DE102004021113B4 - SOI-Scheibe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

SOI-Scheibe umfassend eine einkristalline Siliciumschicht mit einer Dicke von weniger als 500 nm, die über eine elektrisch isolierende Schicht mit einer Trägerscheibe verbunden ist oder die mit einer elektrisch isolierenden Trägerscheibe verbunden ist, wobei im gesamtem Volumen der Siliciumschicht ein Überschuss an interstitiellen Silicium-Atomen vorherrscht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine SOI-Scheibe sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung durch Übertragung einer Siliciumschicht von einer Donorscheibe auf eine Trägerscheibe.
  • SOI-Scheiben („silicon on insulator") werden in der Regel durch Übertragung einer Siliciumschicht von einer so genannten Donorscheibe auf eine Trägerscheibe (engl. „handle wafer" oder „base wafer") hergestellt. Verfahren zur Herstellung von SOI-Scheiben mittels Übertragung einer Siliciumschicht sind beispielsweise unter den Namen Smart Cut® ( EP 5533551 A1 ) oder Genesis Process® bekannt. Ein weiteres Verfahren ist in WO 03/003430 A2 beschrieben. SOI-Scheiben umfassen eine Trägerscheibe und eine damit verbundene Silicium-Deckschicht, die die so genannte aktive Schicht darstellt, die für die Herstellung von elektronischen Bauelementen vorgesehen ist. Entweder besteht die komplette Trägerscheibe aus einem elektrisch isolierenden Material wie Glas oder Saphir oder die Silicium-Deckschicht ist über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht, beispielsweise bestehend aus Siliciumoxid (in diesem Fall wird die Zwischenschicht als „buried oxide layer", BOX, bezeichnet), mit der Trägerscheibe verbunden. Im letzteren Fall muss die Trägerscheibe kein Isolator sein, es kann sich beispielsweise um eine Halbleiterscheibe, vorzugsweise eine Siliciumscheibe handeln.
  • An die Silicium-Deckschicht werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Beispielsweise soll die Deckschicht keine so genannten HF-Defekte aufweisen. Dabei handelt es sich um „Löcher" in der Deckschicht, die unter anderem dadurch entstehen können, dass die von der Donorscheibe übertragene Schicht COPs („crystal originated particles";
    enthält, die eine kritische Größe überschreiten. Bei einer Behandlung der Deckschicht mit wässriger Flusssäure-Lösung (HF) kann diese durch die Löcher zur Siliciumoxidschicht vordringen und diese lokal auflösen. Das Vorhandensein von HF-Defekten beeinträchtigt die Funktion von Bauelementen, die auf der Deckschicht hergestellt werden (A. J. Auberton-Hervé, T. Barge, F. Metral, M. Bruel, B. Aspar, H. Moriceau, The Electrochem. Soc. PV98-1 (1998) 1341).
  • Generell treten in Siliciumscheiben folgende Defektarten auf, die auf die Anwesenheit von Punktdefekten, d. h. Vakanzen oder interstitiellen Siliciumatomen zurückzuführen sind:
    Agglomerate von Vakanzen werden je nach Präparations- oder Detektionsmethode als „Flow Pattern Defects" (FPDs), „Gate Oxide Integrity (GOI) Defects" oder „Crystal Originated Particles" (COPs) bezeichnet (D. Gräf, M. Suhren, U. Lambert, R. Schmolke, A. Ehlert, W. v.Ammon, P. Wagner, J. Electrochem. Soc. 145 (1998) 275).
  • Im vakanzenreichen Gebiet, in dem die Vakanzen nicht agglomerieren, bilden sich zusätzlich oxidationsinduzierte Stapelfehler („Oxidation Induced Stacking Faults", OSF), da nicht-agglomerierte Vakanzen die Oxidation begünstigen (G. Kissinger, J. Vanhellemont, U. Lambert, D. Gräf, E. Dornberger, H. Richter; J. Electrochem. Soc. 145 (1998) L75). Die Bildung der OSF-Keime sowie die Größe der OSF nehmen mit dem Sauerstoffgehalt der Siliciumscheibe zu. Daher ist bei Verwendung von vakanzenreichen perfekten Siliciumscheiben zusätzlich ein niedriger Sauerstoffgehalt erforderlich, um diese für die SOI-Scheiben schädlichen Defekte zu vermeiden. Um dies zu erreichen, muss ein aufwändiges Ziehverfahren, beispielsweise unter Einsatz eines Magnetfelds angewendet werden. Unter perfekten Siliciumscheiben versteht man Scheiben, die ganzflächig aus einer so genannten neutralen Region bestehen, in der Punktdefekte (Vakanzen und/oder interstitielle Siliciumatome) vorhanden sind, in der aber keine Agglomeration dieser Punktdefekte auftritt.
  • Leerstellen-Agglomerate und OSF-Defekte führen zu Löchern in der Silicium-Deckschicht einer SOI-Scheibe bzw. zu einer Verringerung der effektiven Schichtdicke und damit an diesen Stellen zu einem Ausfall der entsprechenden Bauelemente.
  • Agglomerate von interstitiellen Siliciumatomen führen in Siliciumkristallen zu Versetzungsschleifen mit Ausdehnungen von mehreren Mikrometern (R. Schmolke, W. Angelberger, W. von Ammon, H. Bender, Solid State Phenomena Vols. 82–84 (2002) 231), was sich ebenfalls negativ auf die Funktion von dort hergestellten Bauelementen auswirkt.
  • Um die Probleme zu minimieren, die sich bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen auf der Silicium-Deckschicht einer SOI-Scheibe aus den verschiedenen genannten Defekten ergeben, werden als Donorscheiben in der Regel epitaktisch beschichtete Siliciumscheiben (R. Schmolke, D. Gräf, The Electrochem. Soc. PV99-1 (1999) 386) oder so genannte perfekte Siliciumscheiben (engl. „perfect silicon wafer", siehe US 6342725 B2 eingesetzt.
  • Insbesondere von epitaktisch beschichteten Scheiben ist bekannt, dass sie hervorragende Materialeigenschaften mit niedrigen Defektdichten aufweisen. Daher werden epitaktisch beschichtete Scheiben für besonders anspruchsvolle Bauelemente-Anwendungen eingesetzt (S. S. Kim, W. Wijaranakula, J. Electrochem. Soc. 141, (1994) 1872).
  • Die Verwendung von epitaktisch beschichteten Siliciumscheiben als Donorscheiben bringt folgende Nachteile mit sich: Nach der Übertragung der Siliciumschicht auf die Trägerscheibe wird die Donorscheibe in der Regel mehrfach wieder verwendet, um eine möglichst kostengünstige Herstellung der SOI-Scheiben zu ermöglichen. Wird eine epitaktisch beschichtete Siliciumscheibe als Donorscheibe eingesetzt, muss entweder vor der ersten Verwendung eine sehr dicke epitaktische Schicht abgeschieden werden oder es muss nach jeder Verwendung als Donorscheibe wieder eine neue epitaktische Abscheidung durchgeführt werden. Beide Möglichkeiten sind mit hohem Aufwand verbunden und daher unwirtschaftlich. Außerdem weisen epitaktisch beschichtete Siliciumscheiben strukturelle Defekte wie Hillocks, Spikes und Epi Stacking Faults auf (F. Passek, R. Schmolke, U. Lambert, G. Puppe, P. Wagner, The Electrochem. Soc. PV97-22 (1997) 40), die zu Problemen beim Verbinden (engl. „bonding") der Donorscheibe mit der Trägerscheibe führen.
  • US 6492682 B1 beschreibt die Verwendung von Donorscheiben, die vor dem Verbinden mit der Trägerscheibe einer thermischen Behandlung unterworfen wurden, um vorhandene Leerstellen-Agglomerate an der Scheibenoberfläche auszuheilen.
  • In EP 1170405 A1 und US 6342725 B2 ist die Verwendung von Donorscheiben beschrieben, die aus Einkristallen stammen, die mittels des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski (im Folgenden als CZ-Verfahren bezeichnet) hergestellt wurden. Die Parameter des CZ-Verfahrens werden so gewählt, dass der resultierende Einkristall eine so genannte neutrale Region aufweist, in der zwar Punktdefekte (Vakanzen oder interstitielle Siliciumatome) vorhanden sind, in der aber keine Agglomeration dieser Punktdefekte auftritt. Trotzdem weisen auch perfekte Siliciumscheiben potentiell kleine Leerstellen-Agglomerate auf.
  • Um einen perfekten Silicium-Einkristall herzustellen, der keine agglomerierten Punktdefekte aufweist, muss während des CZ-Verfahrens die Bedingung v/G = (v/G)crit (1) eingehalten werden, wobei v die Ziehgeschwindigkeit und G der axiale Temperaturgradient an der Kristallisationsfront ist. (v/G)crit = 1, 3 × 10–3 cm2/(K × min) ist ein aus Simulationsrechnungen abgeleiteter (T. Mori, T. Sinno, R. Brown, The Electrochem. Soc. PV99-1 (1999) 425) und empirisch bestätigter Wert dieses Quotienten, bei dessen Einhaltung keine agglomerierten Punktdefekte generiert werden, so dass sog. „perfektes" Material hergestellt werden kann. Dies ist in DE 4414947 A1 beschrieben. Somit steht beim Kristallziehen nur ein extrem enges Prozessfenster zur Verfügung. Dieses enge Prozessfenster führt zu niedrigen Ausbeuten beim CZ-Verfahren und erfordert außerdem aufwändige Testverfahren, um sicherzustellen, dass die Kristallqualität den benötigten Anforderungen entspricht. Dabei besteht ferner eine starke Tendenz, dass zumindest das radiale Defektverhalten inhomogen ist. Dies bedeutet, dass in einer Siliciumscheibe sowohl vakanzenreiche Bereiche (mit potentiellen OSF-Defekten) als auch Bereiche mit interstitiellen Siliciumatomen auftreten.
  • Ein anderer Ansatz, die Defekte in Donorscheiben möglichst klein zu halten und Defektdichten zu reduzieren, besteht in der Verwendung von vakanzenreichen Kristallen mit Stickstoff als Co-Dotierung (D. Gräf, M. Suhren, U. Lambert, R. Schmolke, A. Ehlert, W. v. Ammon, P. Wagner, The Electrochem. Soc. Proc. Vol. 96–13 (1996) 117). Durch die Co-Dotierung mit Stickstoff können die in vakanzenreichen Kristallen vorhandenen Vakanzenagglomerate im Größenwachstum unterdrückt werden und damit der schädliche Einfluss auf die SOI-Strukturen verringert werden ( EP 969505 A2 ). Allerdings führen auch kleine Leerstellenagglomerate zu negativen Auswirkungen auf SOI-Strukturen, insbesondere wenn die Dicke der Silicium-Deckschicht im Bereich von 100 nm und weniger liegt. Dies ist vor allem bei SOI-Scheiben der Fall, die für die Herstellung von so genannten „Partially Depleted" und insbesondere „Fully Depleted" SOI-Strukturen vorgesehen sind.
    •
  • Es besteht daher die Aufgabe, eine geeignete Donorscheibe zur Verfügung zu stellen, die sowohl in hoher Ausbeute herstellbar ist als auch eine geringe Fehlerhäufigkeit bei der Herstellung von Bauelementen auf der daraus resultierenden SOI-Scheibe gewährleistet, so wie Verfahren zu deren Herstellung.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine SOI-Scheibe umfassend eine einkristalline Siliciumschicht mit einer Dicke von weniger als 500 nm, die über eine elektrisch isolierende Schicht mit einer Trägerscheibe verbunden ist oder die mit einer elektrisch isolierenden Trägerscheibe verbunden ist, wobei im gesamtem Volumen der Siliciumschicht ein Überschuss an interstitiellen Silicium-Atomen vorherrscht, sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 7.
  • Erfindungsgemäß wird als Donorscheibe entgegen der Lehre des Stands der Technik nicht eine perfekte Siliciumscheibe verwendet, sondern eine Siliciumscheibe, die sich durch einen Überschuss an interstitiellen Siliciumatomen auszeichnet. Vorzugsweise weist die Donorscheibe – und damit auch die daraus hergestellte Silicium-Deckschicht der SOI-Scheibe – zumindest in einem Teilbereich einen Überschuss an agglomerierten interstitiellen Siliciumatomen auf. Die Donorscheibe kann eine beliebige Kristallorientierung aufweisen, die sich nach den Anforderungen der Bauelementeanwendung ergibt, beispielsweise <100>, <110>, <111> oder <113>.
  • Es ist bekannt, dass sich in Siliciumscheiben, in denen interstitielle Siliciumatome die vorherrschende Defektart sind, große Versetzungsschleifen bilden, die die Scheiben für die Herstellung elektronischer Bauelemente unbrauchbar machen (R.
  • Winkler, M. Sano; J. Electrochem. Soc. 141 (1994) 1398). Auch in US 34272 B2 ist beschrieben, dass agglomerierte Punktdefekte beider Arten (Vakanzen und interstitielle Siliciumatome) die Leistung von Bauelementen negativ beeinflussen. Da zu erwarten war, dass sich diese Defekte auch in der Silicium-Deckschicht einer SOI-Scheibe in gleicher Weise negativ auswirken, war es nicht nahe liegend, solche Scheiben als Donorscheiben für die Herstellung von SOI-Scheiben zu verwenden. Vielmehr wurden, wie oben beschrieben, nach dem Stand der Technik immer epitaktisch beschichtete Siliciumscheiben, Siliciumscheiben mit neutraler Region oder perfekte Siliciumscheiben als Donorscheiben verwendet.
  • Die zur vorliegenden Erfindung führenden Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die agglomerierten interstitiellen Siliciumatome nur in Bulk-Silicium negativ auswirken, wo sich die durch die Agglomeration entstehenden Spannungen im Silicium-Gitter durch die Ausbildung von großvolumigen Versetzungsschleifen ausgleichen. Im Fall einer Schichtdicke von weniger als 500 nm, wie bei der vorliegenden Erfindung, trifft dies nicht zu: Die Versetzungsschleifen werden in ihrem Wachstum durch den unmittelbar unter der Oberfläche liegenden Isolator (elektrisch isolierende Trägerscheibe oder elektrisch isolierende Schicht, BOX) auf eine Größe unter 500 nm begrenzt.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen SOI-Scheibe, umfassend folgende Schritte:
    • – Herstellung eines Silicium-Einkristalls durch Tiegelziehen nach Czochralski, wobei an der Kristallisationsfront über den gesamten Kristallquerschnitt die Bedingung v/G < (v/G)crit = 1,3 × 10–3 cm2/(K × min) erfüllt ist, sodass im entstehenden Silicium-Einkristall ein Überschuss an interstitiellen Silicium-Atomen vorherrscht
    • – Abtrennen zumindest einer Donorscheibe von diesem Silicium-Einkristall,
    • – Verbinden der Donorscheibe über eine elektrisch isolierende Schicht mit einer Trägerscheibe oder Verbinden der Donorscheibe mit einer elektrisch isolierenden Trägerscheibe und
    • – Reduktion der Dicke der Donorscheibe, sodass eine mit der Trägerscheibe verbundene Siliciumschicht mit einer Dicke von weniger als 500 nm verbleibt.
  • Um einen Silicium-Einkristall herzustellen, der im gesamten Volumen interstitielle Silicium-Atome als vorherrschende Defektart aufweist (und in dem vorzugsweise in einem Teilbereich ein Überschuss an agglomerierten interstitiellen Silicium-Atomen vorherrscht), muss während des CZ-Verfahrens die Bedingung V/G < (V/G)crit (2)eingehalten werden, wobei die Parameter so definiert sind wie für Gleichung (1) (E. Dornberger, W. von Ammon, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 1648). Diese Bedingung ist wesentlich leichter zu erfüllen als Gleichung (1) für die Herstellung perfekter Einkristalle.
  • Der Einkristall wird anschließend auf herkömmliche Art und Weise in Scheiben aufgetrennt, beispielsweise mittels Innenloch- oder Drahtsäge. Die Scheiben werden dann in der Regel mehreren mechanischen und/oder chemischen Abtragsschritten unterworfen, die beispielsweise aus der Gruppe Läppen, Schleifen, Kantenverrunden, Ätzen und Polieren ausgewählt und in geeigneter Art und Weise nacheinander ausgeführt werden.
  • Die fertige Donorscheibe wird mit einer Trägerscheibe derart verbunden, dass eine feste Verbindung zwischen Donorscheibe und Trägerscheibe entsteht. Im letzten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Dicke der Donorscheibe mittels eines herkömmlichen Verfahrens derart reduziert, dass von der Donorscheibe nur mehr eine weniger als 500 nm dicke Siliciumschicht verbleibt, die mit der Trägerscheibe fest verbunden ist.
  • Die Dickenreduktion kann beispielsweise mittels eines geeigneten bekannten Verfahrens des Rückdünnens, zum Beispiel durch Schleifen, Ätzen, Polieren oder Kombinationen davon erfolgen. Vorzugsweise wird jedoch in der Donorscheibe eine Trennschicht erzeugt, bevor sie mit der Trägerscheibe verbunden wird. Die Reduktion der Dicke der Donorscheibe nach dem Verbinden mit der Trägerscheibe erfolgt in diesem Fall vorzugsweise durch eine Spaltung entlang der Trennschicht. Die Trennschicht wird vorzugsweise durch Implantation von Ionen, beispielsweise Wasserstoff-Ionen oder Helium-Ionen, erzeugt. Ferner besteht auch die Möglichkeit, beispielsweise durch Implantation von Argon- oder Siliciumionen eine Getterschicht zu erzeugen und anschließend Wasserstoff in die Getterschicht einzudiffundieren und auf diese Weise eine Trennschicht zu definieren. Die Spaltung entlang der Trennschicht kann durch eine thermische Behandlung oder die Einwirkung mechanischer Kräfte oder eine Kombination davon erreicht werden. Das bevorzugte Verfahren zum Erzeugen der Trennschicht und zum Spalten entlang dieser Trennschicht ist in EP 533551 A1 beschrieben.
  • Donorscheiben, die als vorherrschende Defektart interstitielle Siliciumatome aufweisen, haben im Vergleich zu Donorscheiben gemäß dem Stand der Technik, d. h. zu epitaktisch beschichteten oder perfekten Siliciumscheiben, verschiedene Vorteile:
    Erfindungsgemäße Donorscheiben können im Vergleich zu epitaktisch beschichteten Siliciumscheiben wesentlich kostengünstiger hergestellt werden, da der Prozessschritt der epitaktischen Beschichtung entfällt. Außerdem weisen die erfindungsgemäßen Donorscheiben nicht die für epitaktisch beschichtete Siliciumscheiben typischen strukturellen Defekte auf, die zu Problemen beim Verbinden mit der Trägerscheibe führen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Donorscheibe wesentlich leichter wieder verwendet werden kann. Die Donorscheibe muss nach der Übertragung der Siliciumschicht auf die Trägerscheibe einem speziellen Aufarbeitungsprozess unterworfen werden, bevor sie wieder als Donorscheibe verwendet werden kann. Dieser Prozess umfasst auch eine glättende, Material abtragende Behandlung der Oberfläche, beispielsweise eine Politur. Wird eine epitaktisch beschichtete Siliciumscheibe als Donorscheibe eingesetzt, werden dabei typischerweise die Reste der epitaktischen Schicht entfernt. Damit ist für die Wiederverwendung als Donorscheibe eine erneute aufwändige epitaktische Beschichtung erforderlich. Diese entfällt bei Verwendung erfindungsgemäßer Donorscheiben.
  • Im Gegensatz zu perfekten Siliciumscheiben oder Siliciumscheiben mit einer neutralen Region zeichnen sich die erfindungsgemäßen Donorscheiben im Rahmen der Nachweisgrenzen (ca. 1 × 103/cm3; siehe 5) durch die vollständige Abwesenheit von schädlichen Vakanzenagglomeraten und OSF-Defekten aus. Untersuchungen zur Bestimmung von COPs erfolgen mit Hilfe von SC1-Behandlungen, mit denen sich – je nach Behandlungsdauer – auch sehr kleine Defekte nachweisen lassen (D. Gräf, M. Suhren, U. Lambert, R. Schmolke, A. Ehlert, W. von Ammon, P. Wagner; J. Electrochem. Soc. 145 (1998) 275). Dabei lassen sich mit SC1-Behandlungen nicht nur Leerstellen-Agglomerate nachweisen, sondern auch Defekte mit Oxiden, die im Gegensatz zu den COPs (Vertiefungen) als Erhebungen nach SC1 erscheinen (M. Hourai, H. Nishikawa, T. Tanaka, S. Umeno, E. Asayama, T. Nomachi, G. Kelly; The Electrochem. Soc. PV98-1 (1998) 453). OSF-Defekte treten nur in vakanzenreichen Bereichen auf, nicht aber in Bereichen, in denen interstitielle Siliciumatome vorherrschen (D. Zemke, P. Gerlach, W. Zulehner, K. Jacobs, Journal of Crystal Growth; Volume 139, Issues 1–2 (1994), 37).
  • Siliciumscheiben, in denen interstitielle Siliciumatome vorherrschen, weisen auch den Vorteil einer geringeren Neigung zur Sauerstoff-Präzipitation bei einem vorgegebenen Gehalt an Sauerstoff auf (1-3). Damit wird die Bildung von Sauerstoff-Präzipitaten in der Donorscheibe unterdrückt, die beispielsweise während einer thermischen Behandlung auftreten kann, die nach dem Verbinden der Donorscheibe mit der Trägerscheibe zur Verstärkung der Verbindungskraft durchgeführt wird. Außerdem führt die Verwendung der erfindungsgemäßen Donorscheiben zu einer radial homogeneren BMD-Dichte und Sauerstoffpräzipitation als eine perfekte Siliciumscheibe, die sowohl Bereiche aufweist, in denen Vakanzen vorherrschen, als auch solche, in denen interstitielle Siliciumatome vorherrschen. Sauerstoffpräzipitate können insbesondere bei mehrmaliger Wiederverwendung der Donorscheibe, die in der Summe mit einem erheblichen Materialabtrag verbunden ist, zu oberflächennahen Defekten führen. Diese können in der Silicium-Deckschicht der SOI-Scheibe die Funktion von Bauelementen beeinträchtigen, die darauf hergestellt werden. Durch die Verwendung von Donorscheiben, in denen interstitielle Siliciumatome vorherrschen, wird die Bildung von BMDs wirksam unterdrückt, auch bei höherem Sauerstoffgehalt. Damit ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil bei der Herstellung derartiger Scheiben, da beispielsweise auf aufwändige Magnetfeld-Vorrichtungen beim Kristallziehen verzichtet werden kann. So können beispielsweise Donorscheiben verwendet werden, die aus Einkristallen mit einem Sauerstoffgehalt von 3 × 1017/cm3 bis 7 × 1017/cm3, bevorzugt von 5 × 1017/cm3 bis 7 × 1017/cm3 und besonders bevorzugt von 5 × 1017/cm3 bis 6 × 1017/cm3 hergestellt wurden. Die Messung des Sauerstoffgehalts erfolgt in Übereinstimmung mit der Norm ASTM F121-83.
  • Silicium, in dem interstitielle Siliciumatome vorherrschen, weist bei der Oxidation eine geringere Oxidwachstumsgeschwindigkeit auf als vakanzenreiches Silicium. Perfekte Siliciumscheiben, die radiale Bereiche beider Arten aufweisen, oxidieren deshalb inhomogen, wobei die Oxidschicht in den vakanzenreichen Bereichen schneller wächst und damit eine größere Dicke erreicht als in den Bereichen, in denen interstitielle Siliciumatome vorherrschen. Da die erfindungsgemäßen Donorscheiben in ihrem gesamten Volumen interstitielle Siliciumatome aufweisen, oxidieren diese Scheiben deutlich homogener als perfekte Siliciumscheiben. Damit wird bei der Oxidation eine homogene Oxidschicht auf der gesamten Fläche der Siliciumscheibe erreicht.
  • Diese Eigenschaft wirkt sich insbesondere dann positiv aus, wenn die Oberfläche der Donorscheibe oxidiert und die Donorscheibe anschließend mit einer Trägerscheibe, beispielsweise bestehend aus Silicium, verbunden wird. Die Siliciumoxid-Schicht (BOX) stellt in diesem Fall den Isolator dar. Wünschenswert ist eine Siliciumoxid-Schicht mit möglichst homogener Schichtdicke. Die Erfindung ermöglich die Herstellung einer SOI-Scheibe, bei der sich zwischen der Siliciumschicht und der Trägerscheibe eine Siliciumoxid-Schicht befindet, die eine Schichtdickenhomogenität von weniger als 1 % bei einer Dicke im Bereich 3 nm bis 30 nm oder eine Schichtdickenhomogenität von weniger als 2 % bei einer Dicke im Bereich 1 nm bis weniger als 3 nm aufweist. Als Schichtdickenhomogenität wird die Differenz zwischen maximaler und minimaler Schichtdicke pro Scheibe bezogen auf die mittlere Schichtdicke bezeichnet. Vorzugsweise erfolgt die Oxidation im Temperaturbereich von 700 bis 900 °C für 5 bis 60 min in reiner Sauerstoffatmosphäre oder in einem Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf. Die Zieldicke wird dabei über die Auswahl der wesentlichen Parameter Temperatur, Zeit und Wasserdampfgehalt in der Sauerstoffatmosphäre gesteuert.
  • Insgesamt sind die in den erfindungsgemäßen Donorscheiben gemessenen Defektdichten (= Dichte der Defekte, die auf agglomerierte interstitielle Siliciumatome zurückzuführen sind) kleiner als 104/cm3 und damit um Größenordnungen niedriger als typische Leerstellen-Defektdichten oder auch typische Versetzungsdichten in SOI-Scheiben, die durch das so genannte SIMOX-Verfahren hergestellt wurden. In der Literatur sind für Defektdichten von Aggregaten interstitieller Siliciumatome Werte von 1 × 103/cm3 bis 8 × 103/cm3 (R. Winkler, M. Sano; J. Electrochem. Soc. 141 (1994) 1398) bzw. 3,6 × 103/cm3 (R. Schmolke, W. Angelberger, W. von Ammon, H. Bender, Gadest (2001)) angegeben. Defektdichten von unter 104/cm3 entsprechen bei einer Silicium-Deckschicht mit einer Dicke von 100 nm einer flächenbezogenen Defektdichte von unter 0,1/cm2. Die Defektdichte der erfindungsgemäßen Donorscheiben ist vergleichbar mit der Defektdichte in einer epitaktischen Schicht oder einer Siliciumscheibe, die aus einem nach dem „Floating-Zone"-Verfahren (FZ-Verfahren) erzeugten Silicium-Einkristall hergestellt wurde (D. Gräf, M. Suhren, U. Lambert, R. Schmolke, A. Ehlert, W. v.Ammon, P. Wagner; J. Electrochem. Soc. 145 (1998) 275; R. Schmolke, D. Gräf, The Electrochem. Soc. PV99-1 (1999) 386). Insbesondere von epitaktisch beschichteten Siliciumscheiben ist bekannt, dass deren Defektdichten unschädlich für die Herstellung und den Einsatz höchst-integrierter Bauelemente sind.
  • Darüber hinaus sind erfindungsgemäße Donorscheiben in wesentlich höherer Ausbeute und daher ökonomischer herzustellen als perfekte Siliciumscheiben. Die Herstellung eines perfekten Silicium-Einkristalls erfordert die präzise Einhaltung der Gleichung (1), was jedoch nicht über die gesamte Länge des Kristalls und/oder den gesamten Querschnitt möglich ist. Daher sind perfekte Siliciumscheiben nur mit relativ geringer Ausbeute herstellbar. Dagegen muss zur Herstellung der erfindungsgemäßen Donorscheiben lediglich die Ungleichung (2) erfüllt werden. Dies ermöglicht ein deutlich größeres Prozessfenster und damit einen stabilen CZ-Prozess, der zu einer hohen Ausbeute des gewünschten Produkts führt.
  • Die erfindungsgemäßen Donorscheiben, in denen im gesamten Volumen interstitielle Siliciumatome auftreten, lassen sich im Rahmen aller Verfahren zur Herstellung von SOI-Scheiben einsetzen, bei denen eine Siliciumschicht von einer Donorscheibe auf eine Trägerscheibe übertragen wird.
    •
  • Kurzbeschreibung der Figuren:
  • 1 zeigt Längsschnitte von Silicium-Einkristallen mit einem Durchmesser von 200 mm mit einem Bereich, in dem Vakanzen vorherrschen und einem Bereich, in dem interstitielle Siliciumatome vorherrschen.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Silicium-Scheibe mit einem Durchmesser von 200 mm mit einem Bereich, in dem Vakanzen vorherrschen und einem Bereich, in dem interstitielle Siliciumatome vorherrschen, nach einem BMD-Test.
  • 3 stellt den Zusammenhang zwischen dem anfänglichen Sauerstoffgehalt O und dem Gehalt an präzipitiertem Sauerstoff dO nach einem BMD-Test für vakanzenreiche Siliciumscheiben 1 und Siliciumscheiben 3, in denen interstitielle Siliciumatome vorherrschen, dar.
  • 4 zeigt die Anzahl von Lichtstreuzentren mit einer Größe von mehr als 90 nm auf einer Siliciumscheibe, in deren gesamtem Volumen agglomerierte interstitielle Siliciumatome vorherrschen, als Funktion der Behandlungsdauer mit einer SCl-Lösung.
  • 5 zeigt die Defektdichten DD von Siliciumscheiben, in deren gesamtem Volumen agglomerierte interstitielle Siliciumatome vorherrschen, im Vergleich mit einer epitaktisch beschichteten Siliciumscheibe.
  • 6 zeigt die Anzahl ND von Defekten pro SOI-Scheibe als Funktion der Dicke d der Silicium-Deckschicht.
  • 7 stellt das Ergebnis eines Gate-Oxid-Tests dar, der an jeweils einer epitaktisch beschichteten Siliciumscheibe und einer Siliciumscheibe, in denen agglomerierte interstitielle Siliciumatome vorherrschen, durchgeführt wurde.
  • 8 zeigt die statistische Auswertung von Oxidschichtdicken auf vakanzenreichen Siliciumscheiben und Siliciumscheiben, die agglomerierte interstitielle Siliciumatome aufweisen.
  • Beispiele:
  • Beispiel 1
  • Silicium-Einkristalle mit einem Durchmesser von 200 mm wurden mit einer gezielten Variation von v/G hergestellt, um axial die Übergange von einem vollständig vakanzenreichen Bereich 1 (1) zu einem Ring-Wafer 2 mit radial getrennten Bereichen mit einem Überschuss an Vakanzen bzw. interstitiellen Siliciumatomen sowie zu einem Bereich 3, in dem nur interstitielle Siliciumatome vorkommen, gezielt einzustellen. In dem Bereich, in dem die interstitiellen Siliciumatome vorherrschen, wurde eine Ziehgeschwindigkeit von weniger als 0,4 mm/min gewählt. Bei dieser Ziehgeschwindigkeit ist bei dem verwendeten Kristallziehprozess und dem dabei an der Kristallisationsfront herrschenden Temperaturgradienten die Bedingung v/G < (v/G)crit = 1, 3 × 10–3 cm2/(K × min) erfüllt. (E. Dornberger and W.v. Ammon, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 1648)
  • Längsschnitte aus diesen Kristallen wurden einer zweistufigen thermischen Behandlung unterworfen, durch die gezielt BMDs erzeugt werden können (3 h bei 780 °C und anschließend 16 h bei 1000 °C; „Toshiba BMD-Test"). Zur Präparation der BMDs wurden die Längsschnitte anschließend einer Glanzätze, bei der 200 μm Material abgetragen wurde, und dann für 8 min einer Secco-Behandlung unterworfen. In 1 ist im Kontrast die höhere Präzipitation der vakanzenreichen Bereiche, die radiale Inhomogenität der Präzipiation in Ring-Bereichen und die homogen niedrige Zahl an BMDs im Bereich, in dem interstitielle Siliciumatome vorherrschen, deutlich zu erkennen. Die Defektdichte des Bereichs, in dem interstitielle Siliciumatome vorherrschen, liegt nach der Secco-Ätze bei ca. 3 × 103/cm3 bis 4 × 103/cm3.
  • An Scheiben von verschiedenen Positionen eines dieser Kristalle wurden die Sauerstoff-Konzentrationen (Oi, interstitieller Sauerstoff) und die mittleren BMD-Dichten nach dem Toshiba BMD-Test (3 h/780 °C + 16 h/1000 °C) ermittelt (Tab. 1).
  • Figure 00200001
    Tab. 1
  • Die Siliciumscheibe, die von der Stabposition 8 cm gewonnen wurde, ist ein sog. Ring-Wafer aus dem in 1 mit Bezugszeichen 2 bezeichneten Bereich. Die Siliciumscheiben von den Positionen 35 und 62 cm zeichnen sich durch vorherrschende interstitielle Siliciumatome (1, Bereich 3) aus. Die Scheiben aus dem Bereich 3 weisen eine deutlich geringere mittlere BMD-Dichte auf als die Scheibe aus dem Bereich 2, obwohl alle Scheiben einen ähnlichen Sauerstoffgehalt Oi haben. Beim Vergleich der mittleren BMD-Dichten ist zu berücksichtigen, dass die Position des OSF-Rings bei dem untersuchten Ring-Wafer bei etwa Radius/2 liegt, sodass das Flächenverhältnis des niedriger präzipitierenden Außenbereichs, in dem interstitielle Siliciumatome vorherrschen, zum stärker präzipitierenden vakanzenreichen Innenbereich ca. 3:1 beträgt.
  • Beispiel 2
  • Eine Siliciumscheibe aus dem Ringbereich 2 (siehe 1) wird nach BMD-Test (3 h/780 °C + 16 h/1000 °C) gebrochen und mit einer Secco Ätze behandelt, um die BMDs anzuätzen. 2 zeigt am Übergang vom vakanzenreichen Bereich 1 zum Bereich 3, in dem interstitielle Siliciumatome vorherrschen, eine deutliche Änderung der Präzipitation: Die BMD-Dichte ist im Bereich 3 deutlich niedriger als im Bereich 1.
  • Beispiel 3
  • Siliciumscheiben aus den Bereichen 1 bzw. 3 (siehe 1) mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt O werden gemäß BMD-Test (3 h/780 °C + 16 h/1000 °C) behandelt und auf Präzipitation untersucht. 3 zeigt das Ergebnis dieser Untersuchung. Als Maß für die Präzipitation wird die Änderung dO des interstitiellen Sauerstoffgehalts herangezogen. Je höher die Abnahme dO des interstitiellen Sauerstoffgehalts, umso höher die Präzipiation und BMD-Dichte der betreffenden Siliciumscheiben. Bei deutlich höherer Konzentration von interstitiellem Sauerstoff wird in interstitial-reichen Scheiben 3 eine vergleichbare Präzipitation erreicht wie bei vakanzenreichen Scheiben 1 mit deutlich niedrigerem Sauerstoffgehalt. Die eingezeichnete S-Kurve beschreibt die Änderung dO von Siliciumscheiben aus dem Bereich 1 und ist in W. v. Ammon, A. Ehlert, W. Hensel, The Electrochem. Soc. Proc. Vol. 93–15 (1993) 36 näher beschrieben.
  • Beispiel 4
  • Interstitial-reiche Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 200 mm wurden unterschiedlich lang bei 85 °C mit SCl-Lösung (NH4OH : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 5) behandelt. Anschließend wurden die Scheiben mit einem Oberflächeninspektionsgerät (SP1-TBI; DWO channel; LLS > 90 nm) untersucht. Als Ergebnis ist in 4 die Anzahl N der Defekte pro Siliciumscheibe als Funktion des Siliciumabtrags dargestellt. Punkt 4 ist einer Siliciumscheibe zugeordnet, die nicht mit SCl-Lösung behandelt wurde. Die Punkte 5 und 6 zeigen die Defektdichten von Siliciumscheiben, bei denen mit der SCl-Lösung 360 nm bzw. 1000 nm Material von der Oberfläche abgetragen wurde. Die Messung ergab eine geringe Zahl N von Defekten auf der Siliciumscheibe, die linear mit der Dicke des abgetragenen Materials zunimmt. Die daraus ermittelte Defektdichte liegt bei 7,5 × 103/cm3.
  • Beispiel 5
  • Interstitial-reiche Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm wurden bei 85 °C mit der in Beispiel 4 verwendeten SCl-Lösung behandelt, wobei 720 nm Material abgetragen wurde. Die Scheiben wurden anschließend analog Beispiel 4 untersucht und die Defektdichte bestimmt. Das Ergebnis ist in 5, Punkt 8, dargestellt. Die Messung ergibt eine geringe Zahl von Defekten mit einer daraus ermittelten Defektdichte DD von 7,8 × 103/cm3. Dieser Wert ist vergleichbar mit den interstitial-reichen Scheiben mit einem Durchmesser von 200 mm gemäß Beispiel 4 (Punkt 7 in 5) und mit aus der Literatur (R. Schmolke, D. Gräf, The Electrochem. Soc. PV99-1 (1999) 386) bekannten Defektdichten bei epitaktisch beschichteten Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 200 mm (Punkt 9 in 5).
  • Beispiel 6
  • Die bei den Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 200 mm bzw. 300 mm (siehe Beispiele 4 und 5) ermittelten Defektdichten von ca. 8 × 103/cm3 führen bei einer Verwendung als Donorscheiben für die Herstellung von SOI-Scheiben mit einer Silicium-Deckschicht der Dicke d von 100 nm (6) zu Defektdichten von 0,08/cm2. Bei einer Schichtdicke von 20 nm liegt die Defektdichte bei unter 0,02/cm2, was bei einem Scheibendurchmesser von 200 mm (Graph 10) einer Anzahl ND von weniger als 10 Defekten pro Scheibe und bei einem Scheibendurchmesser von 300 mm (Graph 11) einer Anzahl ND von weniger als 15 Defekten pro Scheibe entspricht.
  • Beispiel 7
  • Eine interstitial-reiche Siliciumscheibe 12 (7) und eine epitaktisch beschichtete Siliciumscheibe 13, jeweils mit einem Durchmesser von 200 mm, wurden einem Gate-Oxid-Test unterzogen. Dazu wurden die Scheiben an der Oberfläche oxidiert, wobei eine Oxidschicht mit einer Dicke von 25 nm erzeugt wurde. Die Messung erfolgte mit einer zeitlich sukzessiv steigenden Ladungsdichte J × t an Kontakten einer Größe von 8 mm2. Beide Scheibenarten zeigen ein vergleichbares Durchbruchs- und Defektverhalten. Daraus lassen sich für beide Scheibenarten sehr niedrige Defektdichten von weniger als 0,1/cm2 bestimmen. In 7 steht F für den Anteil der Kondensatoren, die bei der gegebenen Ladungsdichte einen Durchbruch zeigen.
  • Beispiel 8
  • Interstitial-reiche Siliciumscheiben 14 und vakanzenreiche Siliciumscheiben 15 (8) mit einem Durchmesser von 200 mm wurden auf eine Zieldicke von ca. 5 nm oxidiert. Die Oxidation erfolgte bei 800 °C für 9 min, in reinem Sauerstoff mit 15 % Wasserdampfgehalt. Die resultierende Oxiddicke wurde mit einem kommerziellen E1lipsometer vermessen mit 49 Messpunkten pro Scheibe und einem Randausschluss von 2 mm.
  • Interstitial-reiches Material und vakanzenreiches Material verhalten sich dabei unterschiedlich. Die statistische Auswertung mit Box-and-Whisker-Plots zeigt einen signifikanten Unterschied der erzielten Oxiddicken für die beiden Materialgruppen. Damit tritt bei bezüglich Punktdefekten radial inhomogenem Material eine radial unterschiedliche Oxiddicke auf.

Claims (11)

  1. SOI-Scheibe umfassend eine einkristalline Siliciumschicht mit einer Dicke von weniger als 500 nm, die über eine elektrisch isolierende Schicht mit einer Trägerscheibe verbunden ist oder die mit einer elektrisch isolierenden Trägerscheibe verbunden ist, wobei im gesamtem Volumen der Siliciumschicht ein Überschuss an interstitiellen Silicium-Atomen vorherrscht.
  2. SOI-Scheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Teilbereich der Siliciumschicht ein Überschuss an agglomerierten interstitiellen Silicium-Atomen vorherrscht.
  3. SOI-Scheibe gemäß Anspruch 1 oder 2, deren Siliciumschicht einen Sauerstoffgehalt von 3 × 1017/cm3 bis 7 × 1017/cm3 aufweist.
  4. SOI-Scheibe gemäß Anspruch 1 oder 2, deren Siliciumschicht einen Sauerstoffgehalt von 5 × 1017/cm3 bis 7 × 1017/cm3 aufweist.
  5. SOI-Scheibe gemäß Anspruch 1 oder 2, deren Siliciumschicht einen Sauerstoffgehalt von 5 × 1017/cm3 bis 6 × 1017/cm3 aufweist.
  6. SOI-Scheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Siliciumschicht und der Trägerscheibe eine Siliciumoxid-Schicht befindet, die eine Schichtdickenhomogenität von weniger als 1 % bei einer Dicke im Bereich 3 nm bis 30 nm oder eine Schichtdickenhomogenität von weniger als 2 % bei einer Dicke im Bereich 1 nm bis weniger als 3 nm aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer SOI-Scheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend folgende Schritte: – Herstellung eines Silicium-Einkristalls durch Tiegelziehen nach Czochralski, wobei an der Kristallisationsfront über den gesamten Kristallquerschnitt die Bedingung v/G < (v/G)crit = 1,3 × 10–3 cm2/(K × min) erfüllt ist, sodass im entstehenden Silicium-Einkristall ein Überschuss an interstitiellen Silicium-Atomen vorherrscht – Abtrennen zumindest einer Donorscheibe von diesem Silicium-Einkristall, – Verbinden der Donorscheibe über eine elektrisch isolierende Schicht mit einer Trägerscheibe oder Verbinden der Donorscheibe mit einer elektrisch isolierenden Trägerscheibe und – Reduktion der Dicke der Donorscheibe, sodass eine mit der Trägerscheibe verbundene Siliciumschicht mit einer Dicke von weniger als 500 nm verbleibt.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Donorscheibe eine Trennschicht erzeugt wird, bevor sie mit der Trägerscheibe verbunden wird, und dass die Reduktion der Dicke der Donorscheibe nach dem Verbinden mit der Trägerscheibe durch eine Spaltung entlang der Trennschicht erfolgt.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Trennschicht die Implantation von Ionen umfasst.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltung entlang der Trennschicht durch eine thermische Behandlung oder die Einwirkung mechanischer Kräfte oder eine Kombination davon erreicht wird.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der abgespaltene Teil der Donorscheibe, der nicht mit der Trägerscheibe verbunden ist, nach einer Glättung der Oberfläche wieder als Donorscheibe verwendet wird.
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