WO2018193055A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausbilden einer schicht auf einem halbleitersubstrat sowie halbleitersubstrat - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ausbilden einer schicht auf einem halbleitersubstrat sowie halbleitersubstrat Download PDF

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Jens-Uwe FUCHS
Viet Nguyen
Thomas Pernau
Felix WALK
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    • H01L21/02299—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer pre-treatment
    • H01L21/02304—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer pre-treatment formation of intermediate layers, e.g. buffer layers, layers to improve adhesion, lattice match or diffusion barriers
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    • H01J2237/3323—Problems associated with coating uniformity
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32798—Further details of plasma apparatus not provided for in groups H01J37/3244 - H01J37/32788; special provisions for cleaning or maintenance of the apparatus
    • H01J37/32816—Pressure

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for forming a layer on a semiconductor substrate and to a semiconductor substrate.
  • a well-known deposition process is the atomic layer deposition also called ALD (atomic layer deposition).
  • ALD atomic layer deposition
  • Preavesoren alternately and separated by rinsing steps in one
  • PECVD plasma-assisted chemical vapor deposition
  • a plasma is generated in order to effect from the plasma out a simultaneous deposition of different components of the individual precursors and to form a common layer thereof.
  • layers with substantially the same composition as the ALD can be achieved. Since deposition proceeds essentially continuously out of the plasma containing both precursors without intermediate rinsing or evacuation steps, substantially higher growth rates can be achieved. However, the homogeneity of the layer thus formed is not as high as in one
  • the interface substrate layer is not so good.
  • higher layer thicknesses are generally required than with comparable layers which were produced by means of ALD.
  • PECVD layers are typically 1.5 to 3 times thicker than comparable ALD layers.
  • the PEVCD layers can generally be built much faster and require significantly less material.
  • a concrete example of such a layer is an Al 2 O 3 passivation layer.
  • Usual in the ALD method produced Al 2 0 3 - passivation for example, have thicknesses in the range of 5 nm, while produced in the PECVD method, Al 2 0 3 -Passivitations füren example, thicknesses in the range of at least 8-1 ONM own.
  • the devices used for the different deposition methods generally differ significantly.
  • ALD Systems with plasma support Single processes used in which between an electrode which also serves as a gas inlet and a single substrate, a plasma is generated.
  • batch processes are frequently used in which, for example, a plasma is generated between adjacent substrates.
  • Such a PECVD system is for
  • the present invention has for its object to provide a method and an apparatus for forming a layer on a semiconductor substrate and a semiconductor substrate with a special layer structure, which at least partially avoid disadvantages of the prior art.
  • Layer structure according to claim 15 provided. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims. More specifically, there is provided a method of forming a layer on a plurality of semiconductor substrates in which the semiconductor substrates are housed in a wafer boat such that the semiconductor substrates are arranged in pairs facing each other and their surfaces to be coated facing each other, and between the semiconductor substrates of each pair AC voltage for generating a plasma between the wafers of a pair can be applied, wherein the wafer boat with the plurality of
  • Semiconductor substrates is accommodated in a process chamber.
  • the method comprises the steps of: heating the process chamber to a predetermined temperature and generating a predetermined negative pressure in the process chamber, introducing a first precursor gas into the process chamber
  • the cycle of introducing the first and second precursor gases is repeated until a first layer having a predetermined layer thickness or a predetermined number of cycles is reached. Then at least two
  • the method results in a direct sequential combination of an ALD process with a PECVD process within a single process chamber while a plurality of semiconductor substrates in the process chamber
  • Wafer boat is added and coated at the same time. This allows a high throughput with low gas consumption.
  • the described process sequence results in a semiconductor substrate having a layer structure deposited thereon consisting of a base layer which is produced in the ALD method and a layer of substantially the same composition which is applied thereon and which is formed in the PECVD method. It should be "essentially the same
  • composition while the ALD method allows, for example, an accurate proportionality (stoichiometry) of the components, there may be slight variations in the CVD method Homogeneity within the layer and good interfacial properties at the Interface substrate layer off.
  • the homogeneous base layer also positively influences the further layer formation in the PECVD process, so that it can have improved homogeneity compared to a layer applied directly to the semiconductor substrate in the PECVD process.
  • islanding can be common in PPECVD
  • Procedure can be prevented because the base layer can serve as a seed layer or seed layer for further deposition.
  • Figure 1 is a schematic side view of a wafer boat for receiving semiconductor substrates.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the wafer boat according to FIG. 1;
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the wafer boat according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic view of a plasma treatment apparatus with wafer boat according to FIG. 1 accommodated therein;
  • FIG. 4 is a schematic front view of a process chamber of the plasma treatment apparatus of FIG. 3;
  • FIG. 4 is a schematic front view of a process chamber of the plasma treatment apparatus of FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a part of a gas supply of the process chamber according to FIG. 4.
  • wafer is used for disk-shaped substrates which are preferably semiconductor wafers, in particular silicon wafers for semiconductor or photovoltaic applications, but substrates of other materials can also be provided and processed.
  • the wafer boat 1 is formed by a plurality of plates 6, contacting units and clamping units.
  • the illustrated wafer boat 1 is specially designed for plasma-assisted layer deposition, but can also be used in a thermal deposition.
  • the plates 6 each consist of an electrically conductive material, and are in particular formed as graphite plates, wherein depending on the process, a coating or surface treatment of the plate base material may be provided.
  • the plates 6 each have six recesses 10, which are covered in the process of the wafers, as will be explained in more detail below.
  • the plates 6 each have parallel upper and lower edges, wherein in the upper edge, for example, a plurality of notches may be formed in order to lent a position detection of the plates lent, as described in DE 10 2010 025 483.
  • a total of twenty-three plates 6 are provided, which are arranged via the corresponding contacting units and clamping units substantially parallel to each other to form receiving slots 11 therebetween. Twenty-three plates 6 thus twenty-two of the receiving slots 1 1 are formed. However, in practice, 19 or 21 plates are often used, and the invention is not limited to a certain number of plates.
  • the plates 6 each have at least on their side facing an adjacent plate 6 groups of respective receiving elements 12, which are arranged so that they can receive a wafer in between.
  • the groups of the receiving elements 12 are each about each recesses 10 arranged around, as indicated schematically in Fig. 1.
  • the wafers can be accommodated in such a way that the receiving elements respectively contact different side edges of the wafer.
  • the receiving elements respectively contact different side edges of the wafer.
  • a total of six groups of receiving elements for respectively receiving a semiconductor wafer is provided in the longitudinal direction of the plate elements (corresponding to the recesses 10) a total of six groups of receiving elements for respectively receiving a semiconductor wafer.
  • the plates 6 each have a projecting contact lug 13, which serves for electrical contacting of the plates 6.
  • two embodiments of plates 6 are provided, which differ with regard to the position of the contact lugs 13 and are arranged alternately.
  • the plates of the same type are each electrically connected via contact blocks 15.
  • the disks 6 occupying an odd place in the order (disks 1, 3, 5, ...) are electrically connected together as a group.
  • the plates 6, which occupy an even place in the order (plates 2, 4, 6 ...) are electrically connected together as a group as a group.
  • This arrangement allows directly adjacent plates 6 to be applied with different potentials, while every other plate can be applied to the same potential. In this way, a plasma can then be generated between adjacent wafers accommodated on the plates.
  • the treatment device 30 consists of a process chamber part 32 and a control part 34.
  • the process chamber part 32 consists of a tube element 36 which is sealed on one side and forms a process chamber 38 in the interior. The open end of the tubular element 36 serves to load the
  • Process chamber 38 and it can be closed and hermetically sealed via a locking mechanism, not shown, as is known in the art.
  • the tube element is made of a suitable material that does not introduce impurities into the process, is electrically insulated and can withstand the process conditions of temperature and pressure (vacuum), such as quartz.
  • the tube member 36 has at its closed end gas-tight passages for the supply and discharge of gases and electricity, which may be formed in a known manner.
  • inlets and outlets could also be provided at the other end or else laterally at a suitable location between the ends.
  • the tube member 36 is surrounded by a sheath 40, which is the
  • Tube member 38 thermally insulated from the environment.
  • a heating device such as a resistance heater, which is suitable to heat the tube member 36.
  • a heating device can also be provided, for example, in the interior of the tubular element 36, or the tubular element 36 itself could be designed as a heating device.
  • an external heating device is preferred and in particular one which has different, individually controllable
  • receiving elements not shown in greater detail are provided, which form a receiving plane for receiving a wafer boat 1 (which is only partially shown in FIG. 4), which may be of the above type, for example.
  • the wafer boat can also be so in the
  • Tube member 36 are used so that it rests on the wall of the tubular member 36.
  • the wafer boat is essentially located above the held level and is arranged approximately centrally in the tubular element, as can be seen for example in the front view of FIG.
  • Wafer boat is located.
  • the wafer boat can be traded in the process chamber 38 in and out of the process chamber 38 via a suitable handling mechanism, not shown, as a whole. In this case, automatically becomes a suitable when loading the wafer boat
  • Gas guide tube 44 and an upper gas guide tube 46 are provided, which consist of a suitable material such as quartz.
  • Gas guide tubes 44, 46 extend in the longitudinal direction of the tubular element 36 and at least over the length of the wafer boat 1. Die
  • Gas guide tubes 44, 46 each have a round cross section and are each arranged in the transverse direction approximately centrally below or above the wafer boat 1. The gas guide tubes 44, 46 are closer to your
  • the lower gas guide tube 44 has a plurality of openings 48 through which gas can escape from the gas guide tube.
  • the openings are all in an upper half of the gas guide tube, so one of them
  • the lower gas guide tube 44 thus serves as a gas distributor (showerhead) in the Process chamber 38.
  • the lower gas guide tube 44 should have a large cross-section with a corresponding plurality of openings to a low pressure loss in the distribution of preferably max. 10 mBar to allow.
  • the upper gas guide tube 46 has a similar construction with openings, in which case the openings are formed in the lower half.
  • the gas guide tubes 44, 46 may be identical, but arranged in a different orientation, respectively, so that the openings point to the wafer boat 1, respectively.
  • a good homogeneous gas distribution can be achieved within the process chamber, in particular in the receiving slots 1 1 of the wafer boat. Also, a rapid gas exchange is possible. For this purpose, for example, preferably the lower gas guide tube is acted upon with gas, while gas is drawn off via the upper gas guide tube 46 gas.
  • the lower gas guide tube 44 ensures a good distribution of gas below the wafer boat, and the suction on the upper gas guide tube 46 ensures that the gas between the plates 6 of the wafer boat 1 is transported upwards.
  • two optional, movable deflecting elements 50 are provided in the process space.
  • a lower and an upper round average gas guide tube are provided in each case.
  • Embodiment three lower gas guide tubes and a single upper gas supply tube are provided, which are arranged symmetrically with respect to a vertical center plane of the process tube.
  • this or a similar arrangement with a plurality of lower gas guide tubes for the gas supply via the different gas guide tubes sequentially or simultaneously different gases can be introduced into the process chamber. Due to the symmetrical arrangement results in a good distribution in the process chamber and at the same time initiate a good mixing of the gases.
  • the control part 34 of the treatment device 30 has a gas control unit 60, vacuum control unit 62, an electrical control unit 64 and a temperature control unit, not shown, which can all be controlled jointly via a higher-level control, such as a processor.
  • the temperature control unit is in communication with the heater unit, not shown, to primarily control the temperature of the pipe member 36 and the process chamber 38, respectively.
  • the gas control unit 60 communicates with a plurality of different gas sources 66, 67, 68, such as gas cylinders containing different gases.
  • gas sources 66, 67, 68 such as gas cylinders containing different gases.
  • three gas sources are shown, of course, any other number may be provided.
  • a first gas source may hold a first process gas containing oxygen and having at least one of: N 2 O, a mixture of N 2 O and NH 3) H 2 O, H 2 O 2, and O 3 .
  • a second gas source may hold a first process gas containing oxygen and having at least one of: N 2 O, a mixture of N 2 O and NH 3) H 2 O, H 2 O 2, and O 3 .
  • a second gas source may hold a first process gas containing oxygen and having at least one of: N 2 O, a mixture of N 2 O and NH 3) H 2 O, H 2 O 2, and O 3 .
  • Gas source may include a second process gas, such as TMA or other reactive gas, which is preferably used for film formation in both an ALD process and a PECVD process.
  • a third gas source may preferably be a gas suitable for the deposition of a SiON or SiNx layer.
  • the gas sources which of course also others may contain appropriate gases adjust the gases to appropriate
  • Inputs of the gas control unit 60 ready.
  • a gas source for nitrogen or an inert gas which can be used, for example, as purge gas.
  • the gas control unit 60 has at least two outputs, one of the outputs with the lower
  • the gas control unit 60 can connect the gas sources in an appropriate manner to the outputs and regulate the flow of gas, as known in the art.
  • the gas control unit 60 in particular via the lower gas guide tube 44 (or the plurality of lower gas guide tubes) sequentially or simultaneously initiate different gases in the process chamber.
  • the vacuum control unit 62 consists essentially of the pump 70 and a pressure control valve 72.
  • the pump 70 is connected via the pressure control valve 72 to the upper gas guide tube 46 and can thereby pump off the process chamber to a predetermined pressure.
  • the connection from the gas control unit 60 to the pump serves to dilute process gas pumped from the process chamber, optionally with N 2 .
  • the electrical control unit 64 has at least one voltage source suitable for generating at an output at least a low frequency voltage or a high frequency voltage.
  • the output of the electrical control unit 64 communicates via a suitable conduit with a wafer boat contacting unit in the process chamber 38 to apply the voltage between the groups of plates 6 and generate a plasma therebetween, if desired.
  • the wafer boat is loaded with semiconductor substrates such that the semiconductor substrates are pairwise opposed and with their coating surfaces are arranged facing each other.
  • the wafer boat will be in the
  • Control unit 64 between the semiconductor substrates of each pair one
  • AC voltage for generating a plasma can be applied.
  • a total of 138 pairs of wafers would result, so that 268 wafers would be processed simultaneously. This should preferably
  • Wafer boat be designed so that at least 200, preferably even more than 300 wafers are recorded and processed simultaneously.
  • the process chamber is heated to a predetermined temperature, for example in the temperature range of 260-320 ° C, in particular 280-300 ° (preferably to about 290 ° C) and heated to a vacuum
  • the chamber can optionally be rinsed one or more times to create a controlled initial atmosphere.
  • a first process gas is introduced into the process chamber.
  • This is preferably an oxygen-containing precursor gas to produce a deposition of a component (preferably oxygen) of the first precursor gas on the surface of the substrate, the deposition being self-limiting and essentially a single one
  • Atomic layer of the deposited component generated.
  • any attachment of the component is explicitly considered here.
  • the addition leads to a surface saturation with the component, which prefers a certain type of bond, which is changed by the corresponding addition. This results in a known manner, the self-limitation of the deposition.
  • O " or OH " precursors may be generated on the substrate surface.
  • Deposition can be accelerated by the application of the alternating voltage and the formation of a plasma from the first process gas, or the plasma can promote a complete surface saturation or a complete abreaction of the first process gas. Subsequently, the process chamber can be rinsed to the first
  • a second process gas is introduced into the process chamber, which is suitable for reacting with the deposited component, such as the O " or OH " precursors on the substrate surface, to effect a separation from the second process gas.
  • the second process gas is TMA as precursor gas for an Al deposition, in particular, a layer AI 2 O 3 can be generated in this case.
  • This process is also self-limiting since, for the addition of Al, a specific type of bond is preferred, which is modified by the addition itself. Thus, a single atomic layer is deposited.
  • the process chamber can optionally be rinsed again in order to remove the second process gas, if it is not already in the process
  • Applying a plasma and intermediate rinse is repeated several times to achieve a desired layer thickness.
  • a desired layer thickness preferably less than 100 cycles, in particular less than 50 cycles and in particular less than 10 cycles should be carried out in order to obtain a uniform and homogeneous base layer.
  • a layer thickness of at least 1 nm, preferably of at least 1 .5 nm, can be sought.
  • a third process gas can then be introduced into the process chamber without breaking the vacuum, and a plasma can be generated therefrom in order to achieve a further deposition on the base layer.
  • the time period between the end of the cyclic treatment for producing the base layer and the introduction of the third process gas can be limited to less than 10 seconds, preferably to less than 1 second.
  • the third process gas is a mixture of two different precursor gases, and may be, in particular, a mixture of the two first process gases, the layer deposited in the process Has substantially the same composition as the base layer. This deposition is maintained until a desired total thickness of the layer is achieved.
  • the aim of the deposition from the third process gas is to achieve a layer thickness of at least 2.5 nm, in particular of at least 4.5 nm, on the base layer.
  • the different precursor gases can be introduced into the process chamber separately and mixed only in this process chamber. Depending on the application, it is also possible this already mixed
  • Process chamber during and between the above steps are kept substantially constant.
  • the first process gas has at least one of the following: N 2 O, a mixture of N 2 O and NH 3 , H 2 O, H 2 O 2 and O 3 while the second process gas, for example trimethylaluminum, is used the substrate surface to form an Al 2 0 3 layer.
  • a cover layer, a SiON and / or SiN x layer may be applied optionally in addition by, for example, following the temperature increase in the process chamber and another Preavesorgas is introduced into the process chamber, a corresponding film deposition with or without the use a plasma causes.
  • the device described above is suitable for carrying out such a process sequence, but other devices for the
  • Process sequence can be used.
  • the described process sequence results in a semiconductor substrate with a layer structure deposited thereon consisting of a base layer which is produced in the ALD method and a layer applied thereon with substantially the same
  • the base layer is characterized by a high homogeneity within the layer and a homogeneous interface substrate layer.
  • the homogeneous Base layer is also positively influenced the further layer formation in the PECVD process, so that it can have an improved homogeneity compared to a directly applied in the PECVD process on the semiconductor substrate layer. In particular, islanding, as often occurs in the PPECVD method, can be prevented, since the base layer serves as a
  • Seedlayer or seed layer can serve for further deposition.
  • H 2 0 liquid for example by means of a micro-metering an evaporator (near the process chamber) fed and then introduced into the process chamber in gaseous form. It is also possible to introduce H 2 0 liquid into the process chamber and to evaporate only in the process chamber or a lying in the process chamber gas distributor.
  • An alternative H 2 0 metering could be carried out in gaseous form by means of a temperature-controlled, vacuum-capable water tank and a low-pressure mass flow controller. As H 2 O process gas amount, 1-7 slm corresponding to 0.8-12 g / min are considered. The introduction of the introduction of the
  • Process gases can be continuous or pulsed.
  • pulsed introduction the same quantity of gas should be reached over all pulses as on a continuous time basis.
  • Process gas can take place in very short pulses ( ⁇ 100 ms), whereby a combination of pulsed introduction of at least one process gas during continuous introduction of at least one additional process gas is also being considered.
  • a pulsed introduction of at least one process gas it may optionally be coordinated in time with a pulsed introduction of electrical power for plasma generation.
  • rinsing or waiting cycles for removing process gas components which may preferably not be activated by plasma, may possibly be avoided or at least shortened.

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Schicht auf einer Vielzahl von Halbleitersubstraten beschrieben, bei dem die Halbleitersubstrate in einem Waferboot derart aufgenommen sind, dass die Halbleitersubstrate paarweise einander gegenüberliegend und mit ihren zu beschichtenden Oberflächen zueinander weisend angeordnet sind und zwischen den Halbleitersubstraten jedes Paars eine Wechselspannung zum Erzeugen eines Plasmas zwischen den Wafern eines Paars anlegbar ist, und bei dem das Waferboot mit der Vielzahl von Halbleitersubstraten in einer Prozesskammer aufgenommen ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erwärmen der Prozesskammer auf eine vorbestimmte Temperatur und Erzeugen eines vorbestimmten Unterdrucks in der Prozesskammer; Einleiten eines ersten Prekursorgases in die Prozesskammer bei der vorbestimmten Temperatur, um eine Abscheidung einer Komponente des ersten Prekursorgases an der Oberfläche des Substrats zu erzeugen, wobei die Abscheidung selbstbegrenzend ist und im Wesentlichen eine einzelne Atomlage der abgeschiedenen Komponente erzeugt; Einleiten eines zweiten Prekursorgases in die Prozesskammer bei der vorbestimmten Temperatur, um eine Reaktion mit der zuvor abgeschiedenen Komponenten zu bewirken und dadurch eine Abscheidung einer Komponente des zweiten Prekursorgases an der Oberfläche des Substrats zu erzeugen, wobei die Reaktion und somit Abscheidung selbstbegrenzend ist und eine Atomlage der abgeschiedenen Komponente erzeugt. Der aufeinanderfolgende Zyklus aus Einleitung erster und zweiter Prekursorgase wird wiederholt, bis eine erste Schicht mit einer vorbestimmten Schichtdicke oder eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen erreicht ist. Anschließend werden wenigstens zwei unterschiedlichen Prekursorgase in die Prozesskammer eingeleitet und ein Plasma aus der Mischung der Prekursorgase zwischen den benachbarten Halbleitersubstraten eines jeden Paars erzeugt, um eine zweite Schicht auf der ersten Schicht abzuscheiden, wobei die zweite Schicht im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie die erste Schicht aufweist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ausbilden einer Schicht auf einem Halbleitersubstrat sowie Halbleitersubstrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Schicht auf einem Halbleitersubstrat sowie ein Halbleitersubstrat.
Zur Herstellung elektronischer oder optoelektronischer Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel Solarzellen oder LEDs werden unterschiedliche
Abscheidungsprozesse zur Ausbildung unterschiedlichster Schichten auf einem Halbleitersubstrat eingesetzt.
Ein bekannter Abscheidungsprozess ist die Atomlagenabscheidung auch ALD (atomic layer deposition) genannt. Hierbei werden zwei unterschiedliche
Prekursoren abwechselnd und getrennt durch Spülschritte in eine
Prozesskammer und auf die zu beschichtenden Halbleitersubstrate geleitet. Hierbei ergeben sich in der Regel die folgenden vier charakteristische Schritte: eine selbstbegrenzende Reaktion/Abscheidung des ersten Prekursors mit/auf dem Substrat, ein Spül- oder Evakuierungsschritt der Prozesskammer, um nicht reagiertes Gas des ersten Prekursors und gegebenenfalls weitere Reaktions- produkte aus der Prozesskammer zu entfernen, eine selbstbegrenzende
Reaktion/Abscheidung des zweiten Prekursors mit/auf dem Substrat, um eine Monolage der zu erzeugenden Schicht zu bilden und wieder ein Spül- oder Evakuierungsschritt der Prozesskammer, um nicht reagiertes Gas des zweiten Prekursors und gegebenenfalls weitere Reaktionsprodukte aus der
Prozesskammer zu entfernen.
Hierdurch können einzelne Atomlagen der zu bildenden Schicht aufgebaut werden, die eine hohe Homogenität aufweisen, sowie gute
Grenzflächeneigenschaften haben. Da einzelne Atomlagen in der Regel nicht ausreichen, um die gewünschten Schichteigenschaften zu erzeugen, wird in der obigen Weise eine Vielzahl von Monolagen aufgebracht, wobei 100 Zyklen oder mehr üblich sind. Der Aufbau der einzelnen Monolagen ist zeitaufwändig und mit einem hohen Materialeinsatz verbunden, da die in den Spül- oder Evakuierungsschritten abgesaugten Prekursoren in der Regel nicht recycelt werden können. Es ist bekannt einzelne oder auch alle der selbstbegrenzenden Reaktionen/Abscheidungen thermisch oder auch mittels eines Plasmas zu unterstützen.
Ein anderer bekannter Abscheidungsprozess ist die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung auch PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) genannt, bei der zum Beispiel aus einer Mischung
unterschiedlicher Prekursoren ein Plasma erzeugt wird, um aus dem Plasma heraus eine gleichzeitige Abscheidung unterschiedlicher Komponenten der einzelnen Prekursoren zu bewirken und hieraus eine gemeinsame Schicht zu bilden. Bei dieser Art der PECVD, lassen sich Schichten mit im Wesentlichen derselben Zusammensetzung wie bei der ALD erreichen. Da die Abscheidung im Wesentlichen kontinuierlich aus dem beide Prekursoren enthaltenden Plasma heraus erfolgt ohne zwischengelagerte Spül- oder Evakuierungsschritte lassen sich wesentlich höhere Wachstumsraten erreichen. Jedoch ist auch die Homogenität der so gebildeten Schicht nicht so hoch wie bei einer
vergleichbaren Schicht, die mittels ALD hergestellt wurde. Insbesondere ist auch die Grenzfläche Substrat-Schicht nicht so gut. Um die gewünschten Schichteigenschaften zu erzeugen sind in der Regel höhere Schichtdicken erforderlich als bei vergleichbaren Schichten, die mittels ALD hergestellt wurden. PECVD Schichten sind daher in der Regel um 1 ,5- bis 3-mal dicker als vergleichbare ALD Schichten. Trotz der höheren Schichtdicken lassen sich die PEVCD Schichten in der Regel wesentlich schneller aufbauen und benötigen einen wesentlich geringeren Materialeinsatz.
Ein konkretes Beispiel einer solchen Schicht ist eine AI2O3- Passivierungsschicht. Übliche im ALD-Verfahren hergestellte Al203- Passivierungsschichten haben beispielsweise Dicken im Bereich von 5nm, während im PECVD-Verfahren hergestellte Al203-Passivierungsschichten beispielsweise Dicken im Bereich von wenigstens 8-1 Onm besitzen. Die für die unterschiedlichen Abscheidungsverfahren eingesetzten Vorrichtungen unterscheiden sich in der Regel wesentlich. Insbesondere werden für ALD- Anlagen mit Plasmaunterstützung Einzelprozesse eingesetzt bei denen zwischen einer Elektrode die auch als Gaseinleitung dient und einem einzelnen Substrat ein Plasma erzeugt wird. Für PECVD-Anlagen werden hingegen häufig Batchprozesse eingesetzt, bei denen zum Beispiel zwischen benachbarten Substraten ein Plasma erzeugt wird. Eine solche PECVD Anlage ist zum
Beispiel in der DE 10 2015 004 352 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Schicht auf einem Halbleitersubstrat sowie ein Halbleitersubstrat mit einer speziellen Schichtstruktur vorzusehen, welche Nachteile des Standes der Technik wenigstens teilweise vermeiden.
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14 und ein Halbleitersubstrat mit einer speziellen
Schichtstruktur gemäß Anspruch 15 vorgesehen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere ist ein dem Verfahren zum Ausbilden einer Schicht auf einer Vielzahl von Halbleitersubstraten vorgesehen, bei dem die Halbleitersubstrate in einem Waferboot derart aufgenommen sind, dass die Halbleitersubstrate paarweise einander gegenüberliegend und mit ihren zu beschichtenden Oberflächen zueinander weisend angeordnet sind und zwischen den Halbleitersubstraten jedes Paars eine Wechselspannung zum Erzeugen eines Plasmas zwischen den Wafern eines Paars anlegbar ist, wobei das Waferboot mit der Vielzahl von
Halbleitersubstraten in einer Prozesskammer aufgenommen ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erwärmen der Prozesskammer auf eine vorbestimmte Temperatur und Erzeugen eines vorbestimmten Unterdrucks in der Prozesskammer, Einleiten eines ersten Prekursorgases in die
Prozesskammer bei der vorbestimmten Temperatur, um eine Abscheidung einer Komponente des ersten Prekursorgases an der Oberfläche des Substrats zu erzeugen, wobei die Abscheidung selbstbegrenzend ist und im Wesentlichen eine einzelne Atomlage der abgeschiedenen Komponente erzeugt, Einleiten eines zweiten Prekursorgases in die Prozesskammer bei der vorbestimmten Temperatur, um eine Reaktion mit der abgeschiedenen Komponenten des ersten Prekursorgases zu bewirken und dadurch eine Abscheidung einer Komponente des zweiten Prekursorgases an der Oberfläche des Substrats zu erzeugen, wobei die Reaktion und somit Abscheidung selbstbegrenzend ist und eine Atomlage der abgeschiedenen Komponente erzeugt. Der Zyklus aus Einleiten der ersten und zweiten Prekursorgase wird wiederholt bis eine erste Schicht mit einer vorbestimmten Schichtdicke oder ein vorbestimmte Anzahl von Zyklen erreicht ist. Anschließend werden wenigstens zwei
unterschiedlichen Prekursorgase in die Prozesskammer eingeleitet und ein Plasma aus der Mischung der Prekursorgase zwischen den benachbarten Halbleitersubstraten eines jeden Paars erzeugt, um eine zweite Schicht auf der ersten Schicht abzuscheiden, wobei die zweite Schicht im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie die erste Schicht aufweist.
Durch das Verfahren ergibt sich eine direkt aufeinanderfolgende Kombination eines ALD Prozesses mit einem PECVD Prozess innerhalb einer einzelnen Prozesskammer während eine Vielzahl von Halbleitersubstraten in dem
Waferboot aufgenommen ist und gleichzeitig beschichtet wird. Dies ermöglicht einen hohen Durchsatz bei geringem Gasverbrauch. Insbesondere ergibt sich auch ein gutes Verhältnis zwischen der zu beschichtenden Oberfläche der Halbleitersubstrate und der den nicht zu beschichtenden Oberflächen der Prozesskammer (Prozesskammerwand) selbst sowie sonstigen nicht zu beschichtenden Oberflächen innerhalb der Prozesskammer (am Waferboot an Gaszuleitungen etc). Durch die beschriebenen Prozessfolge ergibt sich ein Halbleitersubstrat mit einer darauf abgeschiedenen Schichtstruktur bestehend aus einer Grundschicht, die im ALD-Verfahren hergestellt ist und einer darauf aufgebrachten Schicht mit im Wesentlichen gleicher Zusammensetzung die im PECVD Verfahren ausgebildet ist. Dabei soll„im Wesentlichen dieselbe
Zusammensetzung" eine Abweichung innerhalb des Verhältnisses zwischen den Komponenten nicht aber andere Komponenten beinhalten. Während das ALD-Verfahren zum Beispiel eine genaue Verhältnismäßigkeit (Stöchiometrie) der Komponenten ermöglicht kann es beim CVD-Verfahren zu geringfügigen Abweichungen kommen. Die Grundschicht zeichnet sich durch eine hohe Homogenität innerhalb der Schicht und gute Grenzflächeneigenschaften an der Grenzfläche Substrat-Schicht aus. Durch die homogene Grundschicht wird auch die weitere Schichtbildung im PECVD-Verfahren positiv beeinflusst, sodass diese eine verbesserte Homogenität im Vergleich zu einer direkt im PECVD-Verfahren auf das Halbleitersubstrat aufgebrachte Schicht aufweisen kann. Insbesondere kann eine Inselbildung wie sie häufig im PPECVD
Verfahren auftritt verhindert werden, da die Grundschicht als Seedlayer oder Keimschicht für die weitere Abscheidung dienen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Waferbootes zur Aufnahme von Halbleitersubstraten;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das Waferboot gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Plasma-Behandlungsvorrichtung mit darin aufgenommen Waferboot gemäß Fig. 1 ;
Fig. 4 eine Schematische Frontansicht einer Prozesskammer der Plasma- Behandlungsvorrichtung gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf einen Teil einer Gaszuführung der Prozesskammer gemäß Fig. 4.
In der Beschreibung verwendete Begriffe wie oben, unten, links und rechts beziehen sich auf die Darstellung in den Zeichnungen und sind nicht einschränkend zu sehen. Sie können aber bevorzugte Ausführungen beschreiben. Die Formulierung im Wesentlichen bezogen auf parallel, senkrecht oder Winkelangaben soll Abweichungen von ± 3° umfassen, vorzugsweise ± 2°. Im Nachfolgenden wird der Begriff Wafer für scheibenförmige Substrate verwendet, die bevorzugt Halbleiterwafer insbesondere Si- Wafer für Halbleiter- oder Photovoltaikanwendungen sind, wobei aber auch Substrate anderer Materialien vorgesehen und prozessiert werden können.
Im Nachfolgenden wird ein beispielhafter Aufbau eines Waferbootes 1 für den Einsatz in einem Verfahren zum Ausbilden einer Schicht auf
Halbleitersubstraten (nachfolgend auch als Wafer bezeichnet) gemäß der vorliegenden Offenbarung anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. In den Figuren werden dieselben Bezugszeichen verwendet, sofern dieselben oder ähnliche Elemente beschrieben werden. Das Waferboot 1 wird durch eine Vielzahl von Platten 6, Kontaktierungs- einheiten und Spanneinheiten gebildet. Das dargestellte Waferboot 1 ist speziell für eine durch Plasma unterstützte Schichtabscheidung konzipiert, kann aber auch in einer thermischen Abscheidung eingesetzt werden. Die Platten 6 bestehen jeweils aus einem elektrisch leitenden Material, und sind insbesondere als Graphitplatten ausgebildet, wobei je nach Prozess eine Beschichtung oder Oberflächenbehandlung des Platten-Grundmaterials vorgesehen sein kann. Die Platten 6 besitzen jeweils sechs Aussparungen 10, die im Prozess von den Wafern abgedeckt sind, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Obwohl bei der dargestellten Form sechs Aussparrungen pro Platte 6 vorgesehen sind, sei bemerkt, dass auch eine größere oder kleinere Anzahl vorgesehen sein kann. Die Platten 6 besitzen jeweils parallele Ober- und Unterkanten, wobei in der Oberkante beispielsweise eine Vielzahl von Kerben ausgebildet sein kann, um einer Lageerkennung der Platten zu ermög- liehen, wie in der DE 10 2010 025 483 beschrieben ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind insgesamt dreiundzwanzig Platten 6 vorgesehen, die über die entsprechende Kontaktiereinheiten und Spanneinheiten im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, um dazwischen Aufnahmeschlitze 11 zu bilden. Bei dreiundzwanzig Platten 6 werden somit zweiundzwanzig der Aufnahmeschlitze 1 1 gebildet. In der Praxis werden jedoch auch häufig 19 oder 21 Platten verwendet, und die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Platten beschränkt. Die Platten 6 weisen wenigstens jeweils auf ihrer zu einer benachbarten Platte 6 weisenden Seite Gruppen von jeweils Aufnahmeelementen 12 auf, die so angeordnet sind, dass sie einen Wafer dazwischen aufnehmen können. Die Gruppen der Aufnahmeelemente 12 sind jeweils um eine jede Aussparungen 10 herum angeordnet, wie schematisch in Fig. 1 angedeutet ist. Die Wafer können derart aufgenommen werden, dass die Aufnahmeelemente jeweils unterschiedliche Seitenkanten des Wafers kontaktieren. Dabei sind in
Längsrichtung der Plattenelemente (entsprechend den Ausnehmungen 10) insgesamt jeweils sechs Gruppen von Aufnahmeelementen zum jeweiligen Aufnehmen eines Halbleiterwafers vorgesehen.
An ihren Enden weisen die Platten 6 jeweils eine vorstehende Kontaktnase 13 auf, die für eine elektrische Kontaktierung der Platten 6 dient. Dabei sind zwei Ausführungsformen von Platten 6 vorgesehen, die sich hinsichtlich der Lage der Kontaktnasen 13 unterscheiden und jeweils abwechselnd angeordnet sind. Die Platten gleicher Bauart sind jeweils über Kontaktblöcke 15 elektrisch leitend miteinander verbunden. Somit sind die Platten 6, die in der Reihenfolge einen ungerade Platz einnehmen (Platten 1 , 3, 5... ) gemeinsam als Gruppe elektrisch verbunden. Die Platten 6, die in der Reihenfolge einen gerade Platz einnehmen (Platten 2, 4, 6... ) sind gleichsam gemeinsam als Gruppe elektrisch verbunden Diese Anordnung ermöglicht, dass direkt benachbarte Platten 6 mit unterschiedlichem Potential beaufschlagt werden können, während jede zweite Platte mit demselben Potential beaufschlagt werden kann. Hierdurch kann dann zwischen benachbarten an den Platten aufgenommenen Wafern ein Plasma erzeugt werden.
Für weitere Einzelheiten des Aufbaus sei beispielsweise auf die schon oben genannte DE 10 2010 025 483 oder die DE 10 2015 004 352 hingewiesen, die bezüglich beispielhafter Aufbauten des Waferbootes hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Im Nachfolgenden wird nun der Grundaufbau einer Plasma-Behandlungsvorrichtung 30, in der ein Waferboot 1 des obigen Typs (aber auch ein anderes Waferboot, dass die Erzeugung eines Plasmas zwischen benachbarten Wafern erlaubt) einsetzbar ist, anhand der Figuren 3 und 4 näher erläutert. Die Behandlungsvorrichtung 30 besteht aus einem Prozesskammerteil 32 und einem Steuerteil 34. Der Prozesskammerteil 32 besteht aus einem einseitig verschlossenen Rohrelement 36, dass im inneren eine Prozesskammer 38 bildet. Das offene Ende des Rohrelements 36 dient zur Beladung der
Prozesskammer 38 und es kann über einen nicht dargestellten Schließmechanismus verschlossen und hermetische abgedichtet werden, wie es in der Technik bekannt ist. Das Rohrelement besteht aus einem geeigneten Material, das in den Prozess keine Verunreinigungen einbringt, elektrisch isoliert ist und den Prozessbedingungen hinsichtlich Temperatur und Druck (Vakuum) standhält, wie zum Beispiel Quarz. Das Rohrelement 36 weist an seinem geschlossenen Ende gasdichte Durchführungen für die Zu- und Ableitung von Gasen sowie Strom auf, die in bekannter Weise ausgebildet sein können.
Entsprechende Zu- und Ableitungen könnten aber auch am anderen Ende oder aber auch seitlich an einem geeigneten Ort zwischen den Enden vorgesehen sein.
Das Rohrelement 36 ist von einer Ummantelung 40 umgeben, die das
Rohrelement 38 thermisch gegenüber der Umgebung isoliert. Zwischen der Ummantelung 40 und dem Rohrelement 36 ist eine nicht näher dargestellte Heizeinrichtung vorgesehen, wie beispielsweise ein Widerstandsheizer, der geeignet ist das Rohrelement 36 aufzuheizen. Eine solche Heizeinrichtung kann aber zum Beispiel auch im Inneren des Rohrelements 36 vorgesehen sein oder das Rohrelement 36 selbst könnte als Heizeinrichtung ausgebildet sein.
Derzeitig wird aber eine außen liegende Heizeinrichtung bevorzugt und insbesondere eine solche, die verschiedene, individuell ansteuerbare
Heizkreise aufweist.
Im inneren des Rohrelements 36 sind nicht näher dargestellte Aufnahmeelemente vorgesehen, die eine Aufnahmeebene zur Aufnahme eines Wafer- bootes 1 (das in Fig. 4 nur teilweise gezeigt ist), das beispielsweise des obigen Typs sein kann, bilden. Das Waferboot kann aber auch derart in das
Rohrelement 36 eingesetzt werden, dass es auf der Wand des Rohrelements 36 aufsteht. Dabei wird das Waferboot im Wesentlichen oberhalb der Aufnah- meebene gehalten und ist ungefähr mittig im Rohrelement angeordnet, wie beispielsweise in der Frontansicht der Fig. 4 zu erkennen ist. Durch entsprechende Aufnahmeelemente und oder ein direktes Aufsetzen auf das Rohrelement wird somit in Kombination mit den Abmessungen des Waferbootes ein
Aufnahmeraum definiert, in dem sich ein ordnungsgemäß eingesetztes
Waferboot befindet. Das Waferboot kann über einen geeigneten nicht dargestellten Handhabungsmechanismus als Ganzes im beladenen Zustand in die Prozesskammer 38 hinein und aus dieser heraus gehandelt werden. Dabei wird bei einer Beladung des Waferbootes automatisch ein geeigneter
elektrischer Kontakt mit jeder der Gruppen von Platten 6 hergestellt.
Im Inneren des Rohrelements 36 sind ferner wenigstens ein unteres
Gasführungsrohr 44 und ein oberes Gasführungsrohr 46 vorgesehen, die aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Quarz bestehen. Die
Gasführungsrohre 44, 46 erstrecken sich in Längsrichtung des Rohrelements 36 und zwar wenigstens über die Länge des Waferbootes 1. Die
Gasführungsrohre 44, 46 besitzen jeweils einen runden Querschnitt und sind jeweils in Querrichtung ungefähr mittig unter bzw. oberhalb des Waferbootes 1 angeordnet. Die Gasführungsrohre 44, 46 stehen an Ihrem näher zum
geschlossenen Ende des Rohrelements 36 liegenden Ende mit wenigstens einer Gaszuführeinheit bzw. einer Gasabführeinheit in Verbindung, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Das jeweils entgegengesetzte Ende der Gasführungsrohre 44, 46 ist verschlossen. Es ist aber grundsätzlich auch eine kurze Gasführung denkbar, bei der zum Beispiel nur an einem Ende des Rohrelements Gas eingelassen wird und sich über Diffusion verteilt und/oder über eine Vakuumanschluss (bevorzugt am Gegenüberliegenden Ende des Rohrelements 36) gepumpt wird.
Das untere Gasführungsrohr 44 besitzt eine Vielzahl von Öffnungen 48, durch die Gas aus dem Gasführungsrohr austreten kann. Die Öffnungen befinden sich alle in einer oberen Hälfte des Gasführungsrohrs, sodass ein hieraus
austretendes Gas eine nach oben gerichtete Komponente aufweist. Das untere Gasführungsrohr 44 dient somit als Gasverteiler (showerhead) in der Prozesskammer 38. Das untere Gasführungsrohr 44 sollte einen großen Querschnitt mit einer entsprechenden Vielzahl von Öffnungen aufweisen um einen geringen Druckverlust in der Verteilung von bevorzugt max. 10 mBar zu ermöglichen.
Das obere Gasführungsrohr 46 besitzt einen ähnlichen Aufbau mit Öffnungen, wobei hier die Öffnungen in der unteren Hälfte ausgebildet sind. Im Wesentlichen können die Gasführungsrohre 44, 46 identisch, jedoch in einer jeweils anderen Orientierung angeordnet sein, sodass die Öffnungen jeweils zum Waferboot 1 zeigen. Somit weisen sowohl die Öffnungen im unteren Gasführungsrohr 44 als auch im oberen Gasführungsrohr 46 zu dem Aufnahmeraum, d.h. dem Bereich in dem ein ordnungsgemäß eingesetztes Waferboot angeordnet wird.
Über solche Gasführungsrohre 44, 46 kann eine gute homogene Gasverteilung innerhalb der Prozesskammer erreicht werden, insbesondere auch in den Aufnahmeschlitzen 1 1 des Waferbootes. Auch ist ein rascher Gasaustausch möglich. Hierzu wird beispielsweise bevorzugt das untere Gasführungsrohr mit Gas beaufschlagt, während entsprechend über das oberer Gasführungsrohr 46 Gas abgesaugt wird. Das untere Gasführungsrohr 44 sorgt für eine gute Verteilung von Gas unterhalb des Waferbootes, und die Absaugung am oberen Gasführungsrohr 46 sorgt dafür, dass das Gas zwischen den Platten 6 des Waferbootes 1 nach oben transportiert wird.
Um diesen Effekt zu verstärken, d.h. den Gasstrom insbesondere zwischen die Platten 6 des Waferbootes zu lenken, sind im Prozessraum zwei optionale, bewegliche Umlenkelemente 50 vorgesehen. Bei der Darstellung sind jeweils ein unteres und ein oberes im Schnitt rundes Gasführungsrohr vorgesehen. Es ist aber auch möglich unterschiedliche Anzahlen von Gasführungsrohren vorzusehen, insbesondere zwei untere Gasführungsrohre, über die zum Beispiel sequentiell unterschiedliche Gase zugeleitet werden können, oder aber auch gleichzeitig, sodass sie sich erst in der Prozesskammer vermischen. Gemäß einer nicht dargestellten
Ausführungsform sind drei untere Gasführungsrohre sowie ein einzelnes oberes Gaszuführungsrohr vorgesehen, die bezüglich einer vertikalen Mittelebene des Prozessrohrs symmetrisch angeordnet sind. Insbesondere können bei dieser oder einer ähnlichen Anordnung mit mehreren unteren Gasführungsrohren für die Gaszuleitung über die unterschiedlichen Gasführungsrohre sequentiell oder auch gleichzeitig unterschiedliche Gase in die Prozesskammer eingeleitet werden. Durch die symmetrische Anordnung ergibt sich eine gute Verteilung in der Prozesskammer und bei gleichzeitiger Einleitung eine gute Vermischung der Gase.
Nachfolgend wird nun der Steuerteil 34 der Behandlungsvorrichtung 30 näher erläutert. Der Steuerteil 34 weist eine Gassteuereinheit 60, Unterdruck- Steuereinheit 62, eine elektrische Steuereinheit 64 und eine nicht näher dargestellte Temperatursteuereinheit auf, die alle gemeinsam über eine übergeordnete Steuerung, wie beispielsweise einen Prozessor angesteuert werden können. Die Temperatursteuereinheit steht mit der nicht dargestellten Heizeinheit in Verbindung, um primär die Temperatur des Rohrelements 36 bzw. der Prozesskammer 38 zu steuern bzw. zu regeln.
Die Gassteuereinheit 60 steht mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Gasquellen 66, 67, 68, wie beispielweise Gasflaschen, die unterschiedliche Gase enthalten in Verbindung. In der dargestellten Form sind drei Gasquellen dargestellt, wobei natürlich auch eine beliebige andere Anzahl vorgesehen sein kann. Beispielsweise kann eine erste Gasquelle ein erstes Prozessgas vorhalten, das Sauerstoff enthält und wenigstens eines der folgenden aufweist: N2O, eine Mischung aus N20 und NH3) H20, H2O2 und 03. Eine zweite
Gasquelle kann ein zweites Prozessgas vorhalten, wie zum Beispiel TMA oder ein anderes reaktives Gas, das für eine Schichtbildung bevorzugt sowohl in einem ALD-Verfahren als auch eine PECVD Verfahren einsetzbar ist. Eine dritte Gasquelle kann bevorzugt ein Gas für die Abscheidung einer SiON- oder SiNx-Schicht geeignet ist. Die Gasquellen, welche natürlich auch noch andere geeignete Gase enthalten können stellen die Gase an entsprechenden
Eingängen der Gassteuereinheit 60 bereit. Insbesondere kann auch noch eine Gasquelle für Stickstoff oder ein inertes Gas, das als zum Beispiel als Spülgas eingesetzt werden kann vorgesehen sein. Die Gassteuereinheit 60 besitzt wenigstens zwei Ausgänge, wobei einer der Ausgänge mit dem unteren
Gasführungsrohr 44 verbunden ist und der Andere mit einer Pumpe 70 der Unterdruck-Steuereinheit 62. Die Gassteuereinheit 60 kann die Gasquellen in geeigneter Weise mit den Ausgängen verbinden und den Durchfluss von Gas Regeln, wie es in der Technik bekannt ist. Somit kann die Gassteuereinheit 60 insbesondere über das untere Gasführungsrohr 44 (oder die Vielzahl von unteren Gasführungsrohren) sequentiell oder auch gleichzeitig unterschiedliche Gase in die Prozesskammer einleiten.
Die Unterdruck-Steuereinheit 62 besteht im Wesentlichen aus der Pumpe 70 und einem Druck-Regelventil 72. Die Pumpe 70 ist über das Druck-Regelventil 72 mit dem oberen Gasführungsrohr 46 verbunden und kann hierüber die Prozesskammer auf einen vorbestimmten Druck abpumpen. Die Verbindung von der Gassteuereinheit 60 zur Pumpe dient dazu aus der Prozesskammer abgepumptes Prozessgas gegebenenfalls mit N2 zu verdünnen.
Die elektrische Steuereinheit 64 weist wenigstens eine Spannungsquelle auf, die geeignet an einem Ausgang wenigstens eine Niederfrequenzspannung oder eine Hochfrequenzspannung zu erzeugen. Der Ausgang der elektrischen Steuereinheit 64 steht über eine geeignete Leitung mit einer Kontaktiereinheit für das Waferboot in der Prozesskammer 38 in Verbindung, um die Spannung zwischen den Gruppen von Platten 6 anzulegen und dazwischen ein Plasma zu erzeugen, wenn dies gewünscht ist.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Verfahren, zur Schichtabscheidung gemäß der vorliegenden Offenbarung, das zum Beispiel in der obigen Vorrichtung durchgeführt wird näher erläutert. Bei dem Verfahren wird das Waferboot mit Halbleitersubstraten derart beladen, dass die Halbleitersubstrate paarweise einander gegenüberliegend und mit ihren beschichtenden Oberflächen zueinander weisend angeordnet sind. Das Waferboot wird in die
Prozesskammer geladen und so kontaktiert, dass über die elektrische
Steuereinheit 64 zwischen den Halbleitersubstraten jedes Paars eine
Wechselspannung zum Erzeugen eines Plasmas anlegbar ist. Bei dem oben beschriebenen Waferboot würde sich insgesamt 138 Waferpaare ergeben, mithin würden 268 Wafer gleichzeitig Prozessiert. Bevorzugt sollte das
Waferboot so ausgelegt sein, dass wenigstens 200 bevorzugt sogar mehr als 300 Wafer gleichzeitig aufgenommen und prozessiert werden. Die Prozesskammer wird auf eine vorbestimmte Temperatur, die beispielsweise im Temperaturbereich von 260-320°C, insbesondere von 280-300° liegt (bevorzugt auf ungefähr 290°C) erwärmt und auf einen Unterdruck
beispielsweise in einem Bereich von 900-1500mTorr evakuiert. Dabei kann die Kammer optional ein oder mehrmals gespült werden, um eine kontrollierte Ausgangsatmosphäre zu schaffen.
Nun wird ein erstes Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet. Hierbei handelt es sich bevorzugt um ein Sauerstoff enthaltendes Prekursorgas, um eine Abscheidung einer Komponente (hier bevorzugt Sauerstoff) des ersten Prekursorgases an der Oberfläche des Substrats zu erzeugen, wobei die Abscheidung selbstbegrenzend ist und im Wesentlichen eine einzelne
Atomlage der abgeschiedenen Komponente erzeugt. Als Abscheidung ist wird hier explizit jegliche Anlagerung der Komponente angesehen. Durch die Anlagerung kommt es zu einer Oberflächensättigung mit der Komponente, die einen bestimmten Bindungstyp bevorzugt, der durch die entsprechende Anlagerung verändert wird. Hierdurch ergibt sich in bekannter Weise die Selbstbegrenzung der Abscheidung. Insbesondere können zum Beispiel O" oder OH" Prekursoren auf der Substratoberfläche erzeugt werden. Die
Abscheidung kann durch das Anlegen der Wechselspannung und die Bildung eines Plasmas aus dem ersten Prozessgas beschleunigt werden, bzw. kann das Plasma eine vollständige Oberflächensättigung bzw. ein vollständiges abreagieren des ersten Prozessgases fördern. Im Anschluss kann die Prozesskammer gespült werden, um das erste
Prozessgas vollständig zu entfernen, sofern es nicht schon im Wesentlichen vollständig oder ausreichend abreagiert hat. Anschließend wird ein zweites Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet, welches geeignet ist mit der abgeschiedenen Komponente, wie zum Beispiel den O" oder OH" Prekursoren auf der Substratoberfläche zu reagieren, um eine Abscheidung aus dem zweiten Prozessgas zu bewirken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich beim zweiten Prozessgas um TMA als Prekursorgas für eine AI Abscheidung, Insbesondere kann hierbei eine Lage AI2O3 erzeugt werden. Auch dieser Vorgang ist selbstlimitierend da für die Anlagerung von AI ein bestimmter Bindungstyp bevorzugt wird, der durch die Anlagerung selbst verändert wird. Mithin wird eine einzelne Atomlage abgeschieden.
Im Anschluss kann die Prozesskammer wieder optional gespült werden, um nunmehr das zweite Prozessgas zu entfernen, sofern es nicht schon im
Wesentlichen vollständig abreagiert hat. Dann wird wieder das erste
Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet und der obige Zyklus wiederholt. Der Zyklus aus Einleitung erstes dann zweites Prozessgas, optional mit
Anlegen eines Plasmas und Zwischenspülung wird mehrfach wiederholt, um eine gewünschte Schichtdicke zu erreichen. Dabei sollten bevorzugt weniger als 100 Zyklen, insbesondere weniger als wird 50 Zyklen und insbesondere weniger als 10 Zyklen durchgeführt werden, um eine gleichmäßige und homogene Grundschicht zu erhalten. Für die Grundschicht kann zum Beispiel eine Schichtdicke von wenigstens 1 nm, bevorzugt von wenigstens 1 .5 nm angestrebt werden. Im direkten Anschluss kann dann ohne das Vakuum zu brechen ein drittes Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet und aus diesem ein Plasma erzeugt werden, um eine weitere Abscheidung auf der Grundschicht zu erreichen. Insbesondere kann die Zeitdauer zwischen dem Ende der zyklischen Behandlung zur Erzeugung der Grundschicht und der Einleitung des dritten Prozessgases auf unter 10 Sekunden bevorzugt auf unter 1 Sekunde begrenzt werden. Das dritte Prozessgas ist eine Mischung aus zwei unterschiedlichen Prekursorgasen, und kann insbesondere eine Mischung der beiden ersten Prozessgase sein, wobei die hieraus abgeschieden Schicht im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie die Grundschicht besitzt. Diese Abscheidung wird beibehalten, bis eine gewünschte Gesamtdicke der Schicht erreicht wird. Insbesondere kann durch die Abscheidung aus dem dritten Prozessgas eine Schichtdicke von wenigstens 2,5 nm, insbesondere von wenigstens 4,5 nm auf der Grundschicht angestrebt werden.
Die unterschiedlichen Prekursorgase können bei einer Ausführungsform getrennt in die Prozesskammer eingeleitet und erst in dieser vermischt werden. Je nach Anwendung ist es aber auch möglich diese schon vermischt
einzuleiten. Bevorzugt kann die Temperatur und der Druck in der
Prozesskammer während und zwischen den obigen Schritten im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das erste Prozessgas wenigstens eines der folgenden auf: N20, eine Mischung aus N20 und NH3, H20, H202 und 03 während als zweites Prozessgas zum Beispiel Trimethylaluminium verwendet wird, um auf der Substratoberfläche eine Al203-Schicht zu bilden.
Auf die so gebildete Schicht kann eine Deckschicht optional zusätzlich eine SiON und/oder SiNx Schicht aufgebracht werden, indem zum Beispiel im Anschluss die Temperatur in der Prozesskammer erhöht und ein weiteres Prekursorgas in die Prozesskammer eingeleitet wird, das eine entsprechende Schichtabscheidung mit oder ohne Einsatz eines Plasmas bewirkt. Die oben beschriebene Vorrichtung ist für die Durchführung einer solchen Prozessfolge geeignet, doch können auch andere Vorrichtungen für die
Prozessfolge eingesetzt werden. Durch die beschriebenen Prozessfolge ergibt sich ein Halbleitersubstrat mit einer darauf abgeschiedenen Schichtstruktur bestehend aus einer Grundschicht, die im ALD-Verfahren hergestellt ist und einer darauf aufgebrachten Schicht mit im Wesentlichen gleicher
Zusammensetzung die im PECVD Verfahren ausgebildet ist. Die Grundschicht zeichnet sich durch eine hohe Homogenität innerhalb der Schicht und einer homogenen Grenzfläche Substrat-Schicht aus. Durch die homogene Grundschicht wird auch die weitere Schichtbildung im PECVD-Verfahren positiv beeinflusst, sodass diese eine verbesserte Homogenität im Vergleich zu einer direkt im PECVD-Verfahren auf das Halbleitersubstrat aufgebrachte Schicht aufweisen kann. Insbesondere kann eine Inselbildung wie sie häufig im PPECVD Verfahren auftritt verhindert werden, da die Grundschicht als
Seedlayer oder Keimschicht für die weitere Abscheidung dienen kann.
Bei der Verwendung von H20 als erstes Prozessgas liegt dieses bei der
Prozessierung in Dampfform vor, wobei das H20 flüssig beispielsweise mittels einer Mikrodosierpumpe einem Verdampfer (nahe der Prozesskammer) zugeführt und anschließend gasförmig in die Prozesskammer eingeleitet werden kann. Es ist auch möglich H20 flüssig in die Prozesskammer einzuleiten und erst in der Prozesskammer oder einem in der Prozesskammer liegenden Gasverteiler zu verdampfen. Eine alternative H20 Dosierung könnte gasförmig mittels temperiertem, vakuumfähigen Wasserbehälter und einem Niederdruck- Mass-Flow Controller erfolgen. Als H2O Prozessgasmenge werden 1-7 slm entsprechend 0.8-12 g/min in Betracht gezogen. Die Einleitung der
Prozessgase kann kontinuierlich oder gepulst erfolgen. Bei gepulster Einleitung sollte im zeitlichen Mittel über alle Pulse die gleiche Gasmenge erreicht werden wie bei kontinuierlicher Einleitung. Die gepulste Einleitung mindestens eines
Prozessgases kann in sehr kurzen Pulsen (< 100 ms) erfolgen, wobei auch eine Kombination aus gepulster Einleitung mindestens eines Prozessgases während kontinuierlicher Einleitung mindestens eines weiteren Prozessgases angedacht. Bei einer gepulsten Einleitung mindestens eines Prozessgases kann diese gegebenenfalls mit einer gepulsten Einleitung elektrischer Leistung für eine Plasmaerzeugung zeitlich koordiniert werden. Dadurch können gegebenenfalls Spül- oder Wartezyklen zur Entfernung von Prozessgaskomponenten welche bevorzugt nicht durch Plasma aktiviert werden dürfen vermieden oder wenigsten verkürzt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Ausbilden einer Schicht auf einer Vielzahl von Halbleitersubstraten, wobei die Halbleitersubstrate in einem Waferboot derart aufgenom- men sind, dass die Halbleitersubstrate paarweise einander gegenüberliegend und mit ihren zu beschichtenden Oberflächen zueinander weisend angeordnet sind und zwischen den Halbleitersubstraten jedes Paars eine
Wechselspannung zum Erzeugen eines Plasmas zwischen den Wafern eines Paars anlegbar ist, und wobei das Waferboot mit der Vielzahl von
Halbleitersubstraten in einer Prozesskammer aufgenommen ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a. Erwärmen der Prozesskammer auf eine vorbestimmte Temperatur und Erzeugen eines vorbestimmten Unterdrucks in der Prozesskammer;
b. Einleiten eines ersten Prekursorgases in die Prozesskammer bei der vorbestimmten Temperatur, um eine Abscheidung einer Komponente des ersten Prekursorgases an der Oberfläche des Substrats zu erzeugen, wobei die Abscheidung selbstbegrenzend ist und im Wesentlichen eine einzelne
Atomlage der abgeschiedenen Komponente erzeugt;
c. Einleiten eines zweiten Prekursorgases in die Prozesskammer bei der vorbestimmten Temperatur, um eine Reaktion mit der im Schritt b.
abgeschiedenen Komponenten zu bewirken und dadurch eine Abscheidung einer Komponente des zweiten Prekursorgases an der Oberfläche des
Substrats zu erzeugen, wobei die Reaktion und somit Abscheidung
selbstbegrenzend ist und eine Atomlage der abgeschiedenen Komponente erzeugt;
d. Wiederholen des Zyklus der Schritte b. und c. bis eine erste Schicht mit einer vorbestimmten Schichtdicke oder ein vorbestimmte Anzahl von Zyklen erreicht ist; und
e. Einleiten von wenigstens zwei unterschiedlichen Prekursorgasen in die Prozesskammer und Erzeugen eines Plasmas aus der Mischung zwischen den benachbarten Halbleitersubstraten eines jeden Paars, um eine zweite Schicht auf der ersten Schicht abzuscheiden, wobei die zweite Schicht im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie die erste Schicht aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Temperatur und der Druck in der Prozesskammer während und zwischen den Schritten b. bis e. im Wesentlichen konstant gehalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur ein einem Temperaturbereich von 260-320°C, insbesondere von 280-300° und bevorzugt bei ungefähr 290°C und der Druck in einem Bereich von 900-1500mTorr gehalten werden
4. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste
Prekursorgas ein Sauerstoff enthaltendes Prekursorgas ist, um O" oder OH" Prekursoren auf der Substratoberfläche zu erzeugen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das erste Prekursorgas wenigstens eines der folgenden aufweist: N2O, eine Mischung aus N2O und NH3, H2O, H2O2 und O3.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei im Schritt c. Trimethylaluminium als Prekursorgas verwendet wird, um gemeinsam mit den O" oder OH"
Prekursoren auf der Substratoberfläche eine AI2O3 Schicht zu bilden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte b. und c. vor dem Schritt d weniger als 100-mal, insbesondere weniger als 50- mal und insbesondere weniger als 10-mal wiederholt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte b. und c. solange wiederholt werden, bis die erste Schicht eine Schichtdicke von wenigstens 1 nm, bevorzugt von wenigstens 1.5 nm erreicht ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt e. für eine Zeitdauer durchgeführt wird, um eine Schichtdicke der zweiten Schicht von wenigstens 2,5 nm, insbesondere von wenigstens 4,5 nm zu erzeugen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Temperatur nach dem Schritt e. erhöht und ein weiteres Prekursorgas in die Prozesskammer eingeleitet wird, das die Abscheidung einer Deckschicht insbesondere eine SiON und/oder SiNx Schicht ermöglicht.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt b. zwischen den benachbarten Halbleitersubstraten eines jeden Paars ein Plasma aus dem ersten Prekursorgas gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach wenigstens einem der Schritte b. und c. die Prozesskammer gespült wird, um das jeweilige Prekursorgas wenigstens teilweise aus der Prozesskammer zu entfernen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens 100, bevorzugt wenigstens 150 Paar aus Halbleitersubstraten in der
Prozesskammer aufgenommen sind.
14. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Folgendes aufweist:
eine Prozesskammer mit wenigstens einer Zuleitung die mit wenigstens einer Gaszumesseinheit in Verbindung steht und wenigstens einer
Evakuierungsleitung die mit einer ; Evakuierungseinheit in Verbindung steht; ein Waferboot zum Halten einer Vielzahl von Halbleitersubstraten derart, dass die Halbleitersubstrate paarweise einander gegenüberliegend und mit ihren zu beschichtenden Oberflächen zueinander weisend angeordnet sind und zwischen den Halbleitersubstraten jedes Paars eine Wechselspannung zum Erzeugen eines Plasmas zwischen den Wafern eines Paars anlegbar ist; und eine Steuereinheit zum Ansteuern der Komponenten zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Halbleitersubstrat mit einer darauf abgeschiedenen Schichtstruktur, wobei ein erster Teil der Schichtstruktur dieselbe Zusammensetzung besitzt wie ein zweiter Teil der Schichtstruktur und der erste Teil der Schichtstruktur mittels Atomlagenabscheidung auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wurde und der zweite Teil der Schichtstruktur mittels plasmaunterstützter chemischer
Gasphasenabscheidung auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wurde.
16. Halbleitersubstrat nach Anspruch 15, wobei das Halbleitersubstrat mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt wurde.
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