DE3439018A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterelementen - Google Patents
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Description
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitern, wobei ein Wafer verwendet wird, das man aus
einem in Scheiben geschnittenen Siliziumeinkristall, der nach der Czochralski-Methode gezogen wurde, erhält. Im speziellen
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, bei der eine bloßgelegte
Zone (denuded zone) frei von metallischen oder ähnlichen Verunreinigungen und Kristalldefekten auf der Oberflächenschicht
des Wafers gebildet wird,woraufhin auf der bloßgelegten
Zone (denuded zone) ein Halbleiterelement gebildet wird.
Ein herkömmliches Verfahren zur Ausbildung einer bloßgelegten Zone (denuded zone) auf der Oberflächenschicht eines Silizium-
Wafers weist ein Aufheizverfahren auf, das sich eine Sauerstoff
ausfällung in 1 bis 3 Schritten zunutze macht. Ein solches
Aufheizverfahren wird z.B. in "Intrinsic Gettering by Oxide Precipitate Induced Dislocations in Czochralski Si", by
T.Y. Tan, App. Phys. Letters, vol. 30, No. 4, 1977, P. 175 P.
176, "A Study on Intrinsic Gettering in CZ Silicon Crystals: Evaluation, Thermal History Dependence, and Enhancement",
by H. Tsuya et al., J. Electrochem. Soc., vol. 129, No. 2, 1982, P. 374 - P. 379; Japanische Patentschrift Nr. 52329/
1983; Japanische Patentschrift Nr. 3375/1983; und Japanische
Offenlegungsschrift Nr. 128037/1982 behandelt.
-A-
Im folgenden wird der Prozeß der Bildung einer bloßgelegten Zone (denuded zone) anhand eines Beispieles der herkömmlichen
Methode, die zwei Schritte beinhaltet, erläutert.
Im ersten Schritt wird das Wafer bei verhältnismäßig geringer Temperatur von 600-80O0C in einer N2~Gasatmosphäre (im allgemeinen wird
N„ als reaktionsträges Gas verwendet) für eine lange Zeitdauer
von 8 bis 45 Stunden getempert, wodurch überschüssige Zwischengitter-Sauerstoffelemente
Oi sich in dem gesa .ten Wafer abscheiden. Dann wird der Wafer in einem zweiten Schritt bei
einer Temperatur von 10000C in einer N? oder 0?-Gasatmosphäre
getempert. In dem zweiten Schritt wird der Sauerstoff Oi aus dem Wafer herausdifundiert, wodurch Fehlstellen verschwinden,
so daß eine bloßgelegte Zone (denuded zone) gebildet wird, während Kristalldefekte hoher Dichte in das Innere der
bloßgelegten Zone (denuded zone) eingelagert werden.
Die bloßgelegte Zone (denuded zone), die auf diese Weise gebildet wurde, wird zur Herstellung eines Halbleiterelementes
hoher Qualität verwendet. Die Kristalldefekte hoher Dichte auf der inneren Schicht dienen ebenfalls als "Getter" für
metallische Verunreinigung, so daß die Funktion des Halbleiters nicht gemindert wird. Je näher die inneren Kristalldefekte
der Oberfläche sind (um so geringer ist die Dicke der bloßgelegten Zone (denudes zone)), um so effektiver ist der
"Getter-Effekt". Werden die inneren Kristalldefekte jedoch zu
nahe der Oberfläche gebildet, so wird die Wahrscheinlichkeit
erhöht, daß diese Defekte auch in dem Element eingeschlossen sind, wodurch das Element im Gegensatz dazu in ungünstiger
Weise beeinflußt wird. Folglich ist es wichtig, die Dicke der bloßgelegten Zone (denuded zone) und die Dichte der inneren
Kristalldefekte, die als "Getter" dienen, zu steuern.
In Übereinstimmung mit der herkömmlichen Methode der Bildung einer bloßgelegten Zone (denuded zone) wird die Dicke der
bloßgelegten Zone (denuded zone) und die Dichte der inneren Kristalldefekte jedoch von der Ausgangskonzentration des Sauerstoffes,
der Existenz von Defekten und ähnlichem in einem Silizium -Wafer beeinflußt. Im speziellen wird sich sogar im
Falle gleicher Sauerstoffkonzentration eine unterschiedliche bloßgelegte 1 jne ausbilden und in Abhängigkeit von dem jeweiligen
Fall wird auch keine bloßgelegte Zone (denuded zone) gebildet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen bereitzustellen, das durch den Schritt
der Bildung einer bloßgelegten Zonenschicht mit einer gewünschten Steuerung der Dicke auf den Silizium - Wafer gekennzeichnet
ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen gelöst, bei dem ein Wafer, das man aus
einem in Scheiben geschnittenen Siliziumeinkristall erhält, der mit der Czochralski-Methode gezogen wurde, in einem Temperaturbereich
von 60O0C bis 8000C in einer Atmosphäre, die ein
reaktionsträges Gas oder eine geringe Menge Sauerstoff enthält, für ungefähr 2 bis 6 Stunden getempert, damit Sauerstoff auf
dem gesamten Wafer abgeschieden wird, woraufhin das Wafer in einem Temperaturbereich von 10000C bis HOO0C in einer Was-
serdampfatmosphäre die Chlor enthält, für mehr als 1 Stunde
getempert wird, so daß sich ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Wafers bildet, wodurch sich eine bloßgelegte Zone (denuded
zone) unter dem Oxidfilm bildet, während Kristalldefekte, die als "Getter" für Verunreinigungen wie Metall dienen, sich in
der inneren Schicht bilden.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine bloßgelegte
Zone (denuded zone) von gesteuerter Dicke gebildet werden, ohne daß diese von der Ausgangsdicke der Kristalldefekte
und der Sauerstoffkonzentration des Wafers beeinflußt
wird.
Weiter·.; Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, das ein Beispiel des Aufheizverfahrens
gemäß des Herstellungsverfahrens der Erfindung darstellt;
Fig. 2A und 2B
schematische Ansichten eines Ausschnittes des Silizium-
Wafers bei den hauptsächlichen Stufen der Herstellung bei einer Ausführungsform des Verfahrens zur
Herstellung von Halbleiterelementen gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Fehlstellendichte
D und der Temperatur T des Tempervorganges bei dem ersten Schritt der relativ niedrigen Temperatur
darstellt;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Schichtungsfehlerdichte
Dp und der Temperatur T des Tempervorganges
bei dem zweiten Schritt der relativ hohen Temperatur darstellt;
Fig. 5 ein Diagramm, das den Wechsel des Zustandes des
Wafers darstellt, mit den Parametern für die HC/. Konzentration D„ und die Oxidationstemperatur T;
Fig. 6 eine schematische Teilansicht des Silizium — Wafers einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines Ha]bleiterelementes;
Fig. 7 ein Diagramm, das die Wirkung, bei Anwendung der Erfindung
auf einen Bildsensor, hoher Integrationsdichte beschreibt;
und
Fig. 8 ein Diagramm, das die Wirkung, bei Anwendung der Erfindung
auf einen dynamischen Speicher hoher Integrationsdichte, beschreibt.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufheizvorgang
entsprechend der Ausführungsform der Erfindung darstellt. Bezogen auf die Figur gibt die Ordinate die Temperatur des
Aufheizvorganges in Grad Celsius an und die Abszisse die Vorgangszeit.
Bei dem ersten Schritt I des Aufheizvorganges wird ein Wafer , das die Kristalldefekte des Ziehvorganges enthält, bei einer
verhältnismäßig niedrigen Temperatur von 7000C in der Atmosphäre
eines reaktionsträgen Gases wie N_ für mehr als 2 Stunden
und vorzugsweise für ungefähr 4 Stunden getempert. Fig. 2A
ist eine schematische Teilansicht, die die interne Struktur des Wafers nach dem oben beschriebenen ersten Schritt zeigt.
Wie dargestellt, werden Oi-Fällprodukte 2 in dem gesamten
Wafer 1 aufgrund des Verfahrens nach Schritt I erzeugt.
Dann wird in einem zweiten Schritt II das Wafer in einem Zustand, wie in Fig. 2A gezeigt, einem Oxidationsprozeß (HC/-Naßoxidation)
bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur von ca. 105O0C und einer feuchten Atmosphäre, die HCi enthält, unterworfen.
Fig. 2B ist eine schematische Teilansicht, die das Innere des Wafers nach dem oben beschriebenen Schritt II
zeigt. Wie dargestellt, wird ein Oxidfilm 3 auf der Oberfläche des Wafers 1 gebildet, während eine bloßgelegte Zonenschicht
4 (denuded zone) sich unter dem Oxidfilm 3 bildet. Andererseits werden Schichtungsfehler 5a bis 5d und Verlagerungen
6 durch die Oxidation gebildet, mit den Oi-Fällprodukten
als Kern, in einer Schicht die weiter innen liegt als die oben beschriebene bloßgelegte Zonenschicht (denuded zone).
Der dritte Schritt III ist lediglich ein optionaler Schritt der anschließend im Detail beschrieben wird und der in dem
Fall angewendet wird, wo eine weitere Erhöhung der Dicke der bloßgelegten Zonenschicht (denuded zone) ohne Erhöhung der
Dicke des Oxidfilmes des Wafers , wie in Fig. 2B gezeigt, notwendig ist.
Fig. 3 stellt ein Diagramm dar, das die Beziehung zwischen der Temperatur T (Grad Celsius) des Tempervorganges der vergleichsweise
niedrigen Temperatur und d- r Fehlstellendichte
D- in der vorgeschriebenen Temj.· :>rzei t z· igt. In der Figur wird
durch eine gestrichelte Kurve P die Dichte der Schichtungs-
fehler gezeigt, und wie zu erkennen ist,wird ein hoher Wert
im Temperaturbereich von 6OO°C bis 8000C erreicht. Eine durchgezogene
Kurve Pp zeigt die Verlagerungsdichte und wie zu erkennen
ist, werden im Temperaturbereich von 6000C bis 9000C
viele Verlagerungen erzeugt. Deshalb werden z.B. im ersten Schritt I des Verfahrens bei einer vergleichsweise niedrigen
Temperatur Schichtungsfehler und Verlagerungen sicher bei z.B. 7000C eingeleitet. In Schritt I wird Np-Gas verwendet, obgleich
He-Gas oder Ar-Gas oder N?-Gas mit einer geringen Menge
Op-Gas ebenfalls verwendet werden könnte.
Fig. 4 stellt ein Diagramm dar, das die Beziehung zwischen der Temperatur T des Oxidationsheizverfahrens bei einer vergleichsweise
hohen Temperatur und der Fehlstellendichte D„ in der vorbestimmten Verfahrenszeit zeigt. In der Figur zeigt
die durchgezogene Kurve S1 ein Ergebnis des Verfahrens in
einer trockenen Oxidationsatmosphäre, während die unterbrochene Kurve S2 das Ergebnis in der Naßoxidationsatmosphäre
zeigt. Wie zu erkennen ist, wurden Schichtungsfehler, wie in 5a bis 5d in Fig. 2B markiert, häufiger in der nassen Atmosphäre
als in der trockenen Atmosphäre erzeugt, und die Fehlstellendichte zeigt ein Maximum zwischen 10000C und HOO0C. Der
Grund dafür ist, daß die Schichtungsfehler bei einer zu hohen Temperatur zurückgehen, um dann ganz zu verschwinden, wobei
diese Tendenz bei einer trockenen Atmosphäre stärker ausgeprägt ist. Folglich muß, damit die Fehlstellen, die als "Getter"
dienen, vollständig eingefügt werden, und um die in dieser Ausführungsform diskutierte bloßgelegte Zonenschicht (denuded
zone) zu erhalten, eine nasse Oxidationsatmosphäre von 11500C
in Schritt II verwendet werden.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die den Wechsel im
Zustand des Wafers mit der HC/-Konzentration D„ (Prozent)
und der Oxidationstemperatur (Grad Celsius) als Parameter zeigt. Die durchgezogenen Kurven 7d und 8d sind auf das Verfahren
in einer trockenen Oxidationsatmosphäre bezogen, und die unterbrochenen Kurven 7w und 8w entsprechen der nassen
Atmosphäre. In der trockenen Oxidationsatmosphäre wird in dem Bereich rechts von oder oberhalb der durchgezogenen Kurve 8d
die Wirkung von HCJL übermäßig stark, wobei dadurch Ungleichmäßigkeiten auf der Oberfläche des Wafers entstehen. Andererseits
treten im Bereich um die Kurve 7d und die horizontale und vertikale Achse auf der Oberfläche des Wafers keine
Ungleichmäßigkeiten auf, obgleich keine "Getterwirkung" aufgrund
ungenügender innerer Fehlstellen erreicht wird. Wird das Wafer im Bereich zwischen den Kurven 7d und 8d bearbeitet,
so entstehen keine Ungleichmäßigkeiten auf der Oberfläche und es ist eine "Getterwirkung" vorhanden. Das gleiche
gilt für die HC/-Naßoxidation, die durch die unterbrochene Kurve dargestellt wird, wobei nur im Bereich, der durch die
Kurven 7d und 8d definiert ist, die "Getterwirkung" sich zeigt, ohne daß Ungleichmäßigkeiten auf der Oberfläche des Wafers
entstehen. Der Bereich bevorzugter Bedingungen in dem oben beschriebenen Naßoxidationsaufheizverfahren liegt in einem
Temperaturbereich der kleiner ist oder in dem die HC£-Konzentration
geringer als im Fall der trockenen Atmosphäre ist. Speziell im Temperaturbereich von 10000C bis HOO0C, in dem
Schichtungsfehler in dem Wafer in geeigneter Weise erzeugt werden, ergibt sich eine "Getterwirkung", ohne daß dabei Ungleichmäßigkeiten
auf der Oberfläche des Wafers entstehen, durch Naßo>idation mit einer HC£-Konzentration von 1 % bis
60 %.
Die Dicke der bloßgelegten Zonenschicht (denuded zone) wird
vergrößert, wenn die HC/-Naßoxidationszeit länger und der Oxidfilm
dicker ist; um jedoch eine wirksame Getterwirkung zu erhalten, existiert eine optimale Dicke. Um auf der bloßgelegten
Zonenschicht (denuded zone) solche Elemente wie CMOS, Farbbildsensoren, bipolare Transistoren (die Tempern bei hoher
Temperatur für die Herstellung notwendig machen) zu bilden, wird die bloßgelegte Zonenschicht (denuded zone) durch Tempern
bei hoher Temperatur vergrößert und der Oxidfilm 3, der in Schicht II gebildet wird, sollte dicker als ungefähr Ο,5μηι
sein (mehr als ungefähr eine Stunde bei 10500C). Sollen jedoch
Elemente wie NMOS gebildet werden, die kein Tempern bei hoher Temperatur in der bloßgelegten Zonenschicht (denuded
zone) notwendig machen, so wird in Schritt II der Oxidfilm 3 von ungefähr 1 μπι gebildet, so daß eine bloßgelegte Zonenschicht
(denuded zone) größerer Dicke eingeführt werden sollte.
Ein Mechanismus zur beschleunigten Bildung der bloßgelegten
Zonenschicht (denuded zone) in der WCJi- Oxidati on wird im folgenden
erklärt. Im speziellen zieht HC/ überschüssigen Sauerstoff Oi von der Oberfläche des Wafers mit, dadurch wird
die Entstehung von Verlagerungen und Schichtungsfehlern verhindert, und zusätzlich wird ein Schrumpfen und Verschwinden
der Schichtungsfehler hervorgerufen. Folglich sind, je näher die Schichtungsfehler im Wafer der Oberfläche sind (5a, 5b
in Fig. 2B), solche um so kleiner im Zentrum (5c, 5d in Fig. 2B) .
Fig. 6 ist eine schematische Teilansicht, die die interne Struktur des Silizium - Wafers entsprechend einer anderen
Ausführungsform der Erfindung zeigt. In der zu besprechenden
Ausführungsform wird, nachdem ein Wafer einer Struktur wie in Fig. 2B gezeigt in Übereinstimmung mit den Schritten I und
II in Fig. 1 erreicht wurde, dann ein Verfahren nach einem optionalen Schritt III angewendet, um die Dicke der bloßgelegten
Zonenschicht (denuded zone) zu vergrößern, ohne die Dicke des Oxidfilmes 3 zu vergrößern. Bei dem zusätzlichen
Schritt wird eine geringere Dicke des Oxidfilme. gewünscht, um den Oxidfilm 3 in dem folgenden Prozeß der Elementausbildung
nutzen zu können, wobei der Schritt für den Fall vorteilhaft ist, bei dem eine große Dicke der bloßgelegten Zonenschicht
(denuded zone) erreicht werden soll. In dem oben beschriebenen zusätzlichen Schritt III wird das Wafer bei einer
hohen Temperatur von«L250°C in einer Atmosphäre von reaktionsträgem
Gas wie N?-Gas für mehr als ungefähr vier Stunden getempert.
Als Ergebnis difundiert der Sauerstoff Oi aus der Oberfläche des Wafers 1 aus und, wie in Fig. 6 gezeigt, kann
die Dicke der bloßgelegten Zonenschicht (denuded zone) weiter vergrößert werden ohne die Dicke des Oxidfilmes 3 zu vergrößern.
In einem solchen Fall wachsen die Schichtungsfehler an, und es werden mehr Verlagerungen erzeugt.
Fig. 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Vergleiches der Verbesserung in der Charakteristik und der Ausbeute eines
Bildsensors hoher Integrationsdichte zeigt, der unter Anwendung des HCj£-Naßoxidationsprozesses entsprechend der Erfindung
hergestellt wurde, im Vergleich mit einem herkömmlichen ohne innere "Getterwirkung". Der Kreis über der Position X0
auf der horizontalen Achse stellt dies für herkömmliche hohe Integrationsdichten dar, und der Kreis über der Position X-entspricht
hoher Integrationsdichte entsprechend der Erfindung. Die linke Ordinate Y1 zeigt ein "Übergangsleck" (junction
leak) (PA) und die rechte Ordinate gibt die Ausbeute, die man mit der Erfindung erhält, wieder, wobei das Kriterium für die
herkömmliche Art 100 % ist. Das "Übergangsleck" wird durch
einen ausgefüllten Kreis wiedergegeben, während die Ausbeute durch einen unausgefüllten Kreis dargestellt wird. Das "Übergangsleck"
des Bildsensors hoher Integrationsdichte entsprechend der Erfindung wird verringert, wie aus der unterbrochenen
Linie mit dem Pfeilsymbol R- zu erkennen ist, verglichen
mit dem herkömmlichen, wobei die Ausbeute des Wafertests 5
verbessert wurde, wie aus der durchgezogenen Linie mit Pfeilsymbol Rp zu erkennen ist. Ein letzter Test nach der Fertigstellung
des Bildsensors hoher Integrationsdichte weist eine starke Verbesserung auf, was mit der durchgezogenen Linie mit
Pfeilsymbol R„ gezeigt wird.
Fig. 8 stellt ein Diagramm ähnlich dem von Fig. 7 dar, wobei
dieses ein Beispiel eines Vergleiches der Verbesserung in der Charakteristik und der Ausbeute eines dynamischen Speichers
hoher Integrationsdichte zeigt, der e tsprechend der Erfindung hergestellt wurde, verglichen mit einem herkömmlichen.
Entsprechend der Erfindung wird das "Übergangsleck" verringert, wie anhand der unterbrochenen Linie mit Pfeilsymbol R.
gezeigt wird, und die Ausbeute nach dem Test, bezogen auf die "Refresh-Zeit", wird, wie in der durchgezogenen Linie mit
Pfeilsymbol R5 dargestellt, verbessert und die Ausbeute nach
dem Wafertest wird, wie in der durchgezogenen Linie mit Pfeilsymbol R_ dargestellt, verbessert.
- Leerseite -
Claims (5)
- PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 9OFO 50-3155 P/Ka/huMitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / JapanVerfahren zur Herstellung von HalbleiterelementenPATENTANSPRÜCHEι j. . .'Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, bei "äTem ein Wafer durch In-Scheiben-Schneiden eines mittels der Czochralski-Methode gezogenen Siliziumeinkristalls gewonnen wurde, wobei das Wafer eine Anzahl von Kristallfehlstellen und Sauerstoff aufweist,gekennzeichnet durch eine erste Wärmebehandlung, die den Schritt zum Tempern des Wafers für mehr als zwei Stunden in einer Atmosphäre eines reaktionsträgen Gases oder eines reaktionsträgen Gases mit einer kleinen Menge Sauerstoff einschließt, wodurch Sauerstoff in das Wafer abgeschieden wird, undeine zweite Wärmebehandlung nach der ersten Wärmebehandlung, die eine Oxidation des Wafers für mehr als eine Stunde in einei Temperaturbereich von 10000C bis HOO0C in einer Atmosphäre von Wasserdampf der Chlorgas enthält, das Bilden eines Oxid-PATENTANWALT DIPL PHYS LUTZH PRÜFER D 8000 MÜNCHEN ΘΟ HARTHAUSER STR 2Sd TEL. (0 89) 640films auf der Oberfläche des Wafers und das Bilden einer bloßgelegten Zone unter dem Oxidfilm, während Kristallfehlstellen, die als innere Getter dienen, in die Schicht eingeführt werden, einschließt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1,gekennzeichnet durch eine dritte Wärmebehandlung nach der ersten und zweiten Wärmebehandlung, mit Tempern des Wafers in einem Temperaturbereich von 115O0C bis 12500C in einer Atmosphäre reaktionsträgen Gases für mehr als fünf Stunden, wodurch die Dicke der bloßgelegten Zone vergrößert wird, ohne daß dabei die Dicke des Oxidfilms auf dem Wafer vergrößert wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß das umgebende Gas für die erste Wärmebehandlung aus einer Gruppe, bestehend aus N2, He, Ar und solchen, die eine geringe Menge Sauerstoff enthalten, ausgewählt wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das Chlorgas in der Atmosphäre für die zweite Wärmebehandlung in Form von HCt bereitgestellt wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß das umgebende Gas für die dritte Wärmebehandlung aus einer Gruppe, bestehend aus N2, He und Ar, ausgewählt wird.
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