EP1282912A1 - Einstellung von defektprofilen in kristallen oder kristallähnlichen strukturen - Google Patents

Einstellung von defektprofilen in kristallen oder kristallähnlichen strukturen

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EP1282912A1
EP1282912A1 EP01933968A EP01933968A EP1282912A1 EP 1282912 A1 EP1282912 A1 EP 1282912A1 EP 01933968 A EP01933968 A EP 01933968A EP 01933968 A EP01933968 A EP 01933968A EP 1282912 A1 EP1282912 A1 EP 1282912A1
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EP
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wafer
substrate
gas
gases
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EP01933968A
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Wilfried Lerch
Jürgen NIESS
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Mattson Thermal Products GmbH
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Mattson Thermal Products GmbH
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Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Defektprofilen in einer kristallinen oder kristallähnlichen Struktur eines Substrates, vorzugsweise eines Halbleiters, während einer thermischen Behandlung in einer Prozesskammer. Dabei wird eine Konzentration und/oder eine Dichteverteilung von Defekten in Abhängigkeit von wenigstens zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlichen Prozessgasen mit jeweils wenigstens einer reaktiven Komponente gesteuert, wobei wenigstens zwei der Prozessgase im wesentlichen getrennt voneinander jeweils an wenigstens zwei verschiedenen Oberflächen des Substrats angreifen.

Description

Einstellung von Defektprofilen in Kristallen oder kristallähnlichen Strukturen
Die nachfolgende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von De- fektprofilen in einer kristallinen oder kristallähnlichen Struktur, vorzugsweise in einem Halbleiter, während einer thermischen Behandlung in einer Prozeßkammer.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, z.B. basierend auf Silizium, ist es bekannt, durch thermische Behandlungsschritte des Halbleiters in geeigneter Pro- zeßgasumgebung die Verteilung von in den Halbleiter eingebrachten (dotierten) Fremdatomen oder die Verteilung von Kristalldefekten zu beeinflussen. Im allgemeinen wird die Verteilung der Fremdatome wesentlich durch die Verteilung der Defekte mitbestimmt.
Beispielsweise ist aus W. Lerch et al. ; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1998), Vol. 525, pp. 237-255 und D.F. Downey et al.; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1998), Vol 525, pp. 263-271 bekannt, daß mittels eines Sauerstoff enthaltenden Prozeßgases bei konstanter thermischer Belastung eines dotierten Siliziumhalbleiters sich das Dotierprofil von Bor beeinflussen läßt, denn die Oxidation von Silizium führt zu einer Übersätti- gung von Eigenzwischengitteratomen (EZG, ein Typus von Punktdefekten bei denen sich Si-Atome auf Zwischengitterplätzen befinden) deren Konzentration das Diffusionsverhalten des Bors und somit das Dotierprofil von Bor beeinflußt.
Mit einer sauerstoffhaltigen Prozeßgasumgebung bei der thermischen Behandlung von Halbleitern lassen sich im wesentlichen nur solche Fremdatom- oder Dotierprofile beeinflussen, deren Fremdatome im wesentlichen über den Kick Out-Mechanis- mus auf einen Gitterplatz gelangen. Dabei gelangt das zuvor im Zwischengitterbereich befindliche Fremdatom auf einen Gitterplatz, wobei ein Silizium- (oder allgemein Gitter-) Atom von diesem Gitterplatz in das Zwischengitter abgegeben wird.
In den Patenten US 5,401 ,669 und US 5,403,406 wird eine gezielte Ausbildung von Defekten mittels einer Stickstoff enthaltenden Prozeßgasatmosphäre beschrieben, wobei diese Defekte als Nukleationszentren für die Präzipitation von in Silizium gelöstem Sauerstoff dienen.
In D.F. Downey et al.; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1997), Vol 470, pp. 299-311 wird der Einfluß eines reaktiven Prozeßgases beim schnellen thermischen Behandeln (RTP: Rapid Thermal Processing) von dotierten Siliziumwafem hinsichtlich der Dotierprofile für verschiedene reaktive Gase unterschiedlichster Konzentrationen beschrieben.
In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 199 27 962 der Anmelderin wird ein gegenüber D.F. Downey et al. (Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1997), Vol 470, pp. 299-311) verbessertes Verfahren zur Einstellung von Dotierprofilen dargestellt. Hierbei wird ein Halbleiter im wesentlichen einer schnellen thermischen Behandlung (in einem RTP-System) in einer Prozeßgasatmosphäre unterzogen, die mehrerer reaktive Gase umfaßt, um z.B. mittels dieser reaktiven Gase verschiedene Eigenpunktdefekte gleichzeitig und in verschiedenen Konzentrationen zu aktivieren. Allgemein lassen sich Defektkonzentration und/oder deren räumliche Defektverteilungen und damit auch die Verteilung(en) der aktivierten Dotieratome durch das beschriebene Verfahren steuern.
Mit den zunehmend kleiner werdenden Strukturgrößen in Halbleiterbauelementen steigen auch die Anforderungen hinsichtlich der Möglichkeiten der Steuerung von Defekt- und Dotierprofilen (hier im Sinne der räumlichen Verteilung aktivierter Fremdatome). Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die oben darge- stellten Verfahren weiter zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch das eingangs genannte Verfahren, wobei eine Konzentration und/oder eine Dichteverteilung von Defekten in Abhängigkeit von wenigstens zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlichen Pro- zeßgasen mit jeweils wenigstens einer reaktiven Komponente gesteuert wird, und wobei wenigstens zwei der Prozeßgase im wesentlichen getrennt voneinander jeweils an wenigstens zwei verschiedenen Oberflächen des Substrats angreifen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden z.B. Vorder- und Rückseite von z.B. scheibenförmigen Halbleitern, z.B. Siliziumwafern, mit unterschiedlichen reaktiven Gasen in Kontakt gebracht. Dies ermöglicht bei einer thermischen Be- handlung des Wafers eine Steuerung von Defektverteilungen und/oder Defektkonzentrationen von beiden Seiten des Wafers her, wobei dadurch ein Maximum an Möglichkeiten insbesondere hinsichtlich der Konzentration und der räumlichen Verteilung von Defekten aber auch hinsichtlich der Art der Defekte, z.B. Punktdefekte und/oder Volumendefekte ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise in RTP- (Rapid Thermal Processing-), CVD- (Chemical Vapor Deposition-), RTCVD- (Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition-) und Epitaxieanlagen Anwendung finden, bei denen in der Regel ein „Single wafer processing" durchgeführt wird, d.h. bei denen jeweils nur ein Wafer einer thermischen Behandlung unterzogen wird. Es können aber auch mehrere Wafer gleichzeitig einer thermischen Be- handlung unterzogen werden, wie dies z.B. bei manchen Epitaxie- bzw. CVD- Anlagen erfolgt. Hierbei sind meist mehrere Wafer (z.B. zwei bis sechs) im wesentlichen in einer Ebene angeordnet. Durch die thermische Behandlung jeweils nur eines Wafers oder weniger Wafer, die im wesentlichen innerhalb einer Ebene angeordnet sind, besteht die Möglichkeit, den oder die Wafer jeweils mit Vorder- und Rücksei- te(n) entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren jeweils im wesentlichen mit nur einem Prozeßgas in Kontakt zu bringen, wobei die Prozeßgase in ihrer Zusammensetzung unterschiedlich sind und jeweils wenigstens eine reaktive Komponente umfassen.
Ein Prozeßgas umfaßt gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens eine reaktive Komponente, d.h. eine Komponente welche mit dem Substrat reagiert. Die Reaktion kann eine chemische Reaktion der Komponente (z.B. 02) mit dem Substrat (z.B. Si) zu einer neuen Substanz (z.B. Si + 02 -> SiO2) sein, eine Adsorption (Physisorption und/oder Chemisorption) einer Komponente des Prozeßgases, ein Ätzen (chemische Reaktion) oder eine Desorption eines bereits vorhandenen Adsorbats durch Komponenten des Prozeßgases. Die Reaktion kann an der Substratoberfläche (z.B. Beginn der Oxidation von Si, oder die Oxidation einer auf ein Substrat aufgebrachten Kup- ferschicht), eines Teiles der Substratoberfläche, oder bzw. auch innerhalb des Substrats (z.B. die Oxidation von Si bei bereits vorhandener Siliziumoxidschicht) erfolgen. Ferner kann die Reaktion auch an Defekten im Inneren des Substrats erfolgen, wie dies zum Beispiel bei der Reduktion von Si02 durch Wasserstoff ist, wobei sich das SiO2 an den Innenflächen von COPs (crystal originated particles) befindet. Das Prozeßgas kann Inertgase umfassen, d.h. Gase welche mit dem Wafer bzw. dem Substrat nicht reagieren. Ob sich ein Gas oder eine Gaskomponente inert verhält, kann von der Prozeßtemperatur abhängen, ein Beispiel hierfür ist N2 bei der Prozessierung von Silizium. Bei Temperaturen bis etwa 1100 C verhält sich N2 nahezu inert, erst bei Temperaturen über 1100 C tritt eine nennenswerte Reaktion mit Silizium in Form einer Nitridierung auf. Andere Inertgase sind z.B. Edelgase wie Argon, Helium, Neon. Helium zeichnet sich dabei z.B. durch seine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aus, die z.B. beim schnellen Kühlen des Substrats vorteilhaft sein kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden wenigstens zwei unterschiedliche Prozeßgase verwendet. Die Prozeßgase können sich dabei in ihrer chemischen Zusammensetzung oder, bei gleichen Komponenten, im Verhältnis der Partialdrücke zueinander unterscheiden und/oder bezüglich des absoluten Druckes oder der Temperatur. Der Begriff Zusammensetzung soll also auch die Größen Temperatur und Druck der jeweiligen Prozeßgase umfassen. So können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Prozeßgase mit gleicher chemischer Zusammensetzung aber mit jeweils unterschiedlicher Temperatur bzw. bei unterschiedlichem Druck eingesetzt werden. Da die Reaktionen bzw. die Reaktionsgeschwindigkeiten im allgemeinen sowohl von Druck und Temperatur abhängen, lassen sich mit den im wesentlichen getrennten Prozeßgasen an den verschiedenen Oberflächen des Substrats, an denen die Gase angreifen, unterschiedliche Reaktionen oder Reaktionsgeschwindigkeiten hervorrufen, auch wenn die Gase z.B. in ihrer chemischen Zusammensetzung gleich sind. Dabei können sich die Reaktionen grundsätzlich oder nur hinsichtlich ihrer Reaktionsgeschwindigkeit unterscheiden. Grundsätzlich verschiedene Reaktionen bei der Anwendung von bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung gleichen Gasen können sich beispielsweise bei Gasen ergeben, die Inertgase umfassen, deren Inertverhalten mit steigender Temperatur in ein reaktives Verhalten übergeht (z.B. N2, siehe oben). Greifen dann die Gase mit unterschiedlicher Temperatur an den jeweiligen Oberflächen an, oder weisen die jeweiligen Oberflächen eine unterschiedliche Temperatur auf, so kann sich das Inertgas an den jeweiligen Oberflächen völlig verschieden verhalten.
Unter „Prozeßgase im wesentlichen getrennt voneinander" soll verstanden werden, daß die am Prozeß beteiligten Prozeßgase höchstens in dem Maße miteinander mischen, so daß an einer Oberfläche oder in einem Bereich in der Nähe dieser Oberfläche Reaktionen dominieren, die durch das an dieser Oberfläche überwiegend an- greifende Prozeßgas hervorgerufen werden. Idealerweise würden die Prozeßgase durch das Substrat vollständig getrennt, so daß ein Mischen der Prozeßgase in der Nähe der jeweiligen Oberfläche nicht möglich ist und jedes Prozeßgas nur an einer Oberfläche des Substrats angreift. Die Erfüllung dieser idealen Bedingung hängt jedoch sehr von der technischen Ausführung der Prozeßkammer und von der Haltevor- richtung für das Substrat ab. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich jedoch auch durchführen, wenn diese ideale Bedingung nicht streng erfüllt ist, indem man z.B. dafür sorgt, daß die an verschiedenen Oberflächen des Substrats angreifenden Prozeßgase möglichst wenig miteinander mischen, oder nur in dem Maße mischen, daß wie oben angegeben, eine Reaktion dominiert.
Der Begriff Defekt soll im folgenden null- bis dreidimensionale Gitterdefekte umfassen. Nulldimensionale Defekte sind z.B. Punktfehler oder Punktdefekte wie Leerstellen (Vacancies), Eigenzwischengitteratome (EZG oder Interstitials) und chemische Fremdatome, die im Wirtsgitter auf Zwischengitter oder Gitterplätzen eingebaut sind. Abhängig davon ob die Defekte durch Wirtsgitteratome oder Fremdatome bedingt sind, spricht man von intrinsischen oder extrinsischen Punktdefekten. Wandern die die Leerstellen verursachenden Wirtsgitteratome an die Oberfläche, so entstehen Schottkydefekte, wandern diese Atome auf Zwischengitterplätze, so spricht man von Frenkeldefekten. Eine Ansammlung (Agglomeration) von Punktfehlern kann zu hö- herdimensionalen Fehlordnungen führen, wie z.B. Versetzungsringe oder Versetzungslinien (eindimensionale Defekte), Stapelfehler (zweidimensionale Defekte) oder Präzipitate von Fremdatomen (dreidimensionale Defekte) Weitere Defekte sind z.B. Korngrenzen (zweidimensional) oder die schon erwähnten dreidimensionalen Präzipitate, (z.B. Sauerstoffpräzipitate in Silizium oder Metallprä- zipitate), bzw. die zur Ausbildung von Präzipitaten erforderlichen Nukleationszentren sowie lokale amorphe Bereiche, die z.B. bei Ionenimplantationen entstehen, oder Voids. Unter kristallähnlich soll z.B. der Übergangsbereich von kristalliner zu amorpher Struktur verstanden werden. Als weiterer Defekt sei noch die Ausbildung von F- Zentren (Farbzentren) angeführt, wie sie z.B. in lonenkristallen vorhanden sind, bei denen sich ein Elektron in einer Halogenlücke in der Nähe benachbarter Kationen aufhält.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die zwei verschiedenen Oberflächen des Substrats etwa gegenüberliegend und die durch die reaktiven Komponenten der Prozeßgase erzeugten Dichteverteilungen der Defekte erstrecken sich von jeder Oberfläche in Richtung der jeweiligen anderen Oberfläche. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich im allgemeinen um scheibenförmige Substrate, z.B. Halbleiterwafer aus Silizium. Dabei wird der Wafer jeweils mit seiner Vorder- und mit seiner Rückseite mit den jeweils unterschiedlichen Prozeßgasen während eines thermischen Behandlungsschrittes in Kontakt gebracht.
Vorzugsweise sind die durch die Prozeßgase mitverursachten Dichteverteilungen der Defekte im wesentlichen Eigenzwischengitteratome an der einen Oberfläche und Leerstellen an der anderen Oberfläche. Die Dichteverteilungen erstrecken sich dann jeweils in Richtung auf die jeweilige andere Oberfläche. Sind die Defekte z.B. bei ei- nem Siliziumwafer an der Vorderseite Eigenzwischengitteratome, d.h. auf der Seite auf der Strukturen entstehen sollen oder bereits Strukturen vorhanden sind, so wird z.B. die Diffusion von im Silizium vorhandenem Bor in Richtung des Waferinneren begünstigt, oder allgemein, die Diffusion von Fremdatomen (die diese Defekte aus Eigenzwischengitteratome, die in die Klasse der Eigenpunktdefekte fallen, als „Diffu- sionsvehikel" nutzen) wird begünstigt in Richtung entgegen des Gradienten der Dichteverteilung der Eigenzwischengitteratome, bzw. gehemmt in Richtung des Gradienten. Entsprechend umgekehrt verhält es sich, wenn die Defekte Leerstellen sind, dann wird die Diffusion von Fremdatomen in Richtung des Gradienten der Dichteverteilung der Leerstellen begünstigt und in Richtung entgegen des Gradienten dieser Dichteverteilung gehemmt. Diese Eigenschaft kann bei der Herstellung flacher, mit Fremdatomen dotierter Zonen vorteilhaft ausgenutzt werden, indem man von der Oberfläche aus, an der sich die dotierten Zonen befinden, einen Überschuß an Leerstellen generiert. Auf der den dotierten Zonen gegenüberliegenden Seite des Kristalls (üblicherweise eines Wafers) wird vorteilhaft ein Überschuß an Eigenzwischengitteratomen erzeugt. Unter Überschuß wird hier ein Überschreiten der Defektkonzentration verstanden, die sich im thermischen Gleichgewicht bei der jeweiligen Prozeß- temperatur einstellen würde. Durch die Erzeugung derartiger Defektverteilungen wird die Diffusion von Fremdatomen in Richtung des Kristallinneren im wesentlichen gehemmt, wodurch sich flache Zonen von Fremdatomen auch nach einer thermischen Behandlung des Kristalls, z.B. nach einem Aktivierungsschritt, herstellen lassen. Als Ergebnis erhält man flache PN-Übergänge, sogenannte Ultra-Shallow-Junctions.
Weiter kann es vorteilhaft sein, daß die Dichteverteilungen jeweils aus Eigenzwischengitteratome und Leerstellen bestehen, die von den jeweiligen Oberflächen ausgehen, und die sich in ihrer Konzentration und/oder in ihrem Verhältnis zueinander unterscheiden. Solche Dichteverteilungen sind z.B. durch geeignete Prozeßgase herstellbar, die sowohl reaktive Komponenten zur Erzeugung von Eigenzwischengitteratomen als auch reaktive Komponenten zur Erzeugung von Leerstellen umfassen. Mit derartigen Prozeßgasen kann insbesondere auf das räumliche Profil aktivierter Fremdatome in einem Kristallgitter, z.B. Silizium, Einfluß genommen werden.
Ferner können vorteilhaft die unterschiedlichen Prozeßgase, die z.B. auf der Vorder- und auf der Rückseite eines Wafers angreifen, unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten und/oder Wärmekapazitäten haben. Dadurch kann z.B. ein unterschiedlich schnelles Abkühlen oder Erwärmen des Wafers auf den jeweiligen Oberflächen unterstützt werden, wodurch sich innerhalb des Wafers von einer Oberfläche zur ande- ren ein Temperaturgradient ausbildet, der z.B. wiederum Einfluß auf das Diffusionsverhalten von Defekten hat. Die vorliegende Erfindung wird vorteilhaft angewandt, um ein Substrat mit einem vordefinierten Temperatur-Zeit-Profil innerhalb einer Prozeßkammer zu prozessieren. Durch das Temperatur-Zeit-Profil kann das Diffusionsverhalten der Defekte entscheidend gesteuert werden.
Zusätzlich kann vorteilhaft wenigstens ein Prozeßgas hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seines Prozeßgasdruckes und/oder hinsichtlich seiner Prozeßgastemperatur mit dem Temperatur-Zeit-Profil korreliert werden. Dabei kann z.B. die Konzentration (Partialdruck) der reaktiven Komponente eines Prozeßgases, der Ge- samtdruck des Prozeßgases aber auch die Temperatur, mit der das Prozeßgas in die Prozeßkammer einströmt und am Substrat angreift, mit dem Temperatur-Zeit-Profil des Substrats korreliert sein.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch an einem „undotierten" Sili- ziumwafer angewandt werden, darunter sollen Wafer verstanden werden, die nach Waferherstellung nicht zusätzlich durch z.B. Diffusion und/oder Implantation und/oder einem anderen Verfahren mit Fremdatomen dotiert werden. Bei solchen Wafern kann z.B. eine räumliche Defektverteilung eingestellt werden, die dann dazu benutzt wird, um die Sauerstoffverteilung innerhalb des Siliziumkristalls festzulegen. Vorteilhaft kann das Verfahren z.B. zur Einstellung der Präzipitatverteilung von Sauerstoff eingesetzt werden.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei „dotierten" Siliziumwafem kann wie oben bereits dargestellt ebenfalls vorteilhaft sein, z.B. bei der Herstellung von flachen pn-Übergängen. Dabei sollen unter dotierten Wafern Wafer verstanden werden, die z.B. durch Diffusion und/oder Implantation und/oder einem anderen Verfahren zusätzlich mit Fremdatomen dotiert werden.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren z.B. bei dotierten Siliziumwafem eingesetzt, so ist es vorteilhaft, wenn gewisse Defekte im wesentlichen in einer Oberflächenschicht zwischen 0 und 150 μm sind, wobei Dichte, Anzahl bzw. Konzentration zum Substratinneren hin abnehmen. Als Beispiel seien Gitterfehlstellen genannt. Wird dagegen des erfindungsgemäße Verfahren für die Präparation von Siliziumwafem eingesetzt, so ist es vorteilhaft, wenn gewisse Defekte in einer Oberflächenschicht zwischen 0 und 150 μm wesentlich verarmt sind, und sich die Defekte im wesentlichen im Substratinneren befinden. In diesem Fall sind die Defekte z.B. im wesentlichen Leerstellen an denen sich z.B. Sauerstoffpräzipitate bilden können. Hierdurch wird vorteilhaft an der Waferoberfläche eine präzipitatfreie Schicht von ca. 150 μm erzeugt, innerhalb derer Strukturen wie z.B. elektronische Schaltkreise hergestellt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch bei Produktionswafern einsetzen, d.h. Wafern die bereits Strukturen umfassen die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, diskreten Bauelementen, oder allgemein, elektronischen Schaltkreisen auftreten. Ferner können die Wafer oder Substrate auch Bauelemente aus der Mi- krostrukturtechnik umfassen.
Im allgemeinen können, wie oben bereits erwähnt, die Defekte Fremdatome sein. Dies ist insbesondere bei dotierten Kristallen der Fall. Die Defekte können aber auch Leerstellen sein, an denen z.B. eine Präzipitatbildung erfolgt, so daß die Defekte letztlich Präzipitate sind.
Ferner können die Defekte auch „crystal originated particles" COPs sein, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in ihrer räumlichen Verteilung und/oder Konzentration gesteuert werden.
Vorteilhafterweise können die durch wenigstens ein Prozeßgas generierten Defekte in einer Schicht in der Nähe einer Oberfläche eine Getterschicht erzeugen, die z.B. zum Gettern von Verunreinigungen wie Metallen eingesetzt werden kann. Eine solche Getterschicht kann z.B. aus einer Akkumulation von Sauerstoffpräzipitaten in Silizium bestehen. Wie oben beschrieben, kann eine solche Präzipitatschicht z.B. mittels einer geeigneten räumlichen Leerstellenverteilung hergestellt werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Defekte wie Leerstellen und/oder Eigenzwischengitteratome erzeugt, wobei vorzugsweise das reaktive Prozeßgas Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder eine Sauerstoff und/oder eine Stickstoff enthaltende Komponente umfaßt. Dabei kann z.B. eines der Prozeßgase im wesentlichen aus Sauerstoff und/oder aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas bestehen, d.h. der Anteil anderer Gase beträgt z.B. weniger als 100.000 ppm.
Für gewisse Verfahren kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn eines der Prozeßgase weniger als 50.000 ppm, vorzugsweise weniger als 1.000 ppm, bei manchen Prozessen sogar weniger als 250 ppm, jedoch mehr als 10 ppm Sauerstoff (oder allgemein Sauerstoff enthaltendes Gas) und/oder Stickstoff (oder allgemein Stickstoff enthaltendes Gas) enthält.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen in
Figur 1 ein schematische Schnittdarstellung einer Prozßkammer z.B. eines RTP- Systems, geeignet zur Durchführung der Erfindung;
Figur 2 a) Beispiele verschiedener Prozeßgasgemische mit jeweils mehreren reaktiven Gasen; b) Beispiel verschiedener Prozeßgase mit jeweils einem reaktiven Gas;
Figur 3 schematische Konzentrationsverteilungen von implantierten Fremdatomen nach der thermischen Aktivierung bei Anwendung verschiedener Prozeßgase;
Figur 4 gemessene Konzentrationsverteilungen von implantierten Fremdatomen (As) nach der thermischen Aktivierung bei Anwendung verschiedener Prozeßgase; Figur 5 schematische Darstellungen von Präzipitatdichteverteilungen bzw. Leerstellen-Dichteverteilungen in einem Wafer entlang der Waferdicke;
Figur 6 einen Teil einer Prozeßkammer mit schematischer Darstellung einer Rota- tionsvorrichtung mit Trennvorrichtung zur Ausbildung einer geteilten Prozeßkammer mit zwei Teilkammern.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Prozeßkammer 3, die geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es kann sich hierbei um die Kam- mer eines RTP-, CVD-, RTCVD- oder Epitaxie-Systems 1 handeln, innerhalb derer im allgemeinen ein einzelner Wafer 5 (ein Substrat 5) eine thermische Behandlung erfährt. Der Wafer oder das Substrat ist z.B. ein Siliziumwafer mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm oder auch größer. In dem System 1 wird der Wafer mittels einer Heizvorrichtung 17, 18 z.B. mittels Lampen 2, 4, vorzugsweise z.B. stabförmi- ge Halogenlampen die in Form von Lampenbänken 17, 18 angeordnet sind, auf eine Temperatur zwischen Raumtemperatur und ca. 1400 °C (im Falle von Siliziumwafem) erhitzt. Vorzugsweise werden Lampen in Form von Lampenbänken 17, 18 außerhalb der Prozeßkammer 3 über und/oder unter dem Wafer 5 angeordnet. Bei einer beidseitigen Anordnung der Lampenbänke 17, 18 wird eine beidseitige Heizung des Wafers 5 durch die Lampenstrahlung der Lampen 2 und 4 bzw. der Lampenbänke 17, 18 ermöglicht. Dabei können die Lampen 2, 4 der oberen und unteren Lampenbänke 17, 18 parallel zueinander, unter einem Winkel oder, wie in Fig. 1 dargestellt, senkrecht zueinander angeordnet sein. Die Prozeßkammer 3 umfaßt für die Lampenstrahlung transparente Bereiche, die z.B. aus Quarz bestehen, damit die Lampenstrahlung ins Innere der Prozeßkammer zum Aufheizen des Wafers gelangen kann. Auch kann die gesamte Prozeßkammer aus z.B. Quarz ausgebildet sein.
Vorteilhaft sind die Lampen 2, 4 der Lampenbänke 17, 18 unter einem Winkel zueinander, vorzugsweise unter 90° wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, angeordnet, wobei jede einzelne Lampe separat ansteuerbar ist, oder die Lampen in vordefinierten Gruppen gruppenweise ansteuerbar sind. Systeme 1 mit einseitiger Heizung sind ebenfalls gebräuchlich, wobei bei diesen meist die der Lampenbank gegenüberliegende Kammerwand verspiegelt ist.
Die dargestellte Prozeßkammer verfügt weiter über wenigstens zwei Gaseinlaßvor- richtungen 7, 10 über die wenigstens zwei Prozeßgase 9, 12 in Teilkammern 13 und 14 eingeleitet werden können, ohne daß die Prozeßgase 9, 12 wesentlich miteinander mischen. Ebenso verfügt die Kammer 3 über wenigstens zwei getrennte Gasauslaßvorrichtungen 8, 11 über die das jeweilige Prozeßgas 15, 16 aus den Teilkammern 13 und 14 wieder entweichen kann. Idealerweise ist die Kammer 1 so ge- schaffen, daß die einströmenden Prozeßgase 9, 10 möglichst wenig miteinander mischen, so daß die ausströmenden Prozeßgase 8 und 11 möglichst geringe Anteile des jeweiligen anderen Gases oder etwaiger Reaktionsprodukte des jeweiligen anderen Gases enthalten.
Die maximalen Prozeßtemperaturen, auf die das Substrat 5 in der Kammer 3 aufgeheizt wird, hängen von der Art des Substrats ab, ebenso die Prozeßzeiten und der Temperatur-Zeit-Verlauf der Wärmebehandlung. Bei Siliziumwafem in RTP- Systemen werden Prozeßzeiten zwischen ca. 0 und 500 Sekunden eingesetzt, um den Wafer auf etwa konstanter Temperatur zu halten. Die Rampraten für das Aufhei- zen betragen etwa 5°C/s bis ca. 500°C/s, für das Abkühlen etwa bis zu 150°C/s, wobei mit entsprechenden Kühlvorrichtungen jedoch auch Kühlraten im Bereich der Heizraten erzielbar sind. Innerhalb der genannten Rampraten, Temperatur- und Zeitbereiche kann ein Wafer mit modernen Anlagen wie der AST 3000 so geheizt werden, daß die Wafertemperatur nahezu jeder beliebigen Temperatur-Zeit-Kurve folgt, wobei die Temperaturverteilung über eine Waferoberfläche etwa auf 0.1% bis 1,5% einer vorgegebenen Temperaturverteilung angenähert werden kann. Bei doppelseitigem Heizen des Wafers, wie dies z.B. in Fig. 1 durch die Lampenbänke 17 und 18 oberhalb und unterhalb des Wafers ermöglicht wird, können auch Temperaturunterschiede zwischen Wafervorder- und Waferrückseite (Oberseite und Unterseite) ein- gestellt werden, wobei in der Praxis im allgemeinen die Anforderungen bestehen, möglichst kleine Temperaturunterschiede zwischen Ober- und Unterseite und möglichst gleichförmige Temperaturverteilungen auf dem Wafer zu realisieren. Um die Anforderungen hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Temperaturverteilungen, die der Wafer während der thermischen Behandlung erfahren soll zu erfüllen, sind wie oben erwähnt, die Lampen 2, 4 der Lampenbänke 17, 18 einzeln oder in Gruppen ansteuerbar, so daß das in der Prozeßkammer 1 herrschende, durch die Heizvorrichtung 17, 18 erzeugte Strahlungsfeld sowohl räumlich als auch zeitlich steuerbar ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Prozeßkammer 3 als zweiteilige Kammer mit den Teilkammern 13 und 14 ausgebildet. Die Teilkammern 13 und 14 werden durch eine Teilvorrichtung 6 und durch den Wafer 5 gebildet. Dabei besteht die Teilvorrichtung 6 vorzugsweise aus einem für die Lampenstrahlung und/oder Waferstrahlung transparenten Material, vorzugsweise aus Quarz. Die Teilvorrichtung 6 kann dabei einen ringförmigen nicht transparenten Bereich 6a umfas- sen, so daß der Wafer von diesem Bereich 6a umgeben ist. Dieser Bereich 6a bildet eine Art Schutzring (Guard Ring) um den Wafer, um eine gleichförmigere Temperaturverteilung zu erreichen. Der Schutzring 6a kann dabei dünner, dicker oder mit gleicher Dicke wie der Wafer ausgebildet sein. Er kann in der Waferebene, etwas unterhalb oder etwas oberhalb des Wafers angebracht sein, wobei die Verschiebung aus der Waferebene im allgemeinen kleiner als 5% des Waferdurchmessers ist, d.h. bei einem 300 mm Wafer ist die Verschiebung vorzugsweise kleiner 15 mm.
Der Wafer 5 wird durch eine nicht näher dargestellte Waferhaltevorrichtung innerhalb der Prozeßkammer 3 so gehaltert, daß zusammen mit der Teilvorrichtung 6 eine zweigeteilte Kammer mit den Teilkammern 13 und 14 entsteht. Ein etwaiger Spalt zwischen dem Wafer 5 und der Teilvorrichtung 6 ist dabei minimiert, aber dennoch so groß, daß der Wafer eine durch die thermische Behandlung erfahrende Wärmedehnung ausführen kann. Liegt der Wafer 5 auf der Teilvorrichtung 6 auf, so kann vorteilhafterweise eine Spaltbildung zwischen Wafer 5 und Teilvorrichtung 6 vermie- den werden, wodurch die Teilkammern besser voneinander getrennt sind. Liegen Wafer 5 und Teilvorrichtung 6 nicht in einer Ebene, so läßt sich eine Trennung der Teilkammern z.B. auch so realisieren, daß der Wafer 5 einen Teil der Teilvorrichtung 6 überdeckt, wodurch sich zwischen den Teilkammern 13 und 14 im wesentlichen ein horizontaler Spalt ergibt. Die Spaltbreite wird dabei durch den Abstand von Wafer 5 und Teilvorrichtung 6 bestimmt. Dieser Abstand kann ebenfalls minimiert werden, damit zwischen den Teilkammern 13, 14 möglichst wenig Gas ausgetauscht wird.
Ferner kann der Wafer 5 mittels einer Rotationsvorrichtung (nicht dargestellt) in Rotation versetzt werden, wobei vorteilhaft die Rotationsachse durch das Waferzentrum und senkrecht zur Waferfläche verläuft. Durch eine Rotation des Wafers läßt sich eine gleichförmigere homogene Temperaturverteilung realisieren. Wird der Wafer 5 rotiert, so werden die Teilkammern 13 und 14 vorzugsweise durch die oben beschriebene teilweise Überdeckung der Trennvorrichtung durch den Wafer oder Teilen der Rotationsvorrichtung realisiert. Bezüglich der letzteren Möglichkeit zeigt Fig. 6 schematisch eine Rotationsvorrichung 60 eines möglichen Ausführungsbeispiels, bei dem der Wafer 5 auf Waferunterstützungselementen 61 eines rotierenden Ringes 62 gehalten wird. Der rotierende Ring 62 weist an seinem Umfang ein nach außen offenes U-Profil 63 auf, in das die Trennvorrichtung 6 der Prozeßkammer 3 wenigstens teilweise hinein ragt, ohne jedoch den Steg des U-Profils 63 zu berühren. Damit überlappt die Rotationsvorrichtung 60 die Trennvorrichtung 6 beidseitig, was zu einer guten Trennung der beiden Teilkammern 13 und 14 führt. Der horizontale Spalt zwi- sehen dem U-Profil 63 und der Trennvorrichtung 6 wird dabei minimiert. Zusätzlich können wenigstens einseitig, vorteilhafterweise jedoch beidseitig an den Flanschen des U-Profils 63 Flügel 64 angebracht sein, so daß bei Rotation der Rotationsvorrichtung 60 diese Flügel 64 aufgrund der Zentrifugalkräfte eine Pumpwirkung entfalten und somit verhindern, daß Prozeßgas aus der einen Teilkammer in die andere gelangt. Abhängig vom Substratmaterial besteht der Ring 62 z.B. aus Quarz oder Saphir (z.B. wenn das Substrat aus Saphir besteht wie z.B. bei Ill-V-Halbleitern, z.B. bei GaN:Mg), bei Siliziumwafem besteht der Ring vorteilhaft aus Silizium oder beschichtetem Silizium oder Siliziumkarbid (SiC), wobei SiC auch für GaN:Mg verwendet werden kann, wenn als Trägermaterial des Ill-V-Halbleiters SiC verwendet wird. Dadurch läßt sich der Wafer sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite und von den Randbereichen beheizen. Die Rotation und/oder die Position der Rotationsvorrichtung 60 relativ zur Kammer 3 kann mechanisch über z.B. eine Achse, magne- tisch, elektromagnetisch oder über eine Luftkissenvorrichtung erfolgen. Ferner können in der Trennvorrichtung 6 Absaug Vorrichtungen und/oder Gaseinlaßdüsen vorgesehen sein, so daß z.B. Gas, welches von einer Teilkammer 13, 14 in die jeweilige andere zu strömen versucht, abgesaugt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann über Gaseinlaßdüsen z.B. ein Inertgas einströmen, so daß eine Art Gasdichtung zwischen den Teilkammern 13 und 14 im Bereich des U-Profils 63 entsteht. Unter bestimmten Bedingungen können die Gaseinlaßdüsen auch mit einem reaktiven Prozeßgas beaufschlagt werden, wenn z.B. ein Mischen der Gase in einer Kammer zulässig, in der anderen Kammer jedoch unzulässig ist. In diesem Falle wird vorteilhaft das Prozeßgas als Gasdichtung verwendet, welches sich in der Kammer befindet, die gegenüber der anderen abgedichtet sein soll.
In Fig. 2 sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, wobei oberhalb und unterhalb des Wafers 5 in den Teilkammern 13 und 14 jeweils Prozeßgase mit wenigstens einer reaktiven Komponente eingesetzt werden.
Dabei können wie in Fig. 2a exemplarisch dargestellt, in einer Teilkammer 13, 14 Prozeßgase mit wenigstens zwei reaktiven Komponenten eingesetzt werden, wobei z.B. die Stickstoff enthaltenden Komponenten bei einer thermischen Behandlung des Siliziumwafers zusätzliche Leerstellen an der Waferoberfläche erzeugen, die dann in das Waferinnere diffundieren. Sauerstoff enthaltende Komponenten erzeugen zusätzliche Eigenzwischengitteratome (EZG), die ebenfalls in das Waferinnere diffundieren. Durch geeignete Kombination von Sauerstoff und Stickstoff enthaltenden Gasen kann also die Konzentration der Leerstellen und der EZG eingestellt werden. Da die Leerstellen und die EZG unterschiedliche Diffusionskoeffizienten in Silizium haben, und auch miteinander rekombinieren, kann zusätzlich eine gewünschte Dichteverteilung (von der Oberfläche hin zum Waferinneren) von Leerstellen und/oder EZG eingestellt werden. Dabei können sowohl die Temperatur, das zeitliche Temperaturprofil, die Prozeßzeit und die Zusammensetzung der Gasmischung für die Einstel- lung der Konzentration und der Dichteverteilung der Defekte verwendet werden. Mit der Dichteverteilung der Defekte wird aber auch direkt die Verteilung von aktivierten Fremdatomen (Donatoren oder Akzeptoren) mitbestimmt. Durch die thermische Behandlung, die Aktivierung von implantierten Siliziumwafem, verbreitert sich naturgemäß das beim Dotiervorgang erzielte räumliche Verteilungsprofil der eindo- tierten Fremdatome durch Diffusion. Diese Diffusion ist jedoch aufgrund der Möglichkeit der Aktivierung, d.h. aufgrund der Möglichkeit das ein Fremdatom auf einen Gitterplatz des Siliziums gelangen kann, wesentlich auch durch die Konzentration und die räumliche Verteilung (Dichteverteilung) der Defekte mitbestimmt. Denn die Defekte beeinflussen wesentlich die Aktivierungswahrscheinlichkeit, d.h. die Wahr- scheinlichkeit, daß ein Fremdatom auf einen Gitterplatz des Siliziums gelangen kann. Eine derartige Manipulation der räumlichen Verteilung der aktivierten Fremdatome mittels der Anwendung von RTP in einer ungeteilten Prozeßkammer, d.h. in einer Prozeßkammer, in der der Wafer allseitig vom gleichen Prozeßgas umgeben ist, ist z.B. in der nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 199 27 962 der glei- chen Anmelderin ausführlich beschrieben.
Die in Fig. 2a dargestellte Prozeßgaskombination a) (NH3 + N2O) und c) (H2 + O2) wird z.B. zur Herstellung von flachen pn-Übergängen (sogenannten „Ultra-Shallow- Junctions") eingesetzt. Dabei betragen die Konzentrationen von NH3 etwa 5 ppm bis 50.000 ppm, die Konzentration von N2O liegt im Bereich von 0% bis 100% (abzüglich der NH3 Konzentration). Ferner können die beiden reaktiven Gase auch mit einem Inertgas wie z.B. Argon verdünnt sein. Alternativ kann statt des Prozeßgases c) ein Gemisch aus z.B. (N2 + O2) verwendet werden, wobei die O2-Konzentration im Bereich von 10 ppm bis 50.000 ppm ist. Auch diese Gasmischung kann mit einem Inertgas wie Argon verdünnt werden, oder es kann der Stickstoff durch ein Inertgas ersetzt werden. Wird in einem Prozeßgasgemisch Wasserstoff H2 und ein Sauerstoff enthaltendes Gas verwendet, so wird die Wasserstoffkonzentration bevorzugt im Bereich außerhalb der Explosionsgrenze gewählt, falls eine Explosion möglich ist. Ist das Sauerstoff enthaltende Gas H2O wie z.B. im Beispiel b) in Fig. 2a, so besteht keine Explosionsgefahr und es kann ein beliebiges Gemisch gewählt werden, z.B. vom Sub-ppm-Bereich bis zu 100% der jeweiligen Gase. Das Gasgemisch c) (H2 + O2) kann z.B. so gewählt werden, daß unter atmosphärischem Druck erst an der hei- ßen Substratoberfläche und/oder in deren Nähe eine Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser erfolgt. Dieses Wasser dient dann z.B. zur Oxidation der Substratoberfläche.
Fig. 2b zeigt vier Beispiele a) bis d) bei denen wenigstens zwei reaktive Gase an jeweils unterschiedlichen Flächen des Substrates angreifen. Im Beispiel a), ist die H2- und H20-Konzentration im Bereich von ca. 1 ppm bis 100% sein (z.B. verdünnt durch Inertgase wie Argon oder bei Temperaturen unter ca. 1100°C auch N2). Bei Temperaturen über 1100°C wird bei der Prozessierung von Silizium auch molekularer Stick- stoff zu einem Stickstoff enthaltenden reaktiven Gas, da dann an der Si- und/oder einer Si02-Oberfläche eine Nitridierung erfolgt, wodurch Defekte in Form von Leerstellen entstehen. Allgemein kann ein zunächst (d.h. bei niedrigen Temperaturen) inertes Gas sich ab dem Überschreiten einer Schwelltemperatur des Substrats sich zunehmend reaktiv verhalten. Auch solche Gase sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als reaktive Gase betrachtet werden, wenn die Substrattemperatur während der Wärmebehandlung die Schwelltemperatur übersteigt. Damit ist eine Vielzahl von Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. So kann z.B. im Beispiel a) von Fig. 2b zunächst das Wasser (genauer das gasförmige Wasser) welches z.B. im wesentlichen auf der Unterseite des Siliziumwafers 5 angreift mit N2 verdünnt sein, z.B. eine N2-Konzentration von ca. 1 ppm bis ca. 100.000 ppm. Beim hochheizen des Wafers wirkt das Wasser oxidierend, d.h. es entstehen auf der Waferrückseite zusätzliche Eigenzwischengitteratome. Wird die Schwelltemperatur von ca. 1100°C überschritten, so wirkt der molekulare Stickstoff zusätzlich nitridierend und es werden zusätzlich Gitterfehlstellen (Vacancies) erzeugt. Diese aber nur während der Zeit des Überschreitens der Schwelltemperatur. Damit eröffnet sich eine weiter Möglichkeit der Steuerung der Defektverteilung.
Die in Fig. 2b dargestellten Beispiele a) und c), bei denen oberhalb eines Si-Wafer Wasserstoff (im Konzentrationsbereich zwischen 1 ppm und 100%) und unterhalb des Wafers Wasser oder Sauerstoff Geweils im Konzentrationsbereich zwischen 1 ppm und 100%) als reaktive Gase verwendet werden, lassen sich z.B. dazu verwenden, um auf der Oberseite des Wafers die COP-Dichte zu verringern, denn der Was- serstoff reduziert das Si02 innerhalb der COPs, wodurch diese durch Anlagern von interstitiellen Si-Atomen beseitigt werden können. Zusätzlich wird auf der Waferrück- seite durch die Oxidation interstitielles Si erzeugt, welches in Richtung der Wafer- oberseite diffundiert.
Wird auf der Waferrückseite z.B. N20 (im Konzentrationsbereich 1 ppm bis 100%) und auf der Waferoberseite NH3 (im Konzentrationsbereich 10 ppm bis 100.000 ppm) verwendet (wie in Fig. 2b im Beispiel b) dargestellt), so werden im Bereich der Oberseite Fehlstellen und im Bereich der Unterseite EZG erzeugt.
Im Beispiel d) in Fig. 2b wird oberhalb des Wafers Wasserstoff H2 (eventuell verdünnt mit einem Inertgas wie Ar oder N2) mit einer Konzentration von 1 ppm bis 100% verwendet, unterhalb des Wafers kommt Ammoniak NH3 zum Einsatz (eventuell verdünnt mit einem Inertgas wie Ar oder N2). Hier werden beispielsweise im Bereich der oberen Waferoberfläche COPs reduziert und im Bereich der unteren Waferoberfläche werden Fehlstellen erzeugt, die z.B. zur Ausbildung von Getterzentren dienen können.
Die Gase bzw. Gaskombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können allgemein beliebig miteinander kombiniert werden. Ferner können Gase oder Gaskombinationen durch äquivalent wirkende ersetzt werden.
Fig. 3 zeigt schematisch die eindimensionale Verteilung aktivierter Fremdatome als Funktion des Abstandes von der Waferoberfläche. Dabei zeigt Kurve 31 eine herkömmliche Aktivierung, bei der ein inertes Gas oder lediglich ein reaktives Gas zur Manipulation der Defektverteilung innerhalb des Wafers verwendet wird. Bei diesen herkömmlichen Aktivierungsverfahren wird höchstens eine Defektart (Leerstellen oder EZG-Defekte) durch das Prozeßgas beeinflußt, wie dies z.B. in D.F. Downey et al.; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. (1997), Vol 470, pp. 299-311 , beschrieben ist.
Bei gleichem thermischen Budget läßt sich die Verteilung der aktivierten Fremdatome wesentlich schmaler gestalten, indem man das obige in der deutschen Patentanmeldung 199 27 962 beschriebene Verfahren anwendet. Dies ist durch die Kurve 32 schematisch wiedergegeben. Zusätzlich läßt sich die Konzentration der aktivierten Fremdatome erhöhen, was sich auch in einer Erhöhung des Plateaubereichs 32a zeigt, so daß sich die Verteilung der aktivierten Fremdatome mehr einem gewünschten „Kasten profil" 35 annähert. Dies ist insbesondere bei sehr hochintegrierten Schaltkreisen notwendig, da dort sehr dünne aktivierte Zonen erforderlich sind, und somit ein „Kastenprofil" 35 möglichst gut realisiert werden soll.
In Fig. 4 sind einige gemessene Aktivierungsverteilungen in Form der Dichte der aktivierten Fremdatome (in 1/ccm) als Funktion des Abstandes von der Siliziumwafer- oberfläche (in Angström) für Arsen wiedergegeben, die nach dem Verfahren gemäß der deutschen Patentanmeldung 199 27 962 erzeugt wurden. Es ist deutlich zu erkennen, daß durch die Kombination zweier reaktiver Gase (hier NH3 und N2O) die jeweils Leerstellen und EZG erzeugen, eine Steigerung des Plateaus 32a (siehe auch Fig. 3) erreicht werden kann (vergleiche Kurve 41 mit 42 bis 44), und daß zusätzlich durch geeignete Wahl der Zusammensetzung der reaktiven Gase (hier NH3 und N2O) die Breite der Dichteverteilung minimiert werden kann (vergleiche Kurve 44 mit z.B. 41). Damit lassen sich die Anforderungen des „Kastenprofils" 35, einer möglichst hohen Aktivierungskonzentration bei möglichst schmaler Verteilung, deutlich besser erfüllen. Als Trägergas der reaktiven Gase kann z.B. ein Edelgas wie Argon oder aber auch molekularer Stickstoff N2 dienen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann nun das bisher mit Hilfe von Figur 3 und Figur 4 dargestellte Verfahren weiter verbessert werden, indem man wie in Figur 2a dargestellt, oberhalb und unterhalb des Wafers in den Teilkammern 13 und 14 jeweils unterschiedliche Prozeßgase anwendet. So lassen sich z.B. Gaskombinationen a) und c), wie in Figur 2a dargestellt, miteinander kombinieren, wobei die jeweiligen Konzentrationsverhältnisse untereinander oder in einem inerten Trägergas den Anforderungen angepaßt werden. Bei der Kombination a) und c) lassen sich z.B. an der Waferrückseite zusätzliche EZG erzeugen, die sehr schnell in Richtung der Wafervorderseite diffundieren (auf der sich die herzustellenden Strukturen, z.B. MOS- Transistoren befinden). Ist z.B. auf der Wafervorderseite Arsen implantiert, so kann die Diffusion von Arsen ins Waferinnere zusätzlich unterbunden werden. Eine weitere Annäherung an das gewünschte Kastenprofil 35 ist die Folge, dies ist in Fig. 3 mit 34, 34a bezeichnet. Bei geeigneter Konzentration von Sauerstoff und Wasserstoff kann auf der Waferrückseite zusätzlich eine in-situ Naßoxidation erfolgen, oder aber der Wasserstoff für Reduktionsreaktionen oder zur Absättigung von Danglingbonds verwendet werden.
Alternativ zu den in Figur 2a dargestellten Prozessen, bei denen sich in jeder Teilkammer 13, 14 wenigstens zwei oder mehrere reaktive Gase (und eventuelle inerte Trägergase) befinden, kann sich wie in Fig. 2b exemplarisch dargestellt, sich in jeder Teilkammer 13, 14 nur ein reaktives Gas (und eventuelle inerte Trägergase) befin- den. Einige Beispiele sind in a), b), c) und d) angegeben und wurden oben bereits diskutiert. Auch hier lassen sich die Defekt-Dichteverteilungen von der Wafervorderseite und von der Waferrückseite durch den Einfluß der reaktiven Gase steuern. Ferner ist auch eine Kombination der in Figur 2a und Figur 2b beschriebenen Verfahren möglich, bei der in einer Teilkammer nur ein reaktives Gas (eventuell mit einem oder mehreren inerten Trägergasen) und in der anderen Teilkammer zwei oder mehrere reaktive Gase (eventuell mit inerten Trägergasen) vorhanden sind.
Die bisherigen Kombinationen und die in der Fig. 2 dargestellten Gase und Gaskombinationen sind lediglich als Beispiele zu verstehen. Allgemein können in einer Teil- kammer 13, 14 der Prozeßkammer 3 mehr als zwei reaktive Gase verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde bisher im Zusammenhang mit der Aktivierung von in Silizium dotierten Fremdatomen anhand der Figuren 3 und 4 beschrie- ben. Nachfolgend werden weitere Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Fig. 5 zeigt schematisch verschiedene räumliche Verteilungen von Präzipitaten (z.B. Sauerstoffpräzipitaten in Silizium) entlang der Waferdicke. Die Verteilung 51 ergibt sich, wenn auf beiden Seiten des Wafers 5 das gleiche Prozeßgas verwendet wird. Dabei hängt die Art der Verteilung, insbesondere die Ausbildung der Maxima und der Abfall der Verteilung zum Waferrand hin, wesentlich von dem Temepratur-Zeit- Verlauf der thermischen Behandlung des Wafers 5 ab. Im allgemeinen wird der Wafer in undotiertem Zustand in einem Stickstoff enthaltenden Prozeßgas prozessiert, wobei ein Stickstoff enthaltendes Gas als reaktives Gas wirkt und an der Waferoberfläche Leerstellen generiert. Diese Leerstellen bilden Nukleationskeime für die Sau- erstoffpräzipitation, die im allgemeinen in einem späteren thermischen Behandlungsschritt erfolgt.
Die stark unsymmetrischen Verteilungen 52 bzw. 53 können z.B. durch unterschiedliche Prozeßgase in den Teilkammern 13 und 14 erzeugt werden, wobei das erfin- dungsgemäße Verfahren angewandt werden kann. Beispielsweise indem man in einer Teilkammer 14 ein Inertgas wie Argon verwendet, dem nur etwa im Bereich zwischen 10 ppm und 5000 ppm Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas beigefügt ist, um im wesentlichen ein Ätzen des Wafers 5 auf dieser Seite zu vermeiden, und um eine Reduktion der Leerstellen durch zusätzliche Erzeugung von Eigen- zwischengitteratomen zu erhalten (Kurve 52). In der anderen Teilkammer 13 wird dagegen ein Stickstoff enthaltendes Gas wie NH3 eingesetzt, um im wesentlichen eine Leerstelleninjektion an der Waferoberfläche zu erhalten. Geringe Mengen von zusätzlich beigefügtem Sauerstoff verhindern ein Anätzen des Siliziums. Damit erhält man eine Leerstellenverteilung, die im wesentlichen ein Maximum in der Nähe einer Waferoberfläche besitzt. Diese Oberfläche wird dann als Waferrückseite verwendet, da dort die Dichte der später entstehenden Sauerstoffpräzipitate am größten ist. Die Sauerstoffpräzipitate können dann als Getter für z.B. Schwermetalle wie Cr, Nr, Cu, Fe oder sonstige im Silizium oder in der Prozesskammer befindliche Verunreinigungen wirken. Auf der präzipitatverarmten Seite werden dann die Strukturen, z.B. Schaltkreise, aufgebracht. Da hier Sauerstoffpräzipitate die elektrischen Eigenschaften wie z.B. die Durchbruchspannung und das Langzeitverhalten elektronischer Bauteile nachteilig beeinflussen würden, ist in einem Oberflächenbereich von bis zu 150 μm eine möglichst geringe Präzipitation von Sauerstoff erwünscht. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Präzipitatdichte unmittelbar nach einer weitgehend präzipitatfreien Oberflächenschicht stark ansteigt. Dadurch erhält man eine Getter- wirkung in unmittelbarer Nähe der elektronischen Strukturen (z.B. MOS- Transistoren), was vorteilhaft die elektrischen Daten der Strukturen weiter verbes- seit. Man spricht dann von „intrinsischem Gettern". Eine solche Präzipitatstruktur ist z.B. in Kurve 54 schematisch wiedergegeben. Hier fällt die Präzipitatdichte wenigstens zu einer Seite hin stark ab, während sie sonst sehr hoch ist, um eine Getterwir- kung zu entfalten. Dabei kann die Präzipitatdichte an einer Waferoberfläche sogar zusätzlich zunehmen, wie dies in Kurve 55 schematisch zeigt. Auf der präzipitatver- armten Seite werden dann die Strukturen aufgebracht. Befinden sich gemäß der vorliegenden Erfindung während der thermischen Behandlung unterschiedliche Prozeßgase in den Teilkammern 13 und 14, so kann die Steilheit bzw. das Profil der Verarmungszone auf beiden Seiten gesteuert werden, so daß sich unterschiedliche Profile in den Bereichen A und C ergeben, wobei in der Nähe wenigstens einer Oberfläche die Konzentration der Präzipitate wesentlich geringer ist als in einem Mittenbereich B des Wafers.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Reduktion der Dichte von COPs. COPs wirken sich ebenfalls störend bei der Produktion von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen aus, da diese, wenn sie sich in der Oberflächenschicht befinden, in der die Bauteile entstehen, die Funktionsweise dieser beeinträchtigen können. COPs können z.B. durch eine thermische Behandlung des Wafers bei Temperaturen über ca. 1100 °C (vorzugsweise über 1150 °C) in einer Wasserstoff enthaltenden Prozeßgasatmosphäre chemisch reduziert werden, wobei das innerhalb der COPs befindliche Si02 reduziert wird. Durch z.B. Sauerstoff enthaltendes Gas (z.B. 02 und/oder H2O) in geringen Mengen (bis 0.1 %) können zusätzlich Zwischengitteratome an der Waferoberfläche erzeugt werden, die dann innerhalb der COPs wieder auf Gitterplätzen rekombinieren. Damit wird die Größe der COPs reduziert, bzw. die COPs werden beseitigt. Durch geeignete Prozeßführung lassen sich die COPs an den Oberflächenschichten reduzieren, wobei ähnlich wie bei den Präzipitaten ebenfalls ein räumliches COP-Profϊl einstellbar ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann z.B. auf der Wafervorderseite eine COP-Verarmung generiert werden und auf der Waferrückseite können z.B. mittels Stickstoff enthaltenden Gasen Leerstellen generiert werden, die zur Ausbildung einer Getterschicht verwendet werden, wie dies in Fig. 2b im Beispiel d) skizziert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand der obigen Ausführungsbeispiele, Steuerung von Punktdefektprofilen und damit auch Steuerung von Fremdatomprofilen z.B. zur Herstellung von „ultrashallow junctions" (flachen pn-Übergängen), Steue- rung von Sauerstoffpräzipitaten und von COPs (crystal originated particies) bezüglich Konzentration und Verteilung in z.B. Silizium beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf diese Beispiele beschränkt und kann auch bei anderen Halbleitern, z.B. bei Halbleitern der Klassen lll-V oder ll-VI, sowie anderen kristallinen Substanzen wie z.B. lonenkristallen angewandt werden. Insbesondere können zur Erweiterung des Anwendungsbereiches der vorliegenden Erfindung die im Rahmen der beschriebenen Ausführungsbeispiele dargelegten Merkmale untereinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung von Defektprofilen in einer kristallinen oder kristallähnlichen Struktur eines Substrates, vorzugsweise eines Halbleiters, während einer ther- mischen Behandlung in einer Prozesskammer, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konzentration und / oder eine Dichteverteilung von Defekten in Abhängigkeit von wenigstens zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlichen Prozeßgasen mit jeweils wenigstens einer reaktiven Komponente gesteuert wird, wobei wenigstens zwei der Prozeßgase im wesentlichen getrennt voneinander jeweils an wenigstens zwei verschiedenen Oberflächen des Substrats angreifen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die zwei verschiedenen Oberflächen des Substrats etwa gegenüberliegend sind, und daß sich die durch die reaktiven Komponenten der Prozeßgase erzeugten Dichteverteilungen der De- fekte von jeder Oberfläche in Richtung auf die jeweils andere Oberfläche erstreckten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteverteilungen jeweils im wesentlichen aus. Eigenzwischengitteratomen, ausgehend von der einen Oberfläche, und im wesentlichen aus Leerstellen, ausgehend von der anderen Oberfläche, bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteverteilung jeweils aus Eigenzwischengitteratomen und Leerstellen ausgehend von den jeweiligen Oberflächen bestehen, die sich in ihrer Konzentration und/oder in ihrem Verhält- nis zueinander unterscheiden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Prozeßgase unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten und/oder Kapazitäten aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit einem vordefinierten Temperatur-Zeit-Profil innerhalb der Prozeßkammer prozessiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Prozeßgas korreliert mit dem Temperatur-Zeit-Profil hinsichtlich der Zusammensetzung und / oder hinsichtlich des Prozeßgasdruckes und / oder der Prozeßgastemperatur gesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein undotierter Siliziumwafer ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein dotierter Siliziumwafer ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Produktionswafer ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß die Defekte im wesentlichen in einer Oberflächenschicht zwischen 0 und
150 μm sind, und daß die Defekte zum Substratinneren hin abnimmt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte in einer Oberflächenschicht zwischen 0 und 150 μm wesentlich verarmt sind, und daß die Defekte im wesentlichen im Substratinneren sind.
13. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte Fremdatome sind.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte Präzi- pitate und / oder Leerstellen sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Defekte COPs sind.
16. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die durch wenig- stens ein Prozeßgas generierten Defekte in einer Schicht in der Nähe einer Oberfläche eine Getterschicht erzeugen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Getterschicht im wesentlichen durch Sauerstoffpräzipitate gebildet wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Prozeßgase im wesentlichen aus Sauerstoff und / oder eines Sauerstoff enthaltenden Gases besteht.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Prozeßgase weniger als 1000 ppm, vorzugsweise zwischen 30 und 250 ppm Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas enthält.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß wenigstens eines der Prozeßgase 02, O3, H20, NH3, H2, ein Edelgas oder ein Inertgas enthält.
EP01933968A 2000-05-18 2001-05-16 Einstellung von defektprofilen in kristallen oder kristallähnlichen strukturen Withdrawn EP1282912A1 (de)

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