EP1382063A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von prozessgasen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von prozessgasen

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EP1382063A1
EP1382063A1 EP02764065A EP02764065A EP1382063A1 EP 1382063 A1 EP1382063 A1 EP 1382063A1 EP 02764065 A EP02764065 A EP 02764065A EP 02764065 A EP02764065 A EP 02764065A EP 1382063 A1 EP1382063 A1 EP 1382063A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oxygen
hydrogen
combustion chamber
process gas
rich
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02764065A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Roters
Roland Mader
Helmut Sommer
Genrih Erlikh
Yehuda Pashut
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mattson Thermal Products GmbH
Original Assignee
Mattson Thermal Products GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mattson Thermal Products GmbH filed Critical Mattson Thermal Products GmbH
Publication of EP1382063A1 publication Critical patent/EP1382063A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/003—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion of hydrogen with oxygen
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L21/02104—Forming layers
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    • H01L21/02227—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a process other than a deposition process
    • H01L21/0223—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a process other than a deposition process formation by oxidation, e.g. oxidation of the substrate
    • H01L21/02233—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a process other than a deposition process formation by oxidation, e.g. oxidation of the substrate of the semiconductor substrate or a semiconductor layer
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    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/314—Inorganic layers
    • H01L21/316—Inorganic layers composed of oxides or glassy oxides or oxide based glass
    • H01L21/3165—Inorganic layers composed of oxides or glassy oxides or oxide based glass formed by oxidation
    • H01L21/31654—Inorganic layers composed of oxides or glassy oxides or oxide based glass formed by oxidation of semiconductor materials, e.g. the body itself
    • H01L21/31658—Inorganic layers composed of oxides or glassy oxides or oxide based glass formed by oxidation of semiconductor materials, e.g. the body itself by thermal oxidation, e.g. of SiGe

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for generating a process gas for treating substrates, in particular semiconductor substrates.
  • Computer chips and other electronic components are manufactured on semiconductor wafers. This requires many work steps and processes, such as B. structuring, lithography, ion implantation, etching or coating. Coating processes are often carried out during a thermal treatment of the wafers in a given process gas atmosphere. It is known to use a process gas consisting of water vapor and oxygen for an oxygen-rich wet oxidation of the wafers.
  • the oxygen-rich process gas is particularly suitable for the build-up of thick oxide layers up to 2000 angstroms with a low thermal budget, and for the production of thin gate oxides with a layer thickness of less than approximately 40 angstroms.
  • a hydrogen-rich wet oxidation is known in which the process gas consists of water vapor and hydrogen.
  • the hydrogen-rich process gas is particularly suitable for the selective oxidation of gate stacks with metal gates or metal gate contacts.
  • the oxygen-rich process gas and the hydrogen-rich process gas i.e., a process gas consisting of water vapor and oxygen or hydrogen.
  • the oxygen-rich process gas was produced in a burner with a combustion chamber in which oxygen and hydrogen were burned to produce water vapor. More and more oxygen was made available for combustion than was burned with hydrogen could be. This created an excess of oxygen, so that a process gas consisting of water vapor and oxygen was formed. This process gas was then passed through a corresponding line into a process chamber for treating a semiconductor wafer. Additional oxygen could be introduced into the line in order to adjust the oxygen content in the process gas.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a method and a device which, in a simple and inexpensive manner, enable the production of a hydrogen-rich process gas from water vapor and hydrogen, in which the mixing ratio of water vapor and water is precisely controllable and reproducible.
  • this object is achieved in a method for generating a process gas for treating substrates, in particular semiconductor substrates, in that oxygen is burned in a combustion chamber in a hydrogen-rich environment to form a process gas from water vapor and hydrogen.
  • oxygen is burned in a combustion chamber in a hydrogen-rich environment to form a process gas from water vapor and hydrogen.
  • high gas flows for the process gas can be achieved.
  • the relationship between water vapor and hydrogen is precisely controllable and reproducible, since the amount of water vapor generated is directly proportional to the oxygen introduced and burned with the hydrogen.
  • pure water vapor is generated during the combustion, so that the process gas is of high purity.
  • an oxygen-containing gas such as e.g. B. NO or O 3
  • a hydrogen or a hydrogen isotope containing gas such as. B. NH 3 , deuterium or NO 3 can be used.
  • the presence of unburned oxygen is detected downstream of the combustor. If unburned oxygen is detected downstream of the combustion chamber, the method is interrupted according to one embodiment of the invention, since the unburned oxygen could form an oxyhydrogen mixture with the hydrogen in the process gas. For this reason, an inert gas is preferably also introduced into the process gas when unburned oxygen is detected downstream of the combustion chamber in order to avoid the danger of the formation of oxyhydrogen gas downstream of the combustion chamber.
  • hydrogen is introduced into the process gas downstream of the combustion chamber, as a result of which the hydrogen concentration in the process gas can be set as desired.
  • the ratio of hydrogen to water vapor is preferably set between the stoichiometric combustion (0% H 2 ) and 1000/1 (0.1% H 2 O).
  • the combustion chamber is filled with pure hydrogen prior to the combustion of oxygen, and oxygen is only introduced to initiate the combustion in order to prevent the formation of oxyhydrogen gas in the combustion chamber, which is not completely burned after the combustion has started and from the combustion chamber exit.
  • the combustion chamber and / or the subsequent gas system is advantageously flushed with inert gas (for example N 2 , He or Ar) in order to remove any atmospheric oxygen.
  • inert gas for example N 2 , He or Ar
  • the ratio of oxygen to hydrogen in the combustion chamber is preferably changed during the combustion. This makes it possible to change from a hydrogen-rich process gas to an oxygen-rich process gas in a simple and cost-effective manner if this is desired for a subsequent process.
  • downstream devices such as, for example, separate rapid heating systems or generally systems for the thermal treatment of substrates (semiconductors)
  • stoichiometric combustion of oxygen and hydrogen is carried out for a predetermined period of time. Due to the stoichiometric combustion, the previously excess hydrogen is displaced from the chamber by the water vapor generated. Only when all of the hydrogen has been displaced is the oxygen content increased further in order to provide for oxygen-rich combustion. This ensures that no oxyhydrogen gases are formed in the combustion chamber and / or in downstream gas systems, such as. B.
  • the concentration of unburned oxygen and / or hydrogen can be monitored for safety, so that it is ensured that any oxygen-hydrogen mixture is below the explosion limit, which is dependent on pressure, temperature and other parameters (such as UV radiation, for example). depends.
  • oxygen concentration in the oxygen-rich process gas additional oxygen is preferably introduced downstream of the combustion chamber.
  • the oxygen to hydrogen ratio is preferably set between 0% (complete combustion or 100% H 2 O) and 100% (0.1% H 2 O).
  • an oxygen supply line is connected downstream. locked from the combustion chamber when a hydrogen-rich process gas is generated in the combustion chamber.
  • a hydrogen feed line is preferably locked downstream of the combustion chamber when an oxygen-rich process gas is generated in the combustion chamber.
  • the hydrogen supply line and the oxygen supply line are locked against one another, ie that at most one of the two supply lines is always open.
  • a further fluid is preferably introduced into the process gas downstream of the combustion chamber in order to be able to promote different mechanisms in the subsequent substrate treatment.
  • the further fluid can be a gas which is reactive or inert for the subsequent thermal process for processing semiconductor wafers or a mixture of such gases (for example Ar, N 2 ).
  • an oxygen-rich process gas is first generated in the combustion chamber by burning oxygen in a low-hydrogen environment, and then the ratio of hydrogen to oxygen in the combustion chamber is changed to burn oxygen in a hydrogen-rich environment. It is thus possible either to start with the production of a hydrogen or oxygen-rich process gas and then to switch between the production of these two process gases without having to switch off the burner.
  • the process is preferably interrupted and / or an inert gas is introduced into the process gas if unburned hydrogen is detected downstream of the combustion chamber by a hydrogen detection device (e.g. a hydrogen sensor) becomes. This prevents the formation of an oxyhydrogen mixture downstream of the combustion chamber.
  • a hydrogen detection device e.g. a hydrogen sensor
  • stoichiometric combustion is preferably carried out for a predetermined period of time of oxygen and hydrogen to ensure that the combustion chamber contains only water vapor and no unburned oxygen or hydrogen.
  • the combustion chamber is preferably flushed with an inert gas before the combustion process.
  • the process gas is preferably used for the thermal treatment of at least one semiconductor wafer or semiconductor material and is switched between a hydrogen-rich and an oxygen-rich process gas within a treatment cycle.
  • the treatment cycle is to be understood to mean that the semiconductor (for example semiconductor wafer) is exposed to a temperature-time cycle which comprises at least heating and cooling the semiconductor.
  • the semiconductor which is usually in substrate form, may comprise Si and be a III-V, II-VI, or IV-IV semiconductor.
  • the process gas is used for the thermal treatment of at least one semiconductor wafer, and alternating between a hydrogen-rich and an oxygen-rich process gas in successive thermal treatment cycles.
  • concentration of hydrogen or oxygen in the water vapor of the process gas is preferably changed during a thermal treatment cycle.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a device for generating a process gas for treating substrates, in particular semiconductor substrates, which has a burner with a combustion chamber, at least one oxygen supply line and at least one hydrogen supply line into the combustion chamber, and an ignition unit for igniting oxygen / Hydrogen mixture in the combustion chamber and a control unit which is controllable such that the oxygen in a hydrogen-rich to form a process gas from water vapor and hydrogen Environment is ignited and completely burned.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a burner.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a substrate treatment device, in which a device for generating a process gas according to the present invention is integrated.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a burner 1, in which oxygen and hydrogen are burned to a water vapor-containing gas according to the inventive method.
  • the burner 1 has a housing 3 which comprises a combustion chamber ⁇ inside.
  • the combustion chamber 5 has an inlet 7 which is connected to a first gas inlet line 8.
  • the first gas inlet line 8 is connected to a feed line 10 via which, as will be explained in more detail below, hydrogen is introduced into the burner 1.
  • a second gas inlet line 12 is also provided in the area of the first inlet line 8.
  • the second gas inlet line 12 extends at least partially in the first gas inlet line 8 and is designed as a so-called lance.
  • oxygen is introduced into the burner 1 via the second gas inlet line.
  • the second inlet line 12 has an outlet end 14 which is arranged in the region of the first inlet line 8, so that the gases introduced via the two inlet lines 8, 12 are mixed in the region of the first inlet line 8 before the mixture flows into the Combustion chamber enters.
  • the area of the first inlet line 8 into which the second inlet line 12 opens is surrounded by a heating ring 17 in order to prevent the oxygen / To heat and ignite the hydrogen-gas mixture in this area above its ignition temperature.
  • a heating ring 17 in order to prevent the oxygen / To heat and ignite the hydrogen-gas mixture in this area above its ignition temperature.
  • another device for igniting the mixture can also be provided.
  • UV detector 20 which is directed towards a combustion area of the oxygen / hydrogen gas mixture in order to monitor the burning process. Since oxygen and hydrogen burn with a visible flame, the UV detector can monitor the burning process with a measuring range of 260 nm.
  • the UV detector is coupled to a corresponding control device which blocks the gas supply via the inlet lines 8 and 12 if the detector detects that the flame is extinguished.
  • the combustion chamber 5 also has an outlet end 21 which is connected to an outlet line 24 which, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 2, is connected to a rapid heating system or generally a process chamber for the thermal treatment of semiconductors ,
  • An oxygen and hydrogen sensor (not shown in more detail) or a corresponding detection device is provided in the outlet line 24 in order to detect unburned oxygen or unburned hydrogen in the line 24.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a device 30 for treating semiconductor wafers, in which the burner 1 according to FIG. 1 is integrated.
  • the device 30 has a process gas generating part 31 and z. B. a rapid heating system 32, in which at least one semiconductor wafer is arranged and is thermally treated.
  • the rapid heating system 32 has, for example, a structure as is known from DE-A-199 05 524, which goes back to the same applicant, and which is thus made the subject of the present invention in order to avoid repetitions.
  • the outlet pipe 24 of the burner 1 is connected to an inlet of a process chamber of the rapid heating system 32 in order to be able to pass process gases generated in the burner 1 into the rapid heating system.
  • the process gas generating part 31 of the device 30 has the burner 1, an electronic control unit 34, and a large number of mass flow controllers or gas flow control units 36 to 41, which are each controlled by the control unit 34 in order to provide a controlled gas flow therethrough.
  • the mass flow controller 36 has a gas supply line 43 and an outlet line 44.
  • the feed line 43 is connected to a gas source.
  • the outlet line 44 is connected between the burner 1 and the rapid heating device 32 to the line 24 in order to introduce an additional gas into the process gas generated in the burner 1, which is required in the subsequent process.
  • the mass flow controller 37 has a feed line 46 and an outlet line 47.
  • the feed line 46 is connected to a source of an inert gas, such as nitrogen or argon.
  • the outlet line 47 is connected to the feed line 10 of the first inlet line 8 of the burner 1 and to the second inlet line 12 of the burner 1.
  • the mass flow controller 38 has an inlet line 50 and an outlet line 51.
  • the feed line 50 is connected to an oxygen source or to a source for another oxygen-containing gas, while the outlet line 51 is connected to the second inlet line 12 of the burner 1.
  • the mass flow controller 39 has an inlet line 54 which is connected to a hydrogen source or to a source for another hydrogen-containing one
  • Gas is in communication, and an outlet line 55 which is connected to the feed line 10.
  • the mass flow controller 40 is connected to an inlet line 58 and an outlet line 59.
  • the feed line 58 is connected to an oxygen source or to a source for another oxygen-containing gas, while the outlet line 59 is connected to the line 24 between the burner 1 and the rapid heating system 32.
  • the mass flow controller 41 in turn has an inlet line 62 and an outlet line 63.
  • the feed line 62 is connected to a hydrogen source or to a source for another hydrogen-containing gas, while the outlet line 63 between the burner 1 and the rapid heating system 32 is connected to the line 24.
  • mass flow controllers 36 to 41 are controlled by the control unit 34 so that they either direct controlled amounts of gas from their respective feed lines to their respective outlet lines or are closed.
  • all mass flow controllers 36 to 41 are closed.
  • the mass flow controller 37 is then activated in order to introduce inert gas into the burner 1 via the feed line 10 and the second inlet line 12.
  • the feed lines 10, 12, the burner 1 and the outlet line 24 and optionally the process chamber of the rapid heating system 32 are flushed with inert gas to ensure that there are no oxygen or hydrogen in the burner 1, the line 24 and the rapid heating system 32.
  • uncontrolled reactions with residual gases, such as. B. air can be avoided.
  • the mass flow controller 37 is closed. Now the Mass Flow Controller 39 is used to generate hydrogen Supply line 10 is introduced into the burner 1, at least the combustion chamber 5 and possibly also partly the line 24 and the process chamber of the rapid heating system 32 being filled with pure hydrogen. The flow rate of the hydrogen can be controlled as desired.
  • the heating device 17 is activated and oxygen is now introduced into the combustion chamber 5 via the mass flow controller 38 and the second inlet line 12. For example, the oxygen is introduced with a delay of five seconds compared to the hydrogen. When the oxygen begins to exit the outlet end 14 of the second inlet line 12, the oxygen is immediately ignited and burned together with the hydrogen.
  • the heating device 17 It is important that the heating device 17 has already reached the required temperature at this time in order to prevent a larger amount of oxyhydrogen gas from being formed in the combustion chamber 5 due to the mixing of oxygen and hydrogen.
  • the heater 17 heats the area at the outlet end 14 of the inlet conduit 12 to 700 ° C. During the combustion, a flame arises which protrudes into the combustion chamber 5 and is detected by the UV detector.
  • the control unit 34 adjusts the flow of hydrogen and oxygen into the combustion chamber 5 via the mass flow controllers 38 and 39 in such a way that there is more hydrogen than is required for the combustion of the oxygen, so that the oxygen burns in a hydrogen-rich environment becomes.
  • the combustion of the oxygen and the hydrogen produces water vapor in the combustion chamber 5, which is passed together with the excess hydrogen through the line 24 into the process chamber of the rapid heating system 32.
  • the process gas can be produced with a high flow of up to 30 slm (standard liters per minute) and passed into the process chamber.
  • there is an oxygen sensor in line 24 which detects the presence of unburned
  • Oxygen detected in line 24 If unburned oxygen is detected in line 24, the sensor emits a warning signal to control unit 34, since oxygen in line 24 together with the excess Hydrogen can form an oxyhydrogen gas which can explode when introduced into the process chamber of the rapid heating system 32 and thus damage the wafer located therein and possibly also the process chamber itself.
  • the control unit 34 After receiving the warning signal, the control unit 34 sends corresponding signals to the mass flow controllers 38 and 39 in order to close them and thus interrupt the generation of process gas in the burner 1.
  • inert gas can be introduced into the burner 1 and into the line 24 via the mass flow controller 37 in order to avoid the formation of oxyhydrogen gas in the burner 1 and to purge it again.
  • additional hydrogen can be introduced into the process gas in line 24 consisting of water vapor and hydrogen via mass flow controller 41 and line 63 in order to reduce the hydrogen content in the process gas to one increase the desired value.
  • a further gas can be introduced into the process gas of water vapor and hydrogen via the mass flow controller 36.
  • the resulting process gas mixture is then introduced into the process chamber of the rapid heating system 32 for the treatment of a semiconductor wafer.
  • the process chamber of the rapid heating system 32 is first flushed with the process gas before the thermal treatment of the wafer is started. For example, the process chamber is rinsed with three times its own volume, which takes, for example, 60 seconds. Only then will the thermal treatment of the wafer in the process chamber begin.
  • the wafer is at a low temperature of 20 ° C. to 560 ° C. in order to avoid self-ignition of the process gas, which may initially be in an undefined composition. Furthermore, one wants to prevent the wafer from already reacting with the process gas that has not yet been finally defined.
  • the upper temperature of the wafer depends on the process and the type of wafer. You can e.g. B. in metal-coated wafers less than 250 ° C or even less than 100 ° C to prevent oxidation or reaction processes in possibly undefined process gases.
  • Hydrogen-rich wet oxidation for example for the selective oxidation of gate stacks with metal gates or metal gate contacts.
  • the control unit 34 first controls the mass flow controllers 38 and 39 in such a way that oxygen and hydrogen are introduced into the combustion chamber 5 of the burner 1 with a stoichiometric ratio. This leads to a stoichiometric combustion, in which pure water vapor is generated and no residual products remain.
  • the stoichiometric combustion is continued until the excess hydrogen from the previous hydrogen-rich combustion is displaced from the combustion chamber 5 and possibly the process chamber of the rapid heating system.
  • the amount of oxygen introduced via the mass flow controller 38 can be increased so that an oxygen-rich combustion takes place, ie there is more oxygen than can be burned with the hydrogen, so that a process gas consisting of water vapor and oxygen is formed.
  • This mixture of water vapor and oxygen can now be passed via line 24 into the rapid heating system 32.
  • Additional mass can also be introduced into line 24 via mass flow controller 40 in order to increase the oxygen ratio in the process gas consisting of water vapor and oxygen in the desired manner.
  • the burner 1 can also be started in such a way that it first generates an oxygen-rich process gas and, if necessary, is subsequently changed to produce a hydrogen-rich process gas.
  • the process gas generating part 31 of the device 30 is thus able to produce process gas consisting of water vapor and optionally oxygen or hydrogen.
  • the mass flow controllers 40 and 41 can be used to set any mixing ratio of water vapor to oxygen or water vapor to hydrogen in the process gas.
  • the control unit 34 is designed such that it always locks the mass flow controllers 40 and 41 against one another, since the simultaneous introduction of hydrogen and oxygen into the line 24 would lead to the formation of an oxyhydrogen gas. Furthermore, it is also possible to mechanically couple the mass flow controllers 40, 41 in such a way that they are locked against one another, i. H. that only one of the two mass flow controllers 40, 41 can be opened at a time.
  • the control unit 34 also provides that the mass flow controller 40 is always closed when hydrogen-rich combustion takes place in the burner 1, since an oxyhydrogen gas would also be generated when oxygen was introduced into a process gas consisting of water vapor and hydrogen. In an analogous manner, the mass flow controller 41 is controlled in such a way that it is always closed when oxygen-rich combustion takes place in the burner 1.
  • an oxygen and hydrogen sensor is provided in the line 24, which detects unburned oxygen or unburned hydrogen in the line. If oxygen is detected in line 24 after hydrogen-rich combustion in the burner, this indicates an error and there is a risk that oxyhydrogen gas is formed in line 24 and / or the process chamber of the downstream rapid heating system 32.
  • the corresponding sensor therefore sends a warning signal to the control unit 34, which can interrupt the process and, if necessary, introduce inert gas into the burner. This applies in an analogous manner if, after an oxygen-rich combustion in the burner 1, unburned hydrogen is detected in the line 24.
  • the device 30 is now able to process a semiconductor wafer in the rapid heating system 32 with a hydrogen-rich and / or oxygen-rich water vapor-containing process gas. It is possible to switch between hydrogen-rich and oxygen-rich water vapor-containing process gas during a single thermal treatment cycle. Of course, it is also possible to switch between these two process gases several times during a thermal treatment cycle. Switching can also take place between successive thermal treatment cycles within a process chamber.
  • the process gas generation part 31 can be connected to a plurality of rapid heating systems 32 (or generally process chambers for processing semiconductor wafers), which are supplied in parallel with the same or sequentially with the same or different process gas mixtures.
  • a rapid heating system could require an oxygen-rich, water vapor-containing process gas, while in the other rapid heating system a hydrogen-rich, water vapor-containing process gas is required.
  • the burner 1 could thus be used sequentially for both plants without the need to switch off the burner between the supply of the one plant and the other plant and, if necessary, to purge it with inert gas, since any range between the generation of an oxygen-rich and a hydrogen is sufficient , water vapor-containing process gas can be changed.
  • the burner can be operated with overpressure or underpressure, operation with underpressure being advantageous since gas is conducted to the outlet through the underpressure in the combustion chamber. This direction in turn leads to a uniform burning behavior.
  • the present invention also includes exemplary embodiments which result from the combination and / or the exchange of features of the examples described above. Furthermore, it should be pointed out that instead of a semiconductor or a substrate, any object can be processed using the process gas generated according to the method or apparatus described in accordance with the present invention, the processing not being limited exclusively to thermal, ie temperature-time treatment cycles.
  • Devices in which the object is heated can also be radiation power-time treatment cycles.

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Abstract

Um auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung eines wasserstoffreichen Prozessgases aus Wasserdampf und Wasserstoff zu ermöglichen bei dem das Mischungsverhältnis von Wasserdampf zu Wasserstoff genau steuer- und reproduzierbar ist, sieht die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozessgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten, vor bei dem, bzw. Bei der Sauerstoff zur Bildung eines Prozessgases aus Wasserdampf und Wasserstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung in einer Brennkammer verbrannt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Prozeßgasen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten.
Computerchips sowie andere elektronische Bauteile werden auf Halbleiter- Scheiben, sogenannten Wafern, gefertigt. Dazu sind viele Arbeitsschritte und Prozesse notwendig, wie z. B. Strukturierung, Lithographie, lonenimplanation, Ätzen oder Beschichten. Beschichtungsprozesse werden häufig während einer thermischen Behandlung der Wafer bei einer vorgegebenen Prozeßgasatmosphäre durchgeführt. Dabei ist es bekannt, ein Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff für eine sauerstoffreiche Naßoxidation der Wafer zu verwenden. Das sauerstoffreiche Prozeßgas ist insbesondere für den Aufbau dicker Oxidschichten bis 2000 Angström bei geringem thermischen Budget, sowie zur Herstellung dünner Gate-Oxide mit einer Schichtdik- ke von kleiner als ungefähr 40 Angström geeignet. Ferner ist eine wasserstoff- reiche Naßoxidation bekannt, bei der das Prozeßgas aus Wasserdampf und Wasserstoff besteht. Das wasserstoffreiche Prozeßgas ist besonders zur selektiven Oxidation von Gate-Stacks mit Metallgates bzw. Metallgatekontakten geeignet.
Für die Herstellung des sauerstoffreichen Prozeßgases und des wasserstoffreichen Prozeßgases (d. h. ein Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff bzw. Wasserstoff) wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
Das sauerstoffreiche Prozeßgas wurde beispielsweise in einem Brenner mit einer Brennkammer hergestellt, in der Sauerstoff und Wasserstoff verbrannt wurden, um Wasserdampf herzustellen. Für die Verbrennung wurde immer mehr Sauerstoff zur Verfügung gestellt, als mit dem Wasserstoff verbrannt werden konnte. Hierdurch entstand ein Sauerstoffüberschuß, so daß ein Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff gebildet wurde. Dieses Prozeßgas wurde anschließend über eine entsprechende Leitung in eine Prozeßkammer zum Behandeln eines Halbleiterwafers geleitet. In die Leitung konnte zusätzlicher Sauerstoff eingeleitet werden, um den Sauerstoffgehalt in dem Prozeßgas einzustellen.
Für die Herstellung eines wasserstoffreichen Prozeßgases wurde in der Vergangenheit Wasserstoffgas mit Wasserdampf vermischt, wobei der Wasser- dampf durch das Verdampfen von destilliertem Wasser erzeugt wurde. Dieses Verfahren erlaubt jedoch keine hohen Gasflüsse. Darüber hinaus ist das Verhältnis aus Wasserdampf und Wasserstoff nicht genau Steuer- und reproduzierbar. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß dabei häufig Verunreinigungen auftreten.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung eines wasserstoffreichen Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff ermögli- chen, bei dem das Mischungsverhältnis Wasserdampf und Wasser genau Steuer- und reproduzierbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleiter- Substraten, dadurch gelöst, daß Sauerstoff zur Bildung eines Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung in einer Brennkammer verbrannt wird. Bei diesem Verfahren lassen sich hohe Gasflüsse für das Prozeßgas erreichen. Darüber hinaus ist das Verhältnis zwischen Wasserdampf und Wasserstoff genau Steuer- und reproduzierbar, da die Menge des entstehenden Wasserdampfs direkt proportional zu dem eingeleiteten und mit dem Wasserstoff verbrannten Sauerstoff ist. Darüber hinaus entsteht bei der Verbrennung reiner Wasserdampf, so daß das Prozeßgas eine hohe Reinheit aufweist. Anstelle von Sauerstoff kann allgemein ein sauerstoffenthaltendes Gas, wie z. B. NO oder O3) verwendet werden, ebenso kann anstelle von Wasserstoff ein Wasserstoff oder ein Wasserstoffisotop enthaltendes Gas, wie z. B. NH3, Deuterium oder NO3, verwendet werden.
Um sicherzustellen, daß der gesamte Sauerstoff in der Brennkammer verbrannt wurde, wird die Anwesenheit von unverbranntem Sauerstoff stromabwärts von der Brennkammer detektiert. Sollte stromabwärts von der Brenn- kammer unverbrannter Sauerstoff detektiert werden, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das Verfahren unterbrochen, da der unverbrannte Sauerstoff mit dem in dem Prozeßgas befindlichen Wasserstoff eine Knallgasmischung bilden könnte. Aus diesem Grund wird vorzugsweise auch ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet, wenn stromabwärts von der Brenn- kammer unverbrannter Sauerstoff detektiert wird, um die Gefahr der Bildung von Knallgas stromabwärts von der Brennkammer zu vermeiden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird stromabwärts von der Brennkammer Wasserstoff in das Prozeßgas eingeleitet, wodurch sich die Wasserstoffkonzentration im Prozeßgas beliebig einstellen läßt. Vorzugsweise wird das Verhältnis Wasserstoff zu Wasserdampf zwischen der Stöchiometri- schen Verbrennung (0% H2) und 1000/1 (0,1 % H2O) eingestellt.
Vorteilhafterweise wird die Brennkammer vor dem Verbrennen von Sauerstoff mit reinem Wasserstoff gefüllt, und Sauerstoff wird erst zum Auslösen der Verbrennung eingeleitet, um zu verhindern, daß sich in der Brennkammer Knallgas bildet, das nach dem Auslösen der Verbrennung nicht vollständig verbrannt wird und aus der Brennkammer austritt. Vorteilhaft wird vor dem Füllen mit Wasserstoff die Brennkammer und/oder das nachfolgende Gassy- stem Inertgas (z. B. N2, He oder Ar) gespült, um etwaigen Luftsauerstoff zu entfernen. Für die Erzeugung eines sauerstoffreichen Prozeßgases in derselben Anlage wird vorzugsweise das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff in der Brennkammer während der Verbrennung geändert. Hierdurch läßt sich auf einfache und kostengünstige Weise von einem wasserstoffreichen Prozeßgas zu einem sauerstoffreichen Prozeßgas wechseln, sofern dies für einen nachfolgenden Prozeß gewünscht ist. Ferner lassen sich hierdurch unter Verwendung derselben Vorrichtung unterschiedliche Prozesse in nachgeschalteten Vorrichtungen, wie beispielsweise getrennten Schnellheizanlagen oder allgemein Anlagen zur thermischen Behandlung von Substraten (Halbleitern), unterstüt- zen. Um sicherzustellen, daß beim Wechsel zwischen der Erzeugung eines wasserstoffreichen und eines sauerstoffreichen Prozeßgases keine Knallgase erzeugt werden, wird für einen vorbestimmten Zeitraum eine stöchiometrische Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff durchgeführt. Durch die stöchiometrische Verbrennung wird der zuvor überschüssige Wasserstoff durch den entstehenden Wasserdampf aus der Kammer verdrängt. Erst wenn der komplette Wasserstoff verdrängt ist, wird der Sauerstoffgehalt weiter erhöht, um eine sauerstoffreiche Verbrennung vorzusehen. Hierdurch wird sichergestellt, daß in der Brennkammer keine Knallgase gebildet werden und/oder in nachgeschaltenen Gassystemen, wie z. B. der Prozeßkammer von Schnellheizanlagen. Dabei kann zur Sicherheit die Konzentration von unverbranntem Sauerstoff und/oder Wasserstoff überwacht werden, so daß sichergestellt ist, daß ein etwaiges Sauerstoff-Wasserstoffgemisch unterhalb der Explosionsgrenze ist, welche von Druck, Temperatur und weiteren Parametern (wie z. B. UV-Bestrahlung) abhängt.
Für eine genaue Einstellung der Sauerstoffkonzentration in dem Sauerstoff reichen Prozeßgas wird vorzugsweise stromabwärts von der Brennkammer zusätzlicher Sauerstoff eingeleitet. Vorzugsweise wird das Verhältnis Sauerstoff zu Wasserstoff zwischen 0% (vollständige Verbrennung oder 100% H2O) und 100% (0,1 % H2O) eingestellt.
Um eine Erzeugung von Knallgas in der stromabwärts von der Brennkammer befindlichen Leitung zu verhindern, wird eine Sauerstoffzuleitung stromab- wärts von der Brennkammer verriegelt, wenn in der Brennkammer ein wasserstoffreiches Prozeßgas erzeugt wird. In der gleichen Weise wird vorzugsweise eine Wasserstoffzuleitung stromabwärts von der Brennkammer verriegelt, wenn in der Brennkammer ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt wird. Darüber hinaus werden die Wasserstoffzuleitung und die Sauerstoffzuleitung gegeneinander verriegelt, d. h. daß immer maximal eine der beiden Zuleitungen geöffnet ist. Für eine Veränderung des Prozeßgases wird vorzugsweise stromabwärts von der Brennkammer ein weiteres Fluid in das Prozeßgas eingeleitet, um unterschiedliche Mechanismen bei der nachfolgenden Substrat- behandlung fördern zu können. Das weitere Fluid kann ein für den nachfolgenden thermischen Prozeß zur Prozessierung von Halbleiterwafern reaktives oder inertes Gas sein oder ein Gemisch aus solchen Gasen (z. B. Ar, N2).
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird in der Brennkammer zunächst ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt, indem Sauerstoff in einer wasserstoffarmen Umgebung verbrannt wird, und anschließend wird das Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff in der Brennkammer zum Verbrennen von Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung verändert. Somit kann wahlweise mit der Herstellung eines Wasserstoff- oder sauerstoffreichen Pro- zeßgases gestartet werden, und es kann anschließend beliebig zwischen der Herstellung dieser beiden Prozeßgase gewechselt werden, ohne den Brenner abschalten zu müssen.
Wenn in der Brennkammer eine sauerstoffreiche Verbrennung erfolgt, wird das Verfahren vorzugsweise unterbrochen und/oder es wird ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet, wenn stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Wasserstoff durch eine Vorrichtung zur Detektion von Wasserstoff (z. B. einen Wasserstoffsensor) detektiert wird. Hierdurch wird die Bildung einer Knallgasmischung stromabwärts von der Brennkammer verhindert.
Bei einem Wechsel von einer Verbrennung von Sauerstoff in einer wasserstoffarmen Umgebung zu einer wasserstoffreichen Umgebung wird vorzugsweise für einen vorbestimmten Zeitraum eine stöchiometrische Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff durchgeführt, um sicherzustellen, daß die Brennkammer nur Wasserdampf und keinen unverbrannten Sauerstoff oder Wasserstoff enthält.
Um die Bildung von Knallgasen zu verhindern, wird die Brennkammer vorzugsweise vor dem Verbrennungsvorgang mit einem inerten Gas gespült.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Prozeßgas vorzugsweise zum thermischen Behandeln wenigstens eines Halbleiterwafers oder Halbleitermaterials verwendet und innerhalb eines Behandlungszyklus zwischen einem wasserstoffreichen und einem sauerstoffreichen Prozeßgas gewechselt. Unter Behandlungszyklus soll verstanden werden, daß der Halbleiter (z. B. Halbleiterwafer) einem Temperatur-Zeit-Zyklus ausgesetzt wird, welcher wenigstens ein Erwärmen und ein Abkühlen des Halbleiters umfaßt. Der Halbleiter, der üblicherweise in Substratform vorliegt, kann Si umfassen, und ein lll-V, ll-VI, oder IV-IV Halbleiter sein.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Prozeßgas zum thermischen Behandeln wenigstens eines Halbeiterwafers verwendet, und bei aufeinan- derfolgenden thermischen Behandlungszyklen zwischen einem wasserstoffreichen und einem sauerstoffreichen Prozeßgas gewechselt. Vorzugsweise wird während eines thermischen Behandlungszyklus die Konzentration von Wasserstoff oder Sauerstoff in dem Wasserdampf des Prozeßgases verändert.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten, gelöst, die einen Brenner mit einer Brennkammer, wenigstens eine Sauerstoffzuleitung und wenigstens eine Wasser- stoffzuleitung in die Brennkammer, eine Zündeinheit zum Zünden einer Sauerstoff/Wasserstoff-Mischung in der Brennkammer und eine Steuereinheit aufweist, die derart steuerbar ist, daß zur Bildung eines Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff der Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung gezündet und vollständig verbrannt wird. Bei der Vorrichtung ergeben sich die schon oben genannten Vorteile.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Brenner; und
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer Substratbehandlungsvorrichtung, in die eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeß- gases gemäß der vorliegenden Erfindung integriert ist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brenners 1 , in dem Sauerstoff und Wasserstoff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem wasserdampfhaltigen Gas verbrannt werden.
Der Brenner 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das im Inneren eine Brennkammer δumfaßt. Die Brennkammer 5 weist einen Einlaß 7 auf, der mit einer ersten Gas-Einlaßleitung 8 in Verbindung steht. Die erste Gas-Einlaßleitung 8 steht mit einer Zuleitung 10 in Verbindung, über die, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, Wasserstoff in den Brenner 1 eingeleitet wird.
Im Bereich der ersten Einlaßleitung 8 ist auch eine zweite Gas-Einlaßleitung 12 vorgesehen. Die zweite Gas-Einlaßleitung 12 erstreckt sich wenigstens teilweise in der ersten Gas-Einlaßleitung 8 und ist als sogenannte Lanze aus- gebildet. Über die zweite Gas-Einlaßleitung wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, Sauerstoff in den Brenner 1 eingeleitet. Die zweite Einlaßleitung 12 weist ein Auslaßende 14 auf, das im Bereich der ersten Einlaßleitung 8 angeordnet ist, so daß eine Vermischung der über die beiden Einlaßleitungen 8, 12 eingeleiteten Gase schon im Bereich der ersten Einlaßleitung 8 er- folgt, bevor die Mischung in die Brennkammer eintritt.
Der Bereich der ersten Einlaßleitung 8, in den sich die zweite Einlaßleitung 12 öffnet, ist von einem Heizring 17 umgeben, um die entstehende Sauerstoff/ Wasserstoff-Gasmischung in diesem Bereich über ihre Zündtemperatur zu erwärmen und zu entzünden. Alternativ kann auch eine andere Vorrichtung zum Zünden der Mischung vorgesehen werden.
Im Gehäuse 3 des Brenners 1 ist ferner ein UV-Detektor 20 vorgesehen, der auf einen Verbrennungsbereich des Sauerstoff/Wasserstoff-Gasgemisches gerichtet ist, um den Brennvorgang zu überwachen. Da Sauerstoff und Wasserstoff mit einer sichtbaren Flamme verbrennen, kann der UV-Detektor bei einem Meßbereich von 260 nm den Brennvorgang überwachen. Der UV- Detektor ist mit einer entsprechenden Steuervorrichtung gekoppelt, die die Gaszufuhr über die Einlaßleitungen 8 und 12 sperrt, sofern der Detektor feststellt, daß die Flamme erlischt.
Die Brennkammer 5 weist auch ein Auslaßende 21 auf, das mit einer Auslaß- leitung 24 in Verbindung steht, die, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert wird, mit einer Schnellheizanlage oder allgemein einer Prozeßkammer zum thermischen Behandeln von Halbleitern in Verbindung steht.
In der Auslaßleitung 24 ist ein nicht näher dargestellter Sauerstoff- und Was- serstoffsensor oder eine entsprechende Detektiervorrichtung vorgesehen, um unverbrannten Sauerstoff bzw. unverbrannten Wasserstoff in der Leitung 24 zu detektieren.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 30 zum Behandeln von Halbleiterwafern, in die der Brenner 1 gemäß Fig. 1 integriert ist.
Die Vorrichtung 30 weist einen Prozeßgaserzeugungsteil 31 und z. B. eine Schnellheizanlage 32 auf, in der wenigstens ein Halbleiterwafer angeordnet ist und thermisch behandelt wird. Die Schnellheizanlage 32 besitzt beispielsweise einen Aufbau, wie er aus der auf dieselbe Anmelderin zurückgehenden DE-A-199 05 524 bekannt ist, die insofern zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird, um Wiederholungen zu vermeiden. Die Auslaßleitung 24 des Brenners 1 steht mit einem Einlaß einer Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 in Verbindung, um in dem Brenner 1 erzeugte Prozeßgase in die Schnellheizanlage leiten zu können.
Der Prozeßgaserzeugungsteil 31 der Vorrichtung 30 weist den Brenner 1 , eine elektronische Steuereinheit 34, sowie eine Vielzahl von Mass Flow Controllern bzw. Gasströmungssteuereinheiten 36 bis 41 auf, die jeweils durch die Steuereinheit 34 angesteuert werden, um eine kontrollierte Gasströmung dorthindurch vorzusehen.
Der Mass Flow Controller 36 weist eine Gaszuleitung 43, sowie eine Auslaßleitung 44 auf. Die Zuleitung 43 steht mit einer Gasquelle in Verbindung. Die Auslaßleitung 44 steht zwischen dem Brenner 1 und der Schnellheizvorrich- tung 32 mit der Leitung 24 in Verbindung, um ein zusätzliches Gas in das in dem Brenner 1 erzeugte Prozeßgas einzuleiten, das im nachfolgenden Prozeß benötigt wird.
Der Mass Flow Controller 37 weist eine Zuleitung 46 sowie eine Auslaßleitung 47 auf. Die Zuleitung 46 steht mit einer Quelle eines inerten Gases, wie bei- spielsweise Stickstoff oder Argon, in Verbindung. Die Auslaßleitung 47 steht mit der Zuleitung 10 der ersten Einlaßleitung 8 des Brenners 1 sowie mit der zweiten Einlaßleitung 12 des Brenners 1 in Verbindung.
Der Mass Flow Controller 38 weist ein Zuleitung 50 sowie eine Auslaßleitung 51 auf. Die Zuleitung 50 steht mit einer Sauerstoffquelle oder mit einer Quelle für ein anderes sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung, während die Auslaßleitung 51 mit der zweiten Einlaßleitung 12 des Brenners 1 in Verbindung steht.
Der Mass Flow Controller 39 weist ein Einlaßleitung 54 auf, die mit einer Wasserstoffquelle oder mit einer Quelle für ein anderes wasserstoffhaltiges
Gas in Verbindung steht, sowie eine Auslaßleitung 55, die mit der Zuleitung 10 in Verbindung steht. Der Mass Flow Controller 40 steht mit einer Einlaßleitung 58 sowie einer Auslaßleitung 59 in Verbindung. Die Zuleitung 58 ist mit einer Sauerstoffquelle oder mit einer Quelle für ein anderes sauerstoffhaltiges Gas verbunden, während die Auslaßleitung 59 zwischen dem Brenner 1 und der Schnell- heizanlage 32 mit der Leitung 24 in Verbindung steht.
Der Mass Flow Controller 41 wiederum weist eine Zuleitung 62 sowie eine Auslaßleitung 63 auf. Die Zuleitung 62 steht mit einer Wasserstoffquelle oder mit einer Quelle für ein anderes wasserstoffhaltiges Gas in Verbindung, wäh- rend die Auslaßleitung 63 zwischen dem Brenner 1 und der Schnellheizanlage 32 mit der Leitung 24 in Verbindung steht.
Wie zuvor erwähnt, werden die Mass Flow Controller 36 bis 41 über die Steuereinheit 34 angesteuert, so daß sie entweder kontrollierte Mengen an Gas von ihren jeweiligen Zuleitungen zu ihren jeweiligen Auslaßleitungen leiten oder geschlossen sind.
Die Funktion des Prozeßgaserzeugungsteils 31 und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb desselben wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Vor der Erzeugung eines Prozeßgases sind zunächst alle Mass Flow Controller 36 bis 41 geschlossen. Anschließend wird der Mass Flow Controller 37 angesteuert, um inertes Gas über die Zuleitung 10 sowie die zweite Einlaß- leitung 12 in den Brenner 1 einzuleiten. Hierdurch werden die Zuleitungen 10, 12, der Brenner 1 sowie die Auslaßleitung 24 und gegebenenfalls die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 mit inertem Gas gespült, um sicherzustellen, daß sich in dem Brenner 1 , der Leitung 24 sowie der Schnellheizanlage 32 kein Sauerstoff oder Wasserstoff befinden. Ferner können unkontrollierte Reaktionen mit Restgasen, wie z. B. Luft, vermieden werden.
Nach einer vorgegebenen Spülzeit wird der Mass Flow Controller 37 geschlossen. Nun wird über den Mass Flow Controller 39 Wasserstoff über die Zuleitung 10 in den Brenner 1 eingeleitet, wobei wenigstens die Brennkammer 5 und gegebenenfalls teilweise auch die Leitung 24 und die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 mit reinem Wasserstoff gefüllt wird. Hierbei kann die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs beliebig gesteuert werden. Wenn die Brennkammer vollständig mit Wasserstoff gefüllt ist, wird die Heizvorrichtung 17 aktiviert und über den Mass Flow Controller 38 und die zweite Einlaßeinleitung 12 wird nun Sauerstoff in die Brennkammer 5 eingeführt. Der Sauerstoff wird beispielsweise mit einer zeitlichen Verzögerung von fünf Sekunden gegenüber dem Wasserstoff eingeleitet. Wenn der Sauerstoff anfängt, aus dem Auslaßende 14 der zweiten Einlaßleitung 12 auszutreten, wird der Sauerstoff sofort gezündet und gemeinsam mit dem Wasserstoff verbrannt. Dabei ist es wichtig, daß die Heizvorrichtung 17 zu diesem Zeitpunkt die erforderliche Temperatur schon erreicht hat, um zu verhindern, daß sich in der Brennkammer 5 eine größere Menge an Knallgas durch die Vermischung von Sauerstoff und Wasserstoff bildet. Beispielsweise erhitzt die Heizvorrichtung 17 den Bereich am Auslaßende 14 der Einlaßleitung 12 auf 700°C. Bei der Verbrennung entsteht eine Flamme, die in die Brennkammer 5 hineinragt und durch den UV-Detektor detektiert wird.
Die Steuereinheit 34 stellt die Strömung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in die Brennkammer 5 über die Mass Flow Controller 38 und 39 derart ein, daß mehr Wasserstoff vorhanden ist, als für die Verbrennung des Sauerstoffs erforderlich ist, so daß der Sauerstoff in einer wasserstoffreichen Umgebung verbrannt wird. Durch die Verbrennung des Sauerstoffs und des Was- serstoffs wird in der Verbrennungskammer 5 Wasserdampf erzeugt, der gemeinsam mit dem überschüssigen Wasserstoff durch die Leitung 24 in die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 geleitet wird. Das Prozeßgas kann mit hohem Fluß von bis zu 30 slm (Standardliter pro Minute) hergestellt und in die Prozeßkammer geleitet werden. Wie zuvor erwähnt, befindet sich in der Leitung 24 ein Sauerstoffsensor, der die Anwesenheit von unverbranntem
Sauerstoff in der Leitung 24 detektiert. Wenn unverbrannter Sauerstoff in der Leitung 24 detektiert wird, gibt der Sensor ein Warnsignal an die Steuereinheit 34 ab, da Sauerstoff in der Leitung 24 gemeinsam mit dem überschüssigen Wasserstoff ein Knallgas bilden kann, das beim Einleiten in die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 explodieren und somit den darin befindlichen Wafer und gegebenenfalls auch die Prozeßkammer selbst beschädigen kann. Nach Erhalt des Warnsignals schickt die Steuereinheit 34 entsprechende Signale an die Mass Flow Controller 38 und 39, um diese zu schließen und somit die Erzeugung von Prozeßgas in dem Brenner 1 zu unterbrechen. Alternativ oder auch zusätzlich kann über den Mass Flow Controller 37 inertes Gas in den Brenner 1 und in die Leitung 24 eingeleitet werden, um die Bildung von Knallgas in dem Brenner 1 zu vermeiden und um diesen erneut zu spülen.
Wenn in der Leitung 24 kein unverbrannter Sauerstoff detektiert wird, kann über den Mass Flow Controller 41 und die Leitung 63 zusätzlicher Wasserstoff in das in der Leitung 24 befindliche Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Wasserstoff eingeleitet werden, um den Wasserstoffgehalt in dem Pro- zeßgas auf einen gewünschten Wert zu erhöhen. Darüber hinaus kann, sofern dies gewünscht ist, über den Mass Flow Controller 36 ein weiteres Gas in das Prozeßgas aus Wasserdampf und Wasserstoff eingeleitet werden. Die dabei entstehende Prozeßgasmischung wird nun zur Behandlung eines Halbleiter- wafers in die Prozeßkammer der Schnellheizanlage 32 eingeleitet. Die Pro- zeßkammer der Schnellheizanlage 32 wird zunächst mit dem Prozeßgas durchspült, bevor die thermische Behandlung des Wafers gestartet wird. Beispielsweise wird die Prozeßkammer mit dem Dreifachen ihres eigenen Volumens gespült, was beispielsweise 60 Sekunden benötigt. Erst dann wird die thermische Behandlung des in der Prozeßkammer befindlichen Wafers be- gönnen. Der Wafer befindet sich während des Durchspülens auf einer niedrigen Temperatur von 20°C bis 560°C, um eine Selbstentzündung des Prozeßgases zu vermeiden, das zu Beginn noch in einer Undefinierten Zusammensetzung vorliegen kann. Ferner will man verhindern, daß der Wafer bereits mit dem noch nicht endgültig definierten Prozeßgas reagiert. Die obere Tempe- ratur des Wafers hängt dabei vom Prozeß und von der Art des Wafers ab. Sie kann z. B. bei metallbeschichteten Wafern kleiner als 250°C oder sogar kleiner als 100°C sein, um Oxidations- bzw. Reaktionsprozesse in eventuell Undefinierten Prozeßgasen zu verhindern. In der Prozeßkammer kann dann eine wasserstoffreiche Naßoxidation, beispielsweise zur selektiven Oxidation von Gate-Stacks mit Metallgates bzw. Metall-Gate-Kontakten durchgeführt werden.
Wenn es für den Prozeß in der Schnellheizanlage 32 notwendig ist, nach dem wasserstoffreichen Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Wasserstoff ein sauerstoffreiches Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff vorzusehen, kann die Verbrennung des Sauerstoffs in einer wasserstoffreichen Atmosphäre zu einer Verbrennung in einer wasserstoffarmen Atmosphä- re geändert werden. Hierfür steuert die Steuereinheit 34 die Mass Flow Controller 38 und 39 zunächst derart an, daß Sauerstoff und Wasserstoff mit einem stöchiometrischen Verhältnis in die Brennkammer 5 des Brenners 1 eingeleitet werden. Hierdurch kommt es zu einer stöchiometrischen Verbrennung, bei der reiner Wasserdampf erzeugt wird und keine Restprodukte ver- bleiben. Die stöchiometrische Verbrennung wird solange fortgeführt, bis der überschüssige Wasserstoff aus der vorhergehenden wasserstoffreichen Verbrennung aus der Brennkammer 5 und gegebenenfalls der Prozeßkammer der Schnellheizanlage verdrängt wird. Nun kann die über den Mass Flow Controller 38 eingeleitete Sauerstoffmenge erhöht werden, so daß eine sauerstoff- reiche Verbrennung erfolgt, d. h. es ist mehr Sauerstoff vorhanden als mit dem Wasserstoff verbrannt werden kann, so daß ein Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff gebildet wird. Diese Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff kann nun über die Leitung 24 in die Schnellheizanlage 32 geleitet werden. Über den Mass Flow Controller 40 kann darüber hinaus zusätzlicher Sauerstoff in die Leitung 24 eingeleitet werden, um das Sauerstoffverhältnis in dem Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und Sauerstoff in gewünschter Weise zu erhöhen. In analoger Weise kann von der Erzeugung eines sauerstoffreichen Prozeßgases auch wieder zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Prozeßgases zurück gewechselt werden, wobei wiederum eine Zwischenphase vorgesehen ist, bei der in Brennkammer 5 eine stöchiometrische Verbrennung erfolgt. Natürlich kann der Brenner 1 auch so gestartet werden, daß er zunächst ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt und gegebenenfalls anschließend zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Prozeßgases gewechselt wird.
Der prozeßgaserzeugende Teil 31 der Vorrichtung 30 ist somit in der Lage, Prozeßgas bestehend aus Wasserdampf und wahlweise Sauerstoff oder Wasserstoff herzustellen. Durch die Mass Flow Controller 40 und 41 kann jedes beliebige Mischungsverhältnis von Wasserdampf zu Sauerstoff oder Wasserdampf zu Wasserstoff in dem Prozeßgas eingestellt werden.
Die Steuereinheit 34 ist derart ausgelegt, daß sie die Mass Flow Controller 40 und 41 immer gegeneinander verriegelt, da die gleichzeitige Einleitung von Wasserstoff und Sauerstoff in die Leitung 24 zur Bildung eines Knallgases führen würde. Ferner ist es auch möglich, die Mass Flow Controller 40, 41 mechanisch derart zu koppeln, daß sie gegeneinander verriegelt sind, d. h. daß jeweils immer nur eine der beiden Mass Flow Controller 40, 41 geöffnet sein kann. Die Steuereinheit 34 sieht ferner vor, daß der Mass Flow Controller 40 immer dann geschlossen ist, wenn im Brenner 1 eine wasserstoffreiche Verbrennung erfolgt, da auch bei der Einleitung von Sauerstoff in ein Prozeß- gas bestehend aus Wasserdampf und Wasserstoff ein Knallgas erzeugt werden würde. In analoger Weise wird der Mass Flow Controller 41 derart gesteuert, daß er immer geschlossen ist, wenn in dem Brenner 1 eine sauerstoffreiche Verbrennung erfolgt.
Zur Erhöhung der Sicherheit ist, wie schon oben erwähnt, ein Sauerstoff- und Wasserstoffsensor in der Leitung 24 vorgesehen, der unvebrannten Sauerstoff bzw. unverbrannten Wasserstoff in der Leitung detektiert. Wenn nach einer wasserstoffreichen Verbrennung im Brenner Sauerstoff in der Leitung 24 detektiert wird, deutet dies auf einen Fehler hin, und es besteht die Gefahr, daß in der Leitung 24 und/oder der Prozeßkammer der nachgeschaltenen Schnellheizanlage 32 Knallgas gebildet wird. Daher schickt der entsprechende Sensor ein Warnsignal an die Steuereinheit 34, die den Prozeß unterbrechen kann und gegebenenfalls inertes Gas in den Brenner einleitet. Dies gilt in analoger Weise, wenn nach einer sauerstoffreichen Verbrennung im Brenner 1 unverbrannter Wasserstoff in der Leitung 24 detektiert wird.
Die Vorrichtung 30 ist nun in der Lage, einen Halbleiterwafer in der Schnellheizanlage 32 mit einem wasserstoffreichen und/oder sauerstoffreichen was- serdampfhaltigen Prozeßgas zu prozessieren. Es ist möglich, während eines einzelnen thermischen Behandlungszyklus zwischen wasserstoffreichem und sauerstoffreichem wasserdampfhaltigen Prozeßgas umzuschalten. Natürlich ist es auch möglich, mehrfach während eines thermischen Behandlungszyklus zwischen diesen beiden Prozeßgasen umzuschalten. Eine Umschaltung kann auch zwischen aufeinanderfolgenden thermischen Behandlungszyklen innerhalb einer Prozeßkammer erfolgen.
Die Vorrichtung wurde zuvor anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben, ohne jedoch auf das konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Beispielsweise kann der Prozeßgaserzeugungsteil 31 mit mehreren Schnellheizanlagen 32 (oder allgemein Prozeßkammern zum Prozessieren von Halbleiterwafern) verbunden sein, die parallel mit gleichen oder sequentiell mit gleichen oder unterschiedlichen Prozeßgasmischungen versorgt werden. Beispielsweise könnte eine Schnellheizanlage jeweils ein sauerstoffreiches, wasserdampfhaltiges Prozeßgas benötigen, während in der anderen Schnellheizanlage jeweils ein wasserstoffreiches, wasserdampfhaltiges Prozeßgas benötigt wird. Der Brenner 1 könnte somit sequentiell für bei- de Anlagen verwendet werden, ohne die Notwendigkeit, den Brenner zwischen der Versorgung der einen Anlage und der anderen Anlage auszuschalten und gegebenenfalls mit inertem Gas zu spülen, da beliebig zwischen der Erzeugung eines sauerstoffreichen und eines Wasserstoff reichen, wasserdampfhaltigen Prozeßgases gewechselt werden kann. Der Brenner kann mit Überdruck oder Unterdruck betrieben werden, wobei ein Betrieb mit Unterdruck von Vorteil ist, da Gas durch den Unterdruck in der Brennkammer zum Auslaß geleitet wird. Diese Richtungsgebung wiederum führt zu einem gleichmäßigen Brennverhalten. Die vorliegende Erfindung umfaßt ebenso Ausführungsbeispiele, die sich aus der Kombination und/oder dem Austausch von Merkmalen der zuvor beschriebenen Beispiele ergeben. Ferner sei darauf hingewiesen, daß statt eines Halbleiters oder eines Substrats ein beliebiges Objekt mit dem gemäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren oder Vorrichtung erzeugtem Prozeßgas prozessiert werden kann, wobei die Prozessierung nicht ausschließlich auf thermische, d. h. Temperatur-Zeit-Behandlungszyklen beschränkt ist.
In Vorrichtungen, in denen das Objekt beispielsweise mittels elektromagnetischer Strahlung geheizt wird, kann es sich auch um Strahlungsleistung-Zeit- Behandlungszyklen handeln.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen wenigstens eines Prozeßgases zur Behand- lung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines ersten Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff Sauerstoff in einer überstöchiometrischen, wasserstoffreichen Umgebung in einer Brennkammer verbrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts von der Brennkammer die Anwesenheit von unverbranntem Sauerstoff detektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfah- ren unterbrochen wird, wenn stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Sauerstoff detektiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet wird, wenn stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Sauerstoff detektiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts von der Brennkammer Wasserstoff in das Prozeßgas eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer vor dem Verbrennen von Sauerstoff mit reinem Wasserstoff gefüllt wird, und Sauerstoff erst zum Auslösen der Verbrennung eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines zweiten, sauerstoffreichen Pro- zeßgases das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff in der Brennkammer während der Verbrennung geändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wech- sei zwischen der Erzeugung eines wasserstoffreichen und eines sauerstoffreichen Prozeßgases für einen vorbestimmten Zeitraum eine stöchiometrischen Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Erzeugung eines sauerstoffreichen Prozeßgases stromabwärts von der Brennkammer zusätzlicher Sauerstoff eingeleitet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoffzuleitung stromabwärts von der Brennkammer verriegelt wird, wenn in der Brennkammer ein wasserstoffreiches Prozeßgas erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserstoffzuleitung stromabwärts von der Brennkammer verriegelt wird, wenn in der Brennkammer ein sauerstoffreiches Prozeßgas erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts von der Brennkammer ein weiteres Fluid in das Prozeßgas eingeleitet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß in der Brennkammer zunächst ein sauerstoffreiches
Prozeßgas erzeugt wird, indem Sauerstoff in einer wasserstoffarmen
Umgebung verbrannt wird, und das Verhältnis von Sauerstoff zu Was- serstoff in der Brennkammer zum Verbrennen von Sauerstoff in eine wasserstoffreiche Umgebung verändert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeich- net, daß während der Erzeugung des sauerstoffreichen Prozeßgases stromabwärts von der Brennkammer die Anwesenheit von unverbranntem Wasserstoff detektiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 8 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren unterbrochen wird, wenn stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Wasserstoff detektiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein inertes Gas in das Prozeßgas eingeleitet wird, wenn stromabwärts von der Brennkammer unverbrannter Wasserstoff detektiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wechsel von einer Verbrennung von Sauerstoff in einer wasserstoffarmen Umgebung zu einer wasserstoffreichen Umge- bung für einen vorbestimmten Zeitraum eine stöchiometrische Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff durchgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer vor dem Verbrennungsvorgang mit einem inerten Gas gespült wird.
19. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas zum thermischen Behandeln wenigstens eines Halbleiterwafers verwendet wird und innerhalb eines Be- handlungszyklus zwischen einem wasserstoffreichen und einem sauerstoffreichen Prozeßgas gewechselt wird.
20. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas zum thermischen Behandeln wenigstens eines Halbleiterwafers verwendet wird, und bei aufeinanderfolgenden thermischen Behandlungszyklen zwischen einem wasserstoff- reichen und einem Sauerstoff reichen Prozeßgas gewechselt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von Wasserstoff oder Sauerstoff in dem Prozeßgas während eines thermischen Behandlungszyklus verändert wird.
22. Vorrichtung zum Erzeugen eines Prozeßgases zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstrate, mit einem eine Brennkammer (5) aufweisenden Brenner (1 ), wenigstens einer Sauerstoffzuleitung (12) und wenigstens einer Wasserstoffzuleitung (8) in die Brennkammmer (5), eine Zündeinheit (17) zum Zünden einer Sauerstoff/ Wasserstoff-Mischung in der Brennkammer (5) und eine Steuereinheit (34), die derart steuerbar ist, daß zur Bildung eines Prozeßgases aus Wasserdampf und Wasserstoff der Sauerstoff in einer überstöchiometrischen, wasserstoffreichen Umgebung gezündet und vollständig verbrannt wird.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch einen Sauerstoff- und/oder Wasserstoffsensor in einer Auslaßleitung (24) des Brenners
(1 ).
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet durch eine mit einer Auslaßleitung (24) des Brenners (1 ) verbundene Wasserstoffleitung (63).
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, gekennzeichnet durch eine mit einer Auslaßleitung (24) des Brenners (1 ) in Verbindung stehende Sauerstoffleitung (59).
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffleitung und die Wasserstoffleitung gegeneinander verriegelt sind.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit derart steuerbar ist, daß die Verbrennung in der Brennkammer (5) von einer wasserstoffreichen Verbrennung zu einer sauerstoffreichen Verbrennung verändert wird.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitung (24) mit wenigstens einer Prozeßkammer zur thermischen Behandlung von Halbleiterwafern verbunden ist.
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