DE10144431A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen dünner epitaktischer Halbleiterschichten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen dünner epitaktischer Halbleiterschichten

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung diffusionshemmender epitaktischer Halbleiterschichten. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und Vorrichtungen vorzuschlagen, mit Hilfe derer dünne diffusionshemmende epitaktische Halbleiterschichten auf großen in der Halbleitertechnik üblichen Halbleitersubstraten bei einem hohen, für die industrielle Fertigung geeigneten Durchsatz für typische HBT-Stapel herstellbar sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zuerst die zu beschichtenden Oberflächen der Halbleitersubstrate gereinigt werden. Anschließend werden die gereinigten Halbleitersubstrate in einem Niederdruck-Batch-Reaktor auf eine erste, gegenüber dem nachfolgenden Verfahrensschritt höhere Temperatur (Prebake-Temperatur) erwärmt und die zu beschichtenden Oberflächen zur Beseitigung von Luftoxid und anderen Verunreinigungen einem Wasserstoff-Prebake bei einem, gegenüber dem nachfolgenden Verfahrensschritt niedrigeren, gleichen oder höheren Reaktordruck unterzogen. Im nachfolgenden Verfahrensschritt werden die derart vorbehandelten Halbleitersubstrate in einem Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor auf eine zweite, gegenüber dem vorangegangenen Verfahrensschritt niedrigere Temperatur (Abscheidetemperatur) erwärmt und nach Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts auf die zu beschichtenden Oberflächen in einem chemischen Gasabscheideverfahren (CVD) bei einem, gegenüber dem vorangegangenen ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen dünner, vorzugsweise diffusionshemmender epitaktischer Halbleiterschichten.
  • Epitaktisch abgeschiedene Halbleiterschichten, vorzugsweise aus SiGe oder Si, mit hohen und scharf begrenzten Dotierungen finden bei der Herstellung von Hochfrequenzbauelementen; wie z. B. 1-Heterobipolartransistoren (HBT) und in CMOS-Schaltungen, zunehmend Anwendung. Bei diesen hochdotierten Schichten besteht das Problem der Ausdiffusion während nachfolgender Prozessschritte mit erhöhten Temperaturen innerhalb der technologischen Abläufe und damit der Degradierung der elektronischen Eigenschaften dieser Schichten. Um diese Diffusionsprozesse zu minimieren, müssen die Temperaturen reduziert und zusätzliche diffusionshemmende Materialien eingesetzt werden.
  • In der WO 98/26457 wird beschrieben, wie durch die Verwendung eines zusätzlichen, elektrisch nicht aktiven Materials, vorzugsweise eines Elementes der 4. Hauptgruppe, insbesondere Kohlenstoff in einer Konzentration von 1018 cm-3 bis 1021 cm-3 die Diffusion von Bor in SiGe signifikant unterdrückt wird. Die Herstellung dieser epitaktischen diffusionshemmenden Schichten, vorzugsweise aus SiGeC oder SiC, geschieht mit Molekularstrahlepitaxie-(MBE) und hauptsächlich mit chemischen Gasphasenabscheide (CVD)- Verfahren. Wie in T. I. Kamins, D. J. Meyer, Appl. Phys. Lett., 59, (1991) 178; W. B. de Boer, D. J. Meyer, Appl. Phys. Lett. 58, (1991) 1286 und B. S. Meyerson, Appl. Phys. Lett. 48, (1986) 797 beschrieben, werden in Verbindung mit CVD-Verfahren Single-Wafer- und Ultra- High-Vacuum (UHV)-Batch-Reaktoren eingesetzt. Bei den Single-Wafer- Reaktoren macht sich nachteilig bemerkbar, dass es sich bei diesen Anlagen nicht um Heißwandreaktoren handelt, d. h. in Single-Wafer-Reaktoren werden die Wafer mittels. Strahlungs- oder Induktionsheizung sehr schnell erwärmt, wobei weder der Wafer noch der Reaktor in ein thermodynamnisches Gleichgewicht gelangt.
  • Wegen der notwendigen kleinen Abscheideraten im Fall der Si-, SiC-, SiGe- und SiGeC-Niedertemperaturepitaxie ist mit Single-Wafer-Reaktoren nur ein geringer Durchsatz zu erzielen. Für typische HBT-Stapel beträgt der Durchsatz beispielsweise ca. 5 Wafer/Stunde. Das ist für einen industriellen Prozess ökonomisch ungünstig.
  • Der einzige bisher bekannt gewordene Batchreaktor ist ein UHV- Heißwandreaktor der im Temperaturbereich von 400°C bis 800°C und typischerweise bei 600°C arbeitet. In diesen Heißwandreaktoren werden die Wafer in kleinen Batches im thermodynamischen Gleichgewicht erhitzt, wodurch zwar eine wesentlich bessere Temperaturhomogenität erreichbar ist, jedoch wirkt sich der mit UHV-Verfahren verbundene hohe Aufwand nachteilig auf den Durchsatz aus. So sind alle peripheren Prozesszeiten (z. B. Pump- und Spülsequenzen, Handling der Scheiben usw.) wesentlich länger als beispielsweise bei üblichen Niederdruck (LPCVD)-Anlagen. Der Durchsatz für typische HBT-Stapel liegt daher bei diesem UHV-Batchreaktor im Bereich der Single-Wafer-Reaktoren, d. h. ca. 5 Wafer/Stunde. Außerdem wirkt sich nachteilig aus, dass wegen des UHV- Systems keine sehr hohen Temperaturen (1000°C und höher) angewendet werden können und so z. B. in dem UHV-Batchreaktor Ätz- und Ausheizprozesse nur bei geringen Temperaturen erfolgen können. Der für UHV-Anlagen erreichte und als notwendig dargestellte geringe H2O/O2 Restgehalt für die Niedertemperaturepitaxie lässt sich durch geeignete Maßnahmen auch für nicht UHV-Anlagen erreichen.
  • Niederdruck(LP)-Batch-Reaktoren fanden bisher keine Anwendung für die Erzeugung diffusionshemmender Halbleiterschichten, insbesondere nicht aus Si- GeC oder SiC. Die Ursache dafür ist einerseits die Tatsache, dass der, von der Fachwelt für die Niedertemperaturepitaxie erforderliche geringe Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt in diesen Anlagen als nicht realisierbar eingeschätzt wurde. Andererseits treten bei der Hochtemperaturepitaxie in den Batch-Reaktoren Verarmungseffekte in der Gasphase auf, die zu ungenügender Homogenität der abgeschiedenen Schichten auf den Substraten führen. Deshalb haben sich für die Hochtemperaturepitaxie (T ≥ 1000°C) Single-Wafer-Reaktoren durchgesetzt. Bei niedrigen Temperaturen dominieren jedoch kinetische Effekte und transportbedingte Verarmung ist von untergeordneter Bedeutung im Vergleich zum Einfluss der Temperaturhomogenität auf die Schichthomogenität.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und Vorrichtungen vorzuschlagen, mit Hilfe derer dünne und insbesondere dünne diffusionshemmende epitaktische Halbleiterschichten auf großen in der Halbleitertechnik üblichen Halbleitersubstraten bei einem hohen, für die industrielle Fertigung geeigneten Durchsatz für typische HBT-Stapel herstellbar sind. Verfahren und Vorrichtungen sollen darüber hinaus die notwendigen technologischen Bedingungen, wie eine homogene Temperaturverteilung bei einer geeigneten Betriebstemperatur sowie den notwendig niedrigen Restgehalt an Sauerstoff und Feuchtigkeit gewährleisten.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zuerst die zu beschichtenden Oberflächen der Halbleitersubstrate durch an sich bekannte Prozeduren nasschemisch und/oder in der Gasphase gereinigt werden. Dazu eignet sich beispielsweise eine Piranha/SC1/SC2/HF-dip/DI-Rins-Prozedur, eine Piranha/SC1/SC2-Prozedur und/oder eine HF-Vapor-Clean-Prozedur.
  • Anschließend werden die gereinigten Halbleitersubstrate in einem Niederdruck- Batch-Reaktor auf eine erste, gegenüber dem nachfolgenden Verfahrensschritt höhere Temperatur (Prebake-Temperatur) erwärmt und die zu beschichtenden Oberflächen zur Beseitigung von Luftoxid und anderen Verunreinigungen einem Wasserstoff-Prebake bei einem, gegenüber dem nachfolgenden Verfahrensschritt, gleichen oder höheren Reaktordruck unterzogen.
  • Im nachfolgenden Verfahrensschritt werden die derart vorbehandelten Halbleitersubstrate in einem Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor auf eine zweite, gegenüber dem vorangegangenen Verfahrensschritt niedrigere Temperatur (Abscheidtemperatur) erwärmt und nach Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts auf die zu beschichtenden Oberflächen in einem chemischen Gasabscheideverfahren (CVD) bei einem, gegenüber dem vorangegangenen Verfahrensschritt, gleichen oder geringeren Reaktordruck die dünnen, vorzugsweise diffusionshemmenden Halbleiterschichten abgeschieden. Der CVD- Prozess erfolgt dabei unter solchen Bedingungen, dass die Abscheidung durch Oberflächenreaktionen auf dem Substrat kontrolliert wird und damit Gastransport im Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor von untergeordneter Bedeutung ist. Diese Bedingungen sind insbesondere eine geringe Temperatur und/oder ein niedriger Reaktordruck.
  • Das Wasserstoff-Prebake wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 750 bis 1100°C und bei einem Gasdruck im Bereich von 0,1 bis 760 Torr und das epitaktische Abscheiden der vorzugsweise diffusionshemmenden Halbleiterschicht vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 800°C und bei einem Gasdruck im Bereich von 0,1 bis 100 Torr ausgeführt. Besonders bevorzugte Prozessparameter ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Es hat sich herausgestellt, dass sich mit Hilfe der angegebenen Verfahrenschritte und insbesondere den angegebenen Verfahrensparametern dünne Schichten ausreichender Homogenität erzielen lassen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine ausreichende Homogenität der Schichten gerade bei dünnen Schichten kritisch ist, wobei die Anforderungen an einen hohen Durchsatz und an eine hohe Homogenität gegenläufig sind. Da die Diffusion von Fremdatomen wie Dotanden in dünne Schichten von relativ größerer Bedeutung ist als bei dickeren Schichten, wird ein verfahren bevorzugt, bei dem mehrere Schichten erzeugt werden, von denen mindestens eine dünne Schicht diffusionshemmend ausgebildet ist.
  • Die Verfahrensführung zum Erzeugen der dünnen, diffusionshemmenden Schicht erfolgt vorzugsweise derart, dass ein elektrisch inertes, diffusionshemmendes Element wie Kohlenstoff durch epitaktisches Schichtwachstum im wesentlich substitutionell in die entsprechende Halbleiterschicht eingebracht wird. Dis so erzielte Konzentration vorzugsweise substitutionellen Kohlenstoffs ist vorzugsweise kleiner als 1 Atom% bzw. kleiner als 5.1020 cm-3. Der besonders bevorzugte Konzentrationsbereich liegt zwischen 1.1020 und 5.1020 cm-3.
  • Zur Herstellung diffusionshemmender epitaktischer Halbleiterschichten, vorzugsweise auf der Basis von SiGeC oder SiC eignet sich als Kohlenstoffquelle beispielsweise Methylsilan.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass zum epitaktischen Abscheiden der diffusionshemmenden Halbleiterschichten modifizierte Heißwand-Niederdruck-Batch-Reaktoren zur chemischen Gasphasenabscheidung (LPCVD-Batchreaktoren) eingesetzt werden können, mit Hilfe derer der Durchsatz auf etwa 75 Wafer pro Stunde für typische HBT-Stapel erhöht werden kann. Entscheidend für die Anwendbarkeit der LPCVD-Batchreaktoren für Niedertemperatur Epitaxie ist ein vorhergehender Hochtemperaturprozessschritt in Form eines Wasserstoff-Prebakes, wodurch Luftoxid und andere Verunreinigungen beseitigt werden. In dem nachfolgenden Niedertemperatur-Prozessschritt geschieht das epitaktische Abscheiden der diffusionshemmenden Halbleiterschichten aus der Gasphase. Die erfindungsgemäße Lösung kann sowohl so realisiert werden, dass der Hochtemperatur- und der Niedertemperatur-Prozessschritt in einem einzigen dafür ausgestatteten LPCVD-Batch-Reaktor durchgeführt wird, als auch, dass dafür zwei gesonderte Batch-Reaktoren verwendet werden, die über eine Transferkammer mit integrierter Inertgasspülung und/oder Vakuumumgebung verbunden sind. Je nach den vorhandenen Gegebenheiten ist damit eine weitere Erhöhung des Durchsatzes ohne die Inkaufnahme technologischer Verluste möglich. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die nachteiligen Einflüsse vermieden, die infolge eines zu hohen Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehaltes sowie infolge des Auftretens von Verarmungseffekten eintreten können. Darüber hinaus sind auf diese Weise innerhalb der Anlage auch weitere Hochtemperaturbehandlungen wie Reaktorätz- und Ausheizprozesse möglich.
  • Die für die Durchführung der Verfahren beschriebenen Vorrichtungen entsprechen in ihren Hauptkomponenten, insbesondere dem automatischen Handlingsystem, dem Quarzreaktor in einer widerstandsbeheizten Heizkassette, der Gasversorgung, dem Vakuumsystem usw. modernen LPCVD-Batchreaktoren. Zusätzlich wird ein Transferkammersystem mit integrierter Gasspülung und/oder mit integriertem Vakuumsystem benötigt, dass die Aufrechterhaltung einer Inertgas- bzw. Vakuumumgebung, vorzugsweise (bei der Inertgasspülung) unter Verwendung von Stickstoff mit einem niedrigen Restsauerstoffgehalt (<20 ppm) ermöglicht. Dabei dient das Transferkammersystem in einer Ausführung zum Ein- und Ausbringen der Halbleitersubstrate und in einer anderen Ausführung zusätzlich zur Überführung der Halbleitersubstrate von einem zum anderen Reaktor. Das Handling der Halbleitersubstrate erfolgt somit in inerter Atmosphäre und/oder im Vakuum. Die gesamte Vorrichtung ist neben der Realisierung der eigentlichen Abscheideprozesse auch für die Wasserstoffbehandlungen bei Temperaturen von 750 C bis 1100°C, bei einem Druck von 0,1 bis 760 Torr und bei einem Wasserstofffluss von 1 bis 200 Standardliter pro Minute geeignet. Alternativ ist ein in das Hauptsystem integriertes, zweites Reaktorsystem vorgesehen, das diese Funktion erfüllt. Beide Reaktoren sind über das oben beschriebene Transferkammersystem mit integrierter Inertgasspülung und/oder mit integriertem Vakuumsystem verbunden.
  • Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Niederdruck-Batch-Reaktors mit Transferkammer und
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung zweier Reaktoren, die durch eine Transferkammer verbunden sind.
    • Beispiel 1
  • Fig. 1 zeigt einen Niederdruck-Batch-Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung, für das Abscheiden der dünnen, insbesondere diffusionshemmenden Halbleiterschichten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Hauptkammer 1, welche einen Niederdruck-Batch- Reaktor 2 beinhaltet, einer an der Hauptkammer 1 angeordneten Transferkammer 3 und einer dazwischenliegenden, dicht schließenden Tür 4 sowie einer weiteren dicht schließenden Tür 4 zur Bestückung der Transferkammer 3. Die Hauptkammer 1 besitzt Vorrichtungen zur Inertgasspülung und/oder zur Herstellung eines Vakuums sowie Vorrichtungen zur Einleitung von Gasen in den Niederdruck-Batch-Reaktor 2; diese Vorrichtungen umfassen eine oder mehrere Gasquellen 9, die über eine steuerbares Ventil 8 mit der Hauptkammer 1 verbunden sind. Außerdem ist eine Vakuumpumpe 10 mit der Hauptkammer 1 verbunden. Zur Steuerung der Inertgasspülung, des Einleitens von Gasen sowie des erzeugens des Vakuums sind die Ventile 8 (von denen nur eines beispielhaft dargestellt ist) und die Vakuumpumpe 10 mit einer Steuervorrichtung 7 verbunden. Erfindungsgemäß wird ein Niederdruck-Reaktor 2 für das Abscheiden von Halbleiterschichten aus der Gasphase durch konventionelle Vorrichtungen ergänzt, die insbesondere das Durchführen von Hochtemperaturprozessschritten bis 1100°C ermöglichen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Niederdruck- Batch-Reaktor 2 ein Quarzreaktor in einer, insbesondere widerstandsbeheizten Heizkassette. Eine entsprechende Heizung 11 ist ebenfalls mit der Steuervorrichtung 7 verbunden.
  • Unmittelbar nach der nasschemischen Vorreinigung der Halbleitersubstrate, wofür beispielsweise eine Piranha/SC1/SC2/HF-dip/DI-Prozedur eingesetzt wird, werden die Halbleitersubstrate in die stickstoffgeflutete Transferkammer 3 der LPCVD-Anlage eingebracht. Hier verbleiben diese, bis ein ausreichend niedriger Restgehalt an Sauerstoff und Feuchtigkeit in der Atmosphäre der Transferkammer 3 erreicht ist. Nach der Umlagerung der Substrate aus den Transportbehältern in das Reaktorboot wird dieses in den Niederdruck-Batch-Reaktor 2 eingefahren.
  • Im Niederdruck-Batch-Reaktor 2 herrscht dabei eine abgesenkte Temperatur auf einem Niveau von z. B. 400°C. Es folgt eine CVD-typische Sequenz von Prozessschritten, die sich hauptsächlich hinsichtlich Temperatur, Druck und Gasatmosphäre unterscheiden.
  • Nach einer Stabilisierungsphase wird der Niederdruck-Batch-Reaktor 2 hinsichtlich Temperatur und Druck auf Werte gebracht, die den Bedingungen des nunmehr anschließenden Wasserstoff-Prebakes entsprechen (z. B. 850°C und 50 Torr). Das Prebake wird durch das Aufheizen der Wafer auf die entsprechende Prebaketemperatur unter einem Wasserstofffluss zwischen 1 und 200 Standardliter pro Minute, in diesem Ausführungsbeispiel etwa 200 Standardliter pro Minute gestartet.
  • Nach dem Absenken der Temperatur auf einen zweiten niedrigeren Temperaturwert, beispielsweise 600°C bei 200 mTorr, einschließlich der erforderlichen Stabilisierungszeiten zur Erreichung des thermodynamischen Gleichgewichts, erfolgt das eigentliche Abscheiden der diffusionshemmenden Halbleiterschichten durch das Einleiten der entsprechenden Prozessgase in den Niederdruck-Batch- Reaktor 2. Vorzugsweise wird dazu ein Mischgas aus Wasserstoff und beispielsweise SiH4 beziehungsweise SiH2Cl2 und GeH4 verwendet. Als Kohlenstoffquelle wird vorzugsweise Methylsilan eingesetzt. Die Halbleiterschichten enthalten in diesem Ausführungsbeispiel SiGe und/oder Si und als diffusionshemmendes Material, das die Diffusion von Dotierstoffen in Si und/oder SiGe signifikant unterdrückt ein elektrisch nicht aktives Element vorzugsweise aus der 4. oder 6. Hauptgruppe, in diesem Ausführungsbeispiel Kohlenstoff. Der Kohlenstoff unterdrückt insbesondere die transient enhanced diffusion (TED) von Bor im SiGe signifikant. Auch Sauerstoff oder eine Kombination von Kohlenstoff und Sauerstoff ist als diffusionshemmendes Material geeignet.
  • Zwischen dem Abscheiden der einzelnen Schichten können wiederum unterschiedliche prozess-bedingte Temperatur- und Druckwechselvorgänge ablaufen.
  • Nach dem Abschluss aller Abscheide-Prozesse wird der Niederdruck-Batch- Reaktor 2 freigespült; die Temperatur abgesenkt und der Druck im Niederdruck- Batch-Reaktor 2 und in der Transferkammer 3 angeglichen. Mit dem Ausladen der Substrate ist der Prozess abgeschlossen.
  • Dieses erfindungsgemäße Verfahren gestattet einen Durchsatz von mehr als 25 Wafer pro Stunde für einen typischen HBT-Stapel.
    • Beispiel 2
  • Fig. 2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Reaktorsystem; bestehend aus zwei Hauptkammern 1 und einer zwischen den Hauptkammern 1 angeordneten Transferkammer 3, wobei die Hauptkammern 1 und die Transferkammer 3 durch dicht schließende Türen 4 verbunden sind und die Transferkammer 3 durch eine derartige Tür 4 bestückbar ist. Die Transferkammer 3 weist außerdem eine Eingangsschleuse 3a, über die die Transferkammer 3 zu bestücken ist. Ein Transfer zwischen beiden Hauptkammern 1 erfolgt später in einem Transferbereich 3b der Transferkammer 3, der dann durch eine dicht schließende Tür 4 gegenüber der Eingangsschleuse 3a abgedichtet ist. Weiterhin sind ein Niederdruck-Batch-Reaktor 5 und ein Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch- Reaktor 6 in unterschiedlichen Hauptkammern 1 angeordnet. Die Hauptkammern 1 besitzen Vorrichtungen zur Inertgasspülung und/oder zur Herstellung eines Vakuums sowie Vorrichtungen zum Einleiten von Gasen in den Niederdruck- Batch-Reaktor 5 und in den Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor 6. Diese Vorrichtungen umfassen Gasquellen 9, die über steuerbare Ventile 8 mit der jeweiligen Hauptkammer 1 verbunden sind. Es sind weiterhin jeweils eine Heizung 11 und eine Vakuumpumpe 10 vorgesehen. Die steuerbaren Ventile 8, die Vakuumpumpen 10 und die Heizungen 11 sind jeweils mit Prozesssteuerungen 7 verbunden, die zum Durchführen des hier beschriebenen Verfahrens geeignet ausgebildet sind. Erfindungsgemäß wird der Niederdruck-Batch-Reaktor 5 für das Abscheiden von Halbleiterschichten aus der Gasphase durch konventionelle Vorrichtungen ergänzt, die insbesondere das Durchführen von Hochtemperaturprozessschritten bis 1100°C ermöglichen. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Niederdruck-Batch Reaktor 5 und/oder der Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor 6 Quarzreaktoren in jeweils einer, insbesondere widerstandsbeheizten Heizkassette.
  • Das Wasserstoff-Prebake und das epitaktische Abscheiden der diffusionshemmenden Halbleiterschichten wird in diesem Ausführungsbeispiel in gesonderten Reaktoren gemäß Fig. 2 ausgeführt. Dazu werden nach Abschluss des Wasserstoff-Prebakes die Halbleitersubstrate aus dem ersten Niederdruck-Batch- Reaktor 5 über den Transferbereich 3b der Transferkammer 3 mit der integrierten Inertgasspülung in den zweiten Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch- Reaktor 6 überführt. Dadurch kann ein erhöhter Durchsatz realisiert werden. An die beiden Batch-Reaktoren 5, 6 werden bei dieser Arbeitsweise geringere technische Anforderungen gestellt. Entsprechend dem geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren sind auch in diesem Fall die erforderlichen Zeiten zur Stabilisierung der umgebenden Atmosphäre in der Transferkammer 3 und im zweiten Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor 6 einzuhalten. Weiterhin müssen der Niederdruck-Batch Reaktor 5, der Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor 6 und zumindest der Transferbereich 3b der Transferkammer 3 einen geringen Feuchtigkeitspartialdruck aufweisen.
  • Für beide Ausführungsbeispiele ist eine nicht im Detail dargestellte Steuerung 7 vorgesehen, die einen jeweiligen Abscheideprozess beendet, wenn für die jeweilige Halbleiterschicht eine vorgegebene Schichtdicke zwischen 10 und 1000 nm erreicht ist. Für das Erzeugen dünner, diffussionshemmender Halbleiterschichten weisen die Reaktoren 2 bzw. 5 außerdem Vorrichtungen 8 und 9 zum Einleiten von Gasen in die Niederdruck-Batch-Reaktoren 2 oder 5 sowie eine damit verbundene Steuervorrichtung 7, die zum Einleiten von Methylsilan in vorgegebener Dosis ausgebildet sind.
  • Die Steuervorrichtung 7 ist außerdem mit einer Vakuumpumpe 10 zum evakuieren der Reaktoren 2 oder 5 sowie mit einer Heizung 11 zum Erzeugen der erforderlichen Prozesstemperaturen verbunden. Mit Hilfe der Vakuumpumpe 10 und der Vorrichtungen 8 und 9 zum Einleiten von Gasen sind außerdem die gewünschten Prozessdrücke durch die Steuervorrichtung 7 einstellbar. Die Vorrichtungen 8 und 9 zum Einleiten von Gasen können beispielsweise eine oder mehrere Gasflaschen 9 sowie eine entsprechende Anzahl steuerbarer Ventile 8 umfassen.
  • In der vorliegenden Beschreibung wurden anhand konkreter Ausführungsbeispiele ein Verfahren zur Herstellung diffusionshemmender Halbleiterschichten sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben. Es sei aber vermerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung in den Ausführungsbeispielen beschränkt ist, da im Rahmen der Ansprüche Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.

Claims (27)

1. Verfahren zur Herstellung dünner, vorzugsweise diffusionshemmender epitaktischer Halbleiterschichten, vorzugsweise auf der Basis von SiGeC oder SiG, dadurch gekennzeichnet, dass
a) eine Vielzahl von vorzugsweise mehr als 75 Substraten mit einem Durchmesser von wenigstens 150 mm zur gleichzeitigen Behandlung in einem Niederdruck-Batch-Reaktor (2, 5) vorgesehen werden
b) die zu beschichtenden Oberflächen der Halbleitersubstrate nasschemisch und/oder in der Gasphase gereinigt werden,
c) die gereinigten Halbleitersubstrate in dem Niederdruck-Batch-Reaktor (2, 5) auf eine erste, gegenüber dem nachfolgenden Verfahrensschritt höhere Temperatur (Prebake-Temperatur) erwärmt werden und die zu beschichtenden Oberflächen zur Beseitigung von Luftoxid und anderen Verunreinigungen einem Wasserstoff-Prebake bei einem, gegenüber dem nachfolgenden Verfahrensschritt, gleichen oder höheren Reaktordruck unterzogen werden, dass
d) die derart vorbehandelten Halbleitersubstrate in einem Niederdruck- Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor (2, 6) auf eine zweite, gegenüber dem vorangegangenen Verfahrensschritt niedrigere Temperatur (Abscheidetemperatur) erwärmt werden und nach Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts auf die zu beschichtenden Oberflächen in einem chemischen Gasabscheideverfahren (CVD) bei einem, gegenüber dem vorangegangenen Verfahrensschritt, gleichen oder geringeren Reaktordruck die Halbleiterschichten abgeschieden werden und dass
e) unter solchen Bedingungen erfolgt, dass die Abscheidung durch Oberflächenreaktionen auf dem Substrat kontrolliert wird und damit Gastransport im, Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor (2, 6) von untergeordneter Bedeutung ist,
f) wobei das Abscheiden einer Halbleiterschicht derart gesteuert wird, dass das Abscheiden einer dünnen epitaktischen Halbleiterschicht endet, wenn die dünne epitaktische Halbleiterschicht eine vorgegebene Dicke zwischen 10 nm und 1000 nm erreicht hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Gesamtprozesses mehrere Halbleiterschichten aus dem gleichen oder unterschiedlichem Material nacheinander auf den Substraten abgeschieden werden, wobei jede Halbleiterschicht nach gemäß der Verfahrensschritte aus Anspruch 1 erzeugt wird.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der hergestellten Halbleiterschichten eine diffusionshemmende Halbleiterschicht ist, die die Diffusion von Fremdatomen in dieser oder anderen Schichten hemmt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die dünne, diffusionshemmende Schicht ein diffusionshemmendes Material, das die Diffusion von Dotierstoffen in Si und/oder SiGe signifikant unterdrückt, eingebracht wird und dass als diffusionshemmendes Material ein Material verwendet wird, dass elektrisch nicht aktiv und vorzugsweise ein Element der 4. oder 6. Hauptgruppe ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das diffusionshemmende Material Kohlenstoff ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der diffusionshemmende Kohlenstoff gemäß Verfahrensschritt d) aus Anspruch 1 aus der Gasphase abgeschieden und als Kohlenstoffquelle vorzugsweise Methylsilan verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das diffusionshemmende Material Sauerstoff ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen, unter denen der CVD-Prozess erfolgt, eine geringe Temperatur und/oder ein niedriger Reaktordruck sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch eine Verfahrensführung, die dazu führt, dass das diffusionshemmende Elemente in der Halbleiterschicht substitutionell in einer Konzentration zwischen 1.1020 und 5.1020 cm-3 vorliegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff-Prebake und das epitaktische Abscheiden der dünnen Halbleiterschichten in ein und demselben Niederdruck-Batch-Reaktor (2) ausgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet dass das Wasserstoff-Prebake in einem ersten Niederdruck-Batch-Reaktor (5) für Hochtemperaturprozesse und das epitaktische Abscheiden der dünnen Halbleiterschichten in einem zweiten Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor (6) für Niedertemperaturprozesse ausgeführt wird und dass das Überführen der Halbleitersubstrate von dem ersten Niederdruck- Batch-Reaktor (5) in den zweiten Niederdruck-Heiß- oder Warmwand- Batch-Reaktor (6) in einer inerten Atmosphäre und/oder im Vakuum geschieht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff-Prebake bei einer Temperatur im Bereich von 750 bis 1100°C und bei einem Gasdruck im Bereich von 0,1 bis 760 Torr und das epitaktische Abscheiden der diffusionshemmenden Halbleiterschicht bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 800°C und bei einem Gasdruck im Bereich von 0,1 bis 100 Torr ausgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff-Prebake bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1000°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 940 und 970°C ausgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff-Prebake bei einem Gasdruck im Bereich von 0,5 bis 1 Torr, vorzugsweise 0,8 bis 0,9 Torr durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das epitaktische Abscheiden der diffusionshemmenden Halbleiterschicht bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 700°C, vorzugsweise zwischen 620 und 670°C und bei einem Gasdruck im Bereich von 0,3 bis 1 Torr, vorzugsweise zwischen 0.45 und 0,85 Torr ausgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim CVD-Prozess als Mischgas auf Wasserstoffbasis SiH4 beziehungsweise SiH2Cl2 und GeH4 eingesetzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprache 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff-Prebake bei einem Gasdurchfluss von 1 bis 200 Standardliter/Minute ausgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die nass-chemische Reinigung der zu beschichtenden Oberflächen nach einer Piranha/SC1/SC2/HF-dip/DI-Rins-Prozedur und/oder nach einer Piranha/SC1/SC2-Prozedur ausgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die nass-chemische Reinigung der zu beschichtenden Oberflächen nach einer HF-Vapor-Clean-Prozedur geschieht.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten SiGe und/oder Si enthalten.
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch eine Hauptkammer (1), welche einen Niederdruck-Batch-Reaktor (2) beinhaltet, einer an der Hauptkammer (1) angeordneten Transferkammer (3) und einer dazwischenliegenden dicht schließenden Tür (4) sowie einer weiteren dicht schließenden Tür (4) zur Bestückung der Transferkammer (3).
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkammer (1) Vorrichtungen zur Inertgasspülung und/oder zur Herstellung eines Vakuums sowie Vorrichtungen zur Einleitung von Gasen in den Niederdruck-Batch-Reaktor (2) besitzt.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck-Batch-Reaktor (2) ein Quarzreaktor in einer, insbesondere widerstandsbeheizten Heizkassette ist.
24. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch zwei Hauptkammern (1) und einer zwischen den Hauptkammern (1) angeordneten Transferkammer (3), wobei die Hauptkammer (1) und die Transferkammer (3) durch dicht schließende Türen (4) verbunden sind und die Transferkammer (3) durch eine derartige Tür (4) bestückbar ist, wobei ein Niederdrück-Batch-Reaktor (5) und ein Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor (6) in unterschiedlichen Hauptkammem (1) angeordnet sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkammern (1) Vorrichtungen zur Inertgasspülung und/oder zur Herstellung eines Vakuums sowie Vorrichtungen zur Einleitung von Gasen in den Niederdruck-Batch-Reaktor (5) und in den Niederdruck-Heiß oder Warmwand- Batch-Prebaker (6) besitzen.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck-Batch-Reaktor (5) und/oder der Niederdruck-Heiß- oder Warmwand-Batch-Reaktor (6) Quarzreaktoren in jeweils einer, insbesondere widerstandsbeheizten Heizkassette ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen zur Einleitung von Gasen einen Anschluss für eine Quelle für Methylsilan in der Gasphase sowie durch eine Steuervorrichtung umfassen, welche derart ausgebildet sind, dass das Erzeugen den dünnen, diffusionshemmenden epitaktischen Halbleiterschicht derart erfolgt, dass die Halbleiterschicht eine Konzentration des diffusionshemmenden Elementes, vorzugsweise Kohlenstoff, zwischen 1.1018 cm-3 und 1.1021 cm-3, vorzugsweise zwischen 1.1020 cm-3 und 5.1020 cm-3 aufweist.
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