DE102010006725B4

DE102010006725B4 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe aus Silizium mit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht

Info

Publication number: DE102010006725B4
Application number: DE102010006725.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Hager; Thomas Loch; Norbert Werner
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: CN102168304A; TW201128688A; KR20110090832A; KR101230176B1; JP5063786B2; CN102168304B; SG173301A1; US9410265B2; JP2011159978A; US20110189842A1; DE102010006725A1; TWI453801B

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe aus Silizium mit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht, umfassend das Ablegen einer Platzhalterscheibe auf einem Suszeptor eines Epitaxiereaktors, wobei die Platzhalterscheibe aus Silizium besteht, oder aus Silizium besteht und auf der Rückseite oder vollständig mit einer Oxidschicht bedeckt ist, oder aus Siliziumcarbid besteht und auf der Rückseite oder vollständig mit einer Oxidschicht bedeckt ist; das Durchleiten eines Ätzgases durch den Epitaxiereaktor zum Entfernen von Rückständen auf Oberflächen im Epitaxiereaktor durch Einwirkung des Ätzgases; das Durchleiten eines ersten Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor zum Abscheiden von Silizium auf Oberflächen im Epitaxiereaktor; das Ersetzen der Platzhalterscheibe durch eine Substratscheibe aus Silizium; und das Durchleiten eines zweiten Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Substratscheibe.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe aus Silizium mit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht in einem Epitaxiereaktor, das folgende Schritte umfasst:
das Durchleiten eines Ätzgases durch den Epitaxiereaktor zum Entfernen von Rückständen auf Oberflächen im Epitaxiereaktor durch Einwirkung des Ätzgases;
das Durchleiten eines ersten Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor zum Abscheiden von Silizium auf Oberflächen im Epitaxiereaktor;
das Ablegen einer Substratscheibe aus Silizium auf einem Suszeptor des Epitaxiereaktors; und
das Durchleiten eines zweiten Abscheidegases zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Substratscheibe.
Ein Verfahren, das diese Schritte ebenfalls umfasst, ist beispielsweise in der EP 1 533 836 A1 beschrieben. Demnach ist es von Vorteil und gegebenenfalls auch notwendig, Rückstände von Oberflächen im Epitaxiereaktor zu entfernen, die sich während des Abscheidens von Silizium auf einer Substratscheibe auf diesen Oberflächen unkontrolliert abgelagert haben. Ein solcher Schritt, der nachfolgend Kammerätze genannt wird, wird je nach Verunreinigungsgrad und Qualitätsanspruch mehr oder weniger häufig durchgeführt. Wenn die auf der Substratscheibe epitaktisch abgeschiedene Schicht 20 μm oder dicker ist oder wenn ein besonders hoher Qualitätsanspruch besteht, ist es zweckmäßig, nach dem Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe eine Kammerätze durchzuführen, bevor eine weitere Substratscheibe beschichtet wird. In anderen Fällen kann die Kammerätze auch seltener, beispielsweise nach jeder 2. bis 8. Beschichtung von Substratscheiben erfolgen. In der EP 1 533 836 A1 wird auch vorgeschlagen, die geätzten Oberflächen im Epitaxiereaktor durch Durchleiten eines Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor mit einem dünnen Film von Silizium zu beschichten. Der dünne Film von Silizium versiegelt die Oberflächen und verhindert, dass von den Oberflächen diffundierende Verunreinigungen während einer nachfolgenden Beschichtung einer Substratscheibe in die aufwachsende epitaktische Schicht gelangen. Das Abscheiden eines dünnen Films aus Silizium auf Oberflächen des Epitaxiereaktors im Anschluss an die Kammerätze wird nachfolgend Kammerbeschichtung („coating”) genannt.
In der DE 10 2005 045 337 A1 ist beschrieben, dass sich eine Kammerätze nachteilig auf die Ebenheit einer nachfolgend mit einer epitaktischen Schicht beschichteten Substratscheibe auswirkt. So ist insbesondere die lokale Ebenheit einer solchen Halbleiterscheibe beeinträchtigt. Es wird daher empfohlen, den Suszeptor nach der Kammerätze zu hydrophilieren, indem eine hydrophile Scheibe für kurze Zeit auf den Suszeptor gelegt wird. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass zum Hydrophilieren des Suszeptors ein eigener Verfahrensschritt erforderlich ist.
Die Kammerätze wirkt sich auch nachteilig auf die Lebensdauer der Minoritäts-Ladungsträger einer nachfolgend mit einer epitaktischen Schicht beschichteten Substratscheibe aus. Die Lebensdauer der Minoritäts-Ladungsträger einer solchen Halbleiterscheibe, bestimmt durch „microwave photoconductivity decay (μ-PCD)”, ist deutlich kürzer, als wenn vor der Beschichtung einer Substratscheibe auf Kammerätze und Kammerbeschichtung verzichtet wird.
Die Kammerätze hat außerdem eine korrodierende Wirkung auf den Suszeptor und insbesondere auf Hebestifte („lift pins”), die dem Anheben und Ablegen von Scheiben dienen und im Boden des Suszeptors eingebettet sind. Suszeptor und Hebestifte müssen deshalb vergleichsweise häufig wegen Verschleißes durch Korrosion ausgetauscht werden.
US 2008/0132042 A1 beschreibt ein Verfahren zum Reinigen der Kammer eines CVD-Reaktors und das Abscheiden von dotiertem Polysilizium im Inneren der Kammer.
US 7 064 073 B1 beschreibt ein ähnliches Verfahren, wobei mindestens eine Oberfläche einer Reaktionskammer mit undotiertem Halbleitermaterial beschichtet wird und die Beschichtung wieder entfernt wird.
JP 2004 193 396 A beschreibt das Zuführen eines Reinigungsgases in eine Prozesskammer zum Zweck von deren Reinigung in Gegenwart einer, auf einem Substrathalter gelegten Platzhalterscheibe.
Es bestand die Aufgabe, mit der Kammerätze verbundene Nachteile zu mildern, ohne auf damit verbundene Vorteile verzichten und ohne neue Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe aus Silizium mit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht, umfassend
das Ablegen einer Platzhalterscheibe auf einem Suszeptor eines Epitaxiereaktors, wobei die Platzhalterscheibe aus Silizium besteht, oder aus Silizium besteht und auf der Rückseite oder vollständig mit einer Oxidschicht bedeckt ist, oder aus Siliziumcarbid besteht und auf der Rückseite oder vollständig mit einer Oxidschicht bedeckt ist;
das Durchleiten eines Ätzgases durch den Epitaxiereaktor zum Entfernen von Rückständen auf Oberflächen im Epitaxiereaktor durch Einwirkung des Ätzgases;
das Durchleiten eines ersten Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor zum Abscheiden von Silizium auf Oberflächen im Epitaxiereaktor;
das Ersetzen der Platzhalterscheibe durch eine Substratscheibe aus Silizium; und
das Durchleiten eines zweiten Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Substratscheibe.
Die Erfindung sieht vor, dass eine Platzhalterscheibe („dummy wafer”) sowohl während der Kammerätze, als auch während der Kammerbeschichtung auf dem Suszeptor liegt. Mit diesem Vorgehen sind verschiedene Vorteile verbunden. Die Lebensdauer von Minoritäts-Ladungsträgern der ersten Halbleiterscheibe mit epitaktisch abgeschiedener Schicht, die im Anschluss an Kammerätze und Kammerbeschichtung hergestellt wird, ist länger, als wenn während der Kammerätze und der Kammerbeschichtung auf die Gegenwart der Platzhalterscheibe verzichtet wird. Ebenso ist der Verschleiß bei Suszeptor und Haltestiften geringer. Die Platzhalterscheibe schirmt während der Kammerätze und der Kammerbeschichtung einen großen Teil des Suszeptors ab. Chlorwasserstoff, der während der Kammerätze üblicherweise im Ätzgas enthalten ist, kann den abgeschirmten Teil des Suszeptors, insbesondere die dort eingelassenen Hebestifte kaum oder überhaupt nicht erreichen. Der durch die Platzhalterscheibe abgeschirmte Teil des Suszeptors ist also während Kammerätze dem korrodierenden Einfluss des Ätzgases entzogen. Während der anschließenden Kammerbeschichtung liegt die Platzhalterscheibe weiterhin auf dem Suszeptor, so dass auch kein dünner Film aus Silizium auf dem durch die Platzhalterscheibe abgeschirmten Teil des Suszeptors abgeschieden wird. Das wirkt sich in verschiedener Hinsicht vorteilhaft aus, weil das Folgende vermieden wird.
Wird während der Kammerätze und der Kammerbeschichtung auf die Platzhalterscheibe verzichtet, ist der Suszeptor nach der Kammerbeschichtung mit einem dünnen Film aus Silizium belegt, der mit Chlorwasserstoff verunreinigt ist. Beim Beschichten der Vorderseite der Substratscheibe mit einer epitaktischen Schicht diffundiert Chlorwasserstoff aus dem Film in die abgeschiedene epitaktische Schicht und verursacht die beobachtete verkürzte Lebensdauer von Minoritäts-Ladungsträgern.
Wird während der Kammerätze und der Kammerbeschichtung auf die Platzhalterscheibe verzichtet, besteht beim Beschichten der Substratscheibe aus Silizium mit der epitaktischen Schicht die Gefahr, dass die Substratscheibe, die im Bereich ihres Randes auf einem Vorsprung des Suszeptors („susceptor-ledge”) aufliegt, mit dem dünnen Film aus Silizium punktuell zusammenwächst, der während der Kammerbeschichtung auf dem Suszeptor abgeschieden wurde. Dabei entstehen im Randbereich der Rückseite der beschichteten Halbleiterscheibe Defekte, die Gitterspannungen hervorrufen und Auslöser von Gleitungen („slip”) sind.
Wird während der Kammerätze und der Kammerbeschichtung auf die Platzhalterscheibe verzichtet und ein Suszeptor mit einem Boden aus gasundurchlässigem Material verwendet, das weder Bohrungen noch offene Poren aufweist, besteht schließlich die Gefahr, dass Wasserstoff während der Beschichtung der Substratscheibe durch einen zwischen dem Boden des Suszeptors und einem Hebestift bestehenden Spalt zur Rückseite der Substratscheibe gelangt und eine native Oxidschicht auf der Rückseite der Substratscheibe lokal auflöst. Dabei entstehen Übergänge von nativer Oxidschicht und oxidfreien Bereichen, die als sogenanntes „pin halo” in gebündeltem Licht sichtbar sind. Diese Übergänge beeinträchtigen die Nanotopographie der Rückseite der Substratscheibe, das heißt, sie verursachen Höhenschwankungen von bis zu 60 nm, gemessen auf einer Strecke von 0,5 bis 10 mm. Die Übergänge entstehen nicht, wenn die Platzhalterscheibe während der Kammerätze und der Kammerbeschichtung vorhanden ist. Die Platzhalterscheibe schirmt den darunter liegenden Teil des Suszeptors ab und erhält so den hydrophilen Charakter der Oberfläche des Suszeptors. Diese Oberflächeneigenschaft bewahrt später die native Oxidschicht auf der Rückseite der Substratscheibe davor, im Bereich der Hebestifte aufgelöst zu werden.
Die Platzhalterscheibe besteht aus Silizium, oder aus Silizium und ist auf der Rückseite oder vollständig mit einer Oxidschicht bedeckt, oder besteht aus Siliziumcarbid und ist auf der Rückseite oder vollständig mit einer Oxidschicht bedeckt. Die Oxidschicht schützt beispielsweise darunter liegendes Silizium der Platzhalterscheibe vor dem Abbau durch das Ätzgas und hydrophiliert den von der Platzhalterscheibe abgedeckten Teil des Suszeptors.
Besonders bevorzugt ist eine Platzhalterscheibe aus Silizium oder aus Siliziumcarbid, die auf der Rückseite oder vollständig, also beidseitig und an den Kanten mit einer LTO-Schicht („low thermal Oxide”) beschichtet ist. Die LTO-Schicht ist vorzugsweise 100 bis 40000 nm dick. Es ist auch bevorzugt, die Platzhalterscheibe wiederzuverwenden, das heißt, sie während mindestens einer weiteren Kammerätze und während mindestens einer weiteren Kammerbeschichtung einzusetzen, die vor dem Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer anderen Substratscheibe durchgeführt werden.
Zur Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise ein Epitaxiereaktor mit einer Kapazität zum Beschichten einer einzelnen Substratscheibe verwendet, beispielsweise ein Einzelscheiben-Epitaxiereaktor vom Typ Centura der Firma Applied Materials, Inc. oder vom Typ Epsilon der Firma ASM International N. V.
Platzhalterscheibe und Substratscheibe liegen vorzugsweise auf einem auf dem Suszeptor aufliegenden Ring aus Siliziumcarbid auf, wodurch die thermische Belastung der Substratscheibe während des Abscheidens der epitaktischen Schicht verringert wird. Als gleichermaßen bevorzugte Alternative kann auch ein einteiliger Suszeptor mit einem Vorsprung „susceptor-ledge” als Randauflage verwendet werden. In beiden Fällen haben Platzhalterscheibe und Substratscheibe nur im Randbereich Kontakt zur Unterlage.
Der Boden des Suszeptors hat vorzugsweise eine gasdurchlässige Struktur, die durch offene Poren oder Durchtrittslöcher gekennzeichnet ist. Er kann jedoch auch aus einem gasundurchlässigen Material bestehen.
Vor der Kammerätze wird die Platzhalterscheibe auf dem Suszeptor abgelegt. In diesem Zustand liegen sich die Rückseite der Platzhalterscheibe und der Boden des Suszeptors gegenüber. Die Kammerätze wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C durchgeführt. Als Ätzgas wird vorzugsweise ein Gemisch aus Chlorwasserstoff und Wasserstoff verwendet. Chlorwasserstoff wird mit einem Gasfluss von vorzugsweise 5 bis 20 slm (Standard Liter pro Minute), Wasserstoff mit einem Gasfluss von vorzugsweise 5 bis 50 slm durch den Epitaxiereaktor geleitet. Die Kammerätze dauert vorzugsweise 50 bis 400 s.
Die Kammerbeschichtung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1100 bis 1200°C durchgeführt, vorzugsweise mit einem ersten Abscheidegas, das Trichlorsilan enthält. Der Gasfluss des Trichlorsilans beträgt vorzugsweise 10 bis 19 slm. Die Kammerbeschichtung dauert vorzugsweise 10 bis 100 s. Die während der Kammerätze eingesetzte Platzhalterscheibe liegt auch während der Kammerbeschichtung auf dem Suszeptor.
Nach der Kammerbeschichtung wird die Temperatur im Epitaxiereaktor auf eine Temperatur von 550 bis 900°C abgesenkt und die Platzhalterscheibe durch die Substratscheibe ersetzt. In diesem Zustand liegen sich die Rückseite der Substratscheibe und der Boden des Suszeptors gegenüber.
Die Substratscheibe ist vorzugsweise eine einkristalline Siliziumscheibe mit polierter Vorderseite. Der Durchmesser der Substratscheibe beträgt vorzugsweise 150 bis 450 mm, beispielsweise 150 mm, 200 mm, 300 mm oder 450 mm. Die Substratscheibe kann beispielsweise gemäß der in der DE 10 2005 045 337 A1 beschriebenen Weise hergestellt werden.
Vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht erfährt die Substratscheibe vorzugsweise die folgende Vorbehandlung im Epitaxiereaktor: zunächst wird die Substratscheibe einer Behandlung mit Wasserstoff ausgesetzt („H₂-bake”), um die native Oxidschicht von der Vorderseite oder von der Vorderseite und der Rückseite der Substratscheibe zu entfernen. Danach werden Chlorwasserstoff und Wasserstoff durch den Epitaxiereaktor geleitet, um vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht die Oberfläche der Vorderseite der Substratscheibe zu glätten.
Nach der Vorbehandlung wird die Vorderseite der Substratscheibe bei einer Temperatur von vorzugsweise 1100 bis 1200°C mit einer epitaktischen Schicht beschichtet, indem ein zweites Abscheidegas durch den Epitaxiereaktor geleitet wird. Die Rückseite der Substratscheibe wird währenddessen vorzugsweise mit Wasserstoff gespült. Das zweite Abscheidegas enthält Verbindungen, deren Zersetzung die die epitaktische Schicht bildenden Stoffe bereitstellt. Zu diesen Stoffen gehören vorzugsweise Silizium, Germanium und Dotierstoffe wie Bor, Phosphor oder Arsen. Beispielsweise ist für die Abscheidung einer mit Bor dotierten Siliziumschicht ein Abscheidegas enthaltend Trichlorsilan, Wasserstoff und Diboran bevorzugt. Es können auch Schichten abgeschieden werden, die aus anderen Materialien als Silizium bestehen, beispielsweise aus Germanium oder aus Silizium und Germanium.
Nach dem Abscheiden der epitaktischen Schicht auf der Substratscheibe wird das Verfahren mit dem Ablegen der Platzhalterscheibe auf dem Suszeptor und der Kammerätze erneut durchgeführt oder es werden vorzugsweise 2 bis 24 oder mehr weitere Substratscheiben beschichtet, bevor die nächste Kammerätze und Kammerbeschichtung in Gegenwart der Platzhalterscheibe durchgeführt werden.
Beispiel:
Nach einer Kammerätze und einer Kammerbeschichtung wurden Substratscheiben aus Silizium mit einem Durchmesser von 300 mm mit einer epitaktischen Schicht aus Silizium beschichtet. Die Kammerätze in Gegenwart von Chlorwasserstoff wurde bei einer Temperatur von 1170°C durchgeführt und dauerte 200 s. Die darauf folgende Kammerbeschichtung wurde bei einer Temperatur von 1150°C durchgeführt und dauerte 40 s. Das dafür verwendete erste Abscheidegas bestand aus einem Gemisch von Trichlorsilan und Wasserstoff, die mit einem Gasfluss von 17 slm, beziehungsweise 30 slm durch den Epitaxiereaktor geleitet wurden.
Das zur Beschichtung der Vorderseite der Substratscheibe verwendete zweite Abscheidegas bestand aus einem Gemisch von Trichlorsilan und Wasserstoff. Trichlorsilan wurde mit einem Gasfluss von 17 slm, Wasserstoff mit einem Gasfluss von 50 slm durch den Epitaxiereaktor geleitet. Die Beschichtungsdauer betrug 100 s, die Beschichtungstemperatur 1150°C.
Die beschichteten Halbleiterscheiben wurden unterschieden in solche, die nach einer Kammerätze und einer Kammerbeschichtung in Gegenwart einer Platzhalterscheibe beschichtet wurden (Halbleiterscheibe gemäß Beispiel), und solche, die nach einer Kammerätze und Kammerbeschichtung in Abwesenheit der Platzhalterscheibe beschichtet wurden (Halbleiterscheibe gemäß Vergleichsbeispiel). Während der Kammerätze und der Kammerbeschichtung in Gegenwart einer Platzhalterscheibe wurde eine Platzhalterscheibe aus Siliziumcarbid verwendet, die auf der Rückseite mit einer LTO-Schicht bedeckt war.
Eine anschließende Untersuchung der beschichteten Halbleiterscheiben ergab das folgende Ergebnis:
Die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern, gemessen mittels μ-PCD, war bei den Halbleiterscheiben gemäß dem Vergleichsbeispiel durchschnittlich um 23% kürzer als bei den Halbleiterscheiben gemäß Beispiel.
Die Nanotopographie der Rückseite, gemessen entsprechend der in der SEMI M43 festgelegten Methode und ausgedrückt in Form des Schwellenwerts T war mit beispielsweise T = 18 nm im Vergleich zu beispielsweise T = 55 nm bei den Halbleiterscheiben gemäß Beispiel deutlich besser als bei den Halbleiterscheiben gemäß Vergleichsbeispiel. Die Messungen wurden mit einem Gerät vom Typ Wafersight der Firma ADE durchgeführt. Der Schwellenwert T wurde als 3 Sigma-PV-Wert („PV = peak-to-valley”) aus der Verteilung aller über die FQA („fixed quality area”) gemessenen PV-Werte berechnet. Die quadratischen Messfelder hatten eine Kantenlänge von 10 mm.
1 und 2 zeigen die bei der Nanotopographie-Messung ermittelten Höhenschwankungen der Rückseite der beschichteten Halbleiterscheibe. Die verbesserte Nanotopographie lässt sich an einem Vergleich dieser Figuren erkennen. So ist insbesondere das in 1 deutlich sichtbare „pin halo” auf der Rückseite einer Halbleiterscheibe gemäß Vergleichsbeispiel auf der Rückseite einer Halbleiterscheibe gemäß Beispiel (2) nicht vorhanden.
Defekte im Randbereich der Rückseite wurden mit einem Gerät vom Typ NSX^® der Firma Rudolph nachgewiesen. Entsprechende Defektbilder (3 und 4) zeigen, dass Anzahl und Dichte von „slip” verursachenden Defekten bei einer Halbleiterscheibe gemäß Vergleichsbeispiel (3) deutlich höher waren, als bei einer Halbleiterscheibe gemäß Beispiel (4).
Ein Vergleich von 5 und 6 macht einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren deutlich. Dargestellt ist jeweils der Dickenunterschied einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht entlang des Durchmessers einer beschichteten Halbleiterscheibe. Die Halbleiterscheibe gemäß Vergleichsbeispiel (5) weist eine ausgeprägte Dickenerhöhung am Rand auf. Bei der Halbleiterscheibe gemäß Beispiel (6) ist die Dickenerhöhung am Rand deutlich kleiner.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe aus Silizium mit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht, umfassend das Ablegen einer Platzhalterscheibe auf einem Suszeptor eines Epitaxiereaktors, wobei die Platzhalterscheibe aus Silizium besteht, oder aus Silizium besteht und auf der Rückseite oder vollständig mit einer Oxidschicht bedeckt ist, oder aus Siliziumcarbid besteht und auf der Rückseite oder vollständig mit einer Oxidschicht bedeckt ist; das Durchleiten eines Ätzgases durch den Epitaxiereaktor zum Entfernen von Rückständen auf Oberflächen im Epitaxiereaktor durch Einwirkung des Ätzgases; das Durchleiten eines ersten Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor zum Abscheiden von Silizium auf Oberflächen im Epitaxiereaktor; das Ersetzen der Platzhalterscheibe durch eine Substratscheibe aus Silizium; und das Durchleiten eines zweiten Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Substratscheibe.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf mindestens 2 bis 24 weiteren Substratscheiben, ohne zwischenzeitliches Ablegen der Platzhalterscheibe auf dem Suszeptor.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platzhalterscheibe wiederverwendet wird.