DE102009022224A1

DE102009022224A1 - Verfahren zur Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben

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Publication number: DE102009022224A1
Application number: DE102009022224A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Haberecht
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: TWI404125B; DE102009022224B4; JP4948628B2; KR20100125175A; SG166722A1; CN101894743B; CN101894743A; KR101077324B1; JP2010272868A; US20100294197A1; US8709156B2; TW201110197A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein erstes Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Siliciumscheibe, bei dem eine auf ihrer Vorderseite polierte Siliciumscheibe auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt unter Wasserstoffatmosphäre sowie in einem zweiten und einem dritten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre vorbehandelt und anschließend mit einer epitaktischen Schicht versehen wird, wobei beim ersten und beim zweiten Schritt der Wasserstofffluss 20-100 slm beträgt, beim zweiten und dritten Schritt der Fluss des Ätzmediums 0,5-1,5 slm beträgt, beim zweiten Schritt darüber hinaus eine mittlere Temperatur in der Reaktorkammer 950-1050°C beträgt und die Leistung von über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe und einem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied von 5-30°C besteht; und beim dritten Schritt der Wasserstofffluss auf 0,5-10 slm abgesenkt ist. In einem zweiten Verfahren wird dagegen beim dritten Vorbehandlungsschritt der Fluss des Ätzmediums auf 1,5-5 slm erhöht, während der Wasserstofffluss beim dritten Schritt der Vorbehandlung nicht reduziert werden muss.

Description

Die Erfindung betrifft 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 backsurfacereferenced 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.
Nach dem Stand der Technik lässt sich eine Siliciumscheibe herstellen durch eine Prozessfolge, die im wesentlichen ein Auftrennen eines Einkristalls aus Silicium in Scheiben, ein Verrunden der mechanisch empfindlichen Kanten der Siliciumscheiben, die Durchführung eines Abrasivschrittes wie Schleifen oder Läppen, sowie eine abschließende Politur umfasst.
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.
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, kann es sinnvoll sein, Siliciumscheiben konkav oder konvex zu polieren. Eine konkav polierte Siliciumscheibe ist in der Mitte dünner und steigt dann zum Rand hin in ihrer Dicke an. Derart polierte Siliciumscheiben weisen dann nur in ihrem äußersten Randbereich einen unerwünschten Dickenabfall auf.
Aus DE 19938340 C1 ist bekannt, auf monokristallinen Siliciumscheiben eine monokristalline Schicht aus Silicium mit derselben Kristallorientierung, einer sogenannten epitaktischen Schicht abzuscheiden.
Einem solchen epitaktischen Abscheidungsschritt gehen üblicherweise eine Abtragspolitur wie z. B. DSP (Doppelseitenpolitur), eine Endpolitur wie CMP (chemomechanische Politur) und ein Reinigungsschritt voraus. DSP und CMP unterscheiden sich im Wesentlichen darin, dass in der CMP ein weicheres Poliertuch verwendet wird und meist nur die Vorderseite der Siliciumscheibe schleierfrei poliert wird („Finishing”).
Aus DE 10025871 A1 ist 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.
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 oberer und unterer Heizquellen, beispielsweise Lampen oder Lampenbänken erwärmt und anschließend einem Gasgemisch, bestehend aus einem Quellengas, einem Trägergas und gegebenenfalls einem Dotiergas, ausgesetzt.
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 keine Schicht abgeschieden wird, vor dem Quellengas zu schützen.
Die Prozesskammern der Epitaxierreaktoren sind für eine oder mehrere Siliciumscheiben ausgelegt. Bei Siliciumscheiben mit größeren Durchmessern, insbesondere bei Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm oder 450 mm, kommen üblicherweise Einzelscheibenreaktoren zum Einsatz, wobei die Siliciumscheiben einzeln prozessiert werden, zumal sich dabei meist eine gleichförmige epitaktische Schichtdicke ergibt. Die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke kann dabei durch Anpassung der Prozessbedingungen verbessert werden, beispielsweise durch eine Optimierung der Gasflüsse (H₂, SiHCl₃), durch Einbau und Verstellen von Gaseinlassvorrichtungen (Injektoren), durch Änderung der Abscheidetemperatur oder auch durch 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.
Die Herstellung von epitaxierten Siliciumscheiben mit guter globaler Ebenheit gestaltet sich allerdings äußerst schwierig, da wie zuvor erwähnt als Substrat üblicherweise eine konkav oder konvex polierte Siliciumscheibe vorliegt. Im Stand der Technik sind nach der Epitaxie die globale Ebenheit und auch die lokale Ebenheit der epitaxierten Siliciumscheibe üblicherweise gegenüber denen der polierten Siliciumscheibe verschlechtert. Dies hängt u. a. damit zusammen, dass auch die abgeschiedene epitaktische Schicht selbst trotz aller Optimierungsmaßnahmen eine gewisse, wenn auch geringe Dickenungleichförmigkeit aufweist.
Das Abscheiden einer unterschiedlich dicken epitaktischen Schicht (z. B. höhere Abscheidung im Zentrum und weniger Abscheidung am Rand der Scheibe), um die ungleichmäßige Form der polierten Siliciumscheibe zu kompensieren und auf diesem Weg auch die globale Ebenheit der Siliciumscheibe zu verbessern, kommt in der Epitaxie von Siliciumscheiben nicht in Frage, da die Dickengleichförmigkeit der epitaktischen Schicht sich innerhalb definierter Grenzen bewegen muss, um den Kundenanforderungen zu genügen.
Aus DE 10 2005 045 339 B4 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 B4 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 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. Es hat sich gezeigt, dass gerade dies einer weiteren Verbesserung der globalen Ebenheit unter den in DE 10 2005 045 339 B4 beanspruchten bestmöglichen GBIR-Wert von 0,07 μm im Wege steht.
Aus US 2008/0182397 A1 ist ein Epitaxierreaktor bekannt, der unterschiedliche Gasflüsse in einer sog. „inner zone” und einer sog. „outer zone” vorsieht. Für eine Scheibe mit einem Durchmesser von 300 mm wird die „inner zone” als zentrale Region der 300 mm Scheibe mit einem Durchmesser von 75 mm angegeben. Die Einstellung der unterschiedlichen Gasflüsse im Reaktor erfolgt durch Einstellung des Durchmessers der Gasrohre, so wird z. B. durch Verringerung des Rohrdurchmessers auch der Gasfluss in Richtung einer der beiden Zonen reduziert. Solche Gasverteilungssysteme sind kommerziell von Applied Materials Inc. unter dem Namen Epi Centura Accusett^TM erhältlich (Epi Centura ist der Name des Epitaxiereaktors von Applied Materials Inc.). Alternativ lassen sich zur Steuerung der Gasflüsse auch sog. „Mass Flow Controller” oder ähnliche Vorrichtungen zur Regelung des Flusses einsetzen. Die Gasverteilung in inner und outer Zone wird in US 2008/0182397 A1 mit I/O bezeichnet. Diese Notation soll auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
In US 2008/0182397 A1 werden zwei Bereiche für Gasverteilung I/O angegeben, zum einen ein Bereich von I/O = 0,2–1,0 während des Epitaxierens und zum anderen ein I/O von 1,0–6,0 während des Ätzschrittes (Substrat-Vorbehandlung).
In US 2008/0245767 A1 ist ein Verfahren offenbart, bei dem eine kontaminierte oder beschädigte Schicht eine Substrats mittels eines Ätzgases entfernt wird, um eine Substratoberfläche freizulegen. Dieses gereinigte Substrat kann anschließend epitaxiert werden. Der Fluss des Ätzgases beträgt 0,01–15 slm. Wird ein Inertgas (inert gegen das Substratmaterial, z. B. Silicium) wie insbesondere Wasserstoff oder auch Stickstoff, Argon, Helium oder dergleichen zugeführt, liegt der Fluss desselben bei 1–100 slm. Die Temperatur des Substrats liegt bei 600–850°C. Als I/O-Verhältnis des Wasserstoffflusses werden 1,0–7,0 (5/5–35/5) angegeben.
Aus US 2007/0010033 A1 ist bekannt, die Dicke einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht durch Regelung der Gasverteilung in einer inneren und einer äußeren Zone zu beeinflussen. Wie oben erwähnt, ist jedoch das Abscheiden einer dickeren epitaktischen Schicht im Zentrum der konkav polierten Siliciumscheibe, um die Eingangsgeometrie der polierten Scheibe zu kompensieren, ungeeignet, da dadurch die Spezifikation der Schichtdickengleichförmigkeit der epitaktischen Schicht überschritten würde.
Der Stand der Technik deutet verschiedene Lösungswege an, um durch entsprechende Wahl der Prozessbedingungen während der Vorbehandlungsschritte und während des Epitaxierens, eine Verbesserung der Geometrie des Substrats und/oder der epitaxierten Siliciumscheibe zu erzielen.
Allerdings sind die vorgeschlagenen Methoden, wie zuvor beschrieben, mit anderen Nachteilen verbunden und beispielsweise überhaupt nicht geeignet, eine ebenfalls häufig anzutreffende Geometrie des zu epitaxierenden Substrats, nämlich die sog. „Sombrero”-Form, auf diesem Weg zu verbessern. Die „Sombrero”-Form zeichnet sich dadurch aus, dass die Dicke sowohl am Rand als auch im Zentrum der Scheibe erhöht ist. Wird die Gesamtdicke des Substrats gegen den Durchmesser aufgetragen, ähnelt der Verlauf der Dicke der Form eines Sombrero.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, auch hierfür eine Lösung anzubieten und die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein erstes Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Siliciumscheibe, bei dem eine auf ihrer Vorderseite polierte Siliciumscheibe auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt unter Wasserstoffatmosphäre sowie in einem zweiten und einem dritten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre vorbehandelt und anschließend mit einer epitaktischen Schicht versehen wird, wobei beim ersten und beim zweiten Schritt der Wasserstofffluss 20–100 slm beträgt, beim zweiten und dritten Schritt der Fluss des Ätzmediums 0,5–1,5 slm beträgt, beim zweiten Schritt darüber hinaus eine mittlere Temperatur in der Reaktorkammer 950–1050°C beträgt und die Leistung von über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe und einem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied von 5–30°C besteht; und beim dritten Schritt der Wasserstofffluss auf 0,5–10 slm abgesenkt ist.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein zweites Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Siliciumscheibe, bei dem eine auf ihrer Vorderseite polierte Siliciumscheibe auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt unter Wasserstoffatmosphäre sowie in einem zweiten und einem dritten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre vorbehandelt und anschließend mit einer epitaktischen Schicht versehen wird, wobei bei allen Vorbehandlungsschritten der Wasserstofffluss 1–100 slm beträgt, wobei der Fluss des Ätzmediums beim zweiten Schritt 0,5–1,5 slm und beim dritten Schritt 1,5–5 slm beträgt, beim zweiten Schritt eine mittlere Temperatur in der Reaktorkammer 950–1050°C beträgt und die Leistung von über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe und einem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied von 5–30°C besteht.
Vorzugsweise werden bei diesem zweiten Verfahren mittels Injektoren in die Reaktorkammer eingebrachte Gasflüsse mittels Ventilen in eine äußere und eine innere Zone der Reaktorkammer verteilt, so dass der Gasfluss in der inneren Zone auf einen Bereich um das Zentrum der Siliciumscheibe und der Gasfluss in der äußeren Zone auf einen Randbereich der Siliciumscheibe wirkt, wobei im dritten Vorbehandlungsschritt die Verteilung des Ätzmediums in innerer und äußerer Zone I/O = 0 – 0,75 beträgt.
Die Erfindung macht sich u. a. zunutze, dass die Abtragsraten bei Behandlung der Siliciumscheibe mit Wasserstoff und/oder Wasserstoff + Ätzmedium temperaturabhängig sind.
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.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Erfindungswesentlich und beiden erfindungsgemäßen Verfahren gemeinsam ist, dass die Temperatur in einer inneren Zone um das Zentrum von Siliciumscheibe und 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, dass der Temperaturbereich von 950–1050°C hierfür wesentlich ist. Daher muss der zweite Vorbehandlungsschritt beider erfindungsgemäßer Verfahren genau in diesem Temperaturbereich erfolgen.
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 lässt sich die Wärmeleistung gezielt auf einen inneren Bereich der Reaktorkammer und getrennt davon auf einen äußeren Bereich der Reaktorkammer zu lenken.
Durch geeignete Wahl der Leistung der Heizelemente, die die Temperatur im inneren und äußeren Bereich beeinflussen, lässt sich somit der erfindungswesentliche Temperaturunterschied zwischen innerer Zone und äußerer Zone bewerkstelligen.
Erfindungswesentlich sind also der Temperaturunterschied zwischen Bereichen der Siliciumscheibe und die Wahl einer mittleren Temperatur von 950–1050°C im zweiten Vorbehandlungsschritt beider erfindungsgemäßen Verfahren.
In den erfindungsgemäßen Verfahren wird 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 üblicherweise 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 (Single Wafer Cleaning) ausgeführt werden.
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 zwei Behandlungen der Siliciumscheibe unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre.
Beim Ätzmedium handelt es sich vorzugsweise um Chlorwasserstoff (HCl).
Die Vorbehandlung in Wasserstoffatmosphäre und die beiden Vorbehandlungsschritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre erfolgen im zweiten erfindungsgemäßen Verfahren bei einem Wasserstofffluss von 1–100 slm (Standard Liter pro Minute), vorzugsweise 20–60 slm und ganz besonders bevorzugt 20–40 slm. Im ersten erfindungsgemäßen Verfahren beträgt der Wasserstofffluss im ersten und zweiten Schritt der Vorbehandlung 20–100 slm und wird im dritten Schritt auf 0,5–10 slm, vorzugsweise auf 0,5–5 slm, reduziert.
Die Dauer der Vorbehandlung in Wasserstoffatmosphäre beträgt vorzugsweise 10–120 s, besonders bevorzugt 20–60 s.
Beim zweiten Vorbehandlungsschritt beider erfindungsgemäßer Verfahren (Wasserstoff + Ätzmedium) beträgt der Fluss des Ätzmediums 0,5–1,5 slm.
Die zweite Vorbehandlung mit dem Ätzmedium findet statt bei einer Temperatur von 950 bis 1050°C. Dabei wird die Leistung der über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelemente jeweils derart geregelt, dass ein radialsymmetrischer, die zentrale Achse umfassender Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe mit einem Durchmesser von 1–20 mm, 1–50 mm, 1–100 mm, 1–150 mm oder 1–200 mm eine um, gegenüber dem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe, 5–30°C erhöhte Temperatur aufweist.
Bei den HCl-Ätzbehandlungen ist – je nach gewünschtem Materialabtrag am Rand der zu epitaxierenden Siliciumscheibe – eine Behandlungsdauer von 10–120 s bevorzugt. Besonders bevorzugt ist eine Behandlungsdauer von 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 der Siliciumscheibe die konvexe Form in einem Bereich um das Zentrum der Siliciumscheibe kompensiert wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren entspricht die innere Zone also z. B. 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, können innere und äußere Zone vorzugsweise entsprechend größer gewählt werden, ebenso bei kleineren Substraten wie 200 mm- oder 150 mm-Scheiben entsprechend kleiner.
Die Erfindung ermöglicht es, innere und äußere Zone abhängig von der Eingangsgeometrie der zu epitaxierenden Siliciumscheibe zu wählen und somit exakt festzulegen, wo genau Material abgetragen werden soll. Vorzugsweise wird daher 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 dem zweiten Vorbehandlungsschritt, der den inneren Bereich der Siliciumscheibe beeinflusst, erfolgt ein dritter Vorbehandlungsschritt, der insbesondere geeignet ist, die Geometrie im Randbereich, die bei Siliciumscheiben mit „Sombrero”-Dickenprofil konkav ist, zu verbessern und in Kombination mit dem zweiten Vorbehandlungsschritt zu einer globalen Einebnung der Siliciumscheibe führt.
Für die Wahl des dritten Vorbehandlungsschritts, der ebenfalls in Wasserstoffatmosphäre unter Zugabe eines Ätzmediums erfolgt, stellt die Erfindung drei Möglichkeiten zur Verfügung: Im ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird beim dritten Vorbehandlungsschritt der Wasserstofffluss gegenüber den beiden vorangehenden Vorbehandlungen auf 0,5–10 slm erniedrigt, während der Fluss des Ätzmediums nicht verändert wird, also bei 0,5–1,5 slm liegt.
Im zweiten erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen der Fluss des Ätzmediums auf 1,5–5 slm, vorzugsweise auf 2,0–4,5 slm, ganz besonders bevorzugt auf 3,0–4,0 slm erhöht, während der Wasserstofffluss konstant gehalten werden kann.
In einer Ausführungsform dieses Verfahrens wird neben dem erhöhten Fluss des Ätzmediums auch sichergestellt, dass das Ätzmedium in einen definierten Bereich des Randbereichs der Siliciumscheibe gelangt, um dort gezielt Material abzutragen und die konvexe Randgeometrie zu verbessern.
Vorzugsweise erfolgt der dritte Vorbehandlungsschritt in einem Temperaturbereich von 950 bis 1200°C, ganz besonders bevorzugt bei 1050–1150°C. Diese Temperaturbereiche sind auch beim ersten Vorbehandlungsschritt unter Wasserstoffatmosphäre (ohne Zugabe eines Ätzmediums) besonders bevorzugt.
Dadurch, dass der HCl-Fluss in Schritt 3 des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens auf 1,5–5 slm erhöht wird, der Wasserstofffluss aber konstant gehalten werden kann, wird die Dicke der Siliciumscheibe am Rand stärker reduziert als in Richtung eines Zentrums der Siliciumscheibe. Dies wirkt der konkaven Geometrie der Siliciumscheibe in ihrem Randbereich entgegen.
Während bei einem H₂-Fluss von 50 slm (Standardliter pro Minute) und einem HCl-Fluss von z. B. 1 slm kein erhöhter Materialabtrag am Rand der Siliciumscheibe beobachtet wird (der Materialabtrag ist vielmehr über die gesamte Scheibe im wesentlichen gleichmäßig), kommt es durch eine Erhöhung des HCl-Flusses auf 1,5–5 slm, d. h. mit deutlich erhöhter HCl-Konzentration, je nach Dauer der Behandlung mit HCl zu einem Materialabtrag von bis zu 500–700 nm am Rand der Siliciumscheibe.
Der besondere Vorteil beider erfindungsgemäßer Verfahren besteht darin, dass die Siliciumscheibe nach den Vorbehandlungsschritten eine für die nachfolgende Abscheidung einer epitaktischen Siliciumschicht optimale Form der Vorderseite erhält, da durch die dritte Vorbehandlung die Siliciumscheibe in ihrem Randbereich eingeebnet und die im Randbereich konkave Form der Siliciumscheibe kompensiert wird. In Kombination mit der zweiten Vorbehandlung lassen sich somit auch die Sombrero-Dickenprofile einebnen.
Besonders vorteilhaft ist, dass durch den im Gegensatz zum ersten erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise konstant gehaltenen H₂-Fluss beim dritten Vorbehandlungsschritt des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens eine laminare Gasströmung vorherrscht.
Wie zuvor erwähnt, wird in einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens beim dritten Vorbehandlungsschritt die Verteilung des HCl-Flusses in der Reaktorkammer gesteuert. Dies erhöht die Selektivität der Ätzbehandlung und ist daher ganz besonders bevorzugt.
Für die Epi Centura-Reaktoren von Applied Materials ist eine Vorrichtung namens Accusett^TM erhältlich, umfassend Ventile („metering valves”), die diese Verteilung des HCl-Flusses ermöglicht. Der Fluss des Ätzmediums wird in eine innere und in eine äußere Zone der Reaktorkammer verteilt. Die Steuerung erfolgt vorzugsweise mittels geeigneter Software.
Das Ätzmedium, das in die innere Zone verteilt wird, wirkt auf einen Bereich um das Zentrum der sich auf einem Suszeptor befindlichen Siliciumscheibe. Der Teil des Ätzmediums, der in die äußere Zone der Kammer verteilt wird, wirkt auf einen äußeren Bereich der Siliciumscheibe, also insbesondere auf den Randbereich. Insgesamt entsprechen innere und äußere Zone insgesamt in etwa der Größe der zu behandelnden Siliciumscheibe.
Die Verteilung des Ätzmediums zwischen innerer und äußerer Zone beträgt 0 bis maximal 0,75.
Dieses Verhältnis ergibt sich aus der Menge an Ätzmedium in innerer Zone zu Menge an Ätzmedium in äußerer Zone.
I/O = 0 bedeutet also, dass das gesamte Ätzmedium im Wesentlichen in die äußere Zone, also an den Randbereich der Siliciumscheibe verteilt wird. I/O = 0,75 bedeutet in entsprechender Weise, dass 3 Teile in die innere und 4 Teile in die äußere Zone geleitet werden, was zu einem um etwa 1/3 höheren Materialabtrag im Randbereich zu führen vermag.
Bezüglich der beanspruchten I/O-Verteilung zeigt sich ein deutlicher Unterschied zum Stand der Technik, der wie in US 2008/0182397 A1 bei der Ätzbehandlung eine Verteilung 1,0 bis zu 6,0 vorschreibt.
Die Größe der inneren und äußeren Zone bezogen auf die Siliciumscheibe lässt sich ebenfalls steuern, am einfachsten durch entsprechende Anordnung und Gestaltung der Gaseinlass-Vorrichtungen („Injektoren”), die die Gase in die Reaktorkammer leiten. Beispielweise könnte es sich bei der inneren Zone um eine kreisförmige Region von 75 mm Durchmesser in der Mitte der Siliciumscheibe handeln, bei einem Scheibendurchmesser von 300 mm, wie bereits in US 2008/0182397 A1 beschrieben.
Im erfindungsgemäßen Verfahren entspricht die innere Zone vorzugsweise einem Kreis mit einem Durchmesser von 1–20 mm, 1–50 mm, 1–75 mm, 1–100 mm, 1–150 mm oder größer um das Zentrum der Siliciumscheibe, während die äußere Zone einem Ring mit einer Breite von 1–20 mm, 1–50 mm, 1–75 mm, 1–100 mm, 1–150 mm oder größer, der jeweils den Rand der Siliciumscheibe umfasst, entspricht. Bei diesen Werten wird ebenfalls von Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm ausgegangen. Bei Verwendung von Siliciumscheiben der nächsten, gerade in Entwicklung befindlichen Generation mit einem Substratdurchmesser von 450 mm, werden innere und äußere Zone analog dazu vorzugsweise etwas größer gewählt (z. B. bis zu 1–200 mm oder 1–250 mm).
Die Menge des Ätzmediums in innerer und äußerer Zone wird vorzugsweise durch Veränderung des Durchmessers der Gasrohrleitungen für innere und äußere Zone bewerkstelligt. Durch Verringerung des Leitungsdurchmessers wird jeweils die Menge des Ätzmediums reduziert.
Grundsätzlich ist folgender Aufbau bei dieser Ausführungsform des zweiten erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt: Die Einstellung der Gasmenge erfolgt mittels eines Mass Flow Controllers (MFC), der in der Lage ist, einen Fluss zwischen 0,5 und 5 slm einzustellen. Diese Gasmenge wird dann über eine Hauptgasleitung zu zwei Nadelventilen geführt (innere und äußere Zone) und dort verteilt. Die Regelung erfolgt durch Einstellung der Ventile (Regelung des Leitungsdurchmessers innere und äußere Zone unabhängig voneinander). Die verteilten Gasmengen werden dann über einen Injektor in die Reaktorkammer eingebracht. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass eine automatische Steuerung über geeignete Software möglich ist.
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, besonders bevorzugt bei einer Abscheidetemperatur von 1050–1150°C.
Die Dicke der abgeschiedenen epitaktischen Schicht beträgt üblicherweise 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 üblicherweise 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.
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 oder eine Siliciumscheibe, die mit einer Silicium-Germanium (SiGe)-Schicht versehen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen, die sich auf einen Epitaxiereaktor vom Typ Epi Centura von Applied Materials beziehen, sowie anhand von Figuren erläutert.
Figuren
Kurzbeschreibung der Figuren
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. Dies entspricht den jeweils zweiten Vorbehandlungsschritten beider erfindungsgemäßen Verfahren.
3 zeigt den Materialabtrag an einer polierten Siliciumscheibe mit Durchmesser 300 mm durch Ätz-Vorbehandlung in einem Epitaxiereaktor für verschiedene Flüsse des Ätzmediums und I/O-Verhältnisse. Hier wird das zweite erfindungsgemäße Verfahren und seine bevorzugte Ausführungsform verständlich gemacht.
4 und 5 zeigen Dickenprofile von polierten Siliciumscheiben ohne (4) und nach erfindungsgemäßer Vorbehandlung (5) im Epitaxiereaktor.
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.
Die Verteilung der Lampenleistung auf innen/außen wird bei der Ätzvorbehandlung anders gewählt 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. Dem Fachmann bereitet es keine Probleme, zunächst eine homogene Temperaturverteilung einzustellen. Tabelle 1

Gesamt-Leistung		Obere HeizElemente		Untere HeizElemente
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

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 führte 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 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 Atzabtrags-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.
3 zeigt für verschiedene Ätzbehandlungen jeweils den Materialabtrag an einer polierten Siliciumscheibe. Dargestellt ist jeweils der Abtrag in μm in Abhängigkeit vom Durchmesser der Siliciumscheibe in mm (dargestellt als Line-Scan von –150 mm bis +150 mm).

71 zeigt den Materialabtrag nach Ätzbehandlung im Epitaxiereaktor bei einem Fluss des Ätzmediums von 0,9 slm. Dies entspricht einer Standardätze nach Stand der Technik mit durch den herkömmlichen Mass Flow Controller begrenztem HCl-Fluss (üblicherweise max. 1 slm).
72 zeigt den Materialabtrag an der Siliciumscheibe nach Vorbehandlung mit 1,5 slm HCl-Fluss und 30 sec Behandlungsdauer (Schritt 3 im zweiten erfindungsgemäßen Verfahren)
73 zeigt den Materialabtrag der Scheibe nach erfindungsgemäßer Behandlung mit 1,5 slm HCl-Fluss, 40 sec Behandlungsdauer und erfindungsgemäßer Gasverteilung I/O = 0/200.
74 zeigt den Materialabtrag der Scheibe nach erfindungsgemäßer Behandlung mit 2,5 slm HCl-Fluss, 40 sec Behandlungsdauer und erfindungsgemäßer Gasverteilung I/O = 0/200 = 0.

Insbesondere bei 74 zeigt sich eine deutliche Erhöhung des Ätzabtrags im Randbereich.
Beispiel:
Auf einer gemäß dem Stand der Technik hergestellten und abschließend auf ihrer Vorderseite mittels CMP polierten Siliciumscheibe mit einem Durchmesser von 300 mm wurde eine epitaktische Schicht abgeschieden.
Die zu epitaxierende Siliciumscheibe wies eine konkave Randgeometrie und eine konvexe Geometrie in einem Bereich um das Zentrum der Siliciumscheibe auf.
4 und 5 zeigen beispielhaft entsprechende Gesamtdickenprofile.
Zu erkennen ist auch der Randabfall der Dicke.
4 stellt dabei eine polierte Siliciumscheibe ohne die beschriebene Vorbehandlung dar, 5 mit erfindungsgemäßer Vorbehandlung. Die dazu verwendeten Prozessparameter werden nachfolgend erläutert.
Dargestellt ist jeweils der Verlauf der Gesamtdicke in Abhängigkeit vom Durchmesser (0 bis 300 mm).
Bei der Vorbehandlung dieser Siliciumscheibe im Epitaxiereaktor erfolgte zunächst eine Vorbehandlung in Wasserstoffatmosphäre bei einem H₂-Fluss von 60 slm für etwa 60 sec.
Dieser H₂-Bake erfolgte bei einer Temperatur von 1150°C.
Anschließend wurde auf eine Temperatur von 1000°C gefahren (Ramp) und HCl mit einem Fluss von 1,0 slm der Wasserstoffatmosphäre zugegeben. Der Wasserstofffluss betrug in diesem Schritt 2 wiederum 60 slm. In Schritt 2 wurde eine Temperaturverteilung gewählt, die zu einem Temperaturunterschied von 20°C zwischen innerer und äußerer Zone führt (Temperatur in innerer Zone ist um 20°C höher als die Temperatur in der äußeren Zone). Dazu wurde die Verteilung 66%/16% bezüglich der Lampenleistung genutzt, vgl. Tabelle 1.
Dadurch wurde ein erhöhter Materialabtrag im Bereich des Scheibenzentrums erzielt.
Bei der nachfolgenden Vorbehandlung, die wiederum mit in die Wasserstoffatmosphäre zugegebenem Chlorwasserstoff erfolgte, betrug der HCl-Fluss 3,5 slm. In Schritt 3 wurde also der HCl-Fluss gegenüber Schritt 2 erhöht. Ebenso wäre es möglich, stattdessen den H2-Fluss auf 10 slm oder weniger abzusenken (vgl. erstes erfindungsgemäßes Verfahren). Im Beispiel betrug der Wasserstofffluss in Schritt 3 20 slm. Durch Schritt 3 wurde überwiegend Material am Rand der Siliciumscheibe abgetragen.
Schritt 3 erfolgte, nachdem auf eine Temperatur von 1150°c gefahren wurde.
Schließlich wurde in Schritt 4 bei einer Abscheidetemperatur von 1120°C, einem Wasserstofffluss von 50 slm und einem Trichlorsilan (TCS)-Fluss von 17 slm eine epitaktische Schicht abgeschieden. Die Abscheidetemperatur betrug 1120°C.

Im Folgenden sind die wichtigsten Prozessparameter auf einen Blick dargstellt:

	Schritt 1	Schritt 2	Schritt 3	Schritt 4
	H₂-Bake	Ätzen 1	Ätzen 2	Abscheidung
Verteilung
Ätzmedium I/O			0/200
Lampenleistung		66%/16%
HCl in slm	–	1,0	3,5	–
H₂ in slm	60	60	20	50
TCS in slm				17
Temperatur	1150	1000	1150	1120
in °C

Dadurch war es insgesamt möglich, das Sombrero-Dickenprofil aus 4 zu kompensieren und nach Schritt 4, der epitaktischen Beschichtung, eine epitaxierte Siliciumscheibe mit hervorragender globaler Ebenheit zu erhalten.
Die Prozessparameter in Schritt 4 werden so gewählt, dass eine bezüglich ihrer Dicke möglichst gleichförmige epitaktische Schicht abgeschieden wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19938340 C1 [0010]
- DE 10025871 A1 [0012]
- DE 102005045339 B4 [0023, 0024, 0025]
- US 2008/0182397 A1 [0026, 0026, 0027, 0079, 0080]
- US 2008/0245767 A1 [0028]
- US 2007/0010033 A1 [0029]
- EP 0445596 B1 [0041, 0042]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Siliciumscheibe, bei dem eine auf ihrer Vorderseite polierte Siliciumscheibe auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt unter Wasserstoffatmosphäre sowie in einem zweiten und einem dritten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre vorbehandelt und anschließend mit einer epitaktischen Schicht versehen wird, wobei beim ersten und beim zweiten Schritt der Wasserstofffluss 20–100 slm beträgt, beim zweiten und dritten Schritt der Fluss des Ätzmediums 0,5–1,5 slm beträgt, beim zweiten Schritt darüber hinaus eine mittlere Temperatur in der Reaktorkammer 950–1050°C beträgt und die Leistung von über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe und einem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied von 5–30°C besteht; und beim dritten Schritt der Wasserstofffluss auf 0,5–10 slm abgesenkt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt 1 und Schritt 3 der Vorbehandlung jeweils in einem Temperaturbereich von 950 bis 1200°C erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Schritt 1 und Schritt 3 der Vorbehandlung jeweils in einem Temperaturbereich von 1050 bis 1150°C erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei Schritt 1 und Schritt 2 der Vorbehandlung der Wasserstofffluss 40–60 slm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dauer der Vorbehandlung jeweils 10–120 s bei jedem Vorbehandlungsschritt beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dauer der Vorbehandlung jeweils 20–60 s bei jedem Vorbehandlungsschritt beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei beim dritten Schritt der Vorbehandlung der Wasserstofffluss auf 0,5–5 slm abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei beim zweiten Schritt der Vorbehandlung eine mittlere Temperatur in der Reaktorkammer 980–1020°C beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Siliciumscheibe, bei dem eine auf ihrer Vorderseite polierte Siliciumscheibe auf einem Suszeptor im Epitaxiereaktor abgelegt, in einem ersten Schritt unter Wasserstoffatmosphäre sowie in einem zweiten und einem dritten Schritt unter Zugabe eines Ätzmediums zur Wasserstoffatmosphäre vorbehandelt und anschließend mit einer epitaktischen Schicht versehen wird, wobei bei allen Vorbehandlungsschritten der Wasserstofffluss 1–100 slm beträgt, beim zweiten Schritt der Fluss des Ätzmediums 0,5–1,5 slm und beim dritten Schritt der Fluss des Ätzmediums 1,5–5 slm beträgt, beim zweiten Schritt eine mittlere Temperatur in der Reaktorkammer 950–1050°c beträgt und die Leistung von über und unter dem Suszeptor angeordneten Heizelementen derart geregelt wird, dass zwischen einem radialsymmetrischen, die zentrale Achse umfassenden Bereich der zu epitaxierenden Siliciumscheibe und einem außerhalb dieses Bereichs liegenden Teil der Siliciumscheibe ein Temperaturunterschied von 5–30°C besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mittels Injektoren in die Reaktorkammer eingebrachte Gasflüsse mittels Ventilen in eine äußere und eine innere Zone der Reaktorkammer verteilt werden, so dass der Gasfluss in der inneren Zone auf einen Bereich um das Zentrum der Siliciumscheibe und der Gasfluss in der äußeren Zone auf einen Randbereich der Siliciumscheibe wirkt und im dritten Vorbehandlungsschritt die Verteilung des Ätzmediums in innerer und äußerer Zone I/O = 0 – 0,75 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei Schritt 1 und Schritt 3 der Vorbehandlung jeweils in einem Temperaturbereich von 950 bis 1200°C erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Schritt 1 und Schritt 3 der Vorbehandlung jeweils in einem Temperaturbereich von 1050 bis 1150°C erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei bei Schritt 1 und Schritt 2 der Vorbehandlung der Wasserstofffluss 20–80 slm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei bei Schritt 1 und Schritt 2 der Vorbehandlung der Wasserstofffluss 40–60 slm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Dauer der Vorbehandlung jeweils 10–120 s bei jedem Vorbehandlungsschritt beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Dauer der Vorbehandlung jeweils 20–60 s bei jedem Vorbehandlungsschritt beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei der Wasserstofffluss in Schritt 3 der Vorbehandlung 20–60 slm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Wasserstofffluss in Schritt 3 der Vorbehandlung 20–40 slm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei in Schritt 3 der Vorbehandlung der Fluss des Ätzmediums 2,0–4,5 slm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wobei in Schritt 3 der Vorbehandlung der Fluss des Ätzmediums 3,0–4,0 slm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 20, wobei beim zweiten Schritt der Vorbehandlung eine mittlere Temperatur in der Reaktorkammer 980–1020°C beträgt.