DE2537464A1 - Verfahren zur entfernung spezifischer kristallbaufehler aus halbleiterscheiben - Google Patents
Verfahren zur entfernung spezifischer kristallbaufehler aus halbleiterscheibenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Punktdefekten
und Punktdefektaggloraeraten aus Halbleiterscheiben.
Bei der Herstellung elektronischer Bauelemente, insbesondere mit
unipolaren Strukturen, bei welchen im Gegensatz zu Bipolartransistoren lediglich eine Ladungsträgerart eine Rolle spielt, fördern
Punktdefekte,wie etwa Leerstellen oder Zwischengitteratorae die Ausbildung von Leckströmen, die die Regenerationszeit (refreshment time),
d.h. die Zeit, in der ein derartiges Bauelement wieder neu angesprochen werden muß, negativ beeinflussen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Punktdefekte und Punktdefektagglomerate aus Halbleiterscheiben, wie sie für die Herstellung
derartiger Bauelemente verwendet werden, zu entfernen.
Gelöst wird diese Aufgabe ge«, s der Erfindung dadurch, riuii die Halb
leiterscheiben einseitig mit einem mechanischen Spannungsfeld hen und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen werden»
Ein derartiges mechanisches Spannungsfeid läßt sich auf der Halbleiterscheibe beispielsweise dadurch erzeugen, daß in die Scheibenoberfläche ein Dotiermaterial eingebracht wird,und zwar in einer Menge,
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• a.-
die über der maximalen Löslichkeit ira Kristallgitter der Halbleiterscheibe
liegt, wobei unter der maximalen Löslichkeit die Menge an Freradatomen verstanden werden soll, die das Gitter gerade noch
aufnehmen kann, bevor es kollabiert. Voraussetzung ist dabai, daß
die Fremdatome eine gegenüber den Gitteratoraen der Halbleiterscheibe
unterschiedliche Größe aufweisen. Besteht die Halbleiterscheibe beispielsweise aus Silciutn, so würden sich als Dotiermaterial beispielsweise
Elemente der V. Hauptgruppe, wie Phosphor oder Antimon, oder auch Elemente der III. Hauptgruppe, wie insbesondere Bor, aber
auch Aluminium, Gallium oder Indium, eignen.
Die aus gegossenem, zonengezogenem oder insbesondere tiegelgezogenem
Halbleitermaterial geschnittenen bzw. gesägten, gegebenenfalls geätzten oder polierten Halbleiterscheiben werden bei diesem Prozeß
in einem üblichen Diffusionsofen bei hoher Temperatur, die dabei abhängig ist sowohl vom Halbleitermaterial wie vom gewählten
Dotierstoff, gegebenenfalls auch der gewählten Dotierstoffverbindung, und etwa im Falle des Siliciums als Halbleitermaterial und Phosphor
als Dotierstoff bei etwa 1.0OO bis 1.200 C liegt, einem den Dotierstoff
oder die Dotierstoffverbindung enthaltenden Gasstrom, meist im Gemisch mit Sauerstoff und/oder einem Inertgas, wie beispielsweise
Neon, Krypton, Xenon oder insbesondere Argon, ausgesetzt, wobei in der Regel 10 bis 20 Minuten ausreichend sind. Nach erfolgter Einwirkung
des Gasgemisches auf die Halbleiterscheiben werden diese durch schnelles Herausnehmen aus der Hochtemperaturzone auf eine erheblich
niedrigere Temperatur, beispielsweise Raumtemperatur, abgeschreckt. Bei dieser erheblich tieferen Temperatur wird aber die
maximale Löslichkeit des Dotierstoffs ira Wirtsgitter der Halbleiterscheibe überschritten. Das Wirtsgitter gleicht hierdurch bedingte Verspannungen
durch Ausbildung von Fehlanpassungsversetzungen aus.
Da sich die skizzierten Vorgänge lediglich im oberflächennahen Bereich
der Halbleiterscheibe bis in eine Tiefe von etwa 1 bis 5 μ, ι
meist sogar nur bis in eine Tiefe von 1 bis Zu. abspielen, läßt sich
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durch nachfolgendes Polieren einer Scheibenoberfläche diese dünne mit Fremdatomen und Fehlanpassungsversetzungen durchsetzte Schicht,
die ursprünglich auf beiden Seiten der Scheibe ausgebildet war, leicht einseitig wieder abtragen, wobei das Versetzungsnetzwerk dann lediglich
auf einer Scheibenseite verbleibt.
Hervorragend bewährt hat sich als bevorzugte Möglichkeit zur Erzeugung
eines mechanischen Spannungsfeldes auf der Halbleiterscheibe die Erzeugung einer definierten Oberflächenzerstorung einer Scheibenseite.
Wichtig ist dabei, daß nur ein Teil der Oberfläche einer Scheibenseite, etwa 0,01 bis 50 % - wobei meist allerdings schon 0,1 bis 1,5 %
ausreichend sind - zerstört wird, und zwar am besten statistisch über
den gesaraten Oberflächenbereich einer Scheibenseite. Das quantitative
Ausmaß der Zerstörung ist dabei in der Regel schwer abzuschätzen, da bereits während der Zerstörung Ausheilprozesse stattfinden. Die genaue
quantitative Erfassung ist aber schon deshalb unerheblich, da be.veits geringe Zerstörungen den gewünschten Effekt, der in der Einstellung
eines mechanischen Spannungr»i'eldes in einer Scheibenoberfläche liegt, bedingen.
Diese partielle Zerstörung der Halbleiteroberfläche, die dabei auch
wiederum nur bis in einige Mikron Tiefe wirken soll, kann beispielsweise
durch kurzzeitiges Schleifen einer Sch·, ibenoberflache mit einem
Schleifmittel, dessen Feststoffkomponente eine größere Härte aufweist
als das zu behandelnde Halbleitermaterial« erzeugt werden. Als Schleifmittel
eignen sich hierzu beispielsweise Aluminiumoxid, Diamantpulver,
Zirkonoxid, Quarz,Silicate,Fluorsilicate oder Siliciumcarbid mit einer
durchschnittlichen Korngröße von etwa 5 bis ΖΟΟταμ, suspendiert in einer
Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, Glycerin, Alkohol, Leinöl, Petroleum oder Gemischen derselben. Das Schleifen wird am einfachsten
auf einer für das Polieren von Halbleiterscheiben gebr-Kuchlichen Poliermaschine
durchgeführt. Als Poliertücher eignen s- besonders gut im Händel erhältliche weiche Folien aus beispielweise Polyurethan,
Polyamid, Polyester oder Polyvinylchlorid.
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Die Bearbeitungszeit, d.h. die Schleifdauer, ist dabei sehr kurz,
etwa 1 bis 8 Minuten, und gewöhnlich abhängig vom gewählten Schleif- \
mittel, Anpreßdruck und Umdrehungszahl das Poliertellers. Die Scheibenoberfläche
darf nur deshalb einseitig kurz bearbeitet werden, da gewöhnlich nur ein sehr geringer Teil der Oberfläche zerstört werden
soll. Ein Läppen der gesamten Scheibenoberfläche - wenn auch nur
einseitig - würde nicht zu guten Ergebnissen im Sinne der Erfindtmg
führen. Neben den für das Polieren von Halbleiteracheiben üblichen Umdrehungszahlen für das Poliertuch wird ein Anpreßdruck im Bereich
— 3 2 — 2
von etwa 10 bis 10 kp/cm , bevorzugt zwischen 5 x IO bis 1 kp/cin ,
vorteilhaft sein.
Wurde nach einem dieser beiden - oder im Sinne dieser Erfindung auch
dritten - Verfahren ein Spannungsfeld auf einer Seite der Halbleiteroberfläche erzeugt, so werden in einem nachfolgenden Schritt die
Punktdefekte durch einen Temperprozeß bei einer Temperatur, die insbesondere im Falle von Silicium als Halbleitermaterial bei etwa 800
bis 1.200 C liegt, abgesaugt. Die bei der hohen Temperatur beweglichen
Punlctnefekte in der Form von insbesondere Leerstellen oder Zwischengitteratomen,
werden durch das einseitig wirkende Cpannungafeld, welches durch das aufgrund von Fremddotierung ausgebildete, einseitige
Versetzungsnetzwerk oder die Oberflächenzerstörung bedingt wird, aus
der Halbleiterscheibe abgesaugt. Der Vorgang ist stark temperaturabhängig und kann,1 Minute bis 8 Stunden in Anspruch nehmen,meist
sind aber bereits 30 Minuten bis 3 Stunden ausreichend.
Statt eines reinen Temperprozesses unter Vakuum oder Inertgas empfiehlt
sich häufig auch die Durchführung einer thermischen Oxidation im gleichen Temperaturbereich unter bevorzugt wasserfeuchter, sauerstoffhaltiger
Atmosphäre, wie beispielsweise hochgereinigte Luft, Sauerstoff oder Edelgas-Sauerstoff
gemischen, da eine derartige Oxidation der Halbleiterscheibe vom Weiterverarbeiter bei der Herstellung von beispielsweise Isolierschicht-Feldeffekttransistoren,
abgekürzt MOSFET (raetai-oxyde-semiconductor)
sowieso vorgenommen werden müßte. Für diesen Oxidationsprozeß werden zwischen 1 Minute bis 20 Stunden beansprucht, da er ebenfalls
sehr stark temperaturabhängig ist, in den meisten Fällen genügen aber
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auch hier 1 Stunde bis 5 Stunden. Anschließezid wird sowohl beim
reinen Tempern wie auch beim Oxidieren langsam auf Raumtemperatur abgekühlt.
Es ist auch möglich, die beiden Schritte, Erzeugung eines mechanischen
Spannungsfeldes und nachfolgende Wärmebehandlung, zeitlich zu trennen, d.h.den zweiten Schritt erst unmittelbar bei der Weiterverarbeitung
dieser präparierten, mit einem Spannungsfeld versehenen Halbleiterscheiben zu MOS-Bauelementen vorzunehmen, da er hierbei,
wie bereits erwähnt, sowieso unumgänglich wird.
Das Verfahren wird bevorzugt bei der Entfernung von Punktdefekten und
Punktdefektiigglomeraten aus insbesondere tiegelgezogenem Silicium
eingesetzt. Es ist prinzipiell aber auch bei anderen Halbleitermaterialien, wie etwa Germanium oder Ill/V-Verbindungen, wie Galliumarsenid
oder Galliumphosphid, unabhängig vom Herstellungsweg anwendbar.
Aus einem 7»5 cm starken, nach einem modifizierten Czochralsky-Tiegelziehverfahren
gezüchteten, einkristallinen Siliciumstab gesägte und geätzte, etwa 400 u dicke, Punktdefekte enthaltende Siliciumscheiben
wurden bei einer Temperatur von ca. I.050 C in einem Diffusionsofen
einem Gasgemisch von Argon, Sauerstoff und Antimontrichlorid ausgesetzt. Nach 15 Minuten wurden die Scheiben durch schnelles Herausnehmen
aus dem Ofen einem Temperaturschock unterworfen. Nachfolgend wurde eine Seite der Siliciurascheiben poliert, d.h. einseitig
eine Oberflächenschicht von etwa 5ί* abgetragen. Die solcherart vorbehandelten
Siliciumsch Lben wurden anschließend in einem Temperofen
unter Argon bei Normaldruck etwa 1 Stunde auf einer Temperatur von 950 C gehalten und anschließend langsam im Verlauf von IO Minuten
auf Räumt iperatur abgekühlt. Eine Testscheibe wurde anschließend
mit einem Säuregemisch angeätzt und unter dem Mikroskop untersucht. Es ließen sich keine Punktdefekte oder Punktdefektagglome. .te mehr
feststellen.
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Siliciumscheiben entsprechend Beispiel 1 wurden 3 Hinuten mit
einem in einem Wasser-Glycerin-Gemisch suspendierten Aluminiumoxid auf einer üblichen Poliermaschine behandelt. Der Anpreßdruck be-
einem in einem Wasser-Glycerin-Gemisch suspendierten Aluminiumoxid auf einer üblichen Poliermaschine behandelt. Der Anpreßdruck be-
-2 2
trug 5 x 10 kp/ctn r die Umdrehung des weichen Poliertuches 90 U/ min, während die Poliersuspension mit einer Geschwindigkeit von
3 ml pro Minute und Scheibe zugetropft wurde» Die Scheiben wurden
nachfolgend mit Wasser gespült und in einem Ofen bei 1.000 C 2 Stunden einem Gemisch aus Sauerstoff und Argon ausgesetzt» Anschließend wurden die Scheiben wiederum im Verlauf von 10 Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt. Das auf den Scheiben gebildete Oxid wurde bei
einer Testscheibe mit Flußsnure entfernt. Darauf wurde die Scheibe nach Anätzung mit einem spezifischen Säuregemisch unter dem Mikroskop auf Punktdefekte untersucht»Die Scheibe erwies sich als fehlerfrei.
trug 5 x 10 kp/ctn r die Umdrehung des weichen Poliertuches 90 U/ min, während die Poliersuspension mit einer Geschwindigkeit von
3 ml pro Minute und Scheibe zugetropft wurde» Die Scheiben wurden
nachfolgend mit Wasser gespült und in einem Ofen bei 1.000 C 2 Stunden einem Gemisch aus Sauerstoff und Argon ausgesetzt» Anschließend wurden die Scheiben wiederum im Verlauf von 10 Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt. Das auf den Scheiben gebildete Oxid wurde bei
einer Testscheibe mit Flußsnure entfernt. Darauf wurde die Scheibe nach Anätzung mit einem spezifischen Säuregemisch unter dem Mikroskop auf Punktdefekte untersucht»Die Scheibe erwies sich als fehlerfrei.
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Claims (1)
- Patentansprüche :1) Verfahren zur Entfernung von Punktdefekten und Punktdefektagglomeraten aus Halbleiterscheiben, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiterscheiben einseitig mit einem mechanischen Spannungsfeld versehen und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen werden.2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn~ zeichnet , daß das mechanische Spannungsfeld durch Übersättigen des Krist.; jgitters im Oberflächenbereich der Halbleiterscheibe mit Fremdatotnen mit gegenüber den Gitteratomen der Halbleiterscheibe unterschiedlicher Größe erzeugt werden.3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das mechanische Spannungsfeld durch Erzeugung einer definierten Oberflächenzerstörung gebildet wird.4) Verfahren nach Anspruch 1 und 3» dadurch gekennzeichnet , daß die definierte Oberflächenzerstörung durch kurzzeitiges Schleifen einer Scheibenseite mit einem Schleifmittel, dessen Feststoffe eine größere Härte aufweisen als das behandelte Halbleitermaterial, erzeugt \iird.5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die nachfolgende Wärmebehandlung in Sauerstoffhaltiger Atmosphäre durchgeführt wird.6) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiterscheibe aus Silicium besteht.709 8.0 9/0553
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