DE102012205616B4 - Vorrichtung zum Abscheiden einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe mittels Gasphasenabscheidung - Google Patents

Vorrichtung zum Abscheiden einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe mittels Gasphasenabscheidung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe mittels Gasphasenabscheidung, umfassend das Bereitstellen eines Suszeptors mit einer Vorderseite und einer Rückseite; das Bereitstellen einer Welle zum Drehen des Suszeptors, wobei die Welle ein oberes und ein unteres Ende hat und mit einem Kanal versehen ist, der sich vom unteren bis zum oberen Ende erstreckt; das Bereitstellen eines Gasverteiler-Kopfs, der am oberen Ende der Welle befestigt ist; das Bereitstellen einer Leitung zum Zuführen eines kühlenden Gases von einer Quelle zum unteren Ende der Welle; das Ablegen einer zu beschichtenden Halbleiterscheibe auf dem Suszeptor; das Zuführen des kühlenden Gases von der Quelle zum unteren Ende der Welle und durch den Kanal zum oberen Ende der Welle und in den Gasverteilerkopf; das Lenken des kühlenden Gases vom Gasverteilerkopf zur Rückseite des Suszeptors zum Zweck des Kühlens des Suszeptors beschränkt auf ein Gebiet auf der Rückseite des Suszeptors, das sich vom Zentrum des Suszeptors aus radial nach außen erstreckt und einen Durchmesser d hat, wobei ein Verhältnis d/D nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 beträgt und D den Durchmesser der zu beschichtenden Halbleiterscheibe bezeichnet; und das Abscheiden einer Schicht auf der Halbleiterscheibe mittels Gasphasenabscheidung während des Kühlens des Gebiets auf der Rückseite des Suszeptors.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe mittels Gasphasenabscheidung.
  • Eine Vorrichtung zum Abscheiden einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe mittels Gasphasenabscheidung ist beispielsweise in der US2004/0144323 A1 gezeigt. Sie umfasst einen oberen und einen unteren Deckel aus transparentem Material und eine Seitenwand, die einen Reaktorraum definieren. Der Reaktorraum wird durch einen Suszeptor in einen oberen Reaktorraum und in einen unteren Reaktorraum aufgeteilt. Der Suszeptor trägt eine zu beschichtende Halbleiterscheibe und ruht selbst auf Armen eines Traggestells, welches das obere Ende einer den Suszeptor und die Halbleiterscheibe drehenden Welle bildet. Obere und untere Lampenbänke erhitzen den Suszeptor und die Halbleiterscheibe. Ein Abscheidegas wird parallel zur Oberfläche der Halbleiterscheibe durch den oberen Reaktorraum geleitet und dabei thermisch gespalten, wobei Spaltprodukte sich unter Bildung einer möglichst gleichmäßig dicken Schicht auf der Oberfläche der Vorderseite der Halbleiterscheibe ablagern. Gleichzeitig wird ein Spülgas durch den unteren Reaktorraum geleitet, um zu verhindern, dass Abscheidegas oder Spaltprodukte davon zur Rückseite des Suszeptors und zur Rückseite der Halbleiterscheibe gelangen.
  • US 2001/0 054 390 A1 offenbart Suszeptor-Anordnungen für Epitaxie-Reaktoren, bei denen über eine mit einer durchgehenden Bohrung versehenen Welle, die die Drehung des Suszeptors bewirkt, ein Gasstrom auf das Zentrum der Rückseite des Suszeptors gerichtet wird.
  • Aus der US4 821 674 ist bekannt, dass Spülgas durch die Welle und durch einen Spalt, der zwischen der Welle und einem sie umgebenden Rohr besteht, geleitet werden kann, um Abscheidegas daran zu hindern, in den Bereich unter dem Suszeptor zu gelangen.
  • Das Abscheiden einer gleichmäßig dicken Schicht auf einer Halbleiterscheibe bereitet jedoch Probleme. Selbst nach einer Optimierung von entscheidenden Prozessparametern wie der elektrischen Leistung der Lampenbänke und des Volumenstroms von Abscheidegas und Spülgas, stellt man nach der Analyse einer beschichteten Halbleiterscheibe fest, dass die Schichtdicke im Zentrum der Halbleiterscheibe etwas größer ist, als im Randbereich der Halbleiterscheibe.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gleichmäßigere Schichtdicke zu erreichen.
  • Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat herausgefunden, dass eine im Zentrum der beschichteten Halbleiterscheibe gefundene erhöhte Schichtdicke auf eine Temperaturerhöhung im Zentrumsbereich des Suszeptors zurückzuführen ist, und dass diese lokale Temperaturerhöhung mit den Mitteln der Optimierung der genannten Prozessparameter nicht zu vermeiden ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird daher ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
  • Das Kühlen eines Gebiets der Rückseite des Suszeptors, das sich vom Zentrum des Suszeptors radial nach außen erstreckt, bewirkt letztlich auch eine Verringerung der Temperatur auf der zu beschichtenden Oberfläche der Halbleiterscheibe im Zentrum der Vorderseite der Halbleiterscheibe und in einem radial um das Zentrum herum sich erstreckenden Bereich der Oberfläche der Vorderseite der Halbleiterscheibe. Mit der niedrigeren Temperatur sinkt wiederum die Geschwindigkeit der Abscheidung der Schicht, so dass durch die gezielte Kühlmaßnahme eine radial gleichmäßigere Schichtdickenverteilung zu erreichen ist.
  • Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Gasverteiler-Kopfes und das Lenken des kühlenden Gases vom Gasverteilerkopf zur Rückseite des Suszeptors zum Zweck des Kühlens des Suszeptors beschränkt auf ein Gebiet auf der Rückseite des Suszeptors, das sich vom Zentrum des Suszeptors aus radial nach außen erstreckt und den Durchmesser d hat, wobei das Verhältnis d/D nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 beträgt und D den Durchmesser der auf dem Suszeptor abgelegten, zu beschichtenden Halbleiterscheibe bezeichnet. Der Durchmesser des gekühlten Gebiets darf nicht zu groß werden, weil sonst auch Bereiche der Halbleiterscheibe gekühlt werden, die nicht gekühlt werden sollten. Er darf aber auch nicht zu klein sein, weil sonst Bereiche der Halbleiterscheibe nicht gekühlt werden, die gekühlt werden sollten.
  • Je nach Anwendung kann der Gasverteiler-Kopf unterschiedlich ausgeführt sein. Bevorzugt ist das Bereitstellen eines Gasverteiler-Kopfs, der den Strom des ausströmenden kühlenden Gases aufgefächert gegen die Rückseite des Suszeptors lenkt.
  • Das gekühlte Gebiet der Rückseite des Suszeptors ist das Gebiet, das unmittelbar vom Gasstrom getroffen wird, der den Gasverteiler-Kopf verlässt. Der Gasverteiler-Kopf hat vorzugsweise einen bestimmten Abstand zur Rückseite des Suszeptors und einen bestimmten Öffnungswinkel zum Auffächern des Gasstroms.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Bereitstellen eines Massendurchfluss-Reglers oder Massendurchfluss-Begrenzers, der einen Volumenstrom des kühlenden Gases, das den Gasverteiler-Kopf verlässt, derart regelt oder begrenzt, dass er nicht weniger als 1 slm und nicht mehr als 20 slm beträgt. Bei einem Volumenstrom von mehr als 20 slm besteht die Gefahr, dass die Wirkung des kühlenden Gases die beabsichtigte Wirkung übertrifft und letztendlich weniger Material im Zentrum der Oberfläche der Halbleiterscheibe abgeschieden wird, als beabsichtigt ist.
  • Bei dem kühlenden Gas handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff, Stickstoff oder ein Edelgas oder um eine beliebige Mischung der genannten Gase.
  • Die Halbleiterscheibe besteht vorzugsweise aus einkristallinem Silizium. Die abgeschiedene Schicht ist vorzugsweise eine Schicht aus epitaktisch abgeschiedenem Silizium, das mit einem elektrisch aktiven Dotierstoff dotiert sein kann. Der Durchmesser der zu beschichtenden Halbleiterscheibe beträgt vorzugsweise nicht weniger als 300 mm, besonders bevorzugt 300 mm oder 450 mm.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen weiter erläutert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Traggestell
    2
    Tragring
    3
    Suszeptor
    4
    Hebestifte
    5
    zu beschichtende Halbleiterscheibe
    6
    Rohr
    7
    sich drehende Welle
    8
    Massendurchfluss-Begrenzer
    9
    Gasverteiler-Kopf
    10
    Quelle
    11
    weitere Quelle
    12
    weiterer Massendurchfluss-Regler odr -Begrenzer
  • 1 zeigt eine Vertikalschnitt-Zeichnung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei einige Merkmale nicht dargestellt sind, die zum Verständnis der Erfindung nichts beitragen.
  • 2 zeigt, ebenfalls im Vertikalschnitt, die relative Lage eines bevorzugt ausgebildeten Gasverteiler-Kopfes zu einem Suszeptor und einer darüberliegenden Halbleiterscheibe.
  • 3 zeigt die radiale Verteilung der Schichtdicke h am Beispiel einer Halbleiterscheibe aus Silizium, die auf erfindungsgemäße Weise mit einer Schicht aus Silizium epitaktisch beschichtet wurde.
  • 4 zeigt zum Vergleich die radiale Verteilung der Schichtdicke h am Beispiel einer Halbleiterscheibe aus Silizium, die auf sonst gleichartige Weise beschichtet wurde, wobei während der Beschichtung auf eine Kühlung der Rückseite des Suszeptors mit einem kühlenden Gas verzichtet wurde.
  • Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst einen Suszeptor 3, der eine zu beschichtende Halbleiterscheibe 5 trägt und selbst auf Armen eines Traggestells 1 ruht. Das Traggestell sitzt gemeinsam mit einem Gasverteiler-Kopf 9 auf dem oberen Ende einer sich drehenden Welle 7. Die Welle ist umgeben von einem Rohr 6, das an einem oberen Ende zu einem Tragring 2 erweitert ist, auf dem Hebestifte 4 zum Anheben und Absenken der Halbleiterscheibe 5 auf dem Suszeptor 3 aufsetzen. Zwischen dem Rohr 6 und der Welle 7 besteht ein Spalt, der sich nach oben bis zum Tragring erstreckt. Das untere Ende der Welle steht über eine Leitung mit einer Quelle 10 in Verbindung, die das kühlende Gas bereitstellt. In diese Leitung ist vorzugsweise ein Massendurchfluss-Regler oder Massendurchfluss-Begrenzer 8 integriert, der den Volumenstrom des kühlenden Gases regelt oder begrenzt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine weitere Quelle 11 eines Gases, eine weitere Leitung und einen weiteren Massendurchfluss-Regler oder Massendurchfluss-Begrenzer 12 zum Zuführen des weiteren Gases. Das weitere Gas, das die Zusammensetzung des kühlenden Gases oder eine andere Zusammensetzung haben kann, wird als Spülgas verwendet, das den Austrittsbereich des weiteren Gases am oberen Ende des Rohrs frei von reaktiven Gasen hält.
  • Der Gasverteiler-Kopf 9 hat vorzugsweise die Form eines konisch erweiterten Rotations-Körpers, wie sie 2 zeigt, und er fächert den ihn verlassenden Gasstrom auf. Bei einem Verhältnis der Durchmesser d/D = 0,1 ist der Durchmesser d1 des zu kühlenden Gebiets der Rückseite des Suszeptors 38 mm lang, wenn eine Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser D von 300 mm zu beschichten beabsichtigt ist. Dazu muss der Abstand A1, den der Gasverteiler-Kopf zur Rückseite des Suszeptors hat, etwa 11 mm betragen und der Gasverteiler-Kopf den ihn verlassenden Gasstrom mit einem Öffnungswinkel W1 von etwa 20° auffächern. Bei einem Verhältnis der Durchmesser d/D = 0,4 ist der Durchmesser d2 des zu kühlenden Gebiets der Rückseite des Suszeptors 152 mm lang, wenn eine Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser D von 300 mm zu beschichten beabsichtigt ist. Dazu muss der Abstand A2, den der Gasverteiler-Kopf zur Rückseite des Suszeptors hat, etwa 81 mm betragen und der Gasverteiler-Kopf den ihn verlassenden Gasstrom mit einem Öffnungswinkel W2 von etwa 37° auffächern.
  • Beispiel:
  • Wie der Vergleich von 3 und 4 zeigt, ist die radiale Verteilung der Schichtdicke h deutlich gleichmäßiger, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einer Halbleiterscheibe mittels Gasphasenabscheidung, umfassend das Bereitstellen eines Suszeptors mit einer Vorderseite und einer Rückseite; das Bereitstellen einer Welle zum Drehen des Suszeptors, wobei die Welle ein oberes und ein unteres Ende hat und mit einem Kanal versehen ist, der sich vom unteren bis zum oberen Ende erstreckt; das Bereitstellen eines Gasverteiler-Kopfs, der am oberen Ende der Welle befestigt ist; das Bereitstellen einer Leitung zum Zuführen eines kühlenden Gases von einer Quelle zum unteren Ende der Welle; das Ablegen einer zu beschichtenden Halbleiterscheibe auf dem Suszeptor; das Zuführen des kühlenden Gases von der Quelle zum unteren Ende der Welle und durch den Kanal zum oberen Ende der Welle und in den Gasverteilerkopf; das Lenken des kühlenden Gases vom Gasverteilerkopf zur Rückseite des Suszeptors zum Zweck des Kühlens des Suszeptors beschränkt auf ein Gebiet auf der Rückseite des Suszeptors, das sich vom Zentrum des Suszeptors aus radial nach außen erstreckt und einen Durchmesser d hat, wobei ein Verhältnis d/D nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 beträgt und D den Durchmesser der zu beschichtenden Halbleiterscheibe bezeichnet; und das Abscheiden einer Schicht auf der Halbleiterscheibe mittels Gasphasenabscheidung während des Kühlens des Gebiets auf der Rückseite des Suszeptors.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Bereitstellen eines Massendurchfluss-Reglers oder Massendurchfluss-Begrenzers, der einen Volumenstrom des kühlenden Gases, das den Gasverteiler-Kopf verlässt, derart regelt oder begrenzt, dass er nicht weniger als 1 slm und nicht mehr als 20 slm beträgt.
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