DE102013111854A1

DE102013111854A1 - Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen an den Wänden einer Prozesskammer

Info

Publication number: DE102013111854A1
Application number: DE102013111854.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2015-05-21
Also published as: TW201527584A; WO2015062807A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen an den Wänden/Ober-flächen einer Prozesskammer eines CVD-Reaktors, insbesondere von den SiC-beschichteten Graphit-Oberflächen, wobei die Prozesskammer auf eine Reinigungstemperatur aufgeheizt wird und ein insbesondere ein Element der VII-Hauptgruppe enthaltendes Reinigungsgas für eine Reinigungszeit in die Prozesskammer eingeleitet wird. Zur Verbesserung bzw. zur Ermöglichung der Reinigung einer Prozesskammer, wird vorgeschlagen, dass vor dem Einleiten des Reinigungsgases die zu reinigenden Wände/Oberflächen mit einem Metall, insbesondere Aluminium, benetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen an den Wänden einer Prozesskammer eines CVD-Reaktors, insbesondere von den SiC-beschichteten Graphitteilen, wobei die Prozesskammer auf eine Reinigungstemperatur aufgeheizt wird und ein insbesondere ein Element der VII-Hauptgruppe enthaltendes Reinigungsgas für eine Reinigungszeit in die Prozesskammer eingeleitet wird.
Aus den US 2013/0005118 A1 , US 8,334,166 B2 und US 7,842,588 B2 ist es bekannt, III-V-Halbleiterschichten auf Substrate abzuscheiden, die beispielsweise aus einem III-V-Einkristall bestehen. Die Substrate können aber auch aus entsprechend gitter-angepasstem Silizium bestehen. Zum Abscheiden einer III-V-Schicht werden TMGa oder TMA1 zusammen mit NH₃, PH₃ oder AsH₃ in eine Prozesskammer eines CVD-Reaktors eingeleitet. Um nach dem Abscheidungsprozess und der Entnahme der Substrate aus der Prozesskammer letztere zu reinigen, wird Cl₂ als Reinigungsgas zusammen mit einem Inertgas, beispielsweise Argon oder Stickstoff in die Prozesskammer eingeleitet. Bei dem dadurch erfolgten Ätzprozess, der bei Temperaturen zwischen 550 und 1.050°C durchgeführt wird, werden parasitäre Belegungen an den Wänden der Prozesskammer und insbesondere auf SiC-beschichteten Graphitteilen unter anderem in flüchtige Chloride umgewandelt, die durch einen Trägergasstrom aus der Prozesskammer entfernt werden.
Um SiN-Schichten abzuscheiden, die insbesondere als Passivierungsschicht in HEMT-Strukturen zum Einsatz kommen, muss Silan (SiH₄) in die Prozesskammer eingeleitet werden. Zusammen mit in die Prozesskammer eingeleitetem NH₃ bildet sich SiN. Das Siliziumnitrit bildet sich nicht nur auf der Substratoberfläche, sondern bildet auch eine Schicht auf der Oberfläche der Wände der Prozesskammer und insbesondere auf dem Boden der Prozesskammer. Die Wände der Prozesskammer bestehen aus Graphit, welches mit Siliziumkarbid (SiC) beschichtet ist. Mit Chlor als Reinigungsgas lassen sich die Wände der Prozesskammer nicht reinigen, da SiN eine Ätzbarriere für chlorhaltige Ätzgase bildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Reinigen einer Prozesskammer verbessert bzw. erst ermöglicht wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass vor dem Einleiten des Reinigungsgases die zu reinigenden Wände mit einem Metall benetzt werden. Dies erfolgt bevorzugt bei erhöhten Temperaturen, wobei die Temperaturen während der Benetzungsphase mehr als 550°C betragen können. Es ist insbesondere möglich, dass die Suszeptortemperatur beziehungsweise die Prozesskammertemperatur während der Benetzungsphase von einer niedrigen Temperatur bis zu einer Maximaltemperatur beispielsweise 1.150°C stetig ansteigt. Es wird somit eine Temperaturrampe gefahren, während gleichzeitig ein metallhaltiger gasförmiger Ausgangsstoff in die Prozesskammer eingeleitet wird, der ein metallisches Kondensat auf den Wänden liefert. Bei dem metallhaltigen Ausgangsstoff handelt es sich bevorzugt um eine metallorganische Verbindung, die zusammen mit einem Trägergas, beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff oder einem Edelgas in die Prozesskammer eingeleitet wird. Bei den erhöhten Temperaturen wird die metallorganische Verbindung zerlegt, wobei sich ein dünner flüssiger Metallfilm auf den Wänden niederschlägt. In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird zumindest so viel Metall in die Prozesskammer eingebracht, dass sich auf den zu reinigenden Wänden ein geschlossener Metallfilm, insbesondere mindestens eine Monolage eines Metallfilms bildet. Als Metall kommt insbesondere Aluminium, Gallium oder aber auch Indium in Betracht. Als gasförmige Träger der Metalle können TMA1, TMGa, TEGa oder TMIn verwendet werden. Auch hier kann die Einleitung der metallorganischen chemischen Verbindungen bei relativ niedrigen Temperaturen begonnen werden, wobei die Suszeptortemperatur beziehungsweise die Temperatur der Wände der Prozesskammer stetig bis zu einem Maximalwert erhöht wird. Die Wärmequelle für das Aufheizen der Wände der Prozesskammer kann der von unten beheizte Suszeptor sein. Dieser erwärmt die übrigen Wände der Prozesskammer durch Wärmestrahlung, so dass sie eine geringere Endtemperatur erreichen, als die Oberfläche des Suszeptors. Mit der Einleitung des metallhaltigen Gases kann bereits begonnen werden, bevor sämtliche Wände der Prozesskammer eine Temperatur erreicht haben, bei der sich das metallhaltige Gas, beispielsweise eine metallorganische Verbindung, pyrolytisch in Metall zerlegt. In einer ersten Variante wird nach der Benetzungsphase in einer kurzen Spülpause die Prozesskammer gegebenenfalls bei einem erniedrigten Totalgasdruck gespült. Anschließend wird zusammen mit einem Trägergas das Reinigungsgas in die Prozesskammer eingeleitet. Als Reinigungsgas wird vorzugsweise Cl₂ verwendet. Es ist aber auch möglich, ein anderes Element der VII-Hauptgruppe oder ein anderes Ätzgas oder eine chemische Verbindung eines Elementes der VII-Hauptgruppe, beispielsweise HCl, zu verwenden. Der Ätzschritt wird beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1.000°C durchgeführt. Der Benetzungsschritt und der anschließende Reinigungsschritt kann als Schrittfolge mehrfach hintereinander wiederholt werden. In einer Variante des Verfahrens wird nach dem Benetzungsschritt eine dünne III-V-Schicht auf die flüssige Metallschicht aufgebracht. Die flüssige Metallschicht braucht lediglich die Dicke einer Monolage zu besitzen. Sie kann aber auch mehrere Monolagen dick sein. Durch Einleiten von NH₃ zusammen mit dem das Metall beinhaltenden Gas, beispielsweise TMAl, wird unmittelbar auf den Metallfilm eine III-V-Schicht, beispielsweise eine AlN-Schicht, abgeschieden. Die Schichtdicke liegt dann etwa im Bereich von 30 nm. Auf diese AlN-Schicht kann eine GaN-Schicht abgeschieden werden. Dies erfolgt durch die gleichzeitige Einleitung von NH₃ und TMGa. Die GaN-Schicht hat vorzugsweise eine Schichtdicke von bis zu 500 nm. Nach einer kurzen Spülpause und einer gegebenenfalls erforderlichen Reduzierung des Totaldrucks in der Prozesskammer erfolgt dann der Reinigungsschritt durch Einleiten des Reinigungsgases, beispielsweise Cl₂ zusammen mit einem Trägergas. Die Einleitung von NH₃ kann bereits beginnen, bevor die oben erwähnte Temperaturrampe ihren maximalen Wert erreicht hat, der oberhalb von 1.000, insbesondere oberhalb von 1.200°C liegt. Es hat sich herausgestellt, dass die Benetzung der SiN-Belege mit einem Metall, insbesondere mit flüssigem Aluminium, dazu führt, dass das reaktive flüssige Metall die SiN-Verbindung derart beeinflusst (aufbricht), dass die SiN-Schicht oder eine sich mit dem Metall gebildete Legierung durch Zugabe von Chlor in eine flüchtige chemische Verbindung umgewandelt wird, die mit dem Trägergasstrom abtransportiert wird. Auch bei der zweiten Variante können Schrittfolgen mehrfach hintereinander wiederholt werden. Bevorzugt wird bei dieser Variante aber der III-V-Beschichtungsprozess und der darauffolgende Reinigungsprozess durch Einleiten des Reinigungsgases mehrfach hintereinander wiederholt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 erläutert.
Die 1 zeigt ein Ablaufdiagramm, wobei der Totaldruck und die Suszeptortemperatur gegenüber der Zeit aufgetragen ist. Die Abstände auf der Zeitskala betragen jeweils 15 Minuten.
Der in der 1 dargestellte Reinigungsprozess beginnt bei einer erhöhten Temperatur von etwa 200°C. Es wird zunächst ein Inertgas oder Wasserstoff in die Prozesskammer eingespeist. Der Prozesskammerdruck wird auf 100 mbar eingestellt. Es wird dann eine Temperaturrampe gefahren. Bei Erreichen einer Temperatur von 550°C wird TMA1 in die Prozesskammer eingeleitet, das sich auf der heißen Suszeptor-Oberfläche zerlegt, wobei sich flüssiges Aluminium und gasförmiges Methan bildet. Letzteres wird mit dem Trägergas abtransportiert. Das verbleibende Aluminium benetzt die Oberfläche der mit SiN-kontaminierten Prozesskammerwände, so dass sich zumindest eine 100%-ige Monolage ausbildet.
Nach etwa 7 Minuten und nach Erreichen einer Temperatur von etwa 1050°C wird NH₃ in die Prozesskammer eingeleitet und der Prozesskammerdruck durch Einspeisen einer entsprechenden Menge an Trägergas auf 200 mbar erhöht. Nachdem etwa eine Schicht von 30 nm AlN abgeschieden worden ist, wird anstelle von TMA1 TMGa in die Prozesskammer eingeleitet, so dass eine etwa 500 nm dicke GaN-Schicht abgeschieden wird. Nach einer Spülpause und Absenken des Prozesskammerdrucks erfolgt der Ätzschritt, bei dem bei einer Temperatur von etwa 950°C Chlor in die Prozesskammer eingeleitet wird. Dabei herrscht innerhalb der Prozesskammer ein Druck von 100 mbar.
Nach einer weiteren Spülpause wird bei niedrigem Prozesskammerdrucken durch Einleiten von TMA1 und NH₃ erneut eine AlN-Schicht und durch Einleiten von TMGa und NH₃ erneut eine GaN-Schicht abgeschieden. Die Schichtdicken liegen auch hier bei etwa 30 nm für AlN beziehungsweise 500 nm für GaN oder sind geringer bspw. 10 nm für AlN bzw. 150 nm für GaN.
Nach einer weiteren Spülpause wird ein weiterer Ätzschritt durchgeführt, bei dem Cl₂ in die Prozesskammer eingeleitet wird.
Zum Schluss wird ein Temperschritt durchgeführt, bei dem lediglich H₂ und NH₃ in die Prozesskammer eingeleitet werden.
Die III-V-Beschichtungsschritte und der darauffolgende Ätzschritt können als Prozessschrittfolge mehrfach hintereinander durchgeführt werden, bis die SiN-Beschichtung rückstandsfrei entfernt worden ist.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Reinigen der Prozesskammer oder das Abscheiden von III-VI-Schichten lediglich dadurch, dass die SiN-Belegung einer Silizium-Karbid-beschichteten Wandung der Prozesskammer mit flüssigem Aluminium benetzt wird, wobei unmittelbar nach dem Benetzungsschritt Cl₂ in die Prozesskammer gegeben wird. Auch hier sind zyklisch sich wiederholende Reinigungsschritt-Folgen möglich, wobei jede Schrittfolge einen Benetzungsschritt und einen Ätzschritt aufweist.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0005118 A1 [0002]
US 8334166 B2 [0002]
US 7842588 B2 [0002]

Claims

Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen an den Wänden/Oberflächen einer Prozesskammer eines CVD-Reaktors, insbesondere von den SiC-beschichteten Graphit-Oberflächen, wobei die Prozesskammer auf eine Reinigungstemperatur aufgeheizt wird und ein insbesondere ein Element der VII-Hauptgruppe enthaltendes Reinigungsgas für eine Reinigungszeit in die Prozesskammer eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einleiten des Reinigungsgases die zu reinigenden Wände/Oberflächen mit einem Metall benetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen insbesondere einer SiN-Belegung die Wände/Oberflächen mit Al, Ga oder In oder einem anderen Metall insbesondere der III-Hauptgruppe benetzt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass als Reinigungsgas Chlor insbesondere zusammen mit einem Inertgas, beispielsweise einem Edelgas oder Stickstoff, verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungstemperatur während des Benetzens und/oder des Ätzens im Bereich von 500 und 1.200°C liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Benetzung, jedoch vor dem Einleiten des Reinigungsgases eine III-V-Schicht auf den zu reinigenden Wänden/Oberflächen abgeschieden wird, wobei die III-V-Schicht insbesondere AlN, GaN oder ein anderes Nitrit ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prozessschrittfolge nach dem Benetzen der Wände/Oberflächen beinhaltend zumindest einen Prozessschritt, in dem eine III-V-Schicht auf den Wänden/Oberflächen abgeschieden wird und einen Prozessschritt, in dem ein Reinigungsgas in die Prozesskammer eingeleitet wird, mehrfach aufeinander folgend wiederholt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prozessschrittfolge beinhaltend zumindest einen Prozessschritt, in dem die Wände/Oberflächen der Prozesskammer mit einem Metall benetzt werden und einen Prozessschritt, in dem ein Reinigungsgas in die Prozesskammer eingeleitet wird, mehrfach aufeinanderfolgend wiederholt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Benetzung der Wände der Prozesskammer mit einem Metall durch Einleiten einer metallorganischen Verbindung zusammen mit einem Trägergas in die Prozesskammer bewirkt wird
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur innerhalb der Prozesskammer während des Benetzens kontinuierlich ansteigt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände zumindest mit einer geschlossenen Monolage eines Metalls benetzt werden und/oder dass die auf die benetzte Oberfläche abgeschiedenen III-V-Schicht eine Schichtenfolge aus voneinander verschiedenen Schichten ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass eine erste Schicht AlN und eine zweite Schicht GaN ist.