JP2004537855A - 薄いエピタキシャル半導体層の製造方法および装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、半導体技術において通例の大きな半導体基板に拡散を抑制する薄いエピタキシャル半導体層を工業的な製造に適している、典型的なHBTスタックに対する高いスループットにおいて製造可能であるようにする方法および装置を提供することである。
本発明によれば、この課題はまず、半導体基板のコーティングすべき表面が洗浄されることによって解決される。洗浄された半導体基板は低圧バッチ・リアクタにおいて後続の工程に比べて高い第1の温度(プリベーク温度)に加熱されかつコーティングすべき表面に対して、空気酸化物およびその他の不純物を除去するために、後続の工程に比べて低い、同じまたは高いリアクタ圧力で水素プリベークが行われる。後続の工程においてこのようにして前処理された半導体基板が低圧のホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタにおいて先行する工程に比べて低い第2の温度(デポジット温度)に加熱されかつコーティングすべき表面が熱力学的な平衡状態に達した後化学的な気相成長法(CVD)で先行する工程に比べて高い、同じまたは低いリアクタ圧力において拡散を抑制する半導体層がデポジットされる。
本発明によれば、この課題はまず、半導体基板のコーティングすべき表面が洗浄されることによって解決される。洗浄された半導体基板は低圧バッチ・リアクタにおいて後続の工程に比べて高い第1の温度(プリベーク温度)に加熱されかつコーティングすべき表面に対して、空気酸化物およびその他の不純物を除去するために、後続の工程に比べて低い、同じまたは高いリアクタ圧力で水素プリベークが行われる。後続の工程においてこのようにして前処理された半導体基板が低圧のホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタにおいて先行する工程に比べて低い第2の温度(デポジット温度)に加熱されかつコーティングすべき表面が熱力学的な平衡状態に達した後化学的な気相成長法(CVD)で先行する工程に比べて高い、同じまたは低いリアクタ圧力において拡散を抑制する半導体層がデポジットされる。
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は薄い、有利には拡散を抑制するエピタキシャル半導体層の製造方法および装置に関する。
【0002】
高度でしかも鮮鋭に制限されたドーピングが行われる、有利にはSiGeまたはSiから成るエピタキシャル成長される半導体層は、例えば1−ヘテロバイポーラトランジスタ(Heterobipolartransistor=HBT)のような高周波モジュールの製造の際およびCMOS回路においてますます多く使用されるようになっている。このような高ドーピングされた層では後続の工程(プロセスステップ)の間に外部拡散(Ausdiffusion)という問題が生じる。つまり後続の工程では技術的なシーケンス内で温度が高められ、ひいてはこの層の電子的な特性の劣化を伴うからである。このような拡散プロセスを最小限にするために。温度は低減されかつ拡散を抑制する付加的な材料が使用されなければならない。
【0003】
WO98/26457に、電気的に活性でない付加的な材料、有利には第4主族の元素、殊に濃度1018cm−3ないし1021cm−3の炭素を使用することによって、SiGeにホウ素が拡散するのをどうようにして有意に抑えるのかが記載されている。有利にはSiGeCまたはSiCから成る、このようなエピタキシャル拡散抑制層の製造は分子線エピタキシ−(MBE)法および主には化学的気相成長法(CVD)によって行われる。T.I. Kamins, D.J. Meyer, Appl. Phys. Lett., 59,(1991)178;W.B.de Boer, D.J. Meyer, Appl. Phys. Lett. 58, (1991)1286 および B.S.Meyerson, Appl. Phys. Lett. 48,(1986)797 に記載されているように、CVD法と関連してシングル・ウェハおよび超高真空室(Ultra-High-Vacuum=UHV)バッチ処理方式のリアクタ(バッチ・リアクタ)が使用される。シングル・ウェハ・リアクタで不都合だと認められることは、この装置はホットウォール(過熱壁式)リアクタではないこと、すなわちシングル・ウェハリアクタにおいてウェハがビームまたは誘導ホットを用いて非常に迅速に加熱され、その際ウェハもリアクタも熱力学的な平衡状態に達しないということである。
【0004】
Si,SiC,SiGeおよびSiGeC低温エピタキシーの場合の必然的に小さなデポジットレートのために、シングル・ウェハリアクタによっては僅かなスループットしか実現されない。典型的なHBTスタックに対してスループットは例えば約5ウェハ/時間である。それは工業プロセスに対しては経済的に不都合である。
【0005】
これまで公知になっている唯一のバッチ・リアクタは400℃ないし800℃の温度領域で、典型的には600℃で動作するUHVホットウォールリアクタである。この種のホットウォールリアクタにおいてウェハは小さなバッチにおいて熱力学な平衡状態に加熱され、これにより熱均一性は大幅に改善されるが、UHV法と関連した高いコストがスループットに対して不都合に作用する。すなわち、すべての周辺プロセス時間(例えばポンピングおよび洗浄シーケンス、ディスクの処理など)は通例の低圧(LPCVD)装置の場合より著しく長い。それ故に典型的なHBTスタックに対するスループットはこのUHVバッチ・リアクタの場合シングル・ウェハリアクタの領域、すなわち約5ウェハ/時間である。更に、UHVシステムのため、非常に高い温度(1000℃およびそれ以上)を使用することができず、すなわち例えばUHVバッチ・リアクタにおいてエッチングおよびベークプロセスは低い温度でしか行うことができないことは不都合に作用する。UHV装置に対して実現されかつ低温エピタキシーに対して必要と示されている僅かなH2O/O2残留含有量は適当な措置によってUHV装置以外の装置に対しても実現される。
【0006】
低圧(LP)バッチ・リアクタはこれまで、拡散抑制半導体層の生成のために、殊にSiGeCまたはSiCから成る半導体層の生成のために使用されなかった。その理由は1つには、低温エピタキシーに対する専門分野で必要とされる、この種装置における僅かな酸素および湿気成分含有量が実現可能とは認められなかったという事実である。他方において、バッチ・リアクタにおける高温エピタキシーでは気相中にデプレッション効果が発生し、このために基板にデポジットされる層の均一性が不十分なものになる。それ故に高温エピタキシー(T≧1000℃)に対してシングル・ウェハ・リアクタが専ら使用されてきた。しかし温度が低い場合には運動学的な効果が優性であり、搬送に規定されるデプレッションは、温度均一性の、層均一性に対する影響と比べて下位の意味を有している。
【0007】
本発明の課題は、半導体技術において通例の大きな半導体基板に薄い、殊に拡散を抑制する薄いエピタキシャル半導体層が工業的な製作に適している、典型的なHBTスタックに対する高いスループットにおいて製造可能であるようにする方法および装置を提供することである。方法および装置は更に、適当な作動温度における均一な温度分布のような必要な技術的な条件並びに必要な低い残留酸素および湿気成分含有量が保証されるべきである。
【0008】
本発明によればこの課題は、まず、半導体基板のコーティング(成膜)すべき表面をそれ自体公知のプロシージャによって湿式化学的におよび/または気相において洗浄することによって解決される。このために例えばPiranha/SC1/SC2/HF-dip/DI-Rins プロシージャ、Piranha/SC1/SC2 プロシージャおよび/またはHF蒸気洗浄プロシージャが適している。
【0009】
引き続いて、洗浄された半導体基板が低圧バッチ・リアクタにおいて後続の工程に比べて高い第1の温度(プリベーク温度)に加熱されかつコーティングすべき表面に対して空気酸化物および別の不純物を除去するために、後続の工程と同じまたはそれより高いリアクタ圧力において水素プリベークが行われる。
【0010】
後続の工程において、このようにして前処理された半導体基板が低圧ホットまたはウォームウォール・バッチ・リアクタにおいて先行する工程より低い第2の温度(デポジットもしくは成長温度)に加熱されかつコーティングすべき表面が熱力学的な平衡状態に達した後、化学的な気相成長法(CVD)において先行する工程と同じ、またはそれより低いリアクタ圧力で薄い、有利には拡散抑制半導体層がデポジットされる。その際CDVプロセスは基板での表面反応によるデポジットがコントロールされ、ひいては低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタにおけるガス搬送が従属的な意味しか持っていないような条件下で行なわれる。これらの条件は殊に僅かな温度および/または低いリアクタ圧力である。
【0011】
水素プリベークは有利には750ないし1100℃の領域にある温度および0.1ないし760Torrの領域にあるガス圧において実施されかつ有利には拡散抑制する半導体層のエピタキシャル成長は有利には450ないし800℃の領域にある温度および0.1ないし100Torrの領域にあるガス圧において実施される。特別有利なプロセスパラメータは従属請求項から明らかである。
【0012】
示された工程および殊に示された工程パラメータを用いて十分均一な薄い層が得られることが分かった。本発明は、層の十分な均一性は薄い層ではまさに扱いにくく、つまり高いスループットおよび高い均一性に対する要求は互いに相反しているという認識に基づいている。ドーパンドのような外部原子の、薄い層への拡散は比較的厚い層の場合よりも大きな意味を有しているので、複数の層を生成し、そのうちの少なくとも1つの薄い層を拡散抑制するものとして形成する方法が賞用される。
【0013】
薄い、拡散抑制層を生成するためにどのような方法を採用するかと言えば、それは有利には次のように行われる:炭素のような電気的に不活性の、拡散抑制元素がエピタキシャル層成長によって相応の半導体層に実質的に置換導入されるようにする。このようにして得られた、有利には置換型炭素の濃度は有利には、1原子%より小さいないし5*1020cm−3より小さい。特別有利な濃度領域は1*1020および5*1020cm−3の間にある。
【0014】
有利にはSiGeCまたはSiをベースとした拡散抑制エピタキシャル半導体層の製造のために炭素源として例えばメチルシランが適している。
【0015】
本発明の方法によって、拡散抑制半導体層のエピタキシャル成長のために、化学的な気相成長のための変形されたホットウォール低圧バッチリアクタ(LPCVDバッチ・リアクタ)を使用して、これを用いて典型的なHBTスタックに対して毎時間当たり約75のウェハまでスループットが高められるようにすることができる。LPCVDバッチ・リアクタを低温エピタキシーのために使用するにあたって重要なのは、水素プリベークの形の先行する高温工程であり、これにより空気酸化物および別の不純物が除去されるのである。続く低温の工程において、拡散抑制半導体層の気相からのエピタキシャル成長が行われる。本発明の解決法は、高温および低温工程がこのために実現されている唯一のLPCVDバッチ・リアクタにおいて実施されるようにしてもよいし、このために2つの別個のバッチ・リアクタを使用するようにしてもよい。後者の場合、2つのバッチ・リアクタは不活性ガスパージ部および/または真空発生部が収容されているトランスファチャンバを介して接続されている。従って存在している条件に応じて、テクノロジー面での損失を甘受することなくスループットを一層高めることが可能である。本発明の方法によって、高すぎる酸素および湿気成分含有量のため並びにデプレッション効果の発生のために生じる可能性がある不都合な影響が回避される。更に、このようにして装置の内部で、リアクタエッチングおよびベークプロセスのような別の高温処理も可能である。
【0016】
方法を実施するために示される装置はその主要コンポーネント、殊に、自動的なハンドリングシステム、抵抗加熱式ホットカセットのクオーツリアクタ、ガス供給部、真空システムなどにおいて今日のLPCVDバッチ・リアクタに相応している。付加的に、収容されているガスパージ部を備えおよび/または収容されている真空システムを備えているトランスファチャンバシステムが必要であり、この場合不活性ガスないし真空形成の維持は有利には(不活性ガス洗浄もしくはパージの場合)低い残留酸素含有量(<20ppm)を有する窒素を使用して可能になる。その際トランスファチャンバは1つの形態においては半導体基板の供給および取り出しのために用いられかつ別の形態では付加的に1つのリアクタから別のリアクタへ半導体基板を移送するために用いられる。従って半導体基板のハンドリングは不活性の雰囲気においておよび/または真空において行われる。全体の装置は本来のデポジットプロセスの実施の他に、750℃ないし1100℃の温度、0.1ないし760Torrの圧力および1ないし200の毎分当たり1ないし200標準リットルの水素流における水素処理に対しても適している。択一選択的に、主システムに収容されている、この機能を果たす第2のリアクタシステムが設けられている。2つのリアクタは不活性ガスパージ部が収容されているおよび/または真空システムが収容されている上で説明したトランスファチャンバシステムを介して接続されている。
【0017】
本発明の特徴は特許請求の範囲の他に、説明および図面からも明らかであり、その際個々の特徴はそれぞれそれ自体でまたはそれぞれを互いに組み合わせた形における保護権のある複数の形態に対して示されている。本発明の実施例は図面に示されておりかつ以下に詳細に説明する。所属の図面において、
図1はトランスファ・チャンバを備えている低圧バッチ・リアクタの略図である。
図2はトランスファ・チャンバによって接続されている2つのリアクタの略図である。
【0018】
例1:
図1には、薄い、殊に拡散抑制半導体層のデポジットのための、化学的な気相成長用低圧バッチ・リアクタが示されている。本発明の装置はこの実施例において、低圧バッチ・リアクタ2を含んでいるメインチャンバ1と、メインチャンバ1に配置されているトランスファチャンバ3と、その間にある、気密封鎖するドア4と、トランスファチャンバ3を装着するための別の気密封鎖するドア4とから成っている。メインチャンバ1は不活性ガスパージおよび/または真空の形成のための装置並びに低圧バッチ・リアクタ2にガスを送入するための装置を有している。この種装置は1つまたは複数のガス源9を有している。これは制御可能な弁8を介してメインチャンバ1に接続されている。更に、真空ポンプ10がメインチャンバ1に接続されている。不活性ガスパージ、ガスの送入並びに真空の生成の制御のために、弁8(そのうちの1つだけが例示されている)および真空ポンプ10は制御装置7に接続されている。本発明によれば、気相から半導体層をデポジットするための低圧リアクタは、殊に1100℃までの高温工程の実施を可能にする従来の装置によって補充される。この実施例において低圧バッチ・リアクタ2は殊に抵抗加熱式ホットカセット(Heizkasette)におけるクオーツリアクタである。相応の加熱部11も制御装置7に接続されている。
【0019】
このために例えば Piranha/SC1/SC2/HF-dip/D1 プロシージャが使用されるのだが、半導体基板の湿式化学技術による前洗浄後ただちに、半導体基板はLPCVD装置の窒素が流れているトランスファチャンバ3に供給される。半導体基板は、トランスファチャンバ3の雰囲気中の酸素および湿気成分の残留含有量が十分低くなるまではここに留まる。基板は搬送容器からリアクタボートに移し替えられて、低圧バッチ・リアクタ2に送り込まれる。。
【0020】
その際低圧バッチ・リアクタ2には例えば400℃のレベルまで下げられた温度が生じている。主として温度、圧力および総雰囲気に関して相異している工程から成るCVDに典型的なシーケンスが続く。
【0021】
安定化フェーズの後、低圧バッチ・リアクタ2は温度および圧力に関してここから続けられる水素プリベークの条件に相応している値(例えば850℃および50Torr)にもってこられる。プリベークは、毎分1および200標準リットルの間、この実施例では毎分約200標準リットルの水素流下でウェハを相応のプリベーク温度に加熱することによってスタートされる。
【0022】
熱力学的な平衡状態を実現するために必要な安定化時間を含めて、温度を第2の低温値、例えば200mTorrで600℃に下げた後、相応のプロセスガスを低圧バッチ・リアクタ2に導入することによって拡散抑制半導体層の本来のデポジットが行われる。有利にはこのために水素と、例えばSiH4ないしSiH2Cl2およびGeH4とから成る混合ガスが使用される。炭素源として有利には、メチルシランが使用される。半導体層はこの実施例においてSiGeおよび/またはSiと、ドープ剤の、Siおよび/またはSiGeへの拡散を著しく抑制する拡散抑制材料として、有利には第4主族または第6主族の電気的に活性ではない元素、この実施例では炭素とを含んでいる。炭素は殊に、ホウ素の、SiGeへの過渡的な増速拡散(transient enhanced diffusin=TED)を著しく抑圧する。酸素または炭素および酸素の組み合わせも拡散抑制材料として適している。
【0023】
個々の層のデポジット間にも、種々異なっているプロセスに規定される温度および圧力交番過程が経過していくようにすることができる。
【0024】
すべてのデポジットプロセスの終了後、低圧バッチ・リアクタ2は再パージされる。温度は下げられかつ低圧バッチ・リアクタ2およびトランスファチャンバ3における圧力は合わせられる。基板の取り出しによってプロセスは終了する。
【0025】
この本発明の方法では、典型的なHBTスタックに対して時間当たり25以上のウェハのスループットが可能である。
【0026】
例2:
図2には本発明のリアクタシステムの変形形態が示されている。2つのメインチャンバ1とメインチャンバ1間に配置されているトランスファチャンバ3とから成っており、その際メインチャンバ1およびトランスファチャンバ3は気密気密封鎖されているドア4によって接続されておりかつトランスファチャンバ3はこの形式のドア4によって装着可能である。トランスファチャンバ3は更に入口のロック室3aを有しており、これを介してトランスファチャンバ3を装着することができる。2つのメインチャンバ1間のトランスファは後にトランスファチャンバ3のトランスファ領域3bにおいて行われる。その場合この領域は気密気密封鎖ドア4によって入口のロック室3aに対してシールされている。更に、低圧バッチ・リアクタ5および低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6が異なったメインチャンバ1に配置されている。メインチャンバ1は不活性ガスパージおよび/または真空生成のための装置並びにガスを低圧バッチ・リアクタ5および低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6に送入するための装置を有している。この装置はガス源9を有している。ガス源は制御可能な弁8を介してそれぞれのメインチャンバ1に接続されている。更にそれぞれに加熱部11と真空ポンプ10が設けられている。制御可能な弁8、真空ポンプ10および加熱部11はそれぞれプロセス制御部7に接続されている。プロセス制御部はここに説明する方法を実施するのに適するように構成されている。本発明によれば、気相から半導体層をデポジットするための低圧リアクタ5は、殊に1100℃までの高温工程の実施を可能にする従来の装置によって補充される。この実施例において低圧バッチ・リアクタ5および/または低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6はそれぞれ殊に抵抗加熱式高温カセットにおけるクオーツリアクタである。
【0027】
水素プリベークおよび拡散抑制半導体層のエピタキシャル成長はこの実施例において図2に示す別個のリアクタにおいて実施される。このために、水素プリベークの終了後、半導体基板は第1の低圧バッチ・リアクタ5から不活性ガスパージが組み込まれているトランスファチャンバ3のトランスファ領域3bを介して第2の低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6に移送される。これにより高められたスループットを実現することができる。2つのバッチ・リアクタ5,6に関してこの動作法では比較的僅かな技術要求しか課せられない。説明してきた本発明の方法に相応して、この場合もトランスファチャンバ3および第2の低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6における環境雰囲気を安定化させるために必要な時間は厳守されるべきである。更に、低圧バッチ・リアクタ5、低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6およびトランスファチャンバ3のトランスファ領域3bでの湿り気成分の分圧は僅かでなければならない。
【0028】
2つの実施例に対して、詳細に示していない制御部7が設けられているが、これはそれぞれの半導体層に対して10および1000nmという前以て決められている層厚が実現されるときにそれぞれのデポジットプロセスを終了する。薄い、拡散抑制半導体層の生成のために、リアクタ2ないし5は更に、ガスを低圧バッチ・リアクタ2または5に送入するための装置8および9並びにこれらに接続されている、前以て決められている量のメチルシランを送入するように構成されている制御装置7を有している。
【0029】
制御装置7は更にリアクタ2または5を真空化するための真空ポンプ10並びに必要なプロセス温度を生成するための加熱部11に接続されている。真空ポンプ10およびガスを送入するための装置8および9を用いて更に制御装置7により所望のプロセス圧力が調整設定可能である。ガスを送入するための装置8および9は例えば、1つまたは複数のガスボンベ9並びに相応の数の制御可能な弁8を有していることができる。
【0030】
この明細書では具体的な実施例に基づいて拡散抑制半導体層を製造するための方法並びにこの方法を実施するための装置について説明してきた。しかし本発明は実施例の説明の詳細に制限されるものではないことを述べておく。特許請求の範囲の枠内での変更および変形も本発明の権利範囲に入るからである。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】トランスファチャンバを備えている低圧バッチ・リアクタの略図
【図2】トランスファチャンバを介して接続されている2つの低圧リアクタの略図
【0001】
本発明は薄い、有利には拡散を抑制するエピタキシャル半導体層の製造方法および装置に関する。
【0002】
高度でしかも鮮鋭に制限されたドーピングが行われる、有利にはSiGeまたはSiから成るエピタキシャル成長される半導体層は、例えば1−ヘテロバイポーラトランジスタ(Heterobipolartransistor=HBT)のような高周波モジュールの製造の際およびCMOS回路においてますます多く使用されるようになっている。このような高ドーピングされた層では後続の工程(プロセスステップ)の間に外部拡散(Ausdiffusion)という問題が生じる。つまり後続の工程では技術的なシーケンス内で温度が高められ、ひいてはこの層の電子的な特性の劣化を伴うからである。このような拡散プロセスを最小限にするために。温度は低減されかつ拡散を抑制する付加的な材料が使用されなければならない。
【0003】
WO98/26457に、電気的に活性でない付加的な材料、有利には第4主族の元素、殊に濃度1018cm−3ないし1021cm−3の炭素を使用することによって、SiGeにホウ素が拡散するのをどうようにして有意に抑えるのかが記載されている。有利にはSiGeCまたはSiCから成る、このようなエピタキシャル拡散抑制層の製造は分子線エピタキシ−(MBE)法および主には化学的気相成長法(CVD)によって行われる。T.I. Kamins, D.J. Meyer, Appl. Phys. Lett., 59,(1991)178;W.B.de Boer, D.J. Meyer, Appl. Phys. Lett. 58, (1991)1286 および B.S.Meyerson, Appl. Phys. Lett. 48,(1986)797 に記載されているように、CVD法と関連してシングル・ウェハおよび超高真空室(Ultra-High-Vacuum=UHV)バッチ処理方式のリアクタ(バッチ・リアクタ)が使用される。シングル・ウェハ・リアクタで不都合だと認められることは、この装置はホットウォール(過熱壁式)リアクタではないこと、すなわちシングル・ウェハリアクタにおいてウェハがビームまたは誘導ホットを用いて非常に迅速に加熱され、その際ウェハもリアクタも熱力学的な平衡状態に達しないということである。
【0004】
Si,SiC,SiGeおよびSiGeC低温エピタキシーの場合の必然的に小さなデポジットレートのために、シングル・ウェハリアクタによっては僅かなスループットしか実現されない。典型的なHBTスタックに対してスループットは例えば約5ウェハ/時間である。それは工業プロセスに対しては経済的に不都合である。
【0005】
これまで公知になっている唯一のバッチ・リアクタは400℃ないし800℃の温度領域で、典型的には600℃で動作するUHVホットウォールリアクタである。この種のホットウォールリアクタにおいてウェハは小さなバッチにおいて熱力学な平衡状態に加熱され、これにより熱均一性は大幅に改善されるが、UHV法と関連した高いコストがスループットに対して不都合に作用する。すなわち、すべての周辺プロセス時間(例えばポンピングおよび洗浄シーケンス、ディスクの処理など)は通例の低圧(LPCVD)装置の場合より著しく長い。それ故に典型的なHBTスタックに対するスループットはこのUHVバッチ・リアクタの場合シングル・ウェハリアクタの領域、すなわち約5ウェハ/時間である。更に、UHVシステムのため、非常に高い温度(1000℃およびそれ以上)を使用することができず、すなわち例えばUHVバッチ・リアクタにおいてエッチングおよびベークプロセスは低い温度でしか行うことができないことは不都合に作用する。UHV装置に対して実現されかつ低温エピタキシーに対して必要と示されている僅かなH2O/O2残留含有量は適当な措置によってUHV装置以外の装置に対しても実現される。
【0006】
低圧(LP)バッチ・リアクタはこれまで、拡散抑制半導体層の生成のために、殊にSiGeCまたはSiCから成る半導体層の生成のために使用されなかった。その理由は1つには、低温エピタキシーに対する専門分野で必要とされる、この種装置における僅かな酸素および湿気成分含有量が実現可能とは認められなかったという事実である。他方において、バッチ・リアクタにおける高温エピタキシーでは気相中にデプレッション効果が発生し、このために基板にデポジットされる層の均一性が不十分なものになる。それ故に高温エピタキシー(T≧1000℃)に対してシングル・ウェハ・リアクタが専ら使用されてきた。しかし温度が低い場合には運動学的な効果が優性であり、搬送に規定されるデプレッションは、温度均一性の、層均一性に対する影響と比べて下位の意味を有している。
【0007】
本発明の課題は、半導体技術において通例の大きな半導体基板に薄い、殊に拡散を抑制する薄いエピタキシャル半導体層が工業的な製作に適している、典型的なHBTスタックに対する高いスループットにおいて製造可能であるようにする方法および装置を提供することである。方法および装置は更に、適当な作動温度における均一な温度分布のような必要な技術的な条件並びに必要な低い残留酸素および湿気成分含有量が保証されるべきである。
【0008】
本発明によればこの課題は、まず、半導体基板のコーティング(成膜)すべき表面をそれ自体公知のプロシージャによって湿式化学的におよび/または気相において洗浄することによって解決される。このために例えばPiranha/SC1/SC2/HF-dip/DI-Rins プロシージャ、Piranha/SC1/SC2 プロシージャおよび/またはHF蒸気洗浄プロシージャが適している。
【0009】
引き続いて、洗浄された半導体基板が低圧バッチ・リアクタにおいて後続の工程に比べて高い第1の温度(プリベーク温度)に加熱されかつコーティングすべき表面に対して空気酸化物および別の不純物を除去するために、後続の工程と同じまたはそれより高いリアクタ圧力において水素プリベークが行われる。
【0010】
後続の工程において、このようにして前処理された半導体基板が低圧ホットまたはウォームウォール・バッチ・リアクタにおいて先行する工程より低い第2の温度(デポジットもしくは成長温度)に加熱されかつコーティングすべき表面が熱力学的な平衡状態に達した後、化学的な気相成長法(CVD)において先行する工程と同じ、またはそれより低いリアクタ圧力で薄い、有利には拡散抑制半導体層がデポジットされる。その際CDVプロセスは基板での表面反応によるデポジットがコントロールされ、ひいては低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタにおけるガス搬送が従属的な意味しか持っていないような条件下で行なわれる。これらの条件は殊に僅かな温度および/または低いリアクタ圧力である。
【0011】
水素プリベークは有利には750ないし1100℃の領域にある温度および0.1ないし760Torrの領域にあるガス圧において実施されかつ有利には拡散抑制する半導体層のエピタキシャル成長は有利には450ないし800℃の領域にある温度および0.1ないし100Torrの領域にあるガス圧において実施される。特別有利なプロセスパラメータは従属請求項から明らかである。
【0012】
示された工程および殊に示された工程パラメータを用いて十分均一な薄い層が得られることが分かった。本発明は、層の十分な均一性は薄い層ではまさに扱いにくく、つまり高いスループットおよび高い均一性に対する要求は互いに相反しているという認識に基づいている。ドーパンドのような外部原子の、薄い層への拡散は比較的厚い層の場合よりも大きな意味を有しているので、複数の層を生成し、そのうちの少なくとも1つの薄い層を拡散抑制するものとして形成する方法が賞用される。
【0013】
薄い、拡散抑制層を生成するためにどのような方法を採用するかと言えば、それは有利には次のように行われる:炭素のような電気的に不活性の、拡散抑制元素がエピタキシャル層成長によって相応の半導体層に実質的に置換導入されるようにする。このようにして得られた、有利には置換型炭素の濃度は有利には、1原子%より小さいないし5*1020cm−3より小さい。特別有利な濃度領域は1*1020および5*1020cm−3の間にある。
【0014】
有利にはSiGeCまたはSiをベースとした拡散抑制エピタキシャル半導体層の製造のために炭素源として例えばメチルシランが適している。
【0015】
本発明の方法によって、拡散抑制半導体層のエピタキシャル成長のために、化学的な気相成長のための変形されたホットウォール低圧バッチリアクタ(LPCVDバッチ・リアクタ)を使用して、これを用いて典型的なHBTスタックに対して毎時間当たり約75のウェハまでスループットが高められるようにすることができる。LPCVDバッチ・リアクタを低温エピタキシーのために使用するにあたって重要なのは、水素プリベークの形の先行する高温工程であり、これにより空気酸化物および別の不純物が除去されるのである。続く低温の工程において、拡散抑制半導体層の気相からのエピタキシャル成長が行われる。本発明の解決法は、高温および低温工程がこのために実現されている唯一のLPCVDバッチ・リアクタにおいて実施されるようにしてもよいし、このために2つの別個のバッチ・リアクタを使用するようにしてもよい。後者の場合、2つのバッチ・リアクタは不活性ガスパージ部および/または真空発生部が収容されているトランスファチャンバを介して接続されている。従って存在している条件に応じて、テクノロジー面での損失を甘受することなくスループットを一層高めることが可能である。本発明の方法によって、高すぎる酸素および湿気成分含有量のため並びにデプレッション効果の発生のために生じる可能性がある不都合な影響が回避される。更に、このようにして装置の内部で、リアクタエッチングおよびベークプロセスのような別の高温処理も可能である。
【0016】
方法を実施するために示される装置はその主要コンポーネント、殊に、自動的なハンドリングシステム、抵抗加熱式ホットカセットのクオーツリアクタ、ガス供給部、真空システムなどにおいて今日のLPCVDバッチ・リアクタに相応している。付加的に、収容されているガスパージ部を備えおよび/または収容されている真空システムを備えているトランスファチャンバシステムが必要であり、この場合不活性ガスないし真空形成の維持は有利には(不活性ガス洗浄もしくはパージの場合)低い残留酸素含有量(<20ppm)を有する窒素を使用して可能になる。その際トランスファチャンバは1つの形態においては半導体基板の供給および取り出しのために用いられかつ別の形態では付加的に1つのリアクタから別のリアクタへ半導体基板を移送するために用いられる。従って半導体基板のハンドリングは不活性の雰囲気においておよび/または真空において行われる。全体の装置は本来のデポジットプロセスの実施の他に、750℃ないし1100℃の温度、0.1ないし760Torrの圧力および1ないし200の毎分当たり1ないし200標準リットルの水素流における水素処理に対しても適している。択一選択的に、主システムに収容されている、この機能を果たす第2のリアクタシステムが設けられている。2つのリアクタは不活性ガスパージ部が収容されているおよび/または真空システムが収容されている上で説明したトランスファチャンバシステムを介して接続されている。
【0017】
本発明の特徴は特許請求の範囲の他に、説明および図面からも明らかであり、その際個々の特徴はそれぞれそれ自体でまたはそれぞれを互いに組み合わせた形における保護権のある複数の形態に対して示されている。本発明の実施例は図面に示されておりかつ以下に詳細に説明する。所属の図面において、
図1はトランスファ・チャンバを備えている低圧バッチ・リアクタの略図である。
図2はトランスファ・チャンバによって接続されている2つのリアクタの略図である。
【0018】
例1:
図1には、薄い、殊に拡散抑制半導体層のデポジットのための、化学的な気相成長用低圧バッチ・リアクタが示されている。本発明の装置はこの実施例において、低圧バッチ・リアクタ2を含んでいるメインチャンバ1と、メインチャンバ1に配置されているトランスファチャンバ3と、その間にある、気密封鎖するドア4と、トランスファチャンバ3を装着するための別の気密封鎖するドア4とから成っている。メインチャンバ1は不活性ガスパージおよび/または真空の形成のための装置並びに低圧バッチ・リアクタ2にガスを送入するための装置を有している。この種装置は1つまたは複数のガス源9を有している。これは制御可能な弁8を介してメインチャンバ1に接続されている。更に、真空ポンプ10がメインチャンバ1に接続されている。不活性ガスパージ、ガスの送入並びに真空の生成の制御のために、弁8(そのうちの1つだけが例示されている)および真空ポンプ10は制御装置7に接続されている。本発明によれば、気相から半導体層をデポジットするための低圧リアクタは、殊に1100℃までの高温工程の実施を可能にする従来の装置によって補充される。この実施例において低圧バッチ・リアクタ2は殊に抵抗加熱式ホットカセット(Heizkasette)におけるクオーツリアクタである。相応の加熱部11も制御装置7に接続されている。
【0019】
このために例えば Piranha/SC1/SC2/HF-dip/D1 プロシージャが使用されるのだが、半導体基板の湿式化学技術による前洗浄後ただちに、半導体基板はLPCVD装置の窒素が流れているトランスファチャンバ3に供給される。半導体基板は、トランスファチャンバ3の雰囲気中の酸素および湿気成分の残留含有量が十分低くなるまではここに留まる。基板は搬送容器からリアクタボートに移し替えられて、低圧バッチ・リアクタ2に送り込まれる。。
【0020】
その際低圧バッチ・リアクタ2には例えば400℃のレベルまで下げられた温度が生じている。主として温度、圧力および総雰囲気に関して相異している工程から成るCVDに典型的なシーケンスが続く。
【0021】
安定化フェーズの後、低圧バッチ・リアクタ2は温度および圧力に関してここから続けられる水素プリベークの条件に相応している値(例えば850℃および50Torr)にもってこられる。プリベークは、毎分1および200標準リットルの間、この実施例では毎分約200標準リットルの水素流下でウェハを相応のプリベーク温度に加熱することによってスタートされる。
【0022】
熱力学的な平衡状態を実現するために必要な安定化時間を含めて、温度を第2の低温値、例えば200mTorrで600℃に下げた後、相応のプロセスガスを低圧バッチ・リアクタ2に導入することによって拡散抑制半導体層の本来のデポジットが行われる。有利にはこのために水素と、例えばSiH4ないしSiH2Cl2およびGeH4とから成る混合ガスが使用される。炭素源として有利には、メチルシランが使用される。半導体層はこの実施例においてSiGeおよび/またはSiと、ドープ剤の、Siおよび/またはSiGeへの拡散を著しく抑制する拡散抑制材料として、有利には第4主族または第6主族の電気的に活性ではない元素、この実施例では炭素とを含んでいる。炭素は殊に、ホウ素の、SiGeへの過渡的な増速拡散(transient enhanced diffusin=TED)を著しく抑圧する。酸素または炭素および酸素の組み合わせも拡散抑制材料として適している。
【0023】
個々の層のデポジット間にも、種々異なっているプロセスに規定される温度および圧力交番過程が経過していくようにすることができる。
【0024】
すべてのデポジットプロセスの終了後、低圧バッチ・リアクタ2は再パージされる。温度は下げられかつ低圧バッチ・リアクタ2およびトランスファチャンバ3における圧力は合わせられる。基板の取り出しによってプロセスは終了する。
【0025】
この本発明の方法では、典型的なHBTスタックに対して時間当たり25以上のウェハのスループットが可能である。
【0026】
例2:
図2には本発明のリアクタシステムの変形形態が示されている。2つのメインチャンバ1とメインチャンバ1間に配置されているトランスファチャンバ3とから成っており、その際メインチャンバ1およびトランスファチャンバ3は気密気密封鎖されているドア4によって接続されておりかつトランスファチャンバ3はこの形式のドア4によって装着可能である。トランスファチャンバ3は更に入口のロック室3aを有しており、これを介してトランスファチャンバ3を装着することができる。2つのメインチャンバ1間のトランスファは後にトランスファチャンバ3のトランスファ領域3bにおいて行われる。その場合この領域は気密気密封鎖ドア4によって入口のロック室3aに対してシールされている。更に、低圧バッチ・リアクタ5および低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6が異なったメインチャンバ1に配置されている。メインチャンバ1は不活性ガスパージおよび/または真空生成のための装置並びにガスを低圧バッチ・リアクタ5および低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6に送入するための装置を有している。この装置はガス源9を有している。ガス源は制御可能な弁8を介してそれぞれのメインチャンバ1に接続されている。更にそれぞれに加熱部11と真空ポンプ10が設けられている。制御可能な弁8、真空ポンプ10および加熱部11はそれぞれプロセス制御部7に接続されている。プロセス制御部はここに説明する方法を実施するのに適するように構成されている。本発明によれば、気相から半導体層をデポジットするための低圧リアクタ5は、殊に1100℃までの高温工程の実施を可能にする従来の装置によって補充される。この実施例において低圧バッチ・リアクタ5および/または低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6はそれぞれ殊に抵抗加熱式高温カセットにおけるクオーツリアクタである。
【0027】
水素プリベークおよび拡散抑制半導体層のエピタキシャル成長はこの実施例において図2に示す別個のリアクタにおいて実施される。このために、水素プリベークの終了後、半導体基板は第1の低圧バッチ・リアクタ5から不活性ガスパージが組み込まれているトランスファチャンバ3のトランスファ領域3bを介して第2の低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6に移送される。これにより高められたスループットを実現することができる。2つのバッチ・リアクタ5,6に関してこの動作法では比較的僅かな技術要求しか課せられない。説明してきた本発明の方法に相応して、この場合もトランスファチャンバ3および第2の低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6における環境雰囲気を安定化させるために必要な時間は厳守されるべきである。更に、低圧バッチ・リアクタ5、低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ6およびトランスファチャンバ3のトランスファ領域3bでの湿り気成分の分圧は僅かでなければならない。
【0028】
2つの実施例に対して、詳細に示していない制御部7が設けられているが、これはそれぞれの半導体層に対して10および1000nmという前以て決められている層厚が実現されるときにそれぞれのデポジットプロセスを終了する。薄い、拡散抑制半導体層の生成のために、リアクタ2ないし5は更に、ガスを低圧バッチ・リアクタ2または5に送入するための装置8および9並びにこれらに接続されている、前以て決められている量のメチルシランを送入するように構成されている制御装置7を有している。
【0029】
制御装置7は更にリアクタ2または5を真空化するための真空ポンプ10並びに必要なプロセス温度を生成するための加熱部11に接続されている。真空ポンプ10およびガスを送入するための装置8および9を用いて更に制御装置7により所望のプロセス圧力が調整設定可能である。ガスを送入するための装置8および9は例えば、1つまたは複数のガスボンベ9並びに相応の数の制御可能な弁8を有していることができる。
【0030】
この明細書では具体的な実施例に基づいて拡散抑制半導体層を製造するための方法並びにこの方法を実施するための装置について説明してきた。しかし本発明は実施例の説明の詳細に制限されるものではないことを述べておく。特許請求の範囲の枠内での変更および変形も本発明の権利範囲に入るからである。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】トランスファチャンバを備えている低圧バッチ・リアクタの略図
【図2】トランスファチャンバを介して接続されている2つの低圧リアクタの略図
Claims (27)
- 有利にはSiGeCまたはSiGのベースに、薄い、有利には拡散抑制エピタキシャル半導体層を製造するための方法において、
a) 少なくとも150mmの直径を有する有利には75個より多くの数の基板を低圧バッチ・リアクタ(2,5)において同時に処理するために用意し、
b) 半導体基板のコーティングすべき表面を湿式化学的におよび/または気相中で洗浄し、
c) 洗浄された半導体基板を低圧バッチ・リアクタ(2,5)において後続の工程に比べて高い第1の温度(プリベーク温度)に加熱しかつ
コーティングすべき表面に対して空気酸化物および別の不純物を除去するために、後続の工程と同じまたはそれより高いリアクタ圧力において水素プリベークを行い、
d) このようにして前処理された半導体基板を低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ(2,6)において先行する工程より低い第2の温度(デポジット温度)に加熱しかつ
コーティングすべき表面が熱力学的な平衡状態に達した後、化学的な気相成長法(CVD)において先行する工程と同じ、またはそれより低いリアクタ圧力で半導体層をデポジットしかつ
e) CVDプロセスを、基板での表面反応によるデポジットがコントロールされ、ひいては低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ(2,6)におけるガス搬送が下位の意味を有しているような条件下で行い、
f) ここで半導体層のデポジットは、薄いエピタキシャル半導体層が10nmと1000nmとの間の前以て決められている厚さに達したときに該薄いエピタキシャル半導体層のデポジットが終了するように制御される
ことを特徴とする方法。 - プロセス全体内で、同じまたは異なった材料から成る複数の半導体層を基板に順次デポジットし、ここでそれぞれの半導体層は請求項1記載の工程に従って生成される
請求項1記載の方法。 - 製造される半導体層の少なくとも1つは、該半導体層または別の層での外部原子の拡散を抑制する拡散抑制半導体層である
請求項1および2記載の方法。 - 薄い、拡散抑制層に、Siおよび/またはSiGeにおけるドープ剤の拡散を著しく抑圧する拡散抑制材料を供給しかつ
拡散抑制材料として、電気的に活性ではなくかつ有利には第4または第6主族の元素である材料を使用する
請求項3記載の方法。 - 拡散抑制材料は炭素である
請求項4記載の方法。 - 拡散を抑制する炭素を請求項1の工程d)に従って気相成長させかつ
炭素源として有利にはメチルシランを使用する
請求項5記載の方法。 - 拡散抑制材料は酸素である
請求項4記載の方法。 - CVDプロセスを行う条件は僅かな温度および/または低いリアクタ圧力である
請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。 - 半導体層中の拡散を抑制する元素が1*1020および5*1020cm−3の間の濃度に置換存在するようにするプロセスを導入する
請求項3から8までのいずれか1項記載の方法。 - 水素プリベークおよび薄い半導体層のエピタキシャル成長を同一の低圧バッチ・リアクタ(2)で実施する
請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。 - 水素プリベークを高温プロセスに対する第1の低圧バッチ・リアクタ(5)において実施しかつ薄い半導体層のエピタキシャル成長を低温プロセスに対する第2の低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ(6)において実施しかつ
半導体基板の、第1の低圧バッチ・リアクタ(5)から第2の低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ(6)への移送を不活性雰囲気および/または真空において行う
請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。 - 水素プリベークを750ないし1100℃の領域にある温度および0.1ないし760Torrの領域にあるガス圧において実施しかつ
拡散抑制半導体層のエピタキシャル成長を450ないし800℃の領域にある温度および0.1ないし100Torrの領域にあるガス圧において実施する
請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。 - 水素プリベークを900ないし1000℃の領域にある温度、有利には940および970℃の間の温度において実施する
請求項12記載の方法。 - 水素プリベークを0.5ないし1Torr、有利には0.8ないし0.9Torrの領域にあるガス圧において実施する
請求項12または13記載の方法。 - 拡散抑制半導体層のエピタキシャル成長を600ないし700℃の領域、有利には620および670℃の間にある温度および0.3ないし1Torrの領域、有利には0.45および0.85Torrの間にあるガス圧において実施する
請求項12から14までのいずれか1項記載の方法。 - CVDプロセスにおいて水素ベースの混合ガスとして、SiH4ないしSiH2Cl2およびGeH4を使用する
請求項1から15までのいずれか1項記載の方法。 - 水素プリベークを1ないし200標準リットル/分のガス流において実施する
請求項1から16までのいずれか1項記載の方法。 - コーティングすべき表面の湿式化学的な洗浄を Piranha/SC1/SC2/HF-dip/DI-Rins プロシージャに従っておよび/またはPiranha/SC1/SC2 プロシージャに従って実施する
請求項1から17までのいずれか1項記載の方法。 - コーティングすべき表面の湿式化学的な洗浄をHF蒸気洗浄(HF-Vapor-Clean)プロシージャに従って実施する
請求項1から17までのいずれか1項記載の方法。 - 半導体層はSiGeおよび/またはSiを含んでいる
請求項1から19までのいずれか1項記載の方法。 - 請求項1から20までのいずれか1項記載の方法を実施するための装置において、
低圧バッチ・リアクタ(2)を含んでいるメインチャンバ(1)と、該メインチャンバ(1)に配置されているトランスファチャンバ(3)と、その間に位置している気密封鎖ドア(4)と、該トランスファチャンバ(3)を装着するための別の気密封鎖ドア(4)とを備えて成る
ことを特徴とする装置。 - メインチャンバ(1)は不活性ガスパージおよび/または真空を生成するための装置並びにガスを低圧バッチ・リアクタ(2)に送入するための装置を有している
請求項21記載の装置。 - 低圧バッチ・リアクタ(2)は例えば抵抗ホット式の加熱カセットにおけるクオーツリアクタである
請求項21または22記載の装置。 - 請求項1から20までのいずれか1項記載の方法を実施するための装置において、
2つのメインチャンバ(1)および該メインチャンバ(1)間に配置されているトランスファチャンバ(3)を備えており、ここで
メインチャンバ(1)およびトランスファチャンバ(3)は気密封鎖ドア(4)によって接続されておりかつトランスファチャンバ(3)はこの形式のドア(4)によって装着できるようになっており、かつ
低圧バッチ・リアクタ(5)および低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ(6)は異なっているメインチャンバ(1)に配置されている
ことを特徴とする装置。 - メインチャンバ(1)は不活性ガスパージおよび/または真空を生成するための装置並びにガスを低圧バッチ・リアクタ(5)および低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ(6)に送入するための装置を有している
請求項24記載の装置。 - 低圧バッチ・リアクタ(5)および/または低圧ホットまたはウォームウォールバッチ・リアクタ(6)はそれぞえ例えば抵抗ホット式の加熱カセットにおけるクオーツリアクタである
請求項24または25記載の装置。 - ガスを送入するための装置は、気相のメチルシラン源に対するポートを有しておりかつ該装置は制御装置によって制御され、該制御装置は、薄い、拡散抑制エピタキシャル半導体層の生成が、該半導体層が1*1018cm−3および1*1021cm−3の間、有利には1*1020cm−3および5*1020cm−3の間にある拡散抑制元素、有利には炭素の濃度を有しているように行われる
請求項22または25記載の装置。
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