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Dokumentenidentifikation DE19801439A1 10.09.1998
Titel Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium
Anmelder SEH America, Inc., Vancouver, Wash., US
Erfinder Hamilton, Todd A., Portland, Oreg., US
Vertreter Ullrich & Naumann, 69115 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 16.01.1998
DE-Aktenzeichen 19801439
Offenlegungstag 10.09.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.09.1998
IPC-Hauptklasse C30B 25/14
IPC-Nebenklasse C30B 25/08   H01L 21/205   H01L 21/223   
Zusammenfassung Eine Vorrichtung (110) und ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstratwafers (118) sind offenbart. Die Vorrichtung (110) und das Verfahren stellen einen Reaktor (112) und ein Gaszuführsystem (120) bereit. Das Gaszuführsystem (120) verwendet ein Massenflußsteuergerät (MFC) (138) für eine zusätzliche Dotierstoffversorgung, um einen zusätzlichen Dotierstoff lediglich in einem zentralen Injektor (124) bereitzustellen, welcher eine epitaktische Deposition auf der Mitte des Wafers (118) zur Korrektur des Selbstdotierens bewirkt. Ein zusätzliches Federbalgdosierventil (148) ist zwischen dem zusätzlichen MFC (138) und dem zentralen Injektor (124) vorgesehen, um Druckvariationen in der zentralen Strömungsleitung zu absorbieren, um zu verhindern, daß die Druckvariationen das zusätzliche MFC (138) erreichen. Dies hat ein stabiles und konstantes Profil hinsichtlich der Dotierstoffkonzentration und hinsichtlich des spezifischen Widerstands zur Folge.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6 bzw. 9 und 14. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium, die eine epitaktische Oberfläche mit einem konstanten Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands aufweist.

In einer Epitaxiereaktorkammer tritt ein als Selbstdotieren bekanntes Phänomen auf Siliziumsubstratwafern auf, die keine Dünnschichtbarriere auf der Rückseite aufweisen. Ein Selbstdotieren tritt auf, wenn der in dem Substratwafer verwendete Dotierstoff - bspw. Bor für den P-Typ oder Phosphor oder Antimon für den N-Typ - aus der Rückseite des Wafers ausgast, in der Strömung der in der Epitaxiereaktorkammer verwendeten Gase aufgefangen wird und auf der Vorderseite des Wafers zum peripheren Rand des Wafers hin redeponiert wird. Das Ergebnis dieser Deposition an Dotierstoff verursacht eine erhebliche Schwankung des Profils des spezifischen Widerstands der epitaktischen Oberfläche in radialer Richtung vom Rand zur Mitte des Wafers hin. Theoretisch wird die Mitte des Wafers den gewünschten spezifischen Widerstand aufweisen, dann jedoch wird der spezifische Widerstand bei von der Mitte des Wafers radial nach außen gerichtetem Verlauf abnehmen, wenn Bor verwendet ist, und wird bei von der Mitte des Wafers radial nach außen gerichtetem Verlauf zu nehmen, wenn Antimon oder Phosphor verwendet ist.

Da das Selbstdotieren ein sehr unerwünschtes Phänomen ist und die resultierende Schwankung hinsichtlich des spezifischen Widerstands unannehmbar ist, fordert die vorliegende Technologie eine Deposition einer Dünnschichtbarriere aus einem Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder üblicher Siliziumdioxid auf der Rückseite des Wafers. Die Dünnschichtbarriere auf der Rückseite des Wafers verhindert, daß der in dem Substrat eingesetzte Dotierstoff ausgast und in der Reaktorkammer schwebt. Oftmals muß jedoch die Dünnschichtbarriere auf der Rückseite nach der epitaktischen Deposition entfernt werden. Die Entfernung der Dünnschichtbarriere auf der Rückseite nach der epitaktischen Deposition erhöht die Kosten des Wafers aufgrund der zusätzlichen Schritte von sowohl der Deposition als auch der Entfernung der Dünnschicht.

Mehrere Vorrichtungen und Verfahren sind eingesetzt worden, um die Wirkungen des Selbstdotierens ohne die Verwendung einer Dünnschichtbarriere auf der Rückseite zu steuern. Bspw. offenbaren die US 5 421 288 und die US 5 487 358 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium. Beide Patente diskutieren das Steuern der Wirkungen des Selbstdotierens ohne die Verwendung einer Dünnschichtbarriere auf der Rückseite. Gemäß den Patenten werden die Dicke und das Profil des spezifischen Widerstands der epitaktischen Schicht durch die Verwendung von unabhängigen Massenflußsteuergeräten (MFC) bei zentralen Injektoren und peripheren Injektoren gesteuert.

Ein weiteres Beispiel epitaktischer Reaktorkammern ist die durch die Applied Materials Technology Corporation (AMT) hergestellte Reaktorkammer. Dieser Typ einer epitaktischen Reaktorkammer verwendet ein Massenflußsteuergerät (MFC), um eine zusätzliche Versorgung an Dotierstoff zu steuern, der lediglich in diejenigen Injektoren deponiert wird, die eine epitaktische Deposition auf der Mitte des Wafers bewirken. Der hinzugefügte zusätzliche Dotierstoff ist auf den selbstdotierenden Dotierstoff auf den Umfangsrändern des Wafers abgestimmt, wodurch sich theoretisch ein gleichmäßiges Profil des spezifischen Widerstands ergibt.

Die Begrenzung hinsichtlich des MFC-Aufbaus betrifft die Empfindlichkeit des MFC. Wenn bspw. die epitaktische Reaktorkammer von AMT verwendet wird, ist die Zuverlässigkeit des zusätzlichen Dotierstoffs von einem konstanten und genau gesteuerten Gasdruck auf beiden Seiten des MFC abhängig. Während des normalen Betriebs der Reaktorkammer liegen einige Druckfluktuationen in der Gasströmungsleitung vor, die zu dem Injektor führt. Dies hat schwankende emittierte Konzentrationen an zusätzlichem Dotierstoff zur Folge und daher ein instabiles Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands in der epitaktischen Schicht des Wafers.

Daher existiert ein Bedürfnis, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium bereitzustellen, die eine konstante Dotierstoffkonzentration und ein konstantes Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands aufweist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lösen der obengenannten Probleme bereitzustellen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium bereitzustellen, die eine konstante Dotierstoffkonzentration und ein konstantes Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands aufweist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich einer Vorrichtung durch die Merkmale der Patentansprüche 1 oder 6 und hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale der Patentansprüche 9 oder 14 gelöst.

Danach ist ein epitaktisches Reaktorsystem und insbesondere eine Vorrichtung zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstratwafers angegeben, die eine horizontale Kammer aufweist, die einen innerhalb der Kammer angeordneten Aufnehmer zum Halten des Siliziumsubstratwafers in einer horizontalen Position auf der Oberseite des Aufnehmers umfaßt, so daß die Hauptoberfläche des Siliziumsubstratwafers nach oben zeigt. Die Vorrichtung umfaßt eine Anzahl von Injektoren, die transversal zu der horizontalen Achse der Kammer angeordnet sind. Die Injektoren umfassen einen zentralen Injektor, der eine Strömung eines reaktiven Gases an einem zentralen Teil der Kammer vorbeiführt, und periphere Injektoren, die Strömungen des reaktiven Gases an einem peripheren Teil der Kammer vorbeiführen. Das reaktive Gas besteht aus einer Siliziumquelle, einem Dotierstoff und Wasserstoff. Die Vorrichtung umfaßt ebenfalls ein Gaszuführsystem, das an den zentralen Injektor und an die peripheren Injektoren angeschlossen ist und das das reaktive Gas zu den Injektoren führt, ein zusätzliches Dotierstoffzuführsystem, das an den zentralen Injektor angeschlossen ist und Strömungen an Dotierstoffgas an dem zentralen Teil der Kammer vorbeiführt, wobei sowohl das Gaszuführsystem als auch das zusätzliche Dotierstoffzuführsystem über eine zentrale Strömungsleitung an den zentralen Injektor angeschlossen sind, und ein zwischen das zusätzliche Dotierstoffzuführsystem und den zentralen Injektor geschaltetes Mittel zum Absorbieren von Druckschwankungen in der zentralen Strömungsleitung, um zu verhindern, daß die Druckschwankungen das zusätzliche Dotierstoffzuführsystem erreichen.

Es ist herausgefunden worden, daß eine solche Anordnung eine Anzahl von Vorteilen bereitstellt. Wie unten detaillierter erklärt, ist herausgefunden worden, daß durch das Bereitstellen eines Mittels zum Absorbieren der Druckschwankungen in der zentralen Strömungsleitung zwischen dem Massenflußsteuergerät (MFC) für den zusätzlichen Dotierstoff und dem zentralen Injektor verhindert werden kann, daß die darin vorliegenden Druckschwankungen das MFC für den zusätzlichen Dotierstoff erreichen, und deshalb ein konstantes Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands auf der epitaktischen Schicht ohne eine schützende Abdichtung auf der Rückseite des Wafers erreicht werden kann.

Das System ist gut geeignet zur Verwendung in Verbindung mit einem epitaktischen Reaktorsystem und insbesondere bei einem epitaktischen Reaktorsystem, bei dem ein Massenflußsteuergerät für den zusätzlichen Dotierstoff verwendet ist, um die Versorgung mit dem zusätzlichen Dotierstoff zu steuern, der lediglich in diejenigen Injektoren deponiert wird, die eine epitaktische Deposition auf der Mitte des Wafers bewirken. Bei dieser Verwendung des epitaktischen Reaktorsystems, worin eine epitaktische Schicht auf einer Hauptoberfläche eines Siliziumwafers gezüchtet wird, der in einer Horizontalkammer gehalten ist, werden parallele Strömungen an reaktivem Gas von einer Mehrzahl von Positionen aus, die in einer Breitenrichtung der Strömungen angeordnet sind, gleichzeitig in die Kammer zugeführt, so daß eine epitaktische Schicht in der Nähe der Mitte des Siliziumwafers und in der Nähe der peripheren Abschnitte des Wafers gebildet wird. Das reaktive Gas umfaßt eine Siliziumquelle, einen Dotierstoff und Wasserstoff. Die Konzentration des Dotierstoffs in dem reaktiven Gas, das von einer zentralen Seite in der Breitenrichtung der Strömungen zugeführt wird, wird eingestellt, so daß der spezifische Widerstand der in der Nähe der Mitte des Siliziumwafers gebildeten epitaktischen Schicht etwa derselbe ist wie der spezifische Widerstand der in der Nähe der peripheren Abschnitte des Wafers gebildeten epitaktischen Schicht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der Einstellschritt einen ersten Einstellschritt zum Bereitstellen einer vorbestimmten Menge an einem zusätzlichen Dotierstoff, der in das reaktive Gas geleitet wird, das von der zentralen Seite zugeführt wird, und einen zweiten Einstellschritt zum Reduzieren der Schwankung der Konzentration des zusätzlichen Dotierstoffs in dem reaktiven Gas. Vorzugsweise wird der zweite Einstellschritt mittels eines Federbalgdosierventils ausgeführt.

Die Erfindung ist in ihrem vollsten Umfang in den beigefügten Ansprüchen definiert und ist unten anhand ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Die obengenannten und weitere Merkmale dieser Erfindung und die Art und Weise, um sie zu erhalten, werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung augenscheinlicher und bestens verständlich, die in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung zu sehen ist. Diese Zeichnung beschreibt lediglich typische Ausführungsbeispiele der Erfindung und beschränkt daher nicht deren Umfang. Sie dient der Spezifizierung und der detaillierten Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in einer illustrativen Darstellung eine Anordnung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 in einem Diagramm ein instabiles Profil hinsichtlich der Dotierstoffkonzentration gemäß der herkömmlichen Vorrichtung und dem herkömmlichen Verfahren aus Fig. 1,

Fig. 3 in einem Diagramm ein instabiles Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands gemäß der herkömmlichen Vorrichtung und dem herkömmlichen Verfahren aus Fig. 1,

Fig. 4 in einer illustrativen Darstellung eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 in einem Diagramm ein stabiles und konstantes Profil hinsichtlich der Dotierstoffkonzentration, das durch Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens aus Fig. 4 erhalten ist,

Fig. 6 in einem Diagramm ein stabiles und konstantes Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands, das durch Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens aus Fig. 4 erhalten ist, und

Fig. 7 in einer illustrativen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Anordnung einer herkömmlichen Vorrichtung 10 und eines herkömmlichen Verfahrens zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium und die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen 110 und 210 und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaubild und eine longitudinale geschnittene Seitenansicht einer herkömmlichen Vorrichtung 10 zur Einzelwaferverarbeitung und zum Züchten eines epitaktischen Siliziumwafers 18 aus der Gasphase. Die Vorrichtung 10 umfaßt typischerweise einen Reaktor 12, ein Gaszuführsystem 20, nicht gezeigte Erwärmungseinrichtungen zum Erwärmen epitaktischer Siliziumwafer 18, ein nicht gezeigtes Wafertransfersystem, ein nicht gezeigtes Steuersystem und ein nicht gezeigtes Vakuumsystem.

Der Reaktor 12 ist aus Quarz hergestellt und weist die Form eines länglichen Gehäuses auf, das eine Reaktionskammer 14 definiert, und umfaßt einen darin angeordneten scheibenförmigen Aufnehmer 16. Der Aufnehmer 16 hält einen Siliziumsubstratwafer 18 - aus Gründen der Einfachheit der nachfolgenden Beschreibung weist ein epitaktischer Siliziumwafer 18 dieselbe Bezugsziffer wie der Siliziumsubstratwafer 18 auf - auf seiner Oberseite und wird während der Epitaxie innerhalb einer horizontalen Ebene rotiert. Der Aufnehmer 16 weist eine nicht gezeigte Welle auf, die fest mit ihm verbunden ist und sich in den Außenbereich des Reaktors 12 erstreckt. Ein nicht gezeigter Motor rotiert die Aufnehmerwelle. Vorzugsweise ist der Aufnehmer 16 zur Einzelwaferverarbeitung ausgebildet.

Das Gaszuführsystem 20 ist mit der Reaktionskammer 14 des Reaktors 12 strömungsverbunden und umfaßt drei Injektoren 22, 24 und 26, die transversal zu der Längsachse des Reaktors 12 angeordnet sind. Die drei Injektoren 22, 24 und 26 weisen eine gemeinsame Gaszuführleitung 28 auf, die wiederum mit den Massenflußsteuergeräten (MFC) 32, 34 und 36 für ein reaktives Gas verbunden ist. Das reaktive Gas besteht aus der Siliziumquelle - bspw. Monosilan, Dichlorsilan, Trichlorsilan oder Tetrachlorsilan -, einem geringen Volumen des Dotierstoffs und Wasserstoff (H2) zum Verdünnen der Siliziumquelle und des Dotierstoffs.

Die Injektoren 22, 24 und 26 führen gleichzeitig Strömungen des reaktiven Gases mit gleicher Siliziumquellenkonzentration und gleicher Dotierstoffkonzentration zu der Hauptoberfläche des Wafers 18 auf dem Aufnehmer 16. Die MFC's 32, 34 und 36 steuern die Siliziumquellenkonzentration und die Dotierstoffkonzentration des zu den drei Injektoren 22, 24 und 26 geführten reaktiven Gases. Die Gaszuführleitung 28 ist des weiteren mit zwei Federbalgdosierventilen 42 bzw. 44 vor ihrem Anschluß an die Injektoren 22 und 26 bzw. 24 verbunden.

Zusätzlich ist eine Versorgungsleitung 30 für zusätzlichen Dotierstoff mit einem zusätzlichen Dotierstoff bereitgestellt, der lediglich in den zentralen Injektor 24 deponiert wird, welcher eine epitaktische Deposition auf der Mitte des Wafers 18 bewirkt. Ein zusätzliches MFC 38 ist ebenfalls vorgesehen, um die Menge des zusätzlichen Dotierstoffs zu steuern, so daß sie an den selbstdotierenden Dotierstoff auf den peripheren Rändern des Wafers 18 angepaßt ist, um ein gleichmäßiges Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands zu ergeben.

Jedoch zeigt die herkömmliche Anordnung gemäß Fig. 1 ernsthafte Beschränkungen aufgrund der Empfindlichkeit des zusätzlichen MFC 38. Die Zuverlässigkeit des zusätzlichen Dotierstoffs ist in hohem Maße von einem konstanten und genau gesteuerten Gasdruck auf beiden Seiten des zusätzlichen MFC 38 abhängig. Während des normalen Betriebs des Reaktors 12 liegen häufig Druckfluktuationen in der Gasströmungsleitung vor, die zu den Injektoren 22, 24 und 26 führt. Dies hat schwankende emittierte Konzentrationen hinsichtlich des zusätzlichen Dotierstoffs und daher ein instabiles Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands in der epitaktischen Schicht des Wafers 18 zur Folge.

Tabelle 1 zeigt Testergebnisse, die durch Verwendung eines Epitaxiereaktors erhalten worden sind, der durch die Applied Materials Technology Corporation (AMT) hergestellt worden ist und der einen Aufbau, wie oben beschrieben und in Fig. 1 dargestellt, aufweist. Die Dotierstoffkonzentration und der spezifische Widerstand sind in unterschiedlichen Tiefen gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgelistet und in den Fig. 2 und 3 auch aufgetragen. Fig. 2 ist ein Diagramm der Dotierstoffkonzentration als Funktion der Tiefe, wobei ein instabiles und nicht konstantes Profil der Dotierstoffkonzentration gezeigt ist. Fig. 3 ist ein Diagramm des spezifischen Widerstands als Funktion der Tiefe, wobei ein instabiles und nicht konstantes Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands gezeigt ist.



Deshalb besteht eine der primären Aufgaben der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium mit einem stabilen und konstanten Profil hinsichtlich der Dotierstoffkonzentration und hinsichtlich des spezifischen Widerstands bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine korrekte Identifizierung des Problems des herkömmlichen Aufbaus, das durch Gasdruckfluktuationen auf beiden Seiten des zusätzlichen MFC 38 verursacht ist, und durch ein Bereitstellen einer korrektiven Maßnahme zum Steuern der Zufuhr des zusätzlichen Dotierstoffs.

Fig. 4 zeigt eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung 110 und eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, welches eine Vorrichtung 110 zur Einzelwaferverarbeitung und zum Züchten eines epitaktischen Siliziumwafers aus der Gasphase verwendet. Die Vorrichtung 110 weist mit der oben beschriebenen, herkömmlichen Vorrichtung 10 gemeinsame Merkmale auf. Deshalb sind einige der gemeinsamen Merkmale im folgenden nicht detailliert beschrieben.

Die Vorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Reaktor 112 und ein Gaszuführsystem 120. Der Reaktor 112 weist eine Reaktionskammer 114 auf. Ein scheibenförmiger Aufnehmer 116 ist innerhalb des Reaktors 112 angeordnet. Der Aufnehmer 116 hält einen Siliziumsubstratwafer 118 auf seiner Oberseite und wird während der Epitaxie innerhalb einer horizontalen Ebene rotiert.

Das Gaszuführsystem 120 ist mit der Reaktionskammer 114 des Reaktors 112 strömungsverbunden und umfaßt drei Injektoren 122, 124 und 126, die transversal zu der Längsachse des Reaktors 112 angeordnet sind. Die drei Injektoren 122, 124 und 126 weisen eine gemeinsame Gaszuführleitung 128 auf, die wiederum mit den MFC's 132, 134 und 136 für das reaktive Gas verbunden ist. Das reaktive Gas besteht aus der Siliziumquelle, einem geringen Volumen des Dotierstoffs und Wasserstoff (H2) zum Verdünnen der Siliziumquelle und des Dotierstoffs.

Die Injektoren 122, 124 und 126 führen gleichzeitig Strömungen des reaktiven Gases mit gleicher Siliziumquellenkonzentration und gleicher Dotierstoffkonzentration zu der Hauptoberfläche des Wafers 118 auf dem Aufnehmer 116. Die MFC's 132, 134 und 136 steuern die Siliziumquellenkonzentration und die Dotierstoffkonzentration des zu den drei Injektoren 122, 124 und 126 geführten reaktiven Gases. Die Gaszuführleitung 128 ist weiterhin mit zwei Federbalgdosierventilen 142 bzw. 144 vor ihrem Anschluß an die Injektoren 122 und 126 bzw. 124 verbunden. Ein typisches, bei der vorliegenden Erfindung eingesetztes Massenflußsteuergerät ist das metallgedichtete MFC 5964, das von Brookes Instrument bezogen ist. Die Größe eines solchen MFC beträgt etwa 300 SCCM. Das MFC ist auf Wasserstoff kalibriert. Ein typisches, bei der vorliegenden Erfindung eingesetztes Federbalgdosierventil ist das Modell SS-4 BMK-5857, welches von Nupro bezogen ist. Jedoch sollte sich von selbst verstehen, daß auch andere Typen an MFC's oder Federbalgdosierventilen verwendet werden können, so lange diese dieselben Funktionen erfüllen und dieselben Ergebnisse erbringen.

Zusätzlich ist eine Versorgungsleitung 130 für zusätzlichen Dotierstoff mit einem zusätzlichen Dotierstoff vorgesehen, der lediglich in den zentralen Injektor 124 deponiert wird, welcher eine epitaktische Deposition auf der Mitte des Wafers 118 bewirkt. Ein zusätzliches MFC 138 ist ebenfalls vorgesehen, um die Menge des zusätzlichen Dotierstoffs zu steuern, so daß sie an den selbstdotierenden Dotierstoff auf den peripheren Rändern des Wafers 118 angepaßt ist, um ein gleichmäßiges Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands zu ergeben.

Zur Lösung des durch die Gasdruckfluktuation auf beiden Seiten des zusätzlichen MFC 138 erzeugten Problems ist ein zusätzliches Federbalgdosierventil 148 zwischen dem zusätzlichen MFC 138 und dem zentralen Injektor 124 bereitgestellt. Die Hauptfunktion des Federbalgdosierventils 148 besteht darin, Druckvariationen in der zentralen Strömungsleitung zu absorbieren, um zu verhindern, daß die Druckvariationen das zusätzliche MFC 138 erreichen.

Es sei hervorgehoben, daß, obgleich ein Federbalgdosierventil 148 bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist, es vollständig innerhalb des Umfangs und des Geists der vorliegenden Erfindung liegt, jegliche Einrichtungen oder Mittel zu verwenden, die dieselben Grundfunktionen aufweisen und/oder dieselben grundsätzlichen Ergebnisse hinsichtlich des Isolierens oder Schützens des zusätzlichen MFC 138 vor den Druckvariationen in der zentralen Strömungsleitung erbringen. Beispiele solcher Einrichtungen umfassen ein Druckbegrenzungsventil, einen Druckregler, ein Drosselventil, ein Ventil mit feststehender Öffnung, ein Rotameter und dergleichen. Diese Beispiele stellen jedoch keine abschließende Aufzählung dar. Die genannten Einrichtungen sind kommerziell erhältlich.

Es ist herausgefunden worden, daß die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Vorteilen bereitstellt. Durch das Bereitstellen eines Mittels zum Absorbieren der Druckvariationen in der zentralen Strömungsleitung ist verhindert, daß die Druckvariationen das zusätzliche MFC 138 erreichen. Deshalb kann ein konstantes Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands auf der epitaktischen Schicht ohne eine schützende Abdichtung auf der Rückseite des Wafers 118 erreicht werden.

Tabelle 2 zeigt Testergebnisse, die unter Verwendung eines Epitaxiereaktors 112 gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten sind, welcher einen wie oben beschriebenen und in Fig. 4 dargestellten Aufbau aufweist. Die Dotierstoffkonzentration und der spezifische Widerstand sind bei verschiedenen Tiefen gemessen, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 aufgelistet und in den Fig. 5 und 6 ebenfalls aufgetragen. Fig. 5 ist ein Diagramm der Dotierstoffkonzentration als Funktion der Tiefe, wobei ein stabiles und konstantes Profil hinsichtlich der Dotierstoffkonzentration gezeigt ist. Fig. 6 ist ein Diagramm des spezifischen Widerstands als Funktion der Tiefe, wobei ein stabiles und konstantes Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands gezeigt ist.



Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der bevorzugten Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung 210 und eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, welches eine Vorrichtung 210 zur Einzelwaferverarbeitung zum Züchten eines epitaktischen Siliziumwafers aus der Gasphase verwendet. Die Vorrichtung 210 ist der Vorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls sehr ähnlich, welche oben beschrieben ist, und deshalb sind einige der gemeinsamen Merkmale im folgenden nicht im Detail beschrieben.

Kurz gesagt umfaßt die Vorrichtung 210 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Reaktor 212 und ein Gaszuführsystem 220. Der Reaktor 212 weist eine Reaktionskammer 214 auf, und ein scheibenförmiger Aufnehmer 216 ist innerhalb des Reaktors 212 angeordnet. Der Aufnehmer 216 hält einen Siliziumsubstratwafer 218 auf seiner Oberseite und wird während der Epitaxie innerhalb einer horizontalen Ebene rotiert.

Das Gaszuführsystem 220 ist mit der Reaktionskammer 214 des Reaktors 212 strömungsverbunden und umfaßt drei Injektoren 222, 224 und 226, die transversal zu der Längsachse des Reaktors 212 angeordnet sind. Die drei Injektoren 222, 224 und 226 weisen eine gemeinsame Gaszuführleitung 228 auf, die wiederum mit den MFC's 232, 234 und 236 für das reaktive Gas verbunden ist. Das reaktive Gas besteht aus der Siliziumquelle, einem geringen Volumen des Dotierstoffs und Wasserstoff (H2) zum Verdünnen der Siliziumquelle und des Dotierstoffs.

Die Injektoren 222, 224 und 226 führen gleichzeitig Ströme des reaktiven Gases mit gleicher Siliziumquellenkonzentration und gleicher Dotierstoffkonzentration zu der Hauptoberfläche des Wafers 218 auf dem Aufnehmer 216. Die MFC's 232, 234 und 236 steuern die Siliziumquellenkonzentration und die Dotierstoffkonzentration des zu den drei Injektoren 222, 224 und 226 geführten reaktiven Gases. Die Gaszuführleitung 228 ist des weiteren mit zwei Federbalgdosierventilen 242 bzw. 244 vor ihrem Anschluß an die Injektoren 222 und 226 bzw. 224 verbunden.

Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel ist anstelle der Verwendung eines Federbalgdosierventils 148 zwischen dem zusätzlichen MFC 138 und dem zentralen Injektor 124 eine Versorgungsleitung 230 für zusätzlichen Dotierstoff mit der zentralen Gasversorgungsleitung vor dem Federbalgdosierventil 244 verbunden, das Druckvariationen in der zentralen Strömungsleitung absorbiert, um zu verhindern, daß solche Druckvariationen ein zusätzliches MFC 238 erreichen. Da verhindert ist, daß die Druckvariationen das zusätzliche MFC 238 erreichen, kann ein stabiles und konstantes Profil hinsichtlich des spezifischen Widerstands auf der epitaktischen Schicht ohne eine schützende Abdichtung auf der Rückseite des Wafers 218 erreicht werden.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium mit einem konstanten Profil hinsichtlich der Dotierstoffkonzentration und hinsichtlich des spezifischen Widerstands gerichtet. Die Hauptschritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein gleichzeitiges Zuführen paralleler Strömungen an reaktivem Gas, das eine Siliziumquelle, einen Dotierstoff und Wasserstoff umfaßt, von einer Mehrzahl von Positionen aus, die in einer Breitenrichtung der Strömungen angeordnet sind, in die Kammer 114, 214, so daß eine epitaktische Schicht in der Nähe der Mitte des Siliziumwafers 118, 218 und in der Nähe der peripheren Abschnitte des Wafers 118, 218 gebildet wird, und ein Einstellen der Konzentration des Dotierstoffs in dem reaktiven Gas, das von einer zentralen Seite in der Breitenrichtung der Strömungen zugeführt wird, so daß der spezifische Widerstand der in der Nähe der Mitte des Siliziumwafers 118, 218 gebildeten epitaktischen Schicht etwa derselbe ist wie der spezifische Widerstand der in der Nähe der peripheren Abschnitte des Wafers 118, 218 gebildeten epitaktischen Schicht.

Der Einstellschritt bewirkt durch das Vermeiden, daß Druckfluktuationen das zusätzliche MFC 138, 238 erreichen, daß eine konstante Menge an zusätzlichem Dotierstoff in das reaktive Gas geleitet wird, das von der zentralen Seite zugeführt wird. Vorzugsweise wird der kritische Schritt durch Verwendung eines Federbalgdosierventils 148, 244 durchgeführt, das zwischen dem zentralen Injektor 124, 224 und dem zusätzlichen MFC 138, 238 vorgesehen ist. Alternativ kann er durch ein Verbinden der Versorgungsleitung 230 für zusätzlichen Dotierstoff mit der zentralen Gasversorgungsleitung vor dem vorhandenen zentralen Federbalgdosierventil 244 ausgeführt werden.

Das Obige ist zur Illustration und nicht zur Beschränkung des Umfangs der Erfindung angeführt. Tatsächlich kann sich ein Durchschnittsfachmann ohne übermäßiges Experimentieren leicht weitere, auf der hier beschriebenen Lehre basierende Ausführungsbeispiele vorstellen und diese herstellen.

Die vorliegende Erfindung kann ohne ein Abweichen von ihren wesentlichen Charakteristiken in anderen spezifischen Formen verkörpert werden. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in jeder Hinsicht lediglich als erläuternd und nicht als beschränkend anzusehen. Der Umfang der Erfindung ist daher eher durch die beigefügten Patentansprüche als durch die vorhergehende Beschreibung angegeben. Sämtliche Veränderungen, die die Bedeutung von Äquivalenten der Ansprüche erlangen und die in den Bereich der Äquivalente der Ansprüche hineinreichen, sind in deren Umfang einzuschließen.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung (110, 210) zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstratwafers (118, 218) mit

    einer horizontalen Kammer (114, 214), die einen innerhalb der Kammer (114, 214) angeordneten Aufnehmer (116, 216) zum Halten des Siliziumsubstratwafers (118, 218) in einer horizontalen Position auf einer Oberseite des Aufnehmers (116, 216) umfaßt, so daß die Hauptoberfläche des Siliziumsubstratwafers (118, 218) nach oben zeigt,

    einer Anzahl von Injektoren (122, 124, 126, 222, 224, 226), die transversal zu einer horizontalen Achse der Kammer (114, 214) angeordnet sind, wobei die Injektoren (122, 124, 126, 222, 224, 226) einen zentralen Injektor (124, 224), der eine Strömung eines reaktiven Gases an einem zentralen Teil der Kammer (114, 214) vorbeiführt, und periphere Injektoren (122, 126, 222, 226) umfassen, die Strömungen des reaktiven Gases an einem peripheren Teil der Kammer (114, 214) vorbeiführen, wobei das reaktive Gas eine Siliziumquelle, einen Dotierstoff und Wasserstoff umfaßt,

    einem Gaszuführsystem (120, 220), das an den zentralen Injektor (124, 224) und an die peripheren Injektoren (122, 126, 222, 226) angeschlossen ist und das das reaktive Gas zu den Injektoren (122, 124, 126, 222, 224, 226) führt, und

    einem zusätzlichen Dotierstoffzuführsystem, das an den zentralen Injektor (124, 224) angeschlossen ist und Strömungen an Dotierstoffgas an dem zentralen Teil der Kammer (114, 214) vorbeiführt,

    wobei sowohl das Gaszuführsystem (120, 220) als auch das zusätzliche Dotierstoffzuführsystem über eine zentrale Strömungsleitung an den zentralen Injektor (124, 224) angeschlossen sind,

    gekennzeichnet durch ein zwischen das zusätzliche Dotierstoffzuführsystem und den zentralen Injektor (124, 224) geschaltetes Mittel (148, 244) zum Absorbieren von Druckschwankungen in der zentralen Strömungsleitung, um zu verhindern, daß die Druckschwankungen das zusätzliche Dotierstoffzuführsystem erreichen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (148, 244) zum Absorbieren von Druckschwankungen ein Federbalgdosierventil (148, 244) ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaszuführsystem (120, 220) für das reaktive Gas weiterhin ein Steuergerät (132, 134, 136, 232, 234, 236) zum Steuern der Massenflüsse von zumindest der Siliziumquelle, dem Dotierstoff oder dem Wasserstoff umfaßt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zwischen das Gaszuführsystem (120, 220) und den zentralen Injektor (124, 224) geschaltetes Mittel (144, 244) zum Liefern einer vorbestimmten Menge des reaktiven Gases in den zentralen Injektor (124, 224).
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (144, 244) zum Liefern der vorbestimmten Menge des reaktiven Gases ein Federbalgdosierventil ist.
  6. 6. Vorrichtung (210) zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstratwafers (218) mit

    einer horizontalen Kammer (214), die einen innerhalb der Kammer (214) angeordneten Aufnehmer (216) zum Halten des Siliziumsubstratwafers (218) in einer horizontalen Position auf einer Oberseite des Aufnehmers (216) umfaßt, so daß die Hauptoberfläche des Siliziumsubstratwafers (218) nach oben zeigt,

    einer Anzahl von Injektoren (222, 224, 226), die transversal zu einer horizontalen Achse der Kammer (214) angeordnet sind, wobei die Injektoren (222, 224, 226) einen zentralen Injektor (224), der eine Strömung eines reaktiven Gases an einem zentralen Teil der Kammer (214) vorbeiführt, und periphere Injektoren (222, 226) umfassen, die Strömungen des reaktiven Gases an einem peripheren Teil der Kammer (214) vorbeiführen, wobei das reaktive Gas eine Siliziumquelle, einen Dotierstoff und Wasserstoff umfaßt,

    einem Gaszuführsystem (220), das an den zentralen Injektor (224) und an die peripheren Injektoren (222, 226) angeschlossen ist und das das reaktive Gas zu den Injektoren (222, 224, 226) führt,

    einem Ventil (244) mit einem ersten, an das Gaszuführsystem (220) angeschlossenen Ende und einem zweiten, an den zentralen Injektor (224) angeschlossenen Ende, um eine vorbestimmte Menge des reaktiven Gases in den zentralen Injektor (224) strömen zu lassen, und

    einem zusätzlichen Dotierstoffzuführsystem,

    dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Dotierstoffzuführsystem an das erste Ende des Ventils (244) zum Leiten von Strömungen an Dotierstoffgas an dem zentralen Teil der Kammer (214) vorbei angeschlossen ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (244) ein Federbalgdosierventil (244) ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (116, 216) eine Einzelwafer-Verarbeitungseinrichtung ist.
  9. 9. Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf einer Hauptoberfläche eines Siliziumwafers (118, 218), der in einer Horizontalkammer (114, 214) gehalten ist, wobei der Siliziumwafer (118, 218) einen zentralen Abschnitt und periphere Abschnitte aufweist,

    gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
    1. - gleichzeitiges Zuführen paralleler Strömungen an reaktivem Gas von einer Mehrzahl von Positionen aus, die in einer Breitenrichtung der Strömungen angeordnet sind, in die Kammer (114, 214), so daß eine epitaktische Schicht in der Nähe der Mitte des Siliziumwafers (118, 218) und in der Nähe der peripheren Abschnitte des Wafers (118, 218) gebildet wird, wobei das reaktive Gas eine Siliziumquelle, einen Dotierstoff und Wasserstoff umfaßt, und
    2. - Einstellen der Konzentration des Dotierstoffs in dem reaktiven Gas, das von einer zentralen Seite in der Breitenrichtung der Strömungen zugeführt wird, so daß der spezifische Widerstand der in der Nähe der Mitte des Siliziumwafers (118, 218) gebildeten epitaktischen Schicht etwa derselbe ist wie der spezifische Widerstand der in der Nähe der peripheren Abschnitte des Wafers (118, 218) gebildeten epitaktischen Schicht.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellen die folgenden Schritte umfaßt:
    1. - erstes Einstellen zum Bereitstellen einer vorbestimmten Menge an zusätzlichem Dotierstoff, der in das reaktive Gas geleitet wird, das von der zentralen Seite zugeführt wird, und
    2. - zweites Einstellen zum Reduzieren der Schwankung der Konzentration des zusätzlichen Dotierstoffs in dem reaktiven Gas.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Einstellen mittels eines Massenflußsteuergeräts (138, 238) ausgeführt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Einstellen mittels eines Ventils (148, 244) ausgeführt wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (148, 244) ein Federbalgdosierventil (148, 244) ist.
  14. 14. Verfahren zum Züchten einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf einer Hauptoberfläche eines Siliziumwafers (118, 218), der in einer Horizontalkammer (114, 214) gehalten ist, wobei der Siliziumwafer (118, 218) einen zentralen Abschnitt und periphere Abschnitte aufweist,

    gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
    1. - gleichzeitiges Zuführen paralleler Strömungen an reaktivem Gas von einer Mehrzahl von Positionen aus, die in einer Breitenrichtung der Strömungen angeordnet sind, in die Kammer (114, 214), so daß eine epitaktische Schicht in der Nähe der Mitte des Siliziumwafers (118, 218) und in der Nähe der peripheren Abschnitte des Wafers (118, 218) gebildet wird, wobei das reaktive Gas eine Siliziumquelle, einen Dotierstoff und Wasserstoff umfaßt, und
    2. - Zuführen einer vorbestimmten Menge an zusätzlichem Dotierstoff in Strömungen des reaktiven Gases, das von einer zentralen Seite in der Breitenrichtung der Strömungen mit einer konstanten Konzentration zugeführt wird, so daß der spezifische Widerstand der in der Nähe der Mitte des Siliziumwafers (118, 218) gebildeten epitaktischen Schicht etwa derselbe ist wie der spezifische Widerstand der in der Nähe der peripheren Abschnitte des Wafers (118, 218) gebildeten epitaktischen Schicht.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführen von zusätzlichem Dotierstoff die folgenden Schritte umfaßt:
    1. - Bereitstellen der vorbestimmten Menge an zusätzlichem Dotierstoff mittels eines Massenflußsteuergeräts (138, 238) und
    2. - Leiten des zusätzlichen Dotierstoffs durch ein Ventil (148, 244) bzw. Ventilsystem, so daß die Konzentration des zusätzlichen Dotierstoffs in dem reaktiven Gas konstant ist.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (148, 244) ein Federbalgdosierventil (148, 244) ist.






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