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ERFINDUNGSHINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Halbleitermaterialsubstraten,
insbesondere Siliziumwafern, die bei der Herstellung von elektronischen
Bauteilen verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung einen Wärmebehandlungsprozess
zur Auflösung
von agglomerierten B-Typ Siliziumselbsteinlagerungsdefekten in einkristallinem
Silizium.
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Einkristallines
Silizium, welches das Ausgangsmaterial für die meisten Prozesse bei
der Herstellung von elektronischen Halbleiterbauteilen ist, wird üblicherweise
nach dem sogenannten Czochralski-Verfahren ("Cz")
hergestellt. Bei diesem Verfahren wird polykristallines Silizium
("Polysilizium") in einen Tiegel
eingefüllt und
geschmolzen, ein Impfkristall wird mit dem geschmolzenen Silizium
in Kontakt gebracht und anschließend wird ein Einkristall durch
langsame Extraktion gezüchtet.
Nachdem die Ausbildung eines Halses abgeschlossen ist, wird der
Durchmesser des Kristalls durch Verringern der Ziehgeschwindigkeit
und/oder der Schmelzentemperatur vergrößert, bis der erwünschte Ziehdurchmesser
erreicht ist. Der zylindrische Hauptkörper des Kristalls, der einen
ungefähr
konstanten Durchmesser aufweist, wird dann durch Steuern der Ziehgeschwindigkeit
und der Schmelzentemperatur gezüchtet,
während
das Absinken des Schmelzenniveaus kompensiert wird. Am Ende des Züchtungsverfahrens,
jedoch bevor der Tiegel mit geschmolzenem Silizium geleert ist, muss
der Kristalldurchmesser schrittweise verringert werden, um einen
Endkonus auszubilden. Typischerweise wird der Endkonus durch Erhöhen der
Kristallziehgeschwindigkeit und der dem Tiegel zugeführten Wärme gebildet.
Sobald der Durchmesser klein genug ist, wird der Kristall anschließend von
der Schmelze getrennt.
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In
den vergangenen Jahren wurde erkannt, dass eine Reihe von Defekten
in einkristallinem Silizium sich in der Kristallzüchtungskammer
bilden, wenn der Kristall nach seiner Verfestigung abkühlt. Solche
Defekte entstehen teilweise aufgrund der Anwesenheit eines Überschusses
(d.h. einer Konzentration oberhalb des Löslichkeitslimits) von intrinsischen
Punktdefekten, die als Siliziumgitterlücken und Siliziumselbsteinlagerungsstellen
bekannt sind. Es ist klar, dass die An und die anfängliche
Konzentration dieser Punktdefekte im Silizium, die zum Zeitpunkt
der Verfestigung fixiert werden, durch die Bedingungen, unter welchen
der einkristalline Siliziumrohling gezüchtet wird, gesteuert werden
kann. (Siehe z.B. WO98/45510 und WO98/45508.) Wenn die Konzentration
von derartigen Punktdefekten ein Niveau der kritischen Übersättigung
innerhalb des einkristallinen Siliziums erreicht, und wenn die Mobilität der Punktdefekte
ausreichend hoch ist, wird wahrscheinlich eine Reaktion oder ein
Agglomerierungsvorfall auftreten.
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Defekte
des Gitterlückentyps
sind dafür
bekannt der Ursprung von beobachtbaren Kristalldefekten wie D-Defekten,
Flow-Pattern-Defekten ((FPDs), Gateoxidintegritätsdefekte (GOI), Crystal Originated
Particle (COP)-Defekte, Crystal Originated Light Point-Defekte (LPDs),
wie auch von bestimmten Klassen von Bulk-Defekten zu sein, die mittels
Infrarotlichtstreuungstechniken wie etwa Rasterinfrarotmikroskopien
und Laserrastertomographie beobachtet werden. In Bereichen überschüssiger Gitterlücken sind
auch Defekte vorhanden, die als Keime für ringoxidationsinduzierte
Packungsfehler (OISF) wirken. Es wird spekuliert, dass dieser besondere
Defekt ein hochtemperaturnukleiertes Sauerstoffagglomerat ist, katalysiert
durch die Gegenwart von überschüssigen Gitterlücken.
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Defekte
in Bezug auf Selbsteinlagerungsstellen sind weniger gut studiert,
jedoch wurden zwei Arten von Selbsteinlagerungsdefekten beobachtet,
die im allgemeinen als A-Defekte und B-Defekte bezeichnet werden (oder A- und
B-"Strudel" oder "Cluster"). A-Defekte sind
größer und
werden durch die im Stand der Technik bekannten Mittel leichter
detektiert im Vergleich zu B-Defekten. A-Defekte werden im allgemeinen
als geringe Dichten von einlagerungsartigen Dislokationsschleifen
oder -Netzwerken angesehen. Über
B-Defekte ist wenig bekannt, in erster Linie da sie eine kleinere
Größe aufweisen
und auch weil bis vor kurzem keine Verfahren zur einfachen und verlässlichen
Bestimmung derartiger Defekte vorhanden waren. Es wird jedoch angenommen,
dass zumindest einige der B-Defekte keine Dislokationsschleifen
sind, sondern eher lose gepackte dreidimensionale Agglomerate von
Siliziumselbsteinlagerungsstellen und Verunreinigungsatomen irgendwelcher An
(Siehe z.B. F. Shimura, Semiconductor Silicon Crystal Technology,
Academic Press, Inc., San Deigo California (1989), Seiten 282–284 und
den dort zitierten Quellen).
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Die
Internationale Patentanmeldung WO98/45508 betrifft die Herstellung
von Halbleitergradeinkristallsilizium mit einem axialen symmetrischen
Bereich von leerstellendominierten Material, welches frei von agglomerierten
intrinsischen Punktdefekten ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
In diesem Dokument werden Hochtemperaturwärmebehandlungen von Siliziumwafern
diskutiert.
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Wijaranakula
et al. "Effect of
high-temperature annealing on the dissolution of the D-defects in
n-type Czochralski silicon",
Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York,
Band 64, Nr. 8, 21. Februar 1994, Seiten 1030 bis 1032, berichtet
eine Studie der D-Defektauflösung in
Czochralski-Silizium des n-Typs unter verschiedenen Temperungsbedingungen.
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Puzanov
et al. "Modelling
microdefect distribution in dislocation-free Si crystals grown from
the melt", Journal
of Crystal Growth 178 (1997) 468 bis 478, berichtet von den Ergebnissen
eines Computermodellings der Verteilung von Mikrodefekten beim Czochralski-Kristallwachstum
von Silizium.
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De
Kock "The Elimination
of Vacancy-Cluster Formation in Dislocation-Free Silicon Crystals", Journal of the
Eletrochemical Society, Band 118, Nr. 11, November 1997, Seiten
1851 bis 1856, berichtet über
eine Studie über
den Einfluss von Kristallzüchtungsbedingungen
auf die Ausbildung von Gitterlückenclustern
und Verfahren zur Verhinderung derartiger Gitterlückenclusterbildung
während
des Wachstums.
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Obwohl
man nicht annimmt, dass A- und B-Defekte für Gateoxidintegritätsfehlstellen
verantwortlich sind, ein wichtiges Performancekriterium für Wafer,
sind A-Defekte zumindest weithin anerkannt als die Ursache anderer
Arten von üblicherweise
mit Leckstromproblemen verbundenen Vorrichtungsausfällen. Wenig
ist bekannt über
die mit B-Defekten verbundenen Probleme. Mit fortschreitender Verbesserung
der Vorrichtungstechnologie, welche die Herstellung von immer kleiner
werdenden integrierten Schaltkreisen ermöglicht, werden diese kleineren
interstitiellen Defekte natürlicherweise
immer mehr Beachtung finden. Dementsprechend besteht ein Bedarf
für Mittel,
mit denen Siliziumwafer hergestellt werden können, die sowohl frei sind
von A-Typ- als auch von B-Typ-agglomerierten interstitiellen Defekten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Unter
den verschiedenen Aufgaben und Merkmalen der vorliegenden Erfindung
sind anzumerken die Bereitstellung eines Verfahrens zur Auflösung von
B-Defekten in Einkristallsilizium; die Bereitstellung eines Verfahrens
zur Erzeugung eines einkristallinen Siliziumwafers, der im Wesentlichen
frei von B-Defekten ist; die Bereitstellung eines Verfahrens, wobei
ein Siliziumwafer, der im Wesentlichen frei von A-Defekten ist,
im Wesentlichen von B-Defekten freigemacht wird; die Bereitstellung
eines einkristallinen Siliziumwafers, im Wesentlichen frei von A-
und B-Defekten; und die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung
eines ideal präzipitierenden
einkristallinen Siliziumwafers, der im Wesentlichen frei von B-Defekten
ist.
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Kurz
zusammengefasst ist daher die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren
zur Wärmebehandlung eines
Siliziumwafers gerichtet, um darin vorliegende B-Defekte aufzulösen. Das
Verfahren umfasst das Unterziehen des Wafers an eine B-Defektauflösungswärmebehandlung,
wobei die Wafertemperatur durch einen Bereich von Temperaturen erhöht wird,
bei dem B-Defekte wachsen können
und stabilisiert werden, mit einer Heizgeschwindigkeit die ausreichend
ist, um die Stabilisierung der B-Defekte auf eine Wärmebehandlungstemperatur
von mindestens etwa 1000°C
zu verhindern, und Halten des Wafers bei der Wärmebehandlungstemperatur für einen
Zeitraum, ausreichend um die B-Defekte aufzulösen.
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Die
vorliegende Erfindung ist ferner gerichtet auf ein Verfahren zur
Wärmebehandlung
eines Einkristallsiliziumwafers zur Auflösung von B-Defekten und um
das Präzipitierungsverhalten
von Sauerstoff in dem Wafer in einem nachfolgenden thermischen Verarbeitungsschritt
zu beeinflussen. Das Verfahren umfasst, dass man den Wafer einer
B-Defektauflösungswärmebehandlung
unterzieht, wobei die Wafertemperatur durch einen Bereich von Temperaturen
erhöht
wird, in dem B-Defekte wachsen können
und stabilisiert werden, mit einer Heizgeschwindigkeit die ausreicht,
um die Stabilisierung von B-Defekten bis zu einer Wärmebehandlungstemperatur
um mindestens etwa 1000°C
zu verhindern. Anschließend
wird der Wafer bei der Wärmebehandlungstemperatur
für einen
Zeitraum gehalten der ausreicht um die B-Defekte aufzulösen, und
die Abkühlgeschwindigkeit
des wärmebehandelten
Wafers wird so gesteuert, dass die Bildung eines Gitterlückenkonzentrationsprofils
in dem Wafer bewirkt wird, bei welchem die Peakdichte bei oder nahe
der zentralen Ebene liegt und die Konzentration im Allgemeinen in
Richtung der Frontoberfläche
des Wafers abnimmt und der Unterschied in der Konzentration an Gitterlücken in
der Frontoberfläche
und den tieferen Schichten so ist, dass eine thermische Behandlung
bei einer Temperatur oberhalb von 750°C die Ausbildung einer denudierten
Zone in dem Wafer in der Frontoberflächenschicht ermöglicht,
sowie von Sauerstoffclustern oder Präzipitaten in der tieferen Hauptmassenschicht,
wobei die Konzentration der Sauerstoffcluster oder Präzipitate
in der Hauptmassenschicht in erster Linie von der Konzentration
der Gitterlücken
abhängt.
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Andere
Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden teilweise offensichtlich
sein und teilweise im Folgenden näher ausgeführt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die 1a und 1b sind
Bilder eines Teils eines Einkristallsiliziumwafers nach einer Kupferdekorierung
und einer Defekt-abgrenzenden Ätzung
wie detailliert weiter unten beschrieben, und vergleicht einen Teil
des Wafers mit B-Defekten bevor dieser einer Wärmebehandlung der vorliegenden
Erfindung ausgesetzt wird (1a) mit
einem Teil des Wafers nachdem dieser eine Wärmebehandlung der vorliegenden
Erfindung ausgesetzt wurde (1b), wie
in Beispiel 1 diskutiert.
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Die 2(a) bis 2(l) sind
Bilder eines Teils eines Einkristallsiliziumwafers, die verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen
wie in Beispiel 1 beschrieben unterzogen wurden und nachfolgend
einer Kupferdekorierung und einer Defekt-abgrenzenden Ätzung, wie
weiter unten detailliert beschrieben, ausgesetzt wurden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass agglomerierte Siliziumselbsteinlagerungs-intrinsische
Punktdefekte des B-Typs (im Folgenden B-Defekte) in einkristallinem
Silizium aufgelöst
oder ausgelöscht
werden können
durch Wärmebehandlung
des diese enthaltenden Siliziums. Ohne auf eine bestimmte Theorie
festgelegt werden zu wollen wird im Allgemeinen angenommen, dass
agglomerierte Siliziumselbsteinlagerungs-intrinsische Punktdefekte
des A-Typs (im Folgenden A-Defekte) gebildet werden sobald Agglomerierungen
von interstitiellen Defekten kollabieren um Dislokationsschleifen
oder Packungsfehler zu bilden. Im Gegensatz dazu sind B-Defekte
von kleinerer Größe im Vergleich
zu A-Defekten und werden im Allgemeinen angesehen als Agglomerierungen,
die entweder nicht groß genug
gewachsen sind, oder die eine ausreichende Aktivierungsenergie nicht
erreicht haben, so dass Dislokationsschleifen oder Packungsfehler
nicht gebildet werden. Im Ergebnis können B-Defekte durch Erwärmen des
Siliziums aufgelöst
werden, und dies in wirksamer Weise, wobei bewirkt wird, dass diese
Defekte sich in unabhängige
Siliziumselbsteinlagerungsstellen trennen, und die resultierenden
Siliziumselbsteinlagerungsstellen schnell durch die Siliziumoberfläche diffundieren.
Die schnelle „Ausdiffusion" von Einlagerungsstellen
bewirkt eine Verringerung der gesamten Konzentration der Einlagerungsstellen,
so dass bei nachfolgendem Abkühlen
des Siliziums eine Reagglomerierung nicht auftritt, was das Silizium
in wirksamer Weise im Wesentlichen frei von B-Defekten macht.
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Das
Ausgangsmaterial für
das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann jedes Silizium sein
in dem B-Defekte vorliegen. Typischerweise ist das Ausgangsmaterial
ein einkristalliner Siliziumwafer mit einer zentralen Achse, einer
Frontseite und einer Rückseite,
die im Allgemeinen senkrecht zur zentralen Achse liegen, einer umlaufenden
Kante sowie einem Radius der sich von der zentralen Achse zur umlaufenden
Kante des Wafers erstreckt, der mindestens etwa 25, 50, 70, 100
oder 150 mm oder größer ist,
wobei der Wafer aus einem Einkristallrohling geschnitten wurde der
gemäß herkömmlichen
Czochralski-Kristallzüchtungsverfahren gezogen
wurde. Der Wafer kann ein polierter Siliziumwafer sein, oder ein
Siliziumwafer der geläppt
und geätzt, aber
nicht poliert wurde. Außerdem
kann der Wafer verschiedene axial symmetrische Bereiche aufweisen
in welchen Gitterlücken
oder Selbsteinlagerungspunktdefekte die vorherrschenden intrinsischen
Punktdefekte sind. Beispielsweise kann der Wafer Selbsteinlagerungsstellen-dominiert
sein vom Mittelpunkt zur Kante, oder er kann einen zentralen Kern
von Gitterlücken-dominiertem
Material aufweisen welcher von einem axial symmetrischen Ring von
Selbsteinlagerungsstellen-dominiertem Material umgeben ist. Vorzugsweise
ist das Ausgangsmaterial jedoch ein Einkristallsiliziumwafer der
vom Mittelpunkt zur Kante Selbsteinlagerungsstellen-dominiert ist
und der im Wesentlichen frei von A-Defekten ist (siehe z. B. WO98/45510
und WO98/45509).
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Einkristallsiliziumwafer einem Wärmebehandlungsschritt unterzogen
indem der Wafer auf eine Temperatur von mindestens etwa 1000°C für eine Zeit
ausreichend zum Auflösen
von B-Defekten erwärmt
wird, was den Wafer in wirksamer Weise im Wesentlichen frei von
derartigen Defekten macht. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass
die Erfahrung bis heute lehrt, dass B-Defekte nicht aufgelöst werden
können
wenn diese Defekte zuerst einer stabilisierenden thermischen Behandlung
unterzogen wurden. Anders gesagt, es wird im Allgemeinen davon ausgegangen,
dass sowohl B-Defekte durch Erwärmen
des Siliziums welches diese enthält
aufgelöst
werden können,
diese Defekte nicht aufgelöst
werden können
wenn sie vorher einer thermischen Behandlung unterzogen wurden worin
das Silizium einer relativ niedrigen Temperatur über einen ausgedehnten Zeitraum
ausgesetzt war. Beispielsweise lehrt die Erfahrung bis heute, dass
das Tempern des Siliziums bei einer Temperatur im Bereich von etwa
500°C bis
zu weniger als etwa 1000°C
für etwa
2 bis etwa 4 Stunden oder mehr die B-Defekte stabilisieren kann,
so dass sie nicht mehr aufgelöst
werden können.
Es sollte in dieser Hinsicht jedoch angemerkt werden, dass B-Defekte
stabilisiert werden können
wenn sie an Temperaturen von weniger als etwa 500°C ausgesetzt
werden. Dann würden
jedoch Einwirkungszeiten von mehr als etwa 4 Stunden erforderlich
sein. Es sollte ferner angemerkt werden, dass die Aussetzung an
Temperaturen im Bereich von etwa 900°C bis etwa 1000°C zum Wachstum
und zu einer möglichen
Transformation von B-Defekten zu A-Defekten führen kann, wobei an diesem
Punkt diese Defekte auch nicht mehr aufgelöst werden können.
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Angesichts
des vorgenannten werden B-Defekte gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgelöst
durch Sicherstellen, dass das Silizium, das diese enthält, auf
eine Temperatur erhitzt wird und dies für eine Zeit die ausreicht um
diese Defekte aufzulösen,
während
gleichzeitig sichergestellt wird, dass das Silizium vorher nicht an
Bedingungen ausgesetzt wurde welches zur Stabilisierung dieser Defekte
führen
würde.
Insbesondere wird gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung eine Siliziumprobe auf eine Temperatur
oberhalb von etwa 1000°C
erhitzt (d. h. eine Temperatur die ausreicht um B-Defekte aufzulösen), während sichergestellt
wird, dass die Geschwindigkeit mit der das Silizium diese Temperatur
erreicht nicht so ist, dass die B-Defekte effektiv gegen Auflösung in
dem Verfahren stabilisiert werden. Generell gesprochen wird das
Silizium auf eine Temperatur oberhalb von etwa 1000°C erhitzt,
vorzugsweise etwa 1100°C,
besonders bevorzugt etwa 1150°C
und insbesondere bevorzugt etwa 1200°C, sowie am meisten bevorzugt
etwa 1250°C.
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Die
Siliziumprobe wird bei der Zieltemperatur für einen ausreichenden Zeitraum
zum Auflösen
der vorhandenen B-Defekte gehalten. Generell wird in einer ersten
Ausführungsform
die Probe in einem schnellen thermischen Temperierer für einige
Sekunden (z. B. mindestens für
2, 3, 5 oder mehr) mehrere 10 Sekunden (z. B. 10, 20, 30, 40, 50
oder mehr) oder, abhängig
von den erwünschten
Eigenschaften des Wafers und der Zieltemperatur, für einen
Zeitraum bis zu etwa 60 Sekunden (was nahe der Grenze von kommerziell
erhältlichen
schnellen thermischen Tempergeräten
(rapid thermal annealer) ist). In dieser Hinsicht ist anzumerken, dass
längere
Zeiträume
für die
Wärmebehandlung
mit niedrigeren Temperaturen und vice versa korrespondieren.
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Dementsprechend
wird ein Wafer der auf eine Temperatur von 1000°C erhitzt wird beträchtlich
länger für die Auflösung der
B-Defekte benötigen
als ein Wafer der auf eine Temperatur von beispielsweise 1200°C erhitzt
wird.
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Die
Zeit und Temperaturkombination ausreichend zur B-Defektauflösung kann
empirisch bestimmt werden, beispielsweise durch Erhitzen einer Reihe
von Wafern bei einer gegebenen Temperatur für unterschiedliche Zeiträume und
anschließendes
analysieren der Wafer wie weiter unten beschrieben, um zu bestimmen
ob B-Defekte noch vorliegen.
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Die
Temperatur des Wafers wird typischerweise mit einer Geschwindigkeit
erhöht,
durch einen Bereich von Temperaturen bei dem Stabilisierung von
B-Defekten auftreten kann, die ausreichend ist um diese Stabilisierung
zu vermeiden; d. h. der Wafer wird typischerweise mit einer Geschwindigkeit
erhitzt, die sicherstellt, dass er nicht einer Temperatur von etwa
500°C bis
auf weniger als etwa 1000°C
für einen
Zeitraum ausgesetzt wird, der ausreicht um zu einer Stabilisierung
der B-Defekte zu führen.
Dementsprechend wird die Temperatur vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit
von mindestens etwa 5°C/Sekunde,
bevorzugt mindestens etwa 10°C/Sekunde,
besonders bevorzugt mindestens etwa 15°C/Sekunde, weiter bevorzugt
mindestens etwa 20°C/Sekunde,
und insbesondere bevorzugt mindestens etwa 25°C/Sekunde erhöht.
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Die
Wärmebehandlung
kann in beliebigen aus einer Reihe von kommerziell erhältlichen
schnellen thermischen Temperöfen
(„RTA") durchgeführt werden,
in welchen die Wafer individuell mittels Anordnungen von Hochleistungslampen
erhitzt werden. RTA-Öfen
sind in der Lage Siliziumwafer schnell aufzuheizen, z. B. sind sie
in der Lage einen Wafer von Raumtemperatur auf 1200°C innerhalb
von einigen Sekunden zu erhitzen. Ein derartiger kommerziell erhältlicher
RTA-Ofen ist der Ofen Modell 610 von AG Associates (Mountain View, CA).
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In
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein ideal präzipitierender Wafer der im
Wesentlichen frei von B-Defekten ist erzeugt. Insbesondere kann
ein ideal präzipitierender
Wafer der im Wesentlichen frei von B-Defekten ist hergestellt werden
unter Verwendung des ideal präzipitierenden
Waferverfahrens wie in US-Patent Nr. 5,994,761 beschrieben, wobei
das Verfahren so modifiziert wird, dass während des Waferwärmebehandlungsschrittes
(d. h. Schritt S2 der Ausführungsform
1 beispielsweise), der Wafer auf eine Temperatur und für eine Zeit
ausreichend zum Auflösen
von B-Defekten wie oben beschrieben erhitzt wird. Insbesondere wird
in der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der Wafer gemäß der ersten Ausführungsform
behandelt, wobei der Temperaturanstieg durch die Temperaturen bei
welchen B-Defekte stabilisiert werden können ausreicht um die Temperatur
zu erreichen bei der B-Defekte anfangen aufgelöst zu werden bevor die B-Defekte
stabilisiert werden. Nach dem Halten des Wafers bei oder oberhalb
der Auflösungstemperatur
für einen
Zeitraum ausreichend zum Auflösen
der B-Defekte wie in der ersten Ausführungsform beschrieben wird
der Wafer anschließend
gemäß dem ideal
präzipitierenden
Waferverfahren wie in US-Patent Nr. 5,994,761 beschrieben abgekühlt, wobei
die Abkühlgeschwindigkeit
gesteuert wird, so dass der resultierende Wafer ein ideal präzipitierender
Wafer im Wesentlichen frei von B-Defekten ist.
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Es
sollte angemerkt werden, dass obwohl die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit
ein Faktor zum Erhalten eines ideal präzipitierenden Wafers ist, dies
nicht in enger Weise kritisch für
die Zwecke des Erhaltens eines Wafers im Wesentlichen frei von B-Defekten
ist. Anders gesagt, die Abkühlgeschwindigkeit
nach der B-Defektauflösung
ist im engeren Sinne nicht kritisch für die vorliegende Erfindung,
da aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Diffusivität von Selbsteinlagerungsstellen,
diese intrinsischen Punktdefekte an die Oberfläche diffundieren bevor der
Wafer ausreichend abkühlen
kann um Defektagglomerierung zu bewirken und damit Präzipitierung
erfolgt.
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Es
sollte ferner angemerkt werden, dass Czochralski-gezüchtetes
Silizium typischerweise eine Sauerstoffkonzentration innerhalb des
Bereichs von etwa 5 × 101 bis etwa 9 × 101 Atomen/cm3 (ASTM-Standard F-121-83) aufweist. Experimentelle
Belege bis heute lehren, dass eine Sauerstoffkonzentration die in
den Bereich fällt
der mittels des Czochralski-Verfahrens
erzielt wird, die Auslöschung
von B-Defekten nicht beeinflusst. Ferner, da das Sauerstoffpräzipitierungsverhalten
des Wafers im Wesentlichen entkoppelt wird von der Sauerstoffkonzentration
in dem ideal präzipitierenden
Wafer, kann der Ausgangswafer eine Sauerstoffkonzentration haben
die irgendwo innerhalb oder sogar außerhalb des Bereichs fällt der
mittels des Czochralski-Verfahrens erhalten wird, wenn der ideal
präzipitierende
Waferprozess angewendet wird.
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Austauschkohlenstoff,
wenn als Verunreinigung im Kristallsilizium vorliegend, hat die
Fähigkeit
die Ausbildung von Sauerstoffpräzipitatnukleierungszentren
zu katalysieren. Aus diesem und anderen Gründen ist es daher bevorzugt,
dass das Einkristallsiliziumausgangsmaterial eine geringe Kohlenstoffkonzentration
aufweist. D. h. das Einkristallsilizium sollte eine Konzentration
von Kohlenstoff aufweisen die weniger als etwa 5 × 1016 Atome/cm3, vorzugsweise
weniger als 1 × 1016 Atome/cm3 und
insbesondere bevorzugt weniger als 5 × 105 Atome/cm3 beträgt.
Obwohl die Kohlenstoffkonzentrationen wie hier aufgeführt wünschenswert
zur Erzeugung von ideal präzipitierenden
Wafern sind, sollte klar sein, dass die Kohlenstoffkonzentration
diese Niveaus überschreiten
kann ohne die Auslöschung
von B-Defekten in nachteiliger Weise zu beeinflussen. Daher ist
für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung die Kohlenstoffkonzentration im
engeren Sinne nicht kritisch, mit der Ausnahme wenn ein ideal präzipitierender
Wafer erzeugt wird.
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VISUELLE BESTIMMUNG VON
AGGLOMERIERTEN INTERSTITIELLEN DEFEKTEN
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Agglomerierte
interstitielle Defekte können
durch Aufbringen einer Menge einer hoch konzentrierten Lösung oder
Paste von z. B. Kupfernitrat auf die Oberfläche der Probe, anschließendes Erwärmen der
Probe auf eine Temperatur für
einen Zeitraum der ausreicht um dem Metall das Diffundieren in die
Siliziummatrix zu ermöglichen,
anschließendes Ätzen der
Probe mit einem nicht abgrenzenden Ätzvorgang, Spülen der
Probe und anschließendes Ätzen der
Oberfläche
der Probe mit einem Defekt-abgrenzenden Ätzvorgang und schließlich visuelles
Inspizieren der Oberfläche
der Probe hinsichtlich der Gegenwart von Metalldekorierten interstitiellen
Defekten bestimmt werden. Obwohl dieses Verfahren in der Lage ist
sowohl A-Typ als auch B-Defekte zu detektieren, können die
B-Defekte teilweise oder vollständig
während
des anfänglichen
Erwärmungsschritts aufgelöst werden.
Daher wird die Probe vorzugsweise einer thermischen Temperung zur
Stabilisierung der B-Defekte vor dem Ausbringen der metallenthaltenden
Lösung
oder Paste unterzogen. Eine detailliertere Beschreibung dieses Verfahrens
zur Bestimmung sowohl von A-Typ als auch B-Defekten kann im US-Patent
Nr. 6,391,662 gefunden werden.
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DEFINITIONEN
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Es
ist anzumerken, dass wie hier verwendet die folgenden Begriffe die
folgenden Bedeutungen haben sollen: „Agglomerierte intrinsische
Punktdefekte" soll
Defekte umfassen die verursacht werden durch (i) die Reaktion bei
der Gitterlücken
agglomerieren oder (ii) durch die Reaktion bei der Selbsteinlagerungsstellen
agglomerieren; „agglomerierte Gitterlückendefekte" bedeutet agglomerierte
Gitterlückenpunktdefekte
verursacht durch die Reaktion bei der Kristallgitterlücken agglomerieren,
Beispiele umfassen D-Defekte, Flow-Pattern-Defekte, Gate-Oxid-Integritätsdefekte,
kristallbasierte Partikeldefekte und kristallbasierte Lichtpunktdefekte; „agglomerierte
interstitielle Defekte" bedeutet
agglomerierte intrinsische Punktdefekte verursacht durch die Reaktion
bei der Siliziumselbsteinlagerungsatome agglomerieren um A-Defekte
auszubilden (einschließlich
Dislokationsschleifen und -Netzwerke) sowie B-Defekte; „B-Defekte" bedeutet agglomerierte
interstitielle Defekte die kleiner als A-Defekte sind und die aufgelöst werden
können
wenn sie einer Wärmebehandlung
wie hierin weiter beschrieben unterzogen werden; „Radius" bedeutet der Abstand
gemessen von einer zentralen Achse zu einer umlaufenden Kante einer
Einkristallsiliziumprobe, wie etwa ein Wafer oder eine Rohlingstange
oder – Scheibe; „im Wesentlichen
frei von agglomerierten intrinsischen Punktdefekten" bedeutet eine Konzentration von
agglomerierten Defekten die kleiner ist als die Erfassungsgrenze
dieser Defekte, die gegenwärtig
bei etwa 104 Defekten/cm3 liegt;
Gitterlücken-dominiert" und „Selbsteinlagerungsstellen-dominiert" beschreibt ein Material
bei dem die intrinsischen Punktdefekte vorherrschend Gitterlücken bzw.
Selbsteinlagerungsstellen sind; und, „visuelle Detektion von agglomerierten
intrinsischen Punktdefekten",
wie auch Variationen davon, bezieht sich auf die Detektion derartiger
Defekte unter Verwendung des bloßen Auges unter gewöhnlichen
weißglühenden oder
fluoreszierenden Lichtquellen oder gegebenenfalls gerichteten oder
anderen verstärkten
Lichtquellen, und ohne die Verwendung von jeglichen Instrumenten
die auf andere Weise bei der Defektdetektion helfen oder in Defektvergrößerung resultieren,
wie etwa optische oder Infrarotmikroskopie, Röntgenbeugung oder Laserrasterung.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele beschreiben einen Satz von Bedigungen der verwendet
werden kann um das erwünschte
Ergebnis zu erreichen. Dementsprechend sollten diese Beispiele nicht
in einem beschränkenden Sinne
verstanden werden.
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Beispiel 1
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Ein
Siliziumeinkristallrohling wurde nach dem Czochralski-Verfahren
gezogen. Der Rohling wurde anschließend aufgeschnitten und poliert
um Siliziumwafer zu bilden. Bei Wafern aus einem Abschnitt des Kristalls der
eine 5 Sekunden, 950°C
schnelle thermische Wärmebehandlung
(im Folgenden RTP) erhielt, wurden bestätig, dass sie B-Defekte enthielten
unter Verwendung des B-Defekt-Abgrenzungstests wie weiter oben beschrieben.
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Ein
Wafer aus dem Rohling wurde in zwei Abschnitte aufgeteilt, wonach
ein Abschnitt einem B-Defekt-Auslöschungsverfahren unterzogen
wurde, wobei der Abschnitt auf eine Temperatur von etwa 1250°C mit einer
Geschwindigkeit von etwa 25°C
erhitzt wurde, sowie Halten dieser Temperatur für eine Haltezeit von etwa 10
Sekunden, wohingegen der andere Abschnitt keinem B-Defekt-Auslöschungsprozess
unterzogen wurde. Beide Abschnitte wurden anschließend mit
dem B-Defekt-Abgrenzungstest wie weiter oben beschrieben behandelt
und ein digitales Bild wurde von jedem abgegrenzten Abschnitt aufgenommen.
Wie in 1 gezeigt ist der Waferabschnitt der dem Auslöschungsverfahren
unterzogen wurde (der Abschnitt auf der rechten Seite in 1)
im Wesentlichen frei von B-Defekten, wohingegen der Abschnitt des
Wafers der keinem B-Defekt-Auslöschungsverfahren
unterzogen wurde (der Abschnitt links in 1) B-Defekte
enthält,
die als weiße Punkte
in der Mitte des Wafers auftreten.
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Weitere
Wafer, Wafer 1 bis 12 in Tabelle 1, aus dem gleichen Abschnitt des
Kristalls wurden anschließend
mit verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren
behandelt, wobei jeder Wafer mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 25°C/Minute
auf eine Zieltemperatur erhitzt wurde für einen spezifizierten Zeitraum
wie in Tabelle 1 angegeben.
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Die
Wafer wurden anschließend
auf Raumtemperatur abgekühlt.
Wafer 1 zeigt nachdem er auf eine Zieltemperatur von 1000°C für 5 Minuten
erhitzt wurde eine beträchtliche
Anzahl von B-Defekten. Bei Erhitzung auf 1100°C für 15 Sekunden zeigt Wafer 2
beträchtlich
weniger B-Defekte; und bei Erhitzen auf 1100°C für 60 Sekunden, zeigt Wafer
3 nahezu keine B-Defekte. (Siehe 2.) Daher,
wie durch die Wafer 1 bis 3 gezeigt, werden die B-Defekte beträchtlich
verringert wenn die Zieltemperatur auf oberhalb von 1100°C erhöht wird,
in einer ausreichenden Haltezeit, und sie werden nahezu vollständig eliminiert.
Außerdem,
wie in den Wafern 5 bis 12 gezeigt, können die B-Defekte ausgelöscht werden
wenn auf Temperaturen oberhalb von 1150, 1175, 1200 und 1250 erhitzt
wird für
Zeiträume
gehalten wird die im Bereich von etwa 10 bis etwa 60 Sekunden liegen.
(Siehe Tabelle 1 und 2(e) bis 2(l).)
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Wafer
4 wurde gemäß einem
ideal präzipitierenden
Waferverfahren behandelt, wobei die Temperatur mit einer Geschwindigkeit
von etwa 25°C/Minute
erhöht
wurde, die Zieltemperatur betrug etwa 1250°C, die Haltezeit betrug etwa
10 Sekunden, und die Abkühlgeschwindigkeit
betrug etwa 10°C/Minute.
Obwohl Wafer 4 eine beträchtliche
Anzahl von weißen
Punkten aufzeigt wenn er der Kupferdekorierungsmethode wie in 2(d) gezeigt unterzogen wurde, wird angenommen,
dass die ideal präzipitierenden
Stellen mittels des Kupferdekorierungsverfahrens dekoriert wurden
und als weiße
Punkte auftreten, so dass sogar obwohl die B-Defekte in dem Prozess
ausgelöscht
wurden, das Bild von Wafer 4 immer noch weiße Punkte über die Oberfläche des
Wafers zeigt. Um diese Annahme zu stützen wurden die Wafer 8 bis
12 der gleichen Temperatur und Haltezeit wie Wafer 4 unterzogen,
jedoch entweder die Umgebungsbedingung oder die Abkühlgeschwindigkeit
variiert, so dass die ideal präzipitierenden
Stellen nicht gebildet wurden. Die Wafer 8 bis 12 zeigen, dass B-Defekte ausgelöscht wurden
wenn ein Wafer mit einer Geschwindigkeit von etwa 25°C/Minute
auf eine Temperatur von etwa 1250°C
erhitzt und dort für
etwa 10 Sekunden gehalten wurde, was die Annahme stützt, dass die
weißen
Punkte wie beim Wafer 4 gezeigt, tatsächlich dekorierte ideale präzipitierende
Stellen sind.
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Angesichts
des obigen kann gesehen werden, dass die verschiedenen Aufgaben
der Erfindung erreicht wurden. Weil verschiedene Veränderungen
im oben beschriebenen Verfahren gemacht werden können ohne vom Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen ist es beabsichtigt, dass alle in der
obigen Beschreibung enthaltenen Angaben in einem veranschaulichenden
und nicht in einem beschränkenden
Sinne verstanden werden sollen.
