用来在半导体基材上形成膜层的方法与装置及半导体基材与流程

本发明涉及用来在半导体基材上形成膜层的一种方法及一种装置以及一种半导体基材。

制造电子或光电子半导体元件(如太阳电池或led)时，使用不同的沉积工艺来在半导体基材上形成不同的膜层。

一种现有沉积工艺为原子层沉积，亦称ald(atomiclayerdeposition)。所述工艺是通过冲洗步骤将两个不同的前驱体交替且分开地导入处理室并导引在待涂布的半导体基材上。从而通常产生以下四个特有步骤：用基材/在基材上实施第一前驱体的自限制反应/沉积；处理室的冲洗或抽真空步骤，以便将所述第一前驱体的未反应气体及更多反应产物自处理室移除；用基材/在基材上实施第二前驱体的自限制反应/沉积，从而形成待制成的膜层的单层以及重新实施处理室的冲洗或抽真空步骤；以便将所述第二前驱体的未反应气体及更多反应产物自处理室移除。

由此便能产生待形成的膜层的具有较高均匀度及良好界面特性的各原子层。这些原子层通常不足以制成期望的膜层特性，因而会以上述方式施覆多个单层，其中通常情况下会实施100次乃至更多的循环。构建这些单层费时费料，因为在冲洗或抽真空步骤中抽吸的前驱体通常无法得到回收利用。众所周知，部分或所有自限制反应/沉积需要通过热力或等离子体来辅助。

另一现有沉积工艺为等离子体辅助化学气相沉积，亦称pecvd(plasmaenhancedchemicalvapordeposition)，其中，例如自不同前驱体的混合物制成等离子体，以便以所述离子体为出发点来实施各前驱体的不同成分的同时沉积并由此来形成共同的膜层。采用此种pecvd便能实现具有与ald大体相同组成的膜层。自含有两个前驱体的等离子体出发大体连续地进行沉积，而不必在其间采用冲洗或抽真空步骤，如此便能大幅提高生长率。但采用上述方式形成的膜层的均匀度达不到通过ald所制成的相应膜层的程度。特别是基材-膜层间的界面质量不佳。为产生期望的膜层特性，通常需要使得层厚大于通过ald所制成的相应膜层。因此，pecvd膜层的厚度是相应ald膜层的1.5至3倍。尽管层厚较大，pecvd膜层的构建速度通常快得多，费料亦少得多。

此种膜层的另一具体实例为al2o3钝化层。用ald法制成的al2o3钝化层的常见厚度范围例如为5nm，而用pecvd制成的al2o3钝化层的厚度范围例如为至少8至10nm。应用于不同沉积法的装置通常截然不同。特别是将某些单个工艺应用于等离子体辅助ald设备，在这些单个工艺中在亦用作进气管的电极与单独一个基材之间产生等离子体。而通常将分批工艺应用于pecvd设备，在这些分批工艺中例如在相邻的基材之间产生等离子体。例如在de102015004352中描述过此种pecvd设备。

本发明的目的在于提供用来在半导体基材上形成膜层的一种方法及一种装置以及一种具有特殊膜层结构的半导体基材，它们至少部分地避免先前技术的缺点。

本发明用以达成上述目的的解决方案在于如权利要求1所述的一种方法、如权利要求14所述的一种装置及如权利要求15所述的一种具有特殊膜层结构的半导体基材。本发明的更多实施方式参阅附属项。特别是提供一种用来在多个半导体基材上形成膜层的方法，其中这些半导体基材容置在晶片舟中，使得这些半导体基材成对相对且以其待涂布表面相向的方式布置，并且每对半导体基材之间皆可被施加交流电压以在一对晶片之间产生等离子体，其中具有这些多个半导体基材的晶片舟容置在处理室中。本发明具有以下步骤：将所述处理室加热至预设温度并在所述处理室中产生预设负压；在所述预设温度下将第一前驱气体导入所述处理室，以便将所述第一前驱气体的一成分沉积在所述基材的表面上，其中所述沉积是自限制且大体上产生所述沉积成分的单独一个原子层；在所述预设温度下将第二前驱气体导入所述处理室，以便引起与所述第一前驱气体的沉积成分的反应，从而将所述第二前驱气体的一成分沉积在所述基材的表面上，其中所述反应及沉积是自限制且产生所述沉积成分的一原子层。重复由导入所述第一及第二前驱气体所构成的所述循环，直至达到具有预设层厚的第一膜层或者预设数目的循环。随后将至少两个不同的前驱气体导入所述处理室并且在每对相邻半导体基材之间产生由这些前驱气体的混合物构成的等离子体，以便将第二膜层沉积在所述第一膜层上，其中所述第二膜层具有与所述第一膜层大体相同的组成。

通过所述方法便能在单独一个处理室中将ald工艺与pecvd工艺紧密结合，其中将多个半导体基材容置在晶片舟中并同时加以涂布。从而以较少的气体消耗实现较大的产量。特别是能够在半导体基材的需要涂布的表面与处理室的无需涂布的表面(处理室壁)以及处理室内的其他无需涂布的表面(晶片舟上、进气管上等诸如此类)之间，实现较佳比例。通过上述工艺而产生一种在其上沉积有膜层结构的半导体基材，所述膜层结构由通过ald法制成的基本膜层与施覆于其上的膜层构成，所述膜层具有与通过pecvd法所制膜层大体相同的组成。“大体相同的组成”亦将这些成分(但非其他成分)间的一定比例内的偏差包括在内。ald法例如能够实现各成分的精确比例性(化学计量)，而在实施cvd法时可能出现细微偏差。所述基本膜层的特征在于膜层内部的高均匀度以及基材-膜层界面上的良好界面特性。均匀的基本膜层可对通过pecvd法的下一膜层形成产生正面影响，使得与通过pecvd法直接施覆于半导体基材的膜层相比，此种膜层形成具有更高的均匀度。特别是能够防止经常会出现在ppecvd法中的岛形成(islandformation)，因为所述基本膜层可用作针对下一沉积的晶种层或晶种膜层。

下面结合附图对本发明进一步进行详细说明。

图1为用于容置半导体基材的晶片舟的示意性侧视图。

图2为图1所示晶片舟的示意性俯视图。

图3为容置有图1所示晶片舟的等离子体处理装置的示意图。

图4为图3所示等离子体处理装置的处理室的示意性正视图。

图5为图4所示处理室的进气装置的一部分的示意性俯视图。

说明书中所用的上、下、左及右等术语仅针对附图而言，并不构成任何限制。这些术语可描述较佳实施方案。基本上针对平行、垂直或角度信息的表述亦将±3°，较佳±2°的偏差包括在内。下文中的术语晶片是应用于盘形基材，这些基材较佳指半导体晶片，尤指针对半导体或光伏用途的si晶片，但其中亦可设置及处理其他材料的基材。

下面结合图1及图2对应用于用来在本发明的半导体基材(亦称晶片)上形成膜层的方法的晶片舟1的示例性结构进行详细说明。附图中相同或类似的元件用同一元件符号表示。

晶片舟1由多个板件6、接触单元及夹紧单元构成。所示晶片舟1专门针对等离子体辅助膜层沉积而设计，但亦可应用于热沉积。

板件6皆由导电材料构成且特别是构建为石墨板，其中视具体工艺而定地可对板件基本材料进行涂布或表面处理。板件6各具六个凹口10，这些凹口在工艺中被晶片覆盖，下文将对此进一步进行详细说明。所述实施方式中每个板件6设有六个凹口，但亦可能设有大于或小于六个的凹口。板件6具有平行的上缘及下缘，其中在上缘中例如可构建有多个缺口，以便对板件进行方位识别，参阅de102010025483。

所述实施方式中共设有二十三个板件6，这些板件通过相应的接触单元及夹紧单元而大体上彼此平行布置，从而在其间形成容置槽11。但在实践中通常亦使用19个或21个板件，本发明并不限制于某个特定数目的板件。

板件6至少在其朝向相邻板件6的一面上具有容置元件12的若干群组，这些容置元件如此地布置，使其可在其间容置晶片。如图1所示，容置元件12的这些群组分别环绕一凹口10布置。可如此地容置这些晶片，使得这些容置元件分别接触所述晶片的不同侧缘。在板件元件(对应于凹口10)的纵向上设有六组用于容置半导体晶片的容置元件。

板件6在其末端上具有突出的接触凸缘13，其用于板件6的电接触。设有板件6的两个实施方式，其在接触凸缘13的方位方面有所不同且分别交替布置。相同结构的板件分别通过接触块15导电相连。因此，按顺序处于奇数位置的板件6(板件1、3、5…)成组地电连接。同时，按顺序处于偶数位置的板件6(板件2、4、6…)成组地电连接。采用此种布置方案后，便能对紧邻的板件6施加不同的电位，且能对每隔一个板件施加相同的电位。从而在容置在板件上的相邻晶片之间产生等离子体。

所述结构的更多细节参阅前述的de102010025483或de102015004352，所述二案在晶片舟的示例性构造方面作为参照而被纳入本案。

下面结合图3及图4对等离子体处理装置30的基本结构进行详细说明，前述类型的晶片舟1(以及能够在紧邻的晶片之间产生等离子体的另一晶片舟)可应用于所述离子体处理装置。

处理装置30由处理室部分32与控制部分34构成。处理室部分32由构建在处理室38内部的单侧封闭的管元件36构成。管元件36的暴露末端用于装载处理室38并且可按现有方式通过未示出的关闭机构而被封闭及密封。所述管元件由适宜的材料(如石英)构成，所述材料不会将杂质带入工艺、电绝缘且可承受温度及压力(如真空)等工艺条件。管元件36在其封闭末端上具有用于输入及排出气体以及气体流的气密式套管，这些套管可采用现有构建方案。亦可在另一末端上或者侧向地在两端之间的适宜地点上实施输入及排出。

管元件36被护套40包围，所述护套将管元件38与环境热绝缘。护套40与管元件36之间设有未详细示出的加热装置，如电阻加热器，其适于对管元件36进行加热。此种加热装置例如亦可设置在管元件36内部，或者所述管元件36本身可构建为加热装置。但目前外部式加热装置乃较佳的举且尤指具有可个别控制的不同加热回路的加热装置。

在管元件36内部设有未详细示出的容置元件，其构成用于容置晶片舟1(图4仅部分予以示出)的容置平面，所述晶片舟例如可指前述类型的晶片舟。亦可如此地将晶片舟插入管元件36，使其竖立在管元件36的壁部上。如图4的正视图所示，将晶片舟大体保持在容置平面的上方且大致居中布置在管元件中。通过相应的容置元件和/或直接放置在管元件上，从而结合晶片舟的尺寸而定义一用来容纳正常插入的晶片舟的容置腔。所述晶片舟可通过适宜的未示出的操作机构而作为整体在装载状态下被装入处理室38并自处理室被移出。在此情况下，在装载晶片舟时，自动与板件6的群组中的每个建立适宜的电接触。

在管元件36内部还设有由适宜的材料(如石英)构成的至少一下气体导引管44及上气体导引管46。气体导引管44、46沿管元件36的纵向延伸且至少在晶片舟1的长度上延伸。气体导引管44、46皆具圆形横截面且在横向上大致居中地布置在晶片舟1下方及上方。气体导引管44、46在其接近管元件36的封闭末端的末端上与至少一进气单元或排气单元存在连接，下文将对此进一步进行详细说明。气体导引管44、46的相应的相反末端是封闭。原则上亦可采用较短的进气装置，在此情况下，仅在管元件的一端上输入气体且通过扩散进行分布和/或通过(较佳位于管元件36的相对末端上的)真空接头来进行泵送。

下气体导引管44具有多个开口48，以便气体自气体导引管排出。这些开口皆位于气体导引管的上半部中，故排出的气体具有朝上的分量。因此，下气体导引管44用作处理室38中的气体分配器(showerhead)。下气体导引管44应具有包含相应数目的开口的较大横截面，从而在较佳最大10mbar的分布过程中减小压力损失。

上气体导引管46具有包含若干开口的类似结构，其中这些开口在此构建在下半部中。这些气体导引管44、46可大体相同，但以不同的定向布置，使得这些开口皆指向晶片舟1。因此，下气体导引管44中及上气体导引管46中的开口皆朝向容置腔，即用来容纳本发明的晶片舟的区域。

通过这些气体导引管44、46便能在处理室内，特别是在晶片舟的容置槽11中实现均匀程度良好的气体分布。还能实现较快的气体交换。为此，较佳例如对下气体导引管施加气体，而相应地通过上气体导引管46来抽吸气体。下气体导引管44的作用在于在晶片舟下方实现良好的气体分布，在上气体导引管46上进行抽吸的作用在于将晶片舟1的板件6之间的气体朝上输送。

为增强上述效应，即对特别是在晶片舟的板件6之间的气流进行导引，在所述处理室中设有两个可选的可动转向元件50。

附图中分别示出一个横截面呈圆形的下气体导引管及上气体导引管。亦可设有不同数目的气体导引管，特别是两个下气体导引管，其用来例如依次或同时地输入不同气体，而后再在处理室中对这些气体进行混合。根据一种未示出的实施方式，设有三个下气体导引管以及单独一个上气体导引管，这些气体导引管相对处理管的竖向中线面而言对称布置。在上述布置方案中或者在具有多个用于输入气体的下气体导引管的布置方案中，特别是可通过不同的气体导引管依次或同时地将不同气体导入处理室。采用对称布置方案后，便能在处理室中实现良好的气体分布并在同时导入的情况下实现良好的气体混合。

下面对处理装置30的控制部分34进行详细说明。控制部分34具有气体控制单元60、负压控制单元62、电气控制单元64及未详细示出的温度控制单元，上述元件皆可通过一上级控制装置(如处理器)而受到控制。所述温度控制单元与未示出的加热单元存在连接，以便主要是对管元件36或处理室38的温度进行控制或调节。

气体控制单元60与多个不同的包含不同气体的气体源66、67、68，如气瓶，存在连接。在所示实施方式中示出三个气体源，其中当然亦可设有任意其他数目的气体源。举例而言，第一气体源可提供第一工艺气体，其含有氧且具有以下中的至少一个：n2o、由n2o与nh3构成的混合物、h2o、h2o2及o3。第二气体源可提供第二工艺气体，如tma或另一反应气体，所述第二工艺气体可在ald法及pecvd法中较佳用于膜层形成。第三气体源较佳可提供适于沉积sion或sinx膜层的气体。这些气体源当然亦可包含其他适宜气体，这些气体源可将这些气体提供给气体控制单元60的相应输入端。特别是亦可设有用于例如可用作冲洗气体的氮或某种惰性气体的气体源。气体控制单元60具有至少两个输出端，其中这些输出端中的一个与下气体导引管44连接，另一个与负压控制单元62的泵70连接。气体控制单元60可以适宜方式将这些气体源与这些输出端连接在一起并按现有方式调节气体流量。如此，气体控制单元60特别是可通过所述下气体导引管44(或这些多个下气体导引管)依次或同时地将不同气体导入处理室。

负压控制单元62主要由泵70及压力调节阀72构成。泵70通过压力调节阀72与上气体导引管46连接并可将处理室泵出至预设压力。气体控制单元60与所述泵的连接的作用在于：视情况用n2来稀释自处理室泵出的工艺气体。

电气控制单元64具有至少一电压源，其适于在某个输出端上产生至少一低频电压或高频电压。电气控制单元64的所述输出端通过适宜的管路与处理室38中的用于晶片舟的接触单元存在连接，以便视需要在板件6的群组之间施加电压并在期间产生等离子体。

下面对例如在前述装置中实施的用来进行本发明的膜层沉积的较佳方法进行详细说明。在所述方法中，如此地为晶片舟转载半导体基材，使得这些半导体基材成对相对且以其涂布表面相向的方式布置。将晶片舟装入处理室并实施接触，使得通过电气控制单元64，每对半导体基材之间皆可被施加交流电压以产生等离子体。在上述晶片舟中共会产生138个晶片对，因而同时可对268个晶片进行处理。所述晶片舟较佳应适于同时容置至少200个较佳甚至超过300个晶片并进行处理。

将所述处理室加热至例如260至320℃，特别是280至300℃的温度范围内的预设温度(较佳加热至约290℃)，并且抽真空至范围为900至1500mtorr的负压。可选地，可冲洗处理室一或多次，以便提供可控的初始气氛。

在此情况下将第一工艺气体导入所述处理室。所述第一工艺气体较佳指含氧前驱气体，以便将所述第一前驱气体的一成分(此处较佳指氧)沉积在所述基材的表面上，其中所述沉积是自限制且大体上产生所述沉积成分的单独一个原子层。本文中的沉积专指任意的成分附着。通过此种附着而引起所述成分的表面饱和，较佳使用某种通过相应的附着而改变的结合类型。从而按现有方式引起沉积的自限制。特别是例如可在基材表面上产生o^-或oh^-前驱体。可通过施加交流电压并由第一工艺气体产生等离子体来加速所述沉积，或者所述离子体可促进完全表面饱和或第一工艺气体的全部反应完毕。

随后可对所述处理室进行冲洗，以便在所述第一工艺气体并未大体上全部或足够反应完毕的情况下将其全部移除。随后将第二工艺气体导入所述处理室，所述第二工艺气体适于在所述基材表面上与沉积成分(如o^-或oh^-前驱体)发生反应，从而引起所述第二工艺气体的沉积。在一种较佳实施方式中，所述第二工艺气体指的是作为用于al沉积的前驱气体的tma。在此过程中，特别是可产生一层al2o3。此一过程同样是自限制，因为较佳使用某种通过附着的结合类型来附着al。从而沉积单独一个原子层。

可选地，随后可再次对所述处理室进行冲洗，以便在所述第二工艺气体并未大体上全部反应完毕的情况下将其移除。在此情况下，重新将第一工艺气体导入所述处理室并重复上述循环。多次重复由先后导入第一及第二工艺气体、可选地施加等离子体并实施中间冲洗所构成的所述循环，以实现期望层厚。较佳应实施少于100个循环，特别是少于50个循环，尤其是少于10个循环，以获得均匀且均质的基本膜层。例如可致力于获得层厚为至少1nm，较佳至少1.5nm的基本膜层。紧随其后且不中断真空地，可将第三工艺气体导入所述处理室并从中产生等离子体，以便在所述基本膜层上实施下一沉积。特别是可将用于产生基本膜层的周期性处理的结束与导入第三工艺气体之间的时间段限制在10秒以内，优选1秒以内。所述第三工艺气体为由两个不同前驱气体构成的混合物，特别是可为所述二第一工艺气体的混合物，其中由此沉积的膜层具有与基本膜层大体相同的组成。连续实施此种沉积，直至达到所述膜层的期望总厚度。在所述基本膜层上特别是可通过所述第三工艺气体的沉积来实现至少2.5nm，特别是至少4.5nm的层厚。

在一种实施方式中，可将这些不同的前驱气体分开地导入所述处理室，而后再在所述处理室中进行混合。视具体用途亦可在混合后再将这些前驱气体导入。较佳可在上述步骤过程中及其间将所述处理室中的温度及压力保持在大体恒定的程度。

根据一种实施方式，所述第一工艺气体具有以下中的至少一个：n2o、由n2o与nh3构成的混合物、h2o、h2o2及o3，而例如将三甲基铝用作第二工艺气体，以便在所述基材表面上形成al2o3膜层。

可选地，可往通过上述方式形成的膜层上另施覆覆盖膜层，特别是sion和/或sinx膜层，具体方式为：例如在随后提高所述处理室中的温度并将另一前驱气体导入所述处理室，所述前驱气体以使用或不使用等离子体的方式引起相应的膜层沉积。

前述装置适于实施此种工艺，但亦可将其他装置应用于所述工艺。通过前述工艺而产生一种在其上沉积有膜层结构的半导体基材，所述膜层结构由通过ald法制成的基本膜层与施覆于其上的膜层构成，所述膜层具有与通过pecvd法所制膜层大体相同的组成。所述基本膜层的特征在于膜层内部的高均匀度以及均匀的基材-膜层界面。均匀的基本膜层可对通过pecvd法的下一膜层形成产生正面影响，使得与通过pecvd法直接施覆于半导体基材的膜层相比，此种膜层形成具有更高的均匀度。特别是能够防止经常会出现在ppecvd法中的岛形成，因为所述基本膜层可用作针对下一沉积的晶种层或晶种膜层。

将h2o用作第一工艺气体时，所述第一工艺气体在处理过程中呈蒸汽形式，其中例如可通过微型定量泵液态地将h2o输入蒸发器(靠近处理室)再气态地导入处理室。亦可液态地将h2o导入处理室而后再在所述处理室中或位于所述处理室中的气体分配器中将其蒸发。可气态地通过经调温的可真空的水箱及低压质量流量控制器来实施替代的h2o定量。可采用1至7slm即0.8至12g/min的h2o工艺气体量。可连续或脉冲地将工艺气体导入。采用脉冲式导入时，应在所有脉冲的平均时间内实现与连续导入相等的气体量。可在极短的脉冲中(<100ms)脉冲式导入至少一工艺气体，其中亦可将脉冲式导入至少一工艺气体与连续导入至少另一工艺气体相结合。脉冲式导入至少一工艺气体时，视情况可使其在时间上与为产生等离子体而脉冲式导入电功率相匹配。如此便能防止或至少缩短用于移除较佳无法被等离子体活化的工艺气体成分的冲洗或等待循环。