DE19925044A1 - Halbleiterscheibe mit Kristallgitter-Defekten und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents
Halbleiterscheibe mit Kristallgitter-Defekten und Verfahren zur Herstellung derselbenInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite 2, einer oberen Schicht 3, einer unteren Schicht 4, einer unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht 6, einem Zentralbereich 7 zwischen den Schichten 5 und 6 und einer ungleichmäßigen Verteilung an Kristallgitter-Defekten, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Kristallgitter-Defekten um substituiell oder interstitiell eingebauten Stickstoff handelt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterscheibe mit ei
ner ungleichmäßigen Verteilung an Kristallgitter-Defekten und
ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Siliziumkristalle, insbesondere zur Herstellung von Halblei
terscheiben erhält man bevorzugt durch das Ziehen eines Impf
kristalls aus einer Siliziumschmelze, die in der Regel in ei
nem Quarzglastiegel vorgelegt wird. Ausführlich ist dieses so
genannte Tiegelzieh-Verfahren nach Czochralski z. B. in W. Zu
lehner und D. Huber, Czochralski-Grown Silicon, Crystals 8,
Springer Verlag Berlin-Heidelberg 1982 beschrieben.
Durch die Reaktion des Quarzglastiegels mit der Silizium
schmelze während des Tiegelzieh-Verfahrens wird in den wach
senden Siliziumkristall als dominierende Verunreinigung Sauer
stoff eingebaut. Die Konzentration des Sauerstoffes ist meist
so hoch, daß dieser nach dem Abkühlen des Kristalls in über
sättigter Form vorliegt. In nachfolgenden Wärmebehandlungen
wird der Sauerstoff in Form von Sauerstoffpräzipitaten ausge
schieden. Diese Ausscheidungen haben sowohl Vor- als auch
Nachteile. Vorteilhaft sind die sogenannten Gettereigenschaf
ten der Sauerstoffpräzipitate.
Darunter versteht man, daß beispielsweise metallische Verun
reinigungen in der Halbleiterscheibe an die Sauerstoffpräzipi
tate gebunden werden und somit aus der oberflächennahen, bau
elementerelevanten Schicht entfernt werden. Nachteilig ist,
daß Sauerstoffpräzipitate in der oberflächennahen, bauelemen
terelevanten Schicht die Funktion der Bauelemente, die auf der
Halbleiterscheibe gefertigt werden, stören. So ist man be
strebt, nahe der Oberfläche eine präzipitatfreie Zone, PFZ
auch als denuded zone, DZ bezeichnet, und im Inneren der Halb
leiterscheibe, im sogenannten Bulk eine hohe Konzentration an
Präzipitaten zu erzeugen.
Im Stand der Technik, beispielsweise in "Oxygen in Silicon"
F. Shimura, Semiconductors and Semimaterials Vol 42, Academic
Press, San Diego, 1994, ist offenbart, wie die Ausdiffusion
des Sauerstoffes nahe der Oberfläche in einer Wärmebehandlung
bei Temperaturen von vorzugsweise über 1100°C erreicht wird.
Durch diese Ausdiffusion sinkt die Konzentration des Sauer
stoffes so weit in der oberflächennahen Schicht ab, daß keine
Präzipitation mehr erfolgt und damit eine PFZ generiert wird.
Diese Wärmebehandlung war bei den Herstellungsprozessen von
Bauelementen meist direkt integriert. In modernen Prozessen
werden diese hohen Temperaturen allerdings nicht mehr verwen
det, so daß die notwendige Ausdiffusion durch einen zusätzli
chen Wärmebehandlungsschritt durchgeführt wird.
Die Sauerstoffpräzipitation erfolgt im wesentlichen in zwei
Schritten:
- 1. Bildung von Nukleationszentren für Sauerstoffpräzipitate, sogenannte Nuklei
- 2. Wachsen dieser Zentren zu detektierbaren Sauerstoffpräzi pitaten.
Während nachfolgender Wärmebehandlungen kann die Größe dieser
Nuklei derart modifiziert werden, so daß die, die einen größe
ren Radius als den sogenannten "kritischen Radius" haben, zu
Sauerstoffpräzipitaten wachsen; dagegen zerfallen (lösen sich
auf) Nukleis mit einem kleineren Radius. Das Wachstum der Nu
kleis mit einem Radius < rc erfolgt bei höherer Temperatur und
ist im wesentlichen durch die Diffusion des Sauerstoffs be
grenzt. Ein allgemein akzeptiertes Modell (vgl. beispielsweise
Vanhellemont et. al., J. Appl. Phys. 62, S. 3960, 1987) be
schreibt den kritischen Radius rc als Funktion der Temperatur,
der Sauerstoffübersättigung sowie der Konzentration der Leer
stellen. Unter Konzentration werden Teilchen pro Volumenein
heit verstanden. Eine hohe Sauerstoffkonzentration und/oder
eine hohe Leerstellenübersättigung vereinfacht bzw. beschleu
nigt die Sauerstoffpräzipitation und führt zu einer höheren
Konzentration an Präzipitaten. Des weiteren hängt die Konzen
tration bzw. die Größe der Präzipitate, insbesondere in Halb
leiterscheiben, von Aufheiz- und Abkühlraten während thermi
scher Ofenprozesse, insbesondere während den sogenannten RTA-
Prozessen (Rapid Thermal Annealing) ab. Bei diesen Wärmebe
handlungen werden Halbleiterscheiben innerhalb weniger Sekun
den auf Temperaturen von bis zu 1300°C erwärmt und anschlie
ßend mit Raten von bis zu 300°C/sec abgekühlt.
Die Sauerstoffkonzentration, die Leerstellenkonzentration, die
Interstitialkonzentration, die Dotierstoffkonzentration sowie
die Konzentration an bereits vorhandenen Ausscheidungskeimen,
wie beispielsweise Kohlenstoffatomen beeinflußt ebenfalls die
Präzipitation von Sauerstoff.
Aus der WO 98/38675 ist eine Halbleiterscheibe mit einer un
gleichmäßigen Verteilung an Kristallgitter-Leerstellen be
kannt, die mittels einer Wärmebehandlung erhalten wird. Das
Maximum dieses derart generierten Leerstellenprofils befindet
im Bulk der Halbleiterscheibe und fällt in Richtung der Ober
flächen stark ab. Während nachfolgender Wärmebehandlungsver
fahren, insbesondere bei 800°C für 3 h und 1000°C für 16 h
folgt die Sauerstoffpräzipitation diesem Profil. Man erhält
dadurch eine PFZ ohne eine vorherige Ausdiffusion des Sauer
stoffes und Sauerstoffpräzipitate im Bulk der Halbleiterschei
be. Die Konzentration der Sauerstoffpräzipitate wird gemäß der
WO 98/38675 über die Konzentration der Leerstellen eingestellt
und die Tiefe über die Abkühlrate nach der Wärmebehandlung.
Nachteilig an dieser Halbleiterscheibe ist, daß sich Leerstel
len im Kristallgitter als sehr beweglich erweisen, insbesonde
re während einer Wärmebehandlung bei Temperaturen < 1000°C.
Folglich "verschmiert" das Profil der Leerstellen und damit
das Profil der Sauerstoffpräzipitate während nachfolgender
Wärmebehandlungen.
Unterzieht man sauerstoffhaltige Halbleiterscheiben, die weder
einem Hochtemperaturprozeß von < 1050°C zur Ausdiffusion des
Sauerstoffes noch einer Wärmebehandlung gemäß der WO 98/38675
unterworfen waren, einer Wärmebehandlung in einem Temperatur
bereich von bevorzugt zwischen 450°C und 850°C für vorzugs
weise einige Stunden, so ergibt sich bei nachfolgenden Wärme
behandlungen, beispielsweise bei 780°C für 3 h und 1000°C
für 16 h, keine Ausbildung einer PFZ, sondern nur eine homoge
ne Präzipitatdichte in der Siliziumscheibe. Das bedeutet, daß
nur eine homogene Konzentration der Nukleationszentren für die
spätere Sauerstoffkonzentration durch die Wärmebehandlung im
Bereich von bevorzugt zwischen 450°C und 850°C geschaffen
wurde.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Halbleiterscheibe und
ein Verfahren zur Herstellung derselben zur Verfügung zu stel
len, die ein stabiles Profil an Nukleationszentren für Sauer
stoffpräzipitate aufweist und damit als Basis für eine Halb
leiterscheibe mit verbesserter interner Getterwirkung dient.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Halbleiterscheibe mit einer
Vorderseite 1, einer Rückseite 2, einer oberen Schicht 3, ei
ner unteren Schicht 4, einer unter der oberen Schicht 3 lie
genden inneren Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4
liegenden inneren Schicht 6, einem Zentralbereich 7 zwischen
den Schichten 5 und 6 und einer ungleichmäßigen Verteilung an
Kristallgitter-Defekten, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
es sich bei den Kristallgitter-Defekten um substitutiell oder
interstitiell eingebauten Stickstoff handelt.
Die Konzentration des Stickstoffs weist bevorzugt ein Maximum
(max1) im Zentralbereich 7 auf und nimmt bevorzugt gleichmäßig
in Richtung Vorderseite 1 und in Richtung Rückseite 2 ab. Im
Maximum (max1) beträgt Konzentration des Stickstoffs bevorzugt
zwischen 1011 und 1015 Atome/cm3.
Fig. 1 zeigt die hier definierten Schichten sowie die Vorder
seite 1, die Rückseite 2 und den Zentralbereich 7 zwischen den
Schichten 5 und 6 einer Halbleiterscheibe. Die obere Schicht 3
ist bevorzugt zwischen 0 und 100 µm, die innere Schicht 5 be
vorzugt zwischen 15 und 330 µm, die innere Schicht 6 bevorzugt
zwischen 100 und 300 µm und die untere Schicht 4 bevorzugt
zwischen 0 und 250 µm dick.
Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung auch durch ein Verfahren
zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite
1, einer Rückseite 2, einer oberen Schicht 3, einer unteren
Schicht 4, einer unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren
Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren
Schicht 6, einem Zentralbereich 7 zwischen den Schichten 5 und
6 und einer ungleichmäßigen Verteilung an substitutiell oder
interstitiell eingebauten Stickstoff, das dadurch gekennzeich
net ist, daß eine mit Stickstoff dotierte Halbleiterscheibe
einer Wärmebehandlung für 1 bis 360 sec bei einer Temperatur
zwischen 800 und 1300°C unterworfen wird.
Die dotierte Halbleiterscheibe hat eine Stickstoffkonzentrati
on von bevorzugt 1012 bis 3 × 1015 Atome/cm3 und besonders
bevorzugt von 2 × 1013 Atome/cm3 bis 4 × 1014 Atome/cm3 und
eine Sauerstoffkonzentration von bevorzugt 1 × 1017 bis 1 ×
1018 Atome/cm3 und besonders bevorzugt von 2 × 1017 bis 6,5 ×
1017 Atome/cm3. Derartige Halbleiterscheiben sind aus stick
stoffdotierten Kristallstäben erhältlich, die beispielsweise in
R.S. Hockett, Appl. Phys. Lett. 48, 1986, p. 224 offenbart sind.
Die Wärmebehandlung wird bevorzugt unter einer Prozeßgasatmo
sphäre durchgeführt. Das Prozeßgas wird bevorzugt aus einer
Gruppe von Gasen ausgewählt, die Sauerstoff, Stickstoff, Was
serstoff und die Edelgase, sowie beliebige Mischungen und be
liebige chemische Verbindungen der genannten Gase umfaßt. Vor
zugsweise hat das Prozeßgas oxidierende Eigenschaften. Nach
der Wärmebehandlung werden in dem Temperaturbereich von 1300
bis 800°C Abkühlraten von bevorzugt zwischen 1 und 300°C/sec,
besonders bevorzugt zwischen 100°C/s und 250°C/sec und
insbesondere zwischen 75°C/s und 200°C/sec. Mittels der Ab
kühlraten werden die Konzentration und die Tiefe der Defekte
gesteuert.
Erfindungsgemäß wird in einer mit Stickstoff dotierte Halblei
terscheibe über Diffusionsprozesse während einer Wärmebehand
lung ein Konzentrationsprofil an Stickstoff generiert. Die
Konzentration an Stickstoff weist ein Maximum (max1) im Zen
tralbereich 7 auf und nimmt in Richtung Vorderseite 1 und in
Richtung Rückseite 2 vorzugsweise gleichmäßig ab. Die Stick
stoffkonzentration im Maximum (max1) beträgt bevorzugt von 1012
bis 1015 Atome/cm3.
Überraschenderweise gelingt es dieses Profil der ungleichmäßi
gen Verteilung an substitutiell oder interstitiell eingebauten
Stickstoff in einer nachfolgende Wärmebehandlung in ein ent
sprechendes Profil einer ungleichmäßigen Verteilung an Nuklea
tionszentren für Sauerstoffpräzipitate zu überführen.
Demnach wird die Aufgabe der Erfindung auch gelöst durch eine
Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite 2,
einer oberen Schicht 3, einer unteren Schicht 4, einer unter
der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5, einer über
der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht 6, einem Zen
tralbereich 7 zwischen den Schichten 5 und 6 und einer un
gleichmäßigen Verteilung an Nukleationszentren für Sauerstoff
präzipitate, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Konzen
tration der Nukleationszentren ein Maximum (max1) im Zentral
bereich 7 aufweist und die Konzentration der Nukleationszen
tren auf der Vorderseite 1, der Rückseite 2, in der oberen
Schicht 3 und der unteren Schicht 4 so gering ist, daß in ei
ner nachfolgenden Wärmebehandlung ohne Ausdiffusion von Sauer
stoff präzipitatfreie Schichten auf der Vorderseite 1 und der
Rückseite 2 von 1 bis 100 µm Dicke entstehen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren
zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer ungleichmä
ßigen Verteilung an Nukleationszentren für Sauerstoffpräzipi
tate, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Halbleiter
scheibe mit einer ungleichmäßigen Verteilung an substitutionell
oder interstitionell eingebauten Stickstoff einer Wärmebehand
lung bei einer Temperatur zwischen 300 und 800°C unterworfen
wird.
Erfindungsgemäß wird eine Halbleiterscheibe, die ein Konzen
trationsprofil an Stickstoff aufweist während einer Wärmebe
handlung in eine Halbleiterscheibe mit einer ungleichmäßigen
Verteilung an Nukleationszentren für Sauerstoffpräzipitate
übergeführt. Die Konzentration an Nukleationszentren weist ein
Maximum (max1) im Zentralbereich 7 auf. Auf der Vorderseite 1,
der Rückseite 2, in der oberen Schicht 3 und der unteren
Schicht 4 ist die Konzentration der Nukleationszentren so ge
ring, daß in einer nachfolgenden Wärmebehandlung ohne Ausdif
fusion von Sauerstoff präzipitatfreie Schichten auf der Vor
derseite 1 und der Rückseite 2 von 1 bis 100 µm entstehen.
Die Wärmebehandlung wird bevorzugt unter einer Prozeßgasatmo
sphäre durchgeführt. Das Prozeßgas wird bevorzugt aus einer
Gruppe von Gasen ausgewählt, die Sauerstoff, Stickstoff, Was
serstoff und die Edelgase, sowie beliebige Mischungen und be
liebige chemische Verbindungen der genannten Gase umfaßt. Die
Wärmebehandlung dauert bevorzugt zwischen 15 und 360 min.
Die Aufgabe wird demnach auch durch eine Halbleiterscheibe mit
einer ungleichmäßigen Verteilung an Nukleationszentren für
Sauerstoffpräzipitate gelöst.
Überraschenderweise zeigte sich, daß die Nukleationszentren
keine beweglichen Punktdefekte sind, sondern ortsfeste Aus
scheidungen. Erfindungsgemäß folgt damit die Sauerstoffpräzi
pitation exakt dem Profil dieser ortsfesten Ausscheidungen
während nachfolgender Wärmebehandlungen, beispielsweise wäh
rend einer Wärmebehandlung von 780°C für 3 h und 1000°C für
16 h. Die Aufgabe wird demnach auch durch eine Halbleiter
scheibe mit einer ungleichmäßigen Verteilung an Nukleations
zentren für Sauerstoffpräzipitate gelöst.
Erfindungsgemäß erhält man bei dieser Wärmebehandlung von vor
zugsweise 780°C für 3 h und 1000°C für 16 h eine präzipitat
freie Schicht auf der bauelementaktiven Seite der Halbleiter
scheibe von bevorzugt von 1 bis 100 µm Dicke, ohne daß aufwen
dige Sauerstoff-Ausdiffusionsschritte durchgeführt werden müs
sen. Im Bulk der Halbleiterscheibe befinden sich Sauerstoff
präzipitate in einer Konzentration von typischerweise 1 × 108
bis 1 × 1011 cm-3, so daß das interne Gettern von Verunreinigun
gen gewährleistet wird.
Claims (8)
1. Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite
2, einer oberen Schicht 3, einer unteren Schicht 4, einer
unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5,
einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht
6, einem Zentralbereich 7 zwischen den Schichten 5 und 6
und einer ungleichmäßigen Verteilung an Kristallgitter-
Defekten, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Kri
stallgitter-Defekten um substitutiell oder interstitiell
eingebauten Stickstoff handelt.
2. Halbleiterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konzentration des Stickstoffs ein Maximum (max1)
im Zentralbereich 7 aufweist und in Richtung Vorderseite 1
und in Richtung Rückseite 2 abnimmt.
3. Halbleiterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konzentration des Stickstoffs im Maximum (max1)
zwischen 1011 und 1015 Atome/cm3 beträgt.
4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe gemäß
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Stick
stoff dotierte Halbleiterscheibe einer Wärmebehandlung für
1 bis 360 sec bei einer Temperatur zwischen 800 und 1300°C
unterworfen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
nach der Wärmebehandlung in dem Temperaturbereich von 1300
bis 800°C Abkühlraten von 1 bis 300°C/sec eingehalten
werden.
6. Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite
2, einer oberen Schicht 3, einer unteren Schicht 4, einer
unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5,
einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht
6, einem Zentralbereich 7 zwischen den Schichten 5 und 6
und einer ungleichmäßigen Verteilung an Nukleationszentren
für Sauerstoffpräzipitate, dadurch gekennzeichnet, daß die
Konzentration der Nukleationszentren ein Maximum (max1) im
Zentralbereich 7 aufweist und die Konzentration der Nu
kleationszentren auf der Vorderseite 1, der Rückseite 2,
in der oberen Schicht 3 und der unteren Schicht 4 so ge
ring ist, daß in einer nachfolgenden Wärmebehandlung ohne
Ausdiffusion von Sauerstoff präzipitatfreie Schichten auf
der Vorderseite 1 und der Rückseite 2 von 1 bis 100 µm
Dicke entstehen.
7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe gemäß
Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiter
scheibe mit einer ungleichmäßigen Verteilung an substitu
tiell oder interstitiell eingebauten Stickstoff oder einer
ungleichmäßigen Verteilung an Leerstellen einer Wärmebe
handlung bei einer Temperatur zwischen 300 und 800°C un
terworfen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmebehandlung zwischen 15 und 360 min dauert.
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