DE19925044B4

DE19925044B4 - Halbleiterscheibe mit Kristallgitter-Defekten und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE19925044B4
Application number: DE19925044A
Authority: DE
Inventors: Theresia Dr. Bauer; Alfred Buchner; Günther Obermeier; Wilfried Von Dr. Ammon; Jürgen Dr. Hage; Rasso Dr. Ostermeir
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: DE19925044A1; US6395653B1; JP3578397B2; JP2001007116A

Abstract

Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite 2, einer oberen Schicht 3, die an der Vorderseite 1 angeordnet ist, einer unteren Schicht 4, die an der Rückseite angeordnet ist, einer unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht 6, einem Zentralbereich 7, der in der Mitte zwischen den Schichten 5 und 6 angeordnet ist, und einer ungleichmäßigen Verteilung an Kristallgitter-Defekten, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Kristallgitter-Defekten um substitutiell oder interstitiell eingebauten Stickstoff handelt, wobei die Konzentration des Stickstoffs ein Maximum (max₁) im Zentralbereich 7 aufweist und in Richtung Vorderseite 1 und in Richtung Rückseite 2 abnimmt und wobei die Konzentration des Stickstoffs im Maximum (max₁) zwischen 10¹¹ und 10¹⁵ Atome/cm³ beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterscheibe mit einer ungleichmäßigen Verteilung an Kristallgitter-Defekten und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Siliziumkristalle, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterscheiben erhält man bevorzugt durch das Ziehen eines Impfkristalls aus einer Siliziumschmelze, die in der Regel in einem Quarzglastiegel vorgelegt wird. Ausführlich ist dieses sogenannte Tiegelzieh-Verfahren nach Czochralski z.B. in W. Zulehner und D. Huber, Czochralski-Grown Silicon, Crystals 8, Springer Verlag Berlin-Heidelberg 1982 beschrieben.
Durch die Reaktion des Quarzglastiegels mit der Siliziumschmelze während des Tiegelzieh-Verfahrens wird in den wachsenden Siliziumkristall als dominierende Verunreinigung Sauerstoff eingebaut. Die Konzentration des Sauerstoffes ist meist so hoch, daß dieser nach dem Abkühlen des Kristalls in übersättigter Form vorliegt. In nachfolgenden Wärmebehandlungen wird der Sauerstoff in Form von Sauerstoffpräzipitaten ausgeschieden. Diese Ausscheidungen haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Vorteilhaft sind die sogenannten Gettereigenschaften der Sauerstoffpräzipitate.
Darunter versteht man, daß beispielsweise metallische Verunreinigungen in der Halbleiterscheibe an die Sauerstoffpräzipitate gebunden werden und somit aus der oberflächennahen, bauelementerelevanten Schicht entfernt werden. Nachteilig ist, daß Sauerstoffpräzipitate in der oberflächennahen, bauelementerelevanten Schicht die Funktion der Bauelemente, die auf der Halbleiterscheibe gefertigt werden, stören. So ist man bestrebt, nahe der Oberfläche eine präzipitatfreie Zone, PFZ auch als denuded zone, DZ bezeichnet, und im Inneren der Halbleiterscheibe, 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 Sauerstoffes 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 verwendet, so daß die notwendige Ausdiffusion durch einen zusätzlichen 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 Sauerstoffpräzipitaten.

Während nachfolgender Wärmebehandlungen kann die Größe dieser Nuklei derart modifiziert werden, so daß die, die einen größeren Radius als den sogenannten "kritischen Radius" haben, zu Sauerstoffpräzipitaten wachsen; dagegen zerfallen (lösen sich auf) Nukleis mit einem kleineren Radius. Das Wachstum der Nukleis mit einem Radius > r_c erfolgt bei höherer Temperatur und ist im wesentlichen durch die Diffusion des Sauerstoffs begrenzt. Ein allgemein akzeptiertes Modell (vgl. beispielsweise Vanhellemont et.al., J. Appl. Phys. 62, 5.3960, 1987) beschreibt den kritischen Radius r_c als Funktion der Temperatur, der Sauerstoffübersättigung sowie der Konzentration der Leerstellen. Unter Konzentration werden Teilchen pro Volumeneinheit verstanden. Eine hohe Sauerstoffkonzentration und/oder eine hohe Leerstellenübersättigung vereinfacht bzw. beschleunigt die Sauerstoffpräzipitation und führt zu einer höheren Konzentration an Präzipitaten. Des weiteren hängt die Konzentration bzw. die Größe der Präzipitate, insbesondere in Halbleiterscheiben, von Auf heiz- und Abkühlraten während thermischer Ofenprozesse, insbesondere Während den sogenannten RTA-Prozessen (Rapid Thermal Annealing) ab. Bei diesen Wärmebehandlungen werden Halbleiterscheiben innerhalb weniger Sekunden auf Temperaturen von bis zu 1300°C erwärmt und anschließend 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 ungleichmäßigen Verteilung an Kristallgitter-Leerstellen bekannt, die mittels einer Wärmebehandlung erhalten wird. Das Maximum dieses derart generierten Leerstellenprofils befindet im Bulk der Halbleiterscheibe und fällt in Richtung der Oberflächen stark ab. Während nachfolgender Wärmebehandlungsverfahren, 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 Sauerstoffes und Sauerstoffpräzipitate im Bulk der Halbleiterscheibe. 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 Leerstellen im Kristallgitter als sehr beweglich erweisen, insbesondere 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 WO98/38675 unterworfen waren, einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von bevorzugt zwischen 450°C und 850°C für vorzugsweise einige Stunden, so ergibt sich bei nachfolgenden Wärmebehandlungen, beispielsweise bei 780°C für 3 h und 1000°C für 16 h, keine Ausbildung einer PFZ, sondern nur eine homogene 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 stellen, die ein stabiles Profil an Nukleationszentren für Sauerstoffpräzipitate aufweist und damit als Basis für eine Halbleiterscheibe mit verbesserter interner Getterwirkung dient.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite 2, einer oberen Schicht 3, die an der Vorderseite 1 angeordnet ist, einer unteren Schicht 4, die an der Rückseite angeordnet ist, einer unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht 6, einem Zentralbereich 7, der in der Mitte zwischen den Schichten 5 und 6 angeordnet ist, 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 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 zwischen 10¹¹ und 10¹⁵ Atome/cm³.

1 zeigt die hier definierten Schichten sowie die Vorderseite 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 bevorzugt 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, die an der Vorderseite 1 angeordnet ist, einer unteren Schicht 4, die an der Rückseite angeordnet ist, einer unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht 6, einem Zentralbereich 7, der in der Mitte zwischen den Schichten 5 und 6 angeordnet ist, und einer ungleichmäßigen Verteilung an substitutiell oder interstitiell eingebautem Stickstoff, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine aus einem stickstoffdotierten Kristallstab hergestellte Halbleiterscheibe einer Wärmebehandlung für 1 bis 360 s bei einer Temperatur zwischen 800 und 1300°C unterworfen wird.
Die dotierte Halbleiterscheibe hat eine Stickstoffkonzentration 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 stickstoffdotierten Kristallstäben erhältlich, die beispielsweise in R.S. Hockett, Appl. Phys. Lett. 48, 1986, p. 224 offenbart sind.
Die Wärmebehandlung wird bevorzugt unter einer Prozeßgasatmosphäre durchgeführt. Das Prozeßgas wird bevorzugt aus einer Gruppe von Gasen ausgewählt, die Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und die Edelgase, sowie beliebige Mischungen und beliebige chemische Verbindungen der genannten Gase umfaßt. Vorzugsweise 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/s, besonders bevorzugt zwischen 100°C/s und 250°C/s und insbesondere zwischen 75°C/s und 200°C/s eingehalten. Mittels der Abkühlraten werden die Konzentration und die Tiefe der Defekte gesteuert.
Erfindungsgemäß wird in einer mit Stickstoff dotierten Halbleiterscheibe über Diffusionsprozesse während einer Wärmebehandlung ein Konzentrationsprofil an Stickstoff generiert. Die Konzentration an Stickstoff weist ein Maximum (max₁) im Zentralbereich 7 auf und nimmt in Richtung Vorderseite 1 und in Richtung Rückseite 2 vorzugsweise gleichmäßig ab. Die Stickstoffkonzentration im Maximum (max₁) beträgt von 10¹¹ bis 10¹⁵ Atome/cm³.
Überraschenderweise gelingt es, dieses Profil der ungleichmäßigen Verteilung an substitutiell oder interstitiell eingebautem Stickstoff in einer nachfolgende Wärmebehandlung in ein entsprechendes Profil einer ungleichmäßigen Verteilung an Nukleationszentren für Sauerstoffpräzipitate zu überführen.
Demnach wird die Aufgabe der Erfindung auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite 2, einer oberen Schicht 3, die an der Vorderseite 1 angeordnet ist, einer unteren Schicht 4, die an der Rückseite angeordnet ist, einer unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht 6, einem Zentralbereich 7, der in der Mitte zwischen den Schichten 5 und 6 angeordnet ist, und einer ungleichmäßigen Verteilung an Nukleationszentren für Sauerstoffpräzipitate, wobei die Konzentration der Nukleationszentren ein Maximum (max₁) im Zentralbereich 7 aufweist und die Konzentration der Nukleationszentren auf der Vorderseite 1, der Rückseite 2, in der oberen Schicht 3 und der unteren Schicht 4 so gering 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, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Halbleiterscheibe mit einer ungleichmäßigen Verteilung an substitutiell oder interstitiell eingebauten Stickstoff gemäß Anspruch 1 einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 300 und 800°C unterworfen wird.
Erfindungsgemäß wird eine Halbleiterscheibe, die ein Konzentrationsprofil an Stickstoff aufweist, während einer Wärmebehandlung 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 gering, daß in einer nachfolgenden Wärmebehandlung ohne Ausdiffusion von Sauerstoff präzipitatfreie Schichten auf der Vorderseite 1 und der Rückseite 2 von 1 bis 100 μm entstehen.
Die Wärmebehandlung wird bevorzugt unter einer Prozeßgasatmosphäre durchgeführt. Das Prozeßgas wird bevorzugt aus einer Gruppe von Gasen ausgewählt, die Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und die Edelgase, sowie beliebige Mischungen und beliebige chemische Verbindungen der genannten Gase umfaßt. Die Wärmebehandlung dauert bevorzugt zwischen 15 und 360 min.
Überraschenderweise zeigte sich, daß die Nukleationszentren keine beweglichen Punktdefekte sind, sondern ortsfeste Ausscheidungen. Erfindungsgemäß folgt damit die Sauerstoffpräzipitation exakt dem Profil dieser ortsfesten Ausscheidungen während nachfolgender Wärmebehandlungen, beispielsweise während einer Wärmebehandlung von 780°C für 3 h und 1000°C für 16 h.
Erfindungsgemäß erhält man bei dieser Wärmebehandlung von vorzugsweise 780°C für 3 h und 1000°C für 16 h eine präzipitatfreie Schicht auf der bauelementaktiven Seite der Halbleiterscheibe von bevorzugt von 1 bis 100 μm Dicke, ohne daß aufwendige Sauerstoff-Ausdiffusionsschritte durchgeführt werden müssen. Im Bulk der Halbleiterscheibe befinden sich Sauerstoffpräzipitate in einer Konzentration von typischerweise 1 × 10⁸ bis 1 × 10¹¹ cm^–3, so daß das interne Gettern von Verunreinigungen gewährleistet wird.

Claims

Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite 2, einer oberen Schicht 3, die an der Vorderseite 1 angeordnet ist, einer unteren Schicht 4, die an der Rückseite angeordnet ist, einer unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht 6, einem Zentralbereich 7, der in der Mitte zwischen den Schichten 5 und 6 angeordnet ist, und einer ungleichmäßigen Verteilung an Kristallgitter-Defekten, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Kristallgitter-Defekten um substitutiell oder interstitiell eingebauten Stickstoff handelt, wobei die Konzentration des Stickstoffs ein Maximum (max₁) im Zentralbereich 7 aufweist und in Richtung Vorderseite 1 und in Richtung Rückseite 2 abnimmt und wobei die Konzentration des Stickstoffs im Maximum (max₁) zwischen 10¹¹ und 10¹⁵ Atome/cm³ beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einem stickstoffdotierten Kristallstab hergestellte Halbleiterscheibe einer Wärmebehandlung für 1 bis 360 s bei einer Temperatur zwischen 800 und 1300°C unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Wärmebehandlung in dem Temperaturbereich von 1300 bis 800°C Abkühlraten von 1 bis 300°C/s eingehalten werden.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe mit einer Vorderseite 1, einer Rückseite 2, einer oberen Schicht 3, die an der Vorderseite 1 angeordnet ist, einer unteren Schicht 4, die an der Rückseite angeordnet ist, einer unter der oberen Schicht 3 liegenden inneren Schicht 5, einer über der unteren Schicht 4 liegenden inneren Schicht 6, einem Zentralbereich 7, der in der Mitte zwischen den Schichten 5 und 6 angeordnet ist, und einer ungleichmäßigen Verteilung an Nukleationszentren für Sauerstoffpräzipitate, wobei die Konzentration der Nukleationszentren ein Maximum (max₁) im Zentralbereich 7 aufweist und die Konzentration der Nukleationszentren auf der Vorderseite 1, der Rückseite 2, in der oberen Schicht 3 und der unteren Schicht 4 so gering 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, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1 einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 300 und 800°C unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen 15 und 360 min dauert.