DE102009010556B4

DE102009010556B4 - Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben

Info

Publication number: DE102009010556B4
Application number: DE102009010556A
Authority: DE
Inventors: Dr. Haberecht Jörg
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: TWI420003B; KR20100097011A; CN101814428B; TW201031773A; DE102009010556A1; KR101101480B1; US20100213168A1; JP2010199583A; CN101814428A; US8372298B2; JP5216794B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben, bei dem eine Vielzahl von wenigstens auf ihren Vorderseiten polierten Siliciumscheiben bereitgestellt und nacheinander jeweils einzeln in einem Epitaxiereaktor beschichtet werden, indem jeweils eine der bereitgestellten Siliciumscheiben auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt nur unter Wasserstoffatmosphäre bei einem Wasserstofffluss von 40–60 slm sowie in einem zweiten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre bei einem Wasserstofffluss von 40–60 slm, bei einem Fluss des Ätzmediums von 0,5–1,5 slm und bei einer mittleren Temperatur von 950–1050°C vorbehandelt und anschließend auf ihrer polierten Vorderseite epitaktisch beschichtet und aus dem Epitaxiereaktor entfernt wird, wobei beim zweiten Schritt der Vorbehandlung die Leistung von über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich, der einen Durchmesser von 1 mm bis 50% des Durchmessers der zu epitaxierenden Siliciumscheibe aufweist, und einem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied von 5–30°C besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben.
Epitaktisch beschichtete (epitaxierte) Siliciumscheiben eignen sich für die Verwendung in der Halbleiterindustrie, insbesondere zur Fabrikation von hochintegrierten elektronischen Bauelementen wie z. B. Mikroprozessoren oder Speicherchips. Für die moderne Mikroelektronik werden Ausgangsmaterialien (Substrate) mit hohen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, Dickenverteilung, einseitenbezogene lokale Ebenheit (Nanotopologie) und Defektfreiheit benötigt.
Die globale Ebenheit bezieht sich auf die gesamte Oberfläche einer Halbleiterscheibe abzüglich eines zu definierenden Randausschlusses. Sie wird durch den GBIR („global backsurface-referenced ideal plane/range” = Betrag der positiven und negativen Abweichung von einer rückseitenbezogenen Idealebene für die gesamte Vorderseite der Halbleiterscheibe) beschrieben, welcher der früher gebräuchlichen Angabe TTV („total thickness variation” = Gesamtdickenvarianz) entspricht.
Die früher gebräuchliche Angabe LTV („local thickness variation”) wird heute gemäß SEMI-Norm mit SBIR („site backsurface-referenced ideal plane/range” = Betrag der positiven und negativen Abweichung von einer rückseitenbezogenen Idealebene für eine einzelne Bauelementfläche definierter Dimension) bezeichnet und entspricht dem GBIR bzw. TTV einer Bauelementfläche („site”). Der SBIR ist also im Gegensatz zur globalen Ebenheit GBIR auf definierte Felder auf der Scheibe bezogen, also beispielsweise auf Segmente eines Flächenrasters von Messfenstern der Größe 26 × 8 mm² (Site-Geometrie). Der maximale Site-Geometriewert SBiR_max gibt den höchsten SBIR-Wert für die berücksichtigten Bauelementeflächen auf einer Siliciumscheibe an.
Die Bestimmung von maximalen Site-bezogenen Ebenheits- bzw. Geometriewerten wie dem SBiR_max erfolgt üblicherweise unter Berücksichtigung eines gewissen Randausschlusses (EE = „Edge Exclusion”) von beispielsweise 3 mm. Eine Fläche auf einer Siliciumscheibe innerhalb eines nominalen Randausschlusses wird üblicherweise mit „Fixed Quality Area”, abgekürzt FQA, bezeichnet. Jene Sites, die mit einem Teil ihrer Fläche außerhalb der FQA liegen, deren Zentrum jedoch innerhalb der FQA liegen, werden „partial sites” genannt. Bei der Bestimmung der maximalen lokalen Ebenheit werden die „partial sites” oft nicht herangezogen, sondern nur die sog. „full sites”, also die Bauelementeflächen, die vollständig innerhalb der FQA liegen. Um maximale Ebenheitswerte vergleichen zu können, ist es unverzichtbar, den Randausschluss und damit die Größe der FQA und des Weiteren anzugeben, ob die „partial sites” berücksichtigt wurden oder nicht.
Des Weiteren ist es in Hinblick auf eine Kostenoptimierung heute vielfach üblich, eine Siliciumscheibe nicht wegen beispielsweise nur einer den vom Bauelementehersteller spezifizierten SBIR_max-Wert überschreitenden Bauelementefläche zurückzuweisen, sondern einen definierten Prozentsatz, z. B. 1%, an Bauelementeflächen mit höheren Werten zuzulassen. Üblicherweise wird der prozentuale Anteil der Sites, die unterhalb eines bestimmten Grenzwerts eines Geometrieparameters liegen bzw. liegen dürfen, durch einen PUA(„Percent Useable Area”)-Wert angegeben, der z. B. im Falle eines SBIR_max von kleiner oder gleich 0,7 μm und eines PUA-Wertes von 99% besagt, dass 99% der Sites einen SBIR_max von gleich oder kleiner 0,7 μm aufweisen, während für 1% der Sites auch höhere SBIR-Werte zugelassen werden („chip yield”).
Nach dem Stand der Technik lässt sich eine Siliciumscheibe herstellen durch eine Prozessfolge: Trennen eines Einkristalls aus Silicium in Scheiben, Verrunden der mechanisch empfindlichen Kanten, Durchführung eines Abrasivschrittes wie Schleifen oder Läppen, gefolgt von einer Politur. EP 547894 A1 beschreibt ein Läppverfahren; Schleifverfahren sind in den Anmeldungen EP 272531 A1 und EP 580162 A1 beansprucht.
Die endgültige Ebenheit wird in der Regel durch den Polierschritt erzeugt, dem gegebenenfalls ein Ätzschritt zur Entfernung gestörter Kristallschichten und zur Entfernung von Verunreinigungen vorausgehen kann. Ein geeignetes Ätzverfahren ist beispielsweise aus der DE 19833257 C1 bekannt. Während die klassischen, einseitig arbeitenden Polierverfahren („single-side polishing”) in der Regel zu schlechteren Planparallelitäten führen, gelingt es mit beidseitig angreifenden Polierverfahren („double-side polishing”), Siliciumscheiben mit verbesserter Ebenheit herzustellen.
Bei polierten Siliciumscheiben wird also versucht, die notwendige Ebenheit durch geeignete Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Läppen und Polieren zu erreichen.
Allerdings ergibt sich nach der Politur einer Siliciumscheibe meist ein Abfall der Dicke der ebenen Siliciumscheibe zum Rand hin („Edge Roll-off”). Auch Ätzverfahren neigen dazu, die zu behandelnde Siliciumscheibe am Rand stärker anzugreifen und einen derartigen Randabfall zu erzeugen.
Um dem entgegenzuwirken, ist es üblich, Siliciumscheiben konkav oder konvex zu polieren. Eine konkav polierte Siliciumscheibe ist in der Mitte dünner, steigt dann zum Rand hin in ihrer Dicke an und weist in einem äußeren Randbereich einen Dickenabfall auf. Eine konvex polierte Siliciumscheibe ist dagegen in der Mitte dicker, fällt dann zum Rand hin in ihrer Dicke ab und zeigt in einem äußeren Randbereich einen ausgeprägten Dickenabfall.
In der DE 19938340 C1 ist beschrieben, auf monokristallinen Siliciumscheiben eine monokristalline Schicht aus Silicium mit derselben Kristallorientierung, einer sogenannten epitaktischen Schicht, auf welcher später Halbleiter-Bauelemente aufgebracht werden, abzuscheiden.
Derartige Systeme weisen gegenüber Siliciumscheiben aus homogenem Material gewisse Vorteile auf, beispielsweise die Verhinderung einer Ladungsumkehr in bipolaren CMOS-Schaltkreisen gefolgt vom Kurzschluss des Bauelementes („Latch-up”-Problem), niedrigere Defektdichten (beispielsweise reduzierte Anzahl an COPs („crystal-originated particles”) sowie die Abwesenheit eines nennenswerten Sauerstoffgehaltes, wodurch ein Kurzschlussrisiko durch Sauerstoffpräzipitate in Bauelemente-relevanten Bereichen ausgeschlossen werden kann.
Nach dem Stand der Technik werden epitaxierte Siliciumscheiben aus geeigneten Vorprodukten durch eine Prozesssequenz Abtragspolieren – Endpolieren – Reinigen – Epitaxie hergestellt.
Aus DE 10025871 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Siliciumscheibe mit einer auf ihrer Vorderseite abgeschiedenen epitaktischen Schicht bekannt, das folgende Prozessschritte umfasst:

(a) als einzigen Polierschritt einen Abtragspolierschritt;
(b) (hydrophiles) Reinigen und Trocknen der Siliciumscheibe;
(c) Vorbehandeln der Vorderseite der Siliciumscheibe bei einer Temperatur von 950 bis 1250 Grad Celsius in einem Epitaxiereaktor; und
(d) Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Vorderseite der vorbehandelten Siliciumscheibe.

Es ist üblich, um Siliciumscheiben vor Partikelbelastung zu schützen, die Siliciumscheiben nach dem Polieren einer hydrophilen Reinigung zu unterziehen. Diese hydrophile Reinigung erzeugt auf Vorder- und Rückseite der Siliciumscheibe natives Oxid (natürliches Oxid), das sehr dünn ist (etwa 0,5–2 nm, je nach Art der Reinigung und der Messung).
Dieses native Oxid wird bei einer Vorbehandlung in einem Epitaxiereaktor unter Wasserstoffatmosphäre (auch H₂-Bake genannt) entfernt.
In einem zweiten Schritt werden die Oberflächenrauhigkeit der Vorderseite der Siliciumscheibe reduziert und Polierdefekte von der Oberfläche entfernt, indem üblicherweise kleine Mengen eines Ätzmediums, beispielsweise gasförmigen Chlorwasserstoffs (HCl), der Wasserstoffatmosphäre zugegeben werden.
Manchmal wird neben einem Ätzmedium wie HCl auch eine Silanverbindung, beispielsweise Silan (SiH₄), Dichlorsilan (SiH₂Cl₂), Trichlorsilan (TCS, SiHCl₃) oder Tetrachlorsilan (SiCl₄) in einer solchen Menge zur Wasserstoffatmosphäre zugegeben, dass Siliciumabscheidung und Siliciumätzabtrag im Gleichgewicht sind. Beide Reaktionen laufen jedoch mit hinreichend hoher Reaktionsrate ab, so dass Silicium auf der Oberfläche mobil ist und es zu einer Glättung der Oberfläche und zum Entfernen von Defekten auf der Oberfläche kommt.
Verfahren zur Glättung der Oberflächen sind beispielsweise in US 2005/0247668 A1 sowie in US 2002/0090818 A1 beschrieben.
Epitaxiereaktoren, die insbesondere in der Halbleiterindustrie zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Siliciumscheibe verwendet werden, sind im Stand der Technik beschrieben.
Während sämtlicher Beschichtungs- bzw. Abscheideschritte werden eine oder mehrere Siliciumscheiben mittels Heizquellen, vorzugsweise mittels oberen und unteren Heizquellen, beispielsweise Lampen oder Lampenbänken erwärmt und anschließend einem Gasgemisch, bestehend aus einem Quellengas, einem Trägergas und gegebenenfalls einem Dotiergas, ausgesetzt.
Heizquellen für den Einsatz insbesondere bei Epitaxieprozessen sind beispielsweise in US 5,790,750 A oder KR 10 0 772 270 B1 offenbart. Während die KR 10 0 772 270 B1 eine Vorrichtung für eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Scheibe lehrt, offenbart die US 5,790,750 A eine Vorrichtung, mit der auch Temperaturgradienten in einem ebenen Substrat möglich sind.
Als Auflage für die Siliciumscheibe in einer Prozesskammer des Epitaxiereaktors dient ein Suszeptor, der beispielsweise aus Graphit, SiC oder Quarz besteht. Die Siliciumscheibe liegt während des Abscheideprozesses auf diesem Suszeptor oder in Ausfräsungen des Suszeptors auf, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten und die Rückseite der Siliciumscheibe, auf der üblicherweise nicht abgeschieden wird, vor dem Quellengas zu schützen. Gemäß dem Stand der Technik sind die Prozesskammern für eine oder mehrere Siliciumscheiben ausgelegt.
Bei Siliciumscheiben mit größeren Durchmessern (größer oder gleich 150 mm) werden üblicherweise Einzelscheibenreaktoren verwendet und die Siliciumscheiben einzeln prozessiert, da sich dabei eine gute epitaktische Schichtdickengleichförmigkeit ergibt. Die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke kann durch verschiedene Maßnahmen eingestellt werden, beispielsweise durch eine Veränderung der Gasflüsse (H₂, SiHCl₃), durch Einbau und Verstellen von Gaseinlassvorrichtungen (Injektoren), durch Änderung der Abscheidetemperatur oder Modifikationen am Suszeptor.
In der Epitaxie ist es weiterhin üblich, nach einer oder mehreren epitaktischen Abscheidungen auf Siliciumscheiben eine Ätzbehandlung des Suszeptors ohne Substrat durchzuführen, bei der der Suszeptor und auch andere Teile der Prozesskammer von Siliciumablagerungen befreit werden. Diese Ätze, beispielsweise mit Chlorwasserstoff (HCl), wird bei Einzelscheibenreaktoren oft schon nach Prozessierung von wenigen Siliciumscheiben (nach 1 bis 5 Siliciumscheiben), bei Abscheidung von dünnen epitaktischen Schichten teilweise erst nach Prozessierung von mehr Siliciumscheiben (nach 10 bis 20 Siliciumscheiben) durchgeführt. Üblicherweise wird nur eine HCl-Ätzbehandlung oder auch eine HCl-Ätzbehandlung mit nachfolgender, kurzer Beschichtung des Suszeptors durchgeführt.
Die Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben mit guter globaler Ebenheit gestaltet sich äußerst schwierig, da – wie zuvor erwähnt – als Substrat üblicherweise eine konkav oder konvex polierte Siliciumscheibe vorliegt.
Das Abscheiden einer dickeren epitaktischen Schicht im Zentrum der konkav polierten Siliciumscheibe, wobei die Dicke dieser Schicht nach außen in Richtung des Randes der Siliciumscheibe abnehmen müsste, könnte zwar die ursprünglich konkave Form der Siliciumscheibe kompensieren und somit auch die globale Ebenheit der Siliciumscheibe verbessern. Da aber nicht vermieden werden kann, dass dabei eine wichtige Spezifikation einer epitaxierten Siliciumscheibe, nämlich ein Grenzwert für eine Gleichförmigkeit der epitaktischen Schicht, überschritten würde, kommt dies in der Epitaxie von Siliciumscheiben nicht in Frage. Gleiches gilt für Verfahren, die darauf abzielen, zunächst eine gleichförmige epitaktische Schicht auf einer konkaven oder konvexen polierten Scheibe abzuscheiden, ohne zunächst die geometrische Form der Scheibe zu beeinflussen und anschließend die epitaktische Schicht ”zurechtzuätzen” oder mittels anderer Materialabtragsverfahren wie z. B. Polieren auf diese Weise die Gesamtgeometrie der epitaxierten Scheibe zu verbessern. Auch in diesem Fall resultiert, je nach Ausmaß der benötigten Materialabträge, eine epitaxierte Scheibe mit inhomogener epitaktischer Schichtdicke, was einen nicht akzeptablen Nachteil darstellt. Daher spielen derartige Verfahren in der Epitaxie von monokristallinen Siliciumwafern mit Durchmessern von 300 mm oder 450 mm für modernste Anwendungen in der Halbleiterindustrie praktisch keine Rolle.
Aus DE 10 2005 045 339 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben bekannt, bei dem eine Vielzahl von wenigstens auf ihren Vorderseiten polierten Siliciumscheiben bereitgestellt und nacheinander jeweils einzeln in einem Epitaxiereaktor beschichtet werden, indem jeweils eine der bereitgestellten Siliciumscheiben auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt unter Wasserstoffatmosphäre bei einem ersten Wasserstofffluss von 20–100 slm sowie in einem zweiten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre bei einem zweiten, reduzierten Wasserstofffluss von 0,5–10 slm vorbehandelt, anschließend auf ihrer polierten Vorderseite epitaktisch beschichtet und aus dem Epitaxiereaktor entfernt wird, und des weiteren jeweils nach einer bestimmten Zahl von epitaktischen Beschichtungen eine Ätzbehandlung des Suszeptors erfolgt.
Ebenfalls bekannt ist aus DE 10 2005 045 339 A1 eine Siliciumscheibe mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei wenigstens ihre Vorderseite poliert und wenigstens auf ihrer Vorderseite eine epitaktische Schicht aufgebracht ist und die einen globalen Ebenheitswert GBIR von 0,07–0,3 μm aufweist, bezogen auf einen Randausschluss von 2 mm.
Die vergleichsweise gute Geometrie dieser epitaxierten Siliciumscheibe resultiert daraus, dass es durch die Reduktion des Wasserstoffflusses im zweiten Schritt der Vorbehandlung unter Zugabe eines Ätzmediums gelingt, gezielt Material am Rand der Siliciumscheibe abzuätzen und die Siliciumscheibe noch vor dem Epitaxierschritt global einzuebnen. Nachteile des in DE 10 2005 045 339 offenbarten Verfahrens bestehen darin, dass der reduzierte Wasserstofffluss zwar die Ätzwirkung am Rand der polierten Scheibe verstärkt, jedoch die Gasströmung über die Halbleiterscheibe nicht laminar ist.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein alternatives Verfahren zur epitaktischen Beschichtung von Siliciumscheiben zur Verfügung zu stellen, so dass epitaxierte Siliciumscheiben mit guter globaler Ebenheit resultieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben, bei dem eine Vielzahl von wenigstens auf ihren Vorderseiten polierten Siliciumscheiben bereitgestellt und nacheinander jeweils einzeln in einem Epitaxiereaktor beschichtet werden, indem jeweils eine der bereitgestellten Siliciumscheiben auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt nur unter Wasserstoffatmosphäre bei einem Wasserstofffluss von 40–60 slm sowie in einem zweiten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre bei einem Wasserstofffluss von 40–60 slm, bei einem Fluss des Ätzmediums von 0,5–1,5 slm und bei einer mittleren Temperatur von 950–1050°C vorbehandelt und anschließend auf ihrer polierten Vorderseite epitaktisch beschichtet und aus dem Epitaxiereaktor entfernt wird, wobei beim zweiten Schritt der Vorbehandlung die Leistung von über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich, der einen Durchmesser von 1 mm bis 50% des Durchmessers der zu epitaxierenden Siliciumscheibe aufweist, und einem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied von 5–30°C besteht.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass die Abtragsraten bei Behandlung der Siliciumscheibe mit Wasserstoff und/oder Wasserstoff + Ätzmedium temperaturabhängig ist. Dies ist in 2 gezeigt.
Bei dem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich der Siliciumscheibe handelt es sich vorzugsweise um einen Bereich mit einer Ausdehnung von 1–150 mm, wenn der Durchmesser der Siliciumscheibe 300 mm beträgt. Z. B. kann es sich um einen kreisförmigen Bereich eines Durchmessers von 1–150 mm handeln, dessen Mittelpunkt dem Zentrum der Siliciumscheibe entspricht.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Produktansprüchen beansprucht.
Erfindungswesentlich ist, dass die Temperatur in einer inneren Zone um das Zentrum von Siliciumscheibe & Suszeptor (es wird von oben und von unten geheizt) höher (oder niedriger) ist als in einer äußeren Zone (Randbereich). Dies hat aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Abtragsrate zur Folge, dass der Materialabtrag entweder in der inneren Zone oder im Randbereich höher ist. So kann der konvexen oder konkaven Eingangsgeometrie der polierten Scheibe entgegengewirkt, die globale Geometrie (TTV, GBIR) verbessert und schließlich eine epitaxierte Siliciumscheibe mit guten Geometrieeigenschaften bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt erstmals, dass der Temperaturbereich von 950–1050°C hierfür wesentlich ist.
Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich beispielsweise der in EP 0 445 596 B1 beschriebene Epitaxiereaktor. Er umfasst eine Reaktorkammer, bestimmt durch ein Reaktorgefäß, das eine erste Kuppel und eine zweite gegenüberliegende Kuppel aufweist, die mechanisch gekoppelt sind, eine Halteeinrichtung zum Halten einer Siliciumscheibe; eine Heizeinrichtung zum Heizen der Halbleiterscheibe, wobei die Heizeinrichtung umfasst: eine erste Heizquelle, die sich außerhalb der Kammer befindet und derart angeordnet ist, dass Energie durch die erste Kuppel zu der Siliciumscheibe gestrahlt wird; und eine zweite Heizquelle, die sich ebenfalls außerhalb der Kammer befindet und die derart angeordnet ist, dass Energie durch die zweite Kuppel zu der Siliciumscheibe gestrahlt wird; sowie eine Gaseinlass- und auslassvorrichtung zum Einführen von Gasen in die Kammer und zum Evakuieren von Gasen aus dieser.
Das Aufheizen von Siliciumscheibe und Suszeptor erfolgt also üblicherweise durch über und unter dem Suszeptor angeordnete Heizelemente. Dabei handelt es sich bei Verwendung herkömmlicher Epitaxiereaktoren wie der Epi Centura von Applied Materials um IR-Lampen, vgl. EP 0 445 596 B1 . Diese können z. B. kreisförmig angeordnet sein. Es sind jedoch auch andere Arten von Heizelementen denkbar.
Außerdem ist es möglich, die Leistung der Heizelemente getrennt voneinander zu regeln. Bei den IR-Lampenbänken ist es möglich, die Wärmeleistung gezielt auf einen inneren Bereich der Reaktorkammer und getrennt davon auf einen äußeren Bereich der Reaktorkammer zu lenken. Dies ist analog zu der bereits bekannten Möglichkeit, die Gasflüsse im Reaktor in eine sog. inner zone und eine outer zone zu verteilen.
Durch geeignete Wahl der Leistung der Heizelemente, die die Temperatur im inneren und äußeren Bereich beeinflussen, lässt sich der erfindungswesentliche Temperaturunterschied zwischen innerer Zone und äußerer Zone bewerkstelligen.
Wie 2 zeigt, ist es möglich, durch geeignete Wahl der mittleren Temperatur z. B. das Ausmaß des Materialabtrags bzgl. Breite und Höhe im Zentrumsbereich der Siliciumscheibe festzulegen.
Erfindungswesentlich sind also der Temperaturunterschied zwischen Bereichen der Siliciumscheibe und die Wahl einer mittleren Temperatur von 950–1050°C.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Grundsätzlich wird im erfindungsgemäßen Verfahren zunächst eine Vielzahl von wenigstens auf ihrer Vorderseite polierten Siliciumscheiben bereitgestellt.
Dazu wird ein nach dem Stand der Technik, vorzugsweise durch Tiegelziehen nach Czochralski, hergestellter Silicium-Einkristall mittels bekannter Trennverfahren, vorzugsweise durch Drahtsägen mit freiem („Slurry”) oder gebundenem Korn (Diamantdraht) in eine Vielzahl von Siliciumscheiben zersägt.
Des Weiteren erfolgen mechanische Bearbeitungsschritte wie sequentielle Einseiten-Schleifverfahren („single-side grinding, SSG), simultane Doppelseiten-Schleifverfahren („double-disc grinding”, DDG) oder Läppen. Die Kante der Siliciumscheibe einschließlich von gegebenenfalls vorhanden mechanischen Markierungen wie einer Orientierungskerbe („notch”) oder einer im wesentlichen geradlinigen Abflachung des Siliciumscheibenrandes („flat”) werden in der Regel auch bearbeitet (Kantenverrunden, „edge-notch-grinding”).
Außerdem sind chemische Behandlungsschritte vorgesehen, die Reinigungs- und Ätzschritte umfassen.
Nach den Schleif-, Reinigungs- und Ätzschritten erfolgt eine Glättung der Oberfläche der Siliciumscheiben durch Abtragspolitur. Beim Einseitenpolieren („single-side polishing”, SSP) werden Siliciumscheiben während der Bearbeitung rückseitig auf einer Trägerplatte mit Kitt, durch Vakuum oder mittels Adhäsion gehalten. Beim Doppelseitenpolieren (DSP) werden Siliciumscheiben lose in eine dünne Zahnscheibe eingelegt und vorder- und rückseitig simultan „frei schwimmend” zwischen einem oberen und einem unteren, mit einem Poliertuch belegten Polierteller poliert.
Anschließend werden die Vorderseiten der Siliciumscheiben vorzugsweise schleierfrei poliert, beispielsweise mit einem weichen Poliertuch unter Zuhilfenahme eines alkalischen Poliersols; zum Erhalt der bis zu diesem Schritt erzeugten Ebenheit der Siliciumscheiben liegen die Materialabträge dabei relativ niedrig, bevorzugt 0,05 bis 1,5 μm. In der Literatur wird dieser Schritt oft als CMP-Politur (chemo-mechanical polishing) bezeichnet.
Nach der Politur werden die Siliciumscheiben einer hydrophilen Reinigung und Trocknung nach dem Stand der Technik unterzogen. Die Reinigung kann entweder als Batchverfahren unter gleichzeitiger Reinigung einer Vielzahl von Siliciumscheiben in Bädern oder mit Sprühverfahren oder auch als Einzelscheibenprozess ausgeführt werden.
Bei den bereitgestellten Siliciumscheiben handelt es sich vorzugsweise um Scheiben aus monokristallinem Siliciummaterial, SOI(„silicon-on-insulator”)-Scheiben, Siliciumscheiben mit verspannten Siliciumschichten („strained silicon”) oder sSOI(„strained silicon-on-insulator”)-Scheiben. Verfahren zur Herstellung von SOI- oder sSOI-Scheiben wie SmartCut sowie Verfahren zur Herstellung von Scheiben mit verspannten Siliciumschichten sind im Stand der Technik bekannt.
Die bereit gestellten polierten Siliciumscheiben werden anschließend in einem Epitaxiereaktor jeweils einzeln vorbehandelt.
Die Vorbehandlung umfasst jeweils eine Behandlung der Siliciumscheibe in Wasserstoffatmosphäre (H₂-Bake) und eine Behandlung der Siliciumscheibe unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre, jeweils in einem Temperaturbereich von 950 bis 1050°C.
Beim Ätzmedium handelt es sich vorzugsweise um Chlorwasserstoff (HCl).
Die Vorbehandlung in Wasserstoffatmosphäre erfolgt bei einem Wasserstofffluss von 1–100 slm (Standard Liter pro Minute), erfindungsgemäß bei 40–60 slm.
Die Dauer der Vorbehandlung in Wasserstoffatmosphäre beträgt vorzugsweise 10–120 s.
Bei der Vorbehandlung mit dem Ätzmedium beträgt der Fluss des Ätzmediums 0,5–1,5 slm.
Der Wasserstofffluss beträgt auch bei der Vorbehandlung mit dem Ätzmedium 1–100 slm, erfindungsgemäß 40–60 slm.
Beim zweiten Schritt der Vorbehandlung wird die Leistung der über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelemente derart geregelt, dass ein radialsymmetrischer, die zentrale Achse umfassender Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe mit einem Durchmesser von 1–150 cm eine um, gegenüber dem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe, 5–30°C erhöhte Temperatur aufweist.
Bei der HCl-Ätzbehandlung ist – je nach gewünschtem Materialabtrag am Rand der zu epitaxierenden Siliciumscheibe – eine Behandlungsdauer von 10–120 s bevorzugt, ganz besonders bevorzugt 20–60 s.
Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Siliciumscheibe nach den Vorbehandlungsschritten eine für die nachfolgende Abscheidung einer epitaktischen Siliciumschicht optimale Form der Vorderseite erhält, da durch die Vorbehandlung die Siliciumscheibe die konvexe oder konkave Form der Siliciumscheibe kompensiert wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren entspricht die innere Zone einem Kreis von 1–150 mm Durchmesser um das Zentrum der Siliciumscheibe, während die äußere Zone einem Ring von 1–150 mm Breite, die den Rand der Siliciumscheibe umfasst, entspricht. Diese Werte entsprechen der Anwendung der Erfindung auf Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm. Bei Verwendung von Siliciumscheiben der nächsten Generation mit einem Substratdurchmesser von 450 mm, werden innere und äußere Zone entsprechend gewählt, ebenso bei kleineren Substraten wie 200 mm- oder 150 mm-Scheiben.
Die Erfindung ermöglicht es, die äußere Zone abhängig von der Eingangsgeometrie der zu epitaxierenden Siliciumscheibe zu wählen. Vorzugsweise wird zunächst in einem zu epitaxierenden Los von Siliciumscheiben die Eingangsgeometrie der polierten Scheibe ermittelt und anschließend die entsprechenden Prozesseinstellungen für die Vorbehandlungsschritte im Epitaxiereaktor gewählt, also insbesondere die Ausdehnung von innerer Zone, die Lampenleistung und der Temperaturunterschied zwischen innerer und äußerer Zone während der Ätzbehandlung im Reaktor.
Nach den Vorbehandlungsschritten wird eine epitaktische Schicht wenigstens auf der polierten Vorderseite der Siliciumscheibe abgeschieden. Dazu wird Wasserstoff als Trägergas eine Silanquelle als Quellengas zugegeben. Die Abscheidung der epitaktischen Schicht erfolgt abhängig von der verwendeten Silanquelle bei einer Temperatur von 900–1200°C.
Vorzugsweise wird als Silanquelle Trichlorsilan (TCS) verwendet bei einer Abscheidetemperatur von 1050–1150°C, die also über dem bei den Vorbehandlungsschritten wesentlichen Temperaturbereich liegt.
Die Dicke der abgeschiedenen epitaktischen Schicht beträgt vorzugsweise 0,5–5 μm.
Nach Abscheidung der epitaktischen Schicht wird die epitaxierte Siliciumscheibe aus dem Epitaxiereaktor entfernt.
Nach einer bestimmten Zahl an epitaktischen Abscheidungen auf Siliciumscheiben erfolgt eine Behandlung des Suszeptors mit einem Ätzmedium, vorzugsweise mit HCl, um den Suszeptor beispielsweise von Siliciumablagerungen zu befreien.
Vorzugsweise erfolgt ein Suszeptorätzen jeweils nach 1–15 epitaktischen Beschichtungen von Siliciumscheiben. Dazu wird die epitaxierte Siliciumscheibe entfernt und der substratfreie Suszeptor mit HCl behandelt.
Vorzugsweise wird neben der Suszeptoroberfläche die gesamte Prozesskammer mit Chlorwasserstoff gespült, um Siliciumablagerungen zu entfernen.
Vorzugsweise erfolgt nach dem Suszeptorätzen vor weiteren epitaktischen Prozessen eine Beschichtung des Suszeptors mit Silicium. Dies kann vorteilhaft sein, da die zu epitaxierende Siliciumscheibe dann nicht direkt auf dem Suszeptor aufliegt.
Außerdem hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, eine Siliciumscheibe herzustellen, die eine Vorderseite und eine Rückseite umfasst, wobei wenigstens ihre Vorderseite poliert und wenigstens auf ihrer Vorderseite eine epitaktische Schicht aufgebracht ist und die einen globalen Ebenheitswert GBIR von 0,02–0,06 μm aufweist, bezogen auf einen Randausschluss von 2 mm.
Wird ein Randausschluss von 1 mm herangezogen, also ein verschärftes Kriterium, ergeben sich GBIR-Werte von 0,04 bis 0,08 μm.
Die lokale Ebenheit, ausgedrückt durch den SBIR_max, liegt bei der erfindungsgemäß epitaxierten Siliciumscheibe bei größer oder gleich 0,02 μm und kleiner oder gleich 0,05 μm, ebenfalls bei einem Randausschluss von 2 mm und bezogen auf Teilbereiche eines Flächenrasters von Segmenten der Größe 26 × 8 mm². Dabei ergeben sich 336 Segmente, davon 52 „partial sites”. Die „partial sites” werden bei der Bestimmung des SBIR_max vorzugsweise berücksichtigt. Der PUA-Wert beträgt vorzugsweise 100%.
Bezogen auf einen Randausschluss von 1 mm ergibt sich ein SBIR_max von 0,04 bis 0,07 μm.
Die Siliciumscheibe ist vorzugsweise eine Scheibe aus monokristallinem Siliciummaterial, eine SOI(„silicon-on-insulator”)-Scheibe, eine Siliciumscheibe mit einer verspannten Siliciumschicht („strained silicon”) oder eine sSOI(„strained silicon-on-insulator”)-Scheibe, die mit einer epitaktischen Schicht versehen ist.
Die erfindungsgemäße epitaxierte Siliciumscheibe weist vorzugsweise eine Epi-Schichtdickengleichförmigkeit von höchstens 2,0% auf. Die Epi-Schichtdickengleichförmigkeit lässt sich durch Messung von Mittelwert t und Range Δt = t_max – t_min der Epi-Schichtdicke ermitteln. Besonders bevorzugt liegt Δt/t bei 0,5%–2,0%, ganz besonders bevorzugt bei 1,0%–1,5%. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt bei den beanspruchten Gasflüssen und Gasflussverteilungen die Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben mit diesen Epi-Schichtdickengleichförmigkeiten.
Wenn im Stand der Technik versucht wird, die konkave Eingangsgeometrie der polierten Siliciumscheibe dadurch zu korrigieren, dass bei der Epitaxie in der Mitte der Siliciumscheibe eine dickere (oder eine dünnere) Epitaxieschicht abgeschieden wird, oder dadurch, dass zwar zunächst eine weitgehend gleichförmige Epitaxieschicht abgeschieden wird, die konkave Geometrie der epitaxierten Siliciumscheibe jedoch anschließend durch Ätzabtrag an der Epitaxieschicht korrigiert wird, ist es unmöglich, den für die Bauelementehersteller äußerst wichtigen und kritischen Parameter Epi-Schichtdickengleichförmigkeit in jenem engen Bereich von kleiner oder gleich 2% zu halten.
Beispiel:
Das Beispiel bezieht sich auf einen Epitaxiereaktor vom Typ Epi Centura von Applied Materials. Ein schematischer Aufbau der Reaktorkammer einer solchen Anlage ist in 1 gezeigt.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer Reaktorkammer eines Epitaxierreaktors zur Durchführung des Verfahrens.
2 zeigt den Materialabtrag an einer polierten Siliciumscheibe mit Durchmesser 300 mm durch Ätz-Vorbehandlung in einem Epitaxiereaktor für verschiedene Behandlungstemperaturen.
In 1 ist der schematische Aufbau einer Reaktorkammer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dargestellt sind Heizelemente 11 (oben, äußerer Bereich), 12 (oben, innerer Bereich), 13 (unten, innerer Bereich) und 14 (unten, äußerer Bereich). Der Reaktor umfasst einen Suszeptor 4 zur Aufnahme der zu epitaxierenden Siliciumscheibe, eine Gaseinflussvorrichtung 2, eine Gasabflussvorrichtung 3, eine Vorrichtung 5 zur Lagerung und zum Anheben von Suszeptor bzw. Substrat (z. B. über sog. Lift Pins) sowie Pyrometer 61 und 62 zur berührungslosen Temperaturmessung in der Reaktorkammer.
Tabelle 1 zeigt nun beispielhaft typische Werte für Lampenleistungen bei der Epi Centura, die den erfindungswesentlichen Temperaturunterschied zwischen innerer und äußerer Zone bewerkstelligen.
Die gesamte Lampenleistung beträgt in diesem Fall 70 kW, verteilt auf die vier in 1 dargestellten Lampenbänke (oben/innen, oben/außen, unten/innen, unten/außen). Dies entspricht einer mittleren Temperatur in der Kammer von etwa 950–1050°C.

60% der Gesamtleistung kommt von den oberen Lampenbänken bzw. Heizelementen. Tabelle 1

Gesamtleistung		Obere Heizelemente		Untere Heizeelemente
70 kW		25 kW = 60% von 70 kW		45 kW = 40% von 70 kW
	Verteilung Innen/Außen	Innen	Außen	Innen	Außen
	Epitaxieren	13,5 kW = 54% von 25 kW	11,5 kW	5,85 kW = 13% von 45 kW	39,15 kW

	Ätzvorbehandlung	16,5 kW = 66% von 25 kW	8,5 kW	7,2 kW = 16% von 45 kW	37,8 kW

Die Verteilung der Lampenleistung auf innen/außen ist bei der Ätzvorbehandlung anders als beim Epitaxieren.
Die Verteilung 54%/13% führt bei der Epi Centura zu einer homogen Temperaturverteilung auf Siliciumscheibe und Suszeptor. Hier ist die Temperatur in allen Bereichen der Siliciumscheibe im Wesentlichen gleich. Zum Erreichen einer homogenen Temperaturverteilung muss für jede Reaktorkammer eine optimale Energieverteilung bestimmt werden. Diese kann bei verschiedenen Reaktorkammern auch des gleichen Reaktortyps (z. B. Epi Centura) variieren.
Vorzugsweise wird zur Bestimmung der optimalen Energieverteilung für den Epitaxieschritt wie folgt vorgegangen: Es wird eine Gruppe von p-Scheiben (z. B. fünf Scheiben) jeweils mit einem Substratwiderstand > 10 Ohmcm verwendet. Für jede Scheibe werden unterschiedliche Energieverteilungen eingestellt (z. B. Scheibe 1: 54%/13% ... Scheibe 2: 58%/14% usw.). Die fünf Scheiben werden dann zum Beispiel mit einem SP1 Lichtstreuungs-Messgerät der Firma KLA Tencor vermessen und – falls nötig – unter einem Mikroskop untersucht. Es wird eine mittlere Einstellung für die weiteren Epitaxieschritte gewählt. Ziel ist es, für den Epitaxieschritt eine möglichst homogene Energieverteilung über die Siliciumscheibe zu erreichen. Dieses Vorgehen wird unter Fachleuten auf dem Gebiet der Halbleiterepitaxie auch als „ein Gleitungsfenster fahren” bezeichnet.
In der laufenden Produktion werden regelmäßig Scheiben auf etwaige Gleitungen untersucht. Falls Gleitungen auf den Scheiben sind, wird das „Gleitungsfenster” gefahren, um erneut eine optimale Einstellung der Energieverteilung zu bestimmen.
In der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ausgehend von einer auf solche Art optimierten Energieverteilung für den Epitaxieprozess, die Leistung in der inneren Zone für die Ätzvorbehandlung erhöht, um den erforderlichen Temperaturunterschied zwischen innerer und äußerer Zone zu erzielen.
Ergibt sich beispielsweise für den Epi-Prozess ein optimierter Wert von 54% bzw. 62% für die Leistung der oberen Heizelemente in die innere Zone (für homogene Temperaturverteilung über ganze Scheibe), so ist für die Ätzvorbehandlung ein Wert von 66% bzw. 72% bevorzugt.
Bei der Ätzvorbehandlung wird also die Energieverteilung ausgehend von der vorherigen Optimierung stets anders gewählt, um den erfindungswesentlichen Temperaturunterschied von 5–30°C zu erreichen.
Die Verteilung 66%/16% aus Tabelle 1 führt zu einem Temperaturunterschied von etwa 20°C. Variationen dieser Verteilung ermöglichen die Einstellung des Temperaturunterschieds im gesamten beanspruchten Bereich.
2 zeigt den Materialabtrag von Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm (daher die Achsenbeschriftung von –150 mm bis +150 mm) in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Siliciumscheibe. Bei den Vorbehandlungsschritten wurde die Verteilung 66%/16% aus Tabelle 1 verwendet. Der Temperaturunterschied zwischen innerer und äußerer Zone der Siliciumscheibe betrug also etwa 20°C.
Es zeigt sich, dass der Materialabtrag im inneren Bereich der Siliciumscheibe um deren Zentrum (x-Achse = 0) eine deutliche Temperaturabhängigkeit zeigt. Eine Temperatur von 980°C bzw. 1000°C und 1020°C zeigt ein Ätzabtrags-Profil, das besonders geeignet ist, die Geometrie für die meisten konvex polierten Siliciumscheiben in besonders vorteilhafter Weise zu korrigieren. Daher ist dieser Temperaturbereich für das erfindungsgemäße Verfahren ganz besonders bevorzugt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben, bei dem eine Vielzahl von wenigstens auf ihren Vorderseiten polierten Siliciumscheiben bereitgestellt und nacheinander jeweils einzeln in einem Epitaxiereaktor beschichtet werden, indem jeweils eine der bereitgestellten Siliciumscheiben auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt nur unter Wasserstoffatmosphäre bei einem Wasserstofffluss von 40–60 slm sowie in einem zweiten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre bei einem Wasserstofffluss von 40–60 slm, bei einem Fluss des Ätzmediums von 0,5–1,5 slm und bei einer mittleren Temperatur von 950–1050°C vorbehandelt und anschließend auf ihrer polierten Vorderseite epitaktisch beschichtet und aus dem Epitaxiereaktor entfernt wird, wobei beim zweiten Schritt der Vorbehandlung die Leistung von über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich, der einen Durchmesser von 1 mm bis 50% des Durchmessers der zu epitaxierenden Siliciumscheibe aufweist, und einem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied von 5–30°C besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei beiden Vorbehandlungsschritten die Dauer der Vorbehandlung 10–120 s beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei beim zweiten Schritt der Vorbehandlung ein Temperaturunterschied von 10–20°C auf der Siliciumscheibe herrscht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei beide Vorbehandlungsschritte bei einer mittleren Temperatur von 950–1050°C erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Schritt der Vorbehandlung bei einer mittleren Temperatur von 980–1020°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Siliciumscheibe einen Durchmesser von 300 mm und der radialsymmetrische, die zentrale Achse umfassende Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe einen Durchmesser von 1–150 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Siliciumscheibe einen Durchmesser von 450 mm und der radialsymmetrische, die zentrale Achse umfassende Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe einen Durchmesser von 1–250 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Epitaxieschritt in einem Temperaturbereich von 950 bis 1200°C und bei homogener Temperaturverteilung auf Siliciumscheibe und Suszeptor erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei es sich bei den Heizelementen um IR-Lampen handelt.