DE10066099B4

DE10066099B4 - Wärmebehandlungsverfahren für einen Siliciumwafer

Info

Publication number: DE10066099B4
Application number: DE10066099A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Shiota; Hisashi Furuya; Yoshinobu Nakada
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: DE10066106B4; DE10066107B4

Abstract

Wärmebehandlungsverfahren für einen Silicium-Wafer, umfassend die Schritte:
Ziehen eines Silicium-Einkristallingot aus einer Siliciumschmelze derart, dass das Verhältnis (V/G (mm²/min·°C)) von der Ziehgeschwindigkeit zu einem Temperaturgradienten zwischen dem zweiten kritischen Verhältnis ((V/G)₂) und einem dritten kritischen Verhältnis ((V/G)₃), gehalten wird, entsprechend der Domäne [OSF] zur Bildung von Keimen von oxidationsbedingten Stapelfehlern (OSF) ohne Erzeugung von Teilchen kristallinen Ursprungs und großen zwischengitterartigen Versetzungen, wobei V (mm/min) eine Ziehgeschwindigkeit des Ingot und G (°C/mm) ein Temperaturgradient an einer Grenzfläche zwischen dem Ingot und der Siliciumschmelze ist;
Schneiden eines Silicium-Wafers aus dem Ingot, wobei der Silicium-Wafer der Typ eines Wafers ist, in dem scheibenförmige OSF in einem Bereich, der breiter ist als 25% der Gesamtfläche des Silicium-Wafers, im Zentrum des Wafers auftreten, wenn der Wafer einer Wärmebehandlung bei 1000°C ± 30°C 2 bis 5 h und anschließend bei 1130°C ± 30°C 1 bis 16 h unterzogen wird;
schnelles Erwärmen des Silicium-Wafers...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren für einen Silicium-Wafer für Halbleiterschaltungen, der aus einem durch ein Czochralski-Verfahren (im folgenden "CZ-Verfahren" genannt) hergestellten Silicium-Ingot geschnitten wird, unter Erzeugung eines intrinsischen Getter-Effekts (im folgenden als "IG-Effekt" bezeichnet).
2. Beschreibung der dazugehörigen Technik
In letzter Zeit wird die Ausbeutenverschlechterung bei den Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschaltungen u. a. bedingt von: Mikrodefekten durch Sauerstoffabscheidungen, die zu Keimen von oxidationsbedingten Stapelfehlern (im folgenden "OSF's" genannt) führen; Teilchen kristallinen Ursprungs (im folgenden "COP's" genannt); und großen zwischengitterartigen Versetzungen (im folgenden "L/D" genannt). Mikrodefekte, wie OSF-Keime, werden während des Kristallwachstums in einen Silicium-Ingot eingebaut und entstehen beispielsweise bei einem Oxidationsverfahren während der Herstellung von Halbleiterelementen und verursachen bei den hergestellten Bauteilen Fehlfunktionen, wie Zunahme des Verluststroms. Andererseits führt die Reinigung von Hochglanz-polierten Silicium-Wafern durch ein Lösungsgemisch von Ammoniak und Wasserstoffperoxid zur Bildung von Vertiefungen auf der Wafer-Oberfläche, und solche Vertiefungen werden als Teilchen, entsprechend reellen oder von Natur aus vorhandenen Teilchen, nachgewiesen. Solche Vertiefungen werden zu ihrer Unterscheidung von reellen Teilchen COP's genannt. COP's, die Vertiefungen auf einer Wafer-Oberfläche darstellen, führen zur Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, wie des Merkmals des zeitabhängigen dielektrischen Durchschlags (TDDB) und des Merkmals des dielektrischen Durchschlags zum Zeitpunkt Null (TZDB). Außerdem ist die Existenz von COP's in einer Wafer-Oberfläche der Grund für physikalische Schritte während eines Verdrahtungsvorgangs von Bauteilen, und diese Schritte verursachen einen Drahtbruch und dadurch eine Verminderung der Ausbeute von Produkten. Andererseits wird eine L/D als Versetzungscluster oder als Versetzungsgrübchen bezeichnet, da sich ein Grübchen bildet, wenn ein Siliciumwafer mit diesem Fehler in eine selektive Ätzlösung, die Fluorwasserstoffsäure als Hauptbestandteil enthält, eingetaucht wird. Eine solche L/D bewirkt ebenfalls die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, wie Verluststrom- und Isoliereigenschaft.
Aufgrund des oben Genannten ist die Verminderung von OSF's, COP's und L/D's in einem Silicium-Wafer, der zur Herstellung einer Halbleiterschaltung eingesetzt wird, erforderlich.
In der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. HEI-11-1393 ist ein defektfreier Silicium-Wafer, der frei ist von OSF's, COP's und L/D's, offenbart. Dieser defektfreie Silicium-Wafer ist ein aus einem Silicium-Einkristallingot geschnittener Wafer, der eine perfekte Domäne [P] aufweist, von der angenommen wird, daß sie in dem Ingot frei ist von Agglomeraten von Leerstellen-Punktdefekten und von Agglomeraten von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten. Die perfekte Domäne [P] existiert zwischen einer Zwischengitter-Silicium-Punktdefekt-dominierten Domäne [I] und einer Leerstellen-Punktdefektdominierten Domäne [V] in dem Silicim-Einkristallingot. Der Silicium-Wafer, der die perfekte Domäne [P] enthält, wird durch Bestimmung eines Wertes V/G (mm²/min°C) gebildet, derart, daß OSF's, die während einer thermischen Oxidationsbehandlung in Ringform erzeugt werden, im Zentrum des Wafers verschwinden, wobei V (mm²/min) eine Ziehgeschwindigkeit des Ingot und G (°C/min) einen vertikalen Temperaturgradienten des Ingot in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen Siliciumschmelze und Ingot bezeichnet.
Der aus einem Ingot geschnittene Silicium-Wafer, der die perfekte Domäne [P] enthält, ist frei von OSF's, COP's und L/D's. Allerdings kommt es durch die Wärmebehandlung während eines Bauteil-Herstellungsverfahrens nicht notwendigerweise zu einer Sauerstoffabscheidung in dem Wafer, was den Nachteil verursacht, daß ein unzureichender IG-Effekt entsteht. Einige Halbleiterhersteller fordern vielleicht Silicium-Wafer, die frei sind von OSF's, COP's und L/D's, aber die Fähigkeit besitzen, bei dem Bauteil-Herstellungsverfahren auftretende metallische Verunreinigungen zu gettern. Metallische Verunreinigungen von Wafer mit unzureichender IG-Fähigkeit während des Bauteil-Herstellungsverfahrens führen zu undichten Übergängen und zum Auftreten von Fehlfunktionen der Bauteile aufgrund der eingeschlossenen Konzentration von metallischen Verunreinigungen.
Außerdem wird ein Wärmebehandlungsverfahren zur Erzeugung eines IG-Effektes vorgeschlagen (japanische offengelegte Patentanmeldung Nummer HEI-8-45945 (1996)), das die Schritte umfaßt: Halten eines geschliffenen und polierten Siliciumwafers nach dem Schneiden aus einem Silicium-Einkristallingot bei 500 bis 800°C für 0,5 bis 20 h unter Einbau von Sauerstoff-Abscheidungskeimen in den Wafer; schnelles Erwärmen des Siliciumwafers, der die Sauerstoff-Abscheidungskeime enthält, von Raumtemperatur auf Temperaturen von 800 bis 1000°C, und Halten des Wafers 0,5 bis 20 min; Belassen des schnell erhitzten und für 0,5 bis 20 min gehaltenen Siliciumwafers bei Raumtemperatur; und Erwärmen des so abgekühlten Siliciumwafers von Temperaturen von 500 bis 700°C bis auf Temperaturen von 800 bis 1100°C mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 10°C/min, und Halten des Siliciumwafers bei dieser Temperatur für 2 bis 48 h.
Bei diesem Behandlungsverfahren wird die Konzentration von Zwischengitter-Siliciumatomen an der Oberfläche sowie im Inneren des unter der zuvor genannten Temperaturbedingung schnell erhitzten Wafers vorübergehend geringer als eine thermische Gleichgewichtskonzentration und führt zu einem Zustand der Verarmung an Zwischengitter-Siliciumatomen unter Bereitstellung einer Umgebung, in der Sauerstoff-Abscheidungskeime die Neigung zum stabilen Wachstum besitzen. Gleichzeitig kommt es zur Erzeugung von Zwischengitter-Siliciumatomen an der Wafer-Oberfläche, so daß die verarmten Zwischengitter-Siliciumatome auf einen stabilen Zustand aufgefüllt werden, so daß die erzeugten Zwischengitter-Siliciumatome in das Innere des Wafers zu diffundieren beginnen. Der Bereich in der Nähe der Wafer-Oberfläche, der sich in dem an Zwischengitter-Siliciumatomen verarmten Zustand befand, geht sofort in einen gesättigten Zustand über, so daß Sauerstoff-Abscheidungskeime zu verschwinden beginnen. Es dauert allerdings einige Zeit, bis Zwischengitter-Siliciumatome, die in der Wafer-Oberfläche gewachsen sind, in das Waferinnere diffundieren. Je tiefer der Abstand von der Wafer-Oberfläche in das Waferinnere ist, desto länger ist somit der Zeitraum, in dem eine Umgebung zum leichten Wachstum von Sauerstoff-Abscheidungskeimen aufrechterhalten wird. Je näher die Wafer-Oberfläche, desto geringer ist darum die Dichte von Sauerstoff-Abscheidungskeimen. Je länger die Wärmebehandlungszeit (0,5 bis 20 min), um so größer ist ferner die Dicke einer störungsfreien Zone (im folgenden "DZ" genannt), in der keine Sauerstoff-Abscheidungskeime, d. h. Defekte, gebildet werden. Je höher die Temperatur in dem Bereich von 800 bis 1000°C ist, desto größer ist zudem der Diffusionskoeffizient von Zwischengitter-Siliciumatomen, so daß sich die Dicke der DZ in kurzer Zeit vergrößert.
Das schnelle Erwärmen, das Belassen bei Raumtemperatur und das anschließende erneute Erwärmen des Wafers bis auf Temperaturen von 800 bis 1100°C führt dazu, daß die während des schnellen Erwärmens erhalten gebliebenen Sauerstoff-Abscheidungskeime innerhalb des Wafers zu einer Sauerstoff-Abscheidung wachsen und zu stabilen IG-Quellen werden.
Allerdings erfordert das zuvor genannte Wärmebehandlungsverfahren als Vorbehandlung zur Erzeugung von IG-Quellen den Einbau von Sauerstoff-Abscheidungskeimen in einen geschliffenen und polierten Siliciumwafer durch Halten des Wafers bei 500 bis 800°C für 0,5 bis 20 h und Wärmebehandeln nach schnellem Aufheizen, so daß die Sauerstoff-Abscheidungskeime innerhalb des Wafers zu Sauerstoffabscheidungen wachsen. Dies führt zu dem Problem der unnötigen mehrfachen Wärmebehandlung im Zustand des Wafers.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Wärmebehandlungsverfahrens für einen Silicium-Wafer, der frei ist vom Auftreten von Agglomeraten von Punktdefekten und der bei einer verminderten Anzahl von Wärmebehandlungen in einem Siliciumwafer-Zustand einen gewünschten IG-Effekt aufzuweisen vermag.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines durch dieses Verfahren behandelten Silicium-Wafers, der ein größeres IG-Potential aufweist.
Die Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 1 ein Wärmebehandlungsverfahren eines Silicium-Wafers unter Ausübung eines IG-Effektes in dem Silicium-Wafer.
Das Verfahren umfasst unter anderem den Schritt: schnelles Erwärmen des Silicium-Wafers in einer Wasserstoffgasatmosphäre oder in einer Atmosphäre, die Wasserstoffgas enthält, von Raumtemperatur bis auf 1100°C bis 1250°C mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 30°C/min bis 100°C/s, und anschließendes Halten des Silicium-Wafers 1 min bis 2 h.
Gemäß dem Wärmebehandlungsverfahren der Erfindung macht der Einsatz des Wafers des definierten Typs das herkömmliche Vorwärmverfahren zum Einbau von Sauerstoff-Abscheidungskeimen in den Wafer und das herkömmliche Wachstumsverfahren für Sauerstoff-Abscheidungskeime unnötig, und das schnelle Erwärmen des polierten Wafers unter den obigen Bedingungen führt zu einem stärkeren IG-Effekt.
Im folgenden können "Sauerstoffabscheidungen" "BMD (Bulk-Mikrodefekt)" genannt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht und zeigt eine Beziehung zwischen einem V/G-Verhältnis und einer Leerstellen-Punktdefektdichte oder einer Zwischengitter-Silicium-Punktdefektdichte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf der Grundlage der Voronkov-Theorie;
2 ist ein charakteristisches Diagramm und zeigt einen Übergang bei einer Ziehgeschwindigkeit zur Bestimmung eines gewünschten Ziehgeschwindigkeitsprofils;
3 ist eine schematische Ansicht eines Röntgenstrahl-Tomographiebildes und zeigt eine Leerstellen-Punktdefekt-dominierte Domäne, eine Zwischengitter-Silicium-Punktdefekt-dominierte Domäne und eine perfekte Domäne eines Referenz-Ingot gemäß der Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine Draufsicht und zeigt eine Situation, wobei OSF's in einem Silicium-Wafer W₁, entsprechend einer Position P₁ in 3, auftreten;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Ingot, der in axialer Richtung, die die Ingotachse einschließt, gemäß der Ausführungsform, entsprechend einer Position P₂ in 3, geschnitten worden ist; und
6 ist eine Draufsicht und zeigt eine Situation, wobei OSF's im Zentrum eines Silicium-Wafers W₂ gemäß der Ausführungsform der Erfindung, entsprechend der Position P₂ in 3, auftreten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Silicium-Wafer einer Ausführungsform der Erfindung wird hergestellt durch Ziehen eines Ingot aus einer Siliciumschmelze in einem Zonenschmelzofen durch ein CZ-Verfahren bei einem zuvor festgelegten Ziehgeschwindigkeitsprofil auf der Basis der Voronkov-Theorie und durch In-Scheiben-Schneiden des Ingot.
Wenn ein Ingot eines Silicium-Einkristalls aus einer Siliciumschmelze in einem Zonenschmelzofen durch ein CZ-Verfahren gezogen wird, kommt es in der Regel zu Punktdefekten und Agglomeraten (dreidimensionale Defekte) als Defekte in dem Silicium-Einkristall. Punktdefekte werden in zwei allgemeine Typen eingeteilt, nämlich einen Leerstellen-Punktdefekt und einen Zwischengitter-Punktdefekt. Der Leerstellen-Punktdefekt ist ein Typ, wobei ein Siliciumatom aus einer regulären Position in einem Siliciumkristallgitter weggelassen wurde. Eine solche Leerstelle führt zu einem Leerstellen-Punktdefekt. Das Vorliegen eines Siliciumatoms an einem Nicht-Gitterpunkt (Zwischengitterstelle) führt hingegen zu einem Zwischengitter-Silicium-Punktdefekt.
Punktdefekte werden ferner in der Regel an der Grenzfläche zwischen Siliciumschmelze (geschmolzenes Silicium) und Ingot (festes Silicium) gebildet. Beim Ziehen des Ingot beginnt sich allerdings der Teil, der die Grenzfläche darstellte, abzukühlen. Während des Abkühlens diffundieren die Leerstellen-Punktdefekte oder Zwischengitter-Punktdefekte unter gegenseitiger Verschmelzung und bilden dabei Leerstellen-Agglomerate bzw. Zwischengitter-Agglomerate. Mit anderen Worten, sind Agglomerate dreidimensionale, durch Kombination von Punktdefekten erzeugte Strukturen.
Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten umfassen Defekte, die "LSTD (Laser Scattering Tomograph Defects)" oder "FPD (Flow Pattern Defects)" genannt werden, zusätzlich zu den vorgenannten COP's, während Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten Defekte einschließen, die "L/D" genannt werden, wie zuvor erwähnt. Außerdem sind FPD's Quellen von Spuren, die ein einzigartiges Flußbild aufweisen, das auftritt, wenn ein durch In-Scheiben-Schneiden eines Ingot hergestellter Siliciumwafer 30 min ohne Rühren einer Secco-Ätzlösung (d. h. Ätzen mit einer Mischlösung von K₂Cr₂O₇:50% HF:reines Wasser = 44 g:2000 cc:1000 cc) ausgesetzt wird. LSTD's sind Quellen mit Brechungsindizes, die sich von dem Brechungsindex von Silicium unterscheiden und die bei Bestrahlung mit Infrarotstrahlung des Silicium-Einkristalls Streulicht erzeugen.
Die zuvor genannte Voronkov-Theorie besteht in der Kontrolle eines V/G-Verhältnisses (mm²/min°C), so daß ein hochreiner Ingot mit weniger Defekten gezüchtet wird, wobei V (mm/min) eine Ziehgeschwindigkeit eines Ingot ist und G (°C/mm) ein Temperaturgradient eines Ingot an der Grenzfläche zwischen Ingot und Siliciumschmelze in einer Zonenschmelzstruktur ist. Eine Beziehung zwischen V/G und Punktdefektdichte ist nach dieser Theorie diagrammartig in 1 dargestellt, wobei die Abszisse V/G darstellt und die Ordinate eine Leerstellen-Punktdefektdichte und eine Zwischengitter-Silicium-Punktdefektdichte darstellt, um dadurch zu zeigen, daß die Grenze zwischen einer Leerstellendomäne und einer Zwischengitter-Siliciumdomäne durch das V/G-Verhältnis bestimmt wird. Insbesondere wird ein von einer Leerstellen-Punktdefektdichte dominierter Ingot gebildet, wenn das V/G-Verhältnis größer ist als ein kritischer Punkt, während ein von einer Zwischengitter-Silicium-Punktdefektdichte dominierter Ingot gebildet wird, wenn das V/G-Verhältnis kleiner ist als der kritische Punkt.
Wie in 1 gezeigt, bezeichnet das Zeichen [I] eine Domäne (ein erstes kritisches Verhältnis ist (V/G)₁ oder kleiner), in der Zwischengitter-Silicium-Punktdefekte vorherrschen und Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten enthalten sind, das Zeichen [V] bezeichnet eine Domäne (ein zweites kritisches Verhältnis ist (V/G)₂ oder größer), in der in einem Ingot Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen und die Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten enthält, und das Zeichen [P] bezeichnet eine perfekte Domäne (V/G)₁ bis (V/G)₂, die keine Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten und Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekten enthält. Die der Domäne [P] benachbarte Domäne [V] enthält eine Domäne [OSF]((V/G)₂ bis (V/G)₃) zum Bilden von OSF-Keimen.
Zu beachten ist, daß Agglomerate von COP's und L/D's je nach Nachweisverfahren für die Nachweisempfindlichkeit und die Nachweis-Untergrenzen verschiedene Werte aufweisen können. Als solches bedeutet der Satz "Agglomerate von Punktdefekten existieren nicht" hier, daß die Anzahl von Agglomeraten von Punktdefekten geringer ist als eine Nachweis-Untergrenze (1 × 10³ Agglomerate/cm³), die bestimmt wird, wenn 1 Defektagglomerat eines Flußbildes (Leerstellendefekt) und 1 Versetzungscluster (Zwischengitter-Silicium-Punktdefekt) für ein Testvolumen von 1 × 10^–3 cm³ nachgewiesen werden, wenn als Testvolumen ein Produkt aus einer Beobachtungsfläche und einer Ätztiefe durch ein optisches Mikroskop beobachtet wird, nachdem ein Hochglanzpolierter Silicium-Einkristall ohne Rühren mit einer Secco-Ätzlösung angeätzt wurde.
Die perfekte Domäne [P] wird außerdem in eine Domäne [P₁] und eine Domäne [Pv] eingeteilt. Die Domäne [P₁] weist ein V/G-Verhältnis von (V/G)₁ bis zum kritischen Punkt auf, und die Domäne [V] weist ein V/G-Verhältnis vom kritischen Punkt bis (V/G)₂ auf. Die Domäne [P₁] grenzt demnach an die Domäne [I] an und besitzt eine Zwischengitter-Silicium-Punktdefektdichte, die geringer ist als die niedrigste Zwischengitter-Silicium-Punktdefektdichte, die zur Bildung von Zwischengitterversetzungen in der Lage ist, und die Domäne [Pv] grenzt an die Domäne [V] an und besitzt eine Leerstellen-Punktdefektdichte, die geringer ist als die niedrigste Leerstellen-Punktdefektdichte, die zur Bildung von OSF's in der Lage ist.
Das zuvor festgelegte Ziehgeschwindigkeitsprofil der Ausführungsform wird so bestimmt, daß das Verhältnis (V/G) von Ziehgeschwindigkeit zu Temperaturgradient zwischen dem zweiten kritischen Verhältnis ((V/G)₂), entsprechend der Domäne [OSF] zum Bilden von OSF-Keimen, und einem dritten kritischen Verhältnis ((V/G)₃) gehalten wird, wenn der Ingot aus einer Siliciumschmelze in einem Zonenschmelzofen gezogen wird. Diese Ausführungsform entspricht Anspruch 1.
Dieses Ziehgeschwindigkeitsprofil wird bestimmt durch Simulation auf der Basis der Voronkov-Theorie, wie durch empirisches In-Scheiben-Schneiden eines Referenz-Ingot in axialer Richtung, durch empirisches In-Scheiben-Schneiden eines Referenz-Ingot zu Wafern oder durch Kombination dieser Techniken. Diese Bestimmung wird demnach durch Bestätigung der axialen Scheibe des Ingot und der geschnittenen Wafer nach der Simulation und durch anschließendes Wiederholen der Simulation durchgeführt. Es werden eine Vielzahl von Arten von Ziehgeschwindigkeiten in einem zuvor bestimmten Bereich festgelegt, und eine Vielzahl von Referenz-Ingots wird gezüchtet. Wie in 2 gezeigt, wird das Ziehgeschwindigkeitsprofil für die Simulation eingestellt auf (a) eine höhere Ziehgeschwindigkeit, wie 1,2 mm/min, (c) eine niedrigere Ziehgeschwindigkeit wie 0,5 mm/min und wiederum auf (d) eine höhere Ziehgeschwindigkeit von 1,2 mm/min. Die zuvor genannte niedrigere Ziehgeschwindigkeit kann 0,4 mm/min oder weniger betragen, und die Ziehgeschwindigkeiten (b) und (d) sind vorzugsweise linear.
Mehrere Referenz-Ingots, die bei verschiedenen Geschwindigkeiten gezogen wurden, werden jeweils in axialer Richtung in Scheiben geschnitten. Ein optimales V/G-Verhältnis wird auf der Basis einer Korrelation zwischen den axialen Scheiben, der Bestätigung von Wafern und dem Ergebnis der Simulation bestimmt. Anschließend wird ein optimales Ziehgeschwindigkeitsprofil bestimmt, und die Ingots werden auf der Basis eines solchen Profils hergestellt. Das tatsächliche Ziehgeschwindigkeitsprofil hängt von verschiedenen Parametern ab, wie Durchmesser eines gewünschten Ingot, spezieller verwendeter Zonenschmelzofen und Qualität der Siliciumschmelze, ohne darauf beschränkt zu sein.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ingot, erhalten durch stufenweise Verminderung der Ziehgeschwindigkeit und dadurch kontinuierliche Absenkung des V/G-Verhältnisses. In 3 stellt das Zeichen [V] eine Domäne dar, in der Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen und die Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten in einem Ingot enthält, das Zeichen [I] stellt eine Domäne dar, in der Zwischengitter-Silicium-Punktdefekte vorherrschen und die Agglomerate von Zwischengitter-Silicium-Punktdefekte enthält, und das Zeichen [P] stellt eine perfekte Domäne dar, die keine Agglomerate von Leerstellen-Punktdefekten und keine Agglomerate von Zwischengittersilicum-Punktdefekten enthält.
Wie vorstehend beschrieben, wird die perfekte Domäne [P] ferner eingeteilt in eine Domäne [P₁] und eine Domäne [Pv]. Die Domäne [Pv] enthält in der perfekten Domäne [P] Leerstellen-Punktdefekte, die nicht zu Agglomeraten ausgewachsen sind, und die Domäne [P₁] enthält in der perfekten Domäne [P] Zwischengitter-Silicium-Punktdefekte, die nicht zu Agglomeraten ausgewachsen sind.
Wie in 3 gezeigt, umfaßt die axiale Position P₁ des Ingot eine zentrale Domäne, in der Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen. Die Position P₂ umfaßt eine kleinere von Leerstellen-Punktdefekten dominierte Domäne als die Domäne der Position P₁. Die Position P₃ ist eine vollkommene perfekte Domäne.
Wie aus 3 hervorgeht, entspricht der Wafer W₁ Position P₁ und enthält eine zentrale Domäne, in der Leerstellen-Punktdefekte vorherrschen. Der Wafer W₃ entspricht Position P₃ und ist eine vollkommen perfekte Domäne.
In dem Wafer W₁ wird ein OSF-Ring in der Nachbarschaft der Peripherie des Wafers W₁, wie in 4 gezeigt, erzeugt, wenn der Wafer W₁ bei Temperaturen im Bereich von 1000°C ±30°C 2 bis 5 h und anschließend bei Temperaturen im Bereich von 1130°C ±30°C für 1 bis 16 h wärmebehandelt wird.
Der Wafer gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist ein Wafer W₂, entsprechend Position P₂ in 3. Der Wafer W₂ weist im Vergleich zu Wafer W₁ über die Hälfte (50%) der gesamten Fläche des Wafers eine zentrale, durch Leerstellen-Punktdefekte dominierte Domäne auf. Die Durchführung der zuvor genannten OSF-erzeugenden Wärmebehandlung bei diesem Wafer W₂ führt zum Auftreten von OSF's nicht in Ringform, sondern in Scheibenform im Zentrum des Wafers. In dem Wafer W₁, der in 4 gezeigt ist, tritt in der Nachbarschaft des Randes des Wafers ein OSF-Ring auf. In dem Wafer W₂ gemäß der Ausführungsform treten OSF's in einem Bereich auf, der größer ist als 25% der gesamten Wafer-Fläche. OSF's, die kleiner sind als 25% der gesamten Wafer-Fläche, führen zu einem schmäleren BMD-Erzeugungsbereich, was Schwierigkeiten bei der Ausübung eines ausreichenden IG-Effektes hervorruft. Vorzugsweise nehmen OSF's 50 bis 80% der gesamten Waferfläche ein. Dieser Wafer W₂ wird hergestellt durch In-Scheiben-Schneiden eines Ingot, der mit einem Ziehgeschwindigkeitsprofil gezogen worden ist, das selektiv so bestimmt wurde, daß OSF's nicht in Ringform, sondern über dem Zentrum des Wafers, wie in 5 gezeigt, erzeugt werden. 6 ist eine Draufsicht des Wafers W₂. Dieser Wafer W₂ ist frei von COP's, da OSF's keine Ringform bilden. Außerdem treten keine L/D's auf. Der Ingot zur Bereitstellung des Wafers W₂ enthält Sauerstoffabscheidungen ohne die Erzeugung von Versetzungen in einer Konzentration von 2 × 10⁴ bis 2 × 10⁸ Versetzungen/cm². Somit führt die Durchführung der OSF-erzeugenden Wärmebehandlung mit dem Wafer W₂ zum Auftreten von Sauerstoffabscheidungen ohne Erzeugung von Versetzungen in einer Dichte von 1 × 10⁵ bis 3 × 10⁷ Versetzungen/cm². Da ein solcher Ingot verwendet wird, wird es unnötig, Sauerstoff-Abscheidungskeime mit hoher Dichte in einen Wafer durch Halten des Wafer-Zustandes bei relativ niedrigen Temperaturen von 500 bis 800°C für 0,5 bis 20 h vor dem schnellen Abkühlen einzubauen, wie in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. HEI-8-45945 beschrieben. BMD-Dichten, die kleiner sind als 2 × 10⁴ BMD's/cm², führen zu Schwierigkeiten bei der Ausübung eines ausreichenden IG-Effektes beim schnellen Erwärmen in einem Wafer-Zustand. Außerdem ist der Wert von 2 × 10⁸ BMD's/cm² die maximale Dichte von BMD's, deren Auftreten in der OSF-Domäne gestattet ist.
Das Wärmebehandlungsverfahren der Ausführungsform ist ein einmaliges schnelles Erwärmen. Dieses schnelle Erwärmen wird in Wasserstoffgas oder in einer Atmosphäre, die Wasserstoffgas enthält, durchgeführt. Genauer gesagt wird der Silicium-Wafer W₂, der Sauerstoffabscheidungen aufweist, ohne daß Versetzungen in dem zuvor genannten Prozentsatz bei Raumtemperatur erzeugt werden, schnell in einen auf Temperaturen auf 1100°C bis 1250°C aufgeheizten Ofen eingebracht und 1 min bis 2 h gehalten. Ein weiteres Verfahren besteht in der Anordnung des Silicium-Wafers W₂, der Sauerstoffabscheidungen aufweist, ohne daß Versetzungen in dem zuvor genannten Prozentsatz bei Raumtemperatur erzeugt werden, in einem Ofen, der unter Verwendung einer Lampe schnell aufgeheizt wird, die höhere Temperaturen zur erzeugen vermag, wobei zum Start des Erwärmens ein Lampenschalter eingeschaltet wird, wodurch schnell auf Temperaturen von 1100 bis 1250°C aufgeheizt wird, und im Halten des Silicium-Wafers W₂. Der Begriff "schnelles Erwärmen" bedeutet hier die Durchführung einer Wärmebehandlung bei einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit zwischen 30°C/min und 100°C/s. Das schnelle Erwärmen des Wafers durch die Bestrahlung mit Lampenlicht gestattet das gleichmäßige Erwärmen des Wafers unter Bereitstellung des Vorteils, daß sich der Wafer weniger verzieht als bei Einbringen davon in einen vorgeheizten Ofen.
Endtemperaturen, die niedriger sind als 1100°C, die durch schnelles Aufheizen erreicht werden, führen zu einem unzureichenden Verschwinden von Sauerstoffabscheidungen in der Nachbarschaft der Wafer-Oberfläche, wodurch keine ausreichende DZ gewährleistet werden kann. Außerdem führt das Überschreiten von 1250°C zum Auftreten von Versetzungen vor dem Verschwinden von Sauerstoffabscheidungen in der Nachbarschaft der Wafer-Oberfläche, wodurch keine ausreichende DZ gewährleistet werden kann. Außerdem ist die Haltezeit von weniger als 1 min zu kurz, um Sauerstoffabscheidungen in der Nachbarschaft der Wafer-Oberfläche zu schrumpfen, was dazu führt, daß die Sauerstoffabscheidungen in der Nachbarschaft der Wafer-Oberfläche unzureichend verschwinden und daß keine ausreichende DZ gewährleistet werden kann. Das Überschreiten von 2 h führt zu einer DZ mit übermäßiger Dicke und zur Beeinträchtigung der Produktivität. Vorzugsweise wird die Haltezeit auf 1 min bis 1,5 h festgelegt.
Das Belassen des Silicium-Wafers bei Raumtemperatur nach dem schnellen Erwärmen führt zur Bildung einer DZ über eine Tiefe von 1 bis 100 μm von der Wafer-Oberfläche und stellt dadurch einen Wafer mit einer BMD-Dichte von 2 × 10⁴ bis 2 × 10⁸ BMD's/cm² in einem Teilbereich bereit, der tiefer liegt als diese DZ. Dieser Wafer weist einen stärkeren IG-Effekt auf.
[BEISPIELE]
Im folgenden wird ein Beispiel für die Erfindung zusammen mit einem Vergleichsbeispiel beschrieben.
<Beispiel 1>
Bor (B)-dotierte P-Typ-Siliciumingots mit jeweils einem Durchmesser von 8 in. wurden mit einem Siliciumeinkristall-Ziehgerät gezogen. Jeder Ingot wies eine gerade Körperlänge von 1200 mm, eine Kristallorientierung von (100), einen spezifischen Widerstand von etwa 10 Ωm und eine Sauerstoffkonzentration von 1,0 × 10¹⁸ Atome/cm³ (alte ASTM) auf. Die Anzahl der Ingots betrug zwei. Sie wurden unter derselben Bedingung unter kontinuierlicher Abnahme von V/G beim Ziehen von 0,24 mm/min°C auf 0,18 mm/min°C gezüchtet. Einer der Ingots wurde, wie in 3 gezeigt, zur Überprüfung der Positionen der entsprechenden Domänen in Ziehrichtung zentral geschnitten, und der andere Ingot wurde unter Bereitstellung eines Siliciumwafers W₂, entsprechend der Position P₂ in 3, als Probe in Scheiben geschnitten. Der Wafer W₂ als Probe in diesem Beispiel enthält eine zentrale, Lehrstellen-Punktdefekt-dominierte Domäne, die der Hälfte (50%) der gesamten Wafer-Oberfläche entspricht. Die Durchführung der OSF-erzeugenden Wärmebehandlung für den Wafer W₂ führte zum Auftreten von OSF's, die breiter waren als 25% der gesamten Waferfläche, wie in 6 gezeigt, nicht in Ringform, sondern in Scheibenform im Wafer-Zentrum.
Der aus dem Ingot geschnittene und anschließend Hochglanz-polierte Wafer W₂ wurde durch Erwärmen des Wafers in einer Atmosphäre von 10% Wasserstoffgas und 90% Argongas von Raumtemperatur bis auf 1200°C mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von ungefähr 50°C/min und anschließendes Halten des Wafers bei 1200°C 90 s wärmebehandelt.
<Vergleichsbeispiel 1>
Bor (B)-dotierte p-Typ-Siliciumingots jeweils eines Durchmessers von 8 in. wurden mit dem gleichen Gerät wie in Beispiel 1 gezogen. Jeder Ingot besaß eine gerade Körperlänge, eine Kristallorientierung, einen spezifischen Widerstand und eine Sauerstoffkonzentration, entsprechend jeweils Beispiel 1. Die Anzahl der Ingots betrug zwei. Sie wurden unter der gleichen Bedingung durch Kontrolle von V/G entsprechend Beispiel 1 gezüchtet. Einer der Ingots wurde in Ziehrichtung, wie in 3 gezeigt, zur Überprüfung der Positionen der entsprechenden Domänen zentral geschnitten, und der andere Ingot wurde unter Bereitstellung eines Silicium-Wafers W₃, entsprechend Position P₃ in 3, als Probe in Scheiben geschnitten. Der Wafer W₃ als Probe bei diesem Vergleichsbeispiel enthielt keine OSF's in Scheibenform, da sich die OSF-Scheibe bei der OSF-erzeugenden Wärmebehandlung im Vergleich zu Beispiel 1 verkleinerte und verschwand. Dieser Wafer W₃ wurde entsprechend Beispiel 1 wärmebehandelt.
<Vergleichsbewertung 1>
Die Wafer des Beispiels 1 und Vergleichsbeispiels 1 wurden gereinigt, an der Wafer-Oberfläche durch Wright-Ätzmittel selektiv angeätzt und anschließend durch Beobachtung mit einem optischen Mikroskop hinsichtlich der BMD-Oberflächendichte in dem Domänenteilbereich in einer Tiefe von 350 μm von der Wafer-Oberfläche gemessen. Das Ergebnis hiervon ist in Tabelle 1 gezeigt.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, enthält der Wafer von Beispiel 1 Sauerstoffabscheidungen, die dicker sind als bei Vergleichsbeispiel 1, so daß der Wafer von Beispiel 1 einen IG-Effekt aufweist, der stärker ist als der des Wafers von Vergleichsbeispiel 1, wenn die OSF-erzeugende Wärmebehandlung durchgeführt wird. Tabelle 1

	Wärmebehandlungsbedingung			BMD-Oberflächendichte (/cm²)
	Temperatur (°C)	Zeit (sek)	Atmosphäre	BMD-Oberflächendichte (/cm²)
Beispiel 1	1200	90	H₂ 10% + Ar 90%	5,0 × 10⁵ bis 1,0 × 10⁶
Vergleichs- beispiel 1	1200	90	H₂ 10% + Ar 90%	geringer als 1,0 × 10⁴

Claims

Wärmebehandlungsverfahren für einen Silicium-Wafer, umfassend die Schritte: Ziehen eines Silicium-Einkristallingot aus einer Siliciumschmelze derart, dass das Verhältnis (V/G (mm²/min·°C)) von der Ziehgeschwindigkeit zu einem Temperaturgradienten zwischen dem zweiten kritischen Verhältnis ((V/G)₂) und einem dritten kritischen Verhältnis ((V/G)₃), gehalten wird, entsprechend der Domäne [OSF] zur Bildung von Keimen von oxidationsbedingten Stapelfehlern (OSF) ohne Erzeugung von Teilchen kristallinen Ursprungs und großen zwischengitterartigen Versetzungen, wobei V (mm/min) eine Ziehgeschwindigkeit des Ingot und G (°C/mm) ein Temperaturgradient an einer Grenzfläche zwischen dem Ingot und der Siliciumschmelze ist; Schneiden eines Silicium-Wafers aus dem Ingot, wobei der Silicium-Wafer der Typ eines Wafers ist, in dem scheibenförmige OSF in einem Bereich, der breiter ist als 25% der Gesamtfläche des Silicium-Wafers, im Zentrum des Wafers auftreten, wenn der Wafer einer Wärmebehandlung bei 1000°C ± 30°C 2 bis 5 h und anschließend bei 1130°C ± 30°C 1 bis 16 h unterzogen wird; schnelles Erwärmen des Silicium-Wafers in einer Wasserstoffgasatmosphäre oder in einer Atmosphäre, die Wasserstoffgas enthält, von Raumtemperatur bis auf 1100°C bis 1250°C mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 30°C/min bis 100°C/s und anschließendes Halten des Silicium-Wafers 1 min bis 2 h; und Belassen des erwärmten Silicium-Wafers bei Raumtemperatur unter Bildung des Silicium-Wafers, der eine Zone ohne Sauerstoffabscheidungen enthält, wobei die Zone über eine Tiefe von 1 bis 100 μm von der Waferoberfläche gebildet ist, und wobei der Silicium-Wafer Sauerstoffabscheidungen in einer Dichte von 2 × 10⁴ bis 2 × 10⁸ Abscheidungen/cm² in einem Teilbereich enthält, der tiefer liegt als diese Zone.