DE10058320B4

DE10058320B4 - Herstellungsverfahren für Silicium-Wafer

Info

Publication number: DE10058320B4
Application number: DE2000158320
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Harada; Hisashi Furuya; Jun Furukawa; Ken Nakajima; Hiroyuki Shiraki; Yukio Muroi
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: DE10058320B8; DE10058320A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Wafers mit angepasstem spezifischem elektrischem Widerstand aus einem Einkristall-Silicium-Ingot, wobei dafür gesorgt ist, dass eine durch Schmelzen von Silicium-Rohmaterial erhaltene Siliciumschmelze eine Verunreinigung vom P-Typ und eine Verunreinigung vom N-Typ enthält, so dass die Verunreinigung vom P-Typ eine erste spezifizierte Konzentration (C₁) und die Verunreinigung vom N-Typ eine zweite spezifizierte Konzentration (C₂), die niedriger ist als die erste Konzentration, im Einkristall-Silicium-Ingot aufweist, und durch zusätzliches Zuführen der Verunreinigung vom P-Typ kompensiert wird, während der Ingot aus der Siliciumschmelze gezogen wird, wobei es sich bei der Verunreinigung vom P-Typ um Bor und bei der Verunreinigung vom N-Typ um Phosphor, Antimon oder Arsen handelt, und die Verunreinigung vom P-Typ und die Verunreinigung vom N-Typ so eindotiert sind, dass die erste Konzentration (C₁) im Einkristall-Silicium-Ingot zwischen 1 × 10¹⁷ und 1 × 10²⁰ Atomen/cm³ liegt und die zweite Konzentration (C₂) zwischen 0,90 C₁ bis 0,999 C₁ Atomen/cm³ liegt, und...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Silicium-Wafer, der aus einem Einkristall-Silicium-Ingot hergestellt wird, welcher mittels des Czochralski-Verfahrens (im folgenden "CZ-Verfahren" genannt) hergestellt wird. Sie betrifft insbesondere ein Herstellungsverfahren für einen Silicium-Wafer, der zur Herstellung eines Halbleiter-Bauteils, etwa einem LSI oder dergleichen, zu verwenden ist.
2. Beschreibung des technischen Hintergrundes
Als Grund zur Verminderung der Ausbeute bei einem Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung werden in den vergangenen Jahren genannt: die Existenz von Mikrodefekten durch Sauerstoffabscheidungen, die zu einem Kern von oxidationsbedingten Stapelfehlern (im folgenden "OSF" genannt) werden, oder eines Teilchens kristallinen Ursprungs (im folgenden "COP" genannt) oder großen zwischengitterartigen Versetzungen (im folgenden "L/D" genannt). Die OSFs entstehen aufgrund der Tatsache, dass ein Mikrodefekt, der als Kern eines Kristalles dienen soll, beim Züchten des Kristalls eingebracht wird und bei einem thermischen Oxidationsverfahren und dergleichen bei der Herstellung eines Halbleiter-Bauteils wirksam werden, und einen Fehler, wie etwa das Ansteigen des Leckstroms in einem fertigen Bauteil bewirken. Und wenn ein hochglanzpolierter Silicium-Wafer mit einem Lösungsgemisch aus Ammoniak und Was serstoffperoxid gereinigt wird, werden Grübchen auf der Wafer-Oberfläche erzeugt, und wenn der Wafer mittels eines Teilchenzählers gemessen wird, werden solche Grübchen als reelle Teilchen nachgewiesen. Solche Grübchen sind durch Kristalle bedingt und werden zu ihrer Unterscheidung von reellen Teilchen COPs genannt. COPs, die Grübchen auf einer Wafer-Oberfläche darstellen, führen zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, etwa des zeitabhängigen dielektrischen Durchschlags (TDDB), des elektrischen Durchschlags zum Zeitpunkt Null (TZDB) und dergleichen eines Oxidfilms. Außerdem ist die Existenz von COPs in einer Wafer-Oberfläche der Grund für Stufen bei einem Verdrahtungsvorgang eines Bauteils und kann einen Drahtbruch verursachen. Und es kann ein Leck und dergleichen in einem Isolationsteil eines Bauteils verursachen und die Ausbeute eines Produktes vermindern. Außerdem wird ein L/D als Versetzungs-Cluster oder auch als Versetzungs-Grübchen bezeichnet, da sich ein Grübchen bildet, wenn ein Silicium-Wafer mit diesem Defekt in eine selektive Atzlösung, die Fluorwasserstoffsäure als Hauptbestandteil enthält, eingetaucht wird. Das L/D bewirkt auch eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, wie etwa der Leckstromeigenschaft, der Isoliereigenschaft und dergleichen.
Aufgrund der obigen Umstände ist eine Verminderung von OSFs, COPs und L/Ds in einem zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung verwendeten Silicium-Wafer erforderlich.
Ein defektfreier Silicium-Wafer, der frei ist von OSFs, COPs und L/Ds, ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 11-1393 A offenbart. Wenn man annimmt, dass eine perfekte Domäne in einem Einkristall-Silicium-Ingot, in welcher es keine Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten oder Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten gibt, [P] ist, handelt es sich bei. diesem defektfreien Silicium-Wafer um einen Silicium-Wafer, der aus einem aus einer perfekten Domäne [P] bestehenden Ingot geschnitten wurde. Eine perfekte Domäne [P] ist vorhanden zwischen einer Domäne [I], in welcher Zwischengitter-Silicium-Punktdefekte vorherrschen, und einer Domäne [V], in welcher Leerstel len-Punktdefekte in einem Einkristall-Silicium-Ingot vorherrschen. Wenn man annimmt, dass die Ziehgeschwindigkeit des Ingot V mm/min und der Temperaturgradient an der Grenzfläche zwischen Siliciumschmelze und Ingot in vertikaler Richtung G °C/mm beträgt, wird ein aus einer solchen perfekten Domäne [P] bestehender Silicium-Wafer dadurch hergestellt, dass der Wert von V/G mm²/(min °C) so bestimmt wird, dass OSFs, die während einer thermischen Oxidationsbehandlung in Ringform erzeugt werden, im Zentrum des Wafers verschwinden.
Andererseits darf ein Silicium-Wafer keine OSFs, COPs oder L/Ds aufweisen und sein spezifischer elektrischer Widerstand muss 1 bis 15 Ωcm betragen, so dass er mit einem bestehenden Bauteil-Herstellungsverfahren kompatibel ist. Und einige Halbleiter-Hersteller fordern Silicium-Wafer, welche die Fähigkeit besitzen, bei einem Bauteil-Herstellungsverfahren auftretende metallische Verunreinigungen zu gettern. Wenn ein Wafer mit unzureichendem Getter-Vermögen in einem Bauteil-Herstellungsverfahren durch Metall verunreinigt wird, bedingt diese metallische Verunreinigung Fehlfunktionen des Bauteils aufgrund undichter Übergänge oder eines "gefangenen" Zustands, und dadurch wird die Produktausbeute vermindert.
Ein Silicium-Wafer, der aus einem aus dieser perfekten Domäne [P] bestehenden Ingot ausgeschnitten wurde, besitzt für gewöhnlich einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 bis 15 Ωcm und ist frei von OSFs, COPs und L/Ds. Jedoch treten bei diesen aus der perfekten Domäne [P] bestehenden Silicium-Wafern, in einem Wafer, welcher eine vergleichsweise geringe Leerstellen-Punktdefekt-Konzentration aufweist, bei einem Bauteil-Herstellungsverfahren Sauerstoffabscheidungen im Wafer bei der Wärmebehandlung nicht immer gleichmäßig auf, und daher kann der Wafer manchmal keinen ausreichenden Getter-Effekt erzielen.
Und im Fall, dass der Temperaturgradient konstant ist, ist der Wert von V/G zur Herstellung eines aus einer perfekten Domäne [P] bestehenden Silicium-Wafers proportional zur Ziehgeschwindigkeit V eines Ingots, und es ist erforderlich, den Ingot mit einer in einem engen Bereich gesteuerten, vergleichsweise geringen Geschwindigkeit zu ziehen, jedoch ist es nicht immer technisch leicht, die Anforderung sicher zu erfüllen und die Produktivität eines solchen Ingot ist ebenfalls nicht hoch.
Verfahren zur Herstellung von Silicium-Wafern sind in DE 198 06 045 A1 , JP 2000-086 393 A und Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996), Seiten 520 bis 525 beschrieben, wobei in letzterem Artikel der Einfluss von Eisenverunreinigungen untersucht wird und in JP 2000-086 393 A Kohlenstoff zugegeben wird in bestimmter Konzentration. Aus der DE 38 04 069 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Solarsilicium aus Bor und Sauerstoff enthaltendem Reinsilicium bekannt. Die DE 43 28 982 A1 betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Mengenstromes von Partikeln, das insbesondere zum geregelten Beschicken eines Schmelztiegels mit dotierten Partikeln während des Ziehens eines Kristalls nach der CZ-Methode Anwendung findet. Aus US 54 49 532 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristall-Substrats mit abgeschiedenem polykristallinem Silicium bekannt. Die DE 195 29 518 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, die DE 29 29 089 A1 ein Verfahren zur Veredelung und Züchtung von Siliciumkristallen.
INHALT DER ERFINDUNG
Ein erstes Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Wafers bereitzustellen, welcher geringe Agglomerate von Punktdefekten aufweist, sogar wenn ein Ingot mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit und mit einem innerhalb eines weiten Bereiches liegenden V/G-Wertes gezogen wird, was es möglich macht, eine integrierte Halbleiterschaltung mit hoher Ausbeute zu fertigen, welche Dank ihres spezifischen elektrischen Widerstandes von 1 bis 15 Ωcm kompatibel mit bestehenden Bauteil-Herstellungsprozessen ist.
Ein zweites Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Wafers bereitzustellen, welcher so angepasst werden kann, dass er einen gewünschten spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
Ein drittes Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Wafers bereitzustellen, welcher aus einem aus einer perfekten Domäne [P] bestehenden Ingot geschnitten wird und durch eine Wärmebehandlung bei einem Bauteil-Herstellungsverfahren einen einheitlichen Getter-Effekt über die gesamte Wafer-Oberfläche erzielen kann.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Wafers mit angepasstem spezifischem elektrischem Widerstand aus einem Einkristall-Silicium-Ingot gemäß Patentanspruch 1.
Gemäß dem Herstellungsverfahren der Erfindung ist es, da die zweite Konzentration C₂ einer Verunreinigung vom N-Typ kleiner ist als die erste Konzentration C₁ einer Verunreinigung vom P-Typ, möglich, einen Silicium-Wafer vom P-Leitungstyp und angepasstem spezifischen elektrischen Widerstand herzustellen.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren der Erfindung wird ein Silicium-Wafer hergestellt, bei welchem, wenn man annimmt, dass die untere Nachweisgrenze für Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten oder Agglomeraten von Leerstellen-Punktdefekten 1 × 10³ Agglomerate/cm³ beträgt, die Konzentration von Agglomeraten von Punktdefekten nicht über dieser unteren Nachweisgrenze liegt, der vom P-Leitungstyp ist und dessen spezifischer elektrischer Widerstand auf einen Bereich zwischen 1 bis 15 Ωcm angepasst ist.
Ein gemäß dem bevorzugten Verfahren der Erfindung hergestellter Silicium-Wafer weist wenige Agglomerate von Punktdefekten auf und macht es daher möglich, eine integrierte Halbleiterschaltung mit hoher Ausbeute herzustellen. Und da er einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 bis 15 Ωcm aufweist, ist er mit bestehenden Bauteil-Herstellungsverfahren kompatibel.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist ein schematisches Diagramm eines Röntgen-Tomographiebildes, welches einen Einkristall-Silicium-Ingot zeigt, welcher unter Ändern des V/G-Wertes durch Dotieren mit Bor in geringer Konzentration gezogen wurde;
1B ist ein schematisches Diagramm eines Röntgen-Tomographiebildes, welches einen Einkristall-Silicium-Ingot zeigt, der unter Ändern des V/G-Wertes durch Eindotieren von Bor in hoher Konzentration gezogen wurde;
1C ist ein schematisches Diagramm eines Röntgen-Tomographiebildes, welches einen Einkristall-Silicium-Ingot zeigt, der unter Andern des V/G-Wertes durch Eindotieren von Bor in hoher Konzentration gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezogen wurde, so dass dessen spezifischer elektrischer Widerstand auf 1 bis 15 Ωcm angepasst ist;
2A ist ein schematisches Diagramm eines Röntgen-Tomographiebildes, welches einen Einkristall-Silicium-Ingot zeigt, welcher unter Ändern des V/G-Wertes durch Dotieren mit Bor in geringer Konzentration gezogen wurde;
2B ist ein schematisches Diagramm eines Röntgen-Tomographiebildes, welches einen Einkristall-Silicium-Ingot zeigt, der unter Ändern des V/G-Wertes durch Eindotieren von Bor in hoher Konzentration gezogen wurde;
2C ist ein schematisches Diagramm eines Röntgen-Tomographiebildes, welches einen Einkristall-Silicium-Ingot zeigt, der unter Ändern des V/G-Wertes durch Eindotieren von Bor in hoher Konzentration gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezogen wurde, so dass dessen spezifischer elektrischer Widerstand auf 1 bis 15 Ωcm angepasst ist;
3 ist eine Draufsicht eines Silicium-Wafers, bei dem OSFs auftreten;
4 zeigt, wie sich der Wert von D₁/D₀ ändert, wenn der V/G-Wert konstant gehalten und die Konzentration von Bor verändert wird;
5 zeigt, wie sich der spezifische elektrische Widerstand gemäß der Länge eines Ingots von Ausführungsbeispiel 1 beim Ziehen des Ingots ändert;
6 zeigt, wie sich der spezifische elektrische Widerstand gemäß der Länge eines Ingots von Vergleichsbeispiel 2 beim Ziehen des Ingots ändert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Ein Silicium-Wafer wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt, indem ein Ingot mit einem spezifischen Ziehgeschwindigkeitsprofil basierend auf der Voronkov-Theorie aus einer im Inneren eines Zonenschmelzofens befindlichen Siliciumschmelze mittels des CZ-Verfahrens gezogen wird und dann in Scheiben geschnitten wird.
Wenn man annimmt, dass die Ziehgeschwindigkeit eines Ingot V mm/min beträgt und der Temperaturgradient an der Grenzfläche zwischen Ingot und Siliciumschmelze in einem Zonenschmelzofen G °C/mm beträgt, besagt die Voronkov-Theorie, dass das V/G-Verhältnis (mm²/min °C) gesteuert wird, um einen hochreinen Ingot mit einer geringen Anzahl von Defekten zu züchten. Konkret handelt es sich bei G um den Temperaturgradienten in vertikaler Richtung in einem Ingot von einer Temperatur von 1412 bis 1300 °C in der Nähe der Grenzfläche zwischen Ingot und Siliciumschmelze.
Wie oben beschrieben weist dieser CZ-Silicium-Wafer manchmal OSFs in Form eines Rings auf, wenn er einer thermischen Oxidationsbehandlung unterzogen wird. Dieser OSF-Ring dehnt sich mit zunehmendem V/G-Wert in Richtung Rand aus, und mit abnehmendem V/G-Wert nimmt der Durchmesser des Ringes ab, wird in der Mitte des Wafers scheibenförmig und verschwindet dann.
Diese Tatsache ist mit Bezug auf 1A beschrieben. 1A zeigt einen Vertikalschnitt eines Ingots, der durch allmähliches Vermindern der Ziehgeschwindigkeit und kontinuierliche Abnahme des Wertes von V/G erzielt wird. Dieser Ingot wurde mit einer Dotierung mit Bor in einer Konzentration von 1 × 10⁵ Atomen/cm³ gezogen, so dass er vom P-leitenden Typ ist und sein spezifischer elektrischer Widerstand 1 bis 15 Ωcm beträgt. 1A zeigt eine Domäne [V], in welcher Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen, eine Domäne [I], in welcher Zwischengitter-Silicium-Punktdefekte vorherrschen, und eine perfekte Domäne [P], in welcher es weder Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten noch Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten im Ingot gibt.
Position P₁ in axialer Richtung des Ingots enthält im mittleren Teil eine Domäne, in welcher Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen. Position P₃ beinhaltet eine ringförmige Domäne, in welcher Zwischengitter-Silicium-Punktdefekte vorherrschen, sowie eine perfekte Domäne in der Mitte. Und da Position P₂ in der Mitte keine Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten und am Rand keine Agglome rate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten aufweist, handelt es sich, mit Bezug auf diese Ausführungsform der Erfindung, vollständig um eine perfekte Domäne.
Leerstellen-Punktdefekt-Agglomerate umfassen Defekte, die "LSTD" (Laser Scattering Tomography Defects) oder "FPD" (Flow Pattern Defects) genannt werden, zusätzlich zu den vorgenannten COPs, hingegen beinhalten Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten Defekte, die "L/D" genannt werden, wie zuvor erwähnt. FPDs sind Quellen von Spuren, die ein eigenartiges Muster aufweisen, welches auftritt, wenn ein Silicium-Wafer, der durch In-Scheiben-Schneiden eines Ingot hergestellt wurde, 30 Minuten lang ohne Rühren mit einer Secco-Ätzlösung (Lösungsgemisch aus K₂Cr₂O₇ : 50% HF : reines Wasser = 44 g 2000 ccm : 1000 ccm) angeätzt wird, und LSTD weist einen von Silicium verschiedenen Brechungsindex auf und ist eine Quelle für Streulicht, wenn ein Einkristall-Silicium mit infraroten Strahlen bestrahlt wird.
Ein Wafer W₁, entsprechend Position P₁, enthält im Mittelteil eine Domäne, in welcher Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen. Ein Wafer W₃, entsprechend Position P₃, beinhaltet eine ringförmige Domäne, in welcher Zwischengitter-Silicium-Punktdefekte vorherrschen, sowie eine in der Mitte befindliche perfekte Domäne. Und da ein Wafer W₂, entsprechend einer Position P₂, weder Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten im mittleren Teil noch Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten im Umgebungsteil aufweist, handelt es sich vollständig um eine perfekte Domäne.
Bei einer kleinen (Teil)-Domäne einer Domäne, in welcher Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen, wobei diese kleine Domäne benachbart einer perfekten Domäne liegt, handelt es sich um eine Domäne, in welcher es auf der Waferfläche im wesentlichen keine COPs oder L/Ds gibt.
Wenn jedoch dieser Silicium-Wafer W₁ in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1000 °C ± 30 °C 2 bis 5 Stunden lang wärmebehandelt wird und anschließend bei einer Temperatur von 1130 °C ± 30 °C 1 bis 16 Stunden lang wärmebehandelt wird, treten OSFs auf. Diese Wärmebehandlung wird als OSF-erzeugende Wärmebehandlung bezeichnet. Wie in 3 dargestellt, tritt ein OSF-Ring in der Nähe des halben Waferradius im Wafer W₁ auf. COPs treten in der Domäne [V) auf, welche von diesem OSF-Ring umgeben ist und in welcher Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen.
Andererseits ändert sich, selbst wenn der V/G-Wert konstant gehalten wird, der Durchmesser dieses OSF-Rings gemäß der Menge des eindotierten Bors (B), bei dem es sich um eine Verunreinigung vom P-Typ handelt. Nimmt man an, dass der Ringdurchmesser von OSF D₁ ist und der Durchmesser eines Wafers D₀, wie in 3 gezeigt, ist das Verhältnis zwischen D₁/D₀ und die Konzentration von Bor zu diesem Zeitpunkt in 4 dargestellt. Wie aus 4 offensichtlich zu ersehen, liegen die OSFs bei einer Bor-Konzentration von 2 × 10¹⁷ Atomen/cm³ oder weniger in Form eines Ringes vor, nehmen bei einer Bor-Konzentration von ca. 6 × 10¹⁷ Atomen/cm³ Scheibenform an, und verschwinden bei einer Bor-Konzentration von 9 × 10¹⁷ Atomen/cm³ oder mehr.
1B und 1C zeigen jeweils vertikale Abschnitte von Ingots bei der gleichen Axialposition wie 1A, wenn der V/G-Wert kontinuierlich vermindert wird. 1B zeigt einen Ingot, welcher dotiert mit Bor in einer Konzentration von 1 × 10¹⁸ Atomen/cm³ gezogen wurde, so dass er vom P-leitenden Typ ist und sein spezifischer elektrischer Widerstand 0,04 Ωcm oder weniger beträgt. Und 1C zeigt einen Ingot, welcher dotiert mit Bor in einer Konzentration von 1 × 10⁸ Atomen/cm³ und mit Phosphor in einer Konzentration von 0,999 × 10⁸ bis 0,985 × 10¹⁸ Atomen/cm³ gezogen wurde, so dass er vom P-leitenden Typ ist und sein spezifischer elektrischer Widerstand in einem Bereich von 1 bis 15 Ωcm liegt.
In den 1B und 1C wird ein Wafer erzielt, in welchem OSF, welches bei der thermischen Oxidation des Wafers in Ringform bei der gleichen Position P₁ wie in 1A auftritt, in der Mitte des Wafers verschwunden ist. Bei einem an Position P₁ in den 1B und 1C dargestellten Wafer handelt es sich um einen Wafer entsprechend Position P₂ in 1A, wobei der Wafer in der Mitte im wesentlichen keine Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten und am Rand keine Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten aufweist, und daher ein vollständig aus einer perfekten Domäne aufgebauter Wafer ist. Jedoch weist ein bei Position P₁ in 1B dargestellter Wafer einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,04 Ωcm oder weniger auf, und daher ist dieser Wafer, auch wenn er für ein Substrat für einen epitaktischen Wafer geeignet ist, der eine auf die Wafer-Oberfläche aufgesetzte epitaktische Schicht von ca. 10 Ωcm aufweist, nicht mit einem bestehenden Bauteil-Herstellungsverfahren kompatibel, falls sein spezifischer elektrischer Widerstand in einem Bereich von 0,04 Ωcm oder weniger bleibt. Andererseits handelt es sich bei einem bei Position P₁ in 1C dargestellten Wafer um einen Wafer, dessen spezifischer elektrischer Widerstand 1 bis 15 Ωcm beträgt und der mit einem bestehenden Bauteil-Herstellungsverfahren kompatibel ist, und seine Konzentration von Punktdefekt-Agglomeraten, etwa COP oder L/D, liegt nicht über der unteren Nachweisgrenze.
Da die Nachweisempfindlichkeit und die untere Nachweisgrenze von Punktdefekt-Agglomeraten wie COP oder L/D in Abhängigkeit vom Nachweisverfahren unterschiedlich sein kann, ist in dieser Beschreibung als untere Nachweisgrenze (1 × 10³ Agglomerate/cm³) das Verhältnis der Anzahl der Agglomerate zum überprüften Volumen bestimmt, und für den Fall, dass ein hochglanzpoliertes Einkristall-Silicium ohne Rühren geätzt und dann durch ein optisches Mikroskop betrachtet wird, wobei das Produkt aus Betrachtungsfläche und Ätzabtrag als überprüftes Volumen gilt, wurde ein einziges Flussmuster (Leerstellendefekt-Agglomerat) oder ein einziger Versetzungs-Cluster (Zwischengitter-Silicium-Punktdefekt-Agglomerat) in einem überprüften Volumen von 1 × 10^–3 cm³ nachgewiesen.
2A bis 2C zeigen Vertikalschnitte von Ingots, die denen der 1A bis 1C im wesentlichen äquivalent sind. 2A, 2B und 2C entsprechen jeweils den 1A, 1B und 1C. In den 2A bis 2C sind die Bereiche von V/G miteinander verglichen und dargestellt, in welchen eine vollständig perfekte Domäne [P], welche im wesentlichen weder Leerstellen-Punktdefekt-Agglomerate noch Zwischengitter-Silicium-Punktdefekt-Agglomerate aufweist, gefertigt werden kann. Wie offensichtlich aus den 2A bis 2C zu ersehen, ist der Bereich von V/G in welchem eine perfekte Domäne [P] gefertigt werden kann, der kleine Bereich Ra in 2A, dieser wird jedoch in den 2B bzw. 2C zu einem Bereich Rb und Rc, die größer sind als Ra, in welchen ein Einkristall-Silicium, welches über seine gesamte Länge aus einer perfekten Domäne besteht, ohne Durchführung einer genauen Ziehsteuerung des V/G-Wertes leicht hergestellt werden kann.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Wafers erläutert, welcher bei Position P₁ von 1C dargestellt ist.
Phosphor, Antimon und Arsen sind als zur Dotierung verwendete Verunreinigungen vom N-Typ zu erwähnen, um den spezifischen elektrischen Widerstand eines Silicium-Wafers, dessen spezifischer elektrischer Widerstand durch eine Dotierung in hoher Konzentration mit Bor, bei dem es sich um eine Verunreinigung vom P-Typ handelt, zu kompensieren. Von diesen ist Phosphor stärker zu bevorzugen, da er von seinem kovalenten Bindungsradius her einem Silicium-Atom am nächsten kommt. Nimmt man an, dass die Konzentration von Bor, bei dem es sich um eine Verunreinigung vom P-Typ handelt, eine erste Konzentration C₁ ist, muss die Konzentration C₁ innerhalb eines Bereiches von 1 × 10¹⁷ bis 1 × 10²⁰ Atomen/cm³ liegen, um einen Wafer zu erzielen, in welchem OSF, welches bei der thermischen Oxidation des Wafers in Ringform auftritt, in der Mitte des Wafers verschwunden ist. Die Konzentration C₁ liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁹ Atomen/cm³. Und wenn man annimmt, dass die Konzentration von Phosphor, bei dem es sich um eine Verunreinigung vom N-Typ handelt, die zweite Konzentration C₂ ist, muss die Konzentration C₂ in einem Bereich von 0,90C₁ bis 0,999C₁ Atome/cm³ liegen, somit geringer sein als Konzentration C₁. Der Grund dafür liegt darin, dass der spezifische elektrische Widerstand eines Wafers vom P-Typ kompensiert wird, so dass er 1 bis 15 Ωcm beträgt. Diese Konzentration C₂ liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,95C₁ bis 0,995C₁ Atomen/cm³.
Da der Segregationskoeffizient einer Verunreinigung vom P-Typ und der Segregationskoeffizient einer Verunreinigung vom N-Typ sich voneinander unterscheiden, unterscheidet sich der spezifische elektrische Widerstand mit zunehmender Länge eines Ingots in der Spitze und dem Boden eines Ingot stark. Zum Ziehen eines Einkristall-Siliciums (Ingot) ist daher ein kontinuierlich chargiertes CZ-Verfahren (CCZ-Verfahren) zu bevorzugen, welches eine zusätzliche Zufuhr eines Dotiermittels möglich macht, da mit diesem einem Ingot über seine gesamte Länge ein gleichbleibender spezifischer elektrischer Widerstand verliehen werden kann.
Da Punktdefekt-Agglomerate in einem Wafer dieser Ausführungsform der Erfindung kaum vorkommen, wird es möglich, eine integrierte Halbleiterschaltung mit hoher Ausbeute herzustellen. Und da dessen spezifscher elektrischer Widerstand 1 bis 15 Ωcm beträgt, ist er mit bestehenden Bauteil-Herstellungsverfahren kompatibel. Und da beim Ziehen eines Einkristall-Siliciums sowohl eine Verunreinigung vom P-Typ als auch eine Verunreinigung vom N-Typ, in geringerer Menge als die Verunreinigung vom P-Typ, eindotiert werden, kann ein Silicium-Wafer vom P-Typ, dessen spezifischer elektrischer Widerstand auf einen gewünschten Wert angepasst wurde, erzielt werden.
Außerdem wird, dadurch dass man einen Ingot zieht, indem man die erste Konzentration C₁ von Bor, welche eine Verunreinigung vom P-Typ ist, auf einen Wert von 1 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder mehr bringt, unterhalb des Wertes von V/G, so dass OSFs, welche bei der thermischen Oxidation eines Wafers in Form eines Rings auftreten, in der Mitte des Wafers verschwinden, als erstes eine Sauerstoffabscheidung durch eine Wärmebehandlung auf der gesamten Oberfläche eines aus diesem Ingot erzeugten Silicium-Wafers in gleichmäßiger und dichter Weise erzeugt. Diese Sauerstoffabscheidung wird im folgenden "BMD" (Bulk Micro-Defect) genannt. Dieser BMD sorgt für einen sogenannten intrinsischen Getter-Effekt (im folgenden IG-Effekt genannt), der eine sehr geringe Menge einer metallischen Verunreinigung einfängt, welche während eines Bauteil-Herstellungsverfahrens eingebracht wird. Als zweites nimmt man an, dass, da konzentriert dotierte Bor-Atome wechselseitig sowohl auf Zwischengitter-Silicium als auch Leerstellen einwirken und dadurch den Grad der Übersättigung des Zwischengitter-Siliciums absenken, angenommen, eine Bildung von Zwischengitter-Punktdefekt-Agglomeraten unterdrückt wird und L/Ds im Silicium-Wafer überhaupt nicht auftreten. Als drittes wird, da eine Ziehgeschwindigkeit V, wenn OSFs in der Mitte eines Wafers verschwinden, im Vergleich zur herkömmlichen Geschwindigkeit, bei welcher ein Bor-dotierter Ingot von einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10 Ωcm erzielt wird, höher ist, die Produktivität von Ingots verbessert. Und als viertes wird weiter, wenn die Konzentration C₁ von Bor auf einen Wert von 1 × 10¹⁸ Atomen/cm³ oder mehr gebracht wird, der Wert des spezifischen elektrischen Widerstands eines Silicium-Wafers naturgemäß zu 0,04 Ωcm oder weniger, jedoch wird der spezifische elektrische Widerstand des Silicium-Wafers durch Eindotieren einer Verunreinigung vom N-Typ wie etwa Phosphor, Antimon oder Arsen in einer Konzentration C₂ von 0,90C₁ bis 0,999C₁ Atome/cm³ auf 1 bis 15 Ωcm angepasst oder kompensiert.
[Ausführungsbeispiele]
Als nächstes wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zusammen mit Vergleichsbeispielen erläutert.
<Ausführungsbeispiel 1>
Ein Einkristall-Silicium-Ingot wurde mittels des CCZ-Verfahrens gezogen, mit der Absicht, einen Wafer mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10 Ωcm, 1,00 × 10¹⁸ Atomen/cm³ Bor-Konzentration und 0,99 × 10¹⁸ Atomen/cm³ Phosphor-Konzentration zu erzeugen. Hochreines polykristallines Silicium von 20 kg wurde als Ausgangs-Rohmaterial verwendet, und 1,26 g metallisches Bor, 14,7 g mit Phosphor dotierter Silicium-Dotierstoff und 20 kg mit Phosphor dotierte rechargierte Einkristall-Silicium-Blöcke wurden zusammen mit diesem Rohmaterial in einen Quarz-Schmelztiegel eingesetzt und dieser Quarz-Schmelztiegel erhitzt, um das Rohmaterial und das Dotiermittel zu schmelzen. Und metallisches Bor enthaltendes polykristallines Silicium in körniger Form wurde der Siliciumschmelze während des Ziehvorgangs nach und nach zugeführt. Die Menge des zugeführten Materials betrug insgesamt 32 kg. Ein Ingot, dessen gerader Körperabschnitt einen Durchmesser von 6 Inch und eine Länge von 900 mm aufweist, wurde erzielt, indem er bei den folgenden Konditionen gezogen wurde: Ziehgeschwindigkeit V = 0,8 mm/min, Temperaturgradient G = 3,4 °C/mm in der Mitte des Ingot, und V/G = 0,23 mm²/min °C. Wie oben beschrieben wies, auch wenn die jeweiligen Segregationskoeffizienten von Bor und Phosphor sich voneinander unterscheiden, durch ein Kompensieren durch zusätzliches Zuführen Bor-Dotierstoffs, selbst wenn ein Ingot großer Länge gezogen wurde und das Verfestigungsverhältnis nahe 1 war, wie in 5 dargestellt, der spezifische elektrische Widerstand gegenüber dem Ziehbeginn eine geringere Schwankung auf.
<Vergleichsbeispiel 1>
Ein Ingot wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Ausführungsbeispiel 1 gezogen, außer dass die Ziehgeschwindigkeit V auf 0,9 mm/min eingestellt wurde.
<Vergleichsbeispiel 2>
Mit dem gleichen Ziel wie in Ausführungsbeispiel 1 wurde 2,20 g metallisches Bor, 25,6 g Silicium-Dotierstoff dotiert mit Phosphor und 35 kg mit Phosphor dotierte rechargierte Einkristall-Silicium-Blöcke in einen Quarz-Schmelztiegel eingelegt und dieser Quarz-Schmelztiegel erwärmt, um das Rohmaterial und den Dotierstoff zu schmelzen. Ein Einkristall-Silicium-Ingot wurde mittels des CZ-Verfahrens unter folgenden Konditionen gezogen: Ziehgeschwindigkeit V = 0,8 mm/min, Temperaturgradient G = 3,4 °C/mm in der Mitte des Ingot, und V/G = 0,23 mm²/min °C. Diese Ziehbedingungen entsprechen fast einem Zustand, bei welchem D₁/D₀, dargestellt in 3, ohne Zusetzen von Dotierstoff 0,9 beträgt. Der gerade Körperabschnitt des gezogenen Ingots wies einen Durchmesser von 6 Inch und eine Länge von 600 mm auf.
Da der Segregationskoeffizient von Bor 0,8 beträgt und der Segregationskoeffizient von Phosphor 0,35 beträgt, ändert sich, mit zunehmender Länge des Ingot und zunehmender Annäherung des Verfestigungsverhältnisses an 1, der spezifische elektrische Widerstand, wie dargestellt in 6, und der Leitertyp des Ingots ändert sich vom P-Typ zum N-Typ.
<Vergleichsbeispiel 3>
Ein Ingot wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Vergleichsbeispiel 2 gezogen, außer dass die Ziehgeschwindigkeit V auf 0,9 mm/min eingestellt wurde.
<Vergleichsbeispiel 4>
Mit dem Ziel der Herstellung eines Wafers mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10 Ωcm und einer Borkonzentration von 1,00 × 10¹⁵ Atomen/cm³ wurden 1,78 g mit Bor dotierter Silicium-Dotierstoff zusammen mit 35 kg hochreinem polykristallinen Silicium in einen Quarz-Schmelztiegel eingelegt und dieser Quarz-Schmelztiegel erwärmt, um das Rohmaterial zu schmelzen. Ein Ingot, dessen gerader Körperabschnitt einen Durchmesser von 6 Inch und eine Länge von 600 mm aufwies, wurde erzielt, indem er mittels des CZ-Verfahrens unter folgenden Bedingungen gezogen wurde: Ziehgeschwindigkeit V = 0,8 mm/min, gleich groß wie bei Ausführungsbeispiel 1, Temperaturgradient G = 3,4 °C/mm in der Mitte des Ingot, und V/G = 0,23 mm²/min °C.
<Vergleichsbeispiel 5>
Ein Ingot wurde unter den gleichen Konditionen wie in Vergleichsbeispiel 4 gezogen, außer dass die Ziehgeschwindigkeit V auf 0,9 mm/min eingestellt war.
<Vergleichsbeispiel 6>
Mit dem Ziel der Herstellung eines Wafers mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,02 Ωcm und einer Borkonzentration von 1,00 × 10¹⁸ Atomen/cm³ wurden 2,2 g metallisches Bor zusammen mit 35 kg hochreinem polykristallinen Silicium in einen Quarz-Schmelztiegel eingelegt und dieser Quarz-Schmelztiegel erwärmt, um das Rohmaterial zu schmelzen. Ein Ingot, dessen gerader Körperabschnitt einen Durchmesser von 6 Inch und eine Länge von 600 mm aufwies, wurde erzielt, indem er mittels des CZ-Verfahrens unter folgenden Bedingungen gezogen wurde: Ziehgeschwindigkeit V = 0,8 mm/min, gleich groß wie bei Ausführungsbeispiel 1, Temperaturgradient G = 3,4 °C/mm in der Mitte des Ingot, und V/G = 0,23 mm²/min °C.
<Vergleichsbeispiel 7>
Ein Ingot wurde unter den gleichen Konditionen wie in Vergleichsbeispiel 6 gezogen, außer dass die Ziehgeschwindigkeit V auf 0,9 mm/min eingestellt war.
<Vergleichsauswertung>
Ein Silicium-Wafer, der jeweils aus den Ingots von Ausführungsbeispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 7 geschnitten wurde, wurde geläppt und abgefasst und dann hochglanzpoliert.
Jeder der auf diese Weise erzielten Silicium-Wafer wurde in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1100 °C eine Stunde lang wärmebehandelt, und es wurde untersucht, ob OSFs erzeugt wurden oder nicht. Und nachdem jeder Wafer einer Wärmebehandlung zur Beseitigung von Donatoren unterzogen worden war, wurde der spezifische elektrische Widerstand eines jeden Silicium-Wafers mittels eines Vierpunkt-Widerstandsmeßverfahrens gemessen.
Daraufhin wurde die Anzahl der COPs von einer Größe von nicht weniger als 0,11 μm und nicht mehr als 10 μm in einem Kreis von 144 mm Durchmesser auf der Oberfläche jedes der Silicium-Wafer von Ausführungsbeispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 7 mittels einer Laser-Teilchenzählers (SFS6200, hergestellt von KLA-Tencor, Inc.) untersucht. Und jeder der Silicium-Wafer von Ausführungsbeispiel 1 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 7 wurde in eine Secco-Ätzlösung 30 Minuten lang ohne Rühren eingetaucht und das Vorhandensein von dadurch erzeugten eigentümlichen Fließmustern wurde überprüft und dann das Vorhandensein von FDPs und L/Ds untersucht, indem das Vorhandensein von durch Ätzen hervorgerufenen Grübchen mittels eines optischen Mikroskops untersucht wurde.
Weiter wurden in ähnlicher Weise wie bei einem Halbleiter-Bauteil-Herstellungsverfahren diese Silicium-Wafer bei 800 °C 4 Stunden lang wärmebehandelt und nachfolgend bei 1000 °C 16 Stunden lang wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung wurde jeder Wafer gespaltet und die Wafer-Oberfläche durch eine Wright-Ätzlösung 3 Minuten lang selektiv geätzt, und BMDs wurden von der Mitte zum Rand des Wafers in einer Tiefe von 300 μm von der Wafer-Oberfläche durch Betrachtung durch ein optisches Mikroskop gemessen und die Konzentration der BMDs berechnet. Das Ergebnis davon ist in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Das Symbol "⌘" in Tabelle 1 bedeutet: "Liegt unter der unteren Nachweisgenze (1 × 10³ Defekt-Agglomerate/cm³)".
Wie offensichtlich aus Tabelle 1 zu ersehen, traten in einem Wafer von Ausführungsbeispiel 1, der mit Bor und Phosphor dotiert war und mit einer Ziehgeschwindigkeit von 0,8 mm/min gezogen wurde, keine OSFs auf, und die Konzent-ration von COPs, FPDs und L/Ds betrug im wesentlichen jeweils Null. Weiter hatte dieser eine BMD-Konzentration von 1 × 10¹⁰ bis 1 × 10¹¹ BMDs/cm³ und es wurde gefunden, dass er einen IG-Effekt aufwies. Andererseits änderte sich in den Vergleichsbeispielen 2 und 3, wenn das Verfestigungsverhältnis (Länge des Ingot) ca. 0,3 überstieg, der Leitungstyp vom P-Typ zum N-Typ. Und auf Wafern der Vergleichsbeispiele 4 und 5 trat unter einer Wärmebehandlung in oxidierender Atmosphäre ein OSF-Ring auf, und auf Wafern der Vergleichsbeispiele 1, 3 und 7 traten OSFs in Scheibenform auf. Im Hinblick darauf betrug bei den Vergleichsbeispielen 1, 3, 4, 5 und 7, außer den Vergleichsbeispielen 2 und 6, die Konzentration der COPs vergleichsweise mehr als beim Ausführungsbeispiel 1, und insbesondere wurde gefunden, dass in Wafern der Vergleichsbeispiele 4 und 5 die Konzentration von BMDs innerhalb und außerhalb eines OSF-Ringes sich nach der Wärmebehandlung stark voneinander unterschied, und ein gleichbleibender IG-Effekt konnte nicht über die gesamte Wafer-Oberfläche erzielt werden. Weiter betrug in den Vergleichsbeispielen 6 und 7 der spezifische elektrische Widerstand 0,03 Ωcm, was jedoch nicht dem gewünschten spezifischen elektrischen Widerstand von 1 bis 15 Ωcm entsprach.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Wafers mit angepasstem spezifischem elektrischem Widerstand aus einem Einkristall-Silicium-Ingot, wobei dafür gesorgt ist, dass eine durch Schmelzen von Silicium-Rohmaterial erhaltene Siliciumschmelze eine Verunreinigung vom P-Typ und eine Verunreinigung vom N-Typ enthält, so dass die Verunreinigung vom P-Typ eine erste spezifizierte Konzentration (C₁) und die Verunreinigung vom N-Typ eine zweite spezifizierte Konzentration (C₂), die niedriger ist als die erste Konzentration, im Einkristall-Silicium-Ingot aufweist, und durch zusätzliches Zuführen der Verunreinigung vom P-Typ kompensiert wird, während der Ingot aus der Siliciumschmelze gezogen wird, wobei es sich bei der Verunreinigung vom P-Typ um Bor und bei der Verunreinigung vom N-Typ um Phosphor, Antimon oder Arsen handelt, und die Verunreinigung vom P-Typ und die Verunreinigung vom N-Typ so eindotiert sind, dass die erste Konzentration (C₁) im Einkristall-Silicium-Ingot zwischen 1 × 10¹⁷ und 1 × 10²⁰ Atomen/cm³ liegt und die zweite Konzentration (C₂) zwischen 0,90 C₁ bis 0,999 C₁ Atomen/cm³ liegt, und der Wert von V/G (mm²/min°C) so festgelegt ist, dass die oxidationsbedingten Stapelfehler, welche bei einer thermischen Oxidation des Wafers in Ringform auftreten, in der Mitte des Wafers verschwinden, und der Ingot gezogen wird, wobei V die Geschwindigkeit (mm/min) bezeichnet, mit der ein Ingot aus einer Siliciumschmelze gezogen wird, G einen Temperaturgradienten (°C/mm) im Grenzflächenabschnitt zwischen dem Ingot und der Siliciumschmelze bezeichnet, wobei bei der thermischen Oxidation der Silicum-Wafer in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1000 °C ± 30 °C 2 bis 5 Stunden lang wärmebehandelt wird und anschließend bei einer Temperatur von 1130 °C ± 30 °C 1 bis 16 Stunden lang wärmebehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei dem Silicium-Wafer, wenn man annimmt, dass die untere Nachweisgrenze von Agglomeraten von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten oder Agglomeraten von Leerstellen-Punktdefekten 1 × 10³ Agglomerate/cm³ beträgt, die Konzentration der Punktdefekt-Agglomerate nicht über der unteren Nachweisgrenze liegt, und der Silicum-Wafer vom P-Leitungstyp ist und bei dem der spezifische elektrische Widerstand auf einen Bereich von 1 bis 15 Ωcm eingestellt ist.