kohlenstoff (der in der Literaturstelle auch als Polykohlenstoff bezeichnet wird) als Material für Gate-Elektroden in der MOS-Technologie. Die Polykohlenstoffilme werden bei Temperaturen im Bereich von 700°C bis 1100°C und bei Drücken im Bereich von 0,5 Torr bis 2,0 Torr (~ 66,7 Pa bis 266,7 Pa) auf oxidierten Siliciumsubstraten abgeschieden. Die Oxiddicken werden von 6,2 nm bis 100 nm variiert. Als Kohlenstoffvorläufer wird Methan verwendet, und die Polykohlenstoffilme werden mit Bortrichlorid dotiert. Die Abschei dungstechnik besteht aus PECVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) mit Hochfrequenzanregung bei 13,56 MHz.

Die Patentschrift DE 198 56 295 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von CHEMFETs (Chemically Sensitive Field Effect Transistors), bei denen die Gate-Elektrode eine sogenannte Kohlenstoffelektrode ist. Die Kohlenstoffelektrode wird aus einer kohlenstoffhaltigen Schicht, bei der es sich um ein organisches Material (Novolack) handelt, gebildet. Die Gate-Elektrode wird auf einer Siliciumoxidschicht aufgebaut, welche als Isolierschicht auf einem Siliciumsubstrat verwendet wird.

Leitfähigen Kohlenstoff enthaltende Filme könnten zwar sehr attraktive Materialien für die Halbleiterfertigung sein, sind jedoch bisher nur in eingeschränktem Maße zur Anwendung gekommen. Insbesondere besteht eine anwendungstechnische Einschränkung in Grabenkondensatoren (wie beispielsweise MIM-artigen (Metal-Insulator-Metal) Kondensatorstrukturen) oder als Schottky-Dioden, bei denen mindestens eine Metallschicht durch eine leitfähigen Kohlenstoff enthaltende Schicht auf einer Siliciumoberfläche gebildet wird.

Ein die Anwendung von kohlenstoffhaltigen Materialien einschränkender Faktor ist die Bildung einer Siliciumoxidschicht auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats. In der Literatur sind gut bekannte naßchemische Behandlungen auf Basis von HF-Lösungen zum Abätzen und Entfernen der nativen Siliciumoxidschicht von der Oberfläche von Silicium beschrieben. Bei der Abscheidung von leitfähigen Kohlenstoff enthaltenden Filmen auf einer Siliciumoberfläche bei Temperaturen zwischen 600°C und 900°C ist die Bildung einer Siliciumoxid-Grenzfläche jedoch nicht zu vermeiden. Diese Siliciumoxid-Grenzfläche ist zwar nur dünn (weniger als 2 nm), führt aber zum Erscheinen eines zusätzlichen kapazitiven Widerstands, der entweder die Leistungsfähigkeit verringert oder die Funktionalität der Vorrichtungen als Grabenkondensatoren (wie MIM) oder Schottky-Dioden verschlechtert.

Bergmaier et al. berichten in der Literaturstelle Diamond and Related Materials 8 (1999), S. 1142–1147, über Studien der Sauerstoffbedeckung an der Diamant/Silicium-Grenzfläche in einem Temperaturbereich zwischen 700°C und 850°C.

Ein zweiter Faktor, der die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Materialien in Vorrichtungen wie Grabenkondensatoren (wie MIM) oder Schottky-Dioden einschränkt, ist die Bildung von Nebenprodukten in Form von Teilchen, insbesondere polymeren Kohlenstoffprodukten, aus kohlenstoffhaltigem Gas. Wenngleich konforme Schichten leicht aus kohlenstoffhaltigen Gasen abgeschieden werden könnten, ist ein sogenannter weitgehend rußfreier (teilchenfreier) Prozeß für Halbleiteranwendungen mit dem Ziel, einen Ausbeuteverlust durch parasitäre Teilchen zu verhindern, obligatorisch.

Oberlin berichtet in der Literaturstelle Carbon 40 (2002), S. 7–24, über mikrostrukturelle Studien von Pyrokohlenstoffilmen im Zusammenhang mit der Zersetzung von Kohlenwasserstoffgasen und chemischen Reaktionen in der Gasphase. In dieser Literaturstelle wurde angegeben, daß durch Verwendung von C₂H₂ als Gas Tröpfchen (homogene Nukleierung im Gas) parasitären Ruß bilden, welcher sich anschließend auf dem Substrat abscheiden würde.

Die vorliegende Erfindung stellt gemäß einer Ausführungsform eine Lösung zur Verringerung der oben beschriebenen Probleme bereit, die die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Materialien für die Halbleiteranwendung stark verbessert.

Eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Schichten auf einer Siliciumoberfläche, wobei die Grenzfläche zwischen Silicium und kohlenstoffhaltigen Schichten weitgehend siliciumoxidfrei ist oder eine im Vergleich zu vorbekannten Verfahren verringerte Oxidmenge aufweist.

Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Schichten, das weitgehend rußfrei (teilchenfrei) ist oder bei dem die Rußmenge verringert wird.

Verschiedene Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden näheren Beschreibung der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und den beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1 die mittels ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) vorgenommene Tiefenanalyse an der Grenzfläche eines Systems mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht und einem Siliciumsubstrat, wobei die kohlenstoffhaltige Schicht mit Hilfe eines gut bekannten pyrolytischen Abscheidungsprozesses auf der Siliciumoberfläche abgeschieden worden ist;
2 die I-V-Analyse (Strom-Spannungs-Analyse) eines Systems mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht und einem Siliciumsubstrat, wobei die kohlenstoffhaltige Schicht mit Hilfe eines gut bekannten pyrolytischen Abscheidungsprozesses auf der Siliciumoberfläche abgeschieden worden ist (Abscheidungsverfahren identisch mit 1);
3 die mittels ESCA vorgenommene Tiefenanalyse eines Systems mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht und einem Siliciumsubstrat, wobei die kohlenstoffhaltige Schicht mit Hilfe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Siliciumoberfläche abgeschieden worden ist;
4 die I-V-Analyse eines Systems mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht und einem Siliciumsubstrat, wobei die koh lenstoffhaltige Schicht mit Hilfe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Siliciumoberfläche abgeschieden worden ist (Abscheidungsverfahren identisch mit 3);
5 die schematische Darstellung eines Systems aus einer leitfähigen kohlenstoffhaltigen Schicht L2, einer kohlenstoffhaltigen Schicht L1 und einem Siliciumsubstrat, wobei die kohlenstoffhaltige Schicht L2 auf der kohlennstoffhaltigen Schicht L1 abgeschieden worden ist und die kohlenstoffhaltige Schicht 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Siliciumoberfläche abgeschieden worden ist;
6a für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Variation der Temperatur als Funktion der Zeit während des Abscheidungsprozesses;
6b für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Variation der Gasströme G01 und G02 als Funktion der Zeit während des Abscheidungsprozesses;
6c für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Variation der Dicken d1 und d2 der kohlenstoffhaltigen Schichten L1 bzw. L2 als Funktion der Zeit während des Abscheidungsprozesses.
Die 6a, 6b und 6c sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Sie stellen schematisch die Variation der Temperatur, des Gasstroms bzw. der Dicke als Funktion der Zeit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Wenngleich nun spezielle beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zur Erläuterung näher beschrieben werden, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die in der Beschreibung beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt ist. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, können zahlreiche sehr unterschiedliche Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung in verschiedenen anderen Anwendungen konstruiert werden, ohne den Grundgedanken und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ferner läge es für den Fachmann auf der Hand, daß alle hier beschriebenen Werte beispielhaft sind, da Werte von einer Anwendung oder einer Spezifikation einer Anwendung abhängen können.
1 illustriert die Tiefenanalyse der Grenzfläche eines Systems aus einem Siliciumsubstrat und einer auf der Oberfläche des Siliciums abgeschiedenen kohlenstoffhaltigen Schicht. Die Tiefenanalyse wurde mittels ESCA-Messungen (ESCA = Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) erhalten.
Das Siliciumsubstrat wurde vor dem Einbringen in die Prozeßkammer, eine Kammer, in der das Si-Substrat verarbeitet wird, mit einem naßchemischen Ätzprozeß auf Basis einer HF-Lösung behandelt. Diese Ätztechnik ermöglicht die Eliminierung der nativen Siliciumoxidschicht, die auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats vorliegt.
Gemäß der Patentschrift DE 103 45 393 A1 wird das Siliciumsubstrat nach dem Einbringen in die Prozeßkammer in einer H₂-Atmosphäre auf 950°C erhitzt. Dann wird durch Eintragen von CH₄-Gas bei einem Druck von 330 Pa und einer konstanten Temperatur von 950°C auf der Oberfläche des Siliciums eine kohlenstoffhaltige Schicht abgeschieden.
Die Tiefenanalyse dieses Systems, wie in 1 gezeigt, zeigt das Vorliegen eines gut definierten Sauerstoffpeaks an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumsubstrat und der kohlenstoffhaltigen Schicht. Das Vorliegen von Sauerstoff ist ein klares Anzeichen für die Bildung einer dünnen Siliciumoxidschicht an der Grenzfläche zwischen der Siliciumoberfläche und der kohlenstoffhaltigen Schicht.
2 illustriert die I-V-Analyse (Strom-Spannungs-Analyse) des als Siliciumsubstrat-Siliciumoxid-kohlenstoffhaltige Schicht definierten Systems gemäß obiger Beschreibung. Da die Rückbildung des Siliciumoxids beim Erhitzen vor der Abscheidung der kohlenstoffhaltigen Schicht stattfindet, erscheint an der Grenzfläche zwischen Silicium und kohlenstoffhaltiger Schicht ein zusätzlicher kapazitiver Widerstand, der wiederum die Kapazität der Vorrichtung, insbesondere im Fall eines Grabenkondensators in DRAM-Technologie, wobei mindestens eine Elektrode aus einer leitfähigen kohlenstoffhaltigen Schicht besteht und auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats abgeschieden ist, verringert. Alternativ dazu beträgt die Stromdichte, wie in 2 gezeigt, in einer Schottky-Diode infolge der zusätzlichen dünnen Oxidschicht 4 A/cm² bei 0,2 V.
Die vorliegende Erfindung stellt gemäß einer Ausführungsform ein Verfahren zur Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf einer Siliciumoberfläche bereit, bei dem die Grenzfläche zwischen der kohlenstoffhaltigen Schicht und dem Siliciumsubstrat weitgehend frei von Siliciumoxid ist oder die Menge an abgeschiedenem Oxid verringert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Verfahrensweise einen naßchemischen Ätzprozess eines Siliciumsubstrats auf Basis einer HF-Lösung vor dem Einbringen des Siliciumsubstrats in die Prozeßkammer umfassen, um gegebenenfalls die native Siliciumoxidschicht von der Oberfläche des Siliciumsubstrats zu entfernen, wie weiter oben beschrieben.
Nach dem Einbringen des Siliciumsubstrats in eine Prozeßkammer bei einer Temperatur T1, z.B. Raumtemperatur, kann ein erstes Gas G01 unter Druck, z.B. Normaldruck, in die Prozeßkammer eingebracht werden. Bei dem Gas G01 könnte es sich beispielsweise um ein Inertgas wie Ar oder He oder ein Gas wie H₂ oder N₂ oder ein Gemisch dieser Gase handeln. Nach einer Ausspülzeit in Gegenwart des Gases G01, beispielsweise Ar, kann ein zweites Gas G02 eingebracht werden, z.B. unter Druck, z.B. Normaldruck, in die Prozeßkammer eingeleitet werden.
Bei dem Gas G02 handelt es sich um ein kohlenstoffhaltiges Gas, wie z.B. einen Kohlenwasserstoff, wie u.a. C_nH_2n+2 (worin n zwischen 1 und 4 liegt) oder C₂H₂ oder C₂H₄, oder ein kohlenstoffhaltiges Gas, z.B. u.a. CCl₄, oder ein Gemisch dieser Gase. So kann man beispielsweise in der Prozeßkammer bei einer Temperatur, z.B. Raumtemperatur, und einem Druck, z.B. Normaldruck, C₂H₂-Gas in ein anderes Gas, z.B. Ar-Gas, einbringen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnte das Verhältnis des Gases G01 zum Gas G02 in der Prozeßkammer von etwa 1/100 bis etwa 20/1 variieren. So kann man beispielsweise das Gas C₂H₂ in Gegenwart von Argon in die Prozeßkammer einleiten, wobei das Ar/C₂H₂-Gasflußverhältnis 5/1 beträgt. Wie bemerkt, können je nach den gewünschten Ergebnisen andere Verhältnisse von G01 zu G02 verwendet werden.
Die Prozeßkammer kann bei dem (z.B. konstanten) G01/G02-Gasflußverhältnis (beispielsweise Ar/C₂H₂ mit einem Gasflußverhältnis von 5/1) von der Temperatur T1 auf höhere Temperaturen erhitzt werden, bis die Prozeßkammer eine vordefinierte Temperatur T2 erreicht (beispielsweise kann T2 für ein Ar/C₂H₂-Gasflußverhältnis von 5/1 840°C betragen). Die Temperatur T2 kann je nach dem verwendeten kohlenstoffhaltigen Gas G02 von etwa 700°C bis etwa 1200°C variieren. Es versteht sich, daß die Prozeßkammer im Fall von heißwandigen Prozeßkammern ganz oder im Fall von kaltwandigen Prozeßkammern lokal durch Erhöhen der Temperatur des Substrats erhitzt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann sich bei der Temperaturerhöhungsphase der Prozeßkammer von z.B. Raumtemperatur auf z.B. etwa 840°C im Fall von Ar/C₂H₂, beispielsweise mit einem Gasflußverhältnis von 5/1, das kohlenstoffhaltige Gas C₂H₂ bei Temperaturen über 305°C zu undefinierten Polymeren zersetzen, welche sich abscheiden und eine einheitliche kohlenstoffhaltige Schicht auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats bilden können. Die Dicke dieser kohlenstoffhaltigen Schicht kann während dieser Temperatuerhöhungsphase auf 840°C weiter wachsen, bis eine vordefinierte Dicke erreicht ist, die beispielsweise von etwa 1 nm bis etwa 500 nm variieren könnte.
3 illustriert die Tiefenanalyse der Grenzfläche eines Systems aus einem Siliciumsubstrat und der gemäß den oben beschriebenen Abscheidungsprozeßschritten auf der Oberfläche des Siliciums abgeschiedenen kohlenstoffhaltigen Schicht. Wie oben erwähnt, wurde die Tiefenanalyse mittels ESCA-Messungen erhalten.
Wie in 3 gezeigt, kann die Sauerstoffmenge an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumsubstrat und der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgeschiedenen kohlenstoffhaltigen Schicht wesentlich verringert werden. Daher kann man sagen, daß die Grenzfläche zwischen Silicium und kohlenstoffhaltiger Schicht weitgehend siliciumoxidfrei ist oder zumindest die Grenzfläche eine verringerte Oxidmenge enthält. Es versteht sich, daß der Begriff „weitgehend siliciumoxidfreie Grenzfläche" bedeutet, daß die Sauerstoffmenge an der Grenzfläche zwischen Silicium und kohlenstoffhaltiger Schicht so klein ist, daß bei ESCA-Messungen ein gut definierter Peak für Sauerstoff nicht erhalten werden kann (die Sauerstoffmenge liegt in diesem Fall unter den Auflösungsgrenzen der ESCA-Technik). In 3 ist das Sauerstoffsignal im Gegensatz zu 1 nur als Hintergrund/Rausch-Signal vorhanden.
4 illustriert die I-V-Analyse des als Siliciumsubstratgemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgeschiedene kohlenstoffhaltige Schicht definierten Systems. Ein Vergleich der 2 und 4 zeigt, daß die Abscheidung ei ner kohlenstoffhaltigen Schicht auf einer Siliciumoberfläche mit weitgehend siliciumoxidfreier Grenzfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verbessert. Die wesentliche Verringerung der Siliciumoxidmenge an der Grenzfläche zwischen Silicium und kohlenstoffhaltiger Schicht kann einen direkten Kontakt von Silicium und kohlenstoffhaltiger Schicht ohne zusätzliche Kapazität (oder wesentliche zusätzliche Kapazität) aufgrund einer Siliciumoxid-Grenzfläche ermöglichen, wie in 4 gezeigt. Bei 0,2 V kann die Stromdichte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf etwa 3000 A/cm² erhöht werden – im Gegensatz zu 2, in der eine Stromdichte von etwa 4 A/cm² erhalten wurde.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Schicht bereitgestellt, für das der Abscheidungsprozeß weitgehend rußfrei (teilchenfrei) ist oder eine verringerte Außmenge aufweist.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des Systems gemäß 5, das aus einem Siliciumsubstrat und einer ersten kohlenstoffhaltigen Schicht und einer zweiten kohlenstoffhaltigen Schicht besteht, werden in der detailliert beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und in den Figuren die folgenden Bezugszeichen verwendet:

L1: erste auf der Siliciumoberfläche abgeschiedene kohlenstoffhaltige Schicht;
L2: zweite auf der Siliciumoberfläche abgeschiedene kohlenstoffhaltige Schicht;
d1: Dicke der kohlenstoffhaltigen Schicht L1;
d2: Dicke der kohlenstoffhaltigen Schicht L2;
G01: Gaszufuhr 1;
G02: Gaszufuhr 2;
T1–T4: Temperaturen 1 bis 4 und
t1: Temperzeit.

5 illustriert schematisch gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein System, das aus einem Siliciumsubstrat, einer ersten kohlenstoffhaltigen Schicht L1 und einer zweiten kohlenstoffhaltigen Schicht L2 besteht. Aus dieser schematischen Darstellung ist zu entnehmen, daß die erste kohlenstoffhaltige Schicht L1 auf der Siliciumoberfläche abgeschieden werden kann, wobei die Grenzfläche zwischen dem Siliciumsubstrat und der kohlenstoffhaltigen Schicht L1 weitgehend siliciumoxidfrei ist.
Unter Bezugnahme auf 5 kann die zweite kohlenstoffhaltige Schicht L2 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgeschieden werden, wobei das kohlenstoffhaltige Material weitgehend rußfrei (teilchenfrei) ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen die 6a und 6b Beispiele für die Variation der Temperatur bzw. der Gasströme G01 und G02 in der Prozeßkammer, und 6c zeigt gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung schematisch Beispiele für die Variation der Dicken d1 und d2 kohlenstoffhaltiger Materialien L1 bzw. L2 bei der Herstellung des in 5 illustrierten Systems.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Verfahren zur Herstellung eines Systems von kohlenstoffhaltigen Schichten L1 und L2 auf einer Siliciumsubstratoberfläche, wie z.B. in 5 gezeigt, die folgenden Schritte umfassen:
Zunächst kann ein Siliciumsubstrat vor dem Einbringen in die Prozeßkammer mit Hilfe eines naßchemischen Ätzprozesses auf Basis einer HF-Lösung behandelt werden, um die native Siliciumoxidschicht von der Oberfläche des Siliciumsubstrats beseitigen zu helfen.
Nach dem Einbringen des Siliciumsubstrats in eine Prozeßkammer bei einer Temperatur T1, z.B. Raumtemperatur, kann ein erstes Gas G01 unter Druck, z.B. Normaldruck, in die Prozeßkammer eingebracht werden. Bei dem Gas G01 kann es sich beispielsweise um ein Inertgas wie Ar oder He oder ein Gas wie H₂ oder N₂ oder ein Gemisch dieser Gase handeln. Nach einer Ausspülzeit in Gegenwart des Gases G01, beispielsweise Ar, kann ein zweites Gas G02 eingebracht werden, z.B. unter Druck, z.B. Normaldruck, in die Prozeßkammer eingeleitet werden.
Bei dem Gas G02 kann es sich um ein kohlenstoffhaltiges Gas, wie z.B. einen Kohlenwasserstoff, wie u.a. C_nH_2n+2 (worin n zwischen 1 und 4 liegt) oder C₂H₂ oder C₂H₄, oder ein kohlenstoffhaltige Gas, z.B. u.a. CCl₄, oder ein Gemisch dieser Gase handeln. So kann man beispielsweise in der Prozeßkammer bei einer Temperatur, z.B. Raumtemperatur, und einem Druck, z.B. Normaldruck, C₂H₂-Gas in ein Ar-Gas eintragen.
Das Verhältnis des Gases G01 zum Gas G02 in der Prozeßkammer kann von etwa 1/100 bis etwa 20/1 variieren. So kann man beispielsweise das Gas C₂H₂ in Gegenwart von Argon in die Prozeßkammer einleiten, wobei das Ar/C₂H₂-Gasflußverhältnis 5/1 beträgt.
Die Prozeßkammer kann bei dem G01/G02-Gasflußverhältnis, das konstant sein kann (beispielsweise Ar/C₂H₂ mit einem Gasflußverhältnis von etwa 5/1), von der Temperatur T1 auf höhere Temperaturen erhitzt werden, bis die Prozeßkammer eine vordefinierte Temperatur T2 erreicht (beispielsweise kann T2 für ein Ar/C₂H₂-Gasflußverhältnis von etwa 5/1 840°C betragen), wie in den 6a und 6b gezeigt. Die Temperatur T2 kann je nach dem verwendeten kohlenstoffhaltigen Gas G02 von etwa 700°C bis etwa 1200°C variieren. Es versteht sich, daß die Prozeßkammer im Fall von heißwandigen Prozeßkammern ganz oder im Fall von kaltwandigen Prozeßkammern lokal durch Erhöhen der Temperatur des Substrats erhitzt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zersetzt sich das kohlenstoffhaltige Gas bei Temperaturen über 300°C (beispielsweise im Fall von C₂H₂ etwa 305°C) bei der Temperaturerhöhungsphase der Prozeßkammer von T1 auf T2 z.B. Raumtemperatur auf z.B. etwa 840°C im Fall von Ar/C₂H₂, beispielsweise mit einem Gasflußverhältnis von etwa 5/1, und bildet eine kohlenstoffhaltige Schicht L1 auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats und verhindert dadurch die Bildung von Siliciumoxid auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats. Die Dicke der abgeschiedenen kohlenstoffhaltigen Schicht L1 kann während dieser Temperaturerhöhungsphase auf T2 (beispielsweise etwa 840°C) weiter wachsen, bis eine vordefinierte Dicke d1 erreicht ist, wie in 6c gezeigt, die beispielsweise von etwa 1 nm bis etwa 500 nm variieren kann.
Bei einer konstanten Temperatur T2 (beispielsweise etwa 840°C) kann das kohlenstoffhaltige Gas G02 in Form von kurzen Pulsen (beispielsweise etwa 10 Sekunden C₂H₂ mit einem Gasstrom von 1 Nlm (Normalliter/min) in Gegenwart des Gases G01 wie in 6b gezeigt (beispielsweise mit einem Gasflußverhältnis von etwa 5/1 für Ar/C₂H₂) in die Prozeßkammer gegeben werden, um eine zweite kohlenstoffhaltige Schicht L2 auf der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Schicht L1 zu bilden (wie in 5 gezeigt).
Die Dauer der Pulse des kohlenstoffhaltigen Gases (beispielsweise etwa 10 Sekunden) kann von der Kammergröße und den verwendeten Massenstromsystemen abhängen. Die Pulse sind voneinander durch einen Zeitrahmen getrennt, der von der Ausspül zeit des kohlenstoffhaltigen Gases G02 aus der Prozeßkammer abhängen kann.
Die Pulse des kohlenstoffhaltigen Gases können wiederholt werden, bis eine vordefinierte Dicke d2 der kohlenstoffhaltigen Schicht L2 erreicht ist, wie in 6c gezeigt, die beispielsweise ungefähr im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 mm liegen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das kohlenstoffhaltige Gas G02 in Gegenwart des Gases G01, wie z.B. in 6b gezeigt, nach der Abscheidung der kohlenstoffhaltigen Schicht L2 mit der gewünschten Dicke d2 aus der Prozeßkammer ausgespült werden. Immer noch in Gegenwart des Gases G01 kann die Temperatur der Prozeßkammer von T2 auf eine gewünschte Temperatur T3 (beispielsweise etwa 950°C) erhöht werden, wie in 6a gezeigt. Die Temperatur T3 kann je nach der verwendeten Tempertechnik (Spike-, Flash- oder Lasertempertechnik) von etwa 850°C bis etwa 1500°C variieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das System von z.B. 5 aus Siliciumsubstrat, kohlenstoffhaltiger Schicht L1 und kohlenstoffhaltiger Schicht L2 bei einer konstanten Temperatur T3 und in Gegenwart des Gases G01 getempert (beispielsweise etwa 2 Minuten). Die Temperzeit t1 (die ungefähr von etwa 0,5 Minuten bis etwa 5 Minuten variiert) kann von den zu erhaltenden elektrischen Eigenschaften der kohlenstoffhaltigen Schicht L2 variieren (wobei gewünschte Leitfähigkeitswerte ungefähr zwischen 60 μOhmcm bis 2 μOhmcm variieren, basierend auf der Anwendung des kohlenstoffhaltigen Materials in der Halbleitertechnologie, insbesondere für Speichervorrichtungen).
Nach dem Temperschritt kann nach einer Ausführungsform der Erfindung das Gas G01 aus der Prozeßkammer ausgespült und die Temperatur der Prozeßkammer von T3 auf eine gewünschte Temperatur T4 gesenkt werden. Die Temperatur T4 kann von etwa 20°C bis etwa 400°C variieren. Es versteht sich, daß die Temperatur der Prozeßkammer im Fall von heißwandigen Prozeßkammern ganz oder im Fall von kaltwandigen Prozeßkammern lokal durch Senken der Temperatur des Substrats gesenkt werden kann. Bei einer Temperatur T4 kann gemäß einer Ausführungsform, die allgemein durch das System von 5 gezeigt ist, das aus dem Siliciumsubstrat und der kohlenstoffhaltigen Schicht L1 und der kohlenstoffhaltigen Schicht L2 besteht, aus der Prozeßkammer genommen werden.
Schließlich kann gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung die Prozeßkammer mit Hilfe eines Mikrowellen-Sauerstoffplasmas oder durch Ausspülen der Prozeßkammer mit Ozongas oder durch Erhitzen der Prozeßkammer unter Sauerstoffstrom oder durch eine Kombination dieser Technikenn gereinigt werden.

Claims

Verfahren zur Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf einem Si-Substrat mit den folgenden Schritten: a) Entfernen einer Siliciumoxidschicht von der Oberfläche des Si-Substrats, b) Einbringen des Si-Substrats in eine Kammer zur Verarbeitung bei einer ersten Temperatur T1, c) Erhöhen der Temperatur T1 auf eine zweite Temperatur T2, Einbringen mindestens eines ersten Gases G01 und eines zweiten Gases G02, welches zumindest Kohlenstoff enthält, in die Kammer und Abscheiden einer kohlenstoffhaltigen Schicht bei Normaldruck.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T1 ungefähr Raumtemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T2 im Bereich von 700°C bis 1200°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas G01 aus der Gruppe von Gasen bestehend aus Ar, He, H₂, N₂ und Kombinationen davon ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas G02 mindestens ein Kohlenstoffelement enthält.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas G02 aus der Gruppe von Gasen bestehend aus C_nH_2n+2, worin n zwischen 1 und 4 ist, C₂H₂, C₂H₄, CCl₄ und Kombinationen davon ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasflußverhältnis des Gases G01 zum Gas G02 im Bereich von 1/100 bis 20/1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der kohlenstoffhaltigen Schicht im Bereich von 1 nm bis 500 nm liegt.
Verfahren zur Abscheidung eines Systems von kohlenstoffhaltigen Schichten auf einem Si-Substrat mit den folgenden Schritten: a) Entfernen einer Siliciumoxidschicht von der Oberfläche des Si-Substrats, b) Einbringen des Si-Substrats in eine Kammer zur Verarbeitung bei einer ersten Temperatur T1, c) Erhöhen der Temperatur T1 auf eine zweite Temperatur T2, d) Einbringen mindestens eines ersten Gases G01 und eines zweiten Gases G02, welches zumindest Kohlenstoff enthält, in die Kammer während der ersten Temperaturerhöhung und Abscheiden einer ersten kohlenstoffhaltigen Schicht L1 bei Normaldruck bis zum Erreichen einer vordefinierten Dicke d1, e) Abschalten des Flusses des Gases G02 bei fortgesetztem Einströmen des Gases G01 in die Kammer bei der Temperatur T2 und bei Normaldruck, f) Fortsetzen des Einbringens des Gases G01 in die Kammer und Einbringen des Gases G02 als Puls während einer vorbestimmten Pulszeit und Abscheiden einer zweiten kohlenstoffhaltigen Schicht L2 bei Normaldruck, g) Wiederholen der Schritte e und f bis zum Erreichen einer vordefinierten Dicke d2 der Schicht L2, h) Abschalten des Flusses des Gases G02 bei fortgesetztem Einströmen des Gases G01 in die Kammer bei der Temperatur T2 und bei Normaldruck, i) Erhöhen der Temperatur T2 auf eine dritte Temperatur T3, j) Tempern der Schicht L2 bei der Temperatur T3 über eine vorbestimmte Zeit t1, k) Verringern der Temperatur T3 auf eine vierte Temperatur T4 unter dem Gas G01, l) Abschalten des Flusses des Gases G01 und m) Herausnehmen des Systems von kohlenstoffhaltigen Schichten auf einem Si-Substrat aus der Kammer.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T1 ungefähr Raumtemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T2 im Bereich von 700°C bis 1200°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas G01 aus der Gruppe von Gasen bestehend aus Ar, He, H₂, N₂ und Kombinationen davon ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas G02 mindestens ein Kohlenstoffelement enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas G02 aus der Gruppe von Gasen bestehend aus C_nH_2n+2, worin n zwischen 1 und 4 ist, C₂H₂, C₂H₄, CCl₄ und Kombination davon ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasflußverhältnis des Gases G01 zum Gas G02 im Bereich von 1/100 bis 20/1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke d1 der kohlenstoffhaltigen Schicht L1 im Bereich von 1 nm bis 500 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke d2 der kohlenstoffhaltigen Schicht L2 im Bereich von 1 nm bis 10 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T3 im Bereich von 850°C bis 1500°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit t1 im Bereich von 0,5 Minuten bis 5 Minuten liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T4 im Bereich von 20°C bis 400°C liegt.