DD155569A1 - Verfahren zur ausbeuteerhoehung elektronischer bauelemente auf sauerstoffreichen si-substratscheiben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Waermebehandlung von Si-Substraten mit Sauerstoffgehalten >gleich 6.10 hoch 17 cm hoch -3 mit dem Ziel, oberflaechennahe Scheibenbereiche hoher struktureller Perfektion und chemischer Reinheit sowie innere Volumenbereiche mit getterwirksamen sauerstoffgekoppelten Defekten - hauptsaechlich Praezipitaten - zu erhalten. Zur Realisierung wird eine Waermebehandlung im Temperaturbereich 900 <gleich T tief o <gleich 1300 Grad C ausgefuehrt und eine zweite im Temperaturbereich 600 <gleich T tief u <gleich 900 Grad C, an die sich je nach Bauelemente-Technologie und Si-Substratmaterial wahlweise weitere Waermebehandlungen anschliessen lassen. Waermebehandlungen in dieser Reihenfolge ermoeglichen, die obengenannte Zielstellung in relativ kurzen (einige Stunden) und damit oekonomisch guenstigen Zeitraeumen zu realisieren. Eine Erhoehung der Bauelemente-Ausbeute wird erreicht durch (1) Verbesserung von Bauelemente-Parametern (Defektreduzierung in oberflaechennahen Substratbereichen, Volumengetterung) (2) Zusaetzliche Erhoehung der Anzahl nutzbarer Chips bzw. Bauelemente infolge reduzierter Scheibenverwerfung (3) Groessere laterale und vertikale Homogenitaet von Bauelemente-Eigenschaften beeinflussenden Substratparametern ueber die einzelne Scheibe und innerhalb eines Scheibensortimentes.

Description

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Titel der Erfindung:

Verfahren zur Ausbeute erhöhung elektronischer Bauelemente auf sauerstoffreichen Si-Substratscheiben

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung von Eigenschaften in oberflächennahen Bereichen von Sl-Substratscheiben

*l 7 «-3 mit einem Sauerstoffgehalt ^- 6 · 10 cm durch gesteuerte Defektunterdrückung in einer oberflächennahen Schicht und einen inneren Getterungseffekt» Das Verfahren ist sowohl für ühipolarals auch Bipolartechnologien bei der Produktion elektronischer Bauelemente anwendbar·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Bei einkristallinem, versetzungsfreiem Si-Substratmaterial für die Bauelemente-Industrie gibt es die Tendenz, den Verunreinigungspegel möglichst gering zu halten (u_e a_o Einsatz von ZF-Mäterial) und damit Mikrodefekte zu unterdrücken«, Verunreinigungen (z„ B«,/schnelldiffundierende Metallatome) und Mikrodefekte (z_e B» Präzipitate und Stapelfehler) mit negativen Auswirkungen auf spezielle Bauelemente-Parameter sind naturgemäß in oberflächennahen Scheibenbereichen besonders nachteilig,, Bestimmte Mikrodefekte, wie etwa sauerstoffgekoppelte Präzipitate und Sekundärdefekte (z, B. Punching-Loops), haben sich jedoch bei An~ Siedlung im Scheibenvolumen, also außerhalb elektrisch aktiver Bereiche j wegen ihres Getterungseffektes (intrinsic-ffetterung im Volumen., im folgenden Volumengetterung genannt) und der damit verbundenen Verbesserung bestimmter Bauelemente-Parameter als günstig erwiesen /1^2/. Als günstigste Variante zur Erzeu-

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gung derartiger Mikrodefekte wird eine zweistufige Wärmebehandlung angegeben, wobei die zweite Wärmebehandlung in einem höheren Temperaturbereich erfolgt als die erste /3/.

Andere G-etterungsvarianten, die vor der ersten Oxydation angewendet werden und während anschließender Prozeßschritte der Bauelemente-Fertigung eine Reinigung der elektrisch aktiven Bereiche bewirken sollen, beruhen auf dem Einbringen von Fremdatomsenken an der Scheibenrückseite, im wesentlichen in der Form lokal begrenzter Spannungsfelder an aufgebrachten (a, B* Si-JiI,) oder implantierten (z_c B_e mittels Argon-Ionen) Schichten oder Defekten (Ionenimplantation), Misfitversetzungen infolge Phosphordiffusion, mechanischer Störungen und Versetzungen infolge Läppen, Sandstrahlen usw_e /4/_e Diese Verfahren sind z. T. apparateteohnisoh aufwendig und damit kostspielig (Ionenimplantation), ζ. T. mit unerwünschten Sekundärstörungen infolge Versetzungsausbreitung (Gleitung) bis zur Scheibenvorderseite verbunden (Eindringen in elektrisch aktive Bereiche; Scheibenverwerfung), letzteres besonders bei mechanisch induzierten Rückseitendefekten /5/· Außerdem ist bei Si-Material mit hohem Sauerstoffgehalt 1 7 —3

von > 6 . 10 ' cm die Wirksamkeit dieser externen Gettermethoden eingeschränkt.

Soheibenverwerfung wird auch durch sauerstoffgekoppelte Präzipitate in Oberflächennähe hervorgerufen /6,7/. Bei großem Scheibendurchmesser (> 76 mm) wird in Bauelemente-Prozeßschritten wie Oxydation, Epitaxie usw. neben einer verstärkten Aktivierung von Versetzungsq.uellen im Randbereich besonders kritisch die Anregung von zusätzlichen Quellen (induziert durch Säuerst off präzipitation) im zentralen Scheibenbereich (kompressiver Spannungszustand), da hierbei verwerfungsaktive Versetzungen - bevorzugt an der konkaven Scheibenseite - entstehen und austreten /7/« Dieser unerwünschte Effekt tritt prinzipiell auch bei zweistufiger Wärmebehandlung der in' der Literatur /3/ beschriebenen Art auf«

Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung ist eine Steigerung der Ausbeute bei der Produktion elektronischer Bauelemente auf der Basis von Si-

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Substraten mit Sauerstoffgehalten > 6 . 10 cm durch gleichzeitige Realisierung einer

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(1) Verbesserung von Bauelemente-Parametern infolge Schaffung strukturell und chemisch nahe au perfekter oberflächennaher (= elektrisch aktiver) Bereiche und Aufrechterhaltung derartiger Bereiche bei kritischen Hochtemperaturschritten der Bauelemente-Fertigung '

(2) Reduzierung von potentiellen Versetzungsquellen in den besonders gefährdeten Oberflächenbereichen (Vorder- und Rückseite von Substratscheiben, Scheibenrand) und folglich auch Verringerung der mit Versetzungsbildung und -bewegung einhergehenden Scheibenverwerfung*

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die im Ziel genannten Eigenschaften von Substratscheiben zu realisieren«» Erfindungsgemäß wird dies durch eine Wärmebehandlung von Substratscheiben zur Erlangung defektverarmter Oberflächenbereiche und säuerst off gekoppelter VoIumenpräzipitäte gelöst«, Wegen der Unterdrükkung von sauerstoffgekoppelten Präzipitaten in oberflächennahen Soheibenbereichen werden gleichzeitig kritische Versetzungsquellen reduziert und damit zusätzliche Scheibenverwerfung vermieden, indem grundsätzlich von einer ersten Wärmebehandlung bei Temperaturen T_Q im Bereich 900 ^: T_Q:$ 1300 ⁰C ausgegangen wird, an die sich eine zweite Wärmebehandlung bei Temperaturen T_u im Bereich 600 ^. T_u ^. 900 ⁰C ansohließt« Die Bedingungen wie Temperatur, Zeit und Medium für die Wärmebehandlungen bei T lind UL v/erden in Abhängigkeit von der Sauerstoff-Ausgangskonzentration und der weiteren Realstruktur der Si-Substrate so gewählt, daß neben einer ausreichenden Sauerstoffverarmung in Oberflächennähe entweder genügend potentielle Keime für sauerstoffgekoppelte Präzipitate im Volumen für weiteres Wachst um während einer zweiten:; Wärmebehandlung bei geringerer Temperatur T_u erhalten bleiben oder vfährend dieser zweiten Wärmebehandlung erneut Präzipitabbildung einsetzt* Als Medium können oxydierende, reduzierende, inerte und solche mit oberflächenaktiven Zusätzen wie HGl-G-as eingesetzt werden. Für die Wärmebehandlung bei T_u werden solche Bedingungen gewählt, daß sich entweder Volumenpräzipitate und Sekundärdefekte in ausreichender Dichte (Kriterium: G-etterwirksamkeit) entwickeln oder Präzipitatkeime in ausreichender Dichte induziert werden.

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die erst während anschließender Hochtemperaturschritte bei Temperaturen T^ > T_u zu entsprechenden Präzipitaten und Sekundärdefekten entwickelt werden, je nach Bauelemente-Technologie bzw« zu realisierendem Getterungseffekt* '

Die infolge Ausdiffusion.während der Wärmebehandlung bei T eingestellte Verarmungsschicht an der Oberfläche bewirkt eine Homogenisierung der oberflächennahen Bereiche hinsichtlich Verunreinigungskonzentration bzw» Defektgehalt und verhindert insbesondere die Bildung von Präzipitatkeimen in diesen kritischen Bereichen (Sauerstoffkonzentration nicht ausreichend) während der Wärmebehandlung bei G? , d. h_o die Bildung der sauerstoffgekoppelten Präzipitate wird in tiefere Scheibenbereiche verlagert« Das ist neben einer verminderten Anregung bereits vorliegender - wachstumsbedingter und bearbeitungsinduzierter (Zyklus 0) - oberflächennaher Versetzungsquellen ein Vorteil der erfindungsgemäßen Yfärmebehandlung, im Vergleich zu einer entsprechenden Wärmebehandlung mit umgekehrter Temperaturführung (T zeitlich vor T_Q).

Es wurde gefunden, daß eine erfindungsgemäße Wärmebehandlung - verglichen mit umgekehrter Temperaturführung /3/ - zu bedeutend geringerer Soheibenverwerfung führt, andererseits bei geringerer Mikrodefektdichte im Volumen einen vergleichbaren Getterungseffekt (Volumengetterung) bewirkt. Gleichzeitig ist der defektverarmte oberflächennahe Bereich wesentlich tiefer als bei umgekehrter Temperaturführung und vergleichbaren Zeiträumen der Wärmebehandlung, d. h. strukturell und chemisch nahezu perfekte Substratoberflächenbereiche als elektrisch aktive Zonen von elektronischen Bauelementen werden in ökonomisch günstigen Zeiten erstellt«

Ausführungsbeispiel:

Ausgehend von versetzungsfreien Czochralski-Silizium-Scheiben mit einer Ausgangskonzentration interstitiellen Sauerstoffes von Ps-8 β 10 cm und einer wachstumsbedingten Mikrodefekt-(im wesentlichen Präzipitat-) Dichte von etwa 10' cm werden Varianten der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung beschrieben«,

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(1) Eine Wärmebehandlung der Scheiben bei. T_Q = 1000 ⁰C

(30 Minuten unter H₂) und bei T = 850 ⁰C (300 Minuten unter Ar) führt zur deutlichen Ausdiffusion von Sauerstoff und zur Bildung von Präzipitatkeimen, aus denen sich während anschließender Wärmebehandlung bei T^ = 1050 ⁰C (180 Minuten unter feuchtem O₂) ausgedehnte Yolumendefekte entwiekeln, beginnend in einer Tiefe von einigen /Um unterhalb der Substratoberfläche und einige /Um tiefer in.eine

9 Ly Sättigungskonzentration von etwa 10 om übergehend.

(2) Eine Wärmebehandlung der Scheiben bei T_Q = 1000 ⁰C

(20 Minuten unter 1"₂ZO₂ZHC1-Gemisch, anschließend 170 Minuten unter N₂Z0₂~Gemisch) und bei T_u = 850 ⁰C (300 Minuten unter 1T₂ZO₂-Gemisch) führt zu einer stärkeren Ausdiffusion von Sauerstoff als nach entsprechenden Wärmebehandlungen gemäß Ausführungsbeispiel (1) und zur Ausbildung von ausgedehnten Volumendefekten, die in einer Tiefe von einigen /Um unterhalb der Substratoberfläohe auftreten und einige /Um tiefer in eine Sättigungskonzentration in der

' Q —3

Größenordnung von 10 om übergehen.

(3) Eine Wärmebehandlung bei T_Q = 1100 ⁰C (2Q Minuten unter O₂ZHC1-Gemisch, anschließend 200 Minuten unter feuchtem O₂) und anschließend bei T_u = 900 ⁰C (180 Minuten unter trokkenem O₂) an diesen Si-Substraten führt zu einer noch stärkeren Ausdiffusion von Sauerstoff als nach entsprechenden Wärmebehandlungen gemäß Ausführungsbeispiel (1) und ebenfalls zur Ausbildung von ausgedehnten Volumendefekten in der im Ausführungsbeispiel (2) beschriebenen V/eise»

Literatur: .

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- 6 · 2 26383

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Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   1_β Terfahren zur Erhöhung der Bauelemente-Ausbeute auf Si-

   ·%. 17 —3 Substratscheiben mit einem Sauerstoffgehalt S 6 . 10 cm

   . gekennzeichnet dadurch^ daß die Siliziumsoheiben einer solchen Wärmebehandlung unterworfen werden, dai3 eine erste Wärmebehandlung im Temperaturbereich 900^ T_Q ύ 1300 ⁰C und eine zweite im Bereich 600 < T_u £ 900 ⁰C ausgeführt werden, woran sich entsprechend der angewendeten Bauelemente-Technologie und dem verwendeten Si-Substratmaterial wahlweise weitere Wärmebehandlungen bei T' P¹ T zur weiteren erfindungsgemäßen Verbesserung der Scheibeneigenschaften anschließen, v/ob ei die Wärmebehandlungen bei. T_Q, T und gegebenenfalls T' einige Minuten bis zu mehreren Stunden unter verschiedenartigen Medien, z. B₀ oxydierenden, reduzierendenj inerten oder solchen mit oberflächenaktiven Zusätzen vd.e HCl-G-as, Mediengemischen oder im Vakuum erfolgen und die Wärmebehandlungen bei T₀, T und gegebenenfalls T^ entweder aufeinanderfolgend oder getrennt vor und/oder zwischen typischen Prozeßschritten der Bauelemente-Technologie, wie Oxydation, Diffusion und Epitaxie, oder unter Verwendung derartiger typischer Prozeßschritte der Bauelemente-Technologie oder teils separat, teils unter Verwendung typischer Prozeßschritte der Bauelernente-Teohno3.ogie ausgeführt v/erden.

   Z₉ Verfahren nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmebehandlungen bei T_Qj T , gegebenenfalls T' ₉ gemäß unterschiedlicher Temperatur-Zeit-Fünktionen erfolgen, z_e B. mit einem oder mehreren Haltepunkten oder mit monotoner &i~ derung der Temperatur, gegebenenfalls unter Verknüpfung der für die verschiedenen Wärmebehandlungen typischen Temperaturbereiche ₆