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1. WO2020120577 - VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER EPITAXIERTEN HALBLEITERSCHEIBE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten Halbleiterscheibe

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer epitaxierten

Halbleiterscheibe mit einer definierten Oberflächenrauigkeit (haze) der epitaktisch abgeschiedenen Schicht.

Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als

Ausgangsmaterialien (Substrate) Halbleiterscheiben (Wafer) mit extremen

Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, einsseitenbezogene lokale Ebenheit (Nanotopographie), Rauigkeit und Sauberkeit benötigt. Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien, insbesondere Verbindungshalbleiter wie

Galliumarsenid und überwiegend Elementhalbleiter wie Silicium und gelegentlich Germanium.

Gemäß dem Stand der Technik werden Halbleiterscheiben in einer Vielzahl von aufeinander folgenden Prozessschritten hergestellt, die sich allgemein in folgende Gruppen einteilen lassen:

a) Herstellung eines einkristallinen Halbleiterstabs (Kristallzucht);

b) Auftrennen des Stabs in einzelne Scheiben;

c) mechanische Bearbeitung;

d) chemische Bearbeitung;

e) chemo-mechanische Bearbeitung;

f) ggf. Herstellung von Schichtstrukturen.

Oftmals werden Halbleiterscheiben mit einer epitaktischen Schicht versehen, also mit einer monokristallin aufgewachsenen Schicht mit derselben Kristallorientierung, auf welcher später Halbleiter-Bauelemente aufgebracht werden. Wenn die

aufzuwachsende Schicht aus demselben Material wie das Substrat besteht, spricht man von Homoepitaxie, anderenfalls von Heteroepitaxie. Derartige epitaktisch beschichtete bzw. epitaxierte Halbleiterscheiben weisen gegenüber Halbleiterscheiben aus homogenem Material gewisse Vorteile auf, beispielsweise die Verhinderung einer Ladungsumkehr in bipolaren CMOS-Schaltkreisen gefolgt vom Kurzschluss des Bauelementes (,,Latch-up“-Problem), niedrigere Defektdichten (beispielsweise redu zierte Anzahl an COPs („crystal-originated particles“) sowie die Abwesenheit eines nennenswerten Sauerstoffgehaltes, wodurch ein Kurzschlussrisiko durch Sauer stoff präzipitate in bauelementerelevanten Bereichen ausgeschlossen werden kann.

Das Aufbringen einer epitaktischen Schicht auf die Oberfläche einer Halbleiterscheibe erfolgt in einem Epitaxiereaktor und umfasst in der Regel folgende Schritte:

Das Durchleiten eines Ätzgases durch den Epitaxiereaktor zum Entfernen von Rückständen auf Oberflächen im Epitaxiereaktor durch Einwirkung des Ätzgases; das Durchleiten eines ersten Abscheidegases durch den Epitaxiereaktor zum

Abscheiden beispielsweise von Silizium auf Oberflächen im Epitaxiereaktor;

das Ablegen einer Substratscheibe aus beispielsweise Silizium auf einem Suszeptor des Epitaxiereaktors; und

das Durchleiten eines zweiten Abscheidegases zum Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Substratscheibe.

Verfahren zur epitaktischen Beschichtung von Wafern sind beispielsweise in der EP 1 533 836 A1 und der US 2012/0104565 A1 beschrieben.

Der Epitaxieprozess beeinflusst auch die Rauigkeit der Oberfläche der

Substratscheibe. Die Rauigkeit (haze) kann mit optischen oder elektronischen

Verfahren, beispielsweise Elektronenstreuverfahren (electron Scattering) gemessen werden. Bei den optischen Verfahren werden in der Regel Streulichtmessungen angewendet, wobei die Rauigkeit der Oberfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Messung hat. Eine raue Oberfläche hat eine höhere diffuse Reflexion in beliebige Richtungen als eine glatte Oberfläche, die nur in die Hauptrichtung reflektiert.

Nach DE 697 02 620 T2 sollte die Temperatur der Substratscheibe während der epitaktischen Abscheidung im Bereich von 900°C und 1 100°C liegen. Unterhalb von 900°C kann eine Oberflächenrauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht auftreten, oberhalb von 1 100°C nimmt die Menge der durch Nebenreaktion gebildeten Teilchen zu, wodurch die Qualität der epitaktisch abgeschiedenen Schicht vermindert wird.

Die Patentschrift US 6,217,650 B1 lehrt ein Verfahren zur Herstellung einer epitaxialen Siliziumscheibe mit einer geringen Oberflächenrauigkeit. Für eine

Siliziumscheibe mit <100>-Orientierung verringert sich die Rauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht, wenn die Abscheidetemperatur zwischen 50°C und 100°C niedriger ist, als normal, also beispielsweise für Dichlorsilan als Quellgas 950°C bis 1050°C beträgt.

Allerdings ist die Abscheidetemperatur bzw. die Wachstumstemperatur der epitaxialen Schicht gerade im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1100°C ein wichtiger Einflussfaktor, so dass bei zu geringen Abscheidetemperaturen die Wachstumsrate und damit die Dicke der epitaktisch abgeschiedenen Schicht nur schwierig exakt kontrolliert werden kann. Insbesondere ist die Abscheiderate in diesem

Temperaturbereich wohl signifikant abhängig von der Orientierung des Kristalls, was dazu führt, dass die Geometrie des Wafers eine sogenannte Vierfachsymmetrie aufweist. Es gibt daher Bereiche, in der die abgeschiedene Schicht dicker ist und Bereiche, in denen die abgeschiedene Schicht dünner ist.

Die US 2012/0104565 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer epitaktisch beschichteten Siliziumscheibe mit einer geringen Oberflächenrauigkeit bei einer Abscheidetemperatur von 1000°C bis 1100°C wobei ebenfalls ein Einfluss der Abscheidetemperatur auf die Oberflächenrauigkeit beschrieben ist. Die US

2012/0104565 A1 lehrt die Verwendung von Dichlorsilan anstelle von Trichlorsilan als Quellgas. Da die Zersetzungstemperatur von Dichlorsilan niedriger ist als die von Trichlorsilan, kann die Epitaxie bei niedrigeren Temperaturen (1040 - 1080°C) durchgeführt und somit eine geringere Oberflächenrauigkeit erreicht werden, als bei Verwendung von Trichlorsilan.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Verfahren bereitzustellen, das die Herstellung epitaxierter Scheiben aus Halbleitermaterial mit möglichst kleine

Oberflächenrauigkeit (haze) der epitaktisch abgeschiedenen Schicht unabhängig vom Quellgas ermöglikcht, die möglicherweise auftretende Vierfachsymmetrie verhindert, die Randgeometrie der Wafer nicht verschlechtert und gleichzeitig eine ausreichend hohen Abscheidegeschwindigkeit ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch folgendes Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer definierten Oberflächenrauigkeit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht, umfassend folgende Schritte in der angegebenen

Reihenfolge:

1 ) Auflegen einer Halbleiterscheibe auf einen sich in der Kammer eines Epitaxie-Reaktors befindlichen Suszeptors;

2) Erwärmen der Reaktorkammer;

3) Spülen der Reaktorkammer mit Wasserstoff;

4) Einleiten eines Wasserstoff-Chlorwasserstoff-Gemisches in die Reaktorkammer; 5) Epitaktische Beschichtung der Halbleiterscheibe durch die Zersetzung eines Gases bei einer Abscheidetemperatur T von mehr als 1 100°C;

6) Abkühlen der Reaktorkammer auf eine Entladetemperatur, dadurch

gekennzeichnet, dass die Abkühlrate CR zwischen 1 100°C und 1060°C kleiner 3 K/s beträgt und

7) Einleiten von Wasserstoff mit einem Wasserstofffluss fH2 in den Reaktorraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstofffluss fH2 der Relation fH2 < A x CR + B genügt, wobei der Zahlenwert A=5,08 und der Zahlenwert B = 8,71 betragen.

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer definierten

Oberflächenrauigkeit einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht, umfassend folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

1 ) Auflegen von mindestens einer Halbleiterscheibe auf den mindestens einen sich in einem Epitaxie-Reaktor befindlichen Suszeptor;

2) Erwärmen des Reaktorraumes auf die gewünschte Temperatur;

3) Spülen der Reaktorkammer mit Wasserstoff;

4) Einleiten eines Wasserstoff-Chlorwasserstoff-Gemisches in die Reaktorkammer;

5) Epitaktische Beschichtung der mindestens einen Halbleiterscheibe durch die Zersetzung eines Gases bei einer Abscheidetemperatur T;

6) Abkühlen der Reaktorkammer auf eine Entladetemperatur, dadurch

gekennzeichnet, dass die Abkühlrate CR zwischen 1 100°C und 1060°C kleiner 3 K/s beträgt und

7) Einleiten von Wasserstoff mit einem Wasserstofffluss fH2 in den Reaktorraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstofffluss fH2 der Relation fH2 < A x CR + B genügt, wobei der Zahlenwert A 5,08 und der Zahlenwert B = 8,71 beträgt.

Die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend detailliert beschrieben. Die Erfindung geht von einem nach dem Stand der Technik gezogenen Einkristall aus Halbleitermaterial aus, von dem einzelne Scheiben beispielsweise mittels Drahtsägen abgetrennt werden.

Bei den von einem Einkristall abgetrennten Scheiben aus Halbleitermaterial,

(Halbleiterscheibe, Wafer) kann es sich beispielsweise um eine monokristalline Siliciumscheibe oder einer Scheibe aus einem anderen Halbleitermaterial handeln, wobei andere Halbleitermaterialien Verbindungshalbleiter wie beispielsweise Gallium-Arsenid oder Elementhalbleiter wie Germanium oder auch Schichtstrukturen wie beispielsweise Silicium-Germanium (SiGe) oder Siliciumcarbid (SiC)oder Galliumnitrid (GaN) sind.

Der Durchmesser der Halbleiterscheibe beträgt vorzugsweise 150 bis 450 mm, ganz besonders bevorzugt 300 mm.

Die weiteren Schritte zur Herstellung einer für die epitaktischen Abscheidung geeigneten Scheibe aus Halbleitermaterial umfassen das Kantenverrunden, das Schleifen oder Läppen, sowie das Ätzen oder Reinigen und Polieren. Ein

entsprechender Herstellungsprozess ist beispielsweise DE 10 2005 045 337 A1 be schrieben.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist zum epitaktischen Beschichten von

Halbleiterscheiben, insbesondere Siliziumscheiben, ein Epitaxie-Reaktor gemäß dem Stand der Technik geeignet. Die epitaktische Beschichtung von Halbleiterscheiben umfasst dabei bevorzugt die folgenden Schritte: 1 ) Auflegen von mindestens einer Halbleiterscheibe auf den mindestens einen sich in einem Epitaxie-Reaktor

befindlichen Suszeptor; 2) Erwärmen des Reaktorraumes auf die gewünschte

Temperatur (Rampen); 3) Spülen der Reaktorkammer mit Wasserstoff (H2-bake); 4) Einleiten eines Wasserstoff-Chlorwasserstoff-Gemisches in die Reaktorkammer (Ätze, HCI-bake); 5) Epitaktische Beschichtung der mindestens einen Halbleiterscheibe durch die Zersetzung eines Gases; 6) Abkühlen der Reaktorkammer auf eine

Entladetemperatur und Einleitung von Wasserstoff und Entnahme der mindestens einen Halbleiterscheibe.

Um die Halbleiterscheibe vor Partikelbelastung zu schützen, wird sie vor der epitaktischen Beschichtung vorzugsweise einer hydrophilen Reinigung unterzogen. Diese hydrophile Reinigung erzeugt ein natives Oxid (natürliches Oxid) auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe, das sehr dünn ist (etwa 0,5-2 nm, je nach Art der Reinigung und der Messung).

Das native Oxid wird bei einer Vorbehandlung der Halbleiterscheibe in einem

Epitaxiereaktor üblicherweise unter Wasserstoffatmosphäre (auch„H2-Bake“ genannt) wieder entfernt.

Der H2-bake erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 1050°C bis 1200°C und einem Wasserstoffstrom von bevorzugt 40 bis 60 slm (Standardliter pro Minute) für 5 bis 20 Sekunden.

Nach dem Entfernen der nativen Oxidschicht erfolgt bevorzugt ein zweiter

Vorbehandlungsschritt, um vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht die

Oberfläche der Vorderseite der Substratscheibe zu glätten. Während des zweiten Vorbehandlungsschrittes, dem sog. wafer etching, werden bevorzugt bei einer Temperatur von 1050°C bis 1200°C eine Mischung von Wasserstoffgas (H2) und Chlorwasserstoffgas (HCl) für 5 bis 20 Sekunden durch die Prozesskammer geleitet. Bevorzugt betragen die Gasströme für Wasserstoff 40 bis 60 slm und für

Chlorwasserstoff 0,5 bis 5 slm.

Zur Durchführung der epitaktischen Beschichtung wird vorzugsweise ein Epitaxie reaktor mit einer Kapazität zum Beschichten einer einzelnen Substratscheibe verwendet, beispielsweise ein Einzelscheiben-Epitaxiereaktor vom Typ Centura der Firma Applied Materials, Inc. oder vom Typ Epsilon der Firma ASM International N.V. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch in einem Mehrscheibenreaktor durchgeführt werden. Ohne den Umfang der Erfindung einzuschränken, wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren als Einzelscheibenprozess

beschrieben.

Ein Suszeptor, der beispielsweise aus Graphit, Siliciumcarbid (SiC) oder Quarz besteht und sich in der Abscheidekammer des Epitaxiereaktors befindet, dient während der Vorbehandlungschritte und während der epitaktischen Beschichtung als Auflage für die Halbleiterscheibe.

Die Halbleiterscheibe liegt vorzugsweise auf einem auf dem Suszeptor aufliegenden Ring aus Siliziumcarbid auf, wodurch die thermische Belastung der Halbleiterscheibe während des Abscheidens der epitaktischen Schicht verringert wird.

Als gleichermaßen bevorzugte Alternative kann auch ein einteiliger Suszeptor mit einem Vorsprung, dem susceptor-ledge, als Randauflage verwendet werden.

In beiden Fällen hat die Halbleiterscheibe nur im Randbereich Kontakt zur Unterlage, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten und die Rückseite der

Halbleiterscheibe, auf der in der Regel keine Schicht abgeschieden wird, vor dem Quellengas zu schützen.

Der Boden des Suszeptors hat vorzugsweise eine gasdurchlässige Struktur, die durch offene Poren oder Durchtrittslöcher gekennzeichnet ist. Er kann jedoch auch aus einem für Gas undurchlässigen Material bestehen. Ebenfalls bevorzugt ist die

Verwendung eines Suszeptors aus einem für Gas durchlässigen, porösen Materials, wie beispielsweise in DE 10328842 A1 beschrieben.

Die Halbleiterscheibe wird im Epitaxiereaktor mittels Heizquellen, vorzugsweise mittels oberen und unteren Heizquellen, beispielsweise Lampen oder Lampenbänken erwärmt und anschließend einem Gasgemisch, bestehend aus einem eine

Siliciumverbindung beinhaltenden Quellengas (Silane), einem Trägergas

(beispielsweise Wasserstoff) und gegebenenfalls einem Dotiergas (beispielsweise Diboran), ausgesetzt.

Die Abscheidung der epitaktischen Schicht erfolgt üblicherweise nach dem CVD-Verfahren („Chemical vapor deposition“), indem als Quellengas Silane, beispielsweise Trichlorsilan (SiHCte, TCS), zur Oberfläche der Siliciumscheibe geführt werden, sich dort bei Temperaturen von 600 bis 1250 °C zu elementarem Silicium und flüchtigen Nebenprodukten zersetzen und eine epitaktisch aufgewachsene Siliciumschicht auf der Siliciumscheibe bilden.

Die epitaktische Schicht kann undotiert oder mittels geeigneter Dotiergase gezielt mit Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon dotiert sein, um Leitungstyp und Leitfähigkeit einzustellen.

Die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke kann im Prinzip durch verschiedene

Maßnahmen beeinflusst werden, beispielsweise durch eine Veränderung der

Gasflüsse des Trägergases (z.B. Wasserstoff) und/oder des Quellengases (z.B.

TCS), durch Einbau und Verstellen von Gaseinlassvorrichtungen (Injektoren), durch Änderung der Abscheidetemperatur oder Veränderungen am Suszeptor.

Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass eine verhältnismäßig hohe

Abscheidetemperatur nötig ist, um den Effekt besagter Vierfachsymmetrie und einer einhergehenden Verschlechterung der Randgeometrie der Halbleiterscheibe zu kompensieren. Die höhere Abscheidetemperatur führt jedoch auch zu einer höheren, nicht gewollten Oberflächenrauhigkeit, die als sogenannter„Haze“ gemessen werden kann.

Besonders bevorzugt wird daher eine Abscheidetemperatur von T > 1 100°C verwendet.

Nach Beendigung der epitaktischen Beschichtung der Halbleiterscheibe wird diese in der Prozesskammer des Epitaxiereaktors in einer Wasserstoffatmosphäre abgekühlt, bevor die Scheibe aus der Prozesskammer entladen wird.

Gemäß dem Stand der Technik dient das Einleiten von Wasserstoff in die

Prozesskammer neben dem Abkühleffekt auch zum Ausspülen der verbleibenden Prozessgase.

Die US- 6,217,650 B1 beschreibt beispielsweise das Abkühlen der epitaxierten Siliciumscheibe unter Wasserstoffatmosphäre von 1000°C auf 800°C.

Die DE102015224446 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die

Oberflächenrauhigkeit (haze) bei hoher Abscheidetemperatur durch die Reduktion des Wasserstoffflusses beim Abkühlen auf 10 bis 100 slm reduziert werden kann. Die dabei verwendete Abkühlrate bezieht sich auf den Temperaturbereich zwischen Abscheidung und Entladung.

Dieses Verfahren zeigt bzgl Oberflächenrauhigkeit (haze) eine noch ungenügende Verbesserung.

Die Erfinder haben erkannt, dass die Rauigkeit der auf der Vorderseite der

Halbleiterscheibe epitaktisch abgeschiedenen Schicht während des Abkühlvorgangs gezielt durch die Kontrolle des Wasserstoff Stroms bei gleichzeitiger Kontrolle der Abkühlrate in einem definierten Temperaturbereich sehr gut eingestellt werden kann.

Die Abkühlung der epitaktisch beschichteten Scheibe aus Halbleitermaterial kann durch Abschalten der Heizelemente in der Prozesskammer oder durch die gesteuerte Verringerung der Leistung der Heizelemente über einen definierten Zeitraum

(herunterrampen) während der Einleitung von Wasserstoffgas in die Prozesskammer erfolgen.

Bevorzugt erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren das Abkühlen der der epitaktisch beschichteten Scheibe aus Halbleitermaterial von einem Temperaturbereich von 1 100°C bis 1060°C einer Abkühlrate im Mittel von kleiner als 3 K/s. Die Temperatur, bei der die epitaktisch beschichtete Scheibe aus Halbleitermaterial aus der

Prozesskammer entfernt wird, ist üblicherweise im Bereich zwischen 600°C und 800°C.

Um eine gezielte Oberflächenrauigkeit der epitaktisch abgeschiedenen Schicht zu erhalten, wird der Wasserstoffstrom erfindungsgemäß während des Abkühlvorgangs so eingestellt, dass er der folgender Formel genügt:

fH2 < 5,08 x CR + 8,71

wobei CR für die Abkühlrate in K/s und fH2 für den Wasserstoff ström in slm stehen. Der Wasserstoffstrom kann dabei entweder konstant oder mit einer variablen

Flussrate (Strömungsgeschwindigkeit) in die Prozesskammer eingeleitet werden. Bei einer variablen Flussrate kann der Wasserstofffluss während des Abkühlvorgangs beispielsweise kontinuierlich erhöht oder kontinuierlich verringert werden.

Bevorzugt genügt der Wasserstoffstrom folgender Formel:

fH2 < 5,08 x CR + 1 ,65

wobei CR für die Abkühlrate in K/s und fH2 für den Wasserstoff ström in slm stehen

und besonders bevorzugt:

fH2 < 5,08 x CR - 5,39

wobei CR für die Abkühlrate in K/s und fH2 für den Wasserstoff ström in slm stehen.

Fig. 1 zeigt schmatisch die durchgeführten Experimente mit unterschiedliche

Wasserstoffflüssen fH2 und unterschiedlichen Abkührraten CR. Die Wafer aus jedem Experiment wurden dabei einer Messung der Oberflächenrauhigkeit (Haze),

Vierfachsymmetrie und Randgeometrie unterzogen und entsprechend charakterisiert.

Fig. 2 zeigt schematisch das Ergebnis besagter Messung bzgl Oberflächenrauhigkeit (haze), wobei der Grauwert der Fläche im Diagramm die Reduzierung der

Oberflächenrauhigkeit (haze) gegenüber dem Stand der Technik wiedergibt. Je dunkler die Fläche, umso vorteilhafter ist die erhaltene Halbleiterscheibe bzgl.

Oberflächenrauhigkeit, ohne dabei Nachteile gegenüber besagter Vierfachsymmetrie und Randgeometrie aufzuweisen

Bei der Messung der Oberflächenrauhigkeit (Haze) handelt es sich um relative, d.h. auf ein Messgerät, hier das Messgerät Surfscan SPx der Firma KLA Tencor, bezogene Werte. Die mittels Streulichtlaser-Messung ermittelten mittleren

Oberflächenrauigkeiten Dn Haze mean werden dabei gemäß dem Stand der Technik auf einen festgelegten Wert für die Rauigkeit eines Wafers des Standes der Technik kalibriert.