DE10241147A1 - Verfahren zur Temperaturkalibrierung eines Epitaxiereaktors - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems eines Epitaxiereaktors, umfassend DOLLAR A a) die Messung der Temperatur in der Prozesskammer des Epitaxiereaktors während der Abscheidung einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat mit Hilfe des Temperaturmesssystems, DOLLAR A b) die Bestimmung der kurzwelligen Rauhigkeit der Oberfläche der abgeschiedenen epitaktischen Schicht und DOLLAR A c) einer auf dem in b) bestimmten Wert der kurzwelligen Rauhigkeit basierenden Korrektur des Temperaturmesssystems.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung der Temperaturregelung eines CVD-Reaktors, der zur epitaktischen Beschichtung von Halbleiterscheiben (engl. "wafer") verwendet wird.
• Unter einer epitaktischen Beschichtung oder kurz Epitaxie versteht man das Aufwachsen einer einkristallinen Schicht auf die ebene Begrenzungsfläche eines einkristallinen Substrats, im Allgemeinen einer Substratscheibe, beispielsweise einer Halbleiterscheibe. Diese Beschichtung oder Abscheidung erfolgt mittels der so genannten chemischen Gasphasenabscheidung (engl. "chemical vapor deposition" oder CVD) in CVD-Reaktoren, wie beispielsweise in EP 714 998 A2 beschrieben. Die Halbleiterscheibe wird dabei zunächst mittels Heizquellen erwärmt und anschließend einem Gasgemisch, nachfolgend als Prozessgas bezeichnet, bestehend aus einem Quellengas, einem Trägergas und gegebenenfalls einem Dotiergas, ausgesetzt. Das Quellengas (und gegebenenfalls das Dotiergas) zerfällt in der Nähe der heißen Substratoberfläche, sodass weiteres einkristallines Material auf der Oberfläche abgeschieden wird. In der Regel erfolgt diese Abscheidung auf der Vorderseite des Substrats, während die Scheibe mit ihrer Rückseite auf einer als Suszeptor bezeichneten Auflage liegt.
• An dieser Stelle seien Vorder- und Rückseite einer Halbleiterscheibe definiert. Die Vorderseite der Halbleiterscheibe ist die Seite, die epitaktisch beschichtet wird und die für die Herstellung von elektronischen Bauelementen vorgesehen ist.
• Einer der wichtigsten Parameter für den Epitaxieprozess ist die Temperatur der Substratoberfläche, die jedoch nicht direkt gemessen werden kann. In Epitaxiereaktoren werden zur Messung der Temperatur üblicherweise Thermoelemente oder Pyrometer verwendet. Das Messsignal wird zur Temperaturregelung, beispielsweise in einem Regelkreis, der die Leistung der Heizquellen regelt, eingesetzt.
• Die in der Regel vom Hersteller kalibrierten Thermoelemente werden beispielsweise von unten in die Prozesskammer eingebaut und so justiert, dass sie die Temperatur an der Unterseite des Suszeptors messen.
• Wird zur Temperaturmessung ein Pyrometer verwendet, so ist dieses oberhalb der üblicherweise aus Quarz bestehenden Prozesskammer installiert. Das Pyrometer misst die Abstrahlung der darunter in der Prozesskammer auf einem Suszeptor liegenden Halbleiterscheibe. Da das Wellenlängenspektrum der thermischen Strahlung eines Körpers eindeutig mit seiner Temperatur korreliert ist, erlaubt die Messung der Abstrahlung einen Rückschluss auf die Temperatur der Halbleiterscheibe. Die Kalibrierung des Pyrometers erfolgt indirekt über ein Thermoelement, das einmalig in einen speziellen Temperaturabgleichsuszeptor seitlich eingebracht wird. Nachdem eine Halbleiterscheibe auf den Temperaturabgleichsuszeptor platziert wurde, wird die Prozesskammer aufgeheizt und die vom Pyrometer gemessene Temperatur mit der vom Thermoelement gemessenen Temperatur abgeglichen. Diese Kalibrierung ist jedoch selbst fehlerbehaftet, da auch das im Temperaturabgleichsuszeptor befindliche Thermoelement nicht die als Prozessparameter wichtige Substrattemperatur misst, sondern lediglich die Temperatur des Temperaturabgleichsuszeptors.
• Es hat sich gezeigt, dass die Temperaturmessung bzw. die Kalibrierung der Messsysteme in den Epitaxiereaktoren durch vielfältige Faktoren unkontrollierbar beeinflusst werden:
  Beispielsweise wird mit Thermoelementen die Temperatur an der Unterseite des Suszeptors gemessen. Suszeptoren sind Verbrauchsmaterial, das in vorgegebenen Intervallen erneuert werden muss. Variationen bei den verwendeten Suszeptoren können dazu führen, dass die Wärmeübertragung zwischen Suszeptor und Halbleiterscheibe vom individuellen Suszeptor abhängig ist. Ebenso spielt die Einbaulage, sprich der Abstand der Thermoelementspitze von der Suszeptorunterseite, eine große Rolle. Es kann nicht sichergestellt werden, dass dieser Abstand immer exakt gleich eingestellt wird. Darüber hinaus befindet sich das Thermoelement mit der Messspitze in der Prozesskammer und ist permanent aggressiven Beschichtungs- und Ätzgasen ausgesetzt. Dies hat zur Folge, dass sich die Beschaffenheit des Quarzrohres, das den Thermoelementdraht umgibt, mit der Zeit verändert und somit die Temperaturmessung beeinträchtigt wird.
• Wird zur Temperaturmessung ein Pyrometer verwendet, so wird die Temperatur der Halbleiterscheibe von oben außerhalb der üblicherweise aus Quarz bestehenden Prozesskammer gemessen. Auch hier kann die Messung beeinträchtigt werden, da sich mit zunehmender Betriebszeit der Prozesskammer die Beschaffenheit der zwischen Pyrometer und Halbleiterscheibe befindlichen Quarzwand der Prozesskammer verändern kann. Beispielsweise können diese Veränderungen von einer unerwünschten Abscheidung von Halbleitermaterial auf der Innenseite der Quarzwand herrühren.
• Erfahrungsgemäß können die beschriebenen Einflüsse und Variationen nicht hinreichend kontrolliert werden, sodass Variationen in der Temperatur der Halbleiterscheiben während der Epitaxie nicht vermieden werden können. Dies hat wiederum variierende Eigenschaften der abgeschiedenen epitaktischen Schichten zur Folge. Erforderlich ist jedoch eine gleichbleibende Qualität der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheiben.
• Die US 6217651 beschreibt ein Kalibrierverfahren, das es erlaubt, die wahre bei der Abscheidung herrschende Temperatur aus der Dicke der abgeschiedenen epitaktischen Schicht zu ermitteln und auf diese Weise die Temperaturmessung bzw. -einstellung zu korrigieren. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Dicke der abgeschiedenen Schicht in einem gewissen Maß (abhängig von der Abscheidetemperatur) auch von den Gasmengen abhängig ist. Probleme in der Gasversorgung oder defekte (falsch kalibrierte) Massflowcontroller können bei Anwendung der in US 6217651 beschriebenen Methode zu erheblichen Fehlern bei der Temperaturkalibrierung führen.
• Es bestand daher die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, das es erlaubt, eine für einen bestimmten Epitaxieprozess vorgegebene Solltemperatur gleichmäßig für alle behandelten Halbleiterscheiben einzuhalten.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems eines Epitaxiereaktors, umfassend
  
• a) die Messung der Temperatur in der Prozesskammer des Epitaxiereaktors während der Abscheidung einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat mit Hilfe des Temperaturmesssystems,
• b) die Bestimmung der kurzwelligen Rauhigkeit der Oberfläche der abgeschiedenen epitaktischen Schicht und
• c) einer auf dem in b) bestimmten Wert der kurzwelligen Rauhigkeit basierenden Korrektur des Temperaturmesssystems.
• Erfindungsgemäß wird das Temperaturmesssystem eines Epitaxiereaktors kalibriert, indem die kurzwellige Rauhigkeit (engl. "haze") der Oberfläche der epitaktischen Schicht bestimmt wird (Schritt b)). Die kurzwellige Rauhigkeit ist eine Eigenschaft, die eindeutig von der während der Abscheidung der epitaktischen Schicht auf einem Substrat herrschenden Temperatur abhängig ist. Mit Hilfe des bekannten Zusammenhangs zwischen der Abscheidetemperatur und der in Schritt b) bestimmten kurzwelligen Rauhigkeit wird überprüft, ob die in Schritt a) durchgeführte Temperaturmessung korrekt war, und anschließend ggf. das Temperaturmesssystem korrigiert, d. h. neu kalibriert (Schritt c)).
• Im Folgenden wird die Erfindung mit bevorzugten Ausführungsformen anhand einer Figur näher beschrieben:
• Fig. 1 zeigt den Zusammenhang zwischen der Abscheidetemperatur und der kurzwelligen Rauhigkeit einer auf einem einkristallinen Silicium-Substrat abgeschiedenen epitaktischen Siliciumschicht.
• Um eine Kalibrierung des Temperaturmesssystems durchführen zu können, muss zunächst, vorzugsweise durch eine Reihe von Eichversuchen, der Zusammenhang zwischen der Abscheidetemperatur und der kurzwelligen Rauhigkeit bestimmt werden. Diese ist eindeutig von der Abscheidetemperatur abhängig, wie Fig. 1 zeigt. Als Abscheidetemperatur wird die Temperatur des Substrats während der Abscheidung der epitaktischen Schicht bezeichnet.
• Im Rahmen der Eichversuche werden mehrere Substrate bei unterschiedlichen Temperaturen und konstanten übrigen Prozessbedingungen epitaktisch beschichtet und anschließend die kurzwellige Rauhigkeit der abgeschiedenen epitaktischen Schicht bestimmt. Fig. 1 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der über die Scheibenfläche gemittelten kurzwelligen Rauhigkeit einer epitaktischen Siliciumschicht von der Abscheidetemperatur (quadratische Symbole) sowie die Rauhigkeit des Substrats (rautenförmige Symbole). Aus den Ergebnissen der Eichversuche wird, beispielsweise durch Interpolation oder Ausgleichsrechnung, der funktionale Zusammenhang zwischen der Abscheidetemperatur und der kurzwelligen Rauhigkeit ermittelt. In Fig. 1 zeigt die durchgezogene Linie den durch Ausgleichsrechnung ermittelten funktionalen Zusammenhang.
• Ist dieser Zusammenhang einmal bekannt, wird zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems in Schritt a) ein Substrat bei vorgegebenen Prozessbedingungen epitaktisch beschichtet, wobei die Temperatur gemessen und auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Das Substrat kann entweder ein in der regulären Produktion eingesetztes Substrat sein oder ein spezielles Substrat für Kalibrierungszwecke. Während der Abscheidung der epitaktischen Schicht auf dem Substrat wird mit dem Temperaturmesssystem des Epitaxiereaktors die Temperatur in der Prozesskammer gemessen. Dabei ist es unerheblich, welche Messmethode zum Einsatz kommt. Gängige Messmethoden verwenden, wie oben beschrieben, ein Thermoelement, das unterhalb des Suszeptors in der Prozesskammer angebracht ist, oder ein Pyrometer, das oberhalb der Prozesskammer installiert ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beiden Temperaturmesssysteme beschränkt, sondern kann für die Kalibrierung beliebiger Temperaturmesssysteme von Epitaxiereaktoren eingesetzt werden.
• In Schritt b) des Verfahrens wird die kurzwellige Rauhigkeit der Oberfläche der epitaktischen Schicht mit Hilfe einer geeigneten Messmethode ermittelt. Sie wird auch als "Haze" bezeichnet und vorzugsweise mit einem Oberflächeninspektionsgerät, das mit einem Laser die Oberfläche abrastert (abscannt), gemessen.
• In Schritt c) wird schließlich überprüft, ob die in Schritt a) gemessene Abscheidetemperatur korrekt war, und im Fall einer Abweichung das Temperaturmesssystem entsprechend korrigiert. Um diese Überprüfung durchzuführen, muss der funktionale Zusammenhang zwischen der Abscheidetemperatur und der in b) bestimmten kurzwelligen Rauhigkeit der Oberfläche der epitaktischen Schicht bekannt sein.
• Für die Überprüfung des Temperaturmesssystems in Schritt c) mit Hilfe des bekannten Zusammenhangs zwischen der Abscheidetemperatur und der in Schritt b) bestimmten kurzwelligen Rauhigkeit gibt es beispielsweise folgende gleichwertige Möglichkeiten:
• Einerseits kann in Schritt c) aus der in Schritt b) bestimmten kurzwelligen Rauhigkeit des epitaktisch beschichteten Substrats mit Hilfe des funktionalen Zusammenhangs die Temperatur ermittelt werden, bei der die Abscheidung der epitaktischen Schicht tatsächlich stattgefunden hat. Mit Hilfe des funktionalen Zusammenhangs lassen sich alle in Schritt b) gemessenen Werte der kurzwelligen Rauhigkeit in die entsprechenden Abscheidetemperaturen umrechnen. Dabei ist zu beachten, dass die übrigen Parameter des Epitaxieprozesses (z. B. Strömungsgeschwindigkeit und Zusammensetzung des Prozessgases, Druck in der Prozesskammer, Materialeigenschaften des Suszeptors) entweder den Bedingungen entsprechen müssen, unter denen die Eichversuche durchgeführt wurden, oder keinen Einfluss auf die kurzwellige Rauhigkeit der Oberfläche der epitaktischen Schicht haben dürfen.
• Andererseits kann in Schritt c) aber auch die in b) bestimmte kurzwellige Rauhigkeit (Istwert) mit dem aufgrund der in a) gemessenen Temperatur erwarteten Sollwert oder Zielwert der kurzwelligen Rauhigkeit verglichen werden. Aus der Differenz zwischen Soll- und Istwert wird anschließend unter Verwendung des funktionalen Zusammenhangs die entsprechende Temperaturdifferenz berechnet. Diese Variante ist vorzugsweise anwendbar, wenn der Zusammenhang zwischen Abscheidetemperatur und kurzwelliger Rauhigkeit linear ist. Im Fall einer epitaktischen Abscheidung von Silicium auf einem einkristallinen Siliciumsubstrat ist diese Bedingung etwa im Temperaturbereich zwischen 1040°C und 1120°C erfüllt, wie Fig. 1 zeigt.
• Die derart ermittelte tatsächliche Abscheidetemperatur oder die entsprechende Temperaturdifferenz zwischen der in a) gemessenen und der tatsächlichen Abscheidetemperatur dient als Basis für die Korrektur des in a) verwendeten Temperaturmesssystems. Diese Korrektur setzt voraus, dass das Temperaturmesssystem mindestens einen variablen Parameter aufweist, durch dessen Veränderung das Temperaturmesssystem justiert werden kann. Weicht die in a) gemessene Temperatur von der tatsächlichen Abscheidetemperatur um einen bestimmten Wert ab, so wird der variable Parameter um einen entsprechenden Wert verändert und auf diese Weise das Temperaturmesssystem neu kalibriert.
• Wird für die Temperaturmessung ein Pyrometer eingesetzt, wird zu diesem Zweck vorzugsweise die Emissionsstärke (Emissivity) des Pyrometers verändert. Es kann eine direkte Korrelation zwischen der Differenz der kurzwelligen Rauhigkeiten und der Emissionsstärke des Pyrometers hergestellt werden.
• Wird für die Temperaturmessung ein Thermoelement verwendet, wird zur Korrektur von Abweichungen vorzugsweise die Versorgungsspannung des Thermoelements verändert. Dies geschieht vorzugsweise mit einem zum Thermoelement in Reihe geschalteten regulierbaren Widerstand (Potentiometer). Es kann eine direkte Korrelation zwischen der Differenz der kurzwelligen Rauhigkeiten und der Potentiometereinstellung hergestellt werden.
• Der Zwischenschritt über die Bestimmung der Abscheidetemperatur kann auch entfallen, wenn ein direkter Zusammenhang zwischen der Abweichung der kurzwelligen Rauhigkeit vom Zielwert und der zur Kompensation notwendigen Veränderung des variablen Parameters bekannt ist.
• Die erfindungsgemäße Kalibrierung kann beispielsweise laufend erfolgen, d. h. mit jedem epitaktisch beschichteten Substrat. Da in der Regel jedes Substrat nach der epitaktischen Beschichtung ohnehin einer Oberflächeninspektion unterworfen wird, kann prinzipiell mit jedem beschichteten Substrat eine Neukalibrierung des Temperaturmesssystems erfolgen.
• Bevorzugt wird die Neukalibrierung jedoch mit stichprobenartig ausgewählten Substraten durchgeführt, besonders bevorzugt in vorbestimmten Zeit- oder Mengenintervallen. In vorgegebenen Zeitintervallen oder nach einer vorgegebenen Produktionsmenge wird mindestens ein Substrat ausgewählt, um eine Neukalibrierung des Temperaturmesssystems durchzuführen. Dazu können auch speziell für diesen Zweck bestimmte Substrate verwendet werden, was bevorzugt ist. Besonders bevorzugt ist es, nach einem vorgegebenen Zeit- oder Mengenintervall eine speziell für die Kalibrierung vorgesehene Substratscheibe einem speziellen dafür vorgesehenen Epitaxieprozess mit vorgegebenen Parametern (Prozessbedingungen) zu unterwerfen. Diese Variante ist deshalb besonders bevorzugt, weil man dafür nur einmal den funktionalen Zusammenhang zwischen der Abscheidetemperatur und der kurzwelligen Rauhigkeit bestimmen muss. In diesem Fall werden die Prozessbedingungen vorzugsweise so gewählt, dass die kurzwellige Rauhigkeit möglichst stark (und evtl. linear) von der Abscheidetemperatur abhängig ist. Die Abhängigkeit der Rauhigkeit von den übrigen Prozessparametern ist gering.
• Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems herangezogene Eigenschaft der kurzwelligen Rauhigkeit direkt und eindeutig von der Substrattemperatur während der Abscheidung der epitaktischen Schicht abhängig ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren stellt darüber hinaus eine sehr einfache und schnelle Methode dar, die auch eine häufige Neukalibrierung des verwendeten Temperaturmesssystems, beispielsweise in vorgegebenen Intervallen, erlaubt. Diese Intervalle werden vorzugsweise derart festgelegt, dass die Neukalibrierung immer rechtzeitig durchgeführt wird, bevor aufgrund der Drift des Temperaturmesssystems Produktionsprobleme auftreten, die zu einer ungleichmäßigen Qualität der epitaktisch beschichteten Scheiben führen. Dagegen sind die herkömmlichen Methoden (z. B. die Kalibrierung mittels Temperaturabgleichsuszeptor) wesentlich aufwendiger und werden daher in der Regel nur nach einer Wartung der Anlage durchgeführt. Dies hat zur Folge, dass eine Drift des Temperaturmesssystems nicht rechtzeitig erkannt und korrigiert wird.
• Besonders vorteilhaft wirkt sich das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn mehrere Epitaxiereaktoren des gleichen Typs in der Produktion installiert sind und wenn ein Produktionsauftrag mit mehreren Reaktoren abgearbeitet wird. In diesem Fall kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Temperaturkalibrierung sichergestellt werden, dass die Halbleiterscheiben bei der epitaktischen Beschichtung in allen Reaktoren die gleiche Abscheidetemperatur erfahren, unabhängig davon, welchen zeitlichen Veränderungen die Temperaturmesssysteme in den verschiedenen Reaktoren unterworfen sind. Somit ist durch das erfindungsgemäße Verfahren sichergestellt, dass alle, auch in verschiedenen Reaktoren, epitaktisch beschichteten Halbleiterscheiben bei identischen Temperaturen prozessiert werden und somit die gleichen Eigenschaften aufweisen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der epitaktischen Beschichtung aller denkbaren Substrate eingesetzt werden, vorzugsweise jedoch bei der epitaktischen Beschichtung von Halbleiterscheiben, insbesondere von Siliciumscheiben.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kalibrierung des Temperaturmesssystems eines Epitaxiereaktors, umfassend

a) die Messung der Temperatur in der Prozesskammer des Epitaxiereaktors während der Abscheidung einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat mit Hilfe des Temperaturmesssystems,

b) die Bestimmung der kurzwelligen Rauhigkeit der Oberfläche der abgeschiedenen epitaktischen Schicht und

c) einer auf dem in b) bestimmten Wert der kurzwelligen Rauhigkeit basierenden Korrektur des Temperaturmesssystems.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der in b) bestimmten kurzwelligen Rauhigkeit des epitaktisch beschichteten Substrats mittels eines funktionalen Zusammenhangs die Temperatur bestimmt wird, die während der Abscheidung der epitaktischen Schicht tatsächlich geherrscht hat, dass diese Temperatur mit der in a) gemessenen Temperatur verglichen wird und durch diesen Vergleich ermittelt wird, wie das Temperaturmesssystem in Schritt c) korrigiert werden muss.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in b) bestimmte kurzwellige Rauhigkeit des epitaktisch beschichteten Substrats mit einem vorgegebenen Sollwert der kurzwelligen Rauhigkeit durch Differenzbildung verglichen wird, anschließend aus der Differenz mittels eines funktionalen Zusammenhangs eine entsprechende Differenz zwischen Soll- und Istwert der Abscheidetemperatur berechnet und aus dieser wiederum ermittelt wird, wie das Temperaturmesssystem in Schritt c) korrigiert werden muss.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmesssystem ein Pyrometer ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur durch eine Veränderung der Emissionsstärke des Pyrometers erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturmesssystem ein Thermoelement ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur durch eine Veränderung der Versorgungsspannung des Thermoelements erfolgt.