DE2758576C2 - Verfahren zum Vermindern des Gehalts an bei der Herstellung von Silicium-Halbleiterbauelementen in das dotierte Halbleiterplättchen gelangtem Schwermetall - Google Patents
Verfahren zum Vermindern des Gehalts an bei der Herstellung von Silicium-Halbleiterbauelementen in das dotierte Halbleiterplättchen gelangtem SchwermetallInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermindern des Gehalts an bei der Herstellung von Silicium-Halbleiterbauelementen
in das dotierte Halbleiterplättchen gelangtem Schwermetall-durch Erhitzen zusammen mit
rohen Siliciumscheiben hoher Reinheit in einem Quarzrohr.
Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen wird die Ausbeute durch die Kontamination des SiIiciums
mit Metall-Spuren, z. B. Nickel, Kupfer, Eisen, gesenkt. Diese Spurenverunreinigungen stammen aus dem
Silicium-Substrat selbst, aus der Gasphase bei Hochtemperaturprozessen wie Diffusion, Epitaxie oder thermische
Oxidation, aus der Adsorption an der Halbleiterplättchen-Oberfläche bei Ätzschritten, beim Spülen
oder Lack-Strippen und aus der sporadischen Kontamination beim Hantieren mit den Halbleiterplättchen.
Schwermetalle und Metallausscheidungen, vor allem Kupfer, Gold und Eisen, im Halbleiterkristall wirken
sich im allgemeinen nachteilig aus durch Herabsetzung der Ladungsträgerlebensdauer durch Bildung von Rekombinationszentren,
Herabsetzung der Beweglichkeit durch Vermehrung der Gitterfehlstellen und Bildung
von Streuzentren, Vergrößerung des Sperrstromes durch Metallionen auf Gitterplätzen oder Zwischengitterplätzen,
Verwaschung der Durchbruchskennlinie durch Metallausscheidungen. Bei allen Hochtemperaturprozcsscn
gelangen Schwcrmctalle in den Halblcitcrkristall, da es unmöglich ist, den Reaktionsraum völlig
davon freizuhalten. Da diese Metalle in Silicium eine sehr große Diffusionskonstante und eine im Vergleich
zum Quarz des Diffusiopsrohres größere Löslichkeit besitzen, wächst die Volumenkonzentration dieser Metalle
durch Ausdiffusion aus dem Quarz im Siliciumkristall
an. Verwiesen wird hierzu auf I. Rüge, Halbleiter-Technologie
(1975), Seiten 131,132. Aus I. Rüge, Halbleiter-Technologie
(1975), Seite 135 ist bereits die Getterwirkung roher, undotierter Siliciumscheiben bekannt
Um der Kontamination zu begegnen, ist durch F. Barson,
East Fishkill, ein Gettern durch aufgedampftes Zinn auf der Rückseite des Halbleiterplättchens bekanntgeworden.
Dieses Verfahren hat den Nachteil der Koniaminationsgefahr durch das Zinn selbst
Um der Kontamination zu begegnen, hat man nach einem bekannten Verfahren eine Ionenimplantation auf
der Rückseite des Halbleiterplättchens vorgeschlagen.
Dieses bekannte Verfahren erfordert aber nachteilig einen hohen technologischen Aufwand und hohe Kosten.
Zudem wird bei diesem Verfahren die Wirkung bei einem zweiten Hochtemperaturzyklus praktisch aufgehoben.
Die beiden genannten Verfahren haben den schwerwiegenden Nachteil, daß die Kontamination auf der
Rückseite verbleibt und erneut in die Halbleiterbauelemente wandern kann. Auch werden andere Halbleiterplättchen
des gleichen Loses beim nächsten Hochtemperaturzyklus verunreinigt
Die vorstehend erörterten Probleme ζ·3 lösen und die beim Bekannten bestehenden Schwierigkeiten zu beheben,
ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein oder mehrere Halbleiterplättchen in der Längsachse
des Quarzrohrs schichtweise mit Abstand je zwischen zwei Siliciumscheiben gestellt und in dem verschlossenen
Quarzrohr bei etwa 11000C in einer Inertgas-Atmosphäre
von etwa 5 - 10-6 mm Hg Druck während mindestens 10 bis 60 Minuten gehalten werden.
Die Erfindung sei nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung für eine beispielsweise Ausführiingsform
näher erläutert
Die zur Durchführung des srfindu,?gsgemäßen Verfahrens
dienende Anordnung besteht aus dem Quarzrohr 1 mit dem Abschlußhütchen 2 und der Belüftungskapillare 13. In diesem Quarzrohr 1 sind auf einem Gestell
oder Schiffchen 3 in Abständen zueinander hochkant ein undotiertes Siliciumplättchen 4, ein dotiertes
Halbleiterplättchen 5, ein undotiertes Siliciumplättchen 6, ein dotiertes Halbleiterplättchen 7. ein undotiertes
Siliciumplättchen 8, ein dotiertes Halbleiterplättchen 9 und ein undotiertes Siliciumplättchen 10 angeordnet.
Mit 11 und 12 sind in der Zeichnung Behälter bezeichnet,
die mit Arsen-Silicium-Pulver als Dotierungsquelle
gefüllt sind. Die Achse des Quarzrohres 1 ist mit a-a, der Abstand zweier Halbleiterplättchen 5, 7 mit b und der
Abstand eines Halbleiterplättchens 7 von einer benachharten undotierten Siliciumscheibe 6 mit cbezeichnet.
Das Quarzrohr 1 hat beispielsweise vorteilhaft eine Länge von etwa 700 mm und einen Innendurchmesser
von ca. 80 mm. Die Atmosphäre im Abgeschlossenen Quarzrohr 1 hat eine Temperatur von etwa 11000C und
besteht beispielsweise aus Argon.
Der Abstand c zwischen einem dotierten Halbleiterplättchen 7 und der undotierten Siliciumscheibe 6 beträgt
vorteilhaft ca. 3 bis 8 mm. Jede undotierte Siliciumscheibe 4,6,8, 10 hat vorzugsweise eine Dicke von
61S ciwii 0,4 mm und einen Durchmesser von etwa 50 bis
60 mm.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden rohgesägle undotierte Siliciumscheiben 4, 6, 8, 10 von ho-
her Kcinhc.il beniil/.i, wie sie in der I lalbleiicr-lndusiric
üblich sind. Diese Siliciumscheiben 4,6, 8, 10 werden je
nach Bedarf bei allen kritischen Hochtemperaturprozessen wechselweise zwischen die dotierten Halbleiterplättchen
5, 7, 9 gestellt. Die Erfindung ist nicht auf die gerade in der schematischen Zeichnung gewählte Anzahl
von undotierten Siliciuinscheiben bzw. dotierten Halbleiterplättchen beschränkt Es können mehr oder
weniger sein. Es können auch sehr viel weniger oder sehr viel mehr sein.
Die Spurenmetalle aus den dotierten Halbleilcrplällchcn
5, 7, 9 reichern sich bei dem Verfahren nach der Erfindung in den rohgesägten Siliciumsche'äbcn 4, 6, 8,
IO an, wodurch die Halbleiterplättchen 5,7,9 in vorteilhafter
Weise wirksam von den unerwünschten Verunreinigungen befreit werden. Die rohgesägten Siliciumscheiben
4, 6, 8, 10 können im Bedarfsfalle bei noch ausreichender Reinheit auch mehrmals benutzt werden.
Grundsätzlich können für die Zwecke der Erfindung anstelle rohgesägter Siliciumscheiben auch Silicium-Halbleiterplättchen
mit auf andere Weise erzeugten Kristalldefekten benutzt werden. Es kann so?ar Silicium-Schrott
verwendet werden. Zudem lassen sich auch andere schädliche Metalle entfernen als Nickel, Kupfer,
Eisen und Gold.
Scheiben von der SiO>-bcdccktcn Seile her wirksam,
von der unbedeckten Seite vier. Die Aufheizdauer betrug bei allen Versuchen eine Stunde.
Zur Simulation der Emitter-Diffusion eines bipolaren Prozesses wurden dabei vier Standard-Halbleiterplättchcn
und vier rohgesägte Siliciumscheibcn abwechselnd in einer Diffusionskapscl in Abständen von ca. 3 mm
plaziert und 60 Minuten lang auf 11000C erhitzt. Der Kapsel wurden noch vor der Diffusion einige Mikrogramm
N1CI2 als Kontamination zugesetzt, da das Nikkel in sogenannten »pipes« gefunden und identifiziert
wurde. Dann wurden die Plättchen auf Nickel untersucht. Dabei fand man an den rohgesägten Siliciumplättchen
zwanzigmal mehr Nickel im Halbleiterkörpermaterial als --π den Standard-Halbleiterplättchen. Die
Wirksamkeit des Verfahrens wird bei praxisnahen Prozeßbedingungen noch wesentlich höher ausfallen, da die
Nickel-Ausgangskonzenlration bei diesem Modellversuch
ca. 10 OOOmal höher lag, um das Nickel zuverlässig analytisch zu erfassen.
Bei eine·: zweiten Versuchsreihe wurden jeweils eine
Kombination von mehreren Metallen Gold, Eisen und Kupfer in Form ihrer radioaktiven Isotope Au-198,
Fe-59 und Cu-64 in den zu reinigenden Wafer homogen verteilt und mittels der rohgesägten Siliciumscheiben
gereinigt. Die Anfangskonzentrationen dieser Spuren in den zu reinigenden Wafern waren identisch mit den in
einem Halbleiterprozeß typisch vorkommenden. Es wurden für die einzelnen Elemente folgende Abreicherungsfaktoren
(Minderung der Kontamination) erreicht: Kupfer = 29, Gold = 19, Eisen = 7,5. Bei dieser Versuchsreihe
wurde jeweils ein einziges dotiertes Halbleiterplättchen (Wafer) mit 18 undotierten Siliciumscheiben
gereinigt.
Bei einem anderen Experiment wurde eine Arsen-Kapsel-Diffusion bei HOO0C durchgeführt, wobei
gleichzeitig ein mit Gold- und Kupfer-Isotop vordotiertes Halbleiterplättchen gereinigt wurde. Um die Prozeßbedingungen
so getreu wie möglich zu halten, war die eine Seite dieses Halbleiterplättchcns mit S1O2 bedeckt.
Es wurden Abreicherungsfaktoren von Cu = 11,2 und Au = 22erreicht. Von den 18 rohgesägten
Siliciumscheibcn wurden im wesentlichen nur zwei Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zum Vermindern des Gehalts an bei der Herstellung von Silicium-Halbleiterbauelementen
in das dotierte Halbleiterplättchen gelangtem Schwermetall durch Erhitzen zusammen mit rohen
Siliciumscheiben hoher Reinheit in einem Quarzrohr, dadurch gekennzeichnet, daß ein (5)
oder mehrere (5, 7, 9) Halbleiterplättchen in der Längsachse (a-a) des Quarzrohrs (1) schichtweise
mit Abstand (b) je zwischen zwei Siliciumscheiben (4, 6, 8, 10) gestellt und in dem verschlossenen
Quarzrohr(1) bei etwa 11000C in einer Inertgas-Atmosphäre
von etwa 5 - 10~6 mm Hg Druck während mindestens 10 bis 60 Minuten gehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand φ zwischen einem Halbleiterplättchen
(7) und einer Siliciumscheibe (6) etwa 3 bis 8 mm beträgt
3. Verfahisn nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke der Siüdumscheiben (4,6,8,10) etwa 0,4 mm beträgt
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumscheiben (4,
6,8,10) einen Durchmesser von etwa 50 bis 60 mm
haben.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Argon eingesetzt
wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß das Quarzrohr (1) einen
Innendurchmesser von ca. 80 mm und eine Länge von ca. 700 mm besitzt
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