DE102014106339A1 - Kohlenstoffschichten für Hochtemperaturprozesse - Google Patents

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Ursula Hedenig
Joachim Hirschler
Markus Kahn
Matthias Künle
Daniel Maurer
Roland Mönnich
Helmut Schönherr
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Abstract

Kohlenstoffschichten mit reduziertem Wasserstoffgehalt können durch Auswahl entsprechender Verarbeitungsparameter mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Solche Kohlenstoffschichten können einer Hochtemperaturbearbeitung unterzogen werden, ohne eine übermäßige Schrumpfung zu zeigen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Anmeldung betrifft die Abscheidung von Kohlenstoffschichten, gefolgt von Hochtemperaturprozessen, entsprechende Vorrichtungen und Bauelemente mit solchen Kohlenstoffschichten.
  • HINTERGRUND
  • Kohlenstoffschichten, insbesondere so genannte diamantartige Kohlenstoffschichten oder -filme, haben vorteilhafte Eigenschaften, die den Einsatz solcher Schichten wünschenswert machen, zum Beispiel in Herstellungsprozessen von Halbleiterbauteilen, zum Beispiel von Bauelementen auf Siliziumbasis.
  • Bei manchen Anwendungen ist es erwünscht, solche Kohlenstoffschichten mit weiteren Schichten zu beschichten oder zu verkapseln, wofür der Einsatz von Ofenverfahren, die eine vergleichsweise hohe Temperatur erfordern, wünschenswert sein kann. Doch bei vielen auf herkömmliche Weise aufgebrachten Kohlenstofffilmen, zum Beispiel hydrogenierten Kohlenstofffilmen, kann eine solche Hochtemperaturbehandlung zu starkem Schrumpfen der Kohlenstoffschicht oder gar zur Delaminierung der Kohlenstoffschicht vom Substrat führen, was nicht erwünscht ist. Andere auf herkömmliche Weise aufgebrachte Kohlenstoffschichten können solchen Hochtemperaturprozessen widerstehen, aber geringe Wachstumsraten haben, was ihre Anwendbarkeit zum Beispiel in den Fällen einschränkt, in denen eine hohe Wachstumsrate erforderlich ist.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten bereitzustellen, die Fertigung von Kohlenstoffschichten mit ausreichender Wachstumsrate in derartige Prozesse, insbesondere zur Bauelementherstellung, zu integrieren sowie entsprechende Bauelemente bereitzustellen.
  • KURZZUSAMMENFASSUNG
  • Es werden ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 14 sowie ein Bauelement nach Anspruch 21 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Verarbeitungsvorrichtung nach einer Ausführungsform;
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer Beschichtungsvorrichtung nach einer Ausführungsform;
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens nach einer Ausführungsform;
  • 4 ist ein Diagramm, das verschiedene Verarbeitungsmöglichkeiten für Kohlenstoffschichten gemäß Ausführungsformen darstellt; und
  • 5A bis 5D zeigen Querschnittsansichten von Kohlenstoffschichten, wobei die 5A und 5B ein Beispiel und die 5C und 5D ein Vergleichsbeispiel zeigen.
  • Es ist außerdem zu beachten, dass Merkmale aus anderen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG der beispielhaften Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen ausführlich beschrieben. Während verschiedene Besonderheiten und Einzelheiten zu solchen Ausführungsformen angeführt werden, bedeutet dies nicht, dass die Anwendung der hierin offen gelegten Techniken und Ausführungsformen auf diese speziellen Einzelheiten beschränkt ist. Die Ausführungsformen sind lediglich als Beispiele anzusehen, wobei andere Ausführungsformen auf andere Weisen als hier dargestellt realisiert werden können. Zum Beispiel können andere Ausführungsformen weniger Merkmale oder andere Merkmale aufweisen.
  • Verschiedene Ausführungsformen betreffen das Abscheiden von Kohlenstoffschichten auf Substraten. Bei den Substraten kann es sich um vorbehandelte Substrate handeln, zum Beispiel Halbleitersubstrate, auf denen Halbleiterbauteile ausgebildet oder teilweise ausgebildet wurden, und/oder die Abscheidung der Kohlenstoffschicht kann Teil einer Gesamtverarbeitung des Substrats zur Herstellung von Halbleiterbauteilen sein. In manchen Ausführungsformen erfolgt das Aufbringen einer Kohlenstoffschicht durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD). In einer oder mehreren Ausführungsformen sind die Verarbeitungsbedingungen so beschaffen, dass die Kohlenstoffschicht durch Zugabe von Verdünnungsgas und/oder Induzieren einer erhöhten Abscheidungsleistung einen reduzierten Wasserstoffgehalt hat. In manchen Ausführungsformen kann durch den Einsatz von verdünnten Prozessen eine bessere Temperaturstabilität solcher Filme beobachtet werden. In verschiedenen Ausführungsformen werden Kohlenstoffschichten mit erhöhter Temperaturstabilität hergestellt, die eine Schrumpfung von weniger als 10 % nach dem Tempern bei 700°C oder weniger für 1 Stunde bzw. von weniger als 5 % nach dem Tempern bei 800°C oder weniger für 2 Stunden aufweisen. In manchen Ausführungsformen wird zum Beispiel ein Präkursorgas für die Kohlenstoffabscheidung mit einem Verdünnungsgas verdünnt und werden andere Verarbeitungsbedingungen wie Abscheidungstemperatur, Plasmageneratorleistung oder Abscheidungsdruck so angepasst, dass man eine Kohlenstoffschicht erhält, die vergleichsweise geringe Schrumpfung aufweist, zum Beispiel eine Schrumpfung kleiner als 10 %, zum Beispiel etwa 5 % oder weniger, wenn sie hochtemperaturbehandelt wird, zum Beispiel bei Temperaturen von oder über 500°C oder sogar bei 700°C und mehr. Eine solche geringe Schrumpfung verringert Probleme der Delaminierung der Kohlenstoffschicht in verschiedenen Ausführungsformen.
  • In manchen Ausführungsformen kann eine solche Hochtemperaturbearbeitung eine Wärmebehandlung der Kohlenstoffschicht und/oder die Abscheidung einer weiteren Schicht wie einer Nitridschicht, Oxinitridschicht, Oxidschicht, insbesondere einer auf die Kohlenstoffschicht aufgebrachten Oxidschicht, einer amorphe Siliziumschicht oder einer PolySilizium-Schicht umfassen. Einige Ausführungsformen betreffen das Abscheiden von Kohlenstoffschichten durch PECVD, die eine erhöhte Dichte aufweisen.
  • Um nun zu den Figuren zu gelangen, 1 zeigt eine Verarbeitungsvorrichtung nach einer Ausführungsform. Die in 1 dargestellte Verarbeitungsvorrichtung weist eine Kohlenstoffabscheideeinrichtung 10 für plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und eine Hochtemperaturbearbeitungseinrichtung 11, zum Beispiel einen Chargenofen, auf. Die Verarbeitungsvorrichtung in 1 kann Teil einer größeren Verarbeitungsvorrichtung sein, die der PECVD-Kohlenstoffabscheidestation 10 vorgeordnete und/oder der Hochtemperaturbearbeitungsstation 11 nachgeordnete weitere Stationen umfasst. Mit anderen Worten können die Substrate bereits vor dem Eintritt in die PECVD-Kohlenstoffabscheideeinrichtung 10 bearbeitet und/oder nach dem Verlassen der Hochtemperaturbearbeitungseinrichtung 11 weiter bearbeitet werden. In manchen Ausführungsformen können auch eine oder mehrere Einrichtungen zwischen den Stationen 10 und 11 vorgesehen sein. Der Begriff „Vorrichtung“ impliziert keine räumliche Beziehung zwischen den verschiedenen Einrichtungen, die die Vorrichtung umfasst. Insbesondere können verschiedene Einrichtungen auch entfernt voneinander angeordnet sein, zum Beispiel in verschiedenen Räumen oder in verschiedenen Teilen eines Raums, wobei Mechanismen für den Transfer der Substrate von einer Einrichtung zur nächsten vorgesehen sind. Eine einzelne Einrichtung kann in manchen Ausführungsformen auch in mehrere Einrichtungen unterteilt sein. Diese mehreren Einrichtungen können dicht beieinander oder entfernt voneinander angeordnet sein.
  • In der PECVD-Kohlenstoffabscheideeinrichtung 10 wird eine Kohlenstoffschicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht. Ein Beispiel für eine solche plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung wird weiter unten unter Bezugnahme auf 2 ausführlich erläutert.
  • In manchen Ausführungsformen können schnell wachsende und/oder haltbare Schichten auf Kohlenstoffbasis mit hoher Temperaturbeständigkeit durch PECVD abgeschieden werden. Solche Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale oder Kombinationen solcher Merkmale verwenden. Jedoch können andere Ausführungsformen weitere Merkmale und/oder andere Merkmale aufweisen.
    • 1. Ein Verdünnungsgas (z.B. Stickstoff (N2), Helium (He), Argon (Ar) usw.) kann in einem PECVD-Prozess einem als Präkursorgas verwendeten Kohlenwasserstoffgas zugesetzt werden;
    • 2. die Abscheidung der Kohlenstoffschicht kann bei erhöhten Abscheidetemperaturen (≤900°C) erfolgen;
    • 3. die Abscheidung der Kohlenstoffschicht kann mit einem starken Ionenbeschuss bei hoher Plasmageneratorleistung in einem PECVD-Prozess erfolgen;
    • 4. die Abscheidung der Kohlenstoffschicht kann bei einem niedrigen Abscheidedruck erfolgen; und
    • 5. nach der Abscheidung der Kohlenstoffschicht kann als Nachbehandlung ein Temperverfahren, z.B. in einem Chargenofen, durchgeführt werden.
  • In manchen Ausführungsformen weist die abgeschiedene Kohlenstoffschicht bei hohen Temperaturen nur eine geringe Schrumpfung auf. In manchen Ausführungsformen kann dies durch Vorsehen einer Kohlenstoffschicht mit einem reduzierten Wasserstoffgehalt erreicht werden. In manchen Ausführungsformen können mit hoher Dichte abgeschiedene Kohlenstoffschichten im Vergleich zu mit herkömmlicher PECVD abgeschiedenen Kohlenstoffschichten nach der Abscheidung beständiger gegen Feuchtigkeit sein. Diese Beständigkeit kann daran beobachtet werden, dass eine Veränderung der der Schicht inhärenten Spannung aufgrund der Absorption von Wassermolekülen gering ist, zum Beispiel geringer als eine Messgenauigkeit normaler Messgeräte, d.h. dass die Spannung im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Nach der Abscheidung der Kohlenstoffschicht in der Kohlenstoffabscheideeinrichtung 10 wird das Substrat, zum Beispiel ein Halbleitersubstrat wie etwa ein Siliziumsubstrat, das wie angemerkt vorbehandelt sein kann, zur Hochtemperaturbearbeitungseinrichtung 11 transferiert. In der Hochtemperaturbearbeitungseinrichtung 11 kann zum Beispiel eine Wärmebehandlung des Substrats mit der Kohlenstoffschicht, zum Beispiel bei Temperaturen zwischen 500°C und 1.000°C, und/oder eine chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD), zum Beispiel zur Beschichtung oder Verkapselung der Kohlenstoffschicht mit einer weiteren Schicht wie einer durch den LPCVD-Ofenprozess abgeschiedenen Nitridschicht, Oxinitridschicht oder Oxidschicht, durchgeführt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer PECVD-Vorrichtung. Die im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 beschriebene PECVD-Vorrichtung kann zum Beispiel in der Kohlenstoffabscheideeinrichtung 10 von 1, aber auch in anderen Ausführungsformen für die Abscheidung von Kohlenstoffschichten verwendet werden.
  • Die PECVD-Vorrichtung weist eine Verarbeitungsreaktorkammer 20 auf, die in 2 im Querschnitt dargestellt ist. Die Verarbeitungsreaktorkammer 20 kann über einen Gaseinlass 210 mit Gas versorgt werden. Ein Präkursorgasbehälter 21 und ein Verdünnungsgasbehälter 22 sind an den Gaseinlass 210 angeschlossen, um ein Präkursorgas, d.h. ein Gas, das den auf einem Substrat 26 abzuscheidenden Kohlenstoff enthält, bzw. ein Verdünnungsgas bereitzustellen. Über eine Steuerung 29 kann die Menge an Präkursorgas und die Menge an Verdünnungsgas, die in die Verarbeitungsreaktorkammer 20 eingeleitet wird, eingestellt werden, wobei beide Mengen in manchen Ausführungsformen individuell einstellbar sind.
  • Als Präkursorgas können zum Beispiel Kohlenwasserstoffverbindungen CxHy, zum Beispiel Acetylen (C2H2), Propylen (C3H6), Propyn (C3H4), Propan (C3H8) oder andere, verwendet werden.
  • Als Verdünnungsgas können zum Beispiel Argon (Ar), Helium (He) oder andere Edelgase, Stickstoff (N2) oder Gemische daraus verwendet werden.
  • Die Verarbeitungsreaktorkammer 20 weist weiterhin einen mit einer Pumpe 23 verbundenen Gasauslass 211 zum Entfernen des Gases aus der Verarbeitungsreaktorkammer 20 auf. Zum Einstellen eines Druckes in der Verarbeitungsreaktorkammer 20 kann zum Beispiel ein so genanntes Drosselventil (nicht dargestellt) zwischen der Pumpe 23 und der Verarbeitungsreaktorkammer 20 vorgesehen werden. Die Pumpe 23 und/oder Ventile wie das oben genannte, zu Pumpe 23 und Gasauslass 211 gehörende Drosselventil können durch eine Steuerung 29 geregelt werden, um in der Verarbeitungsreaktorkammer 20 einen gewünschten Druck zu erzielen.
  • Es ist zu beachten, dass mehr als ein Gaseinlass und/oder mehr als ein Gasauslass vorgesehen sein können, auch wenn in 2 nur ein einziger Gaseinlass 210 und ein einziger Gasauslass 211 dargestellt ist. Zum Beispiel können in manchen Ausführungsformen die Präkursorgasquelle 21 und die Verdünnungsgasquelle 22 an getrennte Gaseinlässe angeschlossen sein.
  • Weiterhin weist die Verarbeitungsreaktorkammer 20 zwei plattenförmige Elektroden 24, 25 auf, die parallel zueinander angeordnet sind und über eine von der Steuerung 29 gesteuerte Hochfrequenzquelle (HF-Quelle) 28 versorgt werden können. Das Substrat 26 wird so auf der Elektrode 25 angeordnet, dass das Substrat 26 entsprechend mit Strom versorgt werden kann. Weiterhin ist ein Heizgerät 27, zum Beispiel ein Widerstandsheizelement, zum Erwärmen des Substrats 26 auf eine gewünschte Temperatur vorgesehen. Das Heizgerät 27 kann ebenfalls von der Steuerung 29 gesteuert werden.
  • Durch Beaufschlagen mit einem geeigneten Strom über die HF-Quelle 28 wird ein Plasma erzeugt, das wiederum zur Abscheidung einer gewünschten Schicht auf dem Substrat 26 führt. Die in 2 gezeigte allgemeine Anordnung entspricht der einer herkömmlichen PECVD-Einrichtung und wird daher nicht näher beschrieben. Es sind zahlreiche Variationen möglich. Zum Beispiel kann die Elektrode 24 Löcher haben, damit Gas vom Gaseinlass 210 direkt durch die Elektrode 24 strömen kann.
  • Durch entsprechende Wahl der Bearbeitungsbedingungen während der Abscheidung einer Kohlenstoffschicht können offenbar Schichten erhalten werden, die für nachfolgende Hochtemperatur-Verarbeitungsschritte geeignet sind, zum Beispiel bei Temperaturen von oder über 500°C, die dabei nur eine geringe Schrumpfung aufweisen, zum Beispiel weniger als 10 % oder weniger als 5 %, was sie weniger anfällig für Probleme wie Delaminierung, Mikro- und/oder Nanohohlraumbildung und/oder Feuchtigkeitsadsorption als herkömmliche Kohlenstoffschichten macht. Dies ist besonders wichtig bei Kohlenstoffschichten, die im herzustellenden Bauelement verbleiben sollen (im Unterschied zu Schichten wie Opferschichten, die später während der Bearbeitung und Herstellung des Bauelementes wieder entfernt werden). Insbesondere können in manchen Ausführungsformen schnell wachsende und haltbare Kohlenstoffschichten mit hoher Wärmebeständigkeit in einer PECVD-Vorrichtung wie die in 2 dargestellte abgeschieden werden:
    • – mit einem Verdünnungsgas, zum Beispiel He, Ar oder N2, das dem als Präkursorgas verwendeten Kohlenwasserstoffgas zugesetzt wird. Zum Beispiel kann die Durchflussrate an Präkursorgas im Bereich von etwa 100 sccm und 10.000 sccm, zum Beispiel bei 750 sccm, liegen, obwohl auch andere Werte gelten können. Verdünnungsgas, zum Beispiel Stickstoff, kann mit einer Durchflussrate zwischen 100 sccm und etwa 30.000 sccm, zum Beispiel im Bereich von etwa 6.000 sccm und etwa 10.000 sccm, zum Beispiel in der Größenordnung von 7.500 sccm, zugeführt werden. Zum Beispiel kann das Verhältnis der Durchflussrate an Verdünnungsgas zur Durchflussrate an Präkursorgas im Bereich von 100:1 und 1:1, zum Beispiel zwischen 15:1 und 1:1, liegen.
    • – bei erhöhten Abscheidungstemperaturen, zum Beispiel zwischen etwa 200°C und 900°C, zum Beispiel zwischen 200°C und 700°C.
    • – bei einer hohen Plasmageneratorleistung, zum Beispiel zwischen 100 W und etwa 10.000 W, zum Beispiel 1.000 W, mit einer Frequenz zum Beispiel zwischen 5 MHz und 50 MHz, und/oder
    • – bei einem niedrigen Abscheidungsdruck, zum Beispiel zwischen 100 Pa und 1.500 Pa.
  • In manchen Ausführungsformen können nur einige oder nur eines der oben genannten Merkmale verwendet werden, zum Beispiel nur der Einsatz von Verdünnungsgas. Durch Hinzufügen weiterer Merkmale aus der oben genannten Liste in manchen Ausführungsformen können sich die Ergebnisse verbessern.
  • Die genannten Zahlenwerte dienen lediglich als Beispiele, so dass in anderen Ausführungsformen auch andere Werte verwendet werden können. Die Zahlenwerte können zum Beispiel stark von der verwendeten Abscheidungseinrichtung (z.B. einer PECVD-Einrichtung) und vom Durchmesser des verwendeten Substrats abhängen. Die verwendeten Werte können auch von Umständen wie der PECVD-Beschichtung abhängen.
  • In manchen Ausführungsformen können die sich ergebenden Kohlenstoffschichten einen reduzierten Wasserstoffgehalt haben. Eine Schrumpfung und/oder Delaminierung der Kohlenstoffschicht, z.B. während eines nachfolgenden Hochtemperaturprozesses, hängt vom Wasserstoffgehalt der Kohlenstoffschicht ab, ein geringerer Wasserstoffgehalt entspricht in vielen Fällen einer reduzierten Schrumpfung und/oder einer geringeren Delaminierungsgefahr. Praktisch sind absolute atomare Mengen an Wasserstoff wegen der unterschiedlichen Bindungszustände innerhalb der Schicht und analytischen Fehlern schwer zu bestimmen. Daher besteht eine geeignete Methode zur Schätzung von Wasserstoffgehalt und Schichtdichte in manchen Ausführungsformen in der Messung der Schichtschrumpfung nach einer Wärmebehandlung, die vom Wasserstoffgehalt und von der Filmdichte abhängt. In manchen Ausführungsformen zeigen Kohlenstoffschichten eine Schrumpfung von weniger als 10 % nach einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 700°C oder weniger für 1 Stunde oder weniger oder eine Schrumpfung von weniger als 5 % nach einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 800°C oder weniger für 2 Stunden oder weniger. Es ist zu beachten, dass die Schrumpfung bei bestimmten Wärmebehandlungen als indirektes Maß für Filmeigenschaften wie Wasserstoffgehalt und/oder Schichtdichte verwendet werden kann. Daher impliziert die Definition einer Kohlenstoffschicht zum Beispiel als eine Schrumpfung von weniger als 10 % nach einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 700°C für eine Stunde oder weniger nicht, dass eine Wärmebehandlung bei 700°C tatsächlich erfolgt ist, sondern besagt lediglich, dass die Schrumpfung 10 % oder weniger betragen würde, wenn eine solche Wärmebehandlung durchgeführt würde.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens nach einer Ausführungsform. Das Verfahren nach 3 kann zum Beispiel mit der Vorrichtung von 1 oder der Vorrichtung von 2, aber auch mit Hilfe von anderen Einrichtungen durchgeführt werden.
  • Bei 30 wird eine Kohlenstoffschicht mit reduziertem Wasserstoffgehalt wie oben erläutert, d.h. zu einer reduzierten Schrumpfung führend, mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung auf ein Substrat abgeschieden, wobei die Kohlenstoffschicht einen Teil eines vom Substrat zu bildenden Bauelementes bildet. „Teil des Bauelementes“ bedeutet, dass die Kohlenstoffschicht bei der nachfolgenden Bearbeitung nicht vollständig entfernt wird (aber strukturiert werden kann oder dergleichen). Zum Beispiel können für das Abscheiden der Kohlenstoffschicht Verarbeitungsparameter wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben verwendet werden.
  • Bei 31 wird nachfolgend eine Hochtemperaturbearbeitung des Substrats mit der darauf abgeschiedenen Kohlenstoffschicht durchgeführt. Die Hochtemperaturbearbeitung kann zum Beispiel eine Hochtemperaturbehandlung oder eine Verkapselung der Kohlenstoffschicht durch Abscheiden einer weiteren Schicht auf der Kohlenstoffschicht bei hohen Temperaturen umfassen. Hohe Temperaturen beziehen sich in diesem Fall zum Beispiel auf Temperaturen zwischen 400°C und 900°C, zum Beispiel zwischen 500°C und 800°C. In Ausführungsformen ist die Wärmebilanz dieser Hochtemperaturbearbeitung höher als die Abscheidungstemperatur der Kohlenstoffschicht. Verschiedene Möglichkeiten für eine solche Hochtemperaturbearbeitung werden weiter unten unter Bezugnahme auf 4 erläutert. Durch Abscheiden der Kohlenstoffschicht mit entsprechend geeigneten Prozessparametern wie oben erläutert kann die Schrumpfung der Kohlenstoffschicht während der Hochtemperaturbearbeitung im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen reduziert werden, zum Beispiel auf oder unter 10 %, zum Beispiel auf oder unter 5 %, was die Gefahr der Delaminierung der Kohlenstoffschicht oder andere durch Schrumpfung bedingte Probleme verringert. Auf diese Weise können Kohlenstoffschichten bei manchen Ausführungsformen in den Bauelementherstellungsprozess integriert werden.
  • Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 4 verschiedene Möglichkeiten für eine Hochtemperaturbearbeitung des Substrats nach dem Abscheiden einer Kohlenstoffschicht bei 40 behandelt. Die Abscheidung der Kohlenstoffschicht bei 40 kann wie zuvor unter Bezugnahme auf die 1–3 erläutert erfolgen.
  • In manchen Ausführungsformen kann wie in 41 angegeben eine Verkapselung der Kohlenstoffschicht erfolgen, zum Beispiel unmittelbar nach dem Abscheiden der Kohlenstoffschicht. In dieser Hinsicht wird im Kontext dieser Anmeldung die Formulierung „Verkapselung der Kohlenstoffschicht“ im Wesentlichen austauschbar mit „Abscheiden einer weiteren Schicht auf der Kohlenstoffschicht“ verwendet, wobei die weitere Schicht dann zum Verkapseln oder Abdecken der Kohlenstoffschicht dient.
  • In manchen Ausführungsformen wird die Verkapselung mit Hilfe einer chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) durchgeführt. Zum Beispiel kann ein Nitrid wie Siliziumnitrid, ein Oxid wie Siliziumoxid oder ein Oxinitrid abgeschieden werden. Die Temperaturen bei dieser Abscheidung können zwischen 500°C und 900°C, zum Beispiel zwischen 600°C und 800°C, liegen. Die abgeschiedene Nitrid- oder Oxinitridschicht kann eine Dicke zwischen 10 nm und 400 nm, zum Beispiel zwischen 10 nm und 200 nm, haben. Die abgeschiedene Oxidschicht kann eine Dicke zwischen 10 nm und 2 µm, zum Beispiel zwischen 10 nm und 500 nm, haben. In anderen Ausführungsformen kann eine amorphe Siliziumschicht (a-Si) oder eine polykristalline Siliziumschicht (poly-Si) abgeschieden werden. Typische Temperaturen für die Siliziumschichtabscheidung können im Bereich von 500°C bis 700°C, zum Beispiel zwischen 520°C und 630°C, liegen, und die Schichtdicken können von wenigen nm bis zu einer Größenordnung von einigen 100 nm betragen.
  • In anderen Ausführungsformen kann vor der LPCVD-Verkapselung bei 43 eine Zwischenschicht, zum Beispiel eine Schicht zur Verbesserung der Haftung der nachfolgenden durch LPCVD abgeschiedenen Schicht, aufgebracht werden. Zum Beispiel kann bei 43 eine amorphe Siliziumschicht mit einer Dicke von einigen Nanometern abgeschieden werden. Danach kann bei 44 eine Verkapselungsschicht abgeschieden werden, zum Beispiel mit Tetraethylorthosilicat (TEOS) als Präkursorgas zur Abscheidung von Siliziumoxid. Es können jedoch auch andere Schichten, zum Beispiel die in Bezug auf 42 erwähnten, abgeschieden werden. Die Verkapselung bei 44 kann zum Beispiel bei Temperaturen zwischen 500°C und 800°C, zum Beispiel zwischen 600°C und 700°C, erfolgen.
  • In anderen Ausführungsformen kann statt einer Verkapselung zum Beispiel unmittelbar nach dem Abscheiden der Kohlenstoffschicht bei 45 eine Wärmebehandlung der Kohlenstoffschicht erfolgen.
  • Eine solche Wärmebehandlung kann in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 500°C und 1.000°C, zum Beispiel bei etwa 800°C, durchgeführt werden. Während der Wärmebehandlung kann ein Inertgas, zum Beispiel Stickstoff (N2), zugeführt werden. Nach dieser Wärmebehandlung kann später bei 46 eine LPCVD-Verkapselung erfolgen, zum Beispiel mit einem Nitrid, einem abgeschiedenen Oxid, einem Oxinitrid, amorphem Silizium oder polykristallinem Silizium, wie dies bereits in Bezug auf 42 erläutert wurde.
  • Es ist zu beachten, dass die unter Bezugnahme auf 4 angegebenen verschiedenen Möglichkeiten nicht als erschöpfend anzusehen sind und dass nach dem Abscheiden der Kohlenstoffschicht auch andere Arten von Hochtemperaturbearbeitung durchgeführt werden können. Weiterhin dienen die in Bezug auf 4 angegebenen Zahlenwerte nur als Beispiele, wobei andere Werte, zum Beispiel andere Temperaturen, Werkstoffe oder Schichtdicken ebenfalls möglich sind.
  • Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die 5A und 5B Querschnittsansichten von gemäß Ausführungsformen hergestellten Schichten und Bauelementen dargestellt. Die 5C und 5D zeigen Vergleichsbeispiele.
  • 5A zeigt eine elektronenmikroskopische Querschnittsansicht einer PECVD-Kohlenstoffschicht 51, die unter den mit Bezug auf 2 erläuterten Verarbeitungsbedingungen auf ein Siliziumsubstrat 50 abgeschieden wurde, was zu einem geringen Wasserstoffgehalt führt. Die unter solchen Bedingungen abgeschiedene Kohlenstoffschicht kann eine hohe Dichte aufweisen. Die Dicke der Kohlenstoffschicht 51 wurde als 2,016 µm gemessen, was in 5A der Fall ist.
  • 5B zeigt die Struktur von 5A, nachdem eine Nitridschicht 52 in einem LPCVD-Hochtemperatur-Ofenverfahren abgeschieden wurde. Nach diesem Hochtemperaturprozess wurde die Dicke der Kohlenstoffschicht 51 als 1,905 µm gemessen, was einer Schrumpfung von etwa 5 % entspricht.
  • In den Vergleichsbeispielen der 5B und 5C wurde eine Kohlenstoffschicht 54 unter Anwendung herkömmlicher PECVD-Parameter auf einem Siliziumsubstrat 53 abgeschieden, was zu einem relativ hohen Wasserstoffgehalt von etwa 30 % bis 50 % führt. Die Dicke der in 5C gezeigten abgeschiedenen Kohlenstoffschicht wurde als 2,163 µm gemessen.
  • Ähnlich wie in 5B wurde auf der Kohlenstoffschicht 54 eine LPCVD-Nitridschicht 55 abgeschieden. In diesem Fall führte dies zu einem Schrumpfen der Kohlenstoffschicht 54 auf 1,687 µm, was einer Schrumpfung von 25 % entspricht. Wie im Einsatz 56 dargestellt, führt eine so große Schrumpfung zu einer teilweisen Delaminierung der Schicht.
  • Die oben gezeigten elektronenmikroskopischen Querschnittsbilder dienen nur als weitere beispielhafte Ausführungsformen, wobei je nach Anwendung weitere Schichtdicken verwendet und/oder Kohlenstoffschichten auf bereits bearbeitete Substrate oder auf andere Substrate als Siliziumsubstrate abgeschieden werden können.

Claims (24)

  1. Verfahren, umfassend: Abscheiden einer Kohlenstoffschicht mit einem Wasserstoffgehalt auf einem Substrat mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, wobei der Wasserstoffgehalt derart ist, dass eine Schrumpfung der Kohlenstoffschicht bei einer beliebigen Wärmebehandlung der Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur von unter 700°C für 1 Stunde oder weniger unter 10 % beträgt; und Durchführen einer Bearbeitung der Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur von mindestens 400°C.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schrumpfung der Kohlenstoffschicht bei einer beliebigen Wärmebehandlung der Kohlenstoffschicht bei 800°C oder darunter für 2 Stunden oder weniger unter 5 % beträgt
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kohlenstoffschicht eine derartige Zeitbeständigkeit gegen Wasser und Feuchtigkeitsaufnahme aufweist, dass die Spannung der Kohlenstoffschicht im Zeitverlauf im Wesentlichen konstant bleibt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Abscheiden der Kohlenstoffschicht ein Zuführen eines Präkursorgases und eines Verdünnungsgases zu einer Verarbeitungsreaktorkammer umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verdünnungsgas Helium, Argon und/oder Stickstoff umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Präkursorgas mindestens ein Kohlenwasserstoffgas umfasst.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Bearbeitung ein Durchführen einer Wärmebehandlung bei mindestens 500°C umfasst.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Bearbeitung eine Abscheidung einer Verkapselungsschicht auf der Kohlenstoffschicht umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Abscheidung der Verkapselungsschicht bei einer Temperatur von mindestens 500°C erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Verkapselungsschicht ein Nitrid und/oder ein Oxid und/oder ein Oxinitrid und/oder amorphes Silizium und/oder polykristallines Silizium umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die Bearbeitung einen chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidungsprozess umfasst.
  12. Verfahren, umfassend: Abscheiden einer Kohlenstoffschicht mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung; und Abscheiden einer weiteren Schicht auf der Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur von mindestens 500°C, wobei eine Schrumpfung der Kohlenstoffschicht während des Abscheidens der weiteren Schicht weniger als 10 % beträgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schrumpfung weniger als 5 % beträgt.
  14. Vorrichtung, umfassend eine PECVD-Einrichtung zur plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung, die für das Abscheiden einer Kohlenstoffschicht mit einem Wasserstoffgehalt auf einem Substrat ausgestaltet ist, wobei der Wasserstoffgehalt dergestalt ist, dass eine Schrumpfung der Kohlenstoffschicht bei einer beliebigen Wärmebehandlung der Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur von unter 700°C für 1 Stunde oder weniger unter 10 % beträgt.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, weiterhin aufweisend eine Hochtemperatur-Bearbeitungseinrichtung, die zur Bearbeitung der Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur von mindestens 400°C ausgestaltet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Hochtemperatur-Bearbeitungseinrichtung einen Chargenofen umfasst.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14–16, weiterhin aufweisend eine LPCVD-Bearbeitungseinrichtung für chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung, die zur Verkapselung der Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur von mindestens 500°C ausgestaltet ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die LPCVD-Bearbeitungseinrichtung zur Abscheidung einer Nitridschicht und/oder einer Oxinitridschicht und/oder einer Oxidschicht und/oder einer amorphen Siliziumschicht und/oder einer polykristallinen Siliziumschicht ausgestaltet ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14–18, wobei die PECVD-Einrichtung eine Präkursorgasquelle und eine Verdünnungsgasquelle umfasst.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14–19, wobei die PECVD-Einrichtung beim Abscheiden der Kohlenstoffschicht für den Betrieb bei einem Druck unter 1.500 Pa und einer Temperatur über 200°C ausgestaltet ist.
  21. Bauelement, umfassend: ein Substrat und eine mit plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung aufgebrachte Kohlenstoffschicht mit einem Wasserstoffgehalt, wobei der Wasserstoffgehalt dergestalt ist, dass eine Schrumpfung der Kohlenstoffschicht bei einer beliebigen Wärmebehandlung der Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur von unter 700°C für 1 Stunde oder weniger unter 10 % beträgt.
  22. Bauelement nach Anspruch 21, weiterhin aufweisend eine Verkapselungsschicht auf der Kohlenstoffschicht.
  23. Bauelement nach Anspruch 22, wobei die Verkapselungsschicht ein Nitrid und/oder ein abgeschiedenes Oxid und/oder ein Oxinitrid und/oder amorphes Silizium und/oder polykristallines Silizium aufweist.
  24. Bauelement nach einem der Ansprüche 21–23, wobei der Wasserstoffgehalt dergestalt ist, dass eine Schrumpfung der Kohlenstoffschicht bei einer beliebigen Wärmebehandlung der Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur von unter 800°C für 1 Stunde oder weniger unter 5 % beträgt.
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