DD222449A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterbauelementen hoher zuverlaessigkeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung bipolarer und unipolarer, diskreter und integrierter Halbleiterbauelemente, insbesondere auf der Basis von Halbleitersilizium. Das Ziel besteht darin, eine Schwermetallpraezipitation im bauelementeaktiven Bereich durch eine Erhoehung der Gettereffektivitaet gezielt eingebrachter Defekte ausserhalb der Bauelementezone zu verhindern. Das Wesen der Erfindung besteht in einer definiert geringen Abkuehlung nach Hochtemperaturprozessen, insbesondere im Intervall 600 C T 300 C mit eingelagerten, von Art und Konzentration der schwermetallischen Verunreinigungen abhaengigen Temperstufen innerhalb dieses Bereiches. Ausfuehrungsbeispiele der erfindungsgemaessen Loesung werden angegeben.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von bipolaren und unipolaren Halbleiterbauelementen hoherZuverlässigkeit, die sowohl in diskreter als auch in integrierter Form, insbesondere auf der Basis von Halbleitersilizium gefertigt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen . -

Die zur Fertigung von Halbleiterbauelementen benötigten Hochtemperaturprozeßschritte bei Temperaturen T 1000⁰C und die naßchemischen Arbeitsschritte bewirken eine Erhöhung der Konzentration von Schwermetallen, die aufgrund ihrer hohen Diffusionsgeschwindigkeit das gesamte Kristallvolumen mit rekombinations-/generationsaktiven Zentren anreichern und in Wechselwirkung mit Kristalldefekten innerhalb der bauelementeaktiven Zone Kenndatendegradation hervorrufen. Die praktizierten Getterverfahren nutzen die Kristalldefekt-Fremdstoff-Wechselwirkung im inaktiven Scheibenvolumen zur Entaktivierung dieser Verunreinigungen, berücksichtigen jedoch nicht die Möglichkeit, daß, insbesondere bei Erschöpfung des Gettervermögens, die Halbleiteroberfläche selbst bzw. die Grenzschicht Halbleiteroberfläche und Deckschicht, z. B. Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid, als Anreicherungszone für Schwermetallverunreinigungen in Betracht kommt. Andererseits ist es üblich, zur Verhinderung von Gittergleitungen und damit der Bildung von Versetzungen Auf heiz- und Abkühlvorgänge ab bzw. bis zu einer kritischen Temperatur T_x, die für Halbleitersilizium T_K = 900⁰C beträgt, mit geringer zeitlicher Änderung, ζ. Β. ΔΤ/ At = 5 Grad/min, zu realisieren. Der Temperaturbereich T < T< wird mit hoher Geschwindigkeit durchlaufen, d. h., es erfolgt eine schnelle Dechargierung des Scheibenkollektivs, insbesondere auch für Cz-Si zur Vermeidung der Aktivierung von sauerstoffinduzierten Donatoren im Temperaturbereich um 450⁰C.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Gettereffektivität von Defekten, die außerhalb der bauelementeaktiven Zone lokalisiert sind. Gleichzeitig ist damit eine Reduzierung der Konzentration der rekombinationsVgenerationsaktiVen Schwermetallverunreinigungen in der als kristalldefektarm vorausgesetzten Bauelementezone der HalbleitereinkristaHscheibe zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe besteht darin, durch geeignete Wahl der Abkühlbedingungen der Halbleiterscheiben; insbesondere von Si-Scheiben nach Hochtemperaturprozessen die erfindungsgemäße Zielstellung zu realisieren. Diese Aufgabe wird wie folgt gelöst.

Durch geringe Abkühlgeschwindigkeiten von Siliziumscheiben von z. B. ΔΤ/Δ1 = 1 Grad/min bei T < T_K, insbesondere auch im Temperaturbereich 300°C < T < 600⁰C, in dem Schwermetalle noch eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen, sind gezielt als Getterzentren für Schwermetalle eingebrachte Kristalldefekte in stärkerem Maße mit Schwermetallen dekorierbar.

Diese bilden im wesentlichen bei geringen Abkühlgeschwindigkeiten und/oder Temperungen im Intervall 300⁰C < T < 600⁰C relativ großvolumige Ausscheidungen in Getterzonen und wirken ihrerseits zusätzlich als Getterzentren.

Es ist insbesondere auch angezeigt, die erfindungsgemäße Verfahrensweise in der Abkühlphase nach dem letzten Hochtemperaturschritt der Bauelementeherstellung zu realisieren. Die unterschiedlichen Sättigungskonzentrationen und Diffusionskonstanten der Schwermetalle, insbesondere deren unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten, erfordern, die Abkühlgeschwindigkeiten je nach Art und Konzentration der dominierenden Verunreinigungen im Temperaturbereich 300⁰C < T < T_Kzu variieren. Durch den kombinierten Einsatz der Transmissionselektronenmikroskopie, der Strukturätztechnik, der Generationslebensdauermessung und des DLTS-Verfahrens wird einerseits der Nachweis der Verbesserung der strukturellen und chemischen Eigenschaften der bauelementeaktiven Zone der HalbleitereinkristaHscheibe erbracht, andererseits ist es möglich, den Dekorationsgrad von getterfähigen Defekten einschließlich der Morphologie der Schwermetallpräzipitate zu analysieren.

Ein weiterer Aspekt der Temperbehandlung bei T < T_K ist das gleichzeitige Ausheilen elastischer Materiaispannungen, wie sie

z. B. durch dotierte Bereich und/oder Deckschicht- bzw. Deckschichtkantenspannungen erzeugt werden.

Bei Verwendung sauerstoffreicher Czochralski-Si-Einkristallscheiben ist es angebracht, mittels Präzipitation von Sauerstoff den Gehalt an gelöstem Sauerstoff so weit zu senken, daß in der Endphase der im Scheibenverband kollektiven Fertigung von Halbleiterbauelementen trotz der erfindungsgemäß niedrigen Abkühlrate keine kritische Änderung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Siliziums infolge Aktivierung von sauerstoffinduzierten Donatoren, insbesondere im Temperaturbereich 400°C < T < 500⁰C, erfolgt.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Bei der Herstellung bipolarer integrierter Schaltkreise erfolgt als letzter Hochtemperaturschritt die Phosphor-Emitter-Tiefendiffusion, nach deren Beendigung eine Absenkung der Temperatur auf z. B. T = 900⁰C entsprechend der Abkühlcharakteristik der Diffusionsanlage vorgenommen wird. Nach Stabilisierung dieser Rampentemperatur wird im Diffusionsofen oder in einer oder mehreren dafür vorgesehenen Zonen der Diffusionsanlage oder in einer derselben vorgelagerten Temperanlage, die sich jeweils Rampentemperäturz.B. T = 900^cC befinden, mit 10 Grad/min auf T = 600⁰C und danach mit 1 Grad/min auf T = 400⁰C abgekühlt, bei dieser Temperatur 45 min getempert und nach weiterer Abkühlung mit 2 Grad/min auf T = 300⁰C, eine Dechargierung mit beliebiger Geschwindigkeit durchgeführt.

In einer anderen Ausführungsform wird das Scheibenkollektiv mittels Chargiervorrichtung mit z.B. 0,4cm/min aus dem auf T = 900°C stabilisierten Diffusionsofen durch das vorgelagerte Temperrohr gezogen, wobei in diesem ein axialer TemperaturabfaH von 600⁰C auf 300°C realisiert ist.

Bei Nutzung des ausgangsseitigen Temperaturprofils der Diffusionsanlage sind bei Dechargiergeschwindigkeiten um 0,1 cm/ min Bedingungen gegeben, die auch ohne Haltetemperaturen im gewünschten Bereich von vorzugsweise 600°C bis 300⁰C den erfindungsgemäßen Effekt realisieren.

Claims (6)

1. -1- 258 787 8

   Erfindungsansprüche: '

   1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen hoher Zuverlässigkeit, insbesondere von unipolaren und bipolaren diskreten und integrierten Typen, auf der Basis mittels externer und/oder interner Verfahren gegenüber Schwermetallen getterfähig gestalteter Si-Scheiben, gekennzeichnet dadurch, daß die Abkühlung der im Hochtemperaturzyklus der Bauelemente-Fertigung bearbeiteten Si-Scheiben mit Abkühlgeschwindigkeiten von 1 Grad/min bis 10 Grad/min im" Temperaturbereich von 900⁰C bis 300°C, im Intervall 600 > T > 300⁰C bevorzugt mit zwischengelagerten, von der Art und Konzentration der Schwermetallverunreinigungen abhängigen Temperaturen, bevorzugt bei Temperzeiten von 0,5 h bis 3,0h erfolgt \.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Aktivierung von sauerstoffinduzierten Donatoren, insbesondere im Temperaturbereich 400⁰C T < 500⁰C durch die Präzipitation und die Ausdiffusion des Volumensauerstoffs von Cz-Si aus oberflächennahen Gebieten durch eine entsprechende Hochtemperaturbehandlung verhindert ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei Verwendung geringer Dechargiergeschwindigkeiten von vorzugsweise 0,1 cm/min das ausgangsseitige axiale Temperaturprofil der Hochtemperaturanlagen ausgenutzt ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperbehandlung in einem an die Hochtemperaturanlage anschließenden Rohr realisiert ist und bei Übergang der Scheiben von der Hochtemperatur in die Temperanlage die Temperatur nicht unter T = 600⁰C abgesenkt ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, daß das Ergebnis durch Ätztechnik, TEM, Lebensdauer- und DLTS-Meßtechnik diagnostiziert ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß Bauelemente hoher Zuverlässigkeit mit guten elektrischen Kennwerten und hohen Ausbeuten realisiert sind.