DE69906475T2 - In situ wachstum von oxid und silizium schichten - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Bildung von Oxid- und Siliciumschichten in einer einzelnen Halbleiterverarbeitungskammer und spezieller die thermische Oxidation in einer Abscheidungskammer für epitaxisches Silicium als Einzelplättchen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Hochtemperaturöfen, genannt Reaktoren, werden verwendet, um Strukturen von sehr feiner Abmessung zu erzeugen, wie integrierte Schaltkreise auf Halbleitersubstraten. Ein oder mehrere Substrate, wie Siliciumplättchen, werden auf einem Plättchenträger innerhalb der Reaktionskammer angeordnet. Sowohl das Plättchen als auch der Träger werden auf eine erwünschte Temperatur erhitzt. In einer typischen Plättchenbehandlungsstufe werden Reaktionspartnergase über das erhitzte Plättchen geleitet, was die chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) einer dünnen Schicht des Reaktionspartnermaterials auf dem Plättchen verursacht. Verschiedene Verfahrensbedingungen, besonders die Gleichmäßigkeit der Temperatur und die Verteilung des Reaktionspartnergases, müssen sorgfältig kontrolliert werden, um hohe Qualität der resultierenden Schichten zu gewährleisten.
  • Durch eine Reihe von Abscheidungs-, Dotier-, Photolithographie- und Ätzstufen werden das Ausgangssubstrat und die anschließenden Schichten in integrierte Schaltkreise umgewandelt, wobei eine Einzelschicht aus zehn bis Tausenden oder selbst Millionen integrierter Einrichtungen produziert werden, je nach der Größe des Plättchens und der Kompliziertheit der Schaltkreise.
  • Ansatzverfahren wurden traditionell in der Halbleiterindustrie verwendet, um gleichzeitig Mehrfachplättchen zu verarbeiten und so wirtschaftlich niedriger Verarbeitungszeiten und Kosten je Plättchen zu verursachen. Jüngste Fortschritte bei der Miniaturisierung und der damit verbundenen Schaltkreisdichte verminderten jedoch die Toleranzen für fehlende Perfektion bei der Halbleiterverarbeitung. Demnach wurden Einzelplättchen auf Verarbeitungsreaktoren entwickelt, um die Abscheidungsbedingungen besser steuern zu können.
  • Unter anderen Verfahrensparametern verbesserte die Einzelplättchenbearbeitung stark die Temperatur und Gasflußverteilung über das Plättchen hin. Im Austausch gegen größere Verfahrenskontrolle jedoch wurde die Bearbeitungszeit noch kritischer als mit Ansatzsystemen. Jede Sekunde, die zu Verarbeitungszeiten hinzukommt, muß mit der Anzahl der Plättchen, die in Reihe gleichzeitig in derselben Verarbeitungskammer für Einzelplättchen bearbeitet werden, multipliziert werden. Umgekehrt kann jede Verbesserung des Plättchendurchsatzes in signifikante Fabrikationskosteneinsparungen umgerechnet werden.
  • Ein Verfahren, für welches eine Verfahrenskontrolle besonders kritisch und Einzelplättchenbearbeitung besonders brauchbar ist, ist die Bildung epitaxischer Schichten. Wenn die abgeschiedene Schicht die gleiche kristallographische Struktur wie das darunterliegende Siliciumplättchen hat, wird sie als eine epitaxische Schicht bezeichnet. Trotz sorgfältiger Kontrolle der Abscheidebedingungen gehen Reaktionspartnergase über ein erhitztes Substrat derart, daß die abgeschiedene Art in Übereinstimmung mit der darunterliegenden Kristallstruktur ausfällt, die sich somit in die wachsende Schicht hinein erstreckt. Wie in der Technik bekannt ist, können epitaxische Schichten aus eigenständigem oder dotiertem Silicium, Silicium-Germanium oder anderen Halbleitermaterialien gebildet werden. Der niedrigste Level von Vorrichtungen, die Transistoren einschließen, werden oftmals mit einer epitaxischen Schicht gebildet, die über einem Halbleitersubstrat erzeugt wurde.
  • Da integrierte Schaltkreise in der epitaxischen Schicht gebildet werden, ist es wichtig, daß die epitaxische Schicht eine reine Kristallstruktur frei von Verunreinigung, die das Arbeiten der Einrichtung beeinträchtigen könnte, erhält. Die Reinheit und kristalline Struktur des darunterliegenden Substrates (oder einer anderen Basisschicht) vor der epitaxischen Abscheidung ist ein Faktor, der die resultierende epitaxische Schicht beeinträchtigt. Verunreinigungen auf der Substratoberfläche können die Kristallstruktur der epitaxischen Schicht oder die elektrischen Eigenschaften einer aus der epitaxischen Schicht gemachten Einrichtung beeinträchtigen. Ähnlich werden Kristallverschiebungen in der darunterliegenden Schicht durch die wachsende epitaxische Schicht gefördert. Natürlich kann die Verunreinigung der epitaxischen Schicht nach ihrer Bildung auch kritisch die elektrischen Eigenschaften der darin gebildeten Vorrichtungen beeinträchtigen.
  • Es besteht somit weiterhin ein Bedarf an Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen vor der chemischen Dampfabscheidung und unter Haltung der Reinheit einer abgeschiedenen Schicht nach der Bildung. Erwünschtermaßen sollten solche Methoden kompatibel mit Abscheidekammern für Einzelplättchen von epitaxischem Silicium ohne Steigerung der Systemkosten oder Reduzierung des Plättchendurchsatzes.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese und andere Notwendigkeiten werden durch mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung befriedigt.
  • Nach einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Siliciumabscheidungsreaktor mit einer Kantenwand, einer Reaktionskammer für ein einzelnes Substrat mit einem Reaktionsgaseinlaß und einem Reaktionsgasauslaß, die einen Gasströmungsweg dazwischen begrenzen, wobei der Reaktor sowohl für thermische chemische Abscheidung aus der Dampfphase als auch thermische Oxidation gestaltet ist, einem Träger zum Unterstützen eines Substrates in dem Gasströmungsweg in der Reaktionskammer, einer Wasserstoffgasquelle, die für ein Durchströmen der Reaktionskammer als ein Trägergas während epitaxischer Siliciumabschei dung geeignet ist, einer Quelle für siliciumhaltiges Gas, einer Quelle eines gasförmigen Oxidationsmittels, das für thermisches Wachstum von Siliciumdioxid von einer Siliciumschicht und Gasleitungen, die die Gasquellen mit der Reaktionskammer verbinden.
  • Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese einen Reaktor zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase mit einer Verfahrenskammer mit kalter Wand für ein einzelnes Plättchen und mit wenigstens einem Gaseinlaß und wenigstens einem Gasaus-laß, einer ersten Gasleitung, die eine Verbindung von Wasserstoffgas zwischen einem Wasserstoffbehälter und der Verfahrenskammer herstellt, und einer zweiten Gasleitung, die die Verbindung eines Gemisches von Sauerstoff und einem nichtreaktiven Gases zwischen einem Oxidationsmittelquellenbehälter und der Verfahrenskammer herstellt, wobei in dem Gemisch der Sauerstoffgehalt derart ist, daß das Gemisch in Gegenwart einer Wasserstoffmenge unter Arbeitsbedingungen der Verfahrenskammer nicht explosiv ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung befaßt sich diese mit einem Verfahren zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten unter Bildung einer epitaxischen Schicht, die Silicium in einer Kammer mit kalter Wand und für ein einzelnes Substrat für chemische Abscheidung aus der Dampfphase sowie Bildung einer Oxidschicht über der epitaxischen Schicht durch thermale Oxidation in der Kammer umfaßt.
  • Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung befaßt sich diese mit einem Verfahren zur Verarbeitung eines Halbleitersubstrates mit Einführung des Substrates in eine Kammer mit kalter Wand für ein einzelnes Substrat für chemische Abscheidung aus der Dampfphase, Einführung einer Oxidationsgasquelle einschließlich O2 in die Kammer und thermisches Wachstum eines Oxids von einer Siliciumoberfläche des Substrates, Abstellen des Stromes der Oxidationsmittelgasquelle und Spülen der Oxidationsgasquelle aus der Kammer mit einem wasserstoffhaltigen Gas.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden für den Fachmann leicht verständlich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, worin
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung einer exemplarischen Reaktionskammer mit einem einzelnen Substrat ist,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Gasstromes, der Gasquellen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert,
  • 3 ein Fließbild ist, das allgemein Stufen für die Behandlung von Substraten gemäß der bevorzugten Ausführungsform zeigt,
  • 4 ein teilweise schematischer Abschnitt eines nach einer bevorzugten Ausführungsform verarbeiteten Substrates ist und
  • 5 eine dreidimensionale graphische Darstellung ist, die die Wirkung von Silanströmen und Temperatur bei der Oxidsublimation erläutert,
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen im Kontext einer Abscheidung von epitaxischem Silicium als Einzelsubstrat diskutiert sind, ist doch verständlich, daß bestimmte Aspekte der Erfindung auch auf nichtepitaxische Schichten und Abscheidungsreaktoren anderer Typen anwendbar sind. Außerdem ist hier zwar eine Reihe von Verfahrensstufen für die Behandlung eines einzelnen Substrates beschrieben, doch wird ein Fachmann die Brauchbarkeit bestimmter beschriebener Stufen selbst in Abwesenheit einiger der offenbarten Stufen erkennen.
  • 1 zeigt einen Reaktor 10 für chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) mit einer Quarz-Verfahrens- oder Reaktionskammer 12, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gebaut ist und für die die hier beschriebenen Verfahren besonders brauchbar sind. Der erläuterte Reaktor 10 ist speziell gestaltet, um epitaxische Abscheidung von Silicium zu einem Zeitpunkt auf einem einzelnen Substrat zu optimieren, obwohl er auch für CVD einer Anzahl verschiedener Schichttypen verwendet werden kann, wie sich aus der nachfolgenden Diskussion der 3 ergibt.
  • Mehrere Strahlungswärmequellen werden außerhalb der Kammer 12 gehaltert, um Wärmeenergie für die Kammer 12 ohne merkliche Absorption durch die Quarzwände der Kammer 12 zu erzeugen. Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen in dem Kontext als ein CVD-Reaktor mit "kalter Wand" zur Bearbeitung von Halbleiterplättchen beschrieben sind, wird verständlich sein, daß die Bearbeitungsmethoden, die hier beschrieben sind, auch in Verbindung mit anderen Heiz/Kühlsystemen brauchbar sind, wie mit jenen, die Induktivheizung oder Widerstandsheizung verwenden.
  • Die erläuterten Strahlungswärmequellen umfassen eine obere Heizanordnung von länglichen röhrenartigen Strahlungsheizelementen 13. Die oberen Heizelemente 13 sind vorzugsweise in einer Parallelbeziehung mit Abstand dazwischen angeordnet, und ebenfalls im wesentlichen parallel zu dem Reaktionspartnergasstromweg durch die darunterliegende Reaktionskammer 12. Eine untere Heizanordnung umfaßt ähnliche längliche röhrenartige Strahlungsheizelemente 14 unter der Reaktionskammer 12, vorzugsweise in Ausrichtung quer zu den oberen Heizelementen 13. Erwünschtermaßen wird ein Teil der Strahlungswärme diffus in die Kammer 12 durch rauhe spiegelnde Reflektorplatten oberhalb und unterhalb der oberen und unteren Lampen 13 bzw. 14 reflektiert. Außerdem führt eine Mehrzahl von Punktlampen 15 konzentrierte Wärme zu der Unterseite der Plättchenträgerstruktur (nachfolgend beschrieben), um einem Wärmesenkeffekt entgegenzuwirken, der sich durch kalte Trägerstrukturen durch den Boden der Reaktionskammer 12 erstreckt.
  • Jedes der länglichen röhrenförmigen Heizelemente 13, 14 ist vorzugsweise eine Wolframfadenlampe mit hoher Intensität und einer transparenten Quarzumhüllung und einem Gehalt an Halogengas, wie Jod. Solche Lampen erzeugen Strahlungswärmeenergie mit dem vollen Spektrum, und diese wird durch die Wände der Reaktionskammer 12 ohne merkliche Absorpti on übertragen. Wie nach dem Stand der Technik bezüglich Halbleiterbearbeitungsanlagen bekannt ist, kann die Stärke der verschiedenen Lampen 13, 14, 15 unabhängig oder in gruppierten Zonen in Reaktion auf Temperaturfühler gesteuert werden.
  • Ein Substrat, vorzugsweise mit einem Siliciumplättchen 16, ist in der Reaktionskammer 12 auf einem Substrat oder einer Plättchenträgerstruktur 18 getragen gezeigt. Man bemerke, daß, während das Substrat der erläuterten Ausführungsform ein Einkristallsiliciumplättchen ist, es dennoch verständlich ist, daß der Begriff "Substrat" in seiner Breite irgendeine Oberfläche bedeutet, auf welcher eine Schicht ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist oftmals ein Reinigen und die Verhinderung von Verunreinigung bei der Abscheidung von Schichten auf anderen Substraten erforderlich, wie, ohne Beschränkung hierauf, bei der Abscheidung optischer dünner Filme auf Glas oder anderen Substraten.
  • Die erläuterte Trägerstruktur 18 enthält einen Plättchenhalter 20, auf welchem das Plättchen 16 ruht, und ein Trägerzwischenfutter 22. Das Zwischenfutter 22 ist an einer Welle 24 befestigt, die sich abwärts durch eine Röhre 26 erstreckt, die von der unteren Wand der Kammer 12 aus hängt. Vorzugsweise steht die Röhre 26 in Verbindung mit einer Spülgasquelle, die während des Prozesses fließen kann und Arbeitsgase daran hindert, zu der Rückseite des Plättchens 16 zu entweichen.
  • Eine Mehrzahl von Temperaturfühlern ist in der Nachbarschaft des Plättchens 16 angeordnet. Die Temperatursensoren können irgendeine von verschiedenen Formen annehmen, wie die optischer Pyrometer oder Thermoelemente. Die Anzahl und Positionen der Temperaturfühler werden so ausgewählt, daß man eine gleichmäßige Temperatur fördert, wie im Lichte der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Temperatursteuereinrichtung verständlich ist. Vorzugsweise fühlen jedoch die Temperaturfühler die Temperatur von Positionen in Nachbarschaft zu dem Plättchen direkt oder indirekt ab.
  • Bei der erläuterten Ausführungsform umfassen die Temperaturfühler Thermoelemente, die ein erstes oder mittiges Thermoelement 28 einschließen, welches unter dem Plättchenhalter 20 in irgendeiner geeigneten Weise aufgehängt ist. Das erläuterte mittige Thermoelement 28 verläuft über dem Zwischenfutter 22 in der Nähe des Plättchenhalters 22. Der Reaktor 10 enthält weiterhin mehrere sekundäre oder periphere Thermoelemente, die sich auch in Nachbarschaft zu dem Plättchen 16 befinden und eine Vorderkante oder ein Frontthermoelement 30, eine Hinterkante oder ein hinteres Thermoelement 31 und ein Seitenthermoelement 31 (nicht gezeigt) einschließen. Jedes der peripheren Thermoelemente ist in einem Schleifring 32 untergebracht, welcher mit einer Temperatursteuereinrichtung verbunden ist, die die Stärke der verschiedenen Heizelemente 14 in Reaktion auf die Ablesungen der Thermoelemente einstellt.
  • Zusätzlich zu dem Gehäuse der peripheren Thermoelemente absorbiert und emittiert der Schleifring 32 Strahlungswärme während eines Arbeitens bei hoher Temperatur, so daß er eine Tendenz zu größeren Wärmeverlusten oder Absorption an den Plättchenkanten kompensiert, ein Phänomen, welches bekanntermaßen infolge eines größeren Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen in Bereichen nahe den Kanten auftritt. Durch Minimierung von Kantenverlusten und Beibehaltung von Strahlungstemperaturungleichmäßigkeiten über das Plättchen 16 hin kann der Schleifring 32 die Gefahr von kristallographischem Schlupf vermindern. Der Schleifring 32 kann mit irgendeiner geeigneten Einrichtung aufgehängt werden. Beispielsweise ruht der erläuterte Schleifring 32 auf Kniestücken 34, die an einer Vorderkammertrenneinrichtung 36 und einer Hinterkammertrenneinrichtung 38 hängen. Die Trenneinrichtungen 36, 38 bestehen erwünschtermaßen aus Quarz.
  • Die erläuterte Reaktionskammer 12 enthält eine Einlaßöffnung 40 für das Einspritzen von Reaktionspartner und Trägergasen, und das Plättchen 16 kann auch hierdurch aufgenommen werden. Eine Auslaßöffnung 42 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer 12, wobei die Plättchenträgerstruktur 18 zwischen dem Einlaß 40 und dem Auslaß 42 positioniert ist.
  • Eine Einlaßkomponente 50 ist auf die Reaktionskammer aufgesetzt und so ausgebildet, daß sie die Einlaßöffnung 40 umgibt, und enthält einen horizontal länglichen Schlitz 52, durch welchen das Plättchen 16 eingeführt werden kann. Ein allgemein vertikaler Einlaß 54 nimmt Gase von entfernten Quellen auf, wie vollständiger unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird, und bringt solche Gase in Verbindung mit dem Schlitz 52 und der Einlaßöffnung 40. Der Einlaß 54 kann Gasinjektoren enthalten, wie in der US-Patentschrift Nr. 5 221 556 von Hawkins et al. oder in bezug auf die 21 bis 26 der US-Patentanmeldung Nr. 08/637 616, angemeldet am 25. April 1996, beschrieben ist. Solche Injektoren sind dazu bestimmt, die Gleichmäßigkeit des Gasflusses für den Reaktor mit einem einzelnen Plättchen zu maximieren.
  • Eine Auslaßkomponente 56 ist ähnlich an der Verfahrenskammer 12 derart befestigt, daß eine Abgasöffnung 58 mit der Auslaßöffnung 42 fluchtet und zu Abgasleitungen 60 führt. Die Leitung 60 ihrerseits steht in Verbindung mit geeigneten Vakuumeinrichtungen (nicht gezeigt), um Prozeßgase durch die Kammer 12 zu ziehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Prozeßgase durch die Reaktionskammer 12 und einen abwärts gerichteten Gaswäscher ohne Zuhilfenahme einer Pumpe gezogen. Obwohl bei anderen Anordnungen eine Pumpe oder ein Ventilator einbezogen sein können, um das Ziehen von Prozeßgasen durch die Kammer 12 zu unterstützen, ist der bevorzugte Reaktor nicht als eine Vakuumkammer gestaltet, wie dieser Begriff in der Technik der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase verstanden wird.
  • Plättchen gehen vorzugsweise von einer Handhabungskammer (nicht gezeigt) aus, welche von der Umgebung isoliert ist, durch den Schlitz 52 mit Hilfe einer Aufnehmereinrichtung. Obwohl eine Gabel oder ein Paddel als die Handhabungseinrichtung dienen kann, umfaßt die bevorzugte Aufnehmereinrichtung einen Handleseknopf, welcher Gasströme mit hoher Geschwindigkeit in Winkeln abschießt, wie in der US-Patentschrift Nr. 4 846 102 beschrieben ist. Die Gasströme erzeugen eine Niederdruckzone über dem Plättchen, wenn sie nahe an das obere Ende einer Plättchenoberfläche gebracht werden, was bewirkt, daß das Plättchen abhebt. Die Handhabungskammer und die Verarbeitungskammer 12 werden vorzugsweise durch ein (nicht gezeigtes) Schieberventil des in der US-Patentschrift Nr. 4 828 224 beschriebenen Typs voneinander getrennt.
  • Die Gesamtvolumenkapazität für einzelne Plättchen, die beispielsweise zur Verarbeitung von Plättchen mit 200 mm bestimmt sind, ist vorzugsweise geringer als etwa 30 l, stärker bevorzugt weniger als etwa 20 l und am meisten bevorzugt weniger als etwa 10 l. Die erläuterte Kammer hat eine Kapazität von etwa 7,5 l. Da die Kammer 12 durch die Trenneinrichtungen 32, 38, die Plättchenaufnahme 20, den Ring 32 und das Spülgas, das von der Röhre 26 aus fließt, geteilt ist, ist jedoch das effektive Volumen, durch welches Prozeßgase fließen, etwa die Hälfte des Gesamtvolumens (etwa 3,77 l in der erläuterten Ausführungsform). Natürlich ist verständlich, daß das Volumen der Verfahrenskammer 12 für ein einzelnes Plättchen verschieden sein kann, je nach der Größe der für die Verarbeitung darin bestimmten Plättchen. Beispielsweise hat eine Verarbeitungskammer der erläuterten Art für ein einzelnes Plättchen, aber für Plättchen von 300 mm, vorzugsweise eine Kapazität von weniger als etwa 100 l, vorzugsweise weniger als etwa 60 lund am meisten bevorzugt weniger als etwa 30 l. Eine Verarbeitungskammer mit einem Plättchen von 300 mm hat ein Gesamtvolumen von etwa 24 lmit einer effektiven Prozeßgaskapazität von etwa 11,83 l
  • Wie in 3 gezeigt, ist eine erste Stufe in der bevorzugten Methode diejenige, ein einzelnes Plättchen in die Reaktionskammer 12 (1) einzuführen. Wie in dem Abschnitt "Hintergrund" oben dargelegt, kann die Reinheit einer Substratoberfläche die Qualität einer darauf abgeschiedenen Schicht beeinflussen, besonders für epitaxische abgeschiedene Schichten. Eine gemeinsame Verunreinigungsquelle für Halbleitersubstrate ist natürliches Oxid, welches sich naturgemäß auf nackten Siliciumoberflächen bildet, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt werden. Kohlenstoffverunreinigungen neigen auch dazu, auf der Oberfläche von Halbleiterplättchen gefunden zu werden, wenn sie von Plättchenanlieferern empfangen werden.
  • Eine solche Einwirkung und Verunreinigung sind beim Transport von Plättchen vom Verkäufer zu Fabrikationsanlagen und um die Prozeßanlage herum unvermeidbar. Typischerweise sind beispielsweise polierte Siliciumplättchen von unabhängigen Zulieferern vorgesehen. Noch eine andere Gruppe von Zulieferern erhält oftmals Plättchen, die epitaxische Schichten tragen, und liefern diese an Fabrikationsanlagen. Selbst wenn epitaxische Schichten und spätere Fabrikationsstufen in derselben Anlage durchgeführt werden, werden Plättchen oftmals atmosphä-rischen Verunreinigungen und plastischer Handhabung zwischen den Bearbeitungsstufen bei verschiedenen Teilen der Anlage ausgesetzt.
  • Ein Verfahren zur Entfernung von natürlichem Oxid ist das, das Substrat Wasserstoff in einer Hochtemperatureinbrennstufe oder Erhitzungsstufe auszusetzen. Siliciumdioxid (SiO2) auf der Substratoberfläche neigt dazu, als SiO2 zu sublimieren, das eine reine Substratoberfläche zurückläßt, die fertig für die epitaxische Abscheidung ist. Solche Wasserstoffeinbrennstufen waren allgemein nur bei relativ hohen Temperaturen während langer Zeitdauer (z. B. bei etwa 1200°C während etwa 90 sec) wirksam. Die hohen Temperaturen und langen Behandlungszeiten dürften erforderlich sein, Kohlenstoffverunreinigungen in die Substratmasse und weg von der Oberfläche diffundieren zu lassen. Kleine Temperaturungleichmäßigkeiten während der Stufen mit solch hoher Temperatur können selbst kristallographische Verlagerungen oder Verschiebungen verursachen. Außerdem verlängert ein Temperaturanstieg bis zu Wasserstofferhitzungstemperaturen und dann zurück abwärts zu epitaxischer Abscheidung die Produktionszeit und erhöht die Kosten für jedes bearbeitete Plättchen.
  • Traditionelle Alternativen zu Wasserstofferhitzung schließen Fluorwasserstoffsäure (HF)-Naßvorreinigung oder HF-Dampfätzung ein. Die Extrahandhabungs- und Verfahrensstufen erforderten jedoch durch ex situ-Verfahren längere Produktionszeiten und beachtlich erhöhte Kosten, während Fluorverfahren unverträglich mit den meisten Reaktoren mit kalter Wand (Quarzkammer) sind.
  • Die US-Patentschrift Nr. 3 926 715 von Süssmann beschreibt eine andere Methode zur Reinigung von Siliciumsubstraten vor epitaxischer Abscheidung. Im Kontext zum Arbeiten im Ansatzreaktor beschreibt Süssmann das Oxidieren und Erhitzen mehrerer Siliciumplättchen bei hohen Temperaturen. Die Gesamtbehandlung bei diesen hohen Temperaturstufen dauert jedoch etwa 7 bis 22 min. Wie oben festgestellt, neigt die hohe Wahrscheinlichkeit kleiner Temperaturungleichmäßigkeiten während solch verlängerter hoher Temperaturstufen dazu, kristallographischen Versatz in einem Umfang zu erzeugen, der für heutige Schaltkreise mit hoher Dichte unannehmbar ist.
  • Darüber hinaus erzeugt die Verwendung von Sauerstoff und Wasserstoff in demselben Reaktor eine ernsthafte Explosionsgefahr. Obwohl das Strömen von. reinem Gas zwischen Sauerstoffstufen und Wasserstoffstufen für die bei Süssmann beschriebene Reaktortype wirksam sein kann, ist es unwahrscheinlich, daß sie für den Einzelplättchenreaktor wirksam ist, dessen Gestaltung in 1 erläutert ist. Selbst ein Funke oder eine kleinere Explosion, die durch restliches H2-Gas (beispielsweise unter den Teilungseinrichtungen 36, 38 eingeschlossen) verursacht werden, können die Quarzwände der Kammer mit kalter Wand 12 zerstören, während Sauerstoff strömt oder vice versa. Traditionellerweise wurde daher die Verwendung von Sauerstoff und Wasserstoff in einer Kammer für ein einzelnes Plättchen mit Gleichstrom oder selbst aufeinanderfolgender Verwendung von Sauerstoff und Wasserstoff nicht als gewerblich durchführbar angesehen, besonders in epitaxischen Reaktoren, für welche hohe Strömungsgeschwindigkeiten von Wasserstoff typischerweise für Trägergas, zum Spülen und für Oxidsublimation verwendet werden. Die Explosionsgefahr durch Wechselwirkung von Oxidationsmitteln mit H2 ist auch besonders hoch für CVD-Reaktoren mit Atmosphärendruck im Vergleich mit Vakuumkammern.
  • 2 zeigt schematisch eine Gasleitung gemäß der bevorzugten Ausführungsform. Der Reaktor 10 ist mit einer Quelle 70 für Oxidationsmittel oder Oxidans versehen. Die Oxidansquelle 70 kann irgendeines aus einer Zahl bekannter Oxidantien umfassen, wie NO, H2O, N2O oder HCOOH, HClO3 und besonders ein flüchtiges Oxidationsmittel, doch am meisten bevorzugt umfaßt sie Sauerstoffgas (O2), wie für Trockenoxidation hoher Qualität benutzt werden kann. Die bevorzugte Oxidationsmittelquelle 70 umfaßt einen Behälter oder ein anderes Behältnis, welches ein Gemisch eines Oxidationsmittels und eines nichtreaktiven Gases, wie N2, stärker bevorzugt eines Edelgases oder Inertgases, wie Ar, He oder Ne, enthält. Das Gemisch in der bevorzugten Oxidationsmittelquelle 70 ist so beschaffen, daß es nicht explosiv ist, selbst wenn das nichtreaktive Gas durch reinen Wasserstoff ersetzt würde. Ein solches Gemisch wird nicht explosiv sein, wenn es in irgendeiner Zusammensetzung mit reinem Wasserstoff (H2) vermischt wird.
  • Insbesondere ist der Prozentsatz an Oxidationsmittel in dem Gemisch geringer als die Explosionsgrenze für Gemische des Oxidationsmittels mit H2. Für Sauerstoffgas liegt die Explosionsgrenze bei etwa 6,1 Vol.% O2 bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck. Es ist verständlich, daß sich bei unterschiedlichen Temperatur- und Druckbedingungen die Explosionsgrenze etwas von jener unterscheidet, die oben angegeben ist, und leicht für spezielle Reaktorbedingungen durch einen Fachmann erhalten werden können.
  • Unter der Explosionsgrenze wird das Gemisch von O2 und Inertgas nicht explodieren, selbst wenn das gesamte Inertgas durch H2 ersetzt wird. Demnach ist das gespeicherte Gemisch "sicher", wenn es an einen Reaktor mit hohen H2-Fließgeschwindigkeiten angekoppelt ist, selbst wenn man bei Atmosphärendruck arbeitet und MFCs oder Gasventile versagen sollten. Das Oxidationsmittelgemisch 70 kann mit irgendeiner Menge von reinem H2 vermischt werden und nicht-explosiv bleiben, da das zusätzliche Gas nur den Oxidationsmittelgehalt verdünnen kann.
  • Die untere Grenze für den Prozentsatz an Oxidationsmittel hängt von seiner beabsichtigen Verwendung und der für die Oxidation annehmbaren Zeit ab, kann aber so niedrig wie 0,1% (für vorepitaxische Reinigung, z. B. wie aus der Diskussion von 3 verständlich wird) sein. Für andere Verwendungen (z. B. Wachstum eines Oxids hoher Qualität) sollte die Oxidationsmittelquelle 70 wenigstens etwa 1% O2 einschließen. Stärker bevorzugt enthält die Oxidationsmittelquelle 70 wenigstens 2% O2. Am meisten bevorzugt ist das Oxidationsgemisch 70 so nahe wie möglich an der Explosionsgrenze für die angegebenen Bedingungen, ohne sie zu überschreiten.
  • Demnach umfaßt die Oxidationsmittelquelle für die bevorzugten Reaktorbedingungen vorzugsweise weniger als 6% O2 in einem Gemisch mit einem Edelgas und insbesondere zwischen 1 und 5% O2.
  • Wie in 2 auch gezeigt ist, enthält der Reaktor 10 weiterhin eine Quelle 72 für Wasserstoffgas (H2). Wie in der Technik bekannt ist, ist Wasserstoff ein brauchbares Träger- und Spülgas, da es in sehr hoher Reinheit infolge seines niedrigen Siedepunktes vorgesehen werden kann und mit Siliciumabscheidung verträglich ist. Eine Quelle 73 von Stickstoffgas ist auch gezeigt. Wie in der Technik bekannt ist, kann N2 als ein Träger- oder Spülgas für viele Verfahren eingesetzt werden.
  • Eine Quelle 74 für siliciumhaltiges Gas ist auch gezeigt. Die Siliciumgasquelle kann beispielsweise Silan oder Dichlorsilan (CDS), Trichlorsilan (TCS) oder andere bekannte Siliciumquellen umfassen. Die erläuterte Siliciumquelle 74 enthält einen Blasenbildner und eine Gasleitung für das Einperlen von H2 in eine flüssige Siliciumquelle, wie das erläuterte TCS, um Silicium in Gasform wirksamer zu der Reaktionskammer zu transportieren.
  • Gegebenenfalls wird der Reaktor 10 auch andere Gasquellen, wie Dotiermittelquellen (z. B. das erläuterte Phosphin 76, Arsin 78 und Diboranquelle 80), sowie Ätzmittel zum Reinigen der Reaktorwände (z. B. HCl-Quelle 82) einschließen. Zusätzlich erläuterte Gasquellen schließen eine Germaniumquelle 84 ein, die zum Dotieren oder Formatieren von SiGe-Filmen und eine Silanquelle 86, die für die Abscheidung von Silicium (polykristallin, amorph oder epitaxisch, je nach Abscheidungsparametern) benutzt werden kann. Obwohl nicht gezeigt, kann auch eine Ammoniakquelle (NH3) vorgesehen werden.
  • Jede der Gasquellen kann mit dem Einlaß 54 (1) über Gasleitungen mit ergänzenden Sicherheits- und Kontrollventilen sowie Massenflußkontrolleinrichtungen ("MFCs"), welche bei einer Gasplatte koordiniert werden, verbunden werden. Prozeßgase werden am Einlaß 54 (1) mit programmierten Richtungen zu einer zentralen Steuereinrichtung in die Verfahrenskammer 12 über Injektoren verteilt. Nach dem Durchqueren der Verfahrenskammer werden unumgesetzte Verfahrensgase und gasförmige Reaktionsnebenprodukte an einen Gaswäscher 88 abgegeben, um für die Umwelt gefährliche Rauchentwicklung vor der Abgabe an die Atmosphäre zu kondensieren.
  • Substratreinigungsverfahren
  • Bezieht man sich nun wieder auf 3, so wird dort nach dem Einführen des Plättchens bei 100 in die bevorzugte Reaktorverfahrenskammer das Torventil geschlossen und können Verfahrensgase in die Verfahrenskammer eingespritzt werden. Gemäß der erläuterten Ausführungsform gibt es ein erstes Verfahren zum Wachsenlassen 102 eines Opferoxids. In dem bevorzugten Reaktor 10 (1 und 2) wird Opferoxidation durchgeführt, und jedes der beschriebenen Verfahren wird bei etwa Atmosphärendruck durchgeführt. Leichte Druckunterschiede infolge des Gasflusses sind von vernachlässigbarer Wirkung.
  • Vor Strömen von Prozeßgasen für die Umsetzung im ersten Verfahren wird jedoch Spülgas bevorzugt durch die Kammer geführt, um atmosphärische Verunreinigungen zu entfernen, die durch das Torventil währen der Beladung des Substrates eingeführt worden sein kön nen. Gegebenenfalls läßt man H2 aus der Einlaßöffnung 40 zur Auslaßöffnung 42 strömen sowie durch das hängende Rohr 26 an der Unterseite des Plättchenhalters 20 (siehe 1). Eine beispielhafte H2-Strömungsgeschwindigkeit liegt bei etwa 45 s/m.
  • Während des Spülens kann die Temperatur des Substrates zu der erwünschten Verfahrenstemperatur durch Steigerung des Energieausganges zu den Lampen 13, 14, 15 ansteigen. Vorzugsweise wird die Opferoxidation 102 bei zwischen etwa 700 und 1100°C durchgeführt, stärker bevorzugt zwischen etwa 800 und 1000°C. Da das Operoxid entfernt werden soll und die Dicke nicht kritisch ist, kann ein Temperaturanstieg auch während der Oxidation 102 durchgeführt werden.
  • Das Oxidationsmittel wird in die Reaktionskammer in einem nichtexplosiven Gemisch eingeführt. Eine Oxidationsmittelquelle, wie reiner Sauerstoff, kann mit dem strömenden H2-Gas als der Träger dienen, so daß das Verhältnis von O2 : H2 unter der Explosionsschwelle für die vorgegebenen Bedingungen ist.
  • Vorzugsweise wird jedoch das Oxidationsmittel in einer sicheren Mischung mit einem nichtreagierenden Gasgespeichert, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist, so daß das Gemisch selbst dann nicht explosiv wäre, wenn die Gesamtheit des nichtreagierenden Gases gegen H2 ausgetauscht würde. Der H2-Strom wird jedoch vorzugsweise während der Oxidation abgestellt, was zu weniger verdünntem Oxidationsmittel in dem Fluß und folglich zu höheren Oxidationsgeschwindigkeiten führt. Selbst wenn der H2-Strom abgeschaltet wird, braucht das H2 nicht mit Inertgas gespült zu werden, bevor das Oxidationsmittel in die Reaktionskammer eingeführt wird und die Oxidation 102 unmittelbar beginnen kann.
  • Bei einer Ausführungsform wird HCl oder ein anderer chlorhaltiger Dampf dem Oxidationsmittelstrom zugesetzt, um die Entfernung von Metallverunreinigungen aus der Substratoberfläche zu unterstützen. Alternativ kann HCl der Wasserstoffeinbrennstufe, die nachfolgend beschrieben wird, für den gleichen Zweck zugesetzt werden.
  • Die Oxidation 102 verläuft lange genug, um Verunreinigungen aus der Oberfläche des Substrates durch Reinigung zu entfernen. Insbesondere wird Oberflächenkohlenstoff als CO2 oder CO, während der Oxidation 102 weggebrannt. Die Oxidzieldicke liegt zwischen etwa 0,5 und 100 Å, stärker bevorzugt zwischen etwa 0,5 und 20 Å und am meisten bevorzugt zwischen etwa 1 und 5 Å (Å = 1 × 10–10 m), Vorzugsweise läßt man das Oxidationsmittel während etwa 2 bis 60 sec, je nach der gewählten Temperatur und Oxidationsmittelkonzentration, fließen. Jeder Fachmann auf dem Gebiet kann die Länge der Zeit oder die Oxiddicke, die für die Oxidation 102 erforderlich sind, um das Substrat ausreichend von Verunreinigungen ohne wechselndes Wachstum von Oxidabfall ausreichen zu reinigen, optimieren.
  • Bezieht man sich jetzt wieder auf 3, so wird das Opferoxid, das mit dem herkömmlichen beschriebenen Verfahren entfernt oder in einem Sublimationsverfahren in derselben Kammer geätzt wird, zurückgeführt. Die bevorzugte Sublimation umfaßt ein Wasserstoffein brennen oder Erhitzen 104, bei dem das Silciumoxid einem Wasserstoffstrom bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird die Gesamtheit, die für die Einleitung und Durchführung des Wasserstoffeinbrennens 104 benötigt wird, um viele Faktoren minimiert. Vorzugsweise wird das Substrat, auf welchem das Oxid gewachsen ist, nicht aus der Verfahrenskammer 12 zwischen der Oxidation 102 und der Wasserstoffeinbrennung 104 entfernt. Vielmehr kann infolge des sicheren Gemisches des bevorzugten Oxidationsmittels das Oxidationsmittel mit Wasserstoff gespült werden, daß unmittelbar das Sublimationsverfahren beginnt. Das Wasserstoffeinbrennen kann auch gegebenenfalls im gleichen Temperaturbereich wie die Oxidation durchgeführt werden, so daß ein Temperaturanstieg nicht notwendig ist. Andererseits wird eine Steigerung der Temperatur während des Wasserstoffeinbrennens die Sublimationsgeschwindigkeit steigern. Ein Fachmann kann die Verfahrenstemperatur optimieren, um den Durchsatz von Plättchen zu maximieren, indem er für verschiedene Temperaturen in einem speziellen System die Zeit bestimmt, die für jeden Temperaturanstieg und jede Sublimation erforderlich ist.
  • Da Kohlenstoff während der Oxidation 102 weggebracht wurde, braucht das Wasserstoffeinbrennen nur das Oxid zu verdampfen und kann somit rasch und bei niedrigeren Temperaturen als in üblichen Wasserstoffeinbrennverfahren mit Atmosphärendruck durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Wasserstoffeinbrennen unter 1150°C durchgeführt. Stärker bevorzugt wird das Wasserstoffeinbrennen zwischen etwa 900 und 1070°C während etwa 10 bis 60 sec durchgeführt, je nach der Oxiddicke.
  • Die Sublimationsgeschwindigkeit erwies sich als abhängig von der Wasserstoffeinbrenntemperatur und der Reinheit (d. h. dem Partialdruck des Oxidationsmittels) der reduzierenden Umgebung. Am meisten bevorzugt ist der Wasserstoff rein genug, um weniger als etwa ein Teil je Billion (ppb) Oxidationsmittel zu enthalten. Solche Reinheit der reduzierenden Umgebung kann in alternativen Anordnungen durch Vakuumpumpen aus der Verfahrenskammer, auf etwa 10–7 bis 10–6 Torr (1 Torr = 133,322 Pa) durchgeführt werden. Für den bevorzugten atmosphärischen Reaktor kann reines H2 durch Verdampfung aus Cryogenquellen erhalten werden, und die Reaktorkammer kann wirksam gegen den umgebenden "reinen Raum" abgedichtet werden, um den erwünschten Wert der reduzierenden Umgebungsreinheit zu bekommen.
  • Mit einer reduzierenden Umgebung, die weniger als etwa 1 ppb Oxidationsmittel, ein Oxid von etwa 10 Å, enthält, kann die Einbrennstufe bei 900°C in nur etwa 10 sec beendet werden. Alternativ kann mit einer reduzierenden Umgebung, die mehr als etwa 7 Teile je Million (ppm) Oxidationsmittel enthält, Sublimation von 10 Å (1 Å = 1 × 10–10 m) Oxid bei etwa 1070°C in etwa 10 sec vervollständigt werden. Ähnlich können höhere Temperaturen höhere Gehalte an Oxidationsmittelleckage in der Kammer kompensieren. Vorzugsweise wird das Oxidations mittel wenigstens unter etwa 0,1 Vol.% in der Verfahrenskammer während des Wasserstoffeinbrennens 104 gehalten.
  • Unter Bezugnahme auf 5 kann der Zusatz kleiner Konzentrationen an Silan oder German zum H2-Strom die Sublimation 104 noch weiter beschleunigen. 5 erläutert beispielsweise die Wirkung von Silanströmen und der Temperatur auf das Sublimationsverfahren. Wie leicht ersichtlich, steigert für eine bestimmte Silanströmungsgeschwindigkeit (einschließlich null) ein Anstieg der Temperatur die Sublimationsgeschwindigkeit oder das Oxidätzen. Bei niedrigen Temperaturen (z. B. unter etwa 900°C) führt eine Steigerung der Silanströme zu Polysiliciumabscheidung, die durch negative Zahlen auf der vertikalen Achse wiedergegeben wird. Bei hohen Temperaturen (oberhalb etwa 900°C) steigert andererseits die Zugabe von Silan die Sublimationsgeschwindigkeit, was durch positive Zahlen auf der vertikalen Achse gezeigt wird.
  • Das Wasserstofteinbrennen 104 hinterläßt eine reine Substratoberfläche für weitere Behandlung. Kohlenstoff wird während der Oxidation 102 weggebrannt, während das angewachsene Oxid während des Wasserstofteinbrennens 104 durch zwei mögliche Reaktionen gereingit wird. SiO2 + H2 → SiO + H2O SiO2 + Si → 2 SiO
  • Die Reaktionen wandeln somit das Opferoxid in H2O- oder SiO-Dampf um, welcher aus der Verfahrenskammer abgegeben wird. Die Substratoberfläche wird somit von Kohlenstoff gereinigt, Oxid und Metallverunreinigungen können auch entfernt werden, wenn HCl zu der Oxidation 102 oder dem Wasserstoffeinbrennen 104 zugegeben wird.
  • Epitaxische Abscheidung
  • Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen wird eine Siliciumgasquelle dann eingeführt, um die Abscheidung 106 einer Halbleiterschicht einzuleiten und insbesondere einer epitaxischen Siliciumschicht. H2 strömt als ein Trägergas in der erläuterten Ausführungsform, die epitaxische Schicht wird bei 106 auf dem Substrat in derselben Verfahrenskammer 12 (1) abgeschieden, ohne das Substrat aus der Kammer 12 nach dem Wasserstoffeinbrennen 104 zu entfernen.
  • Wie in der Technik bekannt ist, ist epitaxische Abscheidung ein CVD-Verfahren, bei dem die abgeschiedene Schicht in Übereinstimmung mit der Kristallstruktur der darunterliegenden Schicht wächst. Temperaturbereiche und Abscheidungsgeschwindigkeiten hängen im allgemeinen von der verwendeten Gasquelle und anderen Reaktorbedingungen ab, doch wird im allgemeinen Epitaxie durch Silan (SiH4) zwischen etwa 900 und 1150°C, durch Dichlorsilan (DCS oder SiH2Cl2) zwischen etwa 1000 und 1100°C oder durch Trichlorsilan (TCS oder SiHCl3) zwischen etwa 1050 und 1150°C bewirkt. Für jede der obengenannten Siliciumquellen kann signifikanterweise die epitaxische Abscheidung 106 bei der gleichen oder einer höheren Temperatur wie bzw. als jene der bevorzugten Sublimation 104 durchgeführt werden. So brauchen Zeit und Energie nicht beim Anheben der Temperatur auf einen höheren Level für das Wasserstoffeinbrennen und anschließendes Reduzieren der Temperatur wiederum für Epitaxie vergeudet zu werden.
  • Es wird für den Fachmann verständlich sein, daß epitaxische Halbleiterschichten wesentlich sein können oder in situ dotierte, selektive oder nichtselektive Schichten vorliegen können und Silicium oder Silicium-Germanium umfassen können.
  • Ein Beispiel epitaxischer Abscheidung umfaßt die Bildung von etwa 3 μm von epitaxischem Silicium auf dem Substrat durch Überleiten von 15 g/min TCS in einem H2-Trägerstrom von 45 s/m während etwa 45 sec mit der Substrattemperatur von etwa 1120°C. Ein Dotiermittelgas kann auch zu dem Strom zugesetzt werden, um einen Hintergrundswert von Dotiermittel für Einrichtungen zu erreichen, die in der Schicht in anschließenden Stufen gebildet werden sollen. Reaktionspartnergase werden abgestellt, wenn eine ausreichend dicke Schicht gebildet wurde. H2 kann weiterströmen, bis die Reaktionspartnergase aus der Kammer ausgetrieben sind.
  • Die resultierende epitaxische Schicht hat eine verunreinigungsfreie, mit Wasserstoff terminierte Oberfläche (d. h. Wasserstoff nimmt die sonst verfügbaren Wertigkeitselektronen von Oberflächensiliciumatomen ein), was die Schicht gegen Absorbieren von Verunreinigungen schützt.
  • Postepitaxische Oxidation und Kammerreinigung
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Oberfläche durch eine Oxidation 108 rein gehalten werden, indem dadurch eine Schutzschicht über der epitaxischen Schicht in derselben Verfahrenskammer 12 (1) gezüchtet wird. Gemäß der erläuterten Ausführungsform umfaßt die Schutzschicht ein thermisch gewachsenes Oxid über der epitaxischen Schicht. Wie aus den beiden Unterabschnitten nachfolgend klar wird, kann das Oxid einfach als eine Schutzschicht dienen oder zusätzlich als eine dielektrische Torschicht für herzustellende Transistoren dienen.
  • Um die epitaxische Schicht so rein wie möglich zu halten, wird die Oxidation 108 in situ durchgeführt, d. h. ohne Entfernung des Substrates aus der Verfahrenskammer 12, worin die epitaxische Schicht gebildet wurde. Weiterhin wird ein Züchten des Schutzoxids in situ, d. h. ohne Entfernung des Substrates aus der Kammer, den Plättchendurchsatz stark verbessern. Vorzugsweise wird daher die Oxidschicht in situ gezüchtet.
  • Ein solches Oxidwachstum in situ kann jedoch auf Kosten gesteigerter Kammerreinigungskosten gehen. Der Rückstand aus Silciumquellengasen wird allgemein auf Oberflächen der Reaktionskammer 12 nach der epitaxischen Abscheidung 106 belassen. In der Vergangenheit wurden solche Rückstände mit einfachen HCl-Dampfätzstufen zwischen den Abscheidungen entfernt. Ohne häufiges Reinigen kann der Rückstand die Quarzreaktorwände trüb machen, durch welche Strahlungswärme für den normalen Betrieb gehen muß. Setzt man den Rückstand einer Oxidationsstufe aus, bevor die Ätzstufe dazu neigt, den Rückstand zu härten, so erfordert dies mühseligere oder kostspielige Reinigungsstufen. Ex situ- Säurewaschung der beschichteten Oberflächen verschlingt beispielsweise erhebliche Kosten für das Zerlegen der Verfahrenskammer, ungeachtet der Kosten der Abschaltzeit des Reaktors während einer ex situ-Reinigung der Reaktorkomponenten.
  • Demnach kann nach Oxidation 108 und irgendeiner weiteren Verarbeitung in der Kammer das Plättchen von der Verfahrenskammer 12 (1) entfernt werden, wobei das Torventil geschlossen ist und Ätzmittel eingeführt werden, um den oxidierten oder gehärteten Rest zu reinigen. Vorzugsweise wird NF3 und/oder CF6 für eine Nachoxidationskammerwandreinigung geschickt. Nach Beendigung des Reinigungszyklus werden die Ätzmittel aus der Reaktionskammer 12 gespült, wird das Torventil geöffnet und kann ein neues Plättchen in die Reaktionskammer 12 eingeführt werden.
  • Alternativ kann das Substrat mit der epitaxischen Schicht zeitweise aus der Verfahrenskammer 12 (1) nach epitaxischer Abscheidung 106 entfernt werden, so daß die Kammer 12 einem Standard-HCl-Ätzzyklus unterworfen werden kann. Für dieses Alternativverfahren wird das Substrat zu einer (nicht gezeigten) Beladungskammer bewegt, speziell zu der Plättchenhandhabungskammeraußenseite der Reaktionskammer 12, welche von der reinen Raumumgebung isoliert ist. Die Beladungskammer ist relativ frei von Verunreinigungen und wird vorzugsweise mit einem Inertgas, wie Wasserstoff oder Stickstoff, gespült. Die Atmosphäre in der Beladungskammer ist somit reiner als jene des reinen Raumes, der den Reaktor umgibt.
  • Gemäß dieser alternativen Anordnung wird das Plättchen mit der epitaxischen Schicht zu der Plättchenhandhabungskammer durch eine Aufnahmeeinrichtung transportiert, welche die Gefahr von Verletzungen oder Verunreinigung des Substrates verhindert. Die bevorzugte Aufnahmeeinrichtung, die oben beschrieben ist, schießt Gasströme mit hoher Geschwindigkeit von einer abwärtsblickenden Oberfläche aus nach außen. Für die Verwendung von H2 für die Aufnahmewand sind Gasströme bevorzugt, da Wasserstoff chemisch verträglich mit der zu schützenden Siliciumschicht ist und typischerweise in größerer Reinheit vorgesehen werden kann (d. h. mit weniger Verunreinigungen) als Stickstoff. Die bevorzugte Aufnahmeeinrichtung vermeidet nicht nur direkte Berührung mit dem Plättchen, sondern der fortgesetzte Wasserstoffgasregen schützt die Siliciumoberfläche gegen Verunreinigung und hält die Wasserstoffterminierung.
  • Das Substrat kann auf der Aufnahmeeinrichtung oder auf einer Lagerstation in der Beladungskammer gehalten werden, während die Kammer gereinigt wird. In der Zwischenzeit bleibt das Torventil zu der Reaktionskammer geschlossen. Nachdem der Reinigungszyklus abgeschlossen ist, werden die Ätzmittel aus der Reaktionskammer 12 gespült, das Torventil geöffnet und das Substrat von der Beladungskammer zu der Reaktionskammer 12 zurückgeführt.
  • Schutzschichtoxidation
  • Das Oxid kann allein als eine Schutzschicht gemäß einer Ausführungsform dienen. Für eine solche Verwendung sollte die Oxidation 108 durchgeführt werden, bis eine Schicht von ausreichender Dicke gebildet ist, um Verunreinigung daran zu hindern, durch das Oxid zu der Fläche zu diffundieren, bevor die nächste Verfahrensstufe unter normalen Handhabungsbedingungen durchgeführt wird. Vorzugsweise sollte ein Schutzoxid zwischen etwa 20 und 200 Å, stärker bevorzugt zwischen etwa 30 und 100 Å (1 Å = 1 × 10–10 m) haben.
  • Wie oben angegeben, ist in situ-Oxidation 108 bevorzugt, um den Plättchendurchsatz zu maximieren. Nachdem die epitaxische Schicht 106 abgeschieden wurde, wird das Oxidationsmittel wiederum angestellt. Die H2- und Siliciumgasquelle braucht nicht in einer separaten Stufe gereinigt zu werden. Vielmehr kann das Oxidationsmittel in einem sicheren Gemisch mit einem Inertgas das Spülen durchführen, während unmittelbar die Oxidation 108 beginnt.
  • Gegebenenfalls umfaßt die Oxidation 108 eine trockene Oxidation hoher Qualität und kann zu irgendeiner erwünschten Dicke gezüchtet werden, je nach der beabsichtigten Verwendung. Parameter für die Oxidation 108 können wie hinsichtlich der Opferoxidation 102 beschrieben sein, ausgenommen erwünscht längere Oxidationszeiten. Wie bekannt ist, kann dem Strom HCl in kleinen Mengen zugesetzt werden, um die Qualität der resultierenden Oxidschicht zu verbessern.
  • Nach der Bildung einer solchen Oxidschutzschicht wird der Oxidationsmittelfluß abgeschaltet, und das Substrat kann bei 110 zu entfernten Stellen für weitere Verarbeitung geführt werden. Während der Handhabung und des Transportes durch den normalen reinen Raum wird die epitaxische Siliciumoberfläche unter dem Schutzoxid eingesiegelt gehalten.
  • Dielektrische Toroxidation
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Oxidation 108 nicht nur die darunterliegende Halbleiterschicht gegen Verunreinigung schützen, sondern bildet auch eine Tordielektrik gegenüber der durch Abscheidung 106 gebildeten epitaxischen Schicht. Wie mit der bisher beschriebenen Ausführungsform, wird die Oxidation 108 gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise in situ durchgeführt, d. h. ohne Entfernung des Substrats aus der Bearbeitungskammer nach der epitaxischen Abscheidung. Es gibt somit nur geringe oder gar keine Chance für Verunreinigung der epitaxischen Schicht vor der Bildung des Toroxids. Die Basisschicht, in welcher Transistoren eingebaut werden, bleibt somit von hoher Qualität, und die Oxid/epitaxische Schicht-Grenzfläche kann frei von beladungseinschließenden Stellen sein. Außerdem können durch Züchten des Oxids in derselben Kammer wie die epitaxische Schicht mehrere Stufen vermieden werden, wie Transport und Reinigung vor der Bildung eines Toroxids mit unterschiedlicher Ausrüstung.
  • Oxidation zur Erzeugung eines Toroxids kann wie oben beschrieben sein, obwohl Toroxide auch häufig mit NO oder N2O gebildet werden, welche in einem sicheren Gemisch vorgesehen wären, wie mit Hinblick auf das bevorzugte D2/Ar-Gemisch. Wie in bezug auf die Oxidati on 108 zur Bildung einer Schutzschicht beschrieben, kann HCl zu dem Oxidationsmittelstrom zugegeben werden, um die Oxidqualität zu verbessern.
  • Für diese Ausführungsform wird unabhängig von dem speziellen Oxidationsmittel die Oxidation 108 ausgedehnt, bis ein thermisches Oxid mit ausreichender Dicke für die Verwendung als ein Toroxid gebildet ist. Derzeit sind Toroxide größer als etwa 20 Å und neigen dazu, zwischen etwa 40 und 60 Å zu sein. Da kritische Abmessungen weiterhin schrumpfen, können künftige Toroxide etwa 25 bis 30 Å sein. Tore, die dazu bestimmt sind, Quanten durch Tunnel zu lassen, wie für EPROMS, können noch dünner sein.
  • Am meisten bevorzugt folgt auf die Oxidation 108 gemäß einer dielektrischen Torausführungsform eine Postoxidationserwärmung 111. Speziell nitridiert Ammoniak (NH3) bei hoher Temperatur unter Erwärmen die Oxidoberfläche und reduziert damit den Diffusionskoeffizienten von Boroxid (oder anderem Dotiermittel), wie in der Technik bekannt ist. Vorteilhafterweise kann die sichere Mischung von Oxidationsmittel 70 (2) mit Ammoniak gespült werden, um unmittelbar mit dem Erhitzen zu beginnen, selbst obwohl Ammoniak explosiv wäre, wenn es mit höheren Oxidationsmittelkonzentrationen vermischt würde.
  • Torleiterabscheidung
  • Wenn die Oxidation 108 zur Bildung eines Toroxids verwendet wird, kann auch eine leitfähige Torschicht 112 in derselben Verfahrenskammer gebildet werden. Torleiter umfassen typischerweise Polysilicium, wenigstens als eine erste Schicht über dem Toroxid. Wenn der bevorzugte Reaktor 10 eine gasförmige Siliciumquelle und eine Gasleitung zu der Verfahrenskammer 12 einschlösse, wäre die Bildung der Siliciumschicht in situ vorteilhaft gegenüber dem Transport des Substrates 16 zu einer anderen Einrichtung für die Abscheidung.
  • Demnach wird nach der Oxidation 108, um ein geeignetes Oxid für die Verwendung als ein Transistortordielektrikum zu erzeugen, eine Polysiliciumschicht über der Oxidschicht bei 112 abgeschieden. Es wird verständlich sein, daß das Polysilicium als direkt über der Oxidschicht abgeschieden angesehen wird, selbst wenn das Toroxid gemäß der bevorzugten Erhitzung mit Ammoniak 111 nach der Oxidation leicht nitridiert wird. Bevorzugte Parameter für die Polysiliciumabscheidung 112 umfassen einen Fluß von 350 s/cm3 Silan und 45 s/m H2, wobei das Substrat auf etwa 650°C erhitzt wird. Erwünschtermaßen wird auch die Polysiliciumschicht in situ für Leitfähigkeit dotiert. Die Kammer kann bei etwa Atmosphärendruck gehalten werden. Unter solchen Bedingungen kann eine Polysiliciumschicht in etwa 90 sec gebildet werden (1 Å = 1 × 10–10 m).
  • Nach Bildung der Polysiliciumschicht wird das Plättchen 16 zu einer anderen Einrichtung für Halbleiterverarbeitung für weitere Behandlung überführt, wie für die Anwendung von Metallgurtschichten, Photolithographie und Ätzen zum Begrenzen von Toren, Bildung von isolierenden Abstandshaltern, selbstausrichtenden Dotierungen von Quellen- und Ablaufbereichen, Metallisierungsstufen usw.
  • Bevorzugte Strukturen
  • 4 erläutert ein Plättchen 16 nach der Verarbeitung gemäß 3 einschließlich der Polysiliciumabscheidung 112. Das Plättchen 16 enthält Feldoxidbereiche 120, die aktive Bereiche definieren. Diese Feldoxide 120 werden außerhalb des bevorzugten Reaktors in irgendeiner geeigneten Weise gebildet, wie als LOCOS, Grabenfüllungen oder verschiedene Abwandlungen oder Kombinationen dieser Verfahren. Eine epitaxische Schicht 122 erstreckt die Substratkristallstruktur in einen der aktiven Bereiche. Die epitaxische Schicht 122 wird vorzugsweise entweder mit n-Typ oder p-Typ hintergrundsdatiert und selektiv über dem freigelegten Siliciumsubstrat 16 zwischen Feldoxidbereichen 120 abgeschieden. Ein Toroxid hoher Qualität 124 wird direkt über der epitaxischen Schicht 122 mit einer reinen Schnittstelle dazwischen gebildet. Eine Polysiliciumtorschicht 126 direkt über dem Oxid 124, vorzugsweise für Leitfähigkeit dotiert, wird gebildet.
  • Alle Schichten 122, 124 und 126 können nacheinander in demselben CVD-Reaktor für ein einzelnes Plättchen gebildet werden. Alle drei Schichten werden bevorzugt ohne Entfernung des Plättchens aus der Verfahrenskammer 12 (1) gebildet. Alternativ können die Schichten ohne Entfernung des Plättchens aus dem Reaktor 10 gebildet werden, doch wird das Plättchen aus der Verfahrenskammer 12 zu einer Beladungskammer zwischen der Abscheidung 106 der epitaxischen Schicht 120 und dem Wachstum des Toroxids 122 entfernt, um eine Reinigung der Verfahrenskammeroberflächen zu gestatten. In jedem Fall gibt es nur eine geringe Chance für Verunreinigung zwischen der Bildung der verschiedenen Schichten. Die hier beschriebenen Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung derselben ergeben viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren. Die Opferoxidation und das Erhitzen liefern reine Substratoberflächen unmittelbar vor der Bildung epitaxischen Schichten. Es ist nicht nur das Verfahren reiner als eine alternatives ex situ-Verfahren, da es in situ durchgeführt werden kann, sondern es ist auch billiger als Alternativen. Neben kürzeren Verfahrenszeiten wird die Zeit zwischen den Verfahren durch die Fähigkeit minimiert, Wasserstoff sicher mit Oxidationsmittelquellengasen, Oxidationsmittelquellengasen mit Wasserstoff, Oxidationsmittelquellengasen mit Ammoniak usw. zu spülen.
  • Als ein Ergebnis der Vorreinigung können Schichten hoher Qualität und speziell epitaxische Siliciumschichten auf dem gereinigten Substrat gebildet werden. Das bevorzugte Verfahren liefert auch eine Methode, die Oberfläche solcher Schichten rein zu halten. Da epitaxische Schichten oftmals die Basisschicht sind, in welcher Logikbauelemente (z. B. Transistoren) für integrierte Schaltkreise gemacht werden, können die reineren epitaxischen Schichten, die nach diesen Methoden erzeugt werden, Vorrichtungsfehler vermindern und den Ausstoß an IC-Fabrikation verbessern.
  • Die Durchführung mehrerer aufeinanderfolgender Verfahren in dem gleichen Verarbeitungswerkzeug oder -reaktor verbessert auch den Plättchendurchsatz und damit die Produkti onskosten beachtlich. Wie hier beschrieben, können drei Schichten eines integrierten Schaltkreises alle in demselben Reaktor gebildet werden. Außerdem können diese Schichten (epitaxisches Silicium, Toroxid und Polysiliciumtorschichten) in einer Verfahrenskammer für ein einzelnes Plättchen mit dem begleitenden hohen Grad an Verfahrenssteuerung gebildet werden.
  • Es wird für den Fachmann auf der Hand liegen, daß verschiedene Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne sich aus dem Erfindungsgedanken zu entfernen. Beispielsweise kann Toroxidwachstum 108 in einem CVD-Reaktor für ein einzelnes Plättchen, gefolgt von in situ-Bildung 112 einer leitfähigen Torschicht vorteilhaft sein, selbst ohne vorherige Abscheidung einer epitaxischen Schicht. Ähnlich können Plättchen in dem bevorzugten Reaktor durch die beschriebene Opferoxidation 102 gereinigt werden und in situ mit Wasserstoff eingebrannt werden, selbst ohne nachfolgende Bildung einer Schicht in situ. Ähnliche andere Modifikationen und Änderungen sind dazu bestimmt, in den Erfindungsgedanken zu fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims (31)

  1. Siliciumabscheidungsreaktor mit einer Reaktionskammer mit kalter Wand und einem einzelnen Substrat sowie mit einem Reaktionsgaseinlaß und einem Reaktionsgasaus-laß, die einen Gasstromweg dazwischen begrenzen, wobei der Reaktor sowohl für thermische chemische Dampfphasenabscheidung als auch für thermische Oxidation gestaltet ist, einem Träger für das Tragen eines Substrates in dem Gasströmungsweg in der Reaktionskammer, einer Wasserstoffgasquelle, die für ein Durchströmen der Reaktionskammer als Trägergas während epitaxischer Siliciumabscheidung geeignet ist, einer Quelle für siliciumhaltiges Gas, einer Quelle für gasförmiges Oxidationsmittel, das für thermisches Wachstum von Siliciumdioxid aus einer Siliciumschicht geeignet ist, und Gasleitungen, die die Quellen von Gasen mit der Reaktionskammer verbinden.
  2. Reaktor nach Anspruch 1, worin die Quelle des gasförmigen Oxidationsmittels einen Behälter umfasst, der mit einem nichtreaktiven Gas in einer Menge verdünnten Sauerstoff speichert, die in Gegenwart irgendeiner Konzentration von Wasserstoff nicht explosiv ist.
  3. Reaktor nach Anspruch 2, worin der Behälter ein Gemisch von Sauerstoff in einem nichtreaktiven Gas mit weniger als 6 Atom-% Sauerstoff speichert.
  4. Reaktor nach Anspruch 3, worin das Gemisch 1 bis 5% Sauerstoff einschließt.
  5. Reaktor nach Anspruch 1, worin der Gasströmungsweg allgemein parallel zu einer Abscheidungszielfläche des Substrates ist, wenn dieses von dem Träger getragen wird.
  6. Reaktor nach Anspruch 5, worin die Reaktionskammer einen Raumteiler parallel zu dem Substrat einschließt und eine wirksame Reaktionskammerkapazität oberhalb des Raumteilers definiert.
  7. Reaktor nach Anspruch 6, worin der Träger so ausgebildet ist, dass er ein Plättchen mit einem Durchmesser bis zu etwa 200 mm hält und die Reaktionskammer eine wirksame Kapazität von weniger als etwa 15 lhat.
  8. Reaktor nach Anspruch 6, worin der Träger so ausgebildet ist, dass er ein Plättchen mit einem Durchmesser bis zu etwa 300 mm hält und die Reaktionskammer eine wirksame Kapazität von weniger als etwa 50 lhat.
  9. Reaktor nach Anspruch 1, der für chemische Dampfphasenabscheidung bei Atmosphärendrücken gestaltet ist.
  10. Reaktor für chemische Abscheidung aus der Dampfphase mit einer Verfahrenskammer für ein einzelnes Plättchen und mit kalter Wand sowie mit wenigstens einem Gaseinlaß und wenigstens einem Gasauslaß, einer ersten Gasleitung, die Wasserstoffgas zwischen einem Wasserstoffbehälter und der Verfahrenskammer verbindet, und einer zweiten Gasleitung, die ein Gemisch von Sauerstoff und einem nichtreagierenden Gas zwischen einem Oxidationsmittelquellenbehälter und der Verfahrenskammer verbindet, wobei in dem Gemisch ein solcher Sauerstoffgehalt vorliegt, dass das Gemisch in Gegenwart irgendeiner Menge von Wasserstoff unter den Arbeitsbedingungen der Verfahrenskammer nicht explosiv ist.
  11. Reaktor nach Anspruch 10, worin der Oxidationsmittelquellenbehälter weniger als etwa 6 Vol.% Sauerstoff einschließt.
  12. Reaktor nach Anspruch 10, weiterhin mit einer dritten Gasleitung, die ein Siliciumquellengas zwischen einem Siliciumquellenbehälter und der Verfahrenskammer verbindet.
  13. Reaktor nach Anspruch 10. worin die Verfahrenskammer so ausgebildet ist, dass sie eine Kammer für ein einzelnes 300 mm-Plättchen umfaßt und die Kammer ein Volumen von weniger als etwa 100 lhat.
  14. Verfahren zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten unter Bildung einer epitaxischen Schicht, die Silicium enthält, in einer Kammer für ein einzelnes Substrat und für chemische Abscheidung aus der Dampfphase mit kalter Wand und unter Bildung einer Oxidschicht über der epitaxischen Schicht durch thermische Oxidation in der Kammer.
  15. Verfahren nach Anspruch 14 weiterhin unter Entfernung des Substrates aus der Reaktionskammer nach Bildung der Oxidschicht und Überführung des Substrates zu einer entfernten Stelle für weitere Verarbeitung.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 weiterhin unter Abscheidung einer Polysiliciumschicht über der Oxidschicht ohne Entfernung des Substrates aus der Reaktionskammer zwischen der Bildung der Oxidschicht und der Abscheidung der Polysiliciumschicht.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Bildung der Oxidschicht thermische Oxidation einer Oberfläche der epitaxischen Schicht ohne Entfernung des Substrates aus der Reaktionskammer zwischen der Bildung der epitaxischen Schicht und der thermischen Oxidation der Oberfläche umfaßt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das thermische Oxidieren der epitaxischen Schicht darin besteht, dass man die epitaxische Schicht einem Gasgemisch aussetzt, welches weniger als etwa 6 Vol.% O2 enthält.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, worin die Oxidschicht von geeigneter Dicke und Qualität ist, um als dielektrische Gatterschicht zu dienen.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Oxidschicht eine Dicke zwischen 20 und 60 Å (1 Å = 1 × 10–10 m) hat.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 weiterhin unter Glühen der Oxidschicht in Ammoniak ohne Entfernung des Plättchens aus der Kammer zwischen der thermischen Oxidation der Oberfläche und dem Glühen der Oxidschicht.
  22. Verfahren nach Anspruch 14 weiterhin unter Einführung eines Oxidationsquellengases in die Kammer, Züchten einer Oxidopferschicht aus einer Siliciumoberfläche und Sublimieren der Oxidopferschicht in der Kammer vor Abscheidung der epitaxischen Schicht.
  23. Verfahren nach Anspruch 22 weiterhin unter Spülen des Oxidationsquellengases aus der Kammer mit einem wasserstoffhaltigen Gas.
  24. Verfahren zur Bearbeitung eines Halbleitersubstrates unter Beladen einer Kammer für chemische Abscheidung aus der Dampfphase mit kalter Wand und einem einzelnen Substrat mit diesem Substrat, Einführung eines Oxidationsmittelquellengases, welches O2 enthält, in die Kammer und thermisches Züchten eines Oxids aus einer Siliciumoberfläche des Substrates, Abstellen des Stromes des Oxidationsmittelquellengases und Spülung des Oxidationsmittelquellengases aus der Kammer mit einem wasserstoffhaltigen Gas.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, worin das wasserstoffhaltige Gas H2-Gas umfaßt.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, worin das Oxid zu sublimieren beginnt, während man mit H2-Gas spült.
  27. Verfahren nach Anspruch 26 weiterhin unter Einbrennen des Substrates mit Wasserstoff nach Züchten des Oxids, bis das Oxid vollständig sublimiert ist und somit eine reine Substratoberfläche zurückläßt.
  28. Verfahren nach Anspruch 24, wobei weiterhin die Sublimation des Oxids darin besteht, dass das Oxid Wasserstoff zwischen 900 und 1070°C ausgesetzt wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 28 weiterhin unter Abscheidung einer epitaxischen Schicht, die Silicium umfaßt, nachdem das Oxid vollständig sublimiert wurde.
  30. Verfahren nach Anspruch 24, worin das wasserstoffhaltige Gas Ammoniak umfaßt.
  31. Verfahren nach Anspruch 24 weiterhin unter Abscheidung einer Polysiliciumschicht über dem Oxid in situ.
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