DE19740905C1

DE19740905C1 - Verfahren zum Beseitigen von Sauerstoff-Restverunreinigungen aus tiegelgezogenen Siliziumwafern

Info

Publication number: DE19740905C1
Application number: DE19740905A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Strack
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2017-09-18
Also published as: US6063684A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beseitigen von Sau erstoff-Restverunreinigungen aus tiegelgezogenen Siliziumwa fern.

Die Verwendung von zonengezogenem Silizium zur Herstellung von aktiven Bauelementen ist allgemein bekannt. Für aktive Leistungs-Halbleiterbauelemente in Vertikalbauweise hat sich aber gezeigt, daß die Verwendung von zonengezogenem Silizium in der Massenfertigung Grenzen hat, da lediglich Wafer mit einem Durchmesser ≦ 150 mm hergestellt werden.

Ferner ist es bekannt, sogenannte Siliziumepitaxiewafer zu verwenden. Solche Siliziumepitaxiewafer sind hochdotierte Si liziumwafer, auf denen eine niedrig dotierte epitaktische Si liziumschicht aufgebracht ist. Je höher aber die Sperrspan nung ist, für die die zu prozessierenden Leistungs-Halblei terbauelemente ausgelegt sein sollen, desto dicker muß diese Epitaxieschicht sein. Dies führt wiederum zu hohen Herstell kosten.

Ferner sind sogenannte tiegelgezogene, d. h. nach dem Czochralsky-Verfahren gezogene, Siliziumwafer bekannt. Der Einsatz dieser tiegelgezogenen Wafer wäre ökonomisch sinn voll, da mit diesem Verfahren Wafer mit sehr großen Durchmes sern herstellbar sind. Solche Wafer konnten aber bisher in vielen Anwendungen, insbesondere bei vertikalen Leistungs-Halb leiterbauelementen, nicht eingesetzt werden, da tiegelge zogene Siliziumwafer Dotierungsfluktuationen ("striations") und Störungen durch eingebaute Kohlenstoff- und Sauerstoff verunreinigungen aufweisen, die die Bauelementeeigenschaften beeinträchtigen.

Das Kristall-Ziehen aus der Schmelze nach Czochralsky ist ein allgemein eingesetztes Verfahren zur Herstellung von Einkri stallen. Mittels eines passend orientierten Impfkristalls, der mit der Schmelzenoberfläche kurz in Berührung ge bracht und dann langsam, d. h. teilweise langsamer als 1 mm/min, nach oben wieder herausgezogen wird, lassen sich re lativ große Einkristalle herstellen. Eine Drehbewegung des Impfkristalls, z. B. 20 Umdrehungen pro Minute, sorgt dabei für gleichmäßige Kristallisation und ebenso für gleichmäßigen Einbau von der Schmelze beigegebenen Dotierstoffen.

Wichtig ist das Temperaturprofil an der Grenze zwischen der Schmelze und dem festen Kristall sowohl für das mechanisch spannungsfreie Wachstum als auch die Homogenität einer Dotie rung senkrecht zur Zierrichtung. Bei nicht planer Fläche konstan ter Temperatur treten Ringstrukturen ("striations") mit mi kroskopischen Dotierungsschwankungen auf, welche insbesondere für die Anwendung bei vertikalen Leistungs-Halbleiterbauele menten sehr störend sind.

Kritisch ist im Fall von Silizium die Wahl des Tiegelmateri als. Zur Auswahl stehen Quarz oder Graphit, mit einer Hart graphit-Oberflächenschicht (Glanzkohle) versehener Graphit sowie Bornitrid.

Die hohe Schmelztemperatur von 1415°C bedingt, daß Verunrei nigungen aus dem Tiegelmaterial in die Schmelze eintreten.

Die beiden hauptsächlichen Restverunreinigungen von tiegelge zogenen Silizium-Einkristallen sind geringe Mengen von Sauer stoff und Kohlenstoff (etwa 0,02 ppm). Die auftretenden Koh lenstoffverunreinigungen, die aus dem Tiegelmaterial stammen, sind in der Regel unkritisch da der Kohlenstoff in Silizium keine dotierende Wirkung aufweist. Bedenklich sind aber die Sauerstoff-Verunreinigungen.

Die Sauerstoffverunreinigungen im tiegelgezogenen Silizium werden seit langen zum "intrinsischen" Gettern ausgenutzt. Dabei werden die Siliziumwafer einem Temperzyklus unterzogen, um eine defektfreie oberflächennahe Zone zu erzeugen. Dieser Temperzyklus besteht aus einem ersten Hochtemperaturschritt bei etwa 1100°C, gefolgt von einem Niedertemperaturschritt bei etwa 650°C und einem zweiten Hochtemperaturschritt bei etwa 1000°C.

Dieser Temperzyklus, der auch "denuding-process" genannt wird, ist dabei sehr stark von der anfänglichen Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentration im Silizium abhängig. Die Bil dung einer "denuded zone" ist beispielsweise in "Semiconductor Materials and Process Technology Handbook", Gary E. McGuire, Noyes Publications, 1988, S. 42 beschrieben.

Der erste Hochtemperaturschritt löst die vorhandenen Sauer stoffausscheidungen auf und ermöglicht so die Ausdiffusion des Sauerstoffs aus den Oberflächen des Siliziumwafers. Bei dem anschließenden zweiten Niedertemperaturschritt werden im Volumen des Siliziumwafers, d. h. also unterhalb der "denuded zone", Keime erzeugt. An diesen Keimen wachsen beim sich an schließenden Hochtemperaturschritt Ausscheidungen, die als Getterzentren für Sauerstoff, Schwermetalle und andere De fekte während des Herstellprozesses dienen.

Die bei diesem Verfahren nutzbare aktive Zone, die sogenannte "denuded zone", ist nur einige Mikrometer tief, so daß dies die Verwendung so behandelter Siliziumwafer für die Herstellung von aktiven vertikalen Leistungs-Halbleiterbauelementen, deren Raumladungszonen ca. 100 Mikrometer oder noch tiefer in das Volumen des Siliziumwafers hineinreichen, ausschließt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues, wesentlich effektiveres Verfahren zum Beseitigen von Sauer stoff-Restverunreinigungen aus tiegelgezogenen Siliziumwafern anzugeben, das dieses insbesondere für die Verwendung zur Her stellung von hochsperrenden vertikalen Leistungs-Halbleiter bauelementen zugänglich macht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der ein gangs genannten Art gelöst, das folgende Schritte umfaßt:

a) Bereitstellen eines Siliziumwafers mit einer Vorderseite und einer Rückseite;
b) Ätzen einer Vielzahl von Gräben in die Vorderseite des Si liziumwafers;
c) Aufheizen des Siliziumwafers auf eine Temperatur von ca. 1100°C unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre und an schließendes
d) Auffüllen der Gräben mit epitaktisch abgeschiedenem Sili zium.

Durch dieses Verfahren werden die Sauerstoffausscheidungen im Inneren des Siliziumwafers aufgelöst und können durch die Vielzahl der Gräben sehr stark vergrößerte Oberflä che des Siliziumwafers effektiv ausdiffundieren.

Typischerweise werden die Gräben in einer Tiefe in die Vor derseite des Siliziumwafers geätzt, die in etwa der Raumla dungszonentiefe der später zu prozessierenden aktiven verti kalen Leistungs-Halbleiterbauelemente entspricht.

Typischerweise wird nach Aufheizen des Siliziumwafers auf die Temperatur von ca. 1100°C die geätzte Grabenstruktur in der Siliziumwafervorderseite noch einmal überätzt, um die genauen Grabenkonturen wieder herzustellen, die durch den Temper schritt eventuell beeinträchtigt worden sind.

In einer Weiterentwicklung wird nicht nur nach dem Aufheizen des Siliziumwafers auf eine Temperatur von ca. 1100°C die Grabenstruktur überätzt, sondern wird vielmehr nach dem Über ätzen noch einmal der Siliziumwafer auf eine Temperatur von ca. 1100°C aufgeheizt, um die Ausdiffusion der Sauerstoffaus scheidungen zu effektivieren. Danach kann nochmals die Gra benstruktur überätzt werden. Insgesamt kann das Überätzen und Tempern des Siliziumwafers mehrfach wiederholt werden.

Vorzugsweise werden die Gräben mit Silizium über mehrere auf einanderfolgende Epitaxieschritte aufgefüllt, um eine lunker freie Auffüllung zu gewährleisten. Dabei können sämtliche aus der DRAM-Technologie bekannte Verfahren angewendet werden.

Für spezielle Anwendungen kann man die Gräben auch nur teil weise füllen und mit z. B. Oxid verschließen.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen der Siliziumwafer und das epitaktisch abgeschiedene Silizium den gleichen Leitfähigkeitstyp auf.

In einer alternativen Ausführungsform weisen der Siliziumwa fer und das epitaktisch abgeschiedene Silizium den entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyp auf. Durch diese Vorgehensweise können für aktive vertikale Leistungs-Halbleiterbauelemente, insbesondere für Leistungstransistoren und IGBT's Innenzonen bereitgestellt werden, die aus abwechselnden p- und n-Zonen aufgebaut sind und im Sperrbetrieb des Leistungs-Halbleiter bauelements sich diese alternierenden Zonen gegenseitig aus räumen, so daß eine sehr hohe Sperrspannung erzielt werden kann. Im Durchlaßbetrieb wird durch die alternierenden Zonen eine hervorragende Leitfähigkeit gewährleistet.

In einer Weiterentwicklung dieser alternativen Ausführungs form wird ein hochohmiger Siliziumwafer verwendet, d. h. ein Siliziumwafer der keine oder nur eine sehr geringe Dotierung aufweist, und das epitaktisch abgeschiedene Silizium weist Dotierstoffe vom ersten und vom zweiten Leitfähigkeitstyp in etwa gleichen Mengen auf. Die Diffusionskoeffizienten der beiden Dotierstoffe unterscheiden sich dabei deutlich vonein ander. Nach Abscheidung und Auffüllung der Gräben wird der Siliziumwafer dann einem Temperschritt unterworfen, bei dem die beiden unterschiedlich diffundierenden Dotierstoffe in den Siliziumwafer eindiffundieren und sich an den Grabenrän dern Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausbilden. Vorteil und Wirkungsweise der so entstehenden Strukturen sind identisch zu den im vorherigen Absatz diskutierten Struktu ren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschau licht und im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen tiegelgezogenen Silizi umwafer mit eingeätzten Gräben und

Fig. 2 einen Schnitt durch den Siliziumwafer aus Fig. 1 nach erfolgter Auffüllung der Gräben.

Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, wird bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ein Siliziumwafer 1 bereitge stellt, der eine Vorderseite 2 und eine Rückseite 3 aufweist.

Der gezeigte Siliziumwafer 1 wurde mit der Schmelze aus dem nach Czochralsky benannten Verfahren gezogen. Im einzelnen wurde ein im vorliegenden Fall (111)-orientierter Impfkri stall verwendet, der mit der Schmelzenoberfläche kurz in Be rührung gebracht und dann langsam nach oben herausgezogen wurde. Der Schmelze und dem Impfkristall wurden Dotierstoffe vom n-Typ beigegeben, im vorliegenden Fall Arsen.

Aus dem so gezogenen Siliziumstab wurde dann der gezeigte Si liziumwafer 1 herausgesägt.

In die Vorderseite 2 des Siliziumwafers 1 wurden daraufhin naßchemisch eine Vielzahl von Gräben 4 geätzt. Durch die Wahl der (111)-Orientierung wird das naßchemische Ätzen sehr stark unterstützt, da dadurch das Ätzen von tiefen Gräben und ins besondere auch die Ätzgeschwindigkeit gegenüber einer (100)-Orientierung stark begünstigt ist.

Nach dem Ätzen dieser Gräben wurde der Siliziumwafer 1 auf eine Temperatur von ca. 1100°C in einem Ofen unter einer Schutzgasatmosphäre aufgeheizt. Durch die Vielzahl von Gräben 4 ist die Oberfläche des Siliziumwafers 1 auf der Vorderseite 2 sehr groß, so daß sich bei diesem Hochtemperaturschritt die im Inneren des Siliziumwafers 1 befindlichen Sauerstoffaus scheidungen auflösen und ausdiffundieren können.

Nach der erfolgten Ausdiffusion der Sauerstoffverunreinigung erfolgte eine Überätzung der in die Vorderseite 2 des Silizi umwafers 1 eingebrachten Gräben 4, um die Grabenkonturen prä zise wieder herzustellen und etwaige Verunreinigungen auf der Oberfläche zu beseitigen.

Anschließend erfolgte eine erste epitaktische Abscheidung ei ner Siliziumschicht 5a, was in der Fig. 2 zu sehen ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist diese aufgebrachte Epita xieschicht eine p-Dotierung auf. Als p-Dotierstoff wurde im gezeigten Ausführungsbeispiel Bor gewählt.

Danach erfolgte eine zweite epitaktische Abscheidung einer Si liziumschicht 5b. Diese Epitaxieschicht weist ebenfalls eine Bor-Dotierung auf.

Durch diese zweifache Epitaxie wird eine lunkerfreie Auffül lung der Gräben gewährleistet. Die in der Vorderseite 2 des Siliziumwafers 1 entstehenden abwechselnden p- und n-Zonen dienen dazu, im Sperrbetrieb eines vertikalen Leistungs-Halb leiterbauelements sich gegenseitig auszuräumen und eine hohe Sperrspannung sicherzustellen. Im Durchlaßbetrieb gewährlei sten diese alternierenden Zonen eine hervorragende Leitfähig keit.

Der Abstand der Gräben kann zwischen einem Mikrometer und etwa zehn Mikrometern gewählt werden. Der Durchmesser der Grä ben beträgt typischerweise zwischen einem Mikrometer und fünf Mikrometern.

Claims

1. Verfahren zum Beseitigen von Sauerstoff-Restverunreinigun gen aus tiegelgezogenen Siliziumwafern mit folgenden Schrit ten:

a) Bereitstellen eines Siliziumwafers (1) mit einer Vorder seite (2) und einer Rückseite (3),
b) Ätzen von zumindest einem Graben (4) in die Vorderseite (2) des Siliziumwafers (1),
c) Aufheizen des Siliziumwafers (1) auf eine Temperatur von ca. 1100°C unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre und anschließendem
d) Auffüllen des mindestens einen Grabens (4) mit epitaktisch abgeschiedenem Silizium (5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ver fahrensschritt c) der mindestens eine Graben (4) überätzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Über ätzen des mindestens einen Grabens (4) der Siliziumwafer (1) nochmals auf eine Temperatur von ca. 1100°C unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre aufgeheizt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auf füllen des mindestens einen Grabens (4) mit epitaktisch abge schiedenem Silizium über mehrere aufeinanderfolgende Epita xieschritte erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Gra ben (4) in eine Tiefe in die Vorderseite (2) des Siliziumwa fers (1) geätzt wird, die in etwa der Raumladungszone der zu prozessierenden aktiven vertikalen Leistungs-Halbleiter bauelemente entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sili ziumwafer (1) und das epitaktisch abgeschiedene Silizium (5) vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sili ziumwafer (1) und das epitaktisch abgeschiedene Silizium (5) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochohmiger Siliziumwafer (1) verwendet wird und daß das epi taktisch abgeschiedene Silizium (5) Dotierstoffe vom ersten und vom zweiten Leitfähigkeitstyp in etwa gleichen Mengen enthält, wobei die Diffusionskoeffizienten der beiden Dotier stoffe sich deutlich voneinander unterscheiden, und daß da nach der Siliziumwafer (1) einem Temperschritt unterworfen wird, bei dem die beiden unterschiedlich diffundierenden Do tierstoffe in den Siliziumwafer eindiffundieren und sich an den Grabenrändern Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausbilden.