DD157149A4 - Verfahren zur herstellung von planartransistoren und integrierten schaltkreisen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Planartransistoren und integrierten Schaltkreisen nach WP 106 111 unter Vermeidung unerwuenschter Dotantausscheidungen und Bildung von Leerstellen. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung der Ausbeute bei der Halbleiterherstellung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem Verfahren die Transportgeschwindigkeit beim Ein- und Ausfahren in oder aus Diffusionsanlagen so zu waehlen, dass keine thermisch induzierten Versetzungen erzeugt und Dotantausscheidungen und/oder Leerstellencluster vermieden werden. Erfindungsgemaess wird die untere Grenze der Scheibentransportgeschwindigkeit so gewaehlt, dass sie mindestens gleich dem mit einer Abkuehlrate bewerteten Quotienten aus der Laenge der Randzone der verwendeten Diffusionsanlage und der Temperatur des Hochtemperaturprozesses ist.

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Planartransistoren und integrierten Schaltkreisen nach Patent 106 111 unter Vermeiden unerwünschter Dotantausscheidungen sowie der Bildung von Leerstellenclustern beim Aufheizen und Abkühlen der Halbleiterscheiben vor und nach Hochtemperaturprozessen·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zum Herstellen von Planartransistoren und integrierten Schaltkreisen werden bekanntlich Hochtemperaturprozesse, wie z. B. Oxydation, Epitaxie, Diffusion eingesetzt· Die bei diesen Hochtemperaturbehandlungen entstehenden prozeßinduzierten,Kristallgitterstörungen bzw« -defekte setzen bekanntlich die Ausbeute in der Fertigung beträchtlich herab und können dem beherrschbaren Integrationsgrad vorzeitige Grenzen setzen.

Die genannten während der Herstellung der Transitoren und integrierten Schaltkreise entstehenden Kristallgitterstörungen können thermisch bedingt sein infolge der beim Abkühlen entstehenden mechanischen Spannungen in der Halbleiterscheibe, die meist aus Silizium besteht. Thermisch induzierte Versetzungen lassen sich in bekannter Weise vermeiden, indem der Scheibentransport in und aus Hochteinperaturöfen hinreichend langsam erfolgt. Allerdings besteht bei niedrigen Scheibentränsport-Geschwindigkeiten die Gefahr, daß zulässige Toleranzen für die Zielwerte der Hochtemperaturprozesse, wie.z. B, Oxidschichtdicke, Oberflächenkonzentration, Eindringtiefe, Basisweite, Zahl der eindiffundierten Atome, überschritten werden·

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Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Patent 106 111 wird ein optimierter Scheibentransport erzielt, um einerseits die zulässigen Toleranzen, für die Zielwerte einzuhalten, andererseits um thermisch induzierte Kristallgitterstörungen zu vermeiden· In Abhängigkeit von den vorgegebenen Zielwerttoleranzen und den aus dem Bauelemente- bzw. Schaltkreisentwurf sich ergebenden Vorgabewerten für den jeweiligen Hochtomperaturprozeß müssen bestimmte Anforderungen an die sog. Manipulierzeitschwankung fi. t^ (vgl. Gl, (I) in Patentschrift 106 111) gestellt werden« Für die Chargengröße, d, h· die Anzahl der auf dem Scheibenträger hintereinanderstehenden Scheibenreihen, besteht eine obere Grenze, wenn die Scheibentransport-Geschwindigkeit kleiner bleiben soll als diejenige,oberhalb-der thermisch induzierte Kristallgitterstörungen auftreten* Die in der Patentschrift 106 111 angegebene untere Grenze für die Geschwindigkeit des ein- oder zweistufigen Scheibentransports stellt sicher, daß die zulässigen Zielwerttoleranzen eingehalten werden. Nun ist es jed<&€'h bei gewissen Zielwerten der Hochtemperaturprozesse und vor allem bei kleinen Chargen und/oder Si-Scheiben-Durchmessern in ungünstigen Fällen denkbar, daß unter Verwendung der in der Patentschrift 106 111 angegebenen Verfahrensweise zwar thermisch induzierte Kristallgitterstörungen ebenso vermieden werden wie Toleranzüberschreitungen vorgegebener Zielwerte, daß aber innerhalb des nach dieser Patentschrift zulässigen Bereiches die untere Grenze der zugelassenen Scheibentränsport-Geschwindigkeit so niedrig.liegt, daß die Aufheiz-/Abkühlrate der Si-Scheiben, ausgedrückt in Grad pro Minute, unzulässig klein wird und Ausscheidungsvorgänge bedeutungsvoll werden.

Liegt die Diffusionsgeschwindigkeit interstitieller Dotantatome in der gleichen Größenordnung wie die der

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Leerstellen und ist sie sehr hoch, so liegt bekanntlich eine thermische E-leichgewichtskonzentration an Leerstellen und Interstitials vor. Dies erfordert eine hohe SenkendichtS, Die Ausscheidungsrate wird dann durch die - temperaturabhängige - Dissoziationskonstante der substitutionellen Dotantatome bestimmt· Die Interstitials werden an Kristallgitterstörungen, wie z. B. Versetzungen ausgeschieden. Ist die Diffusionsgeschwindigkeit der Leerstellen jedoch viel größer als die der Interstitials, so existiert eine thermische ßleichgewichtskonzentration nur für die Leerstellen Die Ausscheidungsrate wird dann von der Senkendichte bestimmt. Wird jedoch von versetzungsfreiem -bzw* sehr versetzungsarmen Halbleitermaterial ausgegangen und in der im latent 106 111 beschriebenen Weise die Entstehung thermisch induzierter Versetzungen unterdrückt, so kann beim Abkühlen der Si-Scheiben die Übersättigung an Leerstellen z· B. durch deren Diffusion nach Leerstellen-Sauerstoff-Komplexen abgebaut werden, diewie von der Einkristallherstellung bekannt - als Keim für eine Leerstellen-cluster-Bildung wirken und an denen nach Überschreiten einer kritischen Größe und Anzahl der Keime eine Leerstellen-Kondensation in hohem Maße auftritt. Durch Dotantausscheidungen bei nachfolgenden Hochtemperaturprozessen an solchen Leerstellen-clustern kann auch in versetzungsfreiem Halbleitermaterial die Anzahl der auf Substitutionsgitterplätzen elektrisch wirksamen Dotantatome erheblich herabgesetzt werden, so daß wiederum Toleranzüberschreituhgen elektrischer Zielwerte und in deren Folge erhöhter Ausschuß auftreten können. Nun stellt sich bekanntlich auch bei der Abkühlung der Si-Scheiben nach Hochtemperaturprozessen eine Übersättigung an Leerstellen ein. Damit trotz dieser Leerstellenübersättigung keine Leerstellen-cluster gebildet werden,

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an denen bei der Abkühlung im Anschluß an nachfolgende Hochtemperaturprozesse Dotantatome ausgeschieden werden können, gibt es prinzipiell zwei Wege. Die für eine Leerstellen-Kondensation als Keime wirkenden stabilen Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe lassen sich durch eine Verminderung der Sauerstoff-Konzentration im Silizium in ihrer Dichte herabsetzen* Uach dem derzeitigen Kenntnisstand der Technik ist die Senkung der Sauerstoff-Konzentration im Silizium jedoch noch nicht in hierfür ausreichendem Maße möglich« Es ist aber von der Einkristallherstellung bekannt, daß bei ausreichend hohen Abkühlraten von 1,5 bis 25 grd/sec die Bildung der Leerstellen-cluster wirksam unterdrückt werden kann. Die Abkühlgeschwindigkeit der Si-Scheiben wird beim Scheibentransport nach Hochtemperaturprozessen von der Ge- , schwindigkeit bestimmt, mit der dieser Scheibentransport_s nach Patentschrift 106 111 ein- oder zweistufig, durchgeführt wird«. Ausscheidungsvorgänge in der beschriebenen Weise können aber auch beim Aufheizen der Si-Scheiben auftreten, wenn infolge ausreichend langsamer Aufheizung die von vorhergegangenen Hochtemperaturprozessen vorliegenden Konzentrationen an substitutioneilen oder interstitiellen Dotantatomen und an Leerstellen, die im Kristallgitter gewissermaßen eingefroren waren, über die beschriebenen Diffusionsvorgänge und Leerstellen-cluster-Bildungen abgebaut werden können·

Ziel der Erfindung

Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Planartransistoren und integrierten Schaltkreisen zu schaffen, mit dem Ausscheidungsvorgänge während der Aufheizung und Abkühlung der Si-Scheiben im Hochtemperaturprozess vermieden werden, so daß eine Erhöhung der Ausbeute erzielt wird·

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, in dem die Scheibentransportgeschwindigkeit während des Aufheiz- und Abkühlvorganges so gewählt wird, daß thermisch induzierte Kristallgitterstörungen infolge mechanischer Spannungen beim Aufheizen oder Abkühlen vermieden werden und daß gleichzeitig gewährleistet wird, daß keine Dotantausscheidungen und/oder Leerstellencluster auftreten·

Srfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die ^Dcheibentransportgeschwindigkeit in und aus Hochtemperaturöfen die zusätzliche Bedingung

erfüllt. . .

Die Aufheizung und Abkühlung der Halbleiterscheiben erfolgt beim Scheibentransport über der Länge g der Randzone des verwendeten Hochtemperaturofens. Der Hochtemperaturprozess wird bei der Temperatur ^D vorgenommen. Die Abkühlung der Halbleiterscheiben erfolgt entsprechend der Abkühlrate 06 , wobei die Abkühlrate Cv die Bedingung 1,5 grd/sec·, vorzugs?/eise<&.;=25 grd/sec, erfüllt.

Damit wird die untere zulässige Grenze der Scheibentransportgeschwindigkeit gewährleistet«

Die technisch-ökonomischen Auswirkungen der Erfindung lie,gen darin , daß bei der Wahl der Scheibentransport-geschvri-ndigkeiten nach Patentschrift 106 111 und unter Beachtung der erfindungsgemäßen Bedingung beim Abkühlen nach Hochtemperaturprozessen nicht nur thermisch induzierte Kristallgitterstörungen und Mikrorisse sowie unerwünschte Dissoziationen substitutioneil eingebauter Atome vermieden werden, sondern ebenso Dotantausscheidungen

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und Kristallgitterstörungen infolge von Leerstellencluster-Bildungen. Damit ist sichergestellt, daß die gemäß Patentschrift 106 111 erzielbare Ausbeuteerhöhung in ungünstig gelagerten Fällen extrem kleiner Chargen nicht durch Dotantausscheidung^en oder Leerstellencluster wieder herabgesetzt, zunichte gemacht oder gar in ihr Gegenteil verkehrt wird, d, h. daß statt einer Ausbeuteerhöhung möglicherweise sogar eine AusbeuteSenkung auftritt»

Zu den in der Patentschrift 106 111 genannten technischökonomischen Auswirkungen entstehen zusätzlich folgende:

- Dotantausscheidungen werden erheblich herabgesetzt oder ganz vermieden, so daß längs von Kristall- , gitterstorungen entstehende partielle oder totale Kurzschlüsse oder Nebenschlüsse zwischen Gebieten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder zwischen Gebieten, die in einer integrierten Schaltung auf unterschiedlichem Potential liegen, unterbunden werden. Durch das Vermeiden der Dotantausscheidungen bleibt die angestrebte elektrisch wirksame Dotantkonzentration, wie sie sich als Ergebnis durchgeführter Hochtemperaturprozesse einstellt, erhalten. Transistoren und/oder integrierte Schaltungen zeigen keine Verschlechterung ihrer elektrischen Kennwerte.

- Die Bildung von Leerstellen-cluster an Leerstellen-Sauerstoff-Komplexen als Keimen wird durch die hinreichend hoch gewählte Scheibentransportgeschwindigkeit stark herabgesetzt oder sogar ganz unterbunden. Bei der durch diese Scheibentransportgeschwindigkeit erzwungene hinreichend große Aufheiz/-Abkühlrate werden Diffusionsprozesse der Dotanten vermieden, die bei der jeweiligen Aufheiz-/Abkühltemperatur die Überschreitung der Sättigungslöslichkeit-

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Konzentration abbauen. Dadurch werden die bereits zuvor genannten Dotantausscheidüngen vermieden. Die Überschußkonzentration an Dotanten wird gewissermaßen im Gitter sustitutionell bzw.interstitiell eingefroren. Da außer den Dotantausscheidüngen auch die Leerstellen-cluster vermieden werden, wird die durch die Scheibentransportgeschwindigkeit beeinflußbare höchstmögliche Ausbeute erzielt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:.

Da die Leerstellen-cluster-Bildung an Leerstellen-Sauer st off -Komplex en als Keimen über eine Leerstellendiffusion abläuft und die Diffusionsgeschwindigkeit interstitieller und substitutioneller Atome stets gleich oder kleiner als die der Leerstellen ist, läuft ein Ausscheidungsmechanismus von Dotanten - gleich ob von der Dissoziationsrate substitutioneller Dotantatome gesteuert oder von der diffusionsbegrenzten Clusterbildung übersättigter Dotantatome an Leerstellen-cluster - in versetzungsfreiem Material mit einer Zeitkonstante ah, die gegenüber der Zeitkonstanten der Leerstellen-cluster-Bildung sicherlich größer, höchstens jedoch gleich groß ist. Infolgedessen wird bei einer Abkühltate, die die Keimbildung genannter Komplexe unterdrückt, auch die Dotantausscheidung unterbunden. ·

Auch für die Aufheizung bzw. Abkühlung beim Scheibentransport ist die Leerstellen-cluster-Bildung eine notwendige Voraussetzung für Dotantausscheidüngen. Sollen diese jedoch vermieden werden, so wird dies daruch erreicht, daß der leerstellendiffusionsgesteuerte Keimbildungsmechanismus der Leerstellen-

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Sauerstoff-Komplexe unterdrückt wird« Die Erfindung geht davon aus, daß die Ausscheidungsrate - gleich ob von der Dissoziationsrate sustitutioneller Dotantatome gesteuert oder von der diffusionsbegrenzten Clusterbildung übersättigter Dotantatome in versetzungsfreiem Material - auch bei der Aufheizung/Abkühlung der Si-Scheiben vor/nach Hochtemperaturprozessen zur Herstellung von Planartransistoren und integrierten Schaltkreisen wirksam unterdrückt werden kann, wenn _i diese mit einer gleichen oder größeren Abkühlrate erfolgt als bei der Kristallherstellung.

x) Kürzbezeichnung für: "Clusterbildung der Dotantatome, die bei der jeweiligen Temperatur des Hochtemperaturprozesses in bezug auf die Sättigungslöslichkeitskonzentration im Überschuß vorhanden sindφ"

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' - 10 -

Zur hinreichenden Unterdrückung von Dotantausscheidungen reichen Abkühlraten von ca. 1,5 grd/sec. aus. Da beim Abkühlen während des Scheibentransportes jedoch nicht nur Dotantausscheidungen sondern auch Leerstellen-cluster vermieden werden sollen, ist nach dem jetzigen Erkenntnisstand dieser genannte Kleinstwert der Abkühlrate nicht unterschreitbar und eine größere Abkühlrate von z. B. 25 grd/sec. vorteilhaft.

Für die Mindestgeschwindigkeit des Scheibentransports ergibt sich somit unter Verwendung der in Patentschrift 106 111 benutzten Bezeichnungen

ν · ~τβ mm t ·

wobei g die Länge der Aufheiz-/Abkühlzone und t die

S Zeit zum Durchlaufen der Aufheiz-/Abkühlzone g ist, die sich aus

ergibt. Hierbei ist Δ vSdie zu durchlaufende Temperaturdifferenz undoC die Abkühlrate, wobei

ist. Die Temperatur«/* _E, aufl die von der Temperatur rv/ip abgekühlt wird, ist meist die Raumtemperatur, so·daß in diesem Fall näherungsweise

gesetzt werden kann.

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Für die untere zulässige Grenze der Scheibentransportgeschwindigkeit erhält mal somit

mm - -ρ

mit(L - 1,5 ..« 25 grd/sec. vorzugsweise jedoch

dL = 25 grd/sec. >

Bei einem Qxydationsprozeß zum Erzeugen einer Siliziumdioxidschicht, der 150 min dauert, ist die Toleranz für die Oxidschichtdicke -η~~ = 10 % vorgegeben. Es stehen 10 Beinen Scheiben mit einem Scheibendurchmesser von 40 mm hintereinander in einem Abstand yon jeweils 6 mm. Es ist aus vorangegangenen Versuchen bekannt,' daß die kritische Geschwindigkeit v> ... = 100 cm/min beträgt, um thermisch induzierte Versetzungen zu vermeiden.» Um einerseits die vorgegebene Toleranz der Oxidschichtdicke -η-— einzuhalten_f anderseits aber ... auch thermisch induzierte Kristallgitterstörungen infolge mechanischer Spannungen beim Abkühlen während des Scheibentransports zu vermeiden, muß die Scheibentransport geschwindigkeit ν nach Patentschrift 106 111

100 ^c? > ν ^ ^ V £2L

min a ~ ^JiJ min

betragen»

Hach Gl (I) ergibt sich jedoch als Hebenbedingung

iin

Die Länge der Abkühlzone des Qxydationsofens betrage g = 25 cm, die Qxydationstemperatur r^ - 1200 C.

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Mit einer Vorzugs-Abkühlrate ad = 25 grd/sec· erhält man

^vmin

Dieser Minimalwert der Scheibentransportgeschwindigkeit ist wesentlich höher als der zuvor ermittelte

Wert ·

ν - -\ -\ .^cm, a ~ ^J%J min

Wird also die Scheibentscansportgeschwindigkeit ν aus

dem Bereich

^vkrit > ^va ^{= v}min ( OC = ^J

100 ^=->v = 31

mxn a . mm

gewählt, so werden mit Sicherheit vermieden:

- Kristallgitterstörungen in Form von thermisch induzierten Versetzungen infolge mechanischer Spannungen in den Scheiben beim Abkühlen des Scheibentransports,

- Überschreitungen der Toleranz für den Zielwert der Oxidschichtdicke,

-Ausscheidungen eines Dotanten, der bei einem vorhergehenden Porzeßschritt in ralativ hoher Konzentration in die Si-Scheibe eingebracht wurde,

- Kristallgitterstörungen in Form von Leerstellencluster.

Setzt man in diesem Beispiel in Gl (I) jedoch nicht die Vorzugs-Abkühlrate<s6 von 25 grd/sec. ein, sondern den äußerst zulässigen Kleinstwerte^ von 1,5 grd/sec, so erhält man -

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ν - / > 2 ' ^Cm min (oC = o£ _u) ^ min

Dieser Wert schränkt also die nach Patentschrift 106 111 ermittelte Mindestscheibentransport-Ge-

cm schwindigkeit von ν = 3»3 ^j^ nicht ein· Es besteht zwar durchaus die Möglichkeit, daß die vorstehend genannten vier Vorteile sich einstellen, es ist jedoch in Abhängigkeit vom jeweils konkret vorliegenden !Pall, d. h* der Dotangart, der Dotantkonzentrationsverteilung, Umfang und Art bereits vorliegender Kristallgitter störungen, Sauerstoff-Gehalt des Halbleitermaterials, möglich, daß der letztgenannte Vorteil oder auch die beiden letztgenannten Vorteile sich nicht einstellen«, Solange ein hinreichend großer Bereich für die Scheibentransportgeschwindigkeit

V_n , wie z, B

a

zur Verfügung steht, ist diese Besorgnis nicht gegeben. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden sich mit Sicherheit einstellen. Der auf Grund des zulässigen Kleinstwertes der Abkühlratec£ ermittelte Wert v„.„ (06 =^rO erlangt nur dann Bedeutung, wenn der kritische Wert, d. h· die obere Grenze für die Scheibentransportgeschwindigkeit v^ .- tiefer liegen sollte, als der nach Gl (I) unter Benutzung der Vorzugsabkühlrate oL von 25 grd/sec. ermittelte Wert v_min (cL= oC_Q)\ d. h_e wenn

^vkrit = ^vmin ^= °4>⁾

liegt, existiert kein Bereich, aus dem eine Scheibentr.ansportgeschwindigkeit auswählbar wäre. In diesem Fall, der allerdings nur sehr selten auftreten wird, kann jedoch unter Verwendung des Kleinstwertes der

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a* - 182053

Abkühlrate cL _u von -1,5 grd/sec'· ein anwendbarer Bereich existieren:

a ^{= v}min

^vkrit> ^va ^{= v}mi

Um möglichst alle, oder wenigstens fast alle der oben genannten vier Vorteile zu erlangen, wird man aus diesem Bereich eine Scheibentransportgeschwindigkeit ν auswählen, die in der Mhe der oberen Grenze diese ,Bereiches liegt. , ,

Claims (1)

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Erfindungsanspruch.

Verfahren zum Herstellen von Planartransistoren und integrierten Schaltkreisen, nach dem der Scheibentransport einstufig oder zweistufig vorgenommen wird und die Scheibentransportgeschwindigkeit im wesentlichen von der vorgegebenen Eindringtiefentoleranz, von der vorgegebenen-Basisweitentoleranz, von der vorgegebenen Toleranz der Oberflächenkonzentration und der Scheibenstellung bei der Tiefendiffusion sowie von der Toleranz für die Zahl der eindiffundierten Atome bei Yorbelegungsdiffusionsprozessen und von der vorgegebenen Toleranz der Oxidschichtdicke bei Oxydationsprozessen abhängig gemacht ist und durch die Wahl der Scheibenzonenlänge, der Diffusionsaeit, der Oxydationszeit und der Manipulier-'· ζextSchwankung beeinflußt wird, und nach dem im wesentlichen in Abhängigkeit von der Scheibenzonenlänge der Scheibentransport zweistufig vorgenommen wird, wobei die Scheibentransportgeschwindigkeit der 2_e Stufe im wesentlichen von der Abkühl-/Aufheizzonenlänge des verwendeten Diffusionsofens abhängig ist und kleiner als die Geschwindigkeit der ersten Stufe ist, nach Patent 106 111 dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibentransportgeschwindigkeit v_o in und aus Hochtemperaturöfen die zusätzliche Bedingung

•^a - ^vmin - \$

erfüllt und die Aufheizung und Abkühlung-der Halbleiter scheiben beim Scheibentransport über der Länge g der Handzone des verwendeten Hochtemperaturofens erfolgt und der Hochtemperaturprozess bei der Temperaturnn~ vorgenommen wird, und die Abkühlung der Halbleiterscheiben der Abkühlrate ÖL· genügt, wobei die Bedingung et =1,5 grd./sec, vorzugsweise jedoch oC"ζ. grd./see., erfüllt wirdβ '