DE2025611A1

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Info

Publication number: DE2025611A1
Application number: DE19702025611
Authority: DE
Priority date: 1969-06-09
Filing date: 1970-05-26
Publication date: 1970-12-17
Also published as: US3644154A; FR2045912B1; JPS549025B1; FR2045912A1; GB1295756A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellechaft mbH

Böblingen, 21. Mai 1970 si/du

Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504 Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 968 023

Verfahren zur zweckmäßigen Halterung von Halbleiterstrukturen während der Durchführung von Wärmebehandlungs-

prozessen. ___

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur. zweckmäßigen Halterung von Halbleiterstrukturen während der Durchführung von Wärmebehandlungsprossessen, wie sie in der Halbleitertechnik im Rahmen der Gesamtherstellung von Bauelementen und dgl. zur Realisierung von Oxydations- und Diffusionsschritten Üblich sind. Die stetig fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiter strukturen liefert einen starken Impuls für den Fortschritt der mikroelektronischen Technik. Bei derartigen Miniaturisierungen ist ein stetiger Trend nach geringeren Herstellungskosten, nach •iner größeren Komponentendichte sowie nach einer besseren Zuverlässigkeit der Bauelemente festzustellen. Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen wird weitgehend die Planartechnik angewendet. Diese Technik wird in der Regel so realisiert, daß eine Reihe von aufeinanderfolgenden dotierstoffhemmender Masken unterschiedlicher Struktur auf die Oberfläche eines Halbleiterplättchens gelegt wird und daß durch die öffnungen dieser Masken hindurch Dotier-

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stofffronten in das Plättchen eindiffundiert werden, welche den Leitfähigkeitstyp der von ihnen erfaßten Gebiete bestimmen. Das Plättchen wird dann in einzelne Chips zerschnitten, iron denen je- * des entweder diskrete Bauelemente oder vollständige Integrierte Schaltungen enthält. Die Entwicklung tendiert in die Richtung von kleinen diskreten Bauelemente oder von Schaltungen auf größeren Chips, wobei diese Schaltungen eine zunehmende Zahl von Einzelelementen umfassen. Fernerhin war man bestrebt, zur Herabsetzung der Herstellungskosten die Durchmesser der benutzten Halbleiterplättchen zu vergrößern. Es wird erwartet, daß in naher Zukunft für die genannten Zwecke vorzugsweise Plättchen mit Durchmessern von 5 bis 7,5 cm und größer benutzt werden. Die bisher gebräuchlichen oder z.Z. benutzten Abmessungen liegen bei etwa 1,5 bis 2,5 cm.

Hit zunehmender Integrationsdichte, d.h. mit zunetaender Zahl der Einzelelemente pro Halbleiterplättchen zeigten sieb krlstallographische Defekte, wie sie beispielsweise als Versetzungen "infolge mechanischer Beanspruchung entstehen, von wachsender !Bedeutung. Die infolge dieser kristallographischen Defekte auftretenden Schwierigkeiten wurden in der Vergangenheit erkannt:. Sie sind in erster Linie auf Versetzungen innerhalb des Kristalle® sorücksu» führen, wie sie durch mechanische Beanspruchung, die beispielsweise beim Erhitzen der Plättchen auftreten, oder terch die mechanische Behandlung während des Verfahrensganges entsteinen. Wenn jedoch die aus dem Halblei terplättchen herzustellenden Chips entweder diskrete Bauelemente oder einfachere integrierte Schaltungen mit relativ wenigen Einzelelementen enthalten, so sind die von den Versetzungen herrührenden Schwierigkeiten nidrfc !besonders groß. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei Vort&andesBseln von Versetzungen in bestimmten Flächenbereichen der Plättchen zwar . einige Chipa ausfallen, daß aber trotzdem immx noch eine genügende Anzahl gebrauchsfähiger Chips innerhalb der von Versetzungen freien Flächenbereiche übrig bleiben, so daß ein Sücskgaag <fer Fertigwigsausbeute zwar ins Gewicht fällt, jedoch nicht kritisch wird«, Be-

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sitzen jedoch die integrierten Schaltungen auf den Halbleiterplättchen eine hohe Integrationsdichte wobei einzelne Chips hunderte von Komponenten umfassen können, so werden die oben skizzierten Schwierigkeiten kritisch und immer dann, wenn ein einziger kr !stenographischer Defekt in einem Chip vorliegt, wird ein komplexer integrierter Schaltungskreis mit hunderten von Elementen unbrauchbar gemacht. Hinzu ko—T , daß bei Plättchen mit Durchmessern über 5 cm kristallograpbische Defekte ausgeprägter auftreten und in größerer Zahl vorkommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmebehandlungsverfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen anzugeben, bei dem ein Mindestaaft an kristallographischen Defekten auftreten» Dieses Verfahren soll insbesondere für planare Halblei terstrukturen anwendbar sein und auch diejenigen kristallographischen Defekte herabmindern, welche durch Verfahrensschritte entstehen, bei denen zum Zwecke der Oxydation und/oder Diffusion. Temperaturen angewendet werden, die bei1100 ⁰C und höher liegen.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung löst die genannte Aufgabe durch eine zweckmäßige Halterung der Halbleiterstrukturen während der im nahmen des Gesamtherstellungsverfahrens erforderlichen Prozeßschritte, bei denen erhöhte Temperaturen angewendet werden müssen. Derartige Verfahrensschritte sind im wesentlichen Oxydations- und Diffusionsverfahren«

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Halterungsmaterial benutzt wird, dessen Wärmekapazität mindestens in den den tu behandelnden Halbleiterplättchen am nächsten kommenden Bereichen sehn mal so groß ist wie diejenige des zu behandelnden Halbleitermaterial* und das die Unterstützung der su behandelnden Halb* leiterplättchen so erfolgt» das eine vollständige Oberfläche an keinem ihrer Punkte einen Abstand kleiner als 0,6 cn von der Halterung* vorrichtung aufweist.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. In den Zeichnungen bedeuten:

Fig. IA Eine schematische Darstellung einer konventionellen Vorrichtung zum Haltern von HalbIeIterplättchen während der auf diese anzuwendenden Prozeßschritte;

Fig. IB eine schematische Darstellung eines Teilbereiches

einer Halbleiterplättchenhalterung wie sie in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet - werden kann; - ■"■■"■.-■■. ■■■ ' " '■■-,. -. - ^;■■-'-■■ ■·"

Fig. 2 eine Teildarstellung einer weiteren Vorrichtung zur Halterung von Halbleiterplättcheh;

Fig. 3 eine im Querschnitt dargestellte Tel!ansicht einer modifizierten Vorrichtung zur Halterung von Halblei terplättch en;

Fig. 4 eine weitere Teildarstellung einer Haiterungsvor-

richtung für Halbleiterplättchen^? A

Fig. 5A eine mittelnRöntgenlicht im SOT-Verfahren erstell«

te topographische Darstellung eines Halbleiterplättchen·, das unter Benut rung der konventionellen Haltevorrichtung der Flg. IA einem Oxydatloneprozeß unterworfen wurde; ; ■ >-_Λ '■-■■ ■ - ---:^{; :} _: - :. :^: -

Fig. 5B eine in gleicher Ifeiee hergestellt* topographiech* Darstellung eines Halbleiterplattchens unter Benutzung einer Halterungevorrichtung nach der Abb. IB bei dessen Oxydation;

Fig. 5C eine weitere in gleicher Weise hergestellte topo»

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graphische Darstellung eines einem Diffusionsprozeß unterzogenem Halbleiterplättchens, währenddessen die Halterung in einer Vorrichtung nach Fig, IA erfolgte;

Fig. 5C eine ebenfalls mittels SOT-Verfahren angefertigte

topographische Darstellung eines Halbleiterplättchens, welches in einer Halterungevorrichtung nach Flg. IB einem Diffusionsprozeß unterzogen wurde.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung wurden für Vergleichszwecke folgende Versuche angestellt: eine Anzahl von P-leitenden Sllizluaplättehen alt einem Durchmesser von 5,5 ca, die vorzugsweise einen spezifischen Widerstand von etwa 15 Q * cm und eine krietallographieche fill} Orientierung aufwiesen, wurden in einer konventionellen Halterung bzw. in einem Quarzschiffchen entsprechend der Fig. IA angeordnet. Hierbei waren die Plättchen 10 in vertikaler Richtung innerhalb des Schiffchens 10 aufgereiht. Eine Anzahl gleichartiger Plättchen 10 (Flg. IB) wurde auf eine Quarzhalterung 12 aufgelegt. Diese besaß eine beträchtliche Dickenab-Messung und jedes Plättchen bedeckte einen ausreichenden Bereich der Quarzunterlage, so das die Unterlage »it einer Wärmekapazität wirk»a» wurde, die Mindestens zehn »al so groß war wie diejenige des Plättchen·. Die Wärmekapazität 1st gegeben durch diejenige Masse des Substrates, die von de» Plättchen bedeckt ist multipliziert Kit der Wärmemenge, die erforderlich ist, um ein Grasen der enbstrataasse um ein ⁰C zu erwärmen» Nunmehr wurden die Anordnungen sowohl nach der Fig· IA als auch nach der Fig. IB zur Züchtung von thermischen Oxydschichten auf der Oberfläche der Plättchen benutzt, was in konventioneller Weise dadurch realisiert wurde, daß jede dieser beiden Plättchengruppen in ein offenes Quarxgefäß eingebracht und auf eine Temperatur von 1200 ⁰C erhitzt wurde, währenddessen die Plättchen 5 NIn. lang einem GasstroM aus Sauerstoff und 10 Hin· lang «ine» solchen «us Wasserdampf ausgesetzt wurden. Eine •iO₂-Sehicht bildete sich auf der Oberfläche eines jeden Plätt-

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chens. Nach Beendigung des Oxydationsprozesses wurden die Plättchen aus dem Behälter genommen und einer Kühlung bei Raumtemperatur unterworfen. Soll eine Weiterverarbeitung der Plättchen erfolgen, so ist ein Verfahrensschritt zur Kühlung auf Raumtemperatur nicht erforderlich. Eine Kühlung auf einen Wert unterhalb von 350 ⁰C wird dann ausreichen.

Repräsentative Proben wurden entsprechend der Fig. IA bzw. der Fig. IB vorbereitet. Dann wurden unter Benutzung elites mit SOT bezeichneten Abtastverfahrens das von G.H. Schwuttge entwickelt und im Journal of Applied Physics, Band 36, Nummer 9, September 1965, auf den Seiten 2712 bis 2721 beschrieben wurde, mittels Röntgenlicht Mikrophotographien bzw. eine topographische Darstellung der Oberfläche eines jeden der behandelten Plättchen angefertigt. Die Topographie der unter Benutzung der Halterung yon/Big· IA erstellten Plättchen ist in Fig. 5A gezeigt; und die Topographie der unter Benutzung der Halterungen von Fig. IB behandelten Plättchen 1st in Fig. 5B wiedergegeben. Ein Vergleich beider topographischer Darstellungeü zeigt deutlich, daß sich eine bemerkenswerte Reduktion der kristallographischen Fehlstellen der Plättchen von Fig. 5B ergeben. Die Versetzungen erscheinen auf der topographischen Darstellung als irreguläre streifenblldung» Dann wurden zwei Plättchen mit einem Durchmesser von 5,4 cm, welche den oben beschriebenen in allen Eigenschaften glichen* aasgewählt. Eines dieser Plättchen wurde dann in die Halterungevorrichtung der Fig. IA und das andere in diejenige von Fig. IB eingebracht· Sodann wurde eine Bordiffusion in einem geschlossenen Reaktionsgefäß durchgeführt, indem jedes dieser Plättchen In eine geschlossene Quarzkapsel eingeschlossen wurde, die eine Borquelle enthielt. Hierzu wurde das Quarzgefäa auf 1200 Grad Ober einen Zeitraum von 95 Min. aufgeheizt. Unter diesen Bedingungen ergibt sich eine . Dotierungskonzentration auf der Oberfläche der Flittchen von etwa

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5 · ίο Störstellen/cm . Die Plättchen wurden dann aus dem Quarzgefäß herausgenommen und auf Raumtemperatur abgekfBilt·. Dann wurden wiederum mittel® des bereite erwähnten SOT~¥«rfiiiren» topographisch©

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Darstellungen von jeder Plättchenoberfläche hergestellt. Dasjenige Plättchen, welches in der Halterung der Fig, IA eingespannt war, wies eine Topographie entsprechend der Fig. 5C auf, während dasjenige Plättchen, welches den Diffusionsprozeß in der Halterung nach Fig. IB erfahren hatte, die topographische Ansicht entsprechend Fig. 5D lieferte. Ein Vergleich dieser beiden topographischen Darstellungen zeigt, daß das Plättchen entsprechend Fig. 5D im Vergleich zum Plättchen der Fig. 5C eine verhältnismäßig kleine Anzahl von kristallographischen Fehlstellen aufweist. Die im vorgehenden besprochenen Verfahrensschritte wurden lediglich zur Erläuterung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung gewählt, um dessen Wirksamkeit zur Herabsetzung der kristallographischen Defekte während typischer, bei hohen Temperaturen durchgeführter Verfahreneschritte zu beweisen. Aufgrund weiterer Versuche hat sich ergeben, daß gleiche Resultate auch in Verbindung mit anderen konventionellen Verfahrensschritten zur Durchführung von Diffusionsprozessen zur Erzeugung beispielsweise von Kollektor-, Basis-« Emitter- oder Isolationszonen in planaren integrierten Strukturen erzielt werden können, wobei für diese Verfahrensschritte hohe Temperaturen über 1100 ⁰C erforderlich sind. Die substratartige Halterung in Fig. IB ist nur stellvertretend als einfache Ausführung» form des vorliegenden Erfindungsgedankens dargestellt, für manche Zwecke sind andere Ausführungsformen von Nutzen, bei denen eine große Anzahl von Plättchen bei einem Minimum an Raumbedarf untergebracht werden sollen. Die Struktur derartiger modifizierter Halterung·vorrichtungen sind in den Fign. 2, 3 und 4 gezeigt. Bei der Halterungestruktur von Fig. 2 stehen die Plättchen 10 im wesentlichen aufrecht, wobei jedes Plättchen in einem Paar einander gegenüberliegender Schlitze 13 mit V-förmiger Gestalt gehalten ist, die ihrerseits in die Seitenteile des Quarzschiffchens 14 eingebracht sind. Jedes Schlitzpaar unterstützt ein Plättchen in vier Punkten in der Mähe «einer Peripherie, wobei die Wind« «ines jeden Schlitzes das Plättchen nur in einem Punkt berühren, welcher am oberen Ende der Peripherie liegt, ferner ist noch ein Unter- . Stützungspunkt am unteren Ende der Peripherie vorhanden. Die in

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gleichmäßigen Abständen an den Seitenwänden vorhandenen Stege 15 trennen die Halbleiterplättchen untereinander ab. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß mindestens eine vollständige Oberfläche eines jeden Plättchens weniger als 0,6 cm von der Seitenwand entfernt ist. Die Seitenwände besitzen eine solche Wärmekapazität, daß die Bereiche der Wand, welche innerhalb der Projektion der Peripherie der nächsten Plättchenoberfläche liegen eine mindestens zehn mal so große Wärmekapazität aufweisen, als dies für das Plättchen selbst der Fall ist. Der Abstand zwischen der benachbarten Plättchenoberfläche und der Seitenwand entspricht einem maximalen Wert, bei dem noch ein linearer Temperaturgradient über dem Plättchen aufrechterhalten werden kann. Um eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit und Produktionsrate sicherzustellen, ist es wünschenswert, die Wände so nah wie möglich bei den Plättchen anzuordnen. Trotzdem soll gleichzeitig eine verhältnismäßige bequeme Ein- oder Ausgabe der Plättchen aus dem Quarzschiffchen gewährleistet sein.

In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Struktur zur Plättchenhalterung. In gleichmäßigen Abständen wiederkehrende Querwände 18 sind an der Basis des Quarzschiffchens 17 angebracht und bilden mit dieser zusammen eine kammartige Konfiguration. Die Plättchen sind weniger in die Halterungsstruktur eingelassen; sie sind vielmehr zwischen den Wänden 16 abgestützt, wobei an den Punkten 18, 19 und 20 Berührung zwischen Plättchen und Halterungsvorrichtung stattfindet. Die im Vorstehenden beschriebene maximale Distanz der gesamten Plättcfaenoberfläehe von der Wand und die Bedingungen für die Wärmekapazität der Querwände treffen auch für diese Struktur zu.

Als weiteres Ausführungsbeispiel einer Piattcheahalterwngsstruktur nach der Lehre der vorliegenden Erfindung ist aus der FIg. 4 ersichtlich. In dieser Struktur sind die Querwände in leicht abgeschrägter Stellung angeordnet, so daß die Plättchen in der gleichen schrägen Ebene an die Wände angelehnt- ruhen.. Hierbei wird jedes

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Plättchen an den peripheren Punkten 22 und 23 unterstützt, und zwar auf den Seitenleisten 24 und 25. Bezüglich der Wärmekapazität verhalten sich die Wände so, wie es bereits oben beschrieben wurde.

Im Vorstehenden wurde zwar als Material für die Halterungsvorrichtungen und Zwischenwände bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Quarz benutzt, es kann auch jedes andere feuerfeste Material benutzt werden, welches einer Temperatur von 1100 ⁰C zu widerstehen in der Lage ist und das bei dieser Temperatur keine chemische Reaktion mit den Plättchen eingeht, sofern dieses Material in die gewünschte Form verarbeitet werden kann und die erforderliche Wärmekapazität aufweist. Andere feuerfeste Materialien mit den erforderlichen Eigenschaften sind z.B. Silizium, Siliziumcarbid und Kohlenstoff.

Obwohl das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ein Mindestmaß an kristallographischen Defekten in den Plättchen ergibt unter Zugrundelegung von Aufheiz- oder Diffusionstemperaturen im Bereich bis 1100 ⁰C, so liefert das Verfahren noch bemerkenswertere Resultate bei Verfahrensprozessen, bei denen Temperaturen über 1150, speziell solche von 1200 ⁰C benutzt werden. Bei diesen hohen Temperaturen zeigen die in konventioneller Art behandelten Plättchen eine sehr große Zahl von kristallographischen Defekten. Andererseits halten sich diese Defekte bei Plättchen, die in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung behandelt wurden, inner noch in vertretbaren Grenzen.

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Claims

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PATENTA H SPRUCH E

Verfahren zur zweckmäßigen Halterung von Halbleiterstrukturen während der Durch führ imag von Wärmebehandlungsprozessen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halterungsmaterial benutzt wird, dessen Wäziiekapazität xnindestens in . den den zu behandelnden Halbleiterplätteben am nächsten kommenden Bereichen zehn mal so groß ist wie diejenige des zu behandelnden Halbleitermaterials und daß die . Unterstützung der zn behandelnden Haibleiterplättchen so erfolgt, daß eine vollständige.Oberfläche an keinem ihrer Punkte einen Abstand kleiner als 0,6 cm von der Halterungsvorrichtung aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden Halbleitexplättchen an die Haltevorrichtung an keiner Stelle bexllaren.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die zu behandelnden Ealbieiterplättchen nur an wenigen peripheren Punkten die Haltezungevorrichtung berühren»
4. Verfahren nach Anspruch I₁, dadurch gekennzeichnet-, daß

die zu behandelnden Halbleiterjplättchen Hit. einer vollständigen Oberfläche auf dem Material der Halterungsvorrichtung aufliegen.
5. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekenn-» zeichnet, daß die jeweilige relative Lage zwischen Sem zu behandelnden Halbleiterplflttcben und äer Halterungsvorrichtung sowohl während der Aufheizung auf eine Tempo» ratur oberhalb von 1100 °€ als asaeb wSfarenö der Afokflfalperiode eingeh®!tea wird, wobei die Kühlung sich auf einen Wert unter.850 °C erstreckt.

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Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsvorrichtung aus Quarz, Silizium, Siliziumcarbid oder Kohlenstoff hergestellt ist.

Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Durchführung von Oxydations- und/oder Diffusionsprozessen.

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