DE102004039197A1 - Verfahren zur Herstellung von dotierten Halbleiterscheiben aus Silizium und derartige Halbleiterscheiben - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von dotierten Halbleiterscheiben aus Silizium und derartige Halbleiterscheiben Download PDF

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung von dotierten Halbleiterscheiben aus Silizium, die einen elektrisch aktiven Dotierstoff wie Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon enthalten, gegebenenfalls zusätzlich mit Germanium dotiert sind und eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wobei ein Einkristall aus Silizium hergestellt und zu Halbleiterscheiben weiterverarbeitet wird, und die Wärmeleitfähigkeit durch eine Auswahl der Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs und gegebenenfalls durch die Konzentration von Germanium eingestellt wird. Gegenstand der Erfindung sind auch mit dem Verfahren hergestellte Halbleiterscheiben aus Silizium mit bestimmten Eigenschaften bezüglich der Wärmeleitfähigkeit und des spezifischen elektrischen Widerstands.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von dotierten Halbleiterscheiben aus Silizium, die einen elektrisch aktiven Dotierstoff wie Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon enthalten, gegebenenfalls zusätzlich mit Germanium dotiert sind und eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Gegenstand der Erfindung sind auch Halbleiterscheiben aus Silizium, die dotiert sind mit Germanium in einer Konzentration von bis zu 2·1020 Atome/cm3 und mit einem elektrisch aktiven Dotierstoff und bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und dem spezifischen elektrischen Widerstand (sW) bestimmte Eigenschaften haben.
  • Es ist grundsätzlich vorteilhaft, wenn die Halbleiterscheibe als Grundmaterial (Substrat) für elektronische Bauelemente möglichst definierte physikalische Eigenschaften besitzt. Idealerweise sollte ein Substrat in allen wesentlichen Parametern nur geringe Schwankungen innerhalb einer Scheibe und zwischen verschiedenen Scheiben der gleichen Spezifikation aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit von Substraten ist eine solche wesentliche Eigenschaft, die für die Prozessführung bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen und hinsichtlich der Eigenschaften der fertigen Produkte von großer Bedeutung ist. So bestimmt die Wärmeleitfähigkeit von Halbleiterscheiben aus Silizium maßgeblich deren Verhalten während der Prozessierung zu elektronischen Bauelementen und den möglichen Einsatzbereich des fertigen Bauelements. Für die Herstellung von Bauelementen sind deshalb Substrate mit einer gut definierten und einheitlichen Wärmeleitfähigkeit wünschenswert.
  • Allerdings ist die Messung der Wärmeleitfähigkeit von Halbleiterscheiben aus Silizium aufwändig und kostenintensiv und wird deshalb in der allgemeinen Praxis der Produktion nicht angewandt. Die Wärmeleitfähigkeit setzt sich zusammen aus einem phononischen und einem elektronischen Anteil. In einkristallinem Silizium sind bei Raumtemperatur beide Beiträge bedeutend. Der elektronische Anteil der Wärmeleitfähigkeit ist im We sentlichen proportional zur elektrischen Leitfähigkeit des Substrats, der phononische Anteil hat einen Bezug zur Verteilung der Atommassen im Festkörper. Es ist bekannt, dass isotopenreines Silizium eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, während Dotierelemente die Wärmeleitfähigkeit absenken.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung von Halbleiterscheiben aus Silizium ermöglicht, die eine vorbestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von dotierten Halbleiterscheiben aus Silizium, die einen elektrisch aktiven Dotierstoff wie Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon enthalten, gegebenenfalls zusätzlich mit Germanium dotiert sind und eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Einkristall aus Silizium hergestellt und zu Halbleiterscheiben weiterverarbeitet wird, wobei die Wärmeleitfähigkeit durch die Auswahl der Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs und gegebenenfalls durch die Auswahl der Konzentration von Germanium eingestellt wird.
  • Die Erfinder haben für Silizium, das mit einem elektrisch aktiven Dotierstoff wie Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon dotiert ist, herausgefunden, dass die Wärmeleitfähigkeit als physikalische Eigenschaft fest bestimmt ist und durch die Formel k = 1/(6.8·10-3 + alpha·c(Dot)) (1)mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent beschrieben wird, wobei die Wärmeleitfähigkeit bei einer Temperatur von 22°C in der Einheit W/mK angegeben ist, c(Dot) die ausgewählte Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs in der Einheit Atome/cm3 ist und alpha ein Koeffizient ist, der abhängig vom elektrisch aktiven Dotierstoff folgende Werte besitzt:
    Figure 00020001
    Figure 00030001
  • Ist es gewünscht, die Wärmeleitfähigkeit auf einen Wert einzustellen, der in dem durch die Formel (1) vorgegebenen Wertebereich nicht enthalten ist, kann durch zusätzliches Dotieren mit Germanium mit einer Konzentration von bis zu 2·1020 Atome/cm3 der Wertebereich ausgedehnt werden, und zwar in Regionen, die bisher nicht zugänglich waren. In diesen Fällen wird die Wärmeleitfähigkeit entsprechend der Formel k = (1 – 5.6·10-21·c(Ge) + 1.4·10-41·c(Ge)2)/(6.8·10-3 + alpha·c(Dot)) (2)durch eine Auswahl der Konzentrationen von Germanium und des elektrisch aktiven Dotierstoffs eingestellt, wobei k die Wärmeleitfähigkeit bei einer Temperatur von 22 °C in der Einheit W/mK ist, c(Ge) und c(Dot) die ausgewählten Konzentrationen von Germanium und des elektrisch aktiven Dotierstoffs in der Einheit Atome/cm3 sind und alpha ein Koeffizient ist, der abhängig vom elektrisch aktiven Dotierstoff folgende Werte besitzt:
    Figure 00030002
    Gegenstand der Erfindung sind auch Halbleiterscheiben aus Silizium, gegebenenfalls mit abgeschiedener epitaktischer Beschichtung, die mit Germanium in einer Konzentration von bis 2·1020 Atome/cm3 und mit Bor dotiert sind und die bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und des spezifischen elektrischen Widerstands (sW) eine der folgenden Kombinationen von Eigenschaften haben:
    • a) WL > 105W/mK; sW > 5 mOhmcm
    • b) WL = 90W/mK – 30 W/mK; sW = 5 – 3 mOhmcm
    • c) WL = 80W/mK – 20 W/mK; sW = 3 – 2 mOhmcm
    • d) WL = 70W/mK – 20 W/mK; sW = 2 – 1.5 mOhmcm
    • e) WL < 50W/mK; sW < 1.5 mOhmcm.
  • Gegenstand der Erfindung sind ferner auch Halbleiterscheiben aus Silizium, gegebenenfalls mit abgeschiedener epitaktischer Beschichtung, die mit Germanium in einer Konzentration von bis 2·1020 Atome/cm3 und mit Phosphor dotiert sind und die bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und des spezifischen elektrischen Widerstands (sW) eine der folgenden Kombinationen von Eigenschaften haben:
    • a) WL = 90W/mK – 50 W/mK; sW = 1.5 – 1.2 mOhmcm
    • b) WL = 80W/mK – 40 W/mK; sW = 1.2 – 0.9 mOhmcm
    • c) WL = 75W/mK – 30 W/mK; sW < 0.9 mOhmcm.
  • Das Dotieren mit Germanium und einem elektrisch aktiven Dotierstoff wird besonders bevorzugt, wenn Germanium als Dotierstoff wegen weiterer Wirkungen ohnehin eingesetzt wird, und in Fällen, bei denen die Wärmeleitfähigkeit niedriger sein soll als die Wärmeleitfähigkeit, die nach Auswahl einer bestimmten Konzentration des elektrischen Dotierstoffs gemäß Formel (1) zu erreichen ist. Als weitere Wirkungen von Germanium als Dotierstoff kommen insbesondere die Stärkung der mechanischen Festigkeit und die Verringerung von Gitterspannungen in Betracht, womit sich beispielsweise die US-5,553,566, die US-5,744,396, die US-4,631,234, die JP-2003160395 A und die JP-2003146795 A beschäftigen.
  • Zusätzlich kann der Einkristall auch noch weitere Dotierstoffe enthalten, die nur einen relativ geringen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit besitzen, z.B. in Form einer Codotierung mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff.
  • Der elektrisch aktive Dotierstoff kann bereits bei der Herstellung des Einkristalls in der Schmelze enthalten sein, wobei der Einkristall vorzugsweise nach der Czochralski-Methode gezogen wird. Der elektrisch aktive Dotierstoff kann aber auch erst später durch Diffusion oder Ionenimplantation in die Halbleiterscheiben eingebracht werden, die vom Einkristall abgetrennt werden. Germanium wird vorzugsweise mit der Schmelze bereitgestellt.
  • Grundsätzlich wird die axiale Verteilung von Dotierstoffen in einem nach der Czochralski-Methode gezogen Einkristall aus Silizium durch die Segregationskonstante des jeweiligen Dotier stoffs bestimmt. Es ist aber darüber hinaus auch bekannt, dass die radiale und axiale Verteilung von Dotierstoffen im Einkristall beeinflusst werden kann. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren gehören die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit von Einkristall und Tiegel sowie die Druckverhältnisse und der Durchfluss an Schutzgas während des Ziehprozesses. Durch eine geeignete Wahl dieser Parameter ist es möglich, Einkristalle mit geringen radialen und axialen Variationen im Dotierstoffgehalt herzustellen. So kann beispielsweise durch die geeignete Wahl der Druckverhältnisse das Abdampfen von Arsen, Antimon oder Phosphor aus der Siliziumschmelze so kontrolliert werden, dass die axiale und radiale Variation des spezifischen elektrischen Widerstands im Einkristall nur wenige Prozent beträgt. In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es somit je nach Parameterwahl möglich, Einkristalle mit einem fest definierten axialen Verlauf der Wärmeleitfähigkeit oder aber eine über weite Teile des Einkristalls homogene Wärmeleitfähigkeit herzustellen. Durch die genau definierte Wärmeleitfähigkeit können dann unerwünschte Variationen in Prozessierung und Produkteigenschaften verringert werden.
  • Mit Bor als elektrisch aktivem Dotierstoff wird ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders bevorzugt, bei dem bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und des spezifischen elektrischen Widerstands (sW) der Halbleiterscheiben eine der folgenden Kombinationen von Eigenschaften resultiert:
    • a) WL < 105W/mK; sW > 5 mOhmcm
    • b) WL = 90W/mK – 30 W/mK; sW = 5 – 3 mOhmcm
    • c) WL = 80W/mK – 20 W/mK; sW = 3 – 2 mOhmcm
    • d) WL = 70W/mK – 20 W/mK; sW = 2 – 1.5 mOhmcm
    • e) WL < 50W/mK; sW < 1.5 mOhmcm.
  • Die radiale Variation des spezifischen Widerstands ist dabei vorzugsweise kleiner als 8 %.
  • Mit Phosphor als elektrisch aktivem Dotierstoff wird ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders bevorzugt, bei dem bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und des spezifischen elektrischen Widerstands (sW) der Halbleiterscheiben eine der folgenden Kombinationen von Eigenschaften resultiert:
    • a) WL = 90W/mK – 50 W/mK; sW = 1.5 – 1.2 mOhmcm
    • b) WL = 80W/mK – 40 W/mK; sW = 1.2 – 0.9 mOhmcm
    • c) WL = 75W/mK – 30 W/mK; sW < 0.9 mOhmcm.
  • Die radiale Variation des spezifischen Widerstands ist dabei vorzugsweise kleiner als 10 %.
    •
  • (Phosphor-Dotierung)
  • Die durchgezogene Linie beschreibt den Verlauf der Wärmeleitfähigkeit von einkristallinem Silizium mit Phosphor-Dotierung in Abhängigkeit von der Dotierstoffkonzentration, wie er bei Anwendung der Formel (1) zu erwarten ist. Die Messpunkte zeigen die an verschiedenen Proben von einkristallinem Silizium gemessene Wärmeleitfähigkeit, das unter Anwendung der Formel (2) erfindungsgemäß hergestellt wurde.
  • Figure 00060001

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung von dotierten Halbleiterscheiben aus Silizium, die einen elektrisch aktiven Dotierstoff wie Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon enthalten, gegebenenfalls zusätzlich mit Germanium dotiert sind und eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einkristall aus Silizium hergestellt und zu Halbleiterscheiben weiterverarbeitet wird, wobei die Wärmeleitfähigkeit durch eine Auswahl der Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs und gegebenenfalls durch die Konzentration von Germanium eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von dotierten Halbleiterscheiben aus Silizium, die einen elektrisch aktiven Dotierstoff wie Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon enthalten und eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einkristall aus Silizium hergestellt und zu Halbleiterscheiben weiterverarbeitet wird, wobei die Wärmeleitfähigkeit entsprechend der Formel k = 1/(6.8·10-3 + alpha·c(Dot))durch eine Auswahl der Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs eingestellt wird, wobei k die Wärmeleitfähigkeit bei einer Temperatur von 22°C in der Einheit W/mK ist, c(Dot) die ausgewählte Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs in der Einheit Atome/cm3 ist und alpha ein Koeffizient ist, der abhängig vom elektrisch aktiven Dotierstoff folgende Werte besitzt:
    Figure 00070001
  3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von dotierten Halbleiterscheiben aus Silizium, die Germanium und einen elektrisch aktiven Dotierstoff wie Bor, Phosphor, Arsen oder Antimon enthalten und eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einkristall aus Silizium hergestellt und zu Halbleiterscheiben weiterverarbeitet wird, wobei der Einkristall Germanium mit einer Konzentration von bis zu 2·1020 Atome/cm3 enthält und die Wärmeleitfähigkeit entsprechend der Formel k = (1 – 5.6·10-21·c(Ge) + 1.4·10-41·c(Ge)2)/(6.8·10-3 + alpha·c(Dot))durch eine Auswahl der Konzentrationen von Germanium und des elektrisch aktiven Dotierstoffs eingestellt wird, wobei k die Wärmeleitfähigkeit bei einer Temperatur von 22 °C in der Einheit W/mK ist, c(Ge) und c(Dot) die ausgewählten Konzentrationen von Germanium und des elektrisch aktiven Dotierstoffs in der Einheit Atome/cm3 sind und alpha ein Koeffizient ist, der abhängig vom elektrisch aktiven Dotierstoff folgende Werte besitzt:
    Figure 00080001
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall nach der Czochralski-Methode aus einer Schmelze aus Silizium gezogen wird, die den elektrisch aktiven Dotierstoff und gegebenenfalls Germanium enthält, und kontrolliert wird, dass der elektrisch aktive Dotierstoff möglichst mit der Konzentration c(Dot) und gegebenenfalls Germanium mit der Konzentration c(Ge) in den Einkristall eingebaut wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall nach der Czochralski-Methode aus einer Schmelze aus Silizium gezogen wird, die Germanium enthält, und kontrolliert wird, dass Germanium mit der Konzentration c(Ge) in den Einkristall eingebaut wird, und die Halbleiterscheiben durch Diffusion oder Ionenimplantation mit dem elektrisch aktiven Dotierstoff dotiert werden und kon trolliert wird, dass der elektrisch aktive Dotierstoff möglichst mit der Konzentration c(Dot) in die Halbleiterscheiben eingebaut wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Bor als elektrisch aktivem Dotierstoff dotiert wird und die Bor-Konzentration derart ausgewählt wird, dass bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und des spezifischen elektrischen Widerstands (sW) der Halbleiterscheiben eine der folgenden Kombinationen von Eigenschaften resultiert: a) WL < 105W/mK; sW > 5 mOhmcm b) WL = 90W/mK – 30 W/mK; sW = 5 – 3 mOhmcm c) WL = 80W/mK – 20 W/mK; sW = 3 – 2 mOhmcm d) WL = 70W/mK – 20 W/mK; sW = 2 – 1.5 mOhmcm e) WL < 50W/mK; sW < 1.5 mOhmcm.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Variation des spezifischen Widerstands kleiner als 8 ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheiben mit Phosphor als elektrisch aktivem Dotierstoff dotiert werden und die Phosphor-Konzentration derart ausgewählt wird, dass bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und des spezifischen elektrischen Widerstands (sW) der Halbleiterscheiben eine der folgenden Kombinationen von Eigenschaften resultiert: a) WL = 90W/mK – 50 W/mK; sW = 1.5 – 1.2 mOhmcm b) WL = 80W/mK – 40 W/mK; sW = 1.2 – 0.9 mOhmcm c) WL = 75W/mK – 30 W/mK; sW < 0.9 mOhmcm.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Variation des spezifischen Widerstands kleiner als 10 ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheiben als Substrate für elektronische Leistungshalbleiter-Bauelemente verwendet werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Halbleiterscheiben eine epitaktische Schicht abgeschieden wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall mit zusätzlich mindestens einem weiteren Dotierstoff dotiert wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall zusätzlich mit einer Codotierung aus Stickstoff, Kohlenstoff oder einer Kombination von Stickstoff und Kohlenstoff dotiert wird.
  14. Halbleiterscheiben aus Silizium, gegebenenfalls mit abgeschiedener epitaktischer Beschichtung, die dotiert sind mit Germanium in einer Konzentration von bis 2·1020 Atome/cm3 und mit Bor, und die bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und des spezifischen elektrischen Widerstands (sW) eine der folgenden Kombinationen von Eigenschaften haben: a) WL < 105W/mK; sW > 5 mOhmcm b) WL = 90W/mK – 30 W/mK; sW = 5 – 3 mOhmcm c) WL = 80W/mK – 20 W/mK; sW = 3 – 2 mOhmcm d) WL = 70W/mK – 20 W/mK; sW = 2 – 1.5 mOhmcm e) WL < 50W/mK; sW < 1.5 mOhmcm.
  15. Halbleiterscheiben aus Silizium, gegebenenfalls mit abgeschiedener epitaktischer Beschichtung, die dotiert sind mit Germanium in einer Konzentration von bis 2·1020 Atome/cm3 und mit Phosphor, und die bezüglich der Wärmeleitfähigkeit (WL) und des spezifischen elektrischen Widerstands (sW) eine der folgenden Kombinationen von Eigenschaften haben: a) WL = 90W/mK – 50 W/mK; sW = 1.5 – 1.2 mOhmcm b) WL = 80W/mK – 40 W/mK; sW = 1.2 – 0.9 mOhmcm c) WL = 75W/mK – 30 W/mK; sW < 0.9 mOhmcm.
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