DE10216610A1 - Verfahren zur Temperaturkalibrierung eines Hochtemperaturreaktors - Google Patents

Verfahren zur Temperaturkalibrierung eines Hochtemperaturreaktors

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems eines Hochtemperaturreaktors, umfassend DOLLAR A a) die Bereitstellung einer Kalibrierscheibe mit einer ersten Konzentration eines Dotierstoffs, die eine Schicht mit einer zweiten Konzentration des Dotierstoffs aufweist, wobei die zweite Konzentration von der ersten Konzentration verschieden ist, DOLLAR A b) die Bestimmung der Dicke der Schicht, DOLLAR A c) eine thermische Behandlung der Kalibrierscheibe im Hochtemperaturreaktor bei einer vorgegebenen, vom Temperaturmesssystem gemessenen Soll-Temperatur, DOLLAR A d) die erneute Bestimmung der Dicke der Schicht und DOLLAR A e) die Bestimmung der tatsächlichen Ist-Temperatur im Hochtemperaturreaktor während der thermischen Behandlung in Schritt c) aus der Differenz der in den Schritten d) und b) bestimmten Dicken der Schicht mit Hilfe eines bekannten funktionalen Zusammenhangs zwischen der Änderung der Dicke der Schicht und der Temperatur während der thermischen Behandlung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung der Temperaturregelung eines Hochtemperaturreaktors, der zur Hochtemperaturbehandlung von Halbleiterscheiben ("wafer") verwendet wird.
  • Eine Halbleiterscheibe wird einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen, wenn beispielsweise beabsichtigt ist, die Halbleiterscheibe zu tempern ("annealing", "rapid thermal annealing (RTA)", "rapid thermal processing (RTP)"), zu dotieren oder eine Materialschicht auf einer oder beiden Seiten der Halbleiterscheibe abzuscheiden ("chemical vapour deposition (CVD)", "atmospheric pressure CVD (APCVD)", "low pressure CVD (LPCVD)", "epitaxy").
  • Eine der wichtigsten Hochtemperaturbehandlungen ist die Epitaxie. Unter einer epitaktischen Beschichtung oder kurz Epitaxie versteht man das Aufwachsen einer einkristallinen Schicht auf die ebene Begrenzungsfläche eines einkristallinen Substrats, im Allgemeinen einer Substratscheibe, beispielsweise einer Halbleiterscheibe. Diese Beschichtung oder Abscheidung erfolgt mittels der so genannten chemischen Gasphasenabscheidung ("chemical vapor deposition" oder CVD) in CVD-Reaktoren, wie beispielsweise in EP 714 998 A2 beschrieben. Die Halbleiterscheibe wird dabei zunächst mittels Heizquellen erwärmt und anschließend einem Gasgemisch, nachfolgend als Prozessgas bezeichnet, bestehend aus einem Quellengas, einem Trägergas und gegebenenfalls einem Dotiergas, ausgesetzt. Das Quellengas (und gegebenenfalls das Dotiergas) zerfällt in der Nähe der heißen Substratoberfläche, sodass weiteres einkristallines Material auf der Oberfläche abgeschieden wird. In der Regel erfolgt diese Abscheidung auf der Vorderseite des Substrats, während die Scheibe mit ihrer Rückseite auf einer als Suszeptor bezeichneten Auflage liegt.
  • An dieser Stelle seien Vorder- und Rückseite einer Halbleiterscheibe definiert. Die Vorderseite der Halbleiterscheibe ist die Seite, die epitaktisch beschichtet wird und die für die Herstellung von elektronischen Bauelementen vorgesehen ist.
  • Einer der wichtigsten Parameter bei einer Hochtemperaturbehandlung, insbesondere beim Epitaxieprozess ist die Temperatur der Substratoberfläche, die jedoch nicht direkt gemessen werden kann. In Hochtemperaturreaktoren werden zur Messung der Temperatur üblicherweise Thermoelemente oder Pyrometer verwendet. Das Messsignal wird zur Temperaturregelung, beispielsweise in einem Regelkreis, der die Leistung der Heizquellen regelt, eingesetzt.
  • Die in der Regel vom Hersteller kalibrierten Thermoelemente werden beispielsweise von unten in die Prozesskammer eingebaut und so justiert, dass sie die Temperatur an der Unterseite des Suszeptors messen.
  • Wird zur Temperaturmessung ein Pyrometer verwendet, so ist dieses oberhalb der üblicherweise aus Quarz bestehenden Prozesskammer des Hochtemperaturreaktors installiert. Das Pyrometer misst die Abstrahlung der darunter in der Prozesskammer auf einem Suszeptor liegenden Halbleiterscheibe. Da das Wellenlängenspektrum der thermischen Strahlung eines Körpers eindeutig mit seiner Temperatur korreliert ist, erlaubt die Messung der Abstrahlung einen Rückschluss auf die Temperatur der Halbleiterscheibe. Die Kalibrierung des Pyrometers erfolgt indirekt über ein Thermoelement, das einmalig in einen speziellen Temperaturabgleichsuszeptor seitlich eingebracht wird. Nachdem eine Halbleiterscheibe auf dem Temperaturabgleichsuszeptor platziert wurde, wird die Prozesskammer aufgeheizt und die vom Pyrometer gemessene Temperatur mit der vom Thermoelement gemessenen Temperatur abgeglichen. Diese Kalibrierung ist jedoch selbst fehlerbehaftet, da auch das im Temperaturabgleichsuszeptor befindliche Thermoelement nicht die als Prozessparameter wichtige Substrattemperatur misst, sondern lediglich die Temperatur des Temperaturabgleichsuszeptors.
  • Es hat sich gezeigt, dass die Temperaturmessung bzw. die Kalibrierung der Messsysteme in den Hochtemperaturreaktoren durch vielfältige Faktoren unkontrollierbar beeinflusst werden:
    Beispielsweise wird mit Thermoelementen die Temperatur an der Unterseite des Suszeptors gemessen. Suszeptoren sind Verbrauchsmaterial, das in vorgegebenen Intervallen erneuert werden muss. Variationen bei den verwendeten Suszeptoren können dazu führen, dass die Wärmeübertragung zwischen Suszeptor und Halbleiterscheibe vom individuellen Suszeptor abhängig ist. Ebenso spielt die Einbaulage, sprich der Abstand der Thermoelementspitze von der Suszeptorunterseite, eine große Rolle. Es kann nicht sichergestellt werden, dass dieser Abstand immer exakt gleich eingestellt wird. Darüber hinaus befindet sich das Thermoelement mit der Messspitze in der Prozesskammer und ist permanent aggressiven Beschichtungs- und Ätzgasen ausgesetzt. Dies hat zur Folge, dass sich die Beschaffenheit des Quarzrohres, das den Thermoelementdraht umgibt, mit der Zeit verändert und somit die Temperaturmessung beeinträchtigt wird.
  • Wird zur Temperaturmessung ein Pyrometer verwendet, so wird die Temperatur der Halbleiterscheibe von oben außerhalb der üblicherweise aus Quarz bestehenden Prozesskammer gemessen. Auch hier kann die Messung beeinträchtigt werden, da sich mit zunehmender Betriebszeit der Prozesskammer die Beschaffenheit der zwischen Pyrometer und Halbleiterscheibe befindlichen Quarzwand der Prozesskammer verändern kann. Beispielsweise können diese Veränderungen von einer unerwünschten Abscheidung von Halbleitermaterial auf der Innenseite der Quarzwand herrühren.
  • Erfahrungsgemäß können die beschriebenen Einflüsse und Variationen nicht hinreichend kontrolliert werden, sodass Variationen in der Temperatur der Halbleiterscheiben während der Hochtemperaturbehandlung nicht vermieden werden können. Dies hat beispielsweise bei der Epitaxie wiederum variierende Eigenschaften der abgeschiedenen epitaktischen Schichten zur Folge. Erforderlich ist jedoch eine gleichbleibende Qualität der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheiben.
  • Im Dokument EP 787 839 A1 ist ein Verfahren zur Temperaturkalibrierung eines Epitaxiereaktors beschrieben, das auf der Temperaturabhängigkeit der Ausdiffusion von Dotierstoffen von der Oberfläche einer Halbleiterscheibe beruht. Dabei wird eine speziell zum Zweck der Kalibrierung durch Implantation eines Dotierstoffs hergestellte Testscheibe im Epitaxiereaktor für eine definierte Zeit auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt. Die Testscheibe besteht beispielsweise aus einer leicht dotierten p-Scheibe (Bor) mit einem Implantat vom n-Typ (Arsen). Die Testscheibe muss sehr aufwendig einem Aktivierungs- und einem Drive-in-Annealschritt unterworfen werden und dabei durch eine Oxidschicht geschützt werden. Vor und nach der thermischen Behandlung wird der Schichtwiderstand der Dotierstoffschicht mittels Vierspitzenmethode gemessen. Während der thermischen Behandlung diffundiert der implantierte Dotierstoff aus der Halbleiterscheibe aus, wobei sich der Schichtwiderstand ändert. Diese Ausdiffusion wird aber nicht nur von der Temperatur der Kalibrierscheibe, sondern auch durch die Beschaffenheit der Oberfläche der Scheibe und die Zusammensetzung der Gasatmosphäre beeinflusst.
  • In der englischsprachigen Zusammenfassung der japanischen Offenlegungsschrift JP 03-142948 A ist ein ähnliches Verfahren beschrieben, das mit den gleichen Nachteilen behaftet ist.
  • Es bestand daher die Aufgabe, ein vereinfachtes Verfahren zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems eines Hochtemperaturreaktors bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems eines Hochtemperaturreaktors, umfassend
    • a) die Bereitstellung einer Kalibrierscheibe mit einer ersten Konzentration eines Dotierstoffs, die eine Schicht mit einer zweiten Konzentration des Dotierstoffs aufweist, wobei die zweite Konzentration von der ersten Konzentration verschieden ist,
    • b) die Bestimmung der Dicke der Schicht,
    • c) eine thermische Behandlung der Kalibrierscheibe im Hochtemperaturreaktor bei einer vorgegebenen, vom Temperaturmesssystem gemessenen Soll-Temperatur,
    • d) die erneute Bestimmung der Dicke der Schicht und
    • e) die Bestimmung der tatsächlichen Ist-Temperatur im Hochtemperaturreaktor während der thermischen Behandlung in Schritt c) aus der Differenz der in den Schritten d) und b) bestimmten Dicken der Schicht mit Hilfe eines bekannten funktionalen Zusammenhangs zwischen der Änderung der Dicke der Schicht und der Temperatur während der thermischen Behandlung.
  • Erfindungsgemäß wird das Temperaturmesssystem eines Hochtemperaturreaktors mit Hilfe einer Kalibrierscheibe kalibriert, die eine Schicht mit einer bestimmten, vom Rest der Kalibrierscheibe unterschiedlichen Dotierstoffkonzentration aufweist. Während einer thermischen Behandlung ändert sich die Dicke dieser Schicht durch Diffusion des Dotierstoffs in Abhängigkeit der dabei herrschenden Temperatur. Während der thermischen Behandlung diffundiert Dotierstoff innerhalb der Kalibrierscheibe aus dem Bereich mit der höheren Dotierstoffkonzentration in den Bereich mit der niedrigeren Dotierstoffkonzentration und verschiebt damit die Lage des Übergangsprofils zwischen den beiden Bereichen. Dabei bestimmen die tatsächliche, während der thermischen Behandlung herrschende Temperatur und die Dauer der thermischen Behandlung das Ausmaß der Dotierstoffdiffusion. Die Messung der Schichtdicke vor und nach der thermischen Behandlung im Hochtemperaturreaktor erlaubt somit einen Rückschluss auf die während der thermischen Behandlung tatsächlich herrschende Temperatur.
  • Dazu muss jedoch der funktionale Zusammenhang zwischen der Schichtdickenänderung und der Temperatur bekannt sein. Dieser wird vorzugsweise durch eine Reihe von Eichversuchen bestimmt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit überprüft werden, ob die vorgegebene, mit Hilfe des Temperaturmesssystems gemessene Soll-Temperatur mit der tatsächlich während der thermischen Behandlung herrschenden Ist-Temperatur übereinstimmt. Wird eine Abweichung festgestellt, kann anschließend das Temperaturmesssystem korrigiert, d. h. neu justiert werden.
  • Im Folgenden werden die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Figuren näher beschrieben:
  • Fig. 1 zeigt ein typisches Dotierstoff-Konzentrationsprofil einer Kalibrierscheibe, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Kalibrierkurve, die den Zusammenhang zwischen der Temperatur während einer thermischen Behandlung und der Änderung der Dicke der Schicht mit vom Rest der Scheibe abweichender Dotierstoffkonzentration.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens muss zunächst in Schritt a) eine Kalibrierscheibe bereitgestellt werden. Diese weist eine erste Konzentration eines Dotierstoffs sowie eine Schicht mit einer bestimmten, vom Rest der Kalibrierscheibe unterschiedlichen zweiten Konzentration des Dotierstoffs auf. Vorzugsweise wird eine Kalibrierscheibe eingesetzt, die im Bereich des Übergangs von der Schicht zum Rest der Scheibe einen großen Gradienten in der Dotierstoffkonzentration, d. h. einen scharfen Konzentrationsübergang oder "Konzentrationssprung" aufweist. Vorzugsweise wird eine Kalibrierscheibe eingesetzt, deren Schicht mit abweichender Dotierstoffkonzentration sich an der Oberfläche der Scheibe befindet.
  • Diese Forderungen erfüllen beispielsweise epitaktisch beschichtete Halbleiterscheiben, wobei das Substrat eine erste Konzentration eines geeigneten Dotierstoffs und die epitaktische Schicht eine davon verschiedene zweite Konzentration des Dotierstoffs aufweist, weshalb derartige Halbleiterscheiben bevorzugt als Kalibrierscheiben eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Halbleiterscheiben mit einem Dotierstoff in einer hohen Dotierstoffkonzentration (erste Konzentration) und einer niedrig dotierten epitaktischen Schicht (zweite Konzentration) verwendet. Derartige epitaktisch beschichtete Halbleiterscheiben sind beispielsweise unter der Bezeichnung p/p+- Scheiben bekannt. Verfahren zur Herstellung derartiger Scheiben sind Stand der Technik.
  • Um eine hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens zu erreichen, ist die Verwendung von Dotierstoffen mit großen Diffusionskoeffizienten bevorzugt, beispielsweise im Fall von Siliciumscheiben Bor, Arsen, Antimon oder Phosphor.
  • Fig. 1 zeigt als Beispiel das Dotierstoffprofil einer mit Bor in hoher Konzentration dotierten Siliciumscheibe, auf die eine ca. 2,5 µm dicke epitaktische Siliciumschicht 1 mit geringer Bor-Dotierung aufgebracht wurde. Von der Oberfläche (z = 0) ausgehend beträgt die Dotierstoffkonzentration in der epitaktischen Schicht (zweite Konzentration) mit zunehmender Tiefe z konstant c2 = 1016 at/cm3 (Atome pro Kubikzentimeter). Bei einer Tiefe von etwa z = 2,5 µm, d. h. am Übergang von der epitaktischen Schicht 1 zum Substrat 2, steigt die Dotierstoffkonzentration sprunghaft auf c1 = 1019 at/cm3 (erste Konzentration) an und bleibt im Wesentlichen im Rest des Substrats mit weiter zunehmender Tiefe z konstant. Der Pfeil 3 zeigt die aufgrund des Konzentrationsgradienten zu erwartende Richtung der Dotierstoffdiffusion bei einer thermischen Behandlung an.
  • In Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Dicke der Schicht der Kalibrierscheibe mit der zweiten Dotierstoffkonzentration bestimmt. Jede Methode, die eine hinreichend genaue Messung der Lage des Übergangs zwischen den verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen erlaubt, ist geeignet, für das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren verwendet zu werden. Dazu gehören Schichtdickenmessungen mittels FTIR oder Messungen des Übergangsprofils wie Spreading Resistance Profile (SRP) Messungen.
  • Vorzugsweise wird die Lage des Übergangs bzw. die Dicke der Schicht mittels einer als FTIR (fourier transform infrared) bekannten Variante der Infrarot-Spektroskopie bestimmt. Dabei wird ein Laserstrahl dicht am Übergang zum Substrat reflektiert. FTIR erlaubt eine Messung der Schichtdicke mit einer Genauigkeit von bis zu 2 nm pro Messungspunkt. Vorzugsweise wird die FTIR-Messung an mehreren Punkten der Kalibrierscheibe durchgeführt und anschließend der Mittelwert der Schichtdicke gebildet.
  • In Schritt c) wird die Kalibrierscheibe in die Prozesskammer des Hochtemperaturreaktors gebracht, dessen Temperaturmesssystem kalibriert werden soll. In der Prozesskammer wird die Kalibrierscheibe einer vorgegebenen thermischen Behandlung unterzogen. Die thermische Behandlung umfasst eine Aufheizphase, bei der die Kalibrierscheibe mit Hilfe der Heizquellen vorzugsweise mit einer definierten Aufheizrate bis zu einer vorgegebenen Soll-Temperatur aufgeheizt wird. Danach wird die Temperatur auf dem vorgegebenen Wert gehalten und anschließend vorzugsweise mit einer definierten Abkühlrate zumindest so weit abgekühlt, dass die Kalibrierscheibe aus der Prozesskammer des Reaktors entnommen werden kann. Die thermische Behandlung erfolgt vorzugsweise unter einer Inertgasatmosphäre, die unter den Bedingungen der thermischen Behandlung nicht chemisch mit der Oberfläche der Kalibrierscheibe reagiert. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Wasserstoff. Die während der thermischen Behandlung in der Prozesskammer des Hochtemperaturreaktors bzw. auf der Oberfläche der Kalibrierscheibe herrschende Temperatur wird mit dem zu kalibrierenden Temperaturmesssystem gemessen und abgelesen bzw. aufgezeichnet. In der Regel wird das Signal der Temperaturmessung für die Regelung der Heizquellen eingesetzt, sodass der gemessene Temperaturverlauf im Wesentlichen mit dem für die thermische Behandlung der Kalibrierscheibe vorgegebenen Temperaturverlauf identisch ist. Diese vorgegebene bzw. mit dem Temperaturmesssystem gemessene Temperatur wird als Soll-Temperatur bezeichnet.
  • Nach der thermischen Behandlung der Kalibrierscheibe nach einem vorgegebenen Temperaturprogramm wird die Scheibe wieder aus der Prozesskammer des Hochtemperaturreaktors entnommen und in Schritt d) erneut die Dicke der Schicht mit der zweiten Dotierstoffkonzentration bestimmt. Die Bestimmung der Schichtdicke erfolgt analog zu Schritt c). Dabei kommt vorzugsweise die gleiche Messmethode zum Einsatz, um ein vergleichbares Ergebnis zu erhalten.
  • Aufgrund der oben beschriebenen Diffusion des Dotierstoffs während der thermischen Behandlung weicht die nach der thermischen Behandlung gemessene Schichtdicke von der zuvor gemessenen Schichtdicke ab. Aus der Differenz der Schichtdicken nach und vor der thermischen Behandlung wird in Schritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Temperatur berechnet, die tatsächlich während der thermischen Behandlung geherrscht hat. Diese Temperatur wird als Ist-Temperatur bezeichnet.
  • Um die Ist-Temperatur aus der Schichtdickendifferenz berechnen zu können, ist die Kenntnis des funktionalen Zusammenhangs zwischen der während der thermischen Behandlung herrschenden Temperatur und der daraus resultierenden Änderung der Dicke der Schicht mit der zweiten Dotierstoffkonzentration erforderlich. Dieser funktionale Zusammenhang wird im Folgenden als Kalibrierkurve bezeichnet. Die Kalibrierkurve wird vorzugsweise durch eine Reihe von Eichversuchen ermittelt.
  • Zunächst wird ein Temperaturprogramm für die thermische Behandlung der Kalibrierscheiben definiert, das, aus einer Aufheizphase, einer Phase mit konstanter Temperatur und einer Abkühlphase besteht. Die Phase mit konstanter Temperatur umfasst vorzugsweise eine vorgegebene Zeitspanne, die für alle Eichversuche gleich lang ist, um die Abhängigkeit der Dotierstoffdiffusion von der Dauer der thermischen Behandlung zu eliminieren. Im Rahmen der Eichversuche werden nun eine Reihe von identischen Kalibrierscheiben bei unterschiedlichen Temperaturen thermisch behandelt. Vor und nach der thermischen Behandlung wird bei jeder Kalibrierscheibe die Dicke der Schicht mit der zweiten Dotierstoffkonzentration gemessen. Aus diesen Eichversuchen wird die Kalibrierkurve gewonnen, die die Änderung der Dicke der Schicht mit der zweiten Dotierstoffkonzentration während der thermischen Behandlung in Abhängigkeit der bei der thermischen Behandlung herrschenden Temperatur darstellt. Um aus den einzelnen gemessenen Punkten der Kalibrierkurve eine über den gesamten relevanten Temperaturbereich definierte Funktion zu erhalten, kann entweder zwischen den Punkten interpoliert oder eine geeignete Funktion durch Ausgleichsrechnung ("Fit") an die gemessenen Punkte angepasst werden. Die Kalibrierkurve muss nur einmal bestimmt werden und gilt generell für alle identischen Kalibrierscheiben, die nach dem definierten Temperaturprogramm unter festgelegten Bedingungen thermisch behandelt werden.
  • Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Kalibrierkurve, die mit Kalibrierscheiben aus Silicium mit einer epitaktischen Siliciumschicht gewonnen wurde. Das Substrat der Kalibrierscheiben war mit einer ersten (hohen) Konzentration von Bor dotiert und hatte einen spezifischen Widerstand von 0,01 Ωcm. Die epitaktische Schicht, die mit einer zweiten (niedrigen) Konzentration von Bor dotiert war, hatte eine Dicke von 3 µm und einen spezifischen Widerstand von 2 Ωcm. (Der spezifische Widerstand ist ein gebräuchliches Maß für die Konzentration eines vorgegebenen Dotierstoffs.) Derartige Kalibrierscheiben wurden zur Erstellung der Kalibrierkurve einer thermischen Behandlung in einem Epitaxiereaktor bei unterschiedlicher Temperatur, jedoch ansonsten identischen Bedingungen unterworfen. Jede Kalibrierscheibe wurde in die auf 600°C geheizte Prozesskammer eines Epitaxiereaktors gebracht, anschließend mit einer Aufheizrate von 400°C/min von auf die Soll-Temperatur aufgeheizt und 10 min bei Soll-Temperatur unter Wasserstoffatmosphäre thermisch behandelt. Anschließend wurde die Scheibe mit einer Abkühlrate von 600°C/min auf eine Entladetemperatur von 750°C abgekühlt und bei dieser Temperatur aus der Prozesskammer entnommen. Bei jeder Kalibrierscheibe wurde vor und nach der thermischen Behandlung die Dicke der an der Oberfläche befindlichen Schicht mit der zweiten Dotierstoffkonzentration durch FTIR-Messung an 60 Punkten und anschließender Mittelwertbildung bestimmt. Durch Diffusion des Dotierstoffs aus dem hochdotierten Substrat in die epitaktische Schicht nahm die Dicke der Schicht mit der zweiten Dotierstoffkonzentration während der thermischen Behandlung ab. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Abnahme d der Schichtdicke eindeutig von der während der thermischen Behandlung herrschenden Temperatur T abhängig.
  • Ist die Kalibrierkurve bekannt, wird im Rahmen einer erfindungsgemäßen Kalibrierung des Temperaturmesssystems in Schritt e) die gemessene Änderung der Dicke der Schicht mit der zweiten Dotierstoffkonzentration mit Hilfe der Kalibrierkurve in die während der thermischen Behandlung in der Prozesskammer bzw. auf der Oberfläche der Kalibrierscheibe herrschende Temperatur (Ist-Temperatur) umgerechnet. Um die vorhandene Kalibrierkurve nutzen zu können, müssen zur Kalibrierung identische Kalibrierscheiben unter den gleichen Bedingungen thermisch behandelt werden wie bei den Eichversuchen zur Ermittlung der Kalibrierkurve.
  • Weicht die Ist-Temperatur bei der Kalibrierung von der Soll- Temperatur ab, kann das Temperaturmesssystem des Hochtemperaturreaktors anschließend korrigiert bzw. neu justiert werden, sodass in der Folge Soll- und Ist-Temperatur wieder übereinstimmen. Wird für die Temperaturmessung ein Pyrometer eingesetzt, wird zu diesem Zweck vorzugsweise die Emissionsstärke (Emissivity) des Pyrometers verändert. Wird für die Temperaturmessung ein Thermoelement verwendet, wird zur Korrektur von Abweichungen vorzugsweise die Versorgungsspannung des Thermoelements verändert. Dies geschieht vorzugsweise mit einem zum Thermoelement in Reihe geschalteten regulierbaren Widerstand (Potentiometer).
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems herangezogene Änderung der Dicke der Schicht mit der zweiten Dotierstoffkonzentration direkt und eindeutig von der während der thermischen Behandlung herrschenden Temperatur der Halbleiterscheibe abhängig ist. Dagegen verwenden Kalibrierverfahren nach dem Stand der Technik lediglich ein weiteres Temperaturmesssystem (z. B. ein in einem Temperaturabgleichsuszeptor angebrachtes Thermoelement) als Referenz, das aber ebenfalls nicht direkt die Temperatur der Substratscheibe misst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt darüber hinaus eine sehr einfache und schnelle Methode dar, die auch eine häufige Neukalibrierung des verwendeten Temperaturmesssystems, beispielsweise in vorgegebenen Intervallen, erlaubt. Diese Intervalle werden vorzugsweise derart festgelegt, dass die Neukalibrierung immer rechtzeitig durchgeführt wird, bevor aufgrund der Drift des Temperaturmesssystems Produktionsprobleme auftreten, die beispielsweise zu einer ungleichmäßigen Qualität der epitaktisch beschichteten Scheiben führen. Dagegen sind die herkömmlichen Methoden (z. B. die Kalibrierung mittels Temperaturabgleichsuszeptor) wesentlich aufwendiger und werden daher in der Regel nur nach einer Wartung der Anlage durchgeführt. Dies hat zur Folge, dass eine Drift des Temperaturmesssystems nicht rechtzeitig erkannt und korrigiert wird.
  • Besonders vorteilhaft wirkt sich das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn mehrere Hochtemperaturreaktoren des gleichen Typs in der Produktion installiert sind und wenn ein Produktionsauftrag mit mehreren Reaktoren abgearbeitet wird. In diesem Fall kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Temperaturkalibrierung sichergestellt werden, dass die Halbleiterscheiben bei der Hochtemperaturbehandlung in allen Reaktoren die gleiche Temperatur erfahren, unabhängig davon, welchen zeitlichen Veränderungen die Temperaturmesssysteme in den verschiedenen Reaktoren unterworfen sind. Somit ist durch das erfindungsgemäße Verfahren sichergestellt, dass alle, auch in verschiedenen Reaktoren, behandelten Halbleiterscheiben bei identischen Temperaturen prozessiert werden und somit die gleichen Eigenschaften aufweisen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Kalibrierung der Temperaturmesssysteme von Hochtemperaturreaktoren aller Art eingesetzt werden, in denen scheibenförmige Substrate einer Hochtemperaturbehandlung unterworfen werden. Hochtemperaturreaktoren sind beispielsweise RTP- oder RTA-Reaktoren, CVD-Reaktoren oder Epitaxiereaktoren. Vorzugsweise wird die Erfindung eingesetzt, um Temperaturmesssysteme von Epitaxiereaktoren zu kalibrieren, die zur epitaktischen Beschichtung aller denkbaren Substrate verwendet werden, vorzugsweise jedoch zur epitaktischen Beschichtung von Halbleiterscheiben, insbesondere von Siliciumscheiben.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems eines Hochtemperaturreaktors, umfassend
a) die Bereitstellung einer Kalibrierscheibe mit einer ersten Konzentration eines Dotierstoffs, die eine Schicht mit einer zweiten Konzentration des Dotierstoffs aufweist, wobei die zweite Konzentration von der ersten Konzentration verschieden ist,
b) die Bestimmung der Dicke der Schicht,
c) eine thermische Behandlung der Kalibrierscheibe im Hochtemperaturreaktor bei einer vorgegebenen, vom Temperaturmesssystem gemessenen Soll-Temperatur,
d) die erneute Bestimmung der Dicke der Schicht und
e) die Bestimmung der tatsächlichen Ist-Temperatur im Hochtemperaturreaktor während der thermischen Behandlung in Schritt c) aus der Differenz der in den Schritten d) und b) bestimmten Dicken der Schicht mit Hilfe eines bekannten funktionalen Zusammenhangs zwischen der Änderung der Dicke der Schicht und der Temperatur während der thermischen Behandlung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierscheibe eine Siliciumscheibe ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine epitaktische Schicht ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Konzentration des Dotierstoffs kleiner ist als die erste Konzentration des Dotierstoffs.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Bor, Arsen, Antimon und Phosphor umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht in den Schritten b) und d) mittels FTIR gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung folgende Schritte umfasst:
eine Aufheizphase, während der die Kalibrierscheibe bis zu einer vorgegebenen Soll-Temperatur aufgeheizt wird,
eine Phase, während der die Kalibrierscheibe auf der Soll- Temperatur gehalten wird und
eine Abkühlphase, während der die Kalibrierscheibe so weit abgekühlt wird, dass sie aus dem Hochtemperaturreaktor entnommen werden kann.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung unter einer Inertgasatmosphäre stattfindet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des funktionalen Zusammenhangs eine Reihe von Eichversuchen umfasst, bei denen mehrere identische Kalibrierscheiben einer thermischen Behandlung bei unterschiedlichen Soll-Temperaturen unterworfen werden, wobei bei jeder Kalibrierscheibe vor und nach der thermischen Behandlung die Dicke der Schicht mit der zweiten Konzentration des Dotierstoffs gemessen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturreaktor ein Epitaxiereaktor ist.
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