Beschreibung
Vorrichtung zum Herstellen und Bearbeiten von Halbleitersub- straten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen und Bearbeiten von wenigstens einem Halbleitersubstrat bei einer hohen Temperatur mit einem Suszeptor, auf dem das wenigstens eine Halbleitersubstrat aufliegt, so daß ein guter Warmekon- takt zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Suszeptor besteht. Dabei beinhaltet das Bearbeiten insbesondere das Beschichten von Substraten. Außerdem betrifft die Erfindung auch die Verwendung der Vorrichtung.
Die SiC-Epitaxie wird üblicherweise bei einer hohen Temperatur, d.h. bei Temperaturen von ber 1300°C durchgeführt. Um hohe Wachstumsgeschwindigkeiten mit mehr als 4 μm/h zu erreichen, wird die Epitaxie auch bei Temperaturen von mehr als 1450°C durchgeführt. Die Prozeßatmosphare besteht dabei uber- wiegend aus Wasserstoff mit Beimengungen von Silizium- und Kohlenstoff-haltigen Gasen wie Silan und Propan. Bei diesen Prozeßbedingungen ist die Auswahl der sich im heißen Bereich des Reaktors befindlichen Materialien ein Schlüssel zur Herstellung von SiC-Schichten mit ausreichender Reinheit, d.h. mit einem Anteil an Verunreinigungen, der unterhalb von 1015 cm"3 liegt. Bei allen Materialien, die im Stand der Technik bei hohen Temperaturen eingesetzt werden (z.B. Graphit, Mo, W, Ta, Nb) , kommt es bei diesen Temperaturen zu einem Ausgasen (Ausdiffusion) von Verunreinigungen wie Aluminium, Bor und Titan. Bei Graphit, das als klassischer Hochtemperaturwerkstoff verwendet wird, kommt es neben der Ausgasung von Aluminium, Bor und Titan außerdem zu Reaktionen mit der Wasserstoffatmosphare unter Bildung von Kohlenwasserstoffverbindungen, so daß m kaum kontrollierbarer Weise die Kohlen- stoffkonzentration m der Prozeßatmosphare und somit auch die Wachstumsbedingungen für die Epitaxieschicht verändert werden. Die freigesetzten Verunreinigungen aus dem Graphit oder
den eingesetzten Metallen werden in die Epitaxieschicht ein¬ gebaut und verändern ebenfalls in unkontrollierbarer Weise deren elektrische Eigenschaften. Damit werden diese Schichten häufig für die Herstellung von Bauelementen unbrauchbar oder führen zu einer sehr geringen Ausbeute.
Bei der Herstellung und Bearbeitung von SiC-Epitaxieschichten werden SiC-Substrate auf einem Suszeptor positioniert und dann in einem Reaktor bei hohen Temperaturen beschichtet, ge- ätzt und ggfs. nach Implantation ausgeheilt etc.. Eine derartige Vorrichtung zur Herstellung von hochreinen bzw. gezielt dotierten epitaxialen SiC-Schichten wird in US 5, 119, 540 beschrieben. Die hohe Reinheit der epitaxialen Schichten wird dadurch erreicht, daß die Konzentration von Rest-Stickstoff in der Umgebung des Substrats bei dem CVD-Verfahren reduziert wird. Dazu werden bei der genannten Vorrichtung Unterlagen für die Substrate oder Wafer verwendet, die aus reinem SiC gefertigt sind, d.h. es werden reine SiC-Suszeptoren verwendet.
Der Nachteil von Suszeptoren aus reinem SiC ist jedoch, daß bei niedrigen Temperaturen ihre Ankopplung an eine HF-Heizung sehr schlecht ist. Ferner kommt es bei der Verwendung von SiC-Suszeptoren zu einer unerwünschten Aufwachsung von SiC auf der Rückseite der Substrate, d.h. an der Auflagestelle des Substrats auf dem Suszeptor. Außerdem ist die Herstellung der SiC-Suszeptoren sehr aufwendig und teuer.
In WO 96/23913 AI wird ein Verfahren zum Schützen eines Sus- zeptors beschrieben, mit dem dessen Haltbarkeit unter den Bedingungen eines Epitaxieprozesses für SiC oder III-V-Nitraten verlängert wird. Dazu wird eine Platte auf dem Suszeptor angeordnet, die aus SiC oder einer Legierung aus SiC und dem Material, das aufgewachsen wird, besteht, auf der das Sub- strat positioniert wird. Da jedoch die Platte wenigstens teilweise aus SiC besteht, entstehen auch in diesem Fall auf
der Ruckseite des Substrats unerwünschte Aufwachsungen aus SiC.
Im Stand der Technik werden außerdem Unterlagen für die Sub- strate, Suszeptoren und weitere Teile verwendet, die aus Graphit bestehen und mit SiC beschichtet sind. Um Rißbildung bzw. das Abplatzen der SiC-Schicht vom Graphit zu verhindern, kann die Dicke der Schicht aber höchstens etwa 100 μm betragen. Dadurch wird die Haltbarkeit der Unterlagen und Teile begrenzt, da die SiC-Schicht im Prozeß durch thermisch getriebene Transportprozesse m der Regel an einigen Stellen immer dunner wird und schließlich ganz verschwindet. Auch treten häufig Risse m der Beschichtung auf. Ein weiterer Nachteil ist auch bei den mit SiC beschichteten Graphitteilen die unerwünschte Aufwachsung auf der Auflageflache des Substrats .
Des weiteren ist aus JP 02-212394 A ein Suszeptor bekannt, der aus einem Suszeptor-Kern und einem daran befestigten Wafer-Emsatz besteht. Der Kern wird hergestellt, indem eine Beschichtung auf einem Graphit-Substrat mittels CVD erzeugt wird und die Oberflache des Kerns poliert wird. Der Wafer- Emsatz wird aus Siliciumcarbid, Siliciumnitπd, Siliciu oder Quarz hergestellt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleitersubstraten zu schaffen, die beim Herstellungsprozeß eine vorgegebene Zusammensetzung einer Prozeßatmosphare nicht beeinträchtigt, nicht zu einer Kontamination der aufzuwachsenden Epitaxieschicht beitragt, die Ruckseite des Substrats nicht verändert und kosteng nstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelost. Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspruche .
Die Lösung der obigen Aufgabe beruht im wesentlichen darauf, die Unterlage des Substrats in der Umgebung des Substrats möglichst vollständig mit einer SiC-Abdeckung zu belegen. Durch die SiC-Abdeckung wird verhindert, daß aus dem Suszep- tor freigesetzte Verunreinigungen in die Atmosphäre im Prozeßraum gelangen und damit z.B. in die Epitaxieschicht auf einem Substrat eingebaut werden können. Um die Abdeckung effizienter zu machen, wird der Abstand zwischen dem Substrat und der umgebenden SiC-Abdeckung möglichst klein gehalten. Die Abdeckung kann aus mehreren einzelnen SiC-Abdeckplatten zusammengesetzt werden, um z.B. die Herstellungskosten zu reduzieren und Bruchgefahr durch thermischen Streß zu vermindern. In diesem Fall wird der Abstand sowohl zwischen den einzelnen Abdeckplatten und dem Substrat als auch zwischen den Abdeckplatten untereinander möglichst gering gehalten.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen und Bearbeiten von wenigstens einem Halbleitersubstrat bei einer hohen Temperatur mit einem Suszeptor, auf dem das wenigstens eine Halbleitersubstrat aufliegt, so daß ein guter Wärmekontakt zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Suszeptor besteht, ist auf der Oberfläche des Suszeptors eine Abdeckung vorgesehen, die eine Aussparung für das Halbleitersubstrat aufweist, so daß die Oberfläche des Suszeptors zumindest im Prozeßgasstrom vor dem Substrat im wesentlichen vollständig durch die Abdeckung und das Halbleitersubstrat bedeckt ist.
Die Abdeckung umfaßt vorzugsweise mehrere Abdeckplatten, die untereinander und von dem Halbleitersubstrat einen Abstand von weniger als 0,5 mm haben. Dadurch wird erreicht, daß durch die Zwischenräume zwischen den Abdeckplatten möglichst wenig kontaminierende Stoffe ausgasen und dadurch die Reinheit der aufwachsenden Halbleiterschicht beeinträchtigen können. Insbesondere besteht die Abdeckung aus polykristallinem SiC. Damit erzielt man eine im wesentlichen einheitliche
Oberfläche in dem Reaktor, die überall gleiche optische Eigenschaften hat, was z.B. für pyrometrische Kontrollmessungen
von Vorteil ist. Die Abdeckung kann aber ebenso gut aus den Metallcarbiden Molybdäncarbid MoC, Tantalcarbid TaC, Wolfram- carbid WC, Niobcarbid NbC bestehen.
Damit eine gute Wärmeleitung zwischen Abdeckung und Suszeptor erreicht und eine Reaktion mit der Wasserstoffatmosphäre erschwert wird, liegt die Abdeckung vorzugsweise unmittelbar auf dem Suszeptor auf.
Die Vorrichtung wird insbesondere zur Herstellung und Bearbeitung einer Halbleiterschicht oder eines Halbleitersubstrats aus SiC verwendet.
Ein Vorteil besteht darin, daß das Substrat direkt auf dem Suszeptor liegt und nicht nur mittelbar über eine SiC-Abdeckung bzw. eine Zwischenschicht aufgeheizt wird. Damit gibt es keine unerwünschten Aufwachsungen auf der Rückseite des Substrats. Außerdem sind dadurch auch die thermischen Randbedingungen der Umgebung des Substrats die gleichen wie für das Substrat selbst, insbesondere bei einem Substrat aus SiC: In beiden Fällen wird die Wärme von der Unterlage, d.h. von dem Suszeptor durch Strahlung mit im wesentlichen derselben Wärmekopplung auf die SiC-Abdeckung und das SiC-Substrat übertragen. Dies macht die Temperaturverteilung auf dem Substrat und in seiner unmittelbaren Umgebung homogener.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung im Querschnitt.
Figur 2 zeigt eine zweites Ausführungsbeispiel der Vorrich- tung im Querschnitt.
Figur 3A zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung für mehrere Halbleitersubstrate in Draufsicht.
Figur 3B zeigt das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Figur 3A im Querschnitt.
Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein horizontaler Reaktor, bei dem in einem (nicht dargestellten) horizontalen Quarzrohr ein Suszeptor 1 angeordnet ist, der ins- besondere aus Metall oder Graphit besteht. Auf dem Suszeptor
1 ist ein zu bearbeitendes Halbleitersubstrat 2 angeordnet. Das Halbleitersubstrat 2 liegt mit einer Oberfläche vollständig auf dem Suszeptor 1 auf, so daß ein guter Wärmekontakt zwischen Suszeptor 1 und dem Substrat 2 besteht. Dadurch wird erreicht, daß über den Suszeptor 1 dem Halbleitersubstrat 2 Wärme zugeführt wird, so daß die gewünschten Reaktionen an der frei liegenden Oberfläche des Substrats 2 stattfinden können. Die gewünschten Reaktionen werden insbesondere mit Gasabscheideverfahren wie CVD eingeleitet. Dabei werden aus- gewählte Prozeßgase über das oder die aufgeheizten Substrate
2 geleitet, auf denen eine gewünschte Schicht abgeschieden werden soll. Das den Suszeptor 1 anströmende Prozeßgas ist in Figur 1 mit 3 bezeichnet, und seine Flußrichtung ist durch mehrere parallele Pfeile angedeutet. Das Prozeßgas 3 ist in seiner Zusammensetzung von der beabsichtigten Bearbeitung des Halbleitersubstrats 2 abhängig. Auf der heißen Substratoberfläche kommt es zu der Reaktion der Prozeßgase, wobei die Temperatur je nach Prozeßgas in einem Bereich zwischen einigen hundert und bis zu 1600°C liegt. Die Reaktionsprodukte ergeben die gewünschte Schicht auf der Oberfläche des Substrats 2, Restgase werden aus dem Reaktor abgesaugt.
In der dargestellten Ausfuhrungsform ist der Suszeptor 1 an der Seite, auf der das Substrat 2 angeordnet ist, abge- schrägt. Durch die Neigung des Substrats wird eine gezielt eingestellte Strömung der Prozeßgase 3 über der Oberfläche
des jeweiligen Substrats 2 erreicht, so daß die Abscheidungen auf der Substratoberfläche gleichmäßig erfolgen.
Der Suszeptor 1 ist zur Abschirmung der Raumatmosphäre von den Prozeßgasen 3 vorzugsweise in einem (nicht dargestellten) Rohr angeordnet. Der Suszeptor 1 wird in der in der Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsform des Reaktors induktiv beheizt. Dazu ist eine das Rohr umgebenden Spule 4 vorgesehen, die mit einer HF-Spannung gespeist wird. Der Suszeptor 1 besteht aus einem Metall, wie Molybdän oder Wolfram, oder aus Graphit.
Weitere Materialien, aus denen der Suszeptor hergestellt sein kann, sind Materialien, die mit dem Substrat chemisch kaum reagieren, wie neben Molybdän und Wolfram auch Tantal oder Niob. Mit anderen Worten, bei diesen Materialien kommt es nur noch zu sehr reduziertem Abtrag auf der Rückseite des Substrats 2 aus SiC durch Bildung von Metallcarbiden und - siliziden mit dem Suszeptor 1. Insbesondere kann der Suszeptor 1 auch aus einer Legierung der genannten Metalle bestehen. Ferner kann der Suszeptor auch aus Graphit hergestellt sein.
Wie oben erläutert, muß der Wärmekontakt zwischen dem Suszeptor 1 und dem Substrat 2 gut sein, damit die für die gewünschten Reaktionen an der Oberfläche des Substrats 2 erfor- derlichen Temperaturen erreicht werden.
Durch das Aufheizen des Suszeptors 1 auf hohe Temperaturen im Bereich von bis zu 1600°C gast das Material des Suszeptors 1 aus. Die freigesetzten Gase können zu einer erheblichen uner- wünschten Verunreinigung der Halbleitersubstrate 2 führen. Um eine solche Verunreinigung zu verhindern, wird auf den heißen Flächen des Suszeptors 1 eine Abdeckung 5 angeordnet. Die Abdeckung 5 besteht vorzugsweise aus SiC oder hochtemperaturfe- sten Metallcarbiden. Sie weist eine Aussparung 6 auf, die so groß ist, daß sie das zu epitaxierende Substrat 2 aufnehmen kann.
Der Abstand der Abdeckung 5 von dem zu bearbeitenden Substrat 2 wird möglichst gering gehalten, damit aus den Fugen zwischen der Abdeckung 5 und dem Substrat 2 wenig Gas austreten kann, das von dem Suszeptor 1 austritt. In der Praxis hat sich ein Abstand von höchstens 0,5 mm zwischen der Abdeckung 5 und dem Substrat 2 als gunstig erwiesen.
Insbesondere umfaßt die Abdeckung 5 mehrere Platten 7, die vorzugsweise aus SiC bestehen. Durch die Aufteilung der Ab- deckung 5 m einzelne Platten 7 ist es möglich, flexibel die Abdeckung 5 an die Geometrie des Suszeptors 1 anzupassen, ohne für jede Form des Suszeptors 1 eine spezielle Abdeckung 5 anfertigen zu müssen. Damit lassen sich u.a. die Herstellungskosten reduzieren und die Bruchgefahr durch thermischen Streß vermindern. So kann z.B. trotz Stufen und Kanten 9 des Suszeptors 1 wie m Figur 1 die Umgebung des Substrats 2 nahezu vollständig abgedeckt werden.
Ein zweites Ausfuhrungsbeispiel der Vorrichtung ist m Figur 2 dargestellt. Der Suszeptor 1 ist m dieser Anordnung als
Platte ausgeführt und um seinen Mittelpunkt drehbar auf einer (nicht dargestellten) Achse gelagert. Damit kann der Suszeptor 1 bei der Bearbeitung des Substrats 2 gedreht werden, wodurch eine ungleichmäßige Zufuhr von Prozeßgasen 3 oder un- gleichmäßige Beheizung über einen längeren Zeitraum durch Mittelung vermieden wird. Die von den Prozeßgasen 3 angeströmte Seite des Suszeptors 1 ist von einer SiC-Abdeckung 5 mit einer Aussparung 6 für ein Substrat 2 abgedeckt. Dabei sind die Aussparung 6 und das Substrat 2 darin vorzugsweise so auf dem Suszeptor 1 angeordnet, daß das Zentrum der Aussparung 6 mit der Drehachse des Suszeptors 1 zusammenfallt. Der Suszeptor 1 wird durch eine Flachspule 4 induktiv beheizt. Der Suszeptor kann auch als umgedrehter Tiegel mit m- nenliegender HF-Spule 4 ausgeführt sein.
Der vertikale Reaktor nach Figur 2 eignet sich insbesondere für ein einzelnes Substrat 2 bzw. einen einzelnen Wafer (sin- gle-Wafer-Reaktor) .
Eine Vorrichtung für einen vertikalen Reaktor, die sich für die Bearbeitung von mehreren Substraten (multi-Wafer-Reaktor) eignet, ist in Figur 3A in Draufsicht gezeigt. In Figur 3B ist diese Vorrichtung auch im Querschnitt dargestellt. Der Suszeptor 1 ist in dieser Anordnung ebenfalls mit Platten be- deckt, und er ist um seinen Mittelpunkt drehbar auf einer (nicht dargestellten) Achse gelagert. Im Gegensatz zu dem obigen Ausführungsbeispiel nach Figur 2 liegen jedoch jetzt mehrere Substrate auf dem Suszeptor 1. Die Größe des Suszeptors 1 wird dabei so gewählt, daß die gewünschte Anzahl von Substraten 2 darauf untergebracht werden kann. D.h. es können mehrere Substrate 2 in einem Kreis um die Achse des Suszeptors 1 herum angeordnet werden, es können aber auch weitere Substrate 2 in einem (nicht dargestellten) zusätzlichen Kreis um die Achse des Suszeptors 1 herum angeordnet werden. Auch hier wird eine (nicht gezeigte) Flachspule zur induktiven Beheizung von Suszeptor 1 und Halbleitersubstraten 2 verwendet.
Wie mit Bezug auf Figur 1 erläutert wurde, werden bei der Ausfuhrungsform mit mehreren SiC-Abdeckplatten 7 die Substra- te 2 von den SiC-Abdeckplatten 7 vollständig umschlossen, so daß im wesentlichen kein Gas aus dem Suszeptor 1 mehr in die Prozeßatmosphäre gelangen kann und zu einer unerwünschten Verunreinigung von z.B. Epitaxie-Schichten auf dem Substrat 2 beitragen kann. Aus der Darstellung nach Figur 3A wird deut- lieh, daß insbesondere Abdeckplatten 7, die als hexagonale
Kacheln ausgeführt sind, besonders geeignet sind für eine nahezu vollständige Abdeckung der Umgebung des Substrats 2.
Der Abstand der einzelnen Platten 7 voneinander und vom zu bearbeitenden Substrat 2 wird möglichst gering gehalten, damit auch aus den Fugen zwischen den Platten 7 und zwischen Platte 7 und dem Substrat 2 wenig Gas austreten kann, das von
dem Suszeptor 1 austritt. In der Praxis hat sich ein Abstand von höchstens 0,5 mm zwischen einem Rand 8 einer Platte 7 und dem Rand 8 einer benachbarten Platte 7 sowie zwischen dem Rand 8 einer Platte 7 und dem Substrat 2 als günstig erwie- sen.
Um die Wärmeverteilung auf dem Substrat so homogen wie möglich zu machen, ist es notwendig, auch in der Umgebung des Substrats möglichst überall die gleiche Temperatur zu haben. Mit anderen Worten, die Temperatur auf der frei zugänglichen Oberfläche des Substrats muß die gleiche sein wie auf der Oberfläche der Abdeckung 5. Daher wird vorzugsweise die Abdeckung 5 unmittelbar auf dem Suszeptor 1 angeordnet, so daß eine gute Wärmeleitung zwischen Suszeptor 1 und Abdeckung 5 besteht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sowohl
Substrat 2 als auch Abdeckung 5 aus SiC, d.h. die Abdeckung 5 aus polykristallinem hochreinem SiC besteht und damit sehr ähnliche thermische Eigenschaften wie das Substrat besitzt. Durch die Wärmekopplung zwischen dem Suszeptor 1 und der Ab- deckung 5 wird so bei der Abdeckung 5 im wesentlichen die gleiche Temperatur wie dem Substrat 2 erreicht. Durch die Beschaffenheit der Abdeckung 5 aus polykristallinem hochreinem SiC wird eine besonders gute Wärmeleitung erreicht. Ferner wird mit einer Abdeckung aus polykristallinem SiC eine ho o- gene Oberfläche aus SiC (nämlich Abdeckung 5 und Substrat 2) im Reaktor erreicht, was pyrometrische Untersuchungen zur Feststellung der Oberflächentemperatur u. dgl . vereinfacht.
Die beschriebene Vorrichtung wird insbesondere zum Herstel- len/Bearbeiten von SiC-Substraten verwendet, da die Abdeckung aus SiC auch bei den für z.B. SiC-Epitaxie erforderlichen hohen Temperaturen eingesetzt werden kann.
Die Vorrichtung kann in verschiedenen Arten von Reaktoren eingesetzt werden, z.B. Heißwand- oder Kaltwandreaktor, Reaktoren, bei denen der Suszeptor direkt durch eine Heizwicklung
oder eine Heizlampe beheizt wird, oder Reaktoren für "Plasma Enhanced CVD" etc..