WO2022189166A1 - Verfahren zum herstellen von halbleiterscheiben mit epitaktischer schicht in einer kammer eines abscheidereaktors - Google Patents

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    • H10P14/3414—Deposited materials, e.g. layers characterised by the chemical composition being group IIIA-VIA materials
    • H10P14/3416—Nitrides

Definitions

  • the invention relates to a method for producing semiconductor wafers with an epitaxial layer in a chamber of a deposition reactor by means of gas phase deposition.
  • a process is interrupted from time to time to service the chamber, particularly to clean up material that has deposited on interior walls of the chamber.
  • the chamber is in a state that does not yet allow to coat semiconductor wafers therein that meet the expectations, in particular with regard to the required lifetime of minority charge carriers in the epitaxial layer. It is therefore necessary to condition the chamber, which limits the productivity of the process.
  • US 20080219824 A1 describes a typical system with which a method for producing semiconductor wafers with an epitaxial layer can be carried out by means of vapor deposition.
  • a plant usually includes several deposition reactors, a lock chamber (load lock chamber) and a transfer chamber.
  • a deposition reactor includes in particular an upper cover (upper mandrel), a lower cover (lower mandrel), a base ring (base ring) and an upper and a lower clamping ring (upper and lower liner), which belong together to a chamber in which the Vapor phase deposition takes place.
  • the chamber houses a susceptor support shaft with support arms, a wafer lift shaft, and a susceptor.
  • the susceptor support shaft and disc lift shaft are connected to a rotary lift unit.
  • Lamp modules and reflectors are positioned above the top cover and below the bottom cover to provide radiant energy within the chamber during vapor deposition.
  • DE 11 2016003399 T5 suggests flushing the chamber of a deposition reactor with nitrogen for the purpose of conditioning in the system, heating the inside of the chamber and measuring the lifetime of minority charge carriers of test wafers to decide whether to continue the production of semiconductor wafers with an epitaxial layer can be.
  • the object of the present invention is to reduce such a restriction and to propose a particularly effective conditioning.
  • the object of the invention is achieved by a method for producing semiconductor wafers with an epitaxial layer in a chamber of a deposition reactor of a plant, comprising the repeated deposition of an epitaxial layer on a substrate wafer in the chamber of the deposition reactor, a first number of semiconductor wafers with an epitaxial layer being produced , and meanwhile conditioning a spare chamber of the off-site deposition reactor by purging the spare chamber with a purge gas; interrupting the repeated deposition of an epitaxial layer on a substrate wafer; replacing the chamber with the spare chamber; and continuing to repeatedly deposit an epitaxial layer on a substrate wafer in the spare chamber of the deposition reactor, resulting in a second plurality of epitaxial layer semiconductor wafers.
  • the time of limited productivity due to the conditioning of the chamber is significantly reduced when using the method according to the invention and is due in particular to the time it takes to replace the chamber with the spare chamber.
  • the chamber replaced by the spare chamber once replaced, itself becomes a spare chamber that can be conditioned off-site.
  • the attachment comprises a deposition reactor, preferably at least one further deposition reactor.
  • a replacement chamber preferably includes as components a top cover, a bottom cover, a base ring, top and bottom clamp rings, a susceptor support shaft with support arms, a disc lift shaft, a susceptor, a bottom lamp module with bottom reflectors, and a rotary hub -Unit for the waves. These components are assembled during conditioning of the replacement chamber in the same manner as during vapor deposition.
  • An optional upper lamp module with upper reflectors may also be part of the spare chamber.
  • the conditioning of the spare chamber is carried out outside the plant on a conditioning stand and includes flushing the spare chamber with a flushing gas and preferably one or two other measures.
  • the purge gas is directed through the spare chamber from at least one gas inlet to at least one gas outlet.
  • the proportion of water in the flushing gas when the flushing gas enters the replacement chamber is preferably less than 100 ppm, particularly preferably less than 50 ppm.
  • the flushing gas is preferably free of particles, in particular free of metallic particles.
  • the purge gas is nitrogen, hydrogen, helium, argon or a mixture of at least two of the gases mentioned. Nitrogen is preferably used as the flushing gas. When flushing the spare chamber, it should be ensured that there are as few dead spots as possible inside the spare chamber where the flow rate of the flushing gas decreases to such an extent that it disappears.
  • Other measures include increasing the temperature inside the replacement chamber compared to the temperature surrounding the replacement chamber, for example by means of IR radiation, heating mats or heat exchangers or a combination thereof.
  • the temperature at points of the components of the replacement chamber where there is contact with the interior of the replacement chamber is more than 21°C, preferably more than 65°C.
  • the upper limit for the temperature is basically only the temperature resilience of the material being heated.
  • the other measures also include changing the pressure in the interior of the replacement chamber during conditioning, with the pressure change being able to be carried out in two different ways. Either by lowering the pressure inside the spare chamber compared to the pressure at the conditioning stand, or by increasing the pressure inside the spare chamber compared to the pressure at the conditioning stand. Valves and/or a vacuum pump at the gas outlet of the spare chamber can be used to lower the pressure.
  • a combination of the two types of pressure changes can also be carried out, for example by first increasing the pressure of flushing gas in the interior of the spare chamber and then lowering it to below the pressure at the conditioning stand by sucking off the flushing gas at the gas outlet.
  • the conditioning of the replacement chamber is carried out for a predetermined period of time or preferably until the proportion of water in the flushing gas when leaving the replacement chamber has reached or fallen below a predetermined threshold value.
  • the humidity in the flushing gas can be measured, for example, at the gas outlet of the replacement chamber.
  • the replacement chamber can be closed to prevent the ambient atmosphere from entering the interior of the replacement chamber during transport to the plant.
  • the pressure difference between the pressure in the interior and the pressure in the vicinity of the closed replacement chamber should be as small as possible during the transport of the replacement chamber to the facility in order to avoid a possible implosion of the replacement chamber.
  • Replacing the chamber with the conditioned replacement chamber should then be done under an atmosphere of dry purge gas to avoid introducing moisture into the replacement chamber when changing the chambers.
  • the transport to the plant and the replacement of the chamber can also be carried out with continued flushing of the replacement chamber with dry flushing gas, so that there is no pressure difference between the interior and the environment.
  • a flow rate of 3 Nl/min to 8 Nl/min is recommended in this case.
  • the semiconductor wafers produced according to the invention preferably consist of silicon or comprise substrate wafers made of silicon with at least one epitaxial layer made of silicon germanium or with at least one epitaxial layer made of gallium nitride.
  • the diameter of the semiconductor wafers is preferably at least 200 mm, particularly preferably 300 mm.
  • FIG. 1 shows a flow chart for the conditioning of a replacement chamber on a conditioning stand according to an embodiment of the invention.
  • the replacement chamber 1 includes as components an upper cover, a lower
  • a gas supply 4 dry flushing gas is passed through the spare chamber 1, the amount of gas flow being adjusted by valves 5 at the gas inlet and the power of a pump 6 at the gas outlet.
  • the schedule provides for the temperature in the interior of the replacement chamber 1 to be increased by means of a heater 7 and for the humidity of the flushing gas to be determined after it has left the replacement chamber 1 by means of a measuring apparatus 8 .

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Abstract

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht in einer Kammer eines Abscheidereaktors einer Anlage, umfassend das wiederholte Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe in der Kammer des Abscheidereaktors, wobei eine erste Anzahl von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht entsteht, und währenddessen das Konditionieren einer Ersatzkammer des Abscheidereaktors außerhalb der Anlage durch Spülen der Ersatzkammer mit einem Spülgas; das Unterbrechen des wiederholten Abscheidens einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe; das Ersetzen der Kammer durch die Ersatzkammer; und das Fortsetzen des wiederholten Abscheidens einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe in der Ersatzkammer des Abscheidereaktors, wobei eine zweite Anzahl von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht entsteht.

Description

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht in einer Kammer eines Abscheidereaktors
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht in einer Kammer eines Abscheidereaktors mittels Gasphasenabscheidung. Üblicherweise wird ein solches Verfahren von Zeit zu Zeit unterbrochen, um die Kammer zu warten, insbesondere, um Material zu beseitigen, das sich an inneren Wänden der Kammer niedergeschlagen hat. Danach befindet sich die Kammer in einem Zustand, der es noch nicht zulässt, darin Halbleiterscheiben zu beschichten, die den Erwartungen entsprechen, insbesondere in Bezug auf die geforderte Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern in der epitaktischen Schicht. Es ist daher eine Konditionierung der Kammer notwendig, die die Produktivität des Verfahrens einschränkt.
Stand der Technik / Probleme
US 20080219824 A1 beschreibt eine typische Anlage, mit der ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht mittels Gasphasenabscheidung durchgeführt werden kann. Eine solche Anlage umfasst in der Regel mehrere Abscheidereaktoren, eine Schleusenkammer (load lock chamber) und eine Transferkammer. Ein Abscheidereaktor umfasst insbesondere eine obere Abdeckung (upper dorne), eine untere Abdeckung (lower dorne), einen Grundring (base ring) sowie einen oberen und einen unteren Klemmring (upper and lower liner), die gemeinschaftlich zu einer Kammer gehören, in der die Gasphasenabscheidung stattfindet. In der Kammer befinden sich insbesondere eine Suszeptor-Tragwelle (susceptor support shaft) mit Tragarmen (support arms), eine Scheiben-Hebewelle (wafer lift shaft) und ein Suszeptor. Die Suszeptor-Tragwelle und die Scheiben- Hebewelle sind mit einer Rotations-Hub-Einheit verbunden. Über der oberen Abdeckung und unter der unteren Abdeckung sind Lampen-Module und Reflektoren angeordnet, um Strahlungsenergie in der Kammer während der Gasphasenabscheidung bereitstellen zu können. In DE 11 2016003399 T5 wird angeregt die Kammer eines Abscheidereaktors zum Zweck des Konditionierens in der Anlage mit Stickstoff zu spülen, die Innenseite der Kammer zu erwärmen und mittels Messung der Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern von Testscheiben zu entscheiden, ob die Produktion von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht fortgesetzt werden kann.
Eine derartig durchgeführte Konditionierung der Kammer schränkt die Produktivität der Herstellung von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht beachtlich ein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche Einschränkung zu verringern und eine besonders effektive Konditionierung vorzuschlagen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht in einer Kammer eines Abscheidereaktors einer Anlage, umfassend das wiederholte Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe in der Kammer des Abscheidereaktors, wobei eine erste Anzahl von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht entsteht, und währenddessen das Konditionieren einer Ersatzkammer des Abscheidereaktors außerhalb der Anlage durch Spülen der Ersatzkammer mit einem Spülgas; das Unterbrechen des wiederholten Abscheidens einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe; das Ersetzen der Kammer durch die Ersatzkammer; und das Fortsetzen des wiederholten Abscheidens einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe in der Ersatzkammer des Abscheidereaktors, wobei eine zweite Anzahl von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht entsteht.
Die Zeit eingeschränkter Produktivität wegen des Konditionierens der Kammer ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich verkürzt und insbesondere der Dauer des Ersetzens der Kammer durch die Ersatzkammer geschuldet. Die durch die Ersatzkammer ersetzte Kammer wird nach dem Ersetzen selbst zu einer Ersatzkammer, die außerhalb der Anlage konditioniert werden kann. Die Anlage umfasst einen Abscheidereaktor, vorzugsweise mindestens einen weiteren Abscheidereaktor.
Eine Ersatzkammer umfasst als Bestandteile vorzugsweise eine obere Abdeckung, eine untere Abdeckung, einen Grundring, einen oberen und einen unteren Klemmring, eine Suszeptor-Tragwelle mit Tragarmen, eine Scheiben-Hebewelle, einen Suszeptor, ein unteres Lampenmodul mit unteren Reflektoren und eine Rotations-Hub-Einheit für die Wellen. Diese Bestandteile sind während des Konditionierens der Ersatzkammer auf dieselbe Weise zusammengebaut, wie während einer Gasphasenabscheidung.
Ein oberes Lampenmodul mit oberen Reflektoren kann wahlweise ebenfalls Bestandteil der Ersatzkammer sein.
Das Konditionieren der Ersatzkammer wird außerhalb der Anlage auf einem Konditionierungsstand durchgeführt und umfasst das Spülen der Ersatzkammer mit einem Spülgas und vorzugsweise eine oder zwei weitere Maßnahmen. Das Spülgas wird von mindestens einem Gaseinlass zu mindestens einem Gasauslass durch die Ersatzkammer geleitet. Der Anteil an Wasser im Spülgas ist beim Eintritt des Spülgases in die Ersatzkammer vorzugsweise kleiner als 100 ppm, besonders bevorzugt kleiner als 50 ppm. Darüber hinaus ist das Spülgas vorzugsweise frei von Partikeln, insbesondere frei von metallischen Partikeln.
Das Spülgas ist Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Argon oder eine Mischung von mindestens zwei der genannten Gase. Bevorzugt wird Stickstoff als Spülgas eingesetzt. Beim Spülen der Ersatzkammer sollte darauf geachtet werden, dass möglichst keine Totstellen im Inneren der Ersatzkammer vorhanden sind, an denen die Strömungsgeschwindigkeit des Spülgases derart abnimmt, dass sie verschwindet.
Zu den weiteren Maßnahmen gehört das Erhöhen der Temperatur im Inneren der Ersatzkammer im Vergleich zur Temperatur der Umgebung der Ersatzkammer, beispielsweise mittels IR-Strahlung, Wärmematten oder Wärmetauschern oder eine Kombination davon. Vorzugsweise beträgt die Temperatur an Stellen der Bestandteile der Ersatzkammer, wo Kontakt zum Innenraum der Ersatzkammer besteht, mehr als 21 °C, vorzugsweise mehr als 65 °C. Die Temperatur ist nach oben grundsätzlich nur begrenzt durch die Temperatur-Belastbarkeit des Materials, das erhitzt wird. Zu den weiteren Maßnahmen gehört auch das Ändern des Drucks im Innenraum der Ersatzkammer während des Konditionierens, wobei die Druckänderung auf zwei verschiedene Arten durchgeführt werden kann. Entweder durch Absenken des Drucks im Innenraum der Ersatzkammer im Vergleich zum Druck auf dem Konditionierungsstand oder durch Erhöhen des Drucks im Innenraum der Ersatzkammer im Vergleich zum Druck auf dem Konditionierungsstand. Zum Absenken des Drucks können Ventile und/oder eine Vakuumpumpe am Gasauslass der Ersatzkammer eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann auch eine Kombination der zwei Arten von Druckänderungen durchgeführt werden, beispielsweise indem erst der Druck an Spülgas im Innenraum der Ersatzkammer erhöht und anschließend mittels Absaugens des Spülgases am Gasauslass unter den Druck am Konditionierungsstand abgesenkt wird.
Das Konditionieren der Ersatzkammer wird während einer vorgegebenen Dauer durchgeführt oder vorzugsweise solange, bis der Anteil an Wasser im Spülgas beim Verlassen der Ersatzkammer einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder unterschritten hat. Zu diesem Zweck kann die Feuchtigkeit im Spülgas beispielsweise am Gasauslass der Ersatzkammer gemessen werden.
Nach dem Konditionieren kann die Ersatzkammer verschlossen werden, um zu verhindern, dass während des Transports zur Anlage Atmosphäre der Umgebung in den Innenraum der Ersatzkammer gelangt. Die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Innenraum und dem Druck in der Umgebung der verschlossenen Ersatzkammer sollte während des Transports der Ersatzkammer zur Anlage möglichst gering sein, um ein mögliches Implodieren der Ersatzkammer zu vermeiden. Das Ersetzen der Kammer durch die konditionierte Ersatzkammer sollte dann unter einer Atmosphäre von trockenem Spülgas erfolgen, um zu vermeiden, dass beim Auswechseln der Kammern Feuchtigkeit in die Ersatzkammer gelangt.
Der Transport zur Anlage und das Ersetzen der Kammer kann alternativ auch unter fortgesetztem Spülen der Ersatzkammer mit trockenem Spülgas erfolgen, so dass kein Druckunterschied zwischen dem Innenraum und der Umgebung besteht. Eine Durchflussgeschwindigkeit von 3 Nl/min bis 8 Nl/min ist in diesem Fall empfehlenswert. Die erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterscheiben bestehen vorzugsweise aus Silizium oder umfassen Substratscheiben aus Silizium mit mindestens einer epitaktischen Schicht aus Siliziumgermanium oder mit mindestens einer epitaktischen Schicht aus Galliumnitrid. Der Durchmesser der Halbleiterscheiben beträgt vorzugsweise mindestens 200 mm, besonders bevorzugt 300 mm.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen weiter erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren Fig. 1 zeigt einen Ablaufplan für die Konditionierung einer Ersatzkammer auf einem Konditionierungsstand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt das Ergebnis eines Vergleichs von Lebensdauermessungen an Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht. Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Ersatzkammer
2 Lampenmodul
3 Rotations-Hub-Einheit 4 Gasversorgung
5 Ventil
6 Pumpe
7 Heizung
8 Mess-Apparatur
Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführunqsbeispiele
Die Ersatzkammer 1 umfasst als Bestandteile eine obere Abdeckung, eine untere
Abdeckung, einen Grundring, einen oberen und einen unteren Klemmring, eine Suszeptor-Tragwelle mit Tragarmen, eine Scheiben-Hebewelle und einen Suszeptor. Weitere Bestandteile sind ein unteres Lampenmodul 2 mit unteren Reflektoren und eine Rotations-Hub-Einheit 3 für die Wellen. Mittels einer Gasversorgung 4 wird trockenes Spülgas durch die Ersatzkammer 1 geleitet, wobei die Menge an Gasstrom durch Ventile 5 am Gaseinlass und die Leistung einer Pumpe 6 am Gasauslass eingestellt wird. Darüber hinaus sieht der Ablaufplan vor, die Temperatur im Innenraum der Ersatzkammer 1 mittels einer Heizung 7 zu erhöhen und die Feuchtigkeit des Spülgases nach dem Verlassen der Ersatzkammer 1 mittels einer Mess-Apparatur 8 zu ermitteln.
Auf Substratscheiben aus einkristallinem Silizium wurde eine epitaktische Schicht aus Silizium abgeschieden. Nachdem jeweils eine erste Anzahl von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht hergestellt worden war, wurde im Fall eines Vergleichsbeispiels die Kammer im Abscheidereaktor durch eine andere Kammer ersetzt und die andere Kammer im Abscheidereaktor durch Spülen mit Spülgas konditioniert, im Fall eines Beispiels wurde eine Ersatzkammer entsprechend der vorliegenden Erfindung konditioniert. Danach wurde jeweils eine zweite Anzahl von Halbeiterscheiben mit epitaktischer Schicht hergestellt, die Halbleiterscheiben gemäß Vergleichsbeispiel in der anderen Kammer, die Halbleiterscheiben gemäß Beispiel in der Ersatzkammer. Anschließend wurden Lebensdauermessungen von Minoritätsladungsträgern an den Halbleiterscheiben, die nach dem Konditionieren hergestellt worden waren, mittels m- PCD (micro wave photoconductivity decay, a.u. = arbitrary units) vorgenommen.
Fig. 2 zeigt das Ergebnis der Messungen für jeweils eine Anzahl N der Halbleiterscheiben gemäß Vergleichsbeispiel (gestrichelte Kurve) und gemäß Beispiel (durchgezogene Kurve). Die Werte für die Lebensdauer waren bei den erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterscheiben von Anfang an höher und zeigten sofort eine ansteigende Tendenz.
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen sowie Äquivalente durch den Schutzbereich der Ansprüche abgedeckt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht in einer Kammer eines Abscheidereaktors einer Anlage, umfassend das wiederholte Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe in der Kammer des Abscheidereaktors, wobei eine erste Anzahl von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht entsteht, und währenddessen das Konditionieren einer Ersatzkammer des Abscheidereaktors außerhalb der Anlage durch Spülen der Ersatzkammer mit einem Spülgas; das Unterbrechen des wiederholten Abscheidens einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe; das Ersetzen der Kammer durch die Ersatzkammer; und das Fortsetzen des wiederholten Abscheidens einer epitaktischen Schicht auf einer Substratscheibe in der Ersatzkammer des Abscheidereaktors, wobei eine zweite Anzahl von Halbleiterscheiben mit epitaktischer Schicht entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas durch die Ersatzkammer geleitet wird, und ein Anteil an Wasser im Spülgas beim Eintritt in die Ersatzkammer kleiner als 50 ppm ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülgas Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Argon oder eine Mischung von mindestens zwei der genannten Gase verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Konditionierens der Ersatzkammer die Temperatur im Inneren der Ersatzkammer im Vergleich zur Temperatur der Umgebung der Ersatzkammer erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Konditionierens der Ersatzkammer der Druck im Inneren der Ersatzkammer in Vergleich zum Druck in der Umgebung der Ersatzkammer mindestens einmal geändert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feuchtigkeit des Spülgases nach dem Verlassen der Ersatzkammer gemessen wird und das Konditionieren der Ersatzkammer fortgesetzt wird, solange die Feuchtigkeit einen vorgegebenen Schwellwert noch nicht erreicht oder unterschritten hat.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatzkammer nach dem Konditionieren verschlossen und in geschlossenem Zustand zur Anlage transportiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatzkammer nach dem Konditionieren zur Anlage transportiert und dabei Spülgas durch die Ersatzkammer geleitet wird.
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