DE10024710A1 - Einstellung von Defektprofilen in Kristallen oder kristallähnlichen Strukturen - Google Patents
Einstellung von Defektprofilen in Kristallen oder kristallähnlichen StrukturenInfo
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Abstract
Verfahren zur Erzeugung von Defektprofilen in einer kristallinen oder kristallähnlichen Struktur eines Substrates, vorzugsweise eines Halbleiters, während einer thermischen Behandlung in einer Prozesskammer. Dabei wird eine Konzentration und/oder eine Dichteverteilung von Defekten in Abhängigkeit von wenigstens zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlichen Prozessgasen mit jeweils wenigstens einer reaktiven Komponente gesteuert, wobei wenigstens zwei der Prozessgase im wesentlichen getrennt voneinander jeweils an wenigstens zwei verschiedenen Oberflächen des Substrates angreifen.
Description
Die nachfolgende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von De
fektprofilen in einer kristallinen oder kristallähnlichen Struktur, vorzugsweise in einem
Halbleiter, während einer thermischen Behandlung in einer Prozeßkammer.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, z. B. basierend auf Silizium, ist es
bekannt, durch thermische Behandlungsschritte des Halbleiters in geeigneter Pro
zeßgasumgebung die Verteilung von in den Halbleiter eingebrachten (dotierten)
Fremdatomen oder die Verteilung von Kristalldefekten zu beeinflussen. Im allgemei
nen wird die Verteilung der Fremdatome wesentlich durch die Verteilung der Defekte
mitbestimmt.
Beispielsweise ist aus W. Lerch et al.; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1998), Vol. 525,
pp. 237-255 und D. F. Downey et al.; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1998), Vol 525, pp.
263-271 bekannt, daß mittels eines Sauerstoff enthaltenden Prozeßgases bei kon
stanter thermischer Belastung eines dotierten Siliziumhalbleiters sich das Dotierprofil
von Bor beeinflussen läßt, denn die Oxidation von Silizium führt zu einer Übersätti
gung von Eigenzwischengitteratomen (EZG, ein Typus von Punktdefekten bei denen
sich Si-Atome auf Zwischengitterplätzen befinden) deren Konzentration das Diffusi
onsverhalten des Bors und somit das Dotierprofil von Bor beeinflußt.
Mit einer sauerstoffhaltigen Prozeßgasumgebung bei der thermischen Behandlung
von Halbleitern lassen sich im wesentlichen nur solche Fremdatom- oder Dotierpro
file beeinflussen, deren Fremdatome im wesentlichen über den Kick Out-Mechanis
mus auf einen Gitterplatz gelangen. Dabei gelangt das zuvor im Zwischengitterbe
reich befindliche Fremdatom auf einen Gitterplatz, wobei ein Silizium- (oder allge
mein Gitter-) Atom von diesem Gitterplatz in das Zwischengitter abgegeben wird.
In den Patenten US 5,401,669 und US 5,403,406 wird eine gezielte Ausbildung von
Defekten mittels einer Stickstoff enthaltenden Prozeßgasatmosphäre beschrieben,
wobei diese Defekte als Nukleationszentren für die Präzipitation von in Silizium gelö
stem Sauerstoff dienen.
In D. F. Downey et al.; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1997), Vol 470, pp. 299-311 wird
der Einfluß eines reaktiven Prozeßgases beim schnellen thermischen Behandeln
(RTP: Rapid Thermal Processing) von dotierten Siliziumwafern hinsichtlich der Do
tierprofile für verschiedene reaktive Gase unterschiedlichster Konzentrationen be
schrieben.
In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 199 27 962 der An
melderin wird ein gegenüber D. F. Downey et al. (Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1997),
Vol 470, pp. 299-311) verbessertes Verfahren zur Einstellung von Dotierprofilen dar
gestellt. Hierbei wird ein Halbleiter im wesentlichen einer schnellen thermischen Be
handlung (in einem RTP-System) in einer Prozeßgasatmosphäre unterzogen, die
mehrerer reaktive Gase umfaßt, um z. B. mittels dieser reaktiven Gase verschiedene
Eigenpunktdefekte gleichzeitig und in verschiedenen Konzentrationen zu aktivieren.
Allgemein lassen sich Defektkonzentration und/oder deren räumliche Defektvertei
lungen und damit auch die Verteilung(en) der aktivierten Dotieratome durch das be
schriebene Verfahren steuern.
Mit den zunehmend kleiner werdenden Strukturgrößen in Halbleiterbauelementen
steigen auch die Anforderungen hinsichtlich der Möglichkeiten der Steuerung von
Defekt- und Dotierprofilen (hier im Sinne der räumlichen Verteilung aktivierter
Fremdatome). Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die oben darge
stellten Verfahren weiter zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch das eingangs genannte Verfah
ren, wobei eine Konzentration und/oder eine Dichteverteilung von Defekten in Ab
hängigkeit von wenigstens zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlichen Pro
zeßgasen mit jeweils wenigstens einer reaktiven Komponente gesteuert wird, und
wobei wenigstens zwei der Prozeßgase im wesentlichen getrennt voneinander je
weils an wenigstens zwei verschiedenen Oberflächen des Substrats angreifen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden z. B. Vorder- und Rückseite
von z. B. scheibenförmigen Halbleitern, z. B. Siliziumwafern, mit unterschiedlichen
reaktiven Gasen in Kontakt gebracht. Dies ermöglicht bei einer thermischen Be
handlung des Wafers eine Steuerung von Defektverteilungen und/oder Defektkon
zentrationen von beiden Seiten des Wafers her, wobei dadurch ein Maximum an
Möglichkeiten insbesondere hinsichtlich der Konzentration und der räumlichen Ver
teilung von Defekten aber auch hinsichtlich der Art der Defekte, z. B. Punktdefekte
und/oder Volumendefekte ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann
vorzugsweise in RTP- (Rapid Thermal Processing-), CVD- (Chemical Vapor Deposi
tion-), RTCVD- (Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition-) und Epitaxieanlagen
Anwendung finden, bei denen in der Regel ein "single wafer processing" durchge
führt wird, d. h. bei denen jeweils nur ein Wafer einer thermischen Behandlung unter
zogen wird. Es können aber auch mehrere Wafer gleichzeitig einer thermischen Be
handlung unterzogen werden, wie dies z. B. bei manchen Epitaxie- bzw. CVD-
Anlagen erfolgt. Hierbei sind meist mehrere Wafer (z. B. zwei bis sechs) im wesentli
chen in einer Ebene angeordnet. Durch die thermische Behandlung jeweils nur eines
Wafers oder weniger Wafer, die im wesentlichen innerhalb einer Ebene angeordnet
sind, besteht die Möglichkeit, den oder die Wafer jeweils mit Vorder- und Rücksei
te(n) entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren jeweils im wesentlichen mit
nur einem Prozeßgas in Kontakt zu bringen, wobei die Prozeßgase in ihrer Zusam
mensetzung unterschiedlich sind und jeweils wenigstens eine reaktive Komponente
umfassen.
Ein Prozeßgas umfaßt gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens eine reaktive
Komponente, d. h. eine Komponente welche mit dem Substrat reagiert. Die Reaktion
kann eine chemische Reaktion der Komponente (z. B. O2) mit dem Substrat (z. B. Si)
zu einer neuen Substanz (z. B. Si + O2 → SiO2) sein, eine Adsorption (Physisorption
und/oder Chemisorption) einer Komponente des Prozeßgases, ein Ätzen (chemische
Reaktion) oder eine Desorption eines bereits vorhandenen Adsorbats durch Kompo
nenten des Prozeßgases. Die Reaktion kann an der Substratoberfläche (z. B. Beginn
der Oxidation von Si, oder die Oxidation einer auf ein Substrat aufgebrachten Kupferschicht),
eines Teiles der Substratoberfläche, oder bzw. auch innerhalb des Sub
strats (z. B. die Oxidation von Si bei bereits vorhandener Siliziumoxidschicht) erfol
gen. Ferner kann die Reaktion auch an Defekten im Inneren des Substrats erfolgen,
wie dies zum Beispiel bei der Reduktion von SiO2 durch Wasserstoff ist, wobei sich
das SiO2 an den Innenflächen von COPs (crystal originated particles) befindet. Das
Prozeßgas kann Inertgase umfassen, d. h. Gase welche mit dem Wafer bzw. dem
Substrat nicht reagieren. Ob sich ein Gas oder eine Gaskomponente inert verhält,
kann von der Prozeßtemperatur abhängen, ein Beispiel hierfür ist N2 bei der Prozes
sierung von Silizium. Bei Temperaturen bis etwa 1100 C verhält sich N2 nahezu
inert, erst bei Temperaturen über 1100 C tritt eine nennenswerte Reaktion mit Silizi
um in Form einer Nitridierung auf. Andere Inertgase sind z. B. Edelgase wie Argon,
Helium, Neon. Helium zeichnet sich dabei z. B. durch seine besonders hohe Wärme
leitfähigkeit aus, die z. B. beim schnellen Kühlen des Substrats vorteilhaft sein kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden wenigstens zwei unterschiedliche Pro
zeßgase verwendet. Die Prozeßgase können sich dabei in ihrer chemischen Zu
sammensetzung oder, bei gleichen Komponenten, im Verhältnis der Partialdrücke
zueinander unterscheiden und/oder bezüglich des absoluten Druckes oder der Tem
peratur. Der Begriff Zusammensetzung soll also auch die Größen Temperatur und
Druck der jeweiligen Prozeßgase umfassen. So können im Rahmen der vorliegenden
Erfindung Prozeßgase mit gleicher chemischer Zusammensetzung aber mit jeweils
unterschiedlicher Temperatur bzw. bei unterschiedlichem Druck eingesetzt werden.
Da die Reaktionen bzw. die Reaktionsgeschwindigkeiten im allgemeinen sowohl von
Druck und Temperatur abhängen, lassen sich mit den im wesentlichen getrennten
Prozeßgasen an den verschiedenen Oberflächen des Substrats, an denen die Gase
angreifen, unterschiedliche Reaktionen oder Reaktionsgeschwindigkeiten hervorru
fen, auch wenn die Gase z. B. in ihrer chemischen Zusammensetzung gleich sind.
Dabei können sich die Reaktionen grundsätzlich oder nur hinsichtlich ihrer Reakti
onsgeschwindigkeit unterscheiden. Grundsätzlich verschiedene Reaktionen bei der
Anwendung von bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung gleichen Gasen
können sich beispielsweise bei Gasen ergeben, die Inertgase umfassen, deren Inert
verhalten mit steigender Temperatur in ein reaktives Verhalten übergeht (z. B. N2,
siehe oben). Greifen dann die Gase mit unterschiedlicher Temperatur an den jeweili
gen Oberflächen an, oder weisen die jeweiligen Oberflächen eine unterschiedliche
Temperatur auf, so kann sich das Inertgas an den jeweiligen Oberflächen völlig ver
schieden verhalten.
Unter "Prozeßgase im wesentlichen getrennt voneinander" soll verstanden werden,
daß die am Prozeß beteiligten Prozeßgase höchstens in dem Maße miteinander mi
schen, so daß an einer Oberfläche oder in einem Bereich in der Nähe dieser Ober
fläche Reaktionen dominieren, die durch das an dieser Oberfläche überwiegend an
greifende Prozeßgas hervorgerufen werden. Idealerweise würden die Prozeßgase
durch das Substrat vollständig getrennt, so daß ein Mischen der Prozeßgase in der
Nähe der jeweiligen Oberfläche nicht möglich ist und jedes Prozeßgas nur an einer
Oberfläche des Substrats angreift. Die Erfüllung dieser idealen Bedingung hängt je
doch sehr von der technischen Ausführung der Prozeßkammer und von der Haltevor
richtung für das Substrat ab. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich jedoch auch
durchführen, wenn diese ideale Bedingung nicht streng erfüllt ist, indem man z. B.
dafür sorgt, daß die an verschiedenen Oberflächen des Substrats angreifenden Pro
zeßgase möglichst wenig miteinander mischen, oder nur in dem Maße mischen, daß
wie oben angegeben, eine Reaktion dominiert.
Der Begriff Defekt soll im folgenden null- bis dreidimensionale Gitterdefekte umfas
sen. Nulldimensionale Defekte sind z. B. Punktfehler oder Punktdefekte wie Leerstel
len (Vacancies), Eigenzwischengitteratome (EZG oder Interstitials) und chemische
Fremdatome, die im Wirtsgitter auf Zwischengitter oder Gitterplätzen eingebaut sind.
Abhängig davon ob die Defekte durch Wirtsgitteratome oder Fremdatome bedingt
sind, spricht man von intrinsischen oder extrinsischen Punktdefekten. Wandern die
die Leerstellen verursachenden Wirtsgitteratome an die Oberfläche, so entstehen
Schottkydefekte, wandern diese Atome auf Zwischengitterplätze, so spricht man von
Frenkeldefekten. Eine Ansammlung (Agglomeration) von Punktfehlern kann zu hö
herdimensionalen Fehlordnungen führen, wie z. B. Versetzungsringe oder Verset
zungslinien (eindimensionale Defekte), Stapelfehler (zweidimensionale Defekte) oder
Präzipitate von Fremdatomen (dreidimensionale Defekte)
Weitere Defekte sind z. B. Korngrenzen (zweidimensional) oder die schon erwähnten
dreidimensionalen Präzipitate, (z. B. Sauerstoffpräzipitate in Silizium oder Metallprä
zipitate), bzw. die zur Ausbildung von Präzipitaten erforderlichen Nukleationszentren
sowie lokale amorphe Bereiche, die z. B. bei Ionenimplantationen entstehen, oder
Voids. Unter kristallähnlich soll z. B. der Übergangsbereich von kristalliner zu amor
pher Struktur verstanden werden. Als weiterer Defekt sei noch die Ausbildung von F-
Zentren (Farbzentren) angeführt, wie sie z. B. in Ionenkristallen vorhanden sind, bei
denen sich ein Elektron in einer Halogenlücke in der Nähe benachbarter Kationen
aufhält.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die zwei verschiedenen
Oberflächen des Substrats etwa gegenüberliegend und die durch die reaktiven Kom
ponenten der Prozeßgase erzeugten Dichteverteilungen der Defekte erstrecken sich
von jeder Oberfläche in Richtung der jeweiligen anderen Oberfläche. Bei dieser
Ausführungsform handelt es sich im allgemeinen um scheibenförmige Substrate, z. B.
Halbleiterwafer aus Silizium. Dabei wird der Wafer jeweils mit seiner Vorder- und mit
seiner Rückseite mit den jeweils unterschiedlichen Prozeßgasen während eines
thermischen Behandlungsschrittes in Kontakt gebracht.
Vorzugsweise sind die durch die Prozeßgase mitverursachten Dichteverteilungen der
Defekte im wesentlichen Eigenzwischengitteratome an der einen Oberfläche und
Leerstellen an der anderen Oberfläche. Die Dichteverteilungen erstrecken sich dann
jeweils in Richtung auf die jeweilige andere Oberfläche. Sind die Defekte z. B. bei ei
nem Siliziumwafer an der Vorderseite Eigenzwischengitteratome, d. h. auf der Seite
auf der Strukturen entstehen sollen oder bereits Strukturen vorhanden sind, so wird
z. B. die Diffusion von im Silizium vorhandenem Bor in Richtung des Waferinneren
begünstigt, oder allgemein, die Diffusion von Fremdatomen (die diese Defekte aus
Eigenzwischengitteratome, die in die Klasse der Eigenpunktdefekte fallen, als "Diffu
sionsvehikel" nutzen) wird begünstigt in Richtung entgegen des Gradienten der
Dichteverteilung der Eigenzwischengitteratome, bzw. gehemmt in Richtung des Gra
dienten. Entsprechend umgekehrt verhält es sich, wenn die Defekte Leerstellen sind,
dann wird die Diffusion von Fremdatomen in Richtung des Gradienten der Dichte
verteilung der Leerstellen begünstigt und in Richtung entgegen des Gradienten die
ser Dichteverteilung gehemmt. Diese Eigenschaft kann bei der Herstellung flacher,
mit Fremdatomen dotierter Zonen vorteilhaft ausgenutzt werden, indem man von der
Oberfläche aus, an der sich die dotierten Zonen befinden, einen Überschuß an Leer
stellen generiert. Auf der den dotierten Zonen gegenüberliegenden Seite des Kristalls
(üblicherweise eines Wafers) wird vorteilhaft ein Überschuß an Eigenzwischengitte
ratomen erzeugt. Unter Überschuß wird hier ein Überschreiten der Defektkonzentra
tion verstanden, die sich im thermischen Gleichgewicht bei der jeweiligen Prozeß
temperatur einstellen würde. Durch die Erzeugung derartiger Defektverteilungen wird
die Diffusion von Fremdatomen in Richtung des Kristallinneren im wesentlichen ge
hemmt, wodurch sich flache Zonen von Fremdatomen auch nach einer thermischen
Behandlung des Kristalls, z. B. nach einem Aktivierungsschritt, herstellen lassen. Als
Ergebnis erhält man flache PN-Übergänge, sogenannte Ultra-Shallow-Junctions.
Weiter kann es vorteilhaft sein, daß die Dichteverteilungen jeweils aus Eigenzwi
schengitteratome und Leerstellen bestehen, die von den jeweiligen Oberflächen aus
gehen, und die sich in ihrer Konzentration und/oder in ihrem Verhältnis zueinander
unterscheiden. Solche Dichteverteilungen sind z. B. durch geeignete Prozeßgase
herstellbar, die sowohl reaktive Komponenten zur Erzeugung von Eigenzwischengit
teratomen als auch reaktive Komponenten zur Erzeugung von Leerstellen umfassen.
Mit derartigen Prozeßgasen kann insbesondere auf das räumliche Profil aktivierter
Fremdatome in einem Kristallgitter, z. B. Silizium, Einfluß genommen werden.
Ferner können vorteilhaft die unterschiedlichen Prozeßgase, die z. B. auf der Vorder-
und auf der Rückseite eines Wafers angreifen, unterschiedliche Wärmeleitkoeffizi
enten und/oder Wärmekapazitäten haben. Dadurch kann z. B. ein unterschiedlich
schnelles Abkühlen oder Erwärmen des Wafers auf den jeweiligen Oberflächen un
terstützt werden, wodurch sich innerhalb des Wafers von einer Oberfläche zur ande
ren ein Temperaturgradient ausbildet, der z. B. wiederum Einfluß auf das Diffusions
verhalten von Defekten hat.
Die vorliegende Erfindung wird vorteilhaft angewandt, um ein Substrat mit einem
vordefinierten Temperatur-Zeit-Profil innerhalb einer Prozeßkammer zu prozessieren.
Durch das Temperatur-Zeit-Profil kann das Diffusionsverhalten der Defekte entschei
dend gesteuert werden.
Zusätzlich kann vorteilhaft wenigstens ein Prozeßgas hinsichtlich seiner Zusammen
setzung und/oder seines Prozeßgasdruckes und/oder hinsichtlich seiner Prozeßga
stemperatur mit dem Temperatur-Zeit-Profil korreliert werden. Dabei kann z. B. die
Konzentration (Partialdruck) der reaktiven Komponente eines Prozeßgases, der Ge
samtdruck des Prozeßgases aber auch die Temperatur, mit der das Prozeßgas in die
Prozeßkammer einströmt und am Substrat angreift, mit dem Temperatur-Zeit-Profil
des Substrats korreliert sein.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch an einem "undotierten" Sili
ziumwafer angewandt werden, darunter sollen Wafer verstanden werden, die nach
Waferherstellung nicht zusätzlich durch z. B. Diffusion und/oder Implantation und/oder
einem anderen Verfahren mit Fremdatomen dotiert werden. Bei solchen Wafern kann
z. B. eine räumliche Defektverteilung eingestellt werden, die dann dazu benutzt wird,
um die Sauerstoffverteilung innerhalb des Siliziumkristalls festzulegen. Vorteilhaft
kann das Verfahren z. B. zur Einstellung der Präzipitatverteilung von Sauerstoff ein
gesetzt werden.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei "dotierten" Siliziumwafern
kann wie oben bereits dargestellt ebenfalls vorteilhaft sein, z. B. bei der Herstellung
von flachen pn-Übergängen. Dabei sollen unter dotierten Wafern Wafer verstanden
werden, die z. B. durch Diffusion und/oder Implantation und/oder einem anderen
Verfahren zusätzlich mit Fremdatomen dotiert werden.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren z. B. bei dotierten Siliziumwafern eingesetzt,
so ist es vorteilhaft, wenn gewisse Defekte im wesentlichen in einer Oberflächen
schicht zwischen 0 und 150 µm sind, wobei Dichte, Anzahl bzw. Konzentration zum
Substratinneren hin abnehmen. Als Beispiel seien Gitterfehlstellen genannt.
Wird dagegen des erfindungsgemäße Verfahren für die Präparation von Siliziumwa
fern eingesetzt, so ist es vorteilhaft, wenn gewisse Defekte in einer Oberflächen
schicht zwischen 0 und 150 µm wesentlich verarmt sind, und sich die Defekte im we
sentlichen im Substratinneren befinden. In diesem Fall sind die Defekte z. B. im we
sentlichen Leerstellen an denen sich z. B. Sauerstoffpräzipitate bilden können. Hier
durch wird vorteilhaft an der Waferoberfläche eine präzipitatfreie Schicht von ca. 150 µm
erzeugt, innerhalb derer Strukturen wie z. B. elektronische Schaltkreise hergestellt
werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch bei Produktionswafern einsetzen,
d. h. Wafern die bereits Strukturen umfassen die bei der Herstellung von integrierten
Schaltungen, diskreten Bauelementen, oder allgemein, elektronischen Schaltkreisen
auftreten. Ferner können die Wafer oder Substrate auch Bauelemente aus der Mi
krostrukturtechnik umfassen.
Im allgemeinen können, wie oben bereits erwähnt, die Defekte Fremdatome sein.
Dies ist insbesondere bei dotierten Kristallen der Fall. Die Defekte können aber auch
Leerstellen sein, an denen z. B. eine Präzipitatbildung erfolgt, so daß die Defekte
letztlich Präzipitate sind.
Ferner können die Defekte auch "crystal originated particles" COPs sein, die mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens in ihrer räumlichen Verteilung und/oder Konzen
tration gesteuert werden.
Vorteilhafterweise können die durch wenigstens ein Prozeßgas generierten Defekte
in einer Schicht in der Nähe einer Oberfläche eine Getterschicht erzeugen, die z. B.
zum Gettern von Verunreinigungen wie Metallen eingesetzt werden kann. Eine sol
che Getterschicht kann z. B. aus einer Akkumulation von Sauerstoffpräzipitaten in
Silizium bestehen. Wie oben beschrieben, kann eine solche Präzipitatschicht z. B.
mittels einer geeigneten räumlichen Leerstellenverteilung hergestellt werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Defekte wie Leerstellen
und/oder Eigenzwischengitteratome erzeugt, wobei vorzugsweise das reaktive Pro
zeßgas Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder eine Sauerstoff und/oder eine Stick
stoff enthaltende Komponente umfaßt. Dabei kann z. B. eines der Prozeßgase im
wesentlichen aus Sauerstoff und/oder aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas be
stehen, d. h. der Anteil anderer Gase beträgt z. B. weniger als 100.000 ppm.
Für gewisse Verfahren kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn eines der Prozeß
gase weniger als 50.000 ppm, vorzugsweise weniger als 1.000 ppm, bei manchen
Prozessen sogar weniger als 250 ppm, jedoch mehr als 10 ppm Sauerstoff (oder all
gemein Sauerstoff enthaltendes Gas) und/oder Stickstoff (oder allgemein Stickstoff
enthaltendes Gas) enthält.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren anhand bevor
zugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen in
Fig. 1 ein schematische Schnittdarstellung einer Prozßkammer z. B. eines RTP-
Systems, geeignet zur Durchführung der Erfindung;
Fig. 2 a) Beispiele verschiedener Prozeßgasgemische mit jeweils mehreren re
aktiven Gasen; b) Beispiel verschiedener Prozeßgase mit jeweils einem
reaktiven Gas;
Fig. 3 schematische Konzentrationsverteilungen von implantierten Fremdatomen
nach der thermischen Aktivierung bei Anwendung verschiedener Prozeß
gase;
Fig. 4 gemessene Konzentrationsverteilungen von implantierten Fremdatomen
(As) nach der thermischen Aktivierung bei Anwendung verschiedener Pro
zeßgase;
Fig. 5 schematische Darstellungen von Präzipitatdichteverteilungen bzw. Leer
stellen-Dichteverteilungen in einem Wafer entlang der Waferdicke;
Fig. 6 einen Teil einer Prozeßkammer mit schematischer Darstellung einer Rota
tionsvorrichtung mit Trennvorrichtung zur Ausbildung einer geteilten Pro
zeßkammer mit zwei Teilkammern.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Prozeßkammer 3, die geeignet ist
das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es kann sich hierbei um die Kam
mer eines RTP-, CVD-, RTCVD- oder Epitaxie-Systems 1 handeln, innerhalb derer
im allgemeinen ein einzelner Wafer 5 (ein Substrat 5) eine thermische Behandlung
erfährt. Der Wafer oder das Substrat ist z. B. ein Siliziumwafer mit einem Durchmes
ser von bis zu 300 mm oder auch größer. In dem System 1 wird der Wafer mittels
einer Heizvorrichtung 17, 18 z. B. mittels Lampen 2, 4, vorzugsweise z. B. stabförmi
ge Halogenlampen die in Form von Lampenbänken 17, 18 angeordnet sind, auf eine
Temperatur zwischen Raumtemperatur und ca. 1400°C (im Falle von Siliziumwa
fern) erhitzt. Vorzugsweise werden Lampen in Form von Lampenbänken 17, 18 au
ßerhalb der Prozeßkammer 3 über und/oder unter dem Wafer 5 angeordnet. Bei ei
ner beidseitigen Anordnung der Lampenbänke 17, 18 wird eine beidseitige Heizung
des Wafers 5 durch die Lampenstrahlung der Lampen 2 und 4 bzw. der Lampenbän
ke 17, 18 ermöglicht. Dabei können die Lampen 2, 4 der oberen und unteren Lam
penbänke 17, 18 parallel zueinander, unter einem Winkel oder, wie in Fig. 1 darge
stellt, senkrecht zueinander angeordnet sein. Die Prozeßkammer 3 umfaßt für die
Lampenstrahlung transparente Bereiche, die z. B. aus Quarz bestehen, damit die
Lampenstrahlung ins Innere der Prozeßkammer zum Aufheizen des Wafers gelan
gen kann. Auch kann die gesamte Prozeßkammer aus z. B. Quarz ausgebildet sein.
Vorteilhaft sind die Lampen 2, 4 der Lampenbänke 17, 18 unter einem Winkel zuein
ander, vorzugsweise unter 90° wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, angeordnet, wobei
jede einzelne Lampe separat ansteuerbar ist, oder die Lampen in vordefinierten
Gruppen gruppenweise ansteuerbar sind.
Systeme 1 mit einseitiger Heizung sind ebenfalls gebräuchlich, wobei bei diesen
meist die der Lampenbank gegenüberliegende Kammerwand verspiegelt ist.
Die dargestellte Prozeßkammer verfügt weiter über wenigstens zwei Gaseinlaßvor
richtungen 7, 10 über die wenigstens zwei Prozeßgase 9, 12 in Teilkammern 13 und
14 eingeleitet werden können, ohne daß die Prozeßgase 9, 12 wesentlich miteinan
der mischen. Ebenso verfügt die Kammer 3 über wenigstens zwei getrennte Gas
auslaßvorrichtungen 8, 11 über die das jeweilige Prozeßgas 15, 16 aus den Teil
kammern 13 und 14 wieder entweichen kann. Idealerweise ist die Kammer 1 so ge
schaffen, daß die einströmenden Prozeßgase 9, 10 möglichst wenig miteinander mi
schen, so daß die ausströmenden Prozeßgase 8 und 11 möglichst geringe Anteile
des jeweiligen anderen Gases oder etwaiger Reaktionsprodukte des jeweiligen ande
ren Gases enthalten.
Die maximalen Prozeßtemperaturen, auf die das Substrat 5 in der Kammer 3 aufge
heizt wird, hängen von der Art des Substrats ab, ebenso die Prozeßzeiten und der
Temperatur-Zeit-Verlauf der Wärmebehandlung. Bei Siliziumwafern in RTP-
Systemen werden Prozeßzeiten zwischen ca. 0 und 500 Sekunden eingesetzt, um
den Wafer auf etwa konstanter Temperatur zu halten. Die Rampraten für das Aufhei
zen betragen etwa 5°C/s bis ca. 500°C/s, für das Abkühlen etwa bis zu 150°C/s, wo
bei mit entsprechenden Kühlvorrichtungen jedoch auch Kühlraten im Bereich der
Heizraten erzielbar sind. Innerhalb der genannten Rampraten, Temperatur- und Zeit
bereiche kann ein Wafer mit modernen Anlagen wie der AST 3000 so geheizt wer
den, daß die Wafertemperatur nahezu jeder beliebigen Temperatur-Zeit-Kurve folgt,
wobei die Temperaturverteilung über eine Waferoberfläche etwa auf 0.1% bis 1,5%
einer vorgegebenen Temperaturverteilung angenähert werden kann. Bei doppelseiti
gem Heizen des Wafers, wie dies z. B. in Fig. 1 durch die Lampenbänke 17 und 18
oberhalb und unterhalb des Wafers ermöglicht wird, können auch Temperaturunter
schiede zwischen Wafervorder- und Waferrückseite (Oberseite und Unterseite) ein
gestellt werden, wobei in der Praxis im allgemeinen die Anforderungen bestehen,
möglichst kleine Temperaturunterschiede zwischen Ober- und Unterseite und mög
lichst gleichförmige Temperaturverteilungen auf dem Wafer zu realisieren.
Um die Anforderungen hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Temperaturvertei
lungen, die der Wafer während der thermischen Behandlung erfahren soll zu erfüllen,
sind wie oben erwähnt, die Lampen 2, 4 der Lampenbänke 17, 18 einzeln oder in
Gruppen ansteuerbar, so daß das in der Prozeßkammer 1 herrschende, durch die
Heizvorrichtung 17, 18 erzeugte Strahlungsfeld sowohl räumlich als auch zeitlich
steuerbar ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Prozeßkammer 3 als
zweiteilige Kammer mit den Teilkammern 13 und 14 ausgebildet. Die Teilkammern
13 und 14 werden durch eine Teilvorrichtung 6 und durch den Wafer 5 gebildet. Da
bei besteht die Teilvorrichtung 6 vorzugsweise aus einem für die Lampenstrahlung
und/oder Waferstrahlung transparenten Material, vorzugsweise aus Quarz. Die Teil
vorrichtung 6 kann dabei einen ringförmigen nicht transparenten Bereich 6a umfas
sen, so daß der Wafer von diesem Bereich 6a umgeben ist. Dieser Bereich 6a bildet
eine Art Schutzring (Guard Ring) um den Wafer, um eine gleichförmigere Tempera
turverteilung zu erreichen. Der Schutzring 6a kann dabei dünner, dicker oder mit
gleicher Dicke wie der Wafer ausgebildet sein. Er kann in der Waferebene, etwas
unterhalb oder etwas oberhalb des Wafers angebracht sein, wobei die Verschiebung
aus der Waferebene im allgemeinen kleiner als 5% des Waferdurchmessers ist, d. h.
bei einem 300 mm Wafer ist die Verschiebung vorzugsweise kleiner 15 mm.
Der Wafer 5 wird durch eine nicht näher dargestellte Waferhaltevorrichtung innerhalb
der Prozeßkammer 3 so gehaltert, daß zusammen mit der Teilvorrichtung 6 eine
zweigeteilte Kammer mit den Teilkammern 13 und 14 entsteht. Ein etwaiger Spalt
zwischen dem Wafer 5 und der Teilvorrichtung 6 ist dabei minimiert, aber dennoch
so groß, daß der Wafer eine durch die thermische Behandlung erfahrende Wärme
dehnung ausführen kann. Liegt der Wafer 5 auf der Teilvorrichtung 6 auf, so kann
vorteilhafterweise eine Spaltbildung zwischen Wafer 5 und Teilvorrichtung 6 vermie
den werden, wodurch die Teilkammern besser voneinander getrennt sind. Liegen
Wafer 5 und Teilvorrichtung 6 nicht in einer Ebene, so läßt sich eine Trennung der
Teilkammern z. B. auch so realisieren, daß der Wafer 5 einen Teil der Teilvorrichtung
6 überdeckt, wodurch sich zwischen den Teilkammern 13 und 14 im wesentlichen ein
horizontaler Spalt ergibt. Die Spaltbreite wird dabei durch den Abstand von Wafer 5
und Teilvorrichtung 6 bestimmt. Dieser Abstand kann ebenfalls minimiert werden,
damit zwischen den Teilkammern 13, 14 möglichst wenig Gas ausgetauscht wird.
Ferner kann der Wafer 5 mittels einer Rotationsvorrichtung (nicht dargestellt) in Ro
tation versetzt werden, wobei vorteilhaft die Rotationsachse durch das Waferzentrum
und senkrecht zur Waferfläche verläuft. Durch eine Rotation des Wafers läßt sich
eine gleichförmigere homogene Temperaturverteilung realisieren. Wird der Wafer 5
rotiert, so werden die Teilkammern 13 und 14 vorzugsweise durch die oben be
schriebene teilweise Überdeckung der Trennvorrichtung durch den Wafer oder Teilen
der Rotationsvorrichtung realisiert. Bezüglich der letzteren Möglichkeit zeigt Fig. 6
schematisch eine Rotationsvorrichung 60 eines möglichen Ausführungsbeispiels, bei
dem der Wafer 5 auf Waferunterstützungselementen 61 eines rotierenden Ringes 62
gehalten wird. Der rotierende Ring 62 weist an seinem Umfang ein nach außen offe
nes U-Profil 63 auf, in das die Trennvorrichtung 6 der Prozeßkammer 3 wenigstens
teilweise hinein ragt, ohne jedoch den Steg des U-Profils 63 zu berühren. Damit
überlappt die Rotationsvorrichtung 60 die Trennvorrichtung 6 beidseitig, was zu einer
guten Trennung der beiden Teilkammern 13 und 14 führt. Der horizontale Spalt zwi
schen dem U-Profil 63 und der Trennvorrichtung 6 wird dabei minimiert. Zusätzlich
können wenigstens einseitig, vorteilhafterweise jedoch beidseitig an den Flanschen
des U-Profils 63 Flügel 64 angebracht sein, so daß bei Rotation der Rotationsvor
richtung 60 diese Flügel 64 aufgrund der Zentrifugalkräfte eine Pumpwirkung entfal
ten und somit verhindern, daß Prozeßgas aus der einen Teilkammer in die andere
gelangt. Abhängig vom Substratmaterial besteht der Ring 62 z. B. aus Quarz oder
Saphir (z. B. wenn das Substrat aus Saphir besteht wie z. B. bei III-V-Halbleitern, z. B.
bei GaN : Mg), bei Siliziumwafern besteht der Ring vorteilhaft aus Silizium oder be
schichtetem Silizium oder Siliziumkarbid (SiC), wobei SiC auch für GaN : Mg verwen
det werden kann, wenn als Trägermaterial des III-V-Halbleiters SiC verwendet wird.
Dadurch läßt sich der Wafer sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite und
von den Randbereichen beheizen. Die Rotation und/oder die Position der Rotations
vorrichtung 60 relativ zur Kammer 3 kann mechanisch über z. B. eine Achse, magnetisch,
elektromagnetisch oder über eine Luftkissenvorrichtung erfolgen. Ferner kön
nen in der Trennvorrichtung 6 Absaugvorrichtungen und/oder Gaseinlaßdüsen vor
gesehen sein, so daß z. B. Gas, welches von einer Teilkammer 13, 14 in die jeweilige
andere zu strömen versucht, abgesaugt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann
über Gaseinlaßdüsen z. B. ein Inertgas einströmen, so daß eine Art Gasdichtung zwi
schen den Teilkammern 13 und 14 im Bereich des U-Profils 63 entsteht. Unter be
stimmten Bedingungen können die Gaseinlaßdüsen auch mit einem reaktiven Pro
zeßgas beaufschlagt werden, wenn z. B. ein Mischen der Gase in einer Kammer zu
lässig, in der anderen Kammer jedoch unzulässig ist. In diesem Falle wird vorteilhaft
das Prozeßgas als Gasdichtung verwendet, welches sich in der Kammer befindet,
die gegenüber der anderen abgedichtet sein soll.
In Fig. 2 sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, wobei oberhalb
und unterhalb des Wafers 5 in den Teilkammern 13 und 14 jeweils Prozeßgase mit
wenigstens einer reaktiven Komponente eingesetzt werden.
Dabei können wie in Fig. 2a exemplarisch dargestellt, in einer Teilkammer 13, 14
Prozeßgase mit wenigstens zwei reaktiven Komponenten eingesetzt werden, wobei
z. B. die Stickstoff enthaltenden Komponenten bei einer thermischen Behandlung des
Siliziumwafers zusätzliche Leerstellen an der Waferoberfläche erzeugen, die dann in
das Waferinnere diffundieren. Sauerstoff enthaltende Komponenten erzeugen zu
sätzliche Eigenzwischengitteratome (EZG), die ebenfalls in das Waferinnere diffun
dieren. Durch geeignete Kombination von Sauerstoff und Stickstoff enthaltenden Ga
sen kann also die Konzentration der Leerstellen und der EZG eingestellt werden. Da
die Leerstellen und die EZG unterschiedliche Diffusionskoeffizienten in Silizium ha
ben, und auch miteinander rekombinieren, kann zusätzlich eine gewünschte Dichte
verteilung (von der Oberfläche hin zum Waferinneren) von Leerstellen und/oder EZG
eingestellt werden. Dabei können sowohl die Temperatur, das zeitliche Temperatur
profil, die Prozeßzeit und die Zusammensetzung der Gasmischung für die Einstel
lung der Konzentration und der Dichteverteilung der Defekte verwendet werden.
Mit der Dichteverteilung der Defekte wird aber auch direkt die Verteilung von akti
vierten Fremdatomen (Donatoren oder Akzeptoren) mitbestimmt. Durch die thermi
sche Behandlung, die Aktivierung von implantierten Siliziumwafern, verbreitert sich
naturgemäß das beim Dotiervorgang erzielte räumliche Verteilungsprofil der eindo
tierten Fremdatome durch Diffusion. Diese Diffusion ist jedoch aufgrund der Möglich
keit der Aktivierung, d. h. aufgrund der Möglichkeit das ein Fremdatom auf einen Git
terplatz des Siliziums gelangen kann, wesentlich auch durch die Konzentration und
die räumliche Verteilung (Dichteverteilung) der Defekte mitbestimmt. Denn die De
fekte beeinflussen wesentlich die Aktivierungswahrscheinlichkeit, d. h. die Wahr
scheinlichkeit, daß ein Fremdatom auf einen Gitterplatz des Siliziums gelangen kann.
Eine derartige Manipulation der räumlichen Verteilung der aktivierten Fremdatome
mittels der Anwendung von RTP in einer ungeteilten Prozeßkammer, d. h. in einer
Prozeßkammer, in der der Wafer allseitig vom gleichen Prozeßgas umgeben ist, ist
z. B. in der nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 199 27 962 der glei
chen Anmelderin ausführlich beschrieben.
Die in Fig. 2a dargestellte Prozeßgaskombination a) (NH3 + N2O) und c) (H2 + O2)
wird z. B. zur Herstellung von flachen pn-Übergängen (sogenannten "Ultra-Shallow-
Junctions") eingesetzt. Dabei betragen die Konzentrationen von NH3 etwa 5 ppm bis
50.000 ppm, die Konzentration von N2O liegt im Bereich von 0% bis 100% (abzüglich
der NH3 Konzentration). Ferner können die beiden reaktiven Gase auch mit einem
Inertgas wie z. B. Argon verdünnt sein. Alternativ kann statt des Prozeßgases c) ein
Gemisch aus z. B. (N2 + O2) verwendet werden, wobei die O2-Konzentration im Be
reich von 10 ppm bis 50.000 ppm ist. Auch diese Gasmischung kann mit einem
Inertgas wie Argon verdünnt werden, oder es kann der Stickstoff durch ein Inertgas
ersetzt werden. Wird in einem Prozeßgasgemisch Wasserstoff H2 und ein Sauerstoff
enthaltendes Gas verwendet, so wird die Wasserstoffkonzentration bevorzugt im Be
reich außerhalb der Explosionsgrenze gewählt, falls eine Explosion möglich ist. Ist
das Sauerstoff enthaltende Gas H2O wie z. B. im Beispiel b) in Fig. 2a, so besteht
keine Explosionsgefahr und es kann ein beliebiges Gemisch gewählt werden, z. B.
vom Sub-ppm-Bereich bis zu 100% der jeweiligen Gase. Das Gasgemisch c) (H2 +
O2) kann z. B. so gewählt werden, daß unter atmosphärischem Druck erst an der heißen
Substratoberfläche und/oder in deren Nähe eine Verbrennung von Sauerstoff
und Wasserstoff zu Wasser erfolgt. Dieses Wasser dient dann z. B. zur Oxidation der
Substratoberfläche.
Fig. 2b zeigt vier Beispiele a) bis d) bei denen wenigstens zwei reaktive Gase an je
weils unterschiedlichen Flächen des Substrates angreifen. Im Beispiel a), ist die H2-
und H2O-Konzentration im Bereich von ca. 1 ppm bis 100% sein (z. B. verdünnt durch
Inertgase wie Argon oder bei Temperaturen unter ca. 1100°C auch N2). Bei Tempe
raturen über 1100°C wird bei der Prozessierung von Silizium auch molekularer Stick
stoff zu einem Stickstoff enthaltenden reaktiven Gas, da dann an der Si- und/oder
einer SiO2-Oberfläche eine Nitridierung erfolgt, wodurch Defekte in Form von Leer
stellen entstehen. Allgemein kann ein zunächst (d. h. bei niedrigen Temperaturen)
inertes Gas sich ab dem Überschreiten einer Schwelltemperatur des Substrats sich
zunehmend reaktiv verhalten. Auch solche Gase sollen im Rahmen der vorliegenden
Erfindung als reaktive Gase betrachtet werden, wenn die Substrattemperatur wäh
rend der Wärmebehandlung die Schwelltemperatur übersteigt. Damit ist eine Vielzahl
von Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. So kann z. B. im Beispiel a) von
Fig. 2b zunächst das Wasser (genauer das gasförmige Wasser) welches z. B. im we
sentlichen auf der Unterseite des Siliziumwafers 5 angreift mit N2 verdünnt sein, z. B.
eine N2-Konzentration von ca. 1 ppm bis ca. 100.000 ppm. Beim hochheizen des
Wafers wirkt das Wasser oxidierend, d. h. es entstehen auf der Waferrückseite zu
sätzliche Eigenzwischengitteratome. Wird die Schwelltemperatur von ca. 1100°C
überschritten, so wirkt der molekulare Stickstoff zusätzlich nitridierend und es werden
zusätzlich Gitterfehlstellen (Vacancies) erzeugt. Diese aber nur während der Zeit des
Überschreitens der Schwelltemperatur. Damit eröffnet sich eine weiter Möglichkeit
der Steuerung der Defektverteilung.
Die in Fig. 2b dargestellten Beispiele a) und c), bei denen oberhalb eines Si-Wafer
Wasserstoff (im Konzentrationsbereich zwischen 1 ppm und 100%) und unterhalb
des Wafers Wasser oder Sauerstoff (jeweils im Konzentrationsbereich zwischen 1 ppm
und 100%) als reaktive Gase verwendet werden, lassen sich z. B. dazu verwen
den, um auf der Oberseite des Wafers die COP-Dichte zu verringern, denn der Wasserstoff
reduziert das SiO2 innerhalb der COPs, wodurch diese durch Anlagern von
interstitiellen Si-Atomen beseitigt werden können. Zusätzlich wird auf der Waferrück
seite durch die Oxidation interstitielles Si erzeugt, welches in Richtung der Wafer
oberseite diffundiert.
Wird auf der Waferrückseite z. B. N2O (im Konzentrationsbereich 1 ppm bis 100%)
und auf der Waferoberseite NH3 (im Konzentrationsbereich 10 ppm bis 100.000 ppm)
verwendet (wie in Fig. 2b im Beispiel b) dargestellt), so werden im Bereich der Ober
seite Fehlstellen und im Bereich der Unterseite EZG erzeugt.
Im Beispiel d) in Fig. 2b wird oberhalb des Wafers Wasserstoff H2 (eventuell verdünnt
mit einem Inertgas wie Ar oder N2) mit einer Konzentration von 1 ppm bis 100% ver
wendet, unterhalb des Wafers kommt Ammoniak NH3 zum Einsatz (eventuell ver
dünnt mit einem Inertgas wie Ar oder N2). Hier werden beispielsweise im Bereich der
oberen Waferoberfläche COPs reduziert und im Bereich der unteren Waferoberflä
che werden Fehlstellen erzeugt, die z. B. zur Ausbildung von Getterzentren dienen
können.
Die Gase bzw. Gaskombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele
können allgemein beliebig miteinander kombiniert werden. Ferner können Gase oder
Gaskombinationen durch äquivalent wirkende ersetzt werden.
Fig. 3 zeigt schematisch die eindimensionale Verteilung aktivierter Fremdatome als
Funktion des Abstandes von der Waferoberfläche. Dabei zeigt Kurve 31 eine her
kömmliche Aktivierung, bei der ein inertes Gas oder lediglich ein reaktives Gas zur
Manipulation der Defektverteilung innerhalb des Wafers verwendet wird. Bei diesen
herkömmlichen Aktivierungsverfahren wird höchstens eine Defektart (Leerstellen
oder EZG-Defekte) durch das Prozeßgas beeinflußt, wie dies z. B. in D. F. Downey et
al.; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1997), Vol 470, pp. 299-311, beschrieben ist.
Bei gleichem thermischen Budget läßt sich die Verteilung der aktivierten Fremdato
me wesentlich schmaler gestalten, indem man das obige in der deutschen Pa
tentanmeldung 199 27 962 beschriebene Verfahren anwendet. Dies ist durch die
Kurve 32 schematisch wiedergegeben. Zusätzlich läßt sich die Konzentration der
aktivierten Fremdatome erhöhen, was sich auch in einer Erhöhung des Plateaube
reichs 32a zeigt, so daß sich die Verteilung der aktivierten Fremdatome mehr einem
gewünschten "Kastenprofil" 35 annähert. Dies ist insbesondere bei sehr hochinte
grierten Schaltkreisen notwendig, da dort sehr dünne aktivierte Zonen erforderlich
sind, und somit ein "Kastenprofil" 35 möglichst gut realisiert werden soll.
In Fig. 4 sind einige gemessene Aktivierungsverteilungen in Form der Dichte der ak
tivierten Fremdatome (in 1/ccm) als Funktion des Abstandes von der Siliziumwafer
oberfläche (in Angström) für Arsen wiedergegeben, die nach dem Verfahren gemäß
der deutschen Patentanmeldung 199 27 962 erzeugt wurden. Es ist deutlich zu er
kennen, daß durch die Kombination zweier reaktiver Gase (hier NH3 und N2O) die
jeweils Leerstellen und EZG erzeugen, eine Steigerung des Plateaus 32a (siehe
auch Fig. 3) erreicht werden kann (vergleiche Kurve 41 mit 42 bis 44), und daß zu
sätzlich durch geeignete Wahl der Zusammensetzung der reaktiven Gase (hier NH3
und N2O) die Breite der Dichteverteilung minimiert werden kann (vergleiche Kurve
44 mit z. B. 41). Damit lassen sich die Anforderungen des "Kastenprofils" 35, einer
möglichst hohen Aktivierungskonzentration bei möglichst schmaler Verteilung, deut
lich besser erfüllen. Als Trägergas der reaktiven Gase kann z. B. ein Edelgas wie Ar
gon oder aber auch molekularer Stickstoff N2 dienen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann nun das bisher mit Hilfe von Fig. 3 und
Fig. 4 dargestellte Verfahren weiter verbessert werden, indem man wie in Fig. 2a
dargestellt, oberhalb und unterhalb des Wafers in den Teilkammern 13 und 14 je
weils unterschiedliche Prozeßgase anwendet. So lassen sich z. B. Gaskombinationen
a) und c), wie in Fig. 2a dargestellt, miteinander kombinieren, wobei die jeweiligen
Konzentrationsverhältnisse untereinander oder in einem inerten Trägergas den An
forderungen angepaßt werden. Bei der Kombination a) und c) lassen sich z. B. an der
Waferrückseite zusätzliche EZG erzeugen, die sehr schnell in Richtung der Wafer
vorderseite diffundieren (auf der sich die herzustellenden Strukturen, z. B. MOS-
Transistoren befinden). Ist z. B. auf der Wafervorderseite Arsen implantiert, so kann
die Diffusion von Arsen ins Waferinnere zusätzlich unterbunden werden. Eine weitere
Annäherung an das gewünschte Kastenprofil 35 ist die Folge, dies ist in Fig. 3 mit 34,
34a bezeichnet. Bei geeigneter Konzentration von Sauerstoff und Wasserstoff kann
auf der Waferrückseite zusätzlich eine in-situ Naßoxidation erfolgen, oder aber der
Wasserstoff für Reduktionsreaktionen oder zur Absättigung von Danglingbonds ver
wendet werden.
Alternativ zu den in Fig. 2a dargestellten Prozessen, bei denen sich in jeder Teil
kammer 13, 14 wenigstens zwei oder mehrere reaktive Gase (und eventuelle inerte
Trägergase) befinden, kann sich wie in Fig. 2b exemplarisch dargestellt, sich in jeder
Teilkammer 13, 14 nur ein reaktives Gas (und eventuelle inerte Trägergase) befin
den. Einige Beispiele sind in a), b), c) und d) angegeben und wurden oben bereits
diskutiert. Auch hier lassen sich die Defekt-Dichteverteilungen von der Wafervorder
seite und von der Waferrückseite durch den Einfluß der reaktiven Gase steuern. Fer
ner ist auch eine Kombination der in Fig. 2a und Fig. 2b beschriebenen Verfahren
möglich, bei der in einer Teilkammer nur ein reaktives Gas (eventuell mit einem oder
mehreren inerten Trägergasen) und in der anderen Teilkammer zwei oder mehrere
reaktive Gase (eventuell mit inerten Trägergasen) vorhanden sind.
Die bisherigen Kombinationen und die in der Fig. 2 dargestellten Gase und Gaskom
binationen sind lediglich als Beispiele zu verstehen. Allgemein können in einer Teil
kammer 13, 14 der Prozeßkammer 3 mehr als zwei reaktive Gase verwendet wer
den.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde bisher im Zusammenhang mit der Aktivie
rung von in Silizium dotierten Fremdatomen anhand der Fig. 3 und 4 beschrie
ben. Nachfolgend werden weitere Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfin
dung dargestellt.
Fig. 5 zeigt schematisch verschiedene räumliche Verteilungen von Präzipitaten (z. B.
Sauerstoffpräzipitaten in Silizium) entlang der Waferdicke. Die Verteilung 51 ergibt
sich, wenn auf beiden Seiten des Wafers 5 das gleiche Prozeßgas verwendet wird.
Dabei hängt die Art der Verteilung, insbesondere die Ausbildung der Maxima und der
Abfall der Verteilung zum Waferrand hin, wesentlich von dem Temepratur-Zeit-
Verlauf der thermischen Behandlung des Wafers 5 ab. Im allgemeinen wird der Wa
fer in undotiertem Zustand in einem Stickstoff enthaltenden Prozeßgas prozessiert,
wobei ein Stickstoff enthaltendes Gas als reaktives Gas wirkt und an der Waferober
fläche Leerstellen generiert. Diese Leerstellen bilden Nukleationskeime für die Sau
erstoffpräzipitation, die im allgemeinen in einem späteren thermischen Behandlungs
schritt erfolgt.
Die stark unsymmetrischen Verteilungen 52 bzw. 53 können z. B. durch unterschied
liche Prozeßgase in den Teilkammern 13 und 14 erzeugt werden, wobei das erfin
dungsgemäße Verfahren angewandt werden kann. Beispielsweise indem man in ei
ner Teilkammer 14 ein Inertgas wie Argon verwendet, dem nur etwa im Bereich zwi
schen 10 ppm und 5000 ppm Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas bei
gefügt ist, um im wesentlichen ein Ätzen des Wafers 5 auf dieser Seite zu vermei
den, und um eine Reduktion der Leerstellen durch zusätzliche Erzeugung von Eigen
zwischengitteratomen zu erhalten (Kurve 52). In der anderen Teilkammer 13 wird
dagegen ein Stickstoff enthaltendes Gas wie NH3 eingesetzt, um im wesentlichen
eine Leerstelleninjektion an der Waferoberfläche zu erhalten. Geringe Mengen von
zusätzlich beigefügtem Sauerstoff verhindern ein Anätzen des Siliziums. Damit erhält
man eine Leerstellenverteilung, die im wesentlichen ein Maximum in der Nähe einer
Waferoberfläche besitzt. Diese Oberfläche wird dann als Waferrückseite verwendet,
da dort die Dichte der später entstehenden Sauerstoffpräzipitate am größten ist. Die
Sauerstoffpräzipitate können dann als Getter für z. B. Schwermetalle wie Cr, Ni, Cu,
Fe oder sonstige im Silizium oder in der Prozesskammer befindliche Verunreinigun
gen wirken. Auf der präzipitatverarmten Seite werden dann die Strukturen, z. B.
Schaltkreise, aufgebracht. Da hier Sauerstoffpräzipitate die elektrischen Eigen
schaften wie z. B. die Durchbruchspannung und das Langzeitverhalten elektronischer
Bauteile nachteilig beeinflussen würden, ist in einem Oberflächenbereich von bis zu
150 µm eine möglichst geringe Präzipitation von Sauerstoff erwünscht. Besonders
vorteilhaft kann es sein, wenn die Präzipitatdichte unmittelbar nach einer weitgehend
präzipitatfreien Oberflächenschicht stark ansteigt. Dadurch erhält man eine Getter
wirkung in unmittelbarer Nähe der elektronischen Strukturen (z. B. MOS-
Transistoren), was vorteilhaft die elektrischen Daten der Strukturen weiter verbessert.
Man spricht dann von "intrinsischem Gettern". Eine solche Präzipitatstruktur ist
z. B. in Kurve 54 schematisch wiedergegeben. Hier fällt die Präzipitatdichte wenig
stens zu einer Seite hin stark ab, während sie sonst sehr hoch ist, um eine Getterwir
kung zu entfalten. Dabei kann die Präzipitatdichte an einer Waferoberfläche sogar
zusätzlich zunehmen, wie dies in Kurve 55 schematisch zeigt. Auf der präzipitatver
armten Seite werden dann die Strukturen aufgebracht. Befinden sich gemäß der vor
liegenden Erfindung während der thermischen Behandlung unterschiedliche Prozeß
gase in den Teilkammern 13 und 14, so kann die Steilheit bzw. das Profil der Verar
mungszone auf beiden Seiten gesteuert werden, so daß sich unterschiedliche Profile
in den Bereichen A und C ergeben, wobei in der Nähe wenigstens einer Oberfläche
die Konzentration der Präzipitate wesentlich geringer ist als in einem Mittenbereich B
des Wafers.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die
Reduktion der Dichte von COPs. COPs wirken sich ebenfalls störend bei der Pro
duktion von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen aus, da diese,
wenn sie sich in der Oberflächenschicht befinden, in der die Bauteile entstehen, die
Funktionsweise dieser beeinträchtigen können. COPs können z. B. durch eine ther
mische Behandlung des Wafers bei Temperaturen über ca. 1100°C (vorzugsweise
über 1150°C) in einer Wasserstoff enthaltenden Prozeßgasatmosphäre chemisch
reduziert werden, wobei das innerhalb der COPs befindliche SiO2 reduziert wird.
Durch z. B. Sauerstoff enthaltendes Gas (z. B. O2 und/oder H2O) in geringen Mengen
(bis 0.1%) können zusätzlich Zwischengitteratome an der Waferoberfläche erzeugt
werden, die dann innerhalb der COPs wieder auf Gitterplätzen rekombinieren. Damit
wird die Größe der COPs reduziert, bzw. die COPs werden beseitigt. Durch geeig
nete Prozeßführung lassen sich die COPs an den Oberflächenschichten reduzieren,
wobei ähnlich wie bei den Präzipitaten ebenfalls ein räumliches COP-Profil einstell
bar ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann z. B. auf der Wafervorder
seite eine COP-Verarmung generiert werden und auf der Waferrückseite können z. B.
mittels Stickstoff enthaltenden Gasen Leerstellen generiert werden, die zur Ausbil
dung einer Getterschicht verwendet werden, wie dies in Fig. 2b im Beispiel d) skiz
ziert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand der obigen Ausführungsbeispiele,
Steuerung von Punktdefektprofilen und damit auch Steuerung von Fremdatomprofi
len z. B. zur Herstellung von "ultrashallow junctions" (flachen pn-Übergängen), Steue
rung von Sauerstoffpräzipitaten und von COPs (crystal originated particles) bezüglich
Konzentration und Verteilung in z. B. Silizium beschrieben. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist nicht auf diese Beispiele beschränkt und kann auch bei anderen Halb
leitern, z. B. bei Halbleitern der Klassen III-V oder II-VI, sowie anderen kristallinen
Substanzen wie z. B. Ionenkristallen angewandt werden. Insbesondere können zur
Erweiterung des Anwendungsbereiches der vorliegenden Erfindung die im Rahmen
der beschriebenen Ausführungsbeispiele dargelegten Merkmale untereinander kom
biniert werden.
Claims (20)
1. Verfahren zur Erzeugung von Defektprofilen in einer kristallinen oder kristallähnli
chen Struktur eines Substrates, vorzugsweise eines Halbleiters, während einer ther
mischen Behandlung in einer Prozesskammer, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Konzentration und/oder eine Dichteverteilung von Defekten in Abhängigkeit von
wenigstens zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlichen Prozeßgasen mit je
weils wenigstens einer reaktiven Komponente gesteuert wird, wobei wenigstens zwei
der Prozeßgase im wesentlichen getrennt voneinander jeweils an wenigstens zwei
verschiedenen Oberflächen des Substrats angreifen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei verschiede
nen Oberflächen des Substrats etwa gegenüberliegend sind, und daß sich die durch
die reaktiven Komponenten der Prozeßgase erzeugten Dichteverteilungen der De
fekte von jeder Oberfläche in Richtung auf die jeweils andere Oberfläche erstreckten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteverteilun
gen jeweils im wesentlichen aus Eigenzwischengitteratomen, ausgehend von der
einen Oberfläche, und im wesentlichen aus Leerstellen, ausgehend von der anderen
Oberfläche, bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteverteilung
jeweils aus Eigenzwischengitteratomen und Leerstellen ausgehend von den jeweili
gen Oberflächen bestehen, die sich in ihrer Konzentration und/oder in ihrem Verhält
nis zueinander unterscheiden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die unterschiedlichen Prozeßgase unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten
und/oder Kapazitäten aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß das Substrat mit einem vordefinierten Temperatur-Zeit-Profil innerhalb der
Prozeßkammer prozessiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Pro
zeßgas korreliert mit dem Temperatur-Zeit-Profil hinsichtlich der Zusammensetzung
und/oder hinsichtlich des Prozeßgasdruckes und/oder der Prozeßgastemperatur
gesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeich
net, daß das Substrat ein undotierter Siliziumwafer ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Substrat ein dotierter Siliziumwafer ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat ein Produktionswafer ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Defekte im wesentlichen in einer Oberflächenschicht zwischen 0 und
150 µm sind, und daß die Defekte zum Substratinneren hin abnimmt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Defekte in einer Oberflächenschicht zwischen 0 und 150 µm wesentlich
verarmt sind, und daß die Defekte im wesentlichen im Substratinneren sind.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte
Fremdatome sind.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte Präzi
pitate und/oder Leerstellen sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Defekte COPs sind.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch wenig
stens ein Prozeßgas generierten Defekte in einer Schicht in der Nähe einer Oberflä
che eine Getterschicht erzeugen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Getterschicht
im wesentlichen durch Sauerstoffpräzipitate gebildet wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß eines der Prozeßgase im wesentlichen aus Sauerstoff und/oder eines
Sauerstoff enthaltenden Gases besteht.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß eines der Prozeßgase weniger als 1000 ppm, vorzugsweise zwischen 30
und 250 ppm Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas enthält.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß wenigstens eines der Prozeßgase O2, O3, H2O, NH3, H2, ein Edelgas oder
ein Inertgas enthält.
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