DE69216752T2

DE69216752T2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Scheibe

Info

Publication number: DE69216752T2
Application number: DE1992616752
Authority: DE
Inventors: Nobuhiro Isuda; Takao Otokawa; Takao Takenaka; Satoshi Ushio
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1991-10-07
Filing date: 1992-10-02
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-10-03
Also published as: DE69216752D1; EP0536958B1; JPH05102162A; JP2758093B2; EP0536958A1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Scheibe zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Scheibe mit einer Freizone ("DZ"), die ohne Fehlstellen ist, nachdem die Scheibe einem inneren Getter-Verfahren unterzogen wurde.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Das innere Getter-Verfahren ("intrinsic gettering", IG) ist als eine Methode zum Ausmerzen von Fehlstellen verwendet worden, die während des Wachstums eines Silizium-Einkristalls aus der aktiven Schicht (das ist die DZ-Schicht), die sich nahe der Oberfläche der Halbleiterscheibe befindet, entstanden sind. Das innere Getter-Verfahren ist ein Verfahren, das Fehlstellen im Inneren einer Halbleiter-Scheibe anstatt außen verursacht, um der Scheibe eine "Getter"-Fähigkeit zu verleihen.
Das innere Getter-Verfahren umfaßt normalerweise in der Reihenfolge der Durchführung die drei folgenden Schritte: zuerst ein Tempern der Scheibe zur Schaffung einer Freizone bei etwa 1050-1200º C, zweitens ein Tempern der Scheibe, um Fehlstellen-Keime innerhalb der Scheibe zu erzeugen, bei etwa 600-800º C, und schließlich ein Tempern der Scheibe, um Mikro- Fehlstellen um die Fehlstellen-Keime im Inneren der Scheibe zu konzentrieren, bei etwa 1000º C. In der ungeprüften japanischen Patentanmeldung HEI.1-168031 ist das innere Getter- Verfahren im Detail beschrieben worden.
Im Idealfall ist die Freizone vollkommen ohne Fehlstellen, nachdem die Scheibe einem inneren Getter-Verfahren unterzogen wurde. Es wurde jedoch gefunden, daß tatsächlich Fehlstellen mit geringer Dichte in der Freizone verbleiben. Diese Fehlstellen verursachen einen verhängnisvollen Nachteil für den Fall, daß elektronische Vorrichtungen auf der Scheibe verkleinert werden.
Die Erfinder haben nun aufgrund von Forschungen mit verschiedenen Ansatzpunkten die Ursachen gefunden, warum die Fehlstellen mit geringer Dichte in der Freizone verbleiben und haben gefunden, daß der Mechanismus, der die Fehlstellen erzeugt, kompliziert ist. Bedingungen der Hitzebehandlung bei dem inneren Getter-Verfahren und besonders die Anfangskonzentration von Sauerstoff und die Ziehgeschwindigkeit des Silizium-Einkristall-Stabs bei der Czochralski-Methode beeinflussen im großem Maße die Entstehung der Fehlstellen. Dementsprechend haben die Erfinder Einwirkungen und Maßnahmen untersucht, um das Auftreten von Fehlstellen zu verhindern, was Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Silizium-Einkristall-Scheibe mit einer im wesentlichen vollständigen Freizone, wobei eine Silzium-Einkristall-Scheibe verwendet wird, die von einem Silizium-Einkristall-Stab geschnitten wurde, der nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt wurde.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Scheibe, welches die folgenden Schritte umfaßt:
- Züchten eines Silizium-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren;
- Ziehen des Silizium-Einkristalls mit einer Sauerstoff- Konzentration von 14-20 ppma zu einem Stab;
- Schneiden einer Silizium-Einkristall-Scheibe von dem Stab und
- Anwendung eines inneren Getter-Verfahrens auf die Scheibe, bestehend aus einem Temperschritt bei hoher Temperatur, einem Temperschritt bei niedriger Temperatur und einem Temperschritt bei mittlerer Temperatur, die nacheinander in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stab mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 0,6 mm/Min. gezogen wird.
Das Ziehen eines Einkristall-Stabes mit mehr als 0,6 mm/Min. erhöht die Zahl der Makro-Fehlstellen in dem Einkristall- Stab wesentlich, die während des Wachstums des Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren erzeugt werden.
Das Dotieren der Scheibe mit weniger als 14 ppma Sauerstoff verringert die Zahl der Fehlstellen außerhalb einer Freizone der Scheibe wesentlich und schafft keine Schicht mit Fehlstellen mit hoher Dichte, wodurch der Getter-Effekt reduziert wird. Andererseits erhöht das Dotieren der Scheibe mit Sauerstoff von mehr als 20 ppma die Sauestoffausfälllungen (d. h. die Fehlstellen) wesentlich, und zwar in der Oberfläche und nahe der Oberfläche der Scheibe. Die Sauerstoffausfällungen verschlechterten die mechanische Festigkeit der Scheibe, nachdem diese dem inneren Getter-Verfahren unterzogen worden ist, wobei eine Verwerfung oder eine Formänderung der Scheibe erzeugt werden kann.
Die erfindungsgemäße Scheibe hat eine geringe Anzahl von Makrofehlstellen, die während des Wachstums des Einkristalls induziert wurden, und eine Hitzebehandlung der Scheibe bei hoher Temperatur löst fast alle dieser Makrofehlstellen in der Oberfläche und nahe der Oberfläche der Scheibe, die eine geringe Menge an Sauerstoff aufweist, bei hoher Temperatur. Daher hat die Scheibe eine fast ideale Freizonenschicht (d. h. sie hat eine viel geringere Anzahl von Fehlstellen als eine Silizium-Einkristall-Scheibe nach dem Stand der Technik).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Einkristall-Halbleiterscheibe, hergestellt nach dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht der Scheibe nach Fig. 1, die einen ringförmigen Bereich von Fehlstellen zeigt, dargestellt durch Röntgen-Topographie;
Fig. 3 zeigt den Mechanismus der Entstehung von Makrofehlstellen und
Fig. 4 zeigt den Mechanismus der Entstehung weiterer Makrofehlstellen. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Versuch 1

-Silizium-Einkristall-Ausgangsscheiben, die von einem Silizium- Einkristallstab nach dem Czochralski-Verfahren geschnitten und mit verschiedenen Geschwindigkeiten gezogen worden waren, wurden einem inneren Getter-Verfahren (d. h. Hitzebehandlungen) unter gleichen Bedingungen unterzogen, um Silizium- Einkristall-Scheiben 1 mit einer Fehlstellenschicht 2 mit hoher Dichte und einer Freizone 3 (Fehlstellen-freie Schicht) - wie in Fig. 1 dargestellt - herzustellen.
Die räumliche Fehlstellen-Verteilung in den Scheiben 1 wurde untersucht. Der Sauerstoffgehalt der Aussgangsscheiben war 14- 20 ppma.

1. Bedingungen

Halbleiterscheiben vom P-Typ mit einem Durchmesser von 125 mm, die unter den folgenden Bedingungen 1.1 und 1.2 hergestellt wurden, und die eine Ziehrichtung von < 100> und Widerstandswerte von 10-13 Ω cm hatten, wurden nach den Bedingungen 1.3 untersucht.

1.1 Ziehgeschwindigkeit

1) 1,54 mm/Min.
2) 1,25 mm/Min.
3) 0,6 mm/Min.
4) 0,4 mm/Min.

1.2 Bedingungen der Hitzebehandlung

1) Bei 800º C unter einer Stickstoffatmosphäre (N2) für eine Dauer von 4 Stunden, und nachfolgend bei 1000º C unter einer Atmosphäre von trockenem Sauerstoff (O&sub2;) für eine Dauer von 16 Stunden;
2. Bei 1100º C unter einer Stickstoffatmosphäre für eine Dauer von 2 Stunden, danach bei 650º C unter einer Stickstoffatmosphäre für eine Dauer von 20 Stunden und nachfolgend bei 1000º C unter einer Atmosphäre von trockenem Sauerstoff für eine Dauer von 16 Stunden;
3) Bei 1200º C unter einer Stickstoffatmosphäre für eine Dauer von 2 Stunden und danach bei 1000º C unter einer Atmosphäre von trockenem Sauerstoff für eine Dauer von 16 Stunden;
4) bei 1280º C unter einer Stickstoffatmosphäre für eine Dauer von 2 Stunden und danach bei 1000º C unter einer Atmosphäre von trockenem Sauerstoff für eine Dauer von 16 Stunden.

1.3 Untersuchungsmethode

Röntgen-Topographie.

2. Ergebnisse

Es wurde beobachtet, daß die peripheren Regionen der Scheiben mit Ziehgeschwindigkeiten von 1,54 mm/Min. und 1,25 mm/Min. - ungeachtet der Art der oben genannten Hitzebehandlungen - Fehlstellen aufwiesen. Obwohl die Anzahl der Fehlstellen abnahm, wenn die Temperatur der Hitzebehandlung anstieg, wurde beobachtet, daß Fehlstellen in den Scheiben verblieben.
Andererseits wurde beobachtet, daß die peripheren Regionen der Scheiben 1 mit einer Ziehgeschwindigkeit von 0,6 mm/Min. und 0,4 mm/Min. - ungeachtet der Art der oben genannten Hitzebehandlungen - keine Fehlstellen aufwiesen. Es wurde beobachtet, daß eine sehr kleine Zahl von Fehlstellen im zentralen Bereich jeder dieser Scheiben 1 vorhanden war.

Versuch 2

Da die Röntgen-Topographie quer zur Scheibenoberfläche nur ein Bild ergibt, bei dem alle Werte in Richtung der Scheibendicke überlagert sind, wurde eine Verteilung von Fehlstellen in Tiefenrichtung der Scheibe bei Versuch 2 überprüft, wobei der Sauerstoffgehalt der Ausgangsscheiben 14-20 ppma betrug.

1. Bedingungen

Halbleiterscheiben vom P-Typ mit einem Durchmesser von 125 mm, die unter den folgenden Bedingungen 1.1 und 1.2 hergestellt worden waren und eine Ziehrichtung von < 100> und Widerstandswerte von 10-13 Ω cm aufwiesen, wurden unter den folgenden Bedingungen 1.3 beobachtet.

1.1 Ziehgeschwindigkeit

1) 1,54 mm/Min.
2) 1,25 mm/Min.
3) 0,6 mm/Min.
4) 0,4 mm/Min.

1.2 Bedingungen der Hitzebehandlung

Bei 1100º C unter einer Stickstoffatmosphäre für eine Dauer von 2 Std., danach bei 650º C unter einer Stickstoffatmosphäre fur eine Dauer von 20 Stunden und danach bei 1000º C unter einer Atmosphäre von trockenem Sauerstoff für X Stunden, wobei X = 0, 4, 8 und 16 ist.

1.3 Beobachtunasmethode

Alle Scheiben wurden winkelförmig poliert unter der Bedingungen daß tan θ = 0.1 war, und sie wurden dann 1 Min. lang trocken geätzt ("secco etched"). Die erhaltenen Scheiben wurden mit einem optischen Mikroskop bewertet.

2. Ergebnisse

Es wurde beobachtet, daß die Freizonen der peripheren Regionen der Scheiben mit Ziehgeschwindigkeiten von 1,54 mm/Min. und 1,25 mm/Min. ungeachtet der Art der oben angegebenen Hitzbehandlung Fehlstellen aufwiesen.
Andererseits wurde beobachtet, daß die Scheiben 1 mit Ziehgeschwindigkeiten von 0,6 mm/Min. und 0,4 mm/Min. eine kleine Anzahl von Fehlstellen aufwiesen. Im einzelnen hatten die Freizonen der Ränder der Scheiben mit Ziehgeschwindigkeiten von 1,54 mm/Min. und 1,25 mm/Min. Fehlstellen von etwa 5x10&sup8;/cm³, und die Freizonen der zentralen Teile der Scheiben mit Ziehgeschwindigkeiten von 0,6 mm/Min. und 0,4 mm/Min. hatten Fehlstellen von etwa 10³/cm³

3. Andere Versuche

Aufgrund der Versuche 1 und 2 wurde vermutet, daß das Auftreten von Fehlstellen in einer Scheibe nach dem inneren Getter-Verfahren primär von der Ziehgeschwindigkeit des Einkristallstabs nach dem Czochralski-Verfahren abhängt. Bei einem anderen Test wurden Ausgangs-Scheiben (gezüchtet nach dem Czochralski-Verfahren) bei 1280º C 2 Stunden lang und danach 16 Stunden bei 1000º C hitzbehandelt. Die erhaltenen Scheiben wurden untersucht. Es wurde gefunden, daß Makrofehl stellen (d. h. Cluster, die hauptsächlich Sauerstoffausfällungen umfaßten) in den Scheiben entstanden waren. Das Entstehen dieser Makrofehlstellen hängt von der Ziehgeschwindigkeit des Einkristallstabs nach dem Czochralski-Verfahren ab. Scheiben, die von einem Einkristallstab mit geringer Ziehgeschwindigkeit (das sind 0,6 mm/Min. oder weniger) geschnitten wurden, hatten eine viel kleinere Anzahl von Makrofehlstellen als andere Scheiben, die von einem Einkristallstab mit einer Ziehgeschwindigkeit von mehr als 0,6 mm/Min. geschnitten worden waren. Die Scheiben wurden auf OSF bei 120º C unter einer Atmosphäre von nassem gasförmigen Sauerstoff 60 Min. lang getestet. Es wurde gefunden, daß die Scheibe 1, geschnitten von einem Einkristallstab mit einer Ziehgeschwindigkeit von mehr als 0,6 mm/Min., einen ringförmigen Bereich von Fehlstellen wie in Fig. 2 aufwies.
Dementsprechend wird vermutet, daß Fehlstellen bei dem folgenden Verfahren erzeugt werden. Die ursprüngliche Scheibe, geschnitten von dem Einkristallstab mit einer Ziehgeschwindigkeit von mehr als 0,6 mm/Min., hatte eine breite Verteilung einer großen Zahl von Makrofehlstellen 14 (d. h. Cluster, die hauptsächlich Sauerstoffausfällungen umfassen), wie es in Fig. 3 dargestellt wird. Ein Teil dieser Makrofehlstellen 14, dargestellt in Fig. 4, wird in der Scheibe während der Hochtemperatur-Behandlung der Scheibe bei 1100º C oder mehr aufgelöst. Die verbleibenden Makrofehlstellen 14 wachsen während der nachfolgenden Hitzebehandlung der Scheibe bei der mittleren Temperatur von etwa 1000º C und werden zu Makrofehlstellen 15 in der Freizone 13 der Scheibe.
Der Sauerstoff in der Ausgangs-Scheibe diffundiert während der Hitzebehandlung bei hoher Temperatur nach außen, und es verringert sich die Sauerstoffkonzentration nahe der Oberfläche der Scheibe 1. Daher wird der kritische Radius (d. h. ein Radius bezüglich des Auftretens oder Verschwindens von Sauerstoffausfällungen) nahe der Oberfläche der Scheibe erhöht, wo die Sauerstoffkonzentration gering und die Temperatur hoch ist, so daß Ausfällungen, deren Radius kleiner ist als der kritische Radius, in der Scheibe aufgelöst werden. Andererseits können Ausfällungen mit Radiuswerten, die dem kritischen Radius entsprechen oder größer sind, nicht aufgelöst werden, sondern sie wachsen. Dementsprechend wird vermutet, daß diese Ausfällungen Makrofehlstellen 15 in der Freizone 3 nach dem inneren Getter-Verfahren der Scheibe zur Folge haben.
Da eine Verringerung der Sauerstoffkonzentration in der Ausgangs-Scheibe unter die untere Grenze der Sauerstoffkonzentration die Erzeugung einer Schicht mit Fehlstellen mit großer Dichte erschwert, wurde die Wirkung des inneren Getter Verfahrens der Scheibe verringert und die Scheibe einer Formänderung unterworfen. Da andererseits eine Zunahme der Sauerstoffkonzentration in der Ausgangs-Scheibe über die obere Grenze der Sauerstoffkonzentration hinaus die Ausfällungen in und nahe der Oberfläche der Scheibe merklich erhöhte und ein Übermaß an Ausfällungen die mechanische Festigkeit der Scheibe nach dem inneren Getter-Verfahren wesentlich verschlechterte, neigte die Scheibe zur Formänderung oder zeigte eine Verwerfung. Demnach ist die tatsächlich zweckmäßige Sauerstoffkonzentration in der Ausgangs-Scheibe 14-20 ppma.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Scheibe, welches die folgenden Schritte umfaßt:

- Züchten eines Silizium-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren;

- Ziehen des Silizium-Einkristalls mit einer Sauerstoff- Konzentration von 14-20 ppma zu einem Stab;

- Schneiden einer Silizium-Einkristall-Scheibe von dem Stab und

- Anwendung eines inneren Getter-Verfahrens auf die Scheibe, bestehend aus einem Temperschritt bei hoher Temperatur, einem Temperschritt bei niedriger Temperatur und einem Temperschritt bei mittlerer Temperatur, die nacheinander in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 0,6 mm/Min. gezogen wird.