DE102011007632B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe, umfassend eine Reaktorkammer, die durch einen oberen Deckel und einen unteren Deckel und eine Seitenwand begrenzt ist; einen Suszeptor zum Halten der Substratscheibe während des Abscheidens der Materialschicht; einen Vorheizring, der den Suszeptor umgibt; ein Futter, auf dem der Vorheizring in einer zentrierten Lage abgestützt ist, in der zwischen dem Vorheizring und dem Suszeptor ein Spalt mit einheitlicher Breite vorhanden ist; und ein zwischen dem Futter und dem Vorheizring wirkender Abstandhalter, der den Vorheizring in der zentrierten Lage hält und einen Abstand Δ zwischen dem Vorheizring und dem Futter herstellt.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe und ein Verfahren, das diese Vorrichtung verwendet.
  • Gegenstand der Erfindung ist insbesondere eine Vorrichtung zum Abscheiden einer Materialschicht durch chemische Gasphasenabscheidung („chemical vapor deposition”, CVD), beispielsweise eine Vorrichtung zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe aus einem Halbleitermaterial wie Silizium.
  • Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe ist bekannt und geht beispielsweise aus der Beschreibung in der WO 2007/050309 A1 hervor. Demnach umfasst eine solche Vorrichtung eine Reaktorkammer, die durch einen oberen Deckel („upper dome”), einen unteren Deckel („lower dome”) und eine Seitenwand begrenzt wird. Über und unter der Reaktorkammer sind Strahlungsheizungen angeordnet, die während des Abscheidens einer Materialschicht ausreichend Wärme erzeugen, damit über die Substratscheibe geleitetes Prozessgas aktiviert wird und sich eine aus Bestandteilen des Prozessgases hervorgehende Materialschicht auf der Oberfläche der Substratscheibe bildet. Die Substratscheibe wird von einem Suszeptor gehalten, der von einem Vorheizring umgeben ist. Der Vorheizring liegt auf einem Futter („liner”), das Bestandteil der Seitenwand der Reaktorkammer ist. Er hat die Funktion, das Erhitzen von Prozessgas, das zur Substratscheibe geleitet wird, zu unterstützen. In die Seitenwand integriert sind Zuführungs- und Auslass-Öffnungen zum Zuführen des Prozessgases, beziehungsweise zum Abführen von daraus hervorgehenden Abgasen.
  • In der JP2006049503 A wird eine Vorrichtung besprochen, die zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Halbleiterscheibe aus Silizium verwendet wird. Diese Vorrichtung hat den vorstehend beschriebenen prinzipiellen Aufbau und weist darüber hinaus weitere Zuführungs- und Auslass-Öffnungen auf, die in die Seitenwand der Reaktorkammer integriert sind. Die weitern Zuführungs- und Auslass-Öffnungen dienen dem Zuführen von Spülgas in das unter dem Suszeptor vorhandene Volumen der Reaktorkammer beziehungsweise dem Abführen des Spülgases aus diesem Volumen. Gemäß der Beschreibung in der JP2006049503 A können gasförmige Verbindungen durch den Spalt zwischen dem Vorheizring und dem Suszeptor zur wachsenden epitaktischen Schicht gelangen und den spezifischen Widerstand der epitaktischen Schicht im Randbereich der Halbleiterscheibe verändern. Um diesen „autodoping”-Effekt zu verhindern, wird in der JP2006049503 A vorgeschlagen, den Spalt zu bedecken.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass bei Verwendung einer Vorrichtung, die prinzipiell ausgestaltet ist, wie die in der WO 2007/050309 A1 oder die in der JP2006049503 A beschriebene Vorrichtung mit Problemen gerechnet werden muss.
  • So besteht das Risiko, dass der radiale Verlauf des spezifischen Widerstands einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht aus Silizium, über den Durchmesser der Substratscheibe betrachtet, ausgeprägt unsymmetrisch wird. Idealerweise ist der Verlauf symmetrisch oder zumindest nahezu symmetrisch.
  • Darüber hinaus ist damit zu rechnen, dass Partikel die abgeschiedene Materialschicht in einem vergleichsweise hohen Ausmaß verunreinigen.
  • Es bestand daher die Aufgabe, eine Lösung anzubieten, die die beschriebenen Probleme vermeidet.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe, umfassend
    eine Reaktorkammer, die durch einen oberen Deckel und einen unteren Deckel und eine Seitenwand begrenzt ist;
    einen Suszeptor zum Halten der Substratscheibe während des Abscheidens der Materialschicht;
    einen Vorheizring, der den Suszeptor umgibt;
    ein Futter, auf dem der Vorheizring in einer zentrierten Lage abgestützt ist, in der zwischen dem Vorheizring und dem Suszeptor ein Spalt mit einheitlicher Breite vorhanden ist; und
    einen zwischen dem Futter und dem Vorheizring wirkenden Abstandhalter, der den Vorheizring in der zentrierten Lage hält und einen Abstand Δ zwischen dem Vorheizring und dem Futter herstellt.
  • Der Suszeptor und die Substratscheibe werden während des Abscheidens einer Materialschicht auf der Substratscheibe um ihr Zentrum gedreht. Der dieser Drehbewegung nicht unterworfene Vorheizring sollte währenddessen in einer zentrierten Lage bleiben. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die beschriebenen Probleme dadurch ausgelöst werden, dass der Vorheizring die zentrierte Lage, die er zu Beginn des Abscheide-Vorgangs einnimmt, in dessen Verlauf unkontrolliert verlässt. Die Ursache dafür ist eine radiale Relativbewegung zwischen dem Vorheizring und dem Futter in Folge von Wärmeausdehnung, die auf unterschiedliche Wärmeausdehnungs-Eigenschaften des Materials des Vorheizrings und des Futters zurückzuführen ist.
  • Die Verschiebung des Vorheizrings auf dem Futter bewirkt zum einen, dass die Breite des Spalts zwischen dem Vorheizring und dem Suszeptor nicht einheitlich bleibt, wie das der Fall ist, wenn der Vorheizring in der zentrierten Lage bliebe. Die Breite des Spalts beginnt im Verlauf des Abscheide-Vorgangs entlang des Umfangs des Suszeptors zu schwanken. Dort, wo der Spalt breiter ist, wird der „autodoping”-Effekt verstärkt, weil an diesen Stellen mehr Gas durch den Spalt zur wachsenden Materialschicht gelangen kann.
  • Die Verschiebung des Vorheizrings auf dem Futter bewirkt zum anderen, dass in Folge von Reibung Partikel entstehen, die zur abgeschiedenen Materialschicht gelangen und diese verunreinigen. Die Verschiebung des Vorheizrings kann sogar dazu führen, dass sich der Vorheizring und der Suszeptor berühren, was die Intensität der Partikelbildung verstärkt. Aus diesem Grund wird darauf geachtet, dass der Spalt zwischen dem Vorheizring und dem Suszeptor mindestens 2 mm breit ist. Eine solche Breite des Spalts fördert jedoch den beschriebenen „autodoping”-Effekt.
  • Um die beschriebenen Probleme zu umgehen, weist die beanspruchte Vorrichtung einen zwischen dem Futter und dem Vorheizring wirkenden Abstandhalter auf, der den Vorheizring unabhängig von seiner Wärmeausdehnung und unabhängig von der Wärmeausdehnung des Futters in der zentrierten Lage hält, und der einen Abstand Δ zwischen dem Vorheizring und dem Futter herstellt. Auf diese Weise wird der direkte Kontakt zwischen dem Vorheizring und dem Futter vollständig oder nahezu vollständig unterbunden. Wegen des fehlenden Kontakts trägt eine radiale Relativbewegung zwischen dem Vorheizring und dem Futter in Folge von Wärmeausdehnung während des Abscheidens des Materialfilms zur Bildung von Partikeln nicht mehr bei.
  • Der Suszeptor und der Vorheizring der Vorrichtung bestehen vorzugsweise aus einem Material, das in der WO 2007/050309 A1 als für sie geeignet beschrieben ist, besonders bevorzugt aus Siliziumcarbid. Der Vorheizring hat vorzugsweise eine Form, die in der WO 2007/050309 A1 als für ihn geeignet beschrieben ist.
  • Der obere und der untere Deckel der Vorrichtung sowie das Futter bestehen aus einem Material, das für IR-Strahlung durchlässig ist, vorzugsweise aus Quarz.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Abstandhalter durch geeignete Formgebung des Vorheizrings und des Futters gebildet. Eine solche Formgebung kann beispielsweise darin bestehen, dass der Vorheizring keilförmige Vorsprünge aufweist, die in Nute des Futters zu liegen kommen, wobei die Öffnungswinkel der Vorsprünge größer sind als diejenigen der Nute.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Abstandhalter von Gleitkugeln gebildet, die den Vorheizring in der zentrierten Lage und in einem bestimmten Abstand über dem Futter fixieren. Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel dieser Ausführungsform und unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt eine Reaktorkammer, die mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ausgestattet ist.
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf den Suszeptor, den Vorheizring und das Futter.
  • 3 ist eine Detailansicht, die die erfindungsgemäßen Merkmale herausstellt.
  • 4 zeigt den radialen Verlauf des spezifischen Widerstands einer auf einer Siliziumscheibe epitaktisch abgeschiedenen Schicht aus Silizium an einem Beispiel und einem Vergleichsbeispiel.
  • 5 und 6 zeigen das Ergebnis von Partikelmessungen, die an Siliziumscheiben mit epitaktisch abgeschiedener Schicht aus Silizium vorgenommen wurden.
  • 1 zeigt eine Reaktorkammer mit den typischen Merkmalen einer Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe und mit erfindungsgemäßen Merkmalen. Zu den dargestellten Merkmalen gehören ein oberer Deckel 1, ein unterer Deckel 2 und eine Seitenwand 3. Die Substratscheibe 4 wird von einem Suszeptor 5 gehalten, der von einem Vorheizring 6 umgeben ist. Der Vorheizring 6 liegt auf einem Futter 7, das Bestandteil der Seitenwand 3 der Reaktorkammer ist. Als Abstandhalter zwischen dem Vorheizring 6 und dem Futter 7 fungieren Gleitkugeln 8, die über den Randbereich des Vorheizrings verteilt sind. Die Gleitkugeln bestehen vorzugsweise aus Siliziumcarbid und ihre Anzahl beträgt vorzugsweise 3 bis 8, besonders bevorzugt 4.
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf den Suszeptor 5, den Vorheizring 6 und das Futter 7 und zusätzlich die Lage von vier am Umfang des Vorheizrings 6 verteilte Gleitkugeln 8.
  • Wie aus 3 hervorgeht, sind die Gleitkugeln 8 im Vorheizring 6 und im Futter 7 teilweise eingebettet. Die Gleitkugeln 8 liegen jeweils in einem sich radial erstreckenden Langloch 9, wodurch der Vorheizring 6 unabhängig von seiner eigenen Wärmeausdehnung und unabhängig von der Wärmeausdehnung des Futters 7 in der zentrierten Lage gehalten wird und keinen Kontakt zum darunter angeordneten Futter 7 hat.
  • Der Abstand Δ zwischen dem Vorheizring 6 und dem Futter 7 im Bereich, der an die Gleitkugeln 8 angrenzt, beträgt vorzugsweise nicht weniger als 0,01 mm und nicht mehr als 2 mm. Ist der Abstand kleiner, steigt das Risiko, dass Partikel aufgrund von Reibung entstehen. Ist der Abstand größer, steigt das Risiko, dass Gas aus dem Volumen unterhalb des Suszeptors „autodoping” verursacht und/oder sich an der Reaktorwand niederschlägt.
  • Um dem „autodoping”-Effekt entgegen zu wirken, hat der Spalt D zwischen dem Vorheizring 6 und dem Suszeptor 5 eine einheitliche Breite von vorzugsweise nicht weniger als 0,1 mm und nicht mehr als 2 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 1 mm. Ist der Spalt D kleiner als 0,1 mm, könnte der Vorheizring 6 in Folge von Wärmeausdehnung den Suszeptor 5 berühren. Ist der Spalt D größer als 2, ist mit einem signifikanten „autodoping”-Effekt zu rechnen.
  • Der Abstand d zwischen einer äußeren seitlichen Begrenzung des Vorheizrings 6 und einer dieser gegenüberliegenden inneren seitlichen Begrenzung des Futters 7 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 0,1 mm und nicht mehr als 1,9 mm. Ist der Spalt kleiner, steigt das Risiko, dass sich das Futter 7 und der Vorheizring 6 aufgrund von Wärmeausdehnung berühren.
  • Beispiel und Vergleichsbeispiel:
  • Die vorteilhafte Wirkung, der Erfindung zeigt sich, wenn Eigenschaften wie der radiale Verlauf des spezifischen Widerstands der abgeschiedenen Schicht oder die Anzahl auf der abgeschiedenen Schicht nachgewiesenen Partikel bei Halbleiterscheiben aus Silizium, die mit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht aus Silizium versehen sind, verglichen werden.
  • 4 zeigt den radialen Verlauf des spezifischen Widerstands einer auf einer Siliziumscheibe epitaktisch abgeschiedenen Schicht aus Silizium an einem Beispiel und an einem Vergleichsbeispiel. Es sind jeweils die radiale Position P von fünf Messpunkten und die dazugehörenden spezifischen Widerstände R entlang des Durchmessers der Siliziumscheibe dargestellt. Die kreisförmig gezeichneten Messpunkte repräsentieren eine Siliziumscheibe gemäß Vergleichsbeispiel, die in einer Vorrichtung ohne erfindungsgemäßem Abstandhalter beschichtet worden war. Der radiale Verlauf des spezifischen Widerstands zeigt eine deutliche Asymmetrie und fällt im Randbereich der Siliziumscheibe im Vergleich zum Zentrumsbereich der Siliziumscheibe signifikant ab. Wie die rautenförmig gezeichneten Messpunkte zeigen, war demgegenüber der radiale Verlauf des spezifischen Widerstands der epitaktisch abgeschiedenen Schicht einer Halbleiterscheibe gemäß Beispiel nahezu symmetrisch und nahezu gleichmäßig. Die Siliziumscheibe gemäß Beispiel war unter den gleichen Prozessbedingungen wie die Siliziumscheibe gemäß Vergleichsbeispiel in einer Vorrichtung mit erfindungsgemäßem Abstandhalter beschichtet worden.
  • 5 und 6 zeigen das Ergebnis von Partikelmessungen, die an Siliziumscheiben mit epitaktisch abgeschiedener Schicht aus Silizium vorgenommen wurden. Dargestellt sind Karten, die zusammengefasst die Positionen von Partikeln zeigen, die durch Streulicht-Messungen an jeweils 25 gemäß Vergleichsbeispiel und Beispiel beschichteten Siliziumscheiben nachgewiesen wurden. Die Siliziumscheiben gemäß Beispiel (6) waren deutlich weniger mit Partikel verunreinigt und zeigten keine Häufung von Partikeln im an den Vorheizring angrenzenden Randbereich wie die Siliziumscheiben gemäß Vergleichsbeispiel (5).

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe, umfassend eine Reaktorkammer, die durch einen oberen Deckel und einen unteren Deckel und eine Seitenwand begrenzt ist; einen Suszeptor zum Halten der Substratscheibe während des Abscheidens der Materialschicht; einen Vorheizring, der den Suszeptor umgibt; ein Futter, auf dem der Vorheizring in einer zentrierten Lage abgestützt ist, in der zwischen dem Vorheizring und dem Suszeptor ein Spalt mit einheitlicher Breite vorhanden ist; und ein zwischen dem Futter und dem Vorheizring wirkender Abstandhalter, der den Vorheizring in der zentrierten Lage hält und einen Abstand Δ zwischen dem Vorheizring und dem Futter herstellt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt eine einheitliche Breite von nicht weniger als 0,1 mm und nicht mehr als 2 mm aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen einer äußeren seitlichen Begrenzung des Vorheizrings und einer dieser gegenüberliegenden inneren seitlichen Begrenzung des Futters nicht weniger als 0,1 mm und nicht mehr als 1,9 mm beträgt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand Δ zwischen dem Vorheizring und dem Futter in einem Bereich, der an den Abstandhalter angrenzt, nicht weniger als 0,01 mm und nicht mehr als 2 mm beträgt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Gleitkugeln den Abstandhalter bilden, wobei die Gleitkugeln über den Randbereich des Vorheizrings verteilt und im Vorheizring und im Futter teilweise eingebettet sind.
  6. Verfahren zum Abscheiden einer aus Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe, umfassend das Leiten des Prozessgases über einen Vorheizring zu einer von einem Suszeptor gehaltenen Substratscheibe in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratscheibe während des Abscheidens in einer zentrierten Position gehalten wird, in der ein Spalt zwischen dem Vorheizring und dem Suszeptor vorhanden ist, der eine einheitliche Breite von nicht weniger als 0,1 mm und nicht mehr als 2 mm aufweist.
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