DE102011119013B4

DE102011119013B4 - Verfahren zum ausbilden einer dielektrischen schicht auf einem substrat

Info

Publication number: DE102011119013B4
Application number: DE102011119013.2A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Beckmann
Original assignee: HQ Dielectrics GmbH
Current assignee: HQ Dielectrics GmbH
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: DE102011119013A1

Abstract

Verfahren zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht auf einem Substrat, bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas zwischen dem Substrat und einer dem Substrat gegenüberliegenden, aus zwei Elektroden gebildeten Plasmaelektrode erzeugt wird, wodurch sich eine wenigstens teilweise chemische Reaktion von Substrat und Prozessgas und/oder eine wenigstens teilweise Abscheidung von Prozessgaskomponenten zur Bildung der dielektrischen Schicht auf dem Substrat ergibt, wobei der Abstand zwischen der Plasmaelektrode und dem Substrat während der chemischen Reaktion und/oder der Abscheidung der Prozessgaskomponenten verändert wird, wobei der Abstand von einem ersten Abstand zu Beginn der chemischen Reaktion zu einem zweiten Abstand und vom zweiten Abstand zu einem dritten Abstand verändert wird, wobei der erste Abstand größer als der zweite Abstand und der zweite Abstand kleiner als der dritte Abstand ist, wobei das Substrat für eine vorgegebene Zeit oder in Abhängigkeit von der Dicke der bereits gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht mit dem zweiten Abstand beabstandet zur Plasmaelektrode gehalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat, insbesondere auf einem Halbleitersubstrat.
Bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Speicherchips, Mikroprozessoren, aber auch in der Photovoltaik oder im Bereich von Flachbildschirmen sind unterschiedliche Produktionsschritte zur Herstellung eines Endprodukts notwendig. Dabei werden während der Herstellung der Produkte unterschiedliche Schichten zum Aufbau des elektronischen Bauelements aufgebracht. Eine wichtige Klasse dieser Schichten sind dielektrische Schichten, welche unterschiedliche Schichten isolieren. Wie auch bei allen anderen Schichtaufbauten ist es notwendig, die dielektrischen Schichten fehlerfrei und zuverlässig aufzubauen, um die Funktionalität des Bauelements sicherzustellen.
Für die Ausbildung von dielektrischen Schichten auf einem Substrat oder einer anderen Schicht sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist die Ausbildung thermischer Oxidschichten auf Halbleitersubstraten in so genannten Öfen oder Schnellheizanlagen (RTP-Anlagen). Dort können kontrolliert dielektrische Schichten mit hoher Gleichmäßigkeit und guten elektrischen Eigenschaften erzeugt werden.
Ein Nachteil einer solchen thermischen Oxidation kann jedoch unter anderem in den verwendeten Temperaturen liegen bei denen die Oxidation durchgeführt wird, da diese die darunterliegenden Strukturen beeinträchtigen können. Daher sind solche Systeme immer bemüht das thermische Budget der Behandlung zu reduzieren, was aber nur bedingt gelingt.
Darüber hinaus ist auch eine Plasmabehandlung von Substraten zur Ausbildung dielektrischer Schichten bekannt. So beschreibt z.B. 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.
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.
Aus der WO 2011/076430 A2 sowie der US 2006/0003603 A1 sind jeweils Verfahren bekannt, bei denen während einer Plasmabehandlung der Abstand zwischen dem zu behandelnden Substrat und einer Mikrowellenplasmaelektrode gemäß bestimmter Vorgaben verändert werden. Ferner ist aus der US 5 099 788 A ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbildung eines Diamantfilms mittels PECVD bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Plasmastrahl aus einem Plasmagas, in den ein Kohlenstoff enthaltendes Gas eingeleitet wird, auf eine Oberfläche eines zu beschichtenden Substrats gerichtet. Um die Temperatur der Substratoberfläche innerhalb eines kleinen Temperaturfensters zu halten, ist eine Temperatursteuerung über eine Abstandsvariation bezüglich der Quelle des Plasmastrahls beschrieben.
Als weiterer Stand der Technik sind DE 10 2010 056 020 A1 , JP H04 - 9474 A , JP 2001 - 144088 A und US 6037 017 A bekannt. Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Ausbildung einer dielektrischen Schicht mit verbesserten Eigenschaften auf einem Substrat vorzusehen.
Erfindungsgemäß ist hierfür ein Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht nach Anspruch 1 oder 2 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird bei dem Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht auf einem Substrat ein Plasma aus einem Prozessgas zwischen dem Substrat und einer dem Substrat gegenüberliegenden, aus zwei Elektroden gebildeten Plasmaelektrode erzeugt, wodurch sich eine wenigstens teilweise chemische Reaktion von Substrat und Prozessgas und/oder eine wenigstens teilweise Abscheidung von Prozessgaskomponenten zur Bildung der dielektrischen Schicht auf dem Substrat ergibt. Während der chemischen Reaktion und/oder der Abscheidung der Prozessgaskomponenten, wird der Abstand zwischen der Plasmaelektrode und dem Substrat verändert, wobei der Abstand von einem ersten Abstand zu Beginn der chemischen Reaktion zu einem zweiten Abstand und vom zweiten Abstand zu einem dritten Abstand verändert wird, wobei der erste Abstand größer als der zweite Abstand und der zweite Abstand kleiner als der dritte Abstand ist, wobei das Substrat für eine vorgegebene Zeit oder in Abhängigkeit von der Dicke der bereits gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht mit dem zweiten Abstand beabstandet zur Plasmaelektrode gehalten wird. Hierdurch kann die Ausbildung einer homogenen dielektrischen Schicht gefördert werden kann. Durch den anfänglich größeren Abstand können Zündeffekte während der Plasmazündung zunächst gering gehalten werden. Darüber hinaus kann eine gute erste Lage bei geringer Wachstumsgeschwindigkeit ausgebildet werden. Durch die Abstandsverringerung kann dann eine gewünschte Wachstumsgeschwindigkeit aufrechterhalten oder eingestellt werden. Die anschließende Abstandsvergrößerung bewirkt eine Verbesserung der Grenzflächeneigenschaften der Schicht. Hier kann der Schicht (z.B. Oxid/Nitrid) ausreichend Zeit gegeben werden in ein stöchiometrisches Gleichgewicht zu gelangen.
Der Begriff Plasmaelektrode wie er hier verwendet wird bezeichnet eine Einheit aus zwei stabförmigen Elektroden, die koaxial zueinander angeordnet sind. Eine solche Plasmaelektrode wird auch als Plasmastab oder -emitter bezeichnet. Die äußere der beiden Elektroden besitzt vorzugsweise eine sich derart öffnende Auskopplungsöffnung, dass die innere Elektrode allmählich freigegeben wird. Die Abstandsänderung während der Ausbildung der dielektrischen Schicht ermöglicht eine Verbesserung der elektrischen Parameter der dielektrischen Schicht. Durch die Veränderung des Abstands lässt sich der zugrundeliegende Wachstumsmechanismus beeinflussen, wodurch die Ausbildung der dielektrischen Schicht und deren elektrischen Eigenschaften verbessert werden kann.
So basiert der Wachstumsmechanismus beispielsweise bei einem großen Elektrodenabstand von beispielsweise 10 cm auf dem Effekt radikaler Komponenten des Plasmagases. Durch den großen Abstand findet eine Rekombination der Elektronendichte mit der Ionendichte statt und nur die Radikale bleiben erhalten und oxidieren nur mit limitierter Dicke die Oberfläche. Bei kleinem Elektrodenabstand von beispielsweise 2 cm herrscht durch die große Elektronenkonzentration direkt an der Substratoberfläche ein anodischer Effekt vor. Eine solche Änderung im Wachstumsmechanismus beeinflusst die elektrischen Parameter der wachsenden dielektrischen Schicht und insbesondere auch die Grenzflächen- oder Interface-Eigenschaften zu dem darunterliegenden Substrat.
Dabei wird das Plasma vorzugsweise wenigstens teilweise durch stabförmige Mikrowellen-Plasmaelektroden mit Innen- und Außenleiter, die einen festen Abstand zueinander aufweisen erzeugt. Insbesondere kann eine Plasmaelektrode eingesetzt werden, wie sie in der WO 2010 015385 A beschrieben ist, die hinsichtlich des Aufbaus der Plasmaelektrode zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird, eingesetzt werden. Bei einer solchen Plasmaelektrode haben der Innenleiter und der Außenleiter einen beliebigen aber festen Abstand zueinander, und die Auskopplungsstruktur bewirkt dass eine Mikrowelle abgestrahlt und ein Plasma gezündet werden kann. Insbesondere liegt bei einer solchen Plasmaelektrode das zu behandelnde Substrat nicht zwischen den Elektroden der Plasmaelektrode. Zwischen den Elektroden muss auch kein Niederdruck herrschen, wie es bei plattenförmigen Elektroden, die dazwischen ein Plasma bilden der Fall ist. Somit können die stabförmigen Plasmaelektroden auch außerhalb des eigentlichen Prozessbereichs liegen und zum Beispiel über für Mikrowellenstrahlung im Wesentlichen transparente Hüllrohre von einem erzeugten Plasma getrennt sein. Bei einem solchen Aufbau kann die stabförmige Plasmaelektrode während des Betriebs von einem Elektronentunnel umgeben sein in dem sich verschiedene Spezies mit verschiedenen Ladungszuständen befinden. Dieser Elektronentunnel sieht die unterschiedlichen Spezies für eine Reaktion mit/Abscheidung auf dem Substrat vor und schirmt das Substrat auch gegenüber einer Mikrowellenstrahlung ab, so dass diese nicht auf das Substrat gelangen kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht mittels Oxidieren und/oder Nitridieren eines Substrats, wird ein Plasma aus einem Prozessgas durch wenigstens eine dem Substrat gegenüberliegende, aus zwei Elektroden gebildete Plasmaelektrode benachbart zum Substrat erzeugt, wobei das Substrat potentialfrei ist, und nicht zwischen Elektroden der wenigstens einen Plasmaelektrode liegt. Eine Wechselbeziehung zwischen dem Substrat und dem Plasma wird derart verändert, dass zunächst eine radikalische Reaktion vorherrscht, dann eine anodische Reaktion und abschließend wieder eine radikalische Reaktion. Auch bei diesem Verfahren lassen sich dielektrisch Schichten mit hervorragenden Eigenschaften herstellen.
Die Veränderung der Wechselbeziehungen kann vorteilhafterweise über eine Abstandsänderung zwischen Plasmaelektrode und Substrat erreicht werden. Alternativ kann auch ein Gitter aus elektrisch leitendem Material zwischen der wenigsten einen Plasmaelektrode und dem Substrat vorgesehen sein, dessen elektrische Vorspannung verändert wird. Auch andere das Plasma beeinflussende Prozessparameter, wie der Druck und/oder die Zusammensetzung des Prozessgases, die in das Plasma eingespeiste Energie etc können für die Änderung der Wechselbeziehung verändert werden.
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. Hierdurch kann z.B. zunächst ein durch radikale Komponenten des Plasmagases getriebener Schichtaufbau ohne starkes elektrisches Feld und durch zufällig gerichtete Diffusion der Reaktionskomponenten erreicht werden. Durch eine anschließende Verringerung des Abstandes wird der vorherrschende Effekt zu einem anodischen Effekt hin verschoben, bei dem das elektrische Feld vorzugsweise senkrecht zur Substratoberfläche wirken sollte. Hierdurch ergibt sich ein selbstheilender Effekt im Wachstum der dielektrischen Schicht und die Schichtdicke wird homogener bzw. das atomare Interface flacher. Hierdurch werden die elektrischen Parameter der dielektrischen Schicht positiv beeinflusst.
Vorzugsweise wird in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat die der Plasmaelektrode zugeführte Energie, der Druck und/oder die Zusammensetzung des Prozessgases und/oder die Temperatur des Substrats, das über wenigstens eine vom Plasma unabhängige Wärmequelle auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, eingestellt. Hierdurch lässt sich einerseits das Plasma steuern und an den Wachstumsmechanismus anpassen und andererseits über die Temperatur des Substrats die Schichtbildung beeinflusst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat ein Halbleitersubstrat, und insbesondere ein Siliziumsubstrat, das aufgrund seiner vergleichsweise geringen Kosten häufig in der Halbleitertechnologie verwendet wird. Das Substrat kann aber auch zum Beispiel ein großes Panel für die Solarindustrie, eine beschichtete Glasplatte oder ein beliebiges anders Substrat sein.
Bei der gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht handelt es sich vorzugsweise um ein Oxid, ein Oxynitrid, ein Nitrid oder ein sonstiges Material mit einer hohen dielektrischen Konstante von k ≥ 3,9. Es kann aber auch eine andere dielektrische Schicht ausgebildet werden. Gemäß einer bevorzugten Form wird das Plasma mit Mikrowellenstrahlung erzeugt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Plasma mit HF-Strahlung erzeugt. Für einen guten Schichtaufbau wird das Plasma vorzugsweise gepulst betrieben.
Für eine gute Ausbildung der dielektrischen Schicht und der sich daraus ergebenden elektrischen Parameter wird die Wachstums- und/oder Abscheidungsrate vorzugsweise so gesteuert, dass der Schichtaufbau mit einer Rate von durchschnittlich kleiner 0,5 nm/s insbesondere kleiner 0,1 nm/s und bevorzugt mit 0,01 bis 0,05 nm/s stattfindet. Dabei sollte die Wachstumsrate bevorzugt immer unter den oben genannten Werten bleiben. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Wachstumsrate im Wesentlichen konstant gehalten wird. Als im Wesentlichen konstante Rate wird dabei eine Rate mit einer maximalen Abweichung von ±10% bezüglich eines Mittelwertes angesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung:
3 ein Weibull-Diagramm, das die Defektdichte gegenüber der Flächenladungsdichte von unterschiedlich ausgebildeten dielektrischen Schichten zeigt,
4 eine Kurve unterschiedlicher Wachstumsraten in Abhängigkeit von der Brenndauer eines Plasmas;
5a und 5b schematische Darstellungen, welche unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat darstellen;
6a und 6b schematische Darstellungen, welche unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit von einer elektrischen Vorspannung eines Gitters, das zwischen Plasmaelektrode und Substrat liegt, darstellen.

Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten relativen Begriffe, wie zum Beispiel links, rechts, über und unter beziehen sich auf die Zeichnungen und sollen die Anmeldung in keiner Weise einschränken, auch wenn sie bevorzugte Anordnungen bezeichnen können.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum Ausbilden dielektrischer Schichten auf einem Substrat 2. Die Vorrichtung 1 besitzt ein nur im Umriss angedeutetes Vakuumgehäuse 3, das eine Prozesskammer 4 definiert. Die Vorrichtung 1 weist ferner einen Transportmechanismus 6, eine Plasmaeinheit 8, sowie eine Heizeinheit 10 auf. Zusätzlich kann auch eine Kühleinheit vorgesehen sein, die gemeinsam mit der Heizeinheit eine Temperiereinheit bildet.
Als Substrate 2 können in der Vorrichtung 1 unterschiedliche Substrate und insbesondere Halbleitersubstrate mit einer dielektrischen Schicht versehen werden. Während der Beschichtung kann das Substrat von einem nicht dargestellten Schutzelement wenigstens teilweise umgeben sein, dass in derselben Ebene wie das Substrat liegt, um Randeffekte bei der Beschichtung zu vermeiden und die physikalische Oberfläche des Substrats virtuell zu vergrößern. Das Schutzelement sollte bevorzugt die gleichen oder zumindest ähnliche physikalische Eigenschaft wie das Substrat aufweisen.
Das Vakuumgehäuse 3 besitzt linkerhand wenigstens eine nicht gezeigte Schleuse zum Ein- und Ausbringen der Substrate 2 in die Prozesskammer 4. Alternativ kann auch rechterhand eine entsprechende Schleuse vorgesehen sein, was einen Durchlaufbetrieb ermöglicht.
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 verjüngt. Der gerade Bereich schließt sich dann an diesen schrägen Bereich an. Obwohl dies nicht dargestellt ist, sei bemerkt, dass sich rechterhand an den geraden Bereich ein weiterer schräger Abschnitt anschließen kann. Der weitere schräge Abschnitt wäre dann so angeordnet, dass sich die Prozesskammer von links nach rechts erweitert, d.h. dass sich der Abstand zwischen schrägem Wandabschnitt und unterer Wand vergrößert. Bei dem zuletzt genannten Aufbau kann die Vorrichtung bevorzugt in einem Durchlaufmodus betrieben werden, wenn beidseitig entsprechende Schleusen vorgesehen sind, wie nachfolgen noch näher erläutert wird.
Die untere Wand 14 erstreckt sich gradlinig und ist beispielsweise aus Quarzglas aufgebaut, um elektromagnetische Strahlung hindurchleiten zu können, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Im Bereich der unteren Wand 14 ist eine Vakuumpumpe 16 vorgesehen, über die die Prozesskammer 4 abgepumpt werden kann. Die Pumpe kann aber auch an einem anderen Ort vorgesehen sein und es können auch mehrere vorgesehen sein. Ferner ist im Bereich der unteren Wand 14, ein Pyrometer 18 für eine Temperaturmessung des Substrats 2 vorgesehen. Statt eines Pyrometers kann aber auch eine andere Temperaturmessvorrichtung an einem anderen Ort der Prozesskammer oder auch direkt am Substrat 2 vorgesehen sein, die zum Beispiel auch von oben her die Temperatur des Substrats messen 2. Es können auch mehrere Temperaturmessvorrichtungen vorgesehen sein. Die Prozesskammer 4 verfügt darüber hinaus über wenigstens eine nicht gezeigte Gaszuleitung, über die ein Prozessgas in die Prozesskammer 4 eingeleitet werden kann.
Die Transporteinheit 6 besteht im Wesentlichen aus einem Endlostransportband 20, das über eine Vielzahl von Umlenk- und/oder Transportrollen 22 umlaufend geführt ist. Die Umlaufrichtung kann je nach Behandlung selektiv eingestellt werden. Die anfängliche Umlaufrichtung für eine Behandlung des Substrats 2 kann beispielsweise im Uhrzeigersinn verlaufen, während sie zu einem späteren Zeitpunkt der Behandlung entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft, wenn ein Be- und Entladen auf der linken Seite erfolgt. In einem Durchlaufbetrieb könnte die Umlaufrichtung hingegen im oder entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufen wenn beidseitig des geraden Bereichs der oberen Wand 12 schräge Bereiche vorgesehen sind.
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 und entgegensetzt in der Prozesskammer 4 bewegt werden. Die Rückführung des Transportbandes 20 erfolgt außerhalb der Prozesskammer 4, um dort beispielsweise Kühl- und/oder Reinigungsprozesse an dem Transportband 20 vornehmen zu können. Das Transportband 20 besteht aus einem für elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen transparenten Material. Das Transportband 20 sollte möglichst vollständig innerhalb des Vakuumbereichs angeordnet sein, kann aber bei einer geeigneten Anordnung auch wenigstens teilweise außerhalb des Vakuumbereichs liegen. Statt eines Transportbandes 20 kann die Transporteinheit 6 beispielsweise auch einen anderen Transportmechanismus, wie beispielsweise Transportrollen oder auch eine Magnet- oder eine Luftkissenführung aufweisen.
Die Transporteinheit 6 kann optional als Ganzes auf und ab bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil A angezeigt ist. Hierdurch ist es, möglich die Transporteinheit 6 und insbesondere dessen Transporttrum näher an der oberen Wand 12 oder der unteren Wand 14 zu platzieren, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Plasmaeinheit 8 besteht aus einer Vielzahl von Plasmaelektroden 24, die innerhalb der Prozesskammer 4 angeordnet ist. Die Plasmaelektroden sind vorzugsweise als stabförmige Mikrowellenapplikatoren ausgebildet, die einen Innenleiter und einen Außenleiter aufweisen. Der Außenleiter ist so ausgestaltet, dass er eine Auskopplung der Mikrowellen aus dem Zwischenbereich zwischen Innen- und Außenleiter ermöglicht, um Außerhalb dieses Bereichs ein Plasma zu bilden, dass beispielsweise die stabförmige Plasmaelektrode in Radialrichtung umgibt.
Dabei sind die Mikrowellenapplikatoren vorzugsweise insbesondere derart aufgebaut, das Mikrowellenstrahlung im wesentlichen senkrecht nach unten, das heißt in Richtung der unteren Wand 14 austreten können. Zusätzlich können eine oder mehrere Plasmazündvorrichtung(en) vorgesehen sein. Die Plasmaelektroden können aber auch des HF-Typs sein, insbesondere ist es auch denkbar, Plasmaelektroden 24 unterschiedlichen Typs innerhalb der Prozesskammer 4 anzuordnen. So können beispielsweise in einem Teilbereich HF-Plasmaelektroden und in einem anderen Bereich Mikrowellen-Plasmaelektroden vorgesehen sein. Die jeweiligen Plasmaelektroden haben jedoch jeweils gemeinsam, dass sich die Substrate nicht zwischen den Leitern/Elektroden der Plasmaelektrode befinden.
Der Aufbau der Plasmaelektroden kann so gewählt werden, dass das brennende Plasma in seiner Ausdehnung begrenzt wird und nicht mit Wänden der Prozesskammer in Berührung kommt. Hierdurch könnten ansonsten unerwünschte reaktive Spezies entstehen die zu Metallverunreinigungen auf dem Substrat führen könnten. Durch die Verwendung von Aluminium als Prozesskammermaterial kann eine entsprechende Verunreinigung ebenfalls vermieden werden, sofern eine kritische Bombardement Energie von 14 eV von aus dem Plasma austretenden Spezies nicht überschritten wird.
Die stabförmigen Plasmaelektroden 24 erstrecken sich jeweils senkrecht zur Zeichnungsebene quer durch die Prozesskammer 4. Von links nach rechts, d.h. von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende der Prozesskammer 4 sind die Plasmaelektroden jeweils gleichmäßig beabstandet der Kontur der oberen Wand 12 folgend angeordnet. Hierdurch ist die dem linken Ende 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 in der Prozesskammer 24.
Bei der alternativen Ausführungsform mit zwei schrägen Abschnitten würde sich der Abstand der Plasmaelektroden 24 zum Transportband im zweiten schrägen Abschnitt von links nach rechts wieder vergrößern.
Die Heizeinheit 10 besteht aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die elektromagnetische Strahlung zum Heizen des Substrats 2 in Richtung der Prozesskammer 4 emittieren. Hierzu lassen sich bevorzugt Halogen und/oder Bogenlampen 31 einsetzen, wie sie beispielsweise auch üblicherweise in Schnellheizanlagen eingesetzt werden. Die Lampen 31 können optional in Quarzröhren 32 aufgenommen sein, um eine Isolierung gegenüber Prozessgasen und/oder Unterdruckverhältnissen im Bereich der Prozesskammer 4 vorzusehen. Dies kann insbesondere zweckmäßig sein, wenn die Strahlungsquellen direkt innerhalb der Prozesskammer 4 aufgenommen sind. Das heißt nicht über die untere Wand 14 von dieser getrennt sind. Alternativ oder auch zusätzlich können auch Heizlampen oberhalb der Transporteinheit 6 angeordnet sein, zum Beispiel auch zwischen den Plasmaelektroden 24.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Vorrichtung 1 zum Aufbringen dielektrischer Schichten auf einem Substrat 2 gemäß einer alternativen Ausführungsform. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform werden dieselben Bezugszeichen wie zuvor verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Elemente beschrieben werden.
Die Vorrichtung 1 besitzt wieder ein Gehäuse, das nur sehr schematisch bei 3 dargestellt ist. Diese Gehäuse ist wiederum als ein Vakuumgehäuse ausgeführt, und kann über eine nicht dargestellte Vakuumeinheit auf Vakuumdruck abgepumpt werden.
Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Prozesskammer 4 definiert. Die Vorrichtung 1 besitzt ferner eine Substrattrageinheit 6, eine Plasmaeinheit 8 sowie eine Heizeinheit 10. Die Trageinheit 6 besitzt eine Substratauflage 40, die über eine Welle 42 drehbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen wird, wie durch den Pfeil B dargestellt ist. Die Welle 42 ist hierfür mit einer nicht näher dargestellten Dreheinheit verbunden. Darüber hinaus ist die Welle 42 und somit die Auflage 40 auf und ab bewegbar, wie durch den Doppelpfeil C dargestellt ist. Hierdurch lässt sich die Auflageebene der Auflage 40 innerhalb der Prozesskammer 4 nach oben bzw. nach unten verstellen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Plasmaeinheit 8 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Plasmaelektroden 24, die desselben Typs sein können, wie zuvor beschrieben. Die Plasmaelektroden können optional über jeweilige Führungen 46 auf und ab verschiebbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen sein, wie durch den Doppelpfeil D angezeigt ist. In einem solchen Fall könnte die Auf- und Ab- Bewegbarkeit der Trageinheit 6 entfallen, sie kann aber auch zusätzlich vorgesehen werden. Hierdurch sind lokale Änderungen des Abstands zwischen Plasmaelektrode 24 und dem Substrat 2 möglich. Insbesondere ist es hierdurch möglich in Kombination mit der Rotation eines Substrats 2 durch die Trageinheit 6 zum Beispiel in einem Randbereich der Substrate 2 größer oder kleinere Abstände im Vergleich zu einem Mittelbereich davon vorzusehen. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Plasmaelektroden 24 und/oder die Lampen 31 über die Abmessungen des Substrats 2 hinweg gehen. Auch hier kann eine Schutzvorrichtung vorgesehen sein, das Substrat 2 wenigstens teilweise in seiner Ebene umgibt, um Randeffekte zu vermeiden. Die Schutzvorrichtung kann hinsichtlich der Rotation statisch oder auch rotierbar angeordnet sein.
Alternativ oder auch zusätzlich zu den dargestellten Stellvorrichtungen für das Substrat 2 und/oder die Plasmaelektroden 24 ist es auch möglich zwischen Plasmaelektroden 24 und Substrat 2 ein Gitter aus elektrisch leitendem Material vorzusehen. Dies kann dann beispielsweise über eine entsprechend Steuereinheit mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen beaufschlagt werden. Sowohl eine Abstandeinstellung zwischen Plasmaelektrode 24 und Substrat 2 als auch eine Beaufschlagung eines oben beschriebenen Gitters mit unterschiedlichen elektrischen Vorspannungen kann die Wechselbeziehung zwischen Plasma und Substrat beeinflussen, wie nachfolgend näher erläutert wird. Eine solche Einstellung der Wechselbeziehungen wäre auch über den Druck in der Prozesskammer die Zusammensetzung der Prozessgasatmosphäre und/oder die eingekoppelte Mikrowellenleistung möglich.
Die Heizeinheit 10 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die parallel oder auch senkrecht zu den Plasmaelektroden 24 angeordnet sein können. Die Strahlungsquellen weisen jeweils eine Lampe, wie beispielsweise einen Bogen oder Halogenlampe auf, die von einer Quarzröhre 32 umgeben ist. Die Strahlung der Strahlungsquellen 30 ist in der Lage das Substrat 2 direkt zu erwärmen, wenn die Auflage 40 für die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen transparent ist. Hierzu könnte die Auflage 40 beispielsweise aus Quarz aufgebaut sein. Es ist aber auch möglich eine indirekte Heizung des Substrats 2 vorzusehen, wobei hierfür beispielsweise die Auflage 40 aus einem die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen absorbierenden Material aufgebaut ist. Die Strahlung würde dann die Auflage 40 erwärmen, die dann das Substrat 2 erwärmen würde.
Die Vorrichtung 1 weist vorzugsweise wenigstens eine Temperaturmesseinheit auf, um die Temperatur des Substrats 2 zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur kann an eine nicht dargestellte Steuereinheit weitergeleitet werden, die dann anhand einer Temperaturvorgabe die Heizeinheit 10 entsprechend regeln kann, um eine vorbestimmte Temperatur des Substrats zu erhalten, wie es in der Technik bekannt ist.
Der Betrieb der Vorrichtung gemäß der 1 und 2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei im nachfolgenden davon ausgegangen wird, dass das Substrat 2 jeweils ein Silizium-Halbleiterwafer ist. Auf diesem soll während des nachfolgend beschriebenen Prozesses eine Siliziumoxidschicht als dielektrische Schicht ausgebildet werden.
Hierzu wird in die Prozesskammer 4, in der ein Unterdruck herrscht ein geeignetes Prozessgas, beispielsweise aus reinem Sauerstoff oder auch einem Sauerstoff-Wasserstoffgemisch eingeleitet. Anschließend wird im Bereich der Plasmaelektroden 24 jeweils ein Plasma des Prozessgases erzeugt.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 wird das Substrat 2 über das Transportband 20 von links nach rechts in die Prozesskammer hinein bewegt, während unterhalb der jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein entsprechendes Plasma brennt. Wie zu erkennen ist, nimmt der Abstand zwischen den Plasmaelektroden 24 und dem Substrat bei einer solchen Bewegung des Substrats bis zu dem geraden Abschnitt ab und bleibt dann konstant. Nach einer vorgegebenen Verweilzeit unterhalb des geraden Abschnitts und gegebenenfalls einer 180° Drehung (in der Ebene) des Substrats kann es dann wieder nach links bewegt werden. Bei dieser Bewegung nimmt der Abstand zwischen den Plasmaelektroden 24 und dem Substrat dann bis zum linken Ende der Prozesskammer zu.
Bei einer Prozesskammer mit zwei schrägen Abschnitten könnte das Substrat von links nach rechts durch die Kammer hindurch bewegt werden. Hierbei würde der Abstand zwischen den Plasmaelektroden 24 und dem Substrat zunächst kleiner werden (erster schräger Bereich), dann konstant bleiben (gerader Abschnitt) und dann abschließen größer werden (zweiter schräger Bereich).
Durch die Veränderung des Abstands zwischen den Plasmaelektroden 24 und dem Substrat ergeben sich unterschiedliche Wachstumsmechanismen für das Schichtwachstum. Diese werden durch unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Plasma und Substrat bedingt, wie Anhand der 5 nachfolgend näher erläutert wird.
Die 5a und 5b zeigen unterschiedliche Wechselbeziehungen zwischen einem Plasma und einem Substrat in Abhängigkeit von einem Abstand zwischen einer stabförmigen Plasmaelektrode 300 und einem Substrat 320. Die stabförmige Plasmaelektrode 300 ist des Typs der in der WO 2010/015385 A beschrieben ist und die einen Innenleiter 304 und einen Außenleiter 306 aufweisen. In einem Mikrowellenauskopplungsbereich umgibt der Außenleiter 306 den Innenleiter 304 nicht vollständig. Vielmehr sieht der Außenleiter 306 eine sich zu einem freien Ende desselben vergrößernde Öffnung, die zum Substrat 320 weist, auf. 5a und 5b zeigen jeweils einen Querschnitt in diesem Auskopplungsbereich der Mikrowellenelektrode 300. Die Plasmaelektrode 300 ist jeweils von einem für Mikrowellenstrahlung im Wesentlichen durchlässigen Hüllrohr 308 wie beispielweise einem Quarzrohr umgeben. Bei einer entsprechenden Ansteuerung der Plasmaelektrode 300 wird ein das Hüllrohr 308 radial umgebendes Plasma erzeugt, das aus Elektronen 310, Radikalen 312 und Ionen 314 besteht.
Ferner zeigen die 5a und 5b jeweils einen Abschnitt eines Substrats 320, das zum Beispiel aus einem Si-Grundsubstrat 322 mit einer dielektrischen Schicht 324 aus beispielsweise SiO_xN_y besteht, wobei x und y beliebig variieren können. Bei 326 sind positive Si-Ionen gekennzeichnet. Bei der Darstellung gemäß 5a ist die Plasmaelektrode mit einem Abstand D₁ zur Oberfläche des Substrats 320 angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist das Plasma bei dieser Anordnung so bezüglich des Substrats angeordnet, dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung der im Plasma vorhandenen Elektronen 310, Radikalen 312 und Ionen 314 benachbart zur Oberfläche des Substrats auftreten. Hierdurch ergibt sich eine Prozessgasabhängige anodische Oxidierung/Nitridierung der Substratoberfläche. Eine solche anodische Oxidierung/Nitridierung ist selbstjustierend und selbstheilend, so dass beliebige geometrische Formen und Schichtaufbauten (3D Strukturen) homogen oxidiert/nitridiert oder beliebige andere dielektrische Schichten abgeschieden werden können. Der Selbstheilungseffekte der anodischen Oxidierung/Nitridierung führt zu einer homogenen Durchbruchsfestigkeit der gewachsenen Schicht, da das Oxid/Nitrid solange wächst bis das elektrische Potential über die Schichtdicke abgeklungen ist. Das E-Feld ist konstant vorgegeben durch die Elektronendichte an der Oberfläche der dielektrischen Schicht 324.
Bei der Darstellung gemäß 5b ist die Plasmaelektrode mit einem größeren Abstand D₂ zur Oberfläche des Substrats 320 angeordnet. Wie zu erkennen ist, ist das Plasma bei dieser Anordnung so bezüglich des Substrats angeordnet, dass im Wesentlichen nur noch die Radikale 312 benachbart zur Oberfläche des Substrats auftreten. Hierdurch ergibt sich eine Prozessgasabhängige radikalische Oxidierung/Nitridierung der Substratoberfläche.
Im Vergleich zum Deal Groove Modell stellt sich eine Erweiterung des Wachstumsmodells für plasmaunterstützte und dadurch verstärkte Wachstumsprozesse dar.
Für dielektrische Schichten ist der Wachstumsprozess über die Reaktionsrate limitiert, jedoch durch die niedrige Substrattemperatur von vorzugsweise < 450°C nur bis ungefähr 2 nm und nicht bis 5 oder 10 nm wie bei Hochtemperaturprozessen bei > 800 °C. Bei der radikalischen Oxidierung/Nitridierung ist durch die Radikalen 312 an der Oberfläche der dielektrischen Schicht 324 eine große chemische Affinität gegeben. Es gibt kaum Diffusion der oxidierenden Spezies durch die dielektrische Schicht zur Grenzfläche bzw. vom Substrat-Eigenzwischengitteratom (geladen oder ungeladen) zur Oberfläche der dielektrischen Schicht, um dort mit den adsorbierten Radikalen zu reagieren.
Für die dielektrische Schicht über 2-3 nm, ist der Wachstumsprozess diffusionsratenlimitiert, wie bei thermischen Prozessen aber wegen der niedrigen Substrattemperatur braucht man eine zusätzliche Triebkraft, um die Diffusion der verschiedenen Spezies zu beschleunigen. Bei der anodischen Oxidierung/Nitridierung wird eine solche zusätzliche Triebkraft durch ein großes, elektrisches Feld erzeugt, das durch die Elektronen 310 an der Oberfläche der dielektrischen Schicht 324 hervorgerufen wird. Deshalb kann dieser Prozess in relativ kurzer Zeit bis zu 15 nm dicke dielektrische Schichten wachsen. Während dieser anodischen Prozessphase diffundieren durch das elektrische Potential getrieben sowohl oxidierende Spezies zur Grenzfläche zwischen Grundsubstrat 322 und dielektrischer Schicht 324 als auch Substrat-Eigenzwischengitteratome (geladen oder ungeladen) zur Oberfläche der dielektrischen Schicht 324, um dort mit den adsorbierten radikalen und ionischen oxidierenden Spezies zu reagieren.
Bei der oben genannten Vorrichtung ist daher der Abstand zwischen Substrat 2 und Plasmaelektrode 24 zu Beginn einer Plasmabehandlung (erster schräger Bereich) beispielsweise im Bereich von 8 bis 15 cm (vorzugsweise ungefähr 10 cm) gewählt, um zunächst eine radikalische Oxidierung/Nitridierung zu erreichen. Im Mittelbereich der Plasmabehandlung (gerader Abschnitt) beträgt der Abstand hingegen beispielsweise 2 mm bis 5 cm (vorzugsweise ungefähr 2 cm), um hier eine anodische Oxidierung/Nitridierung vorzusehen. Gegen Ende der Plasmabehandlung (erster schräger Bereich bei Bewegungsumkehr oder zweiter schräger Bereich bei Durchlauf) wird der Abstand dann wieder auf einen Bereich von 8 bis 15 cm (vorzugsweise ungefähr 10 cm) erhöht, um abschließen wieder eine radikalische Oxidierung/Nitridierung zu erreichen. Diese ist gegen Ende der Plasmabehandlung Vorteilhaft, da hierüber ein Verbesserung der Grenzflächeneigenschaften erreicht werden kann. Insbesondere fördert die radikalische Oxidierung/Nitridierung, dass das Oxid/Nitrid ein stöchiometrisches Gleichgewicht erlangt. Dies kann auch noch über eine nachträgliche, insbesondere In-situ erfolgende Plasmabehandlung in einer nicht oxidierenden/nitridierenden Prozessatmosphäre oder ein thermisches Behandeln (Annealing) gefördert werden.
Gegebenenfalls kann der Abstand auch noch über eine Auf- oder AbBewegung des Transportbandes verändert werden.
Über entsprechende Gaseinleitung können im Bereich der jeweiligen Plasmen unterhalb der Plasmaelektroden 24, die einander natürlich überlappen können, unterschiedliche Gaszusammensetzungen und/oder unterschiedliche Drücke eingestellt werden. Die Plasmen können aber auch durch geeignete Trennelemente, wie zum Beispiel Glasplatten voneinander getrennt werden. Auch ist es möglich über die Heizeinheit 10 das Substrat während der Bewegung durch die Prozesskammer 4 hindurch unterschiedlich aufzuheizen, so dass es beispielsweise in einem Bereich eine höhere Temperatur besitzt als in einem Anderen. 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. Auch über die Gaszusammensetzungen, unterschiedliche Drücke und/oder die Temperatur des Substrats lassen sie die Wechselwirkungen zwischen Substrat und Plasma und damit die die Wachstumsprozesse gegebenenfalls auch unabhängig von einer Abstandsänderung während der Plasmabehandlung beeinflussen.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist das Substrat 2 auf der Trageinheit 6 angeordnet, und wird während im Bereich der jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein Plasma brennt rotiert.
Der Abstand zwischen dem Substrat 2 und dem Plasmaelektroden wird während des Schichtwachstums verändert. Insbesondere wird der Abstand ausgehend von einem anfänglichen großen Abstand im Bereich von beispielsweise von 8 bis 15 cm auf einen kleinen Abstand im Bereich von beispielsweise 2 mm bis 5 cm verringert und anschließend wieder auf einen großen Abstand erhöht im Bereich von beispielsweise von 8 bis 15 cm. Der große Abstand zu Beginn des Prozesses hat neben dem Bewirken eines durch Radikale bestimmten Prozesses auch den Vorteil, dass auf dem Substrat keine unerwünschten Zündeffekte durch die Plasmazündung auftreten. 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. Diese Einstellungen können auch unabhängig von einer Abstandseinstellung vorgesehen werden.
Hierdurch lässt sich wiederum ein Wechsel zwischen anodischer und radikalischer Oxidierung/Nitridierung erreichen. Wie der Fachmann erkennen kann, findet nicht immer eine rein anodische oder radikalische Oxidierung/Nitridierung statt. Vielmehr können die beiden Prozesse mit unterschiedlichem Schwerpunkt gleichzeitig stattfinden. Ob die Oxidierung/Nitridierung als anodisch oder radikalisch bezeichnet wird, hängt davon ab, welcher Prozess zu dem gegebenen Zeitpunkt primär das Schichtwachstum bestimmt.
Darüber hinaus ist es auch möglich, die Temperatur des Substrats 2 über die Heizeinheit 10 zu verändern. Die Abstandsänderung sowie die Einstellung der übrigen Prozessparameter sind dabei jeweils so gewählt, dass eine bevorzugt gleichmäßige Wachstums- bzw. Abscheidungsrate während wenigstens Teilabschnitten des 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. Während des letzten Abschnitts des Prozesses (großer Abstand) findet in der Regel kein oder nur noch ein geringes Wachstum statt. Dieser Abschnitt dient primär dazu die zuvor gebildete Schicht in ein stöchiometrisches Gleichgewicht zu bringen.
Der Wachstumsprozess kann alternativ zur Abstandseinstellung oder auch zusätzlich hierzu über ein Gitter aus einem elektrisch leitenden Material beeinflusst werden. Insbesondere ist auch ein Wechsel zwischen einer primär anodischen Oxidierung/Nitridierung und einem primär radikalischen Oxidierung/Nitridierung bei gleichbleibendem Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat möglich. Dies wird nachfolgend anhand der 6a und 6b, die ähnliche Darstellungen wie die 5a und 5b zeigen, näher erläutert. Insbesondere sind wiederum jeweils eine Plasmaelektrode 300 mit Innenleiter 304 und Außenleiter 306 und ein Substrat 320 aus einem Grundsubstrat 322 mit einer dielektrischen Schicht 324 dargestellt. Im Gegensatz zur Darstellung der 5a und 5b ist der Abstand D zwischen Plasmaelektrode 300 und Substrat 320 jedoch in den 6a und 6b gleich.
Die Plasmaelektrode 300 umgebend ist jeweils ein Plasma aus Elektronen 310, Radikalen 312 und Ionen 314 dargestellt. Bei 326 sind wiederum positive Si-ionen dargestellt. Ferner ist zwischen Plasmaelektrode 300 und Substrat 320 jeweils ein Gitter 330 aus elektrisch leitendem Material dargestellt, das über eine nicht näher dargestellte Steuereinheit mit unterschiedlichen elektrische Vorspannungen beaufschlagt werden kann. Wenn das Gitter potentialfrei ist, dann beeinflusst es das Plasma im Wesentlichen nicht und es ergibt sich die in 6a gezeigt Situation, die zu einer anodischen Oxidierung/Nitridierung führt. Wenn das Gitter hingegen mit einer positiven Spannung beaufschlagt oder geerdet wird, dann ergibt sich die in 6b gezeigte Situation in der primär nur die Radikale 312 die Oberfläche der dielektrischen Schicht 324 erreichen, was zu einer radikalischen Oxidierung/Nitridierung führt. Um den Elektronenfluss zur Oberfläche des Substrats 320 zu beeinflussen kann auch optional der Abstand des Gitters 330 zur Oberfläche des Substrats 320 verstellt werden kann.
Das Plasma kann während des Prozesses bevorzugt gepulst betrieben werden. Der oben beschriebene Prozessablauf ist für die Ausbildung einer Oxidschicht als dielektrische Schicht besonders geeignet, er kann aber, wie erwähnt auch andere dielektrische Schichten bilden, wie beispielsweise eine Nitridschicht oder eine Oxynitridschicht.
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.
Darüber hinaus kann in der Vorrichtung 1 zum Beispiel auch eine rein thermische Behandlung eines Substrats stattfinden, bei der das Substrat über die Heizeinheit auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, wie es beispielsweise bei einem post oxidation anneal der Fall ist. Hierzu kann zum Beispiel die Transporteinheit das Substrat nach dem Aufbringen der Oxidschicht das Substrat bei abgeschaltetem Plasma durch die Prozesskammer zurückführen. Bei der thermischen Behandlung können unterschiedliche Gase in die Prozesskammer eingeleitet werden. Bei der Ausführung der 2 würde das Substrat zum Beispiel für eine vorbestimmte Prozessdauer über die Oxidation hinaus in der Prozesskammer verbleiben und über die Heizeinheit geheizt werden.
3 zeigt ein Weibull-Diagramm, das die Defektdichte gegenüber Flächenladungsdichte unterschiedlicher Oxidschichten zeigt. Dabei ist in 3 zu erkennen, dass einerseits eine verlängerte Brenndauer der jeweiligen Plasma die elektrische Oxidqualität wesentlich verbessert, und ein langsamer gewachsenes Oxid die Grenzfläche zwischen Si/SiO₂ verbessert Daher ergibt sich die Erkenntnis, dass ein langsames Wachstum mit entsprechend langer Brenndauer des Plasmas die elektrischen Eigenschaften bei konstanter Oxiddicke verbessert.
4 zeigt eine Kurve unterschiedlicher Wachstumsraten in Abhängigkeit von der Brenndauer eines Plasmas und in Abhängigkeit von unterschiedlichen Gaszusammensetzungen und Drücken. Wie zu erkennen ist, sinkt die Wachstumsrate mit längerer Plasmabrenndauer und die elektrischen Isolationseigenschaften des Dielektrikums steigen an. Unterhalb der beispielhaft eingezeichneten Wachstumsgrenzlinie (Qualitätsgrenze) sind die elektrischen Eigenschaften vergleichbar mit denen von dielektrischen Schichten, die bei Temperaturen über 700°C aufgewachsen wurden. Ferner ist zu erkennen, dass sich bei längeren Plasmabrenndauern auch für unterschiedliche Gaszusammensetzungen und/oder Drücken des Prozessgases im Wesentlichen vergleichbare Wachstumsraten ergeben.
Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein. Zum Beispiel kann die oben beschriebene Anordnung auch für eine Reinigung der Substratoberfläche vor einem Wachstumsprozess eingesetzt werden. Mit der Anordnung könnten Kontaminationen oder eine undefinierte Schicht (z.B. natives SiO₂) von der Oberfläche entfernt werden. Anschließend könnte ohne einen Unterdruck zu brechen, eine definierte Schicht durch das vorgegebene Prozessgas aufgewachsen werden. Als Reinigungsgase kann man sich ein reduzierendes Gas aus reinem Wasserstoff vorstellen oder eine beliebig mit Edelgasen (wie He, Ar, etc.) verdünnte Wasserstoffatmosphäre oder auch eine reine Edelgasatmosphäre. In einem zweiten Prozessschritt nach Austausch der reduzierenden Atmosphäre ist der oben beschriebene Wachstumsprozess möglich. Der Reinigungseffekt könnte auch über den Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat und/oder die elektrische Vorspannung am Gitter (sofern vorhanden) beeinflusst werden.

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht auf einem Substrat, bei dem ein Plasma aus einem Prozessgas zwischen dem Substrat und einer dem Substrat gegenüberliegenden, aus zwei Elektroden gebildeten Plasmaelektrode erzeugt wird, wodurch sich eine wenigstens teilweise chemische Reaktion von Substrat und Prozessgas und/oder eine wenigstens teilweise Abscheidung von Prozessgaskomponenten zur Bildung der dielektrischen Schicht auf dem Substrat ergibt, wobei der Abstand zwischen der Plasmaelektrode und dem Substrat während der chemischen Reaktion und/oder der Abscheidung der Prozessgaskomponenten verändert wird, wobei der Abstand von einem ersten Abstand zu Beginn der chemischen Reaktion zu einem zweiten Abstand und vom zweiten Abstand zu einem dritten Abstand verändert wird, wobei der erste Abstand größer als der zweite Abstand und der zweite Abstand kleiner als der dritte Abstand ist, wobei das Substrat für eine vorgegebene Zeit oder in Abhängigkeit von der Dicke der bereits gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht mit dem zweiten Abstand beabstandet zur Plasmaelektrode gehalten wird.
Verfahren zum Ausbilden einer dielelektrischen Schicht mittels Oxidieren und/oder Nitridieren eines Substrats, 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 derart verändert wird, dass zunächst eine radikalische Reaktion vorherrscht, dann eine anodische Reaktion und abschließend wieder eine radikalische Reaktion.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Wechselbeziehung zwischen dem Substrat und dem Plasma über eine Abstandseinstellung zwischen Substrat und Plasmaelektrode verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat in Abhängigkeit von der Dicke der bereits gewachsenen und/oder abgeschiedenen Schicht eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zwischen dem Substrat und dem Plasma ein Gitter aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist, und wobei die Wechselbeziehung zwischen dem Substrat und dem Plasma über eine elektrische Vorspannung des Gitters verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während der Plasmabehandlung wenigstens einer der nachfolgenden Prozessparameter variiert wird: die der Plasmaelektrode zugeführte Energie; der Druck und/oder die Zusammensetzung des Prozessgases; die Temperatur des Substrats, das über wenigstens eine vom Plasma unabhängige Wärmequelle auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Prozessparameter in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Plasmaelektrode und Substrat variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Si-Substrat ist.
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 Konstante von k ≥ 3,9 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Plasma mit wenigstens einer stabförmigen Plasmaelektrode, deren Elektroden einen festen Abstand aufweisen, erzeugt wird und das Plasma mit Mikrowellen oder HF-Strahlung erzeugt wird.