DE102010056020B4 - Method and apparatus for forming a dielectric layer on a substrate - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat (2), bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas zwischen dem Substrat (2) und einer dem Substrat (2) gegenüberliegenden, aus zwei Elektroden gebildeten Plasmaelektrode (24; 300) erzeugt wird, wodurch sich eine wenigstens teilweise chemische Reaktion von Substrat (2) und Prozessgas und/oder eine wenigstens teilweise Abscheidung von Prozessgaskomponenten zur Bildung der dielektrischen Schicht auf dem Substrat (2) ergibt, wobei der Abstand zwischen der Plasmaelektrode (24; 300) und dem Substrat (2) während der chemischen Reaktion und/oder der Abscheidung der Prozessgaskomponenten verringert wird.Method for forming a dielectric layer on a substrate (2), in which a plasma is generated from a process gas between the substrate (2) and a plasma electrode (24; 300) formed from two electrodes and opposite the substrate (2), whereby an at least partial chemical reaction of the substrate (2) and process gas and / or an at least partial deposition of process gas components to form the dielectric layer on the substrate (2) results, the distance between the plasma electrode (24; 300) and the substrate (2 ) is reduced during the chemical reaction and / or the deposition of the process gas components.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat, insbesondere auf einem Halbleitersubstrat.The present invention relates to a method and a device for forming a dielectric layer on a substrate, in particular on a semiconductor substrate.

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.In the manufacture of electronic components, such as memory chips, microprocessors, but also in photovoltaics or in the area of flat screens, different production steps are necessary to manufacture an end product. During the manufacture of the products, different layers are applied to build up the electronic component. An important class of these layers are dielectric layers, which isolate different layers. As with all other layer structures, it is necessary to build up the dielectric layers reliably and without defects in order to ensure the functionality of the component.

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.Various methods are known for forming dielectric layers on a substrate or another layer. An example of such a process is the formation of thermal oxide layers on semiconductor substrates in so-called ovens or rapid heating systems (RTP systems). There, controlled dielectric layers with high uniformity and good electrical properties can be produced.

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.A disadvantage of such a thermal oxidation can, however, lie, among other things, in the temperatures used at which the oxidation is carried out, since these can impair the underlying structures. Therefore, such systems always try to reduce the thermal budget of the treatment, but this only works to a limited extent.

Darüber hinaus ist auch eine Plasmabehandlung von Substraten zur Ausbildung dielektrischer Schichten bekannt. So beschreibt z.B. die US 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.In addition, a plasma treatment of substrates to form dielectric layers is also known. For example, describes the US 7 381 595 B2 a low-temperature plasma oxidation of a silicon semiconductor using a high-density plasma. In this patent, the plasma source, hereinafter referred to collectively as the plasma electrode, is formed by two plate-shaped electrodes lying opposite one another. The substrates are received between the two plate-shaped electrodes lying opposite and themselves form part of one electrode. The temperatures used in the plasma oxidation significantly reduce the thermal budget compared to thermal oxidation, and can thereby improve the disadvantages associated therewith.

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.However, the plasma oxidation described in this patent can lead to an uneven oxide layer and, in particular, the electrical properties of the layers thus formed can be insufficient.

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 US 2007 / 0 026 540 A1, der US 5 492 735 A sowie der US 5 281 557 A bekannt.A similar plasma electrode, which is formed from two opposite plate-shaped electrodes and in which a substrate to be treated is arranged between the electrodes, results from FIG U.S. 6,037,017 A With this plasma electrode, the distance between the electrodes can be set as a function of different process parameters. Further plasma electrodes of this type are from US 2007/0 026 540 A1, the U.S. 5,492,735 A as well as the U.S. 5,281,557 A known.

Aus der WO 2010 / 015 385 A1 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 A1 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.WO 2010/015 385 A1 describes an alternative, rod-shaped microwave plasma electrode in which an inner conductor is completely surrounded by an outer conductor in a first partial area. Adjacent to this sub-area is a sub-area in which the outer conductor provides an opening widening to a free end. In the area of the widening opening, microwave power is coupled out to generate a plasma. Another rod-shaped plasma electrode with an inner conductor, an outer conductor and a coupling-out structure is, for example, from FIG DE 197 22 272 A1 known. Such rod-shaped plasma electrodes can be arranged opposite a substrate to be treated and the substrate is not arranged between the electrodes generating the plasma. With such plasma electrodes, improved processing results can be achieved, which, however, still cannot be sufficiently good. In particular, electrical properties of layers formed using these plasma electrodes may still be insufficient.

Die US 2006 / 0 189 170 A1 zeigt eine Plasmabehandlungsvorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabehandlung bei dem ein Abstand zwischen einem Plasma und einem zu behandelnden Substrat gesteuert wird, während das zu behandelnde Substrat über eine Luftkissen-Transporteinheit über eine Plasmaelektrode bestehend aus zwei Elektroden hinweg bewegt wird.US 2006/0 189 170 A1 shows a plasma treatment device and a method for plasma treatment in which a distance between a plasma and a substrate to be treated is controlled while the substrate to be treated is moved over a plasma electrode consisting of two electrodes via an air cushion transport unit becomes.

Ferner ist aus der US 2006 / 0 003 603 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer isolierenden Schicht auf einem Substrat bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Mikrowellenplasma oberhalb des zu beschichtenden Substrats erzeugt und ein Abstand zwischen dem Plasma und dem Substrat während der Beschichtung derart verändert, dass zunächst ein großer Abstand und anschließend ein kleiner Abstand vorgesehen wird. Hierdurch soll die Schichtbildung zunächst durch Ionen im Plasma und anschließend durch Radikale auf der Oberfläche des Substrats bewirkt werden.Furthermore, US 2006/0 003 603 A1 discloses a method and a device for forming an insulating layer on a substrate. In the method, a microwave plasma is generated above the substrate to be coated and a distance between the plasma and the substrate is changed during the coating in such a way that initially a large distance and then a small distance is provided. In this way, the layer formation should first be brought about by ions in the plasma and then by radicals on the surface of the substrate.

Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Ausbildung einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat vorzusehen, das bzw. die wenigstens einen der obigen Nachteile überwindet.Proceeding from the above-mentioned prior art, the present invention is therefore based on the object of providing a method and a device for forming a dielectric layer on a substrate which overcomes at least one of the above disadvantages.

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 10. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention for this purpose a method for forming a dielectric layer according to claim 1 or 2 and a device for forming a dielectric layer according to claim 10. Further embodiments of the invention emerge from the subclaims.

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 verringert, wodurch die Ausbildung einer homogenen dielektrischen Schicht gefördert werden kann. Dabei ist zu beachten, dass der Begriff Plasmaelektrode wie er hier verwendet wird, eine Einheit aus zwei Elektroden und nicht eine einzelne Elektrode bezeichnet. Die Abstandsverringerung während der Ausbildung der dielektrischen Schicht ermöglicht eine Verbesserung der elektrischen Parameter der dielektrischen Schicht. Durch die Verringerung des Abstands lässt sich der zugrundeliegende Wachstumsmechanismus beeinflussen, wodurch die Ausbildung der dielektrischen Schicht und deren elektrischen Eigenschaften verbessert werden kann.In particular, in the method for forming a dielectric layer on a substrate, a plasma is generated from a process gas between the substrate and a plasma electrode opposite the substrate, which results in an at least partial chemical reaction of substrate and process gas and / or at least partial deposition of process gas components Formation of the dielectric layer on the substrate results. During the chemical reaction and / or the deposition of the process gas components, the distance between the plasma electrode and the substrate is reduced, whereby the formation of a homogeneous dielectric layer can be promoted. It should be noted that the term plasma electrode as used here denotes a unit made up of two electrodes and not a single electrode. The reduction in the spacing during the formation of the dielectric layer enables the electrical parameters of the dielectric layer to be improved. By reducing the distance, the underlying growth mechanism can be influenced, as a result of which the formation of the dielectric layer and its electrical properties can be improved.

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.For example, if the electrode spacing is large, for example 10 cm, the growth mechanism is based on the effect of radical components of the plasma gas. Due to the large distance, there is a recombination of the electron density with the ion density and only the radicals are retained and only oxidize the surface with a limited thickness. If the electrode spacing is small, for example 2 cm, an anodic effect prevails due to the large electron concentration directly on the substrate surface. However, such a change in the growth mechanism influences the electrical parameters of the growing dielectric layer and, in particular, also the interface properties to the underlying substrate.

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 / 015 385 A1 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.The plasma is preferably generated at least partially by rod-shaped microwave plasma electrodes with inner and outer conductors that are at a fixed distance from one another. In particular, a plasma electrode can be used, as is described in WO 2010/015 385 A1, which is made the subject of the present invention with regard to the structure of the plasma electrode. In the case of such a plasma electrode, the inner conductor and the outer conductor have any desired but fixed distance from one another, and the coupling-out structure has the effect that a microwave can be emitted and a plasma can be ignited. In particular, in the case of such a plasma electrode, the substrate to be treated does not lie between the electrodes of the plasma electrode. There is also no need for a low pressure between the electrodes, as is the case with plate-shaped electrodes, which form a plasma in between. Thus, the rod-shaped plasma electrodes can also lie outside the actual process area and can be separated from a generated plasma, for example, by cladding tubes that are essentially transparent for microwave radiation. With such a structure, the rod-shaped plasma electrode can be surrounded during operation by an electron tunnel in which different species with different charge states are located. This electron tunnel provides the different species for a reaction with / deposition on the substrate and also shields the substrate from microwave radiation so that it cannot reach the substrate.

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 dem Substrat gegenüberliegende, aus zwei Elektroden gebildete 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 Beginn der Ausbildung der Schicht eine radikalische Reaktion vorherrscht und zu einem späteren Zeitpunkt eine anodische Reaktion. Hierdurch lassen sich dielektrisch Schichten mit hervorragenden Eigenschaften herstellen.Alternatively, a method for forming a dielectric layer by means of oxidizing and / or nitriding a substrate or deposition is provided, in which a plasma is generated from a process gas by at least one plasma electrode formed from two electrodes and adjacent to the substrate, the substrate being potential-free and not between electrodes of the at least one plasma electrode, and wherein an interrelation between the substrate and the plasma is changed during the formation in such a way that a radical reaction prevails at the beginning of the formation of the layer and an anodic reaction at a later point in time. This allows dielectric layers with excellent properties to be produced.

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. Alternativ oder auch zusätzlich zur Abstandsänderung oder der Verwendung eines Gitters kann die Wechselbeziehung auch über die der Plasmaelektrode zugeführte Energie, den 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 werden. Hierdurch lässt sich einerseits das Plasma steuern und an den Wachstumsmechanismus anpassen und andererseits über die Temperatur des Substrats die Schichtbildung beeinflusst werdenThe change in the interrelationships can advantageously take place via a change in the distance between the plasma electrode and the substrate. Alternatively, a grid made of electrically conductive material can also be provided between the at least one plasma electrode and the substrate, the electrical bias of which is changed. As an alternative or in addition to changing the distance or using a grid, the interrelation can also be via the energy supplied to the plasma electrode, the pressure and / or the composition of the process gas and / or the Temperature of the substrate, which is heated to a predetermined temperature via at least one heat source independent of the plasma, can be set. In this way, on the one hand, the plasma can be controlled and adapted to the growth mechanism and, on the other hand, the layer formation can be influenced via the temperature of the substrate

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.According to a preferred embodiment of the invention, the distance between the plasma electrode and the substrate is set as a function of the thickness of the already grown and / or deposited layer and, in particular, is reduced as the layer thickness increases. In this way, for example, a layer structure driven by radical components of the plasma gas without a strong electric field and through random diffusion of the reaction components can initially be achieved. By subsequently reducing the distance, the predominant effect is shifted towards an anodic effect, in which the electric field should preferably act perpendicular to the substrate surface. This results in a self-healing effect in the growth of the dielectric layer and the layer thickness becomes more homogeneous and the atomic interface becomes flatter. This has a positive influence on the electrical parameters of the dielectric layer.

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.The energy supplied to the plasma electrode, the pressure and / or the composition of the process gas and / or the temperature of the substrate, which is heated to a predetermined temperature via at least one heat source independent of the plasma, is preferably set as a function of the distance between the plasma electrode and the substrate. In this way, on the one hand, the plasma can be controlled and adapted to the growth mechanism and, on the other hand, the layer formation can be influenced via the temperature of the substrate.

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.In a preferred embodiment of the invention, the substrate is a semiconductor substrate, and in particular a silicon substrate, which is often used in semiconductor technology because of its comparatively low cost. The substrate can also be, for example, a large panel for the solar industry, a coated glass plate or any other substrate.

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.The grown and / or deposited layer is preferably an oxide, an oxynitride, a nitride or some other material with a high dielectric constant of k 3.9. However, another dielectric layer can also be formed. According to a preferred form, the plasma is generated with microwave radiation. In an alternative embodiment, the plasma is generated with HF radiation. For a good layer structure, the plasma is preferably operated in a pulsed manner.

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.For a good formation of the dielectric layer and the resulting electrical parameters, the growth and / or deposition rate is preferably controlled in such a way that the layer structure is formed at an essentially constant rate of less than 0.5 nm / s, in particular less than 0.1 nm / s and preferably takes place at 0.01 to 0.05 nm / s. A rate with a maximum deviation of ± 10% with respect to a mean value is regarded as an essentially constant rate.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausbilden der dielektrischen Schicht auf einem Substrat ist eine Prozesskammer mit wenigstens einem Prozessgaseinlass vorgesehen. Die Vorrichtung weist auch wenigstens eine Fördereinheit zum Transport des Substrats entlang eines Transportpfades durch die Prozesskammer hindurch auf, die einen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Substrats definiert sowie eine Vielzahl von Plasmaelektroden, die wenigstens teilweise mit unterschiedlichen Abständen zum Transportpfad für das Substrat angeordnet sind, wobei wenigstens eine in Transportrichtung des Substrats stromaufwärts liegende Plasmaelektrode einen größeren Abstand zum Transportpfad für das Substrat aufweist, als eine in Transportrichtung des Substrats stromabwärts liegende Plasmaelektrode. Die Vorrichtung ermöglicht auf einfache Weise bei einer Plasmabehandlung eine Verringerung eines Abstands zwischen den Plasmaelektroden und dem Substrat. Dabei ist es vorteilhaft, dass diese Verringerung des Abstands während der Ausbildung der dielektrischen Schicht automatisch durch die Bewegung des Substrats durch die Prozesskammer hindurch erfolgt.In the device according to the invention for forming the dielectric layer on a substrate, a process chamber with at least one process gas inlet is provided. The device also has at least one conveyor unit for transporting the substrate along a transport path through the process chamber which defines a receiving area for receiving the substrate and a plurality of plasma electrodes which are at least partially arranged at different distances from the transport path for the substrate, with at least a plasma electrode located upstream in the transport direction of the substrate is at a greater distance from the transport path for the substrate than a plasma electrode located downstream in the transport direction of the substrate. The device enables a distance between the plasma electrodes and the substrate to be reduced in a simple manner during a plasma treatment. It is advantageous that this reduction in the distance occurs automatically during the formation of the dielectric layer by the movement of the substrate through the process chamber.

Es ist möglich, dass eine erste Gruppe der Vielzahl von Plasmaelektroden eine Schräge bezüglich des Transportpfades bildet, um einen immer kleiner werdenden Abstand vorzusehen. In einem in Transportrichtung des Substrats dahinterliegenden Bereich kann eine zweite Gruppe der 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.It is possible for a first group of the plurality of plasma electrodes to form an incline with respect to the transport path in order to provide an increasingly smaller distance. In an area behind in the direction of transport of the substrate, a second group of the plurality of plasma electrodes can be provided in a plane lying essentially parallel to the transport path in order to provide a uniform interrelation and thus a constant growth mechanism here.

Vorzugsweise ist eine Steuereinheit vorgesehen zum Steuern 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 eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird. Hierdurch lassen sich die Plasmaeigenschaften sowie ggf. die Temperatur des Substrats einstellen, welche jeweils den Wachstumsmechanismus beeinflussen können.A control unit is preferably provided for controlling the energy supplied to the plasma electrode and / or the pressure or the composition of the process gas and / or the temperature of the substrate, which is heated to a predetermined temperature via at least one heating unit independent of the plasma. This allows the plasma properties and, if applicable, the Set the temperature of the substrate, which can influence the growth mechanism in each case.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Plasmaelektrode einen Mikrowellenapplikator auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Plasmaelektrode eine HF-Elektrode auf.In a preferred embodiment of the invention, the plasma electrode has a microwave applicator. In an alternative embodiment, the plasma electrode has an HF electrode.

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.In one embodiment of the invention, at least one heating unit is provided for heating the substrate within the process chamber, the at least one heating unit being arranged such that the receiving area for the substrate lies between the at least one plasma electrode and the at least one heating unit. This makes it possible to heat the substrate independently of the plasma, in particular in such a way that the plasma electrode does not interfere with heating. In order to be able to control the temperature of a substrate, means for changing the distance between the receiving area for the substrate and the at least one heating unit are provided in one embodiment.

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.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. In the drawings shows:
  • 1 a schematic sectional view through an apparatus for forming a dielectric layer according to a first embodiment of the invention;
  • 2 a schematic sectional view through an apparatus for forming a dielectric layer according to a second embodiment of the invention:
  • 3 a Weibull diagram showing the defect density versus the surface charge density of differently designed dielectric layers,
  • 4th a curve of different growth rates as a function of the burning time of a plasma;
  • 5a and 5b schematic representations showing different interrelationships between a plasma and a substrate as a function of the distance between the plasma electrode and the substrate;
  • 6a and 6b schematic representations which show different interrelationships between a plasma and a substrate as a function of an electrical bias of a grid which is located between the plasma electrode and the substrate.

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.The relative terms used in the following description, such as left, right, above and below refer to the drawings and are not intended to restrict the application in any way, even if they can denote preferred arrangements.

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. 1 shows a schematic sectional view through a device 1 for forming dielectric layers on a substrate 2 . The device 1 has a vacuum housing only indicated in outline 3 , which is a process chamber 4th Are defined. The device 1 also has a transport mechanism 6th , a plasma unit 8th , as well as a heating unit 10 on. In addition, a cooling unit can also be provided which, together with the heating unit, forms a temperature control unit.

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.As substrates 2 can in the device 1 different substrates and in particular semiconductor substrates are provided with a dielectric layer. During the coating, the substrate can be at least partially surrounded by a protective element (not shown) that lies in the same plane as the substrate in order to avoid edge effects during the coating and to virtually enlarge the physical surface of the substrate. The protective element should preferably have the same or at least similar physical properties as the substrate. The vacuum housing 3 has suitable locks, not shown, for introducing and removing the substrates 2 into the process chamber 4th .

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.The process chamber 4th is among other things by a top wall 12th as well as a lower wall 14th limited. The top wall 12th , is made of aluminum, for example, and is treated in such a way that metal contamination or particles are avoided in the process chamber. The top wall 12th has a sloping portion that is relative to the lower wall 14th is angled, and a portion extending substantially parallel to the lower wall, as in FIG 1 can be clearly seen. The inclined wall section is arranged in such a way that the process chamber tapers from left to right - as will be explained in more detail below from an inlet end to an outlet end. The straight area then adjoins this inclined area.

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.The lower wall 14th extends in a straight line and is made of quartz glass, for example, in order to be able to pass electromagnetic radiation, as will be explained in more detail below.

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.In the area of the lower wall 14th is a vacuum pump 16 provided over which the process chamber 4th can be pumped out. However, the pump can also be provided at a different location, and several can also be provided. Furthermore is in the area of the lower wall 14th , on pyrometer 18th for a temperature measurement of the substrate 2 intended. Instead of a pyrometer, however, another temperature measuring device can also be used at another location in the process chamber or also directly on the substrate 2 be provided which, for example, also measure the temperature of the substrate from above 2. A plurality of temperature measuring devices can also be provided. The process chamber 4th also has at least one gas supply line, not shown, through which a process gas enters the process chamber 4th can be initiated.

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.The transport unit 6th consists essentially of an endless conveyor belt 20th that has a large number of deflection and / or transport rollers 22nd is performed all the way around. The normal direction of rotation for treating the substrate 2 is clockwise, but it is also possible to move the conveyor belt counterclockwise. There is an overhead transport strand of the conveyor belt 20th arranged in such a way that it extends in a straight line through the process chamber 4th extends therethrough. Thus becomes a substrate 2 from left to right through the process chamber 4th moved through. The return of the conveyor belt 20th takes place outside the process chamber 4th There, for example, cooling and / or cleaning processes on the conveyor belt 20th to be able to make. The conveyor belt 20th consists of a material that is essentially transparent to electromagnetic radiation. The conveyor belt 20th should be arranged as completely as possible within the vacuum area, but with a suitable arrangement can also be at least partially outside the vacuum area. Instead of a conveyor belt 20th can the transport unit 6th for example also have a different transport mechanism, such as transport rollers or a magnetic or air cushion guide.

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.The transport unit 6th can optionally be moved up and down as a whole, as indicated by the double arrow A. This makes it possible to use the transport unit 6th and especially its transport strand closer to the top wall 12th or the lower wall 14th to be placed, as will be explained in more detail below.

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.Inside the process chamber 4th is also the plasma unit 8th arranged. The plasma unit 8th consists of a large number of plasma electrodes 24 . The plasma electrodes are preferably designed as rod-shaped microwave applicators which have an inner conductor and an outer conductor. The outer conductor is designed in such a way that it enables the microwaves to be coupled out of the intermediate area between the inner and outer conductor in order to form a plasma outside this area that, for example, surrounds the rod-shaped plasma electrode in the radial direction.

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.The microwave applicators are preferably constructed in such a way that the microwave radiation is essentially perpendicular downwards, that is to say in the direction of the lower wall 14th can emerge. In addition, one or more plasma ignition devices can be provided. However, the plasma electrodes can also be of the HF type; in particular, it is also conceivable to use plasma electrodes 24 different types within the process chamber 4th to arrange. For example, HF plasma electrodes can be provided in one area and microwave plasma electrodes in another area. However, the respective plasma electrodes each have in common that the substrates are not located between the conductors / electrodes of the plasma electrode.

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.The structure of the plasma electrodes can be chosen so that the burning plasma is limited in its expansion and does not come into contact with the walls of the process chamber. This could result in otherwise undesirable reactive species which could lead to metal contamination on the substrate. By using aluminum as the process chamber material, a corresponding contamination can also be avoided, provided that a critical bombardment energy of 14 eV from species emerging from the plasma is not exceeded.

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.The rod-shaped plasma electrodes 24 each extend perpendicular to the plane of the drawing across the process chamber 4th . From left to right, ie from an entrance end to an exit end of the process chamber 4th the plasma electrodes are each equally spaced from the contour of the top wall 12th arranged following. This is the input end of the process chamber 4th closest plasma electrode 24 furthest from the transport side of the conveyor belt 20th away. The plasma electrodes are towards the middle of the process chamber 24 then closer and closer to the conveyor belt 20th arranged towards, and from the middle they are then each arranged at the same distance from the conveyor belt. This changes the distance between the substrate 2 and plasma electrodes immediately above it 24 while moving through the process chamber 24 through.

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.The heating unit 10 consists of a variety of radiation sources 30th , the electromagnetic radiation to heat the substrate 2 towards the process chamber 4th emit. Halogen and / or arc lamps can preferably be used for this purpose 31 use as they are usually used in rapid heating systems, for example. The lamps 31 can optionally in quartz tubes 32 be included in order to provide insulation against process gases and / or negative pressure conditions in the area of the process chamber 4th to be provided. This can be particularly useful if the radiation sources are located directly within the process chamber 4th are included. That doesn't mean about the bottom wall 14th are separated from this. Alternatively or in addition, heating lamps can also be installed above the transport unit 6th be arranged, for example between the plasma electrodes 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. 2 shows a schematic sectional view of an alternative device 1 for applying dielectric layers on a substrate 2 according to an alternative embodiment. In the description of this embodiment, the same reference numerals are used as before, provided that the same or similar elements are described.

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.The device 1 again has a housing which is only shown very schematically at 3. This housing is in turn filled as a vacuum housing and can be pumped down to vacuum pressure via a vacuum unit, which is no longer shown.

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.Inside the case 3 is a process chamber 4th Are defined. The device 1 also has a substrate support unit 6th , a plasma unit 8th as well as a heating unit 10 . The carrying unit 6th has a substrate support 40 going over a wave 42 rotatable within the process chamber 4th as shown by arrow B. The wave 42 is connected to a rotating unit, not shown, for this purpose. In addition, the wave is 42 and thus the edition 40 movable up and down, as shown by the double arrow C. This allows the support plane of the support 40 inside the process chamber 4th Adjust upwards or downwards, as will be explained in more detail below.

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. The plasma unit 8th in turn consists of a large number of plasma electrodes 24 which can be of the same type as previously described. The plasma electrodes can optionally be guided via respective guides 46 can be moved up and down within the process chamber 4th be worn, as indicated by the double arrow D. In such a case, the up and down mobility of the support unit 6th omitted, but it can also be provided in addition. This results in local changes in the distance between the plasma electrodes 24 and the substrate 2 possible. In particular, this makes it possible in combination with the rotation of a substrate 2 through the support unit 6th for example in an edge area of the substrates 2 to provide larger or smaller distances compared to a central area thereof. It is also advantageous if the plasma electrodes 24 and / or the lamps 31 about the dimensions of the substrate 2 go away. A protective device, the substrate, can also be provided here 2 at least partially surrounds in its plane in order to avoid edge effects. The protective device can be arranged statically or rotatably with regard to the rotation.

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.Alternatively or in addition to the illustrated adjusting devices for the substrate 2 and or the plasma electrodes 24 it is also possible between plasma electrodes 24 and substrate 2 to provide a grid of electrically conductive material. Different electrical bias voltages can then be applied to this, for example, via a corresponding control unit. Both a distance setting between the plasma electrode 24 and substrate 2 as well as applying different electrical bias voltages to a grid described above can influence the interrelationship between plasma and substrate, as will be explained in more detail below.

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.The heating unit 10 in turn consists of a large number of radiation sources 30th that are parallel or even perpendicular to the plasma electrodes 24 can be arranged. The radiation sources each have a lamp, such as, for example, an arc or halogen lamp, which is powered by a quartz tube 32 is surrounded. The radiation from the radiation sources 30th is capable of the substrate 2 directly to heat when the edition 40 for the radiation from the radiation source 30th is essentially transparent. This could be the edition 40 be made of quartz, for example. However, indirect heating of the substrate is also possible 2 to be provided, for this purpose, for example, the edition 40 from one the radiation from the radiation source 30th is composed essentially of absorbent material. The radiation would then be the condition 40 which then heat the substrate 2 would heat up.

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.The device 1 preferably has at least one temperature measuring unit to measure the temperature of the substrate 2 to determine. The determined temperature can be forwarded to a control unit (not shown), which then controls the heating unit on the basis of a temperature specification 10 can regulate accordingly to maintain a predetermined temperature of the substrate, as is known in the art.

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.The operation of the device according to 1 and 2 is explained in more detail below with reference to the drawings, it being assumed in the following that the substrate 2 each is a silicon semiconductor wafer. During the process described below, a silicon oxide layer is to be formed on this as a dielectric layer.

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.This is done in the process chamber 4th , in which there is a negative pressure, a suitable process gas, for example pure oxygen or an oxygen-hydrogen mixture, is introduced. Then in the area of the plasma electrodes 24 a plasma of the process gas is generated in each case.

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.In the embodiment according to 1 becomes the substrate 2 over the conveyor belt 20th passed through the process chamber from left to right, while below the respective plasma electrodes 24 a corresponding plasma burns. As can be seen, the plasma electrodes on the left are 24 , i.e. plasma electrodes located in the entrance area 24 further from the substrate 2 away than the one on the right, i.e. in the exit area of the process chamber 4th lying plasma electrodes 24 when it is conveyed through the process chamber. While the substrate is thus through the process chamber 4th is conveyed through, the distance between the plasma electrodes and the substrate surface changes. This results in different growth mechanisms for the layer growth. These are caused by different interactions between plasma and substrate, such as the 5 is explained in more detail below.

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 / 015 385 A1 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.The 5a and 5b show different interrelationships between a plasma and a substrate depending on a distance between a rod-shaped plasma electrode 300 and a substrate 320 . The rod-shaped plasma electrode 300 is of the type in the WO 2010 / 015 385 A1 is described and the one inner conductor 304 and an outer conductor 306 exhibit. The outer conductor surrounds a microwave coupling-out area 306 the inner conductor 304 not completely. Rather, the outer conductor sees 306 an opening which enlarges to a free end thereof and which leads to the substrate 320 exhibits. 5a and 5b each show a cross section in this coupling-out area of the microwave electrode 300 . The plasma electrode 300 is in each case of a cladding tube which is essentially permeable to microwave radiation 308 such as surrounded by a quartz tube. With a corresponding control of the plasma electrode 300 becomes a cladding tube 308 Radially surrounding plasma is generated, which is made up of electrons 310 , Radicals 312 and ions 314 consists.

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.Also show the 5a and 5b each a section of a substrate 320 , for example from a Si base substrate 322 with a dielectric layer 324 consists of, for example, SiO x N y , where x and y can vary as desired. At 326 are marked with positive Si ions. When presented in accordance with 5a is the plasma electrode at a distance D 1 from the surface of the substrate 320 arranged. As can be seen, with this arrangement the plasma is arranged with respect to the substrate in such a way that an essentially uniform distribution of the electrons present in the plasma 310 , Radicals 312 and ions 314 occur adjacent to the surface of the substrate. This results in a process gas-dependent anodic oxidation / nitridation of the substrate surface. Such an anodic oxidation / nitridation is self-adjusting and self-healing, so that any geometric shapes and layer structures (3D structures) can be homogeneously oxidized / nitrided or any other dielectric layers can be deposited. The self-healing effects of the anodic oxidation / nitridation lead to a homogeneous breakdown strength of the grown layer, since the oxide / nitride grows until the electrical potential has declined over the layer thickness. The E-field is given constant by the electron density on the surface of the dielectric layer 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.When presented in accordance with 5b is the plasma electrode with a greater distance D 2 to the surface of the substrate 320 arranged. As can be seen, in this arrangement the plasma is arranged with respect to the substrate in such a way that essentially only the radicals 312 occur adjacent to the surface of the substrate. This results in a process gas-dependent radical oxidation / nitridation of the substrate surface.

Im Vergleich zum Deal Groove Modell stellt sich eine Erweiterung des Wachstumsmodells für plasmaunterstützte und dadurch verstärkte Wachstumsprozesse dar.Compared to the Deal Groove model, the growth model is expanded for plasma-assisted and thus reinforced growth processes.

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.For dielectric layers, the growth process is limited by the reaction rate, but only up to about 2 nm and not up to 5 or 10 nm as in high-temperature processes at> 800 ° C due to the low substrate temperature of preferably <450 ° C. The radical oxidation / nitridation is through the radicals 312 on the surface of the dielectric layer 324 given a great chemical affinity. There is hardly any diffusion of the oxidizing species through the dielectric layer to the interface or from the substrate self-interstitial atom (charged or uncharged) to the surface of the dielectric layer in order to react there with the adsorbed radicals.

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.For the dielectric layer over 2-3 nm, the growth process is limited to the diffusion rate, as is the case with thermal processes, but because of the low substrate temperature, an additional driving force is required to accelerate the diffusion of the various species. In the case of anodic oxidation / nitridation, such an additional driving force is generated by a large electric field created by the electrons 310 on the surface of the dielectric layer 324 is caused. Therefore, this process can grow dielectric layers up to 15 nm thick in a relatively short time. During this anodic Process phase, driven by the electrical potential, diffuse both oxidizing species to the interface between the base substrate 322 and dielectric layer 324 as well as substrate self interstitials (charged or uncharged) to the surface of the dielectric layer 324 to react there with the adsorbed radical and ionic oxidizing species.

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.In the above device, therefore, is the distance between the substrate 2 and plasma electrode 24 in the entrance area, for example, in the range from 8 to 15 cm (preferably approximately 10 cm) selected in order to initially achieve a radical oxidation / nitridation. In the exit area, however, the distance is, for example, 2 mm to 5 cm (preferably approximately 2 cm) in order to provide anodic oxidation / nitriding here. The distance is determined by the movement of the substrate 2 through the process chamber 4th through to approximately the middle of the process chamber, and then remains essentially constant up to the exit. If necessary, the distance can also be changed by moving the conveyor belt up or down.

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.Appropriate gas inlet can be used in the area of the respective plasmas below the plasma electrodes 24 , which can naturally overlap, different gas compositions and / or different pressures can be set. However, the plasmas can also be separated from one another by suitable separating elements such as glass plates. It is also possible via the heating unit 10 the substrate as it moves through the process chamber 4th through different heating, so that it has a higher temperature, for example, in the entrance area than in the exit area or vice versa. The substrate can be kept at a constant temperature or can also be heated or cooled by a cooling device (not shown) if excessive heating by the plasma takes place. This allows the growth processes to be influenced further.

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.In the embodiment according to 2 is the substrate 2 on the support unit 6th arranged, and is while in the area of the respective plasma electrodes 24 a plasma burns rotates.

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.The distance between the substrate 2 and the plasma electrode is changed during the layer growth. In particular, starting from an initial large distance in the range of, for example, 8 to 15 cm, the distance is reduced to a small distance in the range of, for example, 2 mm to 5 cm. The distance is preferably varied in a range from 10 to 2 cm. During the change in distance, it is also possible to use different process parameters relating to the plasmas, such as the power of the plasma electrodes 24 , the process gas pressure, a gas inflow and a gas composition within the process chamber 4th adjust.

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.This in turn enables a change between anodic and radical oxidation / nitriding to be achieved. As the person skilled in the art can recognize, a purely anodic or radical oxidation / nitridation does not always take place. Rather, the two processes can take place simultaneously with a different focus. Whether the oxidation / nitridation is referred to as anodic or radical depends on which process primarily determines the layer growth at the given point in time.

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.In addition, it is also possible to change the temperature of the substrate 2 via the heating unit 10 to change. The change in distance and the setting of the other process parameters are each selected in such a way that a preferably uniform growth or deposition rate is achieved during the entire process. This should preferably be in a range of less than 0.5 nanometers per second, in particular less than 0.1 nanometers per second and preferably in the range of 0.01 to 0.05 nanometers per second.

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.The growth process can be influenced as an alternative to the adjustment of the distance or in addition to this via a grid made of an electrically conductive material. In particular, a change between a primarily anodic oxidation / nitridation and a primarily free radical oxidation / nitridation is also possible with the distance between the plasma electrode and the substrate remaining the same. This is explained below using the 6a and 6b that have representations similar to the 5a and 5b show, explained in more detail. In particular, there is again one plasma electrode in each case 300 with inner conductor 304 and outer conductor 306 and a substrate 320 from a base substrate 322 with a dielectric layer 324 shown. In contrast to the representation of the 5a and 5b is the distance D between the plasma electrode 300 and substrate 320 however in the 6a and 6b equal.

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.The plasma electrode 300 surrounding each is a plasma of electrons 310 , Radicals 312 and ions 314 shown. At 326 positive Si ions are shown again. Furthermore is between the plasma electrode 300 and substrate 320 one grid each 330 Shown made of electrically conductive material, which can be applied with different electrical bias voltages via a control unit, not shown in detail. If the grid is potential-free, then it has essentially no influence on the plasma and the in 6a situation shown, which leads to anodic oxidation / nitridation. If, on the other hand, a positive voltage is applied to the grid or is grounded, then the in 6b shown situation in which primarily only the radicals 312 the surface of the dielectric layer 324 achieve what leads to a radical oxidation / nitridation. To the flow of electrons to the surface of the substrate 320 the spacing of the grid can also optionally be influenced 330 to the surface of the substrate 320 can be adjusted.

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.The plasma can preferably be operated in a pulsed manner during the process. The process sequence described above is particularly suitable for the formation of an oxide layer as a dielectric layer, but, as mentioned, it can also form other dielectric layers, such as, for example, a nitride layer or an oxide nitride layer.

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 Zrhaltigen 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.Process gases for this purpose include, for example, O 2 , N 2 , NH 3 , NF 3 , D 2 O, Ar, N 2 O, H 2 , D 2 , silane or dichlorosilane or trichlorosilane or dichloroethylene, GeH 4 , boranes (BH 3 B 2 H 6 ), arsine (ASH 3 ), phosphine (PH 3 CF 4 ), TriMethylAluminium ((CH 3 ) 3 Al), SF 6 or other carbon-containing gases or mixtures thereof or the various precursors for the production of Hf- or Zr-containing dielectric Layers on. The gas composition and / or the pressure of the process gas can be adjusted during the process. The plasma electrodes 24 as well as the lamps 31 can be controlled individually and independently of each other. In particular, it is possible to use mathematical functions such as a linear function, an exponential function, a square function or other functions to control their performance in a controlled manner. The plasma electrodes 24 or the arc lamps / halogen lamps 31 can be set as groups or completely independently of one another if this is specified by a corresponding process.

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.In addition, in the device 1 For example, a purely thermal treatment of a substrate can also take place, in which the substrate is brought to a predetermined temperature via the heating unit, as is the case, for example, with a post oxidation anneal. For this purpose, for example, the transport unit can return the substrate through the process chamber after the oxide layer has been applied, with the plasma switched off. During the thermal treatment, different gases can be introduced into the process chamber. When executing the 2 the substrate would, for example, remain in the process chamber for a predetermined process duration beyond the oxidation and be heated via the heating unit.

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. 3 shows a Weibull diagram that shows the defect density versus surface charge density of different oxide layers. In 3 to recognize that on the one hand an extended burning time of the respective plasma significantly improves the electrical oxide quality. This effect results not only from the fact that the oxide thickness increases, but also from the fact that layers that have grown too quickly grow upwards and thus the interface between Si / SiO 2 improves. This results in the knowledge that slow growth with a correspondingly long burning time of the plasma improves the electrical properties.

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. 4th shows a curve of different growth rates as a function of the burning time of a plasma and as a function of different gas compositions and pressures. As can be seen, the growth rate decreases with longer plasma burning times and the electrical quality of the dielectric increases. Below the growth limit line shown, the electrical properties are comparable to those of dielectric layers that were grown at temperatures above 700 ° C. It can also be seen that with longer plasma burning times, essentially comparable growth rates also result for different gas compositions and / or pressures of the process gas.

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.The invention has been described above on the basis of preferred embodiments of the invention, without being limited to the specific embodiments. For example, the arrangement described above can also be used for cleaning the substrate surface before a growth process. With the arrangement, contamination or an undefined layer (for example native SiO 2 ) could be removed from the surface. Subsequently, a defined layer could be grown by the specified process gas without breaking a negative pressure. A reducing gas made of pure hydrogen, a hydrogen atmosphere diluted with noble gases (such as He, Ar, etc.) or a pure noble gas atmosphere can be imagined as cleaning gases. In a second process step after exchanging the reducing atmosphere, the growth process described above is possible. The cleaning effect could also be influenced by the distance between the plasma electrode and the substrate and / or the electrical bias voltage on the grid (if present).

Claims (14)

Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat (2), bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas zwischen dem Substrat (2) und einer dem Substrat (2) gegenüberliegenden, aus zwei Elektroden gebildeten Plasmaelektrode (24; 300) erzeugt wird, wodurch sich eine wenigstens teilweise chemische Reaktion von Substrat (2) und Prozessgas und/oder eine wenigstens teilweise Abscheidung von Prozessgaskomponenten zur Bildung der dielektrischen Schicht auf dem Substrat (2) ergibt, wobei der Abstand zwischen der Plasmaelektrode (24; 300) und dem Substrat (2) während der chemischen Reaktion und/oder der Abscheidung der Prozessgaskomponenten verringert wird.Method for forming a dielectric layer on a substrate (2), in which a plasma of a process gas between the substrate (2) and a substrate (2) opposite, Plasma electrode (24; 300) formed from two electrodes is generated, resulting in an at least partial chemical reaction of substrate (2) and process gas and / or at least partial deposition of process gas components to form the dielectric layer on substrate (2), wherein the distance between the plasma electrode (24; 300) and the substrate (2) is reduced during the chemical reaction and / or the deposition of the process gas components. Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht mittels Oxidieren und/oder Nitridieren eines Substrats (2), bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas durch wenigstens eine dem Substrat gegenüberliegende, aus zwei Elektroden gebildete Plasmaelektrode (24; 300) benachbart zum Substrat (2) erzeugt wird, wobei das Substrat (2) potentialfrei ist, und nicht zwischen Elektroden der wenigstens einen Plasmaelektrode (24; 300) liegt, und wobei ein Wechselbeziehung zwischen dem Substrat (2) und dem Plasma während der Ausbildung derart verändert wird, dass zu einem anfänglichen Zeitpunkt der Ausbildung der Schicht eine radikalische Reaktion vorherrscht und zu einem späteren Zeitpunkt eine anodische Reaktion.Method for forming a dielectric layer by means of oxidizing and / or nitriding a substrate (2), in which a plasma is generated from a process gas by at least one plasma electrode (24; 300) opposite the substrate and formed from two electrodes adjacent to the substrate (2) , wherein the substrate (2) is floating, and is not between electrodes of the at least one plasma electrode (24; 300), and wherein an interrelation between the substrate (2) and the plasma is changed during the formation in such a way that at an initial point in time a radical reaction prevails during the formation of the layer and an anodic reaction at a later point in time. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Wechselbeziehung zwischen dem Substrat (2) und dem Plasma über eine Abstandseinstellung zwischen Substrat (2) und Plasmaelektrode (24; 300) verändert wird.Procedure according to Claim 2 , wherein the interrelationship between the substrate (2) and the plasma is changed by adjusting the distance between the substrate (2) and the plasma electrode (24; 300). Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Abstand zwischen Plasmaelektrode (24; 300) und Substrat (2) in Abhängigkeit von der Dicke der bereits gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht so eingestellt wird, dass der Abstand mit zunehmender Schichtdicke verringert wird.Procedure according to Claim 1 or 3 , the distance between the plasma electrode (24; 300) and the substrate (2) being adjusted as a function of the thickness of the already grown and / or deposited layer in such a way that the distance is reduced as the layer thickness increases. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, wobei wenigstens einer der nachfolgenden Prozessparameter in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode (24; 300) und Substrat (2) variiert wird: die der Plasmaelektrode (24; 300) zugeführte Energie; der Druck und/oder die Zusammensetzung des Prozessgases; die Temperatur des Substrats (2), das über wenigstens eine vom Plasma unabhängige Wärmequelle auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird.Method according to one of the Claims 1 , 3 and 4th , wherein at least one of the following process parameters is varied as a function of the distance between the plasma electrode (24; 300) and the substrate (2): the energy supplied to the plasma electrode (24; 300); the pressure and / or the composition of the process gas; the temperature of the substrate (2), which is heated to a predetermined temperature via at least one heat source independent of the plasma. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zwischen dem Substrat (2) und dem Plasma ein Gitter (330) aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist, und wobei die Wechselbeziehung zwischen dem Substrat (2) und dem Plasma über eine elektrische Vorspannung des Gitters (330) verändert wird.Procedure according to Claim 2 wherein a grid (330) of electrically conductive material is provided between the substrate (2) and the plasma, and wherein the interrelationship between the substrate (2) and the plasma is changed via an electrical bias of the grid (330). 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the grown and / or deposited layer is an oxide, oxynitride, a nitride or some other material with a high dielectric constant of k ≥ 3.9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Plasma mit wenigstens einer stabförmigen Plasmaelektrode (24; 300), deren Elektroden einen festen Abstand aufweisen, erzeugt wird und wobei das Plasma mit Mikrowellen oder HF-Strahlung erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the plasma is generated with at least one rod-shaped plasma electrode (24; 300), the electrodes of which are at a fixed distance, and wherein the plasma is generated with microwaves or HF radiation. 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 stattfindet.Method according to one of the preceding claims, wherein the growth and / or deposition rate of the layer is controlled in such a way that the layer structure takes place at a constant rate of less than 0.5 nm / s. Vorrichtung (1) zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat (2), die folgendes aufweist: eine Prozesskammer (4) mit wenigstens einem Prozessgaseinlass; wenigstens eine Fördereinheit (20, 22) zum Transport des Substrats (2) entlang eines Transportpfades durch die Prozesskammer (4) hindurch, die einen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Substrats (2) definiert; eine Vielzahl von dem Transportpfad gegenüberliegenden jeweils aus zwei Elektroden gebildeten Plasmaelektroden (24), die wenigstens teilweise mit unterschiedlichen Abständen zum Transportpfad für das Substrat angeordnet sind, wobei wenigstens eine in Transportrichtung des Substrats (2) stromaufwärts liegende Plasmaelektrode (24) einen größeren Abstand zum Transportpfad für das Substrat (2) aufweist, als eine in Transportrichtung des Substrats (2) stromabwärts liegende Plasmaelektrode (24).Apparatus (1) for forming a dielectric layer on a substrate (2), comprising: a process chamber (4) with at least one process gas inlet; at least one conveyor unit (20, 22) for transporting the substrate (2) along a transport path through the process chamber (4), which defines a receiving area for receiving the substrate (2); a plurality of plasma electrodes (24) opposite the transport path, each formed from two electrodes, which are at least partially arranged at different distances from the transport path for the substrate, with at least one plasma electrode (24) upstream in the transport direction of the substrate (2) having a greater distance from the Has a transport path for the substrate (2) as a plasma electrode (24) located downstream in the transport direction of the substrate (2). Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei wenigstens eine Steuereinheit zum Steuern wenigstens eines der folgenden Prozessparameter vorgesehen ist: die der Plasmaelektrode (24) zugeführte Energie; der Druck und/oder die Zusammensetzung des Prozessgases; die Temperatur des Substrats (2), das über wenigstens eine vom Plasma unabhängige Heizeinheit (10) auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird.Device (1) according to Claim 10 wherein at least one control unit is provided for controlling at least one of the following process parameters: the energy supplied to the plasma electrode (24); the pressure and / or the composition of the process gas; the temperature of the substrate (2), which is heated to a predetermined temperature via at least one heating unit (10) which is independent of the plasma. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei wenigstens eine Plasmaelektrode (24) einen Mikrowellenapplikator und/oder wenigstens eine HF-Elektrode aufweist.Device according to one of the Claims 10 to 11 , wherein at least one plasma electrode (24) has a microwave applicator and / or at least one HF electrode. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die wenigstens eine Heizeinheit (10) zum Erwärmen des Substrats innerhalb der Prozesskammer (4) aufweist, wobei die wenigstens eine Heizeinheit (10) so angeordnet ist, dass ein Aufnahmebereich für das Substrat (2) zwischen der wenigstens einen Plasmaelektrode (24) und der wenigstens einen Heizeinheit (10) liegt.Device according to one of the Claims 10 to 12th which has at least one heating unit (10) for heating the substrate within the process chamber (4), wherein the at least one heating unit (10) is arranged so that a receiving area for the substrate (2) lies between the at least one plasma electrode (24) and the at least one heating unit (10). Vorrichtung nach Anspruch 13, die Mittel zum Verändern des Abstands zwischen dem Aufnahmebereich für das Substrat (2) und der wenigstens einen Heizeinheit (10) aufweist.Device according to Claim 13 which has means for changing the distance between the receiving area for the substrate (2) and the at least one heating unit (10).
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