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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe und ein Verfahren zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe, insbesondere ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht auf einer Substratscheibe aus einem Halbleitermaterial wie Silizium.
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Stand der Technik / Probleme
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In
US 6,130,105 ist eine Vorrichtung beschrieben, die eingesetzt werden kann, um eine Schicht auf einer Substratscheibe abzuscheiden.
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Vorrichtungen dieser Art umfassen eine Reaktorkammer, die durch einen oberen Deckel, einen unteren Deckel und eine Seitenwand begrenzt ist. In der Reaktorkammer ist ein Suszeptor angeordnet, auf dem eine zu beschichtende Substratscheibe abgelegt wird. Die Substratscheibe wird durch Strahlungswärme erhitzt, und anschließend Prozessgas von einem Gaseinlass über die sich drehende Substratscheibe hinweg zu einem Gasauslass der Reaktorkammer geleitet. Im Zuge dessen wird Prozessgas chemisch zerlegt und es scheidet sich eine Materialschicht auf der oberen Seite der Substratscheibe ab, die ein Produkt der chemischen Reaktion ist. Die zum Erhitzen der Substratscheibe benötigte Strahlung kommt von einer Strahlungsquelle, die über dem oberen Deckel angeordnet ist. Es können auch mehrere Strahlungsquellen vorgesehen sein und das zusätzliche Anordnen von einer oder mehrerer Strahlungsquellen unter dem unteren Deckel.
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Die Gleichförmigkeit der Dicke der abgeschiedenen Materialschicht ist ein Qualitäts-Kennzeichen, das die Beschaffenheit der Materialschicht charakterisiert.
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Insbesondere von Substratscheiben aus Halbleitermaterial, die mit einer Materialschicht aus Halbleitermaterial beschichtet sind und die zu elektronischen Bauelementen weiter verarbeitet werden sollen, wird eine besondere Gleichförmigkeit der Dicke der Materialschicht erwartet.
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Diese Erwartung kann jedoch nur in begrenztem Umfang erfüllt werden, weil nicht an jedem Ort der oberen Seite der Substratscheibe identische Abscheidebedingungen bereitgestellt werden können. Häufig liegen Bereiche der Materialschicht, die sich von anderen Bereichen der Materialschicht durch eine abweichende Dicke der Materialschicht unterscheiden lassen, rotationssymmetrisch zur Drehachse, um die die Substratscheibe beim Abscheiden der Materialschicht gedreht wird.
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Es gibt Vorschläge zur Verbesserung der Gleichförmigkeit der Dicke der Materialschicht. In
US 2010/0251958 A1 wird beispielsweise empfohlen, eine oberen Deckel zu verwenden, der konvex zur Substratscheibe gekrümmt ist, und den Krümmungsradius in Abhängigkeit der Fluss-Geschwindigkeit zu wählen, mit der ein Trägergas, das Bestandteil des Prozessgases ist, in die Reaktorkammer geleitet wird. Durch diese Maßnahme kann einem Randabfall (edge roll off), also einem Abfall der Dicke der Materialschicht im Randbereich der Substratscheibe, entgegengewirkt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine umfassendere und einfach zu realisierende Möglichkeit aufzuzeigen, auf die lokale Dicke der Materialschicht Einfluss nehmen zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung 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;
eine Strahlungsquelle, die Strahlung aussendet, die durch den oberen Deckel zur Substratscheibe und zu der auf einer oberen Seite der Substratscheibe wachsenden Materialschicht gelangt, gekennzeichnet durch
ein im Strahlengang der Strahlung angeordnetes Fenster, das mindestens einen ringförmigen Bereich mit konzentrischer Lage zu einem Umfang der Substratscheibe aufweist, wobei die Dicke des Fensters in dem ringförmigen Bereich verschieden ist von der Dicke des Fensters in Bereichen, die an den ringförmigen Bereich angrenzen,
und wobei ein radialer Querschnitt durch den ringförmigen Bereich einen Verlauf hat, der konvex oder konkav gekrümmt ist. Das Fenster ist im ringförmigen Bereich zumindest auf der nach außen gerichteten oberen Seite des Fensters konvex oder konkav gekrümmt.
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Der ringförmige Bereich des Fensters wirkt auf durchtretende Strahlung wie eine Streulinse oder eine Sammellinse, je nach Art der Krümmung des Verlaufs des radialen Querschnitts durch den ringförmigen Bereich. Das hat zur Folge, dass die Intensität der auf der oberen Seite der Substratscheibe auftreffenden Strahlung in mindestens einem ringförmigen Bereich mit konzentrischer Lage zum Umfang der Substratscheibe verschieden ist von der Intensität der Strahlung in Bereichen, die an diesen Bereich angrenzen. Dementsprechend sind in diesem ringförmigen Bereich auf der oberen Seite der Substratscheibe die Temperatur und folglich auch die Geschwindigkeit, mit der die Materialschicht wächst (Abscheiderate), niedriger oder höher als in den angrenzenden Bereichen.
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Dieser Effekt wird erfindungsgemäß vorzugsweise genutzt, um die Gleichförmigkeit der Dicke der Materialschicht zu verbessern.
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Im Fenster können einer oder mehrere der ringförmigen Bereiche vorhanden sein. Sind mehrere der ringförmigen Bereiche vorhanden, können sie gleich oder unterschiedlich breit sein und die Art der Krümmung des Verlaufs des radialen Querschnitts durch den jeweiligen ringförmigen Bereich kann gleich oder unterschiedlich sein. Mit der Breite eines ringförmigen Bereichs des Fensters ist die Breite in radialer Richtung gemeint. Diese Breite beträgt vorzugsweise 2 mm bis 8 mm, besonders bevorzugt 4 mm bis 6 mm. Ist das Fenster im ringförmigen Bereich auf der nach außen gerichteten oberen Seite des Fensters konvex gekrümmt, beträgt die Höhe der Krümmung vorzugsweise nicht mehr als 2 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 1 mm. Darüber hinaus kann in diesem Fall auf der nach innen gerichteten unteren Seite des Fensters ein gegenüberliegender ringförmiger Bereich vorhanden sein, bei dem die Krümmung des radialen Verlaufs des Querschnitts konkav ist.
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Das Fenster besteht aus einem Material, das Strahlung, die von der Strahlungsquelle ausgesendet wird, durchlässt. Vorzugsweise besteht das Fenster im Wesentlichen aus Quarz. Der mindestens eine ringförmige Bereich kann beispielsweise durch mechanische Bearbeitung, durch Ätzen oder durch thermische Behandlung des Fensters erzeugt werden. Bevorzugt ist die Verwendung eines Lasers oder eines Gasbrenners zum Einarbeiten des ringförmigen Bereichs in das Fenster.
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Das Fenster kann in der Reaktorkammer zwischen dem oberen Deckel und der Substratscheibe angeordnet sein. Vorzugsweise bildet jedoch der obere Deckel selbst das Fenster.
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Der Radius des ringförmigen Bereichs des Fensters und der Radius des ringförmigen Bereichs auf der oberen Seite der Substratscheibe korrelieren nach den Regeln der Strahlenoptik. Nach diesen Regeln kann daher die Lage des ringförmigen Bereichs auf der oberen Seite der Substratscheibe, dessen Temperatur beeinflusst wird, berechnet werden. Natürlich kann auch durch einfache Vorversuche herausgefunden werden, wo der ringförmige Bereich im Fenster platziert werden muss, damit sich das Wachstumsverhalten der Materialschicht an einer vorgesehenen Position auf der Substratscheibe in einer gewünschten Weise verändert.
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Die Substratscheibe und die darauf abzuscheidende Materialschicht bestehen vorzugsweise aus Halbleitermaterial. Beispiele für solches Halbleitermaterial sind Silizium, Germanium und III-V Verbindungshalbleiter. Die weitere Beschreibung erwähnt stellvertretend eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium, die durch Abscheiden einer Materialschicht aus einkristallinem Silizium zu einer sogenannten Epischeibe aus einkristallinem Silizium wird.
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Die Substratscheibe liegt vorzugsweise nur im Randbereich von deren Rückseite auf einer Ablagefläche (ledge) des Suszeptors. Der übrige Teil der Rückseite liegt vorzugsweise frei über einer Tasche (pocket) des Suszeptors.
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Die Strahlungsquelle ist über dem oberen Deckel angeordnet. Wie bereits erwähnt, können auch mehrere Strahlungsquellen vorgesehen sein, und darüber hinaus auch eine oder mehrere Strahlungsquellen vorgesehen sein, die unter dem unteren Deckel angeordnet sind.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe in einer Reaktorkammer, die durch einen oberen Deckel und einen unteren Deckel und eine Seitenwand begrenzt ist, umfassend
das Ablegen der Substratscheibe auf einen Suszeptor;
das Erhitzen der Substratscheibe durch Strahlung einer Strahlungsquelle, die über dem oberen Deckel angeordnet ist;
das Leiten des Prozessgases über die erhitzte Substratscheibe, wobei die Materialschicht auf einer oberen Seite der Substratscheibe wächst, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung auf dem Weg zur Substratscheibe durch ein Fenster geschickt wird, das mindestens einen ringförmigen Bereich mit konzentrischer Lage zu einem Umfang der Substratscheibe aufweist, wobei die Dicke des Fensters in dem ringförmigen Bereich verschieden ist von der Dicke des Fensters in Bereichen, die an den ringförmigen Bereich angrenzen, und wobei ein radialer Querschnitt durch den ringförmigen Bereich einen Verlauf hat, der konvex oder konkav gekrümmt ist.
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Vorzugsweise wird das Verfahren eingesetzt, um einen Randabfall zu verringern oder vollständig zu vermeiden. Hierzu wird dafür Sorge getragen, dass der radiale Querschnitt durch den ringförmigen Bereich des Fensters einen konvex gekrümmten Verlauf hat und der ringförmige Bereich des Fensters den Radius hat, den er haben muss, damit die Geschwindigkeit, mit der die Materialschicht abgeschieden wird, in demjenigen ringförmigen Bereich auf der oberen Seite der Substratscheibe ansteigt, in dem es gilt, einem Randabfall entgegenzuwirken.
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Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale können entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen werden. Umgekehrt können die bezüglich der vorstehend ausgeführten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegebenen Merkmale entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und in den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt den Querschnitt einer Vorrichtung, die zum Abscheiden einer von Prozessgas stammenden Materialschicht auf einer Substratscheibe geeignet ist.
- 2 ist eine Prinzip-Darstellung, an Hand derer die Wirkungsweise eines oberen Deckels erläutert werden kann, der erfindungsgemäß strukturiert ist.
- 3 zeigt ein Ergebnis eines durchgeführten Tests der Erfindung.
- 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die strukturiert ist, um einem Randabfall der Materialschicht entgegenzuwirken.
- 5 zeigt das Ergebnis von Versuchen, den Randabfall zu verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- oberer Deckel
- 2
- unterer Deckel
- 3
- Seitenwand
- 4
- Substratscheibe
- 5
- Suszeptor
- 6
- Strahlungsquellen
- 7
- äußerer ringförmiger Bereich des oberen Deckels
- 8
- innerer ringförmiger Bereich des oberen Deckels
- 9
- Materialschicht
- 10
- gestreute Strahlung
- 11
- äußerer ringförmiger Bereich auf der Substratscheibe
- 12
- gebündelte Strahlung
- 13
- innerer ringförmiger Bereich auf der Substratscheibe
- 14
- Licht bündelnder ringförmiger Bereich auf der oberen Seite des oberen Deckels
- 15
- ringförmger Bereich am Rand der Substratscheibe
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Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst eine Reaktorkammer, die von einem oberen Deckel („upper dome“) 1, einem unteren Deckel („lower dome“) 2 und einer Seitenwand 3 begrenzt wird. Der obere und untere Deckel 1, 2 sind durchlässig für Wärmestrahlung, die von über und unter der Kammer angeordneten Strahlungsquellen 6 abgestrahlt wird. Die Materialschicht wird aus der Gasphase auf der oberen Seite der Substratscheibe 4 abgeschieden, indem Prozessgas über die erhitzte Substratscheibe geleitet wird. Das Prozessgas wird durch einen Gaseinlass in der Seitenwand 3 zugeführt und das nach der Reaktion verbleibende Abgas durch einen Gasauslass in der Seitenwand 3 abgeführt. Die dargestellte Vorrichtung repräsentiert eine Ausführungsform, die einen weiteren Gaseinlass und einen weiteren Gasauslass hat, um beispielsweise ein Spülgas in das unter der Substratscheibe vorhandene Volumen der Reaktorkammer ein- und auszuleiten zu können. Während des Abscheidens der Materialschicht liegt die Substratscheibe 4 auf der Ablagefläche eines Suszeptors 5 und wird zusammen mit dem Suszeptor um eine Drehachse in der Mitte der Substratscheibe gedreht.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Fenster auf, das im Strahlengang einer Strahlungsquelle 6, die sich über dem oberen Deckel 1 befindet, angeordnet ist und durch das Vorhandensein von mindestens einem Bereich mit konzentrischer Lage zum Umfang der Substratscheibe strukturiert ist, wobei die Dicke des Fensters im ringförmigen Bereich verschieden ist von der Dicke des Fensters in Bereichen, die an den ringförmigen Bereich angrenzen. Darüber hinaus hat der radiale Querschnitt durch den ringförmigen Bereich einen Verlauf, der konvex oder konkav gekrümmt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der obere Deckel 1 das Fenster bildet und mindestens einen ringförmigen Bereich mit konzentrischer Lage zum Umfang der Substratscheibe 4 aufweist, in dem die Dicke verschieden ist von der Dicke in Bereichen, die an den ringförmigen Bereich angrenzen, und dessen radialer Querschnitt einen Verlauf hat, der konvex oder konkav gekrümmt ist.
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In 2 ist ein solcher oberer Deckel 1 schematisch dargestellt. Er weist zwei der erwähnten ringförmigen Bereiche auf, wobei der Verlauf des radialen Querschnitts des äußeren ringförmigen Bereichs 7 konkav und derjenige des inneren ringförmigen Bereichs 8 konvex ist. Von der Strahlungsquelle 6 ausgesendete Strahlung wird beim Durchtritt durch den äußeren ringförmigen Bereich 7 gestreut, beim Durchtritt durch den inneren Bereich 8 gebündelt und gelangt schließlich zur Substratscheibe 4, auf dessen oberer Seite eine Materialschicht 9 wächst. Die gestreute Strahlung 10 erhitzt einen äußeren ringförmigen Bereich 11 auf der Substratscheibe und die gebündelte Strahlung 12 einen inneren ringförmigen Bereich 13 auf der Substratscheibe. Wegen der Streuung der Strahlung ist der äußere ringförmige Bereich 11 vergleichsweise breit und wegen der Bündelung der Strahlung ist der innere ringförmige Bereich 13 vergleichsweise schmal. Mit der Strahlung durch die ringförmigen Bereiche im oberen Deckel 1 wird die gleiche Menge Energie übertragen, so dass die Temperatur im äußeren ringförmigen Bereich 11 kleiner und im inneren ringförmigen Bereich 13 größer ist, als die Temperatur in Bereichen, die an diese Bereiche 11, 13 angrenzen. Dementsprechend wächst die Materialschicht im äußeren ringförmigen Bereich 11 mit vergleichsweise kleiner Geschwindigkeit und im inneren ringförmigen Bereich 13 mit vergleichsweise großer Geschwindigkeit. Im Hinblick auf die Dicke der Materialschicht 9 bedeutet das, dass die Dicke der Materialschicht im äußeren ringförmigen Bereich 11 vergleichsweise klein wird und die Dicke der Materialschicht im inneren ringförmigen Bereich 13 vergleichsweise groß wird.
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3 zeigt das Ergebnis eines durchgeführten Tests, wobei ein Epitaxie-Reaktor vom Typ Centura® des Herstellers Applied Materials mit einem erfindungsgemäß modifizierten oberen Deckel verwendet wurde, um eine Epischeibe aus einkristallinem Silizium herzustellen. Der obere Deckel war durch Behandlung mit einem Gasbrenner derart modifiziert, dass fünf ringförmige Bereiche mit konkavem Verlauf des radialen Querschnitts vorhanden waren. Der untere Teil von 3 zeigt eine Auswertung der Nanotopographie der oberen Seite der Epischeibe. Es sind fünf ringförmige Bereiche zu erkennen. Sie erscheinen dunkler, weil dort die Dicke kleiner ist, als in der Umgebung. Der durch Pfeile angedeutete Strahlengang ausgehend vom Höhenprofil der oberen Seite des oberen Deckels zeigt den Zusammenhang zwischen den ringförmigen Bereichen im oberen Deckel und den ringförmigen Bereichen auf der oberen Seite der Epischeibe.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die strukturiert ist, um einem Randabfall der Materialschicht entgegenzuwirken. Zu diesem Zewck weist der obere Deckel 1 auf dessen oberer Seite einen ringförmigen Bereich 14 auf, der Strahlung 12 bündelt, so dass beim Abscheiden der Materialschicht 9 die Abscheiderate in einem ringförmigen Bereich 15 am Rand der Substratscheibe größer ist, als in radial weiter innen liegenden Bereichen.
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In 5 ist der ZDD der Vorderseite an der radialen Position r mit einem Abstand von 148 mm von der Mitte der Substratscheibe (ZDD FS r = 148 mm) für zwei Sätze von mit einer Materialschicht beschichteten Substratscheiben angegeben. Der ZDD ist ein Parameter, der einen Randabfall beschreibt und durch zweifaches Ableiten des Abstands (z-Koordinate) der Materialschicht senkrecht zur Medianebene ermittelt wird. Der erste Satz beschichteter Substratscheiben aus einkristallinem Silizium mit epitaktisch abgeschiedener Schicht aus Silizium wurde erfindungsgemäß hergestellt, das heißt, der obere Deckel der Reaktorkammer hatte die in 4 gezeigte Struktur. Der zweite Satz gleichartiger beschichteter Substratscheiben war nicht erfindungsgemäß hergestellt worden, weil dem oberen Deckel der Reaktorkammer der ringförmige Bereich 14 fehlte. 5 zeigt, dass die beschichteten Substratscheiben des ersten Satzes (quadratische Datenpunkte) einen geringeren Randabfall aufwiesen, als die beschichteten Substratscheiben des zweiten Satzes (rautenfömige Datenpunkte).
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Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen sowie Äquivalente durch den Schutzbereich der Ansprüche abgedeckt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6130105 [0002]
- US 2010/0251958 A1 [0007]
