Entwicklung eines Basisprozesses zur plasmaunterstützten Nitridierung dünner Gateoxidschichten an einem Mini-Batch Vertikalofen
Diplomarbeit
Bearbeitungsstatus:
abgeschlossen
Bearbeiter:
Matthias Wolf
Betreuer:
- Prof. Dr.-Ing. Heiner Ryssel
- Roeder, Georg (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-112, E-Mail: georg.roeder@iisb.fraunhofer.de)
- Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108, E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Abschlussjahr:
2008
Beschreibung
Im Zuge der fortschreitenden Skalierung der Strukturen in der Halbleitertechnologie werden auch die Schichtdicken der Gateoxide immer weiter reduziert, um hohe Stromdichten im Kanal der Feldeffekttransistoren gewährleisten zu können. Für zukünftige Technologiegenerationen und Dicken unterhalb von 3 nm ist thermisches Siliciumdioxid aufgrund hoher Tunnelströme und einer erheblichen Bordiffsion aus der Gateelektrode nicht mehr als Gateoxid einsetzbar. Es werden andere Materialien benötigt, die bei vergleichbaren Eigenschaften zu thermischem Oxid höhere relative Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Hierdurch können bei unveränderter Kapazität zwischen Gate und Kanalregion durch eine Erhöhung der physikalischen Schichtdicke geringere Leckströme erreicht werden. Vielversprechende Gatematerialien hierfür sind Oxinitride, die durch den Einbau von Stickstoffatomen in thermische Oxidschichten mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren erzeugt werden können.
Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung eines Prozesses zur plasmaunterstützen Nitridierung dünner thermischer Siliciumdioxidschichten in dem Prototyp eines Mini-Batch Vertikalofens. Neben dem Aufbau als Mini-Batch, der im Vergleich zu den momentan im Einsatz stehenden Einzelscheibenplasmareaktoren bei optimalen Prozessparametern einen gesteigerten Durchsatz verspricht, ist in diesem Gerät ein neuartiges Anlagenkonzept verwirklicht. Es stehen hier erstmals zwei unterschiedliche Verfahren zur Plasmaerzeugung zur Verfügung. Mit einem Niederfrequenzgenerator, der zur Reduzierung plasmainduzierten Strahlenschäden gepulst betrieben werden kann, kann Leistung über Elektroden kapazitiv in das Prozessgas eingekoppelt und so oberhalb der einzelnen Siliciumscheiben ein direktes Niederfrequenzplasma gezündet werden. Zusätzlich befindet sich ein Mikrowellengenerator zur weiteren Plasmaerzeugung auf der Oberseite des Reaktors, der das Einströmen von angeregten Teilchen ermöglicht.
Ziel der Untersuchungen war es, die Einflüsse von verschiedenen Prozessparametern auf das Nitridierungsergebniss zu analysieren und den Prozess hinsichtlich des Stickstoffgehalts der erzeugten Oxinitridschichten und hinsichtlich der Plasmahomogenität innerhalb des Reaktors zu optimieren. Hierfür kamen Siliciumscheiben mit einer 5 nm und 100 nm dicken thermischen Siliciumdioxidschicht zum Einsatz. Erste Versuche wurden unter der Verwendung von Stickstoff als Prozessgas durchgeführt, wobei nach der plasmaunterstützten Nitridierung der Proben im Mini-Batch Vertikalofen unterschiedliche Messverfahren zum Einsatz kamen, um die Schichteigenschaften der hergestellten Oxinitride zu charakterisieren. Eine Charakterisierung der physikalischen Schichteigenschaften mittels Spekralellipsometrie und röntgenstahlinduzierter Photonenspektroskopie fand ebenso statt wie die elektrische Charakterisierung mittels Kapazitäts-Spannungs- und Strom-Spannungs-Messungen von in einem weiteren Prozessschritt hergestellten MOS-Strukturen. Anhand der Ergebnisse aus diesen Messverfahren wurde der Einfluss des Niederfrequenzplasmas und auch des Mikrowellenplasmas auf das Nitridierungsergebnis analysiert. Für die Untersuchung der Plasmahomogenität innerhalb des Reaktors wurde neben einem Vergleich der Schichteigenschaften von nitridierten Proben, die an unterschiedlichen Positionen im Reaktor prozessiert wurden, auch die optische Emissionsspektroskopie eingesetzt. Diese erlaubte in situ Messungen bzw. eine Plasmaanalyse während der Nitridierungsprozesse und half so bei der Optimierung. Mit den Vorkenntnissen aus diesen Versuchen fanden weiterführende Untersuchungen unter der Verwendung von Ammoniak als Prozessgas statt. Auch hier wurden die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der hergestellten Oxinitride charakterisiert bzw. die Einflüsse der verschiedenen Prozessparameter analysiert und somit der Nitridierungsprozess weiter optimiert.