DE102013218883B4

DE102013218883B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer Gasphase auf eine Substratscheibe

Info

Publication number: DE102013218883B4
Application number: DE102013218883.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Haberecht; Felix Biederstädt
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: DE102013218883A1

Abstract

Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer Gasphase auf eine Substratscheibe (1), umfassend
eine Abscheidekammer mit einem oberen und einem unteren Deckel (2, 3);
einen Suszeptor (4) zum Ablegen der Substratscheibe (1);
einen Vorheizring (5), der um den Suszeptor (4) angeordnet ist, wobei ein Spalt zwischen dem Vorheizring (5) und dem Suszeptor (4) bestehen bleibt;
einen oberen Gaseinlass (6), einen oberen Gasauslass (7), einen unteren Gaseinlass (8) und einen unteren Gasauslass (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Vorheizring (5) offene Poren und Kohlenstoff-Fasern und/oder Siliziumcarbid-Fasern enthält und durchlässig ist für Anteile eines Spülgases, das durch den unteren Gaseinlass (8) in die Abscheidekammer geleitet wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer Gasphase auf eine Substratscheibe. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren, bei dem die Vorrichtung zur Anwendung kommt. Insbesondere geht es um einen Reaktor zur Beschichtung von einzelnen Substratscheiben mittels CVD (chemical vapor deposition) und um ein Verfahren, bei dem der CVD-Reaktor eingesetzt wird.
Ein solcher CVD-Reaktor umfasst eine Abscheidekammer mit einem oberen und einem unteren Deckel, einen Suszeptor zum Ablegen einer Substratscheibe, einen Vorheizring, der um den Suszeptor angeordnet ist, und einen Gaseinlass zum Zuführen von Prozessgas in die Abscheidekammer, beziehungsweise zum Abführen von Prozessgasprodukten aus der Abscheidekammer. Strahlungsheizungen, die über dem oberen und unter dem unteren Deckel angeordnet sind, erhitzen die Substratscheibe und Prozessgas, das über eine zu beschichtende Oberfläche der Substratscheibe geleitet wird. Dabei wird eine chemische Verbindung, die einen Vorläufer (precursor) des Halbleitermaterials enthält, thermisch gespalten, und das Halbleitermaterial wächst als eines der Spaltprodukte auf der Oberfläche der Substratscheibe zu einer die Substratscheibe bedeckenden Schicht.
Gemäß WO 2005/059992 A1 kann der Suszeptor aus porösem Verbundmaterial auf Basis von Kohlenstoff- und/oder Siliziumcarbid-Fasern bestehen.
In DE 103 57 698 A1 ist ein Suszeptor mit Gasaustrittsöffnungen offenbart, der zumindest abschnittsweise aus einem Material aus stabilisierten Fasern mit einer die Gasaustrittsöffnungen bildenden Porosität besteht.
DE 10 2007 054 526 A1 offenbart ein flächenhaft ausgebildetes aufheizbares Wärmetransferelement für eine Anlage zur thermischen Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten, sowie eine Anlage zur thermischen Behandlung solcher Substrate.
In der US 2012/0263875 A1 ist ein CVD-Reaktor gezeigt, der über einen weiteren Gaseinlass und einen weiteren Gasauslass verfügt, und zwar über einen oberen Gaseinlass und einen oberen Gasauslass und über einen unteren Gaseinlass und einen unteren Gasauslass. Während des Abscheidens von Halbleitermaterial auf einer Substratscheibe werden gleichzeitig Prozessgas durch den oberen Gaseinlass in die Abscheidekammer und über die Substratscheibe hinweg zum oberen Gasauslass und Spülgas durch den unteren Gaseinlass in die Abscheidekammer und durch den Raum der Abscheidekammer unter dem Suszeptor zum unteren Gasauslass geleitet.
Um eine gleichmäßige Beschichtung der Substratscheibe zu erreichen, sollte die Temperatur des Prozessgases möglichst mit einer Zieltemperatur übereinstimmen. Eine Maßnahme, um dies zu erreichen, besteht darin, dass ein Vorheizring um den Suszeptor angeordnet wird, wobei zwischen dem Vorheizring und dem Suszeptor ein Spalt bestehen bleibt.
Auf dem Weg vom oberen Gaseinlass zum oberen Gasauslass wird Prozessgas auch über den Vorheizring geleitet. Das hat zur Folge, dass vom Prozessgas stammendes Halbleitermaterial auch auf der Oberseite des Vorheizrings, entlang derer das Prozessgas strömt, abgeschieden wird. Die Abscheidekammer muss von derartigen Materialablagerungen an dieser und an anderen Stellen in ihrem Inneren regelmäßig gereinigt werden. Das geschieht üblicherweise durch eine Kammerätze. Dabei wird ein reaktives Gas, beispielsweise Chlorwasserstoff oder ein Chlorwasserstoff enthaltendes Gas durch die Abscheidekammer geleitet, das die Materialablagerungen in gasförmige Verbindungen überführt und aus der Abscheidekammer transportiert.
Die Materialablagerungen auf der Oberseite des Vorheizrings sind im Vergleich zu Materialablagerungen an anderen Stellen im Inneren der Abscheidekammer kumuliert dicker, so dass die Reinigung mittels Kammerätze dort länger dauert oder in kürzeren Zeitabständen durchgeführt werden muss. In beiden Fällen ist ein Produktivitätsverlust hinzunehmen, weil weniger Zeit für das Verfahren zum Abscheiden von Halbleitermaterial auf eine Substratscheibe bleibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für dieses Problem anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer Gasphase auf eine Substratscheibe (1), umfassend
eine Abscheidekammer mit einem oberen und einem unteren Deckel (2, 3);
einen Suszeptor (4) zum Ablegen der Substratscheibe (1);
einen Vorheizring (5), der um den Suszeptor (4) angeordnet ist, wobei ein Spalt zwischen dem Vorheizring (5) und dem Suszeptor (4) bestehen bleibt;
einen oberen Gaseinlass (6), einen oberen Gasauslass (7), einen unteren Gaseinlass (8) und einen unteren Gasauslass (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Vorheizring (5) offene Poren und Kohlenstoff-Fasern und/oder Siliziumcarbid-Fasern enthält und durchlässig ist für Anteile eines Spülgases, das durch den unteren Gaseinlass (8) in die Abscheidekammer geleitet wird.
Die poröse Struktur des Vorheizrings ermöglicht es, dass ein Teil des eingeleiteten Spülgases den Vorheizring in Dickenrichtung durchströmt, vorausgesetzt es besteht eine positive Druckdifferenz zwischen dem Druck des Spülgases und dem Druck des Prozessgases in der Abscheidekammer. Der durch den Vorheizring senkrecht zu dessen Oberseite gerichtete Gasstrom an Spülgas verhindert, dass sich Materialablagerungen auf der Oberseite des Vorheizrings bilden. Dadurch steigt die Produktivität des Abscheideverfahrens, weil eine Kammerätze seltener durchgeführt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch ein Verfahren zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer Gasphase auf eine Substratscheibe (1), umfassend
das Bereitstellen einer Abscheidekammer mit einem oberen und einem unteren Deckel (2, 3), mit einem Suszeptor (4) zum Ablegen der Substratscheibe (1), mit einem Vorheizring (5), der um den Suszeptor (4) angeordnet ist und offene Poren und Kohlenstoff-Fasern und/oder Siliziumcarbid-Fasern enthält, wobei ein Spalt zwischen dem Vorheizring (5) und dem Suszeptor (4) bestehen bleibt, mit einem oberen Gaseinlass (6), mit einem oberen Gasauslass (7), mit einem unteren Gaseinlass (8) und mit einem unteren Gasauslass (9);
das Ablegen der Substratscheibe (1) auf dem Suszeptor (4);
das Einleiten eines Prozessgases durch den oberen Gaseinlass (6) ;
das Einleiten eines Spülgases durch den unteren Gaseinlass (8); und das Leiten eines Anteils des Spülgases durch die offenen Poren des Vorheizringes (5) von einem Raum unter dem Vorheizring (5) in einen Raum über dem Vorheizring (5).
Der Vorheizring besteht vorzugsweise aus demselben Material, aus dem der Suszeptor besteht, der in der WO 2005/059992 A1 beschrieben ist, und wird vorzugsweise analog hergestellt, wie dieser Suszeptor. Das Material umfasst ein Gerüst aus Kohlenstoff-Fasern und/oder Siliziumcarbid-Fasern, wobei die Fasern in einer Matrix aus Kohlenstoff und/oder Siliziumcarbid eingebettet sind. Das Material hat vorzugsweise eine Porosität, die nicht weniger als 5 % und nicht mehr als 95 % ist, und eine Dichte, die vorzugsweise nicht weniger als 0,1 g/cm³ und nicht mehr als 3,0 g/cm³ ist. Vorzugsweise werden Porosität und Dichte so gewählt, dass der Vorheizring eine hohe Gasdurchlässigkeit für Wasserstoff aufweist. Das Verfahren zur Herstellung des Vorheizrings umfasst vorzugsweise das Herstellen eines Gerüstes aus Kohlenstoff-Fasern und/oder Siliziumcarbid-Fasern und das Stabilisieren des Gerüstes mit zumindest einer, eine Matrix bildenden Pyrokohlenstoff-Schicht und/oder Siliziumcarbid-Schicht.
Die Abscheidekammer ist vorzugsweise ein CVD-Reaktor, der zum Beschichten von Substratscheiben mit einer epitaktischen Schicht unter Normaldruck oder Niederdruck (reduced pressure system) verwendet wird.
Substratscheiben sind vorzugsweise Scheiben aus einkristallinem Silizium, beispielsweise polierte Siliziumscheiben, oder Scheiben, die eine zu beschichtende Oberfläche aus einkristallinem Silizium aufweisen, beispielsweise SOI-Scheiben (SOI = silicon on insulator).
Das auf einer Substratscheibe abgeschiedene Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium, Germanium oder eine Legierung dieser Elemente. Es kann sich auch um Schichten aus III/V-Halbleitermaterial wie Galliumnitrid handeln.
Während des Abscheidens einer Schicht aus Halbleitermaterial auf einer Substratscheibe ist das Verhältnis zwischen dem Druck des Prozessgases und dem Druck des Spülgases vorzugsweise nicht kleiner als 0,1 und nicht größer als 1. Das Spülgas ist vorzugsweise Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, beispielsweise ein Gemisch von HCl und Wasserstoff.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert.
Die Zeichnung zeigt schematisch einen CVD-Reaktor zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer Gasphase auf eine Substratscheibe 1, umfassend eine Abscheidekammer mit einem oberen und einem unteren Deckel 2, 3;
einen Suszeptor 4 zum Ablegen der Substratscheibe 1;
einen Vorheizring 5, der um den Suszeptor 4 angeordnet ist; einen oberen Gaseinlass 6, einen oberen Gasauslass 7, einen unteren Gaseinlass 8 und einen unteren Gasauslass 9. Vorrichtungsbestandteile, die nicht zum besseren Verständnis der Erfindung beitragen, wie beispielsweise Strahlungsheizungen, sind nicht dargestellt.
Der Vorheizring enthält offene Poren und Kohlenstoff-Fasern und/oder Siliziumcarbid-Fasern und ist durchlässig für Anteile eines Spülgases, das durch den unteren Gaseinlass in die Abscheidekammer geleitet wird.

Claims

Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer Gasphase auf eine Substratscheibe (1), umfassend eine Abscheidekammer mit einem oberen und einem unteren Deckel (2, 3); einen Suszeptor (4) zum Ablegen der Substratscheibe (1); einen Vorheizring (5), der um den Suszeptor (4) angeordnet ist, wobei ein Spalt zwischen dem Vorheizring (5) und dem Suszeptor (4) bestehen bleibt; einen oberen Gaseinlass (6), einen oberen Gasauslass (7), einen unteren Gaseinlass (8) und einen unteren Gasauslass (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Vorheizring (5) offene Poren und Kohlenstoff-Fasern und/oder Siliziumcarbid-Fasern enthält und durchlässig ist für Anteile eines Spülgases, das durch den unteren Gaseinlass (8) in die Abscheidekammer geleitet wird.
Verfahren zum Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer Gasphase auf eine Substratscheibe (1), umfassend das Bereitstellen einer Abscheidekammer mit einem oberen und einem unteren Deckel (2, 3), mit einem Suszeptor (4) zum Ablegen der Substratscheibe (1), mit einem Vorheizring (5), der um den Suszeptor (4) angeordnet ist und offene Poren und Kohlenstoff-Fasern und/oder Siliziumcarbid-Fasern enthält, wobei ein Spalt zwischen dem Vorheizring (5) und dem Suszeptor (4) bestehen bleibt, mit einem oberen Gaseinlass (6), mit einem oberen Gasauslass (7), mit einem unteren Gaseinlass (8) und mit einem unteren Gasauslass (9); das Ablegen einer Substratscheibe (1) auf dem Suszeptor (4); das Einleiten eines Prozessgases durch den oberen Gaseinlass (6) ; das Einleiten eines Spülgases durch den unteren Gaseinlass (8); und das Leiten eines Anteils des Spülgases durch die offenen Poren des Vorheizringes (5) von einem Raum unter dem Vorheizring (5) in einen Raum über dem Vorheizring (5).