-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern mit wenigstens
einer zu oxidierenden Siliziumschicht und einer nicht zu oxidierenden
Metallschicht, insbesondere einer Wolframschicht.
-
In
der Halbleiterindustrie gibt es zunehmend die Notwendigkeit, Halbleiterbauelemente
kleiner und effizienter auszubilden. Ein Beispiel hierfür ist die zunehmende
Verwendung von Wolfram anstelle von Wolframsilizid als ein Bestandteil
des Gate-Aufbaus bei MOS-Transistoren. Die Verwendung von Wolfram als
Gate-Material ist vorteilhaft aufgrund des geringeren spezifischen
Widerstands von Wolfram gegenüber
Wolframsilizid. Dies ermöglicht
eine Reduzierung des Widerstands des Gates, was zu einer verbesserten
elektrischen Leistung der Transistoren führt. Darüber hinaus kann die Höhe eines
Gate-stacks durch die Verwendung von Wolfram im Gegensatz zu Wolframsilizid
deutlich verringert werden, was bei den folgenden Füll- und Ätzschritten
zu einer wesentlichen Vereinfachung führt, da das Aspektverhältnis (Verhältnis von
Höhe zum
Abstand des stacks) geringer wird.
-
Ein
derartiges Gate-Stack wird üblicherweise auf
einem Siliziumsubstrat ausgebildet, indem zunächst eine Gate-Oxidschicht,
eine polykristalline Siliziumschicht, eine Wolframnitridschicht,
eine Wolframschicht und eine Siliziumnitridschicht aufgebracht werden.
-
Anschließend wird
zum Definieren einzelner Gate-Bereiche eine selektive Ätzung durchgeführt, wobei
die geätzten
Seitenwände
der Gate-Stacks frei liegen. Auf die Ätzung folgt eine Gate-Stack-Seitenwandoxidation,
die der Ausheilung von Ätzschäden und
der Reduzierung von Leckströmen
dient. Bei der Verwendung eines Wolfram-Gates muß dieser Prozeß selektiv
erfolgen, d. h. während
die polykristalline. Siliziumschicht oxidiert werden muß, darf
das Wolfram nicht oxidiert werden, da die Bildung eines hochohmigen
Wolframoxides die elektrische Funktionalität des Gates verhindert.
-
Eine
derartige selektive Oxidation kann durch eine Naßoxidation in wasserstoffreicher
Atmosphäre
innerhalb einer Schnellheizanlage bzw. RTP-Anlage erreicht werden.
-
Eine
allgemein hierfür
einsetzbare RTP-Anlage ist beispielsweise in der auf die Anmelderin
zurückgehenden
DE 44 37 361 gezeigt.
-
Bei
der bekannten RTP-Anlage ist der zu behandelnde Wafer in einer Quarzkammer
aufgenommen und wird durch oberhalb und unterhalb der Quarzkammer
liegende Lampenbanken erhitzt. Dabei ist es bekannt, eine thermisch
stabile und in der Geometrie ähnliche
lichtabsorbierende Platte in der Quarzkammer anzuordnen, und zwar
derart, daß der Wafer über eine
radiative und konvektive Energiekopplung zwischen Platte und Wafer
erhitzt wird statt direkt über
die Lampen erhitzt zu werden. Der Vorteil liegt darin, daß die lichtabsorbierende
Platte thermisch stabil ist und eine konstante Emissivität beibehält, wodurch
eine genaue Temperatursteuerung des Halbleiterwafers möglich wird,
auch dann wenn die Emissivität
der Halbleiterscheibe variiert wird. Zu Einzelheiten hinsichtlich
der Verwendung einer lichtabsorbierenden Platte wird auf die
DE 44 37 361 verwiesen,
um Wiederholungen zu vermeiden.
-
Bei
dem oben beschriebenen Prozeß der
selektiven Seitenwandoxidation ergibt sich jedoch das Problem, dass
wolframhaltige Verbindungen, insbesondere Wolframoxid von dem Halbleiterwafer
abdampfen können.
Derartiges Abdampfen des Wolframoxids oder eines Metalloxids oder
Metallhydroxid schlägt
sich auf der Quarzkammer nieder, wird dort zu Wolfram bzw. zu Metall
reduziert und beeinflußt durch
teilweise Abschattung der von den Lampen ausgehender Strahlung die
Temperaturverteilung über
den Wafer und/oder über
die lichtabsorbierende Platte und somit über den Wafer hinweg. Bei mehreren
aufeinanderfolgenden Prozessen kann es aufgrund immer stärker wer dender
Abschattungsprozesse zu erheblichen Veränderungen der Prozeßparameter,
wie z. B. der Prozeßtemperatur
bzw. Wafertemperatur kommen.
-
Die
DE 100 60628 A1 zeigt
ebenfalls eine RTP-Anlage, in der der zu behandelnde Wafer in einer
Quarzkammer aufgenommen und durch oberhalb und unterhalb der Quarzkammer
liegende Lampenbanken erhitzt wird. Zwischen dem zu behandelnden
Wafer und den jeweiligen oberhalb und unterhalb des Wafers liegenden
Lampenbanken sind innerhalb der Quarzkammer jeweils Wechselplatten zur
Verringerung einer Kontamination der Quarzkammer vorgesehen. Die
obere Wechselplatte besitzt dabei optisch diffuse Eigenschaften.
-
Aus
der
JP 09 306 860 A ist
auch eine RTP-Anlage bekannt, in der der zu behandelnde Wafer in
einer Quarzkammer aufgenommen und durch oberhalb und unterhalb der
Quarzkammer liegende Lampenbanken erhitzt wird. Hierbei ist der
Wafer innerhalb der Quarzkammer gegenüber den Lampenbanken durch
Platten aus hochreinem Si oder SiC abgeschirmt.
-
Als
relevanter Stand der Technik sind noch die Dokumente
JP 08-031761 A und
EP 0116317 B1 zu
erachten.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern
zu schaffen, bei der bzw. bei dem im Wesentlichen gleichbleibende
Prozeßbedingungen
bei einer selektiven Oxidation einer zu oxidierenden Siliziumschicht
und einer nicht zu oxidierenden Metallschicht, insbesondere einer
Wolframschicht ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln
von Halbleiterwafern mit wenigstens einer zu oxidierenden Siliziumschicht
gemäß Anspruch
1 bzw. 14 gelöst.
Die Vorrichtung besitzt insbesondere wenigstens eine Strahlungsquelle,
eine das Substrat aufnehmende Behandlungskammer mit wenigstens einem
benachbart zu den Strahlungsquellen liegenden Wandteil, der für die Strahlung
der Strahlungsquelle im Wesentlichen durchsichtig ist, und wenigstens
einer Abdeckplatte zwischen dem Substrat und dem benachbart zu den
Strahlungsquellen liegenden durchsichtigen Wandteil der Behandlungskammer, wobei
die Ab deckplatte so bemessen ist, daß sie den durchsichtigen Wandteil
der Behandlungskammer vollständig
gegenüber
dem Substrat abdeckt, um zu verhindern, daß von dem Substrat sich abscheidendes
bzw. abdampfendes Material, welches ein Metall, ein Metalloxid oder
ein Metallhydroxid umfaßt,
wie z. B. Wolfram, Wolframoxid oder Wolframhydroxid, auf den durchsichtigen
Wandteil der Behandlungskammer gelangt.
-
Vom
Halbleiterwafer abdampfendes Material, welches Metalle wie z. B.
Wolfram umfassen kann, sammelt sich an der Abdeckplatte und verhindert
daher eine Ansammlung an dem durchsichtigen Wandteil der Behandlungskammer,
wodurch sich eine Verschlechterung der Prozeßverhältnisse über mehrere Prozeßzyklen
hinweg verhindern läßt. Ferner
ist eine Handhabungseinrichtung zum automatischen Entnehmen und
Einsetzen der Abdeckplatte aus der bzw. in die Behandlungskammer
vorgesehen, um beispielsweise einen automatischen Plattenwechsel
zwischen aufeinander folgenden Behandlungsprozessen zu ermöglichen,
und zwar ohne aufeinander folgende Behandlungsprozesse dadurch erheblich
zu verzögern.
Dabei kontaktiert die Handhabungsvorrichtung die Abdeckplatte ausschließlich auf
einer vom Substrat wegweisenden Oberfläche, um eine Verunreinigung
der Handhabungsvorrichtung mit Wolfram zu vermeiden. Dies ist insbesondere
von Vorteil, wenn die Handhabungsvorrichtung auch zum Be- und Entladen
von Substraten eingesetzt ist.
-
Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Abdeckplatte für die Strahlung der Strahlungsquelle
im Wesentlichen undurchsichtig, so dass sich auf die Abdeckplatte niederschlagendes
Material wie z. B. Wolfram, Wolframoxid oder Wolframhydroxid aufgrund
der optischen Undurchsichtigkeit der Platte keinen Einfluß auf die
Temperaturverteilung des Wafers besitzt. Bei undurchsichtigen Abdeckplatten
ergibt sich keine direkte Heizung der Wafer über die Strahlungsquelle sondern
indirekt über
die Abdeckplatte.
-
Um
eine leichte Entnahme der Abdeckplatte beispielsweise für Reinigungszwecke
zu ermöglichen,
liegt die Abdeckplatte vorzugsweise auf entsprechenden Halteelementen
in der Behandlungskammer frei auf. Dies ist insbesondere bei durchsichtigen
Abdeckplatten von Vorteil, da diese aufgrund von sich daran ansammelnden
Ablagerungen durch das vom Halbleiterwafer abgelöste Material häufig gereinigt
werden müssen,
um gleichbleibende Prozeßbedingungen
beizubehalten. Aber auch bei undurchsichtigen Abdeckplatten kann
eine regelmäßige Reinigung
derselben z. B. aufgrund des sich daran ansammelnden Wolframs von
Vorteil sein, um z. B. eine etwaige Kontamination der Prozeßkammer
zu minimieren, und eine reproduzierbare Prozessierung der Halbleiterwafer
zu garantieren.
-
Vorteilhafterweise
ist je wenigstens eine Abdeckplatte ober- und unterhalb des Substrats,
d. h. auf beiden Seiten des Substrats vorgesehen, um abdampfendes
Material wie z. B. Wolfram möglichst vollständig aufzunehmen.
-
Für eine geeignete
Einstellung der Prozeßparameter
sind vorzugsweise ober- und
unterhalb des Substrats unterschiedliche Abdeckplatten vorgesehen.
-
Vorzugsweise
ist die zum Substrat weisende Oberfläche der Abdeckplatte beschichtet,
wobei die Beschichtung einerseits eine gute Anhaftung des vom Halbleiterwafer
abgelösten
Materials wie z. B. des Wolframs und seiner Verbindungen ermöglichen kann
und andererseits beispielsweise aus einem leicht zu reinigenden
Material besteht.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine lichtabsorbierende Platte zwischen der Abdeckplatte
und dem durchsichtigen Wandteil der Behandlungskammer vorgesehen,
die eine gute Lichtabsorption und somit eine indirekte Heizung des
Wafers ermöglicht.
Dabei kann die lichtabsorbierende Platte eine kleinere, im Wesentlichen
an die Geometrie des Halbleiterwafers angepaßte Form besitzen, da die lichtabsorbierende Platte
nicht zum Abfangen von abdampfendem bzw. vom Wafer ablösendem Material
wie z. B. Wolfram dient. Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht die
Abdeckplatte aus Glas, insbesondere Quarzglas, das einerseits kostengünstig herzustellen ist
und andererseits leicht zu reinigen ist und sich ebenso leicht und
kostengünstig
beschichten läßt wie z.
B. mit einer Siliziumnitrid-, einer Siliziumoxinitrid- oder einer
Siliziumoxidschicht.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Einrichtung zum Einleiten eines nicht wäßrigen,
d. h. wasserfreien bzw. wasserdampffreien, wasserstoffhaltigen Prozeßgases in
die Behandlungskammer vorgesehen, da ein derartiges Prozeßgas eine
selektive Oxidation ermöglicht,
insbesondere wenn zusätzlich
während des
Einleitens und/oder vor oder nach dem Einleiten des wasserfreien
Prozeßgases
ein Wasser enthaltendes Prozeßgas
eingeleitet wird.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum thermischen Behandeln von Halbleiterwafern mit wenigstens einer
zu oxidierenden Halbleiterschicht, vorzugsweise einer Siliziumschicht
und einer nicht zu oxidierenden Metallschicht, z. B. einer Wolframschicht
wird der Halbleiterwafer in einer Behandlungskammer mit wenigstens
einem benachbart zu Strahlungsquellen liegenden Wandteil, der für die Strahlung
der Strahlungsquelle im Wesentlichen durchsichtig ist, aufgenommen
und erhitzt, wobei von dem Substrat abgeschiedenes bzw. abdampfendes Material
ein Metall, ein Metalloxid oder ein Metallhydroxid umfaßt und das
Material an wenigstens einer Abdeckplatte zwischen dem Wafer und
dem durchsichtigen Wandteil der Behandlungskammer abgeschieden bzw.
adsorbiert wird, um zu verhindern, dass es auf den durchsichtigen
Wandteil der Behandlungskammer gelangt. Die Abdeckplatte wird mit
einer automatischen Handhabungseinrichtung nach einer thermischen
Behandlung aus der Behandlungskammer entnommen und vor einer nachfolgenden Behandlung
wird wiederum eine Abdeckplatte in die Behandlungskammer eingesetzt,
wobei die Handhabungsvorrichtung die Abdeckplatte ausschließlich auf
einer vom Substrat wegweisenden Oberfläche, kontaktiert.
-
Bei
diesem Verfahren ergeben sich die schon oben bezüglich der Vorrichtung genannten Vorteile.
-
Vorzugsweise
wird während
der thermischen Behandlung ein nichtwässriges, wasserstoffhaltiges Prozeßgas in
die Behandlungskammer eingeleitet, um eine selektive Oxidation zu
ermöglichen.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Abdeckplatte zwischen aufeinanderfolgenden
Behandlungsvorgängen
aus der Behandlungskammer entnommen und gereinigt.
-
Die
Halbleiterwafer sind vorzugsweise aus Silizium oder Silizium enthaltenden
Materialien welche z. B. Strukturen in Form von nebeneinander angeordneten
mehrschichtigen im Wesentlichen planaren Elementen umfassen, wobei
unterschiedliche Materialien A und B in verschiedenen Schichten
der Elemente sein können.
Solche mehrschichtigen planaren Elemente werden z. B. durch Gate-Stack-Strukturen
gebildet wie sie oben beschrieben wurden, bei denen z. B. das Gate
durch Wolfram gebildet wird. Das Material A kann mit einer ersten
Komponente X eines Prozeßgases
einen ersten Stoff a bilden, der durch eine erste Gleichgewichtsreaktion
A + X <=> a + a' beschrieben ist,
und das Material B kann mit einer zweiten Komponente Y des Prozeßgases einen
zweiten Stoff b bilden, der durch eine zweite Gleichgewichtsreaktion
B + Y <=> b + b' beschrieben ist,
wobei a' und b' optionale Reaktanden
sind.
-
Die
Behandlungskammer ist vorzugsweise die Prozeßkammer einer Schnellheizanlage (RTP-Anlage),
kann aber auch eine Kammer einer anderen Anlage zur thermischen
Behandlung von Halbleitersubstraten sein.
-
Eine
thermische Behandlung des Halbleitersubstrates kann sich auf mehrere
hintereinander folgende Behandlungszyklen erstrecken. Unter einem thermischen
Behandlungszyklus soll ein thermisches Prozessieren des Halbleitersubstrates
verstanden werden, so daß das
Halbleitersubstrat einem zeitlich sich variierenden Temperaturverlauf
unterworfen wird, dessen Temperatur-Zeit-Kurve wenigstens einen Temperaturwert
aufweist, der höher
ist als die Anfangs- und Endtemperatur des Behandlungszyklus.
-
Bei
den oben genannten Gate-Strukturen ist das Material A z. B. Wolfram
und das Material B, z. B. Silizium bzw. Polysilizium, wie dies in
der auf die Anmelder zurückgehenden
Anmeldung
DE 101 205 23 näher beschrieben
ist. Der Stoff a ist eine etwaige auftretende Wolframoxidverbindung
wobei es sich insbesondere auch um Hydroxide handeln kann, oder
ein Wolframoxid. Der Stoff b ist eine Siliziumoxidverbindung bzw.
Siliziumoxid. Beim selektiven Oxidationsprozeß wird als erste und zweite
Komponente X, Y des Prozeßgases
ein Gemisch aus Wasserdampf und Wasserstoff gewählt, so daß das Wolfram A nicht oder
nur in geringem Umfang oxidiert bzw. etwaiges Wolframoxid oder Wolframhydroxid
zu Wolfram reduziert wird, d. h. das Gleichgewicht der ersten Gleichgewichtsreaktion
ist zum ersten Material A, d. h. zum Wolfram hin verschoben. Das
Material B, im speziellen Fall Polysilizium, dagegen reagiert mit
dem speziellen Prozeßgas
aus Wasserstoff und Wasserdampf zu Siliziumoxid (dem Stoff b), so
daß das
Gleichgewicht der zweiten Gleichgewichtsreaktion zu dem Stoff b,
dem Siliziumoxid hin verschoben ist.
-
Das
Material A kann z. B. wie oben beschrieben ein Metall umfassen wie
z. B. Molybdän,
ein Metalloxid, Metallnitrid oder ein Metallsilizid bzw. ein Metallhydroxid,
welches durch wenigstens eine Komponente X des Prozeßgases z.
B. oxidiert oder weiter oxidiert wird, oder sich derart chemisch
verändert, daß sich eine
flüchtige
Substanz a bilden kann (wie dies z. B. bei einigen Metallhydroxidbildungen
der Fall ist, z. B. bei Wolframhydroxid), welche die Prozeßkammer
verunreinigt. Derartige Verunreinigungen gilt es durch apparative
und/oder verfahrenstechnische Maßnahmen zu minimieren, um solche Prozesse
der Massenproduktion zugänglich
zu machen.
-
Das
Material B kann einen Halbleiter wie z. B. Si, ein Halbleiteroxid
wie z. B. SiO und/oder SiO2, ein Halbleiternitrid
wie Si3N4, ein Halbleiteroxinitrid oder
ein Silizid, ein Glas wie z. B. eine BPSG-Schicht oder Kohlenstoff
enthaltendes Material umfassen, welches sich durch die thermische
Behandlung in eine gewünschte
chemische Verbindung b (den Stoff b) umwandelt, oder welche bereits
vor der thermischen Behandlung in einer solchen Verbindung b (dem Stoff
b) vorliegt, wobei während
der thermischen Behandlung das Gleichgewicht der zweiten Gleichgewichtsreaktion
zum Stoff b hin verschoben ist.
-
Allgemein
soll unter dem Stoff b auch eine Änderung der physikalischen
Eigenschaften des zweiten Materials B verstanden werden, wie dies
z. B. der Fall ist, wenn BPSG-Schichten einer thermischen Behandlung
unterworfen werden, und diese dann durch Änderung der Viskosität sich fließend gleichmäßig über das
Halbleitersubstrat verteilen.
-
In 7 ist
die Konzentration (oder der Druck bzw. Partialdruck) der Komponenten
X, Y bzw. deren Verhältnis
gegen einen Prozeßparameter,
vorzugsweise die Prozeßtemperatur
bzw. die Temperatur des Halbleitersubstrats schematisch dargestellt. Für die beiden
Gleichgewichtsreaktionen ergeben sich vier Bereiche I bis IV, in
denen das Gleichgewicht der entsprechenden Reaktion jeweils zu einer Seite
hin, d. h. zur Seite der entsprechenden Produkte hin verschoben
ist. Die Linien 101 und 102 zeigen den Parameterbereich
auf, für
den die Reaktionsraten k1, I1 für die Hin-
und die Reaktionsraten k2, I2 für die Rückreaktion
zu einer Gleichgewichtsbedingung führen, so daß sich die Konzentration jedes
Reaktanden zeitlich nicht mehr verändert, weshalb diese Linien
durch die Gleichgewichtskonstanten (die im allgemeinen temperaturabhängig sind)
der Reaktionen beschrieben werden. Ferner sei erwähnt, daß durch die
Reaktion auch der Typ des Reaktionsgeschwindigkeitsgesetzes definiert
wird, welches z. B. von nullter bis n-ter Ordnung sein kann.
-
Die
Kurve
3 in
7 zeigt schematisch einen Konzentrations-Temperatur-Verlauf welcher z.
B. ähnlich
ist wie der in der auf die Anmelder zurückgehenden deutschen Patentanmeldung
DE 101 205 23 beschriebene
Verlauf für
den Fall der selektiven Seitenwandoxidation einer Wolfram-Gate-Stack-Struktur
Dieser Konzentrations-Temperatur-Verlauf für ein Wasserstoff/Wasserdampf-Gemisch hat den Vorteil, daß das Abscheiden
von Wolframoxiden und Wolframhydroxiden derart reduziert wird, daß eine Verunreinigung
der Prozeßkammer
erst nach einigen tausend Halbleitersubstraten merklich auftritt,
und damit der Prozeß insgesamt
für eine
Massenproduktion geeignet ist. Im Punkt
110 der Kurve
103 wird
beispielsweise reiner Wasserstoff mit 0% Wasserdampf in die Prozeßkammer
eingeleitet und das Halbleitersubstrat auf eine Temperatur von z.
B. 800°C
erwärmt.
Danach wird die Konzentration von Wasserdampf in Wasserstoff auf
ca. 10% erhöht,
während
die Temperatur für
eine gewisse Zeit, z. B. 10 s bis 30 s konstant gehalten wird, wodurch
im Phasendiagramm der Punkt
112 der Kurve
103 erreicht
wird. Schließlich wird
die Temperatur weiter erhöht,
z. B. bis etwa 1050°C,
wobei die Wasserdampf/Wasserstoffkonzentration konstant gehalten
wird. Dies ist durch Punkt
111 in Kurve
103 angedeutet.
Nach einer gewissen Verweilzeit von ca. 10 s bis 60 s in Punkt
111 wird
die Temperatur reduziert, wobei vorzugsweise das Abkühlen in
reinem Wasserstoff und bei niederen Temperaturen (z. B. unter 800°C) dann in
Stickstoff erfolgt, dies ist durch die Kurvenabschnitte
111–
113 und
113–
114 schematisch
wiedergegeben. Während der
Aufheizphase des Substrates, d. h. während des Kurvenzuges
110–
112–
111 der
Kurve
103 wird durch die Wahl der Prozeßführung bezüglich Prozeßgaszusammensetzung und Temperatur
des Halbleitersubstrates sichergestellt, daß der Prozeß in Metall-Reduktionsbereich
II und im Silizium- bzw. Halbleiteroxidationsbereich III verläuft, so
daß eine
selektive Oxidation des Halbleiters aber keine Oxidation des Metalles
erfolgt, dieses aber bei etwaigem Vorhandensein einer Metalloxidschicht
bzw. Metallhydroxidschicht reduziert wird, um nach dem Prozeß das Metall
auch an seiner Oberfläche
als reines Metall vorliegen zu haben. Beim Abkühlen wird bevorzugt die oxidierende
Komponente (z. B. der Wasserdampf) aus dem Prozeßgas entfernt und die Abkühlung erfolgt
z. B. in reinem Wasserstoff, wobei entgegen der Darstellung in
7 in
der Regel die Reduktionszone IV des Halbleiters nicht durchlaufen
wird, bzw. nur sehr kurzfristig durchlaufen wird, so daß eine etwaige Reduktion
des Halbleiteroxids (Stoff b) sich nicht schädlich oder nachteilig auf die
Struktur S auswirkt.
-
Während einer
thermischen Behandlung ist es möglich,
daß wenigstens
eine Konzentration und/oder ein Partialdruck bzw. Druck wenigstens
einer der Komponenten X, Y des Prozeßgases stetig als Funktion
eines weiteren Prozeßparameters,
z. B. der Prozeßtemperatur
oder der Prozeßzeit
verändert wird.
-
Dies
wird bevorzugt dadurch erreicht, daß wenigstens ein Gasflußmesser
abhängig
von dem weiteren Prozeßparameter
geregelt oder der Gasflußmesser
gesteuert wird.
-
Durch
die Steuerung oder Regelung des Gasflußmessers kann eine nahezu beliebige
Prozeßkurve,
wie sie z. B. in dem in 8 dargestellten Phasendiagramm
dargestellt ist, durchlaufen werden. Die Prozeßkurve kann dabei eine geschlossene oder
eine „offene” Kurve
sein, d. h. ein Prozeß,
bei dem Anfangs- und Endpunkt des Prozesses im dargestellten Parameterfeld
gleich sind, oder bei einer „offenen” Kurve,
bei dem Anfangs- und Endpunkt verschieden sind.
-
Alternativ
oder zusätzlich
zur Regelung oder Steuerung wenigstens eines Gasflußmessers
kann mittels einer Pumpvorrichtung der Gesamtdruck oder ein Partialdruck
innerhalb der Prozeßkammer
eingestellt werden.
-
Durch
die Regelung bzw. Steuerung wenigstens eines Gasflußmessers
und/oder des Drucks innerhalb der Prozeßkammer ist eine aktive Kontrolle des
Prozeßverlaufs
möglich.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann auch eine „passive” Kontrolle
des Prozeßverlaufs
erfolgen, indem in ein mit einem ersten Prozeßgas gefülltes Volumen (z. B. Kammervolumen)
ein zweites Prozeßgas
mit fest definierter Zusammensetzung eingeleitet wird. Durch das
Mischen bzw. Austauschen des ersten und zweiten Prozeßgases wird
in gewisser Weise ebenfalls eine stetige Änderung wenigstens einer der Komponenten
des Prozeßgases
erzielt. Allerdings sind diesem passiven Verfahren sehr enge Grenzen bezüglich der
Anwendbarkeit gesetzt.
-
Die
Grenzen der Anwendbarkeit des passiven Verfahrens der Kontrolle
des Prozeßverlaufs können durch
eine zusätzliche,
gegebenenfalls bezüglich
des Volumens variierbare Kammer erweitert werden, wobei diese zusätzliche
Kammer auch als Mischkammer dienen kann, um die Komponenten des
Pro zeßgases
vor Eintritt in die Prozeßkammer und
nicht erst in der Prozeßkammer
selbst zu mischen.
-
In 8 ist
mittels der Kurve 110-111-112-113-110 schematisch
eine geschlossene Prozeßkurve
dargestellt, welche einen von möglichen
alternativen Prozessen zu dem in 7 in Kurve 103 dargestellten
Prozeß der
selektiven Wolfram-Gate-Stack-Oxidation darstellt. Durch eine aktive
Steuerung oder Regelung des Wasserdampf/Wasserstoff-Verhältnisses
als Funktion der Prozeßtemperatur
(Halbleitertemperatur) ist es möglich
die Wasserkonzentration von z. B. ursprünglich 0% im Punkt 110 auf
z. B. 5% bis 50% im Punkt 111 ansteigen zu lassen. Dabei
ist es bei der selektiven Wolfram-Gate-Stack-Oxidation sinnvoll, den Wasserdampfanteil
zunächst
gering zu halten, so daß dieser im
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu etwa 700°C im wesentlichen
5% nicht übersteigt,
vorzugsweise 1% nicht übersteigt.
Durch die langsame Zunahme der Wasserkonzentration im Prozeßgas wird
sichergestellt, daß ein
etwaiges vorhandenes Metalloxid z. B. Wolframoxid oder Metallhydroxid
z. B. Wolframhydroxid mittels des als Majoritätskomponente vorhanden Wasserstoffs
reduziert werden kann, da der Prozeß vollständig im Metallreduktionsbereich
II verläuft.
Nach der Reduktion etwaiger Verbindungen a wie z. B. die erwähnten Metalloxide
oder Metallhydroxide wird die Temperatur weiter von Punkt 111 bis
Punkt 112 erhöht,
wobei die Konzentration des Wasserdampfes so gewählt wird, daß der Prozeß ebenfalls
in der Metallreduktionszone II verläuft, jedoch so, daß eine maximale
Oxidation es Halbleiters bei möglichst
hoher Prozeßtemperatur
erfolgt, d. h. daß die
Prozeßkurve
im Phasendiagramm also in der Nähe
der maximalen Temperatur möglichst
nahe an der Gleichgewichtskurve 101 zwischen z. B. der
Metalloxidationszone I und Metallreduktionszone II verläuft. Dies
garantiert z. B. eine möglichst
gute Oxidqualität
der gebildeten Halbleiteroxidschicht. Für das Abkühlen des Halbleitersubstrats
kann die in 7 dargestellte Kurve gewählt werden,
bei der der Wasserdampfgehalt möglichst rasch
auf 0% eingestellt wird, z. B. mittels der oben erwähnten passiven
Kontrolle der Gaszusammensetzung. Alternativ oder zusätzlich kann
mittels einer aktiven Kontrolle der Gaszusammensetzung eine Reduktion
der Wasserdampfkonzentration und damit eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration
als Funktion der abnehmenden Temperatur auf dem Kurvenabschnitt 112–113 erfolgen,
so daß das
Oxidwachstum bzw. die Bildung des zweiten Stoffes b reduziert wird.
Dies hat sich häufig
als vorteilhaft erwiesen, da die Qualität des zweiten Stoffes b, z.
B. eines Halbleiteroxids wie SiO2 mit abnehmender
Temperatur ebenfalls abnimmt, und deshalb ein reduziertes Bilden
eines solchen erwünscht
wird. Dies wird durch die sich stetig reduzierte Konzentration z.
B. des Wasserdampfes erreicht. Ab dem Punkt 113 kann die Konzentration
der Prozeßgaskomponenten
so gesteuert oder geregelt werden, daß der Halbleiterreduktionsbereich
bzw. der Bereich IV nicht erreicht wird.
-
In
der in 8 dargestellten Kurve 110–111–112–113–110 kann
die Richtung, wie die Kurve durchlaufen wird, ebenfalls gewählt werden. Oben
wurde ein Durchlaufen der Prozeßkurve
im Uhrzeigersinn beschrieben, d. h. daß die Konzentration wenigstens
der dominanten reaktiven Prozeßgaskomponenten
bei zunehmender Temperatur größer ist,
als diese Konzentration bei abnehmender Temperatur. Abhängig von
der Anwendung kann aber auch ein Durchlaufen einer Prozeßkurve entgegen
des Uhrzeigersinns erfolgen, d. h. daß die Konzentration der dominanten
reaktiven Prozeßgaskomponente
bei zunehmender Temperatur kleiner ist, als bei abnehmender Temperatur.
Dies kann z. B. bei BPSG-Reflow-Prozessen vorteilhaft sein, wobei
die reaktive Prozeßgaskomponente
hier Wasserstoff und/oder Wasserdampf ist.
-
Wie
oben beschrieben, kann die Prozeßkurve geschlossen oder offen
sein, sie kann aber auch neben streng monoton zunehmenden und streng
monoton abnehmenden Bereichen nur monotone bzw. streng monotone
Bereiche umfassen oder aus einem solchen Bereich bestehen, wie z.
B. einer Linie.
-
Die
Prozeßkurven,
wie sie in den 7 und 8 schematisch
dargestellt wurde, repräsentiert bei
einmaligem Durchlauf einen thermischen Behandlungszyklus. Die Prozeßkurven
können
während
einer thermischen Behandlung des Halbleitersubstrats auch mehr als
einmal bis hin zum mehrmaligen Durchlauf durchlaufen werden.
-
Bevorzugt
wird das Zeitintervall, in dem wenigstens eine Konzentration der
Komponenten X, Y des Prozeßgases
und wenigstens der weitere Prozeßparameter so gewählt werden,
daß das
Gleichgewicht der ersten Gleichgewichtsreaktion zum ersten Material
A und das Gleichgewicht der zweiten Gleichgewichtsreaktion zum zweiten
Stoff b hin verschoben sind, innerhalb eines thermischen Behandlungszyklusses
gewählt.
-
Das
Zeitintervall kann sich aber auch über mehrere thermische Behandlunszyklen
erstrecken. In diesem Falle kann die erste Gleichgewichtsreaktion
im wesentlichen innerhalb eines thermischen Behandlungszyklusses
und die zweite Gleichgewichtsreaktion im wesentlichen innerhalb
eines anderen thermischen Behandlungszyklusses stattfinden.
-
Vorzugsweise
ist der weitere Prozeßparameter
die Prozeßtemperatur
und/oder eine Temperatur eines Materials A, B und/oder eines Stoffes
a, b der Struktur S. Im Falle der oben erwähnten Wolfram-Gate-Stack-Struktur
wird bevorzugt die Temperatur des Halbleitersubstrats gewählt.
-
Der
weitere Prozeßparameter
kann auch eine weitere Gaskonzentration einer Komponente des Prozeßgases,
der Druck des Prozeßgases,
ein Partialdruck einer Komponente eines Prozeßgases, ein Magnetfeld vorgegebener
Stärke
und/oder ein UV-Licht-Anteil mit dem das Halbleitersubstrat beaufschlagt
wird oder eine Kombination der vorgenannten Parameter umfassen.
-
Die
Strukturen S weisen vorzugsweise horizontale Schichten mit wenigstem
einem Material A, B auf, sie können
aber auch vertikale Schichten mit wenigstem einem Material A, B
aufweisen oder eine Kombination von horizontalen und vertikalen
Schichten der Materialien A, B sein.
-
Ferner
können
die Materialien A, B durch wenigstens ein von A und B verschiedenes
Material C getrennt sein.
-
Bei
einer chemischen Veränderung
des zweiten Materials B kann sich der zweite Stoff b am zweiten
Material B ausbilden, vorzugsweise an der Oberfläche des zweiten Materials B,
wie dies z. B. bei einer Oxidation oder Nitridation von Silizium
der Fall ist.
-
Das
Halbleitersubstrat ist vorzugsweise ein Siliziumwafer, eine kristallin
oder amorph gewachsene oder abgeschiedene Halbleiterschicht, ein
Substrat oder eine Schicht aus einem IV-IV-Halbleiter, einem II-VI-Halbleiter
oder einem III-V-Halbleiter.
-
Wie
bereits bei der Wolfram-Gate-Stack-Struktur erwähnt, umfaßt das erste Material A vorzugsweise
ein Metall und das zweite Material einen Halbleiter B. In diesem
Fall kann das Metall des ersten Materials A von einer Metalloxid- oder Metallnitridschicht,
Metalloxinitridschicht oder einer Metallhydroxidschicht wenigstens
teilweise bedeckt sein, die den ersten. Stoff a umfaßt oder
bildet und z. B. mittels der ersten Gleichgewichtsreaktion bildbar
ist. Der Halbleiter des zweiten Materials B kann von einer Oxid-,
Nitrid- oder Oxynitridschicht wenigstens teilweise bedeckt sein,
die den zweiten Stoff b umfaßt
oder bildet und z. B. mittels der zweiten Gleichgewichtsreaktion
bildbar ist.
-
Vorzugsweise
ist die erste Komponente X und die zweite Komponente Y gleich oder
umfassen wenigstens einen gleichen Stoff, wie z. B. ein Wasserdampf-Wasserstoff-Gemisch.
-
Ebenso
können
die optionalen Reaktanden a',
b' gleich sein oder
wenigstens einen gleichen Stoff umfassen.
-
Beispielsweise
kann die erste Komponente X und die zweite Komponente Y Wasser,
und die Reaktanden a',
b' Wasserstoff umfassen,
bzw. die erste und/oder zweite Komponente X, Y kann ein Gemisch aus
Wasser und Wasserstoff umfassen. Ebenso kann die erste und/oder
zweite Komponente X, Y ein Gemisch aus Wasser und Sauerstoff umfassen.
-
Ein
thermisches Behandlungsverfahren läßt sich beispielhaft auch so
durchführen,
daß die
erste und/oder zweite Komponente X, Y ein erstes Gemisch aus Wasser
und Wasserstoff oder ein zweites Gemisch aus Wasser und Sauerstoff
umfaßt,
und daß während der
thermischen Behandlung die erste und/oder zweite Komponente X, Y
vom ersten Gemisch in das zweite Gemisch oder umgekehrt übergeführt wird.
-
Bei
einem thermischen Behandlungsverfahren kann ferner auch ein Prozeßgas eingesetzt
werden, welches wenigstens während
eines Teils der thermischen Behandlung Ammoniak NH3 umfaßt. Dies
kann z. B. vorteilhaft bei der selektiven Seitenwandoxidation einer
Wolfram-Gate-Stack-Struktur sein, wenn das Wolfram eine Wolframnitridschicht WNx umfaßt,
welche ein Oxidieren des Wolframs und damit eine Verflüchtigung
des Wolframoxids bzw. etwaigen Wolframhydroxids hemmt. Eine etwaige Kammerkontamination
kann dadurch verringert werden. Das Wolframnitrid kann durch Zusetzen
von Ammoniak zum Prozeßgas
oder durch einen ersten Prozeßschritt
(d. h. eine erste Temperatur-Zeit-Kurve mittels der das Halbleitersubstrat
beaufschlagt wird) in reinem Ammoniak gebildet werden, oder die
Struktur kann bereits an der Metalloberfläche eine Metallnitridschicht
aufweisen. Das im Prozeßgas
enthaltende Ammoniak hält
die schützende
Metallnitridschicht zumindest für
eine gewisse Zeit oder einer gewissen Temperatur aufrecht und verhindert
so eine mögliche Metalloxidation.
Für Wolfram
zeigt sich im Temperaturbereich zwischen 800°C und 1000°C in reinem Ammoniak eine starke
Wolframnitridbildung, welche bei etwa 930°C bis 950°C ein ausgeprägtes Maximum
aufweist, wie dies 10 zeigt, in welcher der Schichtwiderstand
der zur Schichtdicke der Wolframnitridschicht korreliert ist, als
Funktion der Temperatur dargestellt ist. Dieses Maximum kann z.
B. auch zur Temperaturkalibration von RTP-Anlagen verwendet werden,
insbesondere, um unterschiedliche Anlagen auf eine gemeinsame Temperaturskala
abzustimmen. Dabei wird z. B. der Schichtwiderstand der Wolframnitridschicht
als Funktion der Prozeßtemperatur
ermittelt. Der Schichtwiderstand weißt dann bei ca. 940°C ein sehr
ausgeprägtes
Maximum auf, welches als Kalibrationspunkt für die Temperaturskala dienen
kann.
-
Die
Metallnitridbildung ist allerdings stark von der weiteren Zusammensetzung
des Prozeßgases
abhängig,
insbesondere vom etwaigen Vorhandensein oxidierender Komponenten
wie Sauerstoff oder Wasserdampf. Bei Anwesenheit von ca. 15% Wasserdampf
in Wasserstoff in ammoniakfreiem Prozeßgas wird beispielsweise ab
ca. 700°C
eine etwaige Wolframnitridschicht bei Prozeßzeiten von 60 s deutlich abgebaut,
so daß dann
eine Oxidation des Metalls erfolgen kann, und damit das Risiko der
Kammerverunreinigung steigt. Durch Zugabe von Ammoniak in das Prozeßgas kann
die Zersetzungstemperatur des Metallnitrids erhöht werden. Damit ist es nun
möglich
Prozesse entsprechend den in 9 dargestellten
Kurven 110–114–115–112–113–110 bzw. 110–111–116–115–112–113–110 oder ähnliche zu
realisieren, welche sich dadurch auszeichnen, daß aufgrund einer Schutzschicht
auf dem Material A, wie z. B. einer Metallnitridschicht, z. B. Wolframnitridschicht,
welche mittels einer schutzschichtbildenden reaktiven Prozeßgaskomponenten
gebildet und/oder aufrechterhalten wird, wenigsten ein Teil des
Prozesses innerhalb der Zone I verlaufen kann, in welcher sich der
erste Stoff a bildet. D. h. mittels der Aufrechterhaltung oder Bildung
einer Schutzschicht kann kurzzeitig die Gleichgewichtslinie 101 der
ersten Gleichgewichtsreaktion überschritten
werden, wie dies für
die beiden oben genannten Prozeßführungen
exemplarisch zwischen den Punkten 114 und 115 sowie 116 und 115 dargestellt
ist. Dies hat den Vorteil, daß z.
B. die Oxidation des Halbleiters bei niedrigeren Temperaturen mit
höherer
Rate, d. h. z. B. mittels höherer
Wasserkonzentration erfolgen kann, wodurch sich die thermische Belastung
der Strukturen reduziert.
-
Das
Prinzip der Anwendung einer Schutzschicht bzw. der in-situ-Bildung
oder der Aufrechterhaltung einer Schutzschicht, welche ein Material
A oder B der Struktur abdeckt und mittels einer reaktiven schutzschichtbildenden
Prozeßgaskomponente in
weiten Bereichen der thermischen Behandlung Schutz vor der Bildung
des ersten Stoffes a im Bereich I und/oder der Reduktion vom zweiten
Stoff b im Bereich IV des Phasendiagramms bietet, ermöglicht nicht
nur eine Erweiterung der Prozeßführung in
den Bereich I, der z. B. ein Metalloxidationsbereich ist, sondern
es wird auch eine Erweiterung in den Bereich IV des Phasendiagramms
möglich,
der z. B. der Reduktionsbereich des Halbleiters, besser des Halbleiteroxids
ist.
-
Vorzugsweise
umfaßt
wenigstens eines der Materialien A, B oder der Stoffe a, b Wolfram,
Molybdän,
Platin, Iridium, Kupfer und/der deren Oxide, Nitride und/oder Hydroxide,
wie Wolframoxid, Wolframnitrid oder Wolframhydroxid.
-
Das
erfindungsgemäße Einbringen
von Abdeckvorrichtungen hat ebenfalls den Vorteil, ähnlich dem
der schutzschichtbildenden reaktiven Prozeßgaskomponente, daß wie in 9 schematisch
angedeutet ist, die thermische Behandlung des Halbleitersubstrats
wenigstens teilweise im Metalloxidationsbereich I und/oder im Halbleiterreduktionsbereich IV
stattfinden kann, ohne daß die
Prozeßkammer selbst
unzulässig
verunreinigt wird. Etwaige Metalloxide oder Metallhydroxide werden
durch die Abdeckvorrichtung aufgefangen. Diese können dann wie bereits erwähnt ausgetauscht
und gereinigt werden.
-
Damit
ist mittels der erfindungsgemäßen Abdeckplatten
eine Möglichkeit
geschaffen, die thermische Prozessierung von strukturierten Halbleitersubstraten
derart durchzuführen,
daß der
Prozeßverlauf hinsichtlich
Konzentration des Prozeßgases
und eines weiteren Prozeßparameters
(vorzugsweise der Substrattemperatur) wenigstens einmal eine durch eine
Gleichgewichtsreaktion bestimmte Phasengrenzlinie (101 oder 102 in 7 bis 9)
schneidet, wobei in wenigstens einer Phase sich ein erster Stoff
a bildet, wobei dieser flüchtig
sein kann und bei Abwesenheit der beschriebenen Abdeckplatte zu
etwaigen Kontaminationen der Prozeßkammer führen kann. Durch die aktive
Regelung bzw. Steuerung wenigstens einer Komponente des Prozeßgases eröffnet sich
ein Höchstmaß an Prozeßmöglichkeiten. Insbesondere
erwarten die Anmelder zukünftig
Anwendungen in den Bereichen der Transistorherstellung wie z. B.
im oben dargestellten Wolfram-Gate-Stack-Prozeß, im Bereich der High-K- und Low-K-Anwendungen,
im Bereich der Glas-Reflow-Prozesse mit selektiven Reaktionen oder
im Bereich der Herstellung von Kondensatoren.
-
Die
Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert; in
der Zeichnung zeigt:
-
1 eine
schematische Schnittansicht durch eine Schnellheizanlage für Halbleiterwafer
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine
schematische Schnittansicht durch eine Schnellheizanlage für Halbleiterwafer
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
3 eine
schematische Schnittansicht durch ein, drittes Ausführungsbeispiel
einer Schnellheizanlage gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
4 eine
schematische Schnittansicht durch ein viertes Ausführungsbeispiel
einer Schnellheizanlage für
Halbleiterwafer gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
5 eine
schematische Schnittansicht durch ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Schnellheizanlage
für Halbleiterwafer
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
6 eine
Schnittansicht von oben gemäß der Linie
V-V in 5,
-
7 ein
Phasendiagramm mit einer schematischen Prozeßführung;
-
8 eine
Phasendiagramm mit einer schematischen Prozeßführung mittels aktiver Steuerung oder
Regelung wenigstens einer reaktiven Komponente des Prozeßgases;
-
9 eine
Phasendiagramm mit einer schematischen Prozeßführung mittels aktiver Steuerung oder
Regelung wenigstens einer reaktiven Komponente des Prozeßgases welches
die Phasengrenzen schneidet;
-
10 Schichtwiderstand
einer Wolframnitridschicht als Funktion der Temperatur, wobei in
reinem Ammoniak jeweils 60 s eine 45 nm dicke Wolframschicht auf
Silizium prozessiert wurde.
-
1 zeigt
eine schematische Schnittansicht durch eine Schnellheizanlage 1 zum
thermischen Behandeln von Halbleiterwafern 2 mit wenigstens
einer zu oxidierenden Siliziumschicht und einer nicht zu oxidierenden
Metallschicht, insbesondere einer Wolframschicht.
-
Die
Schnellheizanlage 1 besitzt ein schematisch dargestelltes
Gehäuse 4,
das durch obere und untere Quarzwände 6, 7 in
eine obere Lampenkammer 9, eine untere Lampenkammer 10 und
eine Prozeßkammer 11 aufgeteilt
ist. Das Gehäuse 4 weist eine
nicht dargestellte und verschließbare Öffnung im Bereich der Prozeßkammer 11 auf,
um das Be- und Entladen des Halbleiters 2 zu ermöglichen.
-
In
der oberen Lampenkammer 9 ist eine Vielzahl von parallel
zueinander angeordneten Heizlampen 13 angeordnet, die in
bekannter Weise zum Erhitzen des Wafers 2 angesteuert werden
können.
-
In
entsprechender Weise ist in der unteren Lampenkammer 10 eine
Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Heizlampen 14 vorgesehen,
die wiederum in bekannter Weise angesteuert werden können, um
den Halbleiterwafer 2 zu erhitzen.
-
Im
Bereich der Lampenkammern 9 und 10 besitzt das
Gehäuse 4 nach
innen weisende reflektierende Oberflächen, um von den Lampen 13, 14 ausgehende
Strahlung zur Prozeßkammer 11 zu
reflektieren.
-
Innerhalb
der Prozeßkammer 11 ist
eine erste Halteeinrichtung 16 für eine Abdeckplatte 18 vorgesehen.
Die Abdeckplatte 18 ist aus einem für die Strahlung der Lampen 13 bzw. 14 undurchsichtigem Material
und besitzt eine dem Wafer 2 entsprechende Umfangsform.
Dabei ist die Abdeckplatte 18 jedoch so bemessen, dass
sie einen größeren Durchmesser besitzt
als der Wafer 2 und eine ”Sichtverbindung” zwischen
dem Wafer 2 und der Quarzwand 6 abdeckt.
-
Die
Halteeinrichtung 16 für
die Abdeckplatte 18 besteht aus mehreren sich von der Quarzplatte 6 erstreckenden
Auflageelementen 20. Die Auflageelemente 20 besitzen
jeweils einen ersten Schenkel 22, der sich senkrecht von
der oberen Quarzplatte 6 erstreckt. Am unteren freien Ende
des Schenkels 22 ist ein sich senkrecht hierzu und zur
Kammermitte hin erstreckender zweiter Schenkel 24 vorgesehen,
an dessen freiem Ende sich wiederum ein dritter Schenkel 26 nach
oben erstreckt. Das freie Ende des Schenkels 26 bildet
eine Auflage für
die Abdeckplatte 18, die frei darauf aufliegt. Vorzugsweise
sind drei der Halteelemente 20 für die Abdeckplatte 18 vorgesehen,
um eine sichere Dreipunktauflage vorzusehen. Darüber hinaus sind die Halteelemente 20 derart
angeordnet, dass ein einfaches Abheben der Abdeckplatte 18 und
ein seitliches Herausbewegen aus der nicht dargestellten Öffnung des
Gehäuses 4 ermöglicht wird.
-
Innerhalb
des Prozeßbereichs 11 ist
ferner eine zweite Halteeinrichtung 27 für eine zweite
Abdeckplatte 28 vorgesehen. Die Halteeinrichtung 27 besteht
aus drei sich senkrecht zur unteren Quarzplatte 7 erstreckenden
Auflagestiften 30, auf denen die Abdeckplatte 28 frei
aufliegt. Für
einen sicheren Halt der Platte 28 kann diese kleine Vertiefungen
aufweisen, in die sich die Halteelemente 30 hinein erstrecken,
wie beispielsweise eine konische Vertiefung in die sich eine konische
Spitze der Halteelemente 30 erstrecken kann. Derartige
komplementäre Vertiefungen
können
ebenfalls für
die obere Abdeckplatte 18 vorgesehen sein.
-
Auf
einer Oberseite der unteren Abdeckplatte 28 ist eine Vielzahl
von Auflagestiften 34, vorzugsweise drei, vorgesehen, die
sich im Wesentlichen senkrecht zur Abdeckplatte 28 erstrecken
und eine Auflage für
den Wafer 2 bilden.
-
Die
obere Abdeckplatte 18 und die untere Abdeckplatte 28 sind
jeweils aus einem für
die Strahlung der Lampen 13 bzw. 14 undurchsichtigen
Material, so dass der sich dazwischen befindliche Wafer 2 nicht
direkt durch die Strahlung der Lampen 13, 14 erhitzt
wird, sondern indirekt über
eine radiative und konvektive Energiekopplung zwischen dem Wafer 2 und
den Abdeckplatten 18, 28, welche durch die jeweiligen
Lampen 13 bzw. 14 aufgeheizt werden. Alternativ
ist es jedoch auch möglich,
die Abdeckplatten 18, 28 für die Strahlung der Lampen 13 bzw. 14 transparent
auszubilden, um eine direkte Heizung des Wafers 2 durch
die Lampen 13 bzw. 14 zu ermöglichen.
-
Nachfolgend
wird die Behandlung eines Halbleiterwafers 2 in der erfindungsgemäßen Schnellheizanlage 1 unter
Bezugnahme auf die 1 näher erläutert.
-
Zunächst wird
ein Halbleiterwafer 2 mit einer zu oxidierenden Siliziumschicht
und einer nicht zu oxidierenden Metallschicht, insbesondere einer
Wolframschicht, in die Schnellheizanlage 1 geladen und auf
den Auflagestiften 34 abgelegt. Anschließend wird
das Gehäuse 4 geschlossen
und es wird zunächst
bei einer niedrigen ersten Temperatur Stickstoff durch den Prozeßbereich 11 geleitet,
um darin befindlichen Sauerstoff zu entfernen. Anschließend wird
reines Wasserstoffgas in den Prozeßbereich eingeleitet, wobei
die Tempera tur des Wafers 2 zunächst konstant gehalten wird
und anschließend
auf eine erhöhte
Temperatur von beispielsweise 800°C erhöht wird.
-
Nach
Erreichen der erhöhten
Temperatur von beispielsweise 800°C
wird eine Wasserstoff-/Wasser-Mischung in den Prozeßbereich
eingeleitet, wobei beispielsweise eine Atmosphäre mit einem Wassergehalt von
unter 20 Volumenprozent und insbesondere von 14 Volumenprozent eingestellt wird.
Die Temperatur des Wafers wird zunächst konstant gehalten und
anschließend
auf eine noch weiter erhöhte
Temperatur von beispielsweise 1050°C erhöht. Bei dieser erhöhten Temperatur
kommt es zu einer Reaktion zwischen dem Wasserstoff-/Wasser-Gemisch
und dem Wafer. Insbesondere kommt es zu einer Oxidation der freiliegenden
Oberflächen der
Siliziumschicht des Halbleiterwafers. Eine Oxidation der Metall-
bzw. Wolframschicht kann durch Einstellung eines bestimmten Mischungsverhältnisses des
Wasserstoff-/Wasser-Gemisches
gesteuert werden. Um eine Oxidation des Metalls zu verhindern, muss
das Mischungsverhältnis
so eingestellt werden, dass eine Oxidationsreaktion der Mischung
(durch den Sauerstoff im Wasser) sowie eine zugehörige Reduktionsreaktion
(durch den Wasserstoff) im Gleichgewicht stehen bzw. die Reduktionsreaktion
im leichten Übergewicht
ist. Dabei kommt es zwischenzeitlich immer wieder zur Bildung eines
Wolframoxids, das bei den Prozeßtemperaturen
flüchtig
ist und sich somit im Prozeßbereich
verteilen kann, wo es anschließend
durch den Wasserstoff zu metallischem Wolfram reduziert wird. Um
zu verhindern, dass das flüchtige
Wolframoxid sich auf den Prozeßkammerwänden und
insbesondere den Quarzwänden 6, 7 ablagert,
sind die obere und untere Abdeckplatte 18, 28 vorgesehen,
die die Bewegungsfreiheit des flüchtigen
Wolframoxids einschränken
und Oberflächen
zur Adsorption des Wolframoxids oder des metallischen Wolframs bieten.
Von dem Wafer 2 abdampfendes Wolframoxid kann an den Abdeckplatten 18, 28 anhaften
und es wird verhindert, dass es sich zu den Quarzplatten 6, 7 hin
bewegt und diese gegebenenfalls derart verunreinigt, dass die Heizleistung
durch die Lampen 13, 14 beeinträchtigt wird. Wenn
sich das Wolframoxid auf den Abdeckplatten 18, 28 ablagert,
wird es, wie erwähnt,
durch den Wasserstoff zu Wolfram reduziert und verbleibt an den Abdeckplatten 18, 28.
Da diese für
die Strahlung der Lampen 13, 14 undurchsichtig
sind, beeinträchtigen die
Ablagerungen nicht die Heizleistung der Schnellheizanlage 1.
-
Nach
der Behandlung mit dem Wasserstoff-/Wasser-Gemisch folgt eine erneute
Behandlung mit reinem Wasserstoffgas, um eine vollständige Rückführung jeglichen
Wolframoxids in metallisches Wolfram zu bewirken und die Temperatur
innerhalb des Prozeßbereichs 1 wird
abgesenkt. Anschließend wird
der Prozeßbereich
wiederum mit Stickstoff durchströmt.
-
Durch
Einleiten einer nichtwässrigen
wasserstoffhaltigen Substanz vor und nach der Behandlung der Wafer
mit einer Wasserstoff-/Wasser-Mischung kann die Bildung des Wolframoxids
und dessen Lösen
vom Wafer reduziert werden. Durch die Abdeckplatten 18, 28 kann
darüber
hinaus verhindert werden, dass sich metallisches Wolfram oder Wolframoxid
auf den Quarzplatten 6, 7 niederschlägt.
-
Anschließend wird
der Wafer aus der Schnellheizanlage 1 entnommen und es
kann ein neuer Wafer für
eine entsprechende Behandlung eingesetzt werden. Nach einer bestimmten
Anzahl von Waferbehandlungen können
die Abdeckplatten 18, 28, die jeweils frei auf
ihren Halteelementen aufliegen, ebenfalls aus dem Prozeßbereich
entnommen werden, um diese zu reinigen und um darauf niedergeschlagenes
Wolfram zu entfernen. Die Abdeckplatten 18, 28 können mit
derselben Handhabungsvorrichtung wie der Wafer 2 entnommen
werden, wobei die Handhabungsvorrichtung in diesem Fall auf die vom
Wafer 2 wegweisenden Oberflächen zugreift, um eine Kontamination
der Handhabungsvorrichtung zu vermeiden. Alternativ kann die Handhabungsvorrichtung
auch zwischen einer Handhabung der Abdeckplatten 18, 28 und
einer Handhabung eines Wafers 2 gereinigt werden.
-
Obwohl
die Abdeckplatten 18, 28 als für die Strahlung der Lampen
undurchlässig
beschrieben wurden, ist es auch möglich, durchsichtige Platten einzusetzen,
wobei diese dann häufiger,
gegebenenfalls nach jeder Waferbehandlung aus der Prozeßkammer
entnommen und gereinigt werden müssen, um eine
Beeinflussung durch sich auf den Abdeckplatten 18, 28 niedergeschlagenes
Metall zu verhindern. Beispielsweise können die untere Abdeckplatte und
der Wafer als eine Einheit aus der Prozeßkammer entnommen werden. Wenn
sich die obere Abdeckplatte auf der unteren Abdeckplatte abstützen würde, könnten beide
Abdeckplatten mit dem dazwischen befindlichem Wafer als eine Einheit
entnommen werden. Auch könnte
eine Handhabungseinrichtung mit drei Auflage- oder Greifelementen
zum gleichzeitigen Zugriff auf die Abdeckplatten und den Wafer vorgesehen
sein.
-
2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer Schnellheizanlage 1 der vorliegenden Erfindung. Sofern
dieselben oder ähnliche
Bauteile vorhanden sind, werden dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
-
Die
Schnellheizanlage 1 gemäß 2 weist wiederum
ein Gehäuse 4 auf,
das im Inneren durch Quarzwände 6, 7 in
obere und untere Lampenkammern 9, 10 und eine
dazwischen liegende Prozeßkammer 11 aufgeteilt
ist. Im Inneren der Prozeßkammer 11 ist
wiederum eine erste Halteeinrichtung 16 zum Halten einer
Abdeckplatte 18 vorgesehen, wobei die Halteeinrichtung 16 denselben
Aufbau besitzt, wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1.
Ferner ist auch eine zweite Halteeinrichtung 26 zum Halten
einer zweiten, unteren Abdeckplatte 28 vorgesehen. Die
Halteeinrichtung 26 gleicht wiederum der Halteeinrichtung
gemäß 1.
Wenn die Prozeßkammer 11 beladen
ist, befindet sich ein Halbleiterwafer 2 zwischen den Abdeckplatten 18, 28,
wie in 2 dargestellt ist. Die Abdeckplatten 18, 28 erstrecken
sich wiederum parallel zu dem Wafer 2 und sind im Vergleich
zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 mit
einem geringeren Abstand bezüglich
des Wafers 2 angeordnet. Hierdurch wird eine bessere Abschirmung
von abdampfendem Metall oder Metalloxid gegenüber den Quarzwänden 6, 7 erreicht.
Die Abdeckplatten 18, 28 sind bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
aus einem undurchsichtigen Material. Oberhalb und unterhalb der
Abdeckplatten 18, 28 sind jedoch für die Strahlung
der Lampen 13, 14 undurchsichtige lichttransformierende Platten 40, 41 vorgesehen,
die über
nicht näher
dargestellte Haltevorrichtungen innerhalb der Prozeßkammer
gehalten werden. Die lichttransformierenden Plat ten 40, 41 werden
parallel zu den Abdeckplatten 18, 28 und dem dazwischen
befindlichen Wafer 2 gehalten. Die lichttransformierenden
Platten 40, 41 besitzen im Wesentlichen dieselben
Umfangsabmessungen wie der Wafer 2, um von den Lampen 13, 14 stammende
Strahlung im Wesentlichen nicht direkt auf den Wafer 2 fallen
zu lassen. Statt direkt durch die Lampenstrahlung geheizt zu werden,
erfolgt wiederum eine indirekte Heizung des Wafers 2 über die lichttransformierenden
Platten 40, 41. Die lichttransformierenden Platten 40, 41 sind
im Gegensatz zu den Abdeckplatten 18, 28 im Wesentlichen
fest in der Prozeßkammer 11 angebracht.
-
Die
Behandlung eines Halbleiterwafers in der Schnellheizanlage 1 gemäß 2 erfolgt
im Wesentlichen in derselben Art und Weise, wie die Behandlung in
der Schnellheizanlage 1 gemäß dem in 1 gezeigten
ersten Ausführungsbeispiel.
-
3 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
einer Schnellheizanlage 1, wobei in 3 wiederum
dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet
werden, sofern dieselben oder ähnliche Elemente
beschrieben werden.
-
Die
Schnellheizanlage 1 gemäß 3 besitzt
denselben Aufbau wie die Schnellheizanlage 1 gemäß 1,
wobei jedoch zusätzlich
um das Substrat 2 herum ein Kompensationsring 46 vorgesehen ist,
um Randeffekte beim Erhitzen bzw. Abkühlen des Halbleiterwafers 2 zu
kompensieren. Der Kompensationsring 46 kann einteilig sein
oder aus mehreren Segmenten bestehen und kann ebenfalls zur Reinigung
aus der Prozeßkammer 11 der
Schnellheizanlage 1 entfernt werden. Der Kompensationsring 46 wird über eine
nicht näher
dargestellte Halteeinrichtung in der Ebene des Wafers 2 gehalten,
wobei der Kompensationsring 46 aus der Ebene des Wafers 2 wenigstens
teilweise herausbewegt werden kann, um ein Be- und Entladen des
Wafers 2 zu erleichtern. Dies kann beispielsweise durch
ein Schwenken des Kompensationsrings 46 oder bestimmter
Segmente davon erreicht werden.
-
Die
Waferbehandlung in der Schnellheizanlage 1 gemäß 3 erfolgt
auf dieselbe Art und Weise wie bei dem ersten in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel.
-
4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Schnellheizanlage 1 für Halbleiterwafer 2.
In 4 werden wiederum dieselben Bezugszeichen wie
bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen verwendet,
sofern dieselben oder äquivalente
Bauteile verwendet werden.
-
Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 4 entspricht
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 3.
Innerhalb einer Prozeßkammer 11 sind
obere und untere Abdeckplatten 18, 28 vorgesehen,
die über
entsprechende Halteeinrichtungen parallel zu einem in der Prozeßkammer 11 aufgenommenen
Wafer 2 gehalten werden.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 ist
die obere Abdeckplatte 18 aus einem für die Lampenstrahlung undurchsichtigen
Material hergestellt, während
die untere Abdeckplatte 28 aus einem für die Lampenstrahlung im Wesentlichen
durchsichtigen Material, wie beispielsweise Quarz hergestellt ist.
Um eine direkte Heizung des Wafers 2 durch die unten liegenden
Lampen 14 zu verhindern, ist zwischen der unteren Quarzwand 7 und
der Abdeckplatte 28 eine lichtabsorbierende Platte 50 vorgesehen, die
im Wesentlichen denselben Aufbau besitzt wie die lichtabsorbierende
Platte 41. Die lichtabsorbierende Platte 50 wird über entsprechende
Haltestifte 52 in der Prozeßkammer 11 gehalten.
-
Die
Behandlung des Halbleiterwafers 2 in der Schnellheizanlage 1 gemäß 4 erfolgt
auf dieselbe Art und Weise wie die Behandlung in der Schnellheizanlage 1.
-
5 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
der Erfindung, wobei die in 5 gezeigte Schnellheizanlage 1 im
Wesentlichen denselben Aufbau besitzt, wie die Schnellheizanlage 1 gemäß 1.
Der einzige Unterschied liegt darin, dass der Halbleiterwafer 2 nicht
auf Haltestiften 34 abgelegt wird, die sich von der unteren
Abdeckplatte 28 erstrecken. Vielmehr ist für den Halbleiterwafer 2 eine
separate Halteeinrichtung 56 vorgesehen, die mit dem Schenkel 22 der
Halteeinrichtung 16 gekoppelt ist. Die Halteeinrichtung 56 besitzt
einen ersten sich senkrecht zum Schenkel 22 der ersten
Halteeinrichtung 16 erstreckenden Schenkel 58,
einen sich senkrecht hierzu und zur Kammermitte erstreckenden Schenkel 60,
sowie einen sich nach oben erstreckenden Schenkel 62, dessen
freies Ende eine Auflagefläche
für den
Wafer 2 bildet. Der Vorteil dieser Halteeinrichtung 56 für den Wafer 2 liegt
darin, dass die untere Abdeckplatte eine ebene Oberfläche ohne darauf
angeordnete Halteelemente aufweist und daher leichter zu handhaben
und zu reinigen ist.
-
6 zeigt
eine Schnittansicht durch die Schnellheizanlage 1 entlang
der Linie V-V in 5. Wie in 6 zu
erkennen ist, besitzt die Halteeinrichtung 56 drei Halteelemente,
von denen in 6 jeweils die Schenkel 60 zu
erkennen sind. Die Halteelemente sind aber derart angeordnet, dass
der Wafer 2 nach Abheben von den Schenkeln 62 seitlich
aus der Prozeßkammer 11 entnommen
werden kann, wie durch den Pfeil A dargestellt ist. Die spezielle
Halteeinrichtung 56 für
den Wafer 2 ermöglicht
somit einen freien Zugriff auf den Wafer 2 und erlaubt
ein leichtes Be- und Entladen desselben. Diese Art der Anordnung
der einzelnen Halteelemente ist auch für die Halteelemente der Halteeinrichtung 16 vorgesehen, um
eine seitliche Entnahme der oberen Abdeckplatte 18 zu ermöglichen.
-
Die
Behandlung des Wafers 2 in der Schnellheizanlage 1 gemäß 6 erfolgt
auf dieselbe Art und Weise wie bei dem in 1 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel.
-
Obwohl
die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben wurde, ist sie nicht auf die konkret dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Beispielsweise können
sich die Halteeinrichtungen 16, 26 und 56 für die Abdeckplatten 18, 28 bzw.
den Wafer 2 statt von den jeweiligen oberen und unteren
Quarzplatten 6, 7 auch von Seitenwänden der Prozeßkammer 11 erstrecken.
Darüber
hinaus müssen
sich die Quarzwände 6, 7 nicht über die
komplette Breite der Prozeßkammer 11 erstrecken.
Vielmehr können
sie auch nur einen Teilbereich oberer und unterer Wände der Prozeßkammer 11 bilden.
Um eine Reinigung der jeweiligen Abdeckplatten zu erleichtern, könnten die zum
Substrat weisenden Oberflächen
jeweils beschichtet sein, wobei die Beschichtung vorzugsweise aus
einem leicht zu reinigenden Material besteht. Weitere vorzugsweise
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Patentansprüchen beschrieben. Die Merkmale
der unterschiedlichen Ausführungsformen und
Beispiele können,
sofern sie kompatibel sind beliebig ausgetauscht und/oder miteinander
kombiniert werden.
-
- 1
- Schnellheizanlage
- 2
- Halbleiterwafern
- 4
- Gehäuse
- 6
- obere
Quarzwand
- 7
- untere
Quarzwand
- 9
- obere
Lampenkammer
- 10
- untere
Lampenkammer
- 11
- Prozeßkammer
- 13
- Heizlampe
- 14
- Heizlampe
- 16
- Halteeinrichtung
- 18
- Abdeckplatte
- 20
- Auflageelement
- 22
- erster
Schenkel
- 24
- zweiter
Schenkel
- 26
- dritter
Schenkel
- 27
- Halteeinrichtung
- 28
- Abdeckplatte
- 30
- Auflagestift
- 34
- Auflagestift
- 40
- lichttransformierende
Platte
- 41
- lichttransformierende
Platte
- 46
- Kompensationsring
- 50
- lichtabsorbierende
Platte
- 52
- Haltestift 52
- 56
- Halteeinrichtung
- 58
- Schenkel
- 60
- Schenkel
- 62
- Schenkel