DE19952705A1

DE19952705A1 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer epitaktischen Schicht

Info

Publication number: DE19952705A1
Application number: DE1999152705
Authority: DE
Inventors: Guenther Obermeier; Reinhold Wahlich; Alfred Buchner
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2001-05-10
Also published as: KR20010051407A; JP2001203209A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiterscheibe in einem Lampenofen, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitationsverhalten zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe, die ganzflächig auf einem Suszeptor aufliegt, nach der Abscheidung der epitaktischen Schicht mechanisch von dem Suszeptor getrennt wird, und anschließend die Heizleistung soweit reduziert wird, daß sich eine Abkühlrate von > 25 DEG C/s einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiterscheibe in einem Lampenofen, die während einer nachfolgenden Wärmebehand lung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitationsverhalten zeigt.

Einkristalline Halbleiterscheiben mit einer einkristallin auf gewachsenen Schicht, einer sogenannten Epitaxie- oder epitak tisch aufgewachsenen Schicht, auf welcher Halbleiter- Bauelemente aufgebracht werden, beispielsweise eine Silicium scheibe mit einer Siliciumschicht, weisen gegenüber Halbleiter scheiben aus einem homogenen Material gewisse Vorteile auf. Beispielsweise haben epitaxierte Oberflächen eine im Vergleich mit polierten Oberflächen niedrigere Defektdichte, die bei spielsweise sogenannte COPs (crystal-originated particles) sein können, was in der Regel zu einer höheren Ausbeute an intakten Halbleiter-Bauelementen führt. Weiterhin besitzen Epitaxie schichten keinen nennenswerten Sauerstoffgehalt und können mit Fremdatomen dotiert sein.

Während sämtlicher Beschichtungs- bzw. Abscheideverfahren wird die Halbleiterscheibe zunächst mittels Heizquellen, vorzugswei se mittels oberen und unteren Heizquellen, beispielsweise Lam pen oder Lampenbänken erwärmt und anschließend einem Gasge misch, bestehend aus einem Quellengas, einem Trägergas und ge gebenenfalls einem Dotiergas ausgesetzt. Die Beschichtung oder Abscheidung erfolgt insbesondere mittels Lampenöfen in Abschei dekammern, wie beispielsweise in der EP 0 714 998 A2 beschrie ben.

Zur Beschichtung wird die Halbleiterscheibe in die Ausfräsungen eines Suszeptors manuell oder automatisch eingesetzt, der sich im Inneren der Abscheidekammer befindet. Die Halbleiterscheibe liegt dabei ganzflächig auf dem Suszeptor auf, was eine gleich mäßige Erwärmung der Halbleiterscheibe gewährleistet. Zudem wird die Rückseite der Scheibe, auf der in der Regel keine epi taktische Schicht abgeschieden wird, vor dem Quellengas ge schützt. Gemäß dem Stand der Technik sind die Abscheidekammern für eine oder mehrere Halbleiterscheiben ausgelegt. Durch die große thermische Masse des Suszeptors kühlt die Halbleiter scheibe nach der Beschichtung nur langsam ab, selbst wenn die Heizleistung auf null reduziert wird. Die Abscheideprozesse werden in einem Temperaturbereich von 1070°C bis 1150°C durchgeführt. Die Abkühlraten betragen dabei aufgrund der gro ßen thermischen Masse des Suszeptors in der Regel weniger als 15°C/s. Halbleiterscheiben mit einer derartigen thermischen Geschichte zeigen eine sehr geringe Sauerstoffpräzipitation während einer nachfolgenden Wärmebehandlung, beispielsweise bei einer Temperatur von 780°C für 3 h und einer Temperatur von 1000°C für 16 h.

In der WO 98/38675 ist eine Halbleiterscheibe und ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer idealen Sau erstoffpräzipitation beschrieben. Als ideale Sauerstoffpräzipi tation wird hier ein Konzentrationsprofil an Sauerstoffpräzipi taten mit einem Maximum im Bulk und Minima in den oberflächen nahen Bereichen der Halbleiterscheibe verstanden. Die Herstel lung einer Halbleiterscheibe mit einer derartigen Sauerstoff präzipitation erfolgt gemäß der WO 98/38675 durch eine Wärmebe handlung bei einer Temperatur von < 1175°C und anschließender Kontrolle der Abkühlraten, die vorzugsweise < 50°C/s betragen. Diese Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einem Lampenofen (Rapid Thermal Annealer, RTA) durchgeführt. Während einer nach folgenden Wärmebehandlung, beispielsweise bei einer Temperatur von 780°C für 3 h und einer Temperatur von 1000°C für 16 h, erfolgt dann die Präzipitation des Sauerstoffs mit dem oben beschriebenen Konzentrationsprofil.

Aufgabe der Erfindung war es ein Verfahren zur Herstellung ei ner, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiter scheibe anzugeben, die während einer nachfolgenden Wärmebehand lung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitationsverhalten zeigt.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halblei terscheibe in einem Lampenofen, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitationsverhal ten zeigt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Halbleiter scheibe, die ganzflächig auf einem Suszeptor aufliegt, nach der Abscheidung der epitaktischen Schicht mechanisch von dem Sus zeptor getrennt wird, und anschließend die Heizleistung soweit reduziert wird, daß sich eine Abkühlrate von < 25°C/s ein stellt.

Erfindungsgemäß muß die Halbleiterscheibe nach einer Erwärmung auf eine Temperatur von < 1150°C mechanisch von dem Suszeptor getrennt werden, um Abkühlraten von < 25°C/s zu gewährleisten, die zu einer Halbleiterscheibe führen, die während einer nach folgenden Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoffpräzipita tionsverhalten zeigt. Wird die Abscheidung der epitaktischen Schicht bei Temperaturen von < 1150°C durchgeführt, erfolgt eine zusätzliche Erwärmung der Halbleiterscheibe auf eine Tem peratur von < 1150°C vor oder nach der mechanischen Trennung von dem Suszeptor. Dabei wird die Halbleiterscheibe bevorzugt für 1 bis 60 s, besonders bevorzugt für 5 bis 25 s auf eine Temperatur von < 1150°C erwärmt.

Demnach wird die Aufgabe der Erfindung auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiterscheibe in einem Lampenofen, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitationsverhalten zeigt, das dadurch gekenn zeichnet ist, daß die Halbleiterscheibe, die ganzflächig auf einem Suszeptor aufliegt, nach der Abscheidung der epitakti schen Schicht mechanisch von dem Suszeptor getrennt wird, auf eine Temperatur von < 1150°C erwärmt wird und anschließend die Heizleistung soweit reduziert wird, daß sich eine Abkühlrate von < 25°C/s einstellt.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer, mit einer epitaktischen Schicht beauf schlagten Halbleiterscheibe in einem Lampenofen, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoff präzipitationsverhalten zeigt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Halbleiterscheibe, die ganzflächig auf einem Suszeptor aufliegt, nach der Abscheidung der epitaktischen Schicht auf eine Temperatur von < 1150°C erwärmt wird, mechanisch von dem Suszeptor getrennt wird und anschließend die Heizleistung so weit reduziert wird, daß sich eine Abkühlrate von < 25°C/s einstellt.

Erfindungsgemäß gewährleistet die mechanische Trennung der Halbleiterscheibe von dem Suszeptor ein schnelles Erwärmen und schnelles Abkühlen der Scheibe.

Die Art der verwendeten Quell-, Dotier-, Träger- und Spülgase und das Abscheideprotokoll, das heißt die Dauer der Behandlung, die Abfolge der Prozeßschritte, sowie die Temperaturverhältnis se während dem Aufwachsen der epitaktischen Schicht sowie die Abscheideraten sind nicht Gegenstand der Erfindung und dem Fachmann beispielsweise aus "Epitaxial Silicon Technology, Ed. Jayant Baliga, Academic Press Inc. Orlando, Florida; 1986" be kannt.

Vor der Durchführung der epitaktischen Beschichtung kann die Halbleiterscheibe in dem Lampenofen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1150 bis 1300°C für 1 bis 60 sec in einer reduzierenden Gasatmosphäre unterworfen werden. Die Gasatmo sphäre umfaßt bevorzugt Argon und Wasserstoff mit bevorzugt von 10 bis 80 Vol-% Wasserstoff. Die Wärmebehandlung reduziert die COP-Dichte auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe und unter drückt so die Entstehung von Kristalldefekten.

Nach Durchführung der epitaktischen Beschichtung besitzt die Halbleiterscheibe eine hydrophobe Oberfläche und kann in dieser Form dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen werden. Es ist jedoch möglich, wenn auch im Rahmen der Erfindung nicht zwin gend notwendig, die Scheibenoberfläche zu hydrophilieren, das heißt, sie mit einer dünnen Oxidschicht zu überziehen, bei spielsweise durch Behandlung mit einem oxidativ wirkenden Gas, beispielsweise Ozon.

Nach der Abscheidung der epitaktischen Schicht und/oder der oxidativen Behandlung wird der Lampenofen, insbesondere die Abscheidekammer mit einem inerten Spülgas, beispielsweise Stickstoff gespült, um noch gegenwärtiges Quell-, Träger-, Do tiergas oder oxidativ wirkendes Gas zu vertreiben. Dann wird die Abscheidekammer unter eine inerte Gasatmosphäre gesetzt. Die Gasatmosphäre wird vorzugsweise aus einer Gruppe von Gasen ausgewählt, die Wasserstoff, Argon, Helium, Stickstoff und be liebige Mischungen der genannten Gase umfaßt. Besonders bevor zugt umfaßt die Gasatmosphäre Argon und 10 bis 70 Vol-% Wasser stoff. Die Spülung der Abscheidekammer erfolgt vor oder nach der mechanischen Trennung von dem Suszeptor durchgeführt.

Die mechanische Trennung der Halbleiterscheibe von dem Suszep tor (vor oder nach der Erwärmung auf eine Temperatur von < 1150°C) erfolgt entweder durch Absenken des Suszeptors oder durch Anheben der Halbleiterscheibe. Handelt es sich um einen stati schen Suszeptor, wird die Scheibe durch Anheben von dem Suszep tor getrennt; beispielsweise erfolgt dies durch Pin-Auflagen, die in Bohrungen durch den Suszeptor in Richtung Rückseite der Halbleiterscheibe geführt werden. Handelt es sich um einen mo bilen Suszeptor, wird die Scheibe durch Absenken des Suszeptors von diesem getrennt, während die Scheibe selbst auf beispiels weise Pin-Auflagen ruht. Die Pin-Auflagen bestehen aus einem hitzebeständigen, die Scheibe nicht kontaminierenden Material, wie beispielsweise Quarzglas, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder Silicium, haben vorzugsweise eine geringe Auflagefläche und eine kleine thermische Masse.

Insbesondere, wenn die Abscheidung der epitaktischen Schicht bei einer Temperatur von < 1150°C durchgeführt wurde, wird die Scheibe mittels Lampen, vorzugsweise mittels oberen und unteren Lampen oder Lampenbänken auf eine Temperatur von < 1150°C für zumindest 1 s in der oben beschriebenen inerten Gasatmosphäre erwärmt. Dabei liegt die Scheibe auf dem Suszeptor auf oder wurde bereits von dem Suszeptor mechanisch getrennt und liegt beispielsweise auf Pin-Auflagen auf.

Nach der Abscheidung einer epitaktischen Schicht bei einer Tem peratur von < 1150°C oder nach der Erwärmung der Halbleiter scheibe auf eine Temperatur von < 1150°C wird die Heizleistung soweit reduziert, daß die Halbleiterscheibe schnell auf eine Temperatur von bevorzugt 950°C, besonders bevorzugt 850°C, abkühlt. Die Abkühlraten nach der Abscheidung der epitaktischen Schicht oder der Erwärmung der Halbleiterscheibe liegen in dem Temperaturbereich bis 950°C, bevorzugt 850°C bevorzugt zwi schen 10 und 200°C/s, besonders bevorzugt zwischen 20°C/s und 150°C/s und insbesondere zwischen 30°C/s und 100°C/s.

Abkühlraten von 30°C bis 100°C werden durch Ausschalten der Lampen oder Lampenbänke, d. h. die Heizleistung wird auf null reduziert, erzielt. Eine Erhöhung der Abkühlrate auf < 100°C wird erzielt, indem der Lampenofen mit einem inerten Gas, bei spielsweise Stickstoff, Argon, Helium oder einem Gemisch dieser Gase gespült wird.

Die mechanische Trennung der Halbleiterscheibe von dem moblien Suszeptor ermöglicht die räumliche Trennung von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe, so daß die Rückseite mit einem anderen Gas als die Vorderseite gespült werden kann (darge stellt in Fig. 1). Vorzugsweise wird die Rückseite der Halblei terscheibe mit Stickstoff gespült um eine Veränderung in der Präzipitation, insbesondere eine Erhöhung der Präzipitatdichte zu bewirken.

Nachdem die Halbleiterscheibe auf eine Temperatur von zumindest 800°C abgekühlt ist, wird sie aus dem Lampenofen automatisch oder manuell entnommen. Diese mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagte Halbleiterscheibe zeigt während einer nachfolgen den Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitations verhalten. Die nachfolgende Wärmebehandlung erfolgt beispiels weise bei einer Temperatur von 780°C für 3 h und einer Tempe ratur von 1000°C für 16 h in einem Vertikal- oder Horizon talofen gemäß dem Stand der Technik.

In den Fig. 1a, b, 2a und b ist die mechanische Trennung der Halbleiterscheibe von dem Suszeptor, auf welchem die Halblei terscheibe während der Durchführung der epitaktischen Beschich tung ganzflächig aufliegt, in zwei bevorzugten Ausführungsfor men dargestellt. Weiterhin ist schematisch der Aufbau eines Lampenofens mit einer oberen und einer unteren Kammer, der sich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet, gezeigt.

Während der Durchführung der epitaktischen Beschichtung, darge stellt in Fig. 1a und 2a, wird die Abscheidekammer (1) des Lampenofens mittels den Heizelementen (2, 3) erwärmt. Die Halb leiterscheibe 4 liegt dabei ganzflächig auf dem Suszeptor 5 auf. Der Einlaß von Quell-, Träger- und oder Dotiergas erfolgt über die Gaszuleitungen 7 und 8; der Gasauslaß erfolgt über die Gasableitungen 9 und 10. Die Pin-Auflagen 11 stecken in Bohrun gen im Suszeptor. Sie berühren die Scheibe 4 nicht. Nach der Durchführung der epitaktischen Beschichtung werden vorzugsweise beide Kammern mit Spülgas gespült und unter eine inerte Gasat mosphäre gesetzt.

Die Scheibe wird durch Absenken des mobilen Suszeptors von die sem getrennt, während die Scheibe selbst auf den statischen Pin-Auflagen ruht (dargestellt in Fig. 1b).

Fig. 2b zeigt die mechanische Trennung der Halbleiterscheibe von einem statischen Suszeptor durch Anheben der Scheibe. Dies erfolgt beispielsweise durch Pin-Auflagen, die in Bohrungen durch den Suszeptor in Richtung Rückseite der Halbleiterscheibe geführt werden.

Wird die Abscheidung der epitaktischen Schicht bei Temperaturen von < 1150°C durchgeführt, erfolgt die Erwärmung der Halblei terscheibe auf eine Temperatur < 1150°C vor oder nach der me chanischen Trennung von dem Suszeptor.

Nach der Erwärmung auf eine Temperatur von < 1150°C für zumin dest 1 s mittels der Heizelemente 2, 3 wird die Heizleistung soweit reduziert, daß die Halbleiterscheibe schnell auf eine Temperatur von zumindest 950°C abkühlt. Während dem Abkühlen ruht die Halbleiterscheibe vorzugsweise auf Pin-Auflagen, d. h. die Halbleiterscheibe ist von der großen thermischen Masse des Suszeptors getrennt.

Die Pin-Auflagen besitzen zweckmäßigerweise eine möglichst ge ringe Auflagefläche, so daß während der Abkühlphase kein Ener gieübergang von den Auflagen auf die Scheibe stattfindet. Schließlich kann die Scheibe 4 aus dem Lampenofen entnommen werden und einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterworfen wer den.

Die Fig. 3a und b zeigen Sauerstoffpräzipitatdichten in Ab hängigkeit der Abkühlrate (3a) und der Temperatur (3b).

Insbesondere zeigt Fig. 3a die Abhängigkeit der Dichte der Sauerstoffpräzipitate einer, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiterscheibe von der Abkühlgeschwindigkeit nach einer Erwärmung in einem Lampenofen auf eine Temperatur von 1200°C für 10 s nach einer nachfolgenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 780°C für 3 h und bei einer Tempera tur von 1000°C für 16 h. Insbesondere zeigt Fig. 3b die Ab hängigkeit der Dichte der Sauerstoffpräzipitate einer, mit ei ner epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiterscheibe von der Temperatur nach einer Erwärmung für 10 s in einem Lam penofen und einer Abkühlgeschwindigkeit von 80°C/s nach einer nachfolgenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 780°C für 3 h und bei einer Temperatur von 1000°C für 16 h.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiterscheibe in einem Lampenofen, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitationsverhalten zeigt, dadurch gekennzeich net, daß die Halbleiterscheibe, die ganzflächig auf einem Sus zeptor aufliegt, nach der Abscheidung der epitaktischen Schicht mechanisch von dem Suszeptor getrennt wird, und anschließend die Heizleistung soweit reduziert wird, daß sich eine Abkühlra te von < 25°C/s einstellt.

2. Verfahren zur Herstellung einer, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiterscheibe in einem Lampenofen, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitationsverhalten zeigt, dadurch gekennzeich net, daß die Halbleiterscheibe, die ganzflächig auf einem Sus zeptor aufliegt, nach der Abscheidung der epitaktischen Schicht mechanisch von dem Suszeptor getrennt wird, auf eine Temperatur von < 1150°C erwärmt wird und anschließend die Heizleistung soweit reduziert wird, daß sich eine Abkühlrate von < 25°C/s einstellt.

3. Verfahren zur Herstellung einer, mit einer epitaktischen Schicht beaufschlagten Halbleiterscheibe in einem Lampenofen, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung ein optimiertes Sauerstoffpräzipitationsverhalten zeigt, dadurch gekennzeich net, daß die Halbleiterscheibe, die ganzflächig auf einem Sus zeptor aufliegt, nach der Abscheidung der epitaktischen Schicht auf eine Temperatur von < 1150°C erwärmt wird, mechanisch von dem Suszeptor getrennt wird und anschließend die Heizleistung soweit reduziert wird, daß sich eine Abkühlrate von < 25°C/s einstellt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe vor der Durchführung der epitaktischen Beschichtung in dem Lampenofen einer Wärmebe handlung bei einer Temperatur von 1150 bis 1300°C für 1 bis 60 s in einer reduzierenden Gasatmosphäre unterworfen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die mechanische Trennung der Halbleiterscheibe von einem statischen Suszeptor durch Anheben der Scheibe und von einem mobilen Suszeptor durch Absenken des Suszeptors er folgt.