DE102005030851A1

DE102005030851A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Tempern von III-V-Wafern sowie getemperte III-V-Halbleitereinkristallwafer

Info

Publication number: DE102005030851A1
Application number: DE200510030851
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Jurisch; Stefan Dr. Eichler; Thomas Bünger; Berndt Dr. Weinert; Frank Dr. Börner
Original assignee: Freiberger Compound Materials GmbH
Current assignee: Freiberger Compound Materials GmbH
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2007-01-04
Also published as: DE502006009291D1

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Wärmebehandeln (Tempern) eines Wafers, der ein III-V-Halbleitermaterial umfasst, bei erhöhter Temperatur, wobei die Vorrichtung mindestens eine Wafer-Trägereinheit aufweist, die in ihrer Dimension so bemessen ist, daß nach Auflage des zu tempernden Wafers auf dem Träger über der Waferoberfläche eine Decke ohne Abstand oder mit einem Abstand von maximal etwa 2 mm zur Waferoberfläche ausgebildet ist. DOLLAR A Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Wärmebehandlung von III-V-Halbleitermaterial-Wafern und insbesondere SI GaAs-Wafern größeren Durchmessern als 100 mm und einer Versetzungsdichte unter 1 x 10·4· cm·-2·, bei dem die Wafer in die erfindungsgemäße Vorrichtung so eingelegt werden, daß die Frontseiten der Wafer in den durch die Deckelauflage Größen-definierten Raum zeigen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung getemperten SI GaAs-Wafer besitzen im Vergleich zu Wafern aus nur kristallgetempertem GaAs eine um mindestens 25% erhöhte charakteristische Bruchfestigkeit (Weibull-Verteilung), eine verbesserte radiale makroskopische und mesoskopische Homogenität und eine verbesserte Qualität der mechano-chemisch polierten Oberfläche. Die charakteristische Bruchfestigkeit beträgt mehr als 1900 MPa. Die strukturelle Perfektion der Wafer wird durch das Wafertempern nicht verändert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmebehandlung (auch Tempern genannt) von III-V-Wafern (auch Substrate genannt) und auf getemperte Wafer bzw. Substrate. Sie betrifft insbesondere genannte Vorrichtung, Verfahren und Wafer auf der Basis von GaAs-Halbleitermaterialien, vor allem von semiisolierendem (SI) GaAs-Wafern, und nach dem VGF- oder dem VB-Verfahren hergestellte GaAs-Wafer. Solche getemperten Wafer, deren elektrische, elektronische und sonstige physikalische Eigenschaften eingestellt werden können, sind insbesondere für die Herstellung aktiver mikroelektronischer Bauelemente auf der Basis von III-V-Halbleitern geeignet.

Bei der Einkristallzüchtung aus der Schmelze durchläuft das erstarrte Material eine ortsabhängige thermische Geschichte, d. h. die effektive Verweilzeit in einem T-Bereich, in dem Ausgleichsvorgänge (z.B. Relaxation von Restspannungen, Homogenisierung) möglich sind, ist für unterschiedliche Kristallbereiche unterschiedlich. Es ist daher allgemeine Praxis, die Einkristalle nach Abschluß des Züchtungsprozesses entweder in der Züchtungsapparatur, vorzugsweise aber in einem separaten Temperofen einer ausgleichenden Wärmebehandlung zu unterziehen. Das Tempern von GaAs-Einkristallen wurde erstmals von RUMSBY et. al. (D. Rumsby, R. M. Wafer, B. Smith, M. Tyjberg, M. R. Brozel, E. J. Foulkes: Tech. Dig. GaAs IC Symp., New York, IEEE, 1983,34.) zur Spannungsrelaxation und zur Homogenisierung der elektrischen Eigenschaften von undotierten, semi-isolierenden LEC-GaAs-Einkristallen eingesetzt. Seither wurden die Kristall-Temperprozeduren systematisch anwendungs- und anwenderspezifisch optimiert und dienen neben der Homogenisierung auch der Kontrolle der Störstellen. Eine Übersicht zum Kristalltempern von GaAs geben u.a. O_DA et al. (O. Oda, H. Yamamoto, K. Kainosho, T. Imaizumi, H. Okazaki: Recent developments of bulk III-V materials: annealing and defect control, Inst. Phys. Conf. Ser. No 135, pp 285–293, 1993).

Physikalischer Grundmechanismus jeder Wärmebehandlung ist die Diffusion von Eigenfehlstellen und Verunreinigungen unter Beachtung möglicher Einflüsse des Fermi-Niveaus und von Versetzungen, die eine erhöhte Diffusivität besitzen ("pipe diffusion") und mit denen Punktdefekte reagieren können (Segregation). Wegen der Kleinheit der Selbst- und vieler Fremddiffusionskoeffizienten selbst in der Nähe der Schmelztemperatur von GaAs sind die hierdurch bewirkten Ausgleichsvorgänge auf mesoskopische Linearabmessungen (O(100 μm)) beschränkt. Insbesondere ist eine Homogenisierung der durch Makrosegregation von Dotanden und Verunreinigungen bei der Kristallzüchtung entstandenen axialen und radialen Konzentrationsinhomogenitäten durch ein Kristalltempern nicht möglich.

GaAs speziell besitzt einen Homogenitätsbereich, der die stöchiometrische Zusammensetzung einschließt, mit einer retrograde Löslichkeit zumindest auf der As-reichen Seite des Homogenitätsbereiches (H. Wenzl, W. A. Oates, K. Mika: Defect thermodynamics and phase diagrams in compound crystal growth processes, in: D. T. J. Hurle (ed.): Handbook of Crystal Growth, vol 1A, North-Holland, Amsterdam, 1993). Die Folge der retrograden Löslichkeit ist die Bildung von As-Ausscheidungen beim Überschreiten der Soliduslinie während des Abkühlvorganges, die mit Veränderungen im intrinsischen Defekthaushalt des GaAs gekoppelt ist ("Strukturelle Punktdefekte"). Unterschieden wird zwischen den durch homogene bzw. heterogene Keimbildung gebildeten Matrix- bzw. Dekorationspräzipitaten mit unterschiedlicher Größenverteilung. Die Größenverteilung der Dekorationspräzipitate (DP) ist darüber hinaus von der Versetzungsdichte des Materials abhängig. Mit abnehmender Versetzungsdichte wächst die mittlere Präzipitatgröße an. Das heißt, VGF/VB-GaAs, speziell jene mit SI-Eigenschaften, weist im Vergleich zum LEC-GaAs größere DP's auf. Auf der anderen Seite weist LEC-GaAs zwar relativ kleine DP's auf, besitzt jedoch relativ hohe Versetzungsdichten von deutlich über 1 × 10⁴ cm^–2. Das Auflösen von Ausscheidungen durch ein Halten im Homogenitätsbereich und das Wiederausscheiden des überschüssigen Arsens durch ein definiertes Abkühlen stellt damit über die Verteilung und die Menge des ausgeschiedenen Arsens eine Möglichkeit zur Kontrolle des Defekthaushaltes, aber auch der As-Ausscheidungen durch Kristalltempern dar. Bei der Wärmebehandlung großformatiger Einkristalle sind allerdings den realisierbaren Aufheiz- und Abkühlraten durch die wärmephysikalischen Eigenschaften des GaAs enge Grenzen gesetzt, wenn die thermischen Spannungen im Interesse einer konstanten Versetzungsdichte bzw. zur Vermeidung von Bruch unterhalb bestimmter Schranken liegen sollen.

Die As-Ausscheidungen verursachen beim mechano-chemischen Polieren der Wafer ätzgrubenartige Defekte in der Oberfläche, die mittels Lichtstreutechniken als sogenannte COP's (Crystal Originated Particles) detektiert und hinsichtlich der Größe klassiert werden und anwendungs- sowie anwenderspezifischen Spezifiaktionen genügen müssen. Die Größenverteilung der COP's hängt u.a. von der jeweiligen Polierprozedur ab, ist aber grundsätzlich der Größenverteilung der As-Ausscheidungen proportional, d. h. die COP's sind im VGF/VB GaAs im Mittel größer als im LEC-Material. COP's können das epitaktische Wachstum stören und eine für die Bauelementefertigung unakzeptable "Rauhigkeit" der Schichtstapel verursachen. Bekannt ist ferner, daß die As-Ausscheidungen das Schaltverhalten durch Ionen-Implantation hergestellter FET's beeinflussen ( US5,219,632 ).

Neben dem in der Praxis üblicherweise durchgeführten Tempern des gesamten Kristalls (Ingot) ist eine Wärmebehandlung einzelner Wafer, das sogenannte Wafertempern, bekannt. Dabei kann im Unterschied zum Kristalltempern ausgenutzt werden, daß bei GaAs (und anderen III-V-Verbindungen) oberhalb der Temperatur der kongruenten Verdampfung das Arsen (die V-Komponente) einen höheren Dampfdruck als Gallium (die III-Komponente) besitzt und auf diese Weise zumindest prinzipiell versucht werden kann, durch einen von außen angelegten As-Partialdruck (z.B. durch Verdampfen von festem Arsen oder auf andere Weise) die Zusammensetzung von GaAs in einem oberflächennahen Bereich der Wafer einzustellen (O. Oda, H. Yamamoto, K. Kainosho, T. Imaizumi, H. Okazaki: Recent developments of bulk III-V materials: annealing and defect control, Inst. Phys. Conf. Ser. No 135, pp 285–293, 1993).

Eine weitere bekannte Variante des Wafertemperns ist die Wärmebehandlung nach Ionenimplantation. Sie dient der Aktivierung des implantierten Dotanden, wobei eine selektive As-Verdampfung durch einen der Aktivierungstemperatur entsprechenden As-Partialdruck oder durch eine Diffusionsbarriere aus Si₃N₄, AIN oder eine andere Abdeckschicht unterdrückt wird.

Beim Wafertempern wurde ausgehend von einer 1-stufigen Wafertemperprozedur ( US5,219,632 ) zur weiteren Verbesserung der mesoskopischen Homogenität eine 2-stufige (JP01-153481 A, US5,047,370 ) und schließlich eine 3-stufige Prozedur (JP04-215439 A, US5,137,847 ) entwickelt.

Ihnen ist gemeinsam, daß in einem ersten (bei US5,219,632 dem einzigen) Temperschritt bei T > 1100°C und t > 30 min in einer Quarzampulle unter einem nicht näher definierten As-Partialdruck zur Vermeidung einer selektiven As-Verdampfung sowie eine anschließende Abkühlung auf Raumtemperatur mit 1–30 K/min die Dichte der sogenannten Mikrodefekte von typischerweise 5 × 10⁵ cm^–2 in SI LEC GaAs auf ≤ 5 × 10³ cm^–2 abgesenkt wird. Unter Mikrodefekten werden Ausscheidungen von Verunreinigungen oder As-Ausscheidungen verstanden, die sich durch die bekannte AB-Ätzung als ovale Ätzpits auf der Waferoberfläche nachweisen lassen. Eingesetzt werden vorzugsweise geläppte und reinigungsgeätzte Wafer ggf. auch im as-grown Zustand. Nach dem beidseitigen Ätzen der getemperten Wafer erfolgt die 2. Temperung bei 750°C–1100°C (vorzugsweise bei 900°C–1000°C) für wenigstens 20 min. Wiederum wird in einer Quarzampulle getempert, jetzt jedoch in einer nichtoxidierenden Atmosphäre wie z.B. N₂, H₂, Ar oder auch AsH₃ nicht näher spezfizierten Druckes, d. h. nichtkonservativ ohne As-Potential und damit unter extraktiven Bedingungen oder aber konservativ mit einem As-Partialdruck zur Unterdrückung einer Degradation der Oberflächen. Die Angaben zum Prozeßgas sind somit widersprüchlich. Diese Verfahrensweise ist jedoch insofern denkbar, als die Wafer nach dem Tempern geätzt, vor- und endpoliert werden, so daß eine ggf. veränderte Zusammensetzung im oberflächenahen Bereich ohne Bedeutung ist.

In den Offenlegungen JP08-255799 A, JP08-259396 A und JP09-194300 A wird die 2. Temperung im T-Bereich von 800°C–1000°C unter einem As-Partialdruck durchgeführt, der wenigstes das 1.4- bis 2.-fache des Druckes über stöchiometrischem GaAs bei der jeweiligen Temperatur beträgt. Damit wird die Stöchiometrieabweichung und hiermit verknüpft die EL2-Konzentration in einem oberflächennahen Bereich erhöht. Aussagen zum Verhalten der As-Ausscheidungen bei dieser Wärmebehandlung werden nicht gemacht.

Bei dem in US5,137,847 bzw. JP04-215439 A beschriebenen 3-stufigen Wafertempern wird eine weitere Temperung bei 520–730°C unter As-Partialdruck durchgeführt. In diesem Dokument wird die 3-stufige Temperung hinsichtlich Absenkung der Mikrodefekte und der Homogenisierung als optimal bezeichnet Nachteilig und unakzeptabel ist die nach dem 1. Temperschritt geforderte hohe Abkühlrate, die bei großformatigen Kristallen, aber auch bei Wafern großen Durchmessers mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Versetzungsvervielfachung (Gleitlinienbildung) infolge zu hoher thermischer Spannungen führt. Das befindet sich in Übereinstimmung mit der in der japanischen Offenlegung JP2002-274999 A, die die Aufheiz- und Abkühlrate auf ≤ 200 K/h bzw. ≤ 100 K/h begrenzt, sowie mit JP2001-135590 A, die ein bestimmtes Temperregime betrifft, bei dem sowohl die Aufheiz- als auch die Abkühlrate T-abhängig verändert werden. Nicht berücksichtigt wird, daß die kritischen Aufheiz- und Abkühlraten zur Vermeidung einer Versetzungsvervielfachung für LEC- und VGF-GaAs unterschiedlich sind. Mit der Anzahl der Temperschritte steigt ferner der Aufwand an Material und Arbeitskraft erheblich an.

In JP09-199508 A wird offenbart, die zu tempernden GaAs-Wafer aufeinanderliegend zu stapeln, über eine elastische Einheit mit einem definierten Druck zusammenzudrücken und so unter nichtoxidierender Atmosphäre (N₂, Ar, H₂, AsH₂) in einem Behälter im T-Bereich zwischen 800–1000°C zu tempern.

In der JP05-082527 A wird eine Vorrichtung zum Tempern von Wafern in vertikaler Anordnung offenbart. Sie besteht aus 3 azimutal versetzten Haltestäben mit Einschnitten zur Waferaufnahme in einem bestimmten Abstand. Die Haltestäbe sind in einem Kegelflansch befestigt. Sie sind hohl ausgeführt, können (ein) Thermoelement(e) aufnehmen und mit Kühlgas beaufschlagt werden. Diese Vorrichtung wird in eine vertikal angeordnete Quarzampulle mit einem entsprechenden Kegelschliff eingesetzt. Die Ampulle besitzt am unteren Ende eine Verlängerung zur Aufnahme von metallischem Arsen. Sie ragt in einen separaten Heizer, über dessen Temperatur der As-Partialdruck in der Ampulle kontrolliert und so eine Degradation der Wafer verhindert werden kann. Die Wafer werden durch einen Ofen mit mehreren separaten Heizern erwärmt, die mit Hilfe des Innenthermoelementes so gesteuert werden, daß über die Einbaulänge der Wafer eine konstante Temperatur aufrechterhalten werden kann. Die Ampulle kann evakuiert werden. Die Ampulle mit im Inneren angeordneten Wafern kann über einen Kegelschliff verschließbar oder auch abgeschmolzen sein.

Statt nur einen Wafer pro Etage können nach JP2000-294561 auch zwei sich mit den Rückseiten berührende GaAs Wafer eingebaut werden.

Gemäß der JP06-302532 A und ähnlich hierzu in JP10-287500 A und JP10-289883 A werden die Wafer auf Unterlagen aus wärmebeständigen Werkstoffen wie pBN, Graphit, Silizium, Wolfram, Molybdän aufgelegt und diese Unterlagen vertikal oder horizontal gestapelt und so in die Temperampulle eingebaut. Bohrungen zwischen den Waferauflagen dienen bei horizontaler Lagerung der Wafer auf Unterlagen der besseren Wechselwirkung mit dem Prozeßgas (s. JP10-321540 A).

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kostengünstigen Produktion von III-V-Wafern, vorzugsweise von GaAs-Einkristallen und insbesondere von VGF/VB-hergestellten Wafern, sowie solche Wafer bereitzustellen, die eine gute Homogenität von elektrischen und physikalischen Eigenschaften sowie eine verbesserte Oberflächenqualität besitzen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, durch ein Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, sowie durch einen GaAs- Halbleitereinkristallwafer nach Anspruch 25 oder 26. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen festgelegt.

Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, ohne die Erfindung jedoch darauf zu beschränken, werden nachfolgend näher beschrieben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung zum Wärmebehandeln (Tempern) von Wafern, die ein III-V-Halbleitermaterial umfassen, mindestens eine Wafer-Trägereinheit auf, die in ihrer Dimension so bemessen ist, daß, nach Auflage des zu tempernden Wafers auf dem Träger, über der Waferoberfläche eine Decke ohne Abstand oder in einem Abstand von maximal 2 mm zur Waferoberfläche ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Wirkung ist besonders gut, wenn die Decke durch eine sich über die gesamte Oberfläche des zu tempernden Wafers erstreckende Abdeckung gebildet wird.

Die Wafer-Trägereinheit kann eine mechanisch-druckfreie Auflage eines einzelnen Wafers pro Trägereinheit, z.B. nur mit seinem Eigengewicht, ermöglichen.

Der Wafer-Auflageboden und/oder die Decke, vorzugsweise beides, ist vorzugsweise vollständig oder teilweise und insbesondere in einem dem Wafer zugewandten Oberflächenbereich, gaspermeabel, z.B. durch eine poröse und insbesondere eine mikroporöse Struktur. Das vorzugsweise gaspermeable Material des Auflagebodens und/oder der Decke weist ferner bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Ebenheit auf. Geeignete gaspermeable Materialien sind zum Beispiel Graphit, Keramiken wie beispielsweise Al₂O₃, und Cermets mit jeweils passender Porosität. Die Porosität kann je nach dem eingesetzten Material und dem gewünschten Anwendungsfall (Wafermaterial, Tempertemperatur, Abstand des Auflagebodens zur Decke, etc.) durch dem Fachmann bekannte Methoden eingestellt werden, wobei vorzugsweise der Wafer-Auflageboden und/oder die Decke mindestens in der zur Waferoberfläche zugewandten Oberfläche offenporig sein sollte. Die offene Porosität des Materials für Wafer-Auflageboden und/oder Decke kann geeigneterweise 20 Vol.% oder weniger, bevorzugt 15 Vol% oder weniger und weiter bevorzugt 10 Vol% oder weniger betragen. Es ist auch möglich, nur einen Teil von Wafer-Auflageboden und/oder Decke, die den eingelegten Wafer umgeben, porös bzw. gasdurchlässig auszugestalten, während der übrige Teil gasdicht und/oder mit einem gasdichten, gut Wärme leitenden Material wie Saphir (Al₂O₃), SiO₂ gebundenem ZrO₂ oder SiC zu beschichten. Eine gute Wirkung wurde auch erzielt mit einer SiC-beschichteten Graphitkassette, die Wafer-Auflageboden und Decke bildet, die mit Ausnahme des Bereiches der weiter unten beschriebenen Diffusionssperre, d.h. dem Randbereich, in dem sich die gestapelten Kassetten berühren, gasdicht ist. Wegen der dadurch erzielbaren besonders hohen Wärmeleitfähigkeit und hohen Ebenheit ist ein Material für Wafer-Auflageboden und/oder Decke besonders bevorzugt, welches durch Verdichten von Graphit, das weiter bevorzugt aus hochreinen Graphitpartikeln zusammengesetzt ist, gefertigt wurde. Geeignet sind aber auch andere, vorzugsweise hochreine, auf Restporosität hoch verdichtbare Materialien oder Mischungen verschiedener Materialien. Die Decke ist bevorzugt aus dem gleichen gaspermeablen, porösen Material wie der Auflageboden gefertigt. Dies kann zum Beispiel in der unten näher beschriebenen Ausführung mit Kassettenform realisiert werden.

Durch das Vorsehen des begrenzten Abstand und/oder gegebenenfalls durch die Porenstruktur wird gewissermaßen ein Mikrovolumen definiert. Dadurch können auf besonders wirksame Weise einerseits eine Degradation der Oberflächen unter Bildung von Ga-Tröpfchen sicher ausgeschlossen und andererseits Wafer mit erhöhten Gebrauchseigenschaften hergestellt werden. Es werden eine verbesserte Oberflächenqualität durch ein Absenken der COP's erreicht und die charakteristische Bruchfestigkeit der getemperten Wafer signifikant verbessert. Es wird angenommen, daß durch das definierte Mikrovolumen eine besonders gute Homogenisierung des Oberflächenbereichs des getemperten Wafers bewirkt wird. Die Wirkung ist besonders gut, wenn die Wafer-Trägereinheit in ihrer Dimension so bemessen ist, daß der Abstand zwischen der Oberfläche des aufzulegenden Wafers und der darüber liegenden Decke bzw. Abdeckung 0,05–0,75 mm, weiter bevorzugt 0,2–0,5 mm und insbesondere 0,3–0,4 mm beträgt und ein dementsprechendes Mikrovolumen bildet. Nimmt man z.B. auf eine typische Waferdicke von 0,5–1 mm Bezug, ohne die Erfindung jedoch darauf zu beschränken, würde folglich der Abstand vom Auflageboden bis zur Decke der Wafer-Trägereinheit mindestens etwa 0,5 mm (d.h. bei Verwendung eines 0,5 mm-Wafers und lückenloser Auflage des Deckels auf dem Wafer) bis maximal etwa 3 mm (d.h. bei Verwendung eines 1 mm-Wafers und Anwendung des Maximalabstands des Wafers zum Deckels von 2 mm) betragen. Die Wafer-Trägereinheit ist in ihrer Dimension vorzugsweise ferner so bemessen, daß ein Volumendurchmesser definiert ist, der größer und insbesondere geringfügig größer als der Durchmesser des zu behandelnden Wafers ist und beispielsweise maximal 110 %, vorzugsweise 105 %, weiter bevorzugt maximal 101 % des Durchmessers des zu behandelnden Wafers entspricht.

Die Wafer-Trägereinheit kann in einer besonderen Ausführungsform einen den Wafer aufnehmenden, begrenzten Raum derart bilden, daß ein ungehinderter freier Gaszutritt zu den Waferoberflächen verringert und vorzugsweise verhindert ist. Andererseits ist ein hermetisches Versiegeln des Wafers in der Trägereinheit nicht erwünscht. Demnach liegt vorzugsweise eine Gasaustauschrate zwischen der Atmosphäre im Mikrovolumen und der Atmosphäre außerhalb der Wafer-Trägereinheit vor, ist jedoch im Vergleich zu einem freien Gasaustausch wesentlich verringert. Die technische Realisierung wird unten durch Bezugnahme auf geeignete Diffusionshindernisse näher beschrieben.

Die Wafer-Trägereinheit ist vorzugsweise zur durchgehenden, horizontal flächigen Auflage der gesamten unteren Oberfläche des Wafers ausgestaltet. Um die Auflage möglichst gleichmäßig zu machen, sind im Auflageboden keine Bohrungen vorgesehen. Erfindungsgemäß können Spannungen vermieden werden, die bei nicht horizontalen und bei nicht durchgehenden Auflagen und insbesondere bei punktuellen Auflagen durch den Einfluß des Wafer-Eigengewichts beim Tempern auftreten können, weil durch den Auflagedruck im Glühgut die (T-abhängige) Fließspannung überschritten wird, was zur Bildung von Versetzungen und unakzeptablen Gleitlinien führt. Dieser Einfluß ist bei GaAs wegen der vergleichsweise großen Dichte besonders ausgeprägt.

Ein weiterer Vorteil sind (radial) homogenere Temperaturverteilungen während des Aufheizens und Abkühlens, und auch während des Haltens, was wiederum thermische Spannungen in den Wafern und ggf. eine globale Geometrieänderung der Wafer (Verschlechterung z.B. des "warp" im Vergleich zum Zustand vor dem Tempern), aber auch eine örtlich unterschiedliche Wechselwirkung zwischen Wafer und Prozeßgas vermeidet. Aufheiz- und Abkühlraten können daher besser und T-variabel gesteuert werden.

Gemäß der Erfindung kann die Wechselwirkung zwischen dem Prozeßgas und der Waferoberfläche gleichmäßig gemacht werden und ist unabhängiger von der globalen geometrischen Qualität sowie vom physikalisch-chemischen Oberflächenzustand der Wafer.

Durch die bevorzugte Auflage nur eines einzigen Wafers pro Wafer-Trägereinheit kann ein Versintern von Wafern untereinander vermieden werden.

Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von Wafer-Trägereinheiten auf, die in Kassettenform so stapelbar sind, daß eine Wafer-Trägereinheit einen Auflageboden für einen ersten (n-ten) Wafer aufweist und eine entsprechende, darauf gestapelte Wafer-Trägereinheit für einen darüberliegenden zweiten ((n+1)-ten) Wafer die höhenbegrenzende Decke bzw. Abdeckung für den Raum des ersten (n-ten) Wafers bildet.

Die Wafer-Trägereinheit, in ihrer vereinzelten Form und in der mehrfach gestapelten Kassettenform, weist eine passende Außenumrandung auf, die um den kreisförmigen Rand des zu behandelnden Wafers gebildet ist und den Raum bzw. das Mikrovolumen nach außen abschließt. Die Außenumrandung weist bevorzugt ein Gas-Diffusionshindernis auf, um einen begrenzten Gasaustausch von außen mit dem Mikrovolumen zu ermöglichen. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch passende Formstruktur und/oder Materialauswahl im Auflagebereich benachbarter Wafer-Trägereinheiten, insbesondere an der Auflagefläche dazwischen. Geeignet sind beispielsweise gegenüber einem Gasaustausch nicht hermetisch abschließende Deckel/Unterlagestrukturen, etwa wenn zwischen benachbarten Wafer-Trägereinheiten ein Bodeninnenkreis der oben liegenden Wafer-Trägereinheit in den Umkreis der darunter liegenden Wafer-Trägereinheit eingreift und/oder eine Oberflächenrauhigkeit oder eine andere diffusionshemmende geometrische Struktur vorgesehen ist. Ein alternatives oder zusätzliches Diffusionshindernis ist dadurch möglich, daß an den Berührungsflächen am Umkreisrand von benachbarten Wafer-Trägereinheiten ein Diffusionsbarrierematerial wie Si₃N₄, AIN oder dergleichen gebildet ist. Besonders einfache und wirksame Diffusionshindernisse sind ein oder mehrere, an der Peripherie der Wafer-Trägereinheit umlaufende dreieckförmige Rippen, die in Nuten gleichen Querschnitts der benachbarten Wafer-Trägereinheit eingreifen. Eine oben beschriebene offene Porenstruktur im Auflageboden und/oder im Deckel, bei der Stapelausführung einschließlich des Auflageboden der untersten Wafer-Trägereinheit und des Deckel der obersten Wafer-Trägereinheit, können ebenfalls als Gas-Diffusionshindernis zum stark begrenzten Gasaustausch nach außen beitragen.

Für das Temperverfahren wird der Wafer so eingelegt, daß die Frontseite des Wafers, die später die Funktionsseite des Wafers bildet, zum Mikrovolumen hin zeigt. Für das Erreichen von großen Wafern mit verbesserten Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn der das III-V-Halbleitermaterial umfassende Wafer zunächst aus as-grown III-V-Einkristallen nach dem Rundschleifen mit einem Durchmesser von > 100 mm, gegebenenfalls von > 150 mm oder von > 200 mm herausgetrennt wird, z.B. mittels Drahtläppens oder Innenlochsägens, anschließend einem Schritt zum Reinigen und Ätzen unterzogen wird und dann, noch bevor ein Schritt zum Kantenverrunden durchgeführt wird, in einer Wärmebehandlungsvorrichtung, die vollständig ohne Kieselglas-Bauteile wie eine Quarzampulle auskommt, wärmebehandelt wird. Die oben beschriebene Wafer-Trägereinheit ist zur Anwendung in einem solchen Behandlungsverfahren besonders gut geeignet, da sie in einer Wärmebehandlungsvorrichtung ohne Kieselglas-Bauteile eingesetzt werden kann. Das Tempern in quarzfreier Umgebung dient zur Absenkung des Kontaminationsrisikos, z.B. durch Cu, weshalb zum Beispiel die Konzentration an anderen Verunreinigungen als Kohlenstoff und Bor bevorzugt auf insgesamt höchstens 5 × 10¹⁴ cm^–3 und vorzugsweise auf höchstens 2 × 10¹⁴ cm^–3 begrenzt werden kann. Ferner wird das Verfahren dadurch einfacher und kostengünstiger. Außerdem kann mit der genannten Reihenfolge der Verfahrensschritte besonders gut eine gleichmäßige Extraktion im Oberflächenbereich und ein Homogenisierung des Wafers erhalten werden. Die Weiterverarbeitung der Wafer nach dem Tempern erfolgt in Analogie zur Verfahrensweise mit kristallgetemperten Wafern. Das Kantenverrunden erfolgt vorteilhaft nach dem Tempern der einzelnen Wafer, wodurch etwa noch auftretende Inhomogenitäten oder Defekte am umlaufenden Waferrand beseitigt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein einstufiges Tempern anstelle von mehrstufigen Temperregimen. Dadurch werden die Kosten der Wärmebehandlung reduziert.

Das Tempern der Wafer erfolgt vorzugsweise im Temperaturbereich von 750–1150°C, weiter bevorzugt von 800–1050 °C. Die Atmosphäre wird vorzugsweise durch ein Inertgas, z.B. aus Stickstoff oder Argon, und insbesondere mit einem Wasserstoffgehalt von mind. 0,5 Vol. % und einem Gesamtdruck von 10–20 bar gebildet.

Im Fall der Herstellung von z.B. GaAs-Wafern ist es vorteilhaft möglich, die Temperung von as-grown-Wafern ohne vorgegebenen As-Partialdruck durchzuführen. Es wird angenommen, daß die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus sich heraus eine günstige As-Atmosphäre im oben genannten Mikrovolumen erzeugt, um eine kontrollierte As-Extraktion aus dem, und/oder eine Einstellung der As-Verteilung in dem dem Mikrovolumen zugewandten Oberfächenabschnitt des Wafers zu bewirken. Im Fall der Herstellung von z.B. InP-Wafern kann es andererseits vorteilhaft sein, die Temperung von as-grown Wafern mit vorgegebenen P-Partialdruck durchzuführen, um ein Eindiffundieren in den, und/oder eine Einstellung der P-Verteilung in dem dem Mikrovolumen zugewandten Oberfächenabschnitt des Wafers zu bewirken.

Durch die besonders einfache Durchführbarkeit braucht sich die oben beschriebene, erfindungsgemäße Temperbehandlungsvorrichtung lediglich in einem Temperatur konstanten Raum zu befinden. Als zu verwendendem Ofen wird eine Mehrheizeranordnung bevorzugt; beispielsweise enthält der Ofen einen Mantelheizer und zwei Deckelheizer. Die Einstellung eines As-Partialdrucks im Temperofen ist nicht erforderlich und kann zugunsten einer Einfachheit und Effektivität der Temperung weggelassen werden.

Die Haltezeit bei der Tempertemperatur kann so lange ausgedehnt werden, bis eine gewünschte und je nach Anwendungsfall vorteilhafte Tiefe einer Extraktion (z.B. von As) oder Eindiffusion (z.B. von P) der V-Komponente und/oder einer Einstellung der Verteilung der V-Komponente, was z.B. durch die Laser Scattering Tomographie (LST) feststellbar ist, erreicht ist.

Eine bevorzugte Tiefe einer As-Extraktion oder P-Eindiffusion und/oder Konzentrationseinstellung der V-Komponente beträgt mindestens 40μm. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann sich sogar durch den gesamten Dickebereich des Wafers erstrecken.

Eine Beziehung zwischen der gewünschten Haltezeit bei der Tempertemperatur und einer mittleren As-Extraktionstiefe L_eff ist durch folgende Formel gegeben:

Hierin ist D(T) der Transportkoeffizient von As (s. auch 6 unten) und T(t) das Temperatur-Zeit-Profil der Temperung (s. z.B. 4 unten), deren Gesamtdauer t_o beträgt. Näherungsweise gilt: L_eff = √2D(T)t, worin D(T) der Transportkoeffizient bei der Tempertemperatur T und t die Haltezeit bei dieser Temperatur sind. Unberücksichtigt bleibt hierbei die Aufheiz- und Abkühlperiode des Temperregimes.

Weitere besondere Vorteile des Verfahrens ergeben sich daraus, daß sich die Auf-und die Abkühlraten jeweils T-abhängig variabel sehr gut einstellen lassen. So ist es sehr effizient möglich, daß die Auf- und die Abkühlraten im T-Bereich über 400°C bis zur Solltemperatur von 30–40 K/min auf 0 abgesenkt bzw. erhöht werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß, falls gewünscht, die EL2°-Konzentration von as-grown VB/VGF-Wafern mit einer Versetzungsdichte < 1 × 10⁴ cm^–2 um mindestens 30 % erhöht werden kann. Ferner können die EL2°-Konzentration und der mesoskopische Widerstand vorteilhaft stark homogenisiert werden, insbesondere auf einen Bereich von jeweils|Δ[EL2°]/[EL2°] ≤ 7,5 % und σ_mesos ≤ 6 % und sogar auf einen Bereich von jeweils |Δ[EL2°]/[EL2°] ≤ 5 % und σ_mesos ≤ 5 %. Auch die Oberflächenqualität wird signifikant verbessert, was sich insbesondere in einer stark verminderten lpd (light point defects) wie z.B. von lpd(0.3–2.0 μm) < 0,3 cm^–2 ausdrückt.

Durch die genannten vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine problemlose Integration der Wärmebehandlung in den technologischen Ablauf der Waferfertigung möglich.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen III-V-Halbleitereinkristallwafer, insbesondere die einkristallinen SI GaAs-Wafer, besitzen eine für die Bauelementefertigung vorteilhafte erhöhte Bruchfestigkeit. Ferner besitzen diese Wafer eine verbesserte radiale makroskopische und mesoskopische Homogenität und eine verbesserte Qualität der mechano-chemisch polierten Oberflächen. Es wird vermutet, daß ein Grund für die verbesserten Eigenschaften eine durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren erzielbare Konzentrationseinstellung von chemischen Bestandteilen; speziell der V-Komponente der III-V-Halbleiterverbindung wie dem überstöchiometrischen As (im Fall von GaAs) oder P (im Fall von InP), und/oder eine Homogenisierung von physikalischen Parametern, wie der EL2-Konzentrationsverteilung, ist. Indem ein Mikrovolumen definiert und gegebenenfalls weitere Prozeßparameter wie Bestandteile und Drücke der Gasatmosphäre eingestellt werden, kann mit den erfindungsgemäßen Wafer-Tempereinheiten und Temperkassetten eine kontrollierte Extraktion der V-Komponente wie im Fall von As bei GaAs, oder eine kontrollierte Eindiffusion der V-Komponente wie im Fall von P bei InP angestrebt werden. Vorrichtung und Verfahren sind vorzugsweise anwendbar auf die Wärmebehandlung von SI GaAs-Wafern, die aus Einkristallen hergestellt wurden, die nach dem Vertikalen Bridgman Verfahren (VB) und seinen Varianten (z.B. dem Vertical Gradient Freeze Verfahren – VGF), d. h. Verfahren mit im Vergleich zum Liquid Encapsulated Czochralski-Verfahren (LEC) signifikant kleineren Nichtlinearitäten des 3D-Temperaturfeldes, gezüchtet wurden. Mittels dieser Verfahren gezüchtete III-V-Kristalle und daraus gefertigte Wafer und insbesondere SI GaAs-Wafer größerer Durchmesser wie ≥ 100 mm und ≥ 150 mm weisen Versetzungsdichten unter 1 × 10⁴ cm^–2 auf, und die charakteristische Bruchfestigkeit, definiert als die Bruchfestigkeit, bis zu der 63,2 % (Weibull-Verteilung) der Wafer ausgefallen sind, ist gegenüber derjenigen für SI GaAs Wafer aus kristallgetempertem Material um mindestens 25 % erhöht. Die charakteristische Bruchfestigkeit beträgt mehr als 1900 und bevorzugt mehr als 2000 MPa, jeweils mit einem Vertrauensbereich von < +/– 200 MPa. Die charakteristische Bruchfestigkeit ist durch Standardmethoden bestimmbar, wie zum Beispiel in DIN 51110/Teil 3 bzw. EN843-5 (Entwurf) bzw. W. Timischl: Qualitätssicherung, Carl Hanser Verlag München Wien, 1996, ISBN 3-446-18591-1 beschrieben. Es ist ausreichend, eine 2-parametrige Weibull-Verteilung für die Ermittlung des charakteristischen Wertes zu verwenden.

Insbesondere ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein III-V-Halbleitereinkristallwafer mit einer einzigartigen Kombination von Merkmalen erhältlich, die durch einen oder mehrere, bevorzugt alle der folgenden Parameter definiert ist:

– Waferdurchmesser ≥ 100 mm, vorzugsweise ≥ 150 mm;
– Versetzungsdichte < 1 × 10⁴ cm^–2;
– einer Konzentration an anderen Verunreinigungen als Kohlenstoff und Bor von insgesamt ≤ 5 × 10¹⁴ cm^–3, vorzugsweise von ≤ 2 × 10¹⁴ cm^–3,
– einer Homogenität der EL2°-Konzentration von |Δ[EL2°]/[EL2°] ≤ 7,5 % und einer mesoskopischen Homogenität von σ_mesos ≤ 6 %, vorzugsweise mit |Δ[EL2°]/[EL2°] ≤ 5 % und σ_mesos ≤ 5 %,
– lpd(0.3–2.0 μm) < 0,3 cm^–2.

Die vorliegende Erfindung und die bevorzugten, jedoch nur beispielhaften und nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, wobei:

1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Ausführungsform von gestapelten Temperkassetten mit einer Mehrzahl einzelner Wafer-Trägereinheiten gemäß der Erfindung;

2 zeigt schematisch die Ausführungsform nach 1 im Detail, mit einer Ausführungsart für ein zusätzliches Diffusionshindernis;

3 zeigt schematisch im Querschnitt einen Temperofen, in den eine Stapelung mehrerer Wafer-Trägereinheiten eingebaut ist;

4 zeigt ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Temperatur-Zeit-Verlauf der einstufigen Wafertemperung;

5 zeigt ein LST-Mapping eines getemperten Wafers in Kantenansicht mit Matrixpräzipitaten (Darstellung links) und Dekorationspräzipitaten (Darstellung rechts); und

6 zeigt die Temperaturabhängigkeit des effektiven Transportkoeffizienten für das extraktive Wafertempern.

In 1 und detaillierter in 2 sind in einer Ausführungsform der Erfindung gestapelte Temperkassetten mit einer Mehrzahl einzelner Wafer-Trägereinheiten 10 schematisch gezeigt. Jede Wafer-Trägereinheiten 10 kann jeweils einen Wafer (nicht gezeigt) aufnehmen. Die Wafer liegen auf dem mit höchstmöglicher Ebenheit gefertigten Boden der Kassetten aus z.B. hochdichtem, aber gaspermeablem Graphit hoher Temperaturleitfähigkeit mit der Rückseite auf. Die einzelnen baugleichen Kassetten sind so gefertigt, daß sie über die Umkreisränder lückenlos gestapelt werden können, wobei der Boden der darüberliegenden Kassette den Deckenabschluß der darunterliegenden bildet und zwischen ihnen ein (bezüglich einer Waferdicke d angepaßter) Raum (mit der dargestellten Gesamthöhe H) für die Aufnahme des Wafers bleibt. Vorzugsweise bleibt noch ein zusätzliches Freivolumen. Ein Mikrovolumen wird gebildet durch die offene Porenstruktur des Waferträgers selbst und, falls bevorzugt der Abstand (H-d) zwischen Decke und Waferoberfläche vorgesehen ist, durch das gemäß dem gewählten Abstand zusätzlich gebildeten Freivolumen. Im letztgenannten Fall ist das Freivolumen durch den Abstand zur Waferoberfläche (nicht gezeigt) von maximal 2 mm, vorzugsweise 0,05–0,75 mm, weiter bevorzugt 0,2–0,5 mm und insbesondere 0,3–0,4 mm Höhe, sowie durch den Träger-Durchmesser 2R_T von größer als dem Durchmesser des zu behandelnden Wafers bestimmt, z.B. maximal 110 %, bevorzugt maximal 105 % und weiter bevorzugt maximal 101 % des Durchmesser des zu behandelnden Wafers. Das Freivolumen wird durch eine Deckel/Boden-Eingriffsstruktur 15 am umlaufenden Rand nach außen abgeschlossen. Auf dem Auflagerand der Waferträger befindet sich ein zusätzliches Gas-Diffusionshindernis, das vorzugsweise durch umlaufende Rippen 16 auf der untenliegenden Wafer-Trägereinheit gebildet wird, die in entsprechende Nuten oder Aussparungen 17 der darüberliegenden, abdeckenden Wafer-Trägereinheit eingreifen (s. 2). Als Abschluß der Temperkassetten nach oben kann eine unbesetzte bzw. mit einem Dummy-Wafer besetzte Wafer-Trägereinheit oder ein spezieller Deckel (nicht gezeigt) vorgesehen werden.

Auf diese Weise kann ein nachteiliger direkter Kontakt einzelner Wafer, wie es z.B. in JP09-199508 A vorgesehen ist, vermieden werden. Die Anzahl der einsetzbaren Kassetten (Wafer-Trägereinheiten) hängt von der Länge der T-konstanten Zone des verwendeten Temperofens ab und betrug bei der gezeigten Ausführungsform beispielsweise 90. Das z.B. aus zwei umlaufenden, dreieckförmigen Rippen und Nuten bestehende Diffusionshindernis (s. 2) reduziert den As-Verlust aus dem Mikrovolumen beim Tempern hauptsächlich auf den diffusiven Transport durch das mikroporöse Graphit. Die Kassetten mit Mikrovolumen sind damit prinzipiell verschieden von den im Stand der Technik z.B. gemäß JP05-082527 A und JP06-302532 A beschriebenen Waferträger-Einrichtungen, die einen freien Gaszutritt zu den Waferoberflächen ermöglichen. Mit der Auflage der gesamten Waferfläche auf der erfindungsgemäßen Wafer-Trägereinheit werden zudem die oben beschriebenen Probleme bei punkt- oder bereichsweiser Auflage (vgl. insbesondere JP05-082527 A) sicher vermieden. Ferner werden hierdurch das Aufwärmen und Abkühlen auf Tempertemperatur beschleunigt und T-Inhomogenitäten über den Wafer in der Haltephase verringert.

Die Dicke der eingesetzten Wafer ist der Sägedicke bei konventioneller Fertigung gleich, d. h. das erfindungsgemäße Wafertempern erfordert keine Veränderung der Maßketten der Waferfertigung.

Wie in 3 schematisch gezeigt wird nach dem Befüllen der Kassetten mit Wafern, zum Zweck der Homogenisierung des T-Feldes, über den Kassettenstapel ein zum Außendurchmesser der Kassetten passendes Graphitrohr geschoben und an beiden Enden mit Graphitplatten abgeschlossen. Der so gebildete Temperblock (in 3 mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet) wird in die T-konstante Zone eines vertikalen Kaltwand-Temperofen eingebaut. Der Ofen besitzt eine Mehrheizeranordnung oder enthält, wie in 3 gezeigt, einen Mantelheizer 200 und zwei Deckelheizer 300 und ist in einen wassergekühlten, evakuierbaren Druckbehälter (in 3 nicht gezeigt) eingebaut. Ein As-Partialdruck im Temperofen, der herkömmlich üblicherweise in einer Quarzampulle angelegt wird, ist folglich weder möglich noch nötig.

Der beschriebene Aufbau enthält keine Bauteile aus Quarz, wodurch eine aus dem Quarz stammende Kontamination der Wafer ausgeschlossen ist.

Die Wärmebehandlung der Wafer erfolgt unter Reinststickstoff oder Reinstargon, jeweils aus Flüssiggasen entwickelt, mit einem Zusatz von ≤ 1 Vol.% Wasserstoff. Bevor das Prozeßgas aufgedrückt wird, wird der Druckbehälter 3 x abwechselnd bis auf 10^–3 mbar evakuiert und mit Reinststickstoff gespült. Auf das verfahrenstechnisch aufwendige Tempern unter einem As-Partialdruck kann somit verzichtet werden. Getempert wird im T-Bereich zwischen 800°C und 1050°C, der Gesamtdruck des Prozeßgases beträgt 10–15 bar. Die Temperzeit hängt von der gewünschten Extraktionstiefe ab; ein Beispiel wird im Beispiel 1 detaillierter erläutert. Ein charakteristisches Temperatur-Zeit-Profil ist in 4. wiedergegeben. Hieraus ist ersichtlich, daß die Aufheiz- und Abkühlrate T-abhängig eingestellt wird.

Weitere Details der Erfindung werden aus den folgenden Beispielen ersichtlich.

1. Beispiel
Ein SI VGF-GaAs-Kristall mit einem Ziel-Durchmesser von 100 mm wurde mit der von Th. Bünger, D. Behr, St. Eichler, T. Flade, W. Fliegel, M. Jurisch, A.
Kleinwechter, U. Kretzer, Th. Steinegger, B. Weinert, Mat. Sci. Technol. B80 (2001), 5 detaillierter beschriebenen Variante des VGF-Verfahrens gezüchtet und nach der Wärmebehandlung, dem Cropping, Rundschleifen, Flatten und der Probenentnahme zur Charakterisierung des Ausgangszustandes mittels Innenlochsägens zu Wafern mit der Standarddicke d_o = (725 ± 8) μm verarbeitet. Die Wafer wurden gemäß Standardtechnologie kantenverrundet, reinigungsgeätzt, gewaschen, getrocknet und bis zum Einbau unter einer nichtoxidierenden Atmosphäre (N₂) gelagert.
Der Einbau der Wafer in die erfindungsgemäßen Kassetten (100 mm ⌀) erfolgte in einer Laminarbox. Alle Kassetten der Vorrichtung wurden mit Wafern (z. T. Dummy-Wafern) belegt. Der Freiraum oberhalb der Wafer betrug 0.3 mm.
Die gestapelten Kassetten wurden in der beschriebenen Weise zu einem Tempereinsatz komplettiert und in vertikaler Ausrichtung in einem Temperofen mit 3 unabhängig steuerbaren Heizern eingebaut. Der Druckrezipient wurde 3x abwechselnd evakuiert (jeweiliges Endvakuum: ≤ 10^–3 mbar) und anschließend mit Reinststickstoff bis zu einem Druck von 13 bar (bei der jeweiligen Tempertemperatur) gefüllt. Die letzte Füllung erfolgte mit Reinststickstoff, dem 1 Vol.% H₂ zugesetzt wurden. Getempert wurde jeweils bei 950, 1000, 1050 und 1140°C Solltemperatur mit einer Haltezeit von jeweils 5 h. Die Aufheizrate betrug bis 400°C 40 K/min, darüber wurde bis zur Solltemperatur die Rate linear mit der Zeit bis auf 0 K/min bei Erreichen der Solltemperatur reduziert. In entsprechender Weise wurde auf Raumtemperatur abgekühlt.
Eine Oxidschichtbildung und damit eine ggf. mögliche Inhibierung der As-Desorption während der Wärmebehandlung wird durch die Zugabe von Wasserstoff unterbunden. Infolge der durch Wasserstoff erhöhten Oberflächendiffusion unterbleibt eine Aggregation von überschüssigem Gallium zu Tröpfchen. Die Rauhigkeit der Waferoberfläche nach dem Tempern ist im Vergleich zu der einer gesägt/geätzten Oberfläche signifikant reduziert.
Die getemperten Wafer wurden anschließend nach Standardtechnologie weiterverarbeitet, nämlich ohne Kantenverrunden lasermarkiert, damagegeätzt und doppelseiting vorpoliert und einseitig (Frontseite) endpoliert. Hierbei wird die Dicke der jeweils abgetragenen oberflächenparallelen Schicht bestimmt.
Die Größenverteilung der As-Ausscheidungen nach dem Wafertempern wurde mit der bekannten Methode der Laser Scattering Tomographie (LST, vgl. hierzu M. Naumann, J. Donecker, M.Neubert: Laser scattering experiments in VCz GaAs, J. Cryst. Growth 210 (2000) 203) in sogenannter Kantenansicht untersucht, d. h. es wird ein kantennaher Bereich der Waferoberfläche beleuchtet und das aus der Bruchkante austretende Streulicht gemessen. In 5 sind Beispiele für einen Waferbereich mit Matrixpräzipitaten (links) und Dekorationspräzipitaten (rechts) wiedergegeben. Die Frontseite des Wafers weist noch oben.
Die Waferoberflächen sind durch die gestrichelten Linien gekennzeichnet. In einem oberflächenparallelen Bereich Δ sind keine Matrixpräzipitate zu erkennen. Auch die Streuintensität der Dekorationspräzipitate hat in einem, dem Bereich Δ entsprechenden Bereich im wesentlichen gleicher Dicke signifikant abgenommen. Folglich wurden die As-Ausscheidungen durch die Wärmebehandlung mit As-Extraktion aufgelöst bzw. ihre Größenverteilung hat sich zu kleineren Abmessungen verschoben. Verknüpft hiermit hat sich die Anzahl der COP's auf der Waferoberfläche im Vergleich zum Ausgangszustand signifikant reduziert.
Aus der gut meßbaren Tiefe Δ des As-ausscheidungsfreien Bereichs wurde ein die As-Extraktion kennzeichnender Transportkoeffizient abgeschätzt, der in 6 über der reziproken Tempertemperatur dargestellt ist. Hieraus kann für die gewünschte Extraktionstiefe bei vorgegebener Temperatur die erforderliche Haltezeit abgeschätzt werden. Bezüglich einer gut anwendbaren Berechnungsformel wird auf die obige Beschreibung verwiesen. Beispielsweise beträgt für eine mittlere Extraktionstiefe von 70 μm bei 980°C die nötige Haltezeit 4 h. Für Entfernungen von der Waferoberfläche, die größer als die mittlere Extraktionstiefe sind, wächst die mittlere Größe der As-Ausscheidungen rasch auf die für ungetemperte Wafer charakteristische Größe an.
An keilgeätzten Proben aus getemperten Wafern wurde festgestellt, daß eine von der mittleren Extraktionstiefe mit verringerter Größe der As-Ausscheidungen abhängende oberflächennahe Schicht der getemperten Wafer durch Verringerung der EL2-Konzentration p-leitend ist. Bei einer mittleren Extraktionstiefe von 70 μm beträgt die Dicke der p-leitenden Schicht ca. 20 μm. Der hieran anschließende von der As-Extraktion ebenfalls noch betroffene Dickenbereich des getemperten Wafers bleibt semi-isolierend (SI). Die p-leitende Schicht wird durch das Damageätzen und das Vorpolieren der getemperten Wafer zuverlässig entfernt.
Eine Beurteilung der strukturellen Perfektion der getemperten Wafer an Hand der Versetzungsätzpitdichte, des spannungsoptisch bestimmten Restspannungsgehaltes und der mittels Doppelkristall-Rockingkurvenmappings ermittelten Halbwertsbreite offenbarte keinerlei Unterschiede zu den entsprechenden Ergebnissen an kristallgetemperten Wafern.
2. Beispiel
Ungetemperte, rundgeschliffene und mit einem Notch versehene SI VGF-GaAs-Einkristalle mit einem Durchmesser von 152 mm wurden mittels Drahtläppens zu Wafern mit einer mittleren Dicke (774 ± 8) μm aufgearbeitet. Die Wafer wurden reinigungs- und damagegeätzt und wie im 1. Beispiel beschrieben in die erfindungsgemäßen Kassetten mit einem Innendurchmesser von ca. 153 mm und einer Höhe des Freiraumes über den Wafern von 0.4 mm eingebaut. Die Wärmebehandlung erfolgte bei 980°C mit einer Haltezeit von 4 h. Aufheiz- und Abkühlrate waren mit den im 1. Beispiel genannten Werten identisch. Der Arbeitsdruck des N₂/H₂-Prozeßgases bei Solltemperatur betrug 12 bar, der Wasserstoffgehalt 1 Vol.%.
Die getemperten Wafer sowie Vergleichswafer aus denselben Kristallen wurden kantenverrundet, lasermarkiert, damagegeätzt sowie doppelseitig vorpoliert und einseitig endpoliert sowie endgereinigt. Die Fertigdicke der Wafer betrug (690 ± 5) μm und lag somit an der oberen Toleranzgrenze für Wafer mit 150 mm Durchmesser. Anschließend wurden nach Standardvorschriften unter Verwendung des Surfscan 6420 (KLA-Tencor) über eine Bestimmung der sogenannten „light point defects" (lpd) die Anzahl COP's im Größenklassenbereich (0.2–2.0) μm bzw. (0.3–2.0) μm sowie unter Verwendung des SUPERSORT^TM die geometrischen Kenngrößen der Wafer gemessen.
In Tab. 1 ist die mittlere Anzahl der COP's nach dem Wafertempern mit derjenigen von Vergleichswafern, die herkömmlich einer Kristalltemperung unterzogen wurden, verglichen. Es ist ersichtlich, daß durch das Wafertempern die Anzahl COP's um mehr als eine Größenordnung in den jeweiligen Größenbereichen verringert wurde. Im Unterschied zum Ausgangsmaterial ist die Häufigkeitsverteilung nach dem Wafertempern sehr schmal, was eine sehr gut Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Extraktionsprozesse zur Kontrolle der As-Ausscheidungen anzeigt.
Tab. 1: „light point defects" (lpd) nach Kristall- und Wafertempern
Die getemperten Wafer wurden ein 2. Mal doppelseitig vorpoliert und einseitig endpoliert und erneut vermessen. Ihre Dicke lag nun im Bereich der unteren Toleranzgrenze von (655 ± 5) μm. Die Anzahl der COP's auf der Waferoberfläche war größer als nach dem 1. Polierschritt, lag jedoch weiter unter der Spezifikationsgrenze. Durch Wahl der Extraktionstiefe ist es somit möglich, die Anzahl der COP's im gesamten zulässigen Dickenbereich der Wafer unter die jeweiligen Spezifikationsgrenzen abzusenken.
Die Ergebnisse der Messung der geometrischen Kenngrößen der Wafer sind in Tab. 2 wiedergegeben. Es werden keine signifikanten Unterschiede gefunden. Somit führt das Tempern in den erfindungsgemäßen Kassetten zu keiner Verschlechterung der geometrischen Parameter der Wafer im Vergleich zur konventionellen Verfahrensweise.
Tab. 2: Geometrieparameter nach Kristall- und Wafertempern
Zur Beurteilung der Homogenität bauelementerelevanter Eigenschaften wurde an den getemperten Wafern beispielhaft die EL2°-Konzentration auf einem Streifen mit einer Breite von 7,5 mm längs eines Waferradius (0–R_W) in <110>-Richtung mit der lateralen Auflösung von ca. 30 μm bzw. 270 μm quer bzw. parallel zum Streifen gemessen. Die Messungen erfolgten mit der bekannten Methode der Absorption im nahen Infrarot bei λ = 1064 nm unter Verwendung der Photoionisationsquerschnitte von Silverberg et al. (P. Silverberg, P. Omeling, L. Samuelson: Appl. Phys. Lett. 52(1988)1689). Desweiteren wurden Ganzwafermappings des spezifischen elektrischen Widerstandes mit einer Auflösung von 1,0 mm mittels der TDCM-Methode gemäß R. Stibal et al. (R. Stibal, J. Windscheif, W. Jantz: Contactless evaluation of semi-insulating GaAs wafer resistivity using the time dependent charge measurement, Semicond. Sci. Technol. 6(1991)995-1001) gemessen.
Die mittlere EL2°-Konzentration der Wafer wird durch das erfindungsgemäße Wafertempern um ca. 30 % auf 1,40 × 10¹⁶cm^–3 im Vergleich zu Wafern aus Kristallen nach Standard-Kristalltemperung erhöht. Wie aus Tab. 3 ersichtlich ist, verringert sich die relative Standardabweichung der mittleren EL2°-Konzentration von 12–16 % auf 4–5 % nach dem Wafertempern. Die mesoskopische Homogenität der EL2°-Verteilung (siehe hierzu: M. Wickert: „Physikalische Mechanismen der Homogenisierung elektrischer Eigenschaften von GaAs-Substraten", Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 1998), die nach dem Kristalltempern ca. 9 % betrug verbesserte sich auf ca. 4 % durch das Wafertempern.
Der prozentualen Erhöhung der EL2°-Konzentration entsprechend verringerte sich der mittlere spezifische Widerstand der Wafer. Analog äußerte sich die verbesserte EL2°-Homogenität der getemperten Wafer in einer verbesserten makroskopischen und mesoskopischen Homogenität des Widerstandes.
Tab. 3: EL2°-Verteilung nach Kristall- und Wafertempern
Zur Beurteilung der strukturellen Perfektion der getemperten Wafer wurde die Versetzungsätzpitdichte nach Standard-KOH-Ätze und Auswertung von Ganzwafer-Mappings bestimmt und die mittlere Halbwertsbreite von {004}-Cu-K_α Doppelkristall-Rockingkurven-Mappings mit <110>-Rockingache und 1 × 1 mm² Schrittweite sowie 1 × 2 mm² Meßfleckgröße ermittelt. Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tab. 4 enthalten.
Tab. 4: EPD und Rockingkurven-Halbwertsbreite
Es wurden keine signifikanten Unterschiede zu den entsprechenden Ergebnissen an kristallgetemperten Wafern gefunden, d. h. die strukturelle Perfektion der getemperten Wafer wird durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung in der erfindungsgemäßen Tempervorrichtung nicht verändert.
3. Beispiel
Drei ungetemperte und drei kristallgetemperte SI VGF-GaAs Einkristalle mit einem Ziel-Durchmesser von jeweils 150 mm wurden nach dem Cropping und Rundschleifen mittels Drahtläppens zu Wafern mit einer mittleren Dicke (770 ± 8) μm aufgearbeitet. Die Wafer wurden reinigungs- und damagegeätzt und wie im 1. Beispiel beschrieben in die erfindungsgemäßen Kassetten mit einem Innendurchmesser von ca. 153 mm und 0.4 mm Höhe des Freiraumes eingebaut. Die Wärmebehandlung erfolgte bei 980°C mit einer Haltezeit von 4 h. Aufheiz- und Abkühlrate sind mit den im 1. Beispiel genannten Werten identisch. Der Arbeitsdruck des N₂/H₂-Prozeßgases bei Solltemperatur betrug 11–13 bar, der Wasserstoffgehalt 1 Vol.%.
Die getemperten Wafer wurden nach Standardprozedur kantenverrundet, lasermarkiert, damagegeätzt sowie doppelseitig vor- und einseitig endpoliert sowie endgereinigt. Ein Teil der Wafer wurde ein 2. Mal doppelseitig vor- und einseitig endpoliert.
An diesen Wafern wurde nach der Bestimmung der Anzahl der COP's die Bruchfestigkeit gemessen. Die Messungen erfolgten unter Verwendung des von SCHAPER et al. (M. Schaper, M. Jurisch, H.-J. Klauß, H. Balke, F. Bergner, R. Hammer, M. Winkler: Fracture Strength of GaAs Wafers, in B. Michel, T. Winkler, M. Werner, H. Fecht (Eds.): Proceedings 3^rd Internat. Conf. MircoMat 2000, 17.–19. 04. 2000, Berlin) näher beschriebenen modifizierten Doppelringversuch. Der Stützring mit einem Innendurchmesser von 142 mm bestand aus PTFE, die Last wurde über eine Stahlkugel mit 1/8'' im Waferzentrum aufgebracht. Jeweils die endpolierten Frontseiten der Wafer wurden auf Zug belastet. Die Last-Durchbiegungs-Kurven wurden bis zum Bruch registriert. Prüfergebnis ist das Wertepaar Bruchlast/maximale Durchbiegung (F.max, f). Die Meßergebnisse wurden auf eine einheitliche Waferdicke von 675 μm normiert. Diese Normierung wie auch die Berechnung der Bruchfestigkeit aus der Bruchlast erfolgten auf der Grundlage der theoretischen Analyse des Bruchtests von F. DUDERSTADT (F. Duderstadt: „Anwendung der von Karman'schen Plattentheorie und der Hertz'schen Pressung für die Spannungsanalyse zur Biegung von GaAs-Wafern im modifizierten Doppelringtest", PhD thesis, TU Berlin, 2003).
Die charakteristischen Bruchfestigkeiten der Wafer nach dem Wafertempern im Vergleich zu den entsprechenden Ergebnissen an Wafern aus kristallgetemperten SI VGF GaAs-Einkrstallen sind in Tab. 5 wiedergegeben.
Tab. 5: Bruchfestigkeit der Wafer nach Kristall- und Wafertempern
Die charakteristische Bruchfestigkeit der getemperten Wafer ist signifikant größer als die von kristallgetemperten Wafern. Als Ursache für diesen Unterschied wird die durch das Wafertempern im oberflächennahen Bereich verringerte mittlere Größe der As-Auscheidungen und die hieraus folgende geringere mittlere Größe der COP's auf der Waferoberfläche im Vergleich zum kristallgetemperten Material angesehen. Offensichtlich wirken die COP's als Keime für die Initiierung des Bruchvorganges.
Vergleichswafer
Die zum Vergleich herangezogenen Wafer wurden aus SI VGF GaAs-Einkristallen nach einer Kristalltemperung gefertigt. Die Temperung erfolgte in Quarzampullen unter einem As-Partialdruck von 1 bar bei 800°C mit einer Haltzeit von 10 h. Die Aufheiz- und Abkühlrate betrug 0,5 K/min oberhalb 400°C.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die speziellen Beispiele; diese haben lediglich beispielhaften Charakter und dienen zur Erläuterung.

Claims

Vorrichtung zum Wärmebehandeln eines Wafers, der ein III-V-Halbleitermaterial umfasst, bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Wafer-Trägereinheit aufweist, die in ihrer Dimension so bemessen ist, daß, nach Auflage des zu tempernden Wafers auf dem Träger, über der Waferoberfläche eine Decke ohne Abstand oder mit einem Abstand von maximal etwa 2 mm zur Waferoberfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer-Trägereinheit einen durchgängigen Boden aufweist, auf dem der Wafer flach aufliegen kann und so durch die abstandsfrei aufliegende oder wie spezifiziert beabstandete Decke ein Mikrovolumen definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wafer-Trägereinheit in ihrer Dimension so bemessen ist, daß der Abstand zwischen der Oberfläche des aufzulegenden Wafers und der darüberliegenden Decke 0,05–0,75 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wafer-Trägereinheit in ihrer Dimension ferner so bemessen ist, daß ein Volumendurchmesser definiert ist, der im wesentlichen dem Waferdurchmesser, oder bis maximal 110 % des Durchmessers des zu behandelnden Wafers entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wafer-Trägereinheit mit der Decke einen den Wafer aufnehmenden, begrenzten Raum derart bildet, daß ein ungehinderter freier Gaszutritt zu den Waferoberflächen nicht, ein begrenzter Gasaustausch nach außerhalb der Wafer-Trägereinheit jedoch möglich ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sie eine Mehrzahl von Wafer-Trägereinheiten aufweist, die in Kassettenform so stapelbar sind, daß eine Wafer-Trägereinheit einen Auflageboden für einen ersten (n-ten) Wafer aufweist und die darauf gestapelte Wafer-Trägereinheit für einen darüberliegenden zweiten ((n+1)-ten) Wafer die höhenbegrenzende, vollständige Abdeckung für den Raum des ersten Wafers bildet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer-Trägereinheit einen Auflageboden aufweist, der mindestens teilweise oder vollständig aus einem gaspermeablen und/oder porösen Material gefertigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das gaspermeable Material durch Verdichten von Graphitteilchen gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Decke aus dem gleichen gaspermeablen und/oder porösen Material wie der Auflageboden gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Auflageboden und/oder die Decke eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Ebenheit aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer-Trägereinheit einen geschlossenen Raum bildet und ein Diffusionshindernis aufweist, die das durch den geschlossenen Raum gebildete Mikrovolumen vom Außenraum abschließt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie keine Bauteile aus Quarzglas aufweist.
Verfahren zur Wärmebehandlung von Wafern, die ein III-V-Halbleitermaterial umfassen, bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß Wafer in die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 so eingelegt werden, daß die Frontseiten der Wafer in den durch die Deckelauflage größen-definierten Raum zeigen.
Verfahren zur Wärmebehandlung von Wafern, die ein III-V-Halbleitermaterial umfassen, bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß Wafer, die mittels Trennens aus as-grown III-V-Einkristallen mit einem Durchmesser von ≥ 100 mm hergestellt wurden, nach einem Schritt zum Reinigen und Ätzen und vor einem Schritt zum Kantenverrunden in einer quarzfreien Wärmebehandlungsvorrichtung, die mindestens eine Wafer-Trägereinheit aufweist, wärmebehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei Wafer verwendet werden, die einkristallines GaAs umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Wafer aus nach dem VGF- oder dem VB-Verfahren gezüchteten Einkristallen hergestellt wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung in einem nur einstufigen Prozeß durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung der Wafer im Temperaturbereich von 750–1150°C unter einer Inertgas-Atmosphäre mit einem Wasserstoffgehalt von mind. 0,5 Vol. % und einem Gesamtdruck von 10–20 bar erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Wafer-Trägereinheit kein As-Partialdruck durch die Verdampfung von festem Arsen oder auf eine andere Weise erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorrichtung in einem Temperatur-konstanten Raum befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die Haltezeit bei der Tempertemperatur so bestimmt wird, daß eine As-Extraktionstiefe mindestens 20 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei die Haltezeit bei der Tempertemperatur so bestimmt wird, daß sich eine mittlere As-Extraktionstiefe L_eff gemäß der folgenden Formel ergibt:
worin ist D(T) der Transportkoeffizient von Arsen und T(t) das Temperatur-Zeit-Profil der Temperung ist, deren Gesamtdauer t_o beträgt, oder näherungsweise gemäß Leff = √2D(T)t,worin D(T) der Transportkoeffizient bei der Tempertemperatur T und t die Haltezeit bei dieser Temperatur sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf- und die Abkühlrate jeweils im T-Bereich über 400°C bis zur Solltemperatur von 30–40 K/min auf 0 abgesenkt bzw. erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei die EL2°-Konzentration von as-grown VB/VGF-Wafern mit einer Versetzungsdichte < 1 × 10⁴ cm^–2 um mindestens 30 % erhöht wird.
GaAs-Halbleitereinkristallwafer mit einem Durchmesser von ≥ 100 mm und einer Versetzungsdichte von ≤ 1 × 10⁴ cm^–2, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Bruchfestigkeit, bis zu der ca. 63,2 % (Weibull-Verteilung) der Wafer ausgefallen sind, gegenüber derjenigen für SI GaAs Wafer aus kristallgetempertem Material um mindestens 25 % größer ist.
GaAs-Halbleitereinkristallwafer mit einem Durchmesser von ≥ 100 mm und einer Versetzungsdichte von ≤ 1 × 10⁴ cm^–2, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Bruchfestigkeit, bis zu der ca. 63,2 % (Weibull-Verteilung) der Wafer ausgefallen sind, größer ist als 1900 MPa.
GaAs-Halbleitereinkristallwafer gemäß Anspruch 25 oder 26, mit einer zusätzlichen Kombination mit mindestens einem der folgender Merkmale: – einer Konzentration an anderen Verunreinigungen als Kohlenstoff und Bor von insgesamt ≤ 5 × 10¹⁴ cm^–3, – |Δ[EL2°]/[EL2°] ≤ 7,5 % und σ_mesos ≤ 6 % – lpd(0.3–2.0 μm) < 0,3 cm^–2.
GaAs-Halbleitereinkristallwafer gemäß einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß er nach einem Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 13 bis 24 erhältlich ist.