DE10148885A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung eines Halbleiterwafers und ein Halbleiterwafer, der durch dasselbe hergestellt wird - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Halbleiterwafers und ein Halbleiterwafer, der durch dasselbe hergestellt wird, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Wafers, der ideal zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen auf demselben durch Wäremebehandlung ist. Das Verfahren zum Entfernen von Defekten, die in einem Einkristall-Halbleiter enthalten sind, durch Wärmebehandlung des Wafers umfaßt die Schritte des Ausführens einer ersten Wärmebehandlung auf dem Wafer bei einer Temperatur gleich oder höher als 1200 DEG C und des Ausführens einer zweiten Wärmebehandlung auf dem Wafer bei einer Temperatur gleich oder niedriger als 800 DEG C. Ein Halbleiterwafer, der aus einem Einkristall-Halbleiter gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer aus einem Einkristall-Halbleiterrohling hergestellt ist, der durch Entfernen eines OiSF-Rings mittells Entfernen des OiSF-Rings aus einem Zentrum einer Einkristall-Halbleiterwachstumsachse zu einem Umfang und durch Erweitern eines ersten Bereichs und eines zweiten Bereichs gebildet ist, in dem Delta (Oi) als Sauerstoffkonzentrationsdifferenz aus einer initialen Sauerstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration nach einer Wärmebehandlung in einer N¶2¶-Atmosphäre bei 1000 DEG C 64 Stunden erheblicher vergrößert ist als andere Bereiche; daß eingewachsene Defekte aus dem Wafer durch Wärmebehandlung entfernt sind; daß Volumenmikrodefekte im Wafer gebildet sind; und daß eine defektfreie ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Halbleiterwafers und einen Halb­ leiterwafer, der durch dasselbe hergestellt wird, und ins­ besondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Wafers, der ideal zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen auf demselben durch Wärmebehandlung ist.

Im allgemeinen werden Siliziumwafer hauptsächlich durch Schwebezonen-(Fz; Fz = floating zone) oder Czochralski- (nachstehend abgekürzt als "Cz") Verfahren hergestellt, wo­ bei das Cz-Verfahren zur Siliziumwaferherstellung beliebter ist.

Unter Verwendung des Cz-Verfahrens wird ein Einkristall- Silizium-Rohling durch Plazieren von polykristallinem Sili­ zium in einen Quarztiegel aufgewachsen, wobei das polykri­ stalline Silizium durch Erwärmen mit einer Graphitheizvor­ richtung heruntergeschmolzen wird, ein Keimkristall in das heruntergeschmolzene Silizium getaucht wird, um eine Kri­ stallisation an einer dazwischen befindlichen Grenzfläche zu bewirken, und das Keimkristall hochgezogen wird, während es rotiert wird. Das Cz-Verfahren ist durch die Tatsache charakterisiert, daß während des Wachstums des Kristalls pro cm³ 10⁷ bis 10¹⁸ Sauerstoffatome als Verunreinigungen hereinströmen. Eine solche Sauerstoffverunreinigung hat ei­ nen erheblichen Einfluß auf mechanische Festigkeit, Defek­ terzeugung und dergleichen eines resultierenden Siliziumwa­ fers.

Während das Kristall aus dem heruntergeschmolzenen Silizium einer vorbestimmten Menge im Quarztiegel wächst, tritt eine Unregelmäßigkeit aufgrund einer Uneinheitlichkeit der Ver­ unreinigungsverteilung und thermischen Historiedifferenz in der Achsrichtung des Kristallwachstums aufgrund von Segre­ gation auf. Eine solche Unregelmäßigkeit oder Uneinheit­ lichkeit hat einen großen Einfluß auf die Verteilung von Kristalldefekten in einem Einkristall. Insbesondere hängen Gitterlücken-, Zwischengitter- und Defekte eines gemischten Typs von der Ziehgeschwindigkeit ab, die während des Kri­ stallwachstums verwendet wurde, und dem Temperatuigradien­ tenverhältnis an der wachsenden Grenzfläche ab.

Aufgrund der Bemühungen von Wissenschaftlern hat man her­ ausgefunden, daß Defekte des Typs gitterlückenreich und De­ fekte des Typs zwischengitterreich in einem inneren bzw. einem äußeren Bereich relativ zu einem sauerstoffinduzier­ ten Stapelfehlerring (OiSF; OiSF = Oxygen-induced Stacking Fault), der aus allgemeinen Kristallwachstumsbedingungen erzeugt wurde, besteht. Da der OiSF-Ring eine große Auswir­ kung auf den Betrieb der Halbleitervorrichtungen hat, hat man Studien vorgenommen, um zu bestimmen, ob der OiSF-Ring am besten durch Kontrahieren desselben zum Zentrum eines Rohlings oder durch Zurückschieben desselben zum Umfang des Rohlings, wenn der Kristall wächst, entfernt wird.

Leider stellen diese Verfahren ein neues Problem dar, näm­ lich daß eingewachsene Defekte resultieren, wenn der Kri­ stall wächst. Man hat berichtet, daß Einkristalle ohne De­ fekte aufgewachsen werden können durch Entfernen der einge­ wachsenen Defekte mittels Einstellen der Kristallziehge­ schwindigkeit V und des Temperaturgradientenverhältnisses G nahe einer wachsenden Grenzfläche. Dieses gemeldete Verfah­ ren des Aufwachsens von nichtdefekten Einkristallen funk­ tioniert wie folgt. Wenn eine Struktur einer heißen Zone, die in einer Wachstumseinrichtung existiert, fixiert wird, wird der Wert G ebenfalls bestimmt. Als nächstes hängt ein Wert von V/G von einer Variable V ab. Daher hängen Kri­ stalldefektverteilung in einem Rohling, Größe oder Defekt und Dichte des Defekts vom Wert V ab.

Um einen OiSF-Ring durch Kontraktion zu eliminieren, wird die Ziehgeschwindigkeit des Kristallwachstums reduziert, was in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 1 zeigt ein Röntgen- Topographie-Bild (XRT) eines vertikal geschnittenen Einkri­ stallrohlings, der durch Reduzieren einer Kristallziehge­ schwindigkeit aufgewachsen und bei einer hohen Temperatur von ungefähr 1000°C wärmebehandelt wird. Obwohl das Resul­ tat nicht zeigt, daß der OiSF-Ring vollständig köritrahiert ist, ist es möglich, den OiSF-Ring durch Kontrahieren des­ selben in die Richtung einer Wachstumsachse des Einkri­ stallrohlings vollständig zu eliminieren, vorausgesetzt, daß die Kristallziehgeschwindigkeit weiter reduziert wird. Daher kann durch ein solches Verfahren ein nicht-defekter Einkristallrohling geschaffen werden.

Leider ist es jedoch schwierig, die Sauerstoffkonzentration durch Verlangsamen der Kristallziehgeschwindigkeit zu kon­ trollieren sowie die Produktivität der Wafer durch ein sol­ ches Verfahren zu verbessern. Es besteht nämlich aufgrund der reduzierten Produktivität des Wafers und der Schwierig­ keit beim Kontrollieren der Sauerstoffkonzentration eine verringerte Fähigkeit, Metallkontaminanten zu entfernen, die typischerweise eine Begleiterscheinung der Halbleiter­ herstellung sind.

Daher haben gegenwärtige waferproduzierende Firmen eigene individuelle Verfahren entwickelt, um die eingewachsenen Defekte zu entfernen und die Getterfähigkeit, d. h. die Fä­ higkeit, Metallkontaminanten zu entfernen, geltend zu ma­ chen. Das Entfernen der eingewachsenen Defekte wird durch ein Verfahren des Siliziumkristallwachstums erreicht, das ein kombiniertes Verfahren aus dem Reduzieren der Kristall­ ziehgeschwindigkeit und einem Verbessern einer Heißzonen­ struktur zum Verbessern des G-Werts ist. Wenn die Getterfä­ higkeit geltend gemacht werden muß, wird ein externes Get­ terverfahren eingeführt. Das heißt, ein externes Getterver­ fahren, dem ein Prozeß von Webblaster- oder Poly-Back- Abdichtung hinzugefügt wird, wird gemäß den Arten der Halb­ leitervorrichtungen verwendet. In solchen Fällen steigen Waferkontamination und die Kosten zum Herstellen eines Wa­ fers aufgrund eines auf den Wafer ausgeführten Stoßes oder des Wachstums einer Schicht an.

Daher bevorzugen die meisten Waferherstellungsfirmen das innere Getterverfahren unter Verwendung von Sauerstoffkon­ zentration. Doch werden beim inneren Getterverfahren Defek­ te wie Metallverunreinigungen nicht vollständig entfernt, da der Herstellungsprozeß niedrige Temperaturen, eine Hochenergie-Ionenimplantation und eine ultramikrokritische Dimension unter 0,2 µm einführt. Folglich sind die Wafer­ herstellungsfirmen daran interessiert, einen idealen Wafer herzustellen, bei dem die Getterfähigkeit durch Entfernen von eingewachsenen Defekten sowie durch Bilden von Kernen in einem Wafer geltend gemacht wird, um einen Volumenmikro­ defekt (BMD; BMD = Bulk Micro Defect) von hoher Dichte zu schaffen.

Wenn ein Siliziumkristall im allgemeinen aufgewachsen wird, erscheinen gemäß den Kristallwachstumsbedingungen verschie­ dene Bänder. Diese Bänder sind in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 2 ist eine Tabelle von Sauerstoffkonzentrationsunter­ schieden, die in einer radialen Richtung eines Wafers durch ein Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR; FTIR = Fourier Transform Infrared Spectrometer) beobachtet wurden, wobei die Zahlen eine entsprechende Sauerstoffkon­ zentration durch ppma (ppma = parts per million atoms = Teile pro Million Atome) (neue ASTM-Basis) darstellen. In diesem Fall werden die XRT-Ergebnisse durch Verwendung der Charakteristika der unterschiedlichen Röntgen- Diffraktionsintensität gemäß dem Grad des Sauerstoffnieder­ schlags erhalten.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 gibt es verschiedene Bänder, wie z. B. D, B und C, bei denen D auf einen OiSF- Ring hinweist, und die Bereiche B und C einen großen Ein­ fluß auf Vorrichtungscharakteristika haben, die eine wich­ tige Bedeutung für die Kristallographie haben. In diesem Fall vergrößert sich Delta (Oi), das eine Differenz zwi­ schen einer initialen Sauerstoffkonzentration und der ande­ ren Sauerstoffkonzentration nach einer Wärmebehandlung ist, abrupt in den Bereichen B und C, wo ein BMD von hoher Dich­ te leicht gebildet wird. Da sie über einen solchem-BMD von hoher Dichte verfügen, können die Bereiche B und C Defekte wie Gitterlücken-Cluster unter Kristallwachstumsbedingungen aufgrund der thermischen Historie, die eine Begleiterschei­ nung des Kristallwachstums ist, aufweisen. Daher muß der Kristall bei Kristallwachstumsbedingungen aufgewachsen wer­ den, um eine Bildung von Defekten, die mit Gitterlücken- Clustern in den Bereichen B und C in Verbindung stehen, zu verhindern.

Ein Kristallwachstumsverfahren, das eingewachsene Defekte entfernt, ist ein ideales Verfahren zum Aufwachsen eines idealen Siliziumkristalls, der keine eingewachsenen Defekte in einer Weise enthält, daß ein OiSF-Ring vollständig ent­ fernt wird, indem er in der zentralen Richtung der Kri­ stallwachstumsachse geschrumpft wird, so daß Defekte, die mit Zwischengitter-Cluster, wie z. B. große Versetzungspar­ tikel (LDP; LDP = Large Dislocation Particles), in Verbin­ dung stehen, ausgeschlossen sind. Leider weisen solche Ver­ fahren technische Schwierigkeiten einschließlich der Unfä­ higkeit auf, die Kristallziehgeschwindigkeit zu beschleuni­ gen, um den OiSF-Ring zu kontrahieren, so daß die Kosten der Herstellung eines Einkristallsiliziumrohlings erheblich erhöht werden.

Anstelle des Kontrahierens eines OiSF-Rings wird daher in anderen Verfahren berichtet, daß ein innerer Bereich des OiSF-Rings am besten entfernt wird, indem er aus einem Ach­ senzentrum des Kristallwachstums zum Umfang bewegt wird, und daß eingewachsene Defekte durch eine vorbestimmte Wär­ mebehandlung entfernt werden, wodurch der BMD von hoher Dichte gebildet wird sowie die technischen Schwierigkeiten und die Erhöhung von Produktkosten, die mit dem Schrumpfen des OiSF-Rings in der zentralen Richtung in Verbindung ste­ hen, vermieden werden. Doch anstatt Bereich B und C zu bil­ den, wenn Delta (Oi) sich durch Bewegen des OiSF-Rings zum Umfang abrupt vergrößert, bildet das obige Verfahren ein­ fach einen Bereich A-über dem gesamten Wafer und entfernt die eingewachsenen Defekte durch Anwenden der vorbestimmten Wärmebehandlung. Daher kann ein Wafer mit dem BMD von hoher Dichte mit diesem Verfahren nicht erreicht werden.

Da Halbleitervorrichtungen in hohem Maße integriert sind, ist es unbedingt erforderlich, eine Schicht, die frei von einem agglomerierten Punktdefekt ist, durch Entfernen von Kristalldefekten und Metallverunreinigungen aus einer Ober­ fläche eines durch das Cz-Verfahren hergestellten Wafers zu bilden, die eine aktive Schicht ist, wo die Vorrichtungen gebildet werden. Zu diesem Zweck sind zahlreiche Studien entwickelt worden, um die defektfreie Schicht wie folgt zu bilden.

Zuerst wird ein Kristall frei von einem agglomerierten Punktdefekt in der Stufe des Kristallwachstums aufgewach­ sen. Obwohl dieses Verfahren das Entfernen von eingewachse­ nen Defekten, d. h. einem Kristallursprungsteilchen (COP; COP = Crystal Originated Particle), ermöglicht, die während des Kristallwachstums erzeugt wurden, bildet es jedoch kei­ nen BMD von hoher Dichte, um eine Schwermetallverunreini­ gung während der Herstellung von Halbleitervorrichtungen zu entfernen. Bei diesem Verfahren entstehen auch hohe Kosten bei der Waferproduktion aufgrund der technischen Schwierig­ keit beim Erhöhen der Wachstumsgeschwindigkeit von Einkri­ stallsilizium.

Zweitens wird ein schnelles thermisches Ausheilen (nachste­ hend abgekürzt als RTA = Rapid Thermal Annealing) auf einem Siliziumwafer ausgeführt, der durch willkürliche Bedingun­ gen für Kristallwachstum hergestellt wurde. Dieses zweite Verfahren ermöglicht das Entfernen von eingewachsenen De­ fekten, die während des Kristallwachstums durch RTA erzeugt wurden, und die Erzeugung von Kernen zum Bilden des BMDs von hoher Dichte zu einer vorbestimmten Dicke aus einer Wa­ feroberfläche. Dieses Verfahren führt jedoch unter Verwen­ dung des RTA von hoher Temperatur zu einer Schlupfverset­ zung aufgrund von thermischen Schäden, wobei die Schlupf­ versetzung ernsthafte Schäden am Betrieb der Vorrichtung verursacht. Wenn das RTA von hoher Temperatur für eine kur­ ze Zeit ausgeführt wird, z. B. weniger als 60 Sekunden, verfehlt dieses Verfahren vollständig das Eliminieren von eingewachsenen Defekten, die in einem aktiven Bereich einer Vorrichtung während des Kristallwachstums gebildet wurden.

Drittens wird eine aktive Schicht einer perfekten Vorrich­ tung durch Aufwachsen einer Siliziumepitaxieschicht auf ei­ nem Siliziumwafer gesichert, der durch willkürliche Prozeß­ bedingungen hergestellt wurde. Doch dieses Verfahren erhöht die Waferproduktkosten aufgrund des zusätzlichen Schritts des Aufwachsens der Epitaxieschicht, weist eine Schwierig­ keit in Verbindung mit der Notwendigkeit für einen zusätz­ lichen Schritt zum Entfernen von Defekten wie Metallverun­ reinigung und dergleichen auf und muß die Qualität der Epi­ taxieschicht stabilisieren.

Bezüglich der Wärmebehandlungsverfahren sind zumindest zwei Hauptverfahren der Wärmebehandlung bekannt. Erstens werden eingewachsene Defekte durch Wärmebehandlung in einer Was­ serstoffatmosphäre bei einer hohen Temperatur von in etwa 1200°C unter Verwendung eines vertikalen Diffusionsofens eliminiert. Zweitens werden eingewachsene Defekte durch Wärmebehandlung in einer Stickstoff- oder Argon-Atmosphäre bei einer hohen Temperatur von in etwa 1250°C unter Verwen­ dung einer RTA-Vorrichtung eliminiert.

Das erste Verfahren zum Entfernen von eingewachsenen Defek­ ten ist wirksam, bildet jedoch keinen BMD von hoher Dichte. Insbesondere wenn die Wärmebehandlung in einer reinen Was­ serstoffatmosphäre ausgeführt wird, wird eine stufenartige Terrassenstruktur auf einer Oberfläche des Wafers erzeugt. Obwohl nicht klar ist, wie solche Oberflächencharakteristi­ ka die Vorrichtungscharakteristika beeinflussen, glaubt man, daß eine Makrorauhigkeit und keine Mikrorauhigkeit durch die Oberflächencharakteristika beeinträchtigt wird.

Das zweite Verfahren ermöglicht, daß der BMD von hoher Dichte leicht gebildet werden kann, doch erzeugt es die Schlupfversetzung aufgrund thermischer Schäden während der Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von über 1000°C, die des RTAs wegen vorgenommen wurde. Zusätzlich weist der Prozeß Schwierigkeiten, wie z. B. Verwerfung, Durchbiegen eines Wafers und dergleichen, auf und wird häufig mechani­ schen Schäden bei einem Reibungspunkt zwischen einer Pro­ benhalterung und einer Probe unterzogen. Das zweite Verfah­ ren entfernt zudem aufgrund der kurzen Prozeßzeit von weni­ ger als 100 Sekunden die eingewachsenen Defekte nicht voll­ ständig, wodurch ein Teil der eingewachsenen Defekte in ei­ ner aktiven Schicht einer Vorrichtung verbleibt.

Folglich ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Behandeln eines Halbleiterwafers und auf einen Halblei­ terwafer gerichtet, der durch die Verfahren hergestellt wird, die im wesentlichen eines oder mehrere der Probleme aufgrund von Einschränkungen und Nachteilen des Stands der Technik beseitigen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Wafers zu schaffen, das thermische Schäden aufgrund einer Wärmebehandlung von hoher Temperatur vermeidet und eingewachsene Defekte vollständig eliminiert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen hochqualita­ tiven Wafer frei von eingewachsenen Defekten, die die Aus­ beute einer Halbleitervorrichtung beeinflussen, und von Prozeßverunreinigungen zu schaffen, wobei der BMD in einer aktiven Schicht einer Vorrichtung existiert.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß den Ansprü­ chen 1, 8 und 17 sowie einen Halbleiter-Wafer gemäß den An­ sprüchen 9 und 14 gelöst.

Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und teilweise aus der Beschreibung hervorgehen oder können durch Praktizieren der Erfindung in Erfahrung gebracht werden. Die Ziele und wei­ teren Vorteile der Erfindung werden realisiert und durch die Struktur, auf die insbesondere in der schriftlichen Be­ schreibung und den hierin enthaltenen Ansprüchen sowie den anhängigen Zeichnungen hingewiesen wird, erhalten.

Um diese und andere Vorteile zu erreichen und gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung, die dargestellt und aus­ führlich beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Wafers und zum Ent­ fernen von Defekten, die in Einkristall-Halbleitern enthal­ ten sind, gerichtet. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Ausführens einer ersten Wärmebehandlung am Wafer bei einer Temperatur gleich oder höher als 1200°C und des Ausführens einer zweiten Wärmebehandlung am Wafer bei einer Temperatur gleich oder niedriger als 800°C.

Bei einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterwafers gerich­ tet, der die Schritte des Herstellens eines Einkristall- Halbleiterrohlings durch Entfernen eines OiSF-Rings mittels Entfernen des OiSF-Rings aus einem Zentrum einer Einkri­ stall-Halbleiterwachstumsachse zu einem Umfang und durch Erweitern eines ersten Bereichs und eines zweiten Bereichs umfaßt, in dem Delta (Oi) als Sauerstoffkonzentrationsdif­ ferenz aus der initialen Sauerstoffkonzentration und der Sauerstoffkonzentration nach der Wärmebehandlung in einer N₂-Atmosphäre bei 1000°C für 64 Stunden erheblicher vergrö­ ßert wird als andere Bereiche. Das Verfahren umfaßt des weiteren die Schritte des Schaffens eines Wafers durch In- Scheiben-Schneiden des Einkristall-Halbleiterrohlings, des Ausführens einer ersten Wärmebehandlung am Wafer bei einer Temperatur gleich oder höher als 1200°C und des Ausführens einer zweiten Wärmebehandlung am Wafer durch schnelles thermisches Ausheilen bei einer Temperatur gleich oder niedriger als 800°C.

Bei einem weiteren Aspekt ist ein Halbleiterwafer, der aus einem Einkristallhalbleiter der vorliegenden ErfifEdung her­ gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer aus einem Einkristallhalbleiterrohling hergestellt wird, der durch Entfernen eines OiSF-Rings mittels Bewegen des 0iSF- Rings aus einem Zentrum einer Einkristallhalbleiterwachs­ tumsachse zu einem Umfang und durch Erweitern eines ersten Bereichs und eines zweiten Bereichs gebildet ist, in dem Delta (Oi) als die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz aus der initialen Sauerstoffkonzentration und der Sauerstoff­ konzentration nach der Wärmebehandlung in einer N₂- Atmosphäre bei 1000°C für 64 Stunden erheblicher vergrößert wird als andere Bereiche; daß eingewachsene Defekte aus dem Wafer durch Wärmebehandlung entfernt werden; daß Volumen­ mikrodefekte im Wafer gebildet werden; und daß eine defekt­ freie Schicht aus einer Oberfläche des Wafers zu einer vor­ bestimmten Tiefe gebildet wird.

Bei einem weiteren Aspekt ist ein epitaxialer Halbleiterwa­ fer der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer aus einem Einkristall-Halbleiterrohling herge­ stellt wird, der durch Entfernen eines OiSF-Rings mittels Entfernen des OiSF-Rings aus einem Zentrum einer Einkri­ stall-Halbleiterwachstumsachse zu einem Umfang und durch Erweitern eines ersten Bereichs und eines zweiten Bereichs gebildet ist, bei dem Delta (Oi) als die Sauerstoffkonzen­ trationsdifferenz aus der initialen Sauerstoffkonzentration und der Sauerstoffkonzentration nach der Wärmebehandlung in einer N₂-Atmosphäre bei 1000°C für 64 Stunden erheblicher vergrößert wird als andere Bereiche; daß eingewachsene De­ fekte aus dem Wafer durch die Wärmebehandlung entfernt wer­ den; daß Volumenmikrodefekte im Wafer gebildet werden; daß eine defektfreie Schicht aus einer Oberfläche des Wafers zu einer vorbestimmten Tiefe gebildet wird; und daß eine Epi­ taxieschicht auf einer oberen Oberfläche des Wafers gebil­ det wird.

Bei einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Aufwachsen eines Rohlings gerichtet, der die Schritte des Beschleunigens einer Geschwindigkeit zum Aufwachsen aus einem heruntergeschmolzenen Silizium zu ei­ nem Einkristall-Siliziumrohling, des Beibehaltens einer Temperaturgradientenverteilung aus einem zentralen Teil zu einem Umfangsteil des Rohlings bei einer wachsenden Grenz­ fläche zwischen dem heruntergeschmolzenen Silizium und dem Rohling, der durch Kristallisation aufgewachsen wurde, des Bildens eines OiSF-Rings am Umfangsteil oder des Entfernens des OiSF-Rings durch Bewegen des OiSF-Rings aus einem Zen­ trum einer Einkristall-Halbleiterwachstumsachse zu einem Umfang und des Erweiterns eines Bereichs umfaßt, in dem Delta (Oi) erheblich vergrößert wird, indem dasselbe mit dem von anderen Bereichen verglichen wird, wobei Delta (Oi) eine Differenz aus der initialen Sauerstoffkonzentration und der Sauerstoffkonzentration nach der Wärmebehandlung mit einer vorbestimmten thermischen Historie ist.

Es sollte klar sein, daß sowohl die vorhergehende allgemei­ ne Beschreibung als auch die nachstehende ausführliche Be­ schreibung beispielhaften und erläuternden Charakter haben und eine weitere Erläuterung der anspruchsmäßigen Erfindung vorsehen sollen.

Die beigefügten Zeichnungen, die enthalten sind, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu schaffen, und die in dieser Anmeldung aufgenommen sind und einen Teil dieser darstellen, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Er­ findung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklä­ rung des Prinzips der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein XRT-Bild eines vertikal geschnittenen Einkri­ stallrohlings, der bei einer hohen Temperatur von in etwa 1000°C für 64 Stunden bei einer N₂- Atmosphäre unter willkürlichen Bedingungen des Kristallwachstums wärmebehandelt wird;

Fig. 2 ein Ergebnis der Sauerstoffkonzentrationsdiffe­ renz, die in einer radialen Richtung eines Wafers durch das FTIR-Spektrometer beobachtet wurde; und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Siliziumwafers ge­ mäß der vorliegenden Erfindung.

Es wird nun ausführlich auf die bevorzugten Ausführungsbei­ spiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele derselben in den beigefügten Zeichnungen darge­ stellt sind.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Her­ stellen eines Rohlings durch vollständiges Entfernen eines OiSF-Rings aus einem Zentrum einer Einkristall- Wachstumsachse zu einem Umfang während des Einkristall- Wachstums und Erweitern der Bereiche B und C, durch Ausfüh­ ren einer ersten Wärmebehandlung an einem Wafer, der aus dem Rohling bei hoher Temperatur hergestellt wurde, und durch Ausführen einer zweiten Wärmebehandlung von RTA bei niedrigerer Temperatur gerichtet.

Um einen Wafer von hoher Qualität herzustellen, ermöglicht die vorliegende Erfindung das Entfernen von problemverursa­ chenden eingewachsenen Defekten, während sie die BMD-Dichte zum Verbessern der Getterfähigkeit schafft.

Verschiedene Bänder, die aus eingewachsenen Defekten wäh­ rend des Kristallwachstums und dem Niederschlag von Sauer­ stoff erzeugt wurden, sind hauptsächlich das Ergebnis der thermischen Historie, die größtenteils von einer thermi­ schen heißen Zone eines Kristallwachstumsofens abhängt. Aufgrund der eingewachsenen Defekte und des Sauerstoffnie­ derschlags hängen die verschiedenen Bänder nämlich vom Tem­ peraturgradienten um eine wachsende Grenzfläche zwischen einem heruntergeschmolzenen Silizium und einem Siliziumroh­ ling während des Kristallwachstums und den Kühlbedingungen des Rohlings, der durch das Kristallwachstum hergestellt wurde, ab.

Gemäß den nachfolgenden Schritten wird bei der vorliegenden Erfindung ein OiSF-Ring vollständig aus einem Zentrum einer Einkristall-Wachstumsachse zu einem Umfang während des Ein­ kristallwachstums entfernt und die Bereiche B und C zum einfachen Bilden des BMDs von hoher Dichte erweitert, wo­ durch ein Einkristallsilizium gebildet wird.

Zuerst wird die Abkühlungsrate eines Rohlings, der durch Kristallisation aufgewachsen wurde, durch Verringern der Wärme, die aus dem heruntergeschmolzenen Silizium zum kri­ stallisierenden Rohling geleitet wird, beschleunigt. Zudem wird die Verteilung des Temperaturgradienten um eine wach­ sende Grenzfläche zwischen dem heruntergeschmolzenen Sili­ zium und dem kristallisierenden Rohling vom Zentrum zum Um­ fang des Rohlings einheitlich beibehalten. Durch Beschleu­ nigen der Wachstumsgeschwindigkeit eines Rohlings wird der OiSF-Ring erweitert, um an einem Umfang angeordnet zu wer­ den, oder vollständig entfernt, indem er aus dem Zentrum einer Einkristallwachstumsachse zum Umfang zurückgeschoben wird. Der OiSF-Ring wird entfernt, indem er aus einem Zen­ trum einer Einkristall-Halbleiter-Wachstumsachse zu einem Umfang bewegt wird und durch Erweitern des Bereichs B und des Bereichs C, von denen Delta (Oi) als die Sauerstoffkon­ zentrationsdifferenz aus der initialen Sauerstoffkonzentra­ tion und der Sauerstoffkonzentration nach der Wärmebehand­ lung in einer N₂-Atmosphäre bei 1000°C für 64 Stunden er­ heblicher vergrößert wird als andere Bereiche. In diesem Fall sind die Bereiche B und C gebildet, um 20 bis 90% ei­ nes Rohlingdurchmessers zu betragen.

Sobald der OiSF-Ring-erweitert ist, um an einem Umfang an­ geordnet zu werden, oder durch Zurückschieben aus dem Zen­ trum einer Einkristall-Wachstumsachse zum Umfang entfernt wird, sind die eingewachsenen Defekte, wie z. B. das COP, sehr klein. Der Siliziumrohling wird dann hergestellt, so daß die Bereiche B und C auf 20 bis 90% des Durchmessers eines Wafers erweitert sind und keinen Defekt in Verbindung mit Gitterlücken-Clustern, sondern Mikrodefekte aufweisen, bei denen der BMD von hoher Dichte einfach in den Bereichen B und C gebildet ist. Dann wird der Rohling in Scheiben ge­ schnitten, um einen Wafer herzustellen.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Siliziumwafers, der durch Schneiden eines Rohlings gebildet ist, der durch das vorstehende Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aufgewachsen wurde, bei dem ein OiSF-Ring auf einem Um­ fangsteil eines Wafers als Bereich D existiert, und die Be­ reiche B und C erweitert sind, um den gesamten Wafer außer dem Umfang abzudecken.

Um eine defektfreie Schicht zu bilden, wo elektronische Schaltungsvorrichtungen auf dem Wafer gebildet werden, der durch das vorstehende Verfahren hergestellt wurde, um ein­ gewachsene Defekte und Metallverunreinigungen gleichzeitig aus demselben zu entfernen, werden die eingewachsenen De­ fekte durch einen Vertikal-Diffusionsofen-Prozeß und Nie­ dertemperatur-RTA vollständig entfernt, und eine BMD- Schicht wird zur vorbestimmten Dicke des Wafers zum Gel­ tendmachen der Getterfähigkeit gebildet, die in der nach­ stehenden Beschreibung ausführlich erklärt ist.

Ein Wafer wird 20 Minuten bis 3 Stunden bei einer hohen Temperatur von über 1200°C wärmebehandelt, was als erster Wärmebehandlungsschritt bezeichnet wird. Die Atmosphäre des ersten Wärmebehandlungsschritts ist eine von Wasserstoff­ gas, Edelgas, Mischgas aus Wasserstoff und Edelgas und Mischgas aus Sauerstoff und Edelgas. Der Fluß von Edelgas reicht von 2 bis 50 slm, während der von Mischgas ebenfalls von 2 slm bis 50 slm reicht. Die Rate des Temperaturan­ stiegs auf eine Wärmebehandlungsprozeß-Temperatur liegt zwischen 5 und 100°C/min. Die Abkühlungsrate nach dem er­ sten Wärmebehandlungsschritt reicht von 5 bis 100°C/min.

Der Wafer, der dem ersten Wärmebehandlungsschritt unterzo­ gen wurde, wird bei einer Temperatur gleich oder niedriger als in etwa 800°C durch Niedertemperatur-RTA wärmebehan­ delt; dies wird als zweiter Wärmebehandlungsschritt be­ zeichnet. Die Atmosphäre des zweiten Wärmebehandlungs­ schritts ist eine von Stickstoffgas, Wasserstoffgas, Misch­ gas aus Stickstoff und Edelgas und Mischgas aus Wasserstoff und Edelgas. Es wird bevorzugt, den zweiten Wärmebehand­ lungsschritt für einen Zeitraum, der gleich oder weniger als 2 Minuten ist, auszuführen.

Nach dem ersten und zweiten Wärmebehandlungsschritt werden die eingewachsenen Defektes aus einem aktiven Bereich des Wafers entfernt, und der BMD von hoher Dichte wird bei ei­ ner vorbestimmten Tiefe aus einer Waferoberfläche gebildet, um Metallverunreinigungen zu eliminieren, wodurch eine de­ fektfreie Schicht aus der Oberfläche des Wafers zu einer vorbestimmten Tiefe gesichert wird.

Dann wird ein Wafer für Halbleitervorrichtungen durch Auf­ wachsen einer ein bis 20 µm dicken Epitaxieschicht auf dem Wafer geschaffen, der eine defektfreie Schicht auf demsel­ ben aufweist. Die Epitaxieschicht, die 1 bis 20 µm dick auf dem Wafer gebildet ist, auf dem die defektfreie Schicht ge­ sichert ist, ist für eine Verwendung als Wafer für Halblei­ tervorrichtungen geeignet. Es ist wünschenswert, daß die erste Wärmebehandlung, die oben erklärt wurde, auf dem epi­ taxialen Halbleiterwafer für 20 Minuten bis 3 Stunden aus­ geführt wird, und die zweite Wärmebehandlung, die oben er­ klärt wurde, auf dem Wafer durch RTA für einen Zeitraum gleich oder weniger als 2 Minuten ausgeführt wird.

Folglich ermöglicht die vorliegende Erfindung, daß einge­ wachsene Defekte nahezu oder vollständig eliminiert werden, um die Bereiche B und C durch Verkleinern der eingewachse­ nen Defekte, wie z. B. das COP, mittels Herausziehen eines OiSF-Rings aus dem Zentrum einer Einkristall-Wachstumsachse zu einem Umfang derselben und durch Ausführen einer Wärme­ behandlung auf einem Wafer zu erweitern, der aus einem Roh­ ling hergestellt wurde, der keinen Defekt in Verbindung mit einem Gitterlücken-Cluster im Inneren, sondern Mikrodefekte aufweist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ebenfalls, daß eine defektfreie Schicht auf einer Oberfläche eines Wa­ fers gebildet wird durch Entfernen der Metallverunreinigung mittels Bilden des BMD von hoher Dichte durch RTA auf dem Wafer, der aus einem Kristallrohling hergestellt wurde, in dem die Bereiche B und C erweitert sind, wodurch ein Wafer geschaffen wird, bei dem eingewachsene Defekte und Metall­ verunreinigung gleichzeitig entfernt werden.

Außerdem ermöglicht das Verfahren des Ausführens der Wärme­ behandlung auf einem Halbleiterwafer gemäß der vorliegenden Erfindung, daß eine Schlupfversetzung durch Ausführen des Niedertemperatur-RTAs unter 800°C verhindert wird.

Claims (19)

1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wafers, um Defek­ te, die in einem Einkristall-Halbleiter enthalten sind, zu entfernen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ausführen einer Wärmebehandlung auf dem Wafer bei ei­ ner Temperatur gleich oder höher als 1200°C; und
Ausführen einer zweiten Wärmebehandlung auf dem Wafer bei einer Temperatur gleich oder niedriger als 800°C.

2. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wafers gemäß An­ spruch 1, bei dem die erste Wärmebehandlung für eine Zeitdauer von 20 Minuten bis 3 Stunden ausgeführt wird.

3. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wafers gemäß An­ spruch 1, bei dem die erste Wärmebehandlung bei einer Atmosphäre von einer von Wasserstoff, Edelgas, einem ersten Mischgas aus Wasserstoff und Edelgas und einem zweiten Mischgas aus Sauerstoff und Edelgas ausgeführt wird.

4. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wafers gemäß An­ spruch 1, bei dem ein Fluß des Edelgases, des ersten Mischgases und des zweiten Mischgases von 2 bis 50 slm reicht.

5. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wafers gemäß An­ spruch 1, bei dem eine Temperaturerhöhungsrate bei der ersten Wärmebehandlung von 5 bis 100°C/min und eine Abkühlungsrate nach der ersten Wärmebehandlung von 5 bis 100°C/min ist.

6. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wafers gemäß An­ spruch 1, bei dem die zweite Wärmebehandlung für 2 Mi­ nuten oder weniger ausgeführt wird.

7. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wafers gemäß An­ spruch 1, bei dem der Wafer aus Silizium gemacht ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterwafers, das nachfolgende Schritte aufweist:
Herstellen eines Einkristall-Halbleiterrohlings durch Entfernen eines OiSF-Rings mittels Entfernen des OiSF- Rings aus einem Zentrum einer Einkristall- Halbleiterwachstumsachse zu einem Umfang und durch Er­ weitern eines ersten Bereichs und eines zweiten Be­ reichs, in dem Delta (Oi) als eine Sauerstoffkonzen­ trationsdifferenz aus einer initialen Sauerstoffkon­ zentration und einer Sauerstoffkonzentration nach ei­ ner Wärmebehandlung in einer N₂-Atmosphäre bei 1000°C für 64 Stunden erheblicher vergrößert wird als alle anderen Bereiche;
Schaffen eines Wafers durch In-Scheiben-Schneiden des Einkristall-Halbleiterrohlings;
Ausführen einer ersten Wärmebehandlung auf dem Wafer bei einer Temperatur gleich oder höher als 1200°C;
Ausführen einer zweiten Wärmebehandlung auf dem Wafer durch schnelles thermisches Ausheilen bei einer Tempe­ ratur gleich oder niedriger als 800°C.

9. Halbleiterwafer, der aus einem Einkristall-Halbleiter gefertigt ist,
bei dem der Wafer aus einem Einkristall- Halbleiterrohling hergestellt ist, der durch Entfernen eines OiSF-Rings mittels Entfernen des OiSF-Rings aus einem Zentrum einer Einkristall- Halbleiterwachstumsachse zu einem Umfang und durch Er­ weitern eines ersten Bereichs und eines zweiten Be­ reichs gebildet ist, in dem Delta (Oi) als Sauerstoff­ konzentrationsdifferenz aus einer initialen Sauer­ stoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration nach einer Wärmebehandlung in einer N₂-Atmosphäre bei 1000°C für 64 Stunden erheblicher vergrößett ist als alle anderen Bereiche, wobei eingewachsene Defekte aus dem Wafer durch Wärmebehandlung entfernt werden, wobei Volumenmikrodefekte in dem Wafer gebildet sind, und wobei eine defektfreie Schicht aus einer Oberfläche des Wafers zu einer vorbestimmten Tiefe gebildet ist.

10. Halbleiterwafer gemäß Anspruch 1, bei dem der erste Bereich und der zweite Bereich, in dem Delta (Oi) er­ heblich vergrößert ist, auf 20 bis 90% eines Wafer­ durchmessers erweitert ist.

11. Halbleiterwafer gemäß Anspruch 9, bei dem die defekt­ freie Schicht zu einer Dicke von 10 bis 100 µm aus der Oberfläche gebildet ist.

12. Halbleiterwafer gemäß Anspruch 1, bei dem eine erste Wärmebehandlung auf dem Wafer bei einer Temperatur gleich oder höher als 1200°C ausgeführt wird und an­ schließend eine zweite Wärmebehandlung auf dem Wafer durch schnelles thermisches Ausheilen bei einer Tempe­ ratur gleich oder niedriger als 800°C ausgeführt wird.

13. Halbleiterwafer gemäß Anspruch 9, bei dem der Halblei­ terwafer ein Siliziumwafer ist.

14. Epitaxialer Halbleiterwafer, bei dem der Wafer aus einem Einkristall- Halbleiterrohling hergestellt ist, der durch Entfernen eines OiSF-Rings mittels Bewegen des OiSF-Rings aus einem Zentrum einer Einkristall- Halbleiterwachstumsachse zu einem Umfang und durch Er­ weitern eines ersten Bereichs und eines zweiten Be­ reichs gebildet ist, in dem Delta (Oi) als Sauerstoff­ konzentrationsdifferenz zwischen einer initialen Sau­ erstoffkonzentration und einer Sauerstoffkonzentration nach einer Wärmebehandlung in N₂-Atmosphäre bei 1000°C für 64 Stunden erheblicher vergrößert ist als andere Bereiche, bei dem eingewachsene Defekte aus dem Wafer durch Wärmebehandlung entfernt sind, bei dem Volumen­ mikrodefekte im Wafer gebildet sind, bei dem eine de­ fektfreie Schicht aus einer Oberfläche des Wafers zu einer vorbestimmten Tiefe gebildet ist und bei dem ei­ ne Epitaxieschicht auf einer oberen Oberfläche des Wa­ fers gebildet ist.

15. Epitaxialer Halbleiterwafer gemäß Anspruch 14, bei dem die Epitaxieschicht 1 bis 20 µm dick gebildet ist.

16. Epitaxialer Halbleiterwafer gemäß Anspruch 14, bei dem eine erste Wärmebehandlung auf dem epitaxialen Halb­ leiterwafer für 20 Minuten bis 3 Stunden ausgeführt wird und eine zweite Wärmebehandlung auf dem Wafer durch schnelles thermisches Ausheilen für einen Zeit­ raum gleich oder weniger als 2 Minuten ausgeführt wird.

17. Verfahren zum Aufwachsen eines Kristallrohlings, das nachfolgende Schritte aufweist:
Beschleunigen einer Geschwindigkeit zum Aufwachsen aus einem heruntergeschmolzenen Silizium zu einem Einkri­ stall-Siliziumrohling;
Beibehalten einer Temperaturgradientenverteilung aus einem zentralen Teil zu einem Umfangsteil des Rohlings an einer wachsenden Grenzfläche zwischen dem herunter­ geschmolzenen Silizium und dem Rohling, der durch Kri­ stallisation aufgewachsen wurde;
Bilden eines OiSF-Rings an einem Umfangsteil durch Be­ wegen des OiSF-Rings aus einem Zentrum einer Einkri­ stall-Halbleiterwachstumsachse zu einem Umfang; und
Erweitern eines Bereichs, in dem Delta (Oi) erheblich vergrößert ist im Vergleich zu dem der anderen Berei­ che, bei dem das Delta (Oi) eine Differenz zwischen einer initialen Sauerstoffkonzentration und einer Sau­ erstoffkonzentration nach einer Wärmebehandlung mit einer vorbestimmten thermischen Historie ist.

18. Verfahren des Aufwachsens eines Rohlings gemäß An­ spruch 17, bei dem die Wärmebehandlung mit der vorbe­ stimmten thermischen Historie bei 1000°C für 64 Stun­ den in einer N₂-Atmosphäre ausgeführt wird.

19. Verfahren zum Aufwachsen eines Rohlings gemäß Anspruch 17, bei dem der Bereich, in dem Delta (Oi) erheblich vergrößert ist, gebildet ist, um 20 bis 90% des Durch­ messers des Rohlings zu belegen.