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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Halbleiterscheibe mit einer definierten Oberflächenrauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht.
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Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als Ausgangsmaterialien (Substrate) Halbleiterscheiben (Wafer) mit extremen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, einsseitenbezogene lokale Ebenheit (Nanotopographie), Rauigkeit und Sauberkeit benötigt. Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien, insbesondere Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid und überwiegend Elementhalbleiter wie Silicium und gelegentlich Germanium.
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Gemäß dem Stand der Technik werden Halbleiterscheiben in einer Vielzahl von aufeinander folgenden Prozessschritten hergestellt, die sich allgemein in folgende Gruppen einteilen lassen:
- a) Herstellung eines einkristallinen Halbleiterstabs (Kristallzucht);
- b) Auftrennen des Stabs in einzelne Scheiben;
- c) mechanische Bearbeitung;
- d) chemische Bearbeitung;
- e) chemo-mechanische Bearbeitung;
- f) ggf. Herstellung von Schichtstrukturen.
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Oftmals werden Halbleiterscheiben mit einer epitaktischen Schicht versehen, also mit einer monokristallin aufgewachsenen Schicht mit derselben Kristallorientierung, auf welcher später Halbleiter-Bauelemente aufgebracht werden. Wenn die aufzuwachsende Schicht aus demselben Material wie das Substrat besteht, spricht man von Homoepitaxie, anderenfalls von Heteroepitaxie. Derartige epitaktisch beschichtete bzw. epitaxierte Halbleiterscheiben weisen gegenüber Halbleiterscheiben aus homogenem Material gewisse Vorteile auf, beispielsweise die Verhinderung einer Ladungsumkehr in bipolaren CMOS-Schaltkreisen gefolgt vom Kurzschluss des Bauelementes („Latch-up“-Problem), niedrigere Defektdichten (beispielsweise reduzierte Anzahl an COPs („crystal-originated particles“) sowie die Abwesenheit eines nennenswerten Sauerstoffgehaltes, wodurch ein Kurzschlussrisiko durch Sauerstoffpräzipitate in bauelementerelevanten Bereichen ausgeschlossen werden kann.
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Das Aufbringen einer epitaktischen Schicht auf die Oberfläche einer Halbleiterscheibe erfolgt in einem Epitaxiereaktor und umfasst in der Regel folgende Schritte: 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 beispielsweise von Silizium auf Oberflächen im Epitaxiereaktor; das Ablegen einer Substratscheibe aus beispielsweise Silizium auf einem Suszeptor des Epitaxiereaktors; und das Durchleiten eines zweiten Abscheidegases zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Substratscheibe.
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Verfahren zur epitaktischen Beschichtung von Wafern sind beispielsweise in der
EP 1 533 836 A1 und der
US 2012/0104565 A1 beschrieben.
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Der Epitaxieprozess beeinflusst auch die Rauigkeit der Oberfläche der Substratscheibe. Die Rauigkeit (haze) kann mit optischen oder elektronischen Verfahren, beispielsweise Elektronenstreuverfahren (electron scattering) gemessen werden. Bei den optischen Verfahren werden in der Regel Streulichtmessungen angewendet, wobei die Rauigkeit der Oberfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Messung hat. Eine raue Oberfläche hat eine höhere diffuse Reflexion in beliebige Richtungen als eine glatte Oberfläche, die nur in die Hauptrichtung reflektiert.
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Nach
DE 697 02 620 T2 sollte die Temperatur der Substratscheibe während der epitaktischen Abscheidung im Bereich von 900°C und 1100°C liegen. Unterhalb von 900°C kann eine Oberflächenrauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht auftreten, oberhalb von 1100°C nimmt die Menge der durch Nebenreaktion gebildeten Teilchen zu, wodurch die Qualität der epitaktisch abgeschiedenen Schicht vermindert wird.
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Die Patentschrift
US 6,217,650 B1 lehrt ein Verfahren zur Herstellung einer epitaxialen Siliziumscheibe mit einer geringen Oberflächenrauigkeit. Für eine Siliziumscheibe mit <100>-Orientierung verringert sich die Rauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht, wenn die Abscheidetemperatur zwischen 50°C und 100°C niedriger ist, als normal, also beispielsweise für Dichlorsilan als Quellgas 950°C bis 1050°C beträgt.
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Allerdings ist die Abscheidetemperatur bzw. die Wachstumstemperatur der epitaxialen Schicht gerade im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1100°C ein wichtiger Einflussfaktor, so dass bei zu geringen Abscheidetemperaturen die Wachstumsrate und damit die Dicke der epitaktisch abgeschiedenen Schicht nur schwierig exakt kontrolliert werden kann.
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Die amerikanische Patentanmeldung
US 2012/0104565 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer epitaktisch beschichteten Siliziumscheibe mit einer geringen Oberflächenrauigkeit bei einer Abscheidetemperatur von 1000°C bis 1100°C wobei ebenfalls ein Einfluss der Abscheidetemperatur auf die Oberflächenrauigkeit beschrieben ist. Die amerikanische Patentanmeldung
US 2012/0104565 A1 lehrt die Verwendung von Dichlorsilan anstelle von Trichlorsilan als Quellgas. Da die Zersetzungstemperatur von Dichlorsilan niedriger ist als die von Trichlorsilan, kann die Epitaxie bei niedrigeren Temperaturen (1040–1080°C) durchgeführt und somit eine geringere Oberflächenrauigkeit erreicht werden, als bei Verwendung von Trichlorsilan. Allerdings ergibt sich durch die niedrigere Abscheidetemperatur auch eine geringere Wachstumsgeschwindigkeit der Epischicht und damit eine verringerte Durchsatzrate.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Verfahren zu bereitzustellen, dass die Herstellung epitaxierter Scheiben aus Halbleitermaterial mit einer definierten Rauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht unabhängig vom Quellgas und bei einer ausreichend hohen Abscheidetemperatur ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer definierten Oberflächenrauigkeit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht, umfassend folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge: 1) Auflegen von mindestens einer Halbleiterscheibe auf den mindestens einen sich in einem Epitaxie-Reaktor befindlichen Suszeptor; 2) Erwärmen des Reaktorraumes auf die gewünschte Temperatur; 3) Spülen der Reaktorkammer mit Wasserstoff; 4) Einleiten eines Wasserstoff-Chlorwasserstoff-Gemisches in die Reaktorkammer; 5) Epitaktische Beschichtung der mindestens einen Halbleiterscheibe durch die Zersetzung eines Gases; 6) Abkühlen der Reaktorkammer auf eine Entladetemperatur und Einleiten von Wasserstoff in den Reaktorraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstofffluss beim Abkühlen der Reaktorkammer auf die Entladetemperatur 10 bis 100 slm beträgt.
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Die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend detailliert beschrieben. Die Erfindung geht von einem nach dem Stand der Technik gezogenen Einkristall aus Halbleitermaterial aus, von dem einzelne Scheiben beispielsweise mittels Drahtsägen abgetrennt werden.
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Bei den von einem Einkristall abgetrennten Scheiben aus Halbleitermaterial, (Halbleiterscheibe, Wafer) kann es sich beispielsweise um eine monokristalline Siliciumscheibe oder einer Scheibe aus einem anderen Halbleitermaterial handeln, wobei andere Halbleitermaterialien Verbindungshalbleiter wie beispielsweise Gallium-Arsenid oder Elementhalbleiter wie Germanium oder auch Schichtstrukturen wie beispielsweise Silicium-Germanium (SiGe) oder Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) sind.
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Der Durchmesser der Halbleiterscheibe beträgt vorzugsweise 150 bis 450 mm, beispielsweise 150 mm, 200 mm, 300 mm oder 450 mm.
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Die weiteren Schritte zur Herstellung einer für die epitaktischen Abscheidung geeigneten Scheibe aus Halbleitermaterial umfassen das Kantenverrunden, das Schleifen oder Läppen, sowie das Ätzen oder Reinigen und Polieren. Ein entsprechender Herstellungsprozess ist beispielsweise
DE 10 2005 045 337 A1 beschrieben.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist zum epitaktischen Beschichten von Halbleiterscheiben, insbesondere Siliziumscheiben, ein Epitaxie-Reaktor gemäß dem Stand der Technik geeignet. Die epitaktische Beschichtung von Halbleiterscheiben umfasst dabei bevorzugt die folgenden Schritte: 1) Auflegen von mindestens einer Halbleiterscheibe auf den mindestens einen sich in einem Epitaxie-Reaktor befindlichen Suszeptor; 2) Erwärmen des Reaktorraumes auf die gewünschte Temperatur (Rampen); 3) Spülen der Reaktorkammer mit Wasserstoff (H2-bake); 4) Einleiten eines Wasserstoff-Chlorwasserstoff-Gemisches in die Reaktorkammer (Ätze, HCl-bake); 5) Epitaktische Beschichtung der mindestens einen Halbleiterscheibe durch die Zersetzung eines Gases; 6) Abkühlen der Reaktorkammer auf eine Entladetemperatur und Einleitung von Wasserstoff und Entnahme der mindestens einen Halbleiterscheibe.
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Um die Halbleiterscheibe vor Partikelbelastung zu schützen, wird sie vor der epitaktischen Beschichtung vorzugsweise einer hydrophilen Reinigung unterzogen. Diese hydrophile Reinigung erzeugt ein natives Oxid (natürliches Oxid) auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe, das sehr dünn ist (etwa 0,5–2 nm, je nach Art der Reinigung und der Messung).
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Das native Oxid wird bei einer Vorbehandlung der Halbleiterscheibe in einem Epitaxiereaktor üblicherweise unter Wasserstoffatmosphäre (auch „H2-Bake“ genannt) wieder entfernt.
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Der H2-bake erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 1050°C bis 1200°C und einem Wasserstoffstrom von bevorzugt 40 bis 60 slm (Standardliter pro Minute) für 5 bis 20 Sekunden.
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Nach dem Entfernen der nativen Oxidschicht erfolgt bevorzugt ein zweiter Vorbehandlungsschritt, um vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht die Oberfläche der Vorderseite der Substratscheibe zu glätten. Während des zweiten Vorbehandlungsschrittes, dem sog. wafer etching, werden bevorzugt bei einer Temperatur von 1050°C bis 1200°C eine Mischung von Wasserstoffgas (H2) und Chlorwasserstoffgas (HCl) für 5 bis 20 Sekunden durch die Prozesskammer geleitet. Bevorzugt betragen die Gasströme für Wasserstoff 40 bis 60 slm und für Chlorwasserstoff 0,5 bis 5 slm.
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Zur Durchführung der epitaktischen Beschichtung 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. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch in einem Mehrscheibenreaktor durchgeführt werden. Ohne den Umfang der Erfindung einzuschränken, wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren als Einzelscheibenprozess beschrieben.
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Ein Suszeptor, der beispielsweise aus Graphit, Siliciumcarbid (SiC) oder Quarz besteht und sich in der Abscheidekammer des Epitaxiereaktors befindet, dient während der Vorbehandlungschritte und während der epitaktischen Beschichtung als Auflage für die Halbleiterscheibe.
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Die Halbleiterscheibe liegt vorzugsweise auf einem auf dem Suszeptor aufliegenden Ring aus Siliziumcarbid auf, wodurch die thermische Belastung der Halbleiterscheibe während des Abscheidens der epitaktischen Schicht verringert wird.
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Als gleichermaßen bevorzugte Alternative kann auch ein einteiliger Suszeptor mit einem Vorsprung, dem susceptor-ledge, als Randauflage verwendet werden.
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In beiden Fällen hat die Halbleiterscheibe nur im Randbereich Kontakt zur Unterlage, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten und die Rückseite der Halbleiterscheibe, auf der in der Regel keine Schicht abgeschieden wird, vor dem Quellengas zu schützen.
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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. Ebenfalls bevorzugt ist die Verwendung eines Suszeptors aus einem gasdurchlässigen, porösen Materials, wie beispielsweise in
DE 10328842 A1 beschrieben.
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Die Halbleiterscheibe wird im Epitaxiereaktor mittels Heizquellen, vorzugsweise mittels oberen und unteren Heizquellen, beispielsweise Lampen oder Lampenbänken erwärmt und anschließend einem Gasgemisch, bestehend aus einem eine Siliciumverbindung beinhaltenden Quellengas (Silane), einem Trägergas (beispielsweise Wasserstoff) und gegebenenfalls einem Dotiergas (beispielsweise Diboran), ausgesetzt.
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Die Abscheidung der epitaktischen Schicht erfolgt üblicherweise nach dem CVD-Verfahren („chemical vapor deposition“), indem als Quellengas Silane, beispielsweise Trichlorsilan (SiHCl3, TCS), zur Oberfläche der Siliciumscheibe geführt werden, sich dort bei Temperaturen von 600 bis 1250 °C zu elementarem Silicium und flüchtigen Nebenprodukten zersetzen und eine epitaktisch aufgewachsene Siliciumschicht auf der Siliciumscheibe bilden.
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Die epitaktische Schicht kann undotiert oder mittels geeigneten Dotiergasen gezielt mit Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon dotiert sein, um Leitungstyp und Leitfähigkeit einzustellen.
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Die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke kann durch verschiedene Maßnahmen eingestellt werden, beispielsweise durch eine Veränderung der Gasflüsse des Trägergases (z.B. Wasserstoff) und oder des Quellengases (z.B. TCS), durch Einbau und Verstellen von Gaseinlassvorrichtungen (Injektoren), durch Änderung der Abscheidetemperatur oder Veränderungen am Suszeptor.
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Nach Beendigung der epitaktischen Beschichtung der Halbleiterscheibe wird diese in der Prozesskammer des Epitaxiereaktors in einer Wasserstoffatmosphäre abgekühlt, bevor die Scheibe aus der Prozesskammer entladen wird.
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Gemäß dem Stand der Technik dient das Einleiten von Wasserstoff in die Prozesskammer neben dem Abkühleffekt auch zum Ausspülen der verbleibenden Prozessgase.
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Das
US-Patent 6,217,650 B1 beschreibt beispielsweise das Abkühlen der epitaxierten Siliciumscheibe unter Wasserstoffatmosphäre von 1000°C auf 800°C.
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Der Erfinder hat erkannt, dass die Rauigkeit der auf der Vorderseite der Halbleiterscheibe epitaktisch abgeschiedenen Schicht während des Abkühlvorgangs gezielt durch den Wasserstoffstrom eingestellt werden kann.
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Die Abkühlung der epitaktisch beschichteten Scheibe aus Halbleitermaterial kann durch Abschalten der Heizelemente in der Prozesskammer oder durch die gesteuerte Verringerung der Leistung der Heizelemente über einen definierten Zeitraum (herunterrampen) während der Einleitung von Wasserstoffgas in die Prozesskammer erfolgen.
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Bevorzugt erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren das Abkühlen der der epitaktisch beschichteten Scheibe aus Halbleitermaterial von einem Temperaturbereich von 1200°C bis 1000°C auf einen Entladetemperatur von 800°C bis 600°C in einem Zeitraum von 30 bis 90 s, wobei die Entladetemperatur diejenige Temperatur ist, bei der die epitaktisch beschichteten Scheibe aus Halbleitermaterial aus der Prozesskammer entfernt wird.
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Um eine gezielte Oberflächenrauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht zu erhalten, wird der Wasserstoffstrom während des Abkühlvorgangs entweder konstant oder mit einer variablen Flussrate (Strömungsgeschwindigkeit) in die Prozesskammer eingeleitet. Bei einer variablen Flussrate kann der Wasserstofffluss während des Abkühlvorgangs beispielsweise kontinuierlich erhöht oder kontinuierlich verringert werden. Bevorzugt beträgt im erfindungsgemäßen Verfahren der Wasserstoffstrom während des Abkühlvorgangs 10 bis 100 slm, besonders bevorzugt 20 bis 80 slm und wird innerhalb dieses Bereiches konstant gehalten oder variiert (zunehmenden oder einer abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit).
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1 zeigt beispielhaft den Einfluss des Wasserstoffstroms während des Abkühlvorgangs auf die Oberflächenrauigkeit (Haze). Mit steigendem Wasserstoffstrom nimmt die Oberflächenrauigkeit zu. Während beispielsweise bei einem konstanten Wasserstoffstrom von 25 slm eine Oberflächenrauigkeit Dn Haze mean der epitaktisch abgeschiedenen Siliciumschicht von 0,185 ppm in einem Versuchsbeispiel erzielt wurden, steigt die Oberflächenrauigkeit Dn Haze mean bei einem konstantem Wasserstoffstrom von 50 slm auf 0,196 ppm an. Insgesamt führt das Erhöhen des Wasserstoffstromes zu einer höheren Oberflächenrauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht, wohingegen durch die Verringerung des Wasserstoffstromes die Oberflächenrauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht niedriger wird.
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Bei den in 1 gezeigten Versuchsergebnissen handelt es sich um relative, d.h. auf ein Messgerät, hier das Messgerät Surfscan SPx der Firma KLA Tencor, bezogene Werte. Die mittels Streulichtlaser-Messung ermittelten mittleren Oberflächenrauigkeiten Dn Haze mean werden gemäß dem Stand der Technik nicht auf einen festgelegten Wert für die Rauigkeit kalibriert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die aus den Vorprozessen und der epitakitschen Abscheidung resultierende Oberflächenrauigkeit gezielt auf einen höheren oder niedrigeren Wert eingestellt werden, in dem der Wassertoffstrom im Epitaxierekator beim Abkühlen der epitaktisch beschichteten Scheibe entsprechend eingestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1533836 A1 [0006]
- US 2012/0104565 A1 [0006, 0011, 0011]
- DE 69702620 T2 [0008]
- US 6217650 B1 [0009, 0035]
- DE 102005045337 A1 [0017]
- DE 10328842 A1 [0028]
