DE60127252T2

DE60127252T2 - Epitaktischer siliziumwafer frei von selbstdotierung und rückseitenhalo

Info

Publication number: DE60127252T2
Application number: DE60127252T
Authority: DE
Inventors: Michael St. Charles RIES; Charles Chiun-Chieh St. Peters YANG; Robert W. Chesterfield STANDLEY
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2021-04-24
Also published as: EP1287188B1; JP4263410B2; WO2001086035A1; EP1287188A1; JP2003532612A; DE60127252D1; KR100726301B1; KR20030009481A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von Halbleitermaterialsubstraten, insbesondere Siliziumwafer, die zur Herstellung elektronischer Komponenten verwendet werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Einkristallsiliziumwafer umfassend eine epitaxiale Siliziumschicht mit verminderter Selbstdotierung und eine Rückseite, die frei von Halo ist.
Bei der Herstellung von Siliziumeinkristallen mittels des Czochralski-Verfahrens wird zunächst polykristallines Silizium in einem Quarztiegel mit oder ohne Dotiersubstanz geschmolzen. Nachdem das polykristalline Silizium geschmolzen und die Temperatur im Gleichgewicht ist, wird ein Impfkristall in die Schmelze getaucht und anschließend zur Erzeugung eines Einkristallsiliziumbarrens herausgezogen, während der Quarztiegel rotiert wird. Der Einkristallsiliziumbarren wird danach in einzelne Siliziumwafer geschnitten, die verschiedenen Prozessschritten umfassend Feinschleifen/Schleifen, Ätzen und Polieren unterworfen werden, um einen fertigen Siliziumwafer herzustellen, der eine Vorderseite mit Spiegelglanz aufweist. Zusätzlich zum Polieren der Vorderseite verlangen viele Gerätehersteller auch eine polierte Rückseite mit einem Spiegelglanz (solche Wafer werden gewöhnlich als „doppelseitig poliert" bezeichnet). Zur Vorbereitung des fertigen Wafers auf die Herstellung einer Vorrichtung kann der Wafer einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren wie z.B. einem epitaxialen Abscheidungsverfahren unterworfen werden, um eine dünne Schicht Silizium auf der Vorderseite des Wafers zu erzeugen, die allgemein zwischen etwa 0,1 μm und etwa 200 μm dick ist, so dass Vorrichtungen direkt auf der epitaxialen Schicht hergestellt werden können. Gebräuchliche expitaxiale Abscheidungsverfahren sind in den US-Patenten Nr. 5,904,769 und 5,769,942 offenbart.
Das epitaxiale Abscheidungsverfahren umfasst typischerweise zwei Schritte. Nachdem der Siliziumwafer in eine Abscheidungskammer hineingebracht und auf einen Suszeptor abgesenkt wurde, wird in einem ersten Schritt die Vorderseite des Wafers einem Reinigungsgas wie z.B. Wasserstoff oder eine Wasserstoff/Salzsäure-Mischung von etwa 1150°C ausgesetzt, um die Vorderseite des Siliziumwafers „vorzubacken" und zu reinigen und jegliche nativen Oxide auf dieser Oberfläche zu entfernen, um der epitaxialen Siliziumschicht ein kontinuierliches und gleichmäßiges Wachsen auf der Vorderseite zu ermöglichen. In dem zweiten Schritt des epitaxialen Abscheidungsverfahrens wird die Vorderseite des Wafers einer dampfförmigen Siliziumquelle wie z.B. Silan oder Trichlorsilan bei etwa 800°C oder mehr ausgesetzt, um eine epitaxiale Siliziumschicht auf der Vorderseite abzuscheiden und zu vergrößern. Während den beiden Schritten des epitaxialen Abscheidungsverfahrens wird der Siliziumwafer in der epitaxialen Abscheidungskammer durch den Suszeptor gestützt, der gewöhnlich während des Verfahrens rotiert, um das gleichmäßige Wachstum der epitaxialen Schicht zu gewährleisten. Der Suszeptor umfasst gewöhnlich hochreines Graphit und besitzt eine Siliziumkarbidschicht, die das Graphit komplett bedeckt, um die Menge an Fremdkörpern wie z.B. Eisen zu verringern, die aus dem Graphit in die umliegende Umgebung während der Hochtemperaturverfahren freigesetzt werden. Gewöhnliche Suszeptoren die in epitaxialen Wachstumsverfahren verwendet werden sind in den Fachkreisen bekannt und in den US-Patenten Nrn. 4,322,592, 4,496,609, 5,200,157 und 5,242,501 beschrieben.
Während des Einbringungsverfahrens kann, wenn der Wafer auf den Suszeptor abgesenkt wird, Gas zwischen einem gebräuchlichen Suszeptor und dem Wafer eingeschlossen werden, was verursachen kann, dass der Wafer „schwimmt" und auf dem Suszeptor in eine Position rutscht, die nicht beabsichtigt war (z.B. teilweise aus der ausgesparten „Tasche"). Dies kann zu ungleichmäßigem epitaxialen Wachstum führen. Des weiteren kann während des Vorbackschritts eine geringe Menge des Reinigungsgases wie z.B. Wasserstoff um die Waferkante zwischen dem Wafer und dem Suszeptor herum und in den Raum zwi schen dem Wafer und dem Suszeptor strömen. Wenn die Rückseite des Wafers mit einer Oxidschicht versiegelt ist (typischerweise etwa 300 nm (3000 Å) bis etwa 550 nm (5500 Ä) dick), wird der ausgeströmte Wasserstoff nicht ausreichend mit der Oxidschicht reagieren, um Nadellöcher („pinholes") in der Schicht zu erzeugen oder die Oxidschicht vollständig zu entfernen. Wenn die Rückseite eine geätzte oder polierte Oberfläche ist, wie es von vielen Geräteherstellern gewünscht wird, und nur eine dünne native Oxidschicht besitzt (typischerweise etwa 1,5 nm (15 Å) bis etwa 3,0 nm (30 Å)), wird der Wasserstoff oder die Wasserstoff/Salzsäure-Mischung typischerweise die native Oxidschicht in der Nähe der äußeren Kanten der Rückseite, wo das Reinigungsgas um den Wafer strömt, vollständig entfernen und Pinhole-Öffnungen in der nativen Oxidschicht als von der Außenkante des Wafers nach innen laufende Ätzbewegungen erzeugen, die die Siliziumoberfläche offen legen. Diese Pinhole-Öffnungen formen typischerweise ein ringförmiges Gebiet innerhalb der umlaufenden Kante des Wafers.
Während des epitaxialen Abscheidungsverfahrens kann auch eine geringe Menge des siliziumenthaltenden Quellgases um die Waferkante zwischen dem Wafer und dem Suszeptor herum und in den Raum zwischen dem Wafer und dem Suszeptor strömen. Wenn die Rückseite des Wafers oxidversiegelt ist, werden Keimbildung und Wachstum eines Siliziumfilms erheblich unterdrückt. An den Stellen, wo die native Oxidschicht durch das Reinigungsgas vollständig weggeätzt wurde, wächst eine glatte, durchgängige Siliziumschicht. An Stellen, wo das Reinigungsgas die native Oxidschicht nicht vollständig entfernt hat, legen jedoch Pinholes in der nativen Oxidschicht den Siliziumwafer frei und ermöglichen es dem Silizium enthaltenden Quellgas Silizium in den Pinholes abzusetzen und einen ungleichmäßigen Siliziumfilm auf der Waferrückseite während der epitaxialen Abscheidung zu erzeugen. Daher können bei Wafern mit geätzten oder polierten Rückseiten, die nur eine native Oxidschicht besitzen, Pinholes, die in der nativen Oxidschicht während des Vorbackschritts erzeugt wurden, zu ungleichmäßigem Siliziumwachstum auf der Rückseite führen, was unter starker Beleuchtung als trüb erscheint. Diese Trübung oder „Halo" auf der Rückseite des Wafers umfasst kleine Siliziumaggregate oder Unebenheiten, die einen Durchmesser von etwa 0,5 μm haben und etwa 10 nm hoch sind. Diese Siliziumunebenheiten streuen das Licht und führen zu Trübung und können als unerwünscht erachtet werden, da sie auf die Maschinensicht und optische, pyrometrische Systeme störend einwirken, die die Rückseite des Wafers während der Geräteverarbeitung beobachten. Der Halo ist insbesondere für das Auge unter hellem Licht und Laseroberflächenscanner auf der spiegelglänzenden Rückseite eines doppelseitig polierten Wafers sichtbar (siehe 12A). Dagegen erzeugt die relativ raue Rückseite eines auf einer Seite polierten Wafers in einem erheblichen Grad eine diffuse Streuung des reflektierten Lichts, was die Erscheinung des Halos vermindert.
Ein weiteres Problem, das während des Hochtemperaturwachstums der epitaxialen Siliziumschicht auftritt, ist das Herausdiffundieren von Dotieratomen wie z.B. Bor oder Phosphor durch die Rückseite des Siliziumwafers während des Hochtemperaturvorbackens und der epitaxialen Wachstumsschritte. Bei gebräuchlichen Suszeptoren können die Dotieratome, die aus der Rückseite herausdiffundieren, zwischen der Waferkante und dem Suszeptor zur Vorderseite des Wafers ausströmen. Diese Dotieratome können in die wachsende abgeschiedene Schicht eingelagert werden und diese kontaminieren und den Widerstand gleichmäßig in der Nähe der Waferkante abbauen. Wenn die Rückseite des Siliziumwafers oxidversiegelt ist, können die Dotieratome im Wesentlichen nicht aus der Rückseite herausdiffundieren. Siliziumwafer, die eine geätzte oder polierte Rückseite besitzen, unterliegen jedoch dem Herausdiffundieren von Dotieratomen aus der Rückseite während des epitaxialen Abscheidungsverfahrens, was zu ungewollter Selbstdotierung der Vorderseite führen kann.
Mehrere Verfahren wurden vorgeschlagen, um Rückseitenhalos und Selbstdotierung zu vermeiden. Zur Vermeidung von Rückseitenhalos offenbarte Nakamura (japanische, ungeprüfte Patentanmeldung Nr. JP 11-16844) die Durchführung eines Fluorwasserstoffablösens und/oder eines Hochtemperaturwasserstofftempernschritts an der Rückseite bis zu 10 Tage bevor die Wafer in den epitaxialen Reaktor eingebracht werden. Der Prozess fügt zusätzliche Verfahrensschritte hinzu, die die Komplexität und Kosten des Abscheidungsverfahrens stark erhöhen. Deaton et al. (US-Patent Nr. 5,960,555) offenbart ein Verfahren, das verhindert, dass das reaktive Vorderseitengas auf die Waferrückseite strömt, indem ein Suszeptor mit entlang der Waferkante eingebauten Kanäle verwendet wird, um die Reinigungsgasströme zu der Kante des Wafers zu lenken. Dieses Verfahren benötigt eine umfangreiche Änderung der bestehenden epitaxialen Abscheidungskammern und verwendet erhöhte Spülgasströme, was dazu führen kann, dass das Spülgas über die Vorderseite quillt und sich mit dem Quellgas mischt, was den entstehenden epitaxialen Film verschlechtern kann.
Zur Verringerung der Selbstdotierung beschreibt Hoshi (japanische, ungeprüfte Patentanmeldung Nr. JP 11-87250) die Verwendung einer Vakuumabsaugung an der Kante eines Suszeptors zur Evakuierung eines Bor-Dotierungsmittels an der Kante des Suszeptors und zur Vermeidung von Selbstdotierung. Dieses Verfahren kann die Gleichmäßigkeit und Dicke der Waferkante beeinflussen und erfordert umfangreiche Änderungen der bestehenden epitaxialen Abscheidungssysteme. Nakamura (japanische, ungeprüfte Patentanmeldung JP 10-223545) offenbart einen modifizierten Suszeptor, der Einschübe an der Kante des Suszeptors besitzt, so dass die herausdiffundierenden Dotieratome durch die Einschübe nach unten und in den Auslass gedrückt werden können. Dieses Verfahren ermöglicht es auch, einen Großteil des Abscheidungsgases unter der Rückseite des Wafers abzusaugen, was zu dem zuvor diskutierten Haloeffekt als auch zu vorzeitiger Korrosion des Auslasssystems sowie Sicherheitsbedenken führen kann.
Daher waren bislang Verfahren zur Kontrolle des Haloeffekts auf der Rückseite des Siliziumwafers und der Selbstdotierungsprobleme, die in Zusammenhang mit dem Herausdiffundieren von Dotierungssubstanz aus der Rückseite während eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens stehen, nicht erfolgreich. Es besteht daher in der Halbleiterindustrie ein Bedarf an einem einfachen, kostengünstigen Verfahren zur Vermeidung des Haloeffekts und ungewollter Selbstdotierung auf der Vorderseite des Siliziumwafers während eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher unter anderem Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Einkristallsiliziumwafer bereitzustellen, der (a) eine epitaxiale Oberfläche besitzt, die von Gasphasenselbstdotierung im Wesentlichen unbeeinflusst ist; und (b) eine Rückseite besitzt, die frei von einem Halo ist, wie in Anspruch 1 beschrieben.
Kurz beschrieben bezieht sich die vorliegende Erfindung daher auf einen Einkristallsiliziumwafer umfassend ein Siliziumwafersubstrat mit einer zentralen Achse, einer Oberfläche und einer Rückseite, die im Allgemeinen senkrecht zur zentralen Achse liegen, eine umlaufende Kante, sowie einen Radius, der sich von der zentralen Achse zur umlaufen den Kante des Wafers erstreckt. Die Rückseite des Wafers ist frei von einer Oxidversiegelung und im Wesentlichen frei von einem durch einen chemischen Dampfabscheidungsprozess induzierten Halo. Zusätzlich umfasst das Siliziumwafersubstrat Dotieratome des P-Typs oder N-Typs. Des weiteren umfasst der Einkristallsiliziumwafer eine epitaxiale Siliziumschicht auf der Vorderseite des Siliziumwafersubstrats. Die epitaxiale Siliziumschicht ist durch einen axialsymmetrischen Bereich gekennzeichnet, der sich radial auswärts von der zentralen Achse in Richtung auf die umlaufende Kante erstreckt, wobei der Widerstand im Wesentlichen einheitlich ist. Der Radius des axialsymmetrischen Bereichs beträgt zumindest etwa 80 % der Länge des Substratradius. Die epitaxiale Siliziumschicht umfasst auch P-Typ oder N-Typ-Dotieratome.
Weitere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden im nachfolgenden teilweise ersichtlich sein, und teilweise wird auf diese hingewiesen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt den Aufbau eines Einkristallsiliziumwafers, der als Ausgangsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
2 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform der Waferträgervorrichtung der vorliegenden Erfindung, der in der Ebene der Linie 26-26 von 3 gemacht wurde.
3 ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der Waferträgervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine epitaxiale Reaktionskammer, die eine Ausführungsform der Waferträgervorrichtung der vorliegenden Erfindung in einem Ausschnitt zeigt, der in der Ebene der Linie 26-26 der 3 gemacht wurde.
5 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform der Waferträgervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform der Waferträgervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine epitaxiale Reaktionskammer der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform der Waferträgervorrichtung zeigt.
8 ist eine epitaxiale Reaktionskammer der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform der Waferträgervorrichtung zeigt.
9 ist eine epitaxiale Reaktionskammer der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform der Waferträgervorrichtung zeigt.
10 ist eine epitaxiale Reaktionskammer der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform der Waferträgervorrichtung zeigt.
11 ist ein Diagramm, das die Widerstandsprofile von epitaxialen Schichten vergleicht, die auf einem Siliziumwafer abgeschieden und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sowie gebräuchlichen Verfahren vergrößert wurden.
12 enthält zwei Trübungskarten, die das Ausmaß eines Halos auf der Rückseite eines epitaxialen Wafers vergleichen. 12A ist eine Karte eines Wafers ohne Rückseitenversiegelung nach Epitaxie, der unter Verwendung üblicher Verfahren hergestellt wurde, und 12B ist eine Karte eines Wafers ohne Rückseitenversiegelung nach Epitaxie, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
13 enthält Oberflächen-Nanotopographiekarten, die die Nanotopographie auf der Vorderseite von epitaxialen Wafern vergleichen. 13A ist eine Karte eines Wafers, der unter Verwendung eines konventionellen Suszeptors hergestellt wurde, und 13B ist eine Karte eines Wafers, der unter Verwendungs eines perforierten Suszeptors hergestellt wurde.
14 zeigt ein Sauerstoffabscheidungsprofil eines Wafers, der in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann.
15 ist ein schematisches Diagramm von dem Mechanismus, der in einem EPI CENTURA^®-Reaktor (Applied Materials, Santa Clara, Californien) verwendet wird, um einen Wafer innerhalb des Reaktors zu positionieren. In dieser Figur sind sowohl die Suszeptorunterstützungsachse 105 als auch die Waferanhebungsachse 107 in der Austauschposition.
16 ist ein schematisches Diagramm von dem Mechanismus, der in einem EPI CENTURA^®-Reaktor zur Positionierung eines Wafers innerhalb des Reaktors verwendet wird, wobei die Suszeptorunterstützungsachse 105 als auch die Waferanhebungsachse 107 in der Ausgangsposition sind.
17 ist ein schematisches Diagramm des Mechanismus, der in einem EPI CENTURA^®-Reaktor zur Positionierung eines Wafers innerhalb des Reaktors verwendet wird. In dieser Figur sind die Suszeptorunterstützungsachse 105 und die Waferanhebungsachse 107 in der Verfahrensposition.
18 ist ein schematisches Diagramm des Mechanismus, der in einem EPI CENTURA^®-Reaktor zur Positionierung eines Wafers innerhalb des Reaktors verwendet wird. Diese Figur zeigt die bevorzugte Position der Suszeptorunterstützungsachse 105 und der Waferanhebungsachse 107, wenn der Wafer gemäß der vorliegenden Erfindung zur Beeinflussung des Kristallgitterlückenprofils in dem Wafer schnell gekühlt wird.
19 ist eine Aufsicht auf den Mechanismus, der in einem EPI CENTURA^®-Reaktor zur Positionierung eines Wafers innerhalb des Reaktors von 15 verwendet wird.
Übereinstimmende Bezugszeichen weisen auf übereinstimmende Teile innerhalb der Zeichnungen hin.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde ein Einkristallsiliziumwafer umfassend eine Vorderseite mit einer darauf abgeschiedenen epitaxialen Siliziumschicht, die im Wesentlichen frei von Selbstdotierung ist, und einer Rückseite, die frei von einer Oxidversiegelung und einem Halo ist, entwickelt.
A. Siliziumwafersubstrate
Das Ausgangsmaterial für die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise ein Einkristallsiliziumwafersubstrat, das aus einem Einkristallbarren herausgeschnitten wurde, der in Übereinstimmung mit jeglichen üblichen Variationen des Czochralski-Kristallziehverfahrens hergestellt wurde. Wenn ein Wafersubstrat gewünscht wird, das frei von Sauerstoff ist, wird das Ausgangsmaterial vorzugsweise aus einem Einkristallbarren geschnitten, der in Übereinstimmung mit jeder der gebräuchlichen Variationen des Schmelzzonen-Kristallziehverfahrens hergestellt wurde. Ziehen eines Siliziumbarrens wie auch Standard-Siliziumschneid-, Schleif-, Ätz- und Polierverfahren sind in der Technik bekannt und z.B. in F. Shimura, Halbleitersiliziumkristalltechnologie (Adademic Press, 1989); und Siliziumchemisches Ätzen (J. Grabmaier, ed., Springer-Verlag, New York, 1982) beschrieben.
In Bezugnahme auf 1 umfasst der Einkristallsiliziumwafer 1 ein Wafersubstrat 4, das vorzugsweise eine zentrale Achse 8 besitzt, eine Vorderseite 3 und eine Rückseite 5, die gewöhnlich senkrecht zur zentralen Achse ist, und eine imaginäre zentrale Ebene 7 zwischen der Vorder- und der Rückseite, eine umlaufende Kante 2, die die Vorderseite 3 und die Rückseite 5 verbindet, und einen Radius 9, der sich von der zentralen Achse zu der umlaufenden Kante 2 erstreckt. Die Rückseite ist frei von einer Oxidversiegelung. Es ist zu beachten, dass, weil Siliziumwafer typischerweise eine gewisse Gesamtdickevariation (TTV), Wölbung und Biegung aufweisen, der Mittelpunkt zwischen jedem Punkt auf der Vorderseite und jedem Punkt auf der Rückseite nicht genau innerhalb einer Ebene liegen. Gesamtdickevariation, Wölbung und Biegung sind jedoch normalerweise so gering, dass aus praktischen Erwägungen mit guter Annäherung gesagt werden kann, dass die Mittelpunkte innerhalb einer imaginären zentralen Ebene liegen, die etwa äquidistant zwischen der Vorder- und der Rückseite ist.
Der Wafer kann ein oder mehrere Dotierungssubstanzen enthalten, um dem Wafer verschiedene gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Der Wafer kann z.B. ein P-Typ-Wafer sein (d.h. ein Wafer, der mit einem Element aus der 3. Gruppe des Periodensystems dotiert wurde, wie z.B. Bor, Aluminium, Gallium und Indium, typischerweise meist Bor) oder ein N-Typ-Wafer (d.h. ein Wafer, der mit einem Element aus der 5. Gruppe des Periodensystems dotiert wurde, wie z.B. Phosphor, Arsen, Antimon, typischerweise meist Phosphor). Vorzugsweise ist der Wafer ein P-Typ-Wafer, der einen Widerstand von etwa 100 Ω-cm bis etwa 0,005 Ω-cm aufweist. Im Fall eines Bor-dotierten Siliziums entsprechen die zuvor genannten Widerstandswerte einer Dotierungskonzentration von etwa 1,33 × 10¹⁴ Atomen/cm³ bis etwa 2 × 10¹⁹ Atomen/cm³. In einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist der Wafer ein P-Typ-Wafer, der einen Widerstand von etwa 20 Ω-cm bis etwa 1 Ω-cm aufweist (gewöhnlich als P^--Silizium bezeichnet). In einer anderen insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist der Wafer ein P-Typ-Wafer, der einen Widerstand von etwa 0,01 Ω-cm bis 0,005 Ω-cm aufweist (gewöhnlich als P⁺⁺-Silizium bezeichnet). In einer weiteren insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist der Wafer ein P-Typ-Wafer, der einen Widerstand von etwa 0,03 Ω-cm bis etwa 0,01 Ω-cm aufweist (gewöhnlich als P⁺-Silizium bezeichnet).
Ein Wafer, der unter Verwendung des Czochralski-Verfahrens hergestellt wurde, besitzt typischerweise eine Sauerstoffkonzentration irgendwo von etwa 5 × 10¹⁷ Atomen/cm³ bis etwa 9 × 10¹⁷ Atomen/cm³ (in anderen Worten von etwa 10 ppm bis etwa 18 ppm (d.h. von etwa 10 bis etwa 18 Sauerstoffatomen pro 1 000 000 Gesamtatome in dem Wafer)) (ASTM-Standard F-121-80) und am typischsten von etwa 6 × 10¹⁷ Atomen/cm³ bis etwa 8,5 × 10¹⁷ Atomen/cm³ (d.h. von etwa 12 ppm bis etwa 17 ppm).
B. Epitaxialer Siliziumwafer
Der Einkristallsiliziumwafer, der in Übereinstimmung mit dieser Erfindung hergestellt wurde, umfasst eine Oberfläche mit einer darauf abgeschiedenen epitaxialen Siliziumschicht. Die epitaxiale Schicht kann auf dem gesamten Wafer abgeschieden sein, oder alternativ nur auf einem Teil des Wafers. In Bezugnahme auf 1 ist die epitaxiale Schicht 10 auf der Vorderseite 3 des Wafers abgeschieden und vorzugsweise auf der gesamten Vorderseite 3 des Wafers. Es hängt von der vorgesehenen Verwendung des Wafers ab, ob es bevorzugt ist, dass die epitaxiale Schicht auf einer anderen Stelle des Wafers abgeschieden wird. Für die meisten Anwendungen ist das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer epitaxialen Schicht auf einem anderen Teil des Wafers nicht entscheidend.
Einkristallsiliziumwafer, die aus Barren herausgeschnitten wurden, die durch das Czochralski-Verfahren hergestellt wurden, haben oft kristallerzeugte Teilchendefekte (COPs) auf ihrer Oberfläche. Ein Wafer, der in der Fabrikation von integrierten Schaltungen verwendet wird, benötigt gewöhnlich jedoch eine Oberfläche, die im Wesentlichen nicht aus COPs besteht. Ein Wafer, der eine im Wesentlichen COP-freie Oberfläche besitzt, kann durch Abscheidung einer epitaxialen Siliziumschicht auf der Oberfläche des Wafers hergestellt werden. Solch eine epitaxiale Schicht füllt die COPs auf und erzeugt schließlich eine glatte Waferoberfläche. Dies war das Thema kürzlicher wissenschaftlicher Untersuchungen. Siehe Schmolke et al., The Electrochem. Soc. Proc., Vol. PV98-1, Seite 855 (1998), Hirofumi et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 36, Seite 2565 (1997). Typischerweise werden COPs auf der Waferoberfläche durch Verwendung einer epitaxialen Siliziumschichtdicke von zumindest etwa 0,1 μm beseitigt. Vorzugsweise hat die epitaxiale Schicht eine Dicke von zumindest etwa 0,1 μm und weniger als etwa 2 μm. Mehr bevorzugt hat die epitaxiale Schicht eine Dicke von etwa 0,25 μm bis etwa 1 μm und am meisten bevorzugt von etwa 0,5 μm bis etwa 1 μm.
Es ist zu beachten, dass wenn eine epitaxiale Schicht für Zwecke zusätzlich zur Beseitigung von COPs verwendet wird, solche Zwecke eine epitaxiale Schichtdicke erfordern, die größer als die bevorzugte Dicke zur Beseitigung von COPs ist. Wenn die epitaxiale Schicht z.B. verwendet wird, um der Waferoberfläche elektrische Eigenschaften zusätzlich zur Entfernung der COPs zu verleihen, kann die Dicke der epitaxialen Schicht bis zu etwa 200 μm betragen. Typischerweise beträgt die Dicke einer epitaxialen Schicht, die zur Verleihung von elektrischen Eigenschaften abgeschieden wurde, etwa 1 μm bis etwa 100 μm und vorzugsweise etwa 2 μm bis etwa 30 μm. Mehr bevorzugt wird der zusätzlich gewünschte Effekt mit einer minimalen Dicke erreicht (z.B. etwa 3 μm).
Vorzugsweise ist die Dicke der epitaxialen Schicht einheitlich. Die Gleichmäßigkeit der Dicke variiert über die gesamte Oberfläche des Wafers vorzugsweise weniger als etwa 1 % bis etwa 5 % der Zieldicke. Wenn die Zieldicke etwa 3 μm ist, ist daher die Dickevariation für die gesamte Waferoberfläche vorzugsweise geringer als etwa 30 nm bis etwa 150 nm. Mehr bevorzugt ist die Dickevariation für die gesamte Waferoberfläche geringer als etwa 30 nm bis etwa 100 nm. Die Dicke der epitaxialen Schicht wird typischerweise unter Verwendung von Fourier Transformations Infrarot-Spektrometrie (FTIR) an verschiedenen Punkten entlang der Waferoberfläche gemessen. FTIR kann z.B. zur Messung der Dicke der epitaxialen Schicht in der Nähe des Zentrums des Wafers und an 4 Punkten in der Nähe der umlaufenden Kante verwendet werden (z.B. sind die Punkte etwa 90° auseinander und liegen etwa 5-10 mm einwärts von der umlaufenden Kante).
Ein zweites Verfahren zur Charakterisierung des Wafers der vorliegenden Erfindung ist die Variation in der Oberflächenhöhe des Wafers, gewöhnlich als „Nanotopographie" bezeichnet – die Dickevariation über ein örtlich begrenztes Oberflächengebiet (z.B. kann die Waferoberfläche in imaginäre Quadrate aufgeteilt werden, die eine Größe von 0,5 mm × 0,5 mm, 2 mm × 2 mm oder 10 mm × 10 mm aufweisen). Nanotopographie beruht primär auf Waferverfahren wie Schleifen, Ätzen und Polieren, die Variation in der epitaxialen Schichtdicke ist jedoch ebenfalls ein wesentlicher Grund. Da die kritische Strukturgröße der Photolithographie weiter abnimmt, müssen Siliziumwafer immer strengere Nanotopographiestandards erfüllen (momentan ist die kritische Strukturgröße im Stand der Technik etwa 0,15 μm bis etwa 0,18 μm). Variationen in der Nanotopographie einer epitaxialen Siliziumschicht beruhen auf Wärmegradienten in dem Wafer, die zum größten Teil durch nicht ungleichmäßiges Heizen des Wafers während des epitaxialen Abscheidungsverfahrens verursacht werden. Ein wesentlicher Grund für ungleichmäßiges Heizen können relativ große Anhebungspinholes in dem Suszeptor sein, die dafür sorgen, dass die Waferflächen direkt über den Anhebungspinholes auf eine andere Temperatur erhitzt werden als das umgebende Material. Das Material aus dem die Anhebungspins bestehen (z.B. Graphit, Siliziumkarbid und Quarz) kann auch dazu führen, dass Waferflächen über den Anhebungspins auf eine andere Temperatur erhitzt werden. Der Temperaturunterschied verursacht, dass die epitaxiale Schicht in einer anderen Geschwindigkeit wächst, was in örtlich begrenzten Dickevariationen resultiert (z.B. 40 nm, 60 nm oder größer), allgemein bekannt als Pinmarks.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Nanotopographie für 0,5 mm × 0,5 mm Flächen vorzugsweise geringer als etwa 1 % der Zieldicke der epitaxialen Schicht, mehr bevorzugt geringer als etwa 0,7 % der Zieldicke und am meisten bevorzugt weniger als etwa 0,3 % der Zieldicke. Für eine 3 μm-epitaxiale Schicht ist daher die Nanotopographie für 0,5 mm × 0,5 mm Flächen vorzugsweise geringer als etwa 30 nm, mehr bevorzugt geringer als etwa 20 nm und noch mehr bevorzugt geringer als etwa 10 nm. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Nanotopographie für 2 mm × 2 mm Flächen vorzugsweise geringer als etwa 1 % der Zieldicke der epitaxialen Schicht, mehr bevorzugt geringer als etwa 0,7 % der Zieldicke und noch mehr bevorzugt geringer als etwa 0,3 % der Zieldicke. In einer weiteren Ausführungsform ist die Nanotopographie für 10 mm × 10 mm Flächen vorzugsweise geringer als etwa 3 % der Zieldicke der epitaxialen Schicht.
C. Epitaxiales Wachstumsverfahren
Wie oben beschrieben verfügt ein einseitig polierter Wafer mit geätzter Rückseite und ein doppelseitig polierter Wafer über eine native Oxidschicht auf der Vorder- und Rückseite. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung schließt das epitaxiale Abscheidungsverfahren die Entfernung der nativen Oxidschicht von der Vorderseite und im Wesentlichen der gesamten Rückseite des Wafers vor dem Abscheiden der epitaxialen Schicht auf der Vorderseite ein. Die Entfernung der Siliziumoxidschicht erfolgt vorzugsweise durch Erhitzen der Waferoberfläche in einer Atmosphäre, die im Wesentlichen aus Nichtoxidantien (am meisten bevorzugt ist die Atmosphäre Oxidationsmittel-frei) besteht, bis die Siliziumoxidschicht von der Oberfläche entfernt ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Waferoberfläche bis zu einer Temperatur von zumindest etwa 1100°C und mehr bevorzugt bis zu einer Temperatur von zumindest etwa 1150°C erhitzt. Dieses Erhitzen wird vorzugsweise durchgeführt, während die gesamte Vorderseite und im Wesentlichen die gesamte Rückseite des Wafers einem Reinigungsgas ausgesetzt ist, das ein Edelgas umfasst (z.B. He, Ne oder Ar), H₂, HF-Gas, HCl-Gas oder eine Kombination davon. Mehr bevorzugt umfasst das Reinigungsgas H₂ oder eine Kombination von H₂ und HCl. Am meisten bevorzugt besteht das Reinigungsgas im Wesentlichen aus H₂. Es sei angemerkt, dass obwohl N₂-enthaltene Atmosphären verwendet werden können, solche Atmosphären weniger bevorzugt sind, da sie dazu neigen Nitride an der Oberfläche zu bilden, die die nachfolgende epitaxiale Abscheidung auf der Oberfläche stören können. Die Durchflussmenge des Reinigungsgases liegt typischerweise zwischen etwa 1 Liter/Minute und etwa 50 Liter/Minute und vorzugsweise zwischen etwa 10 Liter/Minute und etwa 20 Liter/Minute für zumindest etwa 10 Sekunden.
Der Haloeffekt, der von Pinholes in der nativen Oxidschicht herrührt, wird wesentlich reduziert oder vermieden, indem die Waferrückseite dem Reinigungsgas zur Entfernung der nativen Oxidschicht ausgesetzt wird. Anders gesagt führt die Entfernung der nativen Oxide vor dem Wachstum der epitaxialen Siliziumschicht zu einer Waferrückseite auf welcher der Halo für das menschliche Auge unter einem hellen Waferinspektionslicht oder einem Laseroberflächenscanner nicht sichtbar ist.
Vor oder während der Entfernung der nativen Oxidschicht wird der Wafer vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit erhitzt, die kein Gleiten verursacht. Genauer gesagt, wenn der Wafer zu schnell erhitzt wird, wird sich ein Wärmegradient entwickeln, der interne Spannungen erzeugt, die ausreichen, um verschiedene Ebenen innerhalb des Wafers relativ zueinander zu verschieben (d.h. gleiten). Unterhalb von etwa 750°C bis etwa 800°C verursacht schnelles Erhitzen des Wafers kein wesentliches Gleiten, jedoch kann zwischen etwa 800-900°C bis etwa 1150-1200°C schnelles Erhitzen des Wafers Gleiten verursachen. Leicht dotierte Wafer (z.B. ein Wafer, der mit Bor dotiert ist und einen Widerstand von etwa 1 Ω-cm bis etwa 100 Ω-cm aufweist) haben sich als besonders empfindlich auf Gleiten erwiesen. Zur Vermeidung dieses Problems wird der Wafer vorzugsweise von etwa 800-900°C bis zu der Siliziumoxid-Entfernungstemperatur bei einer mittleren Geschwindigkeit von etwa 20°C/Sekunde bis etwa 35°C/Sekunde erhitzt.
Nach der Entfernung der nativen Oxidschicht von der Vorder- und Rückseite des Wafers wird der Reinigungsgasfluss unterbrochen und die Temperatur in der Reaktionskammer zwischen etwa 600 C und etwa 1200°C eingestellt, vorzugsweise bei zumindest etwa 1100°C und mehr bevorzugt bei etwa 1150°C. Die Vorderseite des Wafers wird dann mit einem Silizium-enthaltenden Quellgas in Kontakt gebracht, um die epitaxiale Schicht auf der Vorderseite abzuscheiden. Vorzugsweise wird die Oberfläche mit dem Quellgas weniger als 30 Sekunden nach der Entfernung der nativen Oxide in Kontakt gebracht, mehr bevorzugt innerhalb von etwa 20 Sekunden nach der Entfernung der Oxidschicht und am meisten bevor zugt innerhalb von etwa 10 Sekunden nach der Entfernung der nativen Oxidschicht. Eine Wartezeit bis zum Beginn der Siliziumabscheidung von etwa 10 Sekunden nach Entfernung der Siliziumoxidschicht ermöglicht es, dass die Temperatur des Wafers sich stabilisiert und einheitlich wird.
Die epitaxiale Abscheidung wird vorzugsweise durch chemische Dampfabscheidung ausgeführt. Allgemein gesagt, beinhaltet die chemische Dampfabscheidung, dass die Waferoberfläche eine Atmosphäre umfassend Silizium in einem epitaxialen Abscheidungsreaktor ausgesetzt wird, z.B. einem EPI CENTURA^®-Reaktor (Applied Materials, Santa Clara, Kalifornien). In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird die Oberfläche des Wafers einer Atmosphäre ausgesetzt, die ein flüchtiges Gas umfassend Silizium umfasst (z.B. SiCl₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂, SiH₃Cl oder SiH₄). Vorzugsweise enthält die Atmosphäre auch ein Trägergas (am meisten bevorzugt H₂). In einer Ausführungsform ist die Siliziumquelle während der epitaxialen Abscheidung SiH₂Cl₂ oder SiH₄. Wenn SiH₂Cl₂ verwendet wird, liegt der Reaktordruck während der Abscheidung vorzugsweise bei etwa 500 bis etwa 760 Torr. Wenn andererseits SiH₄ verwendet wird, ist der Reaktordruck vorzugsweise etwa 100 Torr. Am meisten bevorzugt ist die Siliziumquelle während der Abscheidung SiHCl₃. Diese tendiert dazu viel günstiger als die anderen Quellen zu sein. Des weiteren kann eine epitaxiale Abscheidung unter Verwendung von SiHCl₃ bei Atmosphärendruck ausgeführt werden. Dies ist vorteilhaft, da keine Vakuumpumpe benötigt wird und die Reaktionskammer nicht so robust sein muss, dass einen Kollaps verhindert wird. Des weiteren liegen geringere Sicherheitsrisiken vor und die Wahrscheinlichkeit von Luftlecks in die Reaktorkammer hinein ist verringert.
Während der epitaxialen Abscheidung wird die Temperatur der Waferoberfläche vorzugsweise bei einer Temperatur aufrechterhalten, die geeignet ist, um zu verhindern, dass die Silizium umfassende Atmosphäre polykristallines Silizium auf der Oberfläche abscheidet. Im Allgemeinen ist die Temperatur auf der Oberfläche während dieser Periode vorzugsweise zumindest etwa 900°C. Mehr bevorzugt wird die Temperatur der Oberfläche bei etwa 1050 bis etwa 1150°C aufrechterhalten. Am meisten bevorzugt wird die Temperatur der Oberfläche bei der Siliziumoxid-Entfernungstemperatur aufrecht erhalten.
Die Wachstumsgeschwindigkeit der epitaxialen Schicht ist vorzugsweise etwa 3,5 μm/min bis etwa 0,4 μm/min, wenn die Abscheidung unter atmosphärischem Druck durchgeführt wird. Dies kann z.B. unter Verwendung einer Atmosphäre erreicht werden, die im Wesentlichen aus etwa 2,5 mol% SiHCl₃ und etwa 97,5 mol% H₂ besteht bei einer Temperatur von etwa 1050°C bis 1150°C bei einer Durchflussgeschwindigkeit von etwa 1 Liter/Minute bis etwa 20 Liter/Minute.
Wenn es die geplante Verwendung des Wafers erfordert, dass die epitaxiale Schicht eine Dotierungssubstanz enthält, dann enthält die Silizium umfassende Atmosphäre vorzugsweise auch die Dotierungssubstanz. Es ist z.B. oft bevorzugt, dass die epitaxiale Schicht Bor enthält. Solch eine Schicht kann z.B. hergestellt werden, indem B₂H₆ in der Atmosphäre während der Abscheidung enthalten ist. Der Molanteil des B₂H₆ in der Atmosphäre, der benötigt wird um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten (z.B. Widerstand) wird von verschiedenen Faktoren abhängen, z.B. von dem Ausmaß des Herausdiffundierens von Bor aus dem jeweiligen Substrat während der epitaxialen Abscheidung, der Menge der P-Typ-Dotierungssubstanzen und N-Typ-Dotierungssubstanzen, die in dem Reaktor und in dem Substrat als Verunreinigungen enthalten sind, sowie dem Reaktordruck und der Temperatur. Ähnlich wie beim Wafersubstrat kann die Konzentration des Dotierungsmittel in der epitaxialen Schicht zum Erhalten eines großen Bereichs von Widerständen kontrolliert werden. Es wurde z.B. eine Atmosphäre enthaltend etwa 0,03 ppm B₂H₆ (d.h. etwa 0,03 mol B₂H₆ pro 1 000 000 mol Gesamtgas) bei einer Temperatur von etwa 1125°C und einem Druck von etwa 1 atm. verwendet, um eine epitaxiale Schicht mit einem Widerstand von etwa 10 Ω-cm zu erhalten.
Wenn die Vorderseite des Siliziumwafers mit einem Silizium enthaltenden Quellgas in Kontakt gebracht wird, wird gleichzeitig ein Spülgas in die chemische Dampfabscheidungskammer eingebracht, um die Zahl der heraus diffundierenden Dotierungsatomen aus der Rückseite des Wafers zu verringern, die in die epitaxiale Schicht eingeschlossen werden, die auf der Vorderseite des Wafers wächst. Das Spülgas kann Stickstoff, Argon, Wasserstoff, ein Gas umfassend Silizium wie z.B. Trichlorsilan oder Mischungen davon umfassen. Wenn z.B. ein von ASM hergestellter Epsilon^® epitaxialer Reaktor verwendet wird, hat das Spülgas vorzugsweise dieselbe Zusammensetzung wie das epitaxiale Abscheidungsgas (z.B. eine Mischung von Trichlorsilan und Wasserstoff). Typischerweise liegt die Durchflussrate des Spülgases zwischen etwa 1 Liter/Minute und etwa 50 Liter/Minute und vorzugsweise zwischen etwa 10 Liter/Minute und etwa 20 Liter/Minute.
Im Wesentlichen ist die gesamte Rückseite des Wafers dem Spülgas ausgesetzt, und die aus der Rückseite heraus diffundierenden Atome werden von der Vorderseite weggeleitet, wodurch ihr Einschluss in die epitaxiale Schicht, die in dem ringförmigen Bereich in der Nähe der umlaufenden Kante des Substrats abgeschieden wird, reduziert oder vermieden wird. Der Widerstand der epitaxialen Schicht verbleibt so im Wesentlichen durch Selbstdotierung unbeeinflusst, d.h. die Abnahme des Widerstandes aufgrund von Selbstdotierung ist geringer als etwa 10 %, vorzugsweise geringer als etwa 5 % und mehr bevorzugt geringer als etwa 2 %. In Bezugnahme zu 1 kann der Bereich der epitaxialen Schicht 10, der im Wesentlichen unbeeinflusst durch Selbstdotierung ist, als ein axial symmetrischer Bereich 6 charakterisiert werden, der sich radial auswärts von der zentralen Achse 8 in Richtung auf die umlaufende Kante 2 erstreckt, die einen Radius 11 von zumindest etwa 80 % der Radiuslänge des Substrats 9 aufweist. Vorzugsweise ist der Radius des axial symmetrischen Bereichs 11 zumindest etwa 85 %, 90 %, 95 % oder 100 % der Länge des Radius des Substrats 9.
Sobald eine epitaxiale Schicht die gewünschte Dicke aufweist, wird die Silizium umfassende Atmosphäre vorzugsweise aus der Reaktionskammer mit einem Edelgas, H₂ oder einer Kombination davon und mehr bevorzugt mit H₂ alleine herausgespült. Danach wird der Wafer vorzugsweise auf eine Temperatur abgekühlt, bei der er ohne ihn zu beschädigen gehandhabt werden kann (typischerweise nicht mehr als 800-900°C, einige Geräte können jedoch Wafer bei Temperaturen handhaben, die wesentlich höher als 900°C sind), und dann aus dem epitaxialen Abscheidungsreaktor entfernt.
D. Epitaxialer Abscheidungsreaktor
Wie oben beschrieben wird der Wafer der vorliegenden Erfindung durch ein epitaxiales Abscheidungsverfahren hergestellt, das mehrere verschiedene Schritte zusammenschließt: (a) Entfernung der nativen Oxidschicht von sowohl Vorder- als auch Rückseite des Wafers; (b) Erzeugung der epitaxialen Siliziumschicht auf der Vorderseite des Wafers, indem die Vorderseite des Wafers einem Silizium enthaltenden Quellgas ausgesetzt wird; und (c) in Kontakt bringen der Waferrückseite mit einem Spülgas. Um das vorangegangene in einem einzigen epitaxialen Abscheidungsverfahren durchzuführen, wird der epitaxiale Abscheidungsreaktor der vorliegenden Erfindung abgeändert, um Flüssigkeitsströmung der Verfahrensgase auf die Vorder- und Rückseite des Wafers zu ermöglichen.
Typischerweise umfasst ein epitaxialen Abscheidungsreaktor eine Kammer, die gewöhnlich aus Quarz besteht, einem Gaseinlass, der es den Verfahrensgasen ermöglicht in den Reaktor einzutreten, einem Gasauslass zur Entfernung der Verfahrensgase aus dem Reaktor, ein Heizelement zum Heizen des Siliziumwafers, einem Suszeptor zur Unterstützung des Wafers und rotierbare Hilfsmittel zur Unterstützung des Suszeptors und des Wafers. In der vorliegenden Erfindung wird der Suszeptor durch eine Waferträgervorrichtung ersetzt, die Fluidkontakt mit der Vorderseite des Wafers und im Wesentlichen der gesamten Rückseite des Wafers ermöglicht. Vorteilhaft ist, dass durch die Gewährleistung von Fluidkontakt mit der Vorder- und Rückseite des Wafers das „Schwimmen" während des Ladens im Wesentlichen vermieden wird. Zusätzlich ermöglicht die Waferträgervorrichtung, dass das Reinigungsgas, das in dem Vorbackungsschritt eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens verwendet wird, im Wesentlichen mit der gesamten Rückseite des Siliziumwafers in Kontakt tritt und im Wesentlichen die gesamte native Oxidschicht chemisch entfernt, so dass während des Wachstums der epitaxialen Schicht, wenn Quellgas die Rückseite des Siliziumwafers berührt, eine glatte einheitliche Siliziumschicht erzeugt und der Haloeffekt auf der Rückseite im Wesentlichen reduziert oder vermieden wird. Des weiteren ermöglicht die Waferträgervorrichtung, dass Dotieratome, die in dem Siliziumwafer enthalten sind und aus der Rückseite des Wafers während des epitaxialen Abscheidungsverfahrens herausdiffundieren, von der Vorderseite des Wafers in einem Spülgasstrom weg und durch die Entlüftung heraustransportiert werden. Das Absaugen von herausdiffundierenden Dotieratomen vermeidet, dass eine beträchtliche Menge von Dotiersubstanzen zwischen dem Wafer und der Suszeptorkante ausströmt und mit der Vorderseite in Kontakt kommt, was zu ungewollter Selbstdotierung der Vorderseite führt.
Die Waferträgervorrichtung kann in jeder Weise konfiguriert werden, die es ermöglicht, dass Verfahrensgase, insbesondere das Reinigungs- und das Spülgas, mit der Rückseite des Siliziumwafersubstrats in Kontakt treten. Die Waferträgervorrichtung kann eine Größe aufweisen, die jeden Durchmesser von Siliziumwafer aufnehmen kann, z.B. 150 mm, 200 mm und 300 mm Wafer und größer. Die Waferträgervorrichtung kann aus konventionellen Materialien hergestellt sein, wie z.B. hochreines Graphit mit einer Siliziumkarbid- oder Glaskohlenstoffschicht, die das Graphit bedeckt, um die Menge von Verunreinigungen zu reduzieren, die aus dem Graphit während des hochtemperaturepitaxialen Abscheidungsverfahrens in die Umgebung freigesetzt werden. Das zur Herstellung der Waferträgervorrichtung verwendete Graphit ist im Allgemeinen zumindest etwa 99 %, mehr bevorzugt zumindest etwa 99,9 % und am meisten bevorzugt zumindest etwa 99,99 % reines Graphit. Zudem enthält das Graphit vorzugsweise weniger als etwa 20 ppm Gesamtmetalle, insbesondere Eisen, Molybdän, Kupfer und Nickel, und mehr bevorzugt weniger als etwa 5 ppm Gesamtmetalle, insbesondere Eisen, Molybdän, Kupfer und Nickel. Die Siliziumkarbid- oder Glaskarbonschicht, die das Graphit bedeckt, hat im Allgemeinen eine Dicke von etwa 75 μm bis etwa 150 μm, vorzugsweise etwa 100 μm bis etwa 125 μm. Ähnlich wie das Graphit sollte die Siliziumkarbid- oder Glaskarbonschicht eine Gesamtmetallkonzentration von weniger als etwa 20 ppm und vorzugsweise weniger als 5 ppm aufweisen.
Der epitaxiale Abscheidungsreaktor der vorliegenden Erfindung kann auch optionale Vorrichtungen umfassen, die die Qualität des Wafers verbessern oder den Durchsatz erhöhen. Zum Beispiel kann ein Kantenring außerhalb der Peripherie des Siliziumwafers vorhanden sein und/oder eine Waferträgervorrichtung zur Verbesserung der Temperatureinheitlichkeit entlang des Wafers durch Isolierung der Kante des Wafers und/oder Vorheizen der Verfahrensgase, die in die Kammer fließen, bevor sie in Kontakt mit der Waferoberfläche treten. Zusätzlich kann der Reaktor Kammertrennvorrichtungen umfassen, die die Trennung des Silizium enthaltenden Quellgasflusses und des Spülgasflusses verbessern, und so die Effizienz des Abscheidungsverfahrens erhöhen. Ähnlich wie der Suszeptor sind der Kantenring und die Kammertrennvorrichtungen typischerweise aus Graphit hergestellt, das mit Siliziumkarbid oder Glaskohlenstoff beschichtet ist.
E. Perforierter Suszeptor
1. Perforierter Suszeptor, in dem der Wafer auf einer inneren ringförmigen Leiste sitzt
In einer besonderen Anordnung oder Ausführungsform ist die Waferträgervorrichtung ein perforierter Suszeptor. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen perforierten Suszeptor 12. Der perforierte Suszeptor 12 hat eine innere ringförmige Leiste 13, die zur Unterstützung eines Siliziumwafersubstrats 4 geeignet ist, das eine Vorderseite 3 und eine Rückseite 5 aufweist. Der perforierte Suszeptor 12 hat eine poröse Oberfläche 14 mit einer Vielzahl von Löchern oder Öffnungen 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 und 22. Perforierte Suszeptoren zur Verwendung in Einzelwaferreaktoren mit rückseitiger Roboterhandhabung (z.B. ein Centura^® Reaktor hergestellt von Applied Materials) benötigen auch Waferanhebungspinholes 23, 24 und 25 (nicht gezeigt, siehe 3). Im Gegensatz dazu benötigt ein perforierter Suszeptor zur Verwendung in dem von ASM hergestellten Einzelwafer Epsilon^® Reaktor oder in manuell beladbaren Zylinderreaktoren keine Anhebungspinholes. Die Begriffe Öffnungen und Löcher können hier austauschbar verwendet werden und beziehen sich beide auf offene Durchgänge in der porösen Oberfläche 14. Die poröse Oberfläche 14, die die Öffnungen aufweist, befindet sich direkt unterhalb des Siliziumwafersubstrats 4. Der Begriff „Vielzahl" wie er hier verwendet wird bedeutet zwei oder mehr Löcher. Die Löcher 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 und 22 werden in den perforierten Suszeptor 12 gebohrt, bevor die Beschichtung aufgetragen wird. Während des Vorbackschritts eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens ermöglichen die Löcher 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 und 22 dem Reinigungsgas mit im Wesentlichen der gesamten Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 in Kontakt zu treten und erlauben dem Reinigungsgas mit dieser zu reagieren und im Wesentlichen alle nativen Oxide auf der Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 zu entfernen. Der Teil der Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4, der in Kontakt mit der inneren ringförmigen Leiste 13 des Suszeptors 12 steht, wird auch beträchtlich durch das Reinigungsgas geätzt, da das Gas zwischen dem Wafer und dem Suszeptor herausströmt, was zu einer im Wesentlichen kompletten Entfernung der nativen Oxidschicht auf der Rückseite führt. Die Entfernung der nativen Oxide von der Rückseite 5 führt zu einer wesentlichen Reduzierung oder Vermeidung jedes Haloeffekts auf der Rückseite des Siliziumwafers, da jegliches Quellgas, das zwischen dem Wafer und dem Suszeptor während des epitaxialen Wachstumsprozesses herausströmt und mit der Rückseite 5 in Kontakt tritt glatt und gleichmäßig auf der Siliziumoberfläche abgeschieden wird. Die Löcher 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 und 22 ermöglichen ebenfalls, dass die Dotieratome, die aus der Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 während des Hochtemperaturreinigungsschritts und des epitaxialen Abscheidungsschritts eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens herausdiffundieren, durch die Löcher in ein Spülgas oder einen Wasserstoffstrom und weg von der Vorderseite 3 des Siliziumwafersubstrats 4 in ein Absaugsystem abzulassen. In dieser Weise wird eine wesentliche Verringerung der Selbstdotierung auf der Vorderseite während eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens erreicht.
3 zeigt eine Aufsicht eines perforierten Suszeptors 12, der eine innere ringförmige Leiste 13 besitzt und eine poröse Oberfläche 14, die eine Vielzahl von Löchern aufweist. Ein perforierter Suszeptor zur Verwendung in einem Reaktor mit Rückseitenwaferhandhabung benötigt ebenfalls Waferanhebungspinholes 23, 24 und 25 auf der porösen Oberfläche 14, um es den Anhebungspins (nicht gezeigt) unterhalb des perforierten Suszeptors 12 zu ermöglichen, die Siliziumwafer auf den und von dem perforierten Suszeptor 12 während und nach einem epitaxialen Abscheidungsverfahrens an- und abzuheben. Der Kantenring 27 hat gewöhnlich einen Durchmesser, der etwa 4 cm bis etwa 10 cm größer als der Durchmesser des perforierten Suszeptors 12 ist.
Die Löcher in der porösen Oberfläche des perforierten Suszeptors liegen direkt unterhalb des Siliziumwafers und haben vorzugsweise so einen Durchmesser, dass die Siliziumkarbid- oder Glaskohlenstoffbeschichtung, wenn eine solche, nachdem die Löcher in den Suszeptor gebohrt wurden, auf den Suszeptor aufgebracht wurde, die Löcher im Wesentlichen nicht blockiert oder verstopft und so den Flüssigkeitsfluss hierdurch beschränken. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass die Öffnungen, allgemein als durchgehende Löcher bezeichnet, auch Quadrat-, Schlitz-, Diamantform oder jede andere Form haben können, die einen Flüssigkeitsfluss hierdurch ermöglichen. Die Öffnungen haben vorzugsweise eine Breite von zwischen etwa 0,1 mm und etwa 3 mm, mehr bevorzugt zwischen etwa 0,1 mm und etwa 1 mm und am meisten bevorzugt zwischen etwa 0,5 mm und etwa 1 mm. Die Breite der Öffnungen ist definiert als der geringste Abstand zwischen zwei Ecken der Öffnung oder der Durchmesser, wenn die Öffnung ein Kreis ist. Die Löcher sind in den perforierten Suszeptor eingebracht, um es dem Reinigungsgas, das während des Vorbackschritts des epitaxialen Abscheidungsverfahrens verwendet wird, zu erlauben, mit im Wesentlichen der gesamten Rückseite des Siliziumwafers in Kontakt zu treten und diese zu ätzen. Abstände zwischen den Löchern des perforierten Suszeptors von zwischen etwa 0,5 mm und etwa 4 cm, mehr bevorzugt zwischen etwa 2 mm und etwa 2 cm und am meisten bevorzugt zwischen etwa 6 mm und etwa 1,5 cm voneinander, ermöglichen es dem Reinigungsgas mit im Wesentlichen der gesamten Rückseite des Siliziumwafers in Kontakt zu treten, so dass es im Wesentlichen das gesamte native Oxid von der Rückseite ätzen kann. Die Gesamtzahl der offenen Flächen auf der perforierten Oberfläche des Suszeptors liegt zwischen etwa 0,5 % und etwa 4 % der gesamten Oberfläche der perforierten Oberfläche, mehr bevorzugt zwischen etwa 1 % und etwa 3 % der Gesamtoberfläche der perforierten Oberfläche. Die perforierte Oberfläche des Suszeptors hat vorzugsweise eine Dichte von etwa 0,2 Löchern/cm² und etwa 4 Löchern/cm², mehr bevorzugt zwischen etwa 0,8 Löchern/cm² und etwa 1,75 Löchern/cm². Dichte wie hier verwendet bedeutet entweder eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Dichte.
Es ist im Allgemeinen bevorzugt, dass die Löcher in dem perforierten Suszeptor so einen kleinen Durchmesser haben, dass es praktisch nicht möglich ist, dass die Siliziumkarbid- oder Glaskohlenstoffbeschichtung den Flüssigkeitsfluss durch die Löcher auf die Rückseite des Siliziumwafers beschränkt. Wenn die Löcher in dem Suszeptor zu groß gebohrt werden, können Nanotopographieprobleme auf der Vorderseite des Wafers auftreten, die durch lokale Schwankungen der Temperatur auf der Rückseite verursacht werden. Löcher mit großem Durchmesser in dem perforierten Suszeptor können zu der Entwicklung von heißen Flecken oder kalten Flecken auf der Rückseite des Siliziumwafers durch direkte Bestrahlung der Rückseite mit Heizlampen, die sich unterhalb des Siliziumwafers befinden, führen. Diese heißen oder kalten Flecken verursachen, dass sich Temperaturgradienten entlang der Vorderseite des Siliziumwafers ausbilden, und kann zu ungleichmäßigem epitaxialem Siliziumwachstum auf der Vorderseite des Siliziumwafers führen. Ungleichmäßiges Wachstum der epitaxialen Schicht vermindert die Waferqualität wesentlich. Die Löcher in dem perforierten Suszeptor können in den Suszeptor bei einem schrägen Winkel gebohrt werden, um die Wahrscheinlichkeit von direkter Bestrahlung der Rückseite durch Heizlampen und die Ausbildung von heißen oder kalten Flecken, die zu einem nicht einheitlichen epitaxialen Wachstum auf der Vorderseite (ihren, weiter zu verringern, und es dennoch den Gasen zu ermöglichen den Suszeptor zu durchdringen und mit der Rückseite in Kontakt zu treten sowie die Entfernung der herausdiffundierende Dotieratome von der Rückseite zu ermöglichen. Das Lampenleistungsverhältnis der Heizlampen oberhalb und unterhalb des Siliziumwafers kann zur Erzeugung eines ausgeglichenen Heizens der Lampen eingestellt und abgestimmt werden, um die Möglichkeit der Bildung von heißen oder kalten Flecken und die Erzeugung von Temperaturgradienten auf dem Silizimwafer durch direkte Beleuchtung des Wafers durch die Löcher weiter zu verringern, und jegliche heiße oder kalten Flecken, die durch die Anhebungspinholes verursacht werden zu reduzieren oder zu vermeiden.
4 zeigt eine epitaxiale Reaktionskammer 30 zur Verwendung während eines epitaxialen Wachstumsprozesses, der den perforierten Suszeptor 12 der vorliegenden Erfindung verwendet. Der perforierte Suszeptor 12 ist mit rotierbaren Unterstützungen 31 und 32 verbunden und so bemessen und aufgebaut, dass ein Silikonwafersubstrat 4 auf einer inneren ringförmigen Leiste 13 während eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens unterstützt wird. Das Siliziumwafersubstrat 4 befindet sich in entfernter Verbindung mit den Löchern 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 und 22 in der porösen Oberfläche 14 in dem perforierten Suszeptor 12. Die Anhebungspinholes 23 ermöglichen es einem Anhebungspin (nicht gezeigt) durch die poröse Oberfläche 14 des perforierten Suszeptors 12 das Siliziumwafersubstrat 4 zu erreichen, so dass das Siliziumwafersubstrat 4 auf und von dem perforierten Suszeptor 12 vor und nach dem epitaxialen Abscheidungsverfahren gehoben werden kann. Die epitaxiale Abscheidungskammer 30 beinhaltet Heizlampenanordnungen 33 und 34, die sich oberhalb bzw. unterhalb des perforierten Suszeptors 12 zum Heizen während eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens befinden. Die Gaseinlässe 35 und 36 ermöglichen das Einbringen des Reinigungsgases während des Vorbackschrittes des epitaxialen Abscheidungsverfahrens, so dass das Reinigungsgas oberhalb und unterhalb des Siliziumwafersubstrats 4 eingelassen werden kann, um die native Oxidentfernung von der Vorderseite 3 und der Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 zu verbessern. Während des epitaxialen Wachstumsschritts lässt der Gaseinlass 35 ein Silizium enthaltendes Quellgas einfließen, welches über das Siliziumwafersubstrat 4 fließt und der Gaseinlass 36 lässt Wasserstoff oder ein Inertgas unterhalb des Siliziumwafersubstrats 4 einfließen, um die Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 zu spülen, und herausdiffundierende Dotieratome von der Vorderseite wegzuführen. Wie in 4 gezeigt, fließt das in die epitaxiale Abscheidungskammer injizierte Gas vorzugsweise parallel zu der Vorder- und Rückseite des Siliziumwafers (ein paralleles Flussverhalten wird jedoch nicht benötigt). Solch ein Flussverhalten ermöglicht es den injizierten Gasen mit der Vorderseite in Kontakt zu treten und den Suszeptor durch die Löcher in der Oberfläche des Suszeptors zu durchdringen, um mit der Rückseite des Wafers in Kontakt zu treten. Da die Gase parallel zur Siliziumoberfläche und nicht senkrecht dazu fließen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Siliziumwafer von der kreisförmigen Leiste durch Gase, die zwischen der Waferkante und der Kante der ringförmigen Leiste hindurchströmen, abgehoben wird und beschädigt wird, wesentlich reduziert oder vermieden. Die Gase, die in die Kammer 30 durch die Gaseinlässe 35 und 36 eingeleitet werden, werden aus der Kammer 30 durch die Auslassöffnung 37 entfernt.
Die Löcher in dem perforierten Suszeptor ermöglichen es dem Reinigungsgas durch den perforierten Suszeptor zu fließen und mit im Wesentlichen der gesamten Rückseite des Siliziumwafers während des Reinigungsschrittes in Kontakt zu treten, so dass jegliche nativen Oxide, die auf der Rückseite vorhanden sind, durch das Reinigungsgas entfernt werden. Diese native Oxidentfernung von der Rückseite ermöglichen es, dass sich eine glatte, zusammenhängende epitaxiale Siliziumschicht auf jeder Stelle der Rückseite des Siliziumwafers bildet, der mit dem Quellgas während des Wachstums der epitaxialen Schicht Kontakt hat, und wird so im Wesentlichen die Ausbildung eines Halos auf der Rückseite vermeiden. Des weiteren werden die Löcher in dem perforierten Suszeptor es dem Inertgas oder Wasserstoff ermöglichen, mit der Rückseite des Wafers in Kontakt zu treten, so dass Dotieratome, die aus der Rückseite während sowohl des Reinigungsschritts als auch des epitaxialen Wachstumsschritts herausdiffundieren, von dem Siliziumwafer weg und in den Auslass hineingeführt werden können, so dass die Wahrscheinlichkeit der Selbstdotierung der Vorderseite des Wafers wesentlich verringert wird.
2. Perforierter Suszeptor, in dem der Wafer auf der porösen Oberfläche sitzt
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der perforierte Suszeptor so abgemessen und angeordnet sein, um es dem Siliziumwafer zu ermöglichen direkt auf der porösen Oberfläche zu sitzen, so dass die innere ringförmige Leiste 13 wie in 4 gezeigt entfernt werden kann. In 5 ist ein Querschnitt eines perforierten Suszeptors gezeigt, in dem der Siliziumwafer direkt auf der porösen Oberfläche sitzt. Die Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 sitzt direkt auf der porösen Oberfläche 41 des perforierten Suszeptors 40. Obwohl die Rückseite 5 des Wafersubstrats 4 in direktem Kontakt mit der porösen Oberfläche 41 steht, sind die Gase, die neben dem perforierten Suszeptor 40 fließen, in der Lage die poröse Oberfläche 41 durch die Löcher 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 und 49 zu durchdringen und mit im Wesentlichen der gesamten Rückseite 5 des Wafersubstrats 4 in Kontakt zu treten.
3. Perforierter Suszeptor, in dem der Wafer auf einer konkaven, porösen Oberfläche sitzt
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann wie in 5 gezeigt der perforierte Suszeptor der vorliegenden Erfindung weiter so abgewandelt werden, dass die poröse Oberfläche eine Tellerform aufweist, um es nur den äußeren Kanten des Siliziumwafers zu ermöglichen den perforierten Suszeptor zu berühren. 6 zeigt einen Querschnitt eines perforierten Suszeptors 50, in dem der Siliziumwafer direkt auf der porösen Oberfläche 51 des Suszeptors 50 sitzt. Die Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 sitzt direkt auf der porösen Oberfläche 51 des perforierten Suszeptors 50. Die poröse Oberfläche 51 ist wie ein Teller geformt, so dass die Außenkanten 2 des Siliziumwafersubstrats in direktem Kontakt mit der porösen Oberfläche 51 stehen und die übrige Rückseite 5 des Wafersubstrats 4 nicht in direktem Kontakt mit der porösen Oberfläche 51 steht. Während der Verwendung ermöglichen die Löcher 52, 53, 54, 55, 56, 57 und 58 Flüssigkeitsfluss hierdurch auf die Rückseite des Wafers.
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass der perforierte Suszeptor der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Arten von Abscheidungsreaktoren einschließlich Trommel, Flach- und Minichargen-Reaktoren verwendet werden kann, unabhängig von der Form des verwendeten Suszeptors.
F. Suszeptor mit verlängerten Anhebungspins
In Bezugnahme auf 7 kann in einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Waferträgervorrichtung ein gebräuchlicher Suszeptor 60 sein, in dem zumindest drei Anhebungspins 61-63 in der ausgezogenen oder Obenposition während des gesamten epitaxialen Abscheidungsverfahrens verbleiben (d.h. während des Vorbackens und des epitaxialen Wachstums). Die Anhebung des Siliziumwafers über den Suszeptor 60 ermöglicht dem in die epitaxiale Abscheidungskammer 30 eingeleiteten Gas während des Vorbackens mit der nativen Oxidschicht von der Rückseite 5 des Wafersubstrats 4 in Kontakt zu treten und diese zu entfernen sowie die Ausbildung eines durch chemische Dampfabscheidung ausgelösten Halos zu vermeiden. In ähnlicher Weise ist das Spülgas, das in die epitaxiale Abscheidungskammer 30 während des Wachsens der epitaxialen Siliziumschicht eingeführt wurde, in der Lage die Dotieratome, die aus der Rückseite 5 freigesetzt werden, von der Vorderseite 3 wegzuleiten und Selbstdotierung der epitaxialen Siliziumschicht zu vermeiden.
G. Offene Waferträgervorrichtungen
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Wafer in einer Weise gestützt, die im Wesentlichen die gesamte Rückseite des Wafers der direkten Strahlung der Heizelemente aussetzt (d.h. eine offene Waferunterstützungsvorrichtung). Die Verwendung von offenen Waferträgervorrichtungen in epitaxialen Abscheidungskammern kann abhängig von der jeweiligen Anwendung sein. Zum Beispiel kann es eine offene Waferstützung dem Wafer ermöglichen die gewünschte Abscheidungstemperatur schneller zu erreichen und so den Durchsatz zu erhöhen. Des weiteren kann eine offene Waferstützung einem Wafer ermöglichen gleichmäßiger erhitzt zu werden als auf einem perforierten Suszeptor, was eine gleichmäßigere epitaxiale Schicht ermöglicht (d.h. verringerte Nanotopographie).
1. Pinunterstützung
Eine Ausführungsform einer offenen Waferträgervorrichtung umfasst zumindest drei Pins, die aus einer rotierbaren Unterstützung herausragen, wobei die Pins die Rückseite des Wafers innerhalb von der umlaufenden Kante des Wafers berühren, um den Wafer während des epitaxialen Wachstumsprozesses ähnlich zu der Vorrichtung zu tragen, die in einem Steag^® SHS3000 Rapid Thermal Annealer verwendet wird. 8 zeigt eine epitaxiale Reaktionskammer 30 zur Verwendung während eines epitaxialen Wachstumsprozess, die die Pinunterstützung der vorliegenden Erfindung verwendet. Drei Pins 70, 71 und 72 sind mit einer rotierbaren Unterstützung 74 verbunden und so abgemessen und angeordnet, um ein Siliziumwafersubstrat 4 während eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens zu unterstützen. Die epitaxiale Abscheidungskammer 30 enthält auch Heizlampenanordnungen 33 und 34, die oberhalb bzw. unterhalb des Wafersubstrats 4 zum Heizen während eines epitaxialen Abscheidungsverfahrens angebracht sind. Die Gaseinlässe 35 und 36 ermöglichen das Einbringen von Reinigungsgas während des Vorbackschritts des epitaxialen Abscheidungsverfahrens, so dass das Reinigungsgas oberhalb und unterhalb des Siliziumwafersubstrats 4 eingeleitet wird, um die native Oxidentfernung von der Vorderseite 3 und der Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 zu verbessern. Während des epitaxialen Wachstumsschritts wird über den Gaseinlass 35 ein Silizium enthaltendes Quellgas einleiten, welches über das Wafersubstrat 4 fließt, und Gaseinlass 36 lässt Wasserstoff oder ein Inertgas unterhalb des Wafersubstrats 4 einleiten, um die Rückseite 5 des Siliziumwafersubstrats 4 zu spülen und herausdiffundierende Dotieratome von der Vorderseite 3 wegzutransportieren. Die epitaxiale Abscheidungskammer 34 umfasst auch Kammertrennvorrichtungen 75 und 76 zur Verbesserung der Trennung des Abscheidungsgases von dem Spülgas. Zudem umfasst die epitaxiale Abscheidungskammer 34 einen Kantenring 77 auf Unterstützungen 78 und 79 zur Erhöhung Temperaturgleichmäßigkeit entlang der Waferoberfläche.
2. Ringunterstützung
9 zeigt als eine alternativen Ausführungsform der Waferträgervorrichtung eine Ringunterstützung 80 ähnlich zu der, die in einem von Applied Materials hergestellten Centura^® Rapid Thermal Prozessor verwendet wird. In Bezugnahme auf 10 umfasst die Ringunterstützung 90 vorzugsweise eine innere ringförmige Leiste 91 zum Tragen des Wafersubstrats 4 und eine äußere ringförmige Stufe 92, die ähnlich wie ein Kantenring wirkt, um die umlaufende Kante des Wafers zu isolieren und vorgeheizte Reaktionsgase, um Gleiten zu vermeiden.
H. Effizienz des epitaxialen Abscheidungsverfahrens der vorliegenden Erfindung
Mehrere Experimente wurden durchgeführt, um die Effizienz des Verfahrens und der Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung zur Herstellung des Einkristallwafers der vorliegenden Erfindung zu bewerten. Zum Beispiel wurden epitaxiale Schichten von 2,7 μm Dicke auf 200 mm Durchmesser Bor-dotierten Wafersubstraten abgeschieden, die einen Widerstand von etwa 0,005 Ω-cm bis etwa 0,01 Ω-cm aufweisen, unter Verwendung eines typischen Suszeptors und eines perforierten Suszeptors. In 11 sieht man, dass der Wafer mit eine rückseitige Oxidversiegelung einen im Wesentlichen gleichmäßigen Widerstand entlang der Waferoberfläche aufwies. Gleichermaßen hatten epitaxiale Schichten, die unter Verwendung des perforierten Suszeptors auf Wafer ohne rückseitige Oxidversiegelung abgeschieden wurden, einen im Wesentlichen gleichmäßigen Widerstand entlang der Waferoberfläche. Epitaxiale Schichten, die auf Wafer ohne rückseitige Oxidversiegelung unter Verwendung eines Standardsuszeptors abgeschieden wurden, besaßen jedoch einen nicht gleichförmigen Widerstand entlang der Waferoberfläche – die „W"-Form des Widerstandsplots als Funktion der Oberflächenposition entsteht zum größten Teil auf Grund der Veränderung von Verfahrensvariablen wie Temperatur und Gasfluss, um die Selbstdotierung in der Nähe der umlaufenden Kante zu kompensieren und so den Widerstand innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten. Ohne eine solche Veränderung wäre der Widerstand im Wesentlichen gleichförmig vom Zentrum bis etwa 10 mm von der umlaufenden Kante und der Widerstand würde innerhalb der letzten 10 mm auf Grund von Selbstdotierung wesentlich abnehmen. Zum Beispiel kann der Widerstand der epitaxialen Schicht 10 mm einwärts von der umlaufenden Kante etwa 10 bis etwa 20 %, oder etwa 50 % oder mehr abnehmen, abhängig von dem Unterschied zwischen dem Widerstand des Substrats und der epitaxialen Schicht.
In 12A zeigt eine Tencor^® SP1 Trübungskarte die Lokalisation des Rückseitenhalos, der durch Abscheidung einer epitaxialen Siliziumschicht unter Verwendung eines konventionellen Suszeptors auf einem Wafer ohne rückseitige Oxidversiegelung verursacht wurde. Im Gegensatz dazu zeigt 12B, dass die Verwendung des perforierten Suszeptors der vorliegenden Erfindung ohne Verwendung einer rückseitigen Oxidversiegelung den Halo vermeidet.
In 13A zeigt die ADE^®CR-83 SQM Nanotopographiekarte eindeutig, dass die Verwendung eines konventionellen Suszeptors zu einer epitaxialen Schicht direkt oberhalb der Anhebungspinholes führt, die eine Nanotopographie von etwa 60 nm aufweist. Im Gegensatz dazu zeigt 13B, dass die Verwendung des perforierten Suszeptors die Nanotopographie der epitaxialen Schicht oberhalb der Anhebungspinholes auf weniger als etwa 20 nm verringert.
Drei Ausführungsformen des perforierten Suszeptors mit unterschiedlicher Lochgröße, Abstand und Dichte wurden zur Unterstützung von 200 mm Durchmesser Siliziumwafer während des epitaxialen Abscheidungsverfahrens bewertet. Jede Ausführungsform hatte in etwa äquidistante Löcher, die senkrecht durch den Boden gebohrt wurden, um ein zylindrisches Muster von Löchern mit einem Radius von etwa 95 mm zu erzeugen. Die Zahl und Größe der Löcher wurde wie folgt variiert: Der perforierte Suszeptor A umfasste 274 Löcher, die einen Durchmesser von etwa 1,32 mm aufwiesen (Lochdichte von etwa 0,95 Löchern/cm²); der perforierte Suszeptor B umfasste 548 Löcher, die einen Durchmesser von etwa 1,32 mm aufwiesen (Lochdichte von etwa 1,95 Löchern/cm²); der perforierte Suszeptor C umfasste 274 Löcher, die einen Durchmesser von etwa 1,02 mm aufwiesen (Lochdichte von etwa 0,95 Löchern/cm²). Jede Ausführungsform hatte auch drei Anhebungspinholes mit einem Durchmesser von etwa 8 mm, die etwa 90 mm vom Zentrum des Suszeptors gebohrt wurden, und einen Abstand von 120° voneinander aufwiesen.
Zahlreiche Siliziumwafer mit Silizium-epitaxialen Schichten wurden unter Verwendung der zuvor genannten perforierten Suszeptoren hergestellt. Jeder der Wafer war frei von einem Rückseitenhalo und von Selbstdotierung der Vorderseite. Die bisherigen Ergebnisse weisen darauf hin, dass es keinen Vorteil im Hinblick auf den Halo oder Selbstdotierung zwischen den verschiedenen Lochdichten gibt. Es wurde jedoch eine verringerte Nanotopographie auf der epitaxialen Siliziumwaferoberfläche bei den Wafern beobachtet, die unter Verwendung des Suszeptors C, des Suszeptors mit dem kleinsten Lochdurchmesser, hergestellt wurden. Insbesondere zeigten die Wafer mit einer etwa 3 μm dicken epitaxialen Schicht, die unter Verwendung des Suszeptoren A und B hergestellt wurden, eine Nanotopographie auf der Oberfläche direkt über den Löchern von etwa 20 nm und die Wafer, die unter Verwendung des Suszeptors C hergestellt wurden, wiesen eine Nanotopographie von etwa 10 nm oder weniger auf.
I. Einkristallsiliziumwafer mit intrinsischer Getterung
Wie oben beschrieben hat ein Wafer, der unter Verwendung des Czochralski-Verfahrens hergestellt wurde, eine Sauerstoffkonzentration von etwa 10 bis etwa 18 ppm. Zusätzlich können sich Sauerstoffpräzipitätskeimbildungszentren abhängig von der Kühlungsrate des Einkristallsiliziumbarrens von dem Schmelzpunkt des Siliziums (d.h. etwa 1410°C) bis zu dem Bereich von etwa 750°C bis etwa 350°C ausbilden. Die Wärmebehandlungszyklen, die typischerweise in der Fabrikation von elektronischen Vorrichtungen eingesetzt werden, können ebenfalls die Präzipitation von Sauerstoff in Siliziumwafern auslösen, die mit Sauerstoff übersättigt sind. Abhängig von deren Lage in dem Wafer können die Präzipitate nachteilig oder vorteilhaft sein. Sauerstoffpräzipitate, die in dem aktiven Vorrichtungsbereich des Wafers liegen (d.h. typischerweise in der Nähe der Oberfläche), können den Betrieb der Vorrichtung beeinträchtigen. Sauerstoffpräzipitate, die in der Bulkschicht des Wafers liegen, sind jedoch in der Lage unerwünschte Metallunreinheiten einzuschließen, die in Kontakt mit dem Wafer kommen können. Die Verwendung von Sauerstoffpräzipitaten, die in der Bulkschicht des Wafers liegen, zur Einschließung von Metallen, wird gewöhnlich als internes oder intrinsisches Gettern („IG") bezeichnet.
Früher umfasste das Fabrikationsverfahren elektronischer Vorrichtungen eine Serie von Schritten, die zur Herstellung von Silizium gestaltet waren, das einen Bereich in der Nähe der Oberfläche des Wafers aufwies, der frei von Sauerstoffpräzipitaten ist (gewöhnlich als „entblößte Zone" oder eine „Präzipitat-freie Zone" bezeichnet), im Gleichgewicht mit dem Wafer (d.h. der Waferbulkschicht), der eine ausreichende Zahl von Sauerstoffpräzipitaten für IG-Zwecke enthielt. Entblößte Zonen wurden z.B. in einer hoch-niedrig-hoch-Wärmesequenz erzeugt, wie z.B. (a) Hitzebehandlung zur Herausdiffusion des Sauerstoffs bei einer hohen Temperatur (> 1100°C) in einem Inertgas für eine Dauer von zumindest etwa 4 Stunden, (b) Sauerstoffpräzipitatkeimbildung bei einer niedrigeren Temperatur (600 bis 750°C) und (c) Wachstum von Sauerstoff (SiO₂)-Präzipitaten bei einer hohen Temperatur (1000 bis 1150°C). Siehe z.B. F. Shimura, Semiconductor Silicon Crystal Technology, Seite 361-367 (Academic. Press. Inc., San Diego, Californien, 1989) (und die darin zitierten Verweise).
Erst kürzlich haben jedoch weiter entwickelte elektronische Vorrichtungsherstellungsverfahren, wie z.B. das DRAM-Herstellungsverfahren, begonnen die Verwendung von Hochtemperaturverfahrensschritten zu minimieren. Obwohl einige dieser Verfahren genug der Hochtemperaturverfahrensschritte beibehalten, um eine entblößte Zone und ausreichende Dichte von Bulkschicht-Präzipitaten zu erzeugen, sind die Toleranzen in diesem Material zu gering, um ein kommerziell verwendbares Produkt herzustellen. Andere gegenwärtige sehr hoch entwickelte elektronische Vorrichtungsherstellungsverfahren beinhalten gar keine Herausdiffundierungsschritte. Aufgrund der Probleme im Zusammenhang mit Sauerstoffpräzipitaten in dem aktiven Vorrichtungsbereich, müssen daher diese elektronischen Gerätehersteller Siliziumwafer verwenden, die nicht in der Lage sind Sauerstoffpräzipitate in dem Wafer unter deren Verfahrensbedingungen zu erzeugen. Als Ergebnis geht das IG-Potential verloren.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht jedoch die Bildung einer Maske von Kristallgitterlücken innerhalb des Wafers, welche eine ideale, nicht gleichförmige Tiefenverteilung von Sauerstoffpräzipitaten erzeugt, die sich innerhalb des Wafers bilden, wenn der Wafer wärmebehandelt wird (siehe WO 00/34999 publiziert am 15. Juni 2000). Typischerweise basiert die Entscheidung, ob eine Maske von Kristallgitterlücken gebildet wird, teilweise auf der Zusammensetzung des Wafersubstrats. Insbesondere steigert Bor die Sauerstoffpräzipitation und als Ergebnis bilden hochdotierte P-Typ-Substrate (z.B. P⁺ und P⁺⁺-Substrate) genug Sauerstoffpräzipitate, dass die Erzeugung einer Maske normalerweise nicht notwendig ist, während leicht dotierte P-Typ-Substrate (z.B. P^--Substrate) gewöhnlich die Erzeugung einer Maske zu IG-Zwecken benötigen.
14 zeigt eine solche Sauerstoffpräzipitatsverteilung, die durch Hitzebehandlung eines Wafers, der in Übereinstimmung mit dieser Erfindung hergestellt wurde, erzeugt wurde. In dieser besonderen Ausführungsform ist das Wafersubstrat 4 (mit oder ohne eine epitaxialen Schicht, die auf der Vorderseite 3 abgeschieden ist) durch die Regionen 93 und 93' („entblößte Zonen") charakterisiert, die frei von Sauerstoffpräzipitaten 95 sind. Diese Zonen reichen von der Vorderseite 3 und der Rückseite 5 bis zu einer Tiefe von t bzw. t'. Vorzugsweise betragen t und t' etwa 10 bis etwa 100 μm, und mehr bevorzugt etwa 50 bis etwa 100 μm. Zwischen den Sauerstoffpräzipitat-freien Bereichen 93 und 93' liegt der Bereich 94, welcher eine im Wesentlichen gleichförmige Konzentration von Sauerstoffpräzipitaten enthält. Für die meisten Anwendungen ist die Sauerstoffpräzipitatskonzentration in der Region 94 zumindest etwa 5 × 10⁸ Präzipitate/cm³ und mehr bevorzugt etwa 1 × 10⁹ Präzipita te/cm³. Es sollte bemerkt werden, dass der Zweck der 14 darin besteht den Fachmann mit der Erfindung vertraut zu machen, indem lediglich eine Ausführungsform dieser Erfindung dargestellt ist. Diese Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Diese Erfindung kann z.B. auch verwendet werden, um einen Wafer zu erzeugen, der nur eine entblößte Zone 93 besitzt (statt den zwei entblößten Zonen 93 und 93').
Zur Erzeugung der Maske für die Kristallgitterlücken wird der Wafer im Allgemeinen zuerst erhitzt und dann bei einer Geschwindigkeit von etwa 10°C/sec abgekühlt. Der Zweck des Erhitzens des Wafers ist: (a) Bildung von Zwischengitterplätzen und Gitterlückenpaaren (d.h. Frenkeldefekte) in dem Kristallgitter, die gleichmäßig in dem Wafer verteilt sind und (b) Lösung von nicht stabilisierten Sauerstoffpräzipitats-Keimbildungszentren, die in dem Wafer vorhanden sind. Im Allgemeinen führt das Erhitzen bei höheren Temperaturen zu einer größeren Zahl von Frenkeldefekten. Der Zweck des Abkühlungsschritts ist die Erzeugung einer ungleichmäßigen Verteilung von Kristallgitterlücken, wobei die Gitterlückenkonzentration am oder in der Nähe des Zentrums des Wafers maximal ist und in Richtung der Oberfläche des Wafers abnimmt. Diese ungleichmäßige Verteilung der Kristallgitterlücken wird vermutlich durch die Tatsache verursacht, dass ein Teil der Gitterlücken in der Nähe der Oberfläche des Wafers während des Abkühlens zur Oberfläche diffundieren und dadurch zerstört werden, was zu einer geringeren Konzentration an Gitterlücken in der Nähe der Oberfläche führt.
Für die meisten Anwendungen wird der Wafer vorzugsweise bei einer Haltetemperatur von zumindest etwa 1175°C erhitzt. Mehr bevorzugt bei einer Haltetemperatur von etwa 1200 bis etwa 1300°C und mehr bevorzugt von etwa 1225 bis etwa 1250°C erhitzt. Wenn die Temperatur des Wafers die gewünschte Haltetemperatur erreicht hat, wird die Wafertemperatur vorzugsweise bei der Haltetemperatur für eine Zeitdauer aufrechterhalten. Die bevorzugte Zeitdauer liegt im Allgemeinen bei etwa 10 bis etwa 15 Sekunden. In einem typischen, zur Zeit kommerziell erhältlichen epitaxialen Abscheidungsreaktor wird der Wafer vorzugsweise bei einer Haltetemperatur von etwa 12 bis etwa 15 Sekunden gehalten. In einem typischen, zur Zeit kommerziell erhältlichen RTA-Ofen wird dagegen der Wafer vorzugsweise bei einer Haltetemperatur von etwa 10 Sekunden gehalten.
Typischerweise wird der Wafer erhitzt, während er der Atmosphäre ausgesetzt ist. In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist die Atmosphäre eine oxidierende Atmosphäre, die H₂O und H₂ umfasst. Mehr bevorzugt jedoch ist das Oxidationsmittel in der oxidierenden Atmosphäre ein Sauerstoffgas, welches in der Atmosphäre in einer Konzentration von zumindest etwa 300 ppm (d.h. 300 mol O₂ pro 1.000.000 mol Gesamtgas) vorhanden ist. Mehr bevorzugt beträgt die Sauerstoffkonzentration von etwa 300 bis etwa 2000 ppm und am meisten bevorzugt von etwa 300 bis etwa 500 ppm. Das übrige der oxidierenden Atmosphäre besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus einem Gas, welches nicht mit der Siliziumoberfläche oder dem Oxidationsmittel reagiert. Mehr bevorzugt besteht das übrige Gas im Wesentlichen aus einem Edelgas oder Stickstoff, mehr bevorzugt einem Edelgas und am meisten bevorzugt Ar. Die oxidierende Atmosphäre wird vorzugsweise zumindest der epitaxialen Oberfläche während des Erhitzens ausgesetzt. Mehr bevorzugt wird die oxidierende Atmosphäre im Wesentlichen der gesamten Oberfläche des Wafers ausgesetzt.
In einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung ist die Atmosphäre im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel. Wenn die Maske der Kristallgitterlücken in einem epitaxialen Reaktor (unten beschrieben) erzeugt wird, ist eine Atmosphäre, die im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel ist, aufgrund von Sicherheitserwägungen (Vermeidung von Explosionen) und der Erzeugung von Partikeln, die entstehen, wenn Oxidationsmittel und unreagierte Chlorsilane miteinander in Kontakt kommen, bevorzugt, trotz einer Tendenz eine Oberflächentrübung auf dem Wafer zu bilden. Die Atmosphäre, die im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel ist, kann ein reduzierendes Gas (z.B. H₂) und/oder ein Inertgas (z.B. Edelgase wie He, Ne, Ar, Kr und Xe) umfassen. Vorzugsweise besteht die Atmosphäre im Wesentlichen aus H₂, Ar und Mischungen davon.
Nach der Wärmebehandlung des Wafers in der oxidierenden Atmosphäre wird der Wafer schnell abgekühlt. Dieser Abkühlungsschritt kann bequemerweise in der gleichen Atmosphäre ausgeführt werden, in der die Hitzebehandlung durchgeführt wurde. Alternativ wird dies vorzugsweise in einer Atmosphäre ausgeführt, die nicht mit der Waferoberfläche reagiert. Vorzugsweise wird der Wafer bei einer Geschwindigkeit von zumindest etwa 10°C/sec abgekühlt. Mehr bevorzugt wird der Wafer bei einer Geschwindigkeit von zumindest etwa 15°C/Sekunde abgekühlt, noch mehr bevorzugt bei zumindest etwa 20°C/Sekunde und am meisten bevorzugt bei zumindest etwa 50°C/Sekunde. Diese schnelle Abkühlungsge schwindigkeit wird vorzugsweise verwendet, da die Temperatur des Wafers während der Temperaturbereiche abnimmt, bei denen die Kristallgitterlücken durch das Einkristallsilizium diffundieren. Sobald der Wafer auf eine Temperatur abgekühlt ist, die außerhalb des Temperaturbereichs liegt, bei dem Kristallgitterlücken relativ mobil sind, beeinflusst die Abkühlungsgeschwindigkeit die Präzipitationscharakteristika des Wafers nicht mehr wesentlich, und ist daher nicht mehr kritisch. Im Allgemeinen sind Kristallgitterlücken relativ mobil bei Temperaturen, die größer als etwa 1000°C sind.
In einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit des Wafers zumindest etwa 10°C/Sekunde (mehr bevorzugt zumindest etwa 15°C/Sekunde, noch mehr bevorzugt zumindest etwa 20°C/Sekunde und am meisten bevorzugt zumindest etwa 50°C/Sekunde), da seine Temperatur von der Haltetemperatur auf eine Temperatur abfällt, die etwa 150°C geringer als die Haltetemperatur ist. In einer anderen insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist die mittlere Abkühlungsrate des Wafers zumindest etwa 10°C/Sekunde (mehr bevorzugt zumindest etwa 15°C/Sekunde, noch mehr bevorzugt zumindest etwa 20°C/Sekunde und am meisten bevorzugt bei etwa 50°C/Sekunde), da seine Temperatur von der Haltetemperatur auf eine Temperatur abfällt, die etwa 250°C geringer als die Haltetemperatur ist.
Das Erhitzen und das schnelle Abkühlen kann z.B. in jeder der zahlreich kommerziell erhältlichen Rapid Thermal Annealing („RTA")-Öfen durchgeführt werden, in denen die Wafer durch Reihen von Hochleistungslampen erhitzt werden. RTA-Öfen sind in der Lage Siliziumwafer schnell aufzuheizen. Zum Beispiel sind viele in der Lage einen Wafer von Raumtemperatur auf 1200°C in wenigen Sekunden aufzuheizen. Beispiele für geeignete kommerziell erhältliche Öfen schließen das Modell 610-Ofen von AG Associates (Mountain View, Californien) und den CENTURA^® RTP von Applied Materials (Santa Clara, Kalifornien) ein.
Alternativ kann das Erhitzen und schnelle Abkühlen in einem epitaxialen Abscheidungsreaktor durchgeführt werden, vorausgesetzt, dass die gewünschte Abkühlungsgeschwindigkeit in diesem Reaktor erreicht werden kann. Die Anmelder haben festgestellt, dass die Aufheizungs- und Abkühlungsschritte in einem EPI CENTURA^® Reaktor durchgeführt werden können. In Bezugnahme auf 15 und 19 beinhaltet ein solcher Reak tor einen Suszeptor 101 zur Unterstützung eines Wafers. Der Suszeptor 101 ist fest auf Armen 103 einer Suszeptorunterstützungsachse 105 montiert, die gleitend innerhalb einer Bohrung 106 einer Waferanhebungsachse 107 montiert ist. Die Waferanhebungsachse ist zur vertikalen Bewegung innerhalb einer zylindrischen Öffnung in einer unteren Kuppel (nicht gezeigt) des Reaktors montiert. Ein pneumatischer Mechanismus (nicht gezeigt) ist in Funktion, um die Suszeptorunterstützungsachse 105 und die Waferanhebungsachse 107 vertikal zu bewegen, entweder gleichzeitig oder unabhängig voneinander, je nach Wunsch. Der Mechanismus ist des weiteren in der Lage, die Suszeptorunterstützungsachse 105 innerhalb der Bohrung 106 zu rotieren, so dass der Suszeptor 101 und der Wafer rotiert werden können. Der Suszeptor beinhaltet starre Pins 109, die gleitend in den Öffnungen des Suszeptors montiert sind, um die Sperren 111 der Waferanhebungsachse an ihrem unteren Ende einzurasten. Die oberen Enden der Pins 109 sind in der Lage den Wafer zu unterstützen. Gewöhnlicherweise wurden die Pins 109 nur verwendet, um den Wafer während des Transfers in und aus dem Reaktor zu unterstützen.
Um den Wafer zur Hitzebehandlung in dem EPI CENTURA^® Reaktor zu positionieren, wird der Wafer in den Reaktor hineingebracht, z.B. durch Auflageschiene 113, welche so bemessen ist, dass sie zwischen die starren Pins 109 passt (siehe 19). Die Suszeptorunterstützungsachse 105 und die Waferanhebungsachse 107 werden nach oben aus der Austauschposition, die in 15 gezeigt ist, zu der Ausgangsposition bewegt, die in 16 gezeigt ist. Das Bewegen der Suszeptorunterstützungsachse 105 nach oben verursacht, dass die Pins 109 (welche in die Waferanhebungsachse 107 eingerastet sind) in die Rückseite des Wafers einrasten und den Wafer von der Auflageschiene 113 anheben. Die Auflageschiene wird danach aus dem Reaktor entfernt. In Bezugnahme zu 17 wird die Suszeptorunterstützungsachse 105 dann weiter nach oben bewegt, während die Waferanhebungsachse 107 an gleicher Stelle verbleibt. Dies verursacht, dass die Pins 109 relativ zu dem Suszeptor 101 nach unten gleiten, bis die obere Oberfläche des Suszeptors 101 in Kontakt mit dem Wafer gebracht ist. Danach unterstützt der Suszeptor 101 den Wafer. In der Zwischenzeit bewegt sich die Unterstützungsachse 105 weiter nach oben bis der Suszeptor 101 coplanar mit dem Ring 115 ist. An dieser Stelle ist der Suszeptor in der Verfahrensposition. Eine Reihe von Hochleistungslampen (nicht gezeigt) wird dann aktiviert, um den Wafer zu erhitzen, während er durch den Suszeptor 101 in der Verfahrensposition unterstützt wird. Vorzugswei se werden der Suszeptor 101 und der Wafer während des Erhitzens rotiert, so dass der Wafer gleichmäßiger erhitzt wird.
Es hat sich herausgestellt, dass die typische mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit (d.h. etwa 10 bis 15°C/Sekunde) eines Wafers in dem EPI CENTURA^® Reaktor dazu neigt, geringer als die typische mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit (d.h. etwa 70 bis 100°C/Sekunde) zu sein, die in einem RTA-Ofen bei Temperaturen erreicht werden kann, bei denen die Kristallgitterlücken relativ mobil sind. Grund hierfür ist teilweise die Tatsache, dass der Suszeptor 101 (siehe 17), der in Kontakt mit dem Wafer steht, für eine gewisse Zeit nach dem Beenden des Erhitzens heiß bleibt. Um die Abkühlungsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird daher der Wafer vorzugsweise in eine Position gebracht, die soweit wie möglich von dem Suszeptor 101 entfernt ist. Dies kann durch Herunterfahren der Suszeptorunterstützungsachse 105 in die Austauschposition, wie in 18 gezeigt, direkt nach Beendigung des Erhitzens erreicht werden. In der Austauschposition wird der Wafer nur durch die Pins 109 unterstützt, so dass im Wesentlichen die gesamte Rückseite und die gesamte Vorderseite des Wafers nicht in Kontakt mit irgendeiner festen heißen Oberfläche steht (außer den Pins 109). Des weiteren wird der Wafer soweit wie möglich von dem heißen Suszeptor 101 positioniert. Durch Anhebung des Wafers von dem Suszeptor 101, kann die Abkühlungsgeschwindigkeit des Wafers etwa verdoppelt werden (d.h. die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit steigt von einem Bereich von etwa 10 bis 15°C/Sekunde auf einen Bereich von etwa 25 bis etwa 30°C/Sekunde an).
In einer alternativen Ausführungsform kann die gewünschte Abkühlungsgeschwindigkeit in einem epitaxialen Abscheidungsreaktor erreicht werden, der eine offene Rückseitenwaferträgervorrichtung umfasst, wie z.B. die oben beschriebene Pinunterstützung oder Ringunterstützung. Durch Verwendung einer offenen Rückseitenwaferträgervorrichtung wird der isolierende Effekt eines Suszeptors beseitigt und der Wafer kann schneller erhitzt und abgekühlt werden. Insbesondere kühlt ein Wafer auf einer Pinunterstützung oder Ringunterstützung typischerweise bei einer Geschwindigkeit von etwa 70 bis etwa 100°C/Sekunde ab, im Gegensatz zu einem Wafer, der durch Anhebungspins oberhalb eines Suszeptors unterstützt wird, welcher typischerweise bei einer Geschwindigkeit von etwa 25 bis etwa 30°C/Sekunde abkühlt. Eine offene Rückseitenwaferträgervorrichtung kann bevorzugt sein, da das Wärmeverfahren zur Erzeugung der entblößten Zone in das epitaxiale Abscheidungs verfahren integriert werden kann, ohne den zusätzlichen physischen Kontakt der Anhebung des Wafers auf Pins, was den Wafer beschädigen kann.
Das ungleichmäßige Gitterlückenprofil, das in Übereinstimmung mit dieser Erfindung hergestellt wird, ist eine Maske für die Sauerstoffpräzipitation, wenn der Wafer danach erhitzt wird. Insbesondere wenn das Wafersubstrat 4 (siehe 14) erhitzt wird, wird sich der Sauerstoff schnell zusammenballen und Präzipitate 95 in dem Bereich 94 des Wafersubstrats 4, das höhere Konzentrationen von Gitterlücken enthält, bilden, wird aber nicht dazu neigen sich in den Bereichen 93 und 93' in der Nähe der Waferoberflächen 3 und 5 anzuhäufen, die geringere Konzentrationen von Gitterlücken aufweisen. Typischerweise aggregiert Sauerstoff bei Temperaturen von etwa 500 bis etwa 800°C und bildet Präzipitate bei Temperaturen von etwa 700 bis etwa 1000°C. Daher kann z.B. die ungleichmäßige Verteilung von Sauerstoffpräzipitaten 95 in einem Wafer während eines Hitzebehandlungszyklus in einem Herstellungsverfahren für elektronischen Vorrichtungen erzeugt werden, vorausgesetzt, dass solche Hitzebehandlungszyklen mehrmals bei Temperaturen in der Nähe von 800°C durchgeführt werden.
Die Bildung der Maske von Kristallgitterlücken innerhalb des Wafers und die nachfolgende Sauerstoffpräzipitation kann zu jedem Zeitpunkt während des Wafers- und/oder Vorrichtungsherstellungsverfahrens durchgeführt werden, vorausgesetzt spätere Verfahrensschritte zerstören nicht die Sauerstoffpräzipitationskeimbildungszentren/Sauerstoffpräzipitate (z.B. eine nachfolgende Erhitzung des Wafers auf eine ausreichende Temperatur über eine Zeitperiode, die kurz genug ist die Keimbildungszentren/Sauerstoffpräzipitate im Silizium aufzulösen). In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tritt die Bildung der Maske von Kristallgitterlücken und der Keimbildungszentren/Sauerstoffpräzipitate auf, nachdem die epitaxiale Schicht abgeschieden wurde. Zum Beispiel wird die Maske von Kristallgitterlücken, wie oben beschrieben, während des Waferherstellungsverfahrens nach der epitaxialen Abscheidung erzeugt, und die Keimbildung/Präzipitation wird während eines Hitzebehandlungszyklus eines elektronischen Vorrichtungsherstellungsverfahrens durchgeführt. In einer anderen Ausführungsform tritt die Bildung der Maske von Kristallgitterlücken und von Keimbildungszentren/Sauerstoffpräzipitaten vor der Abscheidung der epitaxialen Schicht auf. Die Keimbildungszentren/Präzipitate werden durch Erhitzung des Wafers auf eine Temperatur über eine Dauer, die ausreichend zur Erzeugung von Keimbil dungszentren/Präzipitaten und lang genug ist, um jegliche nachfolgende Hitzebehandlung zu überstehen (d.h. der Radius der Keimbildungszentren/Präzipitate ist größer als der „kritische Radius").

Claims

Einkristallsiliziumwafer, wobei der Einkristallsiliziumwafer umfasst: Ein Siliziumwafersubstrat mit einer zentralen Achse, einer Oberfläche und einer Rückseite, die im Allgemeinen senkrecht zur zentralen Achse liegen, eine umlaufende Kante, sowie einen Radius der sich von der zentralen Achse zur umlaufenden Kante des Wafers erstreckt, wobei die Rückseite frei von einer Oxidversiegelung ist und im Wesentlichen frei von durch einen chemischen Dampfabscheidungsprozess induziertem Halo ist, wobei das Siliziumwafersubstrat Dotieratome des P-Typs oder N-Typs umfasst; und eine epitaxiale Siliziumschicht auf der Oberfläche des Siliziumwafersubstrats, gekennzeichnet durch einen axial symmetrischen Bereich der sich radial auswärts von der zentralen Achse in Richtung auf die umlaufende Kante erstreckt, worin der Widerstand im Wesentlichen gleichförmig ist, der Radius des axial symmetrischen Bereichs mindestens 80 % der Länge des Radius des Substrats umfasst, und die epitaxiale Siliziumschicht Dotieratome des P-Typs oder N-Typs umfasst.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche und die Rückseite spiegelglänzend sind.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei der Widerstand des axial symmetrischen Bereichs um weniger als 10 % variiert.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei der Widerstand des axial symmetrischen Bereichs um weniger als 5 % variiert.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei der Widerstand des axial symmetrischen Bereichs um weniger als 2 % variiert.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei der Radius des axial symmetrischen Bereichs mindestens 95 % der Länge des Radius des Siliziumwafersubstrats umfasst.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei der Radius des Siliziumwafers mindestens 50 mm beträgt.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei der Radius des Siliziumwafersubstrats mindestens 100 nun beträgt.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei der Radius des Siliziumwafersubstrats mindestens 150 nun beträgt.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei die epitaxiale Siliziumschicht 0,1 μm bis 200 μm dick ist.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 10, wobei die epitaxiale Siliziumschicht durch eine 0,5 mm × 0,5 nun Nanotopographie gekennzeichnet ist die weniger als 1 % der Dicke der epitaxialen Siliziumschicht umfasst.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 10, wobei die epitaxiale Siliziumschicht durch eine 2 nun × 2 nun Nanotopographie gekennzeichnet ist die weniger als 1 % der Dicke der epitaxialen Siliziumschicht umfasst.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 10, wobei die epitaxiale Siliziumschicht durch eine 10 mm × 10 mm Nanotopographie gekennzeichnet ist, die weniger als 3 % der Dicke der epitaxialen Siliziumschicht umfasst.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei die epitaxiale Siliziumschicht 2 μm bis 30 μm dick ist.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei das Siliziumwafersubstrat und die Siliziumepitaxialschicht einen elektrischen Widerstand von 100 Ω-cm bis 0,005 Ω-cm aufweisen.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei das Siliziumwafersubstrat einen elektrischen Widerstand von 0,01 Ω-cm bis 0,03 Ω-cm aufweist, und die epitaxiale Siliziumschicht einen elektrischen Widerstand von 1 Ω-cm bis 20 Ω-cm aufweist.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei das Siliziumwafersubstrat einen elektrischen Widerstand von 0,005 Ω-cm bis 0,01 Ω-cm aufweist, und die epitaxiale Siliziumschicht einen elektrischen Widerstand von 1 Ω-cm bis 20 Ω-cm aufweist.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei das Siliziumwafersubstrat ferner eine zentrale Ebene zwischen und parallel zu der Oberfläche und der Rückseite umfasst; eine Oberflächenschicht welche den Bereich des Wafers umfasst der sich von einem Abstand D₁ von mindestens 10 μm von der Oberfläche in Richtung auf die zentrale Ebene erstreckt; und eine Bulkschicht welche den Bereich des Wafers umfasst der sich von der zentralen Ebene zur Oberfläche erstreckt, wobei das Wafersubstrat dadurch gekennzeichnet ist, dass: das Wafersubstrat eine nicht gleichförmige Verteilung von Kristallgitterlücken aufweist wobei (a) die Bulkschicht eine Kristallgitterlückenkonzentration aufweist die größer ist als in der Oberflächenschicht, (b) die Kristallgitterlücken ein Konzentrationsprofil aufweisen mit einer höchsten Dichte von Kristallgitterlücken an oder nahe der zentralen Ebene, und (c) die Konzentration der Kristallgitterlücken im Allgemeinen von der Position der höchsten Dichte in Richtung auf die Oberfläche des Wafers abnimmt.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 18, wobei D₁ von 50 bis 100 μm beträgt.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 1, wobei das Siliziumwafersubstrat ferner eine zentrale Ebene zwischen und parallel zur Oberfläche und der Rückseite umfasst; eine Oberflächenschicht welche den Bereich des Wafers umfasst der sich von einem Abstand D₁ von mindestens 10 μm von der Oberfläche in Richtung auf die zentrale Ebene erstreckt; sowie eine Bulkschicht welche den Bereich des Wafers umfasst der sich von der zentralen Ebene zur Oberflächenschicht erstreckt, wobei das Wafersubstrat dadurch gekennzeichnet ist, dass: das Wafersubstrat eine nicht gleichförmige Verteilung von Sauerstoffpräzipitaten aufweist, wobei (a) die Bulkschicht eine Sauerstoffpräzipitatkonzentration aufweist die größer ist als in der Oberflächenschicht, (b) die Sauerstoffpräzipitate ein Konzentrationsprofil mit einer höchsten Dichte von Sauerstoffpräzipitaten an oder nahe bei der zentralen Ebene aufweisen, und (c) die Konzentration der Sauerstoffpräzipitate im Allgemeinen abnimmt von der Position der höchsten Dichte in Richtung auf die Oberfläche des Wafers.
Einkristallsiliziumwafer nach Anspruch 20, wobei D₁ von 50 bis 100 μm beträgt.