WO2001063002A1 - Verfahren zum entfernen von adsorbierten molekülen aus einer kammer - Google Patents

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WO2001063002A1
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water
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Zsolt Nenyei
Wilfried Lerch
Jürgen NIESS
Thomas Graf
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Steag Rtp Systems Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for removing first molecules adsorbed on the surfaces of a chamber and / or at least one object located in the chamber, in particular to removing polar molecules from a process or lock chamber of a rapid heating system.
  • moisture for example, can impair the process.
  • Moisture tends to be adsorbed on the chamber walls, objects such as semiconductor substrates or other elements in the chamber.
  • processes that are affected by the presence of water are the production of ultra-flat pn junctions (ultra shallow junctions), metallization processes and many CVD processes. Water also affects so-called COP's or crystal originated particles, as well as the formation of oxygen-free surface layers (magic denuded zones).
  • water within the reaction chamber has a negative effect on the substrates to be treated or on the layers applied thereon.
  • water in the order of less than 1 ppm to several 100 ppm in an oxygen-free atmosphere during a thermal treatment, depending on the process temperature has a caustic effect on silicon or GaAs wafers.
  • An originally smooth polished surface of the wafer is atomically roughened. It is possible that Form zones of a diffuse veil on the wafer. Structures applied to the substrate surface can thereby be destroyed or at least impaired.
  • the etched material of the semiconductor wafer may settle elsewhere in the process chamber, thereby contaminating the chamber.
  • the main reason for water within a process chamber is the humidity of the ambient air. Every time the process chamber is opened, for example to remove and insert the object to be treated or during maintenance work, air penetrates into the process chamber.
  • the relative humidity in clean rooms is usually between 38% and 42%.
  • the water present in the air settles on the object to be treated or on the inside of the chamber. This problem is particularly pronounced after a wet chemical treatment of the object. In these cases, water is adsorbed by the substrate surface in much larger quantities.
  • special coatings of a wafer with different materials can increase the adsorption effect against water. Silicon dioxide, which is often used as a coating material, is highly hydrophilic and has a great adsorption effect against water.
  • the process chamber can be contaminated by powdery deposits. In these cases, a large amount of water can be adsorbed because the powdery microparticles in the chamber provide an enlarged surface for adsorption.
  • the present invention is therefore based on the object of a method for the rapid and efficient removal of polar molecules, such as. B. of water molecules, but also of non-polar molecules, such as. B. oxygen molecules from a chamber.
  • polar molecules such as. B. of water molecules
  • non-polar molecules such as. B. oxygen molecules from a chamber.
  • the present invention relates in particular to the removal of water molecules from a process and / or lock chamber of a rapid heating system.
  • the object is achieved by introducing second polar molecules into the chamber, which have a desorbing effect on the first molecules.
  • the introduction of the second polar molecules accelerates the desorption of the undesired first molecules.
  • the second polar molecules preferably take the place of the first molecules, so that a new adsorption is prevented.
  • predetermined limit values for the concentration of the first molecules within the chamber can be reached more quickly, which means that the throughput rates of the system and thus its economy can be increased.
  • lower values of the concentration of the first molecules within the chamber can be achieved, which leads to better process results.
  • the first molecules are preferably water and / or oxygen molecules, which can have an etching effect on semiconductor wafers. Removing these molecules can therefore prevent damage to the wafers or the structures attached to them.
  • a purge gas in particular before, during and / or after the introduction of the second polar molecules, especially an inert gas or N 2) passed through the chamber in order to reliably remove the desorbed first molecules from the chamber.
  • purging gas is preferably first passed through the chamber and then a mixture of purging gas and the second polar molecules in order to first achieve a purging. Only after the pre-rinse are the second polar molecules passed through the chamber in order to cause further desorption of the first molecules. This two-step step can reduce the amount of second polar molecules used. For example, to apply water at a relative humidity of approx. 40% and room temperature using NH 3 , a mixing ratio of 9: 1 between the purge gas and the polar NH3 has proven to be advantageous.
  • the purge gas and then the second polar molecules are first passed through the chamber in order to again achieve a two-stage process.
  • a purge gas can advantageously be passed through the chamber again.
  • the temperature within the chamber is preferably controlled.
  • the walls of the chamber and / or an object located in the chamber, such as a semiconductor wafer, are preferably heated.
  • the object is preferably heated to a temperature range between 400 ° C and 800 ° C.
  • the desorption can advantageously also be promoted in that the second polar molecules and / or the purge gas are heated before being introduced into the chamber.
  • the second polar molecules consist of nitrogen and hydrogen and in particular form NH 3 molecules.
  • the second polar molecules have fluorine and / or chlorine.
  • care must be taken that the second polar molecules support the desired rapid heating process and do not interfere in any way. For example, an undesirable oxidizing effect of water is avoided by selecting NH 3 as the second polar molecule and thus causing a frequently desired nitridation or a reductive effect on the object to be processed.
  • the second polar molecules can be NH 3) 0 3 , NO 2 , NO, PH 3 , SiH C.
  • the pressure in the chamber is advantageously controlled to an overpressure or a vacuum. Sequential desorbing in several rinsing stages can also be advantageous, with different polar molecules or a mixture of molecules being used in each stage.
  • the present invention is particularly suitable for the removal of water and oxygen molecules from the process and / or lock chamber of a rapid heating system for the thermal treatment of semiconductor wafers.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a device for thermal treatment of a substrate
  • Fig. 2a shows the water content in a gas flow when leaving a
  • Process chamber as a function of time 2b shows a diagram of a gas flow profile and a temperature profile within a process chamber as a function of time;
  • FIG. 3a, 3b similar diagrams as in Figures 2a and 2b with different gas flows and temperature profiles;
  • Fig. 4 is a diagram showing the effects of repeated repetitions of the method according to the invention on the moisture in a process chamber.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a rapid heating system 1 for the thermal treatment of substrates 2, as is known, for example, from DE 199 23 400.0, which is based on the same applicant and has not been previously published.
  • the device 1 has a housing 3, which can comprise a mirrored chamber 4 on the inside.
  • a process chamber 6, which preferably consists of quartz, is provided within the housing 3.
  • a support for receiving and holding a semiconductor wafer 2 is provided within the process chamber 6.
  • the process chamber 6 has at one end a gas inlet line 8 which is connected to at least two different gas sources 10 and 11.
  • One end of the process chamber 6 opposite the gas line 8 is closed by a chamber door 14.
  • a lock chamber 16 can be provided on the outside of the housing 3, via which semiconductor wafers 2 are introduced into and removed from the process chamber 6 in a known manner.
  • the process chamber 6 is spaced from an upper and a lower wall of the housing 3, and lamp banks 18, 19 are arranged in the spaces formed therebetween in order to thermally treat the semiconductor wafer 2 in a known manner.
  • the lamp banks 18, 19 can have both tungsten-halogen lamps 7 and UV lamps 9 or only one type of lamp.
  • a flushing gas such as, for example, an inert gas or N 2
  • the purge gas absorbs some of the moisture and transports it out of the process chamber 6.
  • a gas containing polar molecules such as NH 3
  • the polar molecules have a desorbing effect on water and oxygen and thus enable a better removal of the water and oxygen from the chamber 6.
  • the gas from polar molecules can be introduced into the purge gas stream or the purge gas stream can be interrupted and only polar gas in the chamber 6 can be introduced to provide a good desorption.
  • a flushing gas can then be introduced into the chamber 6, or a process gas which promotes certain reactions during the thermal treatment of the semiconductor wafer 2.
  • These steps can be repeated any number of times, whereby different gases can be used in each step.
  • the desorbing effect can also be achieved by a gas mixture of different polar molecules, the concentration of which depends on the process conditions, e.g. B. temperature and pressure can be adjusted.
  • the polar molecules with a desorbing action can also only be generated in the reaction chamber. For example, UV radiation can be used to generate ozone in a process gas atmosphere containing oxygen.
  • Suitable polar gases which have a desorbing effect on water are, for example, nitrogen-hydrogen compounds such as ammonia NH 3 or hydrazine N 2 H 4 , hydrogen-halogen compounds such as HCl, nitrogen-halogen compounds such as NF 3 and halogenated Hydrocarbon compounds such as CH 3 F or CHCI 3 (chloroform) etc., to name just a few examples.
  • nitrogen-hydrogen compounds such as ammonia NH 3 or hydrazine N 2 H 4
  • hydrogen-halogen compounds such as HCl
  • nitrogen-halogen compounds such as NF 3
  • halogenated Hydrocarbon compounds such as CH 3 F or CHCI 3 (chloroform) etc.
  • the use of NH 3 advantageously allows the process temperature to be reduced and thus the thermal load on the substrate, since NH 3 dissociates in various ways and releases reactive hydrogen.
  • a periodic flushing process for removing the water is advantageous, in which a flushing or process gas and a polar gas alternate in the gas stream after a predetermined modulation.
  • the temperature of the process chamber 6 and / or the wafer 2 can be varied during the individual rinsing processes.
  • FIG. 2 shows the results of a test which shows the influence of a polar gas on the moisture concentration within a process chamber of a rapid heating system.
  • the test was carried out on an AST 2800E rapid heating system from STEAG RTP Systems GmbH.
  • An upper diagram shows the content of water molecules in a gas flow emerging from a process chamber in ppm, ie in particles per million.
  • a first curve 21 shows an argon flow through the process chamber of the rapid heating system
  • a second curve 22 shows an ammonia (NH 3 ) flow through the process chamber
  • a third curve 23 the temperature of a semiconductor wafer located in the chamber, as measured by a pyrometer in a known manner.
  • the water content in the gas stream emerging from the process chamber drops continuously to 4 ppm in the first 60 seconds after the start of an argon flow of approx. 10 slm. This is because the argon flow carries water molecules out of the chamber and the water content in the chamber decreases over time.
  • the water content begins to decrease again at approximately 70 seconds.
  • a further increase in the water content is achieved by heating the wafer to an elevated temperature. As can be seen in curve 23 in FIG. 2b, the wafer temperature is heated to approximately 750 ° C. This warming promotes the desorption of water, which results in a renewed increase in the water content in the gas stream emerging from the process chamber, as shown in FIG. 2a.
  • the temperature of the wafer was measured with a pyrometer. Since a weakly doped silicon wafer is semitransparent in the infrared wavelength range below 450 ° C and emits weak thermal radiation that cannot be measured, the temperature curve only starts at this limit temperature.
  • the wafer is preferably heated to a temperature of 750 ° C. and held at this temperature for ten seconds, as can be seen in FIG. 2b.
  • the wafer temperature is preferably in a range between 400 ° C. and 800 ° C. Ten seconds are enough to reach a new maximum of the water content in the purge gas.
  • the argon and / or ammonia gas can also be heated in order to promote the desorption of water.
  • the water content in the gas stream also drops to a range below 3 ppm.
  • FIG. 3 shows the results of a further test with essentially the same test setup as that described above.
  • the chamber is first rinsed with an argon flow of approx. 10 slm (curve 31) for approx. 50 seconds.
  • the proportion of water in the gas stream emerging from the process chamber again decreases continuously.
  • the argon flow is then replaced by a pure NH 3 flow of 10 slm (curve 32).
  • the water content in the gas stream emerging from the process chamber rises to 10 ppm.
  • the water content only increased to 8 ppm.
  • the peak of the maximum is much more pronounced in this test.
  • FIGS. 2 and 3 clearly show an improved removal of water from a process chamber by introducing a polar gas, such as ammonia, into the process chamber.
  • a polar gas such as ammonia
  • FIG. 4 shows the effects of repeated repetition of the above-mentioned process on the moisture content in the process chamber.
  • the diagram in FIG. 4 shows the water content in a gas flow emerging from the process chamber as a function of time.
  • a gas flow and temperature control according to FIG. 3b were used to reduce the moisture concentration in the chamber.
  • Curve 41 shows the course of the water content in the gas flow exiting the process chamber for a first wafer
  • curve 42 shows the course of the water content in the exiting gas flow during the treatment of the tenth wafer.
  • the time ti marks the time at which the ammonia flow starts during the treatment.
  • the method according to the invention can also be used with other devices.
  • the method described is particularly advantageous in systems which have a lock system, for example when the process chamber itself and other components of the system are evacuated.
  • the described removal of adsorbed water can be carried out without or with the optional heating step in the lock before the wafer is introduced into a process chamber. Due to the typically relatively small volume of a lock chamber, rapid desorption of water can be achieved. Of course, in these cases too, a gas introduced into the lock chamber can be heated in order to promote the desorption of water and thus to achieve a more rapid reduction in the moisture concentration within the lock chamber.

Abstract

Zum schnellen und effizienten Entfernen von polaren Molekülen, wie z.B. von Wassermolekülen, aber auch von unpolaren Molekülen, wie z.B. Sauerstoffmolekülen, aus einer Kammer bzw. von Objekten werden zweite polare Moleküle in die Kammer eingeleitet, die auf die ersten Moleküle eine desorbierende Wirkung haben.

Description

Verfahren zum Entfernen von adsorbierten Molekülen aus einer Kammer
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen von auf den Oberflächen einer Kammer und/oder wenigstens eines in der Kammer befindlichen Objekts adsorbierten ersten Molekülen, insbesondere auf das Entfernen von polaren Molekülen aus einer Prozeß- oder Schleusenkammer einer Schnellheizanlage.
Bei vielen innerhalb einer Prozeßkammer durchgeführten Verfahren, wie beispielsweise CVD-Prozessen oder Wärmebehandlungen von Objekten, vor allem in der Halbleiterindustrie und der Mikroelektronik, kann beispielsweise Feuchtigkeit das Verfahren beeinträchtigen. Feuchtigkeit neigt dazu, an den Kammerwänden, den Objekten, wie beispielsweise Halbleitersubstraten oder anderen Elementen in der Kammer adsorbiert zu werden. Beispiele für Verfahren, die durch die Anwesenheit von Wasser beeinträchtigt werden, sind die Herstellung von ultraflachen pn-Übergängen (ultra shallow junctions), Metalli- sierungsprozesse und viele CVD-Prozesse. Wasser beeinträchtigt außerdem sogenannte COP's oder crystal originated particles, sowie die Ausbildung sauerstofffreier Oberflächenschichten (magic denuded zones).
Die an den Kammerwänden oder den Substraten adsorbierten Wassermole- küle führen zu unerwünschten chemischen Reaktionen, welche ein Behandlungsergebnis beeinträchtigen. Vor allem bei der Wärmebehandlung von Halbleitersubstraten wirkt sich Wasser innerhalb der Reaktionskammer negativ auf die zu behandelnden Substrate bzw. die darauf aufgebrachten Schichten aus. Beispielsweise besitzt Wasser in der Größenordnung von weniger als 1 ppm bis mehreren 100 ppm in einer sauerstofffreien Atmosphäre während einer thermischen Behandlung abhängig von der Prozeßtemperatur eine ätzende Wirkung auf Silizium- oder GaAs-Wafer. Eine ursprünglich glatt polierte Oberfläche des Wafers wird dabei atomar aufgerauht. Es ist möglich, daß sich auf dem Wafer Zonen eines diffusen Schleiers ausbilden. Auf der Substratoberfläche aufgebrachte Strukturen können hierdurch zerstört oder zumindest beeinträchtigt werden. Darüber hinaus setzt sich das abgeätzte Material des Halbleiterwafers möglicherweise an einer anderen Stelle innerhalb der Pro- zeßkammer ab, wodurch die Kammer kontaminiert wird.
Die Ursache für Wasser innerhalb einer Prozeßkammer ist vor allem die Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft. Bei jedem Öffnen der Prozeßkammer, beispielsweise zum Entnehmen und Einführen des zu behandelnden Objekts oder bei Wartungsarbeiten, dringt Luft in die Prozeßkammer ein. In Reinräumen liegt die relative Luftfeuchtigkeit in der Regel zwischen 38 % und 42 %. Das in der Luft vorhandene Wasser setzt sich auf dem zu behandelnden Objekt oder den Kammerinnenwänden ab. Besonders verstärkt tritt dieses Problem nach einer zuvor erfolgten naßchemischen Behandlung des Objekts auf. In diesen Fällen wird Wasser in wesentlich größeren Mengen von der Substratoberfläche adsorbiert. Aber auch besondere Beschichtungen eines Wa- fers mit verschiedenen Materialien, wie sie in der Halbleitertechnik häufig vorkommen, können die Adsorptionswirkung gegenüber Wasser erhöhen. Siliziumdioxid, welches häufig als Beschichtungsmaterial eingesetzt ist, ist stark hydrophil und besitzt eine große Adsorptionswirkung gegenüber Wasser. Insbesondere bei CVD-Prozessen kann die Prozeßkammer durch pulverförmige Abscheidungen verunreinigt werden. In diesen Fällen kann eine große Menge an Wasser adsorbiert werden, da infolge der pulverförmigen Mikroteilchen in der Kammer eine vergrößerte Oberfläche für die Adsorption zur Verfügung steht.
Um Wasser aus einer Prozeßkammer zu entfernen, ist es bekannt, die Kammer über einen längeren Zeitraum mit einem inerten Gas zu spülen. Dabei sind Spülzeiten von bis zu 12 Stunden keine Seltenheit, um den Wasseranteil innerhalb der Prozeßkammer auf ein akzeptables Maß zu reduzieren, wie es beispielsweise von Andrew, Inman, Haider, Gillespie & Brookshire in „Increa- sing equipment uptime through in situ moisture monitoring", Solid State Technology, August 1998, beschrieben wird. Bei Systemen, bei denen das Sub- strat über eine Schleuse in die Kammer eingeführt wird, sogenannte Load- lock-Systeme, muß nicht die gesamte Kammer, sondern lediglich die kleinere Schleusenkammer, in der sich der Wafer vor dem Beladen befindet, gespült werden. Die Spülzeit verringert sich dabei zwar auf 4 Stunden, ist aber noch immer außerordentlich hoch, wodurch die Behandlung von Halbleiterwafern unwirtschaftlich wird.
Ausgehend von diesem bekannten Verfahren liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum schnellen und effizienten Entfernen von polaren Molekülen, wie z. B. von Wassermolekülen, aber auch von unpolaren Molekülen, wie z. B. Sauerstoffmolekulen, aus einer Kammer vorzusehen. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf das Entfernen von Wassermolekülen aus einer Prozeß- und/oder Schleusenkammer einer Schnellheizanlage.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Einleiten von zweiten polaren Molekülen in die Kammer gelöst, die auf die ersten Moleküle eine desorbierende Wirkung ausüben. Das Einleiten der zweiten polaren Moleküle beschleunigt die Desorption der unerwünschten ersten Moleküle. Nach dem Lösen der er- sten Moleküle nehmen die zweiten polaren Moleküle vorzugsweise die Stelle der ersten Moleküle ein, so daß eine erneute Adsorption verhindert wird. Dadurch lassen sich schneller vorgegebene Grenzwerte für die Konzentration der ersten Moleküle innerhalb der Kammer erreichen, wodurch sich die Durchsatzraten der Anlage und somit ihre Wirtschaftlichkeit erhöhen lassen. Gleichzeitig lassen sich geringere Werte der Konzentration der ersten Moleküle innerhalb der Kammer erreichen, was zu besseren Prozeßergebnissen führt. Vorzugsweise sind die ersten Moleküle Wasser- und/oder Sauerstoffmoleküle, welche auf Halbleiterwafer eine ätzende Wirkung haben können. Durch Entfernen dieser Moleküle kann daher eine Beschädigung der Wafer oder der darauf angebrachten Strukturen verhindert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor, während und/oder nach dem Einleiten der zweiten polaren Moleküle ein Spülgas, ins- besondere ein inertes Gas oder N2) durch die Kammer geleitet, um die desor- bierten ersten Moleküle zuverlässig aus der Kammer auszubringen. Dabei wird bei einer Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise zunächst Spülgas und anschließend eine Mischung aus Spülgas und den zweiten polaren Mole- külen durch die Kammer geleitet, um zunächst eine Vorspülung zu erreichen. Erst nach der Vorspülung werden die zweiten polaren Moleküle durch die Kammer geleitet, um eine weitere Desorption der ersten Moleküle zu bewirken. Durch diesen zweistufigen Schritt kann die Menge der verwendeten zweiten polaren Moleküle verringert werden. Um beispielsweise Wasser bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von ca. 40 % und Raumtemperatur mittels NH3 auszubringen, erweist sich ein Mischungsverhältnis von 9:1 zwischen dem Spülgas und dem polaren NH3 als vorteilhaft.
Bei einer alternativen Ausführungsform werden zunächst das Spülgas und anschließend die zweiten polaren Moleküle durch die Kammer geleitet, um wiederum einen zweistufigen Vorgang zu erreichen. Dadurch, daß in dem zweiten Schritt nur polare Moleküle durch die Kammer geleitet werden, wird die Desorptionswirkung stark erhöht. Nach dem zweiten Schritt kann vorteilhafterweise wieder ein Spülgas durch die Kammer geleitet werden.
Um die Desorption der ersten Moleküle zu unterstützen, wird vorzugsweise die Temperatur innerhalb der Kammer gesteuert. Dabei werden vorzugsweise die Wände der Kammer und/oder ein in der Kammer befindliches Objekt, wie beispielsweise ein Halbleiterwafer, erhitzt. Für eine gute Desorptionswirkung wird das Objekt vorzugsweise auf einen Temperaturbereich zwischen 400 °C und 800 °C erhitzt.
Die Desorption kann vorteilhafterweise auch dadurch gefördert werden, daß die zweiten polaren Moleküle und/oder das Spülgas vor dem Einleiten in die Kammer erhitzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die zweiten polaren Moleküle aus Stickstoff und Wasserstoff und bilden insbesondere NH3-Moleküle. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weisen die zweiten polaren Moleküle Fluor und/oder Chlor auf. Bei der Wahl des Austausch-Adsorbats ist darauf zu achten, daß die zweiten polaren Moleküle den gewünschten Schnellheizprozeß unterstützen und keinesfalls stören. So wird beispielsweise eine unerwünschte oxidierende Wirkung von Wasser vermieden, indem man NH3 als zweites polares Molekül wählt und somit eine häufig erwünschte Nitridation oder eine reduktive Wirkung auf das zu prozessierende Objekt herbeiführt. Abhängig vom Prozeß können die zweiten polaren Moleküle NH3) 03, NO2, NO, PH3, SiH C.2 oder schwachpolare Moleküle wie TiCI oder SiH sein, wobei im Rahmen ihrer chemischen Verträglichkeit auch Gemische dieser Gase eingesetzt werden können. Vorteilhafterweise wird der Druck in der Kammer auf einen Überdruck oder einen Unterdruck gesteuert. Auch kann ein sequentielles Desorbieren in mehreren Spülstufen von Vorteil sein, wobei in jeder Stufe andere polare Moleküle oder Molekülgemi- sehe verwendet werden.
Die vorliegende ist besonders für das Entfernen von Wasser- und Sauerstoffmolekulen aus der Prozeß- und/oder Schleusenkammer einer Schnellheizanlage zur thermischen Behandlung von Halbleiterwafern geeignet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum thermi- sehen Behandeln eines Substrats;
Fig. 2a den Wassergehalt in einer Gasströmung beim Verlassen einer
Prozeßkammer in Abhängigkeit von der Zeit; Fig. 2b ein Diagramm eines Gas-Strömungsverlaufs, sowie eines Temperaturverlaufs innerhalb einer Prozeßkammer in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 3a, 3b ähnliche Diagramme wie in den Fig. 2a und 2b mit unterschiedlichen Gasströmungen und Temperaturverläufen; Fig. 4 ein Diagramm, welches die Auswirkungen mehrmaliger Wiederholungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Feuchtigkeit in einer Prozeßkammer zeigt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schnellheizanlage 1 zum thermischen Behandeln von Substraten 2, wie sie beispielsweise aus der auf dieselbe Anmelderin zurückgehenden, nicht vorveröffentlichten DE 199 23 400.0 bekannt ist. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 auf, welches im Inneren eine verspiegelte Kammer 4 umfassen kann. Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Prozeßkammer 6, die vorzugsweise aus Quarz besteht, vorgesehen. Innerhalb der Prozeßkammer 6 ist eine Auflage zur Aufnahme und zum Halten eines Halbleiterwafers 2 vorgesehen. Die Prozeßkammer 6 besitzt an einem Ende eine Gaseinlaßleitung 8, die mit wenigstens zwei unterschiedlichen Gasquellen 10 und 11 in Verbindung steht. Ein der Gasleitung 8 gegenüber- liegendes Ende der Prozeßkammer 6 ist durch eine Kammertür 14 verschlossen. Im Bereich der Kammertür 14 kann an der Außenseite des Gehäuses 3 eine Schleusenkammer 16 vorgesehen sein, über die in bekannter Art und Weise Halbleiterwafer 2 in die Prozeßkammer 6 eingebracht und aus ihr entnommen werden.
Die Prozeßkammer 6 ist von einer oberen und einer unteren Wand des Gehäuses 3 beabstandet, und in den dazwischen gebildeten Räumen sind Lampenbänke 18, 19 angeordnet, um in bekannter Art und Weise den Halbleiterwafer 2 thermisch zu behandeln. Dabei können die Lampenbänke 18, 19 so- wohl Wolfram-Halogen-Lampen 7 als auch UV-Lampen 9 aufweisen oder jeweils nur eine Lampensorte.
Während des Öffnens der Schleusenkammer 16 tritt Luft mit einem bestimmten Feuchtigkeitsgehalt in die Schleusenkammer 16 ein, welche beim Öffnen der Kammertür 14 zumindest teilweise in die Prozeßkammer 6 gelangt. Die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit kann auf den Innenwänden der Prozeßkammer 6, den in der Kammer 6 befindlichen Halteelementen und auf dem Halbleiterwafer 2 adsorbieren. Es ist jedoch wichtig, die Feuchtigkeit in der Kam- mer auf ein Minimum zu reduzieren, da die Feuchtigkeit bei einer thermischen Behandlung des Halbleiterwafers 2 diesen beschädigen kann. So fordern internationale Entwicklungsrichtlinien, wie die Sematech Roadmap oder die International Roadmap For Semiconductors (ITRS) im Zuge der 0,13 μm- Technologie einen Gesamtgehalt an Oxidanten, d. h. 02 und H20 von weniger als 1 ppm innerhalb der Kammer.
Um den Feuchtigkeitsgehalt derart zu reduzieren, wird über die Leitung 8 von der Gasquelle 10 her ein Spülgas, wie beispielsweise ein inertes Gas oder N2, in die Prozeßkammer 6 eingeleitet und an einer geeigneten, nicht gezeigten Stelle ausgeleitet. Das Spülgas nimmt einen Teil der Feuchtigkeit auf und transportiert ihn aus der Prozeßkammer 6 hinaus. Um eine Desorption von adsorbierten 02- und H20-Molekülen zu erreichen, wird zusätzlich ein polare Moleküle enthaltendes Gas, wie beispielsweise NH3, aus der Gasquelle 11 in die Leitung 8 und die Prozeßkammer 6 eingeleitet. Die polaren Moleküle besitzen eine desorbierende Wirkung auf Wasser und Sauerstoff und ermöglichen somit eine bessere Entfernung des Wassers und des Sauerstoffs aus der Kammer 6. Dabei kann das Gas aus polaren Molekülen in den Spülgasstrom eingeleitet werden, oder der Spülgasstrom kann unterbrochen und nur polares Gas in die Kammer 6 eingeleitet werden, um eine gute Desorptionswirkung vorzusehen. Anschließend kann wiederum ein Spülgas in die Kammer 6 eingeleitet werden, oder ein Prozeßgas, welches bestimmte Reaktionen während der thermischen Behandlung des Halbleiterwafers 2 fördert. Diese Schritte lassen sich beliebig oft wiederholen, wobei in jedem Schritt an- dere Gase verwendet werden können. Die desorbierende Wirkung kann auch durch ein Gasgemisch aus verschiedenen polaren Molekülen erzielt werden, deren Konzentration den Prozeßbedingungen, wie z. B. Temperatur und Druck, angepaßt werden kann. Ferner können die desorbierend wirkenden polaren Moleküle auch erst in der Reaktionskammer erzeugt werden. Bei- spielsweise läßt sich mittels UV-Strahlung bei einer Sauerstoff enthaltenden Prozeßgasatmosphäre Ozon erzeugen. Als polare Gase, welche auf Wasser eine desorbierende Wirkung ausüben, eignen sich zum Beispiel Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen wie Ammoniak NH3 oder Hydrazin N2H4, Wasserstoff-Halogen-Verbindungen wie HCI, Stickstoff-Halogen-Verbindungen wie NF3 und halogenisierte Kohlenwasserstoff- Verbindungen wie CH3F oder CHCI3 (Chloroform) usw., um nur einige Beispiele zu nennen.
Gemäß der Adsorptionstheorie (Adsorptions-Isotherme von Langmuir) ist eine Erhöhung des Partialdrucks der verwendeten Gase vorteilhaft. Insbesondere ist ein Überdruck des polaren Gases von Vorteil.
Für gewisse Schnellheizprozesse erlaubt die Verwendung von NH3 vorteilhaft die Reduktion der Prozeßtemperatur und damit die thermische Belastung des Substrats, da NH3 auf verschiedene Arten dissoziiert und reaktiven Wasser- stoff abspaltet.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht notwendig, die Prozeßkammer stufenweise oder kontinuierlich mit einem polaren Gas zu spülen. Bei bestimmten Anwendungen ist ein periodischer Spülvorgang zum Entfernen des Wassers vorteilhaft, bei dem sich ein Spül- oder Prozeßgas und ein polares Gas im Gasstrom nach vorgegebener Modulation abwechseln. Um die Desorption von Wasser zu fördern, kann die Temperatur der Prozeßkammer 6 und/oder des Wafers 2 während der einzelnen Spülvorgänge variiert werden.
Figur 2 zeigt die Ergebnisse eines Tests, der den Einfluß eines polaren Gases auf die Feuchtigkeitskonzentration innerhalb einer Prozeßkammer einer Schnellheizanlage zeigt. Der Test wurde auf einer Schnellheizanlage vom Typ AST 2800E der STEAG RTP Systems GmbH durchgeführt. Ein oberes Diagramm zeigt den Gehalt von Wassermolekülen in einer aus einer Prozeß- kammer austretenden Gasströmung in ppm, d. h. in Teilchen pro Million. In dem in Figur 2b gezeigten Diagramm zeigt eine erste Kurve 21 einen Argonfluß durch die Prozeßkammer der Schnellheizanlage; eine zweite Kurve 22 einen Ammoniak-(NH3)-Fluß durch die Prozeßkammer und eine dritte Kurve 23 die Temperatur eines in der Kammer befindlichen Halbleiterwafers, wie sie durch ein Pyrometer in bekannter Art und Weise gemessen wurde.
Wie man aus den beiden Diagrammen erkennen kann, sinkt in den ersten 60 Sekunden nach Beginn einer Argonströmung von ca. 10 slm der Wassergehalt in dem aus der Prozeßkammer austretenden Gasstrom kontinuierlich auf 4 ppm ab. Dies kommt daher, daß die Argonströmung Wassermoleküle aus der Kammer mit nach außen reißt und der Wassergehalt in der Kammer mit der Zeit absinkt.
Ungefähr 55 Sekunden nach dem Einsetzen der Argonströmung wird eine zusätzliche Strömung von 1 slm Ammoniak in die Kammer eingeleitet, wie in Figur 2b zu sehen ist. Kurz danach steigt der Wasseranteil in dem aus der Kammer austretenden Gasstrom auf 8 ppm an, was darauf zurückzuführen ist, daß die Ammoniakmoleküle eine desorbierende Wirkung auf die Wassermoleküle ausüben. Darüber hinaus nehmen die Ammoniakmoleküle die Plätze der Wassermoleküle auf den verschiedenen Oberflächen, wie den Kammerwänden und/oder der Waferoberfläche, ein, wodurch eine erneute Adsorption der Wassermoleküle verhindert wird. Infolge der statistischen Verteilung thermi- scher Energie auf die einzelnen Moleküle bekommt ein gewisser Bruchteil der Wassermoleküle stets genügend Energie, um die Adsorptionsenergie zu überwinden und sich von der Oberfläche zu lösen und dabei Adsorptionsplätze frei werden zu lassen. Diese frei gewordenen Plätze werden durch die Ammoniakmoleküle besetzt. Die desorbierten Wassermoleküle werden von dem Gasstrom aus Argon und Ammoniak erfaßt und aus der Kammer ausgeleitet, wodurch der Wasseranteil im Gasstrom ansteigt, wie in Figur 2a zu sehen ist.
Nach dem anfänglichen Anstieg des Wassergehalts auf ungefähr 8 ppm be- ginnt der Wassergehalt bei ca. 70 Sekunden wieder abzufallen. Ein erneuter Anstieg des Wassergehalts wird durch eine Erwärmung des Wafers auf eine erhöhte Temperatur erreicht. Wie in der Kurve 23 in Figur 2b zu erkennen ist, wird die Wafertemperatur auf ungefähr 750 °C erwärmt. Diese Erwärmung fördert die Desorption von Wasser, was sich in einem erneuten Anstieg des Wassergehalts in dem aus der Prozeßkammer austretenden Gasstrom, wie in Figur 2a gezeigt, ergibt. Die Temperatur des Wafers wurde mit einem Pyrometer gemessen. Da ein schwach dotierter Siliziumwafer unterhalb von 450 °C im infraroten Wellenlängenbereich semitransparent ist und eine nicht meßbare schwache thermische Strahlung emittiert, setzt die Temperaturkurve erst ab dieser Grenztemperatur ein.
Der Wafer wird vorzugsweise auf eine Temperatur von 750 °C geheizt und zehn Sekunden lang auf dieser Temperatur gehalten, wie in Figur 2b zu erkennen ist. Vorzugsweise liegt die Wafertemperatur in einem Bereich zwischen 400 °C und 800 °C. Zehn Sekunden genügen, um ein erneutes Maximum des Wasseranteils im Spülgas zu erreichen. Alternativ zum Heizen des Wafers kann auch das Argon- und/oder Ammoniakgas erhitzt werden, um die Desorption von Wasser zu fördern.
Nach dem Abschalten der Heizlampen und dem Abkühlen des Wafers sinkt auch der Gehalt des Wassers im Gasstrom auf einen Bereich unter 3 ppm ab.
Figur 3 zeigt die Ergebnisse eines weiteren Tests mit dem im wesentlichen selben Testaufbau, wie dem zuvor beschriebenen. Wie zuvor wird die Kammer zunächst für ca. 50 Sekunden mit einer Argonströmung mit ca. 10 slm (Kurve 31) vorgespült. Der Wasseranteil des aus der Prozeßkammer austretenden Gassstroms nimmt wiederum kontinuierlich ab. Im Anschluß daran wird die Argonströmung durch eine reine NH3-Strömung von 10 slm (Kurve 32) ersetzt. Sofort nach dem Einsetzen der NH3-Strömung steigt der Wassergehalt in dem aus der Prozeßkammer austretenden Gasstrom auf 10 ppm an. Bei dem vorhergehenden Test stieg der Wasseranteil nur auf 8 ppm an. Darüber hinaus ist die Spitze des Maximums bei diesem Test viel stärker ausge- prägt. Dies weist auf eine effizientere Wasserdesorption bei einer reinen NH3- Strömung im Gegensatz zu einer Argon-Ammoniak-Strömung hin. Da der Wassersensor außerhalb der Reaktionskammer am Gasflußsystem ange- schlössen war, erfolgten die Spitzen in den Kurven für den H20-Gehalt zum Teil mit 10 - 20 Sekunden Verspätung.
Wie bei dem vorhergehenden Test gemäß Figur 2 wird ein in der Kammer befindlicher Halbleiterwafer zur Unterstützung der Wasserdesorption aufgeheizt (Kurve 33). Auch in diesem Fall wird ein lokales Maximum der den Wassergehalt im Gasstrom anzeigenden Kurve infolge der Erwärmung des Wafers erzeugt. Mit Ende des Heizschrittes wird von der NH3-Strömung wieder auf Ar umgeschaltet (Kurve 34).
Die Diagramme gemäß den Figuren 2 und 3 zeigen deutlich eine verbesserte Entfernung von Wasser aus einer Prozeßkammer durch das Einleiten eines polaren Gases, wie beispielsweise Ammoniak, in die Prozeßkammer.
Ferner ist deutlich gezeigt, daß eine Temperaturerhöhung ebenfalls das Entfernen von Wasser aus einer Prozeßkammer fördert.
Je nach Prozeßbedingungen kann es vorteilhaft sein, die Kammer mit einem Gemisch mehrerer polarer Gase anstatt mit einem einzelnen polaren Gas zu spülen.
Figur 4 zeigt die Auswirkungen mehrmaliger Wiederholung des oben genannten Verfahrens auf den Feuchtigkeitsgehalt in der Prozeßkammer. In dem Diagramm gemäß Figur 4 ist der Wassergehalt in einer aus der Prozeß- kammer austretenden Gasströmung in Abhängigkeit von der Zeit gezeigt. Es wurde eine Gasströmung und Temperatursteuerung gemäß Figur 3b zum Reduzieren der Feuchtigkeitskonzentration in der Kammer eingesetzt.
Die Kurve 41 zeigt den Verlauf des Wassergehalts in der aus der Prozeß- kammer austretenden Gasströmung bei einem ersten Wafer, und die Kurve 42 zeigt den Verlauf des Wassergehalts in dem austretenden Gasstrom bei der Behandlung des zehnten Wafers. Der Zeitpunkt ti markiert den Zeitpunkt, zu dem die Ammoniakströmung während der Behandlung einsetzt.
Während des Be- und Entladens der Wafer wurde eine Argonströmung von 15 slm durch die Kammer hindurch aufrechterhalten, um ein Eindringen von Raumluft in die Prozeßkammer zu unterdrücken. Die Behandlungsvorgänge wurden für zehn Wafer aufeinanderfolgend durchgeführt. Im Vergleich der Kurven 41 und 42 ist deutlich zu erkennen, daß die Kurve 42 nach dem Einleiten der Ammoniakströmung zum Zeitpunkt ti ein viel geringeres lokales Maximum aufweist, wie die Kurve 41. Daraus ist zu schließen, daß die wiederholte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine erhebliche Reduktion des Feuchtigkeitsgehalts in der Kammer zur Folge hat.
Obwohl die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels be- schrieben wurde, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen Vorrichtungen anwendbar. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren bei Anlagen von Vorteil, die über ein Schleusensystem verfügen, zum Beispiel, wenn die Prozeßkammer selbst und andere Komponenten der Anlage evakuiert sind. In diesen Fällen kann die beschriebene Entfernung von adsorbiertem Wasser ohne oder mit dem optionalen Heizschritt in der Schleuse durchgeführt werden, bevor der Wafer in eine Prozeßkammer eingebracht wird. Aufgrund des typischerweise relativ geringen Volumens einer Schleusenkammer kann eine rasche Desorption von Wasser erreicht werden. Natürlich kann auch in diesen Fällen ein in die Schleusenkammer eingeleitetes Gas erwärmt werden, um die Desorption von Wasser zu fördern und somit eine raschere Verringerung der Feuchtigkeitskonzentration innerhalb der Schleusenkammer zu erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Entfernen von auf den Oberflächen einer Kammer und/oder wenigstens eines in der Kammer befindlichen Objekts adsorbierten ersten Molekülen, insbesondere einer Prozeß- oder Schleusenkammer einer Schnellheizanlage, gekennzeichnet durch Einleiten von zweiten polaren Molekülen in die Kammer, die auf die ersten Moleküle eine desorbierende Wirkung ausüben.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Moleküle Sauerstoffmoleküle sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mo- leküle polar, insbesondere Wasserstoffmoleküle, sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor, während und/oder nach dem Einleiten der zweiten polaren Moleküle ein Spülgas, insbesondere ein inertes Gas oder N2> durch die Kammer geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Spülgas und anschließend eine Mischung aus Spülgas und den zweiten polaren Molekülen durch die Kammer geleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis des Spülgases und der zweiten polaren Moleküle etwa 9 zu 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Spülgas und anschließend die zweiten polaren Moleküle durch die Kammer geleitet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur innerhalb der Kammer gesteuert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Kammer und/oder ein in der Kammer befindliches Objekt erhitzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt auf einen Temperaturbereich zwischen 400°C und 800°C erhitzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten polaren Moleküle und/oder das Spülgas vor dem Einleiten in die Kammer erhitzt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten polaren Moleküle aus Stickstoff und Wasserstoff bestehen, und insbesondere NH3 Moleküle sind.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten polaren Moleküle Fluor und/oder Chlor aufweisen.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Druck in der Kammer auf einen Überdruck oder einen
Unterdruck gesteuert wird.
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