DE102010056020A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht auf einem Substrat beschrieben, bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas zwischen einer Plasmaelektrode und dem Substrat erzeugt wird, wodurch sich eine wenigstens teilweise chemische Reaktion von Substrat und Prozessgas und/oder eine wenigstens teilweise Abscheidung von Prozessgaskomponenten zur Bildung der dielektrischen Schicht auf dem Substrat ergibt. Dabei bezeichnet der Begriff Plasmaelektrode eine Einheit aus zwei Elektroden, vorzugsweise mit einem festgelegten Abstand zwischen den Elektroden. Bei dem Verfahren wird der Abstand zwischen der Plasmaelektrode und dem Substrat während der chemischen Reaktion und/oder der Abscheidung der Prozessgaskomponenten verändert. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist ebenfalls beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat, insbesondere auf einem Halbleitersubstrat.
  • Bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Speicherchips, Mikroprozessoren, aber auch in der Photovoltaik oder im Bereich von Flachbildschirmen sind unterschiedliche Produktionsschritte zur Herstellung eines Endprodukts notwendig. Dabei werden während der Herstellung der Produkte unterschiedliche Schichten zum Aufbau des elektronischen Bauelements aufgebracht. Eine wichtige Klasse dieser Schichten sind dielektrische Schichten, welche unterschiedliche Schichten isolieren. Wie auch bei allen anderen Schichtaufbauten ist es notwendig, die dielektrischen Schichten fehlerfrei und zuverlässig aufzubauen, um die Funktionalität des Bauelements sicherzustellen.
  • Für die Ausbildung von dielektrischen Schichten auf einem Substrat oder einer anderen Schicht sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist die Ausbildung thermischer Oxidschichten auf Halbleitersubstraten in so genannten Öfen oder Schnellheizanlagen (RTP-Anlagen). Dort können kontrolliert dielektrische Schichten mit hoher Gleichmäßigkeit und guten elektrischen Eigenschaften erzeugt werden.
  • Ein Nachteil einer solchen thermischen Oxidation kann jedoch unter anderem in den verwendeten Temperaturen liegen bei denen die Oxidation durchgeführt wird, da diese die darunterliegenden Strukturen beeinträchtigen können. Daher sind solche Systeme immer bemüht das thermische Budget der Behandlung zu reduzieren, was aber nur bedingt gelingt.
  • Darüber hinaus ist auch eine Plasmabehandlung von Substraten zur Ausbildung dielektrischer Schichten bekannt. So beschreibt z. B. das US Patent 7,381,595 B2 eine Niedertemperatur-Plasmaoxidation eines Siliziumhalbleiters unter Verwendung eines hochdichten Plasmas. Bei diesem Patent wird die Plasmaquelle die nachfolgend insgesamt als Plasmaelektrode bezeichnet wird durch zwei plattenförmige gegenüber liegende Elektroden gebildet. Die Substrate werden zwischen den beiden plattenförmige gegenüber liegende Elektroden aufgenommen und bilden selbst einen Teil der einen Elektrode. Die bei der Plasmaoxidation verwendeten Temperaturen verringern wesentlich das thermische Budget gegenüber einer thermischen Oxidation, und können hierdurch die damit verbundenen Nachteile verbessern.
  • Die in diesem Patent beschriebene Plasmaoxidation kann jedoch zu einer ungleichmäßigen Oxidschicht führen und insbesondere können die elektrischen Eigenschaften der so gebildeten Schichten ungenügend sein.
  • Eine ähnliche Plasmaelektrode, die aus zwei gegenüber liegenden plattenförmigen Elektroden gebildet wird, und bei der ein zu behandelndes Substrat zwischen den Elektroden angeordnet ist, ergibt sich aus der US 6,037,017 A . Bei dieser Plasmaelektrode ist der Abstand zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Prozessparametern einstellbar. Weitere Plasmaelektroden dieses Typs sind aus der US2007/0026540 A1 , der US 5,492,735 sowie der US 5,281,557 bekannt.
  • Aus der WO 2010/015385 A ist eine alternative, stabförmige Mikrowellenplasmaelektrode beschrieben, bei der ein Innenleiter in einem ersten Teilbereich vollständig von einem Außenleiter umgeben ist. Benachbart zu diesem Teilbereich schließt sich ein Teilbereich an, in dem der Außenleiter eine sich zu einem freien Ende erweiternde Öffnung vorsieht. Im Bereich der sich erweiternden Öffnung wird Mikrowellenleistung zur Erzeugung eines Plasmas ausgekoppelt. Eine weitere stabförmige Plasmaelektrode mit Innenleiter, Außenleiter und einer Auskopplungsstruktur ist zum Beispiel aus der DE 197 22 272 bekannt. Solche stabförmigen Plasmaelektroden können einem zu behandelnden Substrat gegenüberliegend angeordnet werden und das Substrat ist nicht zwischen den das Plasma erzeugenden Elektroden angeordnet. Mit solchen Plasmaelektroden lassen sich verbesserte Bearbeitungsergebnisse erzielen, die aber immer noch nicht ausreichend gut sein können. Insbesondere können elektrische Eigenschaften von Schichten, die unter Verwendung dieser Plasmaelektroden gebildet werden noch immer ungenügend sein.
  • Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren und eine Vorrichtung für die Ausbildung einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat vorzusehen, das bzw. die wenigstens eines der obigen Nachteile überwindet.
  • Erfindungsgemäß ist hierfür ein Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht nach Anspruch 1 oder 2 und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht nach Anspruch 13 oder 14 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Insbesondere wird bei dem Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat ein Plasma aus einem Prozessgas zwischen dem Substrat und einer dem Substrat gegenüberliegenden Plasmaelektrode erzeugt, wodurch sich eine wenigstens teilweise chemische Reaktion von Substrat und Prozessgas und/oder eine wenigstens teilweise Abscheidung von Prozessgaskomponenten zur Bildung der dielektrischen Schicht auf dem Substrat ergibt. Während der chemischen Reaktion und/oder der Abscheidung der Prozessgaskomponenten, wird der Abstand zwischen der Plasmaelektrode und dem Substrat verändert, wodurch die Ausbildung einer homogenen dielektrischen Schicht gefördert werden kann. Dabei ist zu beachten, dass der Begriff Plasmaelektrode wie er hier verwendet eine Einheit aus zwei Elektroden und nicht eine einzelne Elektrode bezeichnet. Die Abstandsänderung während der Ausbildung der dielektrischen Schicht ermöglicht eine Verbesserung der elektrischen Parameter der dielektrischen Schicht. Durch die Veränderung des Abstands lässt sich der zugrundeliegende Wachstumsmechanismus beeinflussen, wodurch die Ausbildung der dielektrischen Schicht und deren elektrischen Eigenschaften verbessert werden kann.
  • So basiert der Wachstumsmechanismus beispielsweise bei einem großen Elektrodenabstand von beispielsweise 10 cm auf dem Effekt radikaler Komponenten des Plasmagases. Durch den großen Abstand findet eine Rekombination der Elektronendichte mit der Ionendichte statt und nur die Radikale bleiben erhalten und oxidieren nur mit limitierter Dicke die Oberfläche. Bei kleinem Elektrodenabstand von beispielsweise 2 cm herrscht durch die große Elektronenkonzentration direkt an der Substratoberfläche ein anodischer Effekt vor. Eine solche Änderung im Wachstumsmechanismus beeinflusst jedoch die elektrischen Parameter der wachsenden dielektrischen Schicht und insbesondere auch die Interface-Eigenschaften zu dem darunterliegenden Substrat.
  • Dabei wird das Plasma vorzugsweise wenigstens teilweise durch stabförmige Mikrowellen-Plasmaelektroden mit Innen- und Außenleiter, die einen festen Abstand zueinander aufweisen erzeugt. Insbesondere kann eine Plasmaelektrode eingesetzt werden, wie sie in der WO 2010 015385 A beschrieben ist, die hinsichtlich des Aufbaus der Plasmaelektrode zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird, eingesetzt werden. Bei einer solchen Plasmaelektrode haben der Innenleiter und der Außenleiter einen beliebigen aber festen Abstand zueinander, und die Auskopplungsstruktur bewirkt dass eine Mikrowelle abgestrahlt und ein Plasma gezündet werden kann. Insbesondere liegt bei einer solchen Plasmaelektrode das zu behandelnde Substrat nicht zwischen den Elektroden der Plasmaelektrode. Zwischen den Elektroden muss auch kein Niederdruck herrschen, wie es bei plattenförmigen Elektroden, die dazwischen ein Plasma bilden der Fall ist. Somit können die stabförmigen Plasmaelektroden auch außerhalb des eigentlichen Prozessbereichs liegen und zum Beispiel über für Mikrowellenstrahlung im Wesentlichen transparente Hüllrohre von einem erzeugten Plasma getrennt sein. Bei einem solchen Aufbau kann die stabförmige Plasmaelektrode während des Betriebs von einem Elektronentunnel umgeben sein in dem sich verschiedene Spezies mit verschiedenen Ladungszuständen befinden. Dieser Elektronentunnel sieht die unterschiedlichen Spezies für eine Reaktion mit/Abscheidung auf dem Substrat vor und schirmt das Substrat auch gegenüber einer Mikrowellenstrahlung ab, so dass diese nicht auf das Substrat gelangen kann.
  • Alternativ ist ein Verfahren zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht mittels Oxidieren und/oder Nitridieren eines Substrats oder Abscheidung vorgesehen, bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas durch wenigstens eine Plasmaelektrode benachbart zum Substrat erzeugt wird, wobei das Substrat potentialfrei ist, und nicht zwischen Elektroden der wenigstens einen Plasmaelektrode liegt, und wobei ein Wechselbeziehung zwischen dem Substrat und dem Plasma während der Ausbildung derart verändert wird, dass zu einem Zeitpunkt der Ausbildung der Schicht eine anodische Reaktion vorherrscht und zu einem anderen Zeitpunkt eine radikalische Reaktion. Hierdurch lassen sich dielektrisch Schichten mit hervorragenden Eigenschaften herstellen.
  • Die Veränderung der Wechselbeziehungen kann vorteilhafterweise über eine Abstandsänderung zwischen Plasmaelektrode und Substrat stattfinden. Alternativ kann auch ein Gitter aus elektrisch leitendem Material zwischen der wenigsten einen Plasmaelektrode und dem Substrat vorgesehen sein, dessen elektrische Vorspannung verändert wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Abstand zwischen der Plasmaelektrode und dem Substrat in Abhängigkeit von der Dicke der bereits gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht eingestellt und insbesondere mit zunehmender Schichtdicke verringert. Hierdurch kann z. B. zunächst ein durch radikale Komponenten des Plasmagases getriebener Schichtaufbau ohne starkes elektrisches Feld und durch zufällig gerichtete Diffusion der Reaktionskomponenten erreicht werden. Durch eine anschließende Verringerung des Abstandes wird der vorherrschende Effekt zu einem anodischen Effekt hin verschoben, bei dem das elektrische Feld vorzugsweise senkrecht zur Substratoberfläche wirken sollte. Hierdurch ergibt sich ein selbstheilender Effekt im Wachstum der dielektrischen Schicht und die Schichtdicke wird homogener bzw. das atomare Interface flacher. Hierdurch werden die elektrischen Parameter der dielektrischen Schicht positiv beeinflusst.
  • Vorzugsweise wird in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat die der Plasmaelektrode zugeführte Energie, der Druck und/oder die Zusammensetzung des Prozessgases und/oder die Temperatur des Substrats, das über wenigstens eine vom Plasma unabhängige Wärmequelle auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, eingestellt. Hierdurch lässt sich einerseits das Plasma steuern und an den Wachstumsmechanismus anpassen und andererseits über die Temperatur des Substrats die Schichtbildung beeinflusst werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat ein Halbleitersubstrat, und insbesondere ein Siliziumsubstrat, das aufgrund seiner vergleichsweise geringen Kosten häufig in der Halbleitertechnologie verwendet wird. Das Substrat kann aber auch zum Beispiel ein großes Panel für die Solarindustrie, eine beschichtete Glasplatte oder ein beliebiges anders Substrat sein.
  • Bei der gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht handelt es sich vorzugsweise um ein Oxid, ein Oxynitrid, ein Nitrid oder ein sonstiges Material mit einer hohen dielektrischen Konstanten von k ≥ 3,9. Es kann aber auch eine andere dielektrische Schicht ausgebildet werden. Gemäß einer bevorzugten Form wird das Plasma mit Mikrowellenstrahlung erzeugt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Plasma mit HF-Strahlung erzeugt. Für einen guten Schichtaufbau wird das Plasma vorzugsweise gepulst betrieben.
  • Für eine gute Ausbildung der dielektrischen Schicht und der sich daraus ergebenden elektrischen Parameter wird die Wachstums- und/oder Abscheidungsrate vorzugsweise so gesteuert, dass der Schichtaufbau mit einer im Wesentlichen konstanten Rate von kleiner 0,5 nm/s insbesondere kleiner 0,1 nm/s und bevorzugt mit 0,01 bis 0,05 nm/s stattfindet. Als im Wesentlichen konstante Rate wird dabei eine Rate mit einer maximalen Abweichung von ±10% bezüglich eines Mittelwertes angesehen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausbilden der dielektrischen Schicht auf einem Substrat ist eine Prozesskammer mit wenigstens einem Prozessgaseinlass und wenigstens einem Substrathalter vorgesehen, der einen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Substrats definiert, und wenigstens einer Plasmaelektrode zum Erzeugen eines Plasmas in einem Haltebereich für das Substrat. Hierbei sei bemerkt, dass die Plasmaelektrode aus zwei auf unterschiedlichem Potential liegenden Elektroden gebildet wird, die außerhalb der Prozesskammer liegen, und somit gegenüber dem Prozessgas isoliert sein können, sofern dies gewünscht ist. Bei solchen Plasmaelektroden wird dass Plasma nicht primär in einem Bereich zwischen den Elektroden sondern benachbart hierzu/diese umgebend erzeugt. Erfindungsgemäß sind bei einer Ausführungsform der Erfindung Mittel zum Verändern eines Abstands zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode und dem Aufnahmebereich für das Substrat während der Ausbildung der dielektrischen Schicht vorgesehen, um während des Schichtwachstums eine entsprechende Abstandsveränderung mit den oben genannten Vorteilen vorsehen zu können. Dabei ist es wesentlich, dass diese Veränderung nicht einmalig vorgenommen und für einen nachfolgenden Prozess beibehalten wird, sondern dass die Mittel speziell in der Lage sind, während der Ausbildung der dielektrischen Schicht eine entsprechende Änderung vorzusehen.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht auf einem Substrats mittels Oxidieren und/oder Nitridieren des Substrats vorgesehen. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer mit wenigstens einem Prozessgaseinlass und wenigstens einem Substrathalter auf, der einen Aufnahmebereich zum Halten des Substrats in einem potentialfreien Zustand aufweist. Ferner sieht die Vorrichtung wenigstens eine Plasmaelektrode vor, die zwei Elektroden zum Erzeugen eines Plasmas benachbart zu bzw. in einem Haltebereich für das Substrat aufweist, wobei der Haltebereich für das Substrat nicht zwischen den Elektroden liegt, sowie Mittel zum Verändern einer Wechselbeziehung zwischen einem Substrat und einem Plasma während einer Ausbildung der dielektrischen Schicht derart, dass zu einem Zeitpunkt der Ausbildung der Schicht eine anodische Reaktion vorherrscht und zu einem anderen Zeitpunkt eine radikalische Reaktion. Dies kann beispielsweise über eine Abstandseinstellung zwischen Plasmaelektrode und Substrat und/oder ein Gitter zwischen Plasmaelektrode und Substrat, das mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen beaufschlagt werden kann, oder durch Variation des Prozessgasdrucks durch welche die Plasmaausdehnung variiert wird, erreicht werden,
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist der wenigstens eine Substrathalter wenigstens eine Fördereinheit zum Transport des Substrats entlang eines Transportpfades durch die Prozesskammer hindurch auf, um einen fortlaufenden Prozess beim Durchlauf durch die Prozesskammer vorsehen zu können. Dabei ist vorzugsweise eine Vielzahl von Plasmaelektroden vorgesehen, die wenigstens teilweise mit unterschiedlichen Abständen zum Transportpfad für das Substrat angeordnet sind, wodurch die entsprechende Abstandseinstellung zwischen Plasmaelektrode und Substrat automatisch während des Prozesses durch den Transport des Substrats entlang des Transportpfades vorgesehen wird. Dabei ist vorzugsweise wenigstens eine in Transportrichtung des Substrats vordere Plasmaelektrode mit einem größeren Abstand zum Transportpfad für das Substrat angeordnet, als eine in Transportrichtung des Substrats dahinterliegende Plasmaelektrode. Hierdurch wird während des Durchlaufs automatisch eine Reduzierung des Abstands zwischen Plasmaelektrode und Substrat vorgesehen und die Wechselbeziehung zwischen Plasma und Substrat verändert. Dabei ist es z. B. möglich, dass eine Vielzahl von ersten Plasmaelektroden eine Schräge bezüglich des Transportpfades bilden, um einen immer kleiner werdenden Abstand vorzusehen. In einem in Transportrichtung des Substrats dahinterliegenden Bereich kann eine Vielzahl von Plasmaelektroden in einer im Wesentlichen parallel zum Transportpfad liegenden Ebene vorgesehen sein, um hier einen gleichmäßige Wechselbeziehung und somit einen gleichbleibenden Wachstumsmechanismus vorzusehen.
  • Vorzugsweise ist eine Steuereinheit zum Steuern des Abstandes zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode und dem Aufnahmebereich für das Substrat während der Ausbildung der dielektrischen Schicht und der der Plasmaelektrode zugeführten Energie und/oder dem Druck oder der Zusammensetzung des Prozessgases und/oder der Temperatur des Substrats, das über wenigstens eine vom Plasma unabhängige Heizeinheit auf einen vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, vorgesehen. Hierdurch lassen sich die Plasmaeigenschaften sowie ggf. die Temperatur des Substrats einstellen, welche jeweils den Wachstumsmechanismus beeinflussen können.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Plasmaelektrode einen Mikrowellenapplikator auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Plasmaelektrode eine HF-Elektrode auf.
  • Um einen Elektronenfluss zu dem Substrat in gewünschter Weise beeinflussen zu können, ist wenigstens ein Gitter zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode und dem Aufnahmebereich für das Substrat vorgesehen. Dabei kann es vorteilhaft sein, den Abstand zwischen Gitter und Plasmaelektrode bzw. Gitter und Substrat ggf. unabhängig vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat verändern zu können.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Heizeinheit zum Erwärmen des Substrats innerhalb der Prozesskammer vorgesehen, wobei die wenigstens eine Heizeinheit so angeordnet ist, dass der Aufnahmebereich für das Substrat zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode und der wenigstens einen Heizeinheit liegt. Hierdurch ist es möglich, das Substrat unabhängig vom Plasma zu erwärmen, und zwar insbesondere derart, dass die Plasmaelektrode eine Erwärmung nicht stört. Um die Temperatur eines Substrats steuern zu können, sind bei einer Ausführungsform Mittel zum Verändern des Abstands zwischen dem Aufnahmebereich für das Substrat und der wenigstens einen Heizeinheit vorgesehen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung:
  • 3 ein Weibull-Diagramm, das die Defektdichte gegenüber der Flächenladungsdichte von unterschiedlich ausgebildeten dielektrischen Schichten zeigt,
  • 4 eine Kurve unterschiedlicher Wachstumsraten in Abhängigkeit von der Brenndauer eines Plasmas;
  • 5a und 5b schematische Darstellungen, welche unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat darstellen;
  • 6a und 6b schematische Darstellungen, welche unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit von einer elektrischen Vorspannung eines Gitters, das zwischen Plasmaelektrode und Substrat liegt, darstellen.
  • Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten relativen Begriffe, wie zum Beispiel links, rechts, über und unter beziehen sich auf die Zeichnungen und sollen die Anmeldung in keiner Weise einschränken, auch wenn sie bevorzugte Anordnungen bezeichnen können.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum Ausbilden dielektrischer Schichten auf einem Substrat 2. Die Vorrichtung 1 besitzt ein nur im Umriss angedeutetes Vakuumgehäuse 3, das eine Prozesskammer 4 definiert. Die Vorrichtung 1 weist ferner einen Transportmechanismus 6, eine Plasmaeinheit 8, sowie eine Heizeinheit 10 auf. Zusätzlich kann auch eine Kühleinheit vorgesehen sein, die gemeinsam mit der Heizeinheit eine Temperiereinheit bildet.
  • Als Substrate 2 können in der Vorrichtung 1 unterschiedliche Substrate und insbesondere Halbleitersubstrate mit einer dielektrischen Schicht versehen werden. Während der Beschichtung kann das Substrat von einem nicht dargestellten Schutzelement wenigstens teilweise umgeben sein, dass in derselben Ebene wie das Substrat liegt, um Randeffekte bei der Beschichtung zu vermeiden und die physikalische Oberfläche des Substrats virtuell zu vergrößern. Das Schutzelement sollte bevorzugt die gleichen oder zumindest ähnliche physikalische Eigenschaft wie das Substrat aufweisen. Das Vakuumgehäuse 3 besitzt geeignete, nicht gezeigte Schleusen zum Ein- und Ausbringen der Substrate 2 in die Prozesskammer 4.
  • Die Prozesskammer 4 wird unter anderem durch eine obere Wand 12 sowie eine untere Wand 14 begrenzt. Die obere Wand 12, ist beispielsweise aus Aluminium aufgebaut und derart behandelt, dass Metallverunreinigungen oder Partikel in der Prozesskammer vermieden werden. Die obere Wand 12 besitzt einen schrägen Abschnitt, der bezüglich der unteren Wand 14 abgewinkelt ist, sowie einen sich im Wesentlichen zur unteren Wand parallel erstreckenden Abschnitt, wie in 1 deutlich zu erkennen ist. Dabei ist der schräge Wandabschnitt so angeordnet, dass sich die Prozesskammer von links nach rechts – wie nachfolgen noch näher erläutert wird von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende – verjüngt. Der gerade Bereich schließt sich dann an diesen schrägen Bereich an.
  • Die untere Wand 14 erstreckt sich gradlinig und ist beispielsweise aus Quarzglas aufgebaut, um elektromagnetische Strahlung hindurchleiten zu können, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
  • Im Bereich der unteren Wand 14 ist eine Vakuumpumpe 16 vorgesehen, über die die Prozesskammer 4 abgepumpt werden kann. Die Pumpe kann aber auch an einem anderen Ort vorgesehen sein und es können auch mehrere vorgesehen sein. Ferner ist im Bereich der unteren Wand 14, ein Pyrometer 18 für eine Temperaturmessung des Substrats 2 vorgesehen. Statt eines Pyrometers kann aber auch eine andere Temperaturmessvorrichtung an einem anderen Ort der Prozesskammer oder auch direkt am Substrat 2 vorgesehen sein, die zum Beispiel auch von oben her die Temperatur des Substrats messen 2. Es können auch mehrere Temperaturmessvorrichtungen vorgesehen sein. Die Prozesskammer 4 verfügt darüber hinaus über wenigstens eine nicht gezeigte Gaszuleitung, über die ein Prozessgas in die Prozesskammer 4 eingeleitet werden kann.
  • Die Transporteinheit 6 besteht im Wesentlichen aus einem Endlostransportband 20, das über eine Vielzahl von Umlenk- und/oder Transportrollen 22 umlaufend geführt ist. Die normale Umlaufrichtung für eine Behandlung des Substrats 2 ist dabei im Uhrzeigersinn, aber es ist auch möglich das Transportband entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufend zu bewegen. Dabei ist ein oben liegendes Transporttrum des Transportbandes 20 derart angeordnet, dass es sich geradlinig durch die Prozesskammer 4 hindurch erstreckt. Somit wird ein Substrat 2 von links nach rechts durch die Prozesskammer 4 hindurch bewegt. Die Rückführung des Transportbandes 20 erfolgt außerhalb der Prozesskammer 4, um dort beispielsweise Kühl- und/oder Reinigungsprozesse an dem Transportband 20 vornehmen zu können. Das Transportband 20 besteht aus einem für elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen transparenten Material. Das Transportband 20 sollte möglichst vollständig innerhalb des Vakuumbereichs angeordnet sein, kann aber bei einer geeigneten Anordnung auch wenigstens teilweise außerhalb des Vakuumbereichs liegen. Statt eines Transportbandes 20 kann die Transporteinheit 6 beispielsweise auch einen anderen Transportmechanismus, wie beispielsweise Transportrollen oder auch eine Magnet- oder eine Luftkissenführung aufweisen.
  • Die Transporteinheit 6 kann optional als Ganzes auf und ab bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil A angezeigt ist. Hierdurch ist es, möglich die Transporteinheit 6 und insbesondere dessen Transporttrum näher an der oberen Wand 12 oder der unteren Wand 14 zu platzieren, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
  • Innerhalb der Prozesskammer 4 ist ferner die Plasmaeinheit 8 angeordnet. Die Plasmaeinheit 8 besteht aus einer Vielzahl von Plasmaelektroden 24. Die Plasmaelektroden sind vorzugsweise als stabförmige Mikrowellenapplikatoren ausgebildet, die einen Innenleiter und einen Außenleiter aufweisen. Der Außenleiter ist so ausgestaltet, dass er eine Auskopplung der Mikrowellen aus dem Zwischenbereich zwischen Innen- und Außenleiter ermöglicht, um Außerhalb dieses Bereichs ein Plasma zu bilden, dass beispielsweise die stabförmige Plasmaelektrode in Radialrichtung umgibt.
  • Dabei sind die Mikrowellenapplikatoren vorzugsweise insbesondere derart aufgebaut, das Mikrowellenstrahlung im wesentlichen senkrecht nach unten, das heißt in Richtung der unteren Wand 14 austreten können. Zusätzlich können eine oder mehrere Plasmazündvorrichtung(en) vorgesehen sein. Die Plasmaelektroden können aber auch des HF-Typs sein, insbesondere ist es auch denkbar, Plasmaelektroden 24 unterschiedlichen Typs innerhalb der Prozesskammer 4 anzuordnen. So können beispielsweise in einem Teilbereich HF-Plasmaelektroden und in einem anderen Bereich Mikrowellen-Plasmaelektroden vorgesehen sein. Die jeweiligen Plasmaelektroden haben jedoch jeweils gemeinsam, dass sich die Substrate nicht zwischen den Leitern/Elektroden der Plasmaelektrode befinden.
  • Der Aufbau der Plasmaelektroden kann so gewählt werden, dass das brennende Plasma in seiner Ausdehnung begrenzt wird und nicht mit Wänden der Prozesskammer in Berührung kommt. Hierdurch könnten ansonsten unerwünschte reaktive Spezies entstehen die zu Metallverunreinigungen auf dem Substrat führen könnten. Durch die Verwendung von Aluminium als Prozesskammermaterial kann eine entsprechende Verunreinigung ebenfalls vermieden werden, sofern eine kritische Bombardement Energie von 14 eV von aus dem Plasma austretenden Spezies nicht überschritten wird.
  • Die stabförmigen Plasmaelektroden 24 erstrecken sich jeweils senkrecht zur Zeichnungsebene quer durch die Prozesskammer 4. Von links nach rechts, d. h. von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende der Prozesskammer 4 sind die Plasmaelektroden jeweils gleichmäßig beabstandet der Kontur der oberen Wand 12 folgend angeordnet. Hierdurch ist die dem Eingangsende der Prozesskammer 4 am nächsten liegende Plasmaelektrode 24 am weitesten vom Transporttrum des Transportbandes 20 entfernt. Zur Mitte der Prozesskammer hin sind die Plasmaelektroden 24 dann immer näher zum Transportband 20 hin angeordnet, und ab der Mitte sind sie dann jeweils mit gleichem Abstand zum Transportband hin angeordnet. Hierdurch verändert sich der Abstand zwischen Substrat 2 und unmittelbar darüber liegender Plasmaelektroden 24 während der Bewegung durch die Prozesskammer 24 hindurch.
  • Die Heizeinheit 10 besteht aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die elektromagnetische Strahlung zum Heizen des Substrats 2 in Richtung der Prozesskammer 4 emittieren. Hierzu lassen sich bevorzugt Halogen und/oder Bogenlampen 31 einsetzen, wie sie beispielsweise auch üblicherweise in Schnellheizanlagen eingesetzt werden. Die Lampen 31 können optional in Quarzröhren 32 aufgenommen sein, um eine Isolierung gegenüber Prozessgasen und/oder Unterdruckverhältnissen im Bereich der Prozesskammer 4 vorzusehen. Dies kann insbesondere zweckmäßig sein, wenn die Strahlungsquellen direkt innerhalb der Prozesskammer 4 aufgenommen sind. Das heißt nicht über die untere Wand 14 von dieser getrennt sind. Alternativ oder auch zusätzlich können auch Heizlampen oberhalb der Transporteinheit 6 angeordnet sein, zum Beispiel auch zwischen den Plasmaelektroden 24.
  • 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Vorrichtung 1 zum Aufbringen dielektrischer Schichten auf einem Substrat 2 gemäß einer alternativen Ausführungsform. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform werden dieselben Bezugszeichen wie zuvor verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Elemente beschrieben werden.
  • Die Vorrichtung 1 besitzt wieder ein Gehäuse, das nur sehr schematisch bei 3 dargestellt ist. Diese Gehäuse ist wiederum als ein Vakuumgehäuse ausgefüllt, und kann über eine nicht mehr dargestellte Vakuumeinheit auf Vakuumdruck abgepumpt werden.
  • Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Prozesskammer 4 definiert. Die Vorrichtung 1 besitzt ferner eine Substrattrageinheit 6, eine Plasmaeinheit 8 sowie eine Heizeinheit 10. Die Trageinheit 6 besitzt eine Substratauflage 40, die über eine Welle 42 drehbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen wird, wie durch den Pfeil B dargestellt ist. Die Welle 42 ist hierfür mit einer nicht näher dargestellten Dreheinheit verbunden. Darüber hinaus ist die Welle 42 und somit die Auflage 40 auf und ab bewegbar, wie durch den Doppelpfeil C dargestellt ist. Hierdurch lässt sich die Auflageebene der Auflage 40 innerhalb der Prozesskammer 4 nach oben bzw. nach unten verstellen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
  • Die Plasmaeinheit 8 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Plasmaelektroden 24, die desselben Typs sein können, wie zuvor beschrieben. Die Plasmaelektroden können optional über jeweilige Führungen 46 auf und ab verschiebbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen sein, wie durch den Doppelpfeil D angezeigt ist. In einem solchen Fall könnte die Auf- und Ab- Bewegbarkeit der Trageinheit 6 entfallen, sie kann aber auch zusätzlich vorgesehen werden. Hierdurch sind lokale Änderungen des Abstands zwischen Plasmaelektrode 24 und dem Substrat 2 möglich. Insbesondere ist es hierdurch möglich in Kombination mit der Rotation eines Substrats 2 durch die Trageinheit 6 zum Beispiel in einem Randbereich der Substrate 2 größer oder kleinere Abstände im Vergleich zu einem Mittelbereich davon vorzusehen. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Plasmaelektroden 24 und/oder die Lampen 31 über die Abmessungen des Substrats 2 hinweg gehen. Auch hier kann eine Schutzvorrichtung vorgesehen sein, das Substrat 2 wenigstens teilweise in seiner Ebene umgibt, um Randeffekte zu vermeiden. Die Schutzvorrichtung kann hinsichtlich der Rotation statisch oder auch rotierbar angeordnet sein.
  • Alternativ oder auch zusätzlich zu den dargestellten Stellvorrichtungen für das Substrat 2 und oder die Plasmaelektroden 24 ist es auch möglich zwischen Plasmaelektroden 24 und Substrat 2 ein Gitter aus elektrisch leitendem Material vorzusehen. Dies kann dann beispielsweise über eine entsprechend Steuereinheit mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen beaufschlagt werden. Sowohl eine Abstandeinstellung zwischen Plasmaelektrode 24 und Substrat 2 als auch eine Beaufschlagung eines oben beschriebenen Gitters mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen kann die Wechselbeziehung zwischen Plasma und Substrat beeinflussen, wie nachfolgend näher erläutert wird.
  • Die Heizeinheit 10 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die parallel oder auch senkrecht zu den Plasmaelektroden 24 angeordnet sein können. Die Strahlungsquellen weisen jeweils eine Lampe, wie beispielsweise einen Bogen oder Halogenlampe auf, die von einer Quarzröhre 32 umgeben ist. Die Strahlung der Strahlungsquellen 30 ist in der Lage das Substrat 2 direkt zu erwärmen, wenn die Auflage 40 für die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen transparent ist. Hierzu könnte die Auflage 40 beispielsweise aus Quarz aufgebaut sein. Es ist aber auch möglich eine indirekte Heizung des Substrats 2 vorzusehen, wobei hierfür beispielsweise die Auflage 40 aus einem die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen absorbierenden Material aufgebaut ist. Die Strahlung würde dann die Auflage 40 erwärmen, die dann das Substrat 2 erwärmen würde.
  • Die Vorrichtung 1 weist vorzugsweise wenigstens eine Temperaturmesseinheit auf, um die Temperatur des Substrats 2 zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur kann an eine nicht dargestellte Steuereinheit weitergeleitet werden, die dann anhand einer Temperaturvorgabe die Heizeinheit 10 entsprechend regeln kann, um eine vorbestimmte Temperatur des Substrats zu erhalten, wie es in der Technik bekannt ist.
  • Der Betrieb der Vorrichtung gemäß der 1 und 2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei im nachfolgenden davon ausgegangen wird, dass das Substrat 2 jeweils ein Siliziumhalbleiterwafer ist. Auf diesem soll während des nachfolgend beschriebenen Prozesses eine Siliziumoxidschicht als dielektrische Schicht ausgebildet werden.
  • Hierzu wird in die Prozesskammer 4, in der ein Unterdruck herrscht ein geeignetes Prozessgas, beispielsweise aus reinem Sauerstoff oder auch einem Sauerstoff-Wasserstoffgemisch eingeleitet. Anschließend wird im Bereich der Plasmaelektroden 24 jeweils ein Plasma des Prozessgases erzeugt.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 1 wird das Substrat 2 über das Transportband 20 von links nach rechts durch die Prozesskammer hindurch geleitet, während unterhalb der jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein entsprechendes Plasma brennt. Wie zu erkennen ist, sind die links liegenden Plasmaelektroden 24, das heißt im Eingangsbereich liegenden Plasmaelektroden 24 weiter von dem Substrat 2 entfernt, als die rechts, das heißt im Ausgangsbereich der Prozesskammer 4 liegenden Plasmaelektroden 24, wenn es durch die Prozesskammer hindurch gefördert wird. Während das Substrat somit durch die Prozesskammer 4 hindurch befördert wird, verändert sich der Abstand der Plasmaelektroden zur Substratoberfläche. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Wachstumsmechanismen für das Schichtwachstum ergeben. Diese werden durch unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Plasma und Substrat bedingt, wie Anhand der 5 nachfolgend näher erläutert wird.
  • Die 5a und 5b zeigen unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit von einem Abstand zwischen einer stabförmigen Plasmaelektrode 300 und einem Substrat 320. Die stabförmige Plasmaelektrode 300 ist des Typs der in der WO 2010/015385 A beschrieben ist und die einen Innenleiter 304 und einen Außenleiter 306 aufweisen. In einem Mikrowellenauskopplungsbereich umgibt der Außenleiter 306 den Innenleiter 304 nicht vollständig. Vielmehr sieht der Außenleiter 306 eine sich zu einem freien Ende desselben vergrößernde Öffnung, die zum Substrat 320 weist, auf. 5a und 5b zeigen jeweils einen Querschnitt in diesem Auskopplungsbereich der Mikrowellenelektrode 300. Die Plasmaelektrode 300 ist jeweils von einem für Mikrowellenstrahlung im Wesentlichen durchlässigen Hüllrohr 308 wie beispielweise einem Quarzrohr umgeben. Bei einer entsprechenden Ansteuerung der Plasmaelektrode 300 wird ein das Hüllrohr 308 radial umgebendes Plasma erzeugt, das aus Elektronen 310, Radikalen 312 und Ionen 314 besteht.
  • Ferner zeigen die 5a und 5b jeweils einen Abschnitt eines Substrats 320, das zum Beispiel aus einem Si-Grundsubstrat 322 mit einer dielektrischen Schicht 324 aus beispielsweise SiOxNy besteht, wobei x und y beliebig variieren können. Bei 326 sind positive Si-Ionen gekennzeichnet. Bei der Darstellung gemäß 5a ist die Plasmaelektrode mit einem Abstand D1 zur Oberfläche des Substrats 320 angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist das Plasma bei dieser Anordnung so bezüglich des Substrats angeordnet, dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung der im Plasma vorhandenen Elektronen 310, Radikalen 312 und Ionen 314 benachbart zur Oberfläche des Substrats auftreten. Hierdurch ergibt sich eine Prozessgasabhängige anodische Oxidierung/Nitridierung der Substratoberfläche. Eine solche anodische Oxidierung/Nitridierung ist selbstjustierend und selbstheilend, so dass beliebige geometrische Formen und Schichtaufbauten (3D Strukturen) homogen oxidiert/nitridiert oder beliebige andere dielektrische Schichten abgeschieden werden können. Der Selbstheilungseffekte der anodischen Oxidierung/Nitridierung führt zu einer homogenen Durchbruchsfestigkeit der gewachsenen Schicht, da das Oxid/Nitrid solange wächst bis das elektrische Potential über die Schichtdicke abgeklungen ist. Das E-Feld ist konstant vorgegeben durch die Elektronendichte an der Oberfläche der dielektrischen Schicht 324.
  • Bei der Darstellung gemäß 5b ist die Plasmaelektrode mit einem größeren Abstand D2 zur Oberfläche des Substrats 320 angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist das Plasma bei dieser Anordnung so bezüglich des Substrats angeordnet, dass im Wesentlichen nur noch die Radikale 312 benachbart zur Oberfläche des Substrats auftreten. Hierdurch ergibt sich eine Prozessgasabhängige radikalische Oxidierung/Nitridierung der Substratoberfläche.
  • Im Vergleich zum Deal Groove Modell stellt sich eine Erweiterung des Wachstumsmodells für plasmaunterstützte und dadurch verstärkte Wachstumsprozesse dar.
  • Für dielektrische Schichten ist der Wachstumsprozess über die Reaktionsrate limitiert, jedoch durch die niedrige Substrattemperatur von vorzugsweise < 450°C nur bis ungefähr 2 nm und nicht bis 5 oder 10 nm wie bei Hochtemperaturprozessen bei > 800°C. Bei der radikalischen Oxidierung/Nitridierung ist durch die Radikalen 312 an der Oberfläche der dielektrischen Schicht 324 eine große chemische Affinität gegeben an. Es gibt kaum Diffusion der oxidierenden Spezies durch die dielektrische Schicht zur Grenzfläche bzw. vom Substrat-Eigenzwischengitteratom (geladen oder ungeladen) zur Oberfläche der dielektrischen Schicht, um dort mit den adsorbierten Radikalen zu reagieren.
  • Für die dielektrische Schicht über 2–3 nm, ist der Wachstumsprozess diffusionsratenlimitiert, wie bei thermischen Prozessen aber wegen der niedrigen Substrattemperatur braucht man eine zusätzliche Triebkraft, um die Diffusion der verschiedenen Spezies zu beschleunigen. Bei der anodischen Oxidierung/Nitridierung wird eine solche zusätzliche Triebkraft durch ein großes, elektrisches Feld erzeugt, das durch die Elektronen 310 an der Oberfläche der dielektrischen Schicht 324 hervorgerufen wird. Deshalb kann dieser Prozess in relativ kurzer Zeit bis zu 15 nm dicke dielektrische Schichten wachsen. Während dieser anodischen Prozessphase diffundieren durch das elektrische Potential getrieben sowohl oxidierende Spezies zur Grenzfläche zwischen Grundsubstrat 322 und dielektrischer Schicht 324 als auch Substrat-Eigenzwischengitteratome (geladen oder ungeladen) zur Oberfläche der dielektrischen Schicht 324, um dort mit den adsorbierten radikalen und ionischen oxidierenden Spezies zu reagieren.
  • Bei der oben genannten Vorrichtung ist daher der Abstand zwischen Substrat 2 und Plasmaelektrode 24 im Eingangsbereich beispielsweise im Bereich von 8 bis 15 cm (vorzugsweise ungefähr 10 cm) gewählt, um zunächst eine radikalische Oxidierung/Nitridierung zu erreichen. Im Ausgangbereich beträgt der Abstand hingegen beispielsweise 2 mm bis 5 cm (vorzugsweise ungefähr 2 cm), um hier eine anodische Oxidierung/Nitridierung vorzusehen. Der Abstand wird bei der Bewegung des Substrats 2 durch die Prozesskammer 4 hindurch bis ungefähr zur Mitte der Prozesskammer hin verringert, und bleibt dann bis zum Ausgang im Wesentlichen konstant. Gegebenenfalls kann der Abstand auch noch über eine Auf- oder Ab-Bewegung des Transportbandes verändert werden.
  • Über entsprechende Gaseinleitung können im Bereich der jeweiligen Plasmen unterhalb der Plasmaelektroden 24, die einander natürlich überlappen können, unterschiedliche Gaszusammensetzungen und/oder unterschiedliche Drücke eingestellt werden. Die Plasmen können aber auch durch geeignete Trennelemente, wie zum Beispiel Glasplatten voneinander getrennt werden. Auch ist es möglich über die Heizeinheit 10 das Substrat während der Bewegung durch die Prozesskammer 4 hindurch unterschiedlich aufzuheizen, so dass es beispielsweise im Eingangbereich eine höhere Temperatur besitzt als im Ausgangbereich oder umgekehrt. Das Substrat kann auf einer konstanten Temperatur gehalten werden oder auch geheizt oder durch eine nicht dargestellte Kühlvorrichtung gekühlt werden, sofern eine übermäßige Aufheizung durch das Plasma stattfindet. Hierdurch lassen sich die Wachstumsprozesse weiter beeinflussen.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist das Substrat 2 auf der Trageinheit 6 angeordnet, und wird während im Bereich der jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein Plasma brennt rotiert.
  • Der Abstand zwischen dem Substrat 2 und dem Plasmaelektroden wird während des Schichtwachstums verändert. Insbesondere wird der Abstand ausgehend von einem anfänglichen großen Abstand im Bereich von beispielsweise von 8 bis 15 cm auf einen kleinen Abstand im Bereich von beispielsweise 2 mm bis 5 cm verringert. Vorzugsweise wird der Abstand in einem Bereich von 10 bis 2 cm variiert. Während der Abstandsänderung ist es möglich zusätzlich unterschiedliche Prozessparameter betreffend die Plasmen, wie beispielsweise die Leistung der Plasmaelektroden 24, den Prozessgasdruck, einen Gaszufluss als auch eine Gaszusammensetzung innerhalb der Prozesskammer 4 einzustellen.
  • Hierdurch lässt sich wiederum ein Wechsel zwischen anodischer und radikalischer Oxidierung/Nitridierung erreichen. Wie der Fachmann erkennen kann, findet nicht immer eine rein anodische oder radikalische Oxidierung/Nitridierung statt. Vielmehr können die beiden Prozesse mit unterschiedlichem Schwerpunkt gleichzeitig stattfinden. Ob die Oxidierung/Nitridierung als anodisch oder radikalisch bezeichnet wird, hängt davon ab, welcher Prozess zu dem gegebenen Zeitpunkt primär das Schichtwachstum bestimmt.
  • Darüber hinaus ist es auch möglich, die Temperatur des Substrats 2 über die Heizeinheit 10 zu verändern. Die Abstandsänderung sowie die Einstellung der übrigen Prozessparameter sind dabei jeweils so gewählt, dass eine bevorzugt gleichmäßige Wachstums- bzw. Abscheidungsrate während des gesamten Prozesses erreicht wird. Diese sollte bevorzugt in einem Bereich von kleiner 0,5 Nanometer pro Sekunde insbesondere kleiner als 0,1 Nanometer pro Sekunde und bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 0,05 Nanometer pro Sekunde liegen.
  • Der Wachstumsprozess kann alternativ zur Abstandseinstellung oder auch zusätzlich hierzu über ein Gitter aus einem elektrisch leitenden Material beeinflusst werden. Insbesondere ist auch ein Wechsel zwischen einer primär anodischen Oxidierung/Nitridierung und einem primär radikalischen Oxidierung/Nitridierung bei gleichbleibendem Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat möglich. Dies wird nachfolgend anhand der 6a und 6b, die ähnliche Darstellungen wie die 5a und 5b zeigen, näher erläutert. Insbesondere sind wiederum jeweils eine Plasmaelektrode 300 mit Innenleiter 304 und Außenleiter 306 und ein Substrat 320 aus einem Grundsubstrat 322 mit einer dielektrischen Schicht 324 dargestellt. Im Gegensatz zur Darstellung der 5a und 5b ist der Abstand D zwischen Plasmaelektrode 300 und Substrat 320 jedoch in den 6a und 6b gleich.
  • Die Plasmaelektrode 300 umgebend ist jeweils ein Plasma aus Elektronen 310, Radikalen 312 und Ionen 314 dargestellt. Bei 326 sind wiederum positive Si-ionen dargestellt. Ferner ist zwischen Plasmaelektrode 300 und Substrat 320 jeweils ein Gitter 330 aus elektrisch leitendem Material dargestellt, das über eine nicht näher dargestellte Steuereinheit mit unterschiedlichen elektrische Vorspannungen beaufschlagt werden kann. Wenn das Gitter potentialfrei ist, dann beeinflusst es das Plasma im Wesentlichen nicht und es ergibt sich die in 6a gezeigt Situation, die zu einer anodischen Oxidierung/Nitridierung führt. Wenn das Gitter hingegen mit einer positiven Spannung beaufschlagt oder geerdet wird, dann ergibt sich die in 6b gezeigte Situation in der primär nur die Radikale 312 die Oberfläche der dielektrischen Schicht 324 erreichen, was zu einer radikalischen Oxidierung/Nitridierung führt. Um den Elektronenfluss zur Oberfläche des Substrats 320 zu beeinflussen kann auch optional der Abstand des Gitters 330 zur Oberfläche des Substrats 320 verstellt werden kann.
  • Das Plasma kann während des Prozesses bevorzugt gepulst betrieben werden. Der oben beschriebene Prozessablauf ist für die Ausbildung einer Oxidschicht als dielektrische Schicht besonders geeignet, er kann aber, wie erwähnt auch andere dielektrische Schichten bilden, wie beispielsweise eine Nitridschicht oder eine Oxidnitridschicht.
  • Als Prozessgase bieten sich hierfür beispielsweise O2, N2, NH3, NF3, D2O, Ar, N2O, H2, D2, Silan oder Dichlorsilan oder Trichlorsilan oder Dichlorethylen, GeH4, Borane (BH3B2H6), Arsin (ASH3), Phosphin (PH3CF4), TriMethylAluminium ((CH3)3Al), SF6 oder Kohlenstoffhaltige andere Gase oder Mischungen derselben oder die verschiedenen Precursor zur Herstellung von Hf- oder Zr-haltigen dielektrischen Schichten an. Die Gaszusammensetzung und/oder der Druck des Prozessgases kann während des Prozesses angepasst werden. Die Plasmaelektroden 24 sowie die Lampen 31 können jeweils einzeln und unabhängig voneinander angesteuert werden. Insbesondere ist es möglich, sie anhand mathematischer Funktionen, wie beispielsweise einer Linearfunktion, einer Exponentialfunktion, einer Quadratfunktion oder einer sonstigen Funktionen kontrolliert in ihrer Leistung zu steuern. Die Plasmaelektroden 24 oder auch die Bogenlampen/Halogenlampen 31 können dabei als Gruppen oder auch völlig unabhängig voneinander eingestellt werden, wenn dies durch einen entsprechenden Prozess vorgegeben ist.
  • Darüber hinaus kann in der Vorrichtung 1 zum Beispiel auch eine rein thermische Behandlung eines Substrats stattfinden, bei der das Substrat über die Heizeinheit auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, wie es beispielsweise bei einem post oxidation anneal der Fall ist. Hierzu kann zum Beispiel die Transporteinheit das Substrat nach dem Aufbringen der Oxidschicht das Substrat bei abgeschaltetem Plasma durch die Prozesskammer zurückführen. Bei der thermischen Behandlung können unterschiedliche Gase in die Prozesskammer eingeleitet werden. Bei der Ausführung der 2 würde das Substrat zum Beispiel für eine vorbestimmte Prozessdauer über die Oxidation hinaus in der Prozesskammer verbleiben und über die Heizeinheit geheizt werden.
  • 3 zeigt ein Weibull-Diagramm, das die Defektdichte gegenüber Flächenladungsdichte unterschiedlicher Oxidschichten zeigt. Dabei ist in 3 zu erkennen, dass einerseits eine verlängerte Brenndauer der jeweiligen Plasma die elektrische Oxidqualität wesentlich verbessert. Dieser Effekt ergibt sich nicht nur daraus, dass die Oxiddicke zunimmt, sondern auch dadurch, dass zu schnell gewachsene Schichten nach oben herauswachsen und sich somit die Grenzfläche zwischen Si/SiO2 verbessert. Daher ergibt sich die Erkenntnis, dass ein langsames Wachstum mit entsprechend langer Brenndauer des Plasmas die elektrischen Eigenschaften verbessert.
  • 4 zeigt eine Kurve unterschiedlicher Wachstumsraten in Abhängigkeit von der Brenndauer eines Plasmas und in Abhängigkeit von unterschiedlichen Gaszusammensetzungen und Drücken. Wie zu erkennen ist, sinkt die Wachstumsrate mit längeren Plasmabrenndauern und die elektrische Qualität des Dielektrikums steigt an. Unterhalb der eingezeichneten Wachstumsgrenzlinie sind die elektrischen Eigenschaften vergleichbar mit denen von dielektrischen Schichten, die bei Temperaturen über 700°C aufgewachsen wurden. Ferner ist zu erkennen, dass sich bei längeren Plasmabrenndauern auch für unterschiedliche Gaszusammensetzungen und/oder Drücken des Prozessgases im Wesentlichen vergleichbare Wachstumsraten ergeben.
  • Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein. Zum Beispiel kann die oben beschriebene Anordnung auch für eine Reinigung der Substratoberfläche vor einem Wachstumsprozess eingesetzt werden. Mit der Anordnung könnten Kontaminationen oder eine undefinierte Schicht (z. B. natives SiO2) von der Oberfläche entfernt werden. Anschließend könnte ohne einen Unterdruck zu brechen, eine definierte Schicht durch das vorgegebene Prozessgas aufgewachsen werden. Als Reinigungsgase kann man sich ein reduzierendes Gas aus reinem Wasserstoff vorstellen oder eine beliebig mit Edelgasen (wie He, Ar, etc.) verdünnte Wasserstoffatmosphäre oder auch eine reine Edelgasatmosphäre. In einem zweiten Prozessschritt nach Austausch der reduzierenden Atmosphäre ist der oben beschriebene Wachstumsprozess möglich. Der Reinigungseffekt könnte auch über den Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat und/oder die elektrische Vorspannung am Gitter (sofern vorhanden) beeinflusst werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (24)

  1. Verfahren zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht auf einem Substrat, bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas zwischen einer Plasmaelektrode und dem Substrat erzeugt wird, wodurch sich eine wenigstens teilweise chemische Reaktion von Substrat und Prozessgas und/oder eine wenigstens teilweise Abscheidung von Prozessgaskomponenten zur Bildung der dielektrischen Schicht auf dem Substrat ergibt, wobei der Abstand zwischen der Plasmaelektrode und dem Substrat während der chemischen Reaktion und/oder der Abscheidung der Prozessgaskomponenten verändert wird.
  2. Verfahren zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht mittels Oxidieren und/oder Nitridieren eines Substrats, bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas durch wenigstens eine Plasmaelektrode benachbart zum Substrat erzeugt wird, wobei das Substrat potentialfrei ist, und nicht zwischen Elektroden der wenigstens einen Plasmaelektrode liegt, und wobei ein Wechselbeziehung zwischen dem Substrat und dem Plasma während der Ausbildung derart verändert wird, dass zu einem Zeitpunkt der Ausbildung der Schicht eine anodische Reaktion vorherrscht und zu einem anderen Zeitpunkt eine radikalische Reaktion.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Wechselbeziehung zwischen dem Substrat und dem Plasma über eine Abstandseinstellung zwischen Substrat und Plasmaelektrode verändert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat in Abhängigkeit von der Dicke der bereits gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht eingestellt wird und insbesondere mit zunehmender Schichtdicke verringert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,3 und 4, wobei wenigstens einer der nachfolgenden Prozessparameter in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat variiert wird: die der Plasmaelektrode zugeführte Energie; der Druck und/oder die Zusammensetzung des Prozessgases; die Temperatur des Substrats, das über wenigstens eine vom Plasma unabhängige Wärmequelle auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zwischen dem Substrat und dem Plasma ein Gitter aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist, und wobei die Wechselbeziehung zwischen dem Substrat und dem Plasma über eine elektrische Vorspannung des Gitters verändert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Si-Substrat ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gewachsene und/oder abgeschiedene Schicht ein Oxid, Oxynitrid, ein Nitrid oder ein sonstiges Material mit einer hohen dielektrischen Konstanten von k ≥ 3,9 ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Plasma mit wenigstens einer stabförmigen Plasmaelektrode, deren Elektroden einen festen Abstand aufweisen, erzeugt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Plasma mit Mikrowellen oder HF-Strahlung erzeugt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Plasma gepulst wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wachstums- und/oder Abscheidungsrate der Schicht so gesteuert wird, dass der Schichtaufbau mit einer konstanten Rate von kleiner 0,5 nm/s, insbesondere kleiner 0,1 nm/s und bevorzugt mit 0,01 bis 0,05 nm/s stattfindet.
  13. Vorrichtung zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht auf einem Substrat, die folgendes aufweist: eine Prozesskammer mit wenigstens einem Prozessgaseinlass und wenigstens einem Substrathalter, der einen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Substrats definiert; wenigstens eine Plasmaelektrode zum Erzeugen eines Plasmas in einem Haltebereich für das Substrat; und Mittel zum Verändern eines Abstands zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode und dem Aufnahmebereich für das Substrat während der Ausbildung einer dielektrischen Schicht.
  14. Vorrichtung zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht auf einem Substrats mittels Oxidieren und/oder Nitridieren des Substrats, die folgendes aufweist: eine Prozesskammer mit wenigstens einem Prozessgaseinlass und wenigstens einem Substrathalter, der einen Aufnahmebereich zum Halten des Substrats in einem potentialfreien Zustand aufweist; und wenigstens eine Plasmaelektrode, die zwei Elektroden zum Erzeugen eines Plasmas benachbart zu bzw. in einem Haltebereich für das Substrat aufweist, wobei der Haltebereich für das Substrat nicht zwischen den Elektroden liegt; und Mittel zum Verändern einer Wechselbeziehung zwischen einem Substrat und einem Plasma während einer Ausbildung der dielektrischen Schicht derart, dass zu einem Zeitpunkt der Ausbildung der Schicht eine anodische Reaktion vorherrscht und zu einem anderen Zeitpunkt eine radikalische Reaktion.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mittel zum Verändern der Wechselbeziehung eine Bewegungseinheit zum Bewegen des Substrathalters und/oder der wenigstens einen Plasmaelektrode aufweist, um einen Abstand dazwischen zu verändern.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mittel zum Verändern der Wechselbeziehung ein Gitter aus elektrisch leitendem Material aufweisen, das zwischen der Plasmaelektrode und dem Substrathalter liegt, sowie eine Steuereinheit zum Einstellen einer elektrischen Vorspannung des Gitters.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der wenigstens eine Substrathalter wenigstens eine Fördereinheit zum Transport des Substrats entlang eines Transportpfades durch die Prozesskammer hindurch aufweist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei eine Vielzahl von Plasmaelektroden vorgesehen ist, die wenigstens teilweise mit unterschiedlichen Abständen zum Transportpfad für das Substrat angeordnet sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei wenigstens eine in Transportrichtung des Substrats vordere Plasmaelektrode einen größeren Abstand zum Transportpfad für das Substrat aufweist, als eine in Transportrichtung des Substrats dahinter liegende Plasmaelektrode.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei wenigstens eine Steuereinheit zum Steuern des Abstands zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode und dem Aufnahmebereich für das Substrat während der Ausbildung der dielektrischen Schicht und wenigstens eines weiteren der folgenden Prozessparameter vorgesehen ist: die der Plasmaelektrode zugeführte Energie; der Druck und/oder die Zusammensetzung des Prozessgases; die Temperatur des Substrats, das über wenigstens eine vom Plasma unabhängige Heizeinheit auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei wenigstens eine Plasmaelektrode einen Mikrowellenapplikator und/oder wenigstens eine HF-Elektrode aufweist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei wenigstens ein Gitter zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode und dem Aufnahmebereich für das Substrat vorgesehen ist, das geeignet ist einen Elektronenfluss zum Aufnahmebereich für das Substrat zu beeinflussen.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, die wenigstens eine Heizeinheit zum Erwärmen des Substrats innerhalb der Prozesskammer aufweist, wobei die wenigstens eine Heizeinheit so angeordnet ist, dass der Aufnahmebereich für das Substrat zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode und der wenigstens einen Heizeinheit liegt.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, die Mittel zum Verändern des Abstands zwischen dem Aufnahmebereich für das Substrat und der wenigstens einen Heizeinheit aufweist.
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