DE102013018533A1

DE102013018533A1 - METHOD OF REDUCING THE SURFACE WEIGHT OF A SUBSTRATE SEMICONDUCTOR SURFACE SURFACE

Info

Publication number: DE102013018533A1
Application number: DE102013018533.5A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Lerch; Wilhelm Kegel
Original assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Current assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: DE102013018533B4

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit einer Oberfläche aus Halbleitermaterial eines Substrats beschrieben, bei dem ein Plasma aus einem Gas, das wenigsten Wasserstoff enthält, benachbart zu oder an der Oberfläche aus Halbleitermaterial erzeugt wird.A method is described for reducing the surface roughness of a semiconductor material surface of a substrate, wherein a plasma is generated from a gas containing least hydrogen adjacent to or on the surface of semiconductor material.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit einer Oberfläche aus Halbleitermaterial eines Substrats.The present invention relates to a method of reducing the surface roughness of a semiconductor material surface of a 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 der elektronischen Bauelemente aufgebracht. Eine wichtige Klasse dieser Schichten sind dielektrische Schichten, welche zum Beispiel auf eine Halbleiterschicht oder Struktur aufgebracht werden, um diese zu isolieren. Hierbei, wie auch bei anderen Schichtaufbauten ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche der Halbleiterschicht, möglichst glatt ist oder anders ausgedrückt, eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweist. Eine Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit einer Halbleiterschicht kann zum Beispiel die dielektrischen Eigenschaften einer hierauf aufgebrachten dielektrischen Schicht beeinflussen.In the production of electronic components, such as memory chips, microprocessors, but also in photovoltaics or in the field of flat screens different production steps for the production of a final product are necessary. During the production of the products, different layers are applied for the construction of the electronic components. An important class of these layers are dielectric layers which are applied, for example, to a semiconductor layer or structure in order to isolate them. In this case, as with other layer structures, it is advantageous if the surface of the semiconductor layer is as smooth as possible or, in other words, has a low surface roughness. For example, reducing the surface roughness of a semiconductor layer may affect the dielectric properties of a dielectric layer deposited thereon.

Für die Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit einer Oberfläche aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel eines Siliziumsubstrates, ist es bekannt, ein entsprechendes Substrat bei hohen Temperaturen in einer Schnellheizanlage zu behandeln. Hierbei werden die Substrate zum Beispiel für wenige Sekunden bis beispielsweise 2 Minuten in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre auf Temperaturen zwischen 600°C bis 1300°C erhitzt. Während einer solchen Behandlung glättet sich die Oberfläche des Siliziums. Jedoch führen die hohen Temperaturen zu Eindrücken an der Rückseite des Substrats an den Auflagepunkten des Substratträgers, die als sogenannte Pinmarks bekannt sind. Diese führen wiederum zu Versetzungsnetzwerken, die von der Rückseite des Substrats bis zur Vorderseite reichen können. Ein solcher Prozess, der auch als RTA (rapid thermal annealing) bekannt ist, ist zum Beispiel in der WO 2005 055 308 A1 beschrieben, wobei hier in einer reinen Argonatmosphäre behandelt wird.For reducing the surface roughness of a surface of a semiconductor material, such as a silicon substrate, it is known to treat a corresponding substrate at high temperatures in a rapid heating system. In this case, for example, the substrates are heated to temperatures of between 600 ° C. and 1300 ° C. for a few seconds to, for example, 2 minutes in a reducing or neutral gas atmosphere. During such treatment, the surface of silicon smoothes out. However, the high temperatures lead to indentations on the back side of the substrate at the support points of the substrate carrier, which are known as so-called pinmarks. These in turn lead to dislocation networks that can extend from the back of the substrate to the front. Such a process, which is also known as RTA (rapid thermal annealing), is for example in the WO 2005 055 308 A1 described here, being treated here in a pure argon atmosphere.

Neben der Problematik der Pinmarks ist dieses Verfahren auch für Halbleitersubstrate, die schon mehrere Schichten oder auch 3-D Strukturen aufweisen, aufgrund der hohen Temperaturen problematisch, da es zu ungewünschter Diffusion zwischen und/oder aus den Schichten oder Strukturen kommen kann, wenn diese dotiert sind. Ferner ist es bekannt, dass bei den hohen Temperaturen Material der Substrate abdampft und es zu Ablagerungen in der Prozesskammer, insbesondere auf Quarzplatten, welche häufig als Trennung zwischen Heizlampen und Prozesskammer eingesetzt werden, kommen kann. Solche Ablagerungen sind auch als „Haze” bekannt und können nachfolgende Prozesse beeinträchtigen. Daher ist eine regelmäßige Reinigung der Prozesskammer bei solchen RTA-Anlagen erforderlich, was die Produktivität einer solchen Anlage einschränkt.In addition to the problem of pin marks, this method is also problematic for semiconductor substrates which already have several layers or even 3-D structures because of the high temperatures, since undesired diffusion between and / or from the layers or structures can occur when they are doped are. Furthermore, it is known that at the high temperatures, material of the substrates evaporates and deposits in the process chamber, in particular quartz plates, which are often used as a separation between the heating lamps and the process chamber, can occur. Such deposits are also known as "haze" and may interfere with subsequent processes. Therefore, regular cleaning of the process chamber is required in such RTA plants, which limits the productivity of such a plant.

Insbesondere ist eine Oberflächenglättung auch für die in den neueren Technologien eingesetzten Finnen, die durch Ätzprozesse erzeugt werden und ein Beispiel einer 3-D Struktur darstellen, vorteilhaft. Aber gerade für solche Strukturen kommt eine Hochtemperaturbehandlung, wie sie oben beschrieben ist, nicht in Frage, beziehungsweise bietet ein solches Verfahren eine unzureichend Glättung der Seitenwände und der Kanten.In particular, surface smoothing is also advantageous for the fins used in the newer technologies, which are produced by etching processes and represent an example of a 3-D structure. But just for such structures is a high-temperature treatment, as described above, out of the question, or provides such a method insufficient smoothing of the side walls and the edges.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit einer Oberfläche aus Halbleitermaterial eines Substrats vorzusehen, welches wenigsten einen der obigen Nachteile vermindert oder ausräumt.Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for reducing the surface roughness of a semiconductor material surface of a substrate which at least reduces or eliminates one of the above disadvantages.

Erfindungsgemäß ist hierfür ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich unter anderem aus den Unteransprüchen.According to the invention, a method according to claim 1 is provided for this purpose. Further embodiments of the invention will become apparent inter alia from the dependent claims.

Insbesondere wird bei dem Verfahren zum Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit einer Oberfläche aus Halbleitermaterial eines Substrats ein Plasma aus einem Gas, das wenigsten Wasserstoff enthält, benachbart zu oder an der Oberfläche aus Halbleitermaterial erzeugt. Hierbei soll der Begriff Wasserstoff normalen Wasserstoff und seine Isotope, insbesondere Deuterium, umfassen. Durch das Plasma wird an der Oberfläche aus Halbleitermaterial reaktiver ionischer oder radikaler Wasserstoff zur Verfügung gestellt, der eine Oberflächenglättung des Halbleitermaterials fördert. Die Oberflächenglättung kann durch ein sanftes Anätzen der Oberfläche, bevorzugt an hervorstehenden Bereichen (Spitzen auf) der Oberfläche, bewirkt werden. Durch den Einsatz des Plasmas und wenigstens Wasserstoff kann eine Behandlung mit hohen Temperaturen und den damit verbundenen Nachteilen verzichtet werden.In particular, in the method of reducing the surface roughness of a surface of semiconductor material of a substrate, a plasma of a gas containing least hydrogen is generated adjacent to or on the surface of semiconductor material. Here, the term hydrogen is intended to include normal hydrogen and its isotopes, especially deuterium. The plasma provides reactive ionic or radical hydrogen at the semiconductor material surface which promotes surface smoothening of the semiconductor material. The surface smoothing may be effected by gently etching the surface, preferably at projecting portions (tips) of the surface. By using the plasma and at least hydrogen, a treatment with high temperatures and the associated disadvantages can be dispensed with.

Bevorzugt wird das Plasma aus reinem Wasserstoff oder einem Gemisch aus Wasserstoff und wenigstens einem der folgenden: Argon, Helium und inertes Gas, erzeugt. Ein solches Plasma zeigt eine gute Oberflächenglättung und hinterlässt eine gute Halbleiteroberfläche, die gegebenenfalls von nativem Oxid, das für das vorliegende Verfahren nicht als eigenständige Schicht angesehen wird, befreit ist.Preferably, the plasma is generated from pure hydrogen or a mixture of hydrogen and at least one of the following: argon, helium and inert gas. Such a plasma exhibits good surface smoothness and leaves a good semiconductor surface, optionally free of native oxide, which is not considered a self-contained layer for the present process.

Bei einer Ausführungsform, die neben dem Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit ein gleichzeitiges Oxidwachstum bewirkt, wird das Plasma aus einem Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff sowie optional aber bevorzugt Helium erzeugt. Hier wird neben dem Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit gleichzeitig eine Oxidschicht gebildet, wodurch sich ein besonders glattes Interface ausbildet und sich besonders gute dielektrische Eigenschaften der Oxidschicht ergeben. Herausragende Bereiche (Spitzen auf) der Oberfläche werden hier aufgrund von Spitzeneffekten stärker oxidiert.In an embodiment which, in addition to reducing the surface roughness, causes a simultaneous oxide growth, the plasma is generated from a mixture of hydrogen and oxygen and, optionally, but preferably helium. Here is in addition to reducing the surface roughness an oxide layer formed simultaneously, whereby a particularly smooth interface is formed and give particularly good dielectric properties of the oxide layer. Outstanding areas (tops) of the surface are more oxidized here due to peak effects.

Um den Oberflächenglättungsprozess zu fördern, wird die Temperatur des Substrats vorzugsweise über eine Heizvorrichtung auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht. Eine solche Heizvorrichtung kann insbesondere von der Rückseite des Substrats her (davon ausgehend das die Vorderseite die zu behandelnde ist) ein entsprechendes bevorzugt kontaktloses Heizen vorsehen.In order to promote the surface smoothing process, the temperature of the substrate is preferably raised to a predetermined temperature via a heater. Such a heating device can provide a corresponding preferably contactless heating, in particular from the rear side of the substrate (assuming that the front side is to be treated).

Bevorzugt wird die Temperatur des Substrats überwacht und während der Behandlung mit dem Plasma auf einer Temperatur unter 750°C gehalten, wodurch sich die Ausbildung von Pinmarks und die ungewünschte Diffusion von Dotierstoffen verhindern oder zumindest verringern lässt. Auch die Ausbildung von Haze tritt bei diesen Temperaturen nicht oder zumindest im reduzierten Maße (gegenüber höheren Temperaturen) auf. Während die Reduzierung/Verhinderung der Pinmarks/Diffusion einen direkten Einfluss auf die Qualität des Substrats haben kann, ermöglicht die Reduzierung/Verhinderung von Haze die eine bessere Nutzung einer entsprechenden Behandlungsanlage. Bevorzugt wird die Temperatur des Substrats während der Behandlung mit dem Plasma auf einer Temperatur unter 700°C und insbesondere zwischen 600°C und 700°C gehalten, da hier ein gutes Gleichgewicht zwischen der Förderung der Oberflächenglättung über die Temperatur einerseits und die Gefahr unerwünschter Temperaturbedingter Nebeneffekte andererseits festgestellt wurde.Preferably, the temperature of the substrate is monitored and maintained at a temperature below 750 ° C during the treatment with the plasma, whereby the formation of pinmarks and the unwanted diffusion of dopants can be prevented or at least reduced. The formation of haze does not occur at these temperatures or at least to a lesser extent (compared to higher temperatures). While the reduction / prevention of pinmarks / diffusion may have a direct impact on the quality of the substrate, the reduction / prevention of haze allows for better use of an appropriate treatment facility. Preferably, the temperature of the substrate is maintained during the treatment with the plasma at a temperature below 700 ° C and in particular between 600 ° C and 700 ° C, since there is a good balance between the promotion of surface smoothing on the one hand and the risk of unwanted Temperaturbedingter Secondary effects, on the other hand, was found.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren in einer Prozesskammer durchgeführt, in der der Druck während wenigstens eines Teils der Behandlung mit dem Plasma auf einen vorbestimmten Druck im Bereich zwischen 53,33 Pa (40 mTorr) und 5333 Pa (4 Torr) geregelt wird.In one embodiment of the invention, the process is performed in a process chamber in which the pressure is controlled to a predetermined pressure in the range between 53.33 Pa (40 mTorr) and 5333 Pa (4 Torr) during at least part of the plasma treatment ,

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Plasma durch eine Vielzahl von stabförmigen Mikrowellenelektroden mit Innen und Außenleiter erzeugt wird, welche einer zu behandelnden Seite des Substrats gegenüberliegen. Eine solche Anordnung ermöglicht einerseits ein besonders homogenes Plasma an oder benachbart zu der Oberfläche und andererseits über eine Abstandseinstellung eine gute Einstellung von reaktivem ionischen oder radikalen Wasserstoff an der Oberfläche. Hierfür kann vorteilhaft der Abstand zwischen den Mikrowellenelektroden und dem Substrat während wenigstens eines Teils der Behandlung mit dem Plasma verändert werden.In a particularly preferred embodiment of the invention, the plasma is generated by a plurality of rod-shaped microwave electrodes with inner and outer conductors, which face a side of the substrate to be treated. On the one hand, such an arrangement enables a particularly homogeneous plasma on or adjacent to the surface and, on the other hand, via a distance adjustment, a good adjustment of reactive ionic or radical hydrogen at the surface. For this purpose, advantageously, the distance between the microwave electrodes and the substrate can be changed during at least part of the treatment with the plasma.

Das Verfahren ist besonders geeignet für mehrschichtige Substrate bestehend aus einem Grundsubstrat und einer oder mehrerer daran ausgebildeten Schichten, da die Gefahr ungewünschter Diffusion von Dotierstoffen reduziert wird, und/oder ein Substrat mit 3-D Strukturen, insbesondere Finnen. Ein anderes Beispiel eines mehrschichtigen Substrats ist ein sogenanntes SOI-Substrat mit zwei Siliziumschichten mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht. Insbesondere ist das Verfahren für Siliziumoberflächen geeignet, aber auch für andere Halbleiteroberflächen, wie zum Beispiel Germanium oder auch andere.The method is particularly suitable for multilayer substrates consisting of a base substrate and one or more layers formed thereon, since the risk of undesired diffusion of dopants is reduced, and / or a substrate having 3-D structures, in particular fins. Another example of a multilayer substrate is a so-called SOI substrate having two silicon layers with an insulating layer therebetween. In particular, the method is suitable for silicon surfaces, but also for other semiconductor surfaces, such as germanium or others.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the figures; in the drawings shows:

1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Behandeln von Substraten mithilfe eines Plasmas; 1 a schematic sectional view through an apparatus for treating substrates by means of a plasma;

2 eine beispielhafte schematische perspektivische Ansicht einer Finnenstruktur aus Silizium vor und nach einer Plasmabehandlung gemäß der Erfindung; 2 an exemplary schematic perspective view of a fin structure of silicon before and after a plasma treatment according to the invention;

3 eine beispielhafte schematische Schnittansicht einer Siliziumoberfläche vor und nach einer Plasmabehandlung gemäß der Erfindung 3 an exemplary schematic sectional view of a silicon surface before and after a plasma treatment according to the invention

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. Der Begriff Wasserstoff, wie er in der Anmeldung verwendet wird soll normalen Wasserstoff und seine Isotope, insbesondere Deuterium, umfassen.The relative terms used in the following description, such as left, right, above and below, refer to the drawings and are not intended to limit the application in any way, even though they may refer to preferred arrangements. The term hydrogen, as used in the application, is intended to include normal hydrogen and its isotopes, especially deuterium.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 1 zum Behandeln von Substraten 2 mit Hilfe eines Plasmas. Die Vorrichtung 1 besitzt ein Gehäuse 3, das als ein Vakuumgehäuse ausgeführt ist. Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Prozesskammer 4 definiert. Das Gehäuse 3 besitzt eine Be- und Entladeöffnung 5, die über einen Türmechanismus 6 in bekannter Art und Weise geöffnet und geschlossen werden kann. Die Prozesskammer 4 kann über eine nicht dargestellte Vakuumeinheit auf einen Unterdruck abgepumpt werden und über eine entsprechende ebenfalls nicht dargestellte Gaszuführung mit einem Prozessgas versorgt werden. Über die Gaszuführung können in üblicher Weise – je nach Bedarf – unterschiedliche Prozessgase mit gewünschten Zusammensetzungen und in kontrollierten Mengen in die Prozesskammer eingeleitet werden. 1 shows a schematic sectional view of a device 1 for treating substrates 2 with the help of a plasma. The device 1 has a housing 3 , which is designed as a vacuum housing. Inside the case 3 is a process chamber 4 Are defined. The housing 3 has a loading and unloading 5 that have a door mechanism 6 can be opened and closed in a known manner. The process chamber 4 can be pumped via a vacuum unit, not shown, to a negative pressure and supplied via a corresponding gas supply, also not shown, with a process gas. Depending on requirements, different process gases with desired compositions and in controlled amounts can be introduced into the process chamber via the gas supply in a customary manner.

Die Vorrichtung 1 besitzt ferner eine Substrattrageinheit 7, eine Plasmaeinheit 8, eine Heizeinheit 10 sowie eine Detektoreinheit 12. Die Trageinheit 7 besitzt eine Substratauflage 18, die über eine Welle 20 drehbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen wird, wie durch den Pfeil A dargestellt ist. Die Welle 20 ist hierfür mit einer nicht näher dargestellten Dreheinheit verbunden. Darüber hinaus ist die Welle 20 und somit die Auflage 18 auf und ab bewegbar, wie durch den Doppelpfeil B dargestellt ist. Hierdurch lässt sich die Auflageebene der Auflage 18 innerhalb der Prozesskammer 4 nach oben bzw. nach unten verstellen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. The device 1 also has a substrate support unit 7 , a plasma unit 8th , a heating unit 10 and a detector unit 12 , The carrying unit 7 has a substrate support 18 that over a wave 20 rotatable within the process chamber 4 is worn, as shown by the arrow A. The wave 20 is connected for this purpose with a rotary unit, not shown. In addition, the wave 20 and thus the edition 18 movable up and down as shown by the double arrow B. This allows the support level of the support 18 within the process chamber 4 Move up or down, as will be explained in more detail below.

Die Plasmaeinheit 8 besteht aus einer Vielzahl von stabförmigen Plasmaelektroden 24, des Mikrowellen-Typs, wie er in der WO 2010/015385 A beschrieben ist, die hinsichtlich des Aufbaus der Mikrowellenelektrode durch Bezugnahme aufgenommen wird, um Wiederholungen zu vermeiden. Insbesondere sind die Plasmaelektroden 24 einseitig mit Mikrowellen beaufschlagte Mikrowellenelektroden mit Innen- und Außenleiter. Der Außenleiter ist so geformt, dass er eine sich zu einem freien Ende der Mikrowellenelektrode erweiternde Auskopplungsöffnung bildet. Hierdurch kann über die Länge der Mikrowellenelektrode eine gleichmäßige Auskopplung von Mikrowellen und somit ein gleichmäßiges Plasma erreicht werden. Für die Einkopplung der Mikrowellen in die Mikrowellenelektrode ist ein nicht dargestellter Mikrowellengenerator vorgesehen. Ferner können Mittel vorgesehen sein, welche die eingekoppelte und/oder die reflektierte Mikrowellenleistung für jede Mikrowellenelektrode erfassen können.The plasma unit 8th consists of a variety of rod-shaped plasma electrodes 24 , of the microwave type, as in the WO 2010/015385 A described with respect to the structure of the microwave electrode by reference, to avoid repetition. In particular, the plasma electrodes 24 Microwave electrodes with inner and outer conductors exposed to microwaves on one side. The outer conductor is shaped to form a coupling-out opening which widens to a free end of the microwave electrode. In this way, a uniform coupling of microwaves and thus a uniform plasma can be achieved over the length of the microwave electrode. For the coupling of the microwaves in the microwave electrode, an unillustrated microwave generator is provided. Furthermore, means may be provided which can detect the coupled and / or the reflected microwave power for each microwave electrode.

Die Plasmaelektroden 24 sind in Hüllrohren 26 aus dielektrischem Material, wie beispielsweise aus Quarz aufgenommen und somit gegenüber der Prozessatmosphäre innerhalb der Prozesskammer 4 isoliert. Diese Hüllrohre 24 können sich durch die gesamte Prozesskammer 4 hindurch erstrecken und durch entsprechende Öffnungen im Gehäuse 3 in abgedichteter Weise nach Außen geführt sein, wie es beispielsweise in der DE 10 2010 050 258 A beschrieben ist, die insofern und auch hinsichtlich eines mehrteiligen Kammeraufbaus durch Bezugnahme aufgenommen wird, um Wiederholungen zu vermeiden. Sie können aber auch in anderer Weise angeordnet sein, um die Plasmaelektroden 24 aufzunehmen oder die Plasmaelektroden 24 könnten auch gemeinsam durch ein einzelnes Plattenelement gegenüber der Prozesskammer 4 isoliert sein. Bei der dargestellten Anordnung kann sich um die jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein Plasma 28 aus dem eingesetzten Prozessgas ausbilden, sofern die in die Plasmaelektroden 24 eingekoppelte Mikrowellenleistung ausreicht, um das Plasma zu zünden. Dies hängt unter anderem auch von weiteren Prozessbedingungen, wie zum Beispiel dem Druck und der Gaszusammensetzung des Prozessgases ab, wie der Fachmann erkennen wird. Die Plasmen 28, die von den einzelnen Plasmaelektroden 24 erzeugt werden, vereinigen sich während des Prozesses im Wesentlichen zu einem homogenen gemeinsamen Plasma.The plasma electrodes 24 are in ducts 26 of dielectric material, such as quartz, and thus to the process atmosphere within the process chamber 4 isolated. These ducts 24 can get through the entire process chamber 4 extend through and through corresponding openings in the housing 3 be guided in a sealed manner to the outside, as for example in the DE 10 2010 050 258 A In this respect, and also in terms of a multi-part chamber structure is incorporated by reference to avoid repetition. However, they can also be arranged in a different way to the plasma electrodes 24 or the plasma electrodes 24 could also be shared by a single plate element opposite the process chamber 4 be isolated. The arrangement shown may be around the respective plasma electrodes 24 a plasma 28 form from the process gas used, provided that in the plasma electrodes 24 coupled microwave power is sufficient to ignite the plasma. Among other things, this depends on other process conditions, such as the pressure and the gas composition of the process gas, as will be apparent to those skilled in the art. The plasmas 28 taken from the individual plasma electrodes 24 can be generated during the process substantially to a homogeneous common plasma.

Die Heizeinheit 10 besteht 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 eine Bogen- oder Halogenlampe auf, die von einem Hüllrohr 32, beispielsweise aus Quarz umgeben ist. Auch hier könnten die Strahlungsquellen 30 beispielsweise durch eine gemeinsame Quarzplatte gegenüber der Prozesskammer isoliert sein. Die Strahlung der Strahlungsquellen 30 ist in der Lage das Substrat 2 direkt zu erwärmen, wenn die Auflage 20 für die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen transparent ist. Hierzu könnte die Auflage 20 beispielsweise aus Quarz aufgebaut sein. Es ist aber auch möglich eine indirekte Heizung des Substrats 2 vorzusehen, wobei hierfür beispielsweise die Auflage 20 aus einem die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen absorbierenden Material aufgebaut ist. Die Strahlung würde dann die Auflage 20 erwärmen, die dann wiederum das Substrat 2 erwärmt. Hierbei ist die Form und der Durchmesser der Auflage bevorzugt an die Form und den Durchmesser des Substrats angepasst.The heating unit 10 consists of a variety of radiation sources 30 that are parallel or perpendicular to the plasma electrodes 24 can be arranged. The radiation sources each have a lamp, such as an arc or halogen lamp, that of a cladding tube 32 , for example, is surrounded by quartz. Again, the radiation sources could 30 be isolated for example by a common quartz plate relative to the process chamber. The radiation of the radiation sources 30 is capable of the substrate 2 to heat directly when the pad 20 for the radiation of the radiation source 30 is essentially transparent. This could be the edition 20 be constructed of quartz, for example. But it is also possible an indirect heating of the substrate 2 provide, for example, the edition 20 from one the radiation of the radiation source 30 essentially absorbent material is constructed. The radiation would then be the edition 20 then they heat up the substrate 2 heated. Here, the shape and the diameter of the support is preferably adapted to the shape and the diameter of the substrate.

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 the temperature of the substrate 2 to investigate. The determined temperature can be forwarded to a control unit, not shown, which then based on a temperature specification, the heating unit 10 Accordingly, to obtain a predetermined temperature of the substrate, as is known in the art.

Die Detektoreinheit 12 weist einen in der Halbleitertechnik üblicher Druckmesser auf, der in der Lage ist, den Druck in der Prozesskammer 4 zu messen und ein entsprechendes Signal auszugeben. Die Detektoreinheit 12 erstreckt sich durch den Boden des Gehäuses 3 und steht mit der Prozesskammer 4 in Verbindung. Solche Drucksensoren werden üblicherweise für die Druckmessung in einer Prozesskammer eingesetzt, um eine Regelung des Drucks über eine entsprechende Ansteuerung der Vakuumeinheit und/oder der Gaszuführung zu ermöglichen. Zu diesem Zweck werden die Messergebnisse der Detektoreinheit an eine entsprechende Reglereinheit, die beispielsweise eine Prozessoreinheit enthält, in der entsprechende Regelalgorithmen durchgeführt werden, geleitet.The detector unit 12 has a conventional in semiconductor pressure gauge, which is capable of the pressure in the process chamber 4 to measure and output a corresponding signal. The detector unit 12 extends through the bottom of the case 3 and stands with the process chamber 4 in connection. Such pressure sensors are usually used for the pressure measurement in a process chamber in order to enable a regulation of the pressure via a corresponding control of the vacuum unit and / or the gas supply. For this purpose, the measurement results of the detector unit are passed to a corresponding controller unit, which contains, for example, a processor unit in which corresponding control algorithms are carried out.

Der Betrieb der Vorrichtung 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei ein beispielhafter Prozess zum Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit einer Substratoberfläche gemäß der Erfindung beschrieben wird.The operation of the device 1 is explained in more detail below with reference to the drawings, wherein an exemplary process for Reducing the surface roughness of a substrate surface is described according to the invention.

Im nachfolgenden davon ausgegangen wird, dass das Substrat 2 ein Siliziumhalbleiterwafer mit einer nach oben weisenden Siliziumoberfläche ist. Ein gegebenenfalls vorhandenes natives Oxid wird dabei nicht als eine Abweichung von einer Siliziumoberfläche angesehen. Auch eine strukturierte Substratoberfläche stellt keine Abweichung hiervon dar, soweit homogene und/oder heterogene (z. B. Mono- und Poly-Silizium) Halbleiteroberflächenteile frei liegen. Das Substrat 2 befindet sich in der Prozesskammer 4, die gegebenenfalls zunächst mit einem inerten Gas gespült wird, und in der ein vorbestimmter Prozessdruck zwischen beispielsweise 53 PA und 5333 PA eingestellt wird.In the following it is assumed that the substrate 2 a silicon semiconductor wafer having an upwardly facing silicon surface. An optional native oxide is not considered to be a deviation from a silicon surface. Even a structured substrate surface does not represent a deviation from this, as far as homogeneous and / or heterogeneous (eg mono- and poly-silicon) semiconductor surface parts are exposed. The substrate 2 is in the process chamber 4 , which is optionally first purged with an inert gas, and in which a predetermined process pressure between, for example, 53 PA and 5333 PA is set.

In die Prozesskammer 4, wird dann ein geeignetes Prozessgas, das wenigstens Wasserstoff enthält eingeleitet. Für eine Oberflächenglättung bietet sich reiner Wasserstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff und wenigstens einem inerten Gas, wie insbesondere Argon oder Helium als Prozessgas an. Die Plasmaelektroden 24 werden mit Mikrowellen beaufschlagt, um ein Plasma 28 des Prozessgases zu erzeugen. Optional kann das Substrat auch noch über die Heizeinheit 10 auf eine gewünschte Prozesstemperatur, bevorzugt unter 750°C insbesondere unter 700°C – bevorzugt zwischen 600°C und 700°C – eingestellt.In the process chamber 4 , then a suitable process gas containing at least hydrogen is introduced. For a surface smoothing offers pure hydrogen or a mixture of hydrogen and at least one inert gas, in particular argon or helium as the process gas. The plasma electrodes 24 are subjected to microwaves to a plasma 28 of the process gas. Optionally, the substrate can also over the heating unit 10 to a desired process temperature, preferably below 750 ° C, in particular below 700 ° C - preferably between 600 ° C and 700 ° C - set.

Durch das Prozessgas kommt es zu einer Bereitstellung von reaktivem ionischen oder radikalen Wasserstoff an der Siliziumoberfläche, welche eine Glättung, d. h. eine Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit bewirken. Während das Plasma 28 brennt, kann der Abstand der Plasmaelektroden 24 (und somit des Plasmas 28) zur Oberfläche des Substrats 2 verändert werden. Hierdurch kann die Bereitstellung des reaktiven ionischen oder radikalen Wasserstoffes eingestellt werden. Ferner können unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Plasma und Substrat erzeugt werden, welche die Glättung fördern können. Das Plasma kann während des Prozesses auch gepulst betrieben werden.The process gas results in the provision of reactive ionic or radical hydrogen at the silicon surface, which causes a smoothing, ie a reduction of the surface roughness. While the plasma 28 burns, can the distance of the plasma electrodes 24 (and thus the plasma 28 ) to the surface of the substrate 2 to be changed. Thereby, the provision of the reactive ionic or radical hydrogen can be adjusted. Furthermore, different interactions between plasma and substrate can be generated, which can promote smoothing. The plasma can also be pulsed during the process.

Am Ende der Behandlung wird das Plasma abgeschaltet, und in der Prozesskammer entweder ein weiterer Prozess durchgeführt oder das Substrat entnommen.At the end of the treatment, the plasma is switched off and either another process is carried out in the process chamber or the substrate is removed.

Der Effekt einer solchen Oberflächenglättung ist sehr schematisch in den 2 und 3 dargestellt, wobei die 2 eine beispielhafte schematische perspektivische Ansicht einer Finnenstruktur aus Silizium vor (2a) und nach (2b) einer Plasmabehandlung gemäß der Erfindung zeigt, während 3 eine beispielhafte schematische Schnittansicht einer Siliziumoberfläche vor (3a) und nach (3b) einer Plasmabehandlung gemäß der Erfindung zeigt. Wie aus den Figuren zu erkennen ist, besitzen die Siliziumoberflächen vor der Behandlung jeweils eine größere Rauhigkeit als nach der Behandlung. Dabei ist insbesondere für die Finnenstruktur gemäß 2 beobachtet worden, dass nicht nur die nach oben weisende Oberfläche geglättet werden konnte sondern insbesondere auch die Kanten und auch die Seitenwände der Finne. Es wurde eine Glättung aller Oberflächen (Side Wall Reduction) als auch der Kanten der Finnenstruktur (Line Edge Reduction) beobachtet.The effect of such a surface smoothing is very schematic in the 2 and 3 shown, wherein the 2 an exemplary schematic perspective view of a fin structure of silicon before ( 2a ) and after ( 2 B ) shows a plasma treatment according to the invention, while 3 an exemplary schematic sectional view of a silicon surface before ( 3a ) and after ( 3b ) shows a plasma treatment according to the invention. As can be seen from the figures, the silicon surfaces each have a greater roughness before treatment than after the treatment. It is in particular for the fin structure according to 2 It has been observed that not only the upwardly facing surface could be smoothed but also, in particular, the edges and also the side walls of the fin. Smoothing of all surfaces (side wall reduction) as well as the edges of the fin structure (line edge reduction) were observed.

Der oben beschriebene Prozessablauf wurde anhand einer reinen Glättung der Siliziumoberfläche beschrieben. Es ist aber auch eine Oberflächenglättung mit gleichzeitigem Oxidwachstum angedacht, bei der bei ansonsten im wesentlichen gleichen Prozessbedingungen ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff als Prozessgas eingesetzt werden kann, das zum Beispiel optional auch Helium enthalten kann. Bei dem Einsatz eines solchen Prozessgases könnte gleichzeitig mit der Glättung eine Oxidschicht als dielektrische Schicht ausgebildet werden. Hier wird gegebenenfalls die Oxidschicht sanft angeätzt und auf der freigelegten Halbleiteroberfläche neues Oxid atomar glatt ausgebildet. Ein wenn auch schwächerer Glättungseffekt wurde bei einer entsprechenden Plasmabehandlung auch ohne den Einsatz von Wasserstoff mit einem Sauerstoff und optional Helium enthaltenden Prozessgas unter Bildung eines Oxids beobachtet. Für eine Weiterbehandlung eines solchen Substrats mit Oxid kann gegebenenfalls vor einer Weiterbehandlung ein abätzen des gebildeten Oxids als weiterer Prozessschritt erforderlich sein, sofern ein Oxid unerwünscht ist. Prozessgasabhängig könnten gegebenenfalls gemeinsam mit einer Glättung auch noch andere Schichten gebildet werden, wobei der Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung auf der Oberflächenglättung liegt.The process described above has been described in terms of pure smoothing of the silicon surface. However, surface smoothing with simultaneous oxide growth is also envisaged, in which, with otherwise substantially identical process conditions, a gas mixture of hydrogen and oxygen can be used as the process gas, which optionally can also contain helium, for example. When using such a process gas could be formed simultaneously with the smoothing of an oxide layer as a dielectric layer. Here, if appropriate, the oxide layer is gently etched and formed on the exposed semiconductor surface new oxide atomically smooth. An albeit weaker smoothening effect was observed in a corresponding plasma treatment even without the use of hydrogen with an oxygen and optionally helium-containing process gas to form an oxide. For a further treatment of such a substrate with oxide, an etching of the oxide formed as a further process step may be necessary before further treatment if an oxide is undesirable. Depending on the process gas, other layers could possibly also be formed together with a smoothing, the focus of the present invention being on surface smoothing.

Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein. Beispielsweise kann auf eine zusätzliche Heizung verzichtet werden und für besonders temperaturempfindliche Substrate kann gegebenenfalls sogar eine Kühlung des Substrats vorgesehen werden, um eine möglicherweise unerwünschte Aufheizung über das Plasma zu reduzieren. Obwohl als Oberfläche primär eine Siliziumoberfläche beschrieben wurde, lässt sich das Verfahren insbesondere auch für andere Halbleiteroberflächen, wie zum Beispiel Germanium oder auch Verbindungshalbleiter einsetzen. Es soll auch möglich sein, den Begriff Wasserstoff als normalen Wasserstoff auszulegen, sodass Isotope nicht mit umfasst sind.The invention has been described above with reference to preferred embodiments of the invention, without being limited to the specific embodiments. For example, can be dispensed with an additional heating and for particularly temperature-sensitive substrates may optionally even a cooling of the substrate are provided to reduce a possibly unwanted heating via the plasma. Although a silicon surface was primarily described as the surface, the method can be used in particular for other semiconductor surfaces, such as germanium or compound semiconductors. It should also be possible to interpret the term hydrogen as normal hydrogen so that isotopes are not included.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2005055308 A1 [0003]
WO 2010/015385 A [0023]
DE 102010050258 A [0024]

Claims

A method of reducing the surface roughness of a semiconductor material surface of a substrate, wherein a plasma is generated from a gas containing least hydrogen adjacent to or on the surface of semiconductor material.

The method of claim 1, wherein the plasma is generated from pure hydrogen or a mixture of hydrogen and at least one of the following: argon, helium and inert gas.

The method of claim 1, wherein the plasma is generated from a mixture of at least hydrogen and oxygen and optionally helium.

Method according to one of the preceding claims, wherein the temperature of the substrate is increased via a heater to a predetermined temperature.

A method according to any preceding claim, wherein the temperature of the substrate is monitored and maintained at a temperature below 750 ° C during treatment with the plasma.

Method according to one of the preceding claims, wherein the temperature of the substrate is monitored and maintained during the treatment with the plasma at a temperature below 700 ° C and in particular between 600 ° C and 700 ° C.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out in a process chamber in which the pressure during at least part of the treatment with the plasma to predetermined pressure in the range between 53.33 Pa (40 mTorr) and 5333 Pa (4 Torr) is regulated.

Method according to one of the preceding claims, wherein the plasma is generated by a plurality of rod-shaped microwave electrodes with inner and outer conductors which face a side of the substrate to be treated.

The method of claim 8, wherein the distance between the microwave electrodes and the substrate is changed during at least a part of the treatment with the plasma.

Method according to one of the preceding claims, wherein substrate is a multilayer substrate and / or a substrate having 3-D structures, in particular fins.